【笔记】史蒂芬 霍金：《时间简史》

写在前面的话：因为我没有什么物理学的基础，对于物理的理解，也仅仅依赖于这本书以及对网络百科的查阅。因此里面或许存在大量错误的认识，错误之处，敬请见谅。
又及：泼冷水的最高境界就是当你辛苦了几个晚上写出来的东西被人不耐烦地扫了一眼后说，写这些乱七八糟的东西干嘛，闲得无聊，浪费时间。。当然写这些东西既不能赚钱，也无法吸引别人的眼球，并且这也不是我的初衷，写这些东西，是由于我渴望把这些东西都梳理出来，不然看完就忘记，那岂不是怪可惜的。成长的最高境界就是当遇到别人泼你冷水的时候，你可以借着这冷水，把之前别人泼你的秽物清洗掉。在秽物与冷水之中的成长其实才是最高境界的成长。
 
这本书每天晚上读一章，十二章一共用了差不多两个周的时间读完。其实前五章几乎算是系统的根据物理学发展史梳理了一下到目前为止的基础物理。大概就是三个主要的理论。牛顿力学，相对论，量子力学。这三个都是局部的理论。牛顿力学在宏观的尺度上，在速度远低于光速的时候起作用。相对论的方程，在计算涉及到大爆炸初期的时候存在奇点。而量子力学的问题则在于不确定性原理桎梏了人们对微观粒子的精确观测。后面几章则侧重于对黑洞以及宇宙的讲解。
 
1基本粒子
在牛顿确立了经典力学之后，很长一段时间，人们相信，宇宙是可以被确定的。如果我们知道了一个物体的位置和速度，那么根据物理定理，就可以计算出任何其他时刻这个物体的状态。法国科学家拉普拉斯侯爵进一步认为，存在着某些定律，他们制约着所有事物的发展，甚至包括人类的行为。当然，这样的认识，给宿命论的生存提供了很大的发展空间。
但是随着物理学的发展，很快这种认识就被最早由海森堡（终于明白原来绝命毒师里老白的外号是从这里来的）所提出的不确定性原理所推翻。
不确定性原理的实质是人们无法同时确定一个粒子的速度与位置。这是由于在人们测量粒子位置与速度的时候，必须要把光照射到这个粒子上，一部分光波被这个粒子散射开，以此来确定粒子的位置。首先一个问题在于，把光打到这个粒子上，这本身就会对粒子的状态有所扰动。其次，人们无法把粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度，因此为了更精准的测量粒子的位置，必须用短波长的光。但是波长越短，频率就越高，其所具有的能量就越大，对粒子所产生的扰动也就越强烈，因而粒子速度的不确定性就越大。这导致一个问题，位置越确定，速度就越不确定；反之，速度越确定，位置就越不确定。
不确定性原理英文为，uncertainty principle，但是很长一段时间内，国内的翻译都是用测不准原理这个词。前者更侧重于去强调粒子本身所具备的一种性质，而后者则强调这是由于技术原因造成的一个问题。
关于基础物理，在刘慈欣的《三体》里，有个有趣的情节。在那本书里，外星人为了限制地球的科技发展，就用了某种手段让地球上的大型离子对撞机不起作用。大型离子对撞机一旦不起作用，那么人们就没有办法按照伽利略所建立的利用
测结果去检验物理理论的方式去发展基础物理。这样一来，地球上只存在技术进步，科学的发展就停滞了。
当然，这只是科幻小说里的情节。但是这反映了现在物理学的发展，严重的依赖于某些大型设备。而这些大型设备的建设，运行与维护，往往都需要雄厚的资金作为基础。
1928年，在一艘由印度去往英国的船上，一名年轻的印度学生，利用旅途的闲暇时间，在船舱里，就把恒星的种类与演化模型精确的计算出来了。而这种模型一直沿用至今。
但是，在今天，可能这是很难做到的。一方面，基础物理学已经有近一个世纪没有大的发展了，因此，其中的一些小细节的发展早就被开发殆尽。另一方面，现代的物理公式的计算已经非常复杂，对某些理论的计算，往往需要动用大型计算机，并且要经过很长时间的计算才能出结果。当然这还只是第一步，紧接着，还要动用现代的科技手段去检测那些理论。而有些理论，又往往注定在很长一段时间内，以我们人类的人力物力财力都没有办法去检测。就比如GUT理论。
GUT理论认为，有三种力：电磁力，弱核力，弱核力，其实是一种更本质的力在低能量下的三种不同表现。因此，如果能达到一种叫做大统一能量的能量强度，就能把这三种力还原成一种力。问题是，这种能量非常高，以至于如果要建造足以将粒子加速到大统一能量的机器，其体积必须和太阳系一样大。而目前为止，别说建一个那么大的机器，就是去到太阳系的边缘，我们都无法做到。
因此，今天的物理学，似乎只是在不断的进一步去完善技术，以用来榨干相对论与量子力学这两块海绵中最后的一滴水。而这两个基础理论都有其局限性，不是一个完善的完整的统一的物理学理论。即使是这样，由于我们目前落后的生产力水平，我们也很难像当初吃透牛顿力学那样去把相对论与量子力学完全吃透吃透。
当我们去认识一个已经完全发展完成的理论的时候，会发现这个理论相对比较完善简洁。而当我们去认识一个正在发展的理论的时候，我们往往会陷入无限复杂的细节泥潭中，无法自拔。而且，面对无限多的细节，里面可能只有一部分是正确的。往往我们曾经学习的，或现在正在学习的一些正在发展的理论，过一段时间就被证明是错误的，就会被淘汰掉。
我记得我高中物理学课本上，有一段是这样写的，现代物理学的一个终极目标就是去统一四种不同类型的作用力。我不晓得编书的人是不是就是这个意思，反正我们物理老师是这样对我们解释的。但是，事实上，按照霍老师的说法，不但作用力可以被统一到同一种本质之中，即使是物质，只要能量足够高，也可以与作用力相统一。
根据量子理论，宇宙中的一切都可以用粒子来描述。而根据粒子最基本的一个特性，自旋，可以把粒子分为两类：一类是组成宇宙中物质的粒子，这种粒子的自旋为1/2；另一类是物质粒子之间，起到力的作用的粒子，这种粒子的自旋为0，1和2。携带力的粒子，因为无法被直接探测到，因此也被称之为，虚粒子，包括引力子（引力），胶子（弱力），光子（电磁力），玻色子（强力）。相反，可以被探测到的物质粒子则被称之为实粒子，主要由电子以及由夸克所组成的中子，质子，以及他们所共同组成的原子都是实粒子。
在量子理论中，物质间的相互作用可以看成是电子或夸克这样的自旋数不为整数的物质粒子，发出自旋数为整数的力的粒子，由此所引起的反弹，改变了自身的速度与位置；另一方面，其他物质粒子在接受了携带力的粒子后，自己的速度与位置也发生了改变。因此这样看起来这两个物质粒子间发生了力的相互作用。
关于物质粒子与虚粒子的差别，除了自旋数不同还有一个很重要的不同，就是物质粒子遵从泡利不相容原理，而虚粒子则不遵从。
所谓的泡利不相容原理是指，两个粒子无法处于相同的状态中，它们不可能同时具有相同的位置和速度。这在一定程度上可以解释，为什么物质粒子在虚粒子的作用下，不会坍缩成密度非常高的状态。因为如果物质粒子具有几乎相同的位置的话，那么他们的速度就会非常不同。这样会让他们在下一刻散离开来。但是携带力的虚粒子不服从泡利不相容原理。如此一来，他们能被交换的数目就不受限制，因此而可以叠加产生非常大的力。同时，虚粒子却具有这样的性质：如果虚粒子质量很大，则在大距离上产生和交换会很困难；如果其质量很小，甚至为0，则起作用的距离可以大到无限远。
 
