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序言 坚强的轮椅巨人，辉煌的科学巨著4

导读 霍金与《时间简史》16

1．霍金：有史以来最杰出的科学家之一16

2．霍金的作品：从《时间简史》到《大设计》18

3．量子宇宙论：霍金讲述宇宙的由来20

第一章 我们的宇宙24

1．与生产生活休戚相关：人类开始关注宇宙24

2．种种宇宙模型的出现：古希腊的宇宙观26

3．地球是静止的宇宙中心：16世纪前欧洲的地心说28

4．以太阳为中心的宇宙模型：哥白尼的日心说30

5．地动说被证实：行星运动三大定律32

6．宇宙没有中心：布鲁诺的悲剧34

7．地球的能量源是太阳：我们居住在太阳系36

8．离太阳最近的恒星：半人马座的α星C38

9．宇宙的度量单位：光年40

10．望远镜犹如时间机器：我们看到的是宇宙的过去42

11．美丽而神秘的天河：无数恒星的集合44

12．一个巨大的铁饼：银河系的形状和大小46

13．为数众多的旋涡星系：美丽的猎犬座M5148

14．仙女座星云在银河系中吗：关于仙女座大星系的争论50

15．使用亮度变化的恒星：测量天体的距离52

16．仙女座星云在银河系之外：哈勃的发现54

17．宇宙广阔无垠：到仙女座星系的距离56

18．旋涡星系、椭圆星系和不规则星系：星系的形状58

19．错综复杂的星系世界：星系的大小和间距60

20．星系聚集成群：星系团和超星系团62

21．宇宙空洞的发现：难解的宇宙之谜64

22．从照片到CCD：天文学的技术革新66

23．向宇宙的尽头探索：宇宙学的发展68

24．巧合还是神奇：金字塔的奥秘70

第二章 相对论：空间和时间74

1．爱因斯坦：20世纪最伟大的物理学家74

2．光速：亘古不变的速度76

3．永恒不变：绝对时间与绝对空间78

4．绝对空间：一直在找却没有找到的空间80

5．爱因斯坦之前的解释：运动中的物体长度会缩小82

6．光速不变原理：爱因斯坦的破空之解84

7．相对性原理：伽利略提出的相对论86

8．四维：时间与空间的集合90

9．何谓同时：同时也是相对的92

10．钟表变慢：光速恒定带来的奇特现象之一94

11．测定值会缩小：光速恒定带来的奇特现象之二96

12．验证时间变慢：穿过大气层的中微子流98

13．再度相逢时谁更年轻：双子吊诡之谜100

14．男孩更年轻：双子吊诡的解答102

专题 水桶实验：牛顿寻找的绝对空间104

第三章 膨胀的宇宙108

1．世纪大发现：宇宙在膨胀108

2．最初的观测：斯莱弗的发现110

3．光谱分析的应用：光的波长和颜色112

4．远去的声音会变低：多普勒效应114

5．星系在远离的证明：红移和退行速度116

6．天文学的超级巨星：埃德温·哈勃118

7．越远的星系远离速度越快：哈勃定律120

8．为了观测更远的星系：变大的望远镜122

9．宇宙没有边界：无边的宇宙124

10．宇宙没有中心：我们不在宇宙的中心126

11．不断地加速：空间是怎样膨胀的128

12．所有的星系重叠在一起：最初的宇宙很小130

13．宇宙的起源：爆炸性的宇宙132

14．地球比宇宙更古老：宇宙的年龄134

15．哈勃的错误：两种造父变星136

16．以光速远离的星系：人类看不到的宇宙138

17．宇宙会永远膨胀吗：宇宙的未来140

18．热寂还是大坍塌：宇宙的终结142

19．“空荡荡”的宇宙：宇宙的物质144

20．暗物质发现的经过：扎维奇的发现146

第四章 大爆炸、黑洞和宇宙演化150

1．宇宙膨胀和光的波长：拉长的光波150

2．物质构成的基本单位：原子核和电子152

3．原子核的构成：质子和中子154

4．制造原子核的能量：汤川秀树的发现156

