《时间简史（插图本）》读后感4000字

史蒂芬·霍金《时间简史》

这本书晦涩难懂，涉及许多深奥的观点和理论，也有不少错别字和位置错误的标点符号，读起来并不轻松。书名为时间简史，但其实全书讨论的都是宇宙。

****宇宙图景****

亚里士多德，哥白尼，牛顿不断更新对宇宙的描述，如今科学家分别采用广义相对论和量子力学来描述宏观和微观尺度的宇宙，由于两大基本理论无法统一，作者为此寻找将它们统一的新理论：量子引力论。

20世纪，广义相对论对物理学作出了重大修正，时空不再被认为是绝对的，它们随着运动和力变化。时间不可脱离空间存在，它们是一个整体，形成四维时空。物体总是沿着四维时空的直线走，沿着弯曲空间中的测地线走，光也不例外。光的速度是不变的，且不可被任何物质超越，物质运动越快则空间越收缩时间越缓慢质量也越大，质量越大则引力越大空间越弯曲时间越缓慢。

通过恒星的光度和视亮度可以测量出距离，通过恒星的光谱可以得知它的温度和大气元素。在对恒星光谱的观测中天文学家发现所有的恒星光谱都有红移现象，并且距离越远红移越严重，这表明所有恒星都在离我们远去，宇宙正在膨胀。

弗里德曼提出关于宇宙的两个基本假设：不论我们往哪个方向也不论在任何地方观察，宇宙看起来都是一样的。符合这两个假设的有三个模型：先膨胀后坍缩的闭合宇宙（空间有限却，时间有始终）、永不停止膨胀的宇宙“开放”模型（空间无限）、一直膨胀到接近临界速率的宇宙“平坦”模型（空间无限且平坦），目前的证据暗示宇宙可能会永远膨胀。

所有弗里德曼解有一个特点，即在过去某个时刻邻近星系间距离为零，在那个被称为大爆炸的时刻，宇宙密度和时空曲率无限大，这样的点在数学上被称为奇点。数学无法对无限大进行计算，我们的科学理论也都基于时空是光滑和几乎平坦的基础上表述的，所以这些理论都会在奇点处崩溃。

****粒子与力****

物质可分割为原子，原子由原子核与电子组成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，质子和中子又都由夸克组成。夸克有六类（上、下、奇、粲、底、顶），每类有三种色（红、绿、蓝，这是命名方式不是真的有颜色）， 一个上夸克带 2/3电荷，一个下夸克带-1/3电荷。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们可以创生其他种类夸克构成的粒子，但都会很快衰变成质子和中子。任何粒子都会有和它相湮灭的反粒子，也可能存在由反粒子构成的反世界。

基本粒子具有称为自旋的性质：自旋0的粒子从所有方面看都一样，自旋1的粒子当它被转动360°后显得一样，自旋2的粒子则只需要旋转180°，自旋1/2的粒子必须旋转两整圈才会显得一样。 自旋为1/2的粒子组成宇宙中的物质，自旋为0、1和2的粒子在物质粒子之间产生力。我们不可能同时精确地确定一个粒子的位置和速度，即粒子符合不确定性原理，粒子具有速度和位置的结合物，称为量子态。两个类似的粒子不能存在于相同的态中，即在不确定性原理给出的限制下，它们不能同时具有相同的位置和速度，这就是所谓的泡利不相容原理。

携带力的粒子按照其强度及与其相互作用的粒子被人为分成四个种类。

引力：万物间的长程弱力，总是吸引，由交换自旋2的引力子引起。

电磁力：作用于带电粒子间，同性相斥异性相吸，由交换自旋1的虚光子引起，电子跃迁可发射实光子。

弱核力：负责放射性现象，作用于所有物质粒子，对无质量粒子无作用。有3个自旋1的带质量的重矢量玻色子携带弱力，它们称为W 、W-、Z0，在高能量下，他们与光子有相似的行为。

强核力：将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将质子与中子束缚在一起，强核力由自旋1的胶子携带。强核力具有色禁闭的特性，它总是将粒子束缚成无颜色的结合体，所以粒子必须同时带红蓝绿夸克，或由同一颜色的正反夸克构成，夸克和反夸克构成介子，它会很快湮灭成电子或其他粒子。胶子也有颜色，所以类似的，人们也不能得到一个孤立的胶子。强核力还有渐进自由性质，在高能量下作用力会弱的多。

统一电磁力和弱核力的成功，使人们多次试图将这两种力和强核力合并在所谓的大统一理论之中。在某个非常高的叫做大统一能量的能量下，这3种力都具有同样的强度，并因此可看成一个单独的力的不同方面。

物理定律对于粒子和反粒子不完全相同，之前人们认为物理定律服从C（电荷）、P（宇称）、T（时间）对称。1956年，李政道和杨振宁提出弱作用不服从P对称，后被证明预言的正确性，他们因此获得诺奖。

