书评

《时间简史普及版》

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学地理,可以让你了解这个世界的多彩多姿,从感性的体验中感受万物的广博和世界的美好;

读历史,可以让你在一个个荡气回肠的人物和岁月中,得知历史和人类的规律,从而站在一个独具的高度来审视这个世界和自己的人生观;

我认为这两门学科(或许还应包括更感性的文学,但我还没能真正领悟其美)能让一个人在人文方面得到最充分的熏陶,以形成独立、成熟的世界观和人生观。这样的世界观能帮助你发现这个世界中许多无谓的事情,也能帮助你容忍许多无谓的事情,让你从容地独立的沿着自己的人生轨迹前行。

但是,最近我才发现,除此之外的自然科学,它不仅仅是贡献于我们日常生活的便利,也不仅仅能帮助你仰望星空时的思考和幻想,它的目的是解释我们周围的世界运转的原理和规律,直至我们和宇宙为什么存在这样的终极问题。然而也许上帝并非如人文那样平易近人,人类已探知的自然科学的规律都并非那么容易为我们所理解。好在有史蒂芬·霍金的《时间简史》,他用所能用的最浅显和易懂的语言(只用了爱因斯坦质能方程一个公式),给我们初步解释了人类已掌握的原理,不得不说是一部迷人而清澈,光辉四射的巨著。虽然它并不厚。读历史,你会慨叹和崇拜一个个叱咤风云的人物;而读这本书,你会惊叹人类是如此的聪明,有如此巧妙的思考方式,总结出了如此光辉的成果。

由于怕自己读不懂,我读的是普及版,好在霍金想要在普及版中表达的我都接受了。我在阅读的过程中记下了一些读书笔记,附在本文的后面,欢迎有兴趣的同学探讨。这里先摘录几条最令我耳目一新,感受到人类智慧的魅力的:(可能断章取义的不好理解,推荐还是看原书品味)

牛顿力学的参照系:缺乏静止的绝对标准意味着不能确定发生在不同时间的两个时间是否发生在空间中的相同位置上。
以太理论被证伪:抛弃绝对时间的观念
狭义相对论:1.时间和空间不可分,相对运动的观察者的时间不同步,但科学定律相同。2.质量和能量等效。
宇宙有限而无边界(弯曲空间)
广义相对论:引力不是力,是时空并非平坦这一事实的结果。物体在四维空间中沿直线运动,物质存在使四维空间畸变,使物体在三维空间中的路径弯曲。
红移(多普勒效应使得远去的恒星发射的波长变长,光谱缺失往红端移动)证明宇宙膨胀,且红移大小和距离成正比。
黑洞,光速小于其逃逸速度。
海森伯不确定性原理:不能同时精确确定粒子的位置和速度。
粒子和波仅仅是人类为了方便而想出的概念,其实是统一的。
时间旅行佯谬的解决:协调历史,即时间旅行者在任何意义上都没有自由意志。回到过去不能改变历史,否则会不符合物理定律;出发前就已返回,所有的未来行为已被记载。
19世纪以前,人类把不能理解的领域归结为上帝。今天,上帝只有选择宇宙所服从的定律的自由。也许统一理论是如此简单,上帝其实也没有多少选择性。19世纪以后哲学家已跟不上科学理论的进步。如果确实有完备的理论,广泛而让所有人理解,所有人(包括哲学家)能攒与讨论我们和宇宙为什么存在的问题,这是人类理性的终极胜利—-因为那时我们知道了上帝的精神。

附:读书笔记

第1章-第3章
科学理论的本性:精确描述大量观测,而且能明确预言未来的观测结果
理论分成两部分:初始状态和变化规律。如果初始状态由上帝随意决定,那么上帝也能随意的改变变化发展,因此初始状态也存在定律
广义相对论(宏观尺度)和量子力学(微观尺度)不能相互协调
统一理论和人类认知的矛盾—用进化论解释(只有有能力正确认知宇宙规律的生物会长久生存)

第4章
亚里士多德、托勒密—牛顿(三定律)、伽利略(观测验证)—麦克斯韦—爱因斯坦
缺乏静止的绝对标准意味着不能确定发生在不同时间的两个事件是否发生在空间中的相同位置上

