大家都知道一本有名的科普读物,甚至可以说是最畅销的科普读物,那就是《时间简史》。这本书里到底在说什么?很多朋友看过或没看过的,都是一头雾水。今天我们就用人话给大家聊聊《时间简史》到底在说什么。
第一章,这一章说了人文的宇宙到底是什么样的。通过牛顿的定律,不能解释宇宙中的各种恒星、行星间的状态。哪种状态呢?就是不会像牛顿万有引力预言的那样,全都坍落,聚集到某一个地方去。牛顿是这样解释的,他说如果宇宙中只有少量的恒星,显然它们会相互吸引,落到一个点上。但是宇宙中有无限多的恒星,分布在无限的空间里,所以与此根本不存在一个恒星落去的中心点。
但是这个解释难以令人信服。按照牛顿定律,如果只有少量恒星,那么它们就要坍落聚集。即便在这些恒星周围添加更多均匀分布的恒星,按照牛顿定理,添加的恒星对于原来的那些少量核心是不会产生影响的。原来的还是原来的,也就是牛顿的定律解释不了宇宙的平衡现象。牛顿不能回答,甚至牛顿之后200年都没有人能够回答。
直到1929年,哈勃发现了宇宙膨胀,宇宙正在膨胀,宇宙并非处于一个静止稳定的状态上。这一发现解释了牛顿没法回答的问题。宇宙中的星球,正如气球上的几个黑点,随着气球的不断变大而远离,膨胀的力量使得它们不至于坍落。
但牛顿的运动定律与某些观察结果不一致时,爱因斯坦找到了新的理论——相对论。相对论是爱因斯坦名扬天下的理论,还被认为是牛顿之后最值得与牛顿相提并论的科学成就。大家都应该知道比较著名的比萨斜塔实验,但这个实验并不是在斜塔上面做的,伽利略并没有这样做。他做的是物体滚动实验,得出了结论:让不同重量的球从光滑的斜面滚下,通过观察,伽利略的结论是球体滚落的时间与它的重量无关。
牛顿在伽利略的这个实验基础上,提出了他的第三个定律:两个物体之间的作用力和反作用力总是在同一条直线上,大小相等,方向相反。然而,有一个观测试时又推翻了牛顿的定律,这个事实是运动是相对的。所以宇宙中绝不存在一个绝对静止的状态。一个物体处在什么样的位置,处在哪个空间都是相对的,没有绝对的位置,也没有绝对的空间。
正如一个人在运动的火车上起跳,他跳一次落回原地,过一会儿再跳一次又落回原地。在他自己看来,两次跳跃并没有空间上的区别,但对于火车外地面上的观测者来说,这两次跳跃完全发生在不同的位置、不同的空间。然而,这个观点可以被推广到整个宇宙。牛顿感到非常难以接受,他认为如果宇宙中没有一个绝对静止的状态,那么这个宇宙也太没秩序,太没意义了。
看来没有绝对的空间,那也不存在绝对的时间。这样说,两个人的时间还有可能会不一样了,这怎么可能?这不仅仅可能,而且还是必须的。爱因斯坦的狭义相对论横空出世,里面包含两条原理:相对性原理和光速不变性原理。相对性原理认为,不管观测者处于什么样的运动状态,物理定律不变;光速不变性原理认为,任何光线都以确定的速度运动着,不管这条光线来自静止的还是运动的物体。
狭义相对论认定光速是恒定的。两个不同运动速度的物体各发出一束光,在相同的时间里,两处光走过的距离不一样,但光速是一样的。而在第三者测量的相同时间里,这两个物体所经历的真实时间也是不一样的。这种现象叫做时钟延迟。如果一个物体的运动速度足够快,快到可以与光对比,那么时间变慢的效应将会非常明显,以至于出现儿子比老爸还老的现象。
狭义相对论还表明,一个物体的质量也跟速度有关,速度变大,质量也随着变大。这也就是狭义相对论的另一个简单明了的结论:任何物体的速度都可能超过光速。但爱因斯坦却发现了问题,太阳光传到地球需要8分钟,也就是说,我们现在感受到的太阳光是8分钟之前的。如果太阳突然消失,8分钟后,光线可以停止。但是太阳如果突然消失,太阳对地球的引力会突然消失,这不会等于8分钟,那不就等于说引力比光跑得快吗?
