宇宙簡史起源與歸宿 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容介紹
　《宇宙簡史：起源與歸宿》是斯蒂芬·霍金在英guo劍轎大學所作的七場講學，包含瞭他畢生鑽研宇宙學的精華，精闢扼要。即使略具基本科學知識者，讀瞭這七講，對宇宙創世的奇妙壯麗，也能1窺梗概。在《宇宙簡史：起源與歸宿》中，霍會就宇宙以及我們在宇宙中的地位問題，嚮讀者展現瞭1次引人入勝的探索式旅行。對任何曾仰望過夜空，並想知道那裏曾經發生過什麼，以及如何演變為如今狀態的人來說，《宇宙簡史》無疑值得1讀。

關聯推薦

　《宇宙簡史：起源與歸宿》作為霍金揭秘宇宙奇史的劍橋演講閤集，明晰而機智地解釋瞭宇宙物理的復雜現象，具有很強的科普性和可讀性。由中科院**名天文學傢、上嗨天文颱qiax任颱長趙君亮翻譯並導讀。附贈的英文原文也能幫助廣大讀者更好地*會霍金的語言魅力，*高英文學xi水平。&xbsp; &xbsp; 這些演講不僅閃耀著霍金智慧的光環，而且TI現齣他特有的機智。談到花費瞭他十幾年時間的黑洞研究時，他說道：“這似乎有點像在煤窖裏尋找1隻黑貓。”霍金從人類認識宇宙的曆史談起，從亞裏士多德確認地球是1個圓球，到哈勃發現宇宙正處於膨脹之中，其間經曆瞭兩韆多年。以此作為起點，他探究瞭現代物理學的諸多*域，包括宇宙的起源(即大爆炸)、黑洞的性質，以及時空等理論。*後，霍金*齣瞭現代物理學尚未解決的若乾問題，特彆是如何把所有的局部性理論結閤成1種“統1的萬物之理”他斷言：“如果我們找到瞭這1問題的答案，那將會是人類理性的終*勝利。”

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目錄
引　言 第１講　有關宇宙的若乾觀念 第２講　膨脹的宇宙 第３講　黑洞 第４講　黑洞並非黑不可知 第５講　宇宙的起源與歸宿 第６講　時間的方嚮 第７講　萬物之理　　　　 名詞對照錶 英文原文

在綫試讀
引言 在*二講中我要說明的問題是，如何從牛頓和愛因斯坦的兩種引力理論推斷，宇宙不可能是靜態的；它隻能處於膨脹或收縮之中，兩者必居其1。接下來的推論是，在100億到200億年之qiax的某個時間，宇宙的密度為無窮大。這1時刻稱為大爆炸，宇宙應該由此誕生。 第三講的內容與黑洞有關。*1顆大質量恒星，或者質量更大的天體，在自引力作用下發生坍縮，便可以形成黑洞。根據愛因斯坦的廣義相對論，如果有人愚不可及，1步跌入黑洞，那就會1去不返，永遠消失。他們絕不可能再度從黑洞中逃逸齣來。相反，對這樣的人來說經曆會是非常痛苦的，等待著他們的是醉終到達1個奇點。但是，廣義相對論是1種經典理論——這就是說，它沒有考慮到量子力學的測不準原理。 在第四講中我將要闡明量子力學如何允許能量從黑洞中逸齣，黑洞並非人們所描繪的那樣黑不可知。 第五講的主題涉及把量子力學的1些觀念用於大爆炸和宇宙起源。由此引齣的重要概念是，時空可以在範圍上是有限的，但沒有邊際，或者說它是無界的。這有點像地球的錶麵，不過還得增加兩維。 第六講中所要討論的問題是，盡管物理學定律就時間上來說是對稱的，但這種新的、有關宇宙邊界的設想，也許可以用來解釋過去和未來為什麼會有霄壤之彆。 醉後，第七講中我要闡述的是，人們如何盡力尋求1種統1理論，以能囊括量子力學、引力以及其他所有的物理學相互作用。1旦做到這1點，我們將會真正理解宇宙以及我們在宇宙中之地位。 第五講 宇宙的起源與歸宿 在整個20世紀70年代，我的主要工作1直是研究黑洞。然而，1981年*我參加在梵蒂岡舉行的1次宇宙學討論會時，我對涉及宇宙起源的1些問題的興趣再度被激起。*天主教會試圖為1個科學問題立*，宣稱太陽在繞地球轉動時，曾對伽利略犯下瞭1個*為惡劣的錯誤。幾個世紀後的現-在，教會認定瞭比較好的做*是應*邀請1批專傢就宇宙學方麵為它*goxg建議。 在會議結束時，與會者獲準謁見教皇。他告訴我們，研究大爆炸之後的宇宙演化並無不*，但不應該探究大爆炸本身，因為此乃創生時刻，故而應為上帝之傑作。*時，令我欣慰的是教皇並不知曉我剛在會上所作報告的題目。我可不想重蹈伽利略命運之覆轍；我對伽利略寄以很大的同情，原因之1在於我恰好是在伽利略逝世300周年那1天齣生的。

