果壳中的宇宙

史蒂芬·威廉·霍金创作的科普著作

《果壳中的宇宙》是英国物理学家史蒂芬·威廉·霍金创作的科普著作，英文原版于2001年出版，中译本于2002年面世。

内容简介

《果壳中的宇宙》讲述了现代物理学的历史和原则，主要汇集了霍金后期的一些研究成果，比较重要的就是1983年霍金和哈特尔一起提出的“虚时间”的概念。霍金试图“将爱因斯坦的大统一理论和理查德·费曼的多重历史观点融入到一个能阐述宇宙中发生的一切事情的自洽的理论系统中”。

该书各章大致内容如下：

相对论简史——迈克尔逊-莫雷实验、时间与空间的相对性、质能方程E=mc2、广义相对论的基石——等效原理、宇宙是非静止的，它是在不断变化的、奇点大爆炸及广义相对论和量子力学的不协调性。

时间的形状——人们常问时间的本质是什么，其实这个问法本身就有问题。人类所做的一切，只是在描述一种时间模型，然后看看这个时间模型能告诉人们什么，是不是与现有的观测证据相符合。

果壳中的宇宙——霍金多次引用费曼的理论，费曼提出了一个“路径积分”的思想，这是该书中一个非常重要的思想。霍金强调有多重历史，即存在各种各样的宇宙，每个宇宙的参数都各不相同，并且由此引出人择原理。

预言未来——科学的所有预言必须有可验证的特性。“拉普拉斯妖”：如果人们知道在某一时刻宇宙中所有粒子的位置和速度，则物理定律应允许人们预言宇宙在过去或将来的任何时刻的状态。

护卫过去——预测未来不可能，回到过去也是做不到的。霍金讨论的核心是一个叫作时间圈环的东西，物理学上的术语叫“闭合类时线”。

我们的未来？《星际航行》可行吗？——霍金遐想人类未来的太空探索（科幻）。

膜的新奇世界——M理论，超对称是M理论的基础之一。膜世界是复杂的高维世界，根据量子的不确定性，会有泡泡不断地创生出来，人类生活的膜世界，可能就充满了高维的泡泡。

作品目录

创作背景

《果壳中的宇宙》这一书名出自于威廉·莎士比亚悲剧《哈姆雷特》。哈姆雷特认为，即便把他关在果壳中，他仍然自以为是无限空间之王。这句看似充满浪漫情怀的话语，却与人类的宇宙观相符。

《时间简史》一书是霍金于1988年创作，等到《果壳中的宇宙》一书创作出版的时候，已经是到了2002年。这其中相隔了十几年，霍金的主要研究方向也已经转移到了宇宙学方面。在这十几年里，他提出了一些新的理论，试图解决大爆炸开端的那个奇点的问题。因为霍金秉持着这样一种观点：即便是奇点，也需要用物理学去解释它，而不是说在这个点上人类的物理学失效了，或者是把它扔在一边不去管。

霍金未预料到自己的科普著作《时间简史》会获得巨大的成功，它位居伦敦《星期日时报》畅销书榜长达四年。随后，曾有人询问霍金何时会写一本续集，但由于他不打算写《简史之子》或者《时间的稍长历史》，也由于他忙于研究，所以没有进行再次创作。但是，之后他意识到，有必要撰写一本更易理解的有别于《时间简史》的书。

霍金在撰写该书时得到了许多帮助。托玛斯·赫托格和尼尔·席尔勒帮助其作图、撰写说明和框中文字；安·哈里斯和吉蒂·佛古逊为其编辑手稿（或者更准确地讲，应为电脑文件，因为霍金所写的一切都是电子的）；书籍实验室和奔月设计公司的菲利普·丹创作了插图。最终《果壳中的宇宙》一书于2002年首次出版。

