01章：我們的宇宙圖像

1.介紹歷史上各種不正確的宇宙模型。

比如：由于引力的存在，牛頓所假設(shè)的無限而靜止的星空不可能存在，假如存在，星系們會坍縮到一處去。

2.宇宙可能不是無始無終的，而是存在一個開端

1929年，哈勃觀測到所有的星系似乎都在離我們遠(yuǎn)去。這一方面暗示宇宙正在膨脹，另一方面暗示在100至200億年前，可能所有的星系都擠在一起。這暗示了宇宙大爆炸理論。

3.在宇宙開端之前，不存在時間（不可回溯）

從物理學(xué)上看，在奇點內(nèi)所有科學(xué)定律都已失效，無法推測，因此也無法回溯?，F(xiàn)有物理學(xué)上的時間的概念是基于過程的，既然奇點內(nèi)的物理過程跟現(xiàn)有物理過程均不同，因此可以說奇點內(nèi)不存在目前我們所能理解的時間。

4.物理理論總是臨時性的

當(dāng)一個理論能準(zhǔn)確預(yù)測物理現(xiàn)象，則認(rèn)為它是一個好的理論；一旦有一次它預(yù)測失敗了，則說明需要新的升級版的理論。這就是科學(xué)家認(rèn)知宇宙的方式，假如這樣的方式是正確的，那么人類會越來越靠近理論物理的終極目標(biāo)：找到一套可以準(zhǔn)確解釋宇宙中所有事物的理論。

02章：空間和時間

1.不存在絕對的空間

依牛頓運(yùn)動定理可得，由于宇宙天體總是在運(yùn)動，因此不存在絕對靜止的坐標(biāo)，不存在絕對固定的空間中的位置。

2.光速不變理論的由來

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，該公式暗示了電磁波速度不變的可能性。愛因斯坦據(jù)此提出假設(shè)：真空中的光速在任何參考系中都不變，跟光源的速度、觀察者的速度都無關(guān)。麥克爾遜--莫雷實驗等很多實驗和現(xiàn)象都支持這一假設(shè)。

原理：與光子產(chǎn)生相互作用的鄰域真空中的某種“場”是一個不變量，因此光在這種場中的傳播速度也是一個不變量，這是我們所在的宇宙時空的特性。

4.不變性原理（洛倫茲不變性）

一切物理定律（除引力外的力學(xué)定律、電磁學(xué)定律以及其他相互作用的動力學(xué)定律）在洛倫茲變換下保持形式不變。即對于任何慣性系來說，這些物理定律都是一樣的。

慣性系：處于靜止或勻速直線運(yùn)動中的參照系。

洛倫茲變換：對兩個慣性系進(jìn)行數(shù)學(xué)上的坐標(biāo)變換。

5.狹義相對論

基于光速不變和洛倫茲不變性這兩個假設(shè)，對物理定律進(jìn)行洛倫茲變換，就得到了狹義相對論。通過狹義相對論可以推導(dǎo)出很多推論，比如鐘慢效應(yīng)、光速不可超越性、質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程等。

6.不存在絕對的時間

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。該公式說明力學(xué)、電磁學(xué)等過程，在速度更快的慣性系中會變慢，因此各種物理、生物、化學(xué)過程都會變慢。這已經(jīng)被實驗觀測所證實。

7.時間光錐

一個光脈沖在一個三維空間發(fā)生后，會以光球的形式向周圍發(fā)散開來，物理學(xué)家把三維空間用二維平面圖來表示，則每一時刻的光球被描述為一個圓截面；給此三維空間加上一個時間維，則圓截面?zhèn)儤?gòu)成了一個圓錐，在時間正軸上的叫未來光錐，在負(fù)軸上的叫過去光錐。時間光錐被用來描述時空中哪些區(qū)域會被某一光事件影響。

8.廣義相對論

狹義相對論認(rèn)為光速是物質(zhì)可以達(dá)到的最大速度，這跟引力理論不協(xié)調(diào)：牛頓引力理論認(rèn)為引力只跟距離和質(zhì)量相關(guān)，如此一來引力效應(yīng)的傳播速度就得是無窮大。

