極簡宇宙pdf

1. 《極簡宇宙史》：宇宙極大，宇宙極小

《極簡宇宙史》的作者是霍金的學生之一，他帶我們游歷到光線可走的最遠處，帶我們進入了構成這無限宇宙的最微小處，量子世界；帶我們沿時間回溯，到達了時間與空間的起點。我們已知的物質可能只佔整個宇宙的5%不到，看不到的物質和能量時時陪伴著我們，我們卻一無所知。

這本書里有二十世紀以來地球上最聰明的頭腦告訴我們他們所知道的全部事情。

宇宙極大，我們還不能遍歷；宇宙極小，我們還不能看清。

第一部分帶我們走到了我們望遠鏡可以看到的最遠處，見識到了大有多大：從月球到太陽、太陽系、銀河系，飛越過數億星系團、超星系團，我們最終到達我們可見宇宙的中心：臨界最後散射面。

除了氫原子和氦原子，地球上所有其他的原子，生命所必需的所有重原子，都是在某顆恆星內部由熱核聚變反應被創造出來的。恆星的死亡和爆炸會將這些重原子釋放。否則地球無法誕生，生命無法形成，世界中將只有氫原子和氦原子的存在，被鎖定在永不死亡的恆星內部。

之後，我們看到了整個銀河系的樣子——當然包括銀河系中心的那個巨大黑洞。我們也知道了，我們的太陽也只是銀河系三千億顆恆星中沒什麼特別的一顆，更不要說我們的地球了。

而相對於整個可見宇宙，我們的銀河系也是那麼不值一提——我們銀河系所在的星系群是由54個和銀河系一樣的星系組成（當然大小不同，最大的是我們的近鄰仙女座星系），而這還不是宇宙的全部，在我們星系群的周圍還有許許多多的星系群，也不僅僅每個只包含54個星系，有的包含數百個甚至數萬個星系，它們圍繞在一起跳著舞，是一種大到難以想像的結構。

穿過這些大到難以想像的結構， 我們到達了可見宇宙的邊緣——這個意思是，在此范圍之外，我們無法再通過光線看到，但並不代表它不存在。

第二部分開始，讓我們早旁透過眼睛看到的宏大宇宙，去看看背後支配萬物運行的理論。

這一部分，作者從引力到底是什麼一直說到了大爆炸理論。

牛頓給出了萬有引力公式，但是引力到底是什麼呢？我們和地球之間既沒有繩子連著，我們也不帶電，引力不可能是電磁力。所以引力到底是什麼呢？

愛因斯坦給出了一個大膽的答案：引力是宇宙構造被它所含的物體彎曲所引起的。

想像我們的宇宙是一張拉緊的橡皮膜，各個星球就是橡皮膜上的玻璃球，會造成橡皮膜的變形，在星球周圍形成陡坡， 這就是引力：我們都沿陡坡下滑。

而由引力的本質想開去，當恆星、行星以及其他一切東西在運動時，它們在宇宙構造中造成的彎曲就會隨之改變，因此，宇宙不僅可能有形狀，而且這個形狀還會隨時間變化，這也就意味著，宇宙有未來。如果某個東西有未來，那麼它一定有過去，甚至有開端。

除了這個推論，紅移現象的發現，也意味著遠處的星系與我們的距離正在變大——宇宙膨脹。而如果宇宙現在在膨脹，那麼說明它過去曾經非常小，甚至曾經完全沒有大小。 在時間和空間上都沒有大小陸吵橡——這一理論被稱為大爆炸理論。

從地球各方向看去，宇宙都在膨脹，那麼難道地球是宇宙的中心、是大爆炸發生的地點？這太不可思議了。

這當然不可能。我們能看到的宇宙叫做「可見宇宙」。

任何地方都是當地可見宇宙的中心。在極大的尺度上，宇宙無論從哪個方向看都是一樣的。生活在遙遠星球上的外星人看到的宇宙與我們看到的完全相似，當然，細節不同，但在大尺度上是一樣的。他們也一樣被從他們的歷史所傳向他們的信息總和包圍，他們在夜空中見到的是我們共同宇宙的另一個歷史片段，他們也會有他們的臨界最後散射面，只是可能與我們的並沒有交集——相近兩個地方的歷史有很大重合，但相隔巨大空間距離的兩處可能在歷史上完全沒有交集。

