《霍金传》读书笔记如何写我教你。（精选5篇）

更新日期:2025-08-16 01:58

写作核心提示：

写一篇关于《霍金传》的读书笔记作文，需要关注以下几个关键事项，以确保你的作文内容充实、结构清晰、见解深刻：
"1. 明确读书笔记的目的和读者对象："
"目的：" 是为了记录阅读过程中的心得体会，还是为了分析霍金的生平、思想，或是为了探讨其作品的意义？明确目的有助于你确定写作方向和重点。 "读者对象：" 是写给老师、同学，还是写给自己的？不同的读者对象可能需要不同的写作风格和深度。
"2. 精读《霍金传》，做好笔记："
"广泛阅读：" 除了《霍金传》本身，还可以阅读霍金的著作、访谈、演讲等，以及相关的学术论文、评论文章等，以获取更全面的信息。 "重点标记：" 在阅读过程中，用不同的符号标记重要的观点、事件、人物描写等，方便后续写作。 "记录思考：" 在旁边写下你的疑问、联想、感悟等，这些是写作的灵感和素材。
"3. 确定写作主题和中心论点："
"主题：" 你想通过这篇读书笔记表达什么核心思想？例如：霍金的科学精神、人生哲学、对人类的意义等。 "中心论点：" 用一句话概括你的主要观点，并围绕这个观点展开论述。
"

《朝闻道》：斯蒂芬 霍金提出的终极问题 | 上

《黑洞战争》读后感

刘慈欣和他的《朝闻道》

刘慈欣曾经写过一篇名为《朝闻道》的短篇小说，《朝闻道》讲述的是这样一个故事，人类建造了最大的粒子加速器，名字叫做爱因斯坦赤道，当爱因斯坦赤道即将启动去探寻宇宙大统一模型的时刻，一个自称为宇宙排险者高级文明出现了，并把爱因斯坦赤道蒸发了。高级文明代言人告诉科学家们，大统一模型的证明会带来宇宙的毁灭。因为知识密封准则，他们无法告诉人类大统一模型的真相。于是人类科学家们便想出了一个“两全其美” 的办法，让高级文明把宇宙的终极奥秘告诉自己，代价是获得知识之后的科学家个体的毁灭。排险者答应了，并且在戈壁滩上制造了一个 “真理祭坛”，科学家们在上面得到自己要知道的真理，然后就被毁灭。

在小说的最后，斯蒂芬. 霍金代表人类问了最后一个问题：

最后一个上真理祭坛的人是斯蒂芬 · 霍金，他的电动轮椅沿着长长的坡道慢慢向上移动，像一只在树枝上爬行的昆虫。他那仿佛已抽去骨胳的绵软的身躯瘫陷在轮椅中，像一支在高温中变软且即将熔化的蜡烛。

轮椅终于开上了祭坛，在空旷的圆面上开到了排险者面前。这时，太阳落下了一段时间，暗蓝色的天空中有零星的星星出现，祭坛周围的沙漠和草地模糊了。

“博士，您的问题？” 排险者问，对霍金，他似乎并没有表示出比对其他人更多的尊重，他面带着毫无特点的微笑，听着博士轮椅上的扩音器中发出的呆板的电子声音：“宇宙的目的是什么？” 天空中没有答案出现，排险者脸上的微笑消失了，他的双眼中掠过了一丝不易觉察的恐慌。

“先生？”霍金问。

仍是沉默，天空仍是一片空旷，在地球的几缕薄云后面，宇宙的群星正在涌现。

“先生？”霍金又问。

“博士，出口在您后面。”排险者说。

“这是答案吗？”

排险者摇摇头：“我是说您可以回去了。”

“你不知道？”

排险者点点头说：“我不知道。”这时，他的面容第一次不仅是一个人类符号，一阵的悲哀的黑云涌上这张脸，这悲哀表现得那样生动和富有个性，这时谁也不怀疑他是一个人，而且是一个最平常因而最不平常的普通人。

“我怎么知道。”排险者喃喃地说。

斯蒂芬. 霍金：物理学的不死天王

斯蒂芬 · 威廉 · 霍金（英语：Stephen William Hawking，1942 年 1 月 8 日－），英国剑桥大学著名物理学家，被誉为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家之一。肌肉萎缩性侧索硬化症患者，全身瘫痪，不能发音。 1979 至 2009 年任卢卡斯数学教授，是英国最崇高的教授职位。霍金是当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是当今享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家之一，还被称为 “宇宙之王”。他唯一能动的地方只有两只眼睛和 3 根手指，其他地方根本不能动。

不过，在今天，有很多所谓的精英分子对于世俗民众对霍金的推崇不屑一顾，不少人认为对于霍金的推崇是言过其实，这些人认为，让霍金出名的并不是他的学术成就，而是他的病。在知乎上搜索一下霍金，有不少类似的问题和答案，而且赞同数都挺高。

无论是精英分子还是世俗大众，要去对霍金的学术成就进行评价，都无疑是痴人说梦。我们知道霍金被大家所津津乐道的还有他输掉的三次打赌。但同样的，大多数人对于霍金三次打赌所代表的含义一无所知。

在东野圭吾《嫌疑人 X 的献身》中有一段经典的对话，发生在数学家石神和物理学家汤川之间：

“很有意思。” 石神说，“之前你问过我一个问题：设计别人解不开的问题，和解开那个问题，何者比较难——你还记得吗？”

“记得。我的答案是，设计问题比较难。我向来认为，解答者应该对出题者心怀敬意。”

在霍金打赌这个事情上，霍金永远是那个出题的人。霍金出的最难的问题在物理学界被称为 “霍金佯谬”，而《黑洞战争》这本书的作者则是解决了“霍金佯谬” 的伦纳德. 萨斯坎德。《黑洞战争》这本书揭开了斯蒂芬. 霍金与伦纳德. 萨斯坎德、赫拉德. 特霍夫特关于黑洞本性论战的深层内幕，而这一论战关系到我们对整个宇宙的根本认识。

在《黑洞战争》的封底写道，在 30 年前，一位年轻的英国物理学家斯蒂芬. 霍金宣称落入黑洞的事物确实消失了。大多数科学家没有意识到这种观点的意义所在，不过美国物理学家伦纳德. 萨斯坎德与荷兰物理学家赫拉德. 特霍夫特意识到，如果霍金的观点是正确的，那么我们必须抛弃以往所有关于宇宙的基本定律。

也就是说，如果霍金是正确的，那么从爱因斯坦到奥本海默，再到费曼的所有人都全错了，物理学本身也将处于危机之中。

我们都是物理学家

遂古之初，谁传道之？

上下未形，何由考之？

冥昭瞢闇，谁能极之？

冯翼惟像，何以识之？

—— 屈原，《天问》

在东非稀树草原的某个地方，一头年迈的狮子正在寻觅它的美餐，它很想捕捉年老体弱、行动迟缓的猎物，但眼前只有一头年轻而健康的羚羊，是它唯一可能的选择。羚羊的双眼非常适合巡视四周，它用谨慎的目光搜索着捕食者危险的活动区域。捕食者的目光正视前方，极其适合于锁定它的猎物以及测量距离。羚羊这次的大角度扫描漏过了捕食者，它漫步到了被捕及的范围之内。狮子强有力的后缩，然后猛然冲向那惊慌的猎物。永恒而经典的比赛重新开始了。

