宇宙系列(共16册)/第一推动丛书

作者简介

《时间简史》、《时间简史续编》、《霍金讲演录》、《时空本性》、《果壳里的60年》、《时空的未来》作者：史蒂芬？霍金，他出生于1942年，他的生日恰好是伽利略逝世三百年忌日。他现任剑桥大学卢卡斯数学教授(这一教席曾由艾萨克？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。 《黑洞与时间弯曲》作者：基普？S.索恩,美国加利福尼亚理工学院费曼物理学教授，曾与J.惠勒合著《引力》，1994年获得美国物理学联合会（AIP）科学著作奖。 　　《千亿个太阳》作者：鲁道夫？基彭哈恩，德国天体物理学家，1965-1974年任哥延根大学天文学与天体物理学教授，后任马克斯？普朗克天体物理研究所所长。他的著作还有《等离子体物理基础》、《来自宇宙边缘的光线》。 　　《物理天文学前沿》作者：F.霍伊尔，英国著名天文学家，宇宙稳恒态学说创始人。在有关领域贡献良多（如关于恒星演化过程中的理论的建立）。J.纳里卡（J.Narlikar），印度著名天文学家。 　　《爱因斯坦的未完成交响曲》作者：玛西亚？芭楚莎，她是获得颇负声望的美国物理学会“科学写作奖”的第一位女性。多年来她一直任《发现》杂志的主编，现为《天文学》杂志的一名编委。先前她还写过另外两部书：《星期四的宇宙》和《穿过黑暗的宇宙》。 　　《黑洞战争》作者：伦纳德？萨斯坎德，他是斯坦福大学的菲力克斯-布洛赫教授，美国科学院院士，美国文理科学院院士。著有《宇宙景观》等。 　　《宇宙传记》作者：约翰？格里宾，他是当今著名的科普作家，他所著的畅销书包括《寻找薛定谔的猫》、《星尘》、《科学史》、《深奥的简洁》和《科学家》等。他善于用简单的语言传递复杂的思想。 《宇宙的轮回》作者：罗杰？彭罗斯，牛津大学的Rouse Ball数学讲席终身荣誉教授。他获得过许多奖项，1988年与斯蒂芬？霍金一道因对宇宙学做出的重大贡献获得的沃尔夫物理奖，他的著作有《皇帝新脑》与《通向实在之路》等。 《大宇之形》作者：丘成桐，当代最伟大的数学大师之一，著名科学家，哈佛大学数学系系主任、讲座教授，清华大学数学科学中心主任。他获得了菲尔兹奖、沃尔夫奖、克莱福特奖、美国国家科学奖等大奖，是美、俄、中、意四国科学院院士。 《死亡黑洞》作者：尼尔？德格拉斯？泰森，美国自然历史博物馆海登天文馆馆长，出版了许多有关天文学和天体物理学的书籍，他是2007年美国太空网评出的改变太空业的十大太空工作幻想家之一。美国《自然史》杂志专栏作家。《时代周刊》2007年度百位世界最有影响的人之一。 《大爆炸简史》作者：西蒙？辛格，剑桥大学粒子物理博士学位获得者，前BBC节目制作人，他执导的纪录片《费马大定理》获得英国电影学院奖（BAFTA），同名科普读物成为畅销书。同样畅销的还有《密码本》（The Code Book），这是BBC专题系列《保密的科学》的底本。

内容简介

《大宇之形》摘录 第1章　想象边缘的宇宙（部分） 对数学家而言， 维度指的是一种“自由度”， 也就是在空间中运动的独立程度。 在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动， 只要没有碰到障碍， 它就拥有三个自由度。 但维度是不是就只有那么多？ 望远镜的发明以及随后多年以来的不断改良，帮助我们确认了一项事实：宇宙比我们能看到的还要浩瀚、广大。事实上，目前所能得到的最佳证据显示，宇宙将近四分之三是以一种神秘、看不见的形式存在，称为“暗能量”（dark energy），其余大部分则是“暗物质”（dark matter），再剩下来构成一般物质（包括我们人类在内）的，只占百分之四。