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時間簡史—史蒂芬.霍金 第一章、我們的宇宙圖像 龜宇宙：印度教宇宙把地球?qū)懗鲴W在6只大象的背上,，而地獄則是停留在蛇上的烏龜支持,。 平坦地球模型：早期希臘人認(rèn)為，地球浮在水上,，在它之上是4種元素,。 托勒密地心宇宙學(xué)：地球處于宇宙中心，8個天球包圍著它,，與其相關(guān)的宇宙存在自然邊界,。 哥白尼日心宇宙學(xué)：太陽靜止位于中心，地球和行星們圍繞太陽做圓周運動,。 星系宇宙學(xué)：地球繞著銀河系一個螺旋臂的外端的一個中等恒星（太陽）公轉(zhuǎn),。 現(xiàn)代宇宙圖像：銀河系只是宇宙在我們特定區(qū)域內(nèi)的萬億個可觀測到的星系中的一個。 宇宙理論包括：1）宇宙如何隨時間變化,；2）宇宙的初始狀態(tài)問題 描述宇宙的科學(xué)理論有： 1）牛頓理論-按照超距作用的力來描述引力。它在太陽系中很成功,，但在強引力場下失效,。 2）廣義相對論-描述引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，大至1億億億英里（1英里=1.609km）,。將引力描述成因為時空中的質(zhì)量和能量而引起的時空彎曲,。物體試圖以直線運動，但是它們的路徑因為時空的彎曲而被彎折,。 3）量子力學(xué)-描述原子水平以及更低水平的現(xiàn)象,，小至萬億分之1英寸（1英寸=2.54cm） 第二章、空間和時間 物體運動的觀念： 1）亞里士多德：物體的自然狀態(tài)是靜止的,，只有受力后才運動,，存在絕對靜止，相信絕對時間,。 2）伽里略：測量了物體運動速度的改變率與質(zhì)量無關(guān),。 3）牛頓：第一定律--力是改變物體運動狀態(tài)的原因；第二定律--速度的改變率與所受的外力成正比,；引力定律--任何兩個物體都相互吸引,，其引力大小與物體質(zhì)量成比例，與距離成反比,；不存在絕對靜止或絕對空間,；相信絕對時間。 羅默（丹麥）：證明了光以有限的速度行進,。 麥克斯韋：光的電磁波動理論,。由此不得不假設(shè)以太的存在,，但邁克爾遜和莫雷通過實驗證明了光速任何方向都是一致的，從而說明了以太的觀念是不存在的,，使得人們不得不拋棄絕對時間的觀念,。 愛因斯坦相對論：不管觀測者以任何速度做自由運動，相對于他們而言,，科學(xué)定律都應(yīng)該是一樣的,。擴展到不管觀察者運動多快，他們應(yīng)測到一樣的光速,。并由此得出質(zhì)量和能量等價的方程：E=mc^2,。 相對論限制了物體運動的速度：任何正常的物體永遠以低于光速的速度運動，只有光或其他沒有內(nèi)稟質(zhì)量的波才能以光速運動,。 相對論的意義：變革了時間和空間的觀念,，因為兩點之間花費的時間是用光速（相同）去除距離（由于空間不是絕對的所以不同），所以做相互運動的觀察者對同一事件可賦予不同的時間和位置,，迫使我們從根本上改變時間和空間的觀念：時間不能完全脫離和獨立于空間,，必須和空間一起形成所謂的時空客體。 事件：指特定的時刻和空間中特定的點發(fā)生的某件事,，人們可以用四個數(shù)或坐標(biāo)來指定它,。 從事件P出發(fā)的光脈沖的軌跡在時空中形成所謂“P的將來光錐”和“P的過去光錐”，這兩個光錐把時空分成P的將來,、過去和他處,。具有質(zhì)量的物體運動得比光慢，因此它們的軌跡在將來光錐之內(nèi),。 太陽發(fā)出的光8分鐘后到達地球,，我們現(xiàn)在看到的最遠物體，光是在80億年前發(fā)出的,。 狹義相對論：對于時空中的每一個事件都可以做一個光錐,，由于在每一事件處在任一方向上的光速都是一樣的，所以所有光錐都是全等的,，并朝著同一方向,。而引力效應(yīng)必須以無限速度行進，與狹義相對論只能以低于或等于光速行進相矛盾,，為協(xié)調(diào)這一矛盾,，從而提出廣義相對論。 廣義相對論：引力不像其他種類的力,，它是時空不是平坦的這一事實的結(jié)果,，由于時空中質(zhì)量和能量的分布使它彎曲或翹曲。