宇宙简史起源与归宿pdf完整版|百度网盘下载

2022-4-28

编辑评论：

《宇宙简史：起源与归宿》是史蒂芬霍金在英国剑侠大学的系列讲座，共七讲。它包含了他毕生研究宇宙学的精髓，精辟而简洁。即使是对基础科学稍有了解的人，在读完这七堂课后，也能一窥宇宙创造的奇妙宏大。

宇宙简史的由来与归宿pdf

简介

“宇宙简史：起源与目的地”是斯蒂芬霍金在英国剑桥大学的系列讲座，共有七场。它包含了他毕生研究宇宙学的精髓，精辟而简洁。即使是对基础科学稍有了解的人，在读完这七堂课后，也能一窥宇宙创造的奇妙宏大。这些演讲不仅闪耀着霍金的睿智光环，更体现了他特有的机智。谈及他花了十多年的时间研究黑洞时，他说：“这似乎有点像在煤窖里寻找黑猫。”霍金从人类认识宇宙的历史开始，从亚里士多德那里证实地球是一个球体，哈勃花了2000多年才发现宇宙在膨胀。以此为起点，他探索了现代物理学的许多领域，包括宇宙的起源（即大爆炸）、黑洞的性质以及时空理论。最后，霍金提出了现代物理学中几个未解决的问题，特别是如何将所有的局域性理论结合成一个“统一的万物理论”，他断言：“如果我们找到了这个问题的答案，那将是人类理性的最终胜利。”在这本书中，霍辉带领读者踏上了一场关于宇宙和我们在其中的位置的迷人探索之旅。宇宙简史：起源和终结对于那些仰望夜空并想知道那里发生了什么以及它如何到达今天的位置的人来说，当然值得一读。

关于作者

斯蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) (1942 - ) 是剑桥大学的卢卡斯数学教授，并担任牛顿教席。他是世界上最伟大的天才之一，被认为是继爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家。他的作品改变了宇宙的模型，重新定义了宇宙万物的内容。着有《时间简史》、《果壳宇宙》等全球科普名著。

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简介

我想尝试这一系列讲座，以阐明我们所知道的宇宙历史的基本轮廓，从大爆炸到黑洞。在第一讲中，我将简要回顾过去几年关于宇宙的一些想法，以及如何获得当前的宇宙图景。你可以称之为宇宙史。

我将在第二讲中解决的问题是如何从牛顿和爱因斯坦这两种引力理论中推断出宇宙不可能是静止的；它只能是膨胀或收缩，两者必须是一回事。下一个推论是，在 100 亿到 200 亿年前的某个时候，宇宙的密度是无限的。这一刻被称为大爆炸，宇宙本应诞生。

第三讲的内容与黑洞有关。当一颗大质量恒星或更大质量的天体在自身引力作用下坍缩时，就会形成黑洞。根据爱因斯坦的广义相对论，如果有人愚蠢到一步掉进黑洞，他就会永远消失，永远。他们再也无法逃离黑洞。相反，这种经历对这样的人来说可能是非常痛苦的，等待他们最终达到一个奇点。但是广义相对论是一个经典理论——也就是说，它没有考虑到量子力学的不确定性原理。

在第 4 讲中，我将说明量子力学如何让能量从黑洞中逸出，而黑洞并不像描述的那样黑色和不可知论。

第 5 讲的主题涉及将量子力学的一些概念应用于大爆炸和宇宙起源。由此产生的重要概念是，时空可以在范围上受到限制，但没有边界，或者说它是无界的。它有点像地球表面，但有两个额外的维度。

第 6 讲中讨论的问题是，尽管物理定律在时间上是对称的，但这种关于宇宙边界的新观点可以用来解释为什么过去和未来如此不同。

最后，在第 7 课中，我将展示人们如何尝试找到一个可以包含量子力学、引力和所有其他物理相互作用的统一理论。一旦完成，我们将真正了解宇宙和我们在其中的位置。

第五课：宇宙的起源与归宿

在整个 1970 年代，我的主要工作是研究黑洞。然而，当我 1981 年在梵蒂冈参加一个宇宙学研讨会时，我对一些涉及宇宙起源的问题的兴趣被重新点燃。当天主教会试图就一个科学问题立法，声称太阳围绕地球旋转时，它对伽利略犯了一个可怕的错误。几个世纪后的今天，教会决定最好邀请一组专家就宇宙学提出建议。

