基于《時間簡史》的淺薄歸納與思考
前言：絕大部分結論經(jīng)資料搜集歸納所得，不一定準確，若有資料上的錯誤，歡迎指出。
《時間簡史》是1988年出版的，而今年是2023年，時隔了35年。而我如果不是看了一下出版時間，我還以為是近10幾年前的書籍。
之所以近期才決定購買下來去嘗試閱讀（2022年看完后，拖到2023年寫完），是因為我有些東西想不通，人在想不通的時候，要不就是鉆牛角尖，要不就是向外物求助，這也是我閱讀的動力之一。
作為一本曾全球暢銷的科普書籍，爭議也是非常大的，看了一些知乎、豆瓣和貼吧的評論，最大的問題莫過于作為一本科普性書籍，卻讓大部分普通人看不懂，而看了相關資料，霍金在書中去掉了大量公式和推導過程，希望降低閱讀門檻，這讓一部分人覺得兩邊不討好，因為即使沒有公式，里面仍存在大量的學術性概念，如果想要完全理解，普通人就要花大量時間去閱讀學習并理解這個概念，對于大部分人來說，那是難以接受的，而對于一些人來說，它只是出圈最有名的，但作為科普書來說只能說一般。
所以以我個人的角度來看，我認為沒必要需要完全讀懂這本書，而且第一次看完后，我發(fā)現(xiàn)某些章節(jié)更像是一些大膽的假設和猜想，以至于被有些人認為這是一本科幻讀物。
閱讀和看短視頻、看電影本質(zhì)上是一樣，是一種提取信息的過程，是一種聆聽創(chuàng)作者講述故事的體驗，但一般來說，我們是很難每次都能提取完整的信息并深刻留在自己的腦海里，獲取自己最想了解的，這或許是我本人最好的體驗方式。
第一章?我們的宇宙圖像
這章回顧人類試圖對于生存其中的宇宙作出完整描述的歷史進程，截止到章節(jié)的結尾。
我最為感興趣的是，宇宙大爆炸理論的依據(jù)源頭，即不管你往哪個方向觀測，遠處的星系都急速地飛離我們而去，來自1929年埃德溫·哈勃的觀測。
人們從這個現(xiàn)象來推導宇宙正處于膨脹的狀態(tài)，從而得出一個推論，宇宙存在著開端，最終指向宇宙大爆炸，當然后面章節(jié)里霍金又指出奇點定理真正顯示的是，在極早期宇宙中一定有過一個時刻，那時宇宙是如此之小，并不表示那一定就是宇宙的開端。
思考：這章前面講述了人們對宇宙認知的歷史進程，可能有些內(nèi)容和以前的歷史課內(nèi)容重疊了，開始的內(nèi)容就很想跳過，但看到章尾后仔細想了想，這章似乎在暗示我不要迷信理論，即使在現(xiàn)實世界中看來極具權威性的理論，其中一句話是“任何物理理論總是臨時性的”。
也就是說，我們眼中的宇宙圖像只是隨著對宇宙觀測程度的變化而發(fā)生改變，即使如此，對于宇宙的觀測研究，給人類帶來很多啟發(fā)，并衍生出對人類發(fā)展有用的科研成果，說明我們現(xiàn)在的終極理論并不完整，它可能具有一部分準確的信息，但里面同時參雜錯誤的信息，而部分信息有著局限性，只有在一定的條件下才能運行。
這意味著，我們?nèi)绻敫M一步，對信息的篩選能力需要更進一步的提升，并保留最原始的客觀觀測記錄，每次推翻革新，都需要從頭到尾地驗證，每次推翻的難度也會呈指數(shù)級上升。
第二章 空間和時間
這章是和相對論相關的，將近一半的章節(jié)在講述相對論的發(fā)展基石路程，以前在學校似乎聽過類似的結論，雖然很驚訝，但實感并不大，深刻的印象更多來源于那個公式。
因為這章涉及到相對論，對于我這個學渣來說理解難度太大了，如果想深入研究的話，可自行另外探索，簡單來說，本章是關于對空間與時間認知的歷史關鍵節(jié)點的探索描述，但這個話題即使到了今天，可能有所變化，但仍然充滿著謎團。
因為看不懂英文文獻，翻譯了也很難懂，也不清楚科普視頻的準確性多少，對于本章的理解，只限于以下幾個方面：
其一，天文學家通過觀測木星的衛(wèi)星運動，得出光是以有限速度行進的結論，隨著麥克斯韋理論的發(fā)表和愛因斯坦對以太（光的介質(zhì)）物質(zhì)的否定，推出了狹義相對論，就是那個著名的公式。
根據(jù)質(zhì)量能量等價原理，如果某個物體想要接近光速，就需要無限大的能量才能做到，由此推導：任何正常的物體永遠低于光速的速度運動，只有光或其他沒有內(nèi)稟質(zhì)量的波才能以光速運動。這個公式某種程度上解釋了核裂變的原理，讓人們知道為什么那么小小的一個核彈能爆發(fā)出如此恐怖的能量。
其二，狹義相對論的另一個推論讓人們對空間和時間的認知發(fā)生了改變，以往我們往往以為大家的時間流動速度是一樣的，但利用光速不變的原理做雷達脈沖月亮反射實驗，是可以發(fā)現(xiàn)每個人都有自己的時間測度，但由于距離過短，每人的時間差非常微小，難以察覺有什么區(qū)別。
其三，由于狹義相對論和牛頓引力理論不協(xié)調(diào)，愛因斯坦后來引入了引力場的概念，廣義相對論就是狹義相對論引入引力場的概念而劃分出的一個截然不同的概念，以往我們以為引力和重力、磁力性質(zhì)差不多，但愛因斯坦則告訴我們，引力不像其他種類的力，它是空間和時間結構（時空）發(fā)生變成而產(chǎn)生的一種結果，地球之前一直被認為是繞太陽圓周運動，實際上地球一直都是做直線運動，只是因為落入太陽的引力場范圍內(nèi)，路徑受彎曲空間影響，最終結果變?yōu)榈厍蛞恢崩@太陽飛行。