尽管狮子已经被年龄拖累，但这头大型的猫科动物依然是出色的短跑运动员，它们之间的距离开始接近。但是狮子强有力的快肌纤维渐渐变得缺氧，不久羚羊天生的耐力取胜了，在某一刻，狮子和它的猎物之间的相对速度变成了负号，距离从起初的渐渐缩短，到慢慢开始拉大。好运稍纵即逝，狮子意识到失败了，它灰溜溜地回到灌木丛中。

5 万年前，一个疲倦的猎人发现了一个被大石块挡住的山洞口，如果他能移走这个沉重的阻碍物，那么这个洞口将是一个安全的休息场所。这个猎人直立着，这不同于它的猿人祖先。他站在那里用力地推石块，石块不动。为了找到一个更好的角度，他移动双腿，调节与石块的距离。当他的身体几乎处于水平时，所施的力在有效的方向上，有一个很大的分量，大石块被移走了。

距离？速度？符号的改变？角度？分量？猎人未受教育的头脑中发生了令人难以置信的、复杂的计算，狮子的头脑中也同样如此。我们通常是在高中的物理课本上首次遇到这些专门概念的。狮子从哪里学会测量猎物的速度以及更为重要的相对速度呢？猎人学过物理课程中力的概念吗？他了解三角学中计算正弦和余弦的方法吗？

当然，事实上所有复杂的生物物种都有内在的、天生的物理概念，这是通过进化灌输到它们的神经系统的。如果没有这些预编的物理程序，它们就无法生存。变异和自然选择使我们甚至是动物都成了物理学家。对人类而言，大尺寸的大脑使得这些本能进化成我们意识层次上的概念。

事实上，我们都是经典物理学家。

重新装备自己

吾欲知神甚多，神予吾者太吝。

—— 罗伯特. 安森. 海因莱因，《异乡异客》

我们都是经典物理学家，我们可以在很浅显的水平上感觉到力、速度和加速度。我们天生内置的触觉可以通过冷和热来感觉物质分子和原子的运动，我们内置的听觉和视觉可以接受一定频率内的声波和电磁波，但我们也就仅此而已，没有更多的能力。在《异乡异客》这部科幻小说中，罗伯特. 海因莱因创造了一个专用词汇 Grok 来表达对现象深层次的直觉，以及近乎本能的理解。我 Grok 力、速度和加速度，我 Grok 三维空间，我 Grok 时间和数字 5，一块石头和一支矛的轨迹是可以 Grok 的，但是对于我的 Grok 能力而言，标准的 Grok 用到十维时空，或者数字 10^1000 时就失效了，当用到电子世界和海森堡不确定性原理时会更糟。

20 世纪初，大量的直觉观念失效；物理学在完全陌生的现象面前显得不知所措。假设我出生的时间早了 100 年(也就是假设我出生于 1882 年)，那么，当 1887 年迈克尔逊和莫雷发现地球在假设的以太中的轨道运动不可观测时，我正好 5 岁；1897 年汤姆逊发现电子的时候，我 15 岁；1905 年爱因斯坦发表狭义相对论的时候，我 23 岁；1927 年海森堡发现不确定性原理的时候，我已经 43 岁了。进化的压力也不可能使我对于这些根本不同的世界产生本能的认识。因此，我们的神经网络, 至少是我们中的某些人的, 事先为装备自己做好准备，这使得但可以去询问这些晦涩的现象，而且可以创造精确的抽象概念，用新的、非直觉的深刻概念来处理和解释它们。

霍金是做好准备的人群中最优秀的一个。

黑洞

霍雷肖，天地间的奇事很多，远超越你的理性

—— 威廉. 莎士比亚，《哈姆雷特》

在人类头脑的所有概念中，最奇异的应该就是黑洞，黑洞是空间中有一定边界的洞，任何事物都可以落进去，但没有东西能够逃出来；黑洞是一个引力强大到能够将光牢牢抓住的洞；黑洞是一个能令空间弯曲和时间卷曲的洞；它经常出现在科幻小说里，我们在真实宇宙却无法直接观测它的存在。不过，经过了很好检验的物理学定律坚定地的预言，黑洞是存在的，仅仅是在我们的银河系里，可能就有几百万个，但它们太暗了，我们看不见；天文学家想发现它们也很难。

最早关于黑洞的概念出现于在 18 世纪的晚期，那个时候我大天朝正处于乾隆皇帝七下江南，纪晓岚智斗和珅的时候，当时的法兰西物理学家拉普拉斯和英格兰牧师米歇尔同时产生了一个惊人的想法。那个时代的物理学家都对天文学有着强烈的兴趣，而有关天体的所有了解都来源于他们发出的光。在米歇尔和拉普拉斯的时代，尽管牛顿已经去世半个世纪了，但他在物理学上依然有着最强大的影响力。牛顿坚信光是由微小的粒子组成的，如果是这样，那么光微粒必然会受到重力的影响。拉普拉斯想知道，是否存在着一种大质量大密度的恒星，以至于光无法逃离它们的引力。如果存在这样的恒星，那么它们不是全黑以至于不可见吗？

诸如一块石头、一颗子弹，这样的抛射体能够逃脱出地球的引力吗？从某种意义上说，也能也不能。一个有质量的引力场永远不会终止，它永远延续着，并随着距离的增加越来越弱，。例如，一个抛射体永远无法彻底逃脱地球的引力。但是，如果以极大的速度向上快速扔出一个抛射体，那么它将永远持续它向外的运动，随着距离增长引力越来越弱，无法使其回头回到地面，这就是抛射体逃脱地球引力的本意。

最强壮的人也无法将一个石头扔向太空，在忽略空气阻力的情况下，手枪向上发射的子弹大约能达到 3 英里的高度。存在一个特定的速度，恰好足够发射一个物体到达一个永久的外轨道，这个速度被称为逃逸速度。根据牛顿的引力定律，宇宙中的任何物体之间的作用是相互吸引的，引力正比于它们质量的乘积，反比于它们之间距离的平方.