為了跟引力理論相協(xié)調(diào)，愛因斯坦改進(jìn)了狹義相對論：假設(shè)質(zhì)量會引起時間-空間的彎曲，光線會沿著被彎曲了的時空傳播，引力效應(yīng)的傳播會產(chǎn)生引力波。通過廣義相對論，不變性原理從慣性系擴(kuò)展到了非慣性系。在廣義相對論看來，物體的位置和速度會受到時空結(jié)構(gòu)的影響，時空結(jié)構(gòu)也會被宇宙中的事件所影響。

03章：膨脹的宇宙

1.紅移的發(fā)現(xiàn)

天文學(xué)家通過研究恒星光譜中的特征吸收線（由于元素對光的吸收而產(chǎn)生）來研究天體與我們的距離（由于相同的恒星往往具有相同的絕對亮度，因此可以根據(jù)恒星光譜來確定恒星的種類，進(jìn)而結(jié)合恒星的表象亮度推算恒星的遠(yuǎn)近），在研究過程中發(fā)現(xiàn)大部分星系的光譜都有紅移，而且越遠(yuǎn)的天體紅移越多。根據(jù)多普勒效應(yīng)（波源和觀測者的相對運(yùn)動會導(dǎo)致各種波的波長發(fā)生變化，測速儀就是基于此原理），對光波來說，光譜移向紅端表明光源在離我們遠(yuǎn)去，這暗示了宇宙正在膨脹。

2.靜態(tài)宇宙悖論

從理論上來說，靜態(tài)的宇宙不可能存在（會坍縮），因此宇宙必須要有膨脹的趨勢來抵消引力的影響。但早期的科學(xué)家難以接受膨脹的宇宙，甚至愛因斯坦發(fā)表相對論時，為了避免出現(xiàn)非動態(tài)平衡的宇宙，在公式中增加了一個“宇宙常數(shù)”來對抗引力。

3.弗里德曼的假設(shè)

1.不論往哪個方向看，2.也不論在宇宙中的哪個地方看，宇宙看起來都一樣。如果假設(shè)1成立，通過廣義相對論可算出，宇宙不是平衡態(tài)的；如果假設(shè)2成立，則任何兩個星系相互離開的速度跟它們之間的距離成正比。多種天文現(xiàn)象支持弗里德曼的假設(shè)：在各個方向上，宇宙背景微波噪音（可能來自于早期宇宙還比較密集、白熱時的輻射）都幾乎相同；又比如，哈勃發(fā)現(xiàn)各宇宙天體的紅移大致相同。

4.三種滿足弗里德曼假設(shè)的宇宙模型

1.大爆炸--大收縮；

2.大爆炸--永遠(yuǎn)且恒定速度膨脹；

3.大爆炸--膨脹越來越慢但不會停止。

所有弗里德曼假設(shè)的解（即模型）都存在一個奇點：一百多億年前，宇宙的密度和空間-時間曲率是無窮大。由于數(shù)學(xué)不能處理無窮大的數(shù)，而且我們的科學(xué)理論都是基于平坦的空間-時間，因此科學(xué)無法推測奇點以及奇點之前的宇宙。

5.彭羅斯的奇點定理

由于光錐行為和引力，根據(jù)相對論可以算出，一旦恒星開始坍縮，必然會收縮成一個表面積和體積均為零的點（黑洞）。

6.霍金對大爆炸理論的證明

證明了任何類弗里德曼膨脹宇宙一定是從一個奇點開始，即通過數(shù)學(xué)手段證明了大爆炸理論。雖然霍金后期認(rèn)為考慮到量子效應(yīng)，大爆炸不一定存在，但大爆炸學(xué)說已經(jīng)被學(xué)術(shù)界所廣泛認(rèn)可。

7.廣義相對論的不完備性

廣義相對論會在大爆炸奇點和黑洞處失效。為了研究奇點，需要研究量子力學(xué)的小尺度效應(yīng)。

04章：不確定性原理

1.推翻決定性論假說

決定性論存在一族科學(xué)定律，只要我們知道宇宙某一時刻的完全的狀態(tài)，我們便能預(yù)言宇宙在任一時刻的狀態(tài)，此即量子理論出現(xiàn)前被很多人信奉機(jī)械論宇宙觀。該理論已經(jīng)被量子物理學(xué)證偽。

