作者：泡爸
出版社：湖南科学技术出版社
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大人孩子都能懂的时间简史试读：
导言
这本书的章节与《时间简史》一一对应，所阐述的思想也完全一致。
不同的是，没有任何物理基础的孩子、中学物理忘得一干二净的成年人，也能够完整、明白地看懂这本书里的每一个章节、每一段文字。
这本书将孩子带入一个完全可以理解，又激发想象的宇宙时空，开启科学热情。第1章我们的宇宙图像
宇宙中的星球是如何保持平衡的？
当有人把这个问题提给牛顿的时候，牛顿知道，他必须回答。没办法，谁让他是英国皇家学会的会长呢，谁让他是万有引力定律和牛顿运动定律的发现者呢。
实际上，回答这个问题的困难之处，正跟牛顿发现的万有引力定律有关。
万有引力定律是一条优美、和谐、简单的定律，咱们有必要讲一下：万有引力定律：
自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小与两个物体的质量成正比，与物体间距离成反比。
问题就出在这里。
宇宙中的行星受到恒星的吸引，行星转动时产生向外的离心力，离心力的大小与恒星对它的引力相等，所以，行星围绕恒星转动，这一点不难理解。
难以理解的是，宇宙中有那么多的恒星，恒星之间也是有引力的，这些恒星为什么没有在相互间引力的作用下，塌落聚集，一起落到某个地方去呢？
难道，万有引力定律对宇宙中的恒星不起作用么？那这定律也太不咋地了吧？关于宇宙中星球的问题，早在牛顿之前4000年，古希腊人就已经开始琢磨了。他们的认识是从地球开始的。他们很聪明地意识到，地球可能是个圆球。站在地球的北极，北极星在头顶正上方，需要仰视；站在赤道，北极星在水平方向，可以平视。
这个意识首先来自于对船的观察，观察地平线外驶来的船，古希腊人注意到，这些船总是先露出船帆，然后再露出船身。如果地球是平的，就不应该出现这种现象。
这个意识还来自于对星空的观察，古希腊人发现，旅行时，越往南走，天空中的北极星就越低，更加靠近地平线；而越往北走，北极星就越高。如果地球是平的，就不应该出现这种现象。非常可惜，古希腊人没机会走上北极点，如果他们走到北极点，他们还会发现，北极星已经升到了他的头顶，因为北极星在北极的正上方。地平线上，船总是先露出船帆。
古希腊大思想家亚里士多德的观察更加仔细，他发现，地球在月亮上的影子，总是圆的。
结合这些观察，亚里士多德得出结论说：地球是圆的。这个结论很正确。他还认为：地球是宇宙的中心，静止不动，月亮、行星、太阳，以及其他宇宙中所有的星球都围绕着地球转动，他们的转动轨道是标准的圆周形。
我们都知道，后面这些结论是有问题的。但麻烦的是，西方世界很有势力的基督教会完全接受了亚里士多德的观点，并且把这个观点跟上帝创造世界联系在一起。
教会不好惹。1800年后，哥白尼提出了日心说，他判断出地球是围绕太阳转的。但他迟迟不敢正式公布，40岁就判断出的理论，到70岁才敢写成书。拿到书的当天，哥白尼去世了。哥白尼的宇宙模型：太阳是宇宙的中心，地球和行星们围绕太阳做圆周运动。
后来，伽利略用他的天文望远镜为日心说提供了证据，他观测到，木星的几个小卫星是围绕木星旋转的，而不是如地心说的理论，全都围绕地球旋转。
再后来，开普勒提出，行星的运动轨迹，不是圆周，而是椭圆。有意思的是，开普勒的结论来自于它的实际观测，而他本人，却对这一观测结果很不喜欢，他觉得，椭圆实在不如圆周完美、和谐。伽利略和他的著作《关于两个世界体系的对话》书影。哥白尼、伽利略、开普勒都曾受到过教会的迫害。牛顿比他们幸运，到牛顿的年代，科学已经从被教会打压的异端邪说转变成受到公众尊重的知识。前人的努力，帮助牛顿认识到万有引力定律。千万别迷信万有引力定律来源的苹果说，如果没有开普勒的理论基础，牛顿被苹果砸100次，也发现不了万有引力定律。讲到牛顿，让我们再回到宇宙中星球分布的问题。牛顿是这样解释的，他说，如果宇宙中只有少量的恒星，显然他们会相互吸引，落到一个中心点。但宇宙中有无限多的恒星，分布在无限广的空间里，所以，宇宙中根本不存在一个恒星落去的中心点。但是，这个解释难以令人信服。按照牛顿定律，如果只有少量恒星，那么它们就要塌落聚集。那么，即便在这些恒星周围添加更多牛顿与开普勒均匀分布的恒星，按照牛顿定律，添加的恒星对原来那些少量恒星是不会产生影响的。原来的，该塌还是要塌啊。
