如果你想要通過一本書，迅速了解「我們從哪里來隅熙？到哪里去稽煤？或「宇宙是由什么組成的？」囚戚，這幾個(gè)終極問題酵熙，霍金的《時(shí)間簡(jiǎn)史》是一本最佳旅行指南。

探討宇宙的由來和本性似乎無助于日常生活绿店，卻是所有時(shí)代人類共同關(guān)心的話題√睿霍金這本有史以來最暢銷的科普書，本身就證明了：對(duì)宇宙的好奇和理解邦泄，是人類與生俱來的本性和目標(biāo)顺囊。本文會(huì)從四個(gè)方向、九大關(guān)鍵詞帶你走進(jìn)霍金的宇宙午乓。

宇宙圖景

人類關(guān)于宇宙的圖景是怎樣變化的益愈？

1. 宇宙觀念的變遷

要得到宇宙本身清晰的圖像敏释，單靠邏輯思辨颂暇，或恢宏的想象力都是不夠的。如果沒有新的科學(xué)工具县爬，包括觀測(cè)工具和理論工具财喳，人類大概會(huì)一直停留在「天圓地方」或「無限烏龜」的宏大視覺里。

從亞里士多德和托勒密的地心說泌枪，再到伽利略和哥白尼的日心說碌燕，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明打開了星空的大門。宗教中以地球?yàn)橹行牡耐昝烙钪骈_始動(dòng)搖慈鸠。但人類關(guān)于宇宙本身——時(shí)間和空間的本性依然所知甚少林束，如魚兒最難知于水。我們還需要強(qiáng)大的理論工具胖腾。

于是牛頓來了锨阿，黑暗的宇宙一片光明墅诡，三定律和萬(wàn)有引力解釋了天上地下的運(yùn)動(dòng)。恒星也不再永恒然磷，但宇宙本身還是靜止著姿搜，被上帝裝在一個(gè)絕對(duì)時(shí)空容器里。20世紀(jì)初业踢，愛因斯坦來了，一個(gè)相對(duì)性時(shí)空讓你我每人手里都有了一座小時(shí)鐘太伊，宇宙本來借此想動(dòng)起來——但他老人家覺這樣太胡鬧了，于是引了一個(gè)常數(shù)讓宇宙又重新靜了下來芳悲。

人類繼續(xù)升級(jí)觀測(cè)工具。新的哈勃望遠(yuǎn)鏡不顧及情感問題肮韧，漂亮地看到了遙遠(yuǎn)星系的光譜紅移——這意味著它們?cè)诰嚯x我們遠(yuǎn)去超燃，確鑿證實(shí)了宇宙在膨脹意乓。愛因斯坦知道后届良，懊惱摘掉了這個(gè)畫蛇添足的「最大錯(cuò)誤」——就讓它輕一點(diǎn)吧，相對(duì)論的方程那么美为障，探索宇宙它可是主力鳍怨，我們對(duì)宇宙的觀念此刻已注定因它而徹底改變。

2. 相對(duì)性時(shí)空

相對(duì)論是自牛頓以來對(duì)人類時(shí)空觀念影響最大的思想革命侦香，專利員愛因斯坦僅憑紙筆罐韩，就開辟了現(xiàn)代物理的半壁江山。從此理論物理開始盛行矾睦，理論先于經(jīng)驗(yàn)成為可能，被科學(xué)史家譽(yù)為科學(xué)「范式轉(zhuǎn)移」的典范官紫。

假想一下：一個(gè)小球在飛速的火車?yán)锷舷聫椞溃∏蛴袥]有在向前運(yùn)動(dòng)沉帮？

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愛因斯坦覺得這并不美吉执。他意識(shí)到人們保留以太僅今是因?yàn)樾闹懈畹俟痰慕^對(duì)時(shí)空觀念：永恒不變的空間里，時(shí)間錯(cuò)落有致咕宿、均勻流逝著府阀。他三下五除二试浙，僅保留兩個(gè)基本假設(shè)：

1. 光速不變?cè)恚赫婵罩泄馑倥c任何參照系無關(guān)钠糊。
2. 同時(shí)的相對(duì)性：「同時(shí)發(fā)生」和參照系選取有關(guān)。