F=mMG/D^2

如果你的高中物理知识还有印象，你可以算出，逃逸速度的公式为

V=√(2MG/R)

这个公式清楚的表明，质量越大，半径 R 越小，逃逸速度越大。

逃离地球表面的初始速度大约是每秒 11 千米，相比较之下，半径为 1 英里的小行星的逃逸速度大约是轻易能够达到的每秒 2 米；太阳表面的逃逸速度比地球表面的逃逸速度大 50 倍左右，依然比光速慢很多。然而，太阳注定不能永远保持相同的尺寸，当恒星的燃料消耗殆尽时，由内热产生的向外的压力消失，引力就像一个巨大的钳子一样，使恒星坍缩为它原有尺寸的一小部分。大约 50 亿年后，太阳将会枯竭，坍缩成白矮星，它的半径和地球相当。从它的表面逃离需要的速度为每秒 4000 英里，快极了，但依然只是光速的 2%。

如果太阳再重一些，即大约是现在质量的 1.5 倍，那么增加的质量会更好把它挤压过白矮星阶段。恒星内的电子会被挤压到质子里面，形成一个稠密得难以想象的中子球。中子星表面的逃逸速度大约是 80% 的光速。

如果坍缩的恒星更重的话，即达到太阳质量的 5 倍，那么即便是密集的中子星也无法承受向内的引力，它最终会探索到一个奇点。奇点的逃逸速度远远大于光速，暗星，也就是今天我们称为黑洞的东西诞生了。

想象你正在一个黑洞附近，但是距离奇点尚有一段距离，你想开动飞船以光速逃离黑洞，你能成功吗？答案依赖于黑洞的质量和你开始旅程的精确奇点。一个被称为视界的假想球面将宇宙分为两部分，从视界内发出的光不可避免被拉回黑洞，而从视界外发出的光能够逃脱黑洞的引力。如果太阳被变成了黑洞，世界半径大约是 2 英里。

视界的半径被称为史瓦西半径。它的计算公式为 RS=2MG/c^2。质量和史瓦西半径成正比是物理学家知道的黑洞的第一件事，地球的质量是太阳的百万分之一，因此它的史瓦西半径大概是一个乒乓球大小。相比之下，有一个超大尺寸的黑洞，潜藏在银河系中心，它的史瓦西半径是 1000 万英里，与地球环绕太阳的轨道大小相当。

就在今天，天文学家利用美国太空总署（NASA）的哈伯太空望远镜，发现距离地球 6 亿光年拥有类星体的 Mrk231 星系有两个互相公转的黑洞。专家估计，双重黑洞的主黑洞质量是太阳的 1.5 亿倍；另一个黑洞的质量则是太阳的 400 倍，由于它们距离很近，因此轨道周期仅 1.2 年。更进一步的研究发现，两个黑洞产生的能量，让 Mrk231 星系的星体产生率是银河系的 100 倍。

黑洞的熵

有相当一段时间，物理学家认为黑洞是异常简单的怪物，因为黑洞的一切性质，包括它的引力作用强度、它对星光轨道的偏转、它的表面形状和大小等等，仅仅只由三个参数决定，分别是黑洞的质量，黑洞的角动量，还有黑洞的电荷。而且黑洞不能带太多的电荷，假如电荷太多，它会很快从星际气体中吸引相反的电荷来中和自己的电荷。黑洞旋转的时候，会带动空间一起旋转，而空间又带动周围的物质一起旋转。

知道了黑洞的质量和角动量，又知道它的电荷一定少的可以忽略，那么可以根据广义相对论公式来计算黑洞应该具有的一切性质，比如引力作用强度、相应的星光偏转能力以及更有意义的，黑洞的形状和大小。

黑洞的熵的想法相当深奥，熵的概念普遍存在于日常生活的大量物理现象中，这个概念最早起源于热力学的初创时期，1850 年，德国物理学家克劳修斯将一个系统无法获得的能量称为系统的熵。并且，任何一个封闭系统的熵总是随着时间而增加的。19 世纪 90 年代，玻尔兹曼从更加基本的定律中推得热力学第二定律，玻尔兹曼论证道，如果你同意气体是由无规则运动的分子组成的，那么原则上你就可以使用概率的方式计算出各种感兴趣的物理量，甚至熵。根据玻尔兹曼的观点，系统的熵可以被认为是系统混乱程度的度量，熵越高，意味着系统的混乱程度越高，随机性越强。对于一副扑克牌来说，还没有开封的时候熵最低，因为这个时候扑克牌处于最有序的状态，洗牌之后，扑克牌的熵变高了，因为扑克牌的顺序被打乱了。同样，处于接近绝对零度状态的气体的熵非常低，升高稳定，气体分子开始运动，系统处于各种各样的状态中，熵随之增加。

让我们做一个思维体操，想象你自己正在围绕黑洞运动，你拥有一个装满热气体的容器，显然它具有大量的熵，接着你把容器抛向黑洞，按照标准的思维方式，容器会简单的消息在视界之后。实际上，容器最终会从可见宇宙中消失。这可有点不妙，按照流行的观点，黑洞是一个简单的东西，它的视界是一个极为规则无特征的球面，除了它们的质量和旋转速度，任何一个黑洞都和其他黑洞是一样的，这样的视界无法隐藏任何的信息，那么我们把容器扔进去之后，这个宇宙的熵减小了。

这显然和热力学第二定律相违背。

霍金佯谬

熵是永不减小的，还有一个东西和它类似，也是永不减小的，这个东西就是黑洞的视界。20 世纪 60 年代，霍金证明黑洞的视界永不减小。事实上这个证明用非数学语言也比较容易解释，想象一个黑洞，它的史瓦西半径正比于质量，而视界面积则正比于半径的平方，因此视界面积正比于质量的平方。假定我们将一个质量为 M1、视界面积为 A1 的黑洞和质量为 M2、视界面积为 A2 的黑洞接合到一起，新黑洞的质量是 M1+M2，新的视界面积正比于 (M1+M2)^2, 这个数大于 M1^2+M2^2，也就是说大于 A1+A2。也就是说，黑洞的面积是永远增加的。

1974 年，霍金对物理学做出了他这辈子最大的贡献，他证明了黑洞的视界就是黑洞的熵，并且精确的给出了黑洞的温度公式

T=(hc^3)/(16π^2GMk)

用霍金这个公式能够得出什么呢？这个公式说明了黑洞的熵非常大，即使是天文学上最小的黑洞的熵也是非常巨大。一个质量为太阳质量的黑洞，它的熵高达 10^10^16，这个数字大到难以想象，黑洞是一个混乱度极高的研究对象…

但是，这怎么可能呢？如果黑洞真的处于无序当中，那么支配这种无序状态的微观态又是什么呢？广义相对论说黑洞具有质量、电荷以及自旋，还有什么能够让黑洞中存在无序？也就是熵呢？

