宇宙学通俗详解全

宇宙学通俗详解

1

在每一个时代，所有社会的人都相信他们终于发现了宇宙的真面目，

但他们每次都不过是给未知的宇宙设计了一张面具。

那些人为自己的知识而自豪，为知识的真实而自信，

他们惋惜古人的无知，也同情古人没能预见后代会为他们的无知而惋惜。

2

宇宙囊括万物，也包括我们人类。

但是，什么是宇宙呢？我们真的知道吗？

它有多副面孔，在不同的人看来，它意味着不同的事情。

对宗教者来说，它是神造的世界，受着超自然力的支配；

对艺术家来说，它是唤起灵感的奇妙天地；

对哲学家来说，它是一个分析和综合的结构的逻辑体系；

对科学家来说，它是自然力表现的舞台。

3

在每个不同的时代，在每个不同的社会,

人们所想象的宇宙是不同的。

如爱斯基摩人、毛利人、祖鲁人眼中的宇宙是大不相同的。

因为知识的进步，亚里士多德时代、牛顿时代、爱因斯坦时代，

每个时代人们头脑中的宇宙也是不相同的。

4

我们所认为的宇宙只不过是宇宙的一个模型，不是真实的宇宙。

于是，我们说亚里士多德的宇宙，牛顿的宇宙、爱因斯坦的宇宙等等,

每个宇宙都只是一个模型，一幅人类所想象出来的天地图景。

一个个模型被创造出来，又随知识的进步被改造，直至最后被抛弃。

5

宇宙究竟是什么样子？

它为什么开始？

它将如何结束？

生命的意义是什么？

我是谁？我从哪里来？又到哪里去？

我们每个人都会追寻这些问题的答案。

那么现在就从这里开始吧。

6

人类中心论形成了希腊人以地球为中心的宇宙。

公元前4世纪，亚里士多德的宇宙是以地球为中心的，

地球处在宇宙的中心，月亮、太阳、行星和恒星绕着地球旋转。

7

在古代神话里的诸神神不论变得多么强大，住的离人类多么遥远，都是在服务和保护人类,

而人类世界处在宇宙的中心位置，各处的男女安然无恙，受到神的保护。

8

到了19世纪，最可怕的革命来了：达尔文革命。

曾经是宇宙大戏主角的人类，从此成了野兽的同类。

一直眷顾和保护人类的诸神也被驱逐出了物理的宇宙。

科学是最后的胜利者，过去的神话和迷信都灰飞烟灭了。

9

古代的宇宙观是人创造的，尽管古代的人们会强烈地否定这一点。

现代的宇宙观也是人造的，是人类用生物电化学的大脑创造的。

跟古代的宇宙一样,现代的宇宙也难免随时间而消失，被其他宇宙所代替。

未来的宇宙几乎肯定不同于我们今天这个形式的宇宙，

不过它们也是那个时代的人所创造的，因为“人是他所感兴趣的万物的尺度"。

当然，宇宙本身不是人造的，但我们并没有一个真正的宇宙概念。

我们只知道宇宙包含着我们人类，那些自以为知道宇宙真正模样的人类。

10

宗教学者虔诚的相信宇宙的合理性来自神或者上帝，

然而所谓的神或者上帝是那里来的？

科学家相信宇宙的合理性来自于自然规律。

11

现代宇宙学通过科学观察探求这个世界什么是真实的，其推理结果是用客观经验数据来证实

的。

12

16世纪，哥白尼证明太阳才是宇宙的中心，

推翻了流行千年的教条：地球是宇宙的中心。

当时罗马天主教廷认为他的日心说违反《圣经》，哥白尼仍坚信日心说。

13

布鲁诺是哥白尼革命的激进的拥护者，

由于批判经院哲学和神学,反对地心说，

他最后7年被囚禁在教会监狱里，备受折磨和拷问，

他拒不妥协，1600年被烧死在罗马的火刑柱上。

14

开普勒接受了哥白尼的太阳在中心、恒星球在外面的有限宇宙，

发现了行星的椭圆运动三定律，为牛顿世界体系奠定了基础。

15

伽利略是意大利天文学家，欧洲近代自然科学的创始人。

当时大多数人都赞成地心说，由于伽利略却热忱地宣扬哥白尼的日心说,

他被宗教裁判所审判，在软禁中度过了余生。

16

牛顿是英国著名的物理学家，

发现了万有引力和三大运动定律，

为太阳中心说提供了强有力的理论支持。

17

德国哲学家康德认为银河系是盘状的恒星分布，而且被遥远的类似星系所包围。

银河系的恒星在引力作用下形成一个旋转的圆盘，模糊的星云类似于旋转的银河系。

18

法国天文学家拉普拉斯认为太阳系形成于旋转收缩的气体云的假说。

根据这个假说，太阳和星系都是从旋转的巨大的星际云中凝聚出来。

19

笛卡儿确信光以无限大的速度传播。

然而，丹麦天文学家雷奥莫1676年预言11月9日的木卫一食将晚发生10分钟。

雷奥莫解释说,地球在离开木星运动，光为了到达地球需要经历额外的距离，从而导致时间

的延迟。

这个正确的预言，使他成为光速有限的发现者。

20

英国天文学家哈金斯，发现天体光谱的发射线和地球上的物质是一样的，

所以他认为：天空的组成元素跟太阳和地球是一样的！

他区分出星云和星系之间的差异，康德和拉普拉斯的星云假说得以证实。

21

奥地利物理学家多普勒证明，退行（或靠近）的声源，其音调比静止时更低（或更高）。

所以正在靠近我们的恒星的光会变蓝，离开我们的恒星的光变红。

22

物质的现代原子论始于道尔顿，他也是第一个把原子论定量的科学家。

根据元素以确定的重量比例形成化合物的事实，道尔顿证明物质是不同重量的原子构成的。

例如，氢原子重量为1,在这个标度上，碳原子重量为12，氧为16,等等。

23

1887年，汤姆森发现了带负电荷的电子；

1911年，77卢瑟福发现了带正电的原子核；

1913年，玻尔构建了原子的力学模型：电子在围绕原子核的轨道上运动；

几年后，薛定谤、海森伯等物理学家用量子力学建立了现代的原子的波动力学模型。

24

直到18世纪，犹太、基督和穆斯林的信徒们还相信宇宙只有几千年。

大量地质学和古生物学的证据则指示了更为长远的历史，

宗教经典的记录便与科学发生了矛盾。

25

20世纪初，物理学家凭着放射性年代方法证明地球年龄是几十亿年，而不是几千万年。

提高了地球生命的存在年限，响应了地质学家和生物学家为生命进化确立的时间。

26

据说法国皇帝拿破仑对拉普拉斯说：

"你写那么一大本关于世界体系的书，却没有一次提到宇宙的创造者上帝。"

拉普拉斯回答："陛下，我不需要上帝这个假说。"