就漂亮地推導(dǎo)出了所有物理結(jié)果斗躏。這是觀念和美感的偉大勝利笛臣。從狹義相對(duì)論出發(fā)沈堡，可以得出以下有趣結(jié)論：

• 時(shí)間相對(duì)于空間：運(yùn)動(dòng)越快，物體時(shí)鐘越慢僧免《茫「天上一日浊洞，地上一年」不再是神話
• 尺縮效應(yīng)：物體越接近光速，質(zhì)量則愈趨于無窮苫亦，在別人看來，它會(huì)瘦成一道閃電
• 質(zhì)能方程：e=mc^2 饼丘，從此物質(zhì)和能量是一家肄鸽，核武器和核能源的基礎(chǔ)

在狹義相對(duì)論世界中典徘，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由四維時(shí)空確定的，以物體為中心的事件梅鹦，在時(shí)空中像水的漣漪一樣散開。傳遞事件信息的光在四維時(shí)空里形成了一前一后兩個(gè)圓錐——光錐箍邮。由于光速是宇宙速度極限，所以一個(gè)物體所有可能性都在光錐里了：光錐外的任何存在都不能影響這個(gè)事物味滞。

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但愛因斯坦還不滿足。因?yàn)榧幢阍讵M義相對(duì)論中攒暇，兩個(gè)物體之間只要距離改變形用，彼此間的引力就會(huì)立刻改變。這讓引力效應(yīng)可以超越光速。他又通過廣義相對(duì)論進(jìn)行了更深刻的革新奸笤，讓原本被動(dòng)的「物質(zhì)」也嗨了起來：

時(shí)空告訴物質(zhì)怎樣運(yùn)動(dòng)边灭，物質(zhì)告訴時(shí)空怎樣彎曲。

在廣義相對(duì)論里惰帽，物體本身的質(zhì)量善茎，會(huì)影響周圍時(shí)空曲率，而時(shí)空結(jié)構(gòu)本身反過來影響物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)耕赘。經(jīng)典物理中，物體狀態(tài)改變册招，是因?yàn)槭艿搅送饬ψ饔萌枘洌┤缰亓础５珢垡蛩固拐J(rèn)為，重力-引力就等價(jià)于時(shí)空彎曲匾七，引力場(chǎng)產(chǎn)生加速度絮短，讓物體運(yùn)動(dòng)改變，和受外力作用一樣昨忆。

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這個(gè)自信「必然正確」的結(jié)果丁频，果然被水星近日反常、日食恒星光線偏折等實(shí)驗(yàn)證實(shí)夺颤。于是牛頓物理學(xué)只能屈居在后案疲，成為相對(duì)論在低速、弱引力場(chǎng)下的近似了。

廣義相對(duì)論還能做出了許多驚人的結(jié)論和預(yù)測(cè)速那，其中最讓我們關(guān)心的就是宇宙的命運(yùn)。

3. 宇宙的起源與命運(yùn)

開始已提到市袖，即便廣義相對(duì)論已經(jīng)能推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)宇宙，先鋒如愛因斯坦，也覺得這太不穩(wěn)而給加了一個(gè)常數(shù)彼城，面對(duì)哈勃觀測(cè)結(jié)果，才終于承認(rèn)錯(cuò)誤照棋。

又一個(gè)觀測(cè)結(jié)果來助陣：宇宙背景微波輻射的發(fā)現(xiàn)。這種宇宙背景的「底噪」沒有任何方向性：不論在什么地方猎拨、往哪個(gè)方向，宇宙看起來都是一樣的。此外還有一個(gè)氦豐度一致的證據(jù)藐守。人類終于開始意識(shí)到：宇宙不是靜態(tài)的，它像我們一樣节腐，有自己的起源和歸宿坦弟。

與靜態(tài)宇宙觀相對(duì)的，被稱為「大爆炸宇宙」學(xué)說誊锭。這意味著宇宙在時(shí)間上有一個(gè)開端捏顺。物理學(xué)家弗里德曼對(duì)此進(jìn)行了探討搞旭，他推測(cè)了三類宇宙結(jié)局：

• 靜止：宇宙膨脹后將停止咬最，維持某種穩(wěn)態(tài)
• 大擠壓：宇宙膨脹后會(huì)收縮
• 大撕裂：宇宙將一直膨脹下去

到底哪種將是我們宇宙的結(jié)局？霍金和好搭檔彭羅斯，一起通過研究愛因斯坦場(chǎng)方程得到了重大進(jìn)展：

1. 奇點(diǎn)定理：任何坍塌必須終結(jié)于一個(gè)奇點(diǎn)——一個(gè)沒有體積和大小害碾、能量無窮大的點(diǎn)
2. 當(dāng)宇宙膨脹得快到足以避免重新坍縮時(shí)，一定存在過一個(gè)奇點(diǎn)。