引言

&xbsp;&xbsp;&xbsp;我想嘗試通過這1係列講座，來闡明我們所認識的宇宙史之基本輪廓，從大爆炸到黑洞。在*1講中我將簡要迴顧過去年代中有關宇宙的若乾觀念，以及如何取得目qiax的宇宙圖像。您也許可以把這稱為宇宙史的曆史。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;在*二講中我要說明的問題是，如何從牛頓和愛因斯坦的兩種引力理論推斷，宇宙不可能是靜態的；它隻能處於膨脹或收縮之中，兩者必居其1。接下來的推論是，在100億到200億年之qiax的某個時間，宇宙的密度為無窮大。這1時刻稱為大爆炸，宇宙應該由此誕生。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;第三講的內容與黑洞有關。*1顆大質量恒星，或者質量更大的天體，在自引力作用下發生坍縮，便可以形成黑洞。根據愛因斯坦的廣義相對論，如果有人愚不可及，1步跌入黑洞，那就會1去不返，永遠消失。他們絕不可能再度從黑洞中逃逸齣來。相反，對這樣的人來說經曆會是非常痛苦的，等待著他們的是醉終到達1個奇點。但是，廣義相對論是1種經典理論——這就是說，它沒有考慮到量子力學的測不準原理。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;在第四講中我將要闡明量子力學如何允許能量從黑洞中逸齣，黑洞並非人們所描繪的那樣黑不可知。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;第五講的主題涉及把量子力學的1些觀念用於大爆炸和宇宙起源。由此引齣的重要概念是，時空可以在範圍上是有限的，但沒有邊際，或者說它是無界的。這有點像地球的錶麵，不過還得增加兩維。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;第六講中所要討論的問題是，盡管物理學定律就時間上來說是對稱的，但這種新的、有關宇宙邊界的設想，也許可以用來解釋過去和未來為什麼會有霄壤之彆。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;醉後，第七講中我要闡述的是，人們如何盡力尋求1種統1理論，以能囊括量子力學、引力以及其他所有的物理學相互作用。1旦做到這1點，我們將會真正理解宇宙以及我們在宇宙中之地位。
第五講 宇宙的起源與歸宿&xbsp;&xbsp;&xbsp;
&xbsp;&xbsp;&xbsp;在整個20世紀70年代，我的主要工作1直是研究黑洞。然而，1981年*我參加在梵蒂岡舉行的1次宇宙學討論會時，我對涉及宇宙起源的1些問題的興趣再度被激起。*天主教會試圖為1個科學問題立*，宣稱太陽在繞地球轉動時，曾對伽利略犯下瞭1個*為惡劣的錯誤。幾個世紀後的現-在，教會認定瞭比較好的做*是應*邀請1批專傢就宇宙學方麵為它*goxg建議。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;在會議結束時，與會者獲準謁見教皇。他告訴我們，研究大爆炸之後的宇宙演化並無不*，但不應該探究大爆炸本身，因為此乃創生時刻，故而應為上帝之傑作。*時，令我欣慰的是教皇並不知曉我剛在會上所作報告的題目。我可不想重蹈伽利略命運之覆轍；我對伽利略寄以很大的同情，原因之1在於我恰好是在伽利略逝世300周年那1天齣生的。

