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《极简宇宙史》以寥寥之语，开启探寻浩瀚宇宙奥秘的奇妙征程
铛铛铃2025-09-13【科普】412人已围观
简介
今天为您解读的书是《极简宇宙史》。
嗯，这本书的作者克里斯托弗·加尔法德，是法国理论物理学家。他还有一个更著名的身份，那就是大名鼎鼎的斯蒂芬·霍金的亲传弟子。他想把这本书献给自己的老师，以表达对老师的无限感激与致敬。
这本书作为一本科普读物，如果说它有什么样的特别之处，我想这么来形容：它站在英式的严谨当中，用美式的幽默写出了法式的浪漫。它让你感受到星空的神奇美妙，不仅仅是文学艺术的专利，在严谨的科学世界当中，它同样性感迷人，还有一些任性调皮。
作者在前言部分就承诺：“读者，我保证这本书只会出现一个公式，那就是 E 等于 MC 的平方。”并且自信满满地表示，即便你是一个文科生，也能够看懂这本书。因为这本书充满了有趣的故事情节，把抽象的宇宙理论，统统转化成了具象的画面。你可以想象自己是一个疯狂的时空穿越者，跟随作者在宇宙的各个角落当中，做着奇幻的旅行。
本书的书名叫《极简宇宙史》，毫无疑问是要带领我们探索宇宙的历史。宇宙学是研究整个宇宙的一门科学，它是物理学的一个重要分支，也是物理学的一个前沿领域。尽管上千年来人类一直在观察着宇宙，但是宇宙学真正成为一门科学，还只是近100年来的事儿。
在本书中，我会给你介绍四个研究宇宙的理论：万有引力定律、广义相对论、量子力学理论和量子引力理论。让我们围绕着这四个理论，来追溯宇宙的历史。
第一个理论，我们从牛顿发现的万有引力定律开始。牛顿你肯定不陌生，这位集天文学家、物理学家、数学家、自然哲学家称号于一身的大科学家，发明了一个公式，被称为万有引力定律。在当时，这个公式几乎是适用于整个世界，它不仅能够计算出各种物体的运动轨迹，还能够计算出地球和月球的公转轨道。在牛顿生活的年代，没有任何人能够证伪他的公式，哪怕只是提出怀疑。
那么这个万有引力定律，是不是担得起万有的称谓呢？经过科学家的检验，太阳系当中有七大行星，几乎是老老实实地按照牛顿的公式运行的。但是唯有一个行星不太听话，那就是离太阳最近、受到太阳引力作用最强的那个行星——水星。它的运行轨道与计算之间出了一点误差。多大的误差呢？想象一下手表上一秒钟的角度差距，然后呢，把那个角度除以500，你得到的就是在上一个世纪当中，水星实际轨道与牛顿计算产生的角度误差。一个如此完美的万有引力公式，遇到这么一点误差都不行吗？不行，因为牛顿的公式就是要求精确吻合。
那么，固执的水星，作为太阳系八大行星当中最小的成员，为什么一定要与众不同呢？直到牛顿生命的最后一刻，他依然是没有找到解释。那一年是1727年。
将近两个世纪之后，我们迎来了第二个伟大的理论，那就是大名鼎鼎的广义相对论。在1915年，终于有一个人站出来解决牛顿留下的难题，他提出了一个疯狂大胆的想法来重新解释引力。这个想法实在是太过于惊人了，在当时，几乎没有人能够理解。这个人就是爱因斯坦，而这个理论呢，就是广义相对论。
下面我们来想象一下，把一个很重的球，放在一张被拉紧的橡皮膜上，橡皮膜会因为球的重量向下弯曲。如果说你在橡皮膜上涂上了肥皂水，那么任何在橡皮膜上行走的东西，比如说一只蚂蚁，如果走到弯曲的部分，就会滑向那只球。对于那只蚂蚁来说，这种效果就如同引力。我们的时空就像是这张巨大的橡皮膜，恒星与行星都嵌在这张膜上，在这些星体的周围，时空也会弯曲。简单来说，大质量的星体会引起时空弯曲，时空弯曲产生了引力。当一个人跌落的时候，并不是下面有一个力在拉他，而是他像那只橡皮膜上的蚂蚁一样，沿着膜滑行而已。而以这种弯曲理论来进行的几何计算，竟然是成功地消除了水星轨道的误差。
广义相对论，完美地解释了大尺度天体的运动规律，为宇宙学的研究提供了正确的科学框架。爱因斯坦的科学成就也就进入了全盛时期，他从瑞士伯尔尼专利局的一个小小技术员，一跃成为了与牛顿齐名的大科学家。