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宇宙是始于一個(gè)奇點(diǎn)逆甜，并終于一個(gè)奇點(diǎn)嗎虱肄？現(xiàn)在能已給出回答。1998年交煞，物理學(xué)家從觀測(cè)超新星得到的數(shù)據(jù)得出咏窿，我們的宇宙在加速膨脹（并導(dǎo)致暗能量的發(fā)現(xiàn)）。這說明我們宇宙是起源于奇點(diǎn)素征，并暗示了很可能走向第三種結(jié)局：大撕裂集嵌。

但我們要清楚，目前所得到的結(jié)論御毅，都是通過理論——愛因斯坦相對(duì)論得到的結(jié)果根欧。在研究宇宙的過程中，相對(duì)論是重要端蛆、但不是唯一的工具凤粗。另一個(gè)相當(dāng)重要的工具是量子論。將二者結(jié)合是所有物理學(xué)家的終極理論之夢(mèng)今豆。

空間

空間里有什么嫌拣？有我們的宇宙，基本粒子和幾種基本力呆躲，當(dāng)然异逐，還有神秘的黑洞

4. 波粒的不確定性

相對(duì)論徹底革新了我們的時(shí)空觀。但如果要問：物質(zhì)是什么插掂？由什么構(gòu)成灰瞻？目前回答最好的是量子論。

對(duì)物質(zhì)的的基本構(gòu)成辅甥，中國(guó)有陰陽(yáng)五行酝润，有「一尺之棰，日取其半肆氓，萬(wàn)世不竭」袍祖，古希臘則有四元素說，有「芝諾悖論」谢揪。這些古代先賢們都陷入了這樣的困境：覺得物質(zhì)應(yīng)該有一種基本構(gòu)成蕉陋，但又覺得在邏輯上總可以無限可分捐凭。這個(gè)問題就一直懸著。

物質(zhì)研究的深入凳鬓，還是從牛頓開始茁肠。他通過三棱鏡發(fā)現(xiàn)了光的色散，認(rèn)為光也是一種物質(zhì)粒子缩举。然而隨著惠更斯的波動(dòng)力學(xué)和麥克斯韋的電磁現(xiàn)象進(jìn)展蚤蔓，波動(dòng)派漸漸占了上風(fēng)礁哄，光被認(rèn)定是一種電磁波。故事到此結(jié)束了嗎？

20世紀(jì)初尊沸，物理學(xué)天空升起來另一朵烏云：黑體輻射異常低矮。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)重不符酬核，物理學(xué)大廈岌岌可危鲸郊。此時(shí)物理學(xué)家普朗克，破天荒地提出：輻射的能量不是連續(xù)的溅蛉，而是離散的數(shù)值公浪，從而化解了矛盾。在這個(gè)影響深遠(yuǎn)的思想下：

• 物質(zhì)不再是無限可分船侧，一切長(zhǎng)度欠气、包括時(shí)間都有最小單元——即普朗克常數(shù)。

一舉解決了古代哲人們的千年玄思镜撩，奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)预柒。

偉大的愛因斯坦繼往開來，借此發(fā)現(xiàn)琐鲁，光電效應(yīng)下卫旱，光的表現(xiàn)和粒子毫無二致人灼，因此認(rèn)定：光既是粒子围段，又是波——即波粒二象性。最后德布羅意宣布：一切粒子投放，包括質(zhì)子奈泪、電子、中子……都既是粒子也是波灸芳，它們涝桅，都是物質(zhì)波。

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物質(zhì)波怎么個(gè)理解法烙样？它是一種概率波冯遂。薛定諤和海森堡先后證明，作為物質(zhì)的粒子谒获，都服從波函數(shù)的分布（薛定諤方程）蛤肌。一個(gè)粒子壁却，在微觀上，它沒有固定的位置和速度裸准。它可能一會(huì)兒遠(yuǎn)在天邊展东，一會(huì)兒近在眼前。只有你觀測(cè)后——它才安定下來炒俱。更奇妙是盐肃，你測(cè)量位置越準(zhǔn)，速度就越測(cè)不準(zhǔn)（測(cè)不準(zhǔn)原理）权悟。

