前言
2019年年底翻完的这本书。这篇笔记是按章节整理的，大部分是书中原文的提炼，偶尔夹杂一些我自己的感想。后来同步到个人博客。
霍金说书中多一个公式就会让读者少一半，甚至为了减少公式，就用图片去代替公式，看得出他很尽力把高深的理论物理说的通俗易懂，也不乏有一些超越想象力的精美的图片！好在我之前看了《上帝掷骰子吗》对量子力学了一些接触，看前几章的时候，看的非常舒服，再冒出一些新奇的宇宙知识、黑洞知识，阅读体验非常好。当然，这本书里还有很多我读不太懂的地方（虚时间、卡西米尔效应、弦理论的细节。。）
第一章 我们的宇宙图像
开篇霍金写了两个经典的”无限宇宙”推理。
第一个是为什么宇宙是无限的。牛顿的论证：如果宇宙里只有有限数量的恒星分布在一个有限的空间中，那么万有引力会把所有恒星拉到一处。所以宇宙必须是无限的，恒星大体均匀分布，没有中心落点，引力才能相互抵消。
第二个是为什么宇宙是运动的。奥勃斯提出了一个反驳：如果宇宙无限且静止，那么每一道视线最终都会落到一颗恒星上，夜空应该和太阳一样明亮。就算恒星的光被中间的物质吸收，那物质最终也会被加热到发光，结论不变。所以宇宙不可能同时是无限、静止的——这恰好为后来的大爆炸理论埋下了伏笔。
1929年，哈勃观测到远处的星系都在急速飞离我们，宇宙在膨胀。顺着这个倒推，就有了大爆炸的假说。
第二章 空间和时间
这章的核心是一步步打破”绝对时间”的观念。
亚里士多德和牛顿都相信时间相对于空间是完全独立且分离的。但一系列发现动摇了这个想法：
- 1676年，丹麦天文学家罗默通过观测木星卫星的”食”（木卫从木星背后出来的时间间隔不恒定），推断出光是有速度的。虽然算出来的数值和真实光速差很多，但这个发现本身是革命性的。
- 19世纪，麦克斯韦的电磁波公式出来之后，人们引入”以太”来解释电磁波的传播介质。按照这个模型，光在沿着以太运动方向和垂直方向上速度应该不同。但1887年迈克耳孙-莫雷实验发现，两个方向上的光速是一样的——以太不存在。
- 1905年，爱因斯坦的狭义相对论横空出世。两个重大意义：一是
E=mc²揭示了质量和能量的关系；二是彻底变革了空间和时间的观念。
用”光锥”来理解时空关系非常直观：任何物体的运动轨迹必须落在它经过的每个事件的光锥之内，光锥之外是不允许的——因为没有东西能超过光速。
然后是广义相对论的关键洞察：**引力不是一种”力”，而是时空弯曲的结果。**地球在三维空间看起来沿弯曲轨道运动，但在四维时空里其实是沿”测地线”运动——类似于平面上两点之间的最短路径。霍金用的那个飞机在山地上空飞行、地面影子走弯曲路径的类比，感觉很直观。
广义相对论的几个预言后来都被证实了：
- 水星轨道椭圆长轴每1万年进动约1度（1915年前就被注意到了）；
- 太阳附近的星光会被引力偏折（1919年日食观测证实，虽然后来发现误差挺大，但后续多次实验再次验证）；
- 大质量物体附近时间流逝更慢（1962年用一对安装在水塔顶和底的精确时钟验证，底部那只走得更慢）。这个预言在后来的卫星导航系统里已经是日常工程了。
第三章 膨胀的宇宙
1924年，哈勃证明银河系不是唯一的星系——现代望远镜能看到几千亿个星系，每个星系里又有几千亿颗恒星。宇宙比想象中大得多。
这章的核心是红移。天文学家发现其他星系恒星的光谱特征线都向红端移动了同样的比例。多普勒效应告诉我们，这意味着星系在远离我们。更关键的是，哈勃发现红移的大小和星系距我们的距离成反比——越远的星系跑得越快。这不是星系在随机运动，而是空间本身在膨胀。