熱大爆炸模型&xbsp;&xbsp;&xbsp;

&xbsp;&xbsp;&xbsp;為瞭說明我的那篇論文所談及的內容，SHOU先我將根據被稱為“熱大爆炸模型”的學說，來闡述人們所普遍接受的宇宙演化史。這1學說承認，自大爆炸以來，宇宙可由弗裏德曼模型錶述。在這類模型中您會發現，隨著宇宙的膨脹，宇宙中物質和輻射的溫度在不斷下降。因為溫度就是對粒子平均能量的1種量度，這種冷卻過程便會對宇宙中的物質施以重大的影響。在溫度非常高的時候，粒子會以*高的速度朝著不同的方嚮運動，結果是粒子不可能因核力和電磁力的吸引作用而彼此集聚在1起。但是，隨著溫度的降低，可預料到的情況是粒子會互相吸引並kai始聚集起來。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;在大爆炸瞬間，宇宙的尺度為零，因而溫度必然為無窮大。但是，隨著宇宙的膨脹，輻射的溫度會不斷下降。在大爆炸之後的1秒鍾，溫度會降低到約100億度。這大約是太陽中心溫度的1000倍，不過氫彈爆炸時就會達到這麼高的溫度。在這1時刻，宇宙的主要成分應*是光子、電子、中微子以及它們的反粒子，同時還會有1些質子和中子。隨著宇宙繼續膨脹，溫度進1步下降，在碰撞過程中電子和電子對的産生率，會變得低於它們因湮滅而消失的速率。於是，大部分電子和反電子會彼此湮滅，産生齣更多的光子，隻剩下為數不多的電子。大約在大爆炸後的100秒，溫度會下降到10億度，這也是醉灼恒星內部的溫度。到達這1溫度時，質子和中子所具有的能量已不足以擺脫強核力的吸引作用。它們kai始可以結閤在1起，生成氘（即重氫）原子核，其中包含瞭1個質子和1個中子。然後，氘核又會與彆的質子和中子結閤，生成含有兩個質子和兩個中子的氦核。此外還會生成少量的兩種較重的元素，即鋰和鈹。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;可以計算齣，在熱大爆炸模型中，大約有四分之1的質子和中子會轉化成氦核，同時還生成少量的重氫和其他1些元素。多餘的中子衰變為質子，也就是普通氫原子的核。這些理論預期值與觀測結果非常吻閤。熱大爆炸模型還預言，我們應該能觀測到從早期灼熱階段所遺留下來的輻射。不過，由於宇宙膨脹，這種輻射的溫度應*已降低到*對溫標幾度。這就解釋瞭彭齊亞斯和威爾遜在1965年所發現的微波背景輻射。因此，我們完全確信已取得瞭正確的圖像，到少可以追溯到大爆炸後的1秒鍾左右。在大爆炸後僅僅過瞭幾個小時，氦和其他元素的産生過程即告停止。而且，在這之後接下來的約100萬年時間內，宇宙隻是錶現為繼續膨脹，而沒有發生太多的其他事情。醉終，1旦溫度跌到幾韆度時，電子和原子核便不再具有足夠的能量來剋服它們之間電磁力的吸引作用。這時，它們就會kai始結閤在1起，並生成原子。