離散性砸王、二象性、測(cè)不準(zhǔn)……量子世界玄妙無比峦阁，卻又無比真實(shí)处硬。簡(jiǎn)單來說，如果沒有量子原理存在拇派，一個(gè)原子的正常結(jié)構(gòu)都不能維持荷辕，電子會(huì)失去能量并以螺旋線的軌道落向并最終撞擊到原子核去（波爾模型）。

更進(jìn)一步件豌，就像相對(duì)論對(duì)引力的描述一樣疮方，量子力學(xué)為統(tǒng)一宇宙基本作用力提供了至關(guān)重要的基礎(chǔ)。

5. 基本粒子與基本力

既然物質(zhì)并非無限可分茧彤，那可以分到什么程度骡显？這些粒子之間又有什么性質(zhì)和關(guān)系？量子力學(xué)仿佛撒了一張彌天大網(wǎng)曾掂。

字宙間所有已知的粒子可以分成兩組：

• 費(fèi)米子：自旋為 1/2（半整數(shù)）的粒子：它們組成宇宙中的物質(zhì)惫谤。包括夸克和輕子。其中夸克組成質(zhì)子珠洗、中子等復(fù)合粒子溜歪，輕子則包括電子、中微子许蓖、正在被捕捉的天使粒子——馬約拉納費(fèi)米子等蝴猪。玻色子可以處于相同的量子態(tài)，因此它們喜歡「凝聚」在一起膊爪，因而能形成可見物質(zhì)自阱。

• 玻色子：自旋為 0、1 和 2 的粒子：它們?cè)?strong>物質(zhì)粒子之間產(chǎn)生作用力米酬。包括光子沛豌、膠子、以及傳說中的上帝粒子——希格斯玻色子等赃额。這類的粒子不能存于相同的態(tài)加派，服從泡利不相容原理阁簸，不會(huì)形成一鍋物質(zhì)「湯」。因此它們的任務(wù)就是傳遞費(fèi)米子們之間各種力的作用哼丈。

玻色子們也被霍金成為「虛粒子」启妹，它們很難被探測(cè)到，作用距離非常受限醉旦，只有在被「實(shí)粒子」即費(fèi)米子攜帶進(jìn)行交換饶米，產(chǎn)生相互作用時(shí)才放射出來。但我們清楚的是：每一種作用力车胡，都對(duì)應(yīng)一種玻色子檬输。

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至此，關(guān)終極理論至關(guān)重要的問題來來了：引力也是一種作用力匈棘，它也對(duì)應(yīng)一種粒子嗎丧慈？所有這些作用力之間是否可以統(tǒng)一？

下面就是愛因斯坦終生在追求的目標(biāo)：

• 引力：產(chǎn)生質(zhì)量主卫，短弱長(zhǎng)強(qiáng)逃默，宏觀尺度。對(duì)應(yīng)引力子簇搅，自旋2完域，尚未證實(shí)。
• 電磁力：產(chǎn)生電荷瘩将，短強(qiáng)長(zhǎng)弱吟税，原子分子尺度。對(duì)應(yīng)光子姿现，自旋 1肠仪，已證實(shí)。
• 弱核力：產(chǎn)生放射性現(xiàn)象备典，作用于自旋1/2的粒子异旧。已由「弱電統(tǒng)一論」和電磁力統(tǒng)一。
• 強(qiáng)核力：束縛質(zhì)子熊经、中子泽艘、夸克間欲险。對(duì)應(yīng)膠子镐依，自旋 1

在量子理論下，引力對(duì)應(yīng)一種尚未發(fā)現(xiàn)的粒子天试。而如果存在大統(tǒng)一理論槐壳，那么根據(jù)相對(duì)論對(duì)宇宙起源于奇點(diǎn)的推測(cè)，必定是在非常高能情況下——即類似宇宙大爆炸之初才能統(tǒng)一喜每。但物理學(xué)家們直到現(xiàn)在也沒完成务唐。

