解讀 | 《時間簡史：從大爆炸到黑洞》

【讀前思考】

你了解自己身處的宇宙嗎？

物理學的進展怎樣影響著我們對宇宙的理解？

黑洞是什麼，有些什麼特性？

【作者簡介】

史蒂芬·霍金，英國物理學家，是本世紀享有國際盛譽的偉人之一，當代最重要的廣義相對論和宇宙論家。榮獲英國劍橋大學盧卡斯數學教席，這是自然科學史上繼牛頓和狄拉克之後榮譽最高的教席。

【內容介紹】

本書出版與1988年，已被翻譯成40多種文字，銷量近千萬冊，本書是霍金寫的一本關於宇宙、時間、空間的通俗讀物。共12章，今天我們將分三部分來解讀這本書。

第一部分講講人類對於宇宙認識的歷史

第二部分的是講述物理學發展的歷史，這是我們理解現代宇宙學的基礎

第三部分，霍金介紹了他對黑洞性質的研究

（一）

第一部分，人類對宇宙認識的歷史

在人類對宇宙認識的變遷當中依次出現了四個主要學說，分別是地平說、地心說、日心說和無限宇宙論。

最初人類認為地球是平的也就是地平說。這符合我們對世界的直觀印象，但隨著人類知識的積累，科學技術的不斷進步，人類逐漸認識到地球是圓的，於是地平說不再成立。

在2000多年前誕生了地心說，地心說的支持者以亞里士多德和托勒密代表的哲學家，他們認為地球是宇宙中心，日月星辰都圍繞著地球旋轉，這種觀點是符合當時人類的天文觀測水平的。

直到十六世紀哥白尼發現了地心說的邏輯錯誤，地心說跟天文觀測有誤差，從而提出了日心說。認為太陽產生宇宙的中心，地球是太陽的一顆行星。伽利略和開普勒又對日心說進行了證實、修正和擴充。

一百多年之後，牛頓繼承了哥白尼以來的宇宙討論，他發現萬物運行靠引力，從而解決了太陽系和恆心的動力學問題，從引力性質出發牛頓推測，這個世界是無窮無盡的，也就是無限宇宙論。

人類對宇宙的理解是基於物理學的發展，宇宙學研究的是日月星辰的運行規律，物理學研究的是物體運動的本質規律，所以在第二部霍金用四個章節講述物理理學知識的進展。

（二）

在這一部分，我們會講到一亞里士多德和牛頓為代表的經典物理學和20世紀物理學的兩大支柱----廣義相對論和量子力學。我們發現物理學和天文學是互相影響的，物理學的發展改變著我們的宇宙觀念。

在經典物理學的世界，亞里士多德的運動學認為，力是維持物體運動的原因，不受力的物體就保持著靜止，所以在他的地心說宇宙模型看來，地球靜靜地躺在宇宙中心，日月星辰分成各個圈層，圍繞著地球運動，但是什麼在推動著日月星辰運動呢？

亞里士多德設想，在恆星那一層之外又一個不動的推動者，這就是著名的第一推動。推動者是誰？不知道。

牛頓的萬有引力定律和三個運動定律，想必你在高中物理課堂上被他們所謂難過，它們之所以重要，是因為它們第一次定量的解釋了物體的運動規律，也把宇宙的討論範圍擴展到了太陽系之外。

在討論宇宙的時候，牛頓認為恆星組成的宇宙應該是穩定不變的，因為數千年來我們看到的星空幾乎行。因而宇宙群星整體上應該是處於靜止狀態，牛頓認為萬有引力定律同樣適用於恆星之間，引力會引起蘋果落下來，也會引起一切有質量的物體向中心下落，所以宇宙應該是無限大的不存在中心，因為假如宇宙大小有限，恆星就會在引力的作用下向中心聚集、坍縮，從而就無法保持靜止不動，宇宙就會在並不太長的事件當中毀滅。