直到 23 年之后，科学家们才能够开始霍金提出的这一问题，而对这一问题的解答，改变了我们对于宇宙的最根本的认识。

科学家们逐渐认识到，我们的宇宙其实是一副全息图。

未完待续…

本文作者是 OneAPM 创始人何晓阳，开发者最好的朋友。

科学：《时间简史》霍金

【原创】求知若渴，虚心若愚。

【评分】⭐️⭐️⭐️⭐️

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目录

• 概念
• 正文

概念

• 绝对零度：所能达到的最低温度，在此温度下物体没有热能。
• 加速度：物体速度改变的速率。
• 人存原理：我们之所以看到宇宙是这个样子，是因为如果它不是这样的话，我们就不会在这里去观察它。
• 反粒子：每个类型的物质粒子都有相对应的反粒子。当一个粒子和它的反粒子碰撞时，两者就湮灭，只留下能量。
• 原子：通常物质的基本单元，是由很小的核子（包括质子和中子）以及围着它转动的电子构成。
• 大爆炸：宇宙开端的奇点。
• 大挤压：宇宙终结的奇点。
• 黑洞：时空的一个区域，因为那里的引力是如此之强，以至于任何东西，甚至光都不能从该处逃逸出来。
• 卡西米尔效应：在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间的空间中的虚粒子的数目比正常数目减小而引起的。
• 昌德拉塞卡极限：一个稳定的冷星的可能的最大质量的临界值。比这质量更大的恒星，则会坍缩成一个黑洞。
• 能量守恒：关于能量（或它的等效质量）既不能产生也不能消灭的科学定律。
• 坐标：指定时空中一点的位置的一组数。
• *宇宙常数：爱因斯坦使用的一个数学手段，它赋予时空一个嵌入的膨胀向。
• 宇宙学：对整个宇宙的研究。
• 暗物质：在星系、星系团以及可能在星系团之间的物质，这种物质不能直接被观测到，但是可以由它的引力效应被检测到，宇宙中的质量多达90%可能处于暗物质的形式。
• 对偶性：导致相同的物理结果的，表面上不同的理论之间的对应。
  爱因斯坦-罗森桥：**连接两个黑洞的时空的细管还请参见虫洞。
• 电荷：粒子的一个性质，由于这性质粒子排斥（或吸引）其他带有相同（或相反）符号电荷的粒子。
• 电磁力：在带电荷的粒子之间引起的力；它是四种基本力中第二强的力。
• 电子：带有负电荷并围绕着原子核转动的粒子。
• 弱电统一能量：大约为100吉电子伏的能量，在比这能量更大时，电磁力和弱力之间的差别消失。
• 基本粒子：被认为不可再分的粒子。
• 事件：由它的时间和位置所指明的在时空中的点。
• 事件视界：黑洞的边界。
• 不相容原理：两个相同的自旋为二分之一的粒子（在不确定性原理设定的极限之内）不能同时具有相同的位置和速度。
• 场：某种充满空间和时间的东西，与它相反的是在一个时刻只在一点存在的粒子。
• 频率：对一个波而言，在1秒内完整循环的次数。
• 伽马射线：波长非常短的电磁射线，是由放射性衰变或由基本粒子碰撞产生的。
• 广义相对论：爱因斯坦基于如下思想的理论，即科学定律对所有的观察者，不管他们如何运动，都必须是相同的它将引力解释成四维时空的曲率。
• 测地线：两点之间最短（或最长）的路径。
• 大统——能量：人们相信，在比这个能量更大时，电磁力、弱力和强力之间的差别消失。
• 大统——理论（GUT）：一种统一电磁力、强力和弱力的理论。
• 虚时间：用虚数测量的时间。
• 光锥：时空中的面，在上面标出光通过一给定事件的可能方向。
• 光秒（光年）：光在1秒（1年）的时间里走过的距离。
• 磁场：引起磁力的场，现在和电场合并成电磁场。
• 质量：物体中物质的量；它的惯性或对加速的抵抗。
• 微波背景辐射：起源于炽热的早期宇宙的灼热的辐射，现在它受到如此大的红移，以至于不以光而以微波（波长为几厘米的射电波）的形式呈现出来。
• 裸奇点：不被黑洞围绕的时空奇点。
• 中微子：只受弱力和引力影响的极轻的粒子。
• 中子：一种和质子非常类似的但不带电荷的粒子，在大多数原子的核中大约一半的粒子是中子。
• 中子星：在超新星爆发后，有时一个恒星中心的物质的核坍缩成一团密集的中子，这种余下的冷的恒星称作中子星。
• 无边界条件：宇宙是有限的但是没有边界的思想。
• 核聚变：两个核碰撞并合并形成单独的更重的核的过程。
• 核：原子的中心部分，只由质子和中子构成。在核中强作用力将质子和中子束缚在一起。
• 粒子加速器：一种利用电磁铁能够对运动的带电粒子加速，给它们更多能量的机器。
• 相位：对一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。
• 光子：光的一个量子。
• 普朗克量子原理：光（或任何其他经典的波）只能被发射或吸收分立的量子，其能量与它们的频率成正比，和它们的波长成反比的思想。
• 正电子：电子的（带正电荷的）反粒子。
• 太初黑洞：在极早期宇宙中产生的黑洞。
  比例：“x正比于Y”，表示当Y被乘以任何数时，X也如此；“X反比于Y”，表示当Y被乘以任何数时，X被那个数除。
• 质子：一种和中子非常类似的但带正电荷的粒子，在大多数原子的核中大约一半的粒子是质子。
• 脉冲星：发射出无线电波规则脉冲的旋转中子星。
• 量子：波可被发射或吸收的不可分的单位。
• 量子色动力学（QCD）：描述夸克和胶子相互作用的理论。
• 量子力学：从普朗克量子原理和海森伯不确定性原理发展而来的理论。
• 夸克：感受强作用力的（带电的）基本粒子。每一个质子和中子都由3个夸克组成。
• 雷达：利用脉冲射电波的单独脉冲到达目标并折回的时间间隔来测量对象位置的系统。
• 放射性：一种类型的原子核自动分裂成其他类型的原子核。
• 红移：由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线的红化。
• 奇点：时空中的一点，在该处时空曲率（或者一些其他的物理量）变得无限大。
• 奇点定理：这定理是说，在一定情形下奇点必须存在——特别是宇宙必须起始于一个奇点。
• 时空：四维的空间，上面的点是事件。
• 空间维：三维中的任何一维——也就是除了时间维外的任何一维。
• 狭义相对论：爱因斯坦的基于如下思想的理论，即科学定律在没有引力现象时，对所有进行自由运动的观察者，无论他们的运动速度如何，都必须相同。
• 谱：构成一个波的分频率。太阳谱的可见光部分可以在彩虹中看见。
• 自旋：相关于但不等同于日常的自转概念的基本粒子的内部性质-
• 稳态：不随时间变化的态：一个以固定速率自转的球是稳定的，因为即便它不是静止的，在任何时刻它看起来都是等同的。
  弦论：物理学的理论，在该理论中粒子被描述成弦上的波。弦具有长度，但没有其他维。
• 强力：4种基本力中最强的，作用距离最短的一种力。它在质子和中子中将夸克束缚在一起，并将质子和中子束缚在一起形成原子核。
• 不确定性原理：海森伯表述的一个原理，该原理说，人们永远不能够精确地同时知道粒子的位置和速度；对其中的一个知道得越精确，则对另外一个就知道得越不精确。
• 虚粒子：在量子力学中，一种永远不能直接检测到的，但其存在确实具有可测量效应的粒子。
• 波/粒二象性：量子力学中的概念，认为在波和粒子之间没有区别；粒子有时可以像波一样行为，而波有时可以像粒子一样行为。
  波长：在一个波中，两个相邻波谷或波峰之间的距离。
• 弱力：4种基本力中仅次于引力的第二弱的，作用距离非常短的一种力。它作用于所有物质粒子，而不作用于携带力的粒子。
• 重量：引力场作用在物体上的力。它和质量成比例，但又不同于质量。
• 白矮星：一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定的冷的恒星。
• 虫洞：联结宇宙的遥远区域的时空细管。虫洞还可以联结到平行宇宙

