霍金和他的果壳中的宇宙
20xx年8月15日11时30分，在美丽的西子湖畔，当代科学巨匠——霍金教授用他仅能活动的手指将3000多名听众引进了“果壳中的宇宙”．
“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（即量干扰动）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，弦论是一门对世纪的数学，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且．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1033厘米，普朗克时间为1043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，并且减小的速车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，在距离短子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区，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．肝的转得慢，但是观测结果并非如此，整个银盘阶度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二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，这又对应于在果壳中的宇宙霍金认为，宇宙是从一个果壳状的高维泡泡演化而来的，果壳上的皱纹将演化出今天已认识到的全部宇宙结构；人类所在的宇宙是一个胚世界，这个胚能够从黑洞中产生和消失．图中借用牛顿从苹果下落想到引力作用的典故，以苹果示意宇宙中的万事万物．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？！
第二篇：果壳中的宇宙
《果壳中的宇宙》读后感
物电1107 刘伟 171107059
以前我只知道有史蒂芬·霍金这个人，是一个只有一个手指可以活动的残疾人，一个整天不得不待在轮椅上的人，一个只能靠机器说话的天才科学家，还有与他个人一样有名的著作——《时间简史》。我个人对他的了解当时也就这么多， 现在知道他还有一点不一样——他出生于19xx年，而他的生日恰好是伽利略逝世三百年忌日。现任剑桥大学卢卡斯数学教授(这一职位曾由艾萨克·牛顿所任)。他广被推崇为继爱因斯坦后最杰出的理论物理学家，被称为“轮椅上的爱因斯坦”。他的主要著作是《时间简史》、《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》和《果壳中的宇宙》。我不久前读过的《果壳中的宇宙》正好是《时间简史》的姐妹篇。书名的来源：在英国戏剧大师莎士比亚的名著《哈姆莱特》中，主人公哈姆莱特有这么一句吟唱：即便把他关在果壳中，他仍然是无限空间之王。
对于《果壳中的宇宙》，先说一下我自己的看法吧，《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。当然，这些概念我到现在也没能完全明白。
这本书先第一章说的是相对论简史，相对论有狭义相对论和广义相对论。狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。 爱因斯坦以光速不变
原理出发，建立了新的时空观。进一步，
闵科夫斯基为了狭义相对论提供了严格的数学基础， 从而将该理论纳入到带有闵科夫斯基度量的四维空间之几何结构中。狭义相对论中最简单的例子是在加速度和引力场之间存在一个紧密的关系。待在一个封闭的盒子里，譬如升降机中的某人不能将盒子静止地处于地球引力场中和盒子在自由空间中被火箭加速这两种情形区别开来。广义 相对论的一个非常重要的推论是质量和能量的关系。爱因斯坦关于光速对于任何人而言都应该显得相同的假设，意味着没有任何运动的比光还快。当人们应能量加速任何物体，无论是粒子或者空间飞船，实际上发生的是，它的质量增加，使得对她进一步加速更困难。要把一个粒子加速到光速要消耗无限大能量，因而是不可能的，正如爱因斯坦的著名公式总结的：E=mc^2，质量和能量是等效的。我对于相对论了解的与此差不多，我记得中学时有一本物理书上说人们可以回到过去，前提是他得以超过光速前进，当时我就迷惘了，因为书上一边说我们可以回到过去，但要以超光速，另一边又说光速无法达到，更不用说超越了，那不就是说我们还是无法回到过去喽？？ 第二章说的是时间的形态，与爱因斯坦的相对论和大量的实验相符合，它提出时间和空间是非常复杂地相互纠缠在一起。人们不能单独使空间弯曲而不涉及时间。这样，时间就有了形态。在对时间的形态的研究与探讨中，霍金引出了超对称、超引力、P-膜、弦理论、M-理论、膜、全息原理等概念。P-膜是指在P-维延展的物体。很难想象我们是生活在一个多维（四维、八维、十维、更多维）的空间里。 唉！时间为何物？！它是否像古老的赞歌说的那样，把我们所有