這些微觀尺度粒子和力似乎總是難一探究竟雳攘。而引力則始終發(fā)揮作用，在宏觀上決定著宇宙演化枫笛，并產(chǎn)生了一種極為特殊的星體——黑洞吨灭。

6. 黑洞

黑洞并非一個(gè)黑漆漆的洞，它的形成刑巧，是恒星死亡時(shí)喧兄，引力和斥力對(duì)抗的結(jié)果。
恒星的形成啊楚，是在宇宙暴漲一定時(shí)期后吠冤，大量宇宙物質(zhì)引力吸引，向自身坍縮而成恭理。此后發(fā)生劇烈的熱核反應(yīng)拯辙，壓力升高，停止收縮颜价，在一定時(shí)期內(nèi)維持平衡涯保。但最終會(huì)耗盡核燃料——但別擔(dān)心，我們太陽(yáng)還有50億年夠燒周伦。

恒星的結(jié)局遭赂，取決于昌德拉塞卡極限，這個(gè)數(shù)值大約是1.5倍太陽(yáng)質(zhì)量横辆，大于這個(gè)數(shù)值的恒星將不能維持本身以抵抗自己的引力撇他。

• 恒星的質(zhì)量 < 昌德拉塞卡極限：斥力大于引力，停止收縮 狈蚤，變成「白矮星」困肩，如天狼星。
• 恒星的質(zhì)量 > 昌德拉塞卡極限：會(huì)爆炸或設(shè)法拋出足夠的物質(zhì)脆侮，形成「中子星」锌畸。如果質(zhì)量更大，則將成為「黑洞」靖避。

黑洞的表面的引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)潭枣，以至于在一定區(qū)域內(nèi)，連宇宙最快的光都無法逃出去幻捏，那些剛好不能從黑洞逃逸的光線組成的黑洞的事件視界盆犁。在事件視界內(nèi)，因?yàn)闆]有光篡九，也就無法被觀測(cè)者觀測(cè)到谐岁。這就是黑洞「黑」的由來。

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天文學(xué)家根據(jù)引力計(jì)算推測(cè)，在宇宙中含有大量黑洞伊佃，甚至我們銀河系的中心就有一個(gè)巨大黑洞窜司。黑洞有很多有趣的性質(zhì)，比如「黑洞無毛定理」航揉，一旦生為黑洞塞祈，大小和形狀，只決定于質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度帅涂，和生前形狀和帶有的信息毫無關(guān)系织咧。

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然而——那些被黑洞吞噬的光和物質(zhì)就消失了嗎？如果兩個(gè)黑洞碰到一起怎么辦漠秋？霍金經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：

黑洞的事件視界的面積總會(huì)增大笙蒙，每當(dāng)物質(zhì)或輻射落到黑洞中去，這面積就會(huì)增大庆锦；或者如果兩個(gè)黑洞碰撞并合并成一個(gè)單獨(dú)的黑洞捅位，這最后的黑洞的事件視界面積就會(huì)大于或等于原先黑洞事件視界面積的總和。

黑洞這種「只增不減」搂抒。很像一種叫做熵的物理量的行為艇搀。熵是一種測(cè)量系統(tǒng)無序程度的量，熱力學(xué)第二定律求晶，即熵增原理說：如果不進(jìn)行外部千涉焰雕，事物總是傾向于增加它的無序度。例如芳杏，如果你收拾屋子矩屁，屋子雖然雖然整潔了，但會(huì)消耗你更多的能量爵赵。

—— 那么問題來了吝秕，把一個(gè)攜帶大量熵的物體扔到黑洞中會(huì)發(fā)生什么？熱力學(xué)定律會(huì)被違反嗎空幻？不會(huì)烁峭。霍金經(jīng)過研究認(rèn)為秕铛，事件視界的面積就是黑洞熵的量度约郁。攜帶熵的物質(zhì)落到黑洞中時(shí)，它的事件視界的面積會(huì)增加但两，最后總面積大于原來物質(zhì)的熵和視界面積之和鬓梅，于是符合熵增原理。

但如果一個(gè)黑洞具有熵镜遣，那它也應(yīng)該有溫度己肮。而具有特定溫度的物體必須以一定的速率發(fā)出輻射士袄”兀霍金認(rèn)考慮了一對(duì)本來可以正負(fù)湮滅的粒子谎僻，但不幸有一只被黑洞吞噬的情況，根據(jù)能量守恒寓辱，那只逃逸的正粒子艘绍，相對(duì)觀察者就好像從黑洞逃逸出一樣。我們知道秫筏，任何東西都不能從黑洞的事件視界之內(nèi)逃逸出來诱鞠，黑洞怎么可能發(fā)射粒子呢？霍金根據(jù)量子量子理論認(rèn)為：这敬，粒子不是從黑洞里面出來的航夺，而是從緊靠黑洞的事件視界的外面的「空虛的」空間來的！量子論再一次化腐朽為神奇崔涂。