而且物如其名，暗能量和暗物质在各方面都是“暗的”：既看不见，也难以测度。 我们所能看见的这一小部分的宇宙，构成了一个半径大约137亿光年的球体。这一球体有时被称为“哈勃体”（Hubble volume），但是没人相信宇宙的整体范围只有如此而已。根据目前所得的最佳数据，宇宙似乎是无穷延伸的——不管我们向哪个方向看去，如果你画一条直线，真的可以从这里一直延伸到永恒。 不过，宇宙仍有可能是弯曲而且有界限的。但即使如此，可能的曲率也会非常微小，以至于根据某些分析显示，宇宙必然至少有上千个哈勃体那么大。 最近发射的普朗克太空望远镜，或许会在几年内揭露宇宙可能比一百万个哈勃体还大，而我们所在的哈勃体只是其中之一而已。我相信天文物理学家的这一说法，也了解有些人可能会对上面引述的数字有不同意见，但无论如何，有个事实是不容辩驳的：我们目前所见到的，不过是冰山一角。 而在另一个极端，显微镜、粒子加速器以及各种显影仪器持续揭露宇宙在微小尺度上的面貌，显现了人类原先无法触及的世界，像细胞、分子、原子，以及更小的物体。如今我们不再对这一切感到惊讶，完全可以期待望远镜会向宇宙的更深处探索。另一方面，显微镜和其他仪器则会把更多不可见之物转为可见，呈现在我们眼前。 最近几十年间，由于理论物理学的发展，再加上一些我有幸参与的几何学进展，带来了一些更令人惊讶的观点：宇宙不仅超出我们所能看见的范围，而且可能还有更多的维度，比我们所熟悉的三个空间维度还要多一些。 当然，这是个令人难以接受的命题。因为关于我们这个世界，假如有件事是我们确知的，假如有件事是从人类开始有知觉时就知道，是从开始探索世界时就晓得的，那就是空间维度的数目。这个数目是三。不是大约等于三，而是恰恰就是三。至少长久以来我们是这样认定的。但也许，只是也许，会不会还有其他维度的空间存在，只不过因为它太小，以至于我们无法察觉呢？而且尽管它很小，却可能扮演非常重要的角色，只是从人们习以为常的三维视野无法体认到这些罢了！ 这个想法虽然令人难以接受，但从过去一个世纪的历史得知，一旦离开日常经验的领域，我们的直觉就不管用了。如果运动速度非常快，狭义相对论告诉我们，时间就会变慢，这可不是凭直觉可以察觉到的。另外，如果我们把一个东西弄得非常非常小，根据量子力学，我们就无法确知它的位置。如果做实验来判定它在甲门或者乙门的后面，我们会发现它既不在这儿也不在那儿，因此它没有绝对的位置，有时它甚至可能同时出现在两个地方！换言之，怪事可能发生，而且必将发生。微小、隐藏的维度可能就是怪事之一。 如果这种想法成真，那么可能会有一种边缘性的宇宙，一处卷折3 在宇宙侧边之外的地域，超出我们的感官知觉，而这会在两方面具有革命意义：单仅是更多维度的存在 ——这已经是科幻小说一百多年来的注册商标 ——这件事本身就够令人惊讶，足以列入物理学史上的最重大发现了。而且这样的发现将会是科学研究的另一起点，而非终点。这就好像站在山丘或高塔上的将军，得益于新增加的垂直向度，而能把战场上的局势看得更清楚。当从更高维的视点观看时，我们的 物理定律也可能变得更明晰，因而也更容易理解。 从苍蝇的世界看维度的意义 我们都很熟悉三个基本方向上的移动：东西、南北、上下（或者也可以说是左右、前后、上下）。不管我们去哪里 ——不论是开车上杂货店或是飞到大溪地 ——我们的运动都是这三个独立方向的某种基本组合。我们对这三个维度太过熟悉，以至于要设想另一个维度，并且指明它确切指向哪里，似乎是不可能的。长久以来，似乎我们所见的即是宇宙的一切。