果殼中的宇宙

《果殼中的宇宙》講述了現代物理學的歷史和原則，主要彙集了霍金後期的一些研究成果，比較重要的就是1983年霍金和哈特爾一起提出的“虛時間”的概念。霍金試圖“將愛因斯坦的大統一理論和理查德·費曼的多重歷史觀點融入到一個能闡述宇宙中發生的一切事情的自洽的理論系統中”。

該書各章大致內容如下：

相對論簡史——邁克爾遜-莫雷實驗、時間與空間的相對性、質能方程E=mc²、廣義相對論的基石——等效原理、宇宙是非靜止的，它是在不斷變化的、奇點大爆炸及廣義相對論和量子力學的不協調性。

時間的形狀——人們常問時間的本質是什麼，其實這個問法本身就有問題。人類所做的一切，只是在描述一種時間模型，然後看看這個時間模型能告訴人們什麼，是不是與現有的觀測證據相符合。

果殼中的宇宙——霍金多次引用費曼的理論，費曼提出了一個“路徑積分”的思想，這是該書中一個非常重要的思想。霍金強調有多重歷史，即存在各種各樣的宇宙，每個宇宙的參數都各不相同，並且由此引出人擇原理。

預言未來——科學的所有預言必須有可驗證的特性。“拉普拉斯妖”：如果人們知道在某一時刻宇宙中所有粒子的位置和速度，則物理定律應允許人們預言宇宙在過去或將來的任何時刻的狀態。

護衞過去——預測未來不可能，回到過去也是做不到的。霍金討論的核心是一個叫作時間圈環的東西，物理學上的術語叫“閉合類時線”。

我們的未來？《星際航行》可行嗎？——霍金遐想人類未來的太空探索（科幻）。

膜的新奇世界——M理論，超對稱是M理論的基礎之一。膜世界是複雜的高維世界，根據量子的不確定性，會有泡泡不斷地創生出來，人類生活的膜世界，可能就充滿了高維的泡泡。 ^[5] 

《果殼中的宇宙》這一書名出自於威廉·莎士比亞悲劇《哈姆雷特》。哈姆雷特認為，即便把他關在果殼中，他仍然自以為是無限空間之王。這句看似充滿浪漫情懷的話語，卻與人類的宇宙觀相符。 ^[2] 

《時間簡史》一書是霍金於1988年創作，等到《果殼中的宇宙》一書創作出版的時候，已經是到了2002年。這其中相隔了十幾年，霍金的主要研究方向也已經轉移到了宇宙學方面。在這十幾年裏，他提出了一些新的理論，試圖解決大爆炸開端的那個奇點的問題。因為霍金秉持着這樣一種觀點：即便是奇點，也需要用物理學去解釋它，而不是説在這個點上人類的物理學失效了，或者是把它扔在一邊不去管。 ^[2] 

霍金未預料到自己的科普著作《時間簡史》會獲得巨大的成功，它位居倫敦《星期日時報》暢銷書榜長達四年。隨後，曾有人詢問霍金何時會寫一本續集，但由於他不打算寫《簡史之子》或者《時間的稍長曆史》，也由於他忙於研究，所以沒有進行再次創作。但是，之後他意識到，有必要撰寫一本更易理解的有別於《時間簡史》的書。 ^[4] 

霍金在撰寫該書時得到了許多幫助。託瑪斯·赫託格和尼爾·席爾勒幫助其作圖、撰寫説明和框中文字；安·哈里斯和吉蒂·佛古遜為其編輯手稿（或者更準確地講，應為電腦文件，因為霍金所寫的一切都是電子的）；書籍實驗室和奔月設計公司的菲利普·丹創作了插圖。最終《果殼中的宇宙》一書於2002年首次出版。 ^[4] 