正文

• 以寻根究底为己任的哲学家跟不上科学理论的进步速度。
• 宇宙必须以非常接近为恰好避免坍缩所需要的临界速率膨胀。
• 龟理论作为一个好的科学理论是不够格的，因为它预言了人会从世界的边缘掉下去。
• 宇宙必须以非常接近为恰好避免坍缩所需要的临界速率膨胀。
• 虫洞可为几乎平坦的时空的两个遥远区域之间的跨跃提供捷径。
• 虫洞正和其他可能的超光速旅行方式一样，允许人们逆时旅行。
• 通常物质赋予时空以正的曲率，正如一个球面。为了允许旅行到过去，时空必须具有负的曲率，正如一个马鞍面。
• 爱因斯坦-罗森桥是能连接遥远地区的虫洞，但它们不能保持畅通足够久，以使任何东西通过。
• 他们所有人都证实了黑洞必须如同一个热体那样发射粒子和辐射，其温度只依赖于黑洞的质量一质量越大则温度越低。
• 任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，黑洞怎么可能发射粒子呢？
• 黑洞发出辐射，因此丧失能量和质量，黑洞变得更小，其辐射率随之增大。人们认为，黑洞最终在一次巨大的爆炸中完全消失。
• 黑洞仍在辐射出X射线以及伽马射线。
• 这黑洞把和一座山差不多的质量压缩成比万亿分之一英寸，亦即一个原子核的尺度还小！
• 对在碰撞中的产生率就落到它们的湮灭率之下。
• 中心的环是爆发吹散的膨胀的物质，而中央斑点是一个新的中子星。
• 宇宙从非常热的状态开始并随膨胀而冷却的景象。
• 宇宙是从在大爆炸奇点处的无限密度起始的。
• 时空会有一个边界——大爆炸处的开端。
• 广义相对论和所有其他物理定律在奇点处都失效了。
• 这些定律也许原先是由上帝颁布的，但是看来从那以后他就让宇宙自身按照这些定律去演化，而现在不对它干涉。
• 应当包含许多光滑均匀的区域，而且这些区域适合智慧生命演化
• 宇宙常数是当爱因斯坦在试图建立一个稳定的宇宙模型时，引进广义相对论之中去的。
• 任何详尽描述整个宇宙的模型在数学上都过于复杂，使我们不能通过计算作出准确的预言。
• 科学理论只不过是我们用以描述自己观察的数学模型：它只存在于我们的头脑中。
• 考虑自旋的一个方法是将粒子想象成围绕着一个轴自转的小陀螺。
• 根据广义相对论，在黑洞中必然存在密度和时空曲率无限大的奇点。
• 事件视界，也就是时空中不可逃逸区域的边界。
• 我们星系中的其他恒星形成了横贯夜空的叫做银河系的光带。
• 膨胀的宇宙像一个正在被吹胀的气球。气球表面上的斑点相互离开。但是，没有一个斑点是膨胀的中心。
• 早期的宇宙一定是非常密集的、白热的。
• 哈勃关于宇宙膨胀的发现，以及关于我们自己的行星在茫茫宇宙中微不足道的认识，只不过是起点而已。
• 在月亮上不存在空气阻力，一根羽毛和一个铅球以同样速度下降。

在18世纪，哲学家把包括科学在内的整个人类知识当做他们的领域，并讨论诸如宇宙有无开端的问题。然而，在19世纪和20世纪，对哲学家或除了少数专家以外的任何人来说，科学变得过于专业性和数学化了。哲学家把他们的质疑范围缩小到如此程度，以至于连维特根斯坦，这位20世纪最著名的哲学家都说道：“哲学余下的任务仅是语言分析。”这是从亚里士多德到康德哲学的伟大传统的何等堕落啊！

爱因斯坦与核弹政治的瓜葛是众所周知的：他签署了那封著名的致富兰克林·罗斯福总统的信，说服美国认真考虑他的想法，并且他在战后致力于阻止核战争的爆发。

希特勒上台了。爱因斯坦正在美国，他宣布不再回德国。后来纳粹冲锋队查抄了他的房子，并没收了他的银行存款。一家柏林报纸的写道：“来自爱因斯坦的好消息——他不回来了。”面对着纳粹的威胁，爱因斯坦放弃了和平主义，由于担心德国科学家会制造核弹，他终于建议美国应该发展自己的核弹。但是，甚至在第一枚原子弹爆炸之前，他就曾经公开警告过核战争的危险，并提议对核武器进行国际控制。

艾萨克·牛顿是一个不讨人喜欢的人。他和其他院士的关系声名狼藉。他在激烈的争吵中度过晚年的大部分时间。随着那部肯定是物理学有史以来最有影响的书——《自然哲学的数学原理》的出版，牛顿很快就成为名重一时的人物。他被任命为皇家学会主席，并成为第一个被授予爵位的科学家。

莱布尼茨和牛顿各自独立地发展了称作微积分的数学分支，它是大部分近代物理的基础。虽然现在我们知道，牛顿发现微积分要比莱布尼茨早若干年，可是他比莱布尼茨晚很久才出版他的著作。于是发生了关于谁是第一个发现者的大争吵，科学家们激烈地为双方做辩护。然而值得注意的是，大多数为牛顿辩护的文章均出自牛顿本人之手，虽然是以他朋友的名义出版！当争论日趋激烈时，莱布尼茨犯了向皇家学会起诉来解决争端的错误。牛顿作为其主席，指定一个清一色的由牛顿的朋友组成的“公正的”委员会来审查此案！更有甚者，牛顿后来自己写了一个委员会报告，并让皇家学会将其出版，正式地谴责莱布尼茨的剽窃行为。即便如此，牛顿心犹未足，他又在皇家学会的杂志上写了一篇匿名的、关于该报告的回顾。据报道，莱布尼茨死后，牛顿扬言他为“伤透了莱布尼茨的心”而洋洋得意。

最早在理论上描述和解释宇宙的企图牵涉到这样一种思想：具备人类情感的灵魂控制着事件和自然现象，它们的行为和人类非常相像，并且是不可预言的。这些灵魂栖息在自然物体，诸如河流、山岳以及包括太阳和月亮这样的天体之中。我们必须向它们祈祷并供奉，以保证土壤肥沃和四季循环。

