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导读 霍金和他的《时间简史》 1

轮椅上的“宇宙之王”：把世界装进脑袋的伟大科学家 1

无与伦比的贡献：奇点定理＋黑洞不黑 3

绝对正牌的“科普作家”：从《时间简史》到《大设计》 7

宇宙的“前世今生”：霍金脑中的宇宙诞生及未来 9

第一章 我们的宇宙图像 14

人类认识宇宙，从“看星星”开始 14

宇宙认识的开端：与生产生活密切相关的天象观测 14

古代人类的宇宙学说：从星占学家到球形大地 16

宇宙地心说：静止不动的地球，是宇宙的中心 17

日心说出炉：哥白尼“抗议”——太阳才是宇宙的中心 19

开普勒三大定律：我证明，地球是围绕太阳运行的 22

宇宙无限性理论：布鲁诺相信，宇宙没有中心 24

宇宙在运动：牛顿引力理论表明，宇宙不可能静止 26

宇宙从何开始：在某一个有限时刻，宇宙开端了 27

星系是遍布宇宙的庞大星星“岛” 30

人类眼中的天河：神秘天河中藏着无数恒星 30

星系“类型秀”：旋涡星系、椭圆星系和不规则星系 32

星系也有“高低档”：星系群——星系团——超星系团 35

“云雾缭绕”的旋涡星系：美丽的仙女座和猎犬座星云 38

空中的巨大铁饼：扁平圆盘状的银河系 40

燃烧的恒星：广袤银河中，人类居住在太阳系 43

大质量恒星最终的“爆死”：超新星爆炸事件 45

河外星系的发现：地球离仙女座星系到底有多远 47

以光年为标尺，量一量宇宙中的“超远”距离 49

丈量宇宙的标尺：光年 49

如何测量天体距离：宇宙“量天尺”——造父变星 50

星系大小和间距：百万光年？瞠目结舌的星系间距 52

太阳系究竟有多大：从太阳到比邻星 54

我们知道宇宙在膨胀，却弄不懂金字塔 56

哈勃的观测：星星正在飞离我们——宇宙在膨胀 56

望远镜中的宇宙：我们看到的，是过去的宇宙 58

金字塔之谜：外星文明的产物或上个世代的地球遗产 59

宇宙未解之谜：虚空中的巨大空洞和宇宙长城 61

迈向明天的宇宙学：乘着技术革新之风，向宇宙尽头进发 62

第二章 空间和时间 66

就算物质都毁灭，时间和空间依然相互独立存在 66

物体运动的速度由谁决定：羽毛和铁块为何同时落地 66

牛顿的引力定律：是什么规定了行星的运动轨道 68

“绝对”光速：无论怎么测量，光速数值始终不变 69

绝对时间和绝对空间：即使物质都毁灭，它们依然存在 71

牛顿的困惑：没有绝对静止，意味着没有绝对的时间和空间 73

一切都是相对的，时间和空间是相结合的 75

找不到的绝对空间：光的媒介——像风一样的以太 75

光速不变原理：抛弃以太——光速是恒定的常数 76

被终结的绝对时间：每个观察者，都有自己的时间测度 78

相对性原理：无论何时何地，物理法则永远不变 81

同时的本质：没有绝对的同时，同时也是相对的 84

时间和空间的集合：从四维空间里，找出你的时空坐标系 85

引力折弯光线，形成弯曲的时空 87

狭义相对论：太阳熄灭了！那是8分钟之前的事情 87

弯曲的时空：广义相对论预言——光会被引力场折弯 89

变慢的时间：同时出生的男孩因何年龄不同——双生子吊诡 93

神奇的狭义相对论：双生子吊诡的诡异真相 94

第三章 膨胀的宇宙 98

星系不断远离，宇宙时刻膨胀 98

斯莱弗的观测：星系正以百万千米的时速“逃离”银河系 98

光谱分析：用光的波长和颜色来观测远去的恒星 100

多普勒效应：远去的声音会变低，远去的光呢 102

光波的多普勒效应：红移表明，星系确实在远离我们 103

著名的哈勃定律：越远的星系“逃离”的速度越快 105

膨胀的宇宙：20世纪最伟大的智力革命之 107

如何观测更远的星系：天文望远镜的“成长史” 108

由密集状态开始的巨大爆炸 111

大爆炸理论的证据：天外传来的诡异噪声 111

热辐射：真空中唯一的传热方式 113

微波背景辐射：星系远离，说明我们在宇宙的中心吗 115

弗里德曼的宇宙膨胀模型：空间是有限的，但没有边界 118

空间到底是怎样膨胀的：加速、加速、再加速 120

宇宙是否会永远膨胀：宇宙平均密度PK膨胀率的临界值 121

大爆炸或者时间，有一个开端 124

暗物质和暗能量：“空荡荡”宇宙中的神秘物质 124

宇宙的两种极端命运：热寂说和大坍塌 126

