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本期影频啊
为你解读的是全球科学著作的里程碑
斯蒂芬
霍金的时间简史
这本书呢
中文版大约有十七万字
我会用大约二十六分钟的时间为你讲述书里的精髓
霍金对于宇宙的研究
究竟做出了哪些贡献呢
时间简史这本书啊
应该是全世界最出名
销量也最好的科普书了
在一九八八年出版之后呢
他曾经在畅销书榜上连续出现了二百三十七周
也就是四年半的时间
创下了前所未有的畅销记录
这本书被翻译成了四十多种文字
据说啊
在全世界范围内
平均每七百五十个人就拥有一本时间简史
所以啊
霍金的一位博士后半开玩笑的评论说
霍金的科普要比麦当娜弹性的书还好卖
要说某一本书啊
叫什么什么简史
你肯定也听过不少
像什么万物简史
人类简史
未来简史等等
还有一本书呢
叫做世界是平的
它的副标题叫做二十一世纪简史
那么时间简史可以说是开创了这个命名方法的先河
时间简史的作者呢
斯蒂芬 霍金
也是当今世界上最知名也最具有传奇色彩的科学家
即便在中国
他也是家喻户晓的人物
这是因为霍金虽然得了肌萎缩性脊髓侧缩硬化症
也就是之前因为冰桶挑战而进入大家视线的渐冻症
霍金呢
被禁锢在轮椅上
但还是凭借自己杰出的头脑
为当代物理学
尤其是对于大爆炸和黑洞的研究做出了巨大贡献
霍金曾经是剑桥大学的卢卡斯数学教授
而卢卡斯数学教授这样一个职位啊
是牛顿
保罗迪拉克这样的顶尖科学巨匠曾经担任的
所以说
霍金在学术上所取得的成就
的确是令人惊叹
那么咱们今天要说的时间简史这本书啊
并不算很厚
中文版只有两百多页
不过书里涵盖的内容呢
非常广泛
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
霍金都进行了介绍
所以看完这本书啊
你可能会对于像星际穿越这样涉及到很多物理概念的科幻电影有更多理解
不过实话实说啊
时间简史这本书呢
对于普通读者来说并不太友好
因为很多物理学上的概念
霍金只做了一些简单的介绍
有些啊
甚至是一笔带过
没有一定知识基础的读者啊
恐怕根本看不懂霍金在说什么
甚至还有人呢
做过调查
甚至绝大分人看完时间简史除除了开头说笑笑之外外
其他的内容全都忘了
看了跟没看差不多
所以
霍金又不得不出了一本时间简史普及版
希望让更多的人能够看懂他的理论
后来啊
又多亏了哈勃望远镜和电脑的三维
四维成像技术
时间简史呢
又推出了插图版
在书里添加了两百多张彩色插图
让读者更能够体会到宇宙学中的奇妙
作为一本经典科普著作啊
时间简是真正的特别之处在于
他介绍了霍金自己的几大理论贡献
这本书的翻译者呢
是霍金的两位中国学生
他们在叙文当中表示啊
自己是受霍金所托
把这本书翻译成中文
以让世界五分之一的人口了解霍金的学说
无论是霍金自己
还是这两位翻译者
都认为呢
霍金在学术上最重要的贡献啊
是对于起点和黑洞的研究
那么具体按照大概的时间顺序来说
一是霍金和英国数学家彭罗斯一起证明了著名的奇点定理
奇是奇怪的奇
点是小数点的点
这个理论呢
跟广义相对论和宇宙膨胀有关
第二是霍金证明了黑洞也可以发出辐射
这种辐射呢
就被称为霍金辐射
第三啊
是霍金提出了无边界的宇宙模型
认为宇宙没有边界
也没有启始和终结
这是对上帝的一次挑战
这几个理论呢
霍金在时间简史这本书当中都做了介绍
所以接下来我们就从这几个理论入手
来带你了解时间简史的精髓
霍金对于宇宙的研究都做出了哪些贡献
所以
首先要讲的第一个问题就是
霍金和彭罗斯所提出的起点定律是什么
第二个问题是呢
霍金提出的无边界宇宙模型有什么特别之处
第三个问题啊
我们再来看一看
为什么霍金说黑洞并不是完全黑的
好
咱们首先来看第一个问题
霍金和英国数学家彭罗斯所提出的奇点定理到底是什么
在二十世纪之前呢
人们一直默认宇宙是静止的
即使牛顿的万有引力定律已经说明啊
不同的物体之间会相互吸引
但是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
甚至连爱因斯坦都在这个问题上栽了跟头
爱因斯坦在一九一五年就发表了广义相对论
提出呢
时空是可以弯曲的
根据爱因斯坦的方程啊
宇宙并不是静止的
但是爱因斯坦认为