2.普朗克輻射理論

該理論完美解釋了黑體輻射。普朗克在此理論中提出，光波等輻射不能以任意能量單位輻射，而只能以最小為某個常數(shù)的單位進(jìn)行輻射。

3.不確定性原理

海森堡提出，粒子位置的不確定性×粒子質(zhì)量×速度的不確定性不能小于一個確定量--普朗克常量。這個極限跟測量方法無關(guān)，也跟粒子的種類無關(guān)。

4.電子雙狹縫實驗

歷史上最經(jīng)典的物理實驗之一，將電子一個一個地通過雙狹縫打到后面的屏幕上，仍會出現(xiàn)干涉條紋（說明每個電子在同一時刻從兩條狹縫中通過）；如果是單狹縫，則沒有條紋。該實驗證明了電子的波動性。

5.量子力學(xué)

狄拉克、薛定諤等人在普朗克、愛因斯坦、玻爾等人理論的基礎(chǔ)上，給出了不確定性的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。從此把隨機(jī)性引進(jìn)了科學(xué)，不再用速度和位置來描述微觀粒子，而是用速度和位置結(jié)合的“量子態(tài)”來描述；不再對一個粒子進(jìn)行預(yù)測，而是預(yù)測一組粒子的結(jié)果和概率。由于普朗克常量的存在和不確定性原理，從量子力學(xué)角度看來，微觀粒子存在波粒二象性。

6.電子軌道理論

玻爾提出，電子只能在原子核周圍的固定的軌道上存在，而不是任意軌道。因此，電子軌道應(yīng)該是電子波長的整數(shù)倍：這樣電子波就可以相互疊加，形成了玻爾提出的固定軌道；如果不是整數(shù)倍，則電子波的波峰和波谷會相互抵消，使得軌道無法存在。

注意：多種實驗表明此軌道模型并不準(zhǔn)確。當(dāng)前主流的量子理論將電子描述為波函數(shù)：電子能量各不同，各自根據(jù)自己的能量在原子核四周以幾率波的形式出現(xiàn)，在玻爾半徑上出現(xiàn)的概率最大。

05章：基本粒子和自然的力

1.人類對微觀粒子的認(rèn)知過程

基本粒子：湯姆生在十九世紀(jì)末期的實驗發(fā)現(xiàn)了電子；1905年愛因斯坦對布朗運(yùn)動的解釋間接證明了原子的存在；之后的一系列粒子碰撞實驗使科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子（由3個夸克組成）、中子（由3個夸克組成，不帶電）、介子，直至發(fā)現(xiàn)夸克模型中的6種夸克存在的間接證據(jù)。

高能物理：由于光波的波長比原子半徑大很多，因此微觀物理學(xué)中不能用“光”去探測粒子，而只能用波長盡量短的粒子去探測，而粒子的能量越高則波長越短，因此需要將粒子加速到非常高的能量狀態(tài)，用以探測微觀世界。

2.粒子的自旋

粒子的自旋是一個可觀測量，類似于經(jīng)典力學(xué)中的角動量，但本質(zhì)不同，是粒子生而具有的內(nèi)在特性。

粒子存在3種自旋：自旋為0的粒子從各個角度來看都相同；自旋為1的粒子像撲克里的黑桃A，只有旋轉(zhuǎn)一整圈以后看起來才和原來相同；自旋為2的粒子像黑桃Q，旋轉(zhuǎn)180°后看起來就和原來一樣；而1/2自旋的粒子需要旋轉(zhuǎn)2圈才能看起來相同。

費米子：自旋為1/2等半整數(shù)的粒子叫費米子，如電子、夸克、質(zhì)子、中子、由奇數(shù)個核子組成的原子；

玻色子：自旋為0、1、2等整數(shù)的粒子叫玻色子，如介子、光子、偶數(shù)個核子組成的原子。

3.泡利不相容原理

泡利發(fā)現(xiàn)，在費米子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個或兩個以上的粒子處于完全相同的單粒子態(tài)。