物體總是沿著四維空間中的直線運動,，正如在多山的三維空間中直線飛行的飛機在二維地面上的投影是一條彎曲的路徑,。太陽的質(zhì)量以這樣的方式彎曲時空,，使得在四維的時空中地球雖然沿著直線的路徑運動，它卻讓我們看起來是沿著三維空間中的一個圓周軌道運動,。 廣義相對論一個預(yù)言：光線在時空中也必須被引力場折彎,，通過日食觀測得到證實； 廣義相對論另一個預(yù)言：在像地球這樣大質(zhì)量的物體附近,，時間顯然流逝地更慢一些,。因為當(dāng)光從地球引力場往上行進，它失去能量,，因而其頻率下降,，通過一對安裝在水塔頂上和底下的鐘得到證實（更靠近地球的鐘走得慢一些）。 在廣義相對論中,，空間和時間變成了動力量：當(dāng)物體運動或者作用力時,，它影響了空間和時間的曲率；反過來,，時空的結(jié)構(gòu)又影響了物體運動和力作用的方式?，F(xiàn)在時間和空間被認(rèn)為是每個單獨粒子或行星的動力量，根據(jù)它的位置和運動狀態(tài)具有自己唯一的時間測度,。 第三章,、膨脹的宇宙 通過計算恒星的視亮度間接測量恒星間的距離發(fā)現(xiàn)：太陽只是銀河系的1000億個恒星之一，銀河系只是局部集團的許多星系之一,，局部集團只是形成宇宙中最大已知結(jié)構(gòu)的幾千個集團和星系團之一。 通過可供觀測的光的顏色對恒星進行分類,，可以從恒星的光譜得知它的溫度,，從光譜中失去的顏色確定恒星大氣中存在的元素。 多普勒效應(yīng)：當(dāng)一個發(fā)射源向著觀測者駛來時,，波就向較高頻率位移,；當(dāng)它離開接收者而去時，波就向較低頻率位移,。 紅移和藍移：光的不同波長正是人眼看成不同顏色的東西,，最長的波長出現(xiàn)在光譜的紅端，最短的波長在光譜的藍端,。一個相對于地球靜止的恒星發(fā)射出固定波長的光,，該波長和我們觀測到的相同。如果該恒星離開我們運動而去,，則兩個波峰之間的距離被增加,，我們覺得它的光譜向紅端移動；而當(dāng)恒星趨近我們而來時,，兩個波峰之間的距離被減少,，光譜則被藍移,。 哈勃發(fā)現(xiàn)：大部分星系是紅移的，而且星系越遠,，移動得越快,，這就說明宇宙是膨脹的。 膨脹氣球理論：膨脹的宇宙像一個正在被吹脹的氣球,。氣球表面上的斑點相互離開,，但沒有一個斑點是膨脹的中心。 弗里德曼閉合宇宙：所有星系一開始都相互離開,，宇宙一直膨脹到它的最大尺度,，然后被收縮回一點。（另兩個宇宙模型：在宇宙開放模型中,，引力永遠不能戰(zhàn)勝星系的運動,，宇宙會永遠膨脹下去；在宇宙平坦模型中,，引力吸引剛好和星系運動平衡,，宇宙避免坍塌，星系運動越來越慢,，但永遠不會完全靜止,。） 弗里德曼解的特點：在過去的某一時刻，鄰近星系之間的距離為零,，即宇宙大爆炸時刻,，此時宇宙的密度和時空曲率無限大。 廣義相對論預(yù)言：宇宙可以有過奇點,，一個大爆炸,，在該處理論本身崩潰。 彭羅斯定理：任何坍塌的星體必定終結(jié)于一個奇點,。 霍金和彭羅斯合作證明：假定廣義相對論是正確的,，而宇宙包含我們觀測到這么多物質(zhì)，則過去一定有過大爆炸奇點,。事實上,，一旦考慮到量子效應(yīng)，奇點就會消失,。 第四章,、不確定性原理 普朗克量子假設(shè)：光只能以波或量子的形式出現(xiàn)，它是具有與其頻率成比例的能量的一串波,。 海森伯不確定性原理：不可能同時精確地確定一個粒子的位置和速度,。用來觀測粒子的光的波長越長，則粒子位置的不確定性越大,，而粒子速度的確定性越大,；用來觀測粒子的光的波長越短,，則 則 粒子位置的確定性越大，而粒子速度的不確定性越大,。 粒子位置的不確定性乘以粒子質(zhì)量再乘以速度的不確定性不能小干一個確定量,，該確定量稱為普朗克常數(shù)。粒不再分別有很好定義的而又不能被位置和速度,，取而代之,，粒子具有合和速度的結(jié)合態(tài)，即量子態(tài),。 量子力學(xué)并不對一次觀測確定地預(yù)言個單獨的結(jié)果,，而是預(yù)言不同結(jié)果發(fā)生的概率。 光存在波和粒子的二重性,。它只 包或量子的形式發(fā)射或吸收，但在方面的行為像波一樣,，沒有確定的位置,，成一定的幾率分布,。