事实上，早在两千多年前，亚里士多德在《论天》（ On the Heavens）中就论称：“可在一个方向上分割的量，称为线；如果可在两个方向上分割的量，称为面；如果可在三个方向上分割的量，则称为体。除此之外，再无其他量。因为维度只有三个。”公元150年时，天文学家、数学家托勒密尝试证明不可能有四个维度，坚持认为不可能画出四条相互垂直的直线。他主张，第四条垂直线“根本无法量度，也无法描述”。然而，与其说他的论点是严格的证明，还不如说是反映了人们没有能力看到并描绘四维空间的事实。 对数学家而言，维度指的是一种“自由度”（degree of freedom），也就是在空间中运动的独立程度。在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动，只要没有碰到障碍，它就拥有三个自由度。现在假设这只苍蝇降落到一个停车场，而被一小块新鲜柏油黏住。当它动弹不得时，这只苍蝇只有零个自由度，实质上被限制在单一点上，亦即身处于一个零维的世界。但这小东西努力不懈，经过一番奋斗后从柏油中挣脱出来，只可惜不幸翅膀受了点伤。不能飞翔之后，它拥有两个自由度，可以在停车场的地面上随意漫步。然后，我们的主角察觉到有掠食者（或许是一只食虫的青蛙），因此逃进一根丢弃在停车场的生锈排气管，苍蝇此时只有一个自由度，暂时陷入这根细长管子的一维，亦即线状的世界。 但维度是不是就只有那么多？一只苍蝇在天上飞，被柏油黏住，在地上爬，逃进一根管子里 ——这是否就囊括了一切可能性？亚里士多德或托勒密应该会回答“是”，对一只没有高度冒险精神的苍蝇而言，或许也确是如此，但是对当代数学家来说，故事并没有就此结束，因为他们通常不认为有什么明显理由只停留在三个维度。我们反而相信，想要真正理解几何学的观念，像是曲率或距离，需要从所有可能的维度，从零维到 n维来理解它（其中 n可以是非常大的数）。如果只停留在三维，我们对这个概念的掌握就不算完整，理由是：比起只在某些特定情境才适用的断言，如果大自然的定律或法则在任何维度的空间中都有效，那么它的理论威力更大，也可能更基本。 甚至即使你所要对付的问题仅限于二维或三维，也可能借由在各种维度中研究该问题而得到有利的线索。再回到我们那只在三维空间里嗡嗡飞的苍蝇，它可以在三个方向移动，亦即具有三个自由度。然而，假设还有另一只苍蝇在同一空间里自由移动；它同样也有三个自由度，整个系统就突然从三维变成六维的系统，具有六个独立的移动方向。随着更多的苍蝇在空间里穿梭，每一只都独立飞行而不与他者相关，那么系统的复杂度及其维度，也随之增加。 窥探更高的维度 研究高维度系统的好处之一是，可以发现一些无法从简单场景里看出的模式。例如在下一章，我们将讨论：在一个被巨大海洋覆盖的球形行星上，洋流不可能在任何点都朝同一个方向流动（例如全部从西流向东）。事实上一定会发生的是：一定存在着某些点，海水是静止不动的。虽然这条规则适用于二维曲面，但我们只有从更高维的系统观察，也就是考虑水分子在曲面上所有可能运动的情况，才能导出这个规则。这是为何我们不断向更高维度推进的原因，希望看看这样能把我们带到什么方向并学习到什么。 很自然的，考虑更高维度的结果之一是更大的复杂度。例如所谓“拓扑学”（Topology）是一门将物体依最广义的形状加以分类的学问。根据拓扑学，一维空间只有两种：直线（或两端无端点的曲线）和圆圈（没有端点的封闭曲线），此外再无其他可能性。你或许会说，线也可以是弯弯曲曲的，或者封闭曲线也可能是长方形的，但这些是几何学的问题，不属于拓扑学的范畴。说到几何学和拓扑学的差别，前者就像拿着放大镜研究地球表面，而后者则像搭上太空船，从外太空观察整个地球。