果壳中的宇宙 1：把时空掰弯的男人

即使把我关在果壳之中，仍然自以为无限空间之王。

周末闲来无事，又把霍金《果壳中的宇宙》读了两遍，是的，你没看错，读了两遍。好书，蹂躏两遍都不够。读书和看电影差不多，宁愿重复看好的电影，也绝不浪费时间在烂片上。

熟能生巧不无道理，很多事只做一次，我是比不了别人的。但是如果多做几次，这就让我有了可比性。

霍金最出名的书应属《时间简史》，曾霸占畅销榜4年半。但是我偷偷告诉你，很多章节我完全读不懂，感觉智商被碾压了。第一次读它是在高中那会，只能用晦涩难懂形容。当时同桌痴迷于相对论和无边界宇宙模型，我也就硬着头皮读了几章，但是终究还是放弃了。大学时又拿起来读，有点长进，但还是没读完。

但是《果壳中的宇宙》相较而言就平易近人的多。非理科的人可以当成玄幻小说来读，理科背景的人可以把它当成硬科幻来读，之所以说是硬科幻，是因为书中的一些观点还只是霍金的一家之言。

读完《果壳中的宇宙》，突然想到屈原的《天问》，我想给他一点回答，并尽量用人话。

霍金在书中介绍了相对论、量子力学、弦论、M理论等最前沿的知识，还介绍了星际航行、时间旅行、预言未来以及膜的世界等新奇概念。受到费曼“多重历史思想”的启发，霍金认为宇宙也具有多重历史。通过引入虚时间的概念，将宇宙的历史归结成一个表面轻微起伏的四维球面，正如一个果壳。

Part 1：把时空掰弯的男人

本书从爱因斯坦的经历讲起，这就大大增加了这本科普书的可读性。这位为相对论和量子力学奠基的智者，生平竟然也是无比的平凡。关于爱因斯坦和他的相对论以后会专门介绍，这里只做简单介绍。

在爱因斯坦之前，牛顿的绝对时空观是主流思想，就和之前亚里士多德的理论一样。牛顿时空观中，时间匀速的从过去走向未来，不受任何东西干扰，而空间也不受任何东西影响，是绝对静止的。时间和空间是完全独立的存在，相互之间没有任何联系。这种时空观和我们的日常感受完美贴合。

但是到了19世纪末，科学家为了解释光波传递，不得不引入“以太”的概念。以太是一种充满整个宇宙的连续介质，是绝对静止的。而光以相对于以太不变的速度传播，但是迈克耳孙-莫雷实验打破了这种想法。科学家发现光速相对于任何参考系，其速度都是一样的。至此，爱因斯坦的狭义相对论横空出世，一举否定了以太的存在，或者说是否定了以太存在的必要性。

爱因斯坦直接从上帝视角给出一个论断，光速不变。不要问为什么，我们这个宇宙就是这样的。光速不变，就可以推导出，处于高速运动的状态中，长度会变短、时间会变慢，而且这些推论竟然都可以通过实验证明。至此，爱因斯坦已经把时间变成主观的可变量了，不同运动状态的物体具有各自主观的时间。也就是如果有人以接近光速出去转一圈，回来就比停留在地球的人年轻一些。

但是狭义相对论与牛顿的万有引力定律存在矛盾的地方，爱因斯坦说光速是宇宙信息传递的最快方式，但是牛顿的万有引力定律则被认为是超距的，影响力是瞬间即至的。为了融入牛顿的引力理论，爱因斯坦又提出了广义相对论。广义相对论认为，引力的本质是时空的弯曲，人们观测到经过太阳的光线确实发生弯曲，由此验证广义相对论的设想。爱因斯坦的广义相对论，给时空赋予了形状，时间和空间交织在了一起。

当然，广义相对论的推论同样令人震撼，比如高处的时间会变慢，也就是神话里所说的天上一日地上一年竟然也是有几分道理的。相对论最著名的推论莫过于爱因斯坦的质能方程：

也就是说质量和能量本质上是等价的，物质可以弯曲时空，那么能量也可以。通过损失质量可以释放出巨大能量，这就为原子弹爆炸提供了理论基础。此外，黑洞辐射向外界释放能量，那么黑洞自身质量就会不断减少，所以霍金说黑洞在蒸发。

Part 2：宇宙的起源

爱因斯坦的广义相对论给时间赋予了形状，但是却无法与量子理论相互和谐，广义相对论在微观世界似乎失效了。

谈到宇宙起源，最为大众熟知的便是宇宙大爆炸了。20世纪20年代，埃德温·哈勃等科学家发现大部分恒星或者星系都在远离我们而去，恒星就像气球上的斑点，随着气球膨胀，这些斑点在相互远离。

宇宙膨胀这个发现带来一个惊人的推论：既然宇宙在膨胀，那往前推150亿年左右，这个宇宙将收缩成一个质量无穷大体积无穷小的点，被称为奇点。霍金和彭罗斯共同证明了，如果广义相对论是对的，那宇宙和时间本身，都一定开始于这个奇点之中，换句话说，宇宙大爆炸产生了宇宙和时间。但是聚焦到奇点本身，相对论和任何物理定律就都不适用了。这不就意味着时空的开端是无法通过物理定律来解释吗？似乎只能用盘古开天辟地这种神话故事来解释了。