第5章
光速的有限及测量:木星卫星月食并非等间隔时间(因为与地球距离在变化并且光的速度有限)
麦克斯韦电磁方程(电磁统一,场的概念)
麦克斯韦理论:光速恒定,与牛顿理论(不存在静止的绝对标准)矛盾
以太(光波的介质,我们和以太存在相对速度,光在以太中保持同一速度)理论被证伪:抛弃绝对时间的观念
狭义相对论:1.时间和空间不可分,相对运动的观察者的时间不同步,但科学定律相同。相对论时空:用4个坐标指定特定时刻在特定空间点发生的任何事 2.质量和能量等效:能量(例如动能)越大,质量越大
和牛顿引力理论不协调:太阳突然消失,引力立即消失但光还能维持8分钟

第6章
弯曲空间:地球表面就是一个二维弯曲空间:飞机航线
广义相对论:引力不是力,是时空并非平坦这一事实的结果。物体在四维空间中沿“直线”运动,物质存在使四维空间畸变,使物体在三维空间中的路径弯曲。验证:水星轨道偏移。光也一样:太阳使其他恒星光线弯曲。
等效原理:不能区分匀加速运动和静止在引力场中这两种状态—引力和匀加速运动一样能引发时间的相对性。引力场的不同位置让时间推移不一样,引力使时间变慢(GPS必须考虑相对论效应,否则误差很大)

第7章
视差:运动中远处和近处物体的相对位置变化—可用于测量恒星的距离。
远距离星系的测量:同类恒星有相同的光度,通过视亮度来测量距离。光度可通过近距离恒星取得
黑体辐射:被加热物体的辐射
通过恒星光谱的缺失可知该恒星大气含有什么元素(该元素会吸收某种波长的辐射)
红移(多普勒效应使得远去的恒星发射的波长变长,光谱缺失往红端移动)证明宇宙膨胀,且红移大小和距离成正比
宇宙背景辐射来源于大爆炸之初,但由于红移的很厉害,变成了微波
宇宙背景辐射始终在各个方向上恒定,证明宇宙在每个方向都是相同的,宇宙膨胀没有中心,任意两点的离开速度都与距离成正比
弗里德曼三种宇宙模型:宇宙膨胀受引力影响而停止随后收缩;宇宙膨胀永不停止;宇宙膨胀的速度刚好足以避免坍缩,速度越来越小但永不为零。可以通过测量宇宙密度(引力大小的关键因素)来判断,但宇宙中大部分质量是难以观测到的暗物质(比如和物质相互作用极弱的中微子)。实际观测结果却是,宇宙在加速膨胀。

第8章
正反物质的湮灭。由仍存的中微子来推知宇宙爆炸时的情况,宇宙从非常热的状态开始,随着膨胀而冷却,有限而无边界(弯曲空间)。但宇宙有开端和奇点–无穷大数值和极度卷曲的空间让广义相对论无法解释。
恒星靠核聚变释放能量增加气压平衡引力,所以越大的恒星燃料耗费越快,燃料耗尽后会坍缩直至黑洞。外层会抛离成为超新星爆发,是下一代恒星和行星的原料。超新星的辐射会扑灭生命,因此高级生命只可能在没有太多恒星的区域中演化。
黑洞的超大密度,使其逃逸速度大于光速,光在其周边弯曲的如此厉害被拉了进去无法出来。同时巨大的引力也让黑洞周围的时间相对于外界显得无限长,因为没有光和时间的问题,我们无法观测黑洞边界内的样子。另外黑洞周围相差一点距离的引力差别如此之大,任何物体都会被撕裂。

第9章
拉普拉斯决定论+黑体辐射问题–普朗克量子论(电磁波发出的波包,即量子,光的量子叫光子)。频率越高的量子能量越大,大到超越本身能量的频率就不辐射。
海森伯不确定性原理:不能同时精确确定粒子的位置和速度。要越精确的测量一个粒子,就要用越短波长(越高频率,越大能量)的量子来射它,以测量光波散射。然后大能量量子会扰动粒子本身,因此测不准。折衷点是普朗克常数。由此发展出了量子理论
粒子和波仅仅是人类为了方便而想出的概念,其实是统一的。单个电子也会自我干涉
电子如果以经典模式绕原子核转,会因为散发出辐射而迅速坍缩。能级的假说解决这一问题,德布罗意波和费恩曼对历史求和解释了能级(轨道必须是波长整数倍)
广义相对论预言了密度无穷大的奇点,就预示着其不完备。宇宙开端极小的空间不能忽视量子效应

