史蒂芬 霍金《时间简史》、《果壳中的宇宙》、《大设计》思维导图

《时间简史》、《果壳中的宇宙》、《大设计》精华思维导图

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大设计

· 没有质量，所以长程

· 实引力子会产生引力波

· 无质量，长程

· 电子从离核较远的轨道变到离核较近的轨道时，释放能量，并且发射出实光子

· 光子和原子相撞，会将电子从离核较近的轨道移动到离核较远的轨道，吸收能量，光子被吸收

· 总把粒子束缚成不带颜色（白色）的结合体

· 红 绿 蓝夸克

• 质子或中子

· 红 反红 / 绿 反绿 / 蓝 反蓝 夸克

• 介子

• 不稳定

· 不能观测到单独的夸克或胶子

· 时间是相对的！

• 每个人都拥有自己的时间！

· 没有东西可以运动得比光还快

· 本源真相的揭示1！

• 物质和能量的对等性

· 魔鬼被释放！

• 1939年曼哈顿计划（原子弹）开始

• 离真相越近，也就离毁灭越近？

· “引力”只不过是时空为弯曲的这一事实的表现

• 时间和空间不能相互独立

• 四维时空

• 地球在四维时空中沿着直线运动，在三维空间中看起来却成了圆周轨道

· 证据

• 1999年英国西非探险队在日食时观察到光线通过太阳临近时被弯折

· 在大质量物体附近光的能量更大，频率更快，波长更短

· 高处生活的人比低处生活的人老得快！

· 牛顿引力论是广义相对论在弱引力场极限的一种近似

• 对水星运动的高精度观测发现它的实际运动和牛顿理论预言的略有不同，但和广义相对论的预测符合（其轨道椭圆的长轴应围绕太阳以大约每万年1度的速率进动）

· 运动的重物发射引力波

· 证据

• 双脉冲星PSR1913 16 (1975年，罗素*荷尔西，约瑟夫*泰勒，1993年诺贝尔奖)

• 两颗致密中子星，相互公转，轨道周期在10多年间减少了10秒

• 将会在3亿年后相撞

· 粒子的位置和速度不能被同时精确测量

• 普朗克常量

• 粒子位置的不确定性 x 粒子速度的不确定性 x 粒子质量 >= 普朗克常量

• 粒子不再拥有明确的位置和速度，而是位置和速度的一个结合物，即量子态

• 波函数可以被预言（薛定谔方程）

· 场值和变化率不能被同时精确测定

• 不存在绝对空虚的空间

• 真空起伏

· 宇宙具有每一种可能的历史，我们对于现状的观测确定宇宙的不同历史

· 对系统的观测影响它的过去

· 证据

• 电子双缝实验

• 单个电子在同一时刻通过了两条狭缝！

· 虚粒子

• 无质量

· 具有整数自旋（0，1，2）的粒子，基态能量为正

· 在物质粒子之间来回飞行，携带并传递力

• 如光子或引力子

• 粒子和反粒子相同

· 不服从泡利不相容原理

· 具有半整数自旋（如1/2, 2/3）的粒子，基态能量为负

· 物质粒子

• 如电子和夸克

· 每一种费米子/玻色子都具有其自旋比它大/小 1/2的超伴侣

· 预言兰姆移动

· 颜色性

• 红，绿，蓝 / 反红，反绿，反蓝

• 只有无色组合才能作为自由粒子存在

• 夸克 反夸克 = 介子（不稳定）

• 红 绿 蓝 = 重子

• 质子

• 上 上 下

• 中子

• 下 下 上

• 反红 反绿 反蓝 = 反重子

• 反质子

· 渐进自由性

• 靠近强力变小，离开强力增大

• 夸克不能被单独观测到

· 6种味

• 上（ 2/3电荷），下（-1/3电荷），奇，粲、底、顶

• 每种味都有三种色

· 预言W ，W-和Z0粒子（重矢量波色子）

• 自旋为1

• 在低能量下一些看起来完全不同的粒子子，事实上只是处于不同态的同一种粒子

• 在能量远超100吉电子伏的时候，和光子的行为相似

• 电子伏特

• 一个电子从一个伏特的电场得到的能量为1电子伏特

• 在大多数情况下，能量较低，粒子之间的对称被破坏，得到了大的质量。携带的力变成了短程

• 对称性自发破缺

· 电子是粒子

• 电子在旋转过程当中将会逐渐失去能量并最终撞击到原子核上

• 物质将会很快坍缩成密度非常高的状态

• 经典力学崩溃

· 电子是波

• 电子只能围绕长度为波长整数倍的轨道张旋转

· 普朗克长度（1/1亿亿亿 毫米）

• 物理学的最小长度

• 我们可以探测而不必创生黑洞的最小距离

· 虚时间中的历史和实时间中的历史一一对应

· 其中一些达到临界尺度，发生爆胀

• “上帝的确掷骰子”

