《時間簡史（普及版）》知識點整理

前言

我是大一時（三年前）讀的這本書，當時就反覆讀了好幾遍，並記錄了每個章節的重要知識點。

高中時就對近代物理學的兩大理論——相對論和量子力學，感到震撼與痴迷。一方面，這兩個理論深深地改變了我的世界觀。讓我知道了原來我們所處的世界，包括光、時間、空間等等看似簡單的概念，並沒有那麼簡單。除了收穫了新知識，另一方面，也讓我了解了許多相關的物理學史，從中獲得了許多做人做事的啟發，比如敢於挑戰權威、不能拘泥於傳統的思維模式、充分發揮想像力等等。

所幸《大學物理》教材上對這兩個理論有比高中教材更深入的剖析，比如公式的數學推導等等。結合教材上的內容以及自己的思考，我對這本書上的知識點給了一些補充與批註，當然其中一定會有謬誤，希望高手可以指出。

不過，想要深刻理解其中的內容，我等凡人還是無法達到，至少數學功底還差得遠。因此能夠學習到其中的皮毛，並有自己的心得體會，那也就值了！?

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譯者序：

1、最近10年（相對於2004年）的觀測已經確認宇宙的年齡約為137億年。

2、科學家認為宇宙是開放的，並永遠膨脹下去，且其膨脹率正在不斷增大。也就是說，宇宙的膨脹不僅沒有因物質的萬有引力而減緩，反而由於在宇宙中存在某種暗能量而加速。至於暗能量的機制是什麼，這是當代宇宙學的最大課題之一。

第一章——思索宇宙

1、除了太陽，最近的恆星是比鄰星（也叫半人馬α星），相距約4光年。

第二章——宇宙演化的圖象

1、一個簡單的事實證明地球是「圓」的：一艘從地平線上駛來的帆船，它的桅杆和船帆最先顯露出來，隨後才是船身。

2、肉眼只能觀察到這5顆行星：水星、金星、火星、木星和土星。

第三章——科學理論的本性

1、任何自然科學理論可以說都只是一個「假說」。在這個意義上，它都只能是暫時的「正確」，因為你不能證明它是永遠正確的（不管實驗的結果有多少次與這個理論吻合，你都永遠不能斷定下一次的實驗結果還與它吻合）。另一方面，一旦找到任何一個與該理論不吻合的實驗結果，就足以將它證偽。然後，我們就必須拋棄或修正它。

第四章——牛頓之宇宙

第五章——相對論

1、麥克斯韋理論意味著，電磁波（以光為代表）以某種固定速度（即光速）行進。而這很難與牛頓理論中不存在靜止的絕對標準的觀點相一致。因此，人們提出存在一種稱為「以太」的物質。它無處不在，包括真空，並認為光相對於以太的速度是不變的。然而，邁克耳孫-莫雷實驗證實了以太根本不存在。

2、相對論使絕對時空的觀念壽終正寢，也讓我們必須接受：時間不能完全和空間分離，而是和它相結合，形成一個稱為「時空」的客體。

3、1905年愛因斯坦發表了狹義相對論，成功解釋了為什麼光速在任何慣性系中對所有觀測者都是相同的。同時也提出了一切物體的速度不能超越光速，包括引力傳播的速度，而這與牛頓引力論（引力以無限大的速度傳播）不相協調。直到1915年，他才又提出了一個更具革命性的理論——廣義相對論。

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附：對質能方程*的正確理解

1、正確理解E與m的具體含義：當物體靜止時，m表示靜止質量，E表示靜止能量；當物體運動時，m表示運動質量，E表示靜止能量加上動能。

2、a.質量和能量可以相互轉化。b.原子核的質量虧損現象不滿足質量守恆定律。這兩個說法都是錯誤的！

正確理解是：在發生核聚變或核裂變（實際上這兩種核反應都是由比結合能小的原子核轉變為比結合能大的原子核的過程）時，結合能（也叫核能）被釋放，虧損的質量轉化為了光子的運動質量（光子無靜止質量，其運動質量計算公式為**，且光子只有動能）。註：結合能的概念其實很廣泛，比如多個原子在形成分子時也會釋放出結合能，但是這種結合能與多個核子在形成原子核時的能量相比小很多，通常忽略不計。因此，上述的結合能也叫核能。

3、另外，必須注意：在經典力學中，物體的動能公式是***。而在相對論中，物體的動能公式是****。當物體的運動速度v遠小於光速c時，物體的運動質量近似為靜止質量，因此相對論中的動能公式就能被經典力學中的動能公式替代。