宇宙的起源和膨脹。不確定性原理允許膜世界作為泡泡從無中出現，膜形成泡泡的表面，內部則是高維空間。小泡泡傾向於再坍縮為無，兩個泡泡可能因為碰撞而合併，宇宙大爆炸或許就是兩個泡泡之間碰撞造成的。人類就生活在四維時空的泡泡上（宇宙的邊緣上）。一個超過某一臨界尺度的泡泡會繼續長大，生活在膜上的智慧生命就會覺察到星系在相互離開，宇宙在膨脹，而沒有任何星系是膨脹的中心。

暗物質和影子人類。M理論認為，引力可以從膜上瀰漫出去。這樣，如果在鄰近人類膜世界有一張額外的大膜，則它能防止引力向遠處發散。這張鄰近的額外大膜就是人類的“影子膜”（影子世界）。由於引力可以傳播到影子膜上去，所以那裏的恆星可以圍繞影子星系中心公轉、行星可以圍繞暗質量公轉。由於光被限制在膜上，所以人類看不到影子世界。但是，人類可以感覺到影子膜上物質的引力影響。

能量守恆。根據M理論，膜上的運動物體產生的引力波可以從膜上瀰漫出去。如果存在一張影子膜，引力波就會在人類膜和影子膜之間來回反射。但是，如果影子膜是高度彎曲的（如馬鞍型），就不能將引力完全反射回來，波長比其曲率半徑短的引力波會完全逃逸出去。由於引力波會帶走能量，這僅從人類膜來看，是違反能量守恆定律的，但從多維世界來看，只不過是能量發散得更開而已。

黑洞輻射和消亡。黑洞發射的引力波會傳播到額外維上去，並在人類維與額外維之間來回反射。因而，人類膜上的一個黑洞會延展成額外維上的一個黑洞。如果黑洞很小，則額外維上的黑洞是球形的，如果是巨型黑洞，則額外維的黑洞是餅狀的。黑洞由於引力輻射而損失能量，它因此會慢慢蒸發，尺寸縮小。當它比馬鞍型額外維的曲率半徑還小時，它的引力波就會自由地逃逸而不再返回，在人類膜上就無法直接觀測到黑洞的輻射，只有通過黑洞的質量損失間接地測量到。

黑洞的熵和全息界。熵本來是熱力學中的概念，表示一個物理系統的無序程度。黑洞的熵是黑洞內部狀態（質量、旋轉和電荷）數目的度量。1974年，霍金髮現一個計算黑洞熵的簡單公式，即黑洞的熵等於黑洞視界的面積。這説明，熵是一個系統中的總信息的測度。這就暗示，與三維世界中的所有現象相關聯的信息，能被存儲在它的二維邊界上，這就是“全息原理”，物理系統所能容納信息量的界限叫“全息界”。

宇宙是幅全息圖。從M理論的觀點來看，宇宙也是一幅全息圖。如果宇宙是由4維時空組成的，人類就生活在4維時空泡泡上。根據M理論，4維時空很可能就是5維時空（其餘空間維捲曲得很小）宇宙的邊緣。根據全息原理，在人類生活的膜（泡泡）上，應該負載着5維時空內發生的一切信息的密碼。那麼，應用適當技術，人類就可以瞭解多維宇宙的情況。 ^[6] 

霍金在2001年創作完畢《果殼中的宇宙》一書後，該書即以包括英文、中文等十幾種主要文字在全世界同步發行。 ^[4] 

截至2021年9月，由湖南科學技術出版社出版發行的《果殼中的宇宙》一書已在中國大陸累計發行140多萬冊。 ^[8] 

史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），1942年1月8日出生於英國牛津，2018年3月14日病逝，英國劍橋大學物理學家。霍金21歲時患上肌肉萎縮性側索硬化症（盧伽雷氏症），全身癱瘓，不能言語，手部只有三根手指可以活動。1979至2009年任盧卡斯數學教授，主要研究領域是宇宙論和黑洞，證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型，在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。獲得CH（英國榮譽勳爵）、CBE（大英帝國司令勳章）、FRS（英國皇家學會會員）、FRSA（英國皇家藝術協會會員）等榮譽。 ^[1]