读后感|读书笔记时间简史 ，本文是时间简史的读后感和读书笔记。霍金在《时间简史》中介绍了20世纪物理学的基础知识，涵盖范围很广，从相对论到量子力学，从宇宙膨胀到基本粒子，从黑洞到虫洞，霍金都有所涉及。更重要的是，霍金还介绍了“奇点定理”和“霍金辐射”这两个自己最重要的学术贡献，以及试图解决宇宙起源问题的“无边界宇宙模型”。
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时间简史 书籍简介
《时间简史》是霍金的代表作，也是全世界最知名的科普经典，畅销1000多万册，被翻译成了40多种文字。霍金的一位博士后学生半开玩笑地评论说，“霍金的书，比麦当娜谈性的书还好卖”。
时间简史 作者简介
斯蒂芬·霍金，当代最知名、最活跃的物理学家，曾任剑桥大学卢卡斯数学教授。
时间简史 阅读收获
为什么说广义相对论是不完全的理论？霍金的“奇点定理”是什么意思？为什么说黑洞也不是完全黑的？无边界宇宙模型是如何把上帝排除在宇宙之外的？
本书取材于斯蒂芬·霍金的畅销科普经典《时间简史》。在本书中，霍金不仅介绍了20世纪物理学的最新进展，还在讲述过程中穿插了奇点定理、霍金辐射和无边界宇宙理论等霍金自己的理论，从中我们可以了解到霍金对当代物理学所做出的独特贡献。
你将读到：
- 科学家们为什么认为宇宙起源于大爆炸？
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“奇点定理”是什么意思？
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霍金为什么说宇宙是“有限无界”的？
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无边界宇宙模型如何回应宇宙创生问题？
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为什么说黑洞并不是完全黑的？
推荐书目
书名：《时间简史》
原作名：A Brief History of Time
作者：[英]斯蒂芬·霍金
出版社：湖南科学技术出版社
译者：许明贤，吴忠超
时间简史 书籍解读
《时间简史》思维导图
本文为你解读的是全球科学著作的里程碑，斯蒂芬·霍金的《时间简史》。《时间简史》的中文版大约17万字，我会用大约26分钟的时间为你讲述书中精髓：霍金对于宇宙的研究做出了哪些贡献？
《时间简史》这本书，应该是全世界最出名、销量也最好的科普书了。在1988年出版之后，它曾在畅销书榜上连续出现了237周，也就是4年半的时间，创下了前所未有的畅销纪录。《时间简史》被翻译成了40多种文字，据说在全世界范围内，平均每750个人，就拥有一本《时间简史》。所以霍金的一位博士后学生半开玩笑地评论说，霍金的科普，要比麦当娜谈性的书还好卖。要说某本书叫什么什么简史，你肯定听过不少，像《万物简史》《人类简史》《未来简史》等等，还有本书叫《世界是平的》，它的副标题叫“二十一世纪简史”，《时间简史》可以说是开创了这个命名方法的先河。
《时间简史》的作者斯蒂芬·霍金，也是当今世界最知名、最具有传奇色彩的科学家，即使在中国，他也是家喻户晓的人物。这是因为，霍金虽然得了肌萎缩性脊髓侧索硬化症，就是之前因为“冰桶挑战”而进入大家视线的“渐冻症”，他被禁锢在轮椅上，但还是凭借着自己杰出的头脑，为当代物理学，尤其是对大爆炸和黑洞的研究，做出了巨大的贡献。霍金生前是剑桥大学的卢卡斯数学教授，而“卢卡斯数学教授”这个职位，是牛顿、保罗·狄拉克这样的顶尖科学巨匠曾经担任的，所以说，霍金在学术上所取得的成就，的确令人惊叹。