5．热宇宙的物质形态：没有结构的宇宙158

6．热平衡下的均匀温度：宇宙开始的状态160

7．元素是什么时候生成的：伽莫夫的困扰162

8．大爆炸的闪现：氢弹实验和伽莫夫164

9．从一到无穷大：宇宙开始的3分钟166

10．与大爆炸相对立的理论：稳恒态宇宙模型168

11．大爆炸理论的先驱：弗里德曼和勒梅特170

12．电话公司发现的电波噪音：大爆炸理论的证据172

13．空中交织着各种电磁波：光波的伙伴174

14．电波的温度：热辐射176

15．电波杂音带来的诺贝尔奖：关于宇宙背景辐射的两次获奖178

16．充满整个宇宙的电磁辐射：宇宙微波背景辐射180

17．原子的形成使宇宙透明化：宇宙放晴182

18．宇宙开始的波动：COBE的发现184

19．由微小的波动引发的：星系的形成186

20．暗物质的重要作用：星系由暗物质的波动产生188

21．最初形成的天体有多大：最初天体的大小之争190

22．最远的天体类星体：类星体的能量之谜192

23．连光也逃不出来的地方：神秘的黑洞194

24．类星体的能量之源：活动星系核模型196

25．类星体的探索：恒星诞生于类星体198

26．大爆炸之父：伽莫夫的生涯200

第五章 宇宙的开始和未来204

1．更细微的宇宙开端：质子和中子是否也会瓦解204

2．比质子和中子更小的粒子：物质由夸克构成206

3．宇宙间的隐者：中微子208

4．反物质哪里去了：磁单极概念的引入210

5．大爆炸的又一谜团：磁单极疑难212

6．宇宙的势力范围：视界疑难214

7．解决诸多疑难：暴胀理论的提出216

8．什么是暴胀：暴胀是加速膨胀218

9．引起暴胀的原因：与引力相反的作用力220

10．恒星、星系的生成：量子波动引起密度波动222

11．探寻暴胀的直接证据：重力波背景辐射224

12．创造宇宙的时间：普朗克时间226

13．取代粒子的最小存在：超弦理论228

14．十维、十一维的时空：膜宇宙论230

15．大爆炸以前宇宙就存在：两种流行的模型232

16．未来的宇宙图景：宇宙加速膨胀234

17．地球的未来：彗星向地球倾注而来236

18．太阳的未来：最后变成白矮星238

19．星系的未来：恒星从星系中蒸发240

20．星系的继续演变：巨大的黑洞242

第六章 时间箭头246

1．时间箭头：时间的单一方向性246

2．普遍的物理法则：时间不会从过去流向未来248

3．硬币实验：过去和未来的区别250

4．时间本质：时间是一种可能性的流逝252

5．硬币试验的发现：熵增大法则254

6．两种状态：宏观状态与微观状态256

7．玻耳兹曼：深受哲学困扰的物理学家258

8．不同的时间箭头：宇宙论的时间箭头260

专题 意识中的时间：我们如何觉察时间262

9．时间指向的标志：熵增大与宇宙创始264

10．宇宙创始状态：宇宙膨胀与收缩266

专题 生物赖负熵为：薛定谔与负熵268

11．进化的起源：宇宙的起点270

12．彭罗斯的假说：用奇异点区分过去和未来272

第七章 虫洞和时间旅行276

1．真的可能吗：神奇的时间机器276

2．封闭的时间轴：时间的特质278

3．旋转黑洞：另一种黑洞280

4．时光隧道：连接平行宇宙的通道284

5．虫洞：连接时间的隧道286

6．使用虫洞：时光机器的制造原理288

7．宇宙绳：宇宙中的绳状能源群290

8．能源的最低状态：真空的互相转换292

9．缺口：宇宙绳周围的时空294

10．使用宇宙绳：制造时光机器296

11．保存历史：霍金关于历史保存的假说300

12．反粒子：朝过去行走的粒子302

13．使用反物质：相对生成与相对消灭304

14．终极答案：回答“时光机器可能吗”306

附录一：我们如何感受空间和时间308

附录二：不可不知的物理名词310