米盖朗琪罗作《亚当之创生》。拉普拉斯理论认为，上帝选择宇宙启始的方式和宇宙将服从的定律，但此后祂不再干涉。

量子力学的不确定性原理意味着，某些成对的量，比如粒子的位置和速度，不能同时被完全精确地预言。

人们必须抛弃存在一个唯一的绝对时间的观念，相反，每个观察者都有由他携带的钟记录的他自己的时间测量：不同观察者携带的钟不必要一致。

如果在收缩的宇宙中热力学时间箭头被颠倒，那么毁坏的大楼会从废墟中立起，而且人们在衰老中诞生，在年轻时“死亡”。

宇宙常数是当爱因斯坦以为宇宙是不变时引进的。在哈勃发现了宇宙的膨胀后，就不再需要宇宙常数，而现在普遍认为它应为零。

允许旅行到过去。其中之一即是旋转黑洞的内部。另外一种是包含两根快速相互穿越的宇宙弦的时空。对称破缺机制可以形成宇宙弦。因为宇宙弦具有巨大的张力，而且可以从任何形态起始，所以它们一旦伸展开来，就会加速到非常高的速度。

如果宇宙初始就没有时间旅行必需的曲率，我们能否随后把时空的局部区域卷曲到这种程度，直至允许时间旅行？

这种时间是用他携带的时钟来测量的，这样航程对于空间旅行者比对于留在地球上的人显得更短暂是可能的。但是，这对于那些只老了几岁的返回的空间旅行者，并没有什么值得高兴的，因为他发现留在地球上的亲友们已经死去几千年了。

科学幻想作家为了使人们对他们的故事有兴趣，必须设想有朝一日我们能运动得比光还快。

我们可以把粒子加速到光速的99.99%，但是不管我们注入多少功率，也不可能把它们加速到超过光速壁垒。航天飞船的情形也是类似的：不管火箭有多大功率，也不可能加速到光速以上。

这样看来，快速空间旅行和逆时旅行似乎都不可行了。然而，还可能有办法。人们也许可以把时空卷曲起来，使得A和B之间有一近路。在A和B之间创生一个虫洞就是一个法子。顾名思义，虫洞就是一个时空细管，它能把两个相隔遥远的几乎平坦的区域连接起来

就在大爆炸时，宇宙体积被认为是零，所以是无限热，但是，辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低。大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为100亿度，这大约是太阳中心温度的1000倍，亦即氢弹爆炸达到的温度。

只有假定这种秩序不但应用于定律，而且应用于时空边界处的条件时才是自然的，这种条件指明宇宙的初始态。可以有大量具有不同初始条件的宇宙模型，它们都服从定律。

这些恒星将原先的一些氢和氦转化成像碳和氧这样的元素，由这些元素构成我们，然后恒星作为超新星而爆发，其裂片形成其他恒星和行星，其中就包括我们的太阳系。

要么存在许多不同的宇宙，要么存在一个单独宇宙的许多不同的区域，每一个都有自己初始的结构，或许还有自己的一族科学定律，这些宇宙中的大多数，不具备复杂机体发展的合适条件；只有在少数像我们的宇宙中，智慧生命才得以发展并能质疑：“为何宇宙是我们看到的这种样子？”

它们若仅仅是一个单一宇宙的不同区域，则在每个区域里的科学定律必须是一样的，否则人们就不能从一个区域连续地运动到另一区域。

宇宙是以一种非常热而且相当混沌的状态从大爆炸起始的。这些高温表明宇宙中的粒子运动得非常快并具有高能量。

人们预料在这么高的温度下，强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力。随着宇宙膨胀，它会变冷，而粒子能量下降。

量子引力论开辟了另一种新的可能性，在这里时空没有边界，所以没有必要指定边界上的行为。这里不存在在该处科学定律崩溃的奇点，也就是不存在在该处必须祈求上帝或某些新的定律给时空设定边界条件的时空边缘。

人们可以观察到两束波或粒子之间的所谓的干涉。那也就是，一束波的波峰可以和另一束波的波谷相重合。这两束波就相互抵消。肥皂泡。在泡泡中看到的绚丽无比的颜色是起因于从水的薄膜两边反射来的光的干涉模式。当波动异相时其波峰和波谷相互抵消。当波动同相时其波峰和波谷分别重合并相互增强。

双缝产生明暗条纹。其原因是从双缝来的波在屏幕的不同部分相互叠加或者相互抵消。利用粒子，譬如电子得到类似的条纹，证明它们的行为和波相似。

人们以为正电荷和负电荷之间的吸引力维持电子的轨道，正如同行星和太阳之间的万有引力维持行星的轨道一样。

力学和电学的定律预言，电子会失去能量并以螺旋线的轨道落向并最终撞击到核上去。

原子论的演化，从希腊哲学家德谟克里特的颗粒状原子（1），通过卢瑟福的电子绕核公转模型（2）至薛定谔的原子的量子力学模型（3）。

爱因斯坦广义相对论制约了宇宙的大尺度结构。它是所谓的经典理论；那就是说，它没有到考虑量子力学的不确定性原理，而为了和其他理论一致这是必需的。因为我们通常经验到的引力场非常弱，所以这个理论并没导致和观测的偏离。奇点定理指出，至少在两种情形下引力场会变得非常强：黑洞和大爆炸。在这样强的场里，量子力学效应应该是非常重要的。

亚里士多德相信宇宙中的所有物质由四种基本元素即土、气、火和水组成。有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是指气和火往上升的倾向。

亚里士多德相信物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越来越小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而几个希腊人，例如德谟克里特，则坚持物质具有固有的颗粒性，而且认为每一件东西都是由大量的各种不同类型的原子组成。

所谓的布朗运动——悬浮在液体中尘埃小颗粒的无规则随机运动——可以解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。

道尔顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的，这一事实可以用由原子聚合一起形成称做分子的个体来解释。

可以看到在水中悬浮的尘埃粒子以非常不规则的随机的方式运动。爱因斯坦利用这一“布朗运动”来显示，水是由原子组成的。

一位剑桥大学三一学院的研究员J·汤姆孙演示了一种称为电子的物质粒子存在的证据。电子具有的质量比最轻原子的一千分之一还小。

它们是由一个极其微小的带正电荷的核以及围绕着它公转的一些电子组成。他分析从放射性原子释放出的带正电荷的α粒子和原子碰撞会引起偏转的方式。

只不过是现代物理学家似乎更富有想象力地命名新粒子和新现象的方式而已一他们不再让自己受限制于希腊文。

如果世界在没有不相容原理的情形下创生，夸克将不会形成分离的轮廓分明的质子和中子，进而这些也不可能和电子形成分离的轮廓分明的原子。它们全部都会坍缩形成大致均匀的稠密的“汤”。

如果你遇到了反自身，注意不要握手！否则，你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。

在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，单独粒子之间的非常弱的引力能都叠加起来而产生相当大的力量。

在地球和太阳之间的引力是由交换虚引力子引起的：因为引力总是吸引的，因此在地球和太阳中的单独粒子之间的微弱的力叠加成一个巨大的力。

一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光由波构成的波动说。我们现在知道，这两者在实际上都是正确的由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。

因为光速是固定的，所以在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理不很协调（从地面发射上天的炮弹被引力减速，最后停止上升并折回地面。

大量的气体（绝大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星、当它收缩时，气体原子越来越频繁地以越来越大的速度相互碰撞——气体的温度上升。最后，气体变得如此之热，以至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。这附加的热又使气体的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球收缩，它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。

