【全彩圖解】3分鐘讀懂霍金‧時間簡史

奇妙的時間

時間是快還是慢？

在生活中，對時間的感受常會根據不同的情況而有所差異。例如，當我們在上一堂內容非常無聊枯燥的課時，會發現時間過得很慢。也許你以為已經過很長時間了，但一看錶，發現才過五分鐘；然而有時，我們卻感覺時光飛逝，特別是心情感到愉快的時候。很多人都有這樣的感覺，平時上班和上課的時候，一天的時間如此漫長。但到了週末，覺得還沒休息足夠，就不知不覺的天黑了，於是感嘆「快樂時光總是短暫的」。事實上，無論我們主觀感受如何，時間都不會變化。

也許我們經常會問：「什麼是時間？」有人說：「時間就是一天二十四小時，一年三百六十五天。」那麼這個資料是根據什麼得到的呢？毫無疑問，是鐘錶和日曆。假設，鐘錶忽然壞了，而日曆也不見，那麼每一天的時間會不會因此而變少呢？答案是：時間的多少並不會受其影響。那麼可以說，時間是不依賴於主觀意識而存在的，是物理學中的一個物理量。

絕對時間

一六八七年，牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中，寫過這樣一段敘述：「絕對的、真實的數學時間，就其自身及其本質而言，是永遠均勻流動的，它不依賴於任何外界事物。」也就是說，假如地球、太陽系、銀河系，甚至整個宇宙都在瞬間消失，但時間依然是勻速流動的，不會受外界的影響。這就是絕對時間。透過這個理論，也可以推出，絕對時間和空間是可以相互分離的，沒有空間，時間照樣存在。

牛頓建立的「經典力學」體系，改變人們對世界的認知。首先，從哥白尼開始，「地心說」遭到挑戰，後來人們也逐漸認識到「日心說」的正確性，而經過伽利略和牛頓等人的努力，終於清楚解釋行星運動的前因後果。特別是牛頓的萬有引力，可說對人們的宇宙觀帶來革命性的改變。由於受到引力的影響，地球總是圍繞著太陽公轉，且地球還在不停地自轉，才會出現日夜交替的現象。甚至從絕對時間這個理念出發，我們還認識到宇宙的廣闊和時間的永恆。然而，「經典力學」在人們看來是正確的，但卻遇到不少問題。

乙太存在嗎？

奇妙的乙太

霍金在《時間簡史》裡這樣說：「但是牛頓理論已經擺脫絕對靜止的觀念，所以如果假定光是以固定的速度傳播，人們必須說清楚這個固定的速度是相對於何物來測量的。」

在當時人們的認識裡，光就像聲音一樣，是一種波，而聲波的傳播必須依賴空氣。如果在沒有空氣的外太空，哪怕人和人面對面說話，也會聽不見。那麼如果光的性

質也和聲波一樣，那麼就必然會依靠一種傳播的媒介。於是，「乙太」就誕生。如果太空中存在乙太，那麼光就有了傳播的介質，進而可以解釋很多物理現象，而且最重要的是，這證明「絕對空間」的存在。什麼是絕對空間呢？例如，一間房子裡原本有很多人在開舞會，舞會結束後，人們都離開，那麼這個房間還存在嗎？答案是肯定的，房間不會因為人們離開就消失。絕對空間就是這樣，不會受到外界變化的干擾而一直存在。

乙太的測量

既然乙太的概念有物理學上的必要性，那麼如何證明乙太的存在就顯得尤為重要，然而根據一般的實驗，我們沒有辦法感知到乙太。它到底是什麼？如果說是像空氣一樣的物質，也應該可以檢測到，可惜的是，雖然乙太在物理學上有重要的作用，但是卻沒有人可以證明它的存在。

後來，邁克爾遜和莫雷這兩位科學家，進行一系列實驗，試圖證明絕對空間和乙太的存在。若說乙太是種存在於宇宙中的物質，那麼地球只要持續不停地自轉，就會產生乙太風。就像我們在奔跑的時候，感覺風吹過臉頰一般。聲波在傳播的時候，會受到介質的影響，若順風，會加速聲音的傳遞，而逆風則會使得聲波減速。邁克爾遜．莫雷實驗的關鍵，就在於將光置於「乙太風」中，測量順風和逆風的情況下，光速產生的變化。然而結果讓人們大吃一驚，無論如何測量光速，它的速度始終保持不變。這就意味著，光速並不會受到「乙太風」的影響，是恆定不變的。

