人人可以读懂的霍金。本书讲述我们最想了解的时间真相。
时间和空间的本质何在?上帝与宇宙的起源,有何关系?宇宙的过去和未来是什么样的?自然·经济·历史·宗教·思想等等。荟萃基础学科、传统经典与潮流新知,现代生活必读藏书。一页文字加一页图解,图文互动,生动解读。
编者序:调侃时间
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第1章 霍金与《时间简史》
1.霍金:有史以来最杰出的科学家之一
2.霍金的作品:从《时间简史》到《果壳中的宇宙》
3.量子宇宙论:霍金讲述宇宙的由来
第2章 狭义相对论
1.爱因斯坦:20世纪最伟大的物理学家
2.光速:亘古不变的速度
3.永恒不变:绝对时间与绝对空间
4.绝对空间:一直在找却没有找到的空间
5.爱因斯坦之前的解释:运动中的物体长度会缩小
6.光速不变原理:爱因斯坦的破空之解
7.相对性原理:伽俐略提出的相对论
8.四维:时间与空间的集合
9.何谓同时:同时也是相对的
10.钟表变慢:光速恒定带来的奇特现象之一
11.测定值会缩小:光速恒定带来的奇特现象之二
12.验证时间变慢:穿过大气层的中微子流
13.再度相逢时谁更年轻:双子吊诡之谜
14.男孩更年轻:双子吊诡的解答
专题 水桶实验:牛顿寻找的绝对空间
第3章 广义相对论
1.改写重力法则:爱因斯坦提出广义相对论
2.加速度与重力:爱因斯坦将两个问题合二为一
专题 望远镜:伽俐略的伟大发明
3.等价原理:重量不同的物体为什么同时落地
4.光线折射:重力的作用
5.时空的弯曲:时空并非是平坦的
专题 时空的涟漪:一种不寻常的涟漪
6.重力透镜:光线因重力而弯曲的现象
7.疲惫的光芒:光线因重力而变慢
8.黑洞是什么:证明黑洞存在
9.时间冻结:黑洞周围的时间停止了
10.黑洞里面是什么:奇异点与宇宙检阅官
11.黑洞的形成:星球重力崩坏的结果
第4章 霍金的宇宙学说
1.爱因斯坦的挑战:对宇宙原理的革命
2.封闭的宇宙:宇宙是有限的
3.银河渐远:银河系在不断扩大
4.宇宙膨胀:关于宇宙的新思维
5.两种观点:恒常宇宙论与膨胀宇宙论
6.宇宙背景辐射:新的发现
7.高温:宇宙创始时的状态
8.大爆炸:宇宙的起源
9.膨胀的限度:膨胀会永远持续吗
10.两种空间:封闭空间与开放空间
11.大爆炸的困惑:不能解决的困难
12.通货式膨胀:宇宙起源的比喻
第5章 时间之矢
1.时间之矢:时间的单一方向性
2.普遍的物理法则:时间不会从过去流向未来
3.硬币实验:过去和未来的区别
4.时间本质:时间是一种可能性的流逝
5.硬币试验的发现:熵增大法则
6.两种状态:宏观状态与微观状态
7.玻尔兹曼:深受哲学困扰的物理学家
8.不同的时间之矢:宇宙论的时间之矢
专题 意识中的时间:我们如何觉察时间
9.时间指向的标志:熵增大与宇宙创始
10.宇宙创始状态:宇宙膨胀与收缩
专题 生物赖负熵为生:薛定谔与负熵
11.进化的起源:宇宙的起点
12.彭罗斯的假说:用奇异点区分过去和未来
第6章 时间机器
1.真的可能吗:神奇的时间机器
2.封闭的时间轴:时间的特质
3.旋转黑洞:另一种黑洞
4.时光隧道:连接平行宇宙的通道
5.虫洞:连接时间的隧道
6.使用虫洞:时光机器的制造原理
7.宇宙绳:宇宙中的绳状能源群
8.能源的最低状态:真空的互相转换
9.缺口:宇宙绳周围的时空
10.使用宇宙绳:制造时光机器
11.保存历史:霍金关于历史保存的假说
12.反粒子:朝过去行走的粒子
13.使用反物质:相对生成与相对消灭
14.终极答案:回答“时光机器可能吗”
附录一:我们如何感受时间与空间
附录二:不可不知的科学家
附录三:不可不知的物理名词
奥古斯丁的困惑:时间是什么