2宇宙简史
关于宇宙发展的过程，根据热大爆炸理论的基础，宇宙的发展应该是这样：宇宙在大爆炸之后，随着时间的推移，宇宙的空间越来越大，宇宙的平均温度越来越低，那么原始粒子所处的环境中的能量则越来越低。由于能量降低，处于不同处境中具有相同性质的粒子，就表现出了不同的状态，因此而具备了不同的性质。这就好像橘生淮南则为橘，身于淮北则为枳，本来是同样的东西，只是因为不同的处境，所以才具备了不同的表现。
抽象的讲，随着温度的降低，能量的减少，空间的膨胀，粒子尺度的演化，是由微观尺度向宏观尺度发展。根据热大爆炸模型，在GUT时期之后，是夸克反夸克时期。然后由于温度的降低，其能量不足以打破夸克禁闭，于是不同的夸克就开始相互排列组合成质子，中子和介子。反夸克消失。
然后，随着温度的进一步降低，质子与中子的能量不足以支持他们逃脱弱核力的吸引，因此，质子与中子被束缚在一起形成氢核，以及一些其他的氢元素的核。至此，至大爆炸发生仅过了一秒钟，宇宙的温度由无线热降到100亿度。
然后过了几十万年，当温度降到几千度的时候，电子与核子的能量不足以支持他们逃脱电磁力的吸引，于是开始结合形成原子。
然后一方面随着温度的进一步降低，原子的种类越来越多，接着出现了分子，甚至出现了具备了自我复制能力的叫做宏观分子大结构的生命形式。这些宏观分子大结构因为存在复制误差，以致使很多新分子因为无法继续自我复制而灭绝。同时也有一部分因此而受益，并且变得更能适应环境。基于这样的进化机制，最终发展出了更高级形式的生命体，比如鱼类，爬行动物，哺乳动物甚至人类。当然，这就属于生命科学的分支了。
回到宇宙的层面，由于宇宙物质已经演化出了大量的不同类型的粒子，随着温度的降低，宇宙的密度也因此而变得越来越不均。一直到了，某一区域的大量宇宙物质的引力大到可以与宇宙的膨胀相抗衡，甚至引力大到打破了这种平衡，因此那些大量的宇宙物质开始坍塌，旋转，最终形成星系。
在星系中，大量的氢气，氦气等物质由于引力的吸引，开始聚集，收缩。这样随着不断的收缩，原子间的碰撞不断加强，致使其能量增强，温度增加，直到有一天，其能量终于强烈到了使氢原子间发生剧烈的核聚变的程度。核聚变的能量又产生了巨大的压力，这种压力强大到足以与自身质量所形成的引力达到了一种平衡。因此这颗恒星就停止缩小，达到了一个稳态。我们目前的太阳就处于这样的稳态中。
随着时间的流逝，当恒星核聚变所需要的原料消耗殆尽，其所产生的压力就不足以与自身引力达成平衡。因此这颗恒星会进一步坍塌，按照上文所提及的那名印度学生，强德拉塞卡，所计算的那样，最终会根据其质量的不同，恒星会坍缩形成三种不同的最终形态。
强德拉塞卡的思路是这样的，当恒星缩小的时候，粒子就靠得非常紧密，按照泡利不相容原理，他们靠得越紧密，则他们的位置就越确定，因此他们的速度就越不确定，也就是速度变化得很大。因而依靠着粒子间速度所形成的张力，恒星得以膨胀。因此，由粒子速度变大而使恒星产生膨胀的力，在有些时刻，就有可能与恒星自身的引力达成新的平衡，那么，在恒星停止燃烧之后，就可以继续保持一个稳定态。
但在某些时刻，这种平衡就很难达成，因为问题在于，没有一个理论限制粒子所处位置的紧密程度，所以粒子可以无限密集。但是根据相对论，粒子速度最大就是光速。因此由粒子速度所产生的膨胀力其实是有一个极限的。这个极限，为了纪念这位印度学生所做出的突出成就，就叫做强的拉萨卡极限。
如果恒星质量所引起的引力最终小于这个由速度产生的膨胀力的极限，即强德拉塞卡极限，那么，在氢气消耗完之后，恒星在坍塌到一定程度之后，会再次处于稳定态中。这种稳定态有两种：根据核子与电子间的泡利不相容原理的排斥力，会形成的白矮星；而根据原子核中，质子与中子间的泡利不相容原理的排斥力，会形成中子星。
当然还有一种特殊情况是，恒星质量所引起的引力，最终大于强德拉塞克极限，那么就会出现一种不可思议的情况。我们知道，根据相对论，引力大到一定程度，是可以偏折光线的。引力越大，光线的偏折程度就越大。那么，当引力大到超过了一个临界值，光线被偏折的非常厉害，以至于最终无法从这个引力场中逃逸出来。那些刚好无法逃逸出来的光线在沿着引力场形传播的过程中，形成了一条光界，就叫做事件视界。由于引力场中的光线无法逃逸出来，那么在事件视界之外，就看不到引力场的内部。由于连光线都逃逸不出来，那么其他所有东西在事件视界之内，都将无法逃逸出来，因为在事件视界之外不但看不到其内部，甚至观测不到任何来自内部的信息。这样的一个时空区域，就被称之为黑洞。
根据热大爆炸理论，宇宙由大爆炸到现在差不多就是这样一个过程。
 
