——读霍金《果壳中的宇宙》一书随记

    11月份，被我自己确定为“霍金月”，接连读了几本令人头大的霍金的著作，《果壳中的宇宙》是其中的第三部。虽然很吃力，但收获还是很多的。

在《果壳中的宇宙》一书中，霍金通过七章的内容，向读者介绍了当今理论物理、黑洞及宇宙学研究的前沿。虽然并不是每一部分的内容都能够理解的很清楚，但的确是开卷有益，他让我们认识到原来周围熟视无睹的世界竟然包括如此深刻而奇妙的性质。

先简要介绍一下这本书各章的主要内容：

相对论和量子论是二十世纪最伟大的科学成就。尤其是前者，他完全是人类智慧的伟大构筑。所以在《果壳中的宇宙》的第一章“相对论简史”中主要是对爱因斯坦不断完善他的相对论这一科学生涯而做的一个小传。这是一个大师对另一个大师所写的传记，因此有着非同一般的意义。特别是在2005年的“爱因斯坦年”，这一章曾被众多的媒体转载。

时间可能是理论物理学家最感兴趣的东西之一，所以在本书的第二章，霍金重点讨论了“时间的形态”。在牛顿的时空理论中，时间与空间的形状是不受物质存在的影响的，例如时间是从无限的过去流向无限的未来，因而可以用一根无端点的直线来代表，然而广义相对论认为时间和空间的几何性质将受引力场的影响。时间在引力场中要发生弯曲，甚至卷成一个圈图……这就使得时间具有形状了。在这里，霍金还介绍了ｐ－膜理论以及更为基本的M－理论，我读起来也是一知半解，呵呵。

第三章“果壳中的宇宙”是全书的重点，也可以看作是最近20年来霍金研究量子宇宙学的一个小结。由于经典的广义相对论或标准宇宙模型给出极早期的宇宙应存在一个虚时间过程和初始的类空奇点，造成物理理论在这个阶段的不周全，霍金考虑要建立一个虚时的并避免奇异性的极早期宇宙模型——“果壳”，并对这一模型进行了诠释。

第四章的标题是“预言未来”。经典物理中的拉普拉斯决定论认为，只要在某个初始时刻，人们能知道宇宙中所有粒子的位置和速度，那么整个宇宙的过去和未来就可以完全被确定下来。而量子力学的不确定性原理使得人们发觉拉普拉斯的决定论是完全不能成立的。到了1996年，霍金通过他建立的黑洞的ｐ膜模型，提出在不违反不确定性原理的条件下，应用量子力学来预言未来是可以做到的！

时间旅行可以吗？一种先进的文明能否返回到以前并改变过去的历史？这是霍金在第五章“保卫过去”中重点讨论的问题。近十年的理论研究似乎发现，逆时旅行并不违反物理学基本规律，然而霍金在本书中仍坚持认为时间机器实际上是不可能的。他企图引入一条新的原理“时序保护猜想”（或“护卫过去”）来排除时间机器的可能性。

在第六章“我们的未来”中，霍金集中探索了在技术迅猛发展下人类的未来，除了星际航行，还包括生命进化、电脑与人的智慧的进步，以及天外来客等一系列人们普遍关心的问题。这一切都说明了霍金作为杰出理论物理学家对人类命运深思熟虑的关怀。

在本书的最后一章，霍金进一步介绍了“膜的新奇世界”，这是一篇物理思想异常丰富的妙笔生花之作。他认为，如果存在额外维，我们的时空应是10维或11维时空内的一张膜。这张“膜”可以看作是从“无”中创生的一个4维球形泡——“果壳”。与前面提到的“果壳”不同，由于额外维的存在，这里的“果壳”不再是空心的壳而是一个实心壳，创生之初的这个虚时的实心壳将按照前面已提到的规律演化下去，成为我们现在观测到的宇宙。