所以，牛顿的解释站不住脚。
后来，有人帮牛顿解释说，星球间的距离非常大时，引力就不再是引力了，而变成了斥力。这些引力和斥力，保证了宇宙中星球的稳定平衡。
可是，如果宇宙真是这样的话，那宇宙的平衡岂不太脆弱了？任何一个领域的恒星位置稍微有一点变化，宇宙的平衡就要被彻底打破。
宇宙如何保持平衡这个问题，牛顿没能正确回答，牛顿的同时代科学家也没能正确回答。甚至，牛顿之后200年，一直也没有人能够正确回答。
科学不够发达的时候，很多科学问题是被当做哲学或神学问题思考的。比如宇宙的起源，最先给出解释的是几大宗教。
哲学家也喜欢干这事，牛顿之后，有个相当著名的哲学家，康德，非常认真地思考了宇宙起源和时间问题。结果呢？这位理性哲学大师在自己的思考中迷失了。对于宇宙有没有起源的问题，康德发现，无论怎样回答，总有矛盾：如果宇宙没有开端，那么时间就是无限的，怎么可能存在无限的时间呢？如果宇宙有一个开端，那么在这个开端之前呢？岂不还是有着无限的时间？时间不可能是无限的呀。
这个问题，还是得靠科学来回答。
1929年，哈勃在观测中发现，宇宙中，远处的星系正在离开我们远去。这个结论让他认识到：宇宙正在膨胀。很快，这一见解被科学界普遍接受。宇宙正在膨胀，星球相互远离。
宇宙正在膨胀，宇宙并非处在一个静止、稳定的状态上。这一发现，解释了牛顿没法回答的问题，宇宙中的星球，正如气球上的几个黑点，随着气球的不断变大而远离，膨胀的力量使它们不至于塌落聚集。
宇宙正在膨胀的发现也预示着，宇宙是从一个点开始的，那是一个尺度特别小、密度特别大的点，宇宙正由这个点的大爆炸而来。
在这个点里，科学理论失效了。大爆炸之前，时间也不存在。科学发现解决了康德的困惑，宇宙不存时间不是无限的，时间是从宇宙大爆炸的那个点开始的。
科学的发展是有节奏的，亚里士多德认识到地球是圆的，但他认为地球是宇宙的中心；1800年后，哥白尼指出地球不是宇宙的中心，但他以为星球们在做圆周运动。开普勒观测到星球的椭圆运动轨迹，他本人却不喜欢这个观测结果。
然后，牛顿站在开普勒的肩膀上发现了万有引力定律和牛顿运动定律。这些定律使牛顿成为人类历史上几乎是最重要的科学家。
接下来，你会发现，万有引力定律和牛顿运动定律并不完美，某些方面，甚至牛顿本人也不买账。银河系中心。
当牛顿的运动定律与某些观察结果不一致时，爱因斯坦找到了新的理论：相对论。相对论使爱因斯坦名扬天下，他被认为是牛顿之后最值得与牛顿相提并论的科学家。可是，相对论也束缚了爱因斯坦，使得他迟迟不肯接受另一个重要的科学理论：量子理论。
接下来我们会讲到，相对论有正确的地方，量子理论也有正确的地方。但它俩之间并不协调，甚至相互违背，怎么办？
不用担心，科学家们正在努力。对于求知，人类有着深切的意愿，科学永远不会停下脚步。
我们是谁？我们从哪里来？我们为什么在这里？我们要到哪里去？
或许，某一天，这些哲学意义的问题，都可以用科学的方法回答。广义相对论所描述的时空弯曲。第2章空间与时间
亚里士多德非常相信思维的力量，他认为，统领宇宙的规律，可以用纯粹的思维找到，他不觉得实验和观测，有多么大的必要性。
亚里士多德有一个非常著名的观点：同时释放两个物体，重的那个，一定比轻的那个，落得更快。
之后的1900年里，这个说法从未遭遇挑战，直到被伽利略否定。
伽利略从比萨斜塔上同时抛下两个铁球的故事，可能只是一个传说，并没有实际发生。不过，伽利略确实做了类似的斜坡实验：让不同重量的球从光滑的斜面滚下。通过观测，伽利略的结论是，球体滚落的时间，跟它的重量没有关系。
