《時間簡史》之讀書筆記——空間與時間
在我們的認知中，往往會將空間和時間看成是相互獨立的。但在物理學家的理論認知中，空間和時間是不能分割的，如果要認識宇宙，時空觀念必須要建立。在時空觀念中，我們實際上生活在一個4維坐標系中，包括了3個空間坐標和1和時間坐標。圍繞我們發生的每一個事件都能找到對應的4個數字。在《時空簡史》的第二章「空間和時間」中，霍金把人類對空間和時間的認知分為了三個階段，並對第三個階段進行了重點說明。這三個階段依次是：第一階段：絕對空間（代表人物：亞里士多德），第二階段：空間相對，時間絕對（代表人物：牛頓），第三階段：空間相對，時間相對的時空觀（代表人物：愛因斯坦）。在這一章節中，又將有哪些物理學界的大佬登場呢？接下來，我帶著大家看一看。
按照第一章筆記的做法，我還是先為這一章內容建立一個時間軸，如圖1所示。
真正開始認識空間，是從伽利略和站在他肩膀上的牛頓開始的。雖然我們所熟知的伽利略的比薩斜塔試驗（不同重量的球以同樣的速度落下）可能只是個傳說，但其進行的物體運動試驗，改變了歷史，為後來牛頓提出運動定律奠定了基礎。在牛頓的運動定律中認為，力是改變物體運動狀態的原因，而不僅僅是使物體由靜止變為運動。而且，牛頓提出了引力定律，認為任何兩個物體都相互吸引，其引力大小與每個物體的質量成正比。在伽利略—牛頓的觀念里，空間是相對的，不存在絕對靜止狀態。想一想我們再初中物理中學到的參考系這個概念，就應該能理解這個空間相對的觀念了。牛頓的運動和引力定律，在物體速度較低時，能夠很好的符合很多現象，甚至太陽系中行星的運行規律。但當速度接近或達到光速時呢？這個問題是霍金在這一章的重點內容，也是該愛因斯坦，這個被冠以最聰明人頭銜的偉大科學家登場的時候了。
如果說伽利略給牛頓提供了一個肩膀，那麼麥克斯韋至少給愛因斯坦提供了一個小桌子吧。電磁之父麥克斯韋，提出了光的傳播理論，認為光速不變。另外，麥克爾遜—莫雷的光速測量試驗在這個小桌子上又架了一個小板凳。這兩位物理試驗大師，利用試驗測定了光速，並正式了光速不變理論，指出光速和光源的移動速度無關。愛因斯坦的相對論和光速息息相關。愛因斯坦的相對論，變革了空間和時間的觀念，指出時間和空間一樣都是非絕對的。從此，人們必須接受這個觀念，即時間不能完全脫離和獨立於空間，而必須和空間結合在一起形成所謂的時空的客體。
引入時空觀念，霍金建立了一個時空坐標系，為了描述明白，他只取了二維的空間坐標。他以池塘漣漪這一事件為對象，建立了一個時空坐標系，如圖2所示。一個事件，在思維時空中形成了一個時空圓錐。在這一事件中的東西，由於速度無法超過光速，其軌跡必然會落在這個時空圓錐中。當有另一個事件發生在這個時空圓錐外，那麼這個事件不影響時空圓錐中的事件，反之也不受後者影響。
霍金又舉了一個例子，如圖3所示。假定太陽在此刻停止發光，它不會對此刻的地球發生影響，因為地球的此刻是在太陽熄滅這一事件的光錐之外。我們只能在8分鐘之後才能知道這一事件，這是光從太陽到達地球所花的時間。
到此為止，霍金介紹的相對論中，還沒有考慮引力這個因素。這時，愛因斯坦的相對論被稱為狹義相對論。讓愛因斯坦成為最偉大物理科學家，隱隱超出牛頓的，是廣義相對論。在廣義相對論中，愛因斯坦指出引力是物體質量引起時空彎曲的結果，如圖4所示。地球引起周圍時空的彎曲，使得月球圍繞地球旋轉。以行星圍繞太陽公轉軌道為例，比較一下廣義相對論和牛頓的引力定律。除了在距離太陽最近的水星，其他的行星的軌道計算結果幾乎一致。後來，隨著科技的發展，人們發現了其他行星軌道計算中廣義相對論計算結果和牛頓計算結果的微小偏差，前者更符合實際，為廣義相對論的普遍接受提供了堅實的數據支持。
引力可以使光線彎曲。這時，我們頭腦中一直認為的光沿直線傳播的理論被打破了。當然，在我們的生活中，光沿直線傳播還是成立的，最起碼彎曲的曲率極小極小到可以忽略。這裡引力彎曲光線，要和光線折射區分開，後者是指發生在不同介質界面處角度的變化。要使光線彎曲，必須要有一個質量十分巨大的物體才行，這次才能造成其周圍空間明顯的彎曲。
在廣義相對論中，時空的彎曲還會影響時間的流逝速度。1962年，一個試驗證實了這一預言。在一座高塔的頂部和底部分別有一個鐘錶，底部的鐘走的會慢些。這是因為底部的鐘離地球更近，收到地球引力的影響更大。基於這一點，我們現在廣泛使用的GPS衛星定位才更加準確。這裡有一個很有意思的雙生子佯謬，我就不再描述了，其實我也說不大清楚，需要進一步的找些資料來研究一番。
在廣義相對論的提出，使人們對時空有了新的認識，也引發了宇宙觀的變革。這一章節中，霍金介紹了一些基本的理論，為其後面關於宇宙研究發現的闡述做了良好的鋪墊，使我們這些讀者不至於茫然無措。哈哈，已經等不及進入那神秘的宇宙了。
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