因此，住在整個宇宙里任何地方的人，他們所看到的可見宇宙應該也在膨脹。由此可知， 大爆炸並沒有發生於時空中的某個特殊點，而是在一切地方。

第三部分就講了一個事情：時間。 宇宙標准時間是不存在的 ，鍾表的走動速度取決於你在哪裡、你身邊有什麼（引力部分）以及你的速度。

作者以超高速運動來解釋這個事情。

假設你以87%的光速向太空運動。你的手錶和身體里的細胞依然以一秒就是一秒的速度流逝，但你身邊的其他一碰漏切都開始發生奇特的扭曲。你回過頭看地球時間：當你的手錶每過一秒，地球時間卻過了兩秒。

除此之外，超高速旅行還會發生了另外連個違反常理的事情：

1、運動前方的距離縮短了。不僅是看起來變短了，而是千真萬確變短了。

時間和空間是交織在一起的，如果時間發生了變化，距離也一定會改變。

2、你變得越來越重。沒有帶質量的東西能夠達到光速運動，這是規律。因此，你獲得的能量，按照E=mc2，就會轉變成你的質量。

或許有一天你能走得與光一樣快，但是你必須放棄你的質量，所有質量。光無法攜帶任何質量。

那麼如果真的能把自己變成某種沒有質量的東西，會發生什麼呢？那個時候，時間會如何流逝呢？

答案是，時間停止流逝。在光速，時間停止了。

但是，不論你以怎樣的高速運動，在你眼中，以及那些構成你身體的細胞來說，一秒鍾永遠是一秒鍾，你自己的時間與衰老不會放慢腳步，你也不會活得更長，你的細胞依然會以相同的速度生長衰亡。只是，其他人可能會看到你活得比他們自己長。

第四部分作者帶我們走入了極小的世界，而 正是這些極小，組成了我們無限的宇宙。

這一部分作者介紹了宇宙中四種基本場中的三種：電磁場、強相互作用場、弱相互作用場。它們都充斥著整個宇宙。

電磁場的基本粒子是電子和光子。除了我們很熟悉的磁鐵，電磁場的電子光子還作用在方方面面。

當你去觀察電子的時候，一定要記得自己是在量子世界，不論發生什麼好像不合常理的事情，在這個世界中都是合理的。比如量子隧穿效應——電子能夠自顧自地隨意跳躍，無視你，無視所有障礙；比如，如果你知道電子在哪裡，你就不可能知道它移動的速度。等等等等。

如果說這些都離我們的生活太遙遠，那麼就看看下面這個例子：

當來自太陽的光線照到你的皮膚，皮膚上的原子及其電子們會捕獲一些光子，從而進入激發狀態。在激發狀態下，電子們搖擺的更快了，於是產生了你身體所享受（或痛苦）的熱量。這就是我們曬太陽會暖和的原因。

離開電子，作者帶我們繼續往原子的核心——原子核奔去。

原子核有質子和中子，而質子和中子由三個誇克組成，而將誇克牢牢捆綁在一起的力量就來自第二個充斥宇宙的基本場——強相互作用量子場。它的基本粒子是誇克和膠子。

膠子，就是將誇克束縛在一起的力的攜帶者。是這個誇克組合的守衛者。

這個和我們有什麼關系呢？恆星之所以會發光發熱就來自於此。

在恆星中，小的原子融合在一起形成更大的原子。恆星們將中子與質子聚攏在一起後，與分開時相比，就不需要那麼多膠子來守衛他們的誇克。因此多餘的膠子就會被釋放出來。因為它們帶有一定的能量，且能量就是質量，釋放它們意味著聚合而成的新原子核質量會變小。而這些丟失的質量變成能量讓恆星發光。

有合就有分。有核聚變必然存在核裂變——這樣自然界才能保持平衡呀。

而控制這一過程的場是弱核力量子場。它的作用力攜帶者被稱為W和Z玻色子，它能將一種誇克變成另一種，這會造成原子的電荷不平衡，原子核就會發生衰變，即原子的放射性。

當原子核發生衰變時，它會分裂並發出中微子、誇克組合、電子與光子。中微子會無視物質的存在，穿越而過，不會對我們造成危險。但後面三種都很危險。

其中的誇克組合被稱為α粒子，實際上就是一個失去電子的氦原子。為了成為正常的原子，這個氦原子核就要想法設法偷到兩個電子。它可能周圍原子中搶兩個電子，在這種情況下，那個被奪走電子的原子又會去尋找其他電子……皮膚上的原子失去電子後就會發生放射性灼傷。這就是α粒子危險的原因。

