| 词条 | 果壳中的宇宙 |
| 释义 | 《果壳中的宇宙》(the Universe in a Nutshell)是著名物理学家史蒂芬·霍金的作品。获得安万特科学图书奖（该奖项是世界最知名的科普图书奖之一）。 《果壳中的宇宙》是一本图文并茂的科普著作，主题是宇宙学，涉及广义相对论、量子论、黑洞、暴胀、时间旅行、弦论、超引力等诸多前沿概念。 基本信息史蒂芬·霍金的前一本宇宙学科普著作《时间简史》在全世界大受欢迎，销量超过千万册。但有不少人评论说，这本书的内容过于艰深，许多读者都没有读完。与之相比，《果壳中的宇宙》大量使用图形来解释宇宙学概念，给读者一种直观印象。史蒂芬·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。《果壳中的宇宙》书名源自莎士比亚戏剧《哈姆雷特》的台词：“我即使被关在果壳之中，仍自以为无限空间之王。”对史蒂芬·霍金来说，这句话再合适不过了。 史蒂芬·霍金在伦敦科学博物馆举行的庆祝会上接受了这份金额为1万英镑的大奖。安万特图书奖由法国安万特公司资助，英国公众理解科学委员会与伦敦科学博物馆共同管理。 史蒂芬·霍金先生最初在英国几乎没人认识他，当他的《时间简史》要发行时，国外的出版商纷纷以高价收购出版权时，英国国内只有矮脚鸡公司愿意以低价收购在英国国内的出版权。但是，在《时间简史》出版后，霍金先生一举成名，同样，《果壳中的宇宙》也是由矮脚鸡公司出版的，受到了广大群众的热烈欢迎。 图书目录前言 第一章: 相对论简史：爱因斯坦是如何为20世纪两个基本理论，即相对论和量子论奠基的。 第二章: 时间的形态：爱因斯坦的广义相对论使时间具有形态。这如何与量子论相互和谐。 第三章: 果壳中的宇宙：宇宙具有多重历史，每一个历史都是由微小的硬果确定的。 第四章: 预言未来：黑洞中的信息丧失如何降低我们预言未来的能力。 第五章: 护卫过去：时间旅行可能吗？一种先进的文明能回返以前并改变过去吗？ 第六章: 我们的未来《星际航行》可行吗？生物和电子生命将如何不断加速发展其复杂性。 第七章: 膜的新奇世界：我们生活在一张膜上，或者我们只不过是张全息图？ 其他信息简体中文版：中国图书分类法类号P159，ISBN 7-5357-3359-X 译者：吴忠超 出版社：湖南科学技术出版社，2002年 繁体中文版：ISBN 957-0316-98-5 译者：叶李华 出版社：大块文化，2001年 作者简介斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），是本世纪享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家。现年70岁，出生于伽利略逝世三百周年纪念日，剑桥大学应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的广义相对论和宇宙论家。70年代他与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。 他还证明了黑洞的面积定理。霍金的生平是非常富有传奇性的，在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一。他担任的职务是剑桥大学有史以来最为崇高的教授职务，那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。他拥有几个荣誉学位，是皇家学会会员。 他因患卢伽雷氏症（肌萎缩性侧索硬化症），禁锢在一张轮椅上达40年之久，他却身残志不残，使之化为优势，克服了残废之患而成为国际物理界的超新星。他不能写，甚至口齿不清，但他超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的“几何之舞”。尽管他那么无助地坐在轮椅上，他的思想却出色地遨游到广袤的时空，解开了宇宙之谜。 霍金的魅力不仅在于他是一个充满传奇色彩的物理天才，也因为他是一个令人折服的生活强者。他不断求索的科学精神和勇敢顽强的人格力量深深地吸引了每一个知道他的人。 研究领域理论物理学 70年代霍金与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理，他还证明了黑洞的面积定理。