目录

1.导读

2.一百三十亿光年:一次宇宙之旅

3.理解“外部空间”

4.光速到底有多快

5.跃入量子世界

6.暴胀场：空间与时间的源头

7.引力理论 VS 量子理论

8.迈向已知世界之外的第一步

原书信息

1.导读

《极简宇宙史》原名《掌中宇宙》（The Universe in your Hand），作者克里斯托弗·加尔法德（Christophe Galfard，按法文当念“加尔法”）是法国人，曾入读法国中央理工学院，之后到英国剑桥继续深造，于 2000-2006 年师从物理学巨擘斯蒂芬·霍金，获剑桥大学理论物理学博士学位。加尔法德从霍金身上学到的不只是学术，也包括科普的技艺，他目前主要从事科普工作，曾与霍金父女合著《乔治开启宇宙秘密的钥匙》，另出版科普童话《云间王子》三部曲（有中译本）。本书原为英文版，出版于 2015 年。

虽然中文名叫“极简宇宙史”，但本书有近 30 万字，比《时间简史》篇幅还大，算不上特别简短。本书的特色在于讲解上的浅易简单要胜过同类科普著作，作者声明，整本书中只用到一个科学公式：E=mc2，对这一公式的阐释也通俗易懂。但本书不仅涉及相对论和量子力学的基本知识，也介绍了当代宇宙学的若干前沿概念和理论，如黑洞蒸发、暴胀、弦理论等等。

本书吸收了童话的写法，基本以第二人称“你”讲述（为方便在解读中用“我们”代替）。

通过发生在读者身上的一系列上天入地，变大变小的冒险奇遇来阐述宇宙原理。虽然亲切易懂，但全书在不同知识点间跳跃，有些顾此失彼。在这场走马观花的宇宙旅行中，我们的印象也不免浮光掠影之弊。这或许也是浅易向的科普需要付出的代价。

2.一百三十亿光年:一次宇宙之旅

一个夏夜，我们躺在沙滩上望着星空，不知道遥远的宇宙和自己有什么关系。忽然之间，我们仿佛穿越了五十亿年的时光，看到了太阳发生了爆炸，摧毁了渺小的地球。这让我们感到了宇宙所蕴含的力量，于是开始了一场虚拟的宇宙旅行。

这场旅行当然首先从太阳系开始，加尔法德带我们潜入巨大的太阳五十万公里之深的内核，在这里初步介绍了太阳释放能量所依赖的核聚变反应。随后是对各大行星的迅速漫游，此后我们飞向了比邻星，那是一颗红矮星，和太阳很不一样，但仍然是以核聚变为基础的，事实上，这也是银河系三千亿颗恒星共同的能量反应基础。

在明白这一点之后，我们就可以很快掠过一条条星河，进入银河系怪异的中心。发现那里是一个巨大的黑洞。随后，我们飞升于银河系之上，看到十万光年的尺度上，四条气势磅礴的旋臂围绕着核心转动，太阳在其中只是微不足道的荧光。然而当我们望向别的方向，发现其他微弱的光晕其实也是星系。每一个星系中都有千亿颗的恒星和行星，其中有没有智慧生命至今还是一个谜……

我们继续往外飞去，发现银河系不过是一个巨大星系群的一员。而宇宙中还有无数这样的星系群，甚至更巨大的星系团和超星系团，银河系在其中又成了一点荧光。我们尽情探索着广大宇宙，直到大约一百三十亿光年外，光线越来越微弱，我们终于来到了一个光也穿不过的地方，这是一堵不透明的时空之墙，被称为“临界最后散射面”。在困惑中，我们又回到了当初的沙滩上，结束了这一次宇宙漫游。

通过这一次简略的宇宙之旅，加尔法德让读者对宇宙的大小和结构有了一个初步的印象，在接下去的篇章中，他开始更详细地向我们讲解这一系列现象背后的秘密。

3.理解“外部空间”