《时间简史》这本书并不算厚，中文版只有200多页，不过书里涵盖的内容却很广泛，从相对论到量子力学、从宇宙膨胀到基本粒子、从黑洞到虫洞，霍金都进行了介绍，所以看完《时间简史》，你可能会对《星际穿越》这样涉及到许多物理概念的科幻电影有更多理解。不过实话实说，《时间简史》对普通读者来说并不友好，因为很多物理学上的概念，霍金只做了一些简单的介绍，有些甚至是一笔带过，没有一定知识基础的读者，恐怕根本看不懂霍金在说什么。甚至有人做过调查后发现，绝大部分人看完《时间简史》，除了开头的笑话以外，其他的内容全忘了，看了跟没看差不多。所以霍金不得不出了一本《时间简史（普及版）》，希望能让更多的人看懂他的理论。后来又多亏了哈勃望远镜和电脑的三维、四维成像技术，《时间简史》又推出了插图版，在书里添加了200多张彩色的插图，让读者更能体会到宇宙学中的奇妙。
作为一本经典科普著作，《时间简史》真正的特别之处，在于他介绍了霍金自己的几大理论贡献。《时间简史》的翻译者，是霍金的两位中国学生，他们在序中表示，自己是受霍金所托，把《时间简史》翻译成中文，以此让世界五分之一的人口了解霍金的学说。无论是霍金自己，还是两位译者都认为，霍金在学术上最重要的贡献，是对奇点和黑洞的研究。具体按大概的时间顺序说来，一是霍金和英国数学家彭罗斯一起，证明了著名的“奇点定理”，这个理论跟广义相对论和宇宙膨胀有关。二是霍金证明了黑洞也可以发出辐射，这种辐射就被称为“霍金辐射”。三是霍金提出了无边界的宇宙模型，认为宇宙没有边界，也没有起始和终结，这是对上帝的一次挑战。这几个理论，霍金在《时间简史》中都作了介绍，所以接下来，我们就从这几个理论入手，来带你了解《时间简史》的精髓：霍金对于宇宙的研究做出了哪些贡献？
首先要讲的第一个问题就是，霍金和彭罗斯所提出的奇点定理是什么？第二个问题是，霍金提出的无边界宇宙模型有什么特别之处？第三个问题再来看看，为什么霍金说黑洞并不是完全黑的？
霍金和彭罗斯所提出的奇点定理是什么
首先来看第一个问题，霍金和英国数学家彭罗斯所提出的奇点定理是什么？
在20世纪之前，人们一直默认，宇宙是静止的。即使牛顿的万有引力定律已经说明，不同的物体之间会相互吸引，但人们还是发明出了各种各样的说法，来维护宇宙静止的设想。甚至连爱因斯坦都在这个问题上栽了跟头，爱因斯坦在1915年就发表了广义相对论，提出时空是可以弯曲的，根据他的方程，宇宙并不是静止的。但是爱因斯坦认为，这肯定是有什么地方弄错了，所以就在自己方程里强行添加了一个宇宙常数，这样根据方程看来宇宙就是静止的了。
但20世纪20年代，科学家在观测其他恒星时发现，很多恒星都发生了一种叫做“红移”的现象，意思就是说，这些恒星都正在远离地球。本来人们以为，这些恒星的运动只是随机的，可能有些恒星离我们越来越远，有些恒星离我们越来越近。但到了1929年，美国天文学家埃德温·哈勃，就是用他的名字命名了哈勃望远镜的那位天文学家，他发现，绝大部分恒星都是在远离地球的，而且，这些恒星离地球越远，它们离开的速度也就越快！
这能说明什么呢？你想象一下啊，假如你拿一个气球，然后在气球表面的不同位置画上几个点，接着给这个气球吹气，随着气球越吹越大，你画的那几个点，也会离得越来越远，而且，两个点离得越远，它们相互远离的速度也就越快。这个气球，其实就相当于我们的宇宙，气球上的点，就相当于地球和其他恒星，绝大部分恒星都离地球越来越远，这就说明，我们的宇宙，正在不断地膨胀。爱因斯坦在得知这个观测结果后才发现，自己方程里加的那个宇宙常数，完全就是多余的，宇宙不是静止的，而的确就是在膨胀的。所以爱因斯坦后来说，宇宙常数是他一生中犯下的最大的错误。