然而，历史最喜欢上演逆袭的戏码，就像是他当年撼动牛顿定律一样，这一次，一个全新的物理领域向广义相对论宣战了。于是我们迎来了第三个理论——量子力学理论。
人们在掌握了大尺度天体的运动规律之后，开始研究小尺度的微观世界。我们知道，所有的物质都是由基本粒子构成的，比如说质子、中子、电子等等。它们呢，就像是乐高积木一样，组装在一起，搭建了我们的世界。量子力学就是研究这些积木块的理论。
当爱因斯坦试图用广义相对论，来描述微观世界的时候，结果只能用三个字来概括：很失败。广义相对论彻底失效了。这是为什么呢？简单来说，这是因为宏观世界和微观世界，有着完全不同的运行规律，就像海洋和陆地，是两种完全不同的生态系统一样。
还记得刚才我们讲到的广义相对论中，那一张橡皮膜吗？啊，在我们的宏观世界当中，时空如同是那张橡皮膜一样光滑、连续、稳定，只有这样才能够有效地运用广义相对论。但在微观的量子世界，一切都是离散的、不连续的、不固定的，这就好像是那张橡皮膜被撕得东一块西一块儿，有的地方呢，是圆润的弧线，而有的地方是尖锐的边角，根本没法用它来描述引力。
好，让我来给你具体介绍量子世界的几个特点，也许你就能够理解，为什么这个微观世界是如此特别了。
第一个特点，状态叠加。在日常世界当中，一个物体只能有一个状态，可是在量子世界当中呢，一个粒子可以有无数的状态同时存在。这么说吧，如果说有一个量子化的你，那么所有你能够想象的生命轨迹将同时发生。你会很富有又很贫穷，结了婚但是又是一个单身狗，快乐而又悲伤，在北京，又在巴黎获得诺贝尔奖，又完全是一个笨蛋。没有错，在量子世界当中就是这么任性。
第二个特点是瞬间感应，这里有一个专业词语叫做量子纠缠，是说当两个粒子组成一段的时候，即使相隔遥远的距离，它们之间也可以瞬间地影响彼此的行为，就好像有一种心灵感应。说得更通俗一点，就如同电视剧当中最常见的情景，双胞胎中的哥哥中枪倒地，远在地球另一端的弟弟呢，会同时感受到重击。也许你不相信宏观世界有这种心灵感应，但是呢，微观世界还真的就是有。虽然说连爱因斯坦都称这简直就是闹鬼，但这确实是经过验证的科学事实。
第三个特点，测量不准。你永远都无法同时知道一个粒子准确的位置和速度，当你观察它的位置的时候，它的速度就变得很模糊，而速度确定的时候呢，位置又无法测量。总之，你根本没有办法精确地描述一个粒子。这是因为人类的观测工具太大了，仅仅是观察和测量这个动作，本身就会影响粒子原有的状态，你不过是看了他一眼，就能够改变他原有的样子。所以，量子世界不是一个精确的世界，我们只能够用概率来描述。
希望这三个特点没有把你搞晕啊。总之呢，与我们的常识相比，量子世界简直就是天方夜谭，连它的奠基人之一波尔都要吐槽说，如果谁不为量子力学感到困惑，那他就是没有理解量子力学。
好了，现在我们有了三个描述宇宙的理论了，一个是我们最熟悉的万有引力定律，一个是统治着巨大天体引力的广义相对论，一个是适用于微观粒子的量子力学理论。看上去宇宙万物从小到大，似乎是都有了它们适用的理论。那么第四个理论是什么呢？
这第四个理论叫做量子引力理论。请注意，这个理论是最复杂、最具有争议的一个，它至今还几乎是一块未知的领域，也是现代宇宙学家们正在为之奋斗的领域。
要理解量子引力理论，我们需要做一点准备工作，先来了解一个概念，叫做起点，奇特的“奇”。你可以干脆把它理解为一个奇特的点，它奇特在哪儿呢？在物理上，它是一个存在又不存在的点。说它不存在，是因为它的体积无限小；说它存在呢，是它的能量无限大。宇宙就是从这样一个起点当中演化而来的。其实中国古代早就有类似的思想，老子在《道德经》当中说，“无名天地之始”，也说的就是宇宙是一个从无到有的过程，而这个从无到有的诞生点呢，就是宇宙学上的起点。