在無限大的宇宙當中，對於任何一個物體來說，受到來自各個方向的引力保持平衡，於是我們就可以看到安靜的夜空，這就是牛頓的靜止無限宇宙觀。它主要包括下幾點：

1、空間平直且無窮無盡

2、時間均勻流動，且各處都相同。

3、物質在空間和時間的剛性舞台上運動。所謂剛性舞台，時間和空間是固定不變的。

當時人類還不知道恆星壽命竟然長達數千萬，甚至百億年，對於我們來說，恆星看起來似乎確實是永恆的。另外當時的人類也沒有發現一個物體的運動速度如果超過了光速，時間就不再是均勻流動的。畢竟光速是超出人類日常經驗。

牛頓的宇宙觀持續了200年，當物理新思想、天文新發現接踵而來的時候，牛頓的無限宇宙論也就隨之瓦解。這個新理論就是愛因斯坦的廣義相對論。

20世紀初愛因斯坦認真考慮了光速問題，愛因斯坦把光速不變作為了狹義相對論的基礎，把時間和空間聯繫起來，從而改變了人類的時空觀念。

經過十年努力，愛因斯坦又把引力擴大到了相對論當中，提出了廣義相對論，時空不是牛頓認為的那樣是平直的，而是受到大質量天體影響發生彎曲。

牛頓告訴我們空間是平直的，由於引力作用地球在橢圓軌道上圍繞太陽運動，愛因斯坦的則是認為太陽巨大的質量把時空的彎曲，宇宙時空結構本身就是個曲面，愛因斯坦的引力的本質進行了重新解釋，他認為時空的彎曲產生了引力，這也是廣義相對論最核心的思想。

利用廣義相對論，物理學家弗里德曼和勒梅特發現，空間不可能一直保持靜止。1929年，美國天文學家哈勃發現了宇宙確實是處於膨脹的狀態。

除了廣義相對論，20世紀物理學新大廈的另一支柱是量子力學，他也支撐著宇宙學的新發展，講量子力學之前，我們先來認識一下光子、電子、原子核這些小夥伴兒，他們都叫微觀粒子。一起構成的宏觀世界的物質。比如說光子構成了光，電子圍繞著原子核旋轉組成分子，而分子是構成實物的基本粒子。

量子力學告訴我們，微觀粒子的能量是量子化的、不連續的。微觀粒子遵循的規律，跟宏觀世界的規律大相徑庭，宏觀物質的運動雖然複雜，但是只要測量精確，數據完善，就可以做出準確的預測。就像如果街頭上遍布探頭，我們就能夠記錄一個人的日常行蹤，判斷他的行動目標，所以牛頓經典物理學是確定論。

但是在量子世界的發現打破了確定論，不確定性原理告訴我們，無論如何努力也都無法準確測量一個微觀粒子的所有的物理性質。比如說位置、速度。為了探測粒子的性質，我們必須用另一個已知的粒子。比如說光子作為探針，但是這個探針本身就會干擾粒子的狀態，這種不確定性本質上不是有干擾造成的，而是微觀粒子本身的性質，也就是說光子、電子、原子這些粒子的位置分布本來就具有隨機性。

量子力學和相對論聯手成就了我們對宇宙的新理解。關於量子力學的研究，讓我們探索到星體內部微觀世界的規律，比如說在恆星的中心，氫原子核通過核聚變形成氦原子核，這個過程當中釋放的能量以光的形式發射出來。

相對論則為我們展示了宏觀世界的規律，大質量的星體一起時空彎曲，時空彎曲是引力之源。各宇宙天體在這樣的引力空間當中運行著，於是，科學家們預測宇宙起源於一次大爆炸，而後不斷的膨脹，在這個過程當中誕生了宇宙當中的微觀粒子，形成了恆星和星系，進而在恆星演化過程當中形成各種元素，這些元素在宇宙當中重新聚集，形成了新的恆星，行星，包括地球，這就是宇宙大爆炸理論。