****黑洞****

大量气体受引力吸引坍缩形成恒星，巨大的压力造成恒星温度升高燃烧，由此产生的热与引力平衡，维持着恒星的平衡，当燃料耗尽，恒星开始冷却收缩。如果恒星质量小于昌德拉塞卡极限，最终可能形成白矮星（由电子间不相容原理的排斥力支持）或体积更小的中子星（由质子和中子间不相容原理的排斥力支持），质量超限则形成黑洞。黑洞的强大引力场会从它的伴星扯开物质，产生朝事件视界旋进的吸积盘，以X射线形式从黑洞南北极释放出能量。除了大质量黑洞，在极早期宇宙的高温和高压条件下可能产生小质量的“太初”黑洞，它形成于外部压力而不是内部引力。黑洞也如同一个热体那样发射粒子和辐射，其温度只依赖于黑洞的质量，质量越大则温度越低。粒子不是从黑洞里面出来的，因为没有任何东西能从黑洞的事件视界内逃逸，它们其实是从紧靠黑洞的事件视界外面的“空虚的”空间来的。

****宇宙起源****

大爆炸时，宇宙体积为零并且无限热，爆炸后温度随宇宙膨胀而降低。1秒后，温度大约100亿度，产生一些粒子和反粒子。大约100秒后，温度降到约10亿度，形成氘核氦核及少量锂铍元素。100万年后，温度降至几千度，产生原子。宇宙继续膨胀变冷，在一些比较密集的区域由于引力原因开始坍缩并快速自转诞生碟状的旋转星系，另一些没有得到旋转的就形成了椭圆星系。恒星的中心区域很可能坍缩成一个非常致密的状态，它的外部区域有时会在称为超新星的巨大爆发中吹出来，抛出的一些重元素为下一代恒星（太阳是第二或第三代）提供原料，少量重元素聚集成地球一样的星球。宇宙从非常热的状态开始，后随膨胀而冷却的景象，与我们今天所有的观测证据相符，但还留下许多未被回答的重要问题，比如早期宇宙为何如此之热、宇宙在大尺度上为何如此均匀。

有人用人存原理去解释那些问题：“我们看到的宇宙之所以如此，是因为我们的存在。”弱人存原理认为作为观察者的我们之所以存在于这个时空位置，是因为这个位置提供了我们存在的可能。而强人存原理则认为我们的宇宙（同时也包括那些基本的物理常数）必须允许观察者在某一阶段出现。但人存原理仍有许多漏洞，遭到许多异议。

与热大爆炸模型不同，有人提出暴胀模型，早期宇宙可能经历过一个非常快速膨胀的时期，这种膨胀抹平了宇宙中的任何不规则性，从许多不同的非均匀的初始状态可以演化出宇宙现在光滑均匀的状态。暴胀理论不像热大爆炸模型需要假设初始时被认真选择过膨胀率，它还能解释在宇宙中为何存在这么多物质。该理论缺陷在于在宇宙暴胀时各种力之间的对称最终会破缺，结果宇宙变成一种非常不均匀的状态，有些区域仍具有各种力之间的对称，而且据此模型预言的微波背景辐射比实际观测值大，这样的模型跟我们观察到的宇宙不吻合。

为了预言宇宙应该如何起始，需要一套在时间开端处能成立的定律。由于经典理论在奇点处都崩溃了，因此无法用它们来描述此时的宇宙。霍金提出量子引力论，在量子理论中不必存在任何奇点。我们还没有一套完备而协调的理论将量子力学和引力结合在一起，但一套统一理论必须和费恩曼提出的按照对历史求和的量子力学表述相合并。量子引力论开辟了另一种可能性，在这里时空是有限而的，所以也不需要指定边界上的行为。为了描述，量子引力论引入了“虚时间”的概念，宇宙在虚时间中没有奇点。如果宇宙真是完全自足的，那它就既没有开端也没有终结：它就是存在。

****时间有方向****

科学定律并不区分过去和未来，它们在CPT联合对称下不变，它们也应在单独的T作用下不变，但生活中并不会出现时间倒退的事情，人们感觉时间确实有一个明确的方向。

根据热力学第二定律，闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加，这可以作为时间方向的一个例子，将过去与将来区别开来。除了热力学时间方向，还有心理学时间方向，即我们能记住过去而不是未来，让我们感觉时间在流逝。另外还有一个宇宙学时间方向，宇宙在这个方向上是膨胀的而不是收缩的。宇宙无边界条件和弱人存原理一起能解释这三个方向指向同一个方向。

首先时间的热力学方向确定心理学方向，并且这两个方向相同，大脑活动本身会以热的形式耗散能量，从而增加了宇宙的无序度，即我们必须在熵增加的方向上才能记住事物。

宇宙无论处于膨胀相还是收缩相，无序度都是增加的，无边界设想意味着宇宙以非常接近恰好避免坍缩所需要的临界速率膨胀，这样它在很长的时间内才不至于坍缩，那时恒星将烧尽，宇宙处于几乎完全无序状态，熵不再大量增加。但由于生物需要消耗大量能量维持生命，因此在没有大量无序度增加的收缩相宇宙中人类是无法生存的。又根据弱人存原理，只有人类能提出为何无序度增加与宇宙膨胀的时间方向相同这个问题，因此我们只能观察到这两个方向一致的现实。