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《时间简史》应该是中国乃至世界的读者都熟悉的一本书，可能你没读过，但你一定听过。简单说算是一本物理学的科普书，包括后来《果壳中的宇宙》一书，在我看来与《时间简史》大同小异（也可能是我水平太低看不出区别）。这两本书将大家耳熟能详的相对论、量子物理等理论以通俗易懂的方式进行了解释，可谓经典，哪怕其中涉及前沿物理的理论让人费煞头脑，难以理解，但并不妨碍它们作为 的科普读物存在。

但我个人更倾向于霍金教授与加州理工的物理学家莱纳德?蒙洛迪诺（LeonardMlodinow）合著的这本《大设计（TheGrandDesign）》。

前沿物理学的目标，乃至人类哲学的 追问，都逃不开创世这个话题。现代物理学表明，我们生存的这个宇宙奇妙无比，倘若我们所知的许多宇宙常数发生微小的偏移，就会导致如今我们看到的宇宙变成截然不同的样子，这一切似乎暗示着有一只无形的手掌控着宇宙，是“他”设计并创造了这一切。而这，正是这本书名字的由来。

我倾向《大设计》的理由也非常简单，这本书有着《时间简史》和《果壳》没有的特点——去理论化。《大设计》并不着重介绍理论来帮助人们理解。对于 物理学理论，即便只是去理解（而不是了解）它，对如我这样的大多数人来说可能都是很困难的。

所以如果有没读过这三本书的朋友，我建议在《时间简史》和《果壳》之前，先阅读《大设计》。

《大设计》更加概念化，浅显的哲学思想和科学思想交织其中，但并不说教，也不枯燥和单调，而是从科学史、思想史的发展历程，简明扼要的拉出一条线，指向 追问。尽管很遗憾，到 也没有一个答案（事实上任何一个物理学家或其他人也都给不出答案），但大多数人相信，我们的科学正朝着最终的答案靠近，相信在未来某一天，人类能够洞悉一切规律，彻底揭开宇宙的奥秘。

不喜阅读可直接向下刷图。

来自自然定律的 追问

从远古开始，人类就对自然充满了好奇与敬畏。

因为好奇，先民开始解释自然，因为敬畏，又将一切难以解释或不可描述的现象归结为神灵。所以全世界到处都流传着各种神话传说，这些神话几乎都与自然有关，日月星辰、天地山川、草木虫鱼，几乎无所不包。甚至其中一些神话的细节与自然事实的特征无比吻合，仅仅是披上了神格化或人格化的外衣。

神和神话的产生，催生了神秘主义、宗教和神权。

而这一切，在公元前几个世纪渐渐发生了改变，以古希腊学者为代表的的一系列古典科学思想开始萌芽，这其中一连串闪耀着光辉的名字，直到今天也依然为我们所熟知。

泰勒斯，古希腊学者，爱奥尼亚学派的创始人，不仅成功预言了日食的发生，还测算出一年的日期为天，并提出了“宇宙由自然定律制约”的观点。

毕达哥拉斯，古希腊学者，发现了乐器的弦长与音高的关系，开始用数学来表述自然定律。

阿那克西曼德，爱奥尼亚学者，根据人类幼年缺乏独立生活的能力，提出了人类是从其他生物进化而来的观点。

恩培多克勒，观察西西里岛居民使用的汲水工具——漏壶——发现了空气的存在。

德谟克利特，通过无限切割的假想提出最早的原子论，甚至提出了惯性定律。

阿里斯塔克，根据月食的阴影面积计算出太阳远远大于地球，提出了日心说。

阿基米德，发现了杠杆原理、浮力原理、反射原理。

其中爱奥尼亚的学者提出了一个至为重要的观点：自然现象可被解释并归纳为简单的原理。这与现代的唯物思想已经无比接近。遗憾的是在后来的历史中，希腊文明逐渐衰败，人类在文明的道路上兜兜转转一千多年，才重新回到了正轨。

开普勒是 个使用“自然定律”一词的人，尽管局限于他的时代，他认为行星的运动是源自于行星的主观思想（开普勒认为行星有自己的意识），但后来者逐渐完善了关于自然定律的概念。

