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今天分享的書籍是《時間簡史》。
本書作者是斯蒂芬·霍金，當代最知名、最活躍的物理學家，曾任劍橋大學盧卡斯數學教授。《時間簡史》是霍金的代表作，也是全世界最知名的科普經典，暢銷1000多萬冊，被翻譯成了40多種文字。
時間有初始嗎？它又將在何地終結呢？宇宙是無限的還是有限的？霍金在《時間簡史》中介紹了20世紀物理學的基礎知識，涵蓋範圍很廣，從相對論到量子力學，從宇宙膨脹到基本粒子，從黑洞到蟲洞，霍金都有所涉及。
01、奇點理論
在20世紀之前，人們一直深信，宇宙是靜止的。即使牛頓的萬有引力定律已經說明，不同的物體之間會相互吸引，但人們還是發明出了各種各樣的說法，來維護宇宙靜止的設想。
愛因斯坦在1915年就發表了廣義相對論，提出時空是可以彎曲的，宇宙並不是靜止的。但是愛因斯坦認為，這肯定是不對的，所以就在自己方程裡強行添加了一個宇宙常數，這樣根據方程看來宇宙就是靜止的了。但事實卻不是如此。
1、宇宙在膨脹
20世紀20年代，科學家在觀測其他恆星時發現，很多恆星都發生了一種叫做“紅移”的現象。也就是說，這些恆星都正在遠離地球。本來人們以為，這些恆星的運動只是隨機的，可能有些恆星離我們越來越遠，有些恆星離我們越來越近。
但1929年哈勃發表的結果表明：甚至星系紅移的大小也不是隨機的，而是和星系離開我們的距離成正比。或換句話講，星系越遠，它離開我們運動得越快。這表明宇宙不能像人們原先所想象的那樣處於靜態，而實際上是在膨脹；不同星系之間的距離一直在增加。
這種情形很像一個畫上好多斑點的氣球被逐漸吹脹。當氣球膨脹時，任何兩個斑點之間的距離加大，但是沒有一個斑點可認為是膨脹的中心。此外，斑點相離得越遠，則它們相互離開得越快。
愛因斯坦在得知這個觀測結果後才發現，自己方程里加的那個宇宙常數，完全就是多餘的，宇宙不是靜止的，而的確就是在膨脹的。所以愛因斯坦後來說，宇宙常數是他一生中犯下的最大的錯誤。
2、奇點
發現了宇宙膨脹之後，科學家們就以愛因斯坦的廣義相對論為基礎，找出了一個新的模型，來描述這個膨脹的宇宙，這就是弗裡德曼模型，因為它最早是一位叫亞歷山大·弗裡德曼的科學家提出的。
科學家通過計算就發現，在弗裡德曼模型中，如果我們把時間往前推，那宇宙就會收縮，如果一直倒推到150億年前，那麼所有的星系之間的距離就會變成零，就好像是整個宇宙被緊緊地擠壓成了一個點。這個點，就被稱為奇點，它就是宇宙時空的開端。
奇點的性質非常特別，我們沒辦法直觀地去想象這是個什麼東西。但是通過數學計算可以發現，奇點的體積無限小，彎曲程度無限大，密度無限大，引力也無限大。但數學其實是沒辦法真正地處理無限大的計算的。
這也意味著，雖然弗裡德曼模型是根據廣義相對論提出的，但是包括廣義相對論在內的理論，卻都在奇點處失效了。奇點的出現就證明了，廣義相對論也只是一個不完全的理論，因為在宇宙最開始的那一刻，它失效了，廣義相對論本身崩潰。
在奇點這個理論剛被提出來的時候，很多人不喜歡這個說法。愛因斯坦自己都不太相信這個說法，他認為，如果我們把時間一直往前推，不同的星系也不會碰撞到一起，而是會恰好錯開。
還有兩位蘇聯科學家也試圖證明，說奇點這個東西，可能只是一種小概率的特殊情況，在實際的宇宙中並不存在，在很久以前，不同的星系之間雖然的確靠得很近，但並不是剛好在同一個地方，所以也就沒有什麼奇點。
但霍金在讀到了數學家羅傑·彭羅斯的一些研究後認為，奇點理論應該是成立的。經過幾年的研究之後，他和羅傑·彭羅斯一起，利用嚴謹數學方法。
