从车上人看，小球两次落在同一处，是静止的；但从车外来看，小球第二次落地已经向前走了十多米。——结果因为参照系选取不同，你无法确定一个物体是不是在运动。但从麦克斯韦电磁学开始，人们发现了并证实了光速有限，这意味着光速不需要依赖于某种特别参照。于是物理学家们，假想了一种叫「以太」的物质充斥宇宙，作为运动的绝对参照。甚至，在面对20世纪物理学第一朵乌云：迈克尔逊-莫雷实验结果与以太飘移矛盾时，洛伦兹最先给出了两个不同参照系间的运动方程——洛伦兹变换，以保全以太的存在。

爱因斯坦觉得这并不美。他意识到人们保留以太仅今是因为心中根深蒂固的绝对时空观念：永恒不变的空间里，时间错落有致、均匀流逝着。他三下五除二，仅保留两个基本假设：

就漂亮地推导出了所有物理结果。这是观念和美感的伟大胜利。从狭义相对论出发，可以得出以下有趣结论：

在狭义相对论世界中，物体运动状态是由四维时空确定的，以物体为中心的事件，在时空中像水的涟漪一样散开。传递事件信息的光在四维时空里形成了一前一后两个圆锥——光锥。由于光速是宇宙速度极限，所以一个物体所有可能性都在光锥里了：光锥外的任何存在都不能影响这个事物。

但爱因斯坦还不满足。因为即便在狭义相对论中，两个物体之间只要距离改变，彼此间的引力就会立刻改变。这让引力效应可以超越光速。他又通过广义相对论进行了更深刻的革新，让原本被动的「物质」也嗨了起来：

时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲。

时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲。

在广义相对论里，物体本身的质量，会影响周围时空曲率，而时空结构本身反过来影响物体运动状态。经典物理中，物体状态改变，是因为受到了外力作用，譬如重力。但爱因斯坦认为，重力-引力就等价于时空弯曲，引力场产生加速度，让物体运动改变，和受外力作用一样。

这个自信「必然正确」的结果，果然被水星近日反常、日食恒星光线偏折等实验证实。于是牛顿物理学只能屈居在后，成为相对论在低速、弱引力场下的近似了。

广义相对论还能做出了许多惊人的结论和预测，其中最让我们关心的就是宇宙的命运。

3. 宇宙的起源与命运

开始已提到，即便广义相对论已经能推导出动态宇宙，先锋如爱因斯坦，也觉得这太不稳而给加了一个常数，面对哈勃观测结果，才终于承认错误。

又一个观测结果来助阵：宇宙背景微波辐射的发现。这种宇宙背景的「底噪」没有任何方向性：不论在什么地方、往哪个方向，宇宙看起来都是一样的。此外还有一个氦丰度一致的证据。人类终于开始意识到：宇宙不是静态的，它像我们一样，有自己的起源和归宿。

与静态宇宙观相对的，被称为「大爆炸宇宙」学说。这意味着宇宙在时间上有一个开端。物理学家弗里德曼对此进行了探讨，他推测了三类宇宙结局：

到底哪种将是我们宇宙的结局？霍金和好搭档彭罗斯，一起通过研究爱因斯坦场方程得到了重大进展：

宇宙是始于一个奇点，并终于一个奇点吗？现在能已给出回答。1998年，物理学家从观测超新星得到的数据得出，我们的宇宙在加速膨胀（并导致暗能量的发现）。这说明我们宇宙是起源于奇点，并暗示了很可能走向第三种结局：大撕裂。

但我们要清楚，目前所得到的结论，都是通过理论——爱因斯坦相对论得到的结果。在研究宇宙的过程中，相对论是重要、但不是唯一的工具。另一个相当重要的工具是量子论。将二者结合是所有物理学家的终极理论之梦。

空间

空间里有什么？有我们的宇宙，基本粒子和几种基本力，当然，还有神秘的黑洞

空间里有什么？有我们的宇宙，基本粒子和几种基本力，当然，还有神秘的黑洞

相对论彻底革新了我们的时空观。但如果要问：物质是什么？由什么构成？目前回答最好的是量子论。

对物质的的基本构成，中国有阴阳五行，有「一尺之棰，日取其半，万世不竭」，古希腊则有四元素说，有「芝诺悖论」。这些古代先贤们都陷入了这样的困境：觉得物质应该有一种基本构成，但又觉得在逻辑上总可以无限可分。这个问题就一直悬着。

物质研究的深入，还是从牛顿开始。他通过三棱镜发现了光的色散，认为光也是一种物质粒子。然而随着惠更斯的波动力学和麦克斯韦的电磁现象进展，波动派渐渐占了上风，光被认定是一种电磁波。故事到此结束了吗？

20世纪初，物理学天空升起来另一朵乌云：黑体辐射异常。理论和实验结果严重不符，物理学大厦岌岌可危。此时物理学家普朗克，破天荒地提出：辐射的能量不是连续的，而是离散的数值，从而化解了矛盾。在这个影响深远的思想下：