物理學新知識的產生，改變了人類對於天文學的認識，現代宇宙學誕生了，我們甚至認為這一次的宇宙學才脫離了哲學思辨，進入到科學研究的範疇。

上世紀60年代，天文觀測的新發現，有力的支持了宇宙大爆炸理論，天文學家觀測到非常遙遠的星體，這種類似恆星的天體簡稱「類星體」，它其實是正在吸收物質的大黑洞。它存在於遙遠的過去，這說明宇宙並不是一成不變的，確實存在演化。

微波背景輻射，是瀰漫在宇宙中所有方向的低頻電磁波，它來自宇宙形成初期，性質符合大爆炸理論的預言，這些證據的支持，讓宇宙大爆炸理論得到科學界的承認，取代了牛頓的禁止無限宇宙觀，而霍金對於黑洞的研究也正是由此開始的。

（三）

接下來我們進入第三部分，一起來說一說黑洞，當一個大質量恆星的燃料耗盡之後，會發生猛烈的爆炸，沒有了熱量的支撐核心處的物質會在自身引力的作用下發生坍塌，形成緻密性體，這就是黑洞。

如果說太陽下要成為黑洞，就得把現在140萬公里直徑壓縮到三公里大小，如果要把直徑1萬公里的地球變成黑洞，那麼地球的直徑就只有兩厘米。因為坍塌處的引力非常大，連光線都無法逃脫，從外表看來就是個黑窟窿，所以說稱為黑洞，這是「裸黑洞」。

黑洞周圍如果沒有任何物質我們是看不到它的，因為它是黑的，宇宙也是黑的，但是如果黑洞周圍有物體正在往裡邊掉，黑洞強大的引力場會加速物質的運動，讓它變得能量很高，從而發光發熱，在進入黑洞之前，發出強烈的輻射，也就是說正在吞噬物質的黑洞，算得上宇宙當中最明亮的天體。

1965年在天鵝座發現了一個強烈輻射x射線的天體，叫做天鵝座x1，被認為是我們發現的第一個黑洞。對於宇宙學特別是黑洞的研究，可謂是人類思想史上最大的一個腦洞。

基於愛因斯坦天才的想像力和數學推理，在完全看不到黑洞的情況下，霍金等人竟然推導出來關於黑洞的許多性質：

第一黑洞起點問題。1960年代，霍金開始研究黑洞起點問題，所謂起點，就是我們在數學上把零放在分母上出現的無限大情況。霍金和另一位英國物理學家彭羅斯在研究當中發現，根據廣義相對論，黑洞當中必然存在著這樣無限大密度的空間，這就是起點。然而我們所有的物理學定律都處理不了無限大的情況，也就是說，人類已知的科學定律在起點上是失效的，起點在科幻領域是非常熱門的詞，2014年科幻電影，星際穿越當中描述人類可能通過起點進行時間旅行。

第二黑洞無錨定理。1971年，霍金證明了旋轉的黑洞必須是軸對稱的，其他科學家把這個證明發展成黑洞無錨定理，處理個錨，是指多餘的性質，也就是說，黑洞的性質僅僅是由它的質量 攪動量和電荷決定的，所以也可以叫黑洞三錨定理。不管形成黑洞的物質究竟是什麼，黑洞究竟是什麼形狀，黑洞都沒有複雜的性質，黑洞是一個極其簡單的物體。

第三黑洞面積不減定理，霍金還發現，只要有東西掉進黑洞，黑洞面積就會增加。兩個黑洞合併成一個合併而成的新黑洞，面積就會等於或者是大於兩個黑洞之和。也就是說黑洞的面積永遠不會減少，這就是黑洞面積不減定理。當兩個黑洞合併成一個大的黑洞，虧損的質量會以引力波的形式，釋放到宇宙空間，傳遞到地球上，這就是引力波事件。2015年激光干涉引力波天文台探測到了引力波，因此獲得了2017年諾貝爾物理學獎。