牛顿理论其实早就隐含了这个推论：静态宇宙在引力作用下会收缩，但如果膨胀速率超过某个临界值，宇宙就会永远膨胀下去。这个结论本可以在17或18世纪推出来，结果到了20世纪才被发现。
1965年，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊在调试微波探测器时发现了一个排除不掉的噪声。与此同时，普林斯顿的狄克和皮珀尔斯正在推算早期宇宙的白热辐射——由于宇宙膨胀红移，现在应该变成了微波辐射。两组人一碰，发现彭齐亚斯他们找的就是这个！这就是宇宙微波背景辐射的发现，1978年拿了诺贝尔奖。
还有一个悬而未决的问题：把星系里所有恒星的质量加起来，甚至加上”暗物质”，也只能达到阻止膨胀所需密度的十分之一。暗物质到底是什么，至今还是物理学的大问题。
第四章 不确定性原理
这章和《上帝掷骰子吗》的内容高度重叠，所以我笔记记得比较少（那本书我也有写读书笔记，后续发上来）。
核心就是量子力学对原子模型的重新解释：电子不是一个小球，而是一个波。轨道的长度必须是电子波长的整数倍，这样波峰波峰叠加，轨道才”允许”；不是整数倍的话，波峰和波谷相互抵消，轨道就不会存在。这个解释比玻尔的”允许轨道”模型要自然得多。
第五章 基本粒子和自然的力
这章把粒子物理的发现史梳理了一遍，信息量很大。
从原子到夸克
- 亚里士多德：土、气、火、水四种元素，物质是连续的；
- 德谟克利特等希腊人：物质由不可分的”原子”组成；
- 20世纪初，JJ·汤姆孙证实了电子的存在；
- 1911年，卢瑟福发现原子核（最初以为只有质子）；
- 1932年，查德威克发现中子；
- 1969年，盖尔曼因发现夸克获诺贝尔奖。
夸克分六种”味”：上、下、奇、粲、底、顶。每种味又有三种”色”：红、绿、蓝。所以一共18种夸克（”味”和”色”只是标签，跟真的味道颜色没关系）。
自旋和力
粒子按自旋分类很有意思：
- 自旋为1/2：组成物质的粒子（电子、夸克等），需要转两圈才恢复原样；
- 自旋为0、1、2：传递力的粒子（光子、引力子等）。
四种基本力：
- 引力：由自旋为2的引力子携带，四种力中最弱；
- 电磁力：由无质量的光子携带；
- 弱核力：负责放射性，只作用于自旋1/2的物质粒子；
- 强核力：由胶子携带，把夸克束缚在一起，也把质子和中子束缚在原子核里。
1967年，萨拉姆和温伯格提出了弱力和电磁力的统一理论，除光子外还存在三种重矢量玻色子携带弱力。这个统一的意义，可以和麦克斯韦统一电学和磁学相提并论。
大统一理论（GUT）
基本想法是：在高能量下强核力变弱，而电磁力和弱力变强。在某个极高的大统一能量（至少1000万亿吉电子伏特）下，三种力强度相同，可以看成同一种力的不同侧面。但目前粒子加速器只能达到约100吉电子伏特，离验证还有很远的路。
C、P、T对称
1956年李政道和杨振宁提出弱作用不服从P对称（宇称不守恒）。同年吴健雄用实验证明了：放射性原子核在磁场中排列后，一个方向发射的电子比另一个方向多。第二年李和杨就拿了诺贝尔奖——从提出到获奖速度惊人。
第六章 黑洞
恒星的生死
恒星的一生其实是一个平衡的故事。大量气体（主要是氢）在引力下坍缩，温度升高，直到氢原子碰撞后聚变成氦。反应释放的热让气体压力升高，直到和引力平衡——就像气球内部气压和橡皮张力之间的平衡。
