　　天文单位，是天文学上的长度单位，英文缩写为AU，一天文单位约是149597871千米，相当于地球到太阳的平均距离。由于人们最早是从地球、太阳开始认识宇宙的，因此早在人们提出地心说之时，他们就试图测量地球到太阳之间的距离，并希望以此为标准单位来度量其他天体间的距离。古希腊天文学家阿里斯塔克斯提出日心说之时，就曾估算太阳到地球的距离是地月距离的18～20倍，但实际上这个数值是390倍。后来，托勒密在研究行星运动规律时，也曾推导出地球到太阳的距离大约是地球半径的1210倍。虽然从理论上来说，托勒密的计算方法是可行的，但按照他的计算方法，只要测量数据稍起一点变化，就会导致测得的距离变成无限大。

　　当然，由于地球和太阳之间的距离随时都在发生变化，因此只能取距离数值的平均值做一个天文单位。在2012年8月于中国北京举行的国际天文学大会（IAU）上，天文学家就以无记名投票的方式把天文单位固定为149597870700米。

　　如果仅仅在太阳系中测量天体距离，天文单位作为一个度量是很合适的，但若将其应用到整个宇宙范畴中测量恒星间的距离，就会显得有些不足。例如，如果用天文单位来表示太阳和离它最近的恒星α星之间的距离，就是270000个天文单位，后面依然有好几个0。因此，为了更方便地测量整个宇宙中的天体距离，天文学家定义了一个单位叫“光年”，即光在真空中行进一年的距离，用它来度量宇宙中更大范围的恒星间距。

　　光的传播速度是非常惊人的，在真空中大约每秒30万千米，一年中行进的距离达到9.5万亿千米。据说，目前人造的最快物体是1970年德国和美国合建并发射的Helio2卫星，最高速度为70.22千米每秒，依照这样的速度，它飞跃一光年的距离大约需要4000年时间。而常见的客机，时速大约是每小时885千米，飞跃1光年则需要1220330年。由此可以想象，光年对于人类来说是多么庞大的尺度，这样的尺度足以应用到广袤的宇宙空间了。此外，由于光在真空中的传播速度是恒定不变的，因此光在一年时间里行进的距离也是恒定不变的，如此一来，天文学家就可以利用这把大尺子方便地测量宇宙中恒星间的距离。例如，太阳与α星之间的距离就大约是4.22光年，而所知的最远的恒星离太阳的距离要超过100亿光年。

　　需要注意的是，光年听起来像时间单位，但它其实是一个长度单位。在天文学中，由光年而来的还有另一个单位，叫秒差距。秒差距是天文学中另一个常用的单位，1秒差距等于3.26光年。目前，我们所处的银河系的直径大约有7万光年，而整个天文观测的范围已经扩展到了200亿光年的广阔空间。依靠着光年这把在地球人看来庞大无比的“空间大标尺”，天文学家展开了对广袤宇宙的不断探索。

　　宇宙“量天尺”——造父变星

　　宇宙中，在测量不知距离的星团、星系时，只要能观测到其中的造父变星，就可以利用周光关系将星团、星系的距离确定出来。因此，造父变星也被称为宇宙的“量天尺”。

　　变星，就是指亮度经常变化并且伴随着其他物理变化的恒星。通常，多数恒星在亮度上几乎都是固定的，以太阳来讲，其亮度在11年的太阳周期中，只有0.1%的变化。但其他许多恒星的亮度都有显著的变化，它们就属于我们所说的变星。

　　造父变星，是一类亮度随时间呈周期性变化的变星。1784年，人们在仙王座发现了一颗变星，即仙王座的仙王座δ星，由于这是这种类型变星中被确认的第一颗，而中国古代又称其为造父一，因此被叫作造父变星。1908～1912年，美国天文学家_勒维特在研究大麦哲伦星系和小麦哲伦星系时，在小麦哲伦星系中发现了25颗变星，它们的亮度越大，光变周期越大，非常有规律。于是，科学家经过研究最终发现，造父变星的亮度变化与它们的变化周期之间存在着确定的关系，即光变周期越长，平均光度越大，他们把这叫作周光关系，并得到了周光关系曲线。

　　星等，是一个表示星体亮度的概念，其数值越大，说明星体越暗。据观测，造父一最亮时的星等是3.5，最暗时星等是4.4，它的光变周期非常准确，为5天8小时47分28

　　秒。通常，造父变星的光变周期有长有短，但大多都处于1～50天之内，并且以5～6天最多，当然也有长达一两百天的。此外，造父变星都属于巨星、超巨星，一颗30天周期的造父变星就要比太阳明亮4000倍，1天周期的也要比太阳明亮100倍，因此很容易利用它们的周光关系来测量其所在的星系的距离。