大爆炸奇点：创生时刻——宇宙可能起源于一点 128

反对大爆炸的理论：稳恒态宇宙模型——时间怎么能有开端 132

奇点定理：在时间上，宇宙必须有一个开端 133

第四章 不确定性原理 136

一切都不确定，包括宇宙模型 136

牛顿引力论：上帝提供了推动宇宙运转的“第一推动”能量 136

荒谬的科学决定论：由某一刻的宇宙状态推断整个宇宙 137

瑞利－金斯公式：恒星究竟是以何种速率辐射出能量的 138

普朗克的量子假设：能量量子化——自然的非连续本性 140

普朗克常量：可以用光来确定粒子的位置和速度吗 141

不确定性原理：上帝是掷骰子的——没有完全确定的宇宙模型 144

同一时刻，一个电子竟会通过两条缝隙 146

波粒二重性：光同时由波和粒子组成 146

粒子的干涉现象：每个电子在同一时刻总是通过两条缝隙 148

从粒子干涉看原子结构：经典理论预言，原子会坍缩 149

量子化原子结构：玻尔发现原子并不会坍缩 150

理查德·费曼的贡献：时空中的粒子，并非只有一个历史 152

量子力学认为，上帝是掷骰子的 154

量子力学：上帝需要掷几次骰子，才出现地球生命 154

量子力学的作用：我们可以预言围绕我们的一切东西 155

量子力学效应：对黑洞和大爆炸来说，量子力学不可或缺 157

第五章 基本粒子和自然的力 160

一层一层“隐藏”在物质中的粒子 160

物质的构成：原子——一切化学反应中不可再分的基本微粒 160

原子的内部结构：藏在原子“身体”里的原子核和电子 161

质子和中子：组成原子核的“基本”粒子 163

没有颜色的夸克：构成质子和中子的更小微粒 164

粒子不但能自己旋转，还有“反面” 168

粒子加速器：探索原子核、粒子性质的“重要武器” 168

粒子的自旋性：围绕一个不存在的轴自我旋转的小陀螺 171

自旋的重大贡献：为何世界没有坍缩成一锅均匀的“汤” 173

反粒子：能跟粒子一同湮灭的“反面”粒子 174

虚粒子：你检测不到“我”？但“我”确实存在 176

微小粒子间的四种“强大”力 178

引力：“我”很弱，但到处都有“我” 178

电磁力：比引力大100亿亿亿亿亿倍 180

弱核力：“我”很少见，但确实存在 181

强核力：小心，“我”有“禁闭症” 183

把四种力统一起来？有点难 185

三种力的大统一：电磁力＋弱核力＋强核力 185

大统一理论的检验：想观测质子衰变？100万亿亿亿年后再来吧 188

人类因何存在：没有能跟我们一同湮灭的反物质 189

大统一理论的证据：不服从T对称的早期宇宙 191

第六章 黑洞到底黑不黑 194

恒星的生命终结＝黑洞的诞生 194

宇宙中的空洞：黑洞——捕获光线的终极恒星 194

恒星的生命有多长：燃烧——燃烧——燃料耗尽变冷收缩 195

白矮星的诞生：昌德拉塞卡极限——阻止恒星持续收缩的存在 197

恒星的最终命运：恒星最终会坍缩成一个点吗 199

奥本海默的贡献：被引力“拉弯”的光线，无法从恒星表面逃逸 200

黑洞的形成：在坍缩恒星上的航天员，会被拉成意大利面 202

如何检测黑洞，在煤库里找黑猫 204

黑洞的边界：事件视界——没有任何东西能从这里逃离黑洞 204

黑洞的形状：从球形开始坍缩还是坍缩成球形 205

最终的稳态：黑洞没有毛——旋转但不能搏动的态 207

如何检测黑洞：利用引力，在煤库里找黑描 208

不会“变小”的黑洞：不随时间变化，面积不会减小 211

从黑洞旁的“虚空”中，发射出了粒子 213

热力学第二定律：系统的熵是这样合并的1＋1＞2 213

“搞例外”的黑洞：跟黑洞合并后，熵到底是增加还是减少 214

黑洞到底是否具有熵：从黑洞旁边的“空虚”中发射出的粒子 215

“太初”黑洞：宇宙诞生之初的黑洞“鼻祖” 217

黑洞不都是那么黑：白热的太初黑洞 219

如何观测太初黑洞：γ射线——太初黑洞的辐射 220

黑洞辐射意味着：被撕裂的航天员可以“循环再生”了 221

第七章 宇宙的起源和命运 224

膨胀宇宙中，星系如何形成 224

热大爆炸模型：大爆炸后1秒钟，宇宙什么样 224

特殊的中微子：膨胀宇宙中，谁能逃脱互相湮灭的命运 225

宇宙的热早期阶段图像：炙热状态后，氦核形成了 227

膨胀之后的坍缩：在坍缩中旋转诞生的星系和恒星 228

生命＝原子的偶然结合＋自我复制 231