恒星的结局取决于质量：
- 小于钱德拉塞卡极限（约1.5倍太阳质量）→ 白矮星，靠电子间的”不相容原理”排斥力支撑；
- 更大 → 中子星或黑洞。
这个极限是23岁的印度研究生钱德拉塞卡在去英国留学的船上算出来的，天才就是这么不讲道理。
黑洞的性质
事件视界：连光都无法逃离的边界。没有东西可以比光快，所以视界内的任何东西都出不来。
引力波又一次登场——广义相对论预言运动的重物会辐射引力波（空间曲率的涟漪）。地球绕太阳公转也产生引力波，但能量损失极小，大概要1000亿亿亿年才会撞上太阳。
黑洞无毛定理：黑洞最终只由三个参数决定——质量、角动量和电荷。非旋转黑洞是完美球形，旋转黑洞赤道处会鼓出来。所有其他信息在坍缩过程中都丢失了。
证明黑洞存在的方式：看双星系统中黑洞从伴星扯下物质形成的吸积盘，吸积盘以X射线形式释放极大的能量。像天鹅座X-1就是典型候选。
第七章 黑洞不是这么黑的
事件视界面积永不减小
物质或辐射落入黑洞，事件视界面积增大；两个黑洞合并，最终面积≥原来面积之和。这和热力学第二定律（熵永不减小）有微妙的对应关系。
黑洞会辐射！
但问题是：不是说任何东西都不能从事件视界之内逃出来吗？黑洞怎么辐射粒子？
答案在于量子力学的不确定性原理。真空中不断有虚粒子对产生和湮灭——粒子和反粒子同时出现、分开、靠近、消失。在黑洞事件视界附近，如果带负能量的虚粒子落入黑洞，它的伴侣就可以作为实粒子逃逸。从外面看，就是黑洞在”辐射”。
黑洞越小，温度越高，辐射越强。太初黑洞（大爆炸时产生的小质量黑洞）辐射速率极高，寿命和宇宙年龄差不多的太初黑洞质量大约只有10亿吨。但对于太阳质量级别的黑洞，温度只有一千万分之一度，比宇宙微波背景（约2.7K）还低，吸收的比辐射的还多，根本不会蒸发。
伽马射线暴
监控核试验的卫星意外检测到来自太空的伽马射线暴，大约每个月16次，均匀分布。可能是正在爆发的太初黑洞，也可能是中子星碰撞。LIGO这样的引力波探测器有望帮我们确定来源。
第八章 宇宙的起源和命运
热大爆炸模型
弗里德曼模型描述：宇宙膨胀时，温度和密度都降低。大爆炸后1秒温度约100亿度（太阳中心温度的1000倍），之后持续降温。
1948年伽莫夫和他的学生阿尔法发表了关于宇宙热早期阶段的论文。伽莫夫很有幽默感，说服了核物理学家汉斯·贝特署名，于是论文作者变成了”阿尔法、贝特、伽莫夫”——刚好是前三个希腊字母α、β、γ，完美契合”宇宙开初”的主题。他们预言早期宇宙的热辐射今天仍存在于周围，只是温度降低到只比绝对零度高几度——这正是后来彭齐亚斯和威尔逊发现的微波背景辐射。
宇宙总能量为零？
我们可观测的宇宙中大约有10⁸⁰个粒子。在量子理论中，粒子/反粒子对可以从能量中创生，那能量从哪来？答案是：宇宙的总能量为零。物质是正能量产生的。
暴胀模型
说实话，暴胀模型我看得比较吃力。。大致意思是解释宇宙为什么以当前这个临界速率膨胀。有两种思路：
- 强人择原理：我们存在这件事本身，就要求宇宙必须以这个速率膨胀，否则不会有物质、不会诞生生命、不会有人来问这个问题；
- 弱人择原理：早期宇宙不同区域的膨胀速率不同，但我们只能活在适合生命存在的区域里。
虚时间
霍金引入了”虚时间”的概念——用数学中虚数的方式来处理时间，避免费恩曼历史求和的技术困难。有趣的是，在虚时间中，时间和空间的区别完全消失了。
第九章 时间箭头