爱因斯坦折磨了11年,终于研究出了广义相对论。什么是广义相对论?广义相对论说,引力不是力,而是一种弯曲。也就是说,质量的影响可以带来空间时间的变化。太阳的质量能够引发其周围空间时间的弯曲,这种弯曲在广义相对论之前被称为引力。广义相对论认为,遇到质量大的物体时,光线是会弯曲的,后来被科学家们观测证明了。
广义相对论还认为,地球上的一个水塔,其顶部的时间和底部的时间走得不一样,底部的时间会慢一些。这一点也被科学实验证明了。从广义相对论出发,还可以推断出宇宙必须有一个开端,并且可能有个终结时间。
第三章,暗膨胀的宇宙。虽然爱因斯坦的广义相对论被普遍接受,但是他还是解释不了宇宙的平衡。爱因斯坦只好引用一个莫名其妙的宇宙常数,这个常数不需要任何物质做基础,却可以凭空产生出一种反引力,这个反引力维持了宇宙的静态平衡。但是爱因斯坦在说了这么一大堆之后,又非常强势地否定了自己。然而那个时候的人们都不知道宇宙在膨胀。
直到1929年,哈勃发现宇宙在膨胀。大家都很奇怪,他又为什么会知道这些星体在远离呢?他先判断出恒星的类型,在考察这些恒星的光亮度。相同类型的恒星光亮度基本相同,不同类型的恒星应该发出不同的光亮。依据这些光到达地球后所呈现的亮度,可以用来判定恒星的距离。重点是如何给恒星分类,方法也很简单,区分颜色。
我们知道,太阳光通过棱镜之后,就会分离出不同的颜色。可见光,不同类型的恒星所发出的光,能够分离出的颜色也不同。这些被分离的光谱,红色和蓝色的距离最远,因为红光波最长,蓝光波最短。起初,哈勃以为宇宙中的星系是杂乱运动的,所以向红色一端移动的光谱和向蓝色一端移动的光谱应该一样多。
哈勃惊讶地发现,几乎所有的恒星都表现出了红移,也就是说,它们发出的光波长都在变长。更形象地说,它们都在远离我们。这个现象只能有一个解释:宇宙正在膨胀。
1965年,两位美国科学家在测试一个微波探测器时,发现了一个奇怪的微波。这是一种来自太阳系以外,甚至来自银河系之外的微波。可是这两位科学家不明白,这是一种什么样的微波,代表什么样的意义。如果宇宙在不断膨胀,那么早期的宇宙一定密集炙热,发射出炙热的光芒。这种光芒应该继续存在,只是经过如此遥远的距离之后,已经变成了一种微波形式。他们发现的正是宇宙早期留下来的微波。
那么问题又来了,宇宙膨胀的结果是什么?宇宙到极限之后,某一天开始收缩,还是会一直膨胀下去?宇宙要收缩的话,得有足够的密度,星球们离得足够近,才能产生足够大的收缩引力。但目前看来,宇宙有点太松太散了,星球们松散分布的事实决定了它产生不出足够大的引力。
宇宙中有我们看得到的星球,还有我们看不到的暗物质,它也有能量,也能够产生引力。可是也有科学家认为,即使加上这些暗物质,引力还是不够,所以更多人倾向于相信宇宙会一直不停地膨胀下去。这只是倾向,在他形成结论的时间,还有很多新的观测结果会不断冒出来,也有一些新的问题需要解决。
比如最新观测发现,宇宙膨胀的速度不是在减慢,而是在加速。这就怪了,一颗炮弹爆炸之后,威力只会越来越弱,因为弹片的速度在减小。宇宙中的星球虽然比较散,但它们还是产生了引力的,这种引力只会减缓宇宙的膨胀,绝对不会给宇宙膨胀加速。难道宇宙中真的有一种爱因斯坦所说的宇宙常数吗?在制造反引力?如果真是这样,爱因斯坦可亏大了,他不是非常坚定地否定了自己的理论吗?
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