《時間簡史》總結
目錄
這本書是講啥的
簡單的說是霍金從研究黑洞出發，探索了宇宙的起源、歸宿、時間旅行等等，其中還包含了各個時代的物理學猜想、概念解釋以及定律的論證，對於小白來說是不可多得的一本科普鉅著
畫重點
宇宙大爆炸
- 宇宙最初只是比原子小的灼熱小球。溫度比任何行星都高，爆炸後極速膨脹，速度遠超光速
- 隨著膨脹，溫度開始下降，能量和物質的小顆粒（比原子小）開始形成濃稠狀像湯一樣的物質
- 大約在3分鐘的時候，小顆粒在引力的作用下開始聚集。原子相互結合形成各種氣體，所有的物質開始慢慢形成
- 隨著時間推移，宇宙不斷地膨脹變大，氣體開始形成星雲。數百萬年後，恆星和星體開始在星雲中誕生。
宇宙到人類的誕生
大爆炸
形成銀河系
形成太陽系
形成地球
出現生命
寒武紀
哺乳期
空氣中出現氧氣
產生浮游生物
產生爬蟲類
產生靈長類
產生人類
釋迦牟尼誕生
出現文字
農業開始
出現壁畫
中國古文明的宇宙學說
三千多年前《周易·繫辭》上寫到“天象垂，見吉凶，聖人象之”
體現出了古代人類利用天象預測吉凶的情況。
“紫微星下凡”的紫微意味著紫禁城，也就是人間皇帝居住的地方，紫微星也就是“真命天子”
“每逢亂世，紫微星就會下凡拯救蒼生，而他身邊總是跟著二十八個人”
紫微星和二十八個人，來自古代的天文圖——二十八星宿，是古人為觀測日、月、星執行劃分出的二十八個星區。
我們現在熟知的五行八卦中的四大神獸“青龍、白虎、朱雀、玄武”就來自二十八星宿
西方文明的宇宙學說
- 蘇美爾文明
公元2000多年的美索不達米亞文明中的蘇美爾人建造了七級神廟，每一級代表一個天體，即月亮、太陽、水星、金星、火星、木星和土星。
美索不達米亞文明主要蘇美爾、阿卡德、巴比倫、亞述等眾多文明組成
- 古希臘文明
泰勒斯，公元前624年到546年，第一個宇宙學家來自古希臘的泰勒斯，有“科學和哲學之祖”之稱。
第一個提出“什麼是萬物本源”，他認為，水是世界初始的基本元素，大地一開始從海底升起，地面漂浮在海面上，大地是一個圓柱體，人類生活在我圓柱體的一端。
地球是圓的
公元前340年，古希臘哲學家亞里士多德《論天》，把人們帶入了認識宇宙的新階段，用絕對的事實論證了地球是球形的。
- 他發現月食的產生是地球執行到太陽和月球之間引起的，此時地球把它的影子投射到月球上，導致了月食的發生，由於地球的影子總是圓的，因此肯定地球是一個圓球
- 地平線駛來的航船，人們總是先看到船帆，再看到船身。高聳在船身的桅杆首先露出地平線，這也說明了地球是球形。
亞里士多德論證地球是球形的同時，表達了“地球是宇宙的中心”，構成物質的五種元素，地球由水、氣、火、土四種元素組成，而天體由第五種元素“以太”組成。
地心說
歐多克斯最早提出“地心說”，經亞里士多德完善，最終由托勒密發展成為“地球是宇宙的中心”的宇宙模型。
日心說
最早由古希臘最偉大的天文學家、數學家阿里斯塔克斯提出，大約在公元前310年。
理論太過超前，並未得到公眾的承認，甚至險些被以褻瀆神明罪起訴。
直到1800多年後哥白尼出現
1506年，哥白尼動手寫作天文學說《天體執行論》
1514年，由於害怕遭受教會的迫害，哥白尼匿名發表了自己的宇宙模型“日心說”
指出了地球只是圍繞太陽執行的一顆普通行星，月球則在圓形軌道上圍繞地球轉動。
哥白尼《天體執行論》出版後的半個多世紀，日心說很少受關注。
直到1609年，伽利略使用剛發明的望遠鏡觀測木星時發現，木星周圍有幾顆小衛星繞著木星做運動，說明了天體並非都是像亞里士多德和托勒密認為的那樣直接繞著地球運動。同時，另一位天文學家開普勒改進了哥白尼的理論，使理論和觀測一下子完全符合起來，徹底推翻了“地心說”。
開普勒三大定律
為牛頓的萬有引力的發現打下了基礎
- 第一定律，橢圓定律、軌道定律：每個行星都沿著各自的橢圓軌道繞太陽執行，太陽處於橢圓的一個焦點
- 第二定律，等面積定律。在相同的時間內，太陽和運動著的行星的連線掃過的面積都是相等的。也就是說，行星離太陽近的地方執行快，遠的地方執行慢