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第六章——彎曲空間

1、球面上任意兩點之間的最短距離（也叫測地線）是這兩點與球心所確定的圓周上的劣弧（或半圓）。所以，在一張平面地圖上，兩點之間的最短距離並不是這兩點所確定的線段。

2、狹義相對論的基本原理

a.光速不變原理：在所有慣性系中（在廣義相對論中推廣到所有參考系），真空中的光速不變。

b.狹義相對性原理：在所有慣性系中，物理定律都具有相同的數學形式。這是伽利略相對性原理的推廣。

3、廣義相對論的基本原理

a.等效原理：一個均勻的引力場與一個勻加速直線運動的參考系等效。

b.廣義相對性原理：在所有參考系中，物理定律都具有相同的數學形式。這是狹義相對性原理的推廣。

4、廣義相對論的預言：水星近日點的進動、光在引力場中的彎曲（不能理解為光受到了引力的作用而發生彎曲，因為在廣義相對論中不存在「引力」的概念！）、引力紅移（包括強引力場周圍的時間比弱引力場流逝得快）、引力波等。

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思考：廣義相對論與狹義相對論相比，其「廣義」之處在哪？

1、通過等效原理將相對性原理由所有慣性系推廣到所有參考系。

2、不再認為引力是一種力，而是時空的彎曲。

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第七章——膨脹的宇宙

1、哈勃發現從大多數星系獲得的光譜呈現紅移（主要是由於多普勒效應，而非引力紅移效應），並且越遠的星系，遠離我們的速度越快，從而發現了宇宙正在膨脹。

另外需要注意：多普勒效應與引力場都會導致光譜紅移，但是二者的原理不同。

2、愛因斯坦於1915年表述廣義相對論時，很堅信宇宙必須是靜止的。他甚至在引力場方程中引進一個宇宙常數來敷衍。後來，他又否定了宇宙常數，並說這是他在學術上犯下的最大錯誤。但是，最近幾年的觀測指出：宇宙的膨脹實際上不是減慢的，而是加速的。弗里德曼的三個模型中沒有一個能解釋它，這意味著愛因斯坦引進的宇宙常數（以及它的反引力效應）或許是正確的。

第八章——大爆炸、黑洞和宇宙的演化

1、在早期宇宙中，存在電子/正電子對碰撞創生光子（γ射線）和相反過程（注意不是所有光子碰撞都能發生反應，必須是能量很高的光子）之間的平衡。隨著宇宙溫度的下降，這種平衡變得對創生光子有利。

1.恆星的初始燃料（氫）越多，它就會越快燃盡。因為恆星的初始燃料越多，其質量越大，為了平衡引力，它就必須越熱，從而核聚變反應就越快。

2.廣義相對論的局限性在於它預言了宇宙中（包括在大爆炸時）存在奇點，即密度和時空曲率無限大的位置。

第九章——量子引力

1、海森堡提出的不確定性原理（也叫測不準原理）表明了我們無法在某一時刻既精確地知道粒子的速度，又精確地知道它的位置。同時，這意味著拉普拉斯決定論的終結。

2、普朗克提出「能量不是連續的，而是量子化的」，這成功解釋了黑體輻射的問題。量子力學就是從這以上兩個原理髮展而來的。後來，普朗克又提出了普朗克時間、普朗克長度以及普朗克能量的概念。

3、量子力學將一種不可預測性或隨機性的不可迴避因素引入了科學，但這並不意味著它限制了科學。因此，愛因斯坦的名言——「上帝不擲骰子。」不攻自破。而量子力學中，粒子都是由波（粒子的波粒二象性）來代表的。

4、單個電子在雙縫干涉實驗中仍然出現了干涉條紋，它與自己發生了干涉！量子力學也解釋了為什麼電子的輻射不會使電子坍縮到原子核上。

第十章——蟲洞和時間旅行

1.哥德爾不完備性定理粉碎了大數學家希爾伯特對「嚴謹數學」的宏偉計劃。

2.蟲洞（又叫為愛因斯坦-羅森橋）只能維持很短的時間。

3.根據費恩曼的對歷史求和，粒子順時運動等效於反粒子逆時運動。

第十一章——自然的力和物理學統一

1、在量子力學中，粒子之間所有的力都是由虛粒子攜帶的。正如，引力由引力子（至今未被發現）的交換引起；電磁力由（虛）光子的交換引起；強核力由膠子的交換引起；弱核力由W及Z玻色子的交換引起。虛粒子永遠不能直接被檢測到，但具有可測量效應。

2、尋找一個把引力與其它力統一的理論的主要困難在於，廣義相對論認為引力是時空的幾何屬性（即曲率），它沒有考慮不確定性原理。

3、在弦論中，它研究的基本對象不是粒子，而是具有長度但不具有其它維度，像一段無限細的弦的東西。

4、空間是三維的重要性：在多於三維的空間中，行星的軌道將是不穩定的，而行星要麼以螺旋線的軌道落到太陽上，要麼完全逃脫它的吸引。（電子也是如此。）

5、人存原理：我們看到的宇宙之所以是這樣的，是因為我們的存在。

第十二章——結論

1、對於年份是100的整數倍的年份，有兩種情況：當年份是400的整數倍時是閏年；是100的整數倍而不是400的整數倍時是平年。比如，公元2000年是閏年（366天），公元1900年是平年（365天）。???

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