伽利略这个实验的价值不仅仅在于否定了亚里士多德的说法，它还开启了“实验科学”的大门。近代科学也被称为“实验科学”，每一条科学规律都必须得到实验的验证，而且要经得住反复验证。这种实验精神，来自伽利略，这也是伽利略被称为“现代科学之父”的原因。
也可以说，是伽利略将哲学家和科学家的工作彻底区分开来，哲学家负责思考，科学家负责观测和实验。在月亮上不存在空气阻力，一根羽毛和一个铅球以同样的速度下降。在伽利略的基础上，牛顿总结出他的三大运动规律，和万有引力定律一样，牛顿三大运动定律也是如此地优美、和谐、简单，我们讲一下最简单的第三定律吧。牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力，总是在同一条直线上，大小相等，方向相反。简单吧？容易理解吧？牛顿运动定律带给牛顿极大的荣耀和成就。
但是，前面讲过，牛顿运动定律所揭示的一个事实却让牛顿非常不舒服。
这个事实是：物体间的运动状态都是相对的，所以，宇宙中不存在一个绝对静止的状态。
一个物体处在什么位置，处在哪个空间，都是相对的。没有绝对位置，也没有绝对空间。
这一点在生活中不难理解。当一个物体以10千米/秒的速度相对于地面运动，对比跟它同一方向以8千米/秒运动的物体，则它的运动速度是2千米/秒。而如果与它自己相比，它的速度其实是零。
正如一个人在运动的火车里起跳，他跳一次，落回原地；过一会，再跳一次，又落回原地。在他自己看来，两次跳跃并没有空间上的区别。但对于火车外地面上的观测者来说，这两次起跳完全发生在不同的位置、不同的空间。
然而，发现这个观点可以被推广到整个宇宙，牛顿感到非常难以接受。他认为，如果宇宙中没有一个绝对的静止状态，那么，这个宇宙也太没秩序、太没意义了。
如果牛顿多活200年，知道20世纪初的科学发展状况，他的态度，可能会从拒绝接受，变成大为恼怒。因为，这时候，科学家们不但不认可绝对空间，他们甚至认为，时间也不是绝对的。
也就是说，两个人使用同样的钟，为同一件事计时，任何误差都没有。但事情结束时，两个人的钟却显示不一样的时间。
这怎么可能？
不但可能，而且是必需的。
没有绝对时间的观念，起源于人们对光的认识。
起初，有人发现，光是有速度的。
很多年后，两个美国科学家决定对光的速度进行测定，他们意识到，可以利用地球围绕太阳的公转进行光速测定，因为，不同季节、不同时间，地球的运动方向跟太阳光的方向是不同的。所以，地球处于不同运动方向时，太阳光的速度应该有所不同。
1887年，这两个人得出了惊人的结论，这个结论之所以惊人，因为跟他们的预想截然不同，这个结论是：无论地球如何运动，太阳光的传播速度完全一致。
这怎么可能呢？
当地球向着太阳运动时，太阳光速应该快啊，因为，还要加上地球运动的速度嘛。
当地球背着太阳运动时，太阳光速应该慢啊，因为，还要减去地球运动的速度嘛。
所以，这两个人的结论才惊人。
这两个人，一个是物理学家麦克尔逊，另一个是化学家莫雷，这个实验被称为著名的麦克尔逊一莫雷实验，麦克尔逊还因此成为美国第一个获诺贝尔物理学奖的人。
这个结论对物理学界的震惊可想而知，因为，它彻底否定了牛顿运动定律。这就等于说，一辆汽车在公路上开，旁边开过一辆更快的火车。那辆火车的速度，不管是跟地面比，还是跟开着的汽车比，都是一样的。不可能嘛！不管朝哪个方向跑，太阳光照射过来的速度是一样的。
在速度慢的世界里，确实不可能。但是在速度快的世界里，速度快到可以跟光速相比的时候，这事就可能了。
1905年，爱因斯坦用他的狭义相对论说明了这个可能性。
狭义相对论包含以下两个基本原理：相对性原理：
不管观察者处于什么运动状态，物理定律不变。光速不变性原理：
任何光线都以确定的速度c运动着，不管这道光线来自静止的还是运动的物体。