該原理是一種假設(shè)，但符合觀測事實。泡利不相容原理的是很多物質(zhì)的物理、化學(xué)特性的根源。

4.狄拉克方程

一種考慮了量子力學(xué)和相對論效應(yīng)而提出的關(guān)于電子運(yùn)動的力學(xué)方程，在數(shù)學(xué)上符合很多場景下的觀察結(jié)果，可以解釋電子的自旋、磁矩，正電子的存在等現(xiàn)象。

5.虛粒子

基本粒子可分為物質(zhì)粒子和攜帶力的粒子兩種，所有的原子、費米子都是物質(zhì)粒子。

虛粒子理論認(rèn)為，在物質(zhì)粒子間依靠一些特殊粒子來傳遞各種力（物質(zhì)粒子發(fā)射傳播子產(chǎn)生反彈，傳播子遇到物質(zhì)粒子產(chǎn)生碰撞，以此產(chǎn)生物質(zhì)粒子間的相互作用力），這些特殊粒子都是玻色子（具體來說屬于玻色子中的一類：傳播子），因其無法被直接觀測到，被叫做虛粒子。

6.四大基本力

引力：作用在物質(zhì)粒子上的長距離、單屬性可疊加的力，雖然弱，但由于其宏觀上不會互相抵消，在宏觀世界里的表現(xiàn)比較明顯。

電磁力：只作用于帶電粒子，同極相斥異極相吸，因此在無序機(jī)構(gòu)中宏觀上傾向于被抵消。

弱核力：作用在物質(zhì)粒子上的短距離的力，可導(dǎo)致放射性現(xiàn)象的產(chǎn)生。根據(jù)電弱統(tǒng)一理論，弱核力和電磁力是同一種力的不同表現(xiàn)。

強(qiáng)核力：將夸克束縛在一起的力，力比較強(qiáng)但作用距離短。成功解釋了強(qiáng)核力的量子色動力理論認(rèn)為，不同的夸克和膠子都具有叫做“色”的屬性，色有三種，三種綁在一起叫做無色，自然界存在名為“色禁閉”的現(xiàn)象，即在常規(guī)能量水平下，夸克和膠子都受到“色”的強(qiáng)力束縛，使得單獨的帶色粒子無法出現(xiàn)，只有結(jié)合成無色狀態(tài)才能存在。

虛粒子理論認(rèn)為，引力的傳播子是引力子，電磁力的傳播子是虛光子，弱核力的傳播子是重矢量玻色子，強(qiáng)核力的傳播子是膠子。

7.大統(tǒng)一理論（GUT）

科學(xué)家猜想，也許類似電弱統(tǒng)一理論（電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一理論）那樣，四大基本力只是同一種力在不同能量水平下的不同表現(xiàn)，在一個非常高的能量狀態(tài)下（大統(tǒng)一能量），各種基本力的表現(xiàn)會比較接近。

由于大統(tǒng)一能量的閾值非常高，導(dǎo)致通過給粒子加速使其獲得大統(tǒng)一能量or通過觀察粒子偶然獲得足夠能量產(chǎn)生的衰變來檢驗大統(tǒng)一理論非常困難，所以目前該理論無法進(jìn)一步發(fā)展。

間接證據(jù)表明，所有的宇宙星系都是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)組成的，GUT理論可以解釋這一現(xiàn)象：雖然在高能狀態(tài)下，夸克可以和反電子互相轉(zhuǎn)化，反夸克也可以和電子互相轉(zhuǎn)化，但由于粒子和反粒子的不對稱，所以在低能狀態(tài)下，夸克比反夸克多，物質(zhì)比反物質(zhì)多。

8.對稱性：

P對稱：科學(xué)家曾認(rèn)為科學(xué)定律對于任何情景和它的鏡像（比如粒子和與它自旋方向相反的粒子）是相同的，即宇稱守恒。但1956年，楊振寧和李政道提出理論認(rèn)為弱核力不符合P對稱，同年吳健雄的實驗證明了該理論。

