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今天分享的书籍是《时间简史》。
本书作者是斯蒂芬·霍金，当代最知名、最活跃的物理学家，曾任剑桥大学卢卡斯数学教授。《时间简史》是霍金的代表作，也是全世界最知名的科普经典，畅销1000多万册，被翻译成了40多种文字。
时间有初始吗？它又将在何地终结呢？宇宙是无限的还是有限的？霍金在《时间简史》中介绍了20世纪物理学的基础知识，涵盖范围很广，从相对论到量子力学，从宇宙膨胀到基本粒子，从黑洞到虫洞，霍金都有所涉及。
01、奇点理论
在20世纪之前，人们一直深信，宇宙是静止的。即使牛顿的万有引力定律已经说明，不同的物体之间会相互吸引，但人们还是发明出了各种各样的说法，来维护宇宙静止的设想。
爱因斯坦在1915年就发表了广义相对论，提出时空是可以弯曲的，宇宙并不是静止的。但是爱因斯坦认为，这肯定是不对的，所以就在自己方程里强行添加了一个宇宙常数，这样根据方程看来宇宙就是静止的了。但事实却不是如此。
1、宇宙在膨胀
20世纪20年代，科学家在观测其他恒星时发现，很多恒星都发生了一种叫做“红移”的现象。也就是说，这些恒星都正在远离地球。本来人们以为，这些恒星的运动只是随机的，可能有些恒星离我们越来越远，有些恒星离我们越来越近。
但1929年哈勃发表的结果表明：甚至星系红移的大小也不是随机的，而是和星系离开我们的距离成正比。或换句话讲，星系越远，它离开我们运动得越快。这表明宇宙不能像人们原先所想象的那样处于静态，而实际上是在膨胀；不同星系之间的距离一直在增加。
这种情形很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时，任何两个斑点之间的距离加大，但是没有一个斑点可认为是膨胀的中心。此外，斑点相离得越远，则它们相互离开得越快。
爱因斯坦在得知这个观测结果后才发现，自己方程里加的那个宇宙常数，完全就是多余的，宇宙不是静止的，而的确就是在膨胀的。所以爱因斯坦后来说，宇宙常数是他一生中犯下的最大的错误。
2、奇点
发现了宇宙膨胀之后，科学家们就以爱因斯坦的广义相对论为基础，找出了一个新的模型，来描述这个膨胀的宇宙，这就是弗里德曼模型，因为它最早是一位叫亚历山大·弗里德曼的科学家提出的。
科学家通过计算就发现，在弗里德曼模型中，如果我们把时间往前推，那宇宙就会收缩，如果一直倒推到150亿年前，那么所有的星系之间的距离就会变成零，就好像是整个宇宙被紧紧地挤压成了一个点。这个点，就被称为奇点，它就是宇宙时空的开端。
奇点的性质非常特别，我们没办法直观地去想象这是个什么东西。但是通过数学计算可以发现，奇点的体积无限小，弯曲程度无限大，密度无限大，引力也无限大。但数学其实是没办法真正地处理无限大的计算的。
这也意味着，虽然弗里德曼模型是根据广义相对论提出的，但是包括广义相对论在内的理论，却都在奇点处失效了。奇点的出现就证明了，广义相对论也只是一个不完全的理论，因为在宇宙最开始的那一刻，它失效了，广义相对论本身崩溃。
在奇点这个理论刚被提出来的时候，很多人不喜欢这个说法。爱因斯坦自己都不太相信这个说法，他认为，如果我们把时间一直往前推，不同的星系也不会碰撞到一起，而是会恰好错开。
还有两位苏联科学家也试图证明，说奇点这个东西，可能只是一种小概率的特殊情况，在实际的宇宙中并不存在，在很久以前，不同的星系之间虽然的确靠得很近，但并不是刚好在同一个地方，所以也就没有什么奇点。
但霍金在读到了数学家罗杰·彭罗斯的一些研究后认为，奇点理论应该是成立的。经过几年的研究之后，他和罗杰·彭罗斯一起，利用严谨数学方法。
最后证明了，假定广义相对论是正确的，而且宇宙包含着我们观测到的这么多物质，则过去一定有过一个大爆炸奇点，这就是宇宙的开端。这个理论，就被称为“彭罗斯-霍金奇点定理”。
