《时间简史》第三章
看一章时，正是我对霍金的严谨和敢于挑战自我感受最为深刻的时候，儿子问我，妈妈你看这本书干嘛，对你又没啥帮助，我告诉他，“这本书可以让我们学习霍金的认真严谨、敢于挑战自我。可以让我们知道什么是宇宙，新的宇宙观是什么？什么是四维空间？......。”
这一章Dear Hawking会告诉我们宇宙是膨胀是如何证明的？为何到现在才发现宇宙是膨胀的？宇宙是膨胀的，那么会产生什么样的后果？....
如何证明宇宙是膨胀的？为何到现在才发现宇宙是膨胀的？宇宙是膨胀的，那么会产生什么样的后果？
除了科学谨慎的推理过程，同时告诉我们科学研究中，当遇到矛盾的或者难以解释的事情时，不仅要大胆的挑战已有的理论或者道理，甚至要大胆的对自己的科学研究进行挑战。
带着这些疑问一起回顾本章。
1
如何证明宇宙是膨胀的？Dear hawking通过从近的星系介绍，对近距离星系的结构和容易获取近距离星系的相关参数进行说明，可以对一些结论进行证明。
通过对光谱的分析引入多普勒效应，通过多普勒效应的原理的介绍，让大家清楚距离和光的波长的关系，从而得出红移和蓝移的结论。
通过发现星系存在红移现象，证明宇宙是膨胀的。然而，膨胀之后又会发生什么？
2
我们可以看到附近的行星和恒星，随着地球围着太阳的公转，我们发现恒星之间的位置会发生变化，即并不是固定不动的。
因为距离近，我们可以测量这些恒星离我们的距离，这些可见的恒星集中在银河带上。通过威廉.赫歇尔爵士对大量恒星的观测，可以得出螺旋星系的概念。即恒星处在一个单独的碟状结构上。
1924年，哈勃发现银河系并不是唯一的星系，那么如何证明呢？
恒星的视亮度取决于两个因素：光度和距离。假定相同类型的恒星具有同样的光度，通过测量他们的视亮度，进行推算距离，通过对其他星系的不同类型的恒星进行分析后，发现他们离我们的距离是一致的，可以确定我们不是唯一的星系。
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恒星离我们这么远，如何区分他们的类型呢？可以通过光的颜色进行观察。
不同的恒星具有不同的光谱，不同颜色的相对亮度和从红热的物体上发出的光的光谱一致。即和从不透明灼热的物体发出的光，只依赖于温度产生的热谱（光谱），所以我们可以从热谱得出他们的温度。另一方面，化学元素吸收特定的颜色族系，恒星失去的颜色也可以分析出恒星大气中存在哪些元素。
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通过对恒星光谱的特征线族的持续观察，发现所有这些恒星的特征线族都向光谱的红端进行移动。
怎么理解红移呢？必须从多普勒效应来进行分析。
假定固定的距离处一颗恒星发出固定的光波，当恒星向我们运动时，两个波峰间的距离就会变小，即波长比静止时短，反之则变大，即波长比静止时长。因此，当恒星离我们而去时，则光谱向红端移动。
日常生活中的汽车朝我们呼啸而来时，音调就变高，当它离去时，音调也变低，也是体现了多普勒原理频率和速度的关系，只是不同的是声波，警察测速使用的也是多普勒效应的原因，靠测定电波反射的波长来测定车速。
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哈勃经过反复的测量和实验，发现所有的星系都是红移的，而且红移的大小和星系离我们的距离成正比，星系越远，离开我们运动的越快，这就说明了宇宙是膨胀的，并不是静止的；不同星系之间的距离一直在增加着。
6
"宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！"