最後證明了，假定廣義相對論是正確的，而且宇宙包含著我們觀測到的這麼多物質，則過去一定有過一個大爆炸奇點，這就是宇宙的開端。這個理論，就被稱為“彭羅斯-霍金奇點定理”。
有些人一開始不願意接受霍金的研究結論，因為他們不喜歡宇宙有一個開端的說法，還有些人覺得，這個結論違反了科學決定論，糟蹋了完美的廣義相對論。
然而，人實在不能辯贏數學定理。所以我們的工作最終被廣泛接受，現在幾乎每個人都假定宇宙是從一個大爆炸奇點起始的。事實上在宇宙的開端並沒有奇點——正如我們將要看到的，一旦考慮了量子效應，奇點就會消失。
霍金和彭羅斯的貢獻就在於，他們用嚴謹的數學方法證明了，如果廣義相對論是正確的，那麼宇宙就必然誕生於這樣的一個奇點，這就是宇宙的開端。
02、無邊界宇宙模型
科學家們證明了奇點理論之後，大家都知道了，宇宙是誕生於一個奇點之中的。宇宙誕生的那一刻，被稱為“大爆炸”，這個奇點就是大爆炸奇點。
在大爆炸模型中，大爆炸的那一刻，宇宙的體積被認為是零，溫度無限高，之後宇宙開始迅速膨脹，溫度開始降低：在大爆炸1秒鐘之後，宇宙的溫度降低到了100億度，這大概是氫彈爆炸時能達到的溫度；100秒之後，溫度繼續降低到10億度，質子和中子開始結合到了一起，組成原子核。
之後宇宙的溫度繼續降低，持續膨脹，在100萬年之後，宇宙溫度降低到了幾千度，原子開始形成；隨著宇宙溫度繼續降低，星系、恆星這些物質開始形成；到現在，宇宙已經膨脹了很多倍，溫度也已經很低了，只比絕對零度高上一點。
但是，宇宙的各個地方還是殘留著當初大爆炸的能量，而且我們還能觀測到，科學家們叫它“微波背景輻射”。
那我們現在宇宙所遵循的規律到底是怎麼回事呢？“那就是無邊界宇宙模型”的事了。
“無邊界宇宙模型”就意味著，宇宙沒有開端，也沒有誕生的時刻。在20世紀，物理學最重要的兩大發現，也是當今物理學最核心的兩大基礎理論，一個是相對論，另一個就是量子力學。
相對論說的是宏觀領域，比如，星系運動。量子力學是微觀領域，比如，粒子運動。在研究一般問題的時候，這兩套理論井水不犯河水。但霍金認為，在研究大爆炸奇點的時候，就必須把相對論和量子力學結合起來。
奇點定理其實已經證明了，廣義相對論在大爆炸奇點這種極端的情況下，已經不能很好地去描述宇宙了。在這個時候，就必須考慮到量子效應。
在廣義相對論的基礎上，宇宙只有兩種可能，要麼是存在無限長的時間，要麼就有一個大爆炸奇點這樣的開端。但如果把量子力學引進來之後，就會出現一種新的可能：也就是一個“有限無界”的宇宙。
有限無界的意思就是說，宇宙時空是有限大的，但卻是沒有邊界的。
比如，我們的地球，就是一個有限大的星球，我們知道它的直徑和大小。但地球是沒有邊界和開端的，我們在地球上一直走一直走，也不可能找到一個邊界，不可能掉到地球外面去。
無邊界宇宙模型裡的宇宙，是一個空間和時間交織在一起所組成的四維宇宙。在這個宇宙中，時空就像是地球的表面，在範圍上是有限的，但卻沒有形成邊界，也沒有形成奇點。
時空上的每一個點，就跟地球上的某個點一樣，沒什麼特別的，科學規律在任何一個時空點上都適用，不會發生崩潰。
在無邊界宇宙模型中，宇宙沒有一個特別的奇點，這個宇宙是完全自給自足的，不受任何外在事物的影響，沒有什麼創生和消失的時刻，它就是存在本身。
無邊界宇宙模型目前還只是一個設想，目前主流的宇宙模型，仍然是大爆炸模型。但無邊界宇宙模型也不是瞎想，它是試圖將量子力學和相對論所結合起來的一種嘗試，而且也是可以被檢驗的科學理論。
03、黑洞
黑洞這一術語是不久以前才出現的。1969年美國科學家約翰·惠勒，為了形象地描述至少可回溯到200年前的一個觀念時，杜撰了這個名詞。那時候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光由波構成的波動說。這兩者都是正確的。由於量子力學的波粒二象性，光既可認為是波，也可認為是粒子。