人們通過對比水星近日點的進動觀測結果和廣義相對論計算的結果，因為當時高精度上的一致，所以廣義相對論理論的正確性得到了廣泛地承認。
其四，光線在時空中遵循測地線，也就是說，光線在空間中看起來不是沿著直線旅行，光線在經(jīng)過引力場時，會被引力場折彎，這個預言在1919年日全食實驗和之后的實驗中逐步被證實。
其五，在大質(zhì)量的物體附近，越是靠近，時間顯得流逝得越慢，因為光的能量和頻率有一種關系，能量越大，頻率就越高。按照上面第四點的說法，光是會被引力場折彎的，若光想從離大質(zhì)量物體附近逃離，就需要失去一部分能量，使得頻率下降，波長變大，在1962年的水塔實驗驗證了這個現(xiàn)象。
至于為什么光逃離引力場會失去能量，通過網(wǎng)絡資料查詢，因為光本身是沒有靜質(zhì)量的，但通過質(zhì)能方程（愛因斯坦公式）和普朗克提出的能量公式結合，可以算出光的動質(zhì)量，然后把光的動質(zhì)量代入廣義相對論中的引力紅移公式，最終推出這個結論。
在重新閱讀第二章的時候，我查資料時意外發(fā)現(xiàn)廣義相對論在現(xiàn)實上的應用，是我不曾知道的，比如GPS、北斗系統(tǒng)也是應用到廣義相對論的知識，把時空引力場位置不同帶來的誤差納入修正過程中的因素之一。而因為相對論的發(fā)布，人們后來制造了原子鐘，以原子共振頻率標準來計算及保持時間的準確，雖然也有誤差，但這個誤差極小，剛開始制造的銫原子鐘二千萬年才偏差1秒，而后面制造的原子鐘誤差更小。
思考：我在第一次閱讀本章時，很快就跳過去了，然而回頭再看了幾次想寫點什么，卻卡了我很長一段時間，為了理解，主動去看了不少相關的內(nèi)容，卻讓我越發(fā)混亂，主要是因為空間和時間的認知革新得非常抽象，可能正如有些人所說，需要公式、數(shù)學模型來輔助才有所理解，這里的理解可能不是可視化，而是一種解析。
第三章 膨脹的宇宙
在第一章中，有簡單地介紹過宇宙在膨脹的依據(jù)，就是從埃德溫·哈勃的觀測開始的，后面通過驗證被越來越多人認可。
而本章前面一部分就是講述了哈勃、牛頓等人的對天體觀測方法的研究成果，比如：
1、根據(jù)恒星的視亮度來算出不同星系與地球的距離。
2、讓恒星的光通過棱鏡分解獲取光譜，而光譜中的熱譜可以推算出恒星的溫度。
3、因為每一化學元素能吸收非常獨特的顏色族系的特點，確定該恒星大氣中存在哪種元素。
4、光譜最左為藍端，波長最短，最右為紅端，波長最長，我們知道光的頻率和光速是不變的，而波長等于光速除以頻率，但科學家們觀測到，來自遠處的星系的輻射波長在逐漸向紅端移動，說明波長在不斷變長，而且大部分星系都是同樣的結果，從而推測宇宙在膨脹，導致空間結構拉長，并對光的波長和頻率造成影響。
在后面，霍金年輕的時候受到彭羅斯的定理影響，并發(fā)展了新的數(shù)學技巧，在假定廣義相對論是正確的前提下，那么宇宙過去就有過一個大爆炸的開端，也就是一個奇點。但在寫書時，霍金就已經(jīng)推翻了自己的奇點定理，因為量子效應的存在，和廣義相對論發(fā)生了沖突。
思考：宇宙的膨脹理論來源于對光的觀測，天文學發(fā)展到現(xiàn)在，除了光外，還有宇宙線、中微子、引力波的信息渠道，但仍未對此結論有推翻，所以在現(xiàn)有研究大部分建立在其成立的基礎上，宇宙在膨脹是關于現(xiàn)在狀態(tài)的說法，而宇宙的開端是關于過去的推測，這個終極問題在現(xiàn)有的科技水平我想還是很難確定，畢竟涉及到宇宙運行規(guī)律的本質(zhì)，我們甚至不知道宇宙是否初始之地。
第四章 不確定原理
承接上一章的疑惑，第四章開始講述與量子力學有關的理論，但若想講述量子力學為什么和奇點有沖突，霍金認為需要先了解量子力學的發(fā)展歷程，于是講述從牛頓引力論成功后開始，拉普拉斯引入完全決定論，在我理解范圍內(nèi)，意思就是命運早已決定，一切已經(jīng)命中注定，只要知道宇宙某個狀態(tài)，就可以預言未來，這種觀念雖然受很多人抵制，但有段時間被當作為科學的標準假定。
直到新的發(fā)現(xiàn)，才開始有所改變，本章通過幾個節(jié)點來描述量子理論的：
1.“當時科學家通過計算，指出一個熱的物體，比如恒星，一定以無限大的速率輻射出能量?！薄鞍凑债敃r人們相信的定律，一個熱體必須在所有的頻率同等地發(fā)出電磁波?！?“而既然每秒波動數(shù)是無限的，這意味著輻射出的總能量也必須是無限的?！边@幾句話當時在書中比較簡略地一帶而過，但我對此感到困惑，直到我查到一些資料，比如這里的內(nèi)容是指當時關于黑體輻射的研究，得出的結論建立在經(jīng)典統(tǒng)計力學的能均分定理的基礎之上，但這個結論在僅在低頻率的光輻射上成立，頻率變高了，去到紫外線區(qū)域就失效了，這個問題后來被人戲稱為紫外災難，也成為量子力學出現(xiàn)的引子。