在会议结束时，与会者可以见到教皇。他告诉我们，研究大爆炸后的宇宙演化并没有错，但不应该探索大爆炸本身，因为这是创造的时刻，因此应该是上帝的杰作。当时，我松了一口气，因为教皇不知道我刚刚在会议上发表的报告的标题。我不想重蹈伽利略的命运；我非常同情伽利略，部分原因是我出生在伽利略逝世 300 周年之际。

生活大爆炸模型

为了说明我的论文所说的内容，我将首先用一种被称为“热大爆炸模型”的学说来描述普遍接受的宇宙演化历史。该学说承认，自大爆炸以来，宇宙可以用弗里德曼模型来表示。在这种类型的模型中，你会发现随着宇宙的膨胀，宇宙中物质和辐射的温度不断降低。因为温度是粒子平均能量的量度，所以这个冷却过程会对宇宙中的物质产生重大影响。在非常高的温度下，粒子以极高的速度向不同方向移动，结果由于核力和电磁力的吸引力，粒子无法聚集在一起。然而，随着温度的降低，预计颗粒会相互吸引并开始聚集在一起。

在大爆炸的瞬间，宇宙的尺度为零，所以温度一定是无限的。但是随着宇宙的膨胀，辐射的温度不断下降。大爆炸后一秒钟，温度将下降到约 100 亿度。这大约是太阳中心温度的 1000 倍，但这就是氢弹爆炸时发生的情况。此时，宇宙应该由光子、电子、中微子及其反粒子以及一些质子和中子主导。随着宇宙继续膨胀和温度进一步下降，在碰撞过程中产生电子和电子对的速率变得低于它们通过湮灭消失的速率。结果，大多数电子和反电子相互湮灭，产生更多的光子，只留下少数电子。大爆炸后大约 100 秒，温度下降到 10 亿度，这是最热恒星内部的温度。在这个温度下，质子和中子没有足够的能量来逃避强核力的吸引。它们可以开始结合形成氘或重氢原子核，其中包含一个质子和一个中子。然后氘核与其他质子和中子结合形成包含两个质子和两个中子的氦核。此外，还会产生少量的两种较重的元素，锂和铍。

可以计算出，在热大爆炸模型中，大约有四分之一的质子和中子转化为氦原子核，还有少量的氘和其他一些元素。多余的中子衰变为质子，即普通氢原子的原子核。这些理论预期与观察结果非常吻合。热大爆炸模型还预测，我们应该能够观察到早期灼热阶段遗留下来的辐射。但是，由于宇宙的膨胀，这种辐射的温度在绝对温标上应该已经下降了几度。这就解释了彭齐亚斯和威尔逊在 1965 年发现的微波背景辐射。所以我们完全相信我们得到了正确的图像，至少可以追溯到大爆炸后一秒钟左右。氦和其他元素的产生仅在大爆炸后几个小时就停止了。而且，在那之后的接下来的 100 万年左右，宇宙只是表现得继续膨胀，没有发生任何其他事情。最终，一旦温度下降到几千度，电子和原子核就不再有足够的能量来克服它们之间的电磁吸引力。此时，它们开始结合并形成原子。

作为一个整体，宇宙会继续膨胀，而它的温度会继续下降。但在那些密度略高于平均水平的区域，额外的引力会减缓膨胀速度。这个过程最终会阻止一些区域扩张并再次崩溃。在坍缩过程中，由于区域外物质的引力，这些区域有可能开始表现出少量的旋转。随着塌陷区变小，旋转变得越来越快——这种情况类似于溜冰者在冰上旋转，一旦他们收紧手臂就会转得更快。最后，当这些区域变得足够小时，它们会以足够快的速度旋转以平衡重力。旋转盘星系就是这样诞生的。

随着时间的推移，星系中的气体会分解成更小的云，这些云会在自身的重力作用下坍塌。在收缩过程中气体的温度升高，一旦温度变得足够高，核反应就开始了。这样的反应反过来将氢转化为氦，在这个过程中释放的热量增加了压力，因此云不会进一步收缩。这种状态的云就像我们的太阳一样是恒星，它们可以持续很长时间，在此期间氢被燃烧并转化为氦，产生的能量以热和光的形式向外辐射。