3结语
如上文所说，这本书前一部分整理出已经出来的完整的物理学理论，后面的部分，在探讨现在正在发真的物理学理论，因此有些繁琐复杂。但无论如何，这都是一本非常好的了解物理知识的读本。通过阅读此书，可以在内心中构建一套踏实的宇宙观，因此而不会轻易的被其他为科学所蒙骗。之前有读过一篇伪科学，通过对不确定性原理的议论，而认为宇宙的背后，另有其人。当时因为什么都不明白，所以被忽悠的一愣一愣的。但是真的读了一些物理学读本，在有了一些最基本的认知之后，就不会轻易的被为科学所蒙骗。
关于这本书的内容其实还有很多东西可以总结。但是我最感兴趣的一个是量子理论为基础的基本粒子的概念，一个是以相对论为基础的宇宙简史的概念。因此用比较详细的方式去努力的复述出来，其中的细节。还有很多很有意思的概念，比如虚粒子/反粒子对的概念，比如建立在虚数基础上的虚时间的概念。这些概念都是很有趣的，很能激起人的兴趣去进一步了解其中的奥妙。但是目前而言，我需要把时间收起来，努力去把一个心理学系列的书读完，在此基础之上，有时间最好还可以再读完伦理学。再出发去西藏前，完成这些是很有难度的，所以，加油加油！
 
2104年7月 于宏泰门诊