发现了宇宙膨胀之后，科学家们就以爱因斯坦的广义相对论为基础，找出了一个新的模型，来描述这个膨胀的宇宙，这就是弗里德曼模型，因为它最早是一位叫亚历山大·弗里德曼的科学家提出的。科学家通过计算就发现，在弗里德曼模型中，如果我们把时间往前推，那宇宙就会收缩，如果一直倒推到150亿年前，那么所有的星系之间的距离就会变成0，就好像是整个宇宙被紧紧地挤压成了一个点。这个点，就被称为奇点，它就是宇宙时空的开端。
奇点的性质非常特别，我们没办法直观地去想象这是个什么东西。但是通过数学计算可以发现，奇点的体积无限小，弯曲程度无限大，密度无限大，引力也无限大。这里提到了很多个无限大，但数学其实是没办法真正地处理无限大的计算的，这也意味着，虽然弗里德曼模型是根据广义相对论提出的，但是包括广义相对论在内的理论，却都在奇点处失效了。所以霍金说，奇点的出现就证明了，广义相对论也只是一个不完全的理论，因为在宇宙最开始的那一刻，它失效了，广义相对论预言了自身的崩塌。
明白了奇点是什么，那就要来看看，霍金在这个研究过程中做出了怎样的贡献，他是怎么看待奇点的。
在奇点这个理论刚被提出来的时候，并不是所有科学家都认同这个说法。据霍金说，爱因斯坦自己都不太相信这个说法，他认为，如果我们把时间一直往前推，不同的星系也不会碰撞到一起，而是会恰好错开。还有两位苏联科学家也试图证明，说奇点这个东西，可能只是弗里德曼模型中一种小概率的特殊情况，在实际的宇宙中并不存在，在很久很久以前，不同的星系之间虽然的确靠得很近，但并不是刚好在同一个地方，所以也就没有什么奇点。
但霍金在读到了数学家罗杰·彭罗斯的一些研究后认为，奇点理论应该是成立的。经过几年的研究之后，他和罗杰·彭罗斯一起，利用严谨数学方法证明，如果广义相对论是正确的，而且宇宙中的确有我们观测到的那么多恒星、星系等等物质，那么宇宙在很久以前，一定是诞生于一个奇点之中，这就是宇宙的开端。这个理论，就被称为“彭罗斯-霍金奇点定理”。
有些人一开始不愿意接受霍金的研究结论，因为他们不喜欢宇宙有一个开端的说法，还有些人觉得，这个结论违反了科学决定论，糟蹋了完美的广义相对论。但是没办法，因为霍金和彭罗斯并不是瞎说，他们是脚踏实地用数学计算证明出这个结果的，数学不会骗人，人不能跟数学定律辩论。所以从此以后，不管喜欢不喜欢，几乎的所有的科学家都承认，宇宙的确诞生于一个奇点之中。
刚才讲的就是第一个问题，霍金和彭罗斯所提出的奇点定理是什么？在20世纪之前，人们都以为宇宙是静止的，直到科学家发现，绝大部分恒星都在远离地球而去，人们才发现宇宙是在持续膨胀的。科学家在研究膨胀的宇宙模型时发现，在150亿年前，所有的星系之间的距离都是0，宇宙在当时是一个体积无限小，密度、弯曲程度、引力无限大的奇点。霍金和彭罗斯的贡献就在于，他们用严谨的数学方法证明了，如果广义相对论是正确的，那么宇宙就必然诞生于这样的一个奇点，这就是宇宙的开端。
霍金提出的无边界宇宙模型有什么特别之处
刚才讲的奇点定理，是霍金最大的学术贡献之一。但是后来，霍金却改变了自己的想法，提出了无边界宇宙模型，认为宇宙并不需要诞生在奇点之中。所以接下来的第二个问题就来看看，霍金提出的无边界宇宙模型有什么特别之处？
第一个问题中讲到，霍金和彭罗斯一起证明了奇点定理，之后几乎所有的科学家都承认，宇宙是诞生于一个奇点之中的。宇宙诞生的那一刻，被称为“大爆炸”，这个奇点，就叫大爆炸奇点。宇宙大爆炸理论，是目前最主流的描述宇宙起源的模型。
