读懂时间简史的第一本书：大科学家讲时间的故事，带你探索物理科学及宇宙生成的奥祕 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　时间里面藏着宇宙的奥祕，李淼用各种生活中常见的例子，
　　带你以最轻松简单的方式读懂霍金的《时间简史》，
　　进而探索宇宙的生成与最尖端的物理科学。

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　　这是物理学家李淼写给年轻朋友们关于时间的科普读物。霍金在畅销科普作品《时间简史》里讲述了关于宇宙本质的知识。而在本书中，李淼以一般读者更容易理解的方式，组织和诠释了霍金的理论，用很多趣味的故事帮助年轻朋友们重新理解时间：它并不像我们司空见惯的那样寻常，而是藏着整个宇宙的奥祕。要懂得很多最尖端的物理学，才能真正理解，为什么时间是有方向的，宇宙的起点是什么，所谓时间究竟是怎么一回事。

　　科学家趣味开讲，搭配插图，让你秒懂高深的物理知识！

　　熵、统计力学、热力学第二定律、能量守恆、布朗运动、大爆炸、暴胀、宇宙膨胀、大统一理论、上帝粒子……第一次以最有趣的方法让你深刻理解！

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　　「科学饱含真正的美，但只有经过训练的人才能欣赏得到。科普就是用公众可以接受的办法，尽量把这种美介绍给没有经过严格训练的人」──李淼

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　　■从日晷、沙漏、水钟到石英钟、原子钟，为什么我们需要这么精准地测量时间？
　　原子钟可以精准到每十亿天才会出现一秒钟的误差。你可能会问，这么精密的时钟用来做什么呢？我们现在开车，手机定位等等，都会用到GPS。GPS是怎么确定你的位置？答案是借由四颗以上的卫星做到。这些卫星上都有时钟，时钟必须非常精确，同时还必须互相调校，如果调不准，它们收到信号时，就无法判定其他卫星是什么时候发出信号的。因为信号就是电磁波，电磁波的速度很快很快，达到每秒三十万公里，也就是三亿公尺，换算一下，如果时钟差了一千万分之一秒，信号就差了三十公尺。再想想看，当你用手机地图定位时，三十公尺，那可真是不小的误差啊。

　　■时间箭头是什么意思？
　　一只杯子掉到地上，水洒出来并渗入地板里了，杯子也碎了。我们从来没有见过相反的情况，一只杯子的碎片会自动合拢成一个完整的杯子，地板中的水跑回来再跳进杯子，然后杯子从地板上跳到桌子上。这意味着什么？这意味着我们这个世界是一部电影，它从来都是向着一个方向放映，而不能倒着放映，也就是说，时间有一个箭头。

　　因为世界只会由简单变得复杂，混乱度（熵）越来越高。反过来的情形是不可能发生的。宇宙在最开始的时候，熵几乎为零，是一个非常特别的状态，而宇宙作为一个系统，只能变得越来越混乱，于是时间就有了箭头，不可回溯。

　　■所有物体都是从「有序」变为「无序」！
　　波兹曼说啊，任何物体都是由分子构成的，当分子排列整齐时，我们将这种情况叫作「有序」，而当分子排列得乱七八糟的时候，我们将这种情况叫作「无序」。相对于无序，有序的可能性更小，所以不容易做到。他说，任何物体一定是从「有序」变成「无序」，而不是相反，因为「无序」发生的机率总是更高的。他的这种理论叫统计力学，是建立在大量的原子和分子的统计基础上的。

　　■宇宙正在不断膨胀
　　在一九二〇年代，爱德温•哈伯使用当时最大的望远镜得到了一个惊人的发现，原来，这些星系几乎全无例外地离我们越来越远，也就是说，它们以非常快的速度向外面跑去。跑的速度有多快呢？最近更加精确的测量告诉我们，一个距离我们三百万光年的星系，向外跑的速度达到了每秒六万八千公尺。在哈伯之后，科学家用爱因斯坦的广义相对论得到了我们宇宙的历史图景：整个宇宙就像一个不停膨胀的巨大面包，而上千亿个星系就像镶嵌在这个巨大面包中的葡萄干，彼此之间的距离随着面包的膨胀，越来越远。