霍金的生平是非常富有传奇性的，在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一，他超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的“几何之舞”。尽管他那么无助地坐在轮椅上，他的思想却出色地遨游到光袤的时空，解开了宇宙之谜。 现代科普小说 他的代表作是1988年撰写的《时间简史》，这是一篇优秀的天文科普小说。作者想象丰富，构思奇妙，语言优美，字字珠玑，更让人咋惊，世界之外，未来之变，是这样的神奇和美妙。这本书至今累计发行量已达2500万册，被译成近40种语言。 1992年耗资350万英镑的同名电影问世。霍金坚信关于宇宙的起源和生命的基本理念可以不用数学来表达，世人应当可以通过电影——这一视听媒介来了解他那深奥莫测的学说。本书是关于探索时间本质和宇宙最前沿的通俗读物，是一本当代有关宇宙科学思想最重要的经典著作，它改变了人类对宇宙的观念。《时间简史续编》 作为宇宙学无可争议的权威，霍金的研究成就和生平一直吸引着广大的读者，《时间简史续篇》是为想更多了解霍金教授生命及其学说的读者而编的。该书以坦白真挚的私人访谈形式，叙述了霍金教授的生平历程和研究工作，展现了在巨大的理论架构后面真实的“人”。 该书不是一部寻常的口述历史，而是对二十世纪人类最伟大的头脑之一的极为感人又迷人的画像和描述。对于非专业读者，本书无疑是他们享受人类文明成果的机会和滋生宝贵灵感的源泉。《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》，是由霍金1976-1992年间所写文章和演讲稿共13篇结集而成。讨论了虚时间、有黑洞引起的婴儿宇宙的诞生以及科学家寻求完全统一理论的努力，并对自由意志、生活价值和死亡作出了独到的见解。在三年工作量并不巨大的学习之后，他获得了一等自然科学荣誉学位，之后进入剑桥大学研究宇宙学，当时牛津大学还没有宇宙学这个专业。尽管他希望能够跟当时在剑桥的弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)身边做研究，但是他的导师却是丹尼斯·西艾玛(Dens Scama)。在获得博士学位之后，他成为一名研究员，后来成为冈维尔和凯厄斯学院(Gonvlle and Caius College)的教授。 相关作品《时间简史续编》 作为宇宙学无可争议的权威，霍金的研究成就和生平一直吸引着广大的读者，《时间简史续篇》是为想更多了解霍金教授生命及其学说的读者而编的。该书以坦白真挚的私人访谈形式，叙述了霍金教授的生平历程和研究工作，展现了在巨大的理论架构后面真实的“人”。该书不是一部寻常的口述历史，而是对二十世纪人类最伟大的头脑之一的极为感人又迷人的画像和描述。对于非专业读者，本书无疑是他们享受人类文明成果的机会和滋生宝贵灵感的源泉。 《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》，是由霍金1976-1992年间所写文章和演讲稿共13篇结集而成。讨论了虚时间、有黑洞引起的婴儿宇宙的诞生以及科学家寻求完全统一理论的努力，并对自由意志、生活价值和死亡作出了独到的见解。 《时空本性》80年前广义相对论就以完整的数学形式表达出来，量子理论的基本原理在70年前也已出现，然而这两种整个物理学中最精确、最成功的理论能被统一在单独的量子引力中吗？世界上最著名的两位物理学家就此问题展开一场辩论。本书是基于霍金和彭罗斯在剑桥大学的6次演讲和最后辩论而成。 《未来的魅力》本书以斯蒂芬·霍金预测宇宙今后十亿年前景开头，以唐·库比特最后的审判的领悟为结尾，介绍了预言的发展历程，及我们今天预测未来的方法。该书文字通俗易懂，作者在阐述自己观点的同时，还穿插解答了一些有趣的问题，读来饶有趣味。 霍金趣事霍金虽然身体的残疾日益严重，但霍金却力图像普通人一样生活，完成自己所做的任何事情。他甚至是活泼好动的--这听起来有些好笑，他在已经完全无法移动之后，他仍然有唯一可以活动的手指驱动着轮椅在前往办公室的路上“横冲直撞”；当他与查尔斯王子会晤时，旋转自己的轮椅来炫耀，结果轧到查尔斯王子的脚趾头。 