不论真假，这个故事说明了有神论与科学的不同。

27

在宇宙中恒星聚成星系，星系聚成成星系团，星系团聚成超大星系团，这就构成天文学家所

谓的等级。

今天我们用有限层次的观点（有限数量的层次，包括恒星、星团、星系、星系团和超星系团）,

很好地解释了宇宙物质的成团聚集的特征。

28

宇宙学常用单位：

1光年=63240天文单位

1光年就是光走一年的距离

1天文单位=149597870千米

1天文单位就是地球到太阳的距离

1淞少=30000km

1光秒就是光走一秒钟的距离，就是30万千米

1km（千米）=1000m（米）

太阳半径：约为696300千米

地球半径：6370km

光速为300000km/s,就是光一秒钟走30万千米

1m（米）=100cm（厘米）

桌子高度一般都在1米左右

1cm（厘米）=10mm（毫米）

手指宽度约1cm

1mm（毫米）=103|jm（微米）

跳蚤的大小约1mm

lpm（微米）=103nm（纳米）

一根头发的直径是80pm（微米）

Inm（纳米）=103pm（皮米）

lnm（纳米）相当于4倍原子大小

黄色光波长597-577纳米

1A（埃）=0.1nm（纳米）

氢原子半径0.79埃

29

几乎所有来自外太空的信息，

都是以光或其他辐射的形式传过来的，

传播速度都是300000km/so

30

光线要经过500秒钟才能从太阳表面传到地球上,

所以我们看到的是500秒前的太阳，

于是我们就说太阳距离我们500光秒。

31

光线从某一遥远天体传播至地球所需要的时间被称为“光传播时间"。

"光传播时间"计量法用于远距离测量非常合适,

而且还有个好处：提及当前看到的一遥远天体时，

我立刻就能知道那是它多长时间以前的状态。

32

我们看到的一颗10光年（约100万亿千米）远的恒星，是它10年前的状态。

通常我们注目深空时，也是在沿时间回望。

33

光线需要大约10个小时才能穿过整个太阳系，

最近的恒毁巨离我们也有几光年。

在我们周围数万光年的范围内，

分布着数百亿颗形形色色的恒星，

它们就是银河系的恒星。

银河系之外数百万光年远处还分布着其他星系，

它们大部分自身就是一个包含有数十亿颗恒星的庞大系统。

34

宇宙学常用速度：

光速（用C表示）

300000km/s

太阳在银河系里的运动速度

300km/s

地球在太阳系里的运动速度

30km/s

离开太阳表面的所需的速度

618km/s

第三宇宙速度,飞出太阳系所需的速度

16.7km/s

第二宇宙速度，离开地球所需的速度

llkm/s

第一宇宙速度，航天器沿地球表面作圆周运动时所需的速度

7.9km/s

35

1光秒=30000km,光一秒钟的时间所走的距离就是30万千米,

看起来那么小的一秒钟的光传播时间，与看起来那么大的300000千米是等价的，

地球的周长是40000千米，所以地面上最远的距离也只有光秒。

我们的一生有70年，在这段时间里，太阳和它的一批行星随从在银河系里却只穿行了20

光日。

从宇宙的视角来看，我们被局限在Y很小的空间区域里，但存在的时间却很长。

这就解释了为什么相对于时间的巨大跨度来说，我们对于空间的广阔印象却更为深刻。

36

宇宙学常用时间单位

1小时=3600秒

1天=86400秒

1年=3.2x107秒

1年代=10年

1世名己=100年

1千年=1000年

地球的年龄是46亿年

宇宙的年龄是138亿年

37

什么是恒星？

恒星就是由自身引力禁锢在一起并不断向宇宙中辐射出能量的一团炙热气体,

我们的太阳也是一颗恒星。

38

宇宙学常用温度

0K（开）=-273WC（摄氏度）

373K（开）=100℃（摄氏度）

1℃（摄氏度）=274.15K（开）

39

太阳中心的温度是2x10人7K

白矮星表面的温度是10000k

太阳表面的温度是5800K

红巨星表面温度是3000k

灯泡灯丝温度是2000K

水的沸点373k(100℃)

水结冰的温度是273.15K（0℃）

绝对零度0K（或-273℃）

40

宇宙学常用质量

太阳的质量是2x10人30kg

地球的质量是6x10人24kg

体积为顶针大小的水的质量是1g

跳蚤lmg

氢原子1.7x10人-24g

10kg（千克）=It（吨）

1kg（千克）=1000g（克）

1g（克）=1000mg（毫克）

lmg（毫克）=1000的（微克）

Ipg（微克）=1000ng（纳克）

41

H-R图也叫赫罗图，这是以星球表面的温度为横轴，以星球的真正光度为纵轴，

将各个星球按照它的光度和温度，依次填入图表中。

星星在图表中的位置并不是散乱排列，

大致可分为主序星、巨星、超巨星、及白矮星等四个集团。

42

大部分的恒星，包括太阳，都分布在一个叫做主星序的斜对角区域内。

在主星序里，红色恒星（温度较低）的光度较低，而蓝色恒星（温度较高）的光度较高。

主星序里所有恒星的能量都来自把氢转变成氨的核反应，其光度也因此而得。

43

恒星质量沿主星序稳步上升。

主星序低端质量较小的恒星把氢转变（或者说"燃烧"）成氨的速度较慢。

而主星序顶端质量较大的恒星把氢转变成氮的速度较快。

大多数恒星的质量都在阳质量的到10倍之间。

44

位居H-R图中主星序之上的是红巨星。

它们是膨胀后的球状冷气团，直径有可能大于地球的绕日直径。

即使表面温度很低，但由于表面积极大，它们的光度仍然很高。

它们每秒钟辐射出来的能量是太阳的几百倍，常常还会高达上千倍。

它们已经耗尽了中心的氢燃料，退出了主星序，

而中心区域正在收缩成温度、密度都更高的状态来寻找未来的能量源。

45

H-R图中位于主星序之下的是白矮星。

它们的大小跟地球差不多；虽然密度很大、温度很高，

但由于表面积极小，它们的光度不是很高。

这些恒星们已经到了演化进程的末期，正在慢慢冷却。

并不是所有的恒星最终都会演变成致密的白矮星，

许多恒星会继续演化成中子星，还有一部分会演变成黑洞。

46

大多数恒星的亮度都几乎是恒定不变的，

但也有一小部分恒星——变星——的亮度是周期性变化的。

所有变星中，有些隶属于双星系统，

它们亮度的变化是因为绕彼此旋转时每隔一定时间就要从对方面前经过的缘故。

但大部分变星都是脉动变星，它们有规律地膨胀、收缩着，大小和亮度都在不断地波动。

47

恒星是一个个不断向太空辐射能量的炙热气体球。

从表面辐射出去的能量源于恒星内核，再慢慢扩散至表面。

热量都从较热区域流向较冷区域，所以恒星内核远远热于表面。

事实上，恒星中心的温度极高，例如：太阳中心的温度约为1500万开。

48

恒星的自持依赖于引力：它们是靠自身引力的束缚才聚拢在一起的。

向内拉的引力被一个向外推的力抵制着。

外推力就是内部炙热气体产生的压力。

向外推的力主要是恒星内部的核反应产生的。

如果太阳内部没有压力，它将会在一个小时内坍缩成一个黑洞。

49

例如：

质量越大的物体万有引力越大，

地球的质量比太阳小的多，所以只能把我们人类吸在地球表面。

太阳的引力很大，如果人类到了太阳上,

就算不被烧死，也会被太阳的引力吸的粉身碎骨。

太阳的引力大到连自己都会吸自己，

如果比太阳质量大7倍以上的恒星，

它会最后会把自己吸成一个黑洞。

50

太阳为什么没有把自己吸成黑洞，是因为太阳内部一直有核弹在爆炸。

太阳内部有核弹在爆炸是个比喻，其实所有恒星内核都会产生核能。

51

这是因为恒星主要是由氢元素构成的，氢元素是核弹的主要原料。

核弹的巨大爆炸威力是来自核聚变，就是把多个氢原子核互相聚合，

生成新的质量更重的原子核一一氨，并且会释放巨大能量。

52

恒星内部的氢原子核正好就是核聚变的最佳原料，又由于恒星的巨大引力,

正好让原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用。

恒的引力够大，氢也够多，所以恒星就是一座巨大的核反应堆。

53

就好像恒星内部无数的氢弹在不停的爆炸，

这些爆炸所产生向外的力，正好抵消了恒星自身向内的引力，

质量和太阳差不多的恒星的引力正好和内部的核能产生的力抵消了，

所以太阳就不会变为黑洞，但是比太阳质量大7倍的恒星就不一样了，

质量越大引力就越大，引力大到比自己内部核能产生的力大的多的情况下,

这颗恒星就会由于自身引力把自己吸到一个黑洞。

54

恒星都是生产核能的一座座巨大的核反应堆。

洒在地球表面的能量，比如说阳光，就来自太阳内核产生的核能。

55

20世纪初，物理学家金斯认为，刚开始时宇宙中充满了舌鳍糟的气体，

而天文系统则是通过一个分解过程依次形成的：

"星云来自混乱气体，恒星来自星云，行星来自恒星，卫星来自行星。”

