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《时间简史》导读 李学潜
课程介绍
     作为“宇宙之王”霍金的代表性著作,《时间简史》既是一部追问宇宙大问题的科普经典,也是一本创造销售奇迹的畅销书。但自问世30年来,读懂这本书的人却寥寥。2018年春,霍金去世,为纪念这位伟大的科学家,尔雅特别邀请科普名家、南开大学李学潜教授,用深入浅出的语言、简明易懂的案例,为大家导读这本精彩而杰出的著作,解密时间与空间的起源与未来。
教师团队

李学潜 教授

单位:南开大学

参考教材




霍金

史蒂芬·威廉·霍金是本世纪享有国际盛誉的伟人之一,剑桥大学数学及理论物理学系教授,当代最重要的广义相对论和宇宙论家。荣获英国剑桥大学卢卡斯数学教席,这是自然科学史上继牛顿狄拉克之后荣誉最高的教席。

1963年,霍金21岁时患上肌肉萎缩性侧索硬化症(卢伽雷氏症),这种疾病俗称渐冻症。这疾病开始于霍金在牛津大学读书的最后一年,逐渐变成全身瘫痪,不能言语,手部只有三根手指可以活动。从此就被禁锢在轮椅上半个多世纪。

2018年3月14日,霍金逝世,享年76岁。霍金逝世后,引发全球各界悼念。

霍金的第一次重大突破发生在1970年,当时他和罗杰•彭罗斯将黑洞的数学运用到了整个宇宙中,并表明在我们遥远的过去存在一个奇点,一个无限弯曲的时空区域:大爆炸的起点。

霍金的一系列发现让他在1974年的时候入选英国皇家学会,那时候他才32岁。五年之后,他担任了剑桥大学的卢卡斯数学教授,这是英国最受人尊敬的职位,坐上此位的还有艾萨克•牛顿、查尔斯•巴贝奇和保罗•狄拉克,后者是量子力学的奠基人之一。霍金在此职位三十年,后来成为理论宇宙学中心的研究主任。

1974年,霍金继续发展了他的“黑洞”理论,认为黑洞不断释放质量并且蒸发。对于一个太阳大小的正常黑洞来说,它蒸发需要的时间比宇宙的年龄还要长。 但在它们生命的尽头,会以惊人的速度释放热量,最终以百万吨级氢弹的能量爆炸。霍金说,宇宙中的微型黑洞,每个重达10亿吨,但大小不超过质子。

霍金的开创性贡献一直持续到20世纪80年代。宇宙膨胀理论认为,刚诞生的宇宙经历了一段惊人的扩张时期。 1982年,霍金率先证明了,物质分布的微小变化,如何引起星系在宇宙中的扩散。在这些微小的涟漪中,诞生了我们所知道的恒星,行星和生命的种子。麻省理工学院物理学教授马克斯•泰格马克说:“这是科学史上最美丽的想法之一。”

在他发表的众多著作中,1988年时所撰写的《时间简史》尤其引人注目,在全世界引起巨大反响。霍金想象丰富,构思奇妙,语言优美,使这部有关宇宙学的著作成为全球科学著作的里程碑,被出版界称为将高深的理论物理通俗化的科普范本。

  《时间简史》自首版以来,被翻译成40种文字,成为科普类图书出版史上的现象级作品。

   霍金也许不是他那个时代的最伟大的物理学家,但在宇宙学上,他是一个杰出的人物。 科学价值也许没有完美的评估尺度,但霍金获得了爱因斯坦奖、沃尔夫奖、科普利奖章和基础物理奖。 然而却没能受诺贝尔奖青睐。

《时间简史》

        

《时间简史》是英国物理学家斯蒂芬·威廉·霍金创作的科学著作,首次出版于1988年。

全书共十二章,讲述了关于宇宙本性的最前沿知识,包括:我们的宇宙图像、空间和时间、膨胀的宇宙、不确定性原理、黑洞、宇宙的起源和命运等内容,深入浅出地介绍了遥远星系、黑洞、粒子、反物质等知识,并对宇宙的起源、空间和时间以及相对论等古老命题进行了阐述 

在该书里,霍金探究了已有宇宙理论中存在的未解决的冲突,并指出了把量子力学、热动力学和广义相对论统一起来存在的问题,该书的定位是让那些对宇宙学有兴趣的普通读者了解他的理论和其中的数学原理。  

该书自1988年首版以来,已被翻译成40种文字,累计销售量突破2500万册,成为一本畅销全世界的科学著作。

传统思想认为,宇宙在空间上是无边无际的,在时间上也是无始无终的。但霍金则认为,宇宙有自己的历史起点,它大约诞生于150亿年前,那时,宇宙只是以一个“点”存在,不占有空间,也没有时间的概念。后来,这个“点”发生了大爆炸,时间和空间由此开始,物质逐渐形成。宇宙起初的温度极高,随着时间的推进,它的空间越来越大,温度越来越低,其中蕴含的能量与物质不断发生复杂的反应,最终形成星系。宇宙的空间一直持续不断地扩大,膨胀,直至今日。