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這一結(jié)論被稱為霍金輻射阳掐。它給黑洞的負(fù)面印象進(jìn)行了正名：黑洞不是那么黑的，在它吞噬物質(zhì)質(zhì)量后冷蚂，信息永遠(yuǎn)丟失缭保，但會(huì)以等效的能量輻射回宇宙去，形成被「再循環(huán)」利用的某種永生蝙茶。

黑洞一直令宇宙學(xué)家們無比著迷艺骂。在宇宙初期就有很多大黑洞，被稱為太初黑洞隆夯。當(dāng)然也有隨后形成的小黑洞钳恕。黑洞質(zhì)量越小，其溫度就越高蹄衷。這樣苞尝，隨著黑洞損失質(zhì)量，它的溫度和發(fā)射率增加宦芦。如果把一座山差不多的質(zhì)量壓縮成比萬(wàn)億分之一英寸宙址，它會(huì)比一個(gè)原子核的尺度還小，然而發(fā)動(dòng)功率卻遠(yuǎn)超10個(gè)大型發(fā)電站调卑。人類如果能利用好黑洞抡砂，簡(jiǎn)直豐衣足食。

但黑洞不僅可能讓未來人類吃好喝好恬涧，還可能送人們?nèi)ミh(yuǎn)方注益、甚至過去與未來旅行。這就要談到時(shí)間了溯捆。

時(shí)間

時(shí)間本質(zhì)是什么丑搔？我們能進(jìn)行時(shí)間旅行嗎厦瓢？

7. 時(shí)間箭頭

在大爆炸模型中，宇宙的起源是一個(gè)奇點(diǎn)啤月，也就是時(shí)間開端煮仇。那么在這「之前」有沒有時(shí)間？

為了統(tǒng)一相對(duì)論和量子力學(xué)谎仲，物理學(xué)家引入了虛時(shí)間的概念浙垫，這是一個(gè)既有方向又有大小的矢量，你可以向前或向后走郑诺。在虛時(shí)間里不存在奇點(diǎn)或邊界夹姥，也就無所謂開端。這種「無邊界條件」構(gòu)建的宇宙模型辙诞，甚至可以不需要宇宙有上帝的第一推動(dòng)辙售。這樣來看，我們能感知的「實(shí)時(shí)間」才僅僅是我們頭腦和模型中的產(chǎn)物飞涂。

那么旦部，問題依然能沒有解決。我們?yōu)槭裁茨茈H感知到的「實(shí)時(shí)間」流動(dòng)呢封拧？這是怎么回事志鹃？要知道，我們宇宙大多數(shù)物理定律并不區(qū)分過去和未來泽西。這被稱為 CPT 聯(lián)合作用（或?qū)ΨQ）不變：

• C： 用反粒子替代粒子
• P： 取鏡像例子曹铃，即左和右相互交換
• T： 顛倒粒子的運(yùn)動(dòng)方向，時(shí)間反演使運(yùn)動(dòng)倒退回去捧杉。

也就說陕见，一個(gè)粒子向前運(yùn)動(dòng)，并沒有什么阻止它向后味抖。而我們所處的宏觀世界评甜，很顯然能感到有一個(gè)時(shí)間方向∽猩霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》進(jìn)行了分析忍坷，并區(qū)分了三種時(shí)間箭頭：

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1. 熱力學(xué)時(shí)間箭頭：

   這是無序度或熵增加的方向。這是一個(gè)宏觀量熔脂。雖然根據(jù) CPT佩研，單個(gè)粒子可以隨著時(shí)間反演，但你肯定沒有見過被打碎的一杯水霞揉，從地板上跳回桌子上自己恢復(fù)成原樣旬薯。熱力學(xué)時(shí)間箭頭決定了宇宙演化的整體方向。