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名人推荐

　　大陆科学界网红、文津奖得主、着名理论物理学家李淼趣味开讲，他是马云（阿里巴巴创始人）、徐小平（新东方联合创始人）、罗振宇（罗胖，罗辑思维创始人）的「私享课」老师

　　洪启轩  台北市立仁爱国中资优班教师
　　张永佶  北一女中化学教师
　　叶明琪  台北市立大同高中国中部教师
　　蔡坤宪 《霍金大见解》译者
　　简丽贤  北一女中物理教师（按笔画顺序排列）──诚挚推荐

 

作者简介

李淼

　　中国中山大学天文与空间科学研究院院长院长及筹建人。

　　一九八二年毕业于北京大学天体物理专业，一九八四年获中国科技大学理学硕士学位。一九八九年赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所学习，一九九○年获哲学博士学位。一九九○年起先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学任研究助理、研究助理教授，一九九六年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理。一九九九年回国，任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。

　　身为大物理学家的李淼也活跃于科普领域，他的《读懂量子力学的第一本书》（《给孩子讲量子力学》）《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》深受读者欢迎，屡获大奖。

 

第一讲 关于时间的历史
第二讲 时间箭头是怎么回事
第三讲 令人生畏的暴涨
第四讲 宇宙中最长寿的是？


 

序

时间箭头是怎么回事？

　　在《哈利．波特》里的魔法棒是一种非常神奇的东西，比如说，有一次邓不利多校长带着哈利．波特去找一个变成沙发的朋友，看到乱糟糟的房间，用魔法棒一挥，房间顿时被整理得干干净净。又有一次，哈利．波特用魔法棒指着一滩水，那滩水很快就结成了冰。

　　尽管我们会相信魔法故事里这种神奇的事情，但现实生活里会出现这些事吗？我的答案是，根本不可能。比如说，我们现在都是手机一族，不论大人还是小孩，没事就捧着手机。和手机搭配的耳机线，便经常给我们带来不愉快的麻烦：我们将整理得好好的耳机线放在口袋里，可是若没有意外，每次从口袋里掏出耳机，它又会变得乱糟糟的。

　　你有没有见过这种事情发生：一团乱麻一样的耳机线放进口袋里，掏出来的时候变整齐了？我跟你打一块钱的赌，你绝对没有见过这种事情。同样，一个乱糟糟的房间，如果我们不去耐心地慢慢整理，才不可能用魔法棒一挥，就会变得整整齐齐的。那你会问，魔法棒指一下水，它会结成冰吗？回答是，永远不会。原因是什么？因为冰和水比起来，就像整齐的房间和乱糟糟的房间比起来一样。我们慢慢谈这个回答后面的道理。

　　原本有条理的东西会变得乱糟糟，而乱糟糟的东西不会变得有条理，这是我们这个世界的一个根本规律。再举个例子，一只杯子掉到地上，水洒出来并渗入地板里了，杯子也碎了。但我们从来没有见过相反倒带的情况，杯子的碎片会自动合拢成一个完整的杯子，地板里的水跑回来，再跳进杯子，然后杯子从地板上跳到桌子上。这意味着什么？这意味着我们这个世界是一部电影，它从来都是向着一个方向放映，而不能倒着放映，也就是说，时间有一个箭头。

　　其实，中国古人早就注意到这个现象，成语「覆水难收」讲的就是这个现象。这个成语来自汉代的一个故事，汉景帝的时候，有一个穷书生叫朱买臣，娶了个妻子崔氏，他平时除了读书就是砍柴。后来崔氏实在受不了贫穷的生活，要和朱买臣离婚，朱买臣没有办法，只好离婚了。后来汉景帝的儿子汉武帝即位，过没几年，朱买臣获得汉武帝赏识，做了会稽太守。崔氏得知这个消息，蓬头垢面地跑到朱买臣面前，请求他允许自己回到朱家。朱买臣让人端来一盆清水泼在马前，告诉崔氏，若能将泼在地上的水收回盆中，他就答应让她回来。当然，这件事是做不到的。

　　但是，要在很久很久以后，物理学家才找到这个道理背后的根本原因。发现根本原因是一个复杂的过程，有很多故事，我们先讲发现这个根本原因的人。这个人就是奥地利物理学家路德维希．波兹曼（Ludwig Eduard Boltzmann，一八四四～一九○六年）。

　　要理解波兹曼发现的道理并不难。首先，你先准备一个盒子，再拿两个玻璃球。将盒子隔成两半，你闭起眼睛，将玻璃球一颗一颗扔进盒子里。现在，要求你将两颗玻璃球都扔进左边那个盒子，你会发现，尽管这可以做到，但平均下来，每做四次才可能成功一次。原因很简单，两个玻璃球都在左边是一种可能，两个玻璃球都在右边是一种可能，但还有两个可能是两个玻璃球一个在左边一个在右边：