C對稱：科學(xué)家曾認(rèn)為科學(xué)定律對于粒子和反粒子是相同的。但實驗證明，弱核力不符合C對稱。

CP聯(lián)合對稱：科學(xué)家曾認(rèn)為弱核力符合CP聯(lián)合對稱。但實驗表明，K介子的衰變不符合CP聯(lián)合對稱。

T對稱：科學(xué)家曾認(rèn)為科學(xué)定律對于正向和反向運(yùn)行的粒子來說是相同的，即如果顛倒所有粒子的運(yùn)動方向，系統(tǒng)將會回到之前的狀態(tài)。由于CPT聯(lián)合對稱成立而CP聯(lián)合對稱不成立，因此單獨的T對稱也不成立。

CPT聯(lián)合對稱：假如C、P、T同時取反，則科學(xué)定律不變。到目前為止沒有發(fā)現(xiàn)違反CPT聯(lián)合對稱定理的物理現(xiàn)象，因此認(rèn)為該定理成立，屬于量子力學(xué)體系中的基礎(chǔ)定理之一。

06章：黑洞

1.黑洞理論的誕生

1783年劍橋的米歇爾提出，一個足夠大的致密天體會產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的引力場，在該引力場內(nèi)，連光線都無法逃脫，這暗示了黑洞的存在。1915年愛因斯坦用廣義相對論解釋了引力如何影響光之后，該理論開始被重視。

2.星體的熱力平衡

普通恒星的熱力平衡：大量的氣體受引力影響而聚合成恒星，氣體原子的高度密集導(dǎo)致核聚變發(fā)生，核聚變產(chǎn)生的高熱膨脹力使得恒星不會進(jìn)一步收縮，這種核反應(yīng)發(fā)出的熱和引力達(dá)成的平衡維持了普通恒星的狀態(tài)。

白矮星的昌德拉塞卡平衡：昌德拉塞卡發(fā)現(xiàn)，當(dāng)恒星因為熱核能源耗盡而無法維持熱力平衡時（冷恒星），恒星將開始收縮，物質(zhì)粒子靠得非常近，按照泡利不相容原理，原子里的電子必須有非常不同的速度，這產(chǎn)生一種斥力（簡并電子壓力），從而可以對抗引起收縮的引力，使得晚期恒星處于另一種平衡狀態(tài)--白矮星狀態(tài)，比如天狼星。但該斥力存在極限，即白矮星有最大質(zhì)量，昌德拉塞卡極限為太陽質(zhì)量的1.44倍。

中子星平衡：蘇聯(lián)的朗道預(yù)言，質(zhì)量大于昌德拉塞卡極限的冷恒星還可能演變?yōu)榱硪环N狀態(tài)--原子結(jié)構(gòu)被破壞，不是依靠原子里的電子的不相容排斥力，而是由中子和質(zhì)子之間的不相容排斥力與引力達(dá)到穩(wěn)定平衡，這就是中子星。

3.奧本海默極限

廣義相對論表明，恒星的引力場會使光錐（光在時空中的傳播路徑）在恒星表面向內(nèi)彎曲（空間曲率發(fā)生變化）。1939年奧本海默等人通過計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中子星的質(zhì)量大于奧本海默極限值時，中子星也將垮塌下去，垮塌后其半徑小于史瓦西半徑（任何不旋轉(zhuǎn)球狀物體變成黑洞的臨界半徑），其表面的空間曲率變化之大將使得任何光線或物質(zhì)都無法逃離此引力場。這種引力場區(qū)域叫做黑洞。

4.黑洞的視界

黑洞周圍存在一種視覺邊界，叫做視界，在此邊界上的光線剛好不能從黑洞逃逸，發(fā)生在黑洞里的事件不會被視界外面的人所觀察到。一般將視界看作是黑洞的邊界。視界附近的引力差非常巨大，會將任何靠近的物體撕裂。

5.奇點

密度和時空曲率無限大的點，叫做奇點。黑洞內(nèi)存在奇點。

宇宙監(jiān)督假說：彭羅斯提出的假想，認(rèn)為奇點只會存在于黑洞這種有視界可以遮住所有外逃光線的區(qū)域內(nèi)，不存在可以直接被看到的裸奇點。但廣義相對論方程存在一些能產(chǎn)生裸奇點的解，雖然這些解很不穩(wěn)定，稍有干擾就會使裸奇點被視界遮住。