放射性衰變發射的第二種粒子是非常高能的電子，它能將遠處正常的電子打飛，同樣帶來放射性灼傷。

第三種類型是高能光子，伽馬射線。伽馬射線能夠在擊中原子後將其電子帶走，同樣灼傷我們的皮膚。但是更危險的是，它們可以穿過皮膚，給身體內部造成局部混亂，不僅僅是趕走電子，還會破壞分子，例如DNA分子。

但是，無需太過擔心，放射性是隨時隨地始終發生的一種自然現象，甚至在我們的體內也存在，只是水平非常低。除非經受了高水平的放射性輻射，否則沒有什麼大不了的。

事實上，我們應當感謝放射性的存在。的確，它能殺死你，但是沒有它，你甚至不可能來到這個世界。地幔層是放射性的，當原子在那裡衰變時，它們所釋放出來的粒子撞擊鄰居，產生熱量，保持了我們地球的溫暖。如果沒有放射性，地球表面就是一片冰冷，我們所知的生命都不會存在。

第五部分，帶著我們在前兩部分學到的時空與量子場的知識，作者帶我們沿時間向回走，直到時空開始出現時起，再次重新審視之前提到過的大爆炸理論。

這期間我們看到了宇宙中一個個基本量子場，以及它們一個個合並成一個的樣子，宇宙變成一鍋基本粒子濃湯的樣子，到處都是物質和反物質，他們相遇後湮滅，宇宙變成一鍋能量濃湯。此時，到達了被稱為「大爆炸」的時間：在這個時間，大統一場所儲存的能量開始轉化成粒子。

這個時間再往前，所有能量變成了另一個場，被稱為「暴脹場」，從後往前看，整個宇宙以無法想像的速度坍縮到自身。到這里，由於引力對時空帶來的彎曲過於強烈，時空沒有了意義，我們也就無法再向回走。

時空旅行就此結束，起碼到目前為止，時空旅行也只能在文學藝術作品裡想一想，尚未真的實現。那我們那些曾經經歷的人和事情呢？真的就永遠的消失了嗎？

物理終極就是哲學，一種人文關懷。

過去發生的事情、過去存在的人，他們已經成為一系列圖像在時空中移動。 從它們身上反射出來，或與他們發生了哪怕最微小作用的所有光及其他不帶質量的粒子都形成了他們存在的記憶， 這些影像成為一個圓殼以地球為中心以光速向遠方的未知世界擴散，成為在那裡雖不可見但卻無處不在的場裡面的小小漣漪，或許會被外星人設置的光線捕捉器收集，永遠伴隨著我們的宇宙。

繼續回到我們的暴脹場。當我們到達暴脹時期的開端，你到達了另一道牆，這道牆被稱為「量子引力牆」，或者「普朗克時期」。那時的宇宙如此之小，需要一個能將巨大變成極小的理論，能把量子規則用在宇宙本身上面的理論。這些我們都沒有。

它和臨界散射面不同： 臨界散射面擋住的是光，普朗克牆的擋住的是現代知識。

當科學家們說宇宙年齡是一百三十八億年，他們指的是時間和空間這兩個概念開始在宇宙中有意義以來，時間已經過去了一百三十八億年，但 並不意味著我們的宇宙從那裡開始，也不意味著這是唯一存在著的宇宙，也不是曾經存在過的唯一一個宇宙。

第六部分我們不得不進入了一個純理論的世界。沒有實驗可以證明或者證偽，科學家們只能通過計算進行推測。

比如，平行世界理論。我們現在知道，粒子在沒有被觀察前，具有所有的可能性，當被觀察後，發生了坍縮，只留下了一種可能性。薛定諤的貓在我們打開箱子之前，既是死的又是活的，而在打開箱子之後，只能是死的或者是活的，二選一。

但這里存在一個問題：量子物理學規定，只要那裡存在某些東西，它就能轉化成一些別的什麼，但絕對不能憑空消失。當你打開盒子，當活著的小貓跳出來的時候，你沒見到的那個可能性去哪裡了？既然它在某個階段是真實的，那麼那隻死貓去哪裡了？

