時間簡史說的什麼之時間與空間
對於大多數的我們，對於宇宙的了解僅限於月球繞著地球轉，地球繞著太陽轉，太陽系有八大行星，太陽系是銀河系的一部分，銀河系是宇宙的一部分。1687年，牛頓出版了他的《自然哲學的數學原理》，提出了萬有引力定律，根據這條定律，牛頓證明了引力使月亮沿著橢圓軌道繞著地球運行，地球沿著橢圓軌道圍繞著太陽公轉。
那麼，在太陽系這個系統內，作為恆星的太陽是保持基本不動的嗎？如果說太陽也圍繞著一個中心運轉，那麼銀河系就會有一個中心，以此類推，宇宙也存在一個所謂的中心嗎？如果有的話，這個中心是什麼？是什麼力量引起萬物圍繞著那一點運轉？
宇宙到底有沒有中心？或者說宇宙到底是什麼樣的？宇宙有沒有開端？在人類滿足自我好奇心的驅使下，無數人試著討論這個問題。1781年，哲學家康德發表《純粹理性批判》，他深入地考察了宇宙在時間上是否有開端、在空間上是否有限的問題。他認為有同樣令人信服的論據來證明宇宙有開端以及宇宙已經存在無限久，他稱自己的互相矛盾為純粹理性的二律背反。他認為，如果宇宙沒有一個開端，則任何事件之前必有無限的時間，這是荒謬的。但如果宇宙有一個開端的話，則在宇宙開端之前有無限的時間。他的論證基於隱含的假設，時間可以無限地倒溯回去。時間可以無限地倒溯回去嗎？
1929年，哈勃發現，不管你往哪個方向觀測，遠處的星系都在急速地飛離我們而去。這意味著，在早先的時刻，星體更加相互靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一個時刻，它們剛好在同一個地方，那時候宇宙的密度無限大，這就叫做宇宙大爆炸的時刻。那麼在大爆炸之前有時間嗎？時間有端點嗎？霍金認為，大爆炸的時刻宇宙的尺度無限小，密度無限大，在這種條件下，所有的科學定律預見將來的能力都崩潰。在大爆炸前即使發生了一些事件，它們也不可能影響現在發生的事件，因為它們沒有任何觀測的後果。（這段話我是沒有看明白的，但認為應該很重要吧。前方金句預警！）他說，在一個不變的宇宙中，時間的端點是必須由宇宙之外的存在物賦予的某種東西；宇宙的開端並沒有物理的必然性。我是看到這句話對時間簡史轉粉的，他給我們一種暗示，我們人類的存在只是一種機緣巧合，甚至宇宙的存在也僅僅是一種偶然。
人類自身處於令人困惑的世界，或者說人類本身具有容易產生困惑的特質，我們要理解周圍所看到的一切的含義。因此，霍金利用時間簡史這個工具，試圖帶著大家在已有科學定律的基礎上，解答可能的宇宙的本質、我們在其中的位置，以及宇宙和我們從何而來、宇宙為什麼是這個樣子等一系列的問題。不得不承認，對於不是那麼好奇的我，第一次看到這些問題也都興奮了一上午，同時也讓自己陷入了一系列苦惱，最近在為追問能量以及質量的本質是什麼耗費了大量心力。
在科學出現以前，人類在描述周圍的大自然時創造出神靈這種東西，它們是具備人類情感的靈魂，控制著事件和自然現象。為了保證土壤肥沃和四季循環，我們必須向它們祈禱並供奉。然而，我們逐漸注意到一些規律，比如不管我們向不向太陽神祈禱，太陽總是東邊升起，西方落下。太陽和月亮總是沿著事先被預言得相當準確的軌道運行，由此我們創造出了曆法以及節氣。隨著文明的發展，尤其是近300年間，越來越多的規律和定律得到發現。19世紀初，拉普拉斯提出科學決定論：有一族定律存在，只要給定宇宙在某一時刻的狀態，這些定律就能精確決定宇宙的演化。即使這個提法經不住推敲，但仍然具有相當的鼓舞性和吸引力。目前，我們用於解釋宇宙是什麼的理論主要包括：牛頓理論、量子力學以及廣義相對論。
在只是一個假設的意義上講，任何物理理論總是臨時性的：你永遠不可能證明它。不管多少回實驗的結果和某個理論相一致，你永遠不可能斷定下一次結果不和它矛盾。只要有一個和理論預言不一致的觀測事實，我們就只能拋棄或修正這個理論。非常精確地觀測水星的運動，發現它和牛頓引力理論預言之間有微小的差異，愛因斯坦的廣義相對論的預言的和觀測到的相符合。但牛頓理論和廣義相對論的預言之間差異非常小，且牛頓理論計算比愛因斯坦理論簡單得多，為了實用的目的，我們仍然使用牛頓理論。牛頓理論按照超距作用的力來描述引力，它在太陽系中很成功，但在強引力場下失敗。量子力學描述原子水平以及更低水平（萬億分之1英寸）的現象。廣義相對論描述引力和宇宙的大尺度結構，從幾英里到1億億億英里。廣義相對論將引力描述成因為時空中的質量和能量而引起的時空彎曲。物體試圖以直線方式運動，但是它們的路徑因為時空的彎曲而被彎折。然而，這兩個理論不是相互協調的，它們不可能都對。物理學家在試圖尋找一個能描述宇宙中萬物的完整統一理論，幫助理解世界的根本秩序。
關於時間與空間
物體是運動的，力對物體的效應是使物體改變運動的速度。只要沒有受到外力，物體就會以同樣的速度做直線運動（牛頓第一定律）。但亞里士多德相信一個優越的靜止狀態，沒有受到外力和衝擊的物體都取這個狀態。從牛頓的定律可以推斷，並不存在唯一的靜止標準，只能說A相對於B運動，或者A相對於B靜止，描述一個物體的運動狀態一定是以一個特定的參照物為前提的。缺乏絕對靜止的標準，就意味著人們不能確定，在不同時間發生的兩個事件是否發生在空間的相同位置上，也就不能給事件指定一個絕對的空間位置。