6.引力波

廣義相對論預(yù)言，運(yùn)動的重物會產(chǎn)生以光速傳播的空間曲率的漣漪--引力波。引力波已經(jīng)被對脈沖雙星的觀測以及LIGO探測器所證實。引力波作為一種輻射，會帶走發(fā)射源的能量，一般情況下引力波引起的能量損失非常微小，但在恒星坍縮成黑洞時，引力波輻射會大幅增強(qiáng)。

7.黑洞的形狀

加拿大科學(xué)家伊斯雷爾于1967年算出，非旋轉(zhuǎn)的黑洞都是完美球形，結(jié)構(gòu)相同。之后科學(xué)家計算發(fā)現(xiàn)，任何非旋轉(zhuǎn)恒星，在坍縮成黑洞的過程中釋放的引力波都會使之越來越接近球形，最終都會終結(jié)于一個完美的球形，大小只依賴于質(zhì)量。新西蘭科學(xué)家克爾則發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)黑洞的一種可能結(jié)構(gòu)：赤道鼓出、大小與形狀只與質(zhì)量和自傳速度相關(guān)。之后霍金、倫敦的大衛(wèi)·羅賓遜等人的計算表明，克爾黑洞是穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)黑洞的唯一解，這說明黑洞最終都會演變成一種能夠旋轉(zhuǎn)，但是不能搏動的態(tài)，它的大小和形狀，只取決于它的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，而與坍縮形成黑洞的原先物體的性質(zhì)無關(guān)。因此可以說“黑洞無毛”，形成黑洞的天體的細(xì)節(jié)信息，在形成黑洞后都會損失掉，而只剩下質(zhì)量和轉(zhuǎn)速兩個特征。

8.黑洞存在的證據(jù)

1967年，劍橋的約瑟琳·貝爾觀測到了射電脈沖星，證明了中子星的存在。天鵝X-1星的軌道和強(qiáng)X射線，也只有用伴星是黑洞來解釋才比較合理，這樣的類似雙星還有不少。黑洞理論還可以解釋為何銀河系的轉(zhuǎn)動速率所體現(xiàn)出來的質(zhì)量超過了可見星的總質(zhì)量--因為黑洞比可見星要多，以及銀河系中心的射電波和紅外線源--在銀河中心存在巨大的黑洞。計算表明落入黑洞的物質(zhì)會在黑洞附近產(chǎn)生高能粒子，并產(chǎn)生一個強(qiáng)磁場，使粒子流沿著黑洞的南北極噴射，在許多星系和類星體中能觀察到這類射流。

9.小型黑洞

如果有足夠的壓力，質(zhì)量小于昌德拉塞卡極限的物體也可能變成黑洞。若極早期宇宙是高溫高壓且不均勻分布的，就可能產(chǎn)生這種小型黑洞--太初黑洞。對太初黑洞的觀測，可以幫助我們了解極早期的宇宙。

07章：黑洞不完全黑

1.黑洞的視界不會減少

處于黑洞視界上的光線，既不會被黑洞吞沒，也不會逃逸，意味著這些光線永遠(yuǎn)不會互相靠近，因此黑洞視界的面積永遠(yuǎn)不會減少，不管是物質(zhì)落進(jìn)黑洞，還是黑洞互相吞噬，視界的總面積總是大于或等于原來的視界之和。

2.熱力學(xué)第二定律

一個孤立系統(tǒng)的熵（熱力學(xué)中把物質(zhì)的無序度叫做熵）總是增加的，當(dāng)兩個系統(tǒng)連接在一起時，其合并系統(tǒng)的熵大于所有單獨系統(tǒng)熵的總和。意思是說，自然界的事物總是傾向于變得更無序，如果要從無序中創(chuàng)造出有序，必然得消耗能量，會使可利用的有序能量的數(shù)量減少。該定律被認(rèn)為是自然界的基本規(guī)律，也因此，永動機(jī)是不可能出現(xiàn)的。