先来看看宇宙大爆炸模型是怎么回事。在大爆炸模型中，大爆炸的那一刻，宇宙的体积被认为是0，温度无限高，之后宇宙开始迅速膨胀，温度开始降低：在大爆炸1秒钟之后，宇宙的温度降低到了100亿度，这大概是氢弹爆炸时能达到的温度；100秒之后，温度继续降低到10亿度，质子和中子开始结合到了一起，组成原子核；之后宇宙的温度继续降低，持续膨胀，在100万年之后，宇宙温度降低到了几千度，原子开始形成；随着宇宙温度继续降低，星系、恒星这些物质开始形成；到了150亿年后的现在，宇宙已经膨胀了很多很多倍，温度也已经很低了，只比绝对零度高上一点点，但是，宇宙的各个地方还是残留着当初大爆炸的能量，而且我们还能观测到，科学家们叫它“微波背景辐射”，就好像是充满宇宙的背景噪音。
宇宙大爆炸的理论虽然听上去很不可思议，但的确是跟我们今天的观测证据相符合的，所以已经被科学家们广泛接受了。但是这个理论，还是让不少科学家觉得有点尴尬。
你看啊，从刚才的描述中你就能感受到，大爆炸就是宇宙的起点。一切的物质，甚至是空间和时间，都是大爆炸之后才出现的。大爆炸之前的任何事件，对我们来说都没有任何意义，或者说根本就不存在。也就是说，宇宙时空并不是无限的，而是有一个很特别的边界和开端，这个开端，就是大爆炸奇点。
但问题是，就像我们在第一个问题中讲到的那样，大爆炸奇点是一个非常特别的存在，在这里，一切的物理定律都失效了，人们根本不知道从这个奇点里会冒出来些什么东西。那么，宇宙现在所遵循的那些规律，到底是怎么出现的呢，是谁规定了这些规律呢？难道真的是上帝吗？
对于这个问题，科学家们目前还没有很好的解释，这也给宗教界保留了一丝希望。霍金说，1981年的时候，梵蒂冈的天主教会邀请了很多科学家，召开了一场宇宙学会议。在科学家们演讲结束之后，教皇说，宇宙大爆炸之后的各种历史各种规律啊，你们都是可以研究的，但是呢，大爆炸的那一刻，你们科学家就不要去研究了，因为那是万物诞生的时刻，那是上帝的事，你们不应该去掺和。
霍金当时也在这场会议上发表了演讲，演讲的主题，就是“无边界宇宙模型”。他听到教皇的话之后就在心里嘀咕，说看来教皇没有理解我讲的内容嘛。因为他提出的无边界宇宙模型就意味着，宇宙没有开端，也没有诞生的时刻，所以也没有上帝的位置。
霍金为什么这么说呢？我们来看看他提出的这个无边界宇宙模型是怎么回事。
我们之前在提到奇点定理以及宇宙大爆炸模型的时候一直有一个前提，就是假如广义相对论是正确的，但这个前提其实未必站得住脚。这不是说广义相对论错了，而是说，它是一个不完全的理论，没有跟量子力学结合起来。
在20世纪，物理学最重要的两大发现，也是当今物理学最核心的两大基础理论，一个是相对论，另一个就是量子力学。一般来说，相对论管的是宏观领域，比如星系运动什么的，就归相对论管。量子力学管的是微观领域，比如粒子运动的问题，就归量子力学管。在研究一般问题的时候，这两套理论井水不犯河水。但霍金认为，在研究大爆炸奇点的时候，就必须把相对论和量子力学结合起来。
霍金认为，奇点定理其实已经证明了，广义相对论在大爆炸奇点这种极端的情况下，已经不能很好地去描述宇宙了。在这个时候，就必须考虑到量子效应。在广义相对论的基础上，宇宙只有两种可能，要么是存在无限长的时间，要么呢就有一个大爆炸奇点这样的开端。但如果把量子力学引进来之后，就会出现一种新的可能：也就是一个“有限无界”的宇宙。
有限无界的意思就是说，宇宙时空是有限大的，但却是没有边界的。什么意思呢？霍金用地球来做了一个类比。我们的地球，就是一个有限大的星球，我们知道它的直径和大小。但是呢，地球是没有边界和开端的，你在地球上一直走一直走，也不可能找到一个边界，不可能掉到地球外面去。