2.普朗克在1900年的提出光波、X射線和其他波不能以任意的速率輻射，而只能以某種稱為量子的波包發(fā)射。
【這段內(nèi)容，比較簡短，若想更好地理解這個過程，從《量子傳》可以看到更多細節(jié)，不想了解可以跳過，當時科學家研究黑體輻射（與鐵棍隨著溫度的變化對應顏色變化的現(xiàn)象有關），努力在獲取一個可以解釋這個現(xiàn)象的公式，維恩位移定律公式的出現(xiàn)讓這個研究有新的進展，沒過幾年，維恩還發(fā)現(xiàn)了分布定律，并且維恩和盧默還有和其他科學家合作，在1898年得到當時世界上性能最優(yōu)秀的電加熱黑體，然后在1899年的德國物理學會大會上報告了這個結果，包括維恩位移定律和分布定律，但分布定律的實驗數(shù)據(jù)在光譜的紅外區(qū)域出現(xiàn)了一些差異，然后不到3個月，帕邢公布了他的測量結果，結果和分布定律預言的完全一致，然而盧默和普林斯海姆在那年11月確保消除實驗誤差的所有可能來源后，發(fā)現(xiàn)理論與實驗之間存在系統(tǒng)性差異，帕邢那邊也更新了一組數(shù)據(jù)，但與盧默他們的結果相反，在1900年的會議上最終確認這不是實驗誤差造成的，雖然在波長較短時理論與實驗完全一致，但在長波波段上失效了。普朗克在1896年維恩發(fā)布分布定律沒多久，就被吸引住了，并開始著手從熱力學第一定律出發(fā)推導這個結果，但維恩分布定律的失效讓普朗克不得不重新思考自己的想法是否絕對正確，而普朗克的好友們間接幫了他一把，魯本斯和庫爾鮑姆也制作了一個黑體，這個能測量光譜遠紅外區(qū)域這個未知領域的黑體給出的實驗數(shù)據(jù)由于結果和理論預測的差異太過明顯，坐實了維恩分布定律的失效事實，由于論文來不及趕在下次會議完成，只能推遲，而普朗克和他們的來往中提前知道了這個結果，而普朗克有三條關鍵信息，一是維恩分布定律能夠解釋短波范圍內(nèi)的黑體輻射強度，二是維恩分布定律在紅外波段失效了，三是維恩位移定律正確。通過這些信息，普朗克憑借他的經(jīng)驗、直覺和靈感，獲取到一個公式，然后讓魯本斯拿去和實驗數(shù)據(jù)作對比，竟然神奇地幾乎完全吻合，之后會議上也把結果提出來，當然當時也沒激起多少浪花，因為這個公式并不是普朗克所認為的維恩定律改進版本，而是他自己找到的全新定律，而且看上去像是一個專為解釋實驗結果而設計的公式之一，不過一周左右，魯本斯和庫爾鮑姆，還有帕邢，證實了該公式與實驗數(shù)據(jù)相符，而且比其他公式更精準，而普朗克為了解釋這個公式的，開始他的倒推工作，并不得不犧牲自己的信仰——“熱力學第二定律是絕對的，熵只會永遠增加?！?，并求助于與其觀點有著巨大差異的玻爾茲曼定律，即是熵是對發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處于特定狀態(tài)的概率的量度，在玻爾茲曼看來，熱力學第二定律和低概率系統(tǒng)到較高概率的演化有關，也就是說熵并不是只會永遠增加，是有概率發(fā)生從高熵變成低熵的，只是這個概率非常小，小到需要數(shù)倍于現(xiàn)今宇宙年齡的時間才有可能看到它發(fā)生一次。普朗克的實驗原理反正我也沒看懂，只知道他在黑體中放置了振蕩器（原理類似鐘擺），應用玻爾茲曼理論后，得出E=hv的公式，E是能量，v是振蕩器的振蕩頻率，h是常數(shù)，普朗克成功把能量分成一塊塊，并稱之為量子，但當普朗克想繼續(xù)把量子分割時，卻發(fā)現(xiàn)振蕩器擁有的能量只能0，hv，2hv，3hv....nhv，n是整數(shù)，并且頻率一定時，能量與振幅的平方成正比，對于普朗克來說是這個絕望的概念，因為這個意味著他的振蕩器不能像水龍頭里流出的水一樣連續(xù)不斷地吸收或釋放能量，振蕩器不能接收能量量子的一部分，要么接收整個量子，要么干脆就不接收，只能以不可分割且相當微小的E=hv為單位，離散地吸收或釋放能量，某種意義來說，倒逼普朗克提出對能量切割成一段段量子的想法的原因是來自于他的振蕩器?！?/span>