伽利略认为观测是科学的基础——亚里士多德则否认科学与观察的关联，这或许是他被现在学生广泛吐槽的根本原因——以及物理现象之间存在定量关系。补上 一块拼图的是笛卡尔，他提出了原始版的牛顿三定律，并提出事物始终遵循这些定律，同时他强调了“初始条件”的重要性。例如在很多物理题中都会明确给出物体的初始运动状态——无论运动或静止，若果没有这个条件，后续的计算将无法进行。

当自然定律被人们所了解并接受，三个新问题出现了。

首先，是否存在一族（一整套）理论可以解释一切现象？截止到目前为止，人类仅有一个叫做M理论的理论可以成为这个问题的候选答案，虽然是 候选，但也仅仅是候选。

其次，是否存在例外（即不遵循自然定律的现象）？法国科学家拉普拉斯侯爵提出的科学决定论否定了神迹或者上帝对自然定律的干涉，也同样否认了例外的存在。虽然说如人类等智慧生物的自由意志似乎就是例外，但现代研究已经表明人类的自由意志只是有迹可循但又更加复杂的化学和生理学变化，但在目前的技术条件下难以对其进行描述。于是人们发展出称为有效理论的概念，忽视无关或极其细节的内容，用几个简单的关键量来描述现象。比如地球和太阳的运动，只需要简单的数学方程即可描述，不需要考虑地球上所有人是如何生活的。

第三，这些定律的起源从何而来？这是物理学的 追问，也是哲学的 追问，或许更是全人类的 追问。伟大如伽利略、开普勒、牛顿、笛卡尔等人都相信这一切源自上帝。而现代物理学的最终目的就是回答这个问题。

虚幻与实在

意大利一座城市的议会曾有过一个提案：禁止把金鱼养在弯曲的鱼缸里。理由之一是弯曲的鱼缸会导致金鱼看到的世界发生扭曲而变得不真实。尽管这听上去有点可笑，但它确实提出了一个很哲学的问题，什么是实在，什么又是虚幻。

生活在弯曲鱼缸里的金鱼所看到的世界是扭曲的，那谁又能保证我们看到的世界是真实的呢？也许我们也是生活在一个巨大的虚拟的世界，就像电脑游戏或动画里的人物，他们也以为他们的世界是真实存在的。电影《黑客帝国》讲述的也是类似的故事。

关于虚幻与实在的争论从古至今从未停止过，由此也衍生出了唯心和唯物两大哲学流派。而科学则是建设了一个拗口的概念叫做“依赖模型的实在论”来解决这个问题。

在这个概念中，讨论事物的真实性是没有意义的，所有的模型（科学中用于描述某种自然现象的假设称为“模型”）都依赖于观测并要求与观测结果相符。这就回避了实在与虚幻的争论，只要模型所预言的现象与观测结果相符，我们就可以认为这个模型（暂时）是“正确的”。

比如科学家所建立的地球围绕太阳公转轨道的数学模型，可以精确的预言在某个时刻地球与太阳的位置关系，那么无论地球和太阳是真实存在的还是我们所有人共同的想象，就都不重要了。

同样，托勒密的地心说和哥白尼的日心说，只是表述地球、太阳和宇宙关系的不同模型，如果我们说托勒密错了，其实是一种误解，地心说（将宇宙看作一个坐标系，而地球是原点）同样可以解决我们面临的天文学问题，但人们最终舍弃了它而选择日心说（同样将宇宙看作一个坐标系，而太阳是原点），因为后者描述宇宙的方式可以极大的简化科学家的工作。

从这个角度讲，两者并不存在对错之分，区别只是日心说更好用而已。所以科学家给一个“好模型”人为设定了几条原则。

，要优雅，或者说是要简单直白（很难想象一个修修补补像乞丐一样的模型被称为优雅），比如E=mc2，简单的方程解释了质量和能量的关系；第二，模型中可调节（或随意改变）的因素越少越好；第三，必须与过去的观测结果保持一致并能解释这些结果； ，可以根据这个模型预言未来的现象（如果预言不成立则该模型被证伪）。