霍金的无边界宇宙模型里的宇宙，是一个空间和时间交织在一起所组成的四维宇宙。在这个宇宙中，时空就像是地球的表面，在范围上是有限的，但却没有形成边界，也没有形成奇点。时空上的每一个点，就跟地球上的某个点一样，没什么特别的，科学规律在任何一个时空点上都适用，不会发生崩溃。
在无边界宇宙模型中，宇宙没有一个特别的奇点，也就不需要上帝来指定一个特殊的规律。按霍金的说法就是，这个宇宙是完全自给自足的，不受任何外在事物的影响，没有什么创生和消失的时刻，它就是存在本身。这么一来，这个宇宙也就不需要上帝来创造它了。
需要注意的是，霍金自己也特别强调，说无边界宇宙模型目前还只是一个设想，相当于是他的一家之言。目前主流的宇宙模型，仍然是大爆炸模型。当然了，无边界宇宙模型也不是瞎想，它是试图将量子力学和相对论所结合起来的一种尝试，而且也是可以被检验的科学理论。
讲到这里，霍金无边界宇宙模型的特别之处，你就已经清楚了。在主流的宇宙大爆炸模型之中，宇宙有一个开端，这个开端就是大爆炸奇点。但对于大爆炸那一刻所发生的一切，科学还没有很好的解释，这也给上帝留下了一个位置。而霍金在无边界宇宙模型中，把量子力学和相对论结合了起来，认为我们的宇宙时空是范围有限，但没有边界的，因此也就没有奇点和开端，不需要上帝来创生。当然了，无边界宇宙模型目前并不是主流，但是一个可以被检验的科学理论。
霍金对于黑洞的研究做出了什么贡献，他为什么说“黑洞并不是这么黑的
前面两个问题，都是跟宇宙大爆炸和奇点有关的问题。除了这个领域之外，霍金在学术上另一个最重要的贡献，就是对于黑洞的研究，所以第三个问题，我们就来看看，霍金对于黑洞的研究做出了什么贡献，他为什么说“黑洞并不是这么黑的”？
先来看看黑洞是什么，这要从恒星的原理说起。我们都知道，物质之间会产生引力，而且质量越大的物体，所具有的引力也就越大。像太阳这样的恒星，就具有非常大的引力，恒星受到自身引力的影响，会有一个向内，也就是向自身坍缩的倾向。
那既然如此，为什么这么多年过去了，太阳还是那么大呢？也没有因为引力而坍缩变小啊。这是因为，太阳内部还存在着一种支撑力，可以跟引力相平衡。太阳内部温度很高，原子序数是1的氢原子之间激烈碰撞，就会结合在一起形成原子序数是2的氦原子，这个过程会释放出巨大的能量，就相当于是太阳内部有无数多的氢弹，不断地爆炸，这就会给太阳提供一个支撑的斥力。这么一来，当太阳的引力和支撑力相互平衡之后，恒星就可以保持稳定了。所以太阳至今也没有坍缩。
那么问题就来了：恒星内部的这种支撑力，是靠氢和其他一些核燃料来支撑的，但这些燃料，早晚会有烧完的一天啊。一旦烧完，恒星就会在引力的作用下不断坍缩，这个时候会发生什么呢？
恒星的最终归宿，有好几种可能。如果恒星的质量较小，那它的引力就能跟内部粒子的斥力相平衡，最终变成中子星或者白矮星；但是，如果这颗恒星质量巨大，比一个半的太阳还大的话，那么它内部的任何斥力，都不足以抵消它的引力，这样的话，这颗恒星就会一直坍缩，变成质量极大，体积极小的黑洞。
明白了黑洞的形成原理，那黑洞的性质也就好理解了。黑洞最大的特点，就是具有极强的引力，任何物质，包括光在内，只要进入某个临界区域，就永远也不可能逃出黑洞。从外面看来，如果连光都无法逃出的话，黑洞当然就是全黑的，这正是黑洞得名的原因。
但问题是，黑洞这种吸引一切的性质，却跟热力学第二定律产生了冲突。根据这条定律，黑洞也应该有温度，有温度的物体就会向外发出辐射和粒子，黑洞也不应该例外。但刚才说了，连光都逃不出黑洞的引力，那怎么可能有粒子能从黑洞里跑出来呢？这不就矛盾了吗？