3.黑洞的溫度悖論

霍金等科學(xué)家認(rèn)為，黑洞的視界就是黑洞的熵，當(dāng)外界物質(zhì)進(jìn)入黑洞，外界的熵減少，黑洞的熵增加，使得系統(tǒng)仍滿足熱力學(xué)第二定律。但根據(jù)熱力學(xué)，如果一個黑洞具有熵，則它應(yīng)該也有溫度，而具有一定溫度的物體必然會發(fā)出輻射，否則將違反熱力學(xué)第二定律的推論。顯然，從黑洞內(nèi)部無法輻射出任何物質(zhì)或光線，這就產(chǎn)生了熱力學(xué)上的矛盾。霍金借助真空波動理論解決了這個矛盾。

4.真空波動

根據(jù)不確定性原理，真空不能是完全空的，因為那就意味著諸如引力場和電磁場的所有場都被固定為零，既有確定的值（零）又有確定的變化率（也是零）--場的值必然有一定的最小的不確定性量，即量子起伏?？梢詫⑦@些起伏理解為憑空產(chǎn)生一對正反虛粒子，然后瞬間相互湮滅，以符合能量守恒。

5.霍金輻射

霍金推想，因真空波動在黑洞外產(chǎn)生的虛粒子對中，如果其中一個被黑洞吸收，而另一個逃逸，則那個逃逸的粒子獲得了能量，不需要跟其相反的粒子湮滅，因此可以逃逸到無限遠(yuǎn)。在外界看來就像黑洞在發(fā)射粒子一樣。由于它是向外帶走能量，所以它是帶走了一部分黑洞的能量?；诓淮_定性原理的計算表明，黑洞必然會如同一個熱體那樣發(fā)射粒子和輻射，其溫度只依賴于黑洞的質(zhì)量，質(zhì)量越小則溫度越高，輻射越強(qiáng)。

對于正常質(zhì)量的黑洞，霍金輻射造成的能量損失比它吸收的宇宙微波輻射還要低，影響可以忽略不計；但對于太初宇宙產(chǎn)生的小型黑洞來說，由于其“溫度”較高，初始質(zhì)量小于10億噸的太初黑洞到現(xiàn)在可能已經(jīng)通過霍金輻射蒸發(fā)完畢，比這稍大的黑洞仍在以大約一萬兆瓦的功率輻射出X射線以及伽馬射線。

6.如何觀測太初黑洞

從宇宙伽馬射線輻射背景可以推算出，平均每立方光年不可能有多于300個太初黑洞，比較稀少，因此太初黑洞距離地球比較遠(yuǎn)，非常難以觀測。

08章：宇宙的起源和命運(yùn)

1.熱大爆炸模型

原理：假設(shè)從熱大爆炸開始宇宙就符合弗里曼模型（從一個點往宇宙的各個角度看，宇宙都相同），從熱力學(xué)角度看，可知宇宙具有溫度，隨著宇宙的膨脹，整個宇宙的輻射和溫度在成反比下降。可依此規(guī)律計算出熱大爆炸各個階段中都發(fā)生了什么變化。

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熱大爆炸理論可以解釋：

宇宙背景輻射

宇宙早期階段的輻射存在到今天就是宇宙背景微波輻射

宇宙的不同元素比例

按理論回溯到大爆炸后大約1秒為止，理論和實際觀測結(jié)果相符

天體的自旋

局部區(qū)域停止膨脹并開始坍縮時，由于角動量守恒，所形成的天體開始旋轉(zhuǎn)

重元素的產(chǎn)生和比例

第一代恒星臨近死亡時會噴出重元素，供給太陽這樣的第二代/第三代恒星

熱大爆炸理論無法解釋：

1. 為何早期宇宙如此之熱
2. 為何宇宙在大尺度上如此均勻，就像是互相有過能量交換一樣？（按理說大爆炸時能量來不及跨區(qū)域傳遞，達(dá)不到這種均勻的效果）
3. 為何宇宙在熱大爆炸開始后沒有迅速掉入坍縮或永遠(yuǎn)膨脹的弗里曼模型？而是以現(xiàn)在這種很巧合的臨界速度緩慢膨脹？
4. 如果現(xiàn)有宇宙的局部無規(guī)性是因早期宇宙的密度起伏發(fā)展而來，為何早期宇宙會有這個程度的密度起伏？
   由于廣義相對論等物理定律在奇點處失效，所以上述問題無法通過傳統(tǒng)理論解釋。