怎么想到把宇宙比喻为“果壳”？

书的名字取自莎士比亚的名篇《哈姆雷特》。丹麦王子哈姆雷特怀疑他的叔父谋杀了他的父王并占有他的母亲后，非常愤怒。他曾感叹道：

                若非噩梦连连，

        　      我即使被关在果壳之中，

        　      仍然自以为无限空间之王。

史蒂芬·霍金从莎翁卷帙浩繁的著作中特意挑出这几行诗，选择其中的几个关键词作为他的新书《果壳中的宇宙》的书名，显然是看中了其中的寓意。艺术与科学是相通的，莎翁和霍金原本就是他们各自领域中的无限空间之王。

霍金因疾病被困于轮椅上，只能靠语音合成器讲话，却思考着宇宙学最前沿的问题。用《果壳中的宇宙》来理解霍金的现状，也是再合适不过的一句话了。

怎样理解这个宇宙“果壳”？

在宇宙起源问题上，玄学和神学已经统治人类达数千年之久。宇宙到底是如何产生的呢？霍金及其合作者创立了量子宇宙学，凭借理论物理的最新成就，试图从玄学和神学手中夺回这块领地。《果壳中的宇宙》所描述的就是他们在这一领域的探索成果。霍金在书中表达了这样一个思路：现代量子宇宙认为，整个宇宙是一个4维果壳状的泡泡演化而来的，果壳上的皱纹（即量子扰动）在演化中产生了今天宇宙的所有结构。

我们大多数人都有这样的一个常识：物质是由原子组成，而原子由夸克和电子组成；粒子是一切物质的基本单元，像英语里的“字母”一样。但最近几十年内，学者们提出了关于物质组成的另外一种说法——弦。弦理论则假设不存在粒子，只有弦在空间运动。一条弦就是一个画在空间中的圈。它假设只存在一种弦，而各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。当一条弦在随时间运动的时候，它的轨迹不是一条线，而是一根管子。两条弦还可以结合在一起形成一条新弦；相反，一条弦也可以分裂成两条。弦理论认为，自然界中所发生的一切相互作用，包括电子和光子的相互作用，都可以用弦的分裂和结合来解释。

在上世纪90年代，研究弦理论的学者提出了多种不同的理论，它们之间互不相容。到1995年终于有了新的突破，通过M－理论给予了统一被称之为弦理论的第二次革命。“M”得名于英文中mysterious，就是奇妙的意思。M理论认为时空是11维(10维空间和1维时间)的，但为什么我们日常生活中所见的时空是4维的呢？霍金认为，存在着两种可能的解释，其一是认为所有的额外维数都非常小，观察到它们实在是太难了；其二是额外维也许相当大，甚至是无限的，只是在我们目前的观察条件下，尚无法观察到它们而已。

霍金认为，“大的额外维是新理论探索中的激动人心的进展，它蕴涵着我们生活在一个膜世界中，一个在高维时空中的4维‘面’或‘膜’”中。按照霍金的无边界设想，“膜”世界的自发创生有一段虚时间的历史。在这段历史中，宇宙像一个果壳：一个4维球面（不妨想像成是一个多了两维的核桃壳）。只是果壳是空的，在这“膜”世界图像中的4维果壳是满的：人类生活其中的“膜”在虚时间中的历史是一个4维球，它是一个5维泡泡的边界，而余下的5维或6维是卷曲的，并且卷得非常小。

霍金还认为，光线被限制只能在“膜”内传递，不能传到另一个“膜”中，我们生活在一个“膜”上，说不定附近还有另外一个影子“膜”，但由于光无法传递过来，所以我们无法看到影子世界。但是人类会感觉到影子“膜”中的物质的引力影响，这个影子“膜”可能就是我们所说的“暗物质”吧。

跟随着霍金思考了宇宙的起源，你是否也会这样想：果真我们都是来自于这一神奇“果壳”中的生灵?!

《果壳中的宇宙》 霍金/著  吴忠超/译  湖南科学技术出版社  2002年8月