一举解决了古代哲人们的千年玄思，奠定了量子力学的基础。

伟大的爱因斯坦继往开来，借此发现，光电效应下，光的表现和粒子毫无二致，因此认定：光既是粒子，又是波——即波粒二象性。最后德布罗意宣布：一切粒子，包括质子、电子、中子……都既是粒子也是波，它们，都是物质波。

物质波怎么个理解法？它是一种概率波。薛定谔和海森堡先后证明，作为物质的粒子，都服从波函数的分布（薛定谔方程）。一个粒子，在微观上，它没有固定的位置和速度。它可能一会儿远在天边，一会儿近在眼前。只有你观测后——它才安定下来。更奇妙是，你测量位置越准，速度就越测不准（测不准原理）。

离散性、二象性、测不准……量子世界玄妙无比，却又无比真实。简单来说，如果没有量子原理存在，一个原子的正常结构都不能维持，电子会失去能量并以螺旋线的轨道落向并最终撞击到原子核去（波尔模型）。

更进一步，就像相对论对引力的描述一样，量子力学为统一宇宙基本作用力提供了至关重要的基础。

5. 基本粒子与基本力

既然物质并非无限可分，那可以分到什么程度？这些粒子之间又有什么性质和关系？量子力学仿佛撒了一张弥天大网。

字宙间所有已知的粒子可以分成两组：

玻色子们也被霍金成为「虚粒子」，它们很难被探测到，作用距离非常受限，只有在被「实粒子」即费米子携带进行交换，产生相互作用时才放射出来。但我们清楚的是：每一种作用力，都对应一种玻色子。

至此，关终极理论至关重要的问题来来了：引力也是一种作用力，它也对应一种粒子吗？所有这些作用力之间是否可以统一？

下面就是爱因斯坦终生在追求的目标：

在量子理论下，引力对应一种尚未发现的粒子。而如果存在大统一理论，那么根据相对论对宇宙起源于奇点的推测，必定是在非常高能情况下——即类似宇宙大爆炸之初才能统一。但物理学家们直到现在也没完成。

这些微观尺度粒子和力似乎总是难一探究竟。而引力则始终发挥作用，在宏观上决定着宇宙演化，并产生了一种极为特殊的星体——黑洞。

6. 黑洞

黑洞并非一个黑漆漆的洞，它的形成，是恒星死亡时，引力和斥力对抗的结果。

恒星的形成，是在宇宙暴涨一定时期后，大量宇宙物质引力吸引，向自身坍缩而成。此后发生剧烈的热核反应，压力升高，停止收缩，在一定时期内维持平衡。但最终会耗尽核燃料——但别担心，我们太阳还有50亿年够烧。

恒星的结局，取决于昌德拉塞卡极限，这个数值大约是1.5倍太阳质量，大于这个数值的恒星将不能维持本身以抵抗自己的引力。

黑洞的表面的引力场是如此之强，以至于在一定区域内，连宇宙最快的光都无法逃出去，那些刚好不能从黑洞逃逸的光线组成的黑洞的事件视界。在事件视界内，因为没有光，也就无法被观测者观测到。这就是黑洞「黑」的由来。

天文学家根据引力计算推测，在宇宙中含有大量黑洞，甚至我们银河系的中心就有一个巨大黑洞。黑洞有很多有趣的性质，比如「黑洞无毛定理」，一旦生为黑洞，大小和形状，只决定于质量和旋转速度，和生前形状和带有的信息毫无关系。

然而——那些被黑洞吞噬的光和物质就消失了吗？如果两个黑洞碰到一起怎么办？霍金经过研究发现：

黑洞的事件视界的面积总会增大，每当物质或辐射落到黑洞中去，这面积就会增大；或者如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞，这最后的黑洞的事件视界面积就会大于或等于原先黑洞事件视界面积的总和。

黑洞的事件视界的面积总会增大，每当物质或辐射落到黑洞中去，这面积就会增大；或者如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞，这最后的黑洞的事件视界面积就会大于或等于原先黑洞事件视界面积的总和。

黑洞这种「只增不减」。很像一种叫做熵的物理量的行为。熵是一种测量系统无序程度的量，热力学第二定律，即熵增原理说：如果不进行外部千涉，事物总是倾向于增加它的无序度。例如，如果你收拾屋子，屋子虽然虽然整洁了，但会消耗你更多的能量。

—— 那么问题来了，把一个携带大量熵的物体扔到黑洞中会发生什么？热力学定律会被违反吗？不会。霍金经过研究认为，事件视界的面积就是黑洞熵的量度。携带熵的物质落到黑洞中时，它的事件视界的面积会增加，最后总面积大于原来物质的熵和视界面积之和，于是符合熵增原理。

但如果一个黑洞具有熵，那它也应该有温度。而具有特定温度的物体必须以一定的速率发出辐射。霍金认考虑了一对本来可以正负湮灭的粒子，但不幸有一只被黑洞吞噬的情况，根据能量守恒，那只逃逸的正粒子，相对观察者就好像从黑洞逃逸出一样。我们知道，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，黑洞怎么可能发射粒子呢？霍金根据量子量子理论认为：，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的「空虚的」空间来的！量子论再一次化腐朽为神奇。

