果壳中的宇宙

果壳中的宇宙

关于本书

《果壳中的宇宙》是霍金的第二部科普作品。本书在内容上和《时间简史》有所关联，但写作结构并不相同，也更为简单易懂。此外，本书中所采用的“果壳”比喻已经深入人心，影响了许多作品的命名方式。

核心内容

霍金在本书中介绍了相对论、量子力学等 20世纪物理学中最重要的知识，还介绍了时间旅行、虫洞等新奇的概念。而其中最核心的内容，是霍金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。

一、爱因斯坦给时空赋予形状

在 20世纪之前，人类的时空观是以牛顿为代表的绝对时空观，爱因斯坦的相对论则打破了这一观点，给时空赋予了形状。

牛顿曾说，空间是和任何外界事物都无关的，它从不运动，并且永远不变，时间也同样一成不变，并且按固定的速度匀速流动。在绝对时空观中，时间和空间不受任何其他事物的影响，是万物的背景，而且彼此之间也没有联系，更谈不上有什么形状和结构。

而爱因斯坦通过对光速不变现象的研究发现，并不存在着一个绝对的时间，如果两个观察者的运动状态不同，那他们眼中的时间也不相同。此外，时间和空间相互纠缠，共同结成了有形状和结构的时空。

【举例】

假如你站在地上，此时天上飞过了一艘宇宙飞船，宇宙飞船里的人站在船尾，用激光发射器向船头发射了一束光。在他看来，这束光走的距离，刚好是飞船的长度，而在你看来，由于飞船在向前运动，所以如果这束光要到达船头，那光的运动距离要比飞船的长度更长一些。根据光速不变原理，这意味着在你和飞船里的人眼中，这束光从船尾到船头所花费的时间是不一样的。

二、霍金通过虚时间给宇宙的历史赋予了形状

在对宇宙历史的解释中，目前最主流的理论是宇宙大爆炸模型，而霍金通过引入虚时间的概念，构建了自己的“无边界宇宙模型”。在这一模型中，宇宙的历史相当于一个四维球面。

1.虚时间

虚时间跟实时间相对应，与数学上的虚数有关。按照霍金的说法，用虚数来度量的时间就是虚时间。虚时间在数学上等价于空间，就相当于是空间的第四个方向。这是一种数学上的处理技巧。虚时间和实时间之间有密切联系，就好像是对方的影子一样。

2.无边界宇宙模型

在宇宙大爆炸理论中，宇宙必须有一个开端，这就给上帝的存在留下了空间，而在霍金利用虚时间所构建的无边界宇宙模型中，宇宙有限无界，没有边界和奇点，不需要开端。

霍金说，我们可以把宇宙在虚时间中的历史想象成地球表面：在虚时间中，宇宙的起点就相当于地球上的南极点，但是南极点本身并没有什么特别之处，跟地球上的其他点一样都遵循同样的物理规律，所以在这个模型里，宇宙没有一个特别的奇点，所以也根本没有开端和起源。

三、宇宙在虚时间中的历史是果壳状的

霍金引用了量子力学中的“多重历史思想”，认为宇宙同样具有多重历史。但是根据“人存原理”，我们所生活的宇宙，它在虚时间中的历史只能是一个表面轻微起伏的“果壳”。

1.多重历史思想物理学家费恩曼提出，在量子世界中，一个粒子可以具有多重历史。霍金将这一思想运用到了宇宙整体中，认为宇宙也会拥有多重历史。

【举例】

在量子力学中，当一个粒子从 A点运动到 B点时，它不光走过了一条路径，而是同时走过了所有可能的路径。它可能既走了一条从 A直接连到 B的路径，也有可能在中途绕了一个圈，甚至可以在中途先跑到几公里外的一家餐馆转一圈，再转个弯回来到达 B点。总之一切有可能的路线，这个粒子都同时跑了一趟，因此这一粒子就具有多重历史。

2.根据人存原理，宇宙在虚时间中的历史一定是果壳状的

人存原理就是说，宇宙必须是现在这个样子的，否则人类根本就没机会出现，也就不会有人在这里问宇宙为什么是这个样子的了。如果我们的宇宙在虚时间中的历史不是果壳状的话，那宇宙在实时间中就会一直暴胀，不会形成智慧生物。

霍金认为，人存原理在解释宇宙起源时扮演着很关键的角色。宇宙可能存在多重历史，但其中绝大部分的历史根本就不适合智慧生物出现。比如，为什么我们恰好生活在三维空间中呢？因为二维空间结构过于简单，不支持出现智慧生物，而四维空间又不够稳定，无法诞生生命。

金句

1.《哈姆雷特》中有一句台词，“即使把我关在果壳之中，仍然自以为无限空间之王。”在霍金看来，这句话恰好符合了宇宙的现实。

2.爱因斯坦提出，没有什么绝对的时间，每个观察者都有一个自己的时间。

3.空间的弯曲一定也伴随着时间的弯曲，这就意味着，时间和空间一样，也是具有形状的。

4.虚时间在数学上等价于空间，按霍金的说法，就相当于是空间的第四个方向。

5.人存原理就是说，宇宙必须是现在这个样子的，否则人类根本就没机会出现，也就不会有人在这里问宇宙为什么是这个样子的了。

撰稿：柴知道

脑图：摩西

转述：李璐