　　如果两颗造父变星的光变周期相同，则认为它们的光度就相同。此时，只要用其他方法测量出较近的这颗造父变星的距离，就可以由此知道周光关系的参数，进而测量出遥远天体的距离。而以后在测量不知距离的星团、星系时，只要能观测到其中的造父变星，就可以利用周光关系将星团、星系的距离确定出来。具体来说，假设有两颗周期相同、在地球上看起来亮度不同的造父变星，而且我们到看起来比较明亮的造父变星的距离是已知的。那么由于周期相同，两个变星的本来亮度就相同，如果较暗的变星的亮度是较亮的亮度的1/100，就可以得出较暗的变星的距离是到较亮的变星距离的10倍。

　　目前，造父变星通常分为几个子类，表现出截然不同的质量、年龄和演化历史，即经典造父变星、第二型造父变星、异常造父变星和矮造父变星。经典造父变星，也称第一型造父变星或仙王座δ型变星，以几天至数个月的周期非常有规律地脉动，常被用来测量本星系群内和河外星系的距离。著名的北极星就是一颗经典造父变星，光变周期约为4天，亮度变化幅度约为0.1个星等。

　　由于造父变星本身亮度巨大，用它来测量遥远天体的距离非常方便。而除了造父变星，其他的测量遥远天体的方法还有利用天琴座RR型变星以及新星等方法。不过，天琴座亮度远小于造父变星，测量范围比造父变星还小得多，精确性也不如造父变星，因此比较少用。

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前言/序言

从古至今，人们一直致力于探究宇宙的本源和归宿：宇宙究竟是无限的还是有限的？它有一个开端吗？如果有的话，在此之前发生了什么？时间的本质是什么？它会到达一个终点吗？这些问题常让普通大众陷入没有出口的思考，同样也困扰着古往今来众多的科学家和哲学家。

目前，人们普遍接受的时间观念来自爱因斯坦的相对论。在相对论中，时间与空间一起组成四维时空，成为构成宇宙的基本结构。而史蒂芬·霍金在爱因斯坦之后通过对黑洞、红移及微波背景辐射等的研究，融合了量子理论，提出了他惊人的论断——宇宙是有限的，但无法找到边际；宇宙在大约150 ～ 200 亿年前的大爆炸开端有一个奇点，这也是时间的起点，在此之前，时间毫无意义；空间－时间可看成一个有限无界的四维面，宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。

为了便于读者对宇宙学理论进行系统、全面的解读，我们组织编写了这本《图解时间简史：全新升级版》。本书对于非科学专业的读者来说，是享受人类文明成果的好机会，而对于各领域的专家来说，无疑是他们宝贵灵感的源泉之一。书中整合了大量背景信息和理论资料，尽量将原著中一笔带过或不甚明了的知识点分解开、详细化地讲清楚。删除了纯粹技术性的概念，诸如混沌的边界条件的数学等。相反，包括相对论、弯曲空间以及量子论的课题，则予以详细论述。

它带我们遨游到微观和宏观的奇异领域，带我们去认识遥远的星系、神秘的黑洞、基本粒子和自然的力、夸克、反物质，理解膨胀的宇宙、不确定性原理、时间箭头、时间旅行及大统一理论，揭示当日益膨胀的宇宙崩溃时，时间倒溯引起人们不安的可能性。在这个奇境里，粒子、膜和弦做十一维运动，黑洞最后蒸发并且和它携带的秘密同归于尽，而我们宇宙创生的种子只不过是一粒微小的“坚果”……

书中增配了大量照片、示意图和解析图，以更直观形象的方式阐述霍金那些惊人的观点，尤其是一些难懂的数学解析和理论模型，为读者更好地理解提供了捷径。

总之，本书力图将霍金的《时间简史》中涉及的知识逐一讲解清楚，并对其它涉及宇宙天文等科学领域的最新成就结合已知理论进行梳理，呈现出一个完整的研究情况汇报。这无疑将复杂高深的理论物理知识以全新的通俗的语言展现给普通人看，人类从古至今对时间的探索历程将在书中清晰展现，并在哲学层面理解科学成果，以科学成果烘托哲学理论。无论是广袤星际间的复杂关联，还是一个个的物理学概念的阐释，都变得更加引人入胜，使人遐想万千。

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