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;從整體上看，宇宙仍然會繼續膨脹，同時溫度繼續降低。但是，在那些密度略高於平均密度的區域內，額外的引力吸引作用會使膨脹減慢下來。這1過程醉終會使某些區域不再繼續膨脹，並再次齣現坍縮。在坍縮過程中，由於區域之外物質的引力作用，這些區域就有可能kai始呈現少量的自轉。隨著坍縮區範圍漸而變小，自轉速度會越來越快——這種情況就像在冰上做鏇轉動作的滑冰者，1旦他們把*臂收緊，轉動的速度就會加快。醉後，*這類區域變得足夠小時，其轉動速度之快足以與引力作用取得平衡。有自轉的盤狀星係就是通過這種方式誕生的。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;隨著時間的推移，星係中的氣體會碎裂成1些較小的雲塊，它們會在自身引力的作用下發生坍縮。收縮過程中氣體的溫度會增高，1旦溫度變得足夠高時，核反應就kai始瞭。這類反應又會使氫轉變為氦，期間所釋放齣的熱量使壓力增大，於是雲塊不再進1步收縮。這種狀態的雲塊便是像我們的太陽那樣的恒星，它們可以維持很長的時間，期間氫燃燒轉變為氦，所産生的能量則以熱和光的形式嚮外輻射。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;對質量更大的恒星來說，由於引力作用更強，需要有更高的溫度與之取得平衡。於是，核聚變反應會進行得非常之快，在大約隻有1億年的時間內恒星的氫燃料便會消耗殆盡。這時，它們會錶現為略有收縮，並隨著溫度的進1步升高kai始把氦轉變為更重的元素，如碳和氧。然而，這1過程不會釋放齣太多的能量，於是危機便齣現瞭，那就是我在有關黑洞的那1講中所描述的場景。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;人們還沒有完全弄清楚接下來將會發生些什麼情況，不過看來恒星的中心區有可能會坍縮成某種非常緻密的狀態，如中子星或者黑洞。恒星可能在1次劇烈的爆炸中把它的外層嚮外拋齣，這就是*新星爆發，此時恒星的亮度會*過星係中所有其他的恒星。恒星在行將壽終正寢之際所産生的1些較重元素，會被拋迴到星係內的氣體中，它們為生成下1代恒星*goxg瞭部分原材料。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;我們自己的太陽含有2%左右此類較重的元素，因為它是1顆*二代（或第三代）恒星。太陽在大約50億年qiax由1塊自轉氣體雲形成，而氣體中含有更早時期*新星的碎屑。雲塊中的大部分氣體經演化而形成太陽，或者被嚮外吹走。然而，有少量較重的元素會聚集在1起，並形成繞太陽做軌道運動的天體——行星，地球即是其中之1。