依照这几个原则，一个模型被建立以后，通过观测对其进行检验，当发现观测与模型不符以后，开始对模型进行修修补补，修补到一定程度则抛弃这个模型，开始尝试建立新模型。典型的例子是膨胀宇宙模型的诞生，早期的静态宇宙模型被大多数科学家包括爱因斯坦所接受，但后来哈勃红移的发现暗示了宇宙正在不断膨胀，于是科学家们开始尝试用各种方式解释这一现象用于维持静态宇宙模型，但它最终依旧被抛弃了，所以众所周知，我们的宇宙是在不断膨胀的。也许今后的一些发现又会改变这一认知。

光的波粒二象性同样如此，只不过旧有的粒子论并没有被抛弃，而是和波动论在不同的情况下使用。

量子物理的诞生

若干世纪以来，牛顿的经典物理体系一直被封为圭臬，人们甚至相信我们已经接近了宇宙奥秘的终点。但后来随着对微观粒子研究的深入，科学家们发现在原子和亚原子尺度下，粒子的运动规律和牛顿所描述的截然不同。这意味着牛顿的物理模型不适用于微观粒子，人们需要一种新的模型来描述微观世界，于是量子物理应运而生。

量子一词对我们普通人来说要陌生许多，一个物理量如果由不可分割的基本单位构成，那这个基本单位就称为量子。或者简单说，量子是一类微观粒子的统称。

量子物理近些年来伴随一些科普和科幻读物为人们所知，最让人惊奇且难以理解的是它所呈现的科学图像与我们所知的一切（无论是知识、规律、感觉、经验或其他一切）都不一样。即使有“薛定谔的猫”这样的例子，也让人很难想象量子世界到底是怎么回事。

其实量子物理的诞生和发展历程比我们想的要早。从19世纪初托马斯?杨证明光的波动性，到年贝尔贝尔实验室的物理学家们进行的电子双缝干涉实验，这一系列的过程都为量子物理的诞生做好了铺垫。

其中一个实验是年在奥地利进行的巴基球（一种由碳原子构成的足球状分子）实验，实验的结果与经典物理的结论大相径庭。试想一下，你和一块大木板之间有一堵墙，墙上有两个洞，现在堵上一个洞，然后开始扔飞镖到对面的木板上，过一会打开另一个洞继续扔飞镖，按照我们的经验，最终对面木板上的飞镖数量和分布情况应该是分别穿过两个洞的飞镖所得结果的叠加。但巴基球实验的结果不是。

如果这个例子不好理解的话，另一个实验就更加直白的说明了问题。这个实验中科学家以一定的时间间隔发射单个光子穿过双缝屏障，然后在后面的屏幕上记录光子撞击的结果。如果说干涉现象是两个波相互叠加或抵消的结果的话，那这个实验的结果会让所有人跌破眼镜，这个单光子双缝实验的最终结果同样形成了干涉条纹。也就是说，即使只有一个光子，它也会和自己发生干涉。

这个经典理论完全无法解释甚至无法理解的现象，是量子物理中一个重要的思想——微观粒子的运动同时遵循所有可能的路径。

也就是说，双缝为光子提供了至少两条可能的路径，那么这个光子会同时穿过这两条缝（甚至会从屏障侧面绕过去，或从一条缝穿过又从另一条缝穿回，总之遵循它可以走的每一条路），从而使自身发生干涉。这是比分身术还要神奇的地方，也是最让人难以想象的地方。

加州理工大学物理学家、诺贝尔奖得主费恩曼教授根据这个特征提出了一种叫做历史路径求和的方法，将量子的运动转化成了数学问题，尽管依旧很难，但至少让人们看到了解决问题的可能性。

量子物理的另一个重要思想来自于年威纳?海森堡的不确定性原则，有时也被称为“海森堡测不准原理”，这个原理表述了微观粒子的速度和位置不可能被同时精确测量，速度的准确性越高则位置的准确性越低，反之亦然。并且海森堡给出了一个计算公式：一个粒子位置的不确定性乘以它动量（质再乘以速度）的不确定性，其结果不大于普朗克常量（约6.6/）。

另一个在我们的经验中难以理解的现象是，微观粒子的运动会因为观察者的出现而被迫发生改变。在单光子双缝干涉的实验中，科学家们发现，关灯后进行实验，最终在屏幕上出现了干涉图像，而如果照亮其中一条缝再进行实验，最终则不会出现干涉图像。这就是“薛定谔的猫”想解释的现象。

