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[以书会友] 我们头顶的星空—-《时间简史》读书笔记

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发表于 4-7-2020 13:06:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 欧阳京 于 4-7-2020 12:42 编辑

让我们宇宙运转以及成其为我们所看到的宇宙的,是四种基本的力。

1. 万有引力

这是牛顿天才的发现,是现代物理学的里程碑。不理解万有引力,那么注视星空的时候,你看到的只是虚无缥缈的点点光芒。

2. 电磁力

这是让电子围绕原子核运动的引力。这种力比万有引力强10的42次方倍。但是由于星体的净电荷都为0,正负电荷排斥和吸引的作用互相抵消,净电磁力基本为0。而万有引力的叠加性使得质量越大的星体相互作用越明显,所以在宏观角度看来,万有引力是唯一起作用的力。然而在微观世界里,在宇宙大爆炸起初的瞬间,电磁力起到了导致物体形成的至关重要的作用。

3. 弱核力

同样,这也是微观短距的基本粒子级别的作用力,是世界上最普通的现象之一—-原子辐射—-核子衰变的本质原因。

4. 强核力

虽然也是微观短距力,但它是坚实地将三个夸克绑在一起形成质子或中子,并把质子和中子绑在一起形成原子核的强大的力量。没有它,原子将不存在,分子也就不存在,有机体也就不存在,人类也就不存在。

那么这四种力的本质是什么呢?

从人的通常感觉,无接触就没有作用力。

星光打在太阳帆上,驱动宇宙飞船前进;阳光照耀在脸上,我们感觉到温暖。这是光子的接触。

而电磁力呢?起初,我们看到通电的电动机转子在磁铁包围中高速旋转,却不知道什么原因。现在,我们将其描述成没有质量的虚光子在其中传递能量。

在现代粒子物理强大的粒子对撞实验机的分析下,弱核力,被发现是另一种粒子的能力传递过程,我们称其为重矢量玻色子。

而更强大的对撞机,则把质子分裂成三个自由的夸克和胶子,因此我们知道了胶子是强核力的传递媒介。

可是而传递万有引力的基本粒子到底是什么呢?我们还不知道,因为无论是量子力学还是相对论,都无法解释在广袤深远的宇宙中瞬间传递的万有引力,它是如此特殊,如此令人难以捉摸,它让我们头顶的星空充满奇迹,我们姑且成其为引力子。

我们握手、触摸、扶持的感觉,来自于电磁力和强核力导致的摩擦力;我们站立、坐卧、行走,来自于无处不在的万有引力。我们生而自由,却无往而不在枷锁之中,也是因为万有引力,万有引力让没有翅膀的我们御风而行,我们的心灵却比鸟儿飞得更高更远。

我们头顶的星空,在万有引力的作用下,正发生剧烈的变化,而星体内部的燃烧,却是前三种力量激烈的较量。

现代物理学试图把这四种力量统一起来,人们已经在理论上顺利地做到了统一前三者,并且在实验上验证了电磁力和弱核力的统一,即电磁力载体光子和弱核力载体重矢量玻色子,在非常高的能量状态下,其实是同一种粒子。在更高能量状态下,光子、重矢量玻色子、胶子,理论上是同一种粒子,只是此能量状态人力无法永远无法企及而已。

唯独引力子,拒绝被统一,似乎在表明宇宙将人的理性拒之千里的态度。

理性相信,宇宙作为一个整体,万有引力的净作用是收缩,如果没有宇宙之外的力作用,宇宙最终将缩小并坍缩成一个奇点。但被广义相对论预言,并且被实验证实了的宇宙膨胀学说,却告诉我们,宇宙不但在膨胀,而且在加速膨胀。也就是说,所有的星星,都在离我们加速远去。这也意味着,很多年前那些星星其实就在我们身边。考虑到那些星光要经过几万年甚至几百万年才能抵达地球,所以,注视星空其实就是注视过去。

过去,那些星星曾和我们挤在一起。膨胀,就意味着有一个共同起点。这个起点,就是大爆炸之初,密度无穷大、体积无穷小、温度无穷高的起始奇点。

广义相对论解释这种膨胀的最佳理论。但是由于在这个它自己预言的起始点里,广义相对论本身就失效了,所以量子力学的试图来拾遗补缺。显然,既然是无穷小的区域,量子力学的最出名的定理—-测不准原理应该是适用的。也就是说,当无穷多的基本粒子(显然,在无穷高温高压状态下,所有的物质形态都将分崩离析成为基本粒子。)都将遵守量子测不准原理—-即如果在某个时间点,他们有确定的位置,那么他们就不会有确定的速度。如此,以来,广义相对论预言的宇宙大坍缩到0的可能性,就被避免了。

但是坍缩的确存在,这是被白矮星、中子星和黑洞等天体的大量存在所证实了的。

例如,苏轼著名的词句“会挽雕弓如满月,西北望,射天狼”中主战主凶的天狗座主星天狼星sirius(哈利波特里边的Sirius Black,会变成狗,就是这个来历),是我们天空中最亮的恒星,它其实一个双星系统,一颗发光的恒星,与一个由更大的恒星坍缩而来的白矮星互相围绕公转。