邁克爾遜．莫雷實驗可說為科學界投下一顆震撼彈，因為此結果讓「乙太」的地位變得岌岌可危。若乙太不存在，那麼這個世界又會變成什麼樣呢？

上帝要不要擲骰子？

不確定性原理

對波動性和粒子性的研究，為量子力學開拓了無數條道路，也為物理學帶來更大的挑戰，其中最有名的便是「不確定性原理」。

德國物理學家威納．海森堡得知威爾遜雲室的實驗以後，就開始研究粒子的運動。但他遇到一個十分棘手的問題，按照以往的經驗，當我們觀察一個粒子的時候，應該可以準確地預測它的速度和位置。但是海森堡根據自己的方程式，卻得出不同的答案。也就是說，如果要準確觀測粒子的速度，就沒有辦法得知它的位置，要觀察它的位置，就沒辦法得知它的速度。難道說是測量的方法或者是方程式有問題？

海森堡找到問題的關鍵，那就是觀測的手段。若我們觀察一隻大象，那麼需要光，否則我們就看不見牠。但是當光子撞擊到大象時，對牠產生的影響可說是微乎其微。

然而當觀測的物件變成一個微粒時，那麼光子就會撞擊它，對它產生影響！如此一來，觀測行為就會對觀測結果造成影響。

科學成為賭博？

不確定性原理誕生後，引起科學界的爭論，因為這預示著世界將變得無法預測！從牛頓以來的很多科學家都認為，科學應該具備一種普遍性和預見性，我們可憑藉科學定理去預知某些事情。例如，我們掌握了力學原理，那麼就應該可預測一個鐵球掉落在地上時，會往哪個方向滾動。然而不確定性原理則說：「鐵球往哪個方向滾動是隨機的機率事件，科學沒有辦法預測。」

「不確定」確實讓很多人無法理解，也大傷腦筋，很多人站出來表示反對，其中就包括提出光量子說，對量子研究作出過傑出貢獻的愛因斯坦，而他最著名的那句話「上帝不擲骰子」，就是在這樣的情況下說出來的。愛因斯坦為什麼要反對？因為他始終堅信，科學具有可預見性，例如經典力學預言行星的運行狀態，而相對論也預言無數宇宙的現象，並且得到證實。

支持不確定性原理的科學家和反對派進行曠日持久的辯論，而其中還涉及到一位重量級人物薛定諤，他針對不確定性原理提出一個讓對手十分頭疼的問題，那就是著名的「薛定諤的貓」。

黑洞探祕

黑洞視界

一個比太陽質量大三倍的恆星，在內部燃料耗盡以後，就在自身引力的影響下逐漸縮小。當收縮到一定程度時，其內部的密度大到讓時空發生扭曲，而且連光也無法逃逸。這樣的區域就稱為黑洞。

在認識黑洞之前，我們可以先溫習逃逸速度。任何一個星球都有逃逸速度，即飛離該星球的最低速度。地球的逃逸速度是十一．二公里／秒（第二宇宙速度），也就是飛船要保持這樣的速度才可飛離地球。而按照太陽質量和引力大小，飛離太陽的速度是十六．七公里／秒（第三宇宙速度）。按照這樣的規律可得知，當一顆恆星坍縮得越來越小，密度越來越大時，引力也越來越強，而存在這個區域，使得逃逸速度會大於三十萬公里／秒（光速），連光都無法逃出去。

此時，我們可想像，黑洞外有一層「膜」，物質和光一旦通過這層膜，就再也無法走出去，而外面的人也永遠看不到它。這層膜就是黑洞的邊界，也叫做黑洞視界。黑洞的邊界並不是實際存在的，而是一種假設，便於我們理解。

黑洞不黑

既然黑洞的引力大到連光都跑不掉，那麼我們自然也不可能看見它。如今科學家想要觀察黑洞，也不可能在望遠鏡裡一窺它的模樣，只能透過間接的觀測來證實它的存在。但是，黑洞真的如我們所想的那樣「一團漆黑」嗎？

按照經典力學中的熱力學第二定理，黑洞如果不斷吸收外界的物質，那麼它應該有溫度，而有溫度就必定會有輻射。這就好比一個燒紅的鐵塊，會有熱輻射，讓人覺得又紅又熱。實際上，溫度低的物體一樣有輻射，只是不容易被我們查覺到。