这一现象颠覆了我们对“过去”这一概念的认知，因为我们都认为过去是确定的，是 的，但微观粒子“遵循所有可能的路径”和“基于观察者而被迫改变观测结果”这两个特性，让科学家意识到，“过去”可能有无数种可能性，而我们现在的观察，迫使其中的一种历史产生。这一概念被称为可择历史。

量子物理由于其特性，在表达上不同于经典科学 、确定的结论，它更多的体现出一种随机性和概率性，爱因斯坦很难接受这样的事实，所以才有了“上帝不掷色子”这一名言。

尽管量子物理在我们看来，甚至在很多科学家看来是如此的难以理解，但事实是，它经历了所有的检验，到现在为止，根据量子物理作出的预言从未失败过。

虽然日常生活学习中我们会把物理学划分为声、光、电磁、力等小门类，或以经典物理和量子物理来进行划分，但实际上物理学研究的对象，是宇宙中存在的4种力——引力、电磁力、弱核力以及强核力。

引力由年牛顿率先提出，现在，即使是小学生也能对引力说出个一 来。

电磁力是我们生活中接触和利用得最多的一种，它的发现要波折许多，18世纪中期奥斯特率先发现了电流引起的磁场变化；后来法拉第反其道而行之发现了磁场也可以引起电流，从而发现电磁感应现象，并提出了力场的概念；再后来麦克斯韦则提出了光本身就是一种电磁波，于是光电效应和电磁场方程诞生。

第三种是弱核力，存在于微观尺度上，和我们日常生活几乎毫无关联。弱核力是放射性发生的原因，也对早期宇宙中元素的形成产生了影响。

是强核力，也叫强（相）互作用力，同样存在于微观尺度上，与我们无关。强核力将质子和中子束缚在一起构成原子核，夸克也是由强核力束缚在一起形成了质子和中子。

现在我们都知道宇宙中速度最快的是光，真空光速接近30万公里每秒，1秒差不多可以绕地球7圈半。但是稍懂物理知识的人都知道，速度需要在有参照物的情况下考虑才有价值，对于马路边上的人来说汽车速度是60公里每小时，而对于车上的人来说他们和车是相对静止的。

那么光速的参照物是什么，最初科学家们把“以太”（一种假象的介质，其名称来源于古希腊）定为光速的参照物。但反复的实验让科学家们发现，在任何参照系中测量得到的光速始终恒定不变，简单说，坐在一架高速飞机上和光平行向前飞，然后测量光速，其结果和站在地上不动测量得到的光速完全相等。

这一事实最终由爱因斯坦揭示了其中的奥秘，光速恒定意味着时间是相对的，当物体高速运动时，时间的流逝速度会变慢，如果一个人以光速旅行，那么对于他来说，时间是静止的。这就是狭义相对论。但这一理论与牛顿的引力理论之间存在冲突，于是后来爱因斯坦修改了他的理论，提出了广义相对论。

在广义相对论中，时间和空间是一体的，一维的时间和三维的空间共同组成了四维时空。而引力的产生则是由于大质量天体造成的时空扭曲。和量子物理一样，广义相对论经过了全部的检验，它所预言的现象全部得以证实，包括时空曲率、引力波、黑洞效应等等。

但上述这些都是在宏观世界，或者说经典物理学领域的成就，这些理论一旦放到微观世界就全部失效，所以科学家们开始建设对应的量子物理理论，也叫量子场论。

建设成功的是电磁力的量子场论，称为量子电动力学（QED），在这个理论中把微观粒子描述为两种，物质粒子（费米子）和传递力的粒子（玻色子），根据费恩曼的历史求和的原理，可以用数学方法来表达这一理论。

随后，科学家们把电磁力和弱核力统一在一个理论之下，叫做量子色动力学（QCD），虽然后来做过将强核力也纳入到一个理论体系之下的努力，但建立的称为大统一理论（GUT）的理论最终被淘汰，因为观测到的实验结果并不支持这个理论。

