《时间简史（普及版）》知识点整理

伍家窑 2017-11-17

展开全文

前言

我是大一时（三年前）读的这本书，当时就反复读了好几遍，并记录了每个章节的重要知识点。

高中时就对近代物理学的两大理论——相对论和量子力学，感到震撼与痴迷。一方面，这两个理论深深地改变了我的世界观。让我知道了原来我们所处的世界，包括光、时间、空间等等看似简单的概念，并没有那么简单。除了收获了新知识，另一方面，也让我了解了许多相关的物理学史，从中获得了许多做人做事的启发，比如敢于挑战权威、不能拘泥于传统的思维模式、充分发挥想象力等等。

所幸《大学物理》教材上对这两个理论有比高中教材更深入的剖析，比如公式的数学推导等等。结合教材上的内容以及自己的思考，我对这本书上的知识点给了一些补充与批注，当然其中一定会有谬误，希望高手可以指出。

不过，想要深刻理解其中的内容，我等凡人还是无法达到，至少数学功底还差得远。因此能够学习到其中的皮毛，并有自己的心得体会，那也就值了！

iiiiiiiiii

译者序：

1、最近10年（相对于2004年）的观测已经确认宇宙的年龄约为137亿年。

2、科学家认为宇宙是开放的，并永远膨胀下去，且其膨胀率正在不断增大。也就是说，宇宙的膨胀不仅没有因物质的万有引力而减缓，反而由于在宇宙中存在某种暗能量而加速。至于暗能量的机制是什么，这是当代宇宙学的最大课题之一。

第一章——思索宇宙

1、除了太阳，最近的恒星是比邻星（也叫半人马α星），相距约4光年。

第二章——宇宙演化的图象

1、一个简单的事实证明地球是“圆”的：一艘从地平线上驶来的帆船，它的桅杆和船帆最先显露出来，随后才是船身。

2、肉眼只能观察到这5颗行星：水星、金星、火星、木星和土星。

第三章——科学理论的本性

1、任何自然科学理论可以说都只是一个“假说”。在这个意义上，它都只能是暂时的“正确”，因为你不能证明它是永远正确的（不管实验的结果有多少次与这个理论吻合，你都永远不能断定下一次的实验结果还与它吻合）。另一方面，一旦找到任何一个与该理论不吻合的实验结果，就足以将它证伪。然后，我们就必须抛弃或修正它。

第四章——牛顿之宇宙

第五章——相对论

1、麦克斯韦理论意味着，电磁波（以光为代表）以某种固定速度（即光速）行进。而这很难与牛顿理论中不存在静止的绝对标准的观点相一致。因此，人们提出存在一种称为“以太”的物质。它无处不在，包括真空，并认为光相对于以太的速度是不变的。然而，迈克耳孙-莫雷实验证实了以太根本不存在。

2、相对论使绝对时空的观念寿终正寝，也让我们必须接受：时间不能完全和空间分离，而是和它相结合，形成一个称为“时空”的客体。

3、1905年爱因斯坦发表了狭义相对论，成功解释了为什么光速在任何惯性系中对所有观测者都是相同的。同时也提出了一切物体的速度不能超越光速，包括引力传播的速度，而这与牛顿引力论（引力以无限大的速度传播）不相协调。直到1915年，他才又提出了一个更具革命性的理论——广义相对论。

iiiiiiiiii

附：对质能方程*的正确理解

1、正确理解E与m的具体含义：当物体静止时，m表示静止质量，E表示静止能量；当物体运动时，m表示运动质量，E表示静止能量加上动能。

2、a.质量和能量可以相互转化。b.原子核的质量亏损现象不满足质量守恒定律。这两个说法都是错误的！

正确理解是：在发生核聚变或核裂变（实际上这两种核反应都是由比结合能小的原子核转变为比结合能大的原子核的过程）时，结合能（也叫核能）被释放，亏损的质量转化为了光子的运动质量（光子无静止质量，其运动质量计算公式为 **，且光子只有动能）。注：结合能的概念其实很广泛，比如多个原子在形成分子时也会释放出结合能，但是这种结合能与多个核子在形成原子核时的能量相比小很多，通常忽略不计。因此，上述的结合能也叫核能。