时间为什么有方向？物理定律本身并不区分过去和未来——F=ma往前和往后算都成立。但我们确实感受到时间在”流动”。
霍金指出三个时间箭头：
- 热力学箭头：无序度增加的方向（熵增）；
- 心理学箭头：我们能记住过去而不是将来；
- 宇宙学箭头：宇宙膨胀的方向（不是收缩）。
他认为心理学箭头本质上和热力学箭头相同。宇宙的无边界设想预言了一个定义良好的热力学时间箭头，因为宇宙必须从光滑有序的状态开始。而智慧生命只能在膨胀相中存在——因为我们需要消耗有序能量（食物）并转化为无序能量（热量）。
最后霍金还开了一个玩笑：你每读一本书都在增加宇宙的无序度。记住书中每个词让你的大脑有序度增加约200单位，但你读书时消耗的1千卡路里食物能量，以对流和出汗的形式释放，把宇宙的无序度增大了约20亿亿亿单位。你学到了东西，但宇宙为此付出了代价。
第十章 虫洞和时间旅行
时间旅行在广义相对论里不是科幻，而是数学上可能的。
1949年哥德尔（就是证明不完备性定理那位）发现了广义相对论允许的新时空解，首次表明物理定律允许在时间里旅行。
两种通向过去的路径：
- 旋转黑洞的内部；
- 两根快速相互穿越的宇宙弦。宇宙弦是一种超密超细的弦状物体，张力大约为1亿亿亿吨，系到地球上能把地球在1/30秒内从0加速到60英里/小时。
时间旅行的核心问题是同时性的相对性：在一个观察者看来A发生在B之前，但对另一个以近光速运动的观察者，B可能发生在A之前。
虫洞
1935年爱因斯坦和罗森就提出了”爱因斯坦-罗森桥”（虫洞）。但问题是普通物质是正能量密度，赋予时空正曲率；要让虫洞保持开放，需要负能量密度的物质来产生负曲率。
负能量存在吗？卡西米尔效应是虚粒子存在的实验证据（虽然具体原理我也没太看懂。。）。
第十一章 物理学的统一
爱因斯坦晚年一直在寻找统一理论但没成功——他始终不相信量子力学。但今天任何统一理论的第一步，都必须是调和广义相对论和量子力学。
超引力
1972年提出的”超引力”试图把引力子（自旋2）和其他自旋粒子统一成同一个”超粒子”的不同侧面。自旋3/2和1/2的粒子带负能量，和0、1、2的正能量抵消，可以消除很多无限大。但计算极其冗长困难，1984年之前人们还对超引力抱有希望，后来弦理论异军突起。
弦理论
弦理论的发展史挺曲折的：
- 20世纪60年代末被发明，最初是为了描述强力——质子和中子被看成弦上的波动；
- 1974年谢尔克和施瓦兹发表论文，指出弦理论也可以描述引力（但弦的张力需要极大，约1000万亿亿亿亿吨）；
- 之后一度沉寂，谢尔克因糖尿病去世，只剩施瓦兹一个人坚持；
- 1984年两个因素让它复活：超引力进展缓慢，以及施瓦兹和格林证明了弦理论能解释具有内禀左手征性的粒子。
在通常尺度下，弦理论和广义相对论的预言一致，但在极微小尺度下（小于10⁻³⁵厘米）就不一样了。
到底有没有统一理论？
霍金给出了三种可能：
- 存在一个完备的统一理论，我们迟早会找到；
- 不存在最终理论，只有越来越精确的无限序列；
- 不存在宇宙理论，事件纯属随机。
第十二章 结语
上图是书中提出的宇宙模型总结，霍金梳理的很详细，我们对宇宙的理解，几乎全部是最近一百年建立起来的，之前的理论和模型很大程度上都是错的，但不妨碍写进这本书，了解人类的思想。
参考资料
- 史蒂芬·霍金，《时间简史》（A Brief History of Time），湖南科学技术出版社