时间简史科普[1]-宇宙图像

本系列说明

本系列博客开始之前我在犹豫要不要写,后来再三思考还是决定花一些时间在上面,整理《时间简史》这本书的内容,尽量让自己理解并通俗的解释出来,如果有什么问题请指正,如果您有什么建议也可以提出来,我希望这个系列能融入一些自己的思想并和大家展开激烈的讨论。

斯蒂芬威廉霍金

斯蒂芬威廉霍金(1942年1月8日-2018年3月14日)是剑桥大学前卢卡斯数学教授,也是《时间简史》的作者,这是一本国际畅销书。他是Dennis Stanton Avery和Sally Tsui Wong-Avery应用数学和理论物理系研究主任,也是剑桥理论宇宙学中心的创始人,斯蒂芬霍金被认为是爱因斯坦以来最杰出的理论物理学家之一。

斯蒂芬威廉霍金

地球是圆的

一位著名的科学家(据说是贝特郎·罗素(1872年5月18日-1970年2月2日))曾经作过一次关于天文学方面的演讲。他描述了地球如何绕着太阳运动,以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨大的恒星群的中心转动。演讲结束之时,一位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道:“你说的这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。”这位科学家很有教养地微笑着答道:“那么这只乌龟是站在什么上面的呢?”“你很聪明,年轻人,的确很聪明,”老妇人说,“不过,这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟群啊!”

大部分人会觉得,把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬,可是为什么我们自以为知道得更多一些呢?我们对宇宙了解了多少?而我们又是怎样才知道的呢?宇宙从何而来,又将向何处去?宇宙有开端吗?如果有的话,在这开端之前发生了什么?时间的本质是什么?它会有一个终结吗?在物理学上的一些最新突破,使一部分奇妙的新技术得以实现,从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔那般荒唐可笑。不管怎样,唯有让时间来判断了。

月食位置示意图

早在公元前 340 年,希腊哲学家亚里士多德(前384年-前322年)在他的《论天》一书中,就已经能够对于地球是一个圆球而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一,他认为月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成的。地球在月亮上的影子总是圆的,这只有在地球本身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆盘,除非月食总是发生在太阳正好位于这个圆盘中心之下的时候,否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。

希腊人对地球是圆形这一论证提供了三个证据,月食只是其中一个证据,还有一个比较明显的是从地平线外驶来的船总是先露出船帆,然后才是船身

另外,希腊人还从旅行中发现一个规律,在越往南的地区看星空,北极星则显得越靠近地平线。(因为北极星位于北极的正上方,所以它出现在处于北极的观察者的头顶上,而对于赤道上的观察者,北极星显得刚好在地平线上。)根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差别,亚里士多德甚至估计地球大圆长度为 400 斯特迪亚。现在不能准确地知道,一个斯特迪亚的长度究竟是多少,但也许是 200(1 码=0.9144 米)码左右,这样就使得亚里士多德的估计为现在所接受数值的两倍。

公转和自传

亚里士多德虽然预见了地球是圆形并提供了自己的论证,但是他却错误的认为地球是宇宙的中心,太阳、月亮、恒星、行星都以圆周为轨道绕着地球运动。后来托勒密(约100年-170年)为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统(托勒密模型),但为了正确地预言这些位置,托勒密必须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍,这意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个瑕疵,尽管如此,他的模型虽然不是普遍地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象。

托勒密系统

直到1514 年一位名叫尼古拉·哥白尼(1473年2月19日-1543年5月24日)的教士提出了一个更简单的模型。(起初,可能由于害怕教会对异端的迫害,哥白尼只能将他的模型匿名地流传。)他的观念是,太阳是静止地位于中心,而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后,他的观念才被认真地接受。后来,两位天文学家——德国的约翰斯·开普勒(1571年12月27日-1630年11月15日)和意大利的伽利雷·伽利略(1564年2月15日-1642年1月8日)开始公开支持哥白尼的理论,尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相符合。直到1609 年,亚里士多德——托勒密的理论才宣告死亡。

哥白尼日心说

那一年,伽利略用刚发明的望远镜来观测夜空。当他观测木星时,发现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密所设想的,并 不是所有的东西都必须直接围绕着地球转。(当然,仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心,而木星的卫星沿着一种极其复杂的轨道绕地球运动, 表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。)

与此同时,开普勒修正了哥白尼的理论,认为行星不是沿圆周而是沿椭圆(椭圆是被拉长的圆)运动,从而使预言最终和观察相互一致了。有一次开普勒偶尔发现了椭圆轨道能很好地和观测相符合,他自身也是相当讨厌椭圆假设,因为椭圆明显地不如圆那么完美。这个发现并没有从理论上得到论证,但是却和观察结果一致,直到太阳运动是由于磁力引起的另一思想的出世。

1687 年伊艾萨克·牛顿(1643年1月4日-1727年3月31日)出版了他的《数学的自然哲学原理》,这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中,牛顿不但提出物体如何在空间和时间中运动的理论,并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。此外,牛顿提出了万有引力定律,根据这定律,宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引,物体质量越大,相互距离越近,则相互之间的吸引力越大。这也就是使物体落到地面上的力。(由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事,几乎肯定是不足凭信的。所有牛顿自己说过的只是,当他陷入沉思之时,一颗苹果的落下使他得到了万有引力的思想。)牛顿继而指出,根据他的定律,引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行,而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转

恒星围绕太阳运动

宇宙膨胀

按照牛顿的引力理论,它意识到恒星应该相互吸引,那么它们会一起落到某处去吗?