平行世界理論對此進行了解釋：沒有什麼坍縮發生，所有的可能性都依然存在，整個宇宙在每次做出選擇時產生了分支，緣於實驗或是其他觀察。因此應該存在著無法想像之多的許多平行宇宙，其中每一種可能性，每一種可能的後果都以事實存在。

這真實一種瘋狂的理論啊。目前這種平行世界理論還未得到實驗上的證據支持或反駁。

再比如，暗物質。科學家們發現了暗物質的存在，但是沒有人知道它到底是什麼。任何地方只要有物質的存在，邊上就有暗物質伴隨。但是直到今天，我們依然對暗物質由什麼構成一無所知。我們知道它存在，我們知道它在哪裡，我們有它在我們整個宇宙的各個星系內部和星系周圍分布的地圖，我們甚至還知道它不是什麼，但我們對它是什麼卻一無所知。

暗能量也一樣。據推測，那是一個巨大的能量，是暗物質的量的三倍之多，是構成我們普通物質的量的十五倍。

今天，依據NASA衛星的估算，我們宇宙的能量構成如下：

暗能量：72%

暗物質：23%

我們已知的物質（包括光）：4.6%

所以我們今天能看到的東西，或許只是整個宇宙的極小極小的一部分。

除了暗物質暗能量，還有令科學家的哲學世界觀崩塌的黑洞蒸發理論：黑洞在蒸發，粒子可以從它內部泄露出來，掉入其中的一切未必永遠被禁錮其中。

為什麼說這一理論對科學家們來說是一種哲學上的災難呢？

根據霍金的計算，不同的材料進入黑洞，最終產生的粒子輻射，全都沒有差別，不顯示任何物質的信息，除了質量。這就是說，人類、幾本書與石頭在黑洞眼中都一樣，對於我們所有人來說，黑洞只在乎我們的質量，其他都無關緊要。

我們以前一直認為，掉進黑洞的東西並沒有丟失，只是儲藏在其中，但現在， 黑洞能夠蒸發，只是剝奪了其中一切物質的信息，事物開始從現實中消失了，黑洞成為我們宇宙的記憶流失處。科學既然永遠沒辦法重獲這些在黑洞中失去的過去，那麼去描述並理解我們宇宙整個過去的希望是不是就應該被放棄？

不過好消息是，黑洞蒸發至今尚未被任何實驗證明，不管是直接的還是間接的。

最後一部分則完完全全進入了現代知識未知的領域，是科學家們的假想。

科學家們設想了大爆炸之前發生的事情：暴脹時期和泡泡宇宙。

暴脹時期發生在大爆炸之前。暴脹場將曾經非常微小的宇宙在一個短到無法想像的時間里變得非常巨大，暴脹場和它的基本粒子隨後通過E=mc2衰變為純能量，釋放出非常巨大的能量，整個宇宙變得難以置信的熾熱。暴脹場的物質變成了能量，將後來的一切場激發出來。

同時，根據理論，暴脹場不是那種「一次性」的場，不會只出現一次。因此，它應該不止一次觸發了宇宙大爆炸，而且是很多次，無限次。早已存在的宇宙中又出現了新的宇宙氣泡。

氣泡宇宙中的氣泡宇宙，裡面還有氣泡宇宙。你我或許就生活在一個氣泡宇宙中。

而暴脹時期之前又發生了什麼呢？

暴脹前是普朗克牆，這里是時間與空間不再具有意義的時刻與位置。

通過已有的現代知識和技術，普朗克尺度之外的世界是無法探測的。它的尺度是從一百個普朗克長度到一個普朗克長度之間。從實驗上說，沒有人知道在那裡會有什麼發生。設想你的視力只有一米的解析度，想像一下你看到的世界會是什麼樣子。你甚至無法看到身邊的嬰兒，直到他們長到1米高時，才突然出現在你面前。

因此，我們不知道牆後的年輕宇宙是怎樣的。

這有兩方面意義：

1、這個宇宙本身就遵循量子世界的一條基本原則：只要沒有人觀察，所有的可能性都會——也的確——發生。也就是說，在普朗克牆後面，可能就是我們宇宙的全部全部所有的可能。