- 第三定律，週期定律。行星距離太陽越遠，運轉的週期越長，運轉週期的平方與它到太陽的距離的立方成正比。
開普勒就是牛頓說的巨人的肩膀之一。
萬有引力定律
開普勒雖然發現了行星的運動三大定律，但是卻不知道是什麼原因導致的行星圍繞太陽執行。
牛頓提出萬有引力定律：自然界中任何兩個物體之間都是相互吸引的，引力的大小與兩物體的質量的乘積成正比。
牛頓三大定律
- 慣性定律。任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。
- 物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質量成反比，且與物體質量的倒數成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。
- 相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。
狹義相對論
光速不變原理，任何情況下觀察。光在真空中傳播的速度都是一個恆定的常數
質量和能量等效
質能方程E＝mc^2
廣義相對論
時間不能完全脫離和獨立於空間，必須和空間結合在一起形成時空的客體
- 太陽會導致時空連續體內的變形，使經過太陽附近區域的無線電訊號發生延遲。
- 光會被引力場折彎
- 地球這樣的物體並非是受到稱為引力的作用而沿著軌道運動，而是沿著彎曲軌道中最接近直線路徑的東西運動，這個東西叫測平線
- 運動中的鐘表會變慢
地球這樣的大質量物體附近，時間流逝得更慢，因為光的能量和頻率存在一定關係，能量越大頻率越高。當光從引力場往上行進時，會失去能量，頻率下降，上面的人看來，下面發生的每件事顯得需要更長的時間
星系
星系是一個包含恆星、氣體的星際物質、宇宙塵和暗物質，並受重力束縛的大質量系統
星系群
100個星系以內的天體系統
星系團
超過100個星系的天體系統
超星系團
巨大的集合體，包含星系群、星系團和一些孤單的星系
銀河系所在的本星系群，直徑約1~2億光年，公轉週期約是1000億年
超新星
某些大質量的恆星在接近末期時候經歷的一種劇烈爆炸
變星
亮度經常變化並且伴隨著其他物理變化的恆星
黑體輻射
任何物體，加熱時會發出光或其他輻射，這種熾熱物體中的原子的熱運動引起的發光，稱為黑體輻射。
黑體輻射具有一個特殊的形狀。會隨著物體溫度而變化。
從不同恆星發射的光其實就像是一個溫度讀數，可以根據光譜確定恆星的溫度及大氣構成。
多普勒效應
觀察者與波源之間有相對運動時，觀測到的波的頻率與波源發出的頻率不同的現象。
- 當波源向觀察者而來時，觀察者接收到的頻率變高
- 當波源背離觀察者而去時，觀察者接收到的頻率變低
哈勃定律
來自遙遠星系光線的紅移與他們的距離成正比。
它是測量遙遠星系距離的唯一有效方法。
只要測出星系普線的紅移，再換算出退行速度，就能由哈勃定律推算出該星系的距離
d=Vr/H
d：星系與地球的距離，以Mpc為單位
Vr：退行速度
H：哈勃常數
熱輻射
真空中唯一的傳熱方式
波長隨物體本身的特性及溫度變化的電磁輻射，叫熱輻射
任何物體在任何溫度下，都在不斷吸收和發射電磁波。
暗物質
無法通過電磁波觀測研究的物質，但是能干擾星體發出的光波或引力
奇點定理
大質量恆星在生命的盡頭，恆星核心會因為引力而坍縮，發生超新星爆發，所殘留的部分便是黑洞，這些物質或光會被強大的引力壓縮到位於黑洞中心的、密度無窮大的一個點，這個點被稱為“奇點”
根據廣義相對論，任何坍縮的恆星都會終止與某個奇點，宇宙誕生時也必然存在一個奇點，這就是奇點定理。
不確定性原理
在量子力學中，描述粒子位置和動能不可能被同時確定的原理，叫不確定性原理，也叫測不準原理
簡單的說，就是你不可能同時知道一個粒子的位置和速度。
量子力學的應用
幾乎是所有現代科學技術的基礎，制約著電晶體和積體電路的行為。