3.在本書接著上一個節(jié)點講述了海森堡在1926年提出不確定性原理。【不過這段在書中做了比較多縮減，發(fā)現(xiàn)在普朗克常數(shù)出現(xiàn)后，愛因斯坦受到普朗克的啟發(fā)，引入光量子的概率，和普朗克不同的是，普朗克只是量子化電磁輻射的發(fā)射和吸收，而愛因斯坦直接量子化了電磁輻射，也因此量子化了光本身。經(jīng)過二十多年的沉淀才來到這個關鍵節(jié)點，如對量子力學的事件時間軸感興趣可以看看《量子傳》的量子大事記，不確定性原理在提出前，前面其實還有一段很多理論在鋪墊，不過到這里我才發(fā)現(xiàn)霍金在介紹這些過程并沒有按照時間順序來介紹，也許是考慮章節(jié)篇幅有限，又或許考慮簡化原理以便理解的原因，做出種種調(diào)整，當然對于我來說，有很多地方依然看得莫名其妙，需要書外的查詢才稍微解惑。】當時人們還是認為一切變化的軌跡是固定的，也許是為了能預測未來，科學家從預測一個粒子未來的位置和速度開始研究，科學家利用光照到粒子上，一部分的光波被這個粒子散射開來，由此通過觀測來指明它的位置，但因為普朗克的量子假設中的量子不可切割特性，光的兩個波峰之間距離最少也只能用一個量子單位，如果為了要知道粒子的位置，就不可避免地需要擾亂它，從而改變了它的速度，這里借用別人的形容，“房間內(nèi)有一個皮球，但是你蒙著眼睛，為了尋找皮球的位置，就用腳去試探。當用腳確定球的位置的時候，球必然被踢到，動量也就必然被改變?！碑斎贿@個解釋是不確定性原理的前身，測不準原理，采用了粒子模型來解釋，后面經(jīng)過波粒二象性模型的重新解釋，更名為不確定性原理。
4.波粒二象性的意思是指光既有波的特性，同時也有粒子的特性，所以被人稱為光是波的同時也是粒子，雙縫干涉實驗揭示了光的波動性質(zhì)，而普朗克的量子假設中，能量不是連續(xù)分布而是以離散的粒子形式存在，愛因斯坦后來在光電效應理論中提出了光是由離散的能量量子組成的粒子（即光子）的觀點，這個概念在1927年提出，大概在1945-1990年期間才被廣泛的認可和發(fā)展，因為這個概念可以解釋電子、光子和其它微觀粒子的行為，并成為發(fā)展量子力學和相關領域的基礎?？梢杂靡粋€比較形象的例子來幫助理解波粒二象性。假設我們在河流中扔一顆石頭，石頭會在水面上引起一圈圈漣漪，這些漣漪看上去就像是波動。如果我們用一根木棍插到水中，就可以看到漣漪被分成了一條條“線”，這些“線”看上去就像是粒子。
以下視頻是“雙縫干涉實驗”。
原理是將一束光或一束電子經(jīng)過一個光源或電子槍射向兩個平行排列的狹縫，然后在狹縫后面放置一塊屏幕，屏幕上會形成一系列條紋，即干涉條紋。這些條紋是由兩個狹縫所發(fā)射的光或電子的波相互干涉而形成的。當光或電子穿過狹縫后，它們會擴散并呈現(xiàn)出典型的波動模式。不同的波通過干涉來產(chǎn)生交替的最大值和最小值區(qū)域。當這些波到達屏幕時，它們會相互干涉并形成一系列明暗相間的條紋或環(huán)形圖案。
為了更好地理解量子力學的發(fā)展歷程，我看了一些科普視頻，比如曹則賢曹老師的演講
可惜該視頻個人感覺更偏向有相關基礎的人群，像我這種學渣，理解難度頗大，有興趣的朋友可以看看。
思考：本章理解的難度遠比前幾章要大，也許是量子力學這個話題本來就不容易理解，加上書里隱去很多細節(jié)，不可避免讓人感覺好像明白了一丟丟，但又好像什么都不明白，當然即使查閱了很多的資料，我也了解，其中有很多的原理，是要靠數(shù)學公式去理解的，實驗只是量子學內(nèi)容的其中一部分，而且里面還是有很多問題現(xiàn)在還在解決中（即使我們已經(jīng)在應用方面有非常多的實際應用），真正的大統(tǒng)一的理論仍沒出現(xiàn)，但隨著人工智能的出現(xiàn)，也許很快又有新的進展。當然不確定性原理被波粒二象性的概念定死了，如何解決這個問題進入更深一層的研究，我懷疑人工智能也未必能解決的了。
第五章 基本粒子和自然的力
本章節(jié)探討了自然界中最基本的構成單位以及它們之間相互作用的規(guī)律，在介紹基本粒子之前，書里解釋了布朗運動。將布朗運動比喻成在水中漂浮的花粉顆粒被分子不停碰撞所帶來的隨機運動。這種隨機運動與基本粒子的運動過程有些相似，但兩者也存在著區(qū)別。本章主要分成兩部分，我將在下面參考chatgpt的歸納分別簡單概括一下。
自然界中最基本的構成單位：
1.1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子。1911年，盧瑟福通過金箔散射實驗證實了原子具有內(nèi)部結構，并發(fā)現(xiàn)了帶正電荷的粒子質(zhì)子。中子則是在1932年被查德威克發(fā)現(xiàn)。
電子、質(zhì)子和中子是構成原子的三個基本粒子。如果把原子比作一個太陽系，那么質(zhì)子和中子就像是太陽，而電子則像是圍繞太陽公轉(zhuǎn)的行星。
質(zhì)子和中子都有質(zhì)量和正電荷。質(zhì)子帶有一個正電荷，而中子沒有電荷。在原子核中，質(zhì)子和中子緊密地結合在一起形成原子核，而電子則圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。
原子的性質(zhì)取決于其核內(nèi)所含的質(zhì)子和中子數(shù)量。這些粒子的排列方式?jīng)Q定了元素的化學性質(zhì)以及它們在周期表中的位置。因此，質(zhì)子和中子的數(shù)量對于確定元素的物理和化學特性非常重要。