舉個例子：
物質之間會產生引力，而且質量越大的物體，所具有的引力也就越大。像太陽這樣的恆星，就具有非常大的引力，恆星受到自身引力的影響，會有一個向內，也就是向自身坍縮的傾向。
但這麼長時間過去了，太陽還是那麼大，那是因為太陽內部還存在著一種支撐力，可以跟引力相平衡。太陽內部溫度很高，原子序數是1的氫原子之間激烈碰撞，就會結合在一起形成原子序數是2的氦原子，這個過程會釋放出巨大的能量，就相當於是太陽內部有無數多的氫彈，不斷地爆炸，這就會給太陽提供一個支撐的斥力。
當太陽的引力和支撐力相互平衡之後，恆星就可以保持穩定了。所以太陽至今也沒有坍縮。但當這些燃料，一旦燒完，恆星就會在引力的作用下不斷坍縮。
如果恆星的質量較小，就會停止收縮。引力就能跟內部粒子的斥力相平衡，最終變成中子星或者白矮星；如果這顆恆星質量巨大，那麼它內部的任何斥力，都不足以抵消它的引力，這樣的話，這顆恆星就會一直坍縮，變成質量極大，體積極小的黑洞。
黑洞最大的特點，就是具有極強的引力，任何物質，包括光在內，只要進入某個臨界區域，就永遠也不可能逃出黑洞。從外面看來，如果連光都無法逃出的話，黑洞當然就是全黑的。
黑洞這種吸引一切的性質，會跟熱力學第二定律產生衝突。根據這條定律，黑洞也應該有溫度，有溫度的物體就會向外發出輻射和粒子，黑洞也不應該例外。那粒子是怎麼跑出來的呢？
霍金髮現，黑洞的確會發射出粒子，但這些粒子，並不是從黑洞裡面跑出來的，而是從黑洞邊緣的空虛的空間裡，變出來的。
1、不確定性原理
當我們對粒子或者引力場、電磁場的行為進行測量的時候，就會發現，如果我們對其中一個物理量測量得越準確，那麼對另一個物理量的測量就越不準確。
比如，對粒子的速度測量得越精確，對粒子的位置就瞭解得越模糊，人類不可能同時掌握粒子的精確位置和精確速度。
根據不確定性原理，即使是看起來什麼都沒有的空虛的空間，在微觀上其實也是波瀾起伏的。如果一片空間是完全空虛的，那就代表其中的引力場或者電磁場的強度是零，變化率也是零，這兩個物理量就同時被確定了。這顯然違反了不確定性原理，是不可能的。
2、“霍金輻射”
在空虛的空間裡，其實時時刻刻都在產生成對的粒子。為了保持能量守恆，這些粒子有的帶有正能量，有的帶有負能量，它們碰撞到一起，又會同時湮滅。
黑洞的邊緣雖然看似是虛空的，但其實在一刻不停地產生成對的粒子。其中帶有負能量的粒子，就會被吸到黑洞裡去，但還有一些帶正能量的粒子，可以幸運地從黑洞的邊緣逃脫，跑到其他地方去。
如果我們站在黑洞外面看的話，就好像是黑洞在不斷地向外發射粒子，這就是黑洞輻射，也叫“霍金輻射”。正是因為有這種輻射的存在，霍金才會說，黑洞其實並不是完全黑的。
霍金輻射在物理學上，是一個極富價值的理論。因為黑洞的誕生，是利用廣義相對論算出來的；黑洞的輻射，又跟量子力學有關。也就是說，霍金輻射是把廣義相對論、量子力學、熱力學結合起來的一次嘗試，所以雖然霍金輻射目前沒有被觀測到，但仍然具有很高的理論價值。
雖然黑洞引力極大，連光都逃不出去，但黑洞也並不是完全黑的。根據量子理論中的“不確定性原理”，黑洞邊緣的虛空中會不斷地產生成對的粒子，負能量的粒子會被黑洞吸收，但有些正能量的粒子卻從黑洞邊緣逃脫了。
在外界看來，這就好像是黑洞一直在往外發射粒子，這就是黑洞輻射，也叫霍金輻射。
最後的話：
這本書中最重要的就是霍金提出的“奇點定理”和“霍金輻射”這兩個學術貢獻，以及試圖解決宇宙起源問題的“無邊界宇宙模型”。
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