2. 心理學(xué)時(shí)間箭頭：

   這是我們感覺時(shí)間流逝的方向适秩，我們之所以記憶過去而不是未來绊序。由于心理受限生理并最終受限于物理硕舆，就像一臺(tái)計(jì)算機(jī)必須有自己的時(shí)鐘，并在熵增方向?qū)⑹挛锎鎯?chǔ)一樣骤公，所有心理學(xué)時(shí)間箭頭抚官，本質(zhì)是由我們頭腦中由熱力學(xué)時(shí)間箭頭決定的。無序度隨時(shí)間的增加乃是因?yàn)槲覀兪窃跓o序度增加的方向上測(cè)量時(shí)間淋样。

3. 宇宙學(xué)時(shí)間箭頭：

   在宇宙在這個(gè)方向上膨脹耗式，而不是收縮胁住。要解釋這個(gè)方向趁猴，需要引入一個(gè)假設(shè)「人則原理」：如果宇宙不是這樣的話，那么我們就不會(huì)在這里彪见。這即是說儡司，收縮的宇宙也許存在，但不適合智慧人類的存在余指，因此自然也就無法提出這樣的問題捕犬。霍金為此解釋道：

   首先一個(gè)強(qiáng)的熱力學(xué)箭頭是必需的酵镜。為了生存下去碉碉，人類必須消耗能量的一種有序形式一食物，并將其轉(zhuǎn)化成能量的一種無序形式——熱量淮韭，這樣智慧生命不能在宇宙的收縮相中存在垢粮。這就解釋了為何我們觀察到熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭指向一致

8. 時(shí)間旅行

時(shí)間旅行一直是人類的夢(mèng)想。然而根據(jù)相對(duì)論靠粪，當(dāng)一個(gè)物體接近光速時(shí)蜡吧，質(zhì)量會(huì)變得無窮大，從而永遠(yuǎn)無法突破光速的壁壘回到過去占键。這種方法只能讓自己的時(shí)鐘變慢昔善，譬如一個(gè)宇航員可以以接近光速到遙遠(yuǎn)的星系去再回到地球，相當(dāng)于來到了地球的「未來」畔乙。

那有沒有什么辦法讓我們真正回到過去呢君仆？有以下幾種較為靠譜：

1. 哥德爾的旋轉(zhuǎn)宇宙

   愛因斯坦的好朋友哥德爾，一位偉大的邏輯學(xué)家牲距，在晚年提出了一種能在廣義相對(duì)論下成立的宇宙模型——「旋轉(zhuǎn)宇宙模型」返咱，在這個(gè)存在「宇宙弦」的時(shí)空中，由于時(shí)空極度扭曲嗅虏，不斷旋轉(zhuǎn)洛姑，因此使得人們能夠進(jìn)行時(shí)間旅行∑し霍金認(rèn)為宇宙早期很可能存在這樣的結(jié)構(gòu)楞艾，但這個(gè)解并不對(duì)應(yīng)我們現(xiàn)在的時(shí)空参咙。

2. 蟲洞

   在相對(duì)論下既然宇宙是四維時(shí)空，那么就還有一種方法硫眯，人們也許可以把時(shí)空卷曲起來蕴侧，使得 A 和 B 之間有一條近路——連接它們之間的通道就是蟲洞。蟲洞就是一個(gè)時(shí)空細(xì)管两入，它能把兩個(gè)相隔遙遠(yuǎn)的幾乎平坦的區(qū)域連接起來净宵。人們現(xiàn)在對(duì)蟲洞依然所知甚少，甚至有物理學(xué)家推測(cè)黑洞可能就是蟲洞入口裹纳，在科幻電影《星際穿越》就采取了這樣的設(shè)定择葡。

3. 額外維：存在于在終極理論的候選「弦理論」中，可能從比時(shí)間更高的維度「抄近道」剃氧，但是它太小是個(gè)問題敏储。后面會(huì)談到。

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如果有一天朋鞍，人類真的進(jìn)行了時(shí)間穿越已添，那會(huì)發(fā)生什么？歷史會(huì)改變嗎滥酥？答案是不會(huì)更舞。有兩種方法可以消除時(shí)間旅行導(dǎo)致的佯謬：

1. 協(xié)調(diào)歷史方法。當(dāng)一個(gè)通過時(shí)空卷曲的旅行者回到過去時(shí)坎吻，在時(shí)空中發(fā)生的必須是滿足物理定律的協(xié)調(diào)的解缆蝉。因此類似「殺死外祖父」之類的沖突不會(huì)發(fā)生：你只有在不能殺死外祖父的條件下才能回到過去。你回去后不能改變歷史禾怠，你被物理定律決定了沒有自由意志去那么做返奉。