人类对宇宙的理解从引力开始。加尔法德幽默地说，只要不想死的人就绝不会从楼顶或悬崖跳下去，因为他们直观地理解引力。牛顿力学是对引力的系统化数学把握，从而揭开了宇宙奥秘的一角。不过，只有到了爱因斯坦，才深刻地理解了引力本质上不是一种力，而是质量导致时空“弯曲”的结果。因此，宇宙并非空旷的空间，而拥有一种时空弯曲的构造。因为物质运动会导致时空构造的变化，所以宇宙拥有其演化的历史。所谓“宇宙学”从此应运而生。

理解宇宙的另一把钥匙是光。光以每秒三十万公里的高速运动，虽然快得不可思议，但跨越广袤的空间仍然需要显著的时间。譬如，我们所看到的太阳就是八分钟之前的太阳。所看到的星星，更可能是数年前甚至数百年前的了。因此，我们在第一部分中看到的宇宙，并不是一个同时存在的恒定世界，而是从地球上观察到的、不同时空的切片。

因为不同原子会吸收不同波长的光造成不同的光谱，所以科学家可以利用遥远的星光去研究恒星的元素构成。但奇特的是，遥远星系的光谱会与地球上的略有不同，而稍微偏向红色的一端，而且星系越远，其偏离就越显著。科学家发现，这是因为空间自身的膨胀，导致光的波长变长，从而出现这样的“红移”效果。所以，实际上四面八方的其他星系，都在离地球而去。当然，宇宙不可能以地球为中心，空间的膨胀定然发生在其各个角落。这意味着宇宙在过去比现在要小，而且越往前越小。

逻辑的结论是，在过去的某一时刻之前，宇宙是一个没有时间也没有空间的点，然后在每一点上都发生了“大爆炸”，才造成了今天的宇宙。然而，证据何在呢？加尔法德将我们引回到“临界最后散射面”的问题。原来在宇宙某一阶段之前，物质是如此稠密，以至于光无法长距离散射就会被吸收，这就是我们所看到的时空之墙。当宇宙进一步扩大，变得透明之后，其中的光才散射出来，成为一种背景辐射，由于宇宙的极度膨胀，那些光已经成为了微波，也即是“微波背景辐射”。

微波背景辐射的发现打开了通向宇宙诞生之谜的大门，我们可能渴盼立刻去了解宇宙开端的奥秘，但是加尔法德提醒道，在此之前，还需要了解关于宇宙的许多基础知识，才可能进入那神秘的领域。

4.光速到底有多快

在这一部分，加尔法德主要通过一次虚拟的光速飞行来阐释狭义相对论中的“钟慢”和“尺缩”效应。

我们乘坐近乎光速的飞船去游览其他星球，几小时后当返回地球时才发现整个地球已面目全非。原来时光竟已经过去了四百年。因为当我们以光速运动时，体验到的时间流逝也会比旁人快很多（当然，从旁人的角度来看，是我们的时间流逝变慢了）。与此同时，正前方的距离也会缩短很多。另一个显著效应是，我们会变得越来越重，即质量越来越大。

关于这些奇特效应，加尔法德解释道，这是因为，一切实体都不可能超越光速。当我们在自己的时空中以几小时跨越几百光年时，速度并没有变成每小时一百光年，而因为距离变短了，几百光年也不过变成了几光时，所以仍然可以维持光速不变。同时，因为我们已经接近光速，这就使得进一步加速到光速变得越来越困难，从而无法打破光速的不可超越性。如果要加速到光速，我们的质量就需要是无穷大了。唯有本身没有质量的光子能够轻松以光速运动，对它来说，时间停止了。

加尔法德补充道，试图通过光速旅行来实现长生不老是不可能的。因为我们感觉到的时间仍然是一样的。拿刚才的例子来讲，我们花了四百年去外星球再回来，但在自己看来，也不过是过去了几个小时而已，可没有享受四百年的人生。

5.跃入量子世界

在本部分中，我们缩小后潜入量子世界来讨论宇宙的微观构成。将一块金子不断切割，最后得到的可以称为金子的最小实体就是金原子。对其他物质也是一样，那么原子又是由什么构成的呢？在此，加尔法德并没有像一般科普书那样直接讲质子、中子和电子等，而是以量子场的概念来统摄微观世界。