而最难被纳入的一块拼图是引力，但最终科学家们还是成功建立了称为量子引力论的理论，虽然未经证明，而这种被称为“超级理论”的量子版引力论，来源于另一个 的物理学理论——弦论。

弦论认为微观粒子是以弦和弦的波动的形式存在的，而在这个理论之下又有几种不同的分支，但所有这些理论，包括引力的“超级理论”，都属于一个名叫M理论的大统一理论之下。

在M理论中，宇宙是十一维时空，其中1个维度属于时间，10个维度属于空间，而这10个空间维中又有7个蜷缩在微观世界，只有3个展开为宏观世界。由于这些维度以不同的形式蜷缩或展开，所以科学家们依据M理论预言，可以存在种不同的宇宙，这些宇宙可以拥有完全不同的规律和法则。

于是回到了最初的问题。宇宙从何而来？如果宇宙存在种不同的可能，为什么偏偏是在我们这个宇宙。

15世纪的爱尔兰大主教厄谢尔根据圣经的记载，精确的推算出上帝创世的时间是公元前年10月27日上午9点。非基督徒可能会对这个精确的时间嗤之以鼻，目前人类持有的科学证据都表明宇宙大约有亿年的历史，而地球也有46亿年的历史。

关于宇宙年龄的推论来自20世纪天文学的两个重要发现。 个是哈勃红移，第二个是宇宙微波背景辐射。

年哈勃发现几乎所有恒星的光谱都在朝红色方向移动（红色波长较长），说明几乎所有的恒星都在离我们远去，最终科学家们提出了膨胀宇宙模型。但如果宇宙在膨胀的话，那过去必定存在一个时间，在那个时间上宇宙紧密的挤在一起，质量和密度无限大，这个点被称为奇点，在奇点之前，所有的已知物理理论全部失效，因为在那之间没有时间（不是静止，而是没有）和空间的概念。随后，奇点发生了爆炸，并在极短的时间里迅速膨胀，而氢原子也开始碰撞聚集成氦和锂。这一理论即是我们所熟知的宇宙大爆炸。

大爆炸理论诞生之初存在许多争议，但年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊发现的宇宙微波背景辐射（CMB）为争议画上了句号，宇宙微波背景辐射正是宇宙大爆炸留下的余烬，其温度只有大约3开尔文（ 温度）。

现在，大爆炸理论已经被广泛接受。虽然我们还不知道大爆炸之前存在或发生了什么，但至少我们知道这个宇宙是如何诞生的。

众所周知，生命的产生与液态水的存在息息相关，而液态水的存在则受到了行星公转轨道的偏心率（轨道的椭圆程度）、行星与恒星的距离、恒星的大小和数量等因素的影响。随着恒星的直径不断增大，行星需要距离恒星越远，但能产生液态水的范围也随之增大，这个范围称为金凤花带。地球就恰好处于太阳系的金凤花带，并拥有一个非常接近正圆的公转轨道。

所以我们可以理解为，为什么只有地球上产生了生命，因为只有地球的环境适合产生生命。这一原则被称为人择原理。如果仅仅用来解释我们生活的地球或太阳系，这个原理前面往往被加上一个弱字，叫弱人择原理。

但显然科学家们的思想并不仅止于此，他们还试图用强人择原理来解释为什么我们产生在这个宇宙而不是其他宇宙。

地球上的生物都是以碳元素为基础的碳基生物，而碳元素的产生不会发生在宇宙诞生初期，而是在后来的恒星中产生，这就要求宇宙的演化历程必须要符合一定规律，否则可能难以产生能支持生命出现的元素。

而这个宇宙的各种自然规律或宇宙常数对我们也无比友好，如一开始所说，某些宇宙常数只要发生微小的变化，今天的宇宙将是另一副面貌，似乎是有人精确的调试了这个宇宙的参数，让它变得如此和谐。

而三维的空间尺度，可以恰好的维系天体之间的引力，更高纬度下，引力的衰减程度随距离增加会加快，这就导致恒星束缚行星可能会更加的困难，同样不利于生命的出现。

也许我们可以说，正是因为这个宇宙恰巧有了这些适宜的条件，于是我们存在在这里。也或者有一位伟大的设计者，精心创设了这一切，然后认真