的梦想一卷而空的东流逝波？抑或像一直前进，却又回到线上的早先过站。19世纪作家查里斯·朗母写到：“世间万物没有任何东西像时间和空间那么使我困惑。然而没有任何东西比时间和空间更少使我烦恼，因为我从不想起它们。”我们中的大多数人早本部分时间不去考虑时间和空间，不管他们为何物；但是我们所有人有时极想知道时间是什么，它如何开始，并且把我们知道何方。关于时间或者任何别的概念的任何可靠性的科学理论，依照我的意见，都必须基于最可操作的科学哲学之上：这就是卡尔·波普和其他人提出的实证主义的方法。按照这种思维方式，科学理论是一种数学模型，它能描述和整理我们所进行的观测。一种好的理论可在一些最简单假设的基础上描述大范围的现象，并且做出被验证的预言。如果预言和观测相一致，则该理论在这个检验下存活，尽管它永远不能被证明是正确的。另一方面，如果观测和预言先抵触，人们必须将该理论抛弃或者修正。如果人们如同我们那样采用实证主义立场，他就不能说时间究竟为何物。人们说能做的一切，是将所发现的描述成时间的一种非常好的数学模型并且说明它能预言什么。
第三部分说的是果壳中的宇宙：宇宙具有多重历史，每一个历史都是由微小的硬果确定的。霍金认为空间的最明显之处是它无限地向外延伸，通过现代仪器，我们可以看到各种形状和尺度的数以亿万计的星系。尽管宇宙似乎在空间的每一位置上都很相同，它肯定是随时间变化的。霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学，它是一个自足的理论，即在原则上，单凭科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来。而量子引力论正是这些书的大部分的主题。哎，
这部分真的很难懂，就少说点了。
第四部分说的是预言未来：黑洞中的信息丧失如何降低我们预言未来的能力。如果信息在黑洞中丧失，情况就并非如此，任何事情都可能已经发生过。预言将来的能力也被削减了。我们能够确定地预言粒子具有相反的自旋，但是如果一个粒子落进黑洞，就不能对余下的粒子作确定的预言，这意味着在黑洞外不能确定预言任何测量，作出确定预言的能力被减低至半。那么关于预言将来的能力呢？现在看来它至少在三个层次上受到限制。第一，是动力学系统的混沌行为，使得拉普拉斯意义上的决定性在实际上是不可能实现的。第二，在量子力学中状态是由波函数描述的，海森堡的不确定性原理使得经典意义上的决定性被减半。第三，不平凡的时空拓扑，使波函数被密度矩阵所取代，就在这里引进了热力学意义上的随机性。
第五章说的是护卫过去：时间旅行可能吗？我觉得不可能，我们中学书上也说不可能，至少来说最近的很多年里都不可能，因为我们还没有把原理完全弄清楚，而且最近的很多年里我们还造不出那种可以快过光速的时间机器，所以嘛，回到过去我们是不用想了，这辈子别想，下辈子也别想回到过去，我们要做的就是好好的活在现在，一种先进的文明能回返以前并改变过去吗？爱因斯坦的广义相对论是所有现代有关时间旅行讨论的基础。爱因斯坦方程描述宇宙中的物质和能量如何将空间和时间弯曲和变形，从而使空间和时间变成动力量，有了时空可能弯曲得这么厉害，在乘空间飞船出发之前即已返回的可能性。
第六部分是我们的未来《星际航行》可行吗？我觉得不可行，至少
最近的N年内是不可行的，就象我认为时间旅行是不可行一样，生物和电子产品毕竟是不一样的，生物和电子生命将如何不断加速发展其复杂性。宇宙的未来是怎样的呢？让我们的孩子的孩子的孩子???去解决吧！如果我们承认科学定律的普适性和无穷威力，则不管人类的雄心有多大，毕竟要受环境和人口问题的限制，我们不能和这些限制作无望和愚昧的搏斗。人类只能采用一种明智和节制欲望的生活方式。
第七部分是膜的新奇世界：我们生活在一张膜上，或者我们只不过是张全息图？霍金说我们的宇宙可能是高维空间中的一个四维膜，我们的宇宙果壳更加新奇了。根据全息术理念，关于发生在时空的一个区域内的一切的信息可以被编码在边界上。这样，也许是因为我们是发生在泡泡内部的东西在膜上的投影，所以我们自以为是生活在四维的世界中。
读过这本书才知道自己对天体物理、对宇宙与生命理解的是这么少，但我们这为学生是没有办法的，我们要做的就是学好自己的东西，为以后的学习或研究找好基础，这些高深的理论啊什么的就让霍金教授和许多理论物理学家一道，去努力寻求科学的最神圣的精华，然后让我们学去吧