这肯定是有什么地方弄错了
所以自己呢
在方程里强行添加了一个宇宙常数
这样根据方程来看呢
宇宙就变成是静止的了
但是在二十世纪二十年代的时候啊
科学家在观测其他恒星的时候发现很多恒星都发生了一种叫做红移的现象
意思就是说呢
这些恒星都正在远离地球
本来人们以为啊
这些恒星的运动都是随机的
可能有些恒星离我们越来越远
有些恒星离我们越来越近
但是啊
到了一九二九年
美国天文学家艾德温
哈勃
就是用他的名字命名了哈勃望远镜的那位天文学家
他发现呢
绝大部分恒星都是在远离地球的
而且啊
这些恒星离地球越远
他们离开的速度也就越快
这能够说明什么呢
咱们来想象一下啊
假如你拿一个气球
然后呢
在气球表面的不同位置画上几个点
接着给这个气球吹气
随着气球越吹越大
那么你画的那几个点也会离得越来越远
而且啊
两个点离得越远
它们相互远离的速度呢
也就越快
这个气球啊
其实就相当于我们的宇宙
气球上的点呢
就相当于地球和其他恒星
绝大部分恒星都是离地球越来越远
这就说明啊
我们的宇宙正在不断的膨胀
爱因斯坦在得知这个观测结果之后才发现啊
自己方程里家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
所以爱因斯坦啊
后来还说
宇宙常数是他一生当中犯下的最大的错误
那么在发现了宇宙膨胀之后呢
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
因为他最早呢
是一位叫做亚历山大
弗里德曼的科学家提出来的
科学家通过计算就发现啊
在弗里德曼模型当中
如果我们把时间往前推
那么宇宙呢
就会收缩
如果一直倒推到一百五十亿年前啊
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的挤压成了一个点
那么这个点就被称为起点
它就是宇宙时空的开端
起点的性质非常特别
我们没有办法直观的去想象这是个什么东西
但是啊
通过数学计算可以发现
起点的体积无限小
弯曲程度无限大
密度也无限大
引力也是无限大的
这里啊
提到了很多个无限大
但是数学呢
其实是没有办法真正处理无限大的计算的
这也就意味着
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啊
却都在起点这个地方失效了
所以霍金说啊
起点的出现
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
它就失效了
广义相对论预言了自身的崩塌
好
那明白了起点是什么
那就要来看一看
霍金在这个研究过程当中做出了怎样的贡献
他是怎么看待起点的呢
在起点这个理论刚被提出来的时候啊
并不是所有科学家都认同这个说法
据霍金说
爱因斯坦自己都不太相信这个说法
爱因斯坦认为啊
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呢
也试图证明说
起点这个东西啊
可能只是弗里德曼模型当中一种小概率的特殊情况
在实际的宇宙当中呢
并不存在
在很久很久以前啊
不同的星系之间虽然的确靠的很近
但并不是刚好在同一个地方
所以呢
也就没有什么起点
但是霍金在读到了数学家罗杰
彭罗斯的一些研究之后认为啊
起点理论应该是成立的
经过几年的研究之后呢
霍金和罗杰
彭洛斯一起利用严谨的数学方法证明
如果广义相对论是正确的
而且宇宙当中的确有我们观测到的那么多恒星
星系等等物质
那么宇宙在很久以前
一定是诞生于一个起点之中
这就是宇宙的开端
这个理论啊
就被称为彭罗斯霍金奇点定理
有些人啊
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
还有一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
但是没办法
因为霍金和彭洛斯并不是瞎说
他们是脚踏实地的用数学计算证明出这个结果的
数学不会骗人
人不能跟数学定律辩论
所以
从此以后啊
不管喜欢不喜欢
几乎所有的科学家都承认
宇宙的确是诞生于一个起点当中的
好
刚才讲的就是第一个问题
霍金和彭罗斯所提出的起点定律是什么