哲学家康德也对宇宙诞生前后的时间有着无数的疑问。如果宇宙是被创造的，那宇宙创生之前为什么要等无限久？宇宙创生无限久后历史为何没有完结？宇宙为何没有达到热平衡？也就是热寂。康德无法回答这些问题，索性把这些问题称作“纯粹理性的二律背反”。如果有人非要问上帝在创造宇宙之前做什么？不妨用圣·奥古斯丁的话来回答：“它正为那些寻根究底的人们准备地狱。”按照奥古斯丁的说法，宇宙创生之前，上帝根本无所作为。

在广义相对论中，时间和空间是不能脱离宇宙而独立存在的，而且也不能相互独立。因此询问在宇宙开端之前或者终结之后发生什么是没有任何意义的，因为这种时间是不被定义的。当然，爱因斯坦本人认为时间在过去和未来这两个方向上都是无限的。

我们似乎需要到量子的世界去寻找答案。为了描述量子理论如何赋予时间和空间以形状，同时解释宇宙起源，霍金利用数学，引入了一个虚时间的概念。在一个直角坐标系中，如果横轴代表实时间，也就是我们正常感受的时间，那么垂直于横轴的纵轴就代表虚时间。你也许会认为，虚时间不过是一种数学游戏，与现实世界毫不相干。然而从实证主义哲学观点看，人是不能确认何为真实的。毕竟，我们需要的只是一个数学模型，只要它能很好的描述我们生活的宇宙就可以了。

爱因斯坦的四维时空，其中三维空间可以随意移动，但是时间却只有一个方向。而量子理论的虚时间方向，就像空间的其他方向一样。有了这个方向，时间就变成了一个和空间差不多的东西，从而构建了一个四维的球面宇宙模型，这就是霍金的“无边界宇宙模型”。人是无法想象四维世界的。霍金做了个类比，虚时间就像在一个二维球面上的经度或者纬度，这样宇宙在虚时间中的起源可为时空中的正则点，也就是说，球面上的每个点都可以认为是宇宙的起源，这其实也就暗示，宇宙诞生之初并不需要是奇点。

Part 3：果壳中的宇宙

随着量子力学众多新理论的迸发，我们有了更多解释宇宙的角度。诸如海森堡测不准原理，即微观状态下，粒子的位置和速度是一对不能同时测准的量。再到费曼多重历史思想，即宏观世界，一个物体从A点移到B点，那么物体的轨迹是确定可描述的，但是在微观层面，粒子从A点移到B点，其轨迹却是不确定的，费曼则认为，粒子走了所有可能的路径。霍金说，你别看费曼的想法听起来违反了我们的直觉，但是它完全经得起实验检验。

霍金把相对论和费曼的多重历史思想结合起来，想象宇宙在虚时间中的历史是一张闭合的曲面，这样即便宇宙的边界条件是没有边界，每一种闭合曲面在虚时间中都存在一个历史，而在虚时间中的历史确定了其在实时间中的历史。这样，我们对于宇宙的解释就有了更多的可能性。可能有人会诘问，我们的宇宙为何是这样子？回答这个问题，霍金提到了人存原理。人存原理讲，宇宙必须多多少少像我们看到的那样，否则的话，便不会有任何人来问“宇宙为什么是这样的”这一类问题了。

再到后起之秀的M理论，直接允许巨大数量的可能的宇宙历史。这些历史中的大多数不适合智慧生命的发展；它们要么是空虚的，要么太短命，要么太过弯曲，或者在其他某些方面出差错。在虚时间中可能存在光滑球面的宇宙历史，但是这种历史对应的实时间宇宙将会无限暴胀下去，物质将会无限分散，这样就不会形成恒星或者星系，也就不会产生智慧生命。因此，存在生命的宇宙历史不会是一个光滑的球面，而是一个有微小起伏的曲面，就像果壳。其对应的实时间的宇宙也就不会无限暴胀下去。当然，根据不确定性原理，这样的宇宙历史肯定不止一个。

而这些适合智慧生命生存的宇宙的未来是什么呢？霍金说，依据宇宙中物质的量而定。当物质的密度超过一定的临界值，其引力会减缓膨胀的速度，然后停止膨胀，最后收缩。也就是说，宇宙可能的一种终结是大挤压，所有物质将陷入引力陷阱。如果宇宙物质密度低于临界值，则引力太弱，不足以阻止星系永远相互飞离。最后所有恒星都燃烧殆尽，而宇宙将变得越来越空虚，越来越寒冷。当然，你完全不必担心，因为无论出现哪种结果，时间上推算都是以亿年计的。

当然，除了物质，这个宇宙还存在所谓的真空能，根据爱因斯坦的质能方程，能量等效于质量，也就具有引力效应，但是与物质的引力不同，真空能会加速宇宙膨胀。其实，量子理论本就意味着时空充满了量子涨落。这样只有当物质密度和真空能在一定范围内，人类才能存在，因此，在物质密度和能量的图谱中，有一条所谓的人存线。

To be continued

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Part 1：把时空掰弯的男人

Part 2：宇宙的起源

Part 3：果壳中的宇宙

To be continued

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