但是，如果說黑洞裡的物質沒有辦法逃逸，怎麼可能會有輻射呢？霍金針對這個問題，提出一個轟動世界的理論。根據海森堡的不確定性原理，所謂「真空」，並非什麼都沒有。在真空中會產生很多的粒子和反粒子對（也稱為虛粒子），相遇後會瞬間湮滅，不會留下實在的物質。

但在黑洞附近，由於引力場強列，所以當粒子對產生時，有一個可能會闖入黑洞視界，而另一個沒有，進而變為一個實粒子。從外面看來，就像是黑洞釋放粒子一樣，此現象被稱為「黑洞輻射」，也叫做「霍金輻射」。

奇妙的時間

時間是快還是慢？

在生活中，對時間的感受常會根據不同的情況而有所差異。例如，當我們在上一堂內容非常無聊枯燥的課時，會發現時間過得很慢。也許你以為已經過很長時間了，但一看錶，發現才過五分鐘；然而有時，我們卻感覺時光飛逝，特別是心情感到愉快的時候。很多人都有這樣的感覺，平時上班和上課的時候，一天的時間如此漫長。但到了週末，覺得還沒休息足夠，就不知不覺的天黑了，於是感嘆「快樂時光總是短暫的」。事實上，無論我們主觀感受如何，時間都不會變化。

也許我們經常會問：「什麼是時間？」有人說：「時間就...

Part1 霍金傳奇
1、傳奇一生
2、成就和榮譽
Part2 我們的宇宙
1、占星術與天文學
2、曾經的真理——地心說
3、摧毀信仰的真理——日心說
4、不屈的鬥士——布魯諾
5、圓還是橢圓——開普勒的貢獻
6、認識我們的家園——太陽系
7、太陽的鄰居——水星和金星
8、我們的家和鄰居——地球和火星
9、太陽系中的大塊頭——木星和土星
10、遙遠的藍色「雙胞胎」——天王星和海王星
11、太陽系的家——銀河系
12、銀河系之外——銀河外星系
Part3 時間和空間
1、從亞里斯多德到牛頓
2、奇妙的時間
3、乙太存在嗎？
4、證明乙太的努力
5、狹義相對論
6、全新的時空觀
7、廣義相對論
8、彎曲的光
Part4 宇宙大爆炸
1、宇宙是靜還是動？
2、多普勒效應
3、哈勃的偉大發現
4、宇宙膨脹
5、宇宙有無邊際
6、宇宙的中心在何處？
7、宇宙會永遠膨脹嗎？
8、尋找答案
9、奇妙的量子
10、上帝要不要擲骰子？
11、一隻貓引發的慘案
12、平行的世界
Part5 基本粒子和黑洞
1、基本粒子
2、原子核探祕
3、更小的微粒
4、自然界的基本力
5、微觀世界的力量
6、黑洞之前
7、恆星的三種命運
8、黑洞探祕
Part6 宇宙的起源和未來
1、回到奇點
2、冷卻的宇宙
3、萬物肇始
4、追根究底
5、磁單極子
6、大暴漲理論
7、無絕對的對與錯
8、呼之欲出的大統一
9、神奇的弦
10、超乎想像的多度空間
11、宇宙的未來
12、宇宙繼續膨脹
13、地球的危機
14、難以回避的災難
15、太陽的最後時光
16、暢想大結局
Part7 時間箭頭
1、時間一去不返
2、宏觀和微觀的矛盾
3、永動機帶來的思考
4、熱的傳導和熵
5、宇宙學時間箭頭
6、心理學時間箭頭
Part8 時間旅行
1、時間機器
2、奇思妙想
3、蟲洞
4、「負債」的能量
5、冒險的旅行
6、回到過去的矛盾
7、遙望未來

Part1 霍金傳奇
1、傳奇一生
2、成就和榮譽
Part2 我們的宇宙
1、占星術與天文學
2、曾經的真理——地心說
3、摧毀信仰的真理——日心說
4、不屈的鬥士——布魯諾
5、圓還是橢圓——開普勒的貢獻
6、認識我們的家園——太陽系
7、太陽的鄰居——水星和金星
8、我們的家和鄰居——地球和火星
9、太陽系中的大塊頭——木星和土星
10、遙遠的藍色「雙胞胎」——天王星和海王星
11、太陽系的家——銀河系
12、銀河系之外——銀河外星系
Part3 時間和空間
1、從亞里斯多德到牛頓
2、奇妙的時間
3、乙太存在嗎？
4、證明乙太...