获得奖项1、 1989年获得英国爵士荣誉称号 2、 是英国皇家学会学员和美国科学院外籍院士 3、 伦敦皇家天文学会的埃丁顿勋章 4、 梵蒂冈教皇科学学会十一世勋章 5、 霍普金斯奖 6、 美国丹尼欧海涅曼奖 7、 马克斯韦奖 8、 英国皇家学会的休斯勋章 9、 1978年获物理界最有威望的大奖—阿尔伯特·爱因斯坦奖 10、与彭罗斯共同获得了1988年的沃尔夫物理奖 11、1988年霍金的书《时间简史：从大爆炸到黑洞》获沃尔夫基金奖 大事年表1942年 1月8日生于剑桥 1950年 举家迁往圣奥尔本斯 1959年 入牛津大学 1962年 牛津毕业，去剑桥读研究生 1963年 被诊断患肌萎缩性侧索硬化症(ALS) 1965年 获剑桥博士学位，与珍妮.怀尔德(简·瓦尔德)结婚 1967年 长子罗伯特出生 1970年 女儿露西出生/开始使用轮椅 1973年 首部著作《空时的大型结构》出版 1974年 宣布发现黑洞辐射,成为皇家学会会员 1977年 被任命为剑桥大学引力物理学教授 1979年 次子蒂莫西出生/被任命为剑桥大学卢卡斯数学教授/《广义相对论评述:纪念爱因斯坦百年诞辰》出版 1981年 参加梵蒂冈宇宙学大会,宣布无边界构想/《超时空和超引力》出版/被授予大英帝国高级骑士 1985年 在瑞士病倒/实行气管造口手术从而失去语言能力，使用带造音器的计算机1988年 《时间简史:从大爆炸到黑洞》出版/获沃尔夫基金奖 1989年 被授予大英帝国荣誉爵士 1990年 与妻子离异 1991年 《时间简史》同名电影上映 1993年 《“黑洞与婴儿宇宙”及其他论文》出版 1995年与护士伊莱恩·梅森结婚 2001年10月又一部力作《果壳中的宇宙》出版发行 图书内容“果壳中的宇宙”典出莎士比亚的《哈姆雷特》。哈姆雷特在剧中吟唱道：即便把他关在果壳中，他仍然是无限空间之王。艺术和科学是息息相通的，莎翁和霍金本就是他们各自领域中的无限空间之王。宇宙学家霍金认为，整个宇宙是由一个高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。 30多年来，世界上一批天才的头脑创建了一门叫做“弦论”的学科，其最新版本叫做M理论。弦论能解释所有已知的自然力（强力、弱力、电磁力和引力），所以它又被称为万物理论。弦是一种高维空间（霍金认为维数应是10维或11维）中的1维客体，弦的概念可以进一步推广到p胚，后者是高维空间的p维客体。霍金认为，时空就是一张推广了的“膜”，不过这张膜不是2维的，而是4维的。物理学家为此创造了一个新词brane，尽管这个词已被使用了十多年，目前似乎尚未被牛津词典收入，在我国的一些学术文章中将它译为“胚”。当p等于零时，胚就是点粒子；当p等于1时，胚就是弦；当p等于2时，胚就是膜（menbrane）；而在一般情况下，就称为胚，即高维的“膜”。 人们常说，弦论是一门21世纪的数学，却不幸地早产于20世纪 。所以，虽然人们已经讨论了弦论的许多性质，更知道它是一个真正了不起的理论，但要把弦论讲清楚实在不容易。弦论的基本假设是：不存在粒子，而只有弦在空间中运动。一条弦就是一个画在空间中的圈。弦论假设只存在一种弦，而各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。当一条弦随时间运动时，它的轨迹不是一条线而是一根管子。两条弦还可以结合形成一条新弦，一条弦也可以分裂成两条。自然界中的一切相互作用，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。 在研究的过程中，存在着五个不同种类的自洽弦理论，这与弦论追求一种单一理论的初衷相左。经过数年努力，物理学家终于找到解决问题的钥匙。尽管目前这一理论还未得到一个大家一致赞同的形式，但至少已为它起了一个名字：M理论。在M理论中，空间和时间以普朗克尺度为基本单位。普朗克尺度可以根据已知的基本原理来建立，普朗克长度为10－33厘米，普朗克时间为10－43秒。 在M理论中，时空是10维或者是11维的，为什么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：一可能是所有额外维的尺度非常小，甚至如普朗克尺度那样小，实在难以观察到；二可能是额外维的尺度相当大，甚至可达无穷大，只是在目前的观察条件下尚未观测到。 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胚世界中，一个在高维时空中的4维‘面’或‘膜’中”。