现在我们仍然认为宇宙分解生成星系，星系分解生成恒星，

但不再认为恒星分解生成行星了，并怀疑行星是否通常分解生成月球这样的卫星。

56

太阳系由太阳、地球及其他行星组成,大约形成于50亿年前，

当时宇宙的年龄只有现在的我们可以想象，太阳起源于星云中的一小块尘埃。

即比其他地方致密的一小块气体，而星云中其他的小块尘埃也都正在生成其它恒星。

57

质量小于太阳的恒星演化得更慢，停留在主星序上的时间长于100亿年。

很多小质量恒星自我们银河系诞生到现在却一点儿都没有演化。

58

但质量更大的恒星演化得也更快，

而且会以白矮星、中子星和黑洞的形式结束自己的生命，

具体哪种形式要视其质量而定。

59

一颗恒星在耗尽中心处的氢之后，就会离开H-R图的主星序,向红巨星方向移动。

此时恒星核里几乎全是氨元素，已经不再产生核能了，

但辐射能仍然从炙热的表面流向太空，而这些能量又来自中心核区。

恒星核继续收缩成密度更高的实体，从而释放出引力能。由于这种收缩，核的温度还会升高。

60

接下来会有两件事情发生。

首先，紧邻氮质核的氢开始燃烧。

会出现一个环绕核的氢燃烧层，在这一壳层中，

氮继续产生，并稳步地给氮质核添砖加瓦。

其次，收缩释放出的能量和氢燃烧层里氢的燃烧会导致外层的膨胀。

恒星随着核的不断收缩而不断地膨胀，且膨胀的包层还具有几分对流性质。

这颗明亮、巨大，冷却下来的恒星——现在成了一颗红巨星。

61

一旦离开主星序，恒星就步入晚年，来日无多了。

它这才意识到自己逗留于主星序的那段生命太平淡无奇。

尽管很晚了，但它还是下定决心'要在死亡之前最后一次大放异彩。

但剩下的核能已经不多。

62

氢转化为氢的燃烧过程已经把全部可用核能的80%都消耗掉了，

但挖掘剩余的储能需要高超的技巧将氨一步步地转化为镇或铁。

其中每一步都需要更高的温度和更大的密度,

因此恒星的光度在不断增长，逐渐减少的核储消耗的速率也在不断上升。

63

我们现在考虑一颗质量小于太阳质量二倍且已经完全演化的恒星。

在红巨星阶段，它的内核继续收缩。

数千万年后，它的密度和温度足以把氢燃烧成碳。

氨燃烧是在温度到达约1亿度时突然开始的，这种现象被称作氮闪。

根据核的质量不同，在这个阶段或稍后一段时间里出现一股强劲的恒星风,

把恒星膨胀了的包层都吹散开去，只留下明亮的裸核。

收缩终止了，核燃烧也结束了，恒屋内核就稳定下来，成为一颗白矮星。

于是这颗恒星的组分可以划分为两部分，

一部分是被称为行星状星云的喷射气态残余，

另一部分是大小跟地球相当且正在慢慢冷却的白矮星。

约50亿年后，太阳也会变成一颗白矮星，

并将在缓慢冷却的过程中，像一只昏暗的灯泡一样在天空中悬挂几十彳乙年。

64

下面我们考虑一颗更重的恒星将会发生些什么。

它挥霍自身中心处氢的速度更快，停留于主星序上的时间只有几亿年,

之后会变成一颗巨大的短命红巨星。

由氢燃烧层包围着的氮质核，将收缩至密度和温度都更高的状态。

很快氢就会燃烧成碳和氧。

于是现在这颗恒星就具备了一个由碳和氧构成的核，

周围包裹着的是氢燃烧层和一个氢燃烧外层。

这颗恒星经历过红巨星阶段之后，就会变得更加明亮，

并会历经一阵阵颤动，还将以更高的速度向太空喷射大量气体。

65

为了满足不断增长的能量需求，内核继续收缩。

当中心温度超过30亿度，密度趋近100万克/厘米3时，碳和氧将会烧掉更多,

一步步地转化为完、镁、硅、磷、硫等等，直至镇和铁。

不过这众多反应所释放出来的核能很快就被辐射掉了。

66

在这些高级演化后期的阶段，会出现一种额外的能量损失且损失的速度还会稳步增长。

内核中核反应和高温气体产生的大量中微子会一堆堆地穿越恒星，飞向太空。

内核的中微子光度将升高，并超过表面辐射的光度，剩下的就只有引力能量。

而且，为了满足不断增长的能量损失，内核将收缩得更快。

中心密度和温度将大幅增长，而能量会溢出，并在把物质熔成重于铁的元素的过程中渐渐枯

竭。

这颗恒星已经濒临死亡了。

67

中微子再也不能轻易逃离这颗恒星，而是从内核向外扩散，

传送过去的能量加热并启动恒星富氢外层的核反应。

向内塌落的内核把重元素粉碎成氨元素，

而先前把轻元素转化为较重元素时所需的能量现在必须通过释放更多的引力能来补偿。

68

内核中微子的产量升高，并成一阵强风，把爆发的包层吹起来，掷向太空。

在内核塌缩的最后一刻，氨核被挤压成自由质子和中子，

停留在主星序上数百万年时间里辐射出去的能量都必须当即补偿回来。

内核是通过最后灾难性塌缩来获得这些能量的。

电子被挤入质子，二者一起转化成中子。

坍缩后的内核，去除了包层后就成了一颗中子星。

内核坍缩和包层爆发释放出了大量能量，其结果就是一颗在天空中闪耀时间很短的超新星,

它比一个庞大星系里所有恒星加在一起还要明亮。

如果在半人马座a星的位置上出现一颗超新星，那么它在我们看来将和太阳一样明亮。

69

中子星的半径约为10km,密度将近10人15g/cm3。

手指头大小的中子星物质在地球上将重达10亿吨。

中子星的磁场强度为10Al2高斯，比地球磁场强万亿倍，

而且刚开始时会以每秒数百转的速度高速旋转。

70

中子星的质量约小于三倍太阳的质量，之所以存在这个极限，

是因为中子物质抵抗不了更大质量的引力压力。

因此，更重恒星的坍缩核不会终结为中子星，它们将继续坍缩变成黑洞。

这里，只说它们被封闭在自身的弯曲空间里就足够了。

71

从地面上用肉眼能看到的恒星约有2000颗。

用好点的双筒望远镜可以看到12000颗。

银河系里大约有10A13颗恒星，而可观测宇宙里的恒星约有10人20颗之多。

72

现今统治宇宙的四种作用力从小到大排列分别为：

引力相互作用：1

弱相互作用：10^23

电磁相互作用:10A39

强相互作用：10人40

引力和电磁力都是长程力（强度以与距离的平方成反比的方式慢慢减弱），

它们导致了宇宙中从原子到星系各种各样物质形态的形成。

弱作用力和作用力都是短程力（只在很短的距离上起作用），

它们是亚原子世界丰富多彩的原因。

73

银河系

我们的星系又称银河，是一个由发光气云和1000亿颗恒星组成的庞大系统。

光线需要100000年的时间才能穿越银河，从一边到达另一边。

74

银河系的中心位于人马座，由于星际间飘荡着尘埃气云，所以看起来朦朦胧胧的。

离银河系中心很远的某个地方有着我们自己的恒星-太阳。

75

星系由两种基本组分构成：星系盘和晕。

银河实际上是我们看到的星系盘的全景，

这个圆盘的直径为100000光年，厚度约为直径的或更小。

76

星系盘由恒星和星际气体构成，

它所包含的质量占银河系可探测质量的一半以上。

气体占星系盘总物质的尘埃的质量约为气体的1%或更多。

由恒星、气体和尘埃构成的星系盘围绕着银河系的中心旋转就像一只巨大的旋转木马一样。

77

我们看到的天空中的恒星，大部分都位于这个圆盘中，且与最近的恒星相隔几光年远。

太阳距离银河系中心30000光年，它绕银河中心旋转的速度为300公里/秒轨道为圆形,