3、另外，必须注意：在经典力学中，物体的动能公式是***。而在相对论中，物体的动能公式是****。当物体的运动速度v远小于光速c时，物体的运动质量近似为静止质量，因此相对论中的动能公式就能被经典力学中的动能公式替代。

iiiiiiiiii

第六章——弯曲空间

1、球面上任意两点之间的最短距离（也叫测地线）是这两点与球心所确定的圆周上的劣弧（或半圆）。所以，在一张平面地图上，两点之间的最短距离并不是这两点所确定的线段。

2、狭义相对论的基本原理

a.光速不变原理：在所有惯性系中（在广义相对论中推广到所有参考系），真空中的光速不变。

b.狭义相对性原理：在所有惯性系中，物理定律都具有相同的数学形式。这是伽利略相对性原理的推广。

3、广义相对论的基本原理

a.等效原理：一个均匀的引力场与一个匀加速直线运动的参考系等效。

b.广义相对性原理：在所有参考系中，物理定律都具有相同的数学形式。这是狭义相对性原理的推广。

4、广义相对论的预言：水星近日点的进动、光在引力场中的弯曲（不能理解为光受到了引力的作用而发生弯曲，因为在广义相对论中不存在“引力”的概念！）、引力红移（包括强引力场周围的时间比弱引力场流逝得快）、引力波等。

iiiiiiiiii

思考：广义相对论与狭义相对论相比，其“广义”之处在哪？

1、通过等效原理将相对性原理由所有惯性系推广到所有参考系。

2、不再认为引力是一种力，而是时空的弯曲。

iiiiiiiiii

第七章——膨胀的宇宙

1、哈勃发现从大多数星系获得的光谱呈现红移（主要是由于多普勒效应，而非引力红移效应），并且越远的星系，远离我们的速度越快，从而发现了宇宙正在膨胀。

另外需要注意：多普勒效应与引力场都会导致光谱红移，但是二者的原理不同。

2、爱因斯坦于1915年表述广义相对论时，很坚信宇宙必须是静止的。他甚至在引力场方程中引进一个宇宙常数来敷衍。后来，他又否定了宇宙常数，并说这是他在学术上犯下的最大错误。但是，最近几年的观测指出：宇宙的膨胀实际上不是减慢的，而是加速的。弗里德曼的三个模型中没有一个能解释它，这意味着爱因斯坦引进的宇宙常数（以及它的反引力效应）或许是正确的。

第八章——大爆炸、黑洞和宇宙的演化

1、在早期宇宙中，存在电子/正电子对碰撞创生光子（γ射线）和相反过程（注意不是所有光子碰撞都能发生反应，必须是能量很高的光子）之间的平衡。随着宇宙温度的下降，这种平衡变得对创生光子有利。

1.恒星的初始燃料（氢）越多，它就会越快燃尽。因为恒星的初始燃料越多，其质量越大，为了平衡引力，它就必须越热，从而核聚变反应就越快。

2.广义相对论的局限性在于它预言了宇宙中（包括在大爆炸时）存在奇点，即密度和时空曲率无限大的位置。

第九章——量子引力

1、海森堡提出的不确定性原理（也叫测不准原理）表明了我们无法在某一时刻既精确地知道粒子的速度，又精确地知道它的位置。同时，这意味着拉普拉斯决定论的终结。

2、普朗克提出“能量不是连续的，而是量子化的”，这成功解释了黑体辐射的问题。量子力学就是从这以上两个原理发展而来的。后来，普朗克又提出了普朗克时间、普朗克长度以及普朗克能量的概念。

3、量子力学将一种不可预测性或随机性的不可回避因素引入了科学，但这并不意味着它限制了科学。因此，爱因斯坦的名言——“上帝不掷骰子。”不攻自破。而量子力学中，粒子都是由波（粒子的波粒二象性）来代表的。

4、单个电子在双缝干涉实验中仍然出现了干涉条纹，它与自己发生了干涉！量子力学也解释了为什么电子的辐射不会使电子坍缩到原子核上。

第十章——虫洞和时间旅行

1.哥德尔不完备性定理粉碎了大数学家希尔伯特对“严谨数学”的宏伟计划。

2.虫洞（又叫为爱因斯坦-罗森桥）只能维持很短的时间。