强力、弱力和电磁力将被限制在这个胚中，所以任何与引力不相关的物理问题就会和在4维时空中的一样。比如，支配构成人体的物理定律是描写电磁力的量子电动力学，所以胚世界的存在，并不会影响到人体的构造。与此相反，引力则会弥散到整个高维空间中去。也就是说，引力随距离的减少可能比以往的估计更快。 如果引力的这种更快速减小可延伸至天文距离，就应该在行星轨道上觉察到这一效应。这样，行星轨道会是不稳定的：行星要么掉到太阳中去，要么逃逸到寒冷黑暗的星际空间中去。然而，若该额外维在离人类生活其上的胚不远的另一胚处终结的话，这种效应就不会发生。那么，对于超过两个胚相分离的距离，引力就会如上述像电磁力那样，不能自由地发散开去，而被有效地局限在胚上，并且减小的速率刚好适合于行星轨道。在实验室中精确地测量物体之间万有引力是一件十分艰难的工作，实验尚未探测出当胚的分离小于几毫米时它的效应。尽管理论家预言，在距离短于胚之间的分离距离时，引力会下降得更快速。但是实验研究者迄今缺少有效的手段进行测量，一旦在更短距离下的测量成功，就能鉴别人类所在的胚世界究竟是这样的，还是那样的。 为了解释恒星绕着银心转动的速度，就必须假设存在着暗物质。恒星绕银心作缓慢的转动，大约2亿多年转动一周。银河系的形状像一个盘子，银心附近聚集着大量的恒星，银盘里包含了更多的气体、尘埃以及一些恒星。如果套用开普勒定律，银盘外部的恒星的运动速度应当比靠近银心的转得慢，但是观测结果并非如此，整个银盘内恒星的运动速度大致相同。所以，天文学家认为银河系中存在大量暗物质，它们中的大部分分布在银盘的外围，从而加快了这部分区域内恒星的运动速度。对星系团内全部星系运动状况的研究也得出相同结论。 对宇宙更大尺度结构的仔细研究也表明可能存在着暗物质。这种结构是以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。进一步考虑到宇宙年龄在1秒到3分钟之间的核反应及其宇宙轻元素的丰度，暗物质必须以不参与核反应的形式存在。这就意味着暗物质应以中微子或类似于中微子（轴子、有质量弱相互作用粒子等）的形式出现，它们不带电荷因而不受电磁力、强力的影响。 霍金认为，在4维“膜”世界中，人类生活在一个胚中，邻近还有另一个“影子”胚。因为光被限制在胚中，不能传播到另一个胚，所以人类不能看到影子世界。但是人类会感觉到影子胚中的物质的引力影响。这种引力在人类所在的胚世界中会显示成一种“暗”源。检测“影子”胚的仅有办法是通过引力的途径。 霍金说，弦、膜和胚“与宇宙中任何其他东西一样，都会有量子起伏。”这些量子起伏就使得胚这样一类客体会自发地创生和消失。这个过程很有一点像沸腾的水中蒸汽泡形成的过程。量子力学中的海森伯不确定性原理导致了胚从泡泡中创生。如果这个4维泡泡继续长大，那么生活在这个泡泡上的人就会感到宇宙正在膨胀。 按照霍金的无边界设想，胚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，在这胚世界图像中的4维果壳是满的：人类生活其中的胚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。 依照霍金的理论，胚在虚时间的历史将决定它在实时间的发展。高维泡泡在虚时间中产生一个完全光滑的球形的4维“果壳”的概率是最高的；然而，这又对应于在实时间内以暴胀方式永远膨胀的胚。星系不能在这种胚世界中形成，从而智慧生命也不会出现。然而，高维泡泡在虚时间中产生一个有点不光滑和偏离球形的4维“果壳”的概率虽然稍低一些，但是却能与实时间中的减速暴胀过程（胚在开始时有一个加速膨胀——暴胀的相，随后膨胀又缓慢下来）相对应。在这个减速暴胀过程中，星系可能形成，智慧生命也会出现。有趣的是，这些智慧生命将会创造一种宇宙理论，认识到他们来自于不那么光滑，也不那么圆的4维“膜”。 随着霍金那根神奇的手指，游历了神奇的果壳中的宇宙之后，会有什么感想？果真每个人都是来自于神奇果壳中的生灵?! [1] 霍金.果壳中的宇宙.长沙：湖南科学技术出版社，2002 [2] 李新洲.科学，1998，50(6)：18 [3] 李新洲.科学，1986，38(5)：162 |
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