關于作者

布賴恩·格林是牛津大學的物理學博士，同時也是哥倫比亞大學的物理學和數學教授。他是物理學前沿理論研究的領軍人物，也是著名的科普作家。格林最擅長的，就是把復雜的物理概念用通俗易懂的方式表達出來。

關于本書

在《宇宙的結構》這本書中，格林并沒有像傳統的物理學專著那樣，用一大堆公式來描述一個理論。恰恰相反，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論、量子力學、弦理論等物理學的研究成果。最重要的是，格林說明了這些理論之間的迭代關系，向我們展示了人類是怎樣一步步地突破常識，又是怎樣用一系列大膽的假設和設計精巧的實驗來探索宇宙的奧秘的。

核心內容

本書從宏觀和微觀兩個角度，介紹了以相對論和量子力學為代表的經典物理學對宇宙的描述，同時也將宇宙物理學的前沿研究成果“弦理論”的基本內容做了介紹。雖然仍未被證明，但弦理論為人們提供了一種看宇宙的新視角。

一、宏觀宇宙學

宏觀宇宙理論是描述我們肉眼可以看到的，或者通過天文望遠鏡可以看到的宇宙。

1. 牛頓對宏觀宇宙的認知

牛頓提出了“絕對空間”的概念。絕對空間像一個“虛無”的舞臺，雖然什么都沒有，但我們所有的運動都發生在這個舞臺上。牛頓認為“絕對空間”是描述物體運動的終極參照物，也就是說：一個物體如果相對于絕對空間靜止，那就是真正的靜止；如果相對于絕對空間做加速運動，那就是真的在加速運動。

但“絕對空間”理論無法解釋兩個現象：光速的恒定和引力的形成。

物理學家在實驗中發現，不管在什么條件下，光速始終是恒定的。也就是說，不管我們是把光源放在靜止的地面上，還是一列高速行駛的列車上，人們所測出的光速都是一樣的。這就不能用牛頓的“絕對空間”來解釋了。因為按照牛頓的解釋，如果一輛列車相對于絕對空間運動，人在車廂中也相對于列車做運動，那列車中的人相對于絕對空間的速度，就是列車的速度和他自己與列車相對速度的疊加。很明顯，絕對空間理論不能解釋“光速始終保持恒定”的現象。

“絕對空間”理論也不能解釋引力的形成。牛頓根據“絕對空間”模型所推導出的公式，能說明世間萬物之間都存在引力。但是這種引力到底是怎樣形成和傳導的，牛頓卻解釋不了。按照牛頓的理論，地球繞著太陽轉是因為太陽的引力。如果太陽突然消失，牛頓方程顯示，太陽的引力會瞬間消失，但是因為它離地球很遠，太陽光到地球需要8分鐘的時間。這就表示，引力比光速還快。可是呢，我們都知道，光是物體運動的最快速度，這個結論就是在牛頓力學的情況下成立的，那如果說引力比光還快，這就出現了矛盾。

2. 愛因斯坦對宏觀宇宙的認知

愛因斯坦打破了“絕對空間”的思考框架，提出了“相對空間”和“相對時間”的概念，也就是著名的“相對論”。

在愛因斯坦的相對論中，空間和時間是不可分割的，一個物體總是在不斷地穿越時間和空間。光速在愛因斯坦看來，就是穿越空間的最大速度，所以不管光源怎么運動，我們測量的光速都是恒定的。

相對論認為，引力的產生是因為空間的變形。在相對論中，空間并不像牛頓說的那樣，是一個“虛無的舞臺”。事實上，空間是一個可以彎曲、可以拉伸的實體。我們可以把空間想象成一塊平整的布，如果在布上放一個球，放球的部分會凹陷下去。這種凹陷就會影響這個球周圍物體的運動。所以，地球之所以圍繞太陽轉，并不是兩者之間有什么連接，而是太陽因為自身的重量而扭曲了空間，改變了地球的運行軌跡。這也就解釋了引力產生的原因。