牛顿在 1691 年写给当时另一位最重要的思想家里查德·本特里的一封信中,他论证道,如果只有有限颗恒星分布在一个有限的空间区域里,这确实是会发生的。但是另一方面,他推断如果存在无限多颗恒星,多少均匀地分布于无限的空间,这种情形就不会发生,因为这时不存在任何一个它们落去的中心点。当人们议论到无穷时,这种论证是你会遭遇到的一种陷阱,但在当时牛顿并不知道。在一个无限的宇宙,每一点都可以认为是中心,因为在它的每一边都有无限颗恒星。

牛顿在这封信中的理论看似很合理,但是过了很久以后人们才意识到应该先考虑有限的情况。当所有恒星都相互落到一起,然后在这个区域以外,大体均匀地加上更多的恒星,看情况会如何改变。按照牛顿定律,这额外的恒星平均地讲对原先的那些根本没有什么影响,所以这些恒星还是同样快地落到一起。 至此一部分人开始反对宇宙是无限静止的,也提出了很多理论,例如宇宙大爆炸等,而这个问题最终也上升到了宇宙是否有开端的问题上来。

关于宇宙的开端很早之前就被讨论过,大部分是一些宗教和神学,1781 年,哲学家伊曼努尔·康德(1724年4月22日-1804年2月12日)发表了里程碑般的(也是非常模糊的)著作——《纯粹理性批判》,在这本书中,他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的二律背反(也就是矛盾)。因为他感到存在同样令人信服的论据,来证明宇宙有开端的正命题,以及宇宙已经存在无限久的反命题。他对正命题的论证是:如果宇宙没有一个开端,则任何事件之前必有无限的时间。他认为这是荒谬的。他对反命题的论证是:如果宇宙有一开端,在它之前必有无限的时间,为何宇宙必须在某一特定的时刻开始呢?事实上,他对正命题和反命题用了同样的论证。

宇宙膨胀

在 1929 年,埃德温·哈勃(1889年11月20日-1953年9月28日)作出了一个具有里程碑意义的观测,即是不管你往那个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。换言之,宇宙正在膨胀。这意味着,在早先星体相互之间更加靠近。事实上,似乎在大约 100 亿至 200 亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。

哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙的尺度无穷小,而且无限紧密。在这种条件下,所有科学定律都没有了预见将来的能力,所以都失效了。如果在此时刻之前有过些事件,它们将不可能影响现在所发生的一切,所以我们可以不理它们。由于在这之前的时间根本没有定义,所以在这个意义上人们可以说,时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是,这个时间的开端是和早先考虑的非常不同。在一个不变的宇宙中,时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予;宇宙的开端并没有物理的必要性。人们可以想像上帝在过去的任何时刻创造宇宙,以便它看起来就像发生过大爆炸似的方式创造。

科学理论

在谈论宇宙性质等其他接下来的问题前,我们必须清楚什么是科学理论。理论只是存在于我们大脑中的科学模型,可以准确的描述大量观测,并对未来做出准确预言

科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而,大部分科学家遵循的方法是将这问题分成两部分。首先,是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律;(如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的,则这些定律即能告诉我们以后的任一时刻宇宙是什么样子的。)第二,关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学只应过问第一部分,他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。

我们观察到的宇宙看起来是以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化,看来可以同样合理地假定,也存在着制约初始状态的定律。想要设计一种理论来完全解释整个宇宙的规律,看起来是非常困难的,相反的是我们可以将这些问题分成许多小块,并发明部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范围的观测,同时忽略其他量的效应或用简单的一组数来代表之。可能这些方法是全错的。如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东西,很可能不能用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此,这些是我们在过去取得进展所用的方法。牛顿引力理论就是一个经典的例子。

今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构,也就是从只有几英哩直到大至 1 亿亿亿(1 后面跟 24个 0)英里,即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面,量子力学处理极小尺度的现象,例如万亿分之一英寸(1 英寸=2.54 厘米)。然而,可惜的是,这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力,即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没有这样的理论,要获得这个理论,我们可能还有相当长的路要走。

历史线归纳

公元前 340 年,希腊哲学家亚里士多德(前384年-前322年)在他的《论天》一书中认为地球是圆形并提出了三点论证。

托勒密(约100年-170年)提出了托勒密模型,错误的认为地球是宇宙的中心,太阳、月亮、恒星、行星都以圆周为轨道绕着地球运动。

1514年尼古拉·哥白尼(1473年2月19日-1543年5月24日)提出了太阳是静止地位于中心,而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。

1687 年伊艾萨克·牛顿(1643年1月4日-1727年3月31日)提出了万有引力定律,从理论上证明了引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行,而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。

1929 年,埃德温·哈勃(1889年11月20日-1953年9月28日)作出了一个具有里程碑意义的观测,即是不管你往那个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去,也就是说宇宙正在膨胀。