包括霍金在内的科学家，都对这个问题感到困惑。但利用量子理论，霍金成功地回答了这个问题：他发现，黑洞的确会发射出粒子，但这些粒子，并不是从黑洞里面跑出来的，而是从黑洞边缘的空虚的空间里，无中生有变出来的。
要理解霍金的这个说法，最关键的一点，是理解量子理论中的“不确定性原理”。根据这个原理，当我们对粒子或者引力场、电磁场的行为进行测量的时候，就会发现，如果我们对其中一个物理量测量得越准确，那么对另一个物理量的测量就越不准确。比方说啊，你对粒子的速度测量得越精确，对粒子的位置就了解得越模糊，人类不可能同时掌握粒子的精确位置和精确速度。
根据不确定性原理，即使是看起来什么都没有的空虚的空间，在微观上其实也是波澜起伏的。你想啊，如果一片空间是完全空虚的，那就代表其中的引力场或者电磁场的强度是0 ，变化率也是0，这两个物理量就同时被确定了。这显然违反了不确定性原理，是不可能的。
那空虚的空间里，到底有些什么东西呢？非常神奇，在空虚的空间里，其实时时刻刻都在产生成对的粒子。为了保持能量守恒，这些粒子有的带有正能量，有的带有负能量，它们碰撞到一起，又会同时湮灭。
到了这一步，我们就可以看看霍金的解释是什么意思了：霍金提出，黑洞的边缘虽然看似是虚空的，但其实在一刻不停地产生成对的粒子。其中带有负能量的粒子，就会被吸到黑洞里去，但还有一些带正能量的粒子，可以幸运地从黑洞的边缘逃脱，跑到其他地方去。如果我们站在黑洞外面看的话，就好像是黑洞在不断地向外发射粒子，这就是黑洞辐射，也叫“霍金辐射”。正是因为有这种辐射的存在，霍金才会说，黑洞其实并不是完全黑的。
霍金辐射在物理学上，是一个极富价值的理论。因为黑洞的诞生，是利用广义相对论算出来的；黑洞的辐射，又跟量子力学有关。也就是说，霍金辐射是把广义相对论、量子力学、热力学结合起来的一次尝试，所以虽然霍金辐射目前没有被观测到，但仍然具有很高的理论价值。
讲到这里，霍金对于黑洞研究的贡献，你大概就了解了。霍金提出，虽然黑洞引力极大，连光都逃不出去，但黑洞也并不是完全黑的。根据量子理论中的“不确定性原理”，黑洞边缘的虚空中会不断地产生成对的粒子，负能量的粒子会被黑洞吸收，但有些正能量的粒子却从黑洞边缘逃脱了。在外界看来，这就好像是黑洞一直在往外发射粒子，这就是黑洞辐射，也叫霍金辐射。
时间简史 总结
到这里，《时间简史》的精髓，也就是霍金对于宇宙的研究做出哪些贡献，你就了解了，我再来为你总结一下：
首先讲到的第一个问题，是霍金和彭罗斯一起提出的奇点定理。奇点是一个体积无限小，密度、曲率、引力无限大的点。霍金和彭罗斯用严谨的数学方法证明了，如果广义相对论是正确的，而且宇宙中的确有我们观察到的那么多物质，那宇宙就必然诞生于一个奇点之中。
第二个问题，我们讲到了霍金提出的无边界宇宙模型。在目前主流的宇宙大爆炸模型中，宇宙有一个边界和起点，也就是大爆炸奇点。但在大爆炸的那一刻，所有的科学定律都失效了，所以科学家们还说不清楚为什么宇宙必须是现在这样的。就有人说，那是上帝创造世界的时刻，所以用科学才解释不了。跟宇宙大爆炸模型不同的是，霍金在无边界宇宙模型中引入了量子力学，认为宇宙是没有边界的，因此也没有奇点，没有开端和终结，如此一来，就不需要上帝来创生宇宙了。
第三个问题，我们讲到了霍金对于黑洞的研究，也就是霍金辐射。霍金提出，黑洞并不是完全黑的，它也会发出辐射。根据不确定性原理，黑洞边缘的虚空，其实也并不是完全空无一物的，而是会不断地产生成对的粒子。其中有些粒子被黑洞吸收了，但有些粒子却从黑洞边缘逃出去了，这就相当于是黑洞在向外发射出粒子，这种现象，就叫黑洞辐射，也就是霍金辐射。