恒星最终会耗尽它的氢和其他核燃料。貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则被越快燃尽。这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热，它的燃料就被耗得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内耗尽其燃料，这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并收缩。最终会成为褐矮星或白矮星，如果它超过这个极限，该超巨星的最后引力坍缩会产生一个中子星或一个黑洞。

一颗恒星可因引力的吸引和不相容原理引起的排斥达到的平衡，而保持其半径不变，正如同在它的生命的早期引力被热平衡一样。

它们会爆炸或设法抛出足够的物质，使它们的质量减小到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。

所有东西都会被引力场拉回去。这样，存在一个事件的集合或时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者，现在我们将这区域称作黑洞。

如果你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，为了理解你所看到的情况，切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。

随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

此恒星继续以同样的引力作用到航天飞船上，使飞船继续围绕着形成的黑洞旋转。

由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，它在那里被事件视界体面地遮住而不被外界看见。

在此奇点，科学定律和我们预言将来的能力都崩溃了，然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响。

广义相对论方程存在一些解，我们的航天员在这些解中可能看到裸奇点：他也许能避免撞到奇点上去，相反的穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给在时空内的旅行提供了大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而终结了他的时间。

将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地应用于事件视界：“从这里进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人，一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。譬如粗心的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。

假定一个稳态的旋转黑洞，正如一个自旋的陀螺那样，有一个对称轴，则它的大小和形状，只由它的质量和旋转速度决定。黑洞的终态依赖于它的质量和转速。关于坍缩物体的大量信息被丢失了。

在宇宙的漫长历史中，很多恒星肯定烧尽了它们的核燃料并坍缩了：黑洞的数目甚至比可见恒星的数目要大得多。

星系中的恒星若十分靠近这个黑洞时，作用在它的近端和远端上的引力之差或潮汐力会将其撕开。

在一个星系中心的超大黑洞和被它吸引的做涡旋运动的物质一起旋转，产生了巨大的磁场：它把非常高能的粒子聚焦成沿着黑洞旋转轴的射流。

如果将世界海洋里所有的重水制成一个氢弹，则它可以将中心的物质压缩到产生一个黑洞。（当然，那时没有一个人能残留下来观察它！）

黑洞毕竟不是真黑：它们像一个热体一样发热发光，它们越小则发热发光得越厉害。

只能在8分钟之后才知道这一事件，这是光从太阳到达我们所花费的时间。只有到那时候，地球上的事件才在太阳熄灭这一事件的将来光锥之内。当我们看宇宙时，我们是在看它的过去。我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的。

爱因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他种类的力，它只不过是时空不是平坦的这一事实的结果，而早先人们假定时空是平坦的，在时空中的质量和能量的分布使它弯曲或“翘曲”。地球的表面是个弯曲的二维空间。使得在四维的时空中地球虽然沿着直线的路径运动，它却让我们看起来是沿着三维空间中的一个圆周轨道运动。光线也必须在时空中遵循测地线。时空是弯曲的事实再次意味着，光线在空间中看起来不是沿着直线旅行。这样，广义相对论预言光线必须被引力场折弯。

对于水星，这颗离太阳最近、受到引力效应最强，轨道被拉得相当长的行星，广义相对论预言其轨道椭圆的长轴应围绕着太阳以大约每1万年1度的速率进动。尽管这个效应如此小，但在1915年前即被注意到了，并被作为爱因斯坦理论的第一个验证。近年来，其他行星和牛顿理论预言的甚至更小的轨道偏差已被雷达测量到，并且发现和广义相对论的预言相符。

牛顿运动定律使在空间中的绝对位置的观念寿终正寝。而相对论摆脱了绝对时间。发现底下的那只更接近地球的钟走得较慢，这和广义相对论正好相符。

广义相对论的另一个预言是，在像地球这样的大质量的物体附近，时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率（光在每秒钟里波动的次数）有一种关系：能量越大，则频率越高。当光从地球的引力场往上行进，它失去能量，因而其频率下降（这表明两个相邻波峰之间的时间间隔变大。）在上面的某个人看来，下面发生的每一件事情都显得需要更长的时间。如果有一个孩子在以近于光速运动的航天飞船中作长途旅行，这种差别就会大得多。当他回来时，他会比留在地球上另一个年轻得多。

螺旋星系——M 51。我们自身的星系被认为和这样的恒星旋涡很类似。大约4光年那么远（从它发出的光大约花费4年才能到达地球）还存在其他许多星系，在它们之间是巨大的空虚的太空。

我们的太阳只是组成我们星系，银河系的1000亿个恒星之一。银河系只是局部集团的许多星系之一。局部集团只是形成我们宇宙中最大已知结构的几千个集团和星系团之一。

我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的星系中；在它的螺旋臂上的恒星围绕着它的中心公转一圈大约花费几亿年。我们的太阳只不过是一颗平常的、平均大小的、黄色的恒星，它位于一个螺旋臂的内边缘附近。

牛顿发现，如果太阳光通过一个称为棱镜的三角形状的玻璃块，就会被分解成像在彩虹中一样的分颜色（它的光谱）。实际上，从任何不透明的灼热的物体发出的光，有一个只依赖于它的温度的特征光谱——热谱。这意味着可以从恒星的光谱得知它的温度。此外，我们发现，某些非常特定的颜色在恒星光谱里丢失，这些失去的颜色可依不同的恒星而异，由于我们知道，每一化学元素吸收非常独特的颜色族系，将它们和恒星光谱中失去的颜色相比较，我们就可以准确地确定恒星大气中存在哪种元素。

将一台望远镜聚焦在一个单独的恒星或星系上，人们就可类似地观察到从这恒星或星系来的光谱。不同的恒星具有不同的光谱，但是不同颜色的相对亮度总是和人们期望从一个红热的物体发出的光的光谱完全一致。

警察就是利用多普勒效应的原理，靠测量射电波脉冲从车上反射回来的波长来测定车速。

当恒星离开我们而去时，它们的光谱向红端移动（红移）；而当恒星趋近我们而来时，光谱则被蓝移。这个称作多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常熟悉的例如听一辆小汽车在路上驶过：当它趋近时，它的发动机的音调变高（对应于声波的短波长和高频率）；当它经过我们身边而离开时，它的音调变低。如果该恒星离开我们运动而去，则两个波峰之间的距离被增加，而我们觉得它的光谱向红端移动。

全光谱覆盖比我们能观察到的光谱大得多的波长范围。它们从诸如伽马射线之类的非常短的波长延伸到诸如无线电波之类的非常长的波长的范围。

多普勒效应是包括声波和电磁波在内的所有种类波的一个性质。当一个发射源，诸如救护车警报器向着观察者驶来时，波就向较高频率位移，但它离开接收者而去时，波就向较低频率位移。