狭义相对论认定光的速度是恒定的。两个不同运动速度的物体各发出一束光，在相同的时间里，两束光走过的距离不一样，但光的速度是一样的。而在第三者测量的“相同的时间”里，这两个物体所经历的真实时间也是不一样的。
天哪，时间居然可以跟着速度变化，可快可慢！时间变成了相对的，绝对时间也不存在了。
这个结论不但会让牛顿大为恼怒，恐怕现在也还有很多人觉得难以理解。但是这种现象确实存在。
如果一个人乘飞机顺着地球自转的方向往东飞，他的速度等于飞机的速度加上地球自转的速度，相比往西的飞机，往东的速度更快。他所经历的时间，就比那个往西飞的乘客更短。这个结果，已经被精准的钟表测量所证明，也证明了狭义相对论的正确性。
换一种形象通俗的说法，这叫时钟变慢，运动使得时钟变慢。如果一个物体的运动速度足够快，快到可以跟光速对比，那么时钟变慢的效应将会非常明显，以至于出现儿子比老爸还老的现象。
回到飞机的例子，如果你想让自己的寿命更长一些，可以绕着地球往东飞，连续飞一辈子，大概可以增寿零点几秒。
狭义相对论还表明，一个物体的质量也跟速度有关，速度变大，质量也随着变大。当一个物体以10%光速运动，它的质量将增加0.5%；当它的速度达到光速的90%，它的质量将变成原来的两倍。速度再往上，离光速越近，这个物体的质量增加越快。它永远不可能达到光速，因为那时，它的质量将变得无限大。这也是狭义相对论的另一个简单明了的结论，任何物体的速度都不可能超越光速。地球上，沿地面行走，两个点之间的距离是弧线，而不是直线。
狭义相对论太伟大了，它解决了光速不变的问题，很多人为之欢呼。
但爱因斯坦却发现了问题。
太阳光传到地球需要8分钟，也就是说，我们现在感受到的太阳光，是8分钟之前的。如果太阳突然消失，8分钟后，光才停止。可是，如果太阳突然消失，太阳对地球的引力，也会突然消失，不会等8分钟。
那不等于说，引力比光跑得快吗？凭什么？引力可以跑得比光还快呢？
这个问题，爱因斯坦从1908年开始琢磨，一直琢磨到19巧年，想明白啦，他提出了广义相对论。
什么是广义相对论？广义相对论说，引力不是力，而是一种弯曲。
引力是一种弯曲？这是什么鬼话？听不懂啊。
是的，广义相对论不好懂，如果广义相对论好懂，爱因斯坦就不那么稀罕了。爱因斯坦提出广义相对论之后的几年里，科学界流行一个有趣的说法：世界上真正懂广义相对论的人，包括爱因斯坦，只有三个。当然这句话有开玩笑的性质。
一个人从北京出发，直直地走到广州，他走过的路是一条直线吗？不是，他走过的是一条弧线，因为地球是圆的。
一个物体放在那里，一动不动，1小时后，它的位置变化了吗？从三维空间来看，没有变化，但是，如果把时间也算作一个变量，在增加了时间的这个四维空间里，它变了。
质量的影响可以带来空间一时间的变化，太阳的质量，能够引发其周围空间一时间的弯曲，这种弯曲，在广义相对论之前，被称为引力。
有点似懂非懂？别担心，不影响阅读后面的内容。远处行星发出的光线，在太阳的引力下，发生了折射。
我们来看看广义相对论的结论吧：
广义相对论认为，遇到质量大的物体时，光线是会弯曲的。比如，一些恒星的真实位置，可能跟我们观测到的不一样，因为，它所发出的光线，在经过太阳时，被太阳给弯曲了。光线可以弯曲的结论，后来被科学观测证明了。
广义相对论还认为，地球上的一个水塔，其顶部的钟和底部的钟，走得不一样，底部的应该慢一些。这一点，也被科学实验证明了。从广义相对论出发，还可以推断出：宇宙必须有一个开端，并且可能有个终结时刻。有意思的是，广义相对论推断出宇宙的开端，宇宙的开端却否定了广义相对论，整死了广义相对论。什么意思？接着往下看。人们发现，安放在塔基的更靠近地球的钟比安放在塔顶的钟走得慢一些。第3章膨胀的宇宙
定势很可怕。
很多时候，一个人脑子里的定势，会严重束缚他的思想。
宇宙膨胀这个事实，在牛顿时代，有了万有引力定律之后，是完全应该被想到的。如果宇宙是静态的，它一定会在引力的影响下开始塌缩。
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