2亿年才旋转一周。

自诞生以来，太阳已经围绕银河系中心旋转了25圈。

78

各个星系之间，彼此相距数百万光年。

它们向宇宙深处延伸开去，多得不计其数，看似无穷无尽，

每一个都是一座安然运行于太空深处的瑰丽的恒星天城。

79

星系的分布并不均匀，它们往往聚集成大小不同的星系团。

巨大的规则星系团的外形呈球状，星系集中在中心区域。

星系团成员众多，所含星系多达数千个。

80

典型的规则星系团直径为1000万光年，且没有明显的外部边界。

它们含有星系际气体，星系常常以超过1000km/6的速度穿行于这些气体之间。

81

在本系星群之外的空间里散布着众多别的星系群。

距离我们最近的是室女座星系团，它离我们有7000万光年远。

82

一亿光年开外星系的分布看起来稍微稀疏了一些,

而且我们现在还知道星系团也聚在一起构成超星系团。

我们所在的本超星系团的中心位于室女座星团附近，

本超星系团也被称作室女座超星系团。

83

星系是怎么诞生的？

现在星系际空间里物质的密度太低，不足以产生新的星系。

像我们银河系这样的星系，物质的平均密度为每立方厘米一个氢原子。

84

宇宙在不断膨胀，因此过去的密度更高，星系也更为拥挤。

当50亿年前太阳刚刚诞生时，宇宙的平均密度大约是当前值的2倍；

再往前50亿年，星系间的距离只有现在的一半，而宇宙的密度则是现在的8倍。

时间再往前推,当宇宙的平均密度为现在的100万倍时，星系还不存在,

至少还没有以当前形式存在的星系，因为它们在一个密度比星系还大的宇宙里被挤压在一起,

面目全非。

星系是不断膨胀的宇宙平均密度远小于每立方厘米一个氢原子时诞生的，当时还处于初级阶

段。

根据后面要讨论的宇宙学理论，星系起源于年龄超过1亿年的膨胀宇宙。

85

在一个富含气体的星系核里，第一步动作很可能就是众多恒星的诞生，

这些恒星中有很多演化速度很快并演变成黑洞。

86

现来设想这样一个场景：

有一个气体密度很高的星系核，众多恒星在里面挤作一团，同时还有一颗黑洞在里面，

而且刚开始时这颗黑洞的质量为太阳的几倍,直径约为10千米。

87

气体会在旋转着流向黑洞的过程中形成一个吸积盘，就在此吸积盘内旋转着落向黑洞。

不小心的恒星彼此靠得太近时，要么发生碰撞，要么就被潮汐力撕成碎片，

而残骸则会加入到失控的激流中旋转着冲向黑洞。

下次当你拔掉浴盆的塞子，看着盆里的水渐渐流进黑润洞的漩涡时，不妨想象一下狼吞虎咽

的黑洞。

88

黑洞的质量迅速增大，偶尔还会吞没其他较小的黑洞。

假如星系核所含气体和恒星十分丰富，

黑洞的质量将会在几亿年的时间里增大为太阳的1亿倍，

而尺度则会达到一光时。

在黑洞成长的过程中，向内旋转的气体将释放出能量急流。

89

在旋转着奔向黑洞的过程中，气体I锹压缩、加热，温度升至很高，而且辐射出能量。

被捕获的气体中的一小部分——占总质量的1/10或更多将直接转化为逃离的辐射能。

一颗通过不断吞噬周边物质而成长为质量高达太阳10亿倍的巨大黑洞，

辐射出的总能量至少相当于太阳质量的1亿倍。

90

根据这幅粗略的图像，黑洞以一种高活性状态存在于星系核中，

而且只有当星系核里大部分物质都被自己吞噬或喷射出去之后才会死亡。

之后，除了偶尔吞噬新的气体而爆发之外，黑洞一直都在静静地休眠。

旋涡星系核内的气体较少，里面的黑洞也很可能比巨型椭圆星系里的小。

从射电研究中我们得知，银河系中心处于一种受扰状态，

黑洞有可能潜伏在里面，质量是太阳质量的数百数千倍，甚至数十万倍。

91

当审视展开于眼前的宇宙学史时，

我们看到了人类越来越相信自己并没有占据宇宙中心。

人们心中的宇宙中心刚开始时为部落，之后为国家，

再之后又变成了地球、太阳，最终落在了银河系身上。

最后发现宇宙甚至连中心都没有。

92

现代宇宙学的大部分处理都是从宇宙学原理开始的，

这个原理是现代宇宙学的根基。

爱因斯坦曾于1931年表述过这个原理：

宇宙中所有的地方都是相同均匀的，整个宇宙处处相同，

也就是说宇宙没有一个特殊的中心。

93

宇宙保持永恒均匀的状态，因为各处的事物以相同方式改变。

为了维持一种各处事物都同步演化的均匀态,自然界的任何规律都应该处处相同。

宇宙的均匀性还意味着除去局部不规则效应之外，宇宙中所有的时钟都是同步的。

94

也就是如果知道宇宙某一个地方的规律，

也就等于知道了全宇宙的所有规律。

一粒沙中看出一个世界，

一朵野花里看出一座天堂，

置无限于你手掌中，

将永恒刹那间收藏。

95

物理宇宙的包容原理说的是：

物理宇宙包含所有物质的事物，而不包含所有其他的东西。

这句话是自然科学（化学和物理学）的战斗口号。

96

对一些人来说这个原理过于初浅且显而易见,

我们必须先来更全面地看看它到底是什么意思。

97

现代科学宇宙学研究的是将所有物质的事物都包括进来，

而把非物质的事物都排除在外的物理宇宙。

98

原子和星系，细胞和恒星，有机体和行星都是物质的事物，都隶属于物质世界。

粒子及其波粒二象性，原子及其电子波动的舞蹈，DNA及其基因密码，

场和穿越空间传播的波，真空中丰富多彩的虚世界，时空的狭义相对论特性，

动力学弯曲时空的广义相对论特性，以及广阔的天文学宇宙，都是具有物质性的事物。

我们这些拥有身体和大脑的物质的生物体，也被束缚在物理宇宙中。

99

宇宙包含着时间和空间但并不存在于时间和空间中。

如果你相信一个非物质的区域，比如说天堂，你必须赋予它自己的时间和空间。

你不能延展我们的时间和空间从而把天堂包括进来，因为这样一来，

你将把天堂带进物理宇宙，并把它的存在暴露给科学调查的鉴定方法。

我们就可以用科学的应运来调查研究天堂了。

100

空间（更确切一点说是时空）的物理性质是由其动力学特性展示出来的。

空间中的空区域彼此之间存在着作用和影响！这就是广义相对论的本质。

空间的涟漪引力波以光速传播。

101

曾一度被认为是一种瞬时就能穿越真空起作用的神秘的力——引力，

已经变成了以光速传播的空间自身的动力学弯曲。

102

黑洞并不一定非有物质不可，它可以只包含空间的波，

波是一种能量，能量和物质是等价的，

物质有引力，能量同样也有引力，

是波的质量产生了黑洞的强大引力。

103

过去大部分的宇宙模型的时间和空间都是宇宙戏剧的舞台。

而在现代物理宇宙中，时间和空间成了主角。

104

空间（或者说时空）诱发着潮汐，引导着月球绕地球、地球绕太阳旋转，

面且还会把不小心逛到中子星和黑洞附近的宇航员和飞船撕得粉碎，

谁还敢去怀疑它的物理真实性呢？

105

空间可能是有限无界的。

很容易联到的一个类似实体就是弯曲的二维空间可能是有限无界的。

很容易联想到的一个类似实体就是弯曲的二维球面。

这个面就是有限而无界的。

在西瓜上沿直线爬行的蚂蚁能在不碰到边界的情况下回到出发点。

在有限、均匀、各向同性的宇宙中沿直线前进的宇宙探测者也会回到出发点。

106

有人会说包容原理漏掉了最具价值的东西。

我们的灵魂、思想、意识和内心世界所有多姿多彩的东西在宇宙中位居何处呢？