星系越远，它离开我们运动得越快！这表明宇宙不能像人们原先所想象的那样处于静态，而实际上是在膨胀；不同星系之间的距离一直在增加着。

宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智力革命之一。事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！牛顿或其他人早就应该意识到，静态的宇宙在引力的影响下会很快开始收缩然而现在假定宇宙正在膨胀，如果它膨胀得相当慢，引力就会使之最终停止膨胀，然后开始收缩。但是，如果它以比某一临界率更大的速度膨胀，引力则永远不足够强到使它停止膨胀，宇宙就永远继续膨胀下去。这有点像当一个人在地球表面引燃火箭上天时发生的情形，如果火箭的速度相当小，引力将最终使火箭停止并折回地面；另一方面，如果火箭具有比某一临界值（大约每秒7英里）更大的速度，引力的强度就不足以将其拉回，这样它将继续永远飞离地球。

爱因斯坦还是肯定宇宙必须是静态的，以至于他在其方程中引进一个所谓的宇宙常数来修正自己的理论，使静态的宇宙成为可能。

如果我们看到所有其他的星系都远离我们而去，那似乎我们必须在宇宙的中心。然而，还存在另外的解释：从任何其他星系上看宇宙，在任何方向上也都一样。

任何两个星系相互离开的速度和它们之间的距离成正比。所以人们预言，星系的红移应与离开我们的距离成正比，这正是哈勃发现的。尽管他的模型取得了成功并预言了哈勃的观测。我们没有任何科学的证据去相信或反驳这个假设。我们之所以相信它只是基于谦虚：因为如果宇宙只在围绕我们的所有方向显得相同，而在围绕宇宙的其他点却并非如此，则是非常令人惊奇的！在弗里德曼模型中，所有的星系都相互直接离开。这种情形很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时，任何两个斑点之间的距离加大，但是没有一个斑点可认为是膨胀的中心。

在宇宙的“开放”模型中，引力永远不能战胜星系的运动，而宇宙永远膨胀下去。在宇宙的“平坦”模型中，引力吸引刚好和星系的运动平衡。宇宙避免坍缩，而星系的运动越来越慢。但是，永远不会完全静止。第一类弗里德曼模型的奇异特点是，宇宙在空间上不是无限的，但却没有边界。引力如此强大，将空间折弯使之再绕回到自身，这样就和地球的表面相当类似。如果有人在地球的表面上沿着一定的方向不停地旅行，他将永远不会遇到一个不可超越的障碍或从边缘掉下去，反而最终回到他出发的那一点。当人们将广义相对论和量子力学的不确定性原理结合在一起时，就可能使空间和时间都成为有限的，而没有任何边缘或边界。只不过地球表面是二维的，而它是三维的罢了。

星系里应该包含大量的“暗物质”，那是我们不能直接看到的，但由于它的引力对星系中恒星轨道的影响，我们知道它必定存在。

可能还有我们尚未探测到的其他的物质形式，它们几乎均匀地分布于整个宇宙中，它仍可能使得宇宙的平均密度达到停止膨胀所必需的临界值。

邻近星系之间的距离一定为零。在这被我们称之为大爆炸的那一时刻，宇宙的密度和时空曲率都是无限大。所以它们在时空曲率为无限大的大爆炸奇点处崩溃。在宇宙中存在一点，在该处理论本身崩溃。这样的点正是数学中称为奇点的一个例子。很多人不喜欢时间有个开端的观念，可能是因为它略带有神的干涉的味道。

宇宙坍缩时，其中的粒子可以不都碰撞，而是相互离得很近飞过然后又离开，产生了现在的宇宙膨胀。但是考虑了实际宇宙中的星系的不规则性和杂乱速度。如果广义相对论是正确的，宇宙可以有过奇点，一个大爆炸。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里，所以物质的密度和时空的曲率变成无限大。换言之，人们得到了一个奇点，它被包含在一个叫做黑洞的时空区域中。

从大爆炸来的宇宙膨胀正如一个恒星坍缩成一个黑洞奇点的时间反演。我读到关于任何物体受到引力坍缩必定最终形成一个奇点的定理我很快意识到，如果人们将定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀，假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗里德曼模型，这定理的条件仍然成立。任何坍缩星体必定终结于一个奇点；其时间颠倒的论证则是，任何类弗里德曼膨胀宇宙一定是从一个奇点开始。

如果引力更弱，或者比牛顿理论所预言的随距离减小得更迅速，围绕着太阳公转的行星轨道就不会是稳定的椭圆（A）。它们或者会飞离太阳（C），或者会沿着螺旋形轨道撞到太阳上去（B）。

一辆以每小时30英里运行的电车通过不动的乒乓球手（A）。从（A）的观点看，电车上的球在隔开大约13米的两点间反弹。对于电车上的乒乓球手而言，显得是在同一点弹跳，正如从（A）的观点看由（A）自己反弹的球一样：然而在行星地球上的（A）也穿过空间运动，则对于太阳系中的一位观察者而言，球在两次反弹之间显得运动了大约3万米。

虽然这种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。

麦克斯韦方程预言，在合并的电磁场中可以存在波动的微扰，它们以固定的速度，正如池塘水面上的涟漪那样行进。更短的波长被称为紫外线、X射线和伽马射线。

E=mc2来表达（E是能量，m是质量，c是光速）相对论限制了物体运动的速度：任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。

作为宇宙中高等生物的人类不满足于自身的生存和种族的绵延，还一代代地探索着存在和生命的意义。但是，人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的，从亚里士多德-托勒密地心说到哥白尼-伽利略日心说的演化就花了大约2000年的时间。

无论是牛顿的万有引力理论还是爱因斯坦的广义相对论都不能得到稳态的宇宙模型。为了得到一个这样的模型，爱因斯坦甚至不惜牺牲理论的美丽，将宇宙常数引进他的方程。可见宇宙演化的观念并非产生于这些天才的头脑之中。

估计在100亿到200亿年之前发生过一次开天辟地的大爆炸，宇宙就从这个极其紧致极热的状态中诞生。

早期大爆炸的辐射仍残存在我们的周围，不过由于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只余下几度了。在这种温度下，辐射处于微波的波段。

在经典广义相对论的框架中，霍金证明了时空一定存在奇点，最著名的奇点即是黑洞里的奇点和宇宙大爆炸处的奇点。所有定律和可预见性都在奇点处失效。奇点可以看做时空的边缘或边界。

如果时空没有边界，则就不必劳驾上帝进行第一推动了。由于边界条件只能由宇宙外的造物主给定，所以宇宙的命运就操纵在造物主手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。

如星系团、星系、恒星等成团结构，宇宙大尺度的均匀性和各向同性，时空的平性，时空的维数，太初引力波和太初黑洞，以及时间的箭头等。霍金的量子宇宙学在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学。他的兴趣转向量子宇宙学，研究宇宙的无中生有的创生机制，企图一劳永逸地解决第一推动问题。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意。

在富有学术传统的剑桥大学，他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务，那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡斯数学教授。经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。

爱因斯坦的广义相对论为我们提供了创生和维持虫洞的可能性，那是连接时空中不同区域的细管。我们也许可以利用它们来进行星系之间快速旅行或在时间中旅行到过去。