具體來講，從鐳射、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學影象裝置，都依靠了量子力學的原理和效應。
愛因斯坦沒有把量子力學的規律結合到相對論中，因此理論是不完整的。
霍金成功促成了量子力學和相對論的結合。
基本粒子
原子由原子核和電子組成
原子核由質子和中子組成
質子或中子由三個夸克組成
夸克是目前公認組成物質的最小微粒
粒子加速器
人工方法產生高速帶電粒子的裝置
粒子的自旋
自旋是微觀粒子的一種性質。自旋為0的粒子從各個方向看都一樣，就像一個點。自旋為1的粒子在旋轉360度後看起來一樣。自旋為2的粒子旋轉180度，自旋為1/2的粒子必須旋轉2圈才會一樣。 自旋為1/2的粒子組成宇宙的一切，而自旋為0，1，2的粒子產生物質體之間的力
反粒子
所有的粒子，都有與其質量、壽命、自旋、同位旋相同，但是電荷、重子數、輕子數等量子數異號的粒子存在
環境中的一般粒子稱為“正粒子”，反粒子一般只能從實驗環境中獲得,這些正反粒子都是確實存在的，都是“實粒子”。當相應的正反粒子接觸時，將湮滅成兩個光子。而相反的過程也會發生。
虛粒子
在“真空”的宇宙中，根據海森堡不確定性原理，空間中並不是完全空的，而是有一定的量子起伏，這樣就會有一對對的正反粒子自動產生，但絕大多數情況下這對粒子剛一產生，就又相碰湮滅了，它們無法被儀器探測到，好像從未存在過一樣。這種粒子便稱為“虛粒子”。
但在特殊環境下，如黑洞周圍，在視界外面，由於引力如此之大，有些正反虛粒子對產生後，其中一個粒子被吸入黑洞，另一個粒子逃了出來，由於沒有了和它湮滅的物件，這個虛粒子就變成了實粒子。如果正粒子吸入黑洞，出來的就是實反粒子；如果反粒子吸入黑洞，出來的就是實（正）粒子。
CPT定律
物理定律似乎對粒子和反粒子一視同仁．更準確地講，如果粒子用反粒子替換，右手徵用左手徵替換，以及所有粒子的速度都反向，則物理定律不變。
量子場論和迄今所有的實驗都表明，無論是強相互作用和電磁相互作用，還是弱相互作用，在CPT聯合變換下物理規律總是不變的
黑洞
黑洞是一種體積極小而質量極大的天體，引力非常強，以至於周圍一定區域內連光也無法逃逸，這一區域被稱為“事件視界”
白洞
進入黑洞的物質，最終從白洞出來並出現在另外一個宇宙
奇點
宇宙在過去有限的時間之前曾經處於一個密度和溫度都無限高的狀態，這一狀態被稱為奇點
白矮星
一種低光度、高密度、高溫度的恆星，外觀呈灰白色
中子星
除黑洞外密度最大的星體，恆星演化到末期，經由重力崩潰發生超新星爆炸之後，可能成為的少數終點之一，質量沒有達到可以形成黑洞的恆星在壽命終結時塌縮形成的一種介於白矮星和黑洞之間的星體，其密度比地球上任何物質密度大相當多倍。
黑洞的形狀
任何無自轉的黑洞都必須呈現完美的球形，其大小依賴於它們的質量
黑洞無毛
黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何複雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶，它保持的只是質量、角動量、電荷。消繁歸簡或許是黑洞最基本的特徵
黑洞面積不變
只要黑洞不再活動並處於某種穩恆的狀態，那麼黑洞的邊界及其面積都應是一樣的
太初黑洞
是一個假想的型別的黑洞。其形成原因不是由大天體的引力坍塌而誕生的；而是由在宇宙早期壞境下，極端物質密度還有宇宙大爆炸的強大能量擠壓，最終形成了“原生黑洞”。
黑洞不黑
黑洞提出了“黑洞蒸發論”，認為黑洞並非真的黑，存在溫度。有溫度的物質會釋放輻射，黑洞會因為發射輻射而能量耗盡而消失，這個輻射被稱為“霍金輻射”
黑洞輻射
如果一個黑洞具有熵，那它應該有溫度，而一個非零溫度的物體必須以一定的速率發出輻射。
量子效應允許黑洞發射精確的黑體輻射。
這電磁輻射彷彿被一個溫度和黑洞的質量成反比的黑體發出。
從外界看來，黑洞好像在慢慢蒸發，黑洞越小，蒸發速度越快，直到黑洞完全的蒸發
中微子
字面意思微小的電中性粒子
個頭非常小，質量幾乎為0，以接近光速運動？
