《宇宙的結(jié)構(gòu)》作者布賴恩·格林是牛津大學(xué)的物理學(xué)博士录语，同時(shí)也是哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)和數(shù)學(xué)教授。他是物理學(xué)前沿理論研究的領(lǐng)軍人物禾乘，也是著名的科普作家澎埠。格林最擅長(zhǎng)的，就是把復(fù)雜的物理概念用通俗易懂的方式表達(dá)出來(lái)始藕。
在《宇宙的結(jié)構(gòu)》這本書(shū)中蒲稳，格林并沒(méi)有像傳統(tǒng)的物理學(xué)專著那樣，用一大堆公式來(lái)描述一個(gè)理論伍派。恰恰相反江耀，格林用了一系列通俗易懂的例子和比喻，讓普通人也可以了解相對(duì)論诉植、量子力學(xué)祥国、弦理論等物理學(xué)的研究成果。最重要的是晾腔，格林說(shuō)明了這些理論之間的迭代關(guān)系舌稀，向我們展示了人類是怎樣一步步地突破常識(shí)，又是怎樣用一系列大膽的假設(shè)和設(shè)計(jì)精巧的實(shí)驗(yàn)來(lái)探索宇宙的奧秘的灼擂。
本書(shū)從宏觀和微觀兩個(gè)角度壁查，介紹了以相對(duì)論和量子力學(xué)為代表的經(jīng)典物理學(xué)對(duì)宇宙的描述，同時(shí)也將宇宙物理學(xué)的前沿研究成果“弦理論”的基本內(nèi)容做了介紹剔应。雖然仍未被證明睡腿，但弦理論為人們提供了一種看宇宙的新視角。
一峻贮、宏觀宇宙學(xué)
宏觀宇宙理論是描述我們?nèi)庋劭梢钥吹降募档剑蛘咄ㄟ^(guò)天文望遠(yuǎn)鏡可以看到的宇宙。
1. 牛頓對(duì)宏觀宇宙的認(rèn)知
牛頓提出了“絕對(duì)空間”的概念月洛。絕對(duì)空間像一個(gè)“虛無(wú)”的舞臺(tái)何恶，雖然什么都沒(méi)有，但我們所有的運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在這個(gè)舞臺(tái)上嚼黔。牛頓認(rèn)為“絕對(duì)空間”是描述物體運(yùn)動(dòng)的終極參照物细层，也就是說(shuō)：一個(gè)物體如果相對(duì)于絕對(duì)空間靜止，那就是真正的靜止唬涧；如果相對(duì)于絕對(duì)空間做加速運(yùn)動(dòng)疫赎，那就是真的在加速運(yùn)動(dòng)。
但“絕對(duì)空間”理論無(wú)法解釋兩個(gè)現(xiàn)象：光速的恒定和引力的形成碎节。
物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)捧搞，不管在什么條件下，光速始終是恒定的。也就是說(shuō)胎撇，不管我們是把光源放在靜止的地面上介粘，還是一列高速行駛的列車上，人們所測(cè)出的光速都是一樣的晚树。這就不能用牛頓的“絕對(duì)空間”來(lái)解釋了姻采。因?yàn)榘凑张ｎD的解釋，如果一輛列車相對(duì)于絕對(duì)空間運(yùn)動(dòng)爵憎，人在車廂中也相對(duì)于列車做運(yùn)動(dòng)慨亲，那列車中的人相對(duì)于絕對(duì)空間的速度，就是列車的速度和他自己與列車相對(duì)速度的疊加宝鼓。很明顯刑棵，絕對(duì)空間理論不能解釋“光速始終保持恒定”的現(xiàn)象。
“絕對(duì)空間”理論也不能解釋引力的形成愚铡。牛頓根據(jù)“絕對(duì)空間”模型所推導(dǎo)出的公式蛉签，能說(shuō)明世間萬(wàn)物之間都存在引力。但是這種引力到底是怎樣形成和傳導(dǎo)的茂附，牛頓卻解釋不了正蛙。按照牛頓的理論督弓，地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)是因?yàn)樘?yáng)的引力营曼。如果太陽(yáng)突然消失，牛頓方程顯示愚隧，太陽(yáng)的引力會(huì)瞬間消失蒂阱，但是因?yàn)樗x地球很遠(yuǎn)，太陽(yáng)光到地球需要8分鐘的時(shí)間狂塘。這就表示录煤，引力比光速還快≤窈可是呢妈踊，我們都知道，光是物體運(yùn)動(dòng)的最快速度泪漂，這個(gè)結(jié)論就是在牛頓力學(xué)的情況下成立的廊营，那如果說(shuō)引力比光還快，這就出現(xiàn)了矛盾萝勤。
2. 愛(ài)因斯坦對(duì)宏觀宇宙的認(rèn)知
愛(ài)因斯坦打破了“絕對(duì)空間”的思考框架露筒，提出了“相對(duì)空間”和“相對(duì)時(shí)間”的概念，也就是著名的“相對(duì)論”敌卓。
在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論中慎式，空間和時(shí)間是不可分割的，一個(gè)物體總是在不斷地穿越時(shí)間和空間。光速在愛(ài)因斯坦看來(lái)瘪吏，就是穿越空間的最大速度癣防，所以不管光源怎么運(yùn)動(dòng)，我們測(cè)量的光速都是恒定的肪虎。