因此粒子間可以發(fā)生干涉現(xiàn)象。 費恩曼歷史求和理論:在時空中的 分 從A到B通過所有可能的路徑相加原子論的演化:1)希臘哲學(xué)家德利特的顆粒狀原子;2)盧瑟福的 繞核公轉(zhuǎn)模型;3)波爾的量子力學(xué)模型(一個繞核運動的電子只能在軌道長度對應(yīng)整數(shù)倍電子波長的軌道旋轉(zhuǎn))第五章,、基本粒子和自然的力亞里士多德:四種基本元素,，即 氣,、火,、水,。物質(zhì)是連續(xù)的，可無 分 原子論:物質(zhì)是由大量不同類型的原子組成(原子在希臘文中的意義是"不可分的”) 夸克存在6種味:上,、下,、奇、粲,、不底、頂,，每種味有紅,、綠、藍三種反夸克也存在6種味,，每種味有3種 中子包含兩個具有1/3電荷的下夸克和一個具有2/3電荷的上夸克;質(zhì)子兩個上夸克和一個下夸克 所有粒子都是波,，粒子的能量越高不應(yīng)的波長越短。 宇宙中的一切都能用粒子來描述,，基本粒子具有自旋性質(zhì),。自旋0的粒子從所有方面看都一樣，自旋1的粒子當(dāng)它轉(zhuǎn)360度后顯得一樣,，自旋2的粒子轉(zhuǎn)18度后顯得一樣,，自旋1/2的粒子則需不轉(zhuǎn)兩整圈,。 泡利不相容原理:兩個類似的粒子輸存在于相同的態(tài)中，即不能同時具有相同的位置和速度,。 宇宙間所有已知粒子分為兩組:1)自旋為1/2的粒子,，它們組成宇宙中 質(zhì);2)自旋為0、1,、2的粒子,， 不 在物質(zhì)粒子之間產(chǎn)生力。 物質(zhì)粒子發(fā)出攜帶力的粒子,，這個發(fā)射引起反彈,，改變了物質(zhì)粒子的速度。攜帶力的粒子然后和另一個物質(zhì)粒子碰撞并且被吸收,，從而也改變不了第二個粒子的速度,。攜帶力的粒子不像實粒不樣可以通過粒子探測器檢測到，稱為“虛粒子”,，但有時會以波動探測到,。 攜帶力的粒子類別: 1)引力-由交換自旋為2的虛引力子引起,，雖然非常弱但能作用大距離是吸引: 2)電磁力--作用干帶電荷的粒子 換大量稱作光子的自旋為1的虛粒子引 起: 3)弱核力--負(fù)責(zé)放射現(xiàn)象,，只作用于物質(zhì)粒子，對攜帶粒子不起作用,。除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統(tǒng)不重矢量波色子的粒子攜帶弱力 4)強核力--將質(zhì)子和中子中的夸克在一起,，并將原子核中的質(zhì)子和中子束縛在一起，由稱為膠子的自旋為1的粒 子攜帶,。 強核力的色禁閉性質(zhì):總是把粒子成不帶顏色的結(jié)合體。如質(zhì)子或中由紅綠藍=白,，而介子是由紅反紅或綠反綠等構(gòu)成，因此不能得到單獨的膠子自身,。 大統(tǒng)一理論(GUT):在高能量下，強核力變?nèi)?，電磁力或弱力變強,，因此這3種力都具有同樣的強度，可看成一單獨力的不同方面。不同物質(zhì)?；旧隙甲兂梢粯?。大統(tǒng)一理論預(yù)質(zhì)子能夠發(fā)生衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。 物理定律的三個對稱:C(電荷)對稱 -定律對于粒子和反粒子是相同的(宇稱)對稱--定律對于任何情景的鏡像是相同的;T(時間)對稱律對于前進和后退的時間方向是一的,。這三個對稱后來均被推翻,。科學(xué)定律只有在CPT聯(lián)合作用下不變,。 夸克比反夸克多的原因:物理定律對于粒子和反粒子不是完全相同的,。當(dāng)不宇宙膨脹時，由于存在不服從T雙 力,，這些力將更多的反電子變成夸命然后,，隨著宇宙膨脹并冷卻下來，反夸克和夸克湮滅,，但由于已有的夸克比反夸克多,，少量過剩的夸克就留了下來，構(gòu)成我們今天看到的物質(zhì),。第六章、黑洞 黑洞:恒星的質(zhì)量如此之大,，以至它表面發(fā)射的光被它強大的引力域 去,，使它不被看見。根據(jù)相對論,，沒有東西能行進得比光還快,，因此所有東西 被耗尺氨核形形成 始膨脹;4)當(dāng)恒星耗盡了燃料，它開始變冷并收縮,，引力和不相容原理引起的排斥達到平衡,。