在二十世纪之前
人们都以为宇宙是静止的
直到科学家发现
绝大部分恒星都在远离地球而去
人们才发现
宇宙是在持续膨胀的
科学家在研究膨胀的宇宙模型的时候发现
在一百五十亿年前
所有的星系之间的距离都是零
宇宙在当时是一个体积无限小
密度
弯曲程度和引力无限大的起点
霍金和彭罗斯的贡献就在于啊
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一个起点
这就是宇宙的开端
咱们说
起点定理是霍金最大的学术贡献之一
但是后来啊
霍金又改变了自己的想法
提出了无边界宇宙模型
认为宇宙并不需要诞生在起点之中
所以
接下来的第二个问题啊
咱们再来看一看
霍金提出的无边界宇宙模型有什么特别之处呢
在第一个问题当中啊
咱们讲到
霍金和彭罗斯一起证明了起点定理之后呢
几乎所有的科学家都承认
宇宙是诞生于一个起点之中的
宇宙诞生的那一刻啊
被称为大爆炸
这个起点呢
就叫大爆炸起点
宇宙大爆炸里论啊
是目前最主流的描述宇宙起源的模型
咱们来看一看
宇宙大爆炸模型又是怎么回事
在大爆炸模型当中啊
大爆炸的那一刻
宇宙的体积被认为是零
温度无限高
之后呢
宇宙开始迅速膨胀
温度开始降低
在大爆炸一秒钟之后
宇宙的温度降低到了一百一度
这大概是氢弹爆炸时能达到的温度
在一百秒之后呢
温度继续降低到十亿度
质子和中子开始结合到一起
组成原子核
之后啊
宇宙的温度继续降低
持续膨胀
在一百万年之后呢
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
到了一百五十亿年之后的现在
宇宙已经膨胀了很多很多倍
温度呢
也已经很低了
只比绝对零度要高上一点点
但是啊
宇宙的各个地方
还是残留着当初大爆炸的能量
而且我们还能够观测到
科学家们呢
叫它微波背景辐射
就好像是充满宇宙的背景噪音
宇宙大爆炸的理论啊
虽然听上去很不可思议
但是的确是和我们今天的观测证据相符合的
所以呢
已经被科学家们广泛接受了
但是这个理论啊
还是让不少科学家们觉得有点尴尬
你看啊
从刚才的描述当中啊
你能够感觉到
大爆炸就是宇宙的起点
那么一切的物质
甚至是空间和时间
都是大爆炸之后才出现的
大爆炸之前的任何事件
对我们来说都没有任何意义
或者说根本就不存在
也就是说
宇宙时空并不是无限的
而是有一个很特别的边界和开端
这个开端呢
就是大爆炸起点
但问题是啊
就像我们在第一个问题当中讲到的那样
大爆炸起点是一个非常特别的存在
在这里
一切的物理定律都失效了
人们根本不知道从这个起点里会冒出些什么东西
那么
宇宙现在所遵循的那些规律
到底是怎么出现的呢
是谁规定了这些规律呢
难道真的是上帝吗
对于这个问题啊
科学家们目前还没有很好的解释
这也给宗教界保留了一丝希望
霍信说呢
一九八一年的时候
梵蒂冈的天主教会邀请了很多科学家召开了一场宇宙学会议
在科学家们演讲结束之后呢
教皇说啊
宇宙大爆炸之后的各种历史
各种规律呢
你们都是可以研究的
但是啊
大爆炸的那一刻
你们科学家就不要去研究了
因为那是万物诞生的时刻
那是上帝的事
你们不应该去掺和
霍金当时啊
也在这场会议上发表了演讲
演讲的主题呢
就是无边界宇宙模型
霍星在听到教皇的话之后啊
就在心里嘀咕说
看来教皇没有理解我讲的内容啊
因为自己提出的无边界宇宙模型
也就意味着宇宙没有开端
也没有诞生的时刻
所以呢
也没有上帝的位置
那么霍金为什么这么说呢
咱们再来看一看他提出的这个无边界宇宙模型是怎么回事
我们之前在提到起点定理以及宇宙大爆炸模型的时候啊
一直有一个前提
那就是假如广义相对论是正确的
但这个前提呢
其实未必站得住脚
这不是说广义相对论错了
而是说啊
它是一个不完全的理论
没有跟量子力学结合起来
在二十世纪啊
物理学最重要的两大发现呢
也是当今物理学最核心的两大基础理论
一个是相对论
另外一个就是量子力学
一般来说
相对论管的是宏观领域
比如说星系运动什么的
都归相对论管
而量子力学呢
管的是微观领域
比如说粒子运动的问题
就归量子力学管
在研究一般问题的时候呢
这两套理论是井水不犯河水
但是霍金认为啊
在研究大爆炸起点的时候
就必须要把相对论和量子力学要结合起来
霍金认为
起点定理其实已经证明了