磁铁的吸引力就是一种基本的量子场，称为电磁场。电磁场产生了携带电磁力的虚光子，将磁铁和铁拉在一起。电磁场宛如无处不在的海洋，而电子和光子不过是海上的涟漪。事实上，一切物质都是量子场的海洋所构成的，都是场的一部分。在电磁场中，电子才可能借到能量，进行跃迁或产生量子隧穿效应。而任何两颗电子都是一模一样的，因为它们并不是独立的实体，只是场的表现。

电子的场特性使之不可能在轨道上像微粒一样堆积，而必须进行有秩序的排列，其波状结构不可重叠，这被称为泡利不相容原理。因此物质之间才可能相互排斥，无法相互穿过。也因此才可能在原子间共享电子，形成了更大的分子结构，造成了世间万物。这一切都有赖于电磁场。

但在原子核的中心，起作用的是另一种场。几种夸克由携带强大力量的胶子的相互运动粘合起来，无法分离，形成了质子和中子。在这里存在的是“强相互作用场”。胶子甚至可以在质子和中子之间往来，将它们牢牢束缚住，保证了原子核的稳定存在。电磁场和强相互作用场赋予了世界以坚实的存在，但还有第三种场——“弱相互作用场”的存在，它能够释放一些粒子（W 及 Z 玻色子），让夸克之间发生转化，从而让质子和中子发生转化，令原子核破裂，这也就是放射性衰变的起源。本质上，我们在核弹和核电站中利用的就是这样的力量。

6.暴胀场：空间与时间的源头

加尔法德再次带领我们回到了宇宙空间中。我们看到在看似空旷的真空中，仍然不断有粒子产生和消失。原来，并没有真正的“真空”，真空就是遍布宇宙的量子场，它赋予具体的粒子以能量，让其独立存在，又会将其吞噬。在真空中存在上述提到的三种场以及引力场，这些场在极高的能量作用下可能融合起来。譬如高达一千万亿度的温度可以让电磁场和弱相互作用场融合为一。然而要融合其他的场以构建大统一理论，目前人类还达不到如此高的能量，其中蕴含着创世的秘密——宇宙大爆炸。

在具备这些基本的知识后，我们便跟随加尔法德前往时间的源头，再回到一百三十八亿年前，穿过临界最后散射面后，我们发现被稠密的粒子浓汤所包围，其中蕴含着此后构成宇宙万物的基本材料。再往前追溯，就到达了物质与反物质的碰撞，正是它们的湮灭产生了光子。再继续向前，温度上升到一亿亿度之后，强相互作用场消失了，被禁锢的夸克获得了自由，与它们的反身相互作用，变成了纯粹的能量……

最后，所有的能量都变成了一个场——“暴胀场”，是它让宇宙产生了最初的膨胀。然而再向前，当一切坍缩为一个时空点时，我们的一切知识都已经失效，这场旅行又难以为继了。

似乎一切都走到了尽头，但加尔法德说，要探究宇宙最初的状态，我们还可以从引力与量子理论的结合入手。

7.引力理论 VS 量子理论

引力理论和量子理论各成体系，又难以弥合，老死不相往来，是我们难以探索时空之源的致命缺陷。因为如果引力可以用量子理论处理，微观时空会量子化，变成既是粒子又是波，但这显然是不存在的。为了更清楚地刻画这一点，加尔法德在这里花了一些篇幅讨论量子力学中的不确定性原理，以及其宏观效应“薛定谔的猫”，引出平行宇宙的概念，即每一次量子态叠加的坍塌，都会衍生出不同的宇宙。

随后我们再次回到爱因斯坦的宇宙，飞腾于银河系之上。这时有了一个奇怪的发现：银河系的恒星质量加起来，似乎不足以维持其稳定存在和运动，也就是说，在银河系中还有更多不可见的物质——“暗物质”，在起引力作用，这些暗物质在其他星系也普遍存在。同时宇宙还在加速膨胀，证明在宇宙中普遍潜伏着一种未知的能量——“暗能量”。暗物质与暗能量加起来占宇宙质能总量的 95%，而可见物质还不到 5%。