可以輕鬆穿過人體、建築甚至地球，但幾乎不與物質作用
大多數粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產生，如核反應堆發電、太陽發光、天然放射性、超新星爆發、宇宙射線等。
四種基本力
- 引力。與物體的質量有關
- 電磁力。電荷、電流在電磁場中受到的力
- 弱核力。導致放射線——原子衰變
- 強核力。將質子和中子束縛在一起。
泡利不相容原理
不能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數，或者說在軌道量子數m,l,n確定的一個原子軌道上最多可容納兩個電子，而這兩個電子的自旋方向必須相反。這成為電子在核外排布形成周期性從而解釋元素週期表的準則之一。
大一統理論
微觀粒子之間僅存在四種相互作用力，萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。理論上宇宙間所有現象都可以用這四種作用力來解釋。
通過進一步研究四種作用力之間聯絡與統一，尋找能統一說明四種相互作用力的理論或模型稱為大統一理論。
人存原理
我們看到的宇宙是這種樣子，至少在部分上是因為我們的存在。
我們對宇宙的認識和描述，都帶有我們人類特有的認識能力。我們之所以看到宇宙是這個樣子。是因為它如果不是這樣的話，我們就不會在這裡去觀察它，也就不會提出這個問題
重力波
愛因斯坦的廣義相對論中，認為重力是來自空間的扭曲，質量愈大的物體，周圍的空間就扭曲的愈厲害。
而當物體加速度前進時，則會使空間的扭曲發生變化、產生漣」，這就是重力波
水波是依賴著水而存在，重力波則是依賴著空間而存在
實時間和虛時間
時間是四維空間的一個維度，它具有獨獨立性和不可逆轉性。
實時間是我們現在感受的時間
虛時間是我們感受不到的時間的第二維，也就是與時間垂直的一維，就是說現在這個時刻每個人的時間會因個人速度的不同而不同，快的速度下時間會減緩。
時間箭頭
- 熱力學箭頭
時間在這個方向上無序度或者熵增加
熵是一種表示其系統中紛雜或者無序的量，我們稱為過去的時間的一端，宇宙處於高度有序的狀態
- 心理學箭頭
我們日常感覺的時間流逝的方向，此方向上我們總是從過去走向未來 - 宇宙學時間箭頭
此方向上宇宙在膨脹而非收縮
不管是宇宙開始再度收縮，還是在黑洞內部，熱力學時間箭頭和心理學時間箭頭都不會反轉
宇宙弦
這一物理概念是1981年維倫金等人提出來的，他們認為，宇宙大爆炸所產生出的威力應該形成無數細而長且能量高度集聚的管子,這種管子便被叫做宇宙弦。
宇宙繩
宇宙大爆炸會形成無數細而長且能量高度聚集的管子，這樣的管子叫“繩”
比原子小，據猜測一釐米的宇宙繩相當於一億噸重。
薛定諤的貓
將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。
鐳的衰變存在機率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態
簡單地說貓既死了又活著。
蟲洞
愛因斯坦-羅森橋，是宇宙中可能存在連線兩個不同時空的狹窄隧道
通過蟲洞可以做瞬間移動或時間旅行.
廣義相對論指出，只要準備充分適當的物質，就能把時空扭曲成任意形狀
時光機器的製造原理：蟲洞+彎曲的時空
弦理論
弦理論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論；
- 超弦理論認為弦是物質組成的最基本單元，所有的基本粒子如電子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振動激發態，簡單的說就是弦上的
- 超弦理論第一次將20世紀的兩大基礎理論——廣義相對論和量子力學結合到一個數學上自洽的框架裡；
- 弦理論有可能解決長期困擾物理學家的難題如黑洞的本質和宇宙的起源；如果超弦理論為實驗所證實，將從根本上改變人們對物質結構、空間和時間的認識。