第四是黑洞不是黑的，黑洞面積不減的性質，讓我們聯想到熱力學當中的熵增定律，那什麼是熵增定律呢？在熱力學中一個系統，如果沒有外力做功，他的混亂程度總是在增加的。就像那些熊孩子的房間，玩具繪本總是越來越亂，不會自行回到擺放的位置上去，這就是熵增。

然而這一類比就意味著黑洞如果數據有熵，它就會對應一定的溫度，因此具有輻射，但是黑洞是黑的，連光都逃不出來，怎麼還會有輻射呢？為了解決這一矛盾，霍金提出了他最有名的貢獻，也就是把量子力學應用於黑洞研究，這就是黑洞的霍金輻射。

從量子力學的角度來看，我們所謂的真空，其實並不是真的空無一物，而是隨時會產生許多動態的正反粒子對，也就是量子力學允許存在一個過程，暫時從真空當中借出部分的能量，當然能量不能無中生有，所以說這樣的量子對一個具有正能量，一個具有負的能量，而且它們只能暫時存在，從宏觀上看，它們的能量總和仍然是零，因此，霍金提出在黑洞附近產生的正負能量粒子對，負能量粒子會落到黑洞裡面去，而正能量粒子會逃逸出來，在我們看來，就會等效於黑洞具有這種形式的輻射。從這個意義上霍金提出黑洞不是黑的。

黑洞質量越大，溫度越低，一般的黑洞，霍金輻射會非常微弱，比如幾倍太陽質量的黑洞，輻射的宇宙微波背景輻射還要微弱，我們目前發現的黑洞都不足以判下到這樣的輻射，所以目前來看，想要證明霍金輻射理論的正確性，還需要很長的時間。

（四）

在這本書的最後，霍金對科學與哲學的關係發出感慨，科學領域的逐漸擴展，實際上侵奪了許多原本屬於哲學討論的命題，比如對宇宙的研究，在20世紀以前，哲學家們對這個話題發表的意見更多，但是20世紀以後呢，在廣義相對論的基礎上，科學家們能夠討論整個宇宙的誕生和演化，它也就變成了一個科學問題，雖然哲學家和科學家分享了許多共同話題，但是他們的共同語言似乎越來越少了，終於出現了人文和科學之間的隔閡。

霍金指出，大部分科學家太忙於發展描述宇宙的理論，卻很少去問為什麼？而哲學家們雖然說是想尋根問底，卻無法跟上科學理論的腳步，霍金認為在為科學層出不窮的新發現而激動的同時，不能忘記去追問深層次的問題。宇宙為什麼能夠存在？這是全人類共同的問題。

最後我們在來一起總結一下，《時間簡史》這本書為我們展現了宇宙觀念的變遷和物理學的大發展，以及關於黑洞的一些發現，人類宇宙觀念的變遷，經歷了地平說、地心說、日心說、無限宇宙論，再到現在的宇宙大爆炸理論。

宇宙科學的進步，得益於物理學大發展，亞里士多德和牛頓建立了經典物理學體系，人類認為萬有引力讓星體見相護之約，過著平靜的晝夜，進入20世紀後，物理學新大廈的兩大支柱，打破了這一平靜，廣義相對論告訴我們，引力來自於彎曲的時空，量子力學則是探索了微觀世界的規律，微觀粒子的運動是不確定性的，因為物理學的新發現，現代宇宙學應運而生。

早期，霍金對現代宇宙學的研究主要集中在黑洞，成果有四個：

1.因為黑洞無限大會引發黑洞起點問題讓時空穿越成為一種可能。

2.黑洞無錨定理決定它是一個簡單的物體。

3.黑洞面積不減定理。黑洞合併之後，面積只會增加不會減少。

4.黑洞不是黑的，科學家們正在探測黑洞的輻射。

人類天然的好奇心決定了對宇宙的追問，不會停止，我們正處在新發現層出不窮進展迅速的時代，《時間簡史》這本書之所以受到廣大讀者的追捧，是因為它向公眾提供了一個新的視野，讓我們知道宇宙正在以一種我們不可思議的方式運行著。。。

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