为什么要了解起点这个概念呢？因为它是宇宙学当中一个极其特别的存在，它将巨大的物质和能量，禁锢在一个非常微小的空间当中，既属于宏观尺度，又属于微观尺度，既需要广义相对论来解释它的引力效应，又需要量子力学来解释它的量子效应。在这，矛盾就出现了，咱们刚才讲过，广义相对论和量子力学是互不相容的呀。于是我们需要一个能够同时解释极大和极小的理论，只有解决了这个问题，才能够解开起点的秘密，进而才能够更好地了解宇宙的诞生。这就是量子引力论要解决的难题。
起点主要有两种，一个是大爆炸起点，一个是黑洞起点，一个对应着宇宙的诞生，一个对应着星体的死亡。下面我们来分别展开说一说，这两种起点有哪些不可思议的故事。
首先，我们一起来看大爆炸起点，这个起点是宇宙的开始点。咱们就来追溯一下宇宙的诞生啊。我们从地球上研究宇宙，最管用的手段就是观察光。任何光线都携带着自己的信息，观察星光，就像是在收集来自宇宙各地的明信片，它们来自宇宙历史上各个时间与地点，它们拼接起来，就可以重建宇宙的一小段历史。可以这样说，我们对于宇宙的一切了解，都来自于我们所见到的光。科学家通过观察光，就能够分析出宇宙中的化学元素、恒星的构成等等。
可是问题来了，我们观察得越远，就越发现不对劲儿。本来是橙色光的位置变成了红色光，本来是蓝色光的位置变成了绿色光，也就是说，所有的光谱的位置都往红色那一边移动，这就表示光波在拉长，而且光源离我们越远，颜色的偏移就越明显。无论你站在宇宙的什么位置观看，都会发现这种现象。这意味着什么呢？这意味着星系之间的空间在拉伸，宇宙在膨胀，在不停地生长变化。如果把宇宙想象成一块有弹性的布，而光是缝在上面的线，那么把这块布拉长，上面的丝线也就跟着拉长了，光波拉长就会导致红移现象。
这个发现带来了一个非凡的后果，科学家们认识到宇宙并不是一成不变的。既然它在膨胀，那么它在过去一定要比现在小。科学家们从广义相对论当中，推导出了起点的概念，这个点既是空间的起点，也是时间的起点，它致密而炽热，在经历过一次大爆炸之后，不断地膨胀至今，形成了今天的宇宙。
那么宇宙从大爆炸起点开始，究竟膨胀了多大呢？它有没有尽头呢？让我们继续向宇宙最深处推进。我们顺着光向前，100亿年、120亿年、130亿年，到了138亿光年的地方，我们不得不停住了。假如说你身在此处，就会发现眼前是一个光穿不过去的地方，这里好像是有一堵墙，虽然光线就在这道墙的后面，但是它被束缚了，根本无法穿透。这是一道时间与空间的墙，它表明光在138亿年前，才第一次摆脱了物质的束缚，射向太空。这也是我们的望远镜所能够看到的，最远的地方，也就是人类能够观测到的宇宙的尽头了。
这个尽头，这道光线无法穿透的墙，叫做临界最后散射面。以这个临界最后散射面为边界，人类可见的宇宙，是一个半径为138亿光年的球体。当然了，由于宇宙的膨胀，这个球体的半径在变大，我们的实际观察距离就会更远一些。
现在只有我们的想象力可以穿过这道墙了，让我们想象自己穿过去，再向前迈进38万光年，这时你就会到达宇宙大爆炸的起点。这里是一个极度扭曲、混乱的地方，它的密度无限大、热量无限高、体积无限小，所有的能量都在猛烈的摇晃和扭曲，正在孕育着一场开天辟地的大爆炸。这就是起点，是宇宙的开端，也同时是时间和空间的起始点。人类全部已有的知识在这儿都失去了意义，我们还无法描述这里的情景，只能找到新的理论，才有可能揭开它的秘密。
好，接下来我们再来说一说第二种起点——黑洞起点。这里同样隐藏着量子引力的秘密。黑洞起点位于黑洞的中心地带，那里同样是一个密度无限大、体积无限小、热量无限高的地方。
如果你经常看科幻小说和电影，相信你一定对黑洞的特征不陌生，它是一种无比致密的天体，如果把地球变成黑洞，你需要把它压缩到一个圣女果那么大。黑洞的引力大到光都无法逃脱，所有不小心接近黑洞的物体都会被它吞噬。但进入黑洞就真的是有去无回吗？
1975年，霍金发表了一个令人震惊的结论，他说掉入黑洞的一切未必是永远被禁锢其中，它们能够逃出来，这一理论被称为霍金辐射。他指出，黑洞是会向外辐射能量的，黑洞向外发射出粒子，把吞噬在黑洞当中的能量，一点儿一点儿地还给太空。当黑洞散尽所有的能量之后，就会蒸发消失。