作品思想

宇宙的起源和膨胀。不确定性原理允许膜世界作为泡泡从无中出现，膜形成泡泡的表面，内部则是高维空间。小泡泡倾向于再坍缩为无，两个泡泡可能因为碰撞而合并，宇宙大爆炸或许就是两个泡泡之间碰撞造成的。人类就生活在四维时空的泡泡上（宇宙的边缘上）。一个超过某一临界尺度的泡泡会继续长大，生活在膜上的智慧生命就会觉察到星系在相互离开，宇宙在膨胀，而没有任何星系是膨胀的中心。

暗物质和影子人类。M理论认为，引力可以从膜上弥漫出去。这样，如果在邻近人类膜世界有一张额外的大膜，则它能防止引力向远处发散。这张邻近的额外大膜就是人类的“影子膜”（影子世界）。由于引力可以传播到影子膜上去，所以那里的恒星可以围绕影子星系中心公转、行星可以围绕暗质量公转。由于光被限制在膜上，所以人类看不到影子世界。但是，人类可以感觉到影子膜上物质的引力影响。

能量守恒。根据M理论，膜上的运动物体产生的引力波可以从膜上弥漫出去。如果存在一张影子膜，引力波就会在人类膜和影子膜之间来回反射。但是，如果影子膜是高度弯曲的（如马鞍型），就不能将引力完全反射回来，波长比其曲率半径短的引力波会完全逃逸出去。由于引力波会带走能量，这仅从人类膜来看，是违反能量守恒定律的，但从多维世界来看，只不过是能量发散得更开而已。

黑洞辐射和消亡。黑洞发射的引力波会传播到额外维上去，并在人类维与额外维之间来回反射。因而，人类膜上的一个黑洞会延展成额外维上的一个黑洞。如果黑洞很小，则额外维上的黑洞是球形的，如果是巨型黑洞，则额外维的黑洞是饼状的。黑洞由于引力辐射而损失能量，它因此会慢慢蒸发，尺寸缩小。当它比马鞍型额外维的曲率半径还小时，它的引力波就会自由地逃逸而不再返回，在人类膜上就无法直接观测到黑洞的辐射，只有通过黑洞的质量损失间接地测量到。

黑洞的熵和全息界。熵本来是热力学中的概念，表示一个物理系统的无序程度。黑洞的熵是黑洞内部状态（质量、旋转和电荷）数目的度量。1974年，霍金发现一个计算黑洞熵的简单公式，即黑洞的熵等于黑洞视界的面积。这说明，熵是一个系统中的总信息的测度。这就暗示，与三维世界中的所有现象相关联的信息，能被存储在它的二维边界上，这就是“全息原理”，物理系统所能容纳信息量的界限叫“全息界”。

宇宙是幅全息图。从M理论的观点来看，宇宙也是一幅全息图。如果宇宙是由4维时空组成的，人类就生活在4维时空泡泡上。根据M理论，4维时空很可能就是5维时空（其余空间维卷曲得很小）宇宙的边缘。根据全息原理，在人类生活的膜（泡泡）上，应该负载着5维时空内发生的一切信息的密码。那么，应用适当技术，人类就可以了解多维宇宙的情况。

作品影响

霍金在2001年创作完毕《果壳中的宇宙》一书后，该书即以包括英文、中文等十几种主要文字在全世界同步发行。

截至2021年9月，由湖南科学技术出版社出版发行的《果壳中的宇宙》一书已在中国大陆累计发行140多万册。

出版信息

作者简介

史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），1942年1月8日出生于英国牛津，2018年3月14日病逝，英国剑桥大学物理学家。霍金21岁时患上肌肉萎缩性侧索硬化症（卢伽雷氏症），全身瘫痪，不能言语，手部只有三根手指可以活动。1979至2009年任卢卡斯数学教授，主要研究领域是宇宙论和黑洞，证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理，提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型，在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。获得CH（英国荣誉勋爵）、CBE（大英帝国司令勋章）、FRS（英国皇家学会会员）、FRSA（英国皇家艺术协会会员）等荣誉。

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