图解时间简史

内容简介

本书在霍金《时间简史》的基础上，编者整合了大量背景信息和理论资料，尽量将原著中一笔带过或不甚明了的知识点分解开、详细话地讲清楚，并配以更多清晰明了的插图和图解，以便读者能更快、更容易地读懂内容，消化其思想和理论精髓。

前言

从古至今，人们一直致力于探究宇宙的本源和归宿：宇宙究竟是无限的还是有限的？它有一个开端吗？如果有的话，在此之前发生了什么？时间的本质是什么？它会到达一个终点吗？这些问题常让普通大众陷入没有出口的思考，同样也困扰着古往今来众多的科学家和哲学家。

目前，人们普遍接受的时间观念来自爱因斯坦的相对论。在相对论中，时间与空间一起组成四维时空，成为构成宇宙的基本结构。而史蒂芬·霍金在爱因斯坦之后通过对黑洞、红移及微波背景辐射等的研究，融合了量子理论，提出了他惊人的论断——宇宙是有限的，但无法找到边际；宇宙在大约150 ～ 200 亿年前的大爆炸开端有一个奇点，这也是时间的起点，在此之前，时间毫无意义；空间－时间可看成一个有限无界的四维面，宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。

霍金的《时间简史》自1988 年首版以来，已成为全球科学著作的里程碑和国际出版史上的奇观。围绕着“时间”这个核心内容，它清晰而又智慧地解读了宇宙学的诸多原理，包括空间和时间的本质、“上帝”在创生中的作用、宇宙的历史和将来等，不知不觉中把我们带到理论物理的前沿，从根本上改变了人们的宇宙观念。

不过，这样一部天才的著作即便再怎么力求通俗，很多概念理解起来仍旧非常困难。这，正是我们编写本书的初衷——希望读者更容易地接受它的内容，理解它的思想和理论精髓，探知到霍金乃至“上帝”的精神。

本书对霍金的宇宙学思想和理论进行了系统、立体的解读。对于非科学专业的读者，这是享受人类文明成果的好机会，而对于各领域的专家，本书无疑是他们宝贵灵感的源泉之一。书中整合了大量背景信息和理论资料，尽量将原著中一笔带过或不甚明了的知识点分解开、详细化地讲清楚。删除了纯粹技术性的概念，诸如混沌的边界条件的数学等。相反，包括相对论、弯曲空间以及量子论的课题，则予以详细论述。它带我们遨游到微观和宏观的奇异领域，带我们去认识遥远的星系、神秘的黑洞、基本粒子和自然的力、夸克、反物质，理解膨胀的宇宙、不确定性原理、时间箭头、时间旅行及大统一理论，揭示当日益膨胀的宇宙崩溃时，时间倒溯引起人们不安的可能性。在这个奇境里，粒子、膜和弦做十一维运动，黑洞最后蒸发并且和它携带的秘密同归于尽，而我们宇宙创生的种子只不过是一粒微小的“坚果”……

书中配以大量照片、示意图和解析图，以更直观形象的方式阐述霍金那些惊人的观点，尤其是一些难懂的数学解析和理论模型，为读者更好地理解霍金提供了捷径。

总之，本书力图将复杂高深的理论物理知识展现给普通人看，人类从古至今对时间的探索历程将在书中清晰展现，并在哲学层面理解科学成果，以科学成果烘托哲学理论。无论是广袤星际间的复杂关联，还是一个个的物理学概念的阐释，都变得更加引人入胜，使人遐想万千。

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量子力学认为，上帝是掷骰子的

量子力学：上帝需要掷几次骰子，才出现地球生命

作为描写微观物质的一个物理学理论，量子力学已成为现代物理学两大基本支柱之一，另一个则是爱因斯坦的相对论。

19 世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时已显得越来越不足。1900年，普朗克提出了辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的能量子来实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数则被称为普朗克常数。由此，他得出了黑体辐射的能量分布公式，成功解释了黑体辐射现象。1905 年，爱因斯坦引进了光量子（光子）的概念，并且给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长间的关系，成功解释了光电效应。1913 年，玻尔在卢瑟福原有原子模型的基础上建立起了原子的量子理论。按此理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，且运动时既不吸收能量也不释放能量。换言之，原子具有确定的能量，它所处的状态叫“定态”，且原子只有从一个定态到另一个定态时才能吸收或辐射能量。

普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论合在一起被称为旧量子论。在这个基础上，20 世纪初，马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、厄文·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、马克斯·玻恩、保罗·狄拉克等一大批物理学家共同创立了量子力学。