二、微觀宇宙學

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象的。相對論的提出可以很好地解釋宇宙在宏觀維度的規律，但如果我們把鏡頭轉移到比原子還小的微觀世界，會發現這里和宏觀宇宙完全不一樣。為了描述微觀宇宙的規律，物理學家建立了量子力學。

1. 微觀宇宙中的空間扭曲

在量子力學所描述的微觀世界中，空間是極度扭曲的、劇烈波動的，各種粒子的運動也是極度混亂的。所以，我們永遠不可能知道一個粒子的精確位置和速度，我們所能做的，只是預測一個粒子出現在某個位置的概率。

2. 微觀宇宙中的糾纏效應

糾纏效應描述的是兩個粒子間一種相互影響的狀態。進入糾纏狀態的兩個粒子，即使隔著十萬八千里，其中一個粒子的行為也會影響另一個粒子的行為。這種影響是無視距離并且實時發生的。

糾纏粒子的現象已經被證明確實存在，并且通過實驗觀察到了，所以物理學家不得不承認，微觀宇宙和宏觀宇宙的物理規律再次出現了沖突。因為根據相對論描述的宏觀宇宙規律，在空間中不同位置的物體，一定是不同的物體。如果一個物體想影響另一個，就必須用某種方式來突破把他們隔開的空間。

舉個例子，我們要想看到光、聽到聲音，就必須等待光波和聲波穿越空間的隔離，到達我們的眼睛和耳朵才可以。如果現在身在美國的一個人說了一句話，而身在中國的另一個人不需要借助任何工具就可以瞬間知道，這種情景在宏觀世界是不可能的。但在微觀世界中，不論兩個物體之間的空間有多大，量子力學都允許他們之間存在糾纏狀態。

三、“弦理論”假說

在“弦理論”中，宇宙的基本構成不再是粒子，而是“弦”。這里的弦有點像彈奏音樂所用的琴弦，但是卻非常非常小。如果我們把電子看成太陽，那弦就相當于一個氫原子的大小。所以，即使用現在最先進的顯微鏡來觀察弦，也只能看到一個小點。而我們目前發現的各種粒子，其實只是弦的不同震動模式而已。

1. 十維的宇宙空間

在弦理論對宇宙的描述中，如果我們能夠看到非常小的空間，會發現其實空間中存在著一個接一個的蜷曲空間，你可以把它們理解成一個一個的小房子。房子的結構決定了弦的震動方式。我們目前所發現的一切規律，在弦理論看來，都與弦的震動方式有關。所以，弦理論認為宇宙的規律是由這些蜷曲空間來決定的。

2. 調和量子力學與相對論之間的矛盾

在弦理論中，弦是最小的尺寸，微觀宇宙的研究到了弦的長度就已經算是盡頭了。在這個尺度下，空間雖然仍有波動，但已經不那么劇烈了，相對論的數學部分，只需要一些修改就可以描述這些波動。

金句

1. 根據常識來獲取知識是一種效率很低，而且很容易出錯的方法。而物理學是只相信邏輯不相信常識的一門科學。對于物理學家來說，哪怕一個結論聽起來有多么違背常理，只要它能夠被證明，那就應該被接受。

2. 有點諷刺的是，牛頓“絕對空間”的錯誤理論，反而更貼近生活中的各種現象。這就是物理學的魅力，讓我們可以通過科學研究來彌補感官上的不足，然后不斷提高自己對宇宙規律的認知和理解。

3. 從物理學的角度來看，宇宙不可能由兩套不同的規則來搭建，宏觀和微觀的不同更像是一種人為的劃分，而不是自然規律。

4. 弦理論認為，宇宙的規律是由這些蜷曲空間來決定的。這個就有點像生物學中的 DNA 遺傳因子，你的長相、性格等各種特征都是 DNA 決定的。所以我們可以把一個個的蜷曲空間看做是宇宙的 DNA，他們決定了我們所在的宇宙是什么樣子的。

5. 根據弦理論的說法，蜷曲空間的可能性大概有10的500次方，這就表示我們的宇宙成為現在這個樣子，只是一種偶然。這個結果和“多元宇宙假說”的結論不謀而合。

撰稿：無鋒

腦圖：摩西