亞里士多德和牛頓都相信絕對時間，他們都認同人們可以毫不含糊地測量兩個事件之間的時間間隔。時間相對於空間是完全分離並且獨立的。這種觀點可以對付運動甚慢比如蘋果、行星的問題，但在處理以光速運動或接近光速運動的物體時就根本無效了。
光竟然是有速度的？是誰第一個發現了光是以一定速度移動的？光速竟然還是恆定的？如果沒有絕對靜止，光速是相對什麼保持不變？
開普勒和笛卡爾都認為光的傳播不需要時間，是在瞬時進行的。1676年丹麥的天文學家歐爾.羅默通過觀察發現木星的衛星不是以等時間間隔從木星後面出來，第一次提出光以有限但非常高的速度旅行的觀點。我們離木星越遠，木星的月食出現得越晚，他論證道，因為當我們離開更遠時，光從木星衛星那裡要花更長時間才能到達我們這裡。直到1865年麥克斯韋統一電力和磁力的部分理論，得出光是以電磁波的形式進行傳播的結論。光是電磁波的一種，波長為1米或者更長的波我們稱為射電波，幾厘米波長的波我們稱為微波，可見光的波長在400到780納米，可見光和微波之間的電磁波我們稱為紅外線。
麥克斯韋理論預言，射電波或者光波是以某一固定的速度行進。但是牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，所以如果光以固定的速度旅行，人們就必須數清楚這固定的速度是相對什麼參照系來測量的。1887年邁克爾遜和莫雷實驗結果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的。光波是電磁波譜中的一小部分，當代人們對電磁波譜中的每一種電磁波都進行了精密的測量。1950年，艾森提出了用空腔共振法來測量光速。這種方法的原理是，微波通過空腔時當它的頻率為某一值時發生共振。根據空腔的長度可以求出共振腔的波長，在把共振腔的波長換算成光在真空中的波長，由波長和頻率可計算出光速。
當代計算出的最精確的光速都是通過波長和頻率求得的。1958年，弗魯姆求出光速的精確值：299792.5±0.1千米/秒。1972年，埃文森測得了目前真空中光速的最佳數值：299792457.4±0.1米/秒。
愛因斯坦狹義相對論的核心是光速恆定，它認為不論光源以多快的速度移動，也不論觀察者以多快的速度向什麼方向移動，光速永遠不變。所有的運動，甚至時間本身都必須與之相對應，由此愛因斯坦首次提出時間是相對的。他告訴我們雖然任何物體的運動速度不可能超過光速，但當它接近光速時，時間就會變慢，距離就會變短。越接近光速，時間越慢，距離越短。根據愛因斯坦的理論，越接近光速，飛船上的鐘錶走動的速度就會越慢，因此時間過得也就越慢。如果飛船以光速飛向半人馬座，到達時，在地球上已經過去了好幾年的時間。但是對飛船來說，時間僅僅過去了幾個星期。機組成員的年齡只增加了幾個星期而已。飛行時間記錄器上顯示的數字也會表明，這只不過是個短期旅行。這就是所謂的「時間膨脹」現象。時間是一種帶著我們從過去走向未來的無情力量。大家彷彿都知道時間是什麼，但卻無法確定的定義時間。時間是神秘的，從古希臘甚至更早的時候，人們就對時間進行了很多種思考，但是真正從科學上把時間和空間聯繫在一起，並提出一種時空理論，還是從1905年愛因斯坦的狹義相對論開始。他首次提出一個概念，時間和空間這兩者不是彼此無關的。比如說隨著人們運動狀態的改變，時間和空間在不同的參照系裡可能會有意想不到的變化。現在時間和空間被認為是每個單獨粒子或者人或者行星的動力量，根據它的位置和運動狀態而具有自己唯一的時間測度。相對論的提出推動了20世紀物理學的革命，為人們研究星系宇宙奠定了理論基礎。
時間和空間相關的另外一個實際應用是，表示空間距離的單位量度米是被定義為光在以銫原子鐘測量的0.000000003335640952秒內行進的距離，它對應於歷史上米的定義，按照保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個刻度之間的距離。從而，自然而然地，每個觀測者都測量出光具有同樣的速度，0.000000003335640952秒之1米。
光是以一定速度行進，並且任何有質量的物體移動都不會超過這個速度，那麼物體的軌跡都會在以初始位置為球心的光球(半徑以光速不斷膨脹的球形區域)內。球心位置發生的事件對光球以外的事件不會有任何影響，也不會被觀察到。例如，假定太陽此刻停止發光，我們只能在8分鐘之後才能知道這一事件，這是光從太陽達到地球所需要的時間，只有那時候，地球上的事件才在太陽熄滅這一事件的將來光球之內。類似地，我們看到從很遠星系來的光是在幾百萬年前發出的，至於我們看到的最遠物體，光是在大約80億年前發出的。當我們看宇宙時，我們是在看它的過去。
TAG:希圖億 |