第10章
不完备性定理:不可能证明所有真的陈述。
时间旅行:高速飞船让时间变慢—去往未来(双生子佯谬);回到过去(时间逆转)需要超光速飞行或虫洞
虫洞需要负能量密度–透支其他区域的能量,只要总能量为正即可
由于过去并没有发生逆时旅行所需的时空卷曲,因此时间旅行只限于现在未知的未来
时间旅行佯谬的解决:协调历史,即时间旅行者在任何意义上都没有自由意志。回到过去不能改变历史,否则会不符合物理定律;出发前就已返回,所有的未来行为已被记载。
或选择历史(如同《回到未来》),但不符合目前的科学设想;另一种猜测是时序防卫,物理规律阻止宏观物体传递有意义的信息到过去
如果存在万能理论,自由意志可以说是虚幻的,但它如此难以计算,加上量子论的随机性,我们可以把自由意志理解为人不可预测的行为

第11章
各种常数的存在是没建立宇宙统一理论而互相妥协的表现
量子力学中的力或相互作用都是由粒子携带的。人为的分为四种(期待统一理论解释为一种力的不同方面):引力、电磁力、弱核力、强核力
将量子力学和广义相对论统一成量子引力论的困难:根据不确定原理,场的值和变化率不能同时精确,还会导致数学上的无限大(虽然无限大可以通过重正化这一数学手段去除)。
弦理论:弦是宇宙的基本对象,粒子可被描绘为弦上的波。弦理论可用于统一引力和其他力,但在十维或二十六维才协调,四维以上的维都被高度卷曲了。
人存原理:我们之所以看到宇宙是这个样子,是因为如果它不是这个样子,我们就不会在这里去观察它。多于四维的平坦空间会导致行星轨道不稳定,恒星分裂或坍缩。如果存在平坦的多维空间,也不存在智慧生命去观测它。而其他不同形式可能存在的宇宙,也因为我们无法观测而没有意义。(奥卡姆剃刀原理)
多种弦理论的对偶性:5种弦理论在四维空间中得到同样结果,似乎都是对更基本理论的不同近似。也许基本理论的单独表述并不存在。
宇宙终极理论的三种可能性:的确存在并将被找到;不存在,仅存在越来越精密但不可能完全准确描述的无限序列;不存在,事件在一定程度外是随机的不可预言的。不确定性原理让我们已经排除了第三种,我们是要在不确定性原理的界限下寻找规律。质量过于集中会形成脱离宇宙的黑洞预示着第二种可能所描述的精密度也存在极限,但实验技术上我们还差得很远。
科学发展带来的复杂知识结构使没有人能成为全才,而只能成为专家。希望统一理论能简化这一复杂结构。
统一理论的两点限制:量子力学的不确定性原理。无法准确解多于一个电子的原子的量子方程(牛顿理论也不能准确解三体运动)
我们的目标是完全理解我们周围的事件以及我们自身的存在 — 哲学的目标。

第12章
19世纪以前,人类把不能理解的领域归结为上帝。今天,如果无边界假设正确,上帝连初始条件都没得选,只有选择宇宙所服从的定律的自由。也许统一理论是如此简单,上帝其实也没有多少选择性。
19世纪以后哲学家已跟不上科学理论的进步。如果确实有完备的理论,广泛而让所有人理解,所有人(包括哲学家)能参与讨论我们和宇宙为什么存在的问题,这是人类理性的终极胜利—-因为那时我们知道了上帝的精神。

5 comments

  1. 前三段咋一看以为是哲学家。。。高二的时候杯具得选了这本书作为暑期阅读书籍,开学的时候为那个读后感作文都快要愁死了。。。后来有了大学物理作铺垫再看一遍觉得好很多,但终究不是很喜欢(从小不喜欢物理的人飘过。。。)不过这的确是本好书~~

  2. Oh my god,我最不懂物理。。。看你做的笔记,感觉自己的脑袋以几何级数变大。。。

  3. 什么终极胜利,想多了。不过那是科学家们的信仰。别抹杀了。

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