大约在距今50亿年前,太阳形成。大约在距今46亿年前,地球形成。宇宙继续膨胀,将来也会膨胀,可能在膨胀到一定程度后,宇宙会逐渐收缩,最终又收缩成一个不占有空间的“点”。这也代表着时间的结束。然而宇宙究竟会不会收缩为一个“点”,还没有人能够给出确切的答案。宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样,或者说发生大爆炸的原因是什么,无人知道,且将会是个永恒的谜。这就是霍金的大爆炸宇宙的理论基础。

霍金在该书中用自己全新的物理理论回答了有关宇宙的基本问题。在具体写作时,他放弃了所有数学的理论公式,将关于宇宙的起源和生命的基本理念首次用简明易懂的语言介绍给一般读者,致力于让更多的人去了解自己生存的宇宙,该书因此成为将高深的理论物理通俗化的科普范本。

时间旅行

物理学家霍金在拍摄的一部有关宇宙的纪录片时提到,人类其实能建造出接近光速的宇宙飞船,并且能够进入未来。他声称带着人类飞入未来的时光机,在理论上是可行的,所需条件包括太空中的虫洞或速度接近光速的宇宙飞船。不过,霍金也警告,不要搭时光机回去看历史,因为“只有疯狂的科学家,才会想要回到过去‘颠倒因果’。”

他认为,“在科学界,时间旅行一度被认为是歪理邪说。过去因为担心有人会把怪人的标签贴在自己身上,我对这个问题常常避而不谈。但现在,我不再那么谨小慎微了。我对时间痴迷已久,如果有一台时间机器,我会去拜访风华正茂的玛丽莲-梦露,或是造访将望远镜转向宇宙的伽利略。或许,我还会走到宇宙的尽头,破解整个宇宙湮灭之谜。”。 


霍金提出了三种穿越途径。

1.虫洞:穿越第四维的通道

他认为,虫洞就在我们周围,只是小到肉眼无法看见。宇宙万物都会出现小孔或裂缝,这种基本规律同样适用于时间。时间也有细微的裂缝和空隙,比分子、原子还要小的空隙被称作“量子泡沫”,而虫洞就存在于“量子泡沫”中。

  有朝一日,人类也许能够捕获某一个虫洞,将它放大到足以使人类甚至宇宙飞船从中穿过。

2.黑洞:天然的“时间机器”

  霍金说,时间就像是一条河流,在不同的地段会有不同的流速,而这正是实现通往未来之旅的关键。比整个银河系还要重的超大黑洞可以更明显地降低时间流逝的速度。霍金说,这种超大黑洞就像是一部天然的时间机器。如果一艘宇宙飞船进入超大黑洞,在超大黑洞内执行5年任务,返回地球时会发现已过去了10年。

  这种时光旅行方式的问题在于,接近超大黑洞的危险太大。

3.光速:时空旅行的关键

霍金指出,如果我们想踏上未来之旅,那么速度必须快。如果能够建造出速度接近光速的宇宙飞船,那么宇宙飞船必然会因为不能违反光速最快的法则,而致使舱内的时间放慢。霍金设想出一艘大型极速宇宙船,其速度是人类历史上速度最快的载人飞船“阿波罗”10号的2000倍。在太空飞行数年后飞船将到达其最高速度——相当于光速的99%。在这一速度下,在船上待一天,就意味着在地球上度过一年。船上的乘客就是变相飞向未来,作出名副其实的时间旅行。

尽管梦想回到过去与梦露约会,但霍金自己也认为这种旅行应该不会上演。

  霍金认为,从理论上讲,虫洞或时光隧道不仅仅能把我们带到别的星球。如果两端在同一个地方,且由时间而非距离分离,在遥远的过去,飞船就能在地球附近自由出入,或许恐龙会看到飞船登陆。

  但他同时提出一个“疯狂科学家”悖论:一个科学家在建造虫洞——仅需一分钟就来到过去,通过虫洞,科学家可以看到一分钟前的自己。如果这位科学家利用虫洞向以前的自己开枪,会发生什么?他现在已经一命呜呼。那又是谁开的枪呢?这便是悖论。这种时间机器会违反整个宇宙所遵循的基本规则。

  据此,霍金认为任何通过虫洞和其他方式回到过去的时间旅行或许都是不可能的。但这并不意味着所有的时间旅行不可行。他对时间旅行深信不疑,对通向未来的时间旅行更是如此。

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