有些人一开始不愿意接受霍金的研究结论，因为他们不喜欢宇宙有一个开端的说法，还有些人觉得，这个结论违反了科学决定论，糟蹋了完美的广义相对论。
然而，人实在不能辩赢数学定理。所以我们的工作最终被广泛接受，现在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点起始的。事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将要看到的，一旦考虑了量子效应，奇点就会消失。
霍金和彭罗斯的贡献就在于，他们用严谨的数学方法证明了，如果广义相对论是正确的，那么宇宙就必然诞生于这样的一个奇点，这就是宇宙的开端。
02、无边界宇宙模型
科学家们证明了奇点理论之后，大家都知道了，宇宙是诞生于一个奇点之中的。宇宙诞生的那一刻，被称为“大爆炸”，这个奇点就是大爆炸奇点。
在大爆炸模型中，大爆炸的那一刻，宇宙的体积被认为是零，温度无限高，之后宇宙开始迅速膨胀，温度开始降低：在大爆炸1秒钟之后，宇宙的温度降低到了100亿度，这大概是氢弹爆炸时能达到的温度；100秒之后，温度继续降低到10亿度，质子和中子开始结合到了一起，组成原子核。
之后宇宙的温度继续降低，持续膨胀，在100万年之后，宇宙温度降低到了几千度，原子开始形成；随着宇宙温度继续降低，星系、恒星这些物质开始形成；到现在，宇宙已经膨胀了很多倍，温度也已经很低了，只比绝对零度高上一点。
但是，宇宙的各个地方还是残留着当初大爆炸的能量，而且我们还能观测到，科学家们叫它“微波背景辐射”。
那我们现在宇宙所遵循的规律到底是怎么回事呢？“那就是无边界宇宙模型”的事了。
“无边界宇宙模型”就意味着，宇宙没有开端，也没有诞生的时刻。在20世纪，物理学最重要的两大发现，也是当今物理学最核心的两大基础理论，一个是相对论，另一个就是量子力学。
相对论说的是宏观领域，比如，星系运动。量子力学是微观领域，比如，粒子运动。在研究一般问题的时候，这两套理论井水不犯河水。但霍金认为，在研究大爆炸奇点的时候，就必须把相对论和量子力学结合起来。
奇点定理其实已经证明了，广义相对论在大爆炸奇点这种极端的情况下，已经不能很好地去描述宇宙了。在这个时候，就必须考虑到量子效应。
在广义相对论的基础上，宇宙只有两种可能，要么是存在无限长的时间，要么就有一个大爆炸奇点这样的开端。但如果把量子力学引进来之后，就会出现一种新的可能：也就是一个“有限无界”的宇宙。
有限无界的意思就是说，宇宙时空是有限大的，但却是没有边界的。
比如，我们的地球，就是一个有限大的星球，我们知道它的直径和大小。但地球是没有边界和开端的，我们在地球上一直走一直走，也不可能找到一个边界，不可能掉到地球外面去。
无边界宇宙模型里的宇宙，是一个空间和时间交织在一起所组成的四维宇宙。在这个宇宙中，时空就像是地球的表面，在范围上是有限的，但却没有形成边界，也没有形成奇点。
时空上的每一个点，就跟地球上的某个点一样，没什么特别的，科学规律在任何一个时空点上都适用，不会发生崩溃。
在无边界宇宙模型中，宇宙没有一个特别的奇点，这个宇宙是完全自给自足的，不受任何外在事物的影响，没有什么创生和消失的时刻，它就是存在本身。
无边界宇宙模型目前还只是一个设想，目前主流的宇宙模型，仍然是大爆炸模型。但无边界宇宙模型也不是瞎想，它是试图将量子力学和相对论所结合起来的一种尝试，而且也是可以被检验的科学理论。
03、黑洞
黑洞这一术语是不久以前才出现的。1969年美国科学家约翰·惠勒，为了形象地描述至少可回溯到200年前的一个观念时，杜撰了这个名词。那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光由波构成的波动说。这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。