2.20世紀60年代，科學家們通過粒子加速器實驗發(fā)現(xiàn)一些新的、不同于已知粒子的亞原子顆粒，這些新的粒子被稱為重子和介子。
此后，科學家們又發(fā)現(xiàn)了許多奇怪的現(xiàn)象，比如介子和重子之間的相互作用規(guī)律與原來的理論預言不符。為了解決這個問題，美國物理學家黃昆提出了“夸克假設”：認為介子和重子是由三個更基本的粒子——夸克組成的。
1974年，一組位于斯坦福線性加速器中的實驗室科學家利用高能電子對質(zhì)子進行散射實驗，結果發(fā)現(xiàn)這種散射過程中會產(chǎn)生一些前所未見的粒子，這些粒子被稱為“深度不可分的粒子”，后來被稱為“夸克”。這個實驗的結果支持了夸克假設，并使得夸克的存在得到了實驗證實。
目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了六種類型的夸克，這些夸克都有不同的質(zhì)量、電荷和自旋等特性，有興趣可以自行查閱。
它們之間相互作用的規(guī)律：
1.關于粒子自旋，粒子的自旋是一種內(nèi)稟的量子力學性質(zhì)【內(nèi)稟是指粒子自身固有的、不依賴于外界條件的性質(zhì)】，可以用一個無量綱【無量綱是指某個物理量或數(shù)學量不依賴于任何單位或量綱，因此沒有具體的數(shù)值，只有一個相對大小的概念。】的數(shù)值（單位為h/2π）來描述。它類似于地球圍繞自身旋轉(zhuǎn)的角動量，但實際上與物體的旋轉(zhuǎn)運動沒有任何關系。
2.宇宙中的四種基本力：引力、電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。
引力：是一種吸引力，是物體之間的相互作用力。引力的大小與物體的質(zhì)量和距離有關，根據(jù)牛頓的引力定律，兩個物體之間的引力與它們的質(zhì)量成正比，與它們的距離的平方成反比。引力也可以由廣義相對論來描述，它是由物體所產(chǎn)生的彎曲時空而產(chǎn)生的。
電磁力：是一種電荷之間的相互作用力。電磁力的大小與電荷的大小和距離有關，根據(jù)庫侖定律，兩個電荷之間的電磁力與它們的電荷量成正比，與它們的距離的平方成反比。電磁力也可以由麥克斯韋方程式來描述，它是由電荷所產(chǎn)生的電場和磁場相互作用而產(chǎn)生的。
弱相互作用力：是一種只在原子核內(nèi)部發(fā)生作用的力。它的作用是使一些放射性核素發(fā)生衰變，從而變成其他元素。弱相互作用力的作用范圍很小，只有原子核的尺度，它的大小非常小，只有電磁力的十萬分之一左右。弱相互作用力由費米子的弱相互作用描述。
強相互作用力：是一種只在原子核內(nèi)部發(fā)生作用的力。它的作用是保持原子核的結構穩(wěn)定，使質(zhì)子和中子緊密結合在一起。強相互作用力的作用范圍也很小，只有原子核的尺度，它的大小比電磁力還要強。強相互作用力由夸克的強相互作用描述。
書中更多描述弱相互作用力（弱核力）和強相互作用力（強核力），弱核力負責放射現(xiàn)象，并只作用于自旋為二分之一的所有物質(zhì)粒子，而強核力是一種只在原子核內(nèi)部發(fā)生作用的力，它主要作用于構成原子核的質(zhì)子和中子之間，相比弱核力和電磁力強得多，讓原子核更穩(wěn)定，但作用范圍極短。
色禁閉是強相互作用力的一種現(xiàn)象，它發(fā)生在夸克和反夸克之間?？淇撕头纯淇酥g會不斷地進行相互轉(zhuǎn)化，從而形成了一個夸克-反夸克對，這就是色禁閉。
3.書中還談到關于質(zhì)子和中子衰變的問題，但是目前還沒有被直接觀測到。質(zhì)子衰變是指質(zhì)子在某些特殊條件下發(fā)生衰變，變成其他粒子的過程。按書中描述，目前除了少數(shù)當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產(chǎn)生的以外，沒有發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子和反中子。
思考：其實書里還有一些關于大統(tǒng)一理論的描述，但這個想把4種力統(tǒng)一起來的研究并不順利，還有很多問題仍需要解決，對于離完善的時間還需多久的這個答案，難以得到確實的解答。夸克和反夸克也許是人類暫時能間接驗證的最小粒子了，繼續(xù)研究它們的行為，現(xiàn)在仍然是大型粒子對撞機（LHC）的工作之一。但普通人看到這里可能在想，這有什么意義，實際上通過對GPT的提問，已經(jīng)得知（LHC）對醫(yī)學領域（腫瘤放射治療優(yōu)化）、材料科學（高性能超導材料）、能源領域（核聚變研究）、計算機科學（大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和分析）做出應用上的創(chuàng)新突破，這種研究不僅僅是為了認知，還是為了改變。