对于更大质量的恒星，由于引力更强，需要更高的温度来平衡它们。结果，聚变反应将进行得如此之快，以至于恒星的氢燃料将在大约 1 亿年内耗尽。此时，随着温度的进一步升高，它们似乎会略微收缩并开始将氦转化为更重的元素，例如碳和氧。然而，这个过程并没有释放多少能量，所以出现了危机，这就是我在黑洞讲座中描述的场景。

目前还不完全清楚接下来会发生什么，但恒星的中心区域似乎有可能坍缩成某种非常密集的状态，例如中子星或黑洞。当这颗恒星比银河系中的所有其他恒星更耀眼时，恒星可能会在剧烈的爆炸中向外抛出其外层，称为超新星。恒星在接近生命尽头时产生的一些较重的元素会被扔回银河系内的气体中，它们为下一代恒星提供了一些原材料。

我们自己的太阳含有大约 2% 的这些较重元素，因为它是第二代（或第三代）恒星。太阳大约在 50 亿年前由一团旋转的气体云形成，其中包含早期超新星的碎片。云团中的大部分气体演变成太阳，或者被吹走。然而，有少量较重的元素聚集在一起形成围绕太阳运行的行星，其中之一就是地球。

未解决的问题

宇宙在膨胀过程中以极端高温和低温的初始状态开始的图像与我们今天拥有的所有观测证据一致。尽管如此，仍有几个重要问题尚未解决。首先，为什么早期宇宙如此热？其次，为什么宇宙在大尺度上如此均匀——为什么从空间的不同位置和不同的方向看，它看起来都一样？

第三，为什么宇宙的初始膨胀率如此接近临界值，以至于它保证不会再次坍缩？如果大爆炸后一秒的膨胀率只减少十亿分之一，宇宙将在达到现在的大小之前再次坍塌。另一方面，如果一秒钟的膨胀率增加相同的量，宇宙将膨胀得如此之大，以至于它现在几乎是空的。

第四，尽管宇宙在大尺度上是高度均质和各向同性的，但仍有许多局部的物质团块，例如恒星和星系。这些天体被认为是从早期宇宙不同区域的微小密度差异演化而来的。这些密度波动的原因是什么？

仅基于广义相对论是不可能解释这些特征或回答这些问题的。这是因为广义相对论预言宇宙的密度在一开始是无限的，即从大爆炸奇点开始。在奇点处，广义相对论和所有其他物理定律都失效了。我们无法预测奇点会发生什么。正如我之前解释的那样，这意味着理论上也可以忽略大爆炸之前发生的任何事件，因为这些事件对我们没有观察效果。时空应该有一个边界，就是它起源于大爆炸。为什么宇宙应该从大爆炸的那一刻开始，以一种确定性的方式演化，并以我们今天观察到的状态结束？为什么宇宙如此均匀并以恰到好处的临界速度膨胀以防止再次坍塌？如果能证明具有许多不同初始结构的宇宙会演化成我们今天所观察到的状态，那就更令人高兴了。如果是这样的话，那么从某种随机初始条件发展而来的宇宙应该包含我们今天观察到的几个区域。也可能有一些非常不同的区域，但这些区域可能不适合星系和恒星的形成。星系和恒星是智能生命进化的重要先决条件，至少在我们所知的情况下。因此，这些区域不会包含任何可以观察到它们差异的生命。

在研究宇宙学问题时，必须考虑选择原则，即我们生活在宇宙中适合智能生命的区域。这个明显的基本因素有时被称为人择原理。相反，想象宇宙的初始状态只有经过精心挑选，才能保证进化出我们周围所见的事物。如果是这样，那么宇宙不太可能包含任何可能出现生命的区域。在我之前介绍过的热大爆炸模型中，早期的宇宙阶段没有足够的时间让热量从一个区域转移到另一个区域。这意味着，在生命之初，宇宙不同区域的温度必然完全相同，才能解释我们所看到的微波背景在不同方向上具有相同温度的事实。此外，必须非常精确地选择宇宙的初始膨胀率，以确保宇宙在今天之前不会再次坍缩。这意味着，如果热大爆炸模型从一开始就是正确的，那么宇宙的初始状态确实是经过精心挑选的。很难解释为什么宇宙应该以这种方式诞生，除非是上帝之手，他打算创造像我们这样的生命。