必须做出的回答十分简单：

没有它们的容身之地。

107

生活中的喜悦之情不过是大脑神经元的生化活动而已，

天堂、地狱、神魔鬼怪也不过是人类大脑神经元的生化活动而已。

108

对于那些主张并希望把它们全部都巧妙地融进一个“精神、灵魂、物质”宇宙中去的人,

我们必须如此回答：

"你把宇宙与宇宙模型混为一谈了。

未知的宇宙是指一切事物，包括我们的思想,

而已知的物理宇宙含有物质的东西，包括我们的大脑。

数学家、物理学家、生物物理学家和化学家已经创造出了物理宇宙，

如果你置期E凡的成功于不顾，只是不喜欢它的话，那你就应该创造一个自己的宇宙。"

109

初对宇宙学感兴趣时，宇宙被想象成弥漫在空间的一团球状星系云，存在中心和边界。

很不幸,这个简单的图像大错特错，而且与包容原理相抵触。

空间并不是一个宇宙铺展于其中的非物质容器，空间是物质的，并随宇宙膨胀。

110

我们必须把空间想象为宇宙的一个基本部件，并认识到它不能延拓至宇宙之外。

举例来说，大爆炸并非像在我们想象的那样，发生在空间某处，而是占据了整个空间。

111

如果空间是无限的，那么大爆炸也是无限的。

一个无限的宇宙往往总是无限的，不会转变成有限的。

112

无论身在何处，我们只要静止不动而沿时间回溯，就能在大爆炸里找到自己。

没有中心和边界的三维无限空间不难想象。

但想象没有中心和边界的三维有限空间却十分困难。

换个角度，我们来想象一个没有中心和边界球面在广度上就是有限的，

但它自身却不存在中心和边界。

113

空间中的宇宙边界并不存在。

在一个膨胀着的宇宙里，星系并不在空间中穿行，远离我们而去，

而是端坐在空间中，其空间自身则像慢慢膨胀的气球的表面一样不断膨胀。

星系间的空间不断膨胀，星系被空间裹挟着，彼此相距越来越远。

114

轻元素多指篇口氮，是大爆炸时由质子生成的，

当时宇宙很年轻,密度很大，温度也很高。

大部分化学元素都是很久以后在恒星体内生成，

并在超新星爆发时被喷射到宇宙空间中去的。

而构成地球的元素是在死于太阳系诞生之前的恒星体内生成的。

115

大部分重元素生成时都具有放射性，又衰变成后继元素。

例如，铀-235的半衰期为45亿年,衰变生成的元素是铅。

通过测定放射性元素衰变的速度，并测量它们当前的相对丰度，

就有可能确定地球、太阳系和银河系的年龄。

通过这些研究我们发现，太阳系的年龄为46亿年,

而银河系的年龄大约为150亿年。

116

宇宙为什么是个这样子的？

有三种可能的回答。

117

第一种回答，把问题转换成"怎么样”的功能性问题，

就是用科学来回答这个问题。

比如"原子是怎样起作用的？"，

而且这是科学上常用的回答方式：

用功能性问题替代存在性问题。

118

第二种回答即神择原理：

宇宙的设计是上帝决定的，

它保证了这种设计适于生命的存在。

119

第三种回答即人存原理：

事物之所以这样,是因为我们存在。

宇宙设计是由我们的存在决定的；

如果宇宙的设计不同于此，

我们也不会在这儿讨论这个问题了。

120

按照人存原理，

地球上所有其他的生物也都可以证明了宇宙是精心调节的。

野花不会开放在别的宇宙中。

给定一朵野花，也就给定了我们的宇宙。

这样就变成了花存原理。

121

为什么物理常量如此谐调？

是故意的还是偶然的？

或者还存在尚未发现的理论，能解释为什么物理常数一定是我们观测到的值？

122

基本物理常数可能是被故意设成与生命存在相谐调的数值的（神择原理），

也可能是偶然与生命存在相谐调的（人存原理）。

123

自然规律是那些我们据以感知宇宙和谐与秩序的规则。

这些规律常常表述成数学公式，模拟人类思想所认识的世界结构。

我们一直相信它们，直到它们与观测资料相抵触，之后我们会修正或抛弃这些公式。

现在已知的规律与过去的不同，未来的规律也一定与现在的不同。

124

最大尺度上的事物的性质决定了最小尺度上的事物的性质，

反之亦然，微观世界映出了宏观世界。

也是说：

宇宙=所有粒子的总和

宇宙=粒子

每个粒子从某种意义说都展现了宇宙的一个侧面，而不只是宇宙的一小部分。

所以所有电子展现的都是宇宙的同一个侧面。

125

物理宇宙在解释各种事物的原理时十分成功，

我们用它来控制周围的环境时也成就斐然。

但它无法解释像意识和自我意识之类的精神的东西。

一个不断追问生命和思想位于何处的人，

会像患有怪病的人被不断从一位专家转送给另一位专家诊疗一样,

被不断地从一门科学转介给另一门科学。

126

生物学家们会说生命和思想是数十亿个细胞组成的精密物质系统的表现形式，

而每一个细胞又是由数十亿个原子构成的。

如果这个答案还不能满足追问者，生物学家很可能会推荐去拜访一位心理学家。

任何两位心理学家都不会给出相同的答案，

有的心理学家会跟他谈论思想的精神过程，

有的会谈论大脑的神经过程，

还有的会承认自己对物理世界知之甚少，

建议他去拜访T立钻研很深入的物理学家。

127

但物理学家会认为这不是一个问题（非物质的东西不存在），

或者会建议他拜访宇宙学家。

最终，绝望的追问者可能会考虑咨询宇宙学家。

宇宙学家（至少一部分）会承认他们连答案的模糊概念都没有。

但他们知道萌生于人类思想沃土的宇宙不断地变来变去,

并怀疑思想的产物能否充分解释思想。

128

就是说意识和精神是思想，

用来解释意识和精神的这个解释也是思想，

最后就是只能用思想来解释思想，

用来解释意识和精神的这个解释的思想也需要用别的思想来解释，

这个别的思想还要用另外一个别的思想来解释，

解释到最后，总是有一个思想需要别的思想来解释。

129

我们知道，空气的波动——声波，是在大气介质中传播的。

但是，虚空的波动——光波，是如何在真空中传播的呢？

为了回答这个问题，物理学家们让宇宙充满了稀疏的光以太，

光和其他电磁波都可以在以太里面传播。

如今，我们认为光波是在电磁场中传播的，以太也就没有存在的必要了。

130

我们自认为懂得空间是什么：它是我们周围的东西，向四面八方延展，

各种物体明明白白地分布于其中，它的跨度表现为距离,

测量的标准是米尺之类的可以直接观察的东西，以米和其他类似的单位为单位。

131

时间就没有这么简单了，因为我们无法客观地观察分布于其中的物体，

而且我们的五官也不能直接观察像秒这样的时间间隔。

看起来我们是主观地体验时间间隔的，而不能直接客观地观测它。

132

我们脑海中留下的印象就是我们有两种不同的体验：

一种是由分布于空间的各种各样的客观物体（树木、云朵和山峦等）组成的；

另一种是由延续于时间的五彩纷呈的主观事物（感觉、情感和思想等）构成的。

这两种截然相反的体验会以某种方式聚合在一起,

构成我们生活于其中的客观世界和我们为其建立理论的物理世界。

133

时间的本质是一个复杂的题目，它引起了无止无休的哲学争辩，

奥古斯丁的话拷问着我们：

"什么是时间？如果没人问我，我知道它是什么。

但如果我想向问我的人解释它是什么，我又不知道了。"