2.人擇宇宙原理

從數(shù)學(xué)上看，宇宙的初始態(tài)存在很多種可能的結(jié)構(gòu)，可能演變出很多種宇宙，只有極小的概率會使宇宙演變成現(xiàn)在我們生存的宇宙（大體上均勻，局部卻又不同，且元素分布、自然常數(shù)等恰巧適合生命生存）。
這就產(chǎn)生了悖論：既然概率如此之小，為何還會演變成現(xiàn)在這樣？
人存理論的解釋是：我們只是湊巧生存在這個小概率的結(jié)果之中罷了。
在大部分科學(xué)家看來這種解釋很牽強(qiáng)，因此有了暴脹理論等學(xué)說。

3.暴脹理論

阿倫.固斯提出，在熱大爆炸之前曾有過一個暴脹時期，期間宇宙因某種暴脹場的存在以加速膨脹的形式迅速膨脹，之后又轉(zhuǎn)為緩慢膨脹，這種加速膨脹--緩慢膨脹的過程使得太初宇宙的非均勻部分在很大程度上被抹平了。
暴脹場：該暴脹場起到的作用類似愛因斯坦的相對論里提出的宇宙常數(shù)，不同的是愛因斯坦的宇宙常數(shù)是用來對抗引力收縮，而該暴脹場使得宇宙不斷膨脹。固斯最初用大一統(tǒng)狀態(tài)下希格斯場引起自發(fā)對稱破缺來解釋暴脹場，但現(xiàn)在科學(xué)家傾向于認(rèn)為該太初暴脹場與暗物質(zhì)有關(guān)，隨著暗物質(zhì)能量的下降，太初暴脹階段（約持續(xù)38000年）結(jié)束，轉(zhuǎn)為熱大爆炸膨脹。
超光速：由于該模型下時空的膨脹被宇宙常數(shù)加速，因此早期宇宙中的光線可以以遠(yuǎn)超現(xiàn)在光速的速度在不同的區(qū)域之間傳播。
暴脹的結(jié)束：固斯用大一統(tǒng)力場的對稱性突然破缺（相變）來解釋暴脹的結(jié)束，但此理論有很多缺陷?，F(xiàn)在科學(xué)家傾向于用混沌暴脹模型（某種量子場）來解釋。
在暴脹理論下，宇宙演變到現(xiàn)在的狀態(tài)不需要太特殊的初始狀態(tài)，具有更大的數(shù)學(xué)概率。

4.如何研究奇點處的宇宙（宇宙的開端）

對此，傳統(tǒng)的理論無能為力，因為此處密度和時空曲率無限大，已知的科學(xué)定律崩潰。

量子引力論

概念：能把關(guān)于小尺度的理論“量子理論”，與關(guān)于大尺度的理論“廣義相對論”結(jié)合起來的理論。
量子引力論還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能完善。但量子引力論如果存在，將可以幫助研究奇點處的宇宙。

虛時間的引入

為找到量子引力論的數(shù)學(xué)形式，很可能需要對量子在時空中的歷史進(jìn)行求和。
從數(shù)學(xué)上來看，用虛數(shù)來表示時間較有可能使此種求和成為可能，引入虛數(shù)時間將使事件發(fā)生在歐幾里得型空間里。
可以認(rèn)為虛時間和歐幾里得空間的引入僅僅是一種數(shù)學(xué)手段。但假若此種數(shù)學(xué)模型與世界的表現(xiàn)相符合，那它就是宇宙性質(zhì)的一部分，也就不是“虛”的了。

一種假設(shè)：時空有限卻無界

概念：也許時空在歐幾里得四維空間里是閉合的，就像三維空間的球體表面一樣，有限而無界。
推論：那么在此四維空間里，可以說時空沒有邊界，因此也就不存在邊界行為，如奇點，宇宙沒有所謂開始和結(jié)束（但在三維空間里仍然有）。