选择何者，要视底下的问题而定：你是坚持要知道所有细节，比方说地表上的每一峰脊、起伏和沟壑，抑或只要大致的全貌（“一个巨大圆球”）便已足够？几何学家所关切的通常是物体精确的形状和曲率，而拓扑学家只在乎整体形貌。就这层意义而言，拓扑学是一门整体性的学问，这和数学的其他领域恰恰形成明显对比，因为后者的进展，通常是借由把复杂的物件分割成较小较简单的部分而达成。 也许你会问：这些和维度的讨论有何关系？如上所述，拓扑学中只有两种基本的一维图形，但直线和歪歪扭扭的线是“相同”的，正圆也和任何你想象得出的“闭圈”，不论是如何弯的，多边形、长方形，乃至于正方形都是相同的。 二维空间同样也只有两种基本形态：不是球面就是甜甜圈面。拓扑学家把任何没有洞的二维曲面都视为球面，这包括常见的几何形体，像立方体、角柱、角锥的表面，甚至形状像西瓜的椭球面。在此，一切的差别就在于甜甜圈有洞，而球面没有洞：无论你怎样把球面扭曲变形（当然不包括在它中间剪洞），都不可能弄出一个甜甜圈来，反之亦然。换句话说，如果不改变物体的拓扑形态，你就无法在它上面产生新的洞或是撕裂它。反过来说，假如一个形体借由挤压或拉扯，但非撕裂（假设它是由玩具黏土做成的），变成另一个形体，拓扑学家就把这两个形体看成是相同的。 只有一个洞的甜甜圈，术语称为“环面”（torus），但是一般甜甜圈可以有任意数目的洞。“紧致”（compact，封闭且范围有限）且“可赋向”（orientable，有内外两面）的二维曲面可以依洞的数目来分类，6/7这个数目称为“亏格”（genus）。外观回异的二维物体，如果亏格相同，在拓扑上被视为是相同的。 先前提到二维形体只有球面与洞数不同的甜甜圈面两大类，这只有在可赋向曲面的情况才成立，本书所讨论的通常都是可赋向曲面。比方说，海滩球有两个面，即里面和外面，轮胎的内胎也有两个面。然而，对于比较复杂的情况，例如单面或“不可赋向”的曲面如 “克莱因瓶”（Klein bottle）和“莫比乌斯带”（Mbius strip），上述说法并不成立。 仰望星空，惊叹宇宙的浩瀚！ 然而，它行走了一百三十多亿年，谁来为它谱写一部宇宙传记？ 如果宇宙诞生自大爆炸，那么它的最终命运又是什么。 爱因斯坦为我们揭开时空本性，霍伊尔谱写了物理天文学前沿。 从宇宙大爆炸开始，到恒星和星系的形成，再到早期生命的诞生，还包括可能发生的大收缩或大撕裂。 千亿个太阳在百亿年的时间中不断的出生、成长、爆发和凋零，那是一种远比我们所能理解与想象的极限还要广大无数倍的生命。 疯狂的宇宙之中，巨大的黑洞隐藏着什么，我们对黑洞的认识并非是“黑洞”，同之前那场著名的辩论一样，霍金和彭罗斯，如同爱因斯坦与玻尔，在这里为时空的本性而激辩。这一论战关系到我们对整个宇宙的认识！ 《时间简史》之外，史蒂芬？霍金还有更多值得阅读的作品，他机智而清晰地阐释宇宙物理的奥秘……尽管他那么无助地坐在轮椅上，他的思想却出色地遨游到广袤的时空。 当代科学巨匠丘成桐，让我们见识到位于宇宙中心的深层次的几何。 还有，宇宙的未来前景、弯曲的时空观念、量子引力的设想，引力波物理学的美妙故事…… 罗杰？彭罗斯，基普？S .索恩，伦纳德？萨斯坎德等科学巨匠，为我们打开历史的画卷，描绘宇宙学的奇迹和激动人心的发现，让我们了解宇宙的最奇异的特征。 《自然》《时代周刊》《纽约时报》《新科学家》等媒体推荐，被认为是解读宇宙学、天体物理和宇宙生物学的优美、简明之作。 2018年新版的《第一推动丛书》全新设计了版式、封面，提升了阅读体验，让读科普不再艰难。 随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。