如果一個恒星的質(zhì)量比昌得拉塞卡極限(比太陽質(zhì)量的一倍半還大的一個恒星)還小，它最終會成為褐矮星或白矮星(由物質(zhì)中電子之間不相容原理排斥力支持),。如果它超過這個極限,，該超巨星的最后引力城產(chǎn)生一個中子星(這些恒星是由中質(zhì)子之間不相容原理的排斥力支一個黑洞。 一個收縮的恒星增長的引力場對周圍空間的效應(yīng)可以想象為一張敏感的彈性的紙,，物質(zhì)越重,，凹入處就越深，此到的最終引力內(nèi)爆代表黑洞的奇性度和時空曲率無限大的奇點),。由合坍塌所產(chǎn)生的奇點只能發(fā)生在像黑洞那樣的地方，它在那里被事件視界遮住而不被外界看見,。 運動中的能量被引力波的輻射帶走,，所以一個大質(zhì)量物體的系統(tǒng)最終會趨種不變的狀態(tài)。 非旋轉(zhuǎn)的黑洞是完美的球形，任何拿物體坍塌成為黑洞后,，其終態(tài)依賴于它的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速,，關(guān)于坍塌物體的大量信息被丟失了，即所謂的“黑洞沒有毛”,。太初黑洞:由外部而非內(nèi)部的壓力的黑洞,。 第七章、黑洞不是這么黑的 事件視界面積的非減性:當(dāng)物質(zhì)落入黑洞,，事件視界的面積增加;或者如果兩個黑洞碰撞合并成一個單獨的黑洞,，它的面積會大于或等于原先黑洞的面積總和。 為了不違背熱力學(xué)第二定律(一系統(tǒng)的熵總是增加的,，且將兩個系接在一起時,，其合并后的熵大于所有單獨系統(tǒng)的熵總和)，黑洞會如同一個熱體那樣發(fā)射粒子和輻射,，但粒子不是從黑洞中發(fā)射的,，而是從緊靠黑洞的視界的外面的“空虛的”空間中來。的空間中充滿虛粒子和反粒子對,， 被一同創(chuàng)生,，相互離開，然后再回到一起湮滅,。 如果黑洞存在,，虛對的一個成員會落入黑洞并且成為實粒子，另一成員從黑洞鄰近逃逸,。黑洞越小,，負(fù)能粒子在不實粒子之前走過的距離越短，這樣 發(fā)射率和表觀溫度也就越大,。黑洞命喪失能量和質(zhì)量,，最終會在一次巨大的爆炸中完全消失。 一個具有幾倍太陽質(zhì)量黑洞只具有一千萬分之一度的絕對穩(wěn)定,，而在宇宙期形成的太初黑洞會有高得多的溫并以大得多的速率發(fā)出輻射,，這些實際上是白色的，但宇宙中的太初黑洞每立方光年不可能超過300個,。如果能找到的話,，它必須正在發(fā)射大量的伽馬射線和X射線。 第八章,、宇宙的起源和命運宇宙簡史(熱大爆炸模型) 1)大爆炸時,，宇宙體積為零，無限合熱;2)10^(-43)秒后,，大統(tǒng)一理論(GUT)時期,，溫度10^32度;3)10(-34)秒后,，夸克-反夸克主導(dǎo)時期，溫度10^27度;4)10^(10)秒后質(zhì)子,、中子,、和介子形成，夸克禁 反夸克禁閉消失,，溫度10^15度; 4合 秒后,，質(zhì)子和中子束縛一起形成氫氦、鋰和氘核,，溫度10^10度;5)3分鐘后,，物質(zhì)和輻射耦合在一起，溫度10^9度:6)300000年后,，當(dāng)電子和核結(jié)合在一起,，物質(zhì)和輻射去耦，宇不于宇宙背景輻射變成透明,，溫度3度;7)10億年后,，物質(zhì)團形成類體、恒星和原始星系,。恒星燃燒太初金和氦并合成更重的核,，溫度20度;8)150年后，太陽系圍繞著恒星凝結(jié),，原子連接形成復(fù)雜分子后生命物質(zhì),，溫度3度。 弱人存原理:在一個大的或具有無限間和/或時間的宇宙里,，只有在某些時空有限的區(qū)域里,，才存在智慧生命發(fā)展的必要條件。因此,，在這些區(qū)域中,，如果智慧生物觀察他們在宇宙的位置滿足他們存在必要的條件，他們就不應(yīng)到驚訝,。 強人存原理:存在許多具有不同初介脹率和其他基本物理性質(zhì)的不同的宇宙,，只有一些適合于生命?！盀楹斡钪媸俏覀兛吹降倪@種樣子?"答案很簡單:如果它不是這個樣子,，我們就在這里。 |
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