一些大恒星,为了避免自己坍缩太多,用超星星大爆炸的方式,来甩脱一部分体积,以落入一个自引力临界值范围内,在这个范围内,电子不相容性导致的排斥力与自引力对抗达到平衡,形成白矮星。而另一些恒星,自引力如此之大,连电子不相容性导致的排斥力,都无法停止这种收缩。这时候,质子和中子的不相容性形成的排斥力(另一个临界值),阻止了它进一步坍缩。这些就形成密度更大、体积更小、温度更高的中子星。

(顺便说一下,这种甩脱,超新星爆炸,是天空中的奇观。1054年,在中国宋代记录了一次超新星爆炸。这种超新星爆炸,可以持续几个月,可以把黑夜变成白昼,可以瞬间使人类灭绝。幸运的是,尽管宇宙中的超新星爆炸如此频繁,但是太阳系作为超新星爆炸的遗骸,离他们是如此遥远,所以我们人类才幸运地安然无恙。)

剩下的质量超越这两个临界值的恒星,便注定无法逃脱坍缩成黑洞的命运。

黑洞被证明了是广泛存在的,银河系的核心,就是一个黑洞。这些质量难以想象地大、体积难以想象地小的天体,如此暴力,连经过其巨大应力区域的光线,都无法逃逸出它的魔掌,因此,对于观察者而言,这个区域就是一个即不像太阳那样发出光线,也不象月亮那样反射光线让我们看到其存在的“黑”色区域。

如此广泛存在的黑洞,连速度最快的光都无法逃离它,那么永远无法超越光速的其他物质就更不用说了。它这样吸收一切,那么这些黑洞是不是会越来越大,最终侵蚀整个宇宙,让宇宙最终回到大爆炸之初呢?在那个状态下,无穷大的引力,使得时空弯曲,最终形成一个小点,导致时间结束于其开始之时。也就是说,时间概念都没有了。

这是一个多么令人恐怖的景象。

幸运的是,量子理论预言反粒子会让黑洞慢慢消失。在黑洞附近,高能量让正反粒子成对产生。被原子弹的发明证明了的相对论说到,质量就是能量,而能量不会凭空产生。如果带负能量的反粒子落入黑洞,逃逸的带正能量的正粒子则被辐射出来。这个由相对论和量子理论决定了的现象,一方面告诉我们黑洞并非不可观测,另一方面,告诉我们黑洞会因为吸收了负能量的粒子而慢慢消失。而且黑洞越大,消失越快,于是我们可以看到黑洞在不断产生,也在不断减小和消亡。从而避免整个宇宙坍缩成一点的可能。

于是很多问题就来了:

宇宙是不是永久膨胀下去呢?是什么让他最初大爆炸的呢?

或者根本就没有什么”大爆炸“,我们这个宇宙只是很多宇宙的一个特例呢?

或者说,如果将量子理论和相对论结合到一起,宇宙作为一个整体其实是一个无边界、无起始点、无结束的一个自在、自足的四维空间存在,万有引力和电磁力、强弱核力一起,让宇宙成为一个混乱然而有序的自在之物。但既然是一个存在,就有其存在的本质,那么,什么理论才是这个自在之物的本质呢?

我们如何找到这个统一的理论,诸如一套公式,一组方程,就象超弦理论试图统一粒子理论和波理论一样?

或者,无限自在的宇宙导致时间的无限性,这些理论根本无法最终找到,只会象伽利略修正亚里斯多德、爱因斯坦修正牛顿一样,不断被修正、永无止境呢?

或者说,其实是有一个造物主的存在,在第一推动创造宇宙之初,就定下了一切的结局呢?

如果如此,这个结局又是什么?

这些问题,都是《时间简史》甚至现代科学无法回答的,也是人类理性无法回答的。

例如。2012年人类又发现了赋予基本粒子以质量的希格斯玻色子,解决了质量或者说能量如何来的这个问题。于是,另一个问题产生了,希格斯玻色子,这个被称为粒子物理终结者、又被称为上帝粒子的基本粒子,又是哪里来的呢?

人类历史上历来都是哲学开辟新的疆域,然后留给科学去研究。

但是这一次,科学远远地把哲学摔在身后了。

也许只有关于什么是存在、什么是时间的哲学拷问,才能真正替我们回答这些问题。

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春浅 + 100 谢谢分享!
annahw + 50 谢谢分享!

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发表于 4-7-2020 22:40:28 | 显示全部楼层
我不认为科学已经把哲学抛在后面。科学的方法注定结论的局限性。把粒子一层层打开又有什么特别的意义,终究还是有限。而无限不是受制于有限的观察可以揭示的。

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annahw + 50 深有同感!

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发表于 7-7-2020 14:11:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 春浅 于 7-7-2020 15:52 编辑

万维钢有篇读后感,关于《时间简史》的三种读法,挺有意思的

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annahw + 50 很给力!

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 楼主| 发表于 7-7-2020 14:49:56 | 显示全部楼层
春浅 发表于 7-7-2020 13:11
万维钢有篇关于读后感,关于《时间简史》的三种读法,挺有意思的


谢谢分享。看了一遍,不知道自己是哪种读法。呵呵。
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