这一结论被称为霍金辐射。它给黑洞的负面印象进行了正名：黑洞不是那么黑的，在它吞噬物质质量后，信息永远丢失，但会以等效的能量辐射回宇宙去，形成被「再循环」利用的某种永生。

黑洞一直令宇宙学家们无比着迷。在宇宙初期就有很多大黑洞，被称为太初黑洞。当然也有随后形成的小黑洞。黑洞质量越小，其温度就越高。这样，随着黑洞损失质量，它的温度和发射率增加。如果把一座山差不多的质量压缩成比万亿分之一英寸，它会比一个原子核的尺度还小，然而发动功率却远超10个大型发电站。人类如果能利用好黑洞，简直丰衣足食。

但黑洞不仅可能让未来人类吃好喝好，还可能送人们去远方、甚至过去与未来旅行。这就要谈到时间了。

时间

时间本质是什么？我们能进行时间旅行吗？

时间本质是什么？我们能进行时间旅行吗？

在大爆炸模型中，宇宙的起源是一个奇点，也就是时间开端。那么在这「之前」有没有时间？

为了统一相对论和量子力学，物理学家引入了虚时间的概念，这是一个既有方向又有大小的矢量，你可以向前或向后走。在虚时间里不存在奇点或边界，也就无所谓开端。这种「无边界条件」构建的宇宙模型，甚至可以不需要宇宙有上帝的第一推动。这样来看，我们能感知的「实时间」才仅仅是我们头脑和模型中的产物。

那么，问题依然能没有解决。我们为什么能际感知到的「实时间」流动呢？这是怎么回事？要知道，我们宇宙大多数物理定律并不区分过去和未来。这被称为 CPT 联合作用（或对称）不变：

也就说，一个粒子向前运动，并没有什么阻止它向后。而我们所处的宏观世界，很显然能感到有一个时间方向。霍金在《时间简史》进行了分析，并区分了三种时间箭头：

时间旅行一直是人类的梦想。然而根据相对论，当一个物体接近光速时，质量会变得无穷大，从而永远无法突破光速的壁垒回到过去。这种方法只能让自己的时钟变慢，譬如一个宇航员可以以接近光速到遥远的星系去再回到地球，相当于来到了地球的「未来」。

那有没有什么办法让我们真正回到过去呢？有以下几种较为靠谱：

如果有一天，人类真的进行了时间穿越，那会发生什么？历史会改变吗？答案是不会。有两种方法可以消除时间旅行导致的佯谬：

终极理论

终极理论是什么样子？我们能得到吗？

终极理论是什么样子？我们能得到吗？

如果要得到物理学的终极理论，首先要做到的就是统一相对论和量子力学，将不确原理结合到广义相对论中去，这需要调整引力强度和宇宙常数的数值。进行这种尝试的包括「超引力」理论：

一种携带引力的自旋为2称为引力子的粒子和某些其他具有自旋为 3/2、1、1/2 和 0 的新粒子结合在一起。在某种意义上，所有这些粒子可认为是同「超粒子」的不同侧面

一种携带引力的自旋为2称为引力子的粒子和某些其他具有自旋为 3/2、1、1/2 和 0 的新粒子结合在一起。在某种意义上，所有这些粒子可认为是同「超粒子」的不同侧面

但现在物理学们，最喜欢，也觉得最像的一个是弦理论。

在弦理论中，组成宇宙的最基本单位不再是占空间单独的粒子，而是只有长度没有其他维，像是一根无限细线的弦。

这些弦可以是有端点的开弦，也可以是自身首尾相接成闭合的圈子即闭弦。弦和粒子的区别在于：

两根弦可以连接在一起，形成一根单独的弦，这类似于粒子之间的相互作用。如果把所有基本粒子都当做弦来处理，就可能找到一种协调的量子理论，它可以解释所有四种基本力。虽然在弦理论中，也会导致无限大，但更容易消除，最大的麻烦还在于它导致非常高维度的时空出现：十维甚至二十六维。这些可能的「额外维」也提供了一种时空旅行的思路。然而额外维是一种很小蜷缩维，恐怕很难通过我们宏观世界那么大的宇宙飞船。

弦理论后续在理论物理不断进展，最新研究成果是 M 理论，然而这些研究因为过于数学化，很难被实验验证，因此曾引起很大争议，甚至激起过弦理论是不是科学、究竟何为科学标准的大论战。此外，另一个被寄希望于终极理论候选的是「圈量子理论」，霍金在《时间简史》没有提到，这是后话了。

小结

我们能看到，在终极理论之梦的追寻过程中，驱动物理学家们探索的始终是一种智性满足和对秩序美感的追求，而非出于实用的目的。这也是科学探索最能感动我们的地方：当我们抬头穿过漫漫黑暗，仰望最遥远的星空，看清自己的位置时，眼睛和星星之间闪烁的光，那就是我们心之所向。■

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