　　一、第一个玻璃球在左边，第二个玻璃球在右边；

　　二、第一个玻璃球在右边，第二个玻璃球在左边。

　　我们再继续做这个实验，现在，玻璃球越来越多，要求你闭起眼睛将所有玻璃球都扔进左边，你会发现越来越难。原因很简单，所有玻璃球都扔进左边只有一种可能，而有很多很多可能是玻璃球乱七八糟地分布在两边。

　　你看，相较于玻璃球乱七八糟地分布，玻璃球同时在一边看上去更整齐，而越整齐的情况越难做到。这个道理说起来非常简单，但是我们可以用这个道理解释前面提到的耳机线的问题：相对于耳机线乱七八糟的样子，耳机线被整理得有条有理比较罕见。

　　那么，波兹曼是怎么解释其他问题，比如说「覆水难收」呢？波兹曼说，任何物体都是由分子构成的，而分子就像我们刚刚做实验的玻璃球。当分子排列得整齐时，我们将这种情况叫作「有序」，而当分子排列得乱七八糟时，我们将这种情况叫作「无序」。相对于无序，有序的可能性更小，所以不容易做到。他说，任何物体一定是从「有序」变成「无序」，而不是相反，因为「无序」发生的机率总是更高的。他的这种理论叫统计力学，是建立在大量的原子和分子的统计基础上的。

　　这么简单的道理，我们现在很容易接受。可是，波兹曼却因为当时很多科学家不接受他的理论而自杀了。

　　今天，我们都觉得物质是由分子和原子构成的，这已经是常识了，但在波兹曼的时代，原子论只是古希腊人的一种哲学，这种哲学因为没有直接证据，根本不被大家接受。科学的好处在于，科学的一切假说都必须有实验来支持。但这个观点有时也有很大的缺陷，就是很多科学家会被当时的实验限制，不敢大胆地提出假说。原子和分子真实存在的第一个证据和爱因斯坦有关，我们后面会谈一下这个证据。

　　尽管波兹曼非常成功地用分子和原子假说解释了不少重要的物理现象，同时也得到了大学的教职，却因为别的科学家拒绝接受他的理论，一生都很不快乐。对他打击最大的是，当时最重要的科学家兼哲学家恩斯特．马赫（Ernst Mach，一八三八～一九一六年），支持一位比波兹曼年轻的德国物理化学家威廉．奥斯特瓦尔德（Friedrich Wilhelm Ostwald，一八五三～一九三二年）。奥斯特瓦尔德是一位很有成就的化学家，后来还在一九○九年获得了诺贝尔化学奖。可见，不论是马赫还是奥斯特瓦尔德，在当时的影响力都很大，他们都一致反对波兹曼的原子论。

　　他们为什么会激烈反对原子论呢？因为当时有一种哲学观点特别流行，就是认为所有物质都是由能量构成的，并不存在什么原子和分子，这种观点叫「唯能论」。我们在上一讲中谈到赫兹发现了电磁波，这个发现让很多科学家认为：物质和电磁波一样，都是连续的能量。而原子和分子，一来我们看不见，二来都是一个一个的，不是连续的，所以不可信。

　　波兹曼五十岁以后，一直和马赫及以奥斯特瓦尔德为代表的唯能论辩论，后者的势力非常强大，而且还以哲学为背景。为了驳倒唯能论，波兹曼甚至自己去研究哲学，也成了哲学家。波兹曼还做了妥协，他说，可以将原子和分子看成一种有用但不真实的模型，这样他对物理现象的统计力学解释就成立了。但是，还是有很多人反对他。

　　到了一九○四年，情况变得对波兹曼更加不利了，那时他已经六十岁了。那一年，在美国圣路易斯举办了一个物理学会议，参加这个会议的很多物理学家反对原子论，波兹曼甚至没有被邀请参加这个会议的物理学部分，他只参加了一个叫「应用数学」的部分。一九○六年，波兹曼精神崩溃了，他辞掉了教授职位，在杜伊诺城堡中上吊自杀。

　　右边这张图片是波兹曼的墓地，他的雕像上方写着波兹曼发现的最重要的公式，公式左边那个S，代表了一个非常重要的物理量，叫作熵。下面，我们就谈谈关于熵的故事。