134

我们人类体验的时间与科学上所用的时间大不相同。

科学把我们体验的时间简化成与豪斯道夫公理相符合的连续一维空间。

如果物理时间不具备我们所体验的时间的一些特征，我们也不必太惊讶。

被忽略的都是那些通常被认为是心理学或形而上学上的特征。

135

物理学把握了时间才各日常生活赋予它的很多特征剥离掉，并把它塑造成类似于空间的东西。

我们的物理世界已经变成了四维连续空间，

它可以分解为三维空间和从过去延展至未来的一维时间。

136

不平静的世界在不断变化着。

事物在空间中每一时刻都有一种分布，稍后又变成另一种分布。

辛顿发起一场革命，改变了我们对周围世界的理解。

时间具有一维空间的性质，过去、现在、将来发生的事件构成一个连续序列，

很像空间中一根直线上的点。

137

时空就是时间与空间的简略集合名词（时间+空间）。

时空图上的一点就代表一事件，比如萤火虫的闪光或眼帘的眨动，

且意思是指在某一时刻发生于空间中某一点的事件。

一条线-称作世界线-代表在时间上延续，且在每一时刻都占据空间中某一位置的事物，

比如一块石头或一个原子。

138

下图重现了1887年辛顿绘制的在空间中沿圆周运动的一粒子的世界线。

139

极为重要的事实是，如果在"时空”中表示，

任何事物都不会改变。没有什么已发生、正在发生或将会发生！

我们已经驯服了这个不平静的世界，将它以一种冻结状态陈列于时空。

任何事物，它的过去、现在、将来，都展现在这个无时态的世界。

任何事物在时空图中都不会改变或运动，是因为用过一次的时间不能再用第二次。

140

时间和空间的四维世界是一个静止不变的世界。

提起它时，我们必须记住它所有的区域都处于同一时态。

在一个没有时态的世界里，不能说某件事已经发生，

某件事正在发生,某件事》等要发生，因为所有的一切都齐集在当前。

也不能说物体沿世界线从过去向将来运动，因为物体在它的世界线上处处存在。

我们必须/找心自己的嘴，牢记时间是四维世界的一部分，不能再用了。

如果我们犯了错误，说一粒子沿其世界线运动，

我们会面临粒子以什么速度在时间中运动的问题。

这就逼迫我们调用另一个时间，并且在已经承认了在时间中运动的可能性之后，

必须确定粒子在第二个时间中运动的速度。

在时间中的运动引出了时间维的一个无穷系列。

认识到时空不存在任何物理改变，我们也就避开了这种荒谬。

141

时间箭头

世界线自身并不具备指向未来的箭头。

在时空图上，很难看出有什么决定过去和未来的东西。

把一幅时空图上下颠倒后，图上鲜有能阻止我们把新的顶部看成未来,

把新的底部看成过去的东西，或者说根本没有（如下图）。

图a和图b是同一幅时空图，只不过上下颠倒了，

过去和未来交换了，在时空图上，

是不能区别过去和未来的。

142

过去和未来只是一种标签，通常没有内在的时空含义。

然而，时间翻转的宇宙完全是另外一番景象：

生命从坟墓开始，终结于摇篮，冷物体会变热，

蜡烛和恒星吸收辐射，任何事物都处于前后颠倒的状态。

这种时间翻转的世界里应该不存在生命，因此被人存原理排除了。

143

大部分物理基本定律都无法区分过去和未来，而且不随时间翻转而变化。

物体的运动方程，以及很多微观物理的定律，在时间上都是可逆的。

时空图上下颠倒，过去和未来的标签被交换之后，它们仍然保持不变。

因此，两粒子碰到一起，相互作用之后又分开；

在时间翻转后的图景中，发生的事仍然相同：

两粒子碰到一起，相互作用之后又分开。

如果用图像显示，它们的运动和相互作用在时间上是可逆的。

我们的物理方程，跟我们的时空图像一样，

使用的是一种自身不具备方向的时间。

甚至光传播的方程在时间上也是可逆的。

根据经验，被吸收的光线都来自过去，

而发射出去的光线都奔向未来。

144

当时空图上下反转，过去和未来的被重新标定后，

光线就会来自未来而奔向过去，与我们的日常经验相反。

电磁理论并没有禁止这种奇怪情形的出现，

而时空图上也没有什么东西会说光线一定要向未来传播。

145

热力学第一定律讲的是动态系统中热量以及其他形式能量的守恒。

热力学第二定律讲的是热力学系统在时间上的不可逆。

热量从高温区流向低温区这一过程实际上是不可逆的，

因为相反的过程会导致熔的减少。

146

没有哪个科学家会梦想违反备受推崇的热力学第二定律,

说热量可以从低温区流向高温区的。

我桌子上的一杯咖啡，时间上越往后就会越凉，

而越往前就会越热，在这个过程中燧是增加的。

虽然总能量不变，但可利用的能量变少了，这是燧增加的另一种说法。

如果情况不是这样,则你我都不会存在。

147

支配咖啡和周围环境的热力学定律在时间上是不可逆的中，

然而，支配构成咖啡和周围环境的单个粒子的行为的定律在时间上却是可逆的。

如果单个粒子微观运动和行为的方程中的时间方向反转，热量仍然从高温区流向低温区。

众多粒子的集体行为看起来就像时间的箭头，而单个粒子的行为却不具备时间方向性。

148

孤立的单个粒子的运动不受时间反转的影响，

但它们的集体行为活动，从高温世界线到低温世界线的分布，

却受热力学第二定律的支配，在时间上是不可逆的。

单粒子在时间上可逆，但粒子系统却不可逆。

149

这就像把一幅画挂在墙上。

如果盯住墙上单个的色块，你永远都不会知道应该把画挂在哪儿；

你必须退后，观察大面积的色块来决定应该怎样挂图画。

150

宇宙是由无数多粒子系统构成的（比如生物体、行星、恒星、星系），

而大部分的科学家相信时间的方向部分或完全由这些多粒子系统的集体统计X亍为所决定。

随着时间的推移，这些系统有组织的能量会变得紊乱并消散掉，而它们有序的状态也会变得

无序。

151

等到数万亿年之后，所有的恒星都已经死亡，

所有的系统都达到了最低能态时，就很难确定时间的方向了。

在我们的宇宙中，物质都以恒星和星系等形态不规则地分布着，

能量不断地转向可用性更低的分散状态，提供了时间的宇宙箭头。

152

公理法是从一组自洽命题（称作公设或公理）出发，来考察它们之间的逻辑关系。

其中，那些自洽命题常常是最简单、最明显的事实。

153

假设我们想说服某人命题S是正确的。

我们应该证明，这个命题可以从此人已接受的另一个命题R出发经逻辑推理得到。