生命的形成：原子的偶然结合＋锲而不舍的自我复制 231

混沌边界条件：在无限多个宇宙中，人类是偶然的存在吗 232

人存原理：宇宙之所以如此，是因为唯有如此我们才能存在 235

宇宙处于一个巨大的泡泡中吗 238

暴胀宇宙：解决诸多难题的理论——无法想象的急剧膨胀 238

暴胀的原因和运用：宇宙竟然是最彻底的免费午餐 239

新暴胀模型：我们的宇宙，处于一个巨大的泡泡之中吗 241

探寻暴胀的证据：进行漫长宇宙之旅的重力子 242

宇宙没有边界，不被创生不被消灭 244

宇宙终极理论特征一：虚时间和欧几里得时空 244

宇宙终极理论特征二：弯曲时空的行为——宇宙的量子态 245

量子理论的创新：宇宙没有边界，它不被创生也不被消灭 246

以“无边界”假定来看宇宙：实时间和虚时间中不同的宇宙历史 247

被证实的无边界条件预言：宇宙背景探险者卫星COBE的重要发现 249

第八章 时间箭头 252

为什么我们只能记住过去 252

时间迷雾：为什么我们记住的是过去而不是将来 252

时间箭头：无序度总是随着时间 而增加 253

时间的真相：我们如何区分过去和未来 255

时间的方向＝事情越来越糟糕 256

熵增大法则：越变越糟的事情——越来越无序的状态 256

热力学时间箭头：我们对时间的感知，由热力学时间箭头决定 257

宇宙学的时间箭头：从宇宙演化看热力学时间箭头的存在 259

时间是否会反演：倒退着生活，在出生之前就已死去了吗 260

早期宇宙的状态“孕育”了时间箭头 262

膨胀的证据：只有在膨胀的宇宙中，智慧生命才能生存 262

时间箭头存在的根源：早期宇宙，处于极低的熵状态 263

薛定谔的猫：生命的本质——生物赖负熵为生 265

从熵的角度来看进化：自然界定律之最——熵定律 266

宇宙起源假说之一：可以区分过去和未来的奇异点理论 267

第九章 虫洞和时间旅行 270

理论上，我们可以做时间旅行 270

时间旅行是否真的可行：我们真的能前往过去和未来吗 270

旋转宇宙＋宇宙弦：卷曲的宇宙，让我们总能旅行到过去吗 271

旋转黑洞：在旋转中变化而又充满力量的黑洞内外时空 273

连接平行宇宙的通道：旋转黑洞即是时光隧道吗 274

虫洞是宇宙中“瞬间转移”的时空隧道 276

逆时旅行的瓶颈：打不破的光速壁垒——我们无法超越光速 276

连接不同时空的隧道：虫洞——宇宙中“瞬间转移”的工具 278

如何让时空卷曲：负能量密度——可以透支的能量 280

时光机器的制造原理：虫洞＋弯曲的时空 281

怎样用宇宙绳制造时光机器 283

“宇宙绳”时光机器：大爆炸产生了无数充斥宇宙的“绳子” 283

宇宙绳的来源：宇宙创生时，旧真空和新真空相互转化了 284

神奇的时空：宇宙绳周围的时空，具有不可思议的性质 285

制作时光机器：如何用宇宙绳制造时光机器 286

你能回到过去，但无法改变历史 288

时间旅行的限制：为何没有来自未来的时间旅行者 288

解决时间旅行的佯谬：你能回到过去，但无法改变历史 289

微观尺度下的时间旅行：从黑洞中逃逸的虚粒子，逆时间旅行了 290

宏观尺度下的时间旅行：虚粒子的阻隔，让时间旅行成谜 291

第十章 物理学的统一 294

我们在寻找宇宙终极定律 294

自然终极定律：物理学的统一协调所有理论的统一理论 294

广义相对论和量子力学的结合：黑洞，奇点，宇宙无边界理论 295

“超引力”的诞生：将引力和其他力结合起来的最佳办法 296

弦理论中竟然存在十维时空 298

弦理论的出炉：把粒子看作是一根无限细的弦 298

弦理论的问题：十维或者二十六维时空？这是科学幻想吗 299

为何我们只能感受到四维：生命，只能存在于四维时空里 301

多种弦理论：为何自然只挑选了适合生命诞生的弦理论 303

科学的终极胜利是“认识上帝” 305

统一理论是否存在：三种关于统一理论的可能 305

无法确定的终极理论：无法被证明，所以永远不确定 307

回顾不同的世界图：无厘头的龟理论和数学化的超弦理论 308

当“灵魂”遭遇科学决定论：上帝会选择，让宇宙如何开始 309

膨胀或收缩的宇宙：统一理论背后，是谁在操控 310

人类理性的终极胜利：哲学＋科学＝每个人都能知道上帝的精神 312

附录 314

附录一：不可不知的物理名词 314

附录二：不可不知的科学名人 317