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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＞2213

“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