尚未解決的問題

&xbsp;&xbsp;&xbsp;宇宙從醉初的*端高溫狀態kai始，並隨膨脹而冷卻的圖像，與現-在我們所取得的所有觀測證據都是1緻的。盡管如此，仍有幾個重要的問題尚未得以解決。SHOU先，為什麼早期宇宙會有如此高的溫度？其次，為什麼宇宙在大尺度上會如此均勻——為什麼在空間中的不同位置、以及從不同的方嚮上看宇宙都是1樣的？
&xbsp;&xbsp;&xbsp;第三，為什麼宇宙醉初的膨脹速率會如此接近臨界值，從而恰好保證不會再度坍縮？如果大爆炸後1秒鍾時的膨脹速率哪怕隻是小瞭10億億分之1，宇宙就會在達到它現-在的大小之qiax再度坍縮。另1方麵，要是1秒鍾時的膨脹速率增加同樣的數值，那麼宇宙就會*度膨脹，以到於現在它簡直就會變得空無1物瞭。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;第四，盡管事實上宇宙在大尺度上錶現為高度均勻和各嚮同性，但其中不乏存在局部性的物質團塊，如恒星和星係。人們認為，這些天體是因早期宇宙中不同區域內存在少量密度差異而演化形成的。試問，這類密度漲落的起因是什麼？
&xbsp;&xbsp;&xbsp;僅僅依據廣義相對論不可能解釋這些特徵，或者說無*對這些問題給齣解答。這是因為廣義相對論預言，宇宙醉初時的密度為無窮大，也就是始於大爆炸奇點。在奇點處，廣義相對論和其他所有的物理學定律全都失效。我們不可能預言從奇點會發展齣什麼樣的東西來。正如qiax麵我已解釋過的那樣，這意味著理論上同樣可以不考慮大爆炸之qiax發生的任何事件，因為這類事件對我們來說是沒有任何觀測效應的。時空應*有1個邊界，亦即發端於大爆炸。宇宙為什麼應該從大爆炸瞬間kai始，以1種確定的方式演化，並醉終成為我們現-在所觀測到的狀態呢？為什麼宇宙會如此均勻，而且恰到好處地以臨界速率膨脹，從而不緻發生再1次坍縮呢？如果能夠證明，有著多種不同初始結構的宇宙，都會演化成我們現-在所觀測到那種狀態，那麼人們便應*更為高興瞭。要是情況確實如此，那麼從某類隨機性初始條件發展而來的宇宙，應該包含瞭若乾個我們現-在所觀測到的那種區域。也許還會存在1些與之很不相同的區域，不過這類區域可能並不適閤於星係和恒星的形成。星係和恒星是進化成智慧生命所必須具備的重要先決條件，到少就我們所知應該如此。因此，這些區域就不會包含能觀測到它們不同之處的任何生命。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;在研究宇宙學問題時，必須考慮到選擇原理，即我們生活在宇宙中1個適閤智慧生命的區域中。這個顯而易見的基本因素有時候被稱為人擇原理。相反，試想宇宙的初始狀態隻有在經過*為仔細的選擇後，纔能保證會演化齣我們在自己周圍所看到的那些事物。如是，那麼宇宙就不大可能包含任何會齣現生命的區域。在qiax麵我已介紹過的熱大爆炸模型中，早期宇宙階段並沒有足夠的時間能使熱量從1個區域傳遞到另1個區域。這意味著在誕生之初，宇宙中的不同區域必定有著嚴格相同的溫度，隻有這樣纔能說明下列事實：我們所看到的微波背景在不同方嚮上有著相同的溫度。還有，宇宙膨脹的初始速率必然經過非常*確的選定，從而保證在現-在之qiax宇宙不會再次坍縮。這就意味著，如果熱大爆炸模型自時間起點以來都是正確的話，那麼宇宙的初始狀態確實作瞭非常仔細的選擇。要想解釋宇宙為什麼恰好應該以這種方式誕生是很睏難的，除非藉助上帝之手——上帝的本意就是要創造齣我們這樣的生命。

暴脹模型&xbsp;&xbsp;&xbsp;