第六章 黑洞
我利用AI做了一份本章的內(nèi)容摘要，閱讀時可以用來參考：
黑洞的概念：黑洞是由質(zhì)量非常大的天體坍縮形成的一種天體，它的引力非常強大，甚至連光也無法逃脫。
黑洞的形成：黑洞的形成通常是由恒星的坍縮引起的。當一顆質(zhì)量足夠大的恒星耗盡了燃料，無法再維持自身的核反應時，它會坍縮成一個非常小但質(zhì)量非常大的天體，這就是黑洞。
黑洞的性質(zhì)：黑洞的主要性質(zhì)包括質(zhì)量、電荷和自旋。黑洞的質(zhì)量越大，引力就越強，黑洞的電荷和自旋對于其引力的影響也非常重要。
黑洞的研究：科學家們通過觀測和模擬的方式來研究黑洞。例如，通過觀測黑洞周圍的物質(zhì)運動、輻射等現(xiàn)象來推測黑洞的性質(zhì)；同時，科學家們還通過數(shù)值模擬來研究黑洞的形成、演化等問題。
黑洞的奇點：在黑洞的中心，存在一個稱為奇點的點，它的密度和引力場強度都無限大，是物理學中尚未解決的問題之一。
書中還探討了恒星的最終形態(tài)的三個可能性，黑洞就是其中之一，另外兩種分別是白矮星和中子星。
白矮星：當一個恒星耗盡了其核心的氫和其他可燃物質(zhì)，它將會膨脹成為一個紅巨星，然后逐漸失去其外層的氣體，形成一個稠密的核心。這個核心會繼續(xù)縮小，直到變成一個非常小、非常密集的白矮星。
中子星：當一個恒星的核心耗盡了氫和其他可燃物質(zhì)時，它會發(fā)生一系列的爆炸，形成一個超新星。在這個過程中，恒星的核心會變成一個非常小、非常密集的中子星。
黑洞：當一個恒星的核心太大以至于無法成為一個中子星時，它會繼續(xù)坍縮，直到形成一個黑洞。黑洞是宇宙中最密集的物體之一，其引力非常強大，甚至連光都無法逃脫。
不過書中的光錐概念還是比較難理解，在書里，光錐是一個物理學概念，用于描述事件在時空中的傳播方式。光錐是表示閃光從其頂端發(fā)出后在時空種傳播的路徑。然后我用AI幫忙用類比的方式解釋一下。
我們可以將光錐比作一個人的人生軌跡，人生軌跡可以分為過去、現(xiàn)在和未來三部分。人的過去是他經(jīng)歷過的事情和所處的環(huán)境，它們對當前的狀態(tài)有影響；人的未來是他可能經(jīng)歷的事情和所處的環(huán)境，它們受到當前狀態(tài)的制約；人的現(xiàn)在是他所處的狀態(tài)和環(huán)境，它們同時受到過去和未來的影響。類比光錐，人的過去可以看作是過去光錐，未來可以看作是未來光錐，而現(xiàn)在則處于光錐的交點處。
在這個比喻中，人的過去和未來是由他的經(jīng)歷和可能性所決定的，它們對人的現(xiàn)在產(chǎn)生影響。類似地，光錐中的未來光錐和過去光錐是由事件的發(fā)生和可能性所決定的，它們對事件的影響和受影響程度產(chǎn)生影響。
而另外一個概念，事件視界，雖然名字比較奇怪，但這個是描述黑洞表面的邊界，這個邊界是指在這個邊界內(nèi)的所有物體（包括光）都無法逃脫黑洞的引力，因此它們的信息將永遠無法傳遞到外部世界。
在這個邊界內(nèi)部，黑洞的引力場變得非常強大，以至于光線無法逃脫。因此，事件視界也被稱為“光球”（Photon Sphere）。在事件視界之內(nèi)，任何物體都將被黑洞吞噬，包括任何形式的電磁輻射（如光、射線等）。
事件視界的大小取決于黑洞的質(zhì)量。質(zhì)量越大的黑洞，其事件視界越大，越容易吞噬物體。在另一方面，質(zhì)量較小的黑洞的事件視界則相對較小，因此，它們需要更接近物體才能將其吞噬。
我們可以將事件視界比作一個無法逃離的陷阱。想象一下你在一個深不見底的陷阱中，它的邊界就是你無法逃脫的地方。無論你如何努力，你都無法逃離這個陷阱。類似地，黑洞的事件視界就是一個無法逃離的區(qū)域，任何物體一旦越過這個邊界，都將被黑洞吞噬，無法逃脫。
黑洞還有一句格言，“黑洞沒有毛”，AI給出這樣的解釋。
這句話的意思是，黑洞表面沒有任何物質(zhì)，也沒有任何能夠反射光線的物質(zhì)，因此它看起來是完全黑暗的。這也是為什么稱之為“黑洞”的原因。而“毛”指的是黑洞周圍的物質(zhì)，這些物質(zhì)可能會影響黑洞的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度等屬性。但是，黑洞本身并沒有任何“毛發(fā)”，也就是說，它的物理特性只與其質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)和電荷等基本屬性有關，而與周圍的物質(zhì)無關。
根據(jù)書中的描述，這句話具有巨大的實際重要性，因為它極大地限制了黑洞的可能類型，然后直至本章結尾，講述關于證實黑洞存在的歷史進程和探討了一些黑洞的特性和誕生條件。