相對(duì)論認(rèn)為劣砍，引力的產(chǎn)生是因?yàn)榭臻g的變形。在相對(duì)論中扇救，空間并不像牛頓說(shuō)的那樣刑枝，是一個(gè)“虛無(wú)的舞臺(tái)”。事實(shí)上迅腔，空間是一個(gè)可以彎曲装畅、可以拉伸的實(shí)體。我們可以把空間想象成一塊平整的布沧烈，如果在布上放一個(gè)球掠兄，放球的部分會(huì)凹陷下去。這種凹陷就會(huì)影響這個(gè)球周圍物體的運(yùn)動(dòng)锌雀。所以蚂夕，地球之所以圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，并不是兩者之間有什么連接腋逆，而是太陽(yáng)因?yàn)樽陨淼闹亓慷で丝臻g婿牍，改變了地球的運(yùn)行軌跡。這也就解釋了引力產(chǎn)生的原因惩歉。
二等脂、微觀宇宙學(xué)
微觀宇宙理論描述的是原子尺寸，或者更小尺寸下的宇宙現(xiàn)象的撑蚌。相對(duì)論的提出可以很好地解釋宇宙在宏觀維度的規(guī)律上遥，但如果我們把鏡頭轉(zhuǎn)移到比原子還小的微觀世界，會(huì)發(fā)現(xiàn)這里和宏觀宇宙完全不一樣争涌。為了描述微觀宇宙的規(guī)律粉楚，物理學(xué)家建立了量子力學(xué)。
1. 微觀宇宙中的空間扭曲
在量子力學(xué)所描述的微觀世界中亮垫，空間是極度扭曲的模软、劇烈波動(dòng)的，各種粒子的運(yùn)動(dòng)也是極度混亂的包警。所以撵摆，我們永遠(yuǎn)不可能知道一個(gè)粒子的精確位置和速度，我們所能做的害晦，只是預(yù)測(cè)一個(gè)粒子出現(xiàn)在某個(gè)位置的概率特铝。
2. 微觀宇宙中的糾纏效應(yīng)
糾纏效應(yīng)描述的是兩個(gè)粒子間一種相互影響的狀態(tài)暑中。進(jìn)入糾纏狀態(tài)的兩個(gè)粒子，即使隔著十萬(wàn)八千里鲫剿，其中一個(gè)粒子的行為也會(huì)影響另一個(gè)粒子的行為鳄逾。這種影響是無(wú)視距離并且實(shí)時(shí)發(fā)生的。
糾纏粒子的現(xiàn)象已經(jīng)被證明確實(shí)存在灵莲，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到了雕凹，所以物理學(xué)家不得不承認(rèn)，微觀宇宙和宏觀宇宙的物理規(guī)律再次出現(xiàn)了沖突政冻。因?yàn)楦鶕?jù)相對(duì)論描述的宏觀宇宙規(guī)律枚抵，在空間中不同位置的物體，一定是不同的物體明场。如果一個(gè)物體想影響另一個(gè)汽摹，就必須用某種方式來(lái)突破把他們隔開(kāi)的空間。
舉個(gè)例子苦锨，我們要想看到光逼泣、聽(tīng)到聲音，就必須等待光波和聲波穿越空間的隔離舟舒，到達(dá)我們的眼睛和耳朵才可以拉庶。如果現(xiàn)在身在美國(guó)的一個(gè)人說(shuō)了一句話，而身在中國(guó)的另一個(gè)人不需要借助任何工具就可以瞬間知道秃励，這種情景在宏觀世界是不可能的氏仗。但在微觀世界中，不論兩個(gè)物體之間的空間有多大莺治，量子力學(xué)都允許他們之間存在糾纏狀態(tài)廓鞠。
三帚稠、“弦理論”假說(shuō)
在“弦理論”中谣旁，宇宙的基本構(gòu)成不再是粒子，而是“弦”滋早。這里的弦有點(diǎn)像彈奏音樂(lè)所用的琴弦榄审，但是卻非常非常小。如果我們把電子看成太陽(yáng)杆麸，那弦就相當(dāng)于一個(gè)氫原子的大小搁进。所以，即使用現(xiàn)在最先進(jìn)的顯微鏡來(lái)觀察弦昔头，也只能看到一個(gè)小點(diǎn)饼问。而我們目前發(fā)現(xiàn)的各種粒子，其實(shí)只是弦的不同震動(dòng)模式而已揭斧。
1. 十維的宇宙空間
在弦理論對(duì)宇宙的描述中莱革，如果我們能夠看到非常小的空間，會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)空間中存在著一個(gè)接一個(gè)的蜷曲空間，你可以把它們理解成一個(gè)一個(gè)的小房子捐名。房子的結(jié)構(gòu)決定了弦的震動(dòng)方式。我們目前所發(fā)現(xiàn)的一切規(guī)律闹击，在弦理論看來(lái)镶蹋，都與弦的震動(dòng)方式有關(guān)。所以瑰枫，弦理論認(rèn)為宇宙的規(guī)律是由這些蜷曲空間來(lái)決定的光坝。
2. 調(diào)和量子力學(xué)與相對(duì)論之間的矛盾
在弦理論中性含，弦是最小的尺寸辅鲸，微觀宇宙的研究到了弦的長(zhǎng)度就已經(jīng)算是盡頭了例书。在這個(gè)尺度下移迫，空間雖然仍有波動(dòng)邪媳，但已經(jīng)不那么劇烈了，相對(duì)論的數(shù)學(xué)部分据悔，只需要一些修改就可以描述這些波動(dòng)。