2. 選擇歷史假說。當(dāng)時(shí)間旅行者回到過去吗氏，他就進(jìn)入和記載的歷史不同的另外歷史中去芽偏。這樣，他們可以自由地行動(dòng)弦讽，不受和原先的歷史相一致的約束污尉。在這個(gè)假說中，旅行者回到的過去被認(rèn)為是一個(gè)與我們類似但不同的「平行宇宙」往产。

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終極理論

終極理論是什么樣子被碗？我們能得到嗎？

9. 弦理論及其后續(xù)

如果要得到物理學(xué)的終極理論仿村，首先要做到的就是統(tǒng)一相對(duì)論和量子力學(xué)锐朴，將不確原理結(jié)合到廣義相對(duì)論中去，這需要調(diào)整引力強(qiáng)度和宇宙常數(shù)的數(shù)值蔼囊。進(jìn)行這種嘗試的包括「超引力」理論：

一種攜帶引力的自旋為2稱為引力子的粒子和某些其他具有自旋為 3/2焚志、1衣迷、1/2 和 0 的新粒子結(jié)合在一起。在某種意義上酱酬，所有這些粒子可認(rèn)為是同「超粒子」的不同側(cè)面

但現(xiàn)在物理學(xué)們壶谒，最喜歡，也覺得最像的一個(gè)是弦理論膳沽。

在弦理論中汗菜，組成宇宙的最基本單位不再是占空間單獨(dú)的粒子，而是只有長(zhǎng)度沒有其他維挑社，像是一根無限細(xì)線的弦陨界。

這些弦可以是有端點(diǎn)的開弦，也可以是自身首尾相接成閉合的圈子即閉弦滔灶。弦和粒子的區(qū)別在于：

• 一粒子在每一時(shí)刻占據(jù)空間的一點(diǎn)普碎，粒子的歷史可以在時(shí)空中用一根線即「世界線」表示吼肥。

• 一根弦在每一時(shí)刻占據(jù)空間的一根線录平，其在時(shí)空里的歷史是一個(gè)叫做「世界片」的二維面。世界片上的任一點(diǎn)包括時(shí)間和位置兩個(gè)量缀皱。

  • 開弦：世界片像一條帶子斗这，它的邊緣代表弦的端點(diǎn)通過時(shí)空的路徑
  • 閉弦：世界片像一個(gè)圓柱或一個(gè)管，截面是一個(gè)圈啤斗，代表特定時(shí)刻的弦的位置
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兩根弦可以連接在一起表箭，形成一根單獨(dú)的弦，這類似于粒子之間的相互作用钮莲。如果把所有基本粒子都當(dāng)做弦來處理免钻，就可能找到一種協(xié)調(diào)的量子理論，它可以解釋所有四種基本力崔拥。雖然在弦理論中极舔，也會(huì)導(dǎo)致無限大，但更容易消除链瓦，最大的麻煩還在于它導(dǎo)致非常高維度的時(shí)空出現(xiàn)：十維甚至二十六維拆魏。這些可能的「額外維」也提供了一種時(shí)空旅行的思路。然而額外維是一種很小蜷縮維慈俯，恐怕很難通過我們宏觀世界那么大的宇宙飛船渤刃。

弦理論后續(xù)在理論物理不斷進(jìn)展，最新研究成果是 M 理論贴膘，然而這些研究因?yàn)檫^于數(shù)學(xué)化卖子，很難被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此曾引起很大爭(zhēng)議刑峡，甚至激起過弦理論是不是科學(xué)洋闽、究竟何為科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的大論戰(zhàn)璃哟。此外，另一個(gè)被寄希望于終極理論候選的是「圈量子理論」喊递，霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》沒有提到随闪，這是后話了。

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我們能看到骚勘，在終極理論之夢(mèng)的追尋過程中铐伴，驅(qū)動(dòng)物理學(xué)家們探索的始終是一種智性滿足和對(duì)秩序美感的追求，而非出于實(shí)用的目的俏讹。這也是科學(xué)探索最能感動(dòng)我們的地方：當(dāng)我們抬頭穿過漫漫黑暗当宴，仰望最遙遠(yuǎn)的星空，看清自己的位置時(shí)泽疆，眼睛和星星之間閃爍的光户矢，那就是我們心之所向。