· 完全光滑地启始宇宙的历史拥有最高的概率

· 最终导致星系、恒星......和已知宇宙的形成

· 点

• 粒子

· 线

• 弦

· 面

• 二维膜

· 体

• 三维物体

• 我们也许生活在一张三维膜上，而我们世界的态记录着发生在五维区域内一切的密码（全息原理）

• 我们生活在五维空间的边界上面？

· 4~9维的其他物体

· 邻近膜会防止引力发散到更远的额外维

· 由于光被限制在膜上，我们不能看见影子世界

· 我们能通过引力效应感受到影子膜的存在（暗物质）

• 行星可以围绕在影子膜上的暗质量公转

• 证据

• 银行系的螺旋星系边缘的恒星公转的速度过快，单凭我们观察到的所有恒星引力不足以把它们约束在轨道上面

· 开弦的世界片是一条带子

· 闭弦的世界片是一根管道

· 弦可以相互合并或者分拆成多条弦

• 有点像管道工程！

· 只是M理论的不同近似

· 它们被解释为基本粒子（粒子是弦的振动模式）

• 振动的波长越短，粒子质量越大

· 时空必须为十一维（十个空间维和一个时间维）

• 额外的7个维度被卷曲成内空间

· 额外维的蜷缩方式有限

• 内空间的形状确定自然的表观定律

• 允许具有不同表观定律的不同宇宙

• 可能存在10的500次方个宇宙！

· 比如人类

· 定律对于粒子和反粒子相同

· 定律对于任何情景与其镜像相同

• 弱力不服从P对称(1956年，杨振宁，李政道)

· 定律对于前进或后退的时间方向一样

• 如果颠倒所有粒子和反粒子的运动方向，系统应回到早先的那样

· 电子 <-> 反夸克， 反电子<->夸克

· 虫洞

· 一根单独的宇宙弦可以贯穿整个宇宙

· 两片平行金属板之间的很小的吸引力（卡西米尔效应）

• 平板间距离是其中虚光子波长的整数倍

• 平板间的能量密度为负！

· 在闭合圈环中运动的电子引起的氢原子光谱的微小位移

· 恒星质量 < 钱德拉赛卡极限（约2个太阳质量）

• 白矮星

• 半径几千英里，每立方英寸几百吨（电子排斥）

• 中子星

• 半径10英里，每立方英寸几亿吨（中子和质子排斥）

• 证据

• 1967年，脉冲星（旋转的中子星）发现，剑桥

· 恒星质量 > 钱德拉赛卡极限

• 黑洞

• 其数目应该比可见恒星数目大得多！

• 解释银河系为何以现有 速率转动（仅凭可见恒星的质量不足以形成这种情况）

• 银河系中心是一个大约为太阳质量10万倍的黑洞

• 银河系中心有非常致密的射电波和红外线源

• 证据

• 天鹅X-1

• 正在被“吃掉”的可见星 6倍太阳质量的不可见伴星（黑洞）!

• M87星系

• 中心是一个20亿倍太阳质量的黑洞！

• 星系NGC4151中心是一个1亿倍太阳质量的黑洞

· 太初黑洞应该辐射出伽马射线暴

· 热力学第二定律

• 一个孤立系统的熵总是增加，并且将两个系统连接在一起时，其合并系统的熵大于所有单独系统的熵的总和

· 想了解发生在黑洞之内的东西？

• 量子论 全息

• P膜的黑洞模型

• 落入黑洞的信息不会消失

· 黑洞温度会越来越高

• 辐射加快

• 最终完全消失

• 落入黑洞的信息将会消失

· 几个太阳质量的黑洞，温度只比绝对零度高1/1,000,000度

• 绝大部分黑洞的量子辐射被淹没在宇宙微波背景辐射中

· 两个氦核碰撞生成铍

• 开始坍缩的恒星中，铍在衰变前和氦核碰撞生成碳

· 这些物质凝聚成行星

• 再经过不可思议的复杂过程形成具有自我复制能力的单元（细胞），并最终形成生命

· 核物理定律被有意设计？（弗雷德*霍伊尔，1950年代）

· 35亿年前DNA分子出现

· 生命密码

· 碱基沿螺旋楼梯排列的顺序携带遗传信息

· 人类将进入快速进化时代？

· 离真相越近，离毁灭越近？

· 现代文明的真正起始，质变时刻！

· 通过外部的非生物手段的资讯传递使人类凌驾于世界之上，并使人口指数增长

· 星系

• 恒星系

• 行星

· 螺旋星系

• 银河系（由千亿颗恒星组成）

• 太阳系（位于银河系的外臂）

• 地球

• 距离我们最近的恒星-比邻星

• 4光年

• 宇宙速度

• 第一宇宙速度

• 12千米/秒

• 逃离地球

• 第二宇宙速度

• 100千米/秒

• 逃离太阳系

· 棒旋星系

· 椭圆星系

· 大约发生在137亿年前

· 证据

• 宇宙微波辐射CMBR

• 早期致密致热宇宙遗留下来的辐射

• 比绝对零度高2.7度

• 预言宇宙中氢、氦、锂的比例和观测一致（氦丰度）

· 膨胀第一相 - 爆胀

• 宇宙的起源是一个量子事件

• 其比例好像一枚硬币突然间爆炸到银河系宽度的1000万倍！！！

• 预言CMBR的不均匀性

• 1992年首次被NASA的COBE卫星观测到

• 暴胀的确发生过！

• 需要以不可思议的精确程度设定宇宙的初始状态

· 光谱

• 红色端

• 长波

• 蓝色端

• 短波

• 波长比较

• 伽马射线 < X射线 < 紫外线 < 可见光 < 红外线 < 微波 < 射电波

· 从光谱推测出温度和大气元素

· 离开地球时波长变长，因此红移

· 暗物质的存在证据

· 双星或多星系统中，行星要么太热，要么太冷，无法维持生命

· 偏心率高的椭圆轨道在近日和远日的时候温度相差过大，无法维持生命

· 地球正好处于其中！

· 强核力/电磁力如果稍微改变

• 恒星中会毁灭全部的碳/氢

· 弱核力如果再弱一点

• 所有的氢都会转变成氦

• 恒星无法形成

· 弱核力再强一点

• 超新星无法喷出外壳

· 构成质子的夸克的质量总和对于大量稳定原子核的存在刚好最佳

· 只有三维时行星的椭圆轨道才有可能

· 宇宙常数的存在

科学史