但如果那人并不认为命题R是正确的，那我们就要证明R是从另一个命题Q得到的。

一直这样下去，直到最终达到一个大家接受的不需要进一步逻辑证明、显然成立的命题A。

这个最基本的命题A就叫做公理。

154

有时候这样的命题还存有疑问，那它有个更合适的名字叫公设，基础建立在自己的逻辑结论

之上。

欧几里得在他的教科书《几何原本》中系统地记录了几何学自泰勒斯时代以来的发展。

欧几里得从五个基本公理出发，辅以部分定义，推导出了被称为几何学的465个定理。

155

我们最感兴趣的公理是欧几里得的平行公设，直到19世纪它还在引起种种争议。

此公设声称通过一点，只存在一条与已知直线平行的直线。

而平行是这样定义的：同一平面内的两条不相交的直线相互平行。

156

如果把平面几何问题，试着都放在球面上或者曲率不为零的面上考虑就不一样了。

三种一致空间由以下公设区分(如下图)：

(1)在双曲空间里，过一点有很多条直线平行于已知直线。

(2)在欧氏空间里，过一点只有一条直线平行于已知直线。

(3)在球面空间里，过一点不存在平行于已知直线的直线。

157

狭义相对论由爱因斯坦这位天才于1905年提出的。

它经受了无数次的检验，现在物理学家经常用到它。

我们发现这一理论同它首次出场时一样令人惊奇不已。

相对论要求我们抛弃时间与空间间隔对于每个人都是相同的这一信念。

我们把这两个旧不变量换成了两个新不变量。

158

牛顿学说的空间与时间是所有观察者的公共财富。

它把各个事件隔离开来的空间间隔和时间间隔都是绝对的，对每个人都是相同的。

一个人在果园里看到一只苹果从树上掉下来，一秒钟内下落了5米。

相对于这棵树运动的另一个人也会看到苹果在一秒钟内下落了5米，

不管这个人运动的速度有多快。现在不再是这样的了。

具有空间与时间间隔固定不变的观念的旧牛顿宇宙，不再是我们居于其中的宇宙了。

159

光以速度c传播，c又是高能粒子速度的极限，这个事实本身并不十分令人惊讶。

令人惊讶的是，速度c对所有观察者，甚至对高速反向运动的观察者来说都是恒定的。

比方说，一物体以等于光速一半的速度从我们身边经过，

光线相对于这个物体的传播速度与相对于我们的传播速度是相同的。

即使物体以0.9c,0.99c,或0.999c的速度运动,

光线相对于它的传播速度都是一样的，均为c=300000km/s。

160

构成宇宙的是时空，而不只是时间和空间。

时空由三个基本要素组成：点（事件）、线（世界线）以及类光测地线（光线）。

如图所示

161

瞬间发生的是事件，由时空图中的一点来表示。

像观察者这样持续存在的事物，是从过去延伸至未来的世界线。

观察者接收到的光信号来自过去，发射出去的光信号驶向未来。

如图

162

光信号沿观察者的光锥表面到来、离开，每秒钟的传播距离为一光秒。

时空的每一点有自己的过去光锥和未来光锥，且这些光锥都是相同的。

过去光锥在空间向外延伸，在时间向后延伸；未来光推在空间向外延伸，在时间向前延伸。

无论世界线如何倾斜，每个观察者在世界线每一点上都有光锥，目所有光锥都相同。

163

所有信息都是以小于或等于光速的速度达到观察者的。

例如，声波携带的信息的传播速度就远小于光速。

所以，观察者所观测到的事件一定位于他的过去光锥内部或表面。

受观察者影响的事件也一定位于未来光推内部或表面。

164

时空的几何特性与一张纸并不相同，通常两事件之间的最短距离并不是直线。

我们已经习惯于两点之间的最短距离为直线的观点了。

这在普通空间是正确的，但在时空却并非这样。

为明白这一点，我们考虑光线沿其表面传播的光锥。

1秒钟时间里光在空间中传播的距离为1光秒。

对一束光线来说这意味着：

时间间隔=空间间隔

165

假如1000光年远处的一颗恒星。

恒星发出的光线向我们飞来,

1000年后穿过广阔的空间到达我们的眼睛。

没人可以否认光线已经穿过了广阔的时间和空间间隔。

然而眼睛和恒星之间的时空间隔却是零！

沿过去光锥表面向我们发射信号的所有事件，

和接收我们沿未来光锥表面发出的信号的所有事件，

到我们的时空距离总为零。

这一点可能显得很奇怪，

但它解释了光速为什么是恒定的，

而且成了所有物质运动速度的上限。

166

我们无法分辨引力和惯性力所产生的效果-这就是等效原理。

举个例子：

假如在外太空的一间实验室。

这个没有窗户的实验室受一外力，比如火箭推力的作用。

现在实验室里所有的东西都受到了加速产生的惯性力作用。

实验员可以利用普通钟摆这样的装置来测量加速度。

调整火箭的推力，使加速度等于地面的值g,因此速度每秒钟会增大9.8m/s。

现在作用在实验员及其仪器上的力的大小，和地面静止实验室里实验员及其仪器所受的力相

等。

按照等效原理，实验员无论利用何种仪器都无法确定实验室是在空间中加速运动，还是在地

面处于静止状态。

一种情况下力为惯性力，另一种情况下力为引力，而实验员无法区分这二者。

167

但我们已经看到，实验员无法确认自己的实验室是处于惯性运动状态，还是处于自由落体状

态。

因此，实验员完全可以在自由落体系统里运用狭义相对论来解释他们的实验结果。

惯性系统和自由落体系统里的自然规律相同，且狭义相对论在两种环境下都适用。

168

爱因斯坦形式的等效原理说的是惯性系统和自由落体系统完全等效。

在惯性实验室和自由落体实验室里，任何实验都不能区分惯性运动和自由落体运动。

爱因斯坦等效原理声称自由落体实验室的加速度完全抵消了引力作用，

不止像弱等效原理那样是动力学的抵消，

而且在任何科学分支的任何可能的物质实验中都抵消了引力作用。

因此，不只是牛顿力学，狭义相对论也可以用于自由落体系统和惯性系统,

而这正是现代的或强形式的等效原理的本质。

169

弯曲面类似于引力。

如果说等效原理是通向广义相对论的第一块垫脚石，

那么第二块垫脚石就是对几何和引力具有诸多共性的认识。

为形象说明几何弯曲和引的相似，我们考虑一块巨大的橡胶膜，

且开始时膜是平坦的。膜的曲率处处为零，就像远离恒星的平直时空，

那儿的引力实际上为零，而且有一个以恒定速度惯性运动的实验室。

如果我们在膜上滚动一颗小球，如一颗滚珠，它将以恒定的速度作惯性运动（不考虑摩擦）.

