“天地玄黄，宇宙洪荒”。从古至今，人类无比渴望掌握和解释所处的这个世界。

无论是古代西方的上帝创世，还是古代中国的盘古开天 ；无论是德谟克利特的原子论，还是今天的大爆炸理论，都是对世界的一种阐释。

1.《时间简史》

说到关于世界的解释，就不得不提霍金的经典著作《时间简史》。

《时间简史》是我最喜欢的科普著作之一，它自1988年首版以来，被翻译成40多种文字，被许多读者戏称“读不来的科普畅销书”。

霍金用深入浅出的语言，配上许多精美的插图，带我们领略一番大爆炸、时空、黑洞、奇点等一系列叹为观止的宇宙奇观，描绘了一幅堪比科幻的宇宙图景。

2、大爆炸

现代宇宙学提出了许多宇宙模型，其中流传最广，也普遍为人们所接受的模型是热大爆炸模型。

本书介绍的描述世界的宇宙模型P229

大爆炸理论认为，我们所处的世界并不是一直存在的，它有一个开端，称为奇点。所有的定律和法则在此处失效，所有的物质在此处均化为乌有。

根据大爆炸理论，我们的宇宙经历了以下几个重要的演化阶段：

1、10-43秒前——普朗克时期

这个时期的宇宙几乎什么都没有，能量却高达1020亿电子伏特，宇宙存在于一个“虚无”的完美状态中 。神秘的超对称性将四种分别为引力、电磁力、强核力和弱核力的基本力统一成一个单一的“超力”。

热大爆炸宇宙模型 P148 149

2、 10-43秒——大统一理论（GUT）时期

由于对称性破缺的发生，使得宇宙气泡以10-43的巨大系数快速膨胀。四种基本力开始彼此迅速分离，引力第一个从基本力中分离出去，在整个宇宙中释放冲击波，其余的强核力、弱核力和电磁力相互作用仍被统一在这个大统一理论（GUT）中此时的宇宙温度为1032K。

3、 10-34秒——膨胀结束

强核力与其他的两种力分离，膨胀期结束。整个宇宙犹如一锅由无拘束的夸克、胶子和轻子的热等离子体组成的热汤。自由的夸克浓缩成今天的质子和中子，物质和反物质相互泯灭，物质微微比反物质多出十亿分之一，超过的量构成了今天的世界。

物质与反物质相互泯灭

4、3分钟——核子形成

宇宙结束了原始火球阶段，但仍然一片模糊。 核子开始形成，氢熔合成氦，产生今天我们今天看到的75%氢和25%氦的比例，同时形成了微量元素锂。但由于5个粒子的核子结构很不稳定，导致了更高位的元素难以熔合。

两种重要的原子核模型

5、300000年——原子诞生

温度降到3000K，曾经一片模糊的宇宙开始变得透明，电子固定在核周围形成原子，这时的光子终于可以自由传播而不被吸收，形成我们今天看到的微波背景辐射。

微波背景辐射

6、10亿年——恒星浓缩

此时的宇宙温度下降至18K，类星体、星系和银河系星团开始浓缩，恒星开始“烹调”诸如碳、氧、氮之类的轻元素，爆炸的恒星则将铁之后的重元素抛至宇宙深空。

7、137亿年（今天）——正在膨胀中的宇宙

一个由行星、恒星、星系，以及暗物质和暗能量组成的宇宙正在加速膨胀。

哈勃望远镜中的宇宙深空场（图中每一点代表一个星系）

哈勃望远镜中的宇宙深空场（图中每一点代表一个星系）

3、弯曲的时空

想象一下这样一个世界：我们所处的宇宙空间是一张巨大的弹床，因为存在太阳这样质量巨大的“弹珠”而向下坍塌，以地球为代表的太阳系行星在这块被弯曲的空间里，“绕”着太阳永不停歇地转动。

这是爱因斯坦的广义相对论为我们描述的时空场景。

广义相对论中的四维时空图 P19

因为时空不是平坦的，因此我们平常说的引力只不过是时空弯曲的结果，使得地球看起来是在引力的作用下绕着太阳做圆周运动。事实上，它是沿着四维时空的一条接近直线的测地线运动的。

弯曲的时空不仅能影响地球的运动路径，还可以“掰弯”光线。

时空弯曲的事实意味着，光线在空间中看起来并不是沿着直线旅行。

被引力场弯折的光线 P41

由于太阳的质量巨大，太阳近处的光锥会向内稍微弯折，使得从遥远的行星发出的，通过太阳附近的光线偏折了一定的角度。对于地球上的观察者来说，这颗恒星似乎处于不同的位置上。

广义相对论还预言了：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（光在每秒钟里搏动的次数）有一种关系：能量越大，则频率越高。即：

E=hv

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。

靠近引力场的时钟走得更慢 P43

1962年，人们利用一对分别安装在水塔顶端和地下的时钟，验证了这个预言。

4一颗恒星的生命历程

地球上的一切生物都有生老病死，恒星也不例外。

恒星的最终归宿主要取决于其本身的质量。纵观恒星漫长的一生，必须经历以下几个阶段：

1、恒星诞生

恒星的演化开始于一片巨分子云，在某些偶然事件（如超新星爆发等）的影响下，开始在自身引力的作用下发生坍塌。

NGC6559恒星诞生区

当它收缩时，气体原子以频繁且越来越大的速度相互碰撞，致使温度升高。随着温度变得越来越高，相互碰撞的氢原子逐渐聚合形成氦原子，核心的核聚变产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。由此进入一个相对稳定的阶段。

2、主序星

恒星形成后会落在赫罗图的主星序的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可能在此序列上停留数千亿年，而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。

赫罗图

3、红巨星

在形成几百万到几千亿年之后，恒星会消耗完核心中的氢元素，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。

失去了抵抗引力的核反应能量后，恒星的外壳开始向内坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高，一旦核心的温度达到了1亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。

红巨星

积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年。

4.衰老和死亡

恒星的最终命运取决于它本身的质量。

具有一个太阳质量的恒星将会坍塌成一个白矮星，10个太阳质量的恒星将坍塌成一个中子星，而30个太阳质量的恒星则会变成一个黑洞。

黑洞

而大质量恒星（具有10~30个太阳质量）的死亡方式——超新星爆发，是最绚烂的宇宙奇观。

超新星爆发

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