1926 年，出现了两种量子物理的理论——海森堡、玻恩、约当的矩阵力学及薛定谔的波动力学。薛定谔首先证明了两者的等价性，但其证明方法在数学上并不严谨。稍后狄拉克和约当给出了更严谨的证明，不过，他们使用的证明方法都是当时在数学上存有疑问的狄拉克delta 函数。1927 年，冯·诺依曼严格地证明了波动力学和矩阵力学的等价性，并使量子力学被构建在无穷维可分离的希尔伯特空间中。诺依曼在其中引入了勒贝格测度下的平方可积函数作为一组基，而波动力学被视为量子力学在这一组基下的实现。1930 年，保罗·狄拉克出版了《量子力学原理》，这被认为是整个科学史上的一个里程碑之作。在书中，狄拉克引入了此后被广泛应用的左右矢记号和狄拉克delta函数，使量子力学可以表示为不依赖特定基的形式。1936 年，冯·诺依曼和博克霍夫又在研究量子力学的代数化方法的基础上发展了量子逻辑，而量子逻辑中的格里森定理对量子力学测量问题意义重大。1948 年，理查德·费曼则给出了量子力学的路径积分表述。

通过量子力学的发展，人们对物质的结构及其相互作用的见解开始发生革命性的改变。通过量子力学，许多现象得以真正被解释。根据经典理论，一些新的、无法直觉想象出来的现象能被预言，但量子力学可以精确地计算出这些现象，且这些计算后来还被实验精确证实。目前，除了通过广义相对论描述的引力外，所有其他的物理基本相互作用都可以在量子力学的框架内描写。

事实上，量子力学与经典力学的主要区别就在于测量过程在理论中的地位。在经典力学中，一个物理系统的位置和动量，可被无限精确地确定和预言。且至少在理论上，测量对这个系统本身没有什么影响，并可无限精确地进行。然而在量子力学中，测量过程本身对系统却会造成影响。如上文所述，量子力学预言的是一组可能发生的不同结果，并告诉我们每个结果出现的概率。而且，随着测量次数的增多，不同结果出现的概率是不同的。测量对系统本身的这种影响，造成了量子力学将非预见性或随机性引入科学的局面。这样一来，我们就会得出“上帝是掷骰子”的结论。而量子力学要继续弄明白的问题大约就是：上帝需要掷几次骰子，才出现地球生命？

量子力学的作用：我们可以预言围绕我们的一切东西

前面我们提到，将费曼历史求和的思想用具体的数学形式表达出来，我们就能计算出更复杂的原子或者分子中的允许轨道。

我们知道，分子是由一些原子组成的。围绕着多于一个核旋转的电子把这些原子捆绑在一起形成了分子。由于分子的结构及它们之间的反应构成了化学和生物学的基础，因此除了受到不确定性原理的限制外，原则上量子力学允许我们预言围绕我们的几乎一切东西。然而，实际情况是，除了最简单的氢原子之外，我们不能解开其他任何原子的方程。因为氢原子只有一个电子，而其他稍微多几个电子的系统所需的计算十分复杂，以至于我们根本做不到。

无论怎样，量子力学已经成为一个极其成功的理论，并且成为几乎所有现代科学技术的基础。它制约着晶体管和集成电路的行为，而这些恰恰是如今的电子设备如电视、计算机的基本元件。因此，量子力学可以说是现代化学和生物学的基础。具体来讲，从激光、电子显微镜、原子钟，到核磁共振的医学图像装置，都关键地依靠了量子力学的原理和效应。

当然，对半导体的研究直接导致产生了二极管和三极管，为现代的电子工业铺平了道路。此外，在核武器的研制和发明过程中，量子力学的概念也起到了关键作用。虽然，相比于量子力学的概念和数学描述，固体物理学、化学、材料科学或核物理学的概念和规则对上述创造发明起到的作用更直接，但量子力学却是所有这些学科的基础，即这些学科的基本理论，都是建立在量子力学之上的。

在所有量子力学的应用中，原子物理和化学方面的成就是非常突出的。我们知道，任何物质的化学特性，都是由其原子和分子的电子结构所决定的。而通过解析包含了所有相关原子核和电子的多粒子薛定谔方程，科学家可以计算出该原子或者分子的电子结构。可实际行动中人们发现，要计算这样的方程实在是太复杂了。而借助于量子力学建立起的简化模型和规则，不但足以确定该物质的化学特性，还非常简单方便。

通常，原子轨道是化学中非常常用的模型。在此模型中，分子的电子多粒子状态，是通过将每个原子的电子单粒子状态加在一起形成的。因此，这个模型包含着许多不

同的近似，如忽略电子间的排斥力、电子运动和原子核运动脱离等，但它可以近似地、准确地描述原子的能级。而且，除了比较简单的计算过程外，这个模型还能直接地给出电子排布及轨道的图像描述。如此一来，通过原子轨道人们就可以使用很简单的原则来区分电子的排布。而化学稳定性的一些规则，如幻数等，也很容易从这个量子模型中推导出来。此外，通过将这个原子轨道加在一起，还可以将这个模型扩展为分子轨道。由于分子通常不是球对称的，所以这个计算要比原子轨道复杂很多。目前，理论化学中的分支——量子化学和计算机化学，就正致力于使用专门近似的薛定谔方程，来计算复杂的分子结构及化学特性。

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