这一发现为科学家们带来了一个巨大的难题，因为它引发了一个悖论，叫做黑洞信息悖论。之所以叫悖论，是因为它违反了信息守恒定律。咱们物理课上都学过能量守恒定律，说的是在一个封闭系统当中，总能量是保持不变的。其实还有一个相类似的定律，叫做信息守恒定律，道理都差不多，是说信息既不会凭空产生，也不会凭空消失，但是信息的状态会发生改变。这里所说的信息呢，是一个物理上的概念，指的是物体的所有属性，是它区别于其他物体的全部特征。
举个例子，比如说你吃掉了一个苹果，虽然说苹果没了，但是构成这个苹果的水分、糖分、维生素等等，还是依然存在于你的身体之中，它们被转化成为分子原子。如果说我们把这些分子原子重新组装起来，就能够还原出那个被你吃掉的苹果。即使是再过几亿年，连地球都不复存在，构成这个苹果的信息要素也不会消失，它们会以别的形式继续存在于宇宙之中。
信息守恒定律，是量子力学的一个基本定律之一，更是物理学的一个铁律。可是掉到黑洞这里，信息却不守恒了，掉入黑洞的不管是人类还是动物，不管是废铁还是钻石，只要它们最初的质量一样，那么被辐射出来的时候就变得完全一样。也就是说，黑洞活生生地剥夺了物质的所有特征，信息出来的只有热辐射，这就让物理学家们抓狂了，信息凭空消失了，这简直就是物理学的灾难。
黑洞辐射显示了自然界中，宏观世界与微观世界发生的交流。黑洞信息悖论和大爆炸起点背后的秘密一样，在我们建成新的理论之前，很难找到正确的答案。于是科学家们向量子引力理论进军，它的研究对象是量子引力，它的目的是将广义相对论和量子力学统一起来，这或许能够成为，适用于整个宇宙的万物理论，这是目前物理学上最深奥的问题之一，也是科学家们的终极梦想。
目前在量子引力的研究当中，有一个最有力的学说叫做弦理论。这是一个很浪漫的理论，它认为宇宙的基本单位不是粒子，而是一根一根像琴弦一样的细线，粒子不过是弦的振动而已。就像你拨动一根吉他弦，听到的是“do”，拨动另一根弦，听到的是“mi”。音乐家们通过一把吉他的六弦合奏，就可以创造出无数美妙的音乐，而宇宙当中的弦，通过不同的振动，会产生一个个粒子，构成我们这个世界。
虽然说所有的弦都是相同的，但不同的振动对应着不同的粒子、不同的性质。比如说，弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大，振动的越轻柔，粒子的能量就越小。无数这样的震动着的弦，奏出了一支伟大的宇宙交响曲。就是用这样一种理论，世间万物的存在都统一到了“弦”这个概念上，包括引力和基本粒子间的作用力，这才调和了广义相对论和量子力学之间的矛盾，完成了大统一。
当然，弦理论目前还没有被证实，能否解开起点的秘密也不得而知，但它至少是提供了一种思路。或许将来有一天，科学家们可以将弦理论进行完善和验证，为物理学翻开新的一页篇章。
好了，我们对宇宙的探索到此为止。作者在书的结尾呢，给我们提出了一个深刻的思考，回顾一下这四个物理理论，你是否发现，每一个理论的诞生之路，都有相似之处。当牛顿经典力学一统天下的时候，他的万有引力不能解释水星轨道的变化，于是就有了广义相对论的应运而生。而广义相对论又在微观粒子面前无能为力，于是就有了量子力学的横空出世。当所有这些已知理论，在遇到宇宙大爆炸黑洞的时候，再一次全部失效，科学家们开始向量子引力理论进军。
我们看到，科学的发展就是一次一次错误和检讨，在一次次自我推翻和否定当中，迈向寻找终极理论的巅峰。也许有一天，我们真的能够找到量子引力理论的终极奥义，找到那个统一宇宙的万物理论。但是统一以后呢，是不是一切都大功告成了呢？或许在未来的某一天，我们的知识体系会再一次被打破，需要重启新的探索。
现代科学的创立还不到400年，而它的智慧却是贯穿了整个宇宙。没有什么可以阻挡我们探索的步伐，而这一切，都来源于我们对宇宙，对科学那永无止境的好奇和迷恋。
好，《极简宇宙史》这本书就为你解读到这了，精华笔记在音频下方，我们明天见。
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