思考：對于黑洞，科學家認為是天體的最終形態(tài)之一，而它消失的時間科學家認為可能長于宇宙的年齡，也許黑洞藏著宇宙未來形態(tài)可能性的信息，但距離我們還是太遙遠了，不過黑洞的存在對科學發(fā)展仍有不少啟發(fā)，可以預見這是未來頂層科研人員的主攻方向之一。
第七章 黑洞不是這么黑的
本章指出，黑洞并不是完全黑暗的，它們會發(fā)出一些輻射，這種輻射被稱為“霍金輻射”?；艚疠椛涫怯捎诤诙粗車奶摿Ｗ雍蛯嵙Ｗ赢a(chǎn)生的，其中一些粒子被吸入黑洞，而另一些則逃脫了黑洞的引力。這種現(xiàn)象使得黑洞逐漸失去質(zhì)量，最終會消失。
霍金還討論了黑洞的奇點，這是一個物理學上無法解釋的點，其中物理規(guī)律似乎不再適用。他提出了一個理論，即黑洞奇點可能是一個“創(chuàng)造性宇宙”中的入口，這個宇宙與我們的宇宙截然不同。
此外，霍金還探討了黑洞對宇宙的影響，包括它們?nèi)绾涡纬珊腿绾斡绊懶窍档难莼?。他還討論了可能存在的微型黑洞和超大質(zhì)量黑洞，并討論了我們?nèi)绾翁綔y和研究它們。
而章節(jié)里也涉及到熵的一些概念，即黑洞也有熵?；艚鹫J為，黑洞的熵與其表面積成正比，這個比例常數(shù)被稱為“霍金溫度”。它揭示了黑洞的本質(zhì)特性，即黑洞不僅僅是一個吞噬一切的天體，還具有熱力學屬性。此外，這個理論還為黑洞信息悖論提供了一個可能的解釋，即黑洞內(nèi)部的信息并沒有被徹底摧毀，而是以某種形式保存下來了。
關于讓人感興趣的是，到底那些輻射是怎么逃脫黑洞的事件視界的。
具體來說，根據(jù)量子場論的理論，空間中充滿了虛粒子和虛反粒子，它們在短暫的時間內(nèi)產(chǎn)生并迅速湮滅。當這些虛粒子出現(xiàn)在黑洞的引力場中時，它們的行為會受到影響。由于黑洞的引力非常強大，因此虛粒子對被吸入黑洞的概率更大，而虛反粒子則更有可能逃離黑洞。
當虛反粒子逃離黑洞時，它們會帶走一些能量，這就是霍金輻射。由于黑洞的引力場非常強大，因此只有在非常接近黑洞的事件視界上，才有可能產(chǎn)生霍金輻射。
思考：霍金輻射理論雖然暫未能證實，但因為基于量子場論和廣義相對論的理論推導的，在科學界得到一定的支持，而且它具有一定的參考價值，不過到今天為止，由于限于科技實力的限制，進度仍然非常緩慢，相對更有現(xiàn)實意義的研究來說，還是比較小眾。
第八章 宇宙的起源和命運
本章是霍金探討了宇宙的起源、演化和結構，以及宇宙的命運。
大爆炸理論：宇宙起源于一個極度高溫、高密度的點，隨后發(fā)生了一次巨大的爆炸，宇宙開始膨脹并不斷擴張。
宇宙的演化：隨著宇宙的擴張，物質(zhì)逐漸冷卻凝聚，形成了星系、星云、恒星等天體。
宇宙的結構：宇宙中存在大量的暗物質(zhì)和暗能量，它們對宇宙的演化和結構起著重要作用。
宇宙的命運：宇宙的未來可能會出現(xiàn)多種情況，如持續(xù)膨脹、收縮、重整等，其中最有可能的是宇宙漸漸停止膨脹并進入無限期的冷寂狀態(tài)。
從整體來看，這個章節(jié)主要涉及到宇宙學這門比較“新”的學科，宇宙學真正開始形成并成為一個獨立的學科是在20世紀初。在這個時期，愛因斯坦的相對論和哈勃的宇宙膨脹理論推動了宇宙學的發(fā)展。
思考：我認為真正的宇宙學的廣度是超越任意一門學科的，因為某種程度來說它的野心整合了宇宙的一切規(guī)律、知識，當然目前宇宙學是殘缺的，冰山一角的，目前只是一門研究宇宙起源、演化、結構、組成、性質(zhì)和宇宙中各種天體的物理、化學和天文學特征的學科。和歷史一樣，歷史課也是殘缺的，只能挑點大事件來說，但中間很多關鍵點也不會跟你說，甚至有點信息藏著掖著。宇宙學也是如此，宇宙的秘密太多了，多到我們也不清楚我們所掌握的真實信息數(shù)量是多少個天文數(shù)字分之一，作為一門研究跨度太長的學科，對于連100個年頭都挨不到的大部分人來說是多么絕望。
第九章 時間箭頭
本章節(jié)主要探討了物理學家對時間箭頭問題的研究
時間箭頭是指時間有一個方向性，即時間只能朝著未來流逝而不能倒流。這是因為在自然界中存在著不可逆的物理、化學和生物過程，使得它們只能在特定的時間順序下發(fā)生。這個概念是由熱力學第二定律提出的，也稱之為“熵增原理”，它描述了一個封閉系統(tǒng)總是趨向于更高的無序狀態(tài)，而不是更有序的狀態(tài)。因此，時間箭頭是指一種物理規(guī)律，表明時間只會前進而不會后退。
在書里，霍金提及了時間箭頭的種類，至少有三種，分別是熱力學箭頭、宇宙學箭頭和心理學箭頭，前兩個似乎認可度高一些，另外一些物理學家還提出了另外一些箭頭，比如因果時間箭頭、信息時間箭頭、量子時間箭頭等等，有興趣可以自行查詢。
熱力學時間箭頭指的是時間流動的方向與熵增加的方向一致的現(xiàn)象，即封閉系統(tǒng)中的熵（混亂程度）始終增加，這意味著時間只能向前流動。宇宙學時間箭頭則是指宇宙從低熵狀態(tài)向高熵狀態(tài)演化的方向，宇宙從大爆炸開始，經(jīng)歷了一系列的演化過程，最終演化到了現(xiàn)在的狀態(tài)。這個過程中，宇宙的熵不斷增加，時間箭頭也隨之指向了未來。