我们随即驰向黑洞，那里隐藏着和大爆炸之前类似的、物质无限密集的“奇点”，可能有着量子理论与引力理论结合的秘密。在靠近黑洞时，我们不慎进入了无法逃脱的黑洞中，我们落向奇点，被引力的潮汐撕得粉碎……然而忽然间，奇迹发生了，我们逃脱了黑洞的控制，重新回到黑洞视界之外。

这是为什么？因为组成我们的粒子本质上是发散于宇宙之中的波，这种发散并不受视界的控制，我们可能通过量子跃迁逃出黑洞。虽然表述得如同神话，但这却也是霍金所发现的黑洞蒸发现象。虽然天文学上的巨大黑洞蒸发的时间漫长无比，但是微观世界中普朗克长度的黑洞却可以极快蒸发。这也证明了在微观世界中结合引力和量子的理论可能。无论如何，这些探索为研究宇宙创生提供了基础。

8.迈向已知世界之外的第一步

随即发生的暴胀期则让宇宙空间以远远高于光速的速度膨胀开来（这并不违反光速不可超越原理，因为膨胀的是空间本身，而没有任何东西在空间中以超光速运动）。宇宙在各个方向上的微波背景辐射温度几乎一样，就证明了暴胀发生之快，以至于如今不可能再有相互作用的宇宙各区域仍然保留了一开始的某些共同特性。

但另外一方面，宇宙在奇点时期仍然有些量子起伏，这些波动也被暴胀之后的宇宙所冻结了，这体现在微波背景辐射上极其细微的差异——相差大约千分之一度。这些差异导致了物质密集程度的差异，才能够形成各个星系团、星系和恒星。从这个意义上说，宇宙的结构就是量子作用的产物。

暴胀也提示出，暗能量的存在可能就是暴胀场的遗留。并且暴胀可能在宇宙的某些区域还在继续发生。在已有的宇宙中出现一个新的宇宙，然后再出现一个新的宇宙……这种层层嵌套的结构可能无穷无尽，而我们的宇宙也许就被套在另一个宇宙里。

事实上，这种“外宇宙”的可能是我们的宇宙创生前存在的诸多可能之一。因为奇点也处于我们未能观测的量子态叠加中，所以我们的宇宙可能有各种各样的前历史，它们发生在我们宇宙之前的“虚时间”之中，这是霍金所提出的“无边界猜想”。

以上，我们在百亿光年的广漠宇宙中探索宇宙创生前微小的奇点时期的蛛丝马迹，然而另一方面，我们也在物质的最小单元中发现比宇宙更大的结构。当我们再次回到量子世界时，我们接近了最小的普朗克长度。这时发现了神秘的量子弦，原来，量子弦的振动构成了基本粒子。开放的弦是光子，而闭合的弦是引力。所以弦论可能提供了弥合引力和量子理论的一把钥匙。

更神奇的是，量子弦所振动的空间不是三维的，而是十维的，它们不同的振动方式有 10500种可能性，每一种皆对应一个宇宙。不同宇宙间可以通过闭合的引力弦相互作用，我们的宇宙只是更广袤时空中的一张薄膜而已。也许在不同膜的碰撞中，蕴含着宇宙诞生的真正秘密？

我们的探索终于到了终极。恍惚间，我们结束了在膜世界的漫游，又回到了原来的海滩，凝视着星空，发现它们幻化成了牛顿、爱因斯坦、薛定谔、霍金等等许多先哲的面容，正是一代代科学伟人揭示了这个宇宙的一个又一个奥秘，将人类的智慧与毅力写在群星之间。全书末尾的这段描写，或许是书中最动人的段落。

原书信息

书名：《极简宇宙史》

作者：［法］克里斯托弗·加尔法德

译者：童文煦

出版社：上海三联书店

ISBN：9787542654434

解读版作者：新夏

Table of Contents

目录

1.导读

2.一百三十亿光年:一次宇宙之旅

3.理解“外部空间”

4.光速到底有多快

5.跃入量子世界

6.暴胀场：空间与时间的源头

7.引力理论 VS 量子理论

8.迈向已知世界之外的第一步

原书信息