从牛顿的引力论可以预测出宇宙在引力的影响下很快就会收缩，宇宙的静态论影响如此之大，以至于爱因斯坦等其他的科学家以至坚信这个理论，甚至爱因斯坦提出了一个反引力的说法，这种力是空间—时间所固有的，用来平衡宇宙物质之间的引力，以使宇宙是静止的。
真理往往掌握在少数人手上，当我们在遇到难以解释的事情时，是不是可以提醒自己，也许自己或者大家认为的道理也有可能是错的？
弗利德曼在大家都在避免“非静止宇宙”时，对宇宙提出了两个假定，不论从哪个方向，也不论在哪个地方观察，宇宙看起来都是一样的。！
如果宇宙是静止的，那么这里假定一定是错误的，但是通过彭齐亚斯和威尔逊的微波探测器发现的微波噪音，在各个方向获取的噪声变化及其微小，证明了不论从哪个方向，宇宙看起来都是一样的。！那么是不是我们就是在宇宙的中心呢？那么有没有可能，在任何其他星系上看宇宙，任何方向也是一样的呢？如果只在我们这里看起来是一样的，是很奇怪的事情，通过前面分析不同星系都存在的红移分析来看，红移与星系离开我们的距离成正比，这样就证明了弗利德曼的两个假定都是成立的。
7
在这样的假定前提下，满足这两个假设的共有三种模型。
模型一：宇宙膨胀的比较慢，在不同星系的引力影响下，停止膨胀，然后开始互相靠近，然后收缩；
模型二：宇宙膨胀的很快，以至于引力虽然可以使之缓慢，但是不能让它停止；
模型三：宇宙膨胀和引力正好临界，使得宇宙刚好可以避免坍缩。
但是究竟用哪个模型来描述我们的宇宙呢？通过计算现在的宇宙膨胀速度和平均密度，可以回答这个问题。使用多普勒效应，可以确定现在的膨胀速度，但是我们难以测量的是平均密度，因为除了观测到的星体之外，还有比较多的暗物质和无法观测到的物质，可能是我们获得停止膨胀所需的临界值。
不过大家不要担心，既然宇宙已经膨胀了100亿年，即使最后要坍缩，也需要这么长时间的！
这三个模型都具有一个特点，即在过去的某个时刻，星系之间的距离为“0”，也就是被我们成为“大爆炸”的时刻，也就是数学中称为奇点的一个例子。
大爆炸之前的事件既然无法统计，那么时间就是从“大爆炸”开始的。这里回答了第二章的问题。
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关于宇宙模型，出现了多种不同的想法和模型，只有弗里德曼的模型存在大爆炸奇点，但弗的模型里，假设星系都是直接相互离开的，但实际上星系不仅仅直接相互离开，还是有一些斜向速度的。
也许，膨胀的宇宙不是来自于大爆炸奇点，而是来自于早期的收缩；宇宙坍缩时，粒子可以不都碰撞，而是离的很近飞过又离开？
经过不同的科学家的反复试验，有的认同奇点理论，有些则认为不存在奇点理论，可惜的是，最后在存在广泛的奇点理论影响下，科学家们放弃了即使在某种例外的模型中，星系以正确的方式运动，可能会不存在大爆炸的情况。
9
彭罗斯在1965年通过利用广义相对论中光锥形为的方式以及引力总是吸引的事实，证明了恒星所有的物质最后会被压缩到一个零体积的区域里，即人们得到了一个奇点，是包含在一个叫“黑洞”的时空区域中。
至此，许多科幻电影里的“黑洞”终于呈现在我们的眼前，是恒星压缩成零体积后的一个产物。
Dear hawking在彭罗斯的基础上发展了新的数学技巧，和彭罗斯一起合作证明了，假如广义相对论是正确的，那么过去一定存在过一个大爆炸奇点。
现在大家都假定宇宙是从一个大爆炸奇点开始的，但是Dear hawking却开始大胆的挑战自己的理论，他提出，一旦考虑到量子效应，则奇点就会消失。
下一章我们一起从量子力学开始分析是否奇点会消失吧！