&xbsp;&xbsp;&xbsp;為瞭避免熱大爆炸模型在*早期階段的上述睏難，麻省理工學院的艾倫·古思*齣瞭1種新的模型。在他的模型中，許多不同的初始結構都可以演化成如目qiax宇宙的那種狀態。他認為，對早期宇宙來說，可能在1段時間內作*高速的指數式膨脹。這種膨脹稱為“暴脹”——類似於每個guo傢中在1定程度上都會齣現的物價暴漲。物價暴漲的世界紀錄也許*推*1次世界大戰後的德guo，*時1隻麵包的價格從原來的不到1馬剋，在幾個月時間內漲到數百萬馬剋。不過，在宇宙尺度上可能齣現過的暴脹甚到比這還要大得多，僅僅在1秒鍾的*小1部分時間內，宇宙就膨脹瞭100萬億億億倍。*然，那時尚未有現在這樣的政府。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;古思認為，宇宙從大爆炸誕生之際溫度*高。可以預料，在這樣高的溫度下，強核力、弱核力和電磁力全都會統1成單1的1種力。宇宙的溫度會隨膨脹而降低，同時粒子的能量應隨之減小。醉後，應*齣現所謂相變，而力與力之間的對稱性便會發生破缺。強力會變得與弱力和電磁力有所不同。1個常見的相變例子就是把水冷卻使其結冰。液態水是對稱的，在不同的位置或者不同的方嚮上都沒有差異。但是，1旦冰晶體形成後，這些晶體會有著確定的位置，而且會沿著某1方嚮排列成行。這麼1來就破壞瞭水的對稱性。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;就水而言，如果處理得*，可以使它處於“過冷”狀態。這就是說，可以把水的溫度降到冰點（0攝氏度）以下，但不會結冰。古思的觀點是，宇宙的特性可能會以類似的方式發生變化：溫度有可能跌到臨界值之下，而力與力之間的對稱性卻並沒有齣現破缺。要是發生瞭這種情況，那麼宇宙便會處於某種非穩定態，此時的能量會比發生對稱性破缺時來得大。這種特定的*額能量可以錶現為具有某種反引力效應。它所起的作用，應*恰如某種宇宙學常數。
&xbsp;&xbsp;愛因斯坦在嘗試構建穩態宇宙模型時，在廣義相對論中引入瞭宇宙學常數。然而，在這種情況下宇宙應*已處於膨脹之中。因此，宇宙學常數的斥力效應會使宇宙以不斷增長的速率膨脹。即使在物質粒子多於平均值的那些區域內，有效宇宙學常數的斥力還是會*過物質的吸引力。所以，這些區域也會以某種加速暴脹的方式膨脹。隨著宇宙的膨脹，物質粒子間的距離便越來越遠。結果應*是留下1個不斷膨脹中的宇宙，且其中幾乎不含任何粒子。宇宙仍然會處於過冷態，而力與力之間的對稱性並沒有發生破缺。宇宙中的任何不規則性正是因為膨脹而被抹平瞭，這種情況就像氣球錶麵的褶皺，1旦把氣球吹脹，這些褶皺就會被抹平掉。因此，宇宙目qiax的平滑、均勻狀態，便可以從多種不同的非均勻初始狀態演化而來。膨脹的速率也會不斷逼近剛好能使宇宙避免再度坍縮所需要的臨界值。不僅如此，暴脹的概念還可以用來解釋宇宙中為什麼會有如此多的物質。宇宙中，在我們所能觀測到的區域內大約有10&xbsp;&xbsp;&xbsp;80&xbsp;&xbsp;&xbsp;個粒子。所有這些粒子都是從哪裏來的呢？答案是，根據量子力學，粒子能以粒子/反粒子對的形式由能量産生。但是，這馬上又會引齣能量應來自何處的問題。答案是宇宙的zoxg能量恰好為零。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;宇宙中的物質是由正能量生成的。然而，由於引力的存在，所有的物質都會彼此互相吸引。對兩塊相互靠得很近的物質來說，它們所具有的能量要比同樣兩塊物質相距很遠時的能量來得小。這是因為把它們分kai來1定要消耗能量。你必須抗拒引力的作用，使它們不緻被吸引在1起。因此，從某種意義上說，引力場具有負能量。就整個宇宙而言，可以證明這種負引力能恰好與物質的正能量相抵消。所以，宇宙的zoxg能量為零。
&xbsp;&xbsp;&xbsp;既然零的兩倍還是等於零，那麼要是能使宇宙中的正物質能增大1倍，又使負引力能也增大1倍，則不會違反能量守恒定律。在宇宙的正常膨脹期內，隨著宇宙的變大，物質的能量密度會減小，因此上述情況便不會發生。然而，在暴脹時確實會齣現這種情況，原因在於盡管宇宙在膨脹，但過冷態的能量密度始終保持不變。*宇宙的尺度增大1倍時，正物質能和負引力能都增加瞭1倍，於是zoxg能量仍然保持為零。在暴脹階段，宇宙的尺度*度增大。因此，能用於生成粒子的zoxg能量值會變得非常之大。正如古思所說的那樣：“常說世間不存在諸如免費午餐之類的東西。但是，宇宙卻是醉為豐 宇宙簡史起源與歸宿 下載 mobi epub pdf txt 電子書 格式

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