“……时间究竟是什么?没有人问我,我倒清楚,有人问我,我想给他解释,却茫然不解了……”伟大的神学家圣·奥古斯丁,在《忏悔录》一书中道出了自己的困惑。由于无法说明时间为何物,奥古斯丁还补充道,在提出关于时间的疑问后,他深感抱歉,因为他不知道自己不知道的是什么。
事实上,时间的本质不仅让奥古斯丁感到困惑,还让很多人陷入了没有出口的思考。过去和未来真的存在吗?我们可以穿越时光隧道去旅行吗?时间的方向是一定吗?时间会发生由未来指向过去的逆转吗?这些无法解决的问题让宛如陷阱一般困住了众多的哲学家和科学家。
人类一思考,上帝就发笑
时间无处不在,而我们是如何知晓它的呢?早在4000多年前,聪明的古埃及人已经会通过看石塔的阴影来测量时间了,同时,他们还发明了一种有流水经过的石制容器来测量时间;到了公元前19世纪,古巴比伦人已经能够相当精确地计算时间了,他们依据太阳和星星的方位把一天分为若干个小时,把每个小时分为60分钟,再把每分钟分为60秒,这样测量时间的误差是非常小的;此外,人们的自身也是一个相当精确的钟表,例如,人们的心脏在正常情况下的跳动频率和生理周期都具有节律性;更为神奇的是,人们的内心可以在不借助任何计时工具的情形下觉察出时间的流逝,可以回忆过去,也可以憧憬未来,能够估算客观的时间,虽然情绪会引起一定程度的偏差。总而言之,时计和内心是时间的两个基本来源。
于是,人们开始了对时间的探索。奥古斯丁认为时间并不是真正独立于大脑而存在的,波斯哲学家阿维森那表示赞同,认为时间只是人们记忆和期望的体现,同时,法国哲学家亨利·柏格森也认同这个观点,他觉得对于新生儿而言,是没有时间体验的。或者说,在对于时间流逝的感受上人们可能没有达成共识,但是对于事件发生的顺序人们是基本承认的。
谈及时间,必然涉及宇宙的由来,从而人们又开始了关于宇宙开端的争论。当奥古斯丁被问及“上帝在宇宙创始之前做了什么”时,他从神学的角度作出了回答:时间是上帝赋予宇宙的性质中的一种。经典力学之父艾萨克·牛顿爵士则认为,时间不依赖于宇宙中的任何特定物质,它独立于宇宙中的内容之外,他的观点赋予了上帝更多的荣誉。然而,德国的哲学家威廉·莱布尼茨却反驳道:如果牛顿正确,那么世界为什么在这个时刻产生而不是在其他某个时刻呢?他认为,没有充足的理由,上帝是不会创造世界的。二人引发的争论一直延续到20世纪人们争论爱因斯坦的广义相对论属于相对主义还是绝对主义。
上帝笑了,霍金也笑了
长期以来,人们对时间的认识不断地发生着变化,直到20世纪初,人们都认同绝对时间的理论,也就是说,每一件事,都可以由一个称为“时间”的数以唯一的方式来标记,然而,在相对论中,时间却会根据计时者的改变而改变,即时间更具有主观意义了。因此,科学定律并不能区分过去和未来。
那么时间的指向何在呢?霍金认为至少有三种时间之矢:第一,热力学时间之矢,即无序度和熵值增加决定时间的指向;第二,心理学时间之矢,即感觉中时间流逝的方向是过去而不是未来;第三,宇宙学时间之矢,即宇宙膨胀而不是收缩的方向决定时间的指向。霍金论证了三种时间之矢的同一方向性,并推断,宇宙始于一种无序的状态。这就是霍金令人敬畏的发现之一——对时间本质和宇宙由来的权威性总结。我们一起参与时间的探索
爱因斯坦说:“宇宙中最不可理解的就是宇宙可以被理解。”在浩瀚的宇宙中,人类平凡而渺小,但是人类从来都没有停止过探索的脚步。就像霍金,他的探索精神将引领每个人去探索,去发现,去实现人类的进步。然而,探索不是物理学家的特权,而是每一个人都可以参与的活动。以时间为例,走近它,感受它,思考它,将带领我们以全新的视角看待宇宙、生命和个体,让我们的人生更富有价值和意义。
本书以《时间简史》为底本,对霍金的思想进行了诠释和解读,并采用了文字、图示和表格等多种适合阅读的编辑方法,以富有亲和力的形式来阐释霍金令人敬畏的发现:时间和空间的本质何在?上帝与宇宙的起源有何关系?宇宙的过去和未来是什么样的?相信这是一本每个人都可以读得懂的科普书。