章節(jié)名叫時間箭頭，也許是一種總結性標題，實際討論的，更像是熵的變化趨勢，有序狀態(tài)如何變?yōu)闊o序狀態(tài)。
統(tǒng)計物理學告訴我們，宏觀世界是由微觀粒子不斷碰撞、混沌運動而組成的，并且微觀粒子的混沌運動具有明確的方向性。這種方向性導致了熱力學第二定律的出現(xiàn)，即熱從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體，從而產(chǎn)生了熵增長。熵增長是時間箭頭的物理基礎之一，因為它表明時間的真正方向性是與宇宙中的微觀混沌有關的。
思考：其實在閱讀本章之前已經(jīng)有類似的想法，就是整個宇宙似乎具有走向無序的趨勢，但這種無序的狀態(tài)我的認知屬于比較奇怪，比如說有人死了，這個事件屬于走向無序的狀態(tài)，但人本身的死亡，不代表是無序，因為人死后，身上的細胞，微生物不代表是無序的，換個說法。動物死后，他們的肉也不是無序的，但相對死前的狀態(tài)，變得更加無序。當然書里關于時間的變化方式有多種，也許是為了解釋某些理論的沖突或現(xiàn)象的矛盾。
第十章 蟲洞和時間旅行
蟲洞和時間旅行被描述為可能的科學概念。蟲洞是一種通過時空彎曲而形成的通道，可以連接不同的時間和空間點。時間旅行則指的是在時間上向前或向后移動，在這個過程中可能會遇到各種時空異常和悖論。
霍金在書中提到了一些與蟲洞和時間旅行相關的問題，如康華假說和約翰·威爾遜的思想實驗。他還討論了著名的“雙縫實驗”和黑洞信息丟失等現(xiàn)象與這些概念之間的聯(lián)系。
盡管蟲洞和時間旅行被視為令人興奮的科學研究領域，但霍金認為要實際達成這些目標非常困難。他警告說，這些概念可能只存在于科幻小說和影視作品中，而無法實際實現(xiàn)。
思考：本章更像一種科幻式的可行性探討吧，對于人類來說，恐怕只有虛構作品才能猜想一番了，比如星際旅行的躍遷式跳躍。但我認為和玄幻差不多了，因為蟲洞是理論物理學的一個假想結構，那躍遷式跳躍就像無根之水一樣，無從談起，盡管描述出來的景象令人著迷，時間旅行也是一樣道理。
第十一章 物理學的統(tǒng)一
本章討論了物理學家們所追求的一個未解之謎：如何將廣義相對論和量子力學這兩個描述自然界的具有革命性質(zhì)的理論統(tǒng)一起來，以便解釋宇宙的奧秘。
里面提及了大統(tǒng)一理論（GUT）、弦理論、超弦理論（M理論是其理論的一個擴展）、量子引力理論，其實還有沒提及的微擾重整化理論（量子場論），這些理論現(xiàn)在還沒有實質(zhì)性完成統(tǒng)一。
弦理論：弦理論是一種描述基本粒子和相互作用的理論，它將所有基本粒子看作是一維的弦。這個理論試圖將愛因斯坦的廣義相對論和量子場論統(tǒng)一起來。
微擾重整化理論：微擾重整化理論是一種通過計算物理量的無窮級數(shù)來描述基本相互作用的量子場論。它試圖將電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用統(tǒng)一起來。
大統(tǒng)一理論：大統(tǒng)一理論是一種試圖將電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用統(tǒng)一起來的理論。這個理論認為，這三種相互作用在高能量下是相同的。
量子引力理論：量子引力理論是一種試圖將愛因斯坦的廣義相對論和量子力學統(tǒng)一起來的理論。它將引力看作是由粒子交換引起的，類似于電磁相互作用。
思考：其實看到本章節(jié)最后一句“我們的目標是完全理解發(fā)生在我們周圍的事件以及我們自身的存在”的時候，不禁在想，完全理解是否一種過于理想的狀態(tài)，也許更迫在眉睫的問題是，人類如何在下一場災難生存下去，雖然現(xiàn)在不會有人想這個，但從宏大的時間長度來看，人類的歷史微不足道，而且就算是現(xiàn)在，來自地球內(nèi)部系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和人類社會自身的結構矛盾也有多種風險，大統(tǒng)一理論的研究過程也許能帶來不少成果，但個人感覺離完成還差得遠，因為我們只是一個基本只能龜縮在地球的井底之蛙而已，和井底之蛙的區(qū)別是我們像是困在玻璃球的青蛙，可以向任何方向觀測而已，對于人類自身的命運趨勢，更希望更多有遠見的目光望向那邊。
本篇文章結束了，其實還有第十二章總結，不過這個還是不寫了，總的來說，作為科普書，還是不錯的，但不是給普通小孩看的，而是給有興趣的人邊查閱資料邊理解去看的，里面的信息被大量壓縮，沒有基礎去強行理解那只能自找難受，當然也可以適當跳過，畢竟看書某種程度上是滿足自身的某種欲望，比如好奇心、聊天知識庫。
看到這里的朋友，感謝你的閱讀。