滚珠以恒定速沿直线运动，就像远离恒星的自由运动的实验室一样。

170

现在我们在膜的中心放一只重球，它将压出一个大坑。

远离中心处的膜面几乎还是平的，此处滚珠的运动轨迹几乎是笔直的。

这情形类似于远离恒星的几乎平坦的时空。

靠近中心的地方，曲面曲率很大，滚珠会被加速，运动形式类似于叵星附近的物体。

通过改变滚珠的初始速度，我们可以让它围绕着中心物体沿椭圆、抛物和双曲轨道运动。

滚珠的运动类似于自由落体实验室，而曲面的曲率起着引力的作用。

在曲面曲率为零的地方和远离恒星、引力实际上为零的地方，滚珠和实验室都作惯性运动；

而在曲率不为零的地方和存在引力的地方，滚珠和实验室具有类似的弯曲运动轨道。

惯性运动物体具有恒定速度，在狭义相对论的闵可夫斯基时空中的世界线是直线。

而在同样的时空中作自由落体运动的物体的世界线是弯曲的。

171

所有自由下落的物体的世界线实际上都是直线，跟不受引力作用的惯性运动物体一样。

这就意味着放弃平直时空，而寻找一种引力会改变时空几何结构的理论，

而这种改变使作自由下落的物体具有直的世界线。

这个理论会把我们从平直时空中的弯曲世界线的老式牛顿图景，

带向弯曲空间中的直世界线（称为测地线）的新图景。

172

爱因斯坦的广义相对论方程告诉我们时空曲率受物质的影响。

换种说法就是，时空的应变（形变）与物质带来的应力有关。

把方程以最简单的形式表示出来就是：

时空曲率=常数X物质

173

这个数学方程分解成十个独立的方程，已经找到的精确解并不很多。

我们对爱因斯坦方程的理解就是它意味着弯曲是与引力等价的。

方程右边的“物质"包含具有质量的所有形式的能量（包括压力）。

当曲率很小（因此引力很弱，比如太阳系中）时，

爱因斯坦方程就简化为狭义相对论，而当速度也很小时，

爱因斯坦方程就会进一步简化，变成牛顿的引力和运动定律。

174

引力以光速传播

牛顿宇宙里的引力是以无限大的速度传播的，

一颗恒星或别的物体产生的引力场立刻就充满了整个空间。

但在爱因斯坦的宇宙里，引力——更确切说是时空弯曲一是以光速传播的。

爱因斯坦方程实际上是一个波动方程，描述的是时空弯曲的产生和传播。

175

太阳在银河系里自由运动，地球围绕着太阳自由运动，

然而地面上的我们并不是在地球的引力场中自由下落。

这并不意味着地面上的我们不能使用爱因斯坦方程。

有的数学家和物理学家就一直在使用它。他们所做的很简单。

当要解释从地面观察的情况时，他们就想象自已位于一个自由落体系统中，

并能用爱因斯坦方程计算出像地面这种非自由落体状态所必需的修正。

176

时空具备了自己的物理实体。

尽管它的几何特征受物质的影响，且运动由几何特征控制，

时空的性质和存在却并不取决于物质的存在。

时空可以脱离物质而存在，惯性力可以存在于只含有一个物体的宇宙中。

时空是真实存在的，它具有自己的物理特征。

177

恒星为发光的气体球，向内的引力和向外的压力处于平衡状态。

高温内核释放的核能从低温表面辐射出去，而这种低温辐射给行星上的生命提供了化学成分。

但是对每颗恒星来说，清算总账的那一天总会到来。

内核的氢燃烧殆尽后，恒星就转入死亡进程。

不知疲惫的引力会把内核挤压成高密度、高温度的状态，

结果外层区域膨胀，恒星变成一颗红巨星。

像太阳这样的恒星会演化成一颗白矮星，它大部分的物质会被压进像地球大小的球体中。

很多恒星都以白矮星的形式终结生命，

内部由（普通金属那样的）电子波的压力抵抗引力，支撑星体，慢慢冷却。

178

质量更大的恒星不会这么轻易就结束游戏的。

这些恒星内的引力更强，它们内核会持续挤压成更高密度、更高温度的状态，

因此它们能消耗掉最后的核能储存。

它们会变成明亮的巨星，以很高的速度浪费能量。

很快它们就会版核能储存。

剩下的只有引力能，它们要付出继续坍缩的致命代价。

179

在最终的阵痛中，内核向内涌去，外层向外爆发，

这些恒星会在短暂的迷人时刻里变成耀眼的超新星。

在这场爆发中诞生的是中子星，表现为高速旋转的脉冲星。

如果我们在一颗大质量恒星的爆聚核的最后时刻跟着它观察，

将看到恒星内核的密度会在十万分之几秒内变得无穷大。

它变成一个奇点，某些方面类似我们还知之甚少的极早期宇宙。

根据某些理论，这种奇态的密度为10A94g/cm3,

即水密度的10000000000000000000000000000000000000

000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

倍。

180

在这种极端状态下留存的粒子可能只有时空的基本量子。

时空自身可能只是一种密实的泡沫，时间和空间纠缠于其中，不可分割，

而整齐有序的类时事件序列则消失不见了。

但对外面世界的遥远的观察者来说，坍缩的恒星永远也到达不了奇态。

引力红移会不断增加，恒星的坍缩看起来也越来越慢。

当恒星半径达到史瓦西半径时，红移趋于无穷大。

恒星会迅速变红，变暗成黑色，并永远停留在临界大小，永远冻结在自由坍缩的状态。

（根据经典理论）任何事物，包括光，现在都不能逃至外部世界。

在坍缩恒星内部看来，厄运转瞬即至。然而在远处的观察者看来，

恒星成了一颗黑洞，时间静止在那里，引力坍缩的命运永远消失在视线之外。

181

根据广义相对论，时空因物质而弯曲，而曲率是引力强度的度量。

当质量恒定的物体收缩时，它表面的引力会增强，时空的曲率会增大。

达到被称为史瓦西半径的临界值时，时空已经弯曲到完全包住了物体。

物体变成一颗陷在时空中的黑洞,任何事物，包括光，者杯能离开它逃到外部世界去。

一张展开的橡胶膜会帮助我们理解所发生的情况。

我们设想一质量恒定的球位于膜上，并假设球在慢慢收缩。

182

留心看球在橡胶膜上收缩，

我们就会注意到橡胶膜会在中心区域下陷、弯曲。

最终，当假想的球很小很致密时，橡胶膜就会把球包裹起来，只留有一条窄细的连通管。

这只球并没有被完全孤立是因为连通管把它和橡胶膜的其他部分连起来了；

黑洞也不是完全孤立的，因为它与外部世界也是连接着的。

183

如图，在重球压力的作用下，橡胶膜中心下陷。

这只质量恒定的球在慢慢收缩。

如图所示，当球收缩至很小时，橡胶膜就会包住它，并形成一只连通管。

这类似于广义相对论空间的弯曲变形。

离球一定距离的橡胶膜的下陷量由球的质量决定，

因为球的质量是恒定的，球收缩时橡胶膜的曲率保持不变。

这种效应类似于广义相对论。

质量恒定的球体收缩时，一定距离外的引力场（或者说空间曲率）保持不变。

远处空间的曲率保持不变，因此没有引力扰动从收缩的球向远处传播。

184

黑洞诞生之后，会靠吸积长成像一个"大人国"，

它的生长过程只有当周围的物质来源全部耗尽之后才会停止。

在富集恒星和气云的巨型星系核，这种可能出现的情况还是很骇人的。

黑洞会吞食被潮汐力撕裂的恒星的气体残骸，甚至还会彼此吞食。

它们会生长成质量相当于太阳质量的数千倍、数百万倍甚至数十亿倍的超大黑洞。

在被拖进黑洞的过程中，气体会被挤压和加热，从而会辐射出能量。

辐射能量占被吸积气体质量的比例可能高达40%。

这种质量转换成能量的效率比核反应中1%的效率高多了。

185

质量为太阳质量数亿倍的超大黑洞，

可能在数亿年的时间里于巨型星系核中生成,

在生长的过长中会不断以很高的速度释放能量。

关于类星体最"畅销”的理论就是，类星体是生长中的超大黑洞，

而且强大的射电源也有可能是由超大黑洞释放的能量驱动的。

当黑洞的潮汐力比把天体物质束缚在一起的引力还强时，

就会把行星、恒星之类的天体撕裂开来。

186

有一种观点认为黑洞是子宇宙的诞生地。

黑洞奇点很可能具有与极早期宇宙泡沫相同的本质特性。

这种观点认为每颗黑洞都坍缩成一个奇点,

奇点之后又膨胀成一个新宇宙，或者说子宇宙。

子宇宙里的黑洞又生出新的子宇宙，这些宇宙又生出更多的宇宙，如此等等。

187

黑洞为什么会辐射？

真空并没有我们想象的那么"空"。

真空实际上是充满着各种虚粒子的海洋，

每种虚粒子存在的时间都很短。

根据不确定性原理，能量总可以借来，但必须在限定时间内归还。

借来的能量越多，归还的期限就越短，

比如，产生一正一负两个电子所借的能量必须在10A-21秒内归还，

而产生两个核子,期限为10-24秒。

188

整个空间充满了虚粒子，它们在不断借得能量后闪现，又不断在能量归还后消失。

所有这些虚粒子一起导致了原子结构的许多可观测的效应，

然而它们每一个存在的时间都太短，不足以产生