宇宙的结构

《宇宙的结构》作者布赖恩·格林是牛津大学的物理学博士，同时也是哥伦比亚大学的物理学和数学教授。他是物理学前沿理论研究的领军人物，也是著名的科普作家。格林最擅长的，就是把复杂的物理概念用通俗易懂的方式表达出来。

在《宇宙的结构》这本书中，格林并没有像传统的物理学专著那样，用一大堆公式来描述一个理论。恰恰相反，格林用了一系列通俗易懂的例子和比喻，让普通人也可以了解相对论、量子力学、弦理论等物理学的研究成果。最重要的是，格林说明了这些理论之间的迭代关系，向我们展示了人类是怎样一步步地突破常识，又是怎样用一系列大胆的假设和设计精巧的实验来探索宇宙的奥秘的。

本书从宏观和微观两个角度，介绍了以相对论和量子力学为代表的经典物理学对宇宙的描述，同时也将宇宙物理学的前沿研究成果“弦理论”的基本内容做了介绍。虽然仍未被证明，但弦理论为人们提供了一种看宇宙的新视角。

一、宏观宇宙学

宏观宇宙理论是描述我们肉眼可以看到的，或者通过天文望远镜可以看到的宇宙。

1. 牛顿对宏观宇宙的认知

牛顿提出了“绝对空间”的概念。绝对空间像一个“虚无”的舞台，虽然什么都没有，但我们所有的运动都发生在这个舞台上。牛顿认为“绝对空间”是描述物体运动的终极参照物，也就是说：一个物体如果相对于绝对空间静止，那就是真正的静止；如果相对于绝对空间做加速运动，那就是真的在加速运动。

但“绝对空间”理论无法解释两个现象：光速的恒定和引力的形成。

物理学家在实验中发现，不管在什么条件下，光速始终是恒定的。也就是说，不管我们是把光源放在静止的地面上，还是一列高速行驶的列车上，人们所测出的光速都是一样的。这就不能用牛顿的“绝对空间”来解释了。因为按照牛顿的解释，如果一辆列车相对于绝对空间运动，人在车厢中也相对于列车做运动，那列车中的人相对于绝对空间的速度，就是列车的速度和他自己与列车相对速度的叠加。很明显，绝对空间理论不能解释“光速始终保持恒定”的现象。

“绝对空间”理论也不能解释引力的形成。牛顿根据“绝对空间”模型所推导出的公式，能说明世间万物之间都存在引力。但是这种引力到底是怎样形成和传导的，牛顿却解释不了。按照牛顿的理论，地球绕着太阳转是因为太阳的引力。如果太阳突然消失，牛顿方程显示，太阳的引力会瞬间消失，但是因为它离地球很远，太阳光到地球需要8分钟的时间。这就表示，引力比光速还快。可是呢，我们都知道，光是物体运动的最快速度，这个结论就是在牛顿力学的情况下成立的，那如果说引力比光还快，这就出现了矛盾。

2. 爱因斯坦对宏观宇宙的认知

爱因斯坦打破了“绝对空间”的思考框架，提出了“相对空间”和“相对时间”的概念，也就是著名的“相对论”。

在爱因斯坦的相对论中，空间和时间是不可分割的，一个物体总是在不断地穿越时间和空间。光速在爱因斯坦看来，就是穿越空间的最大速度，所以不管光源怎么运动，我们测量的光速都是恒定的。

相对论认为，引力的产生是因为空间的变形。在相对论中，空间并不像牛顿说的那样，是一个“虚无的舞台”。事实上，空间是一个可以弯曲、可以拉伸的实体。我们可以把空间想象成一块平整的布，如果在布上放一个球，放球的部分会凹陷下去。这种凹陷就会影响这个球周围物体的运动。所以，地球之所以围绕太阳转，并不是两者之间有什么连接，而是太阳因为自身的重量而扭曲了空间，改变了地球的运行轨迹。这也就解释了引力产生的原因。

二、微观宇宙学

微观宇宙理论描述的是原子尺寸，或者更小尺寸下的宇宙现象的。相对论的提出可以很好地解释宇宙在宏观维度的规律，但如果我们把镜头转移到比原子还小的微观世界，会发现这里和宏观宇宙完全不一样。为了描述微观宇宙的规律，物理学家建立了量子力学。

1. 微观宇宙中的空间扭曲

在量子力学所描述的微观世界中，空间是极度扭曲的、剧烈波动的，各种粒子的运动也是极度混乱的。所以，我们永远不可能知道一个粒子的精确位置和速度，我们所能做的，只是预测一个粒子出现在某个位置的概率。

2. 微观宇宙中的纠缠效应

纠缠效应描述的是两个粒子间一种相互影响的状态。进入纠缠状态的两个粒子，即使隔着十万八千里，其中一个粒子的行为也会影响另一个粒子的行为。这种影响是无视距离并且实时发生的。

纠缠粒子的现象已经被证明确实存在，并且通过实验观察到了，所以物理学家不得不承认，微观宇宙和宏观宇宙的物理规律再次出现了冲突。因为根据相对论描述的宏观宇宙规律，在空间中不同位置的物体，一定是不同的物体。如果一个物体想影响另一个，就必须用某种方式来突破把他们隔开的空间。

举个例子，我们要想看到光、听到声音，就必须等待光波和声波穿越空间的隔离，到达我们的眼睛和耳朵才可以。如果现在身在美国的一个人说了一句话，而身在中国的另一个人不需要借助任何工具就可以瞬间知道，这种情景在宏观世界是不可能的。但在微观世界中，不论两个物体之间的空间有多大，量子力学都允许他们之间存在纠缠状态。

三、“弦理论”假说

在“弦理论”中，宇宙的基本构成不再是粒子，而是“弦”。这里的弦有点像弹奏音乐所用的琴弦，但是却非常非常小。如果我们把电子看成太阳，那弦就相当于一个氢原子的大小。所以，即使用现在最先进的显微镜来观察弦，也只能看到一个小点。而我们目前发现的各种粒子，其实只是弦的不同震动模式而已。

1. 十维的宇宙空间

在弦理论对宇宙的描述中，如果我们能够看到非常小的空间，会发现其实空间中存在着一个接一个的蜷曲空间，你可以把它们理解成一个一个的小房子。房子的结构决定了弦的震动方式。我们目前所发现的一切规律，在弦理论看来，都与弦的震动方式有关。所以，弦理论认为宇宙的规律是由这些蜷曲空间来决定的。

2. 调和量子力学与相对论之间的矛盾

在弦理论中，弦是最小的尺寸，微观宇宙的研究到了弦的长度就已经算是尽头了。在这个尺度下，空间虽然仍有波动，但已经不那么剧烈了，相对论的数学部分，只需要一些修改就可以描述这些波动。