广义相对论在大爆炸起点这种极端情况下呢
已经不能很好的去描述宇宙了
在这个时候
就必须要考虑到量子效应
在广义相对论的基础上啊
宇宙只有两种可能
要么是存在无限长的时间
要么呢
就有一个大爆炸起点这样的开端
但是如果把量子力学引进来之后啊
就会出现一种新的可能
也就是一个有限无界的宇宙
有限无界呢
意思是说啊
宇宙时空是有限大的
但是却没有边界
什么意思呢
霍金用地球来做了一个类比
我们的地球就是一个有限大的星球
我们都知道它的直径和大小
但是呢
地球是没有边界和开端的
如果你在地球上一直走一直走
不可能找到一个边界
也不可能掉到地球外面去
霍金的无边界宇宙模型里的宇宙啊
就是一个空间和时间交织在一起所组成的四维宇宙
在这个宇宙当中啊
时空就像是地球的表面
在范围上是有限的
但是却没有形成边界
也没有形成起点
时空上的每一个点呢
就跟地球上的某个点一样
没什么特别科学规律啊
在任何一个时空点上都适用
不会发生崩溃
在无边界宇宙模型当中呢
宇宙没有一个特别的起点
也就不需要上帝来指定一个特殊的规律
按霍金的说法就是啊
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
这么一来呢
这个宇宙啊
也就不需要上帝来创造它了
需要注意的是啊
霍金自己也特别强调说
无边界宇宙模型目前还只是一个设想
相当于是他的一家之言
目前主流的宇宙模型呢
仍然是大爆炸模型
当然了
无边界宇宙模型也不是瞎想
它是试图把量子力学和相对论所集合起来的一种尝试
而且也是可以被检验的科学理论
那么说到这里啊
霍金无边界宇宙模型的特别之处呢
你就已经清楚了
在主流的宇宙大爆炸模型之中呢
宇宙有一个开端
这个开端就是大爆炸起点
但是对于大爆炸那一刻所发生的一切
科学还没有很好的解释
这也给上帝留下了一个位置
而霍金在无边界宇宙模型当中啊
把量子力学和相对论结合了起来
认为我们的宇宙时空是范围有限
但是没有边界的
因此呢
也就没有起点和开端
不需要上帝来创生
当然了
无边界宇宙模型目前并不是主流
但是啊
它是一个可以被检验的科学理论
前面这两个问题啊
都是跟宇宙大爆炸和起点有关的问题
那么除了这个领域之外呢
霍金在学术上另一个最重要的贡献就是对于黑洞的研究
所以
第三个问题啊
我们就来看一看
霍金对于黑洞的研究做出了什么贡献
他为什么说黑洞并不是这么黑的
咱们先来看一看黑洞是什么
这要从恒星的原理来说起
我们都知道啊
物质之间会产生引力
而且呢
质量越大的物体呢
所具有的引力也就越大
像太阳这样的恒星啊
就具有非常大的引力
恒星受到自身引力的影响呢
会有一个向内也就是向自身坍缩的倾向
那么既然如此
为什么这么多年过去了
太阳还是这么大呢
也没有因为引力而坍缩变小啊
这是因为啊
在太阳内部
还存在着一种支撑力
可以和引力相平衡
太阳内部啊
温度很高
原子序数是一的氢原子之间的剧烈碰撞
就会集合在一起
形成原子序数是二的氦原子
这个过程啊
就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的爆炸
这就会给太阳提供一个支撑的斥力
这么一来啊
当太阳的引力和支撑力相互平衡之后呢
恒星就可以保持稳定了
所以啊
太阳至今也没有探索
那么问题就来了
恒星内部的这种支撑力
是靠氢和其他一些核燃料来支撑的
但这些燃料早**有烧完的一天啊
一旦烧完
那么恒星就会在引力的作用下不断坍缩
这个时候会发生什么呢
恒星的最终归宿啊
有好几种可能
如果恒星的质量比较小
那么它的引力就能够跟内部粒子的斥力相平衡
最终变成中子星或是白矮星
但是
如果这颗恒星质量巨大
比一个半的太阳还要大的话
那么它内部的任何斥力都不足以抵消它的引力
这样
这颗恒星就会一直探缩
变成质量极大体积极小的黑洞
明白了黑洞的形成原理啊
那么黑洞的性质呢
也就好理解了
黑洞最大的特点呢
就是具有极强的引力
任何物质啊
包括光在内
只要进入到某个临界区域
就永远也不可能逃出黑洞
所以啊
如果有人靠近了黑洞
那么强大的引力呢
就会迅速把它拉长
撕成碎片
那么从外边来看呢
如果连光也无法逃出去的话
黑洞当然就是全黑的
这也正是黑洞得名的原因
但问题是啊
黑洞这种吸引一切的性质呢