举个例子：
物质之间会产生引力，而且质量越大的物体，所具有的引力也就越大。像太阳这样的恒星，就具有非常大的引力，恒星受到自身引力的影响，会有一个向内，也就是向自身坍缩的倾向。
但这么长时间过去了，太阳还是那么大，那是因为太阳内部还存在着一种支撑力，可以跟引力相平衡。太阳内部温度很高，原子序数是1的氢原子之间激烈碰撞，就会结合在一起形成原子序数是2的氦原子，这个过程会释放出巨大的能量，就相当于是太阳内部有无数多的氢弹，不断地爆炸，这就会给太阳提供一个支撑的斥力。
当太阳的引力和支撑力相互平衡之后，恒星就可以保持稳定了。所以太阳至今也没有坍缩。但当这些燃料，一旦烧完，恒星就会在引力的作用下不断坍缩。
如果恒星的质量较小，就会停止收缩。引力就能跟内部粒子的斥力相平衡，最终变成中子星或者白矮星；如果这颗恒星质量巨大，那么它内部的任何斥力，都不足以抵消它的引力，这样的话，这颗恒星就会一直坍缩，变成质量极大，体积极小的黑洞。
黑洞最大的特点，就是具有极强的引力，任何物质，包括光在内，只要进入某个临界区域，就永远也不可能逃出黑洞。从外面看来，如果连光都无法逃出的话，黑洞当然就是全黑的。
黑洞这种吸引一切的性质，会跟热力学第二定律产生冲突。根据这条定律，黑洞也应该有温度，有温度的物体就会向外发出辐射和粒子，黑洞也不应该例外。那粒子是怎么跑出来的呢？
霍金发现，黑洞的确会发射出粒子，但这些粒子，并不是从黑洞里面跑出来的，而是从黑洞边缘的空虚的空间里，变出来的。
1、不确定性原理
当我们对粒子或者引力场、电磁场的行为进行测量的时候，就会发现，如果我们对其中一个物理量测量得越准确，那么对另一个物理量的测量就越不准确。
比如，对粒子的速度测量得越精确，对粒子的位置就了解得越模糊，人类不可能同时掌握粒子的精确位置和精确速度。
根据不确定性原理，即使是看起来什么都没有的空虚的空间，在微观上其实也是波澜起伏的。如果一片空间是完全空虚的，那就代表其中的引力场或者电磁场的强度是零，变化率也是零，这两个物理量就同时被确定了。这显然违反了不确定性原理，是不可能的。
2、“霍金辐射”
在空虚的空间里，其实时时刻刻都在产生成对的粒子。为了保持能量守恒，这些粒子有的带有正能量，有的带有负能量，它们碰撞到一起，又会同时湮灭。
黑洞的边缘虽然看似是虚空的，但其实在一刻不停地产生成对的粒子。其中带有负能量的粒子，就会被吸到黑洞里去，但还有一些带正能量的粒子，可以幸运地从黑洞的边缘逃脱，跑到其他地方去。
如果我们站在黑洞外面看的话，就好像是黑洞在不断地向外发射粒子，这就是黑洞辐射，也叫“霍金辐射”。正是因为有这种辐射的存在，霍金才会说，黑洞其实并不是完全黑的。
霍金辐射在物理学上，是一个极富价值的理论。因为黑洞的诞生，是利用广义相对论算出来的；黑洞的辐射，又跟量子力学有关。也就是说，霍金辐射是把广义相对论、量子力学、热力学结合起来的一次尝试，所以虽然霍金辐射目前没有被观测到，但仍然具有很高的理论价值。
虽然黑洞引力极大，连光都逃不出去，但黑洞也并不是完全黑的。根据量子理论中的“不确定性原理”，黑洞边缘的虚空中会不断地产生成对的粒子，负能量的粒子会被黑洞吸收，但有些正能量的粒子却从黑洞边缘逃脱了。
在外界看来，这就好像是黑洞一直在往外发射粒子，这就是黑洞辐射，也叫霍金辐射。
最后的话：
这本书中最重要的就是霍金提出的“奇点定理”和“霍金辐射”这两个学术贡献，以及试图解决宇宙起源问题的“无边界宇宙模型”。
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