2、因為我們的無法探測，我們也就無法知道自然會把什麼東西隱藏在那個尺度里。但是我們的現實正根植於非常微小世界的某個地方，這是構建我們世界的本質所在，也是構建我們自己的本質所在。

正是由於第二點原因，非常重要的原因，科學家們提出了弦理論：

在普朗克尺度，宇宙中最基本的元素是量子弦。這根弦並不由任何東西構成，但其中包含著許多種振動，相互疊加。

弦的振動產生的不是聲音，而是光，一個光子，電磁作用的攜帶者。

除了像吉他一樣的弦，還有閉合的環，也在振動，它的基本振動對應的是引力子，引力的攜帶者。

那些構成宇宙所有物質的基本粒子，都能用這些弦的振動來表示。

這些弦還能夠自由出入你的宇宙。從你的宇宙中離開，進入另一個平行宇宙。

那些閉合的環狀弦從一個宇宙移動到另一個宇宙，或許一些能量能夠離開你所在的宇宙，或許黑洞通過扭曲變形的時空管道將兩個臨近的膜連在一起，或許兩個宇宙的引力將它們相互吸引。

是不是有可能，在另外的膜中，有可能也有人類生活？黑洞會不會就是連接兩個世界的通道？尚未到達的奇點是不是通向另一個現實？暗物質和暗能量的源頭是不是也在這個場景中？

宇宙極大，我們還不能遍歷；宇宙極小，我們還不能看清。

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書名：宇宙從一粒塵埃開始9堂極簡宇宙課

豆瓣評分：7.2

作者:[英]布萊恩·考克斯（Brain Cox）/[英]傑夫·福修（Jeff Forshaw）
出版社:北京聯合出版公司
副標題:9堂極簡宇宙課
譯者:張輝
出版年:2018-10

內容簡介：

探索宇宙是一段充滿魅力的旅程，是一個令人興奮、給人回報的過程。它讓我們感到周身世界是如此不可想像的美麗，而身處其中的我們，見證其存在，又是何等榮幸。

無關高深的理論知識，本書教給你如何通過科學來了解宇宙——這里的了解，是真正的理解，遠不同於知道事實，會讓你更滿意！

我們並不需要哈勃空間望遠鏡、大型強子對撞機……那些對地球、太陽系，甚至是眾星雲集的星系之外的有關宇宙的問題：它們存在多久了？它們有多大？它們有多重？其陸茄實都可以從你家的後花園里找到答案。

作者簡介：

布萊恩•考克斯（Brain Cox）

著名物理學家、英國皇家學會研究員、英國曼徹斯特大學粒子物理學教授、非常成功的電視系碰悉飢列節目主持人、英國最高榮譽「不列顛帝國勛章」獲得者。

傑夫•福笑返修(Jeff Forshaw)

著名物理學家、英國曼徹斯特大學理論物理學教授、英國物理學會「麥克斯韋物理學獎章」獲得者、熱情洋溢的演講大師，專門研究基本粒子物理學。

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書名：極簡天文學

豆瓣評分：9.2

作者:[英]科林·斯圖爾特
出版社:中信出版集團
出品方:中信出版·鸚鵡螺
譯者:柏江竹
出版年:2019-4
頁數:295

內容簡介

我深愛群星，因此無懼黑夜。

——莎拉·威廉斯

這是獻給每一顆好奇心的一場星際之旅、時空之旅。

從我們仰頭就可以看到的太陽、星星與月亮，到更遠的星系乃至宇宙邊緣，這段旅程將覆蓋930億光年的空間，橫跨近140億年的時間。

從熟悉的太陽、月亮講起，直到恆星、星系，再到黑洞 、暗物質、大爆炸理論……作者精心編排了一條富有趣味的路線，帶我們領略那些我們好奇的關於宇宙的一切，同時體驗一段人類探索星空和宇宙奧秘的「濃縮版」認知歷程。

讓我們一同踏上探索宇宙的旅途吧，希望你也愛上這片繁星點點的夜空。

作者簡介

英國皇家天文學會會員，知名科學傳播人，主要致力於天體物理學普及，長期為英國廣播公司、歐洲航天局、英國物理學會以及《衛報》《新科學家》《華爾街日報》等多家知名媒體及機構撰寫文章，已出版13本著作，被翻譯為19種語言版本。

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