却跟热力学第二定律产生了冲突
根据这条定律啊
黑洞也应该有温度
那么有温度的物体呢
就会向外发出辐射和粒子
黑洞也不应该例外
但是刚才说了
连光都逃不出黑洞的引力
那么怎么可能有粒子能从黑洞里边跑出来呢
这不就互相矛盾了吗
其实啊
包括霍金在内的科学家们啊
都对这个问题感到很困惑
但是利用量子理论
霍金也成功的回答了这个问题
他发现啊
黑洞的确会发射出粒子
但这些粒子啊
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当中无中生有的变出来的
要理解霍金的这个说法呢
最关键的一点啊
是理解粒子理论当中的不确定性原理
根据这个原理啊
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的越准确
那么对另一个物理量的测量就越不准确
比方说啊
你对粒子的速度测量的越精确
那么对于粒子的位置呢
就了解的越模糊
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啊
在微观上呢
其实也是波澜起伏的
你想啊
如果一片空间完全是空虚的
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
这是不可能的
那么在空虚的空间里面
到底有些什么东西呢
非常神奇啊
在空虚的空间里呢
其实时时刻刻都在产生成对的粒子
为了保持能量守恒
这些粒子呢
有的带有正能量
有的带有负能量
它们碰撞到一起啊
又会同时湮灭
好
那么到了这一步啊
咱们就可以看一看霍金的解释是什么意思了
霍金提出呢
黑洞的边缘呢
虽然看似是虚空的
但其实是在一个不停的产生成对的粒子
其中啊
带有负能量的粒子呢
就会被吸到黑洞里边去
但还有一些带有正能量的粒子呢
可以幸运的从黑洞的边缘逃脱
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的向外发射粒子
这就是黑洞辐射
也叫做霍金辐射
正是因为有这种辐射的存在啊
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呢
是一个极富价值的理论
因为黑洞的诞生呢
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
但是仍然具有很高的理论价值
好
那么讲到这里啊
霍金对于黑洞研究的贡献你也大概了解了
霍金提出呢
虽然黑洞引力极大
连光都逃不出去
但是黑洞也并不是完全黑的
根据量子理论中的不确定性原理
黑洞边缘的虚空当中会不断的产生成对的粒子
负能量的粒子呢
会被黑洞吸收
但是有一些正能量的粒子呢
却从黑洞边缘逃脱了
在外界看来啊
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
到这里呢
时间简史的精髓
也就是霍金对于宇宙的研究做出哪些贡献
你就了解了
我再来啊
为你总结一下
咱们首先讲到的第一个问题
是霍金和彭罗斯一起提出的起点定理
起点是一个体积无限小
密度
曲率和引力无限大的点
霍金和彭罗斯用严谨的数学方法证明了
如果广义相对论是正确的
而且宇宙当中的确有我们观察到的那么多物质
那么宇宙就必然诞生于一个起点当中
第二个问题呢
我们讲到了霍金提出的无边界宇宙模型
在目前主流的宇宙大爆炸模型当中啊
宇宙有一个边界和起点
也就是大爆炸起点
但是在大爆炸的那一刻
所有的科学定律都失效了
所以科学家们还说不清楚
为什么宇宙必须是现在这样的
还有人说呢
那是上帝创造世界的时刻
所以用科学才解释不了
跟宇宙大爆炸模型不同的是
霍金在无边界宇宙模型当中引入了量子力学
认为宇宙是没有边界的
因此也没有起点
没有开端和终结
这样一来啊
就不需要上帝来创生宇宙了
第三个问题
我们讲到了霍金对于黑洞的研究
也就是霍金辐射
霍金提出啊
黑洞并不是完全黑的
它也会发出辐射
根据不确定性原理
黑洞边缘的虚空呢
其实也并不是完全空无一物的
而是不断的产生成对的粒子
其中有些粒子被黑洞吸收了
但是有些粒子呢
却从黑洞边缘逃出去了
这就相当于是黑洞在向外发射出粒子
这种现象就叫做黑洞辐射
也就是霍金辐射