宇宙的結構

《宇宙的結構——空間、時間以及真實性的意義》（The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality，2004）是哥倫比亞大學弦理論、宇宙學和天體粒子物理研究中心（Institute for Strings, Cosmology, and Astroparticle Physics，簡稱ISCAP）的教授兼副主任布萊恩·格林撰寫的第二本關於理論物理學、宇宙學和弦理論的書。湖南科學技術出版社出版了其簡體中文版，並歸入其《第一推動叢書》。

## 介紹

格林首先提出了一個關鍵問題：「什麼是現實？」或者更具體地說，「什麼是時空？」他著手描述他發現的令人興奮的特徵，這些特徵對於形成由現代科學所描繪現實的全貌是必不可少的。在幾乎每一章中，格林都介紹了基本概念，然後慢慢地達到高潮，這通常是科學上的突破。然後，格林嘗試與讀者進行溝通，通過簡單的類比來幫助解釋科學概念的含義，而又不過分簡化其背後的理論。

格林在序中承認，本書的某些部分在科學家中仍具有爭論。他在正文中介紹了主要觀點，並在尾注中給出了爭論點。正文中作了簡化的要點，會在尾注中包含更完整的說明。

## 摘要

### 第一部分：實在性之舞台（Reality's Arena）

第1章，通往實在性之路（Roads to Reality），介紹了該書後面將要出現的內容，例如圍繞經典物理學、量子力學和宇宙物理學所進行的討論。

第2章，宇宙與桶（The Universe and the Bucket），則以空間為重點。格林提出的問題是：「空間是人類的抽象，還是物理實體？」關鍵的思想實驗是一個旋轉的水桶，旨在讓人們思考一下，在水桶旋轉時，是什麼產生了受力的感覺。後面詳細討論了艾薩克·牛頓、恩斯特·馬赫和戈特弗里德·萊布尼茨關於這一思想實驗的想法。

第3章，相對與絕對（Relativity and the Absolute），聚焦於時空。現在的問題變成了：「時空是愛因斯坦的抽象還是物理實體？」該章討論了狹義相對論和廣義相對論的概念，以及它們對時空意義的重要性。

第4章，糾纏著的空間（Entangling Space），格林探討了量子力學時代的革命，著眼於在量子定律所規範的宇宙中，對物體進行分離和區分的含義。該章研究量子力學，所涉及的概念包括：機率波和干涉圖案、粒子自旋、光子雙縫實驗，以及海森堡不確定性原理。讀者還將了解到，阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森對量子力學所提出的挑戰。

### 第二部分：時間和經驗（Time and Experience）

第5章，冰封之河（The Frozen River），處理的問題是：「時間在流動麼？」本章的重點之一是狹義相對論。彼此相對移動的觀察者對於在給定時刻所存在的事物有不同的概念，因此他們對現實的概念也不同。結論是時間並不流動，因為所有事物同時存在。

第6章，偶然和箭頭（Chance and the Arrow），問道：「時間有箭頭嗎？」讀者發現，不管時間向前進，還是向後退，物理定律都能成立。這種定律被稱為時間反演對稱。該章的主要話題之一是熵。作者給出了各種類比來說明，熵是如何工作的，及其明顯的悖論。該章的高潮是熵和引力之間的相互關係，以及宇宙的開始必須是最小熵的狀態。

第5章和第6章，僅由前現代物理學來解釋時間。第7章，時間與量子（Time and the Quantum），深入介紹了量子領域中時間的本質。機率在該章中扮演了主要角色，因為它是量子力學中不可避免的一部分。作者回顧了雙縫實驗，以揭示過去的情況。該章還介紹了許多其它實驗，例如延遲選擇的量子擦除實驗。還有一些其它主要問題引起了讀者的注意，例如量子力學和體驗，以及量子力學和測量問題。最後，該章討論了量子退相干這一重要主題，及其與宏觀世界的相關性。

### 第三部分：時空與宇宙學（Spacetime and Cosmology）

第三部分論述了宇宙的宏觀領域。

第8章，雪花與時空（Of Snowflakes and Spacetime），告訴讀者，宇宙的歷史實際上是對稱的歷史。對稱及其對宇宙演化的重要性是該章所關注的重點。同樣，廣義相對論被認為是時空的延伸結構。宇宙學、對稱性和空間形狀，被以新的方式組合在一起。

第9章，蒸發真空（Vaporizing the Vacuum），介紹了希格斯玻色子的理論思想。該章重點討論了大爆炸之後一秒，關鍵的第一部分。人們認為宇宙中對稱性的數量是這時突然變化的，該過程被稱為對稱性破缺。該章還介紹了大統一理論，並重新審視了熵。

第10章，解構大爆炸（Deconstructing the Bang），以宇宙暴脹為重點。廣義相對論和暗能量（斥力）的發現，以及宇宙學常數，都被考慮在內。由標準的大爆炸理論引起的某些問題得到了解決，膨脹宇宙學也給出了新的答案。這些問題包括視界問題和平坦性問題。作者還討論了整個宇宙的物質分布，包括暗物質和暗能量的概念。

第11章，綴滿鑽石的天空中的量子（Quanta in the Sky with Diamonds），繼續討論膨脹的話題，並且再次討論了時間箭頭。該章介紹了三項主要的發展：星系等結構的形成，產生我們現在所看到的宇宙需要多少能量，以及時間箭頭的起源。

### 第四部分：起源與統一（Origins and Unification）

第四部分探討了物理學的新理論方面，特別是在作者的領域。

第12章，弦上的世界（The World on a String），根據弦理論向讀者介紹了空間的結構。作者引入了一些新概念，包括普朗克長度和普朗克時間，並重新審視了《宇宙的琴弦》中的思想。讀者將了解到，弦理論怎樣填補了廣義相對論與量子力學之間的空白。

第13章，膜上的宇宙（The Universe on a Brane），擴展了第12章中的思想，特別是M理論，弦理論是該理論的一個分支。該章致力於討論空間和時間，介紹了包括愛德華·威滕和保羅·狄拉克在內的許多物理學家的見解。該章的重點是引力及其涉及的額外維度。在該章末尾，有一個簡短的部分專門介紹了循環模型。

### 第五部分：真實與想像（Reality and Imagination）

第五部分涉及許多理論概念，包括空間和時間旅行。

第14章，上天入地（Up in the Heavens and Down on the Earth），是關於時空的各種實驗。前面章節中的理論被再次提起，例如希格斯理論、超對稱和弦理論。該章描述了一些未來計劃的實驗，以嘗試驗證所討論的許多理論概念，包括暗物質和暗能量的組成，希格斯玻色子的存在，以及額外空間維度的驗證。

第15章，超距傳輸器與時間機器（Teleporters and Time Machines），是關於使用奇妙的方法穿越時空的。當讀者遇到瞬時傳送時，再次接觸了量子力學。時間旅行會造成困惑，例如，通過時間旅行回到過去的想法產生了可能性。該章的結尾聚焦在蟲洞及其背後的理論。

第16章，幻象的未來（The Future of an Allusion），重點在於黑洞及其與熵的關係。該章的主要思想是，時空可能不是宇宙結構的基本組成。

## 評價

《宇宙的結構》在2005年成為亞馬遜客戶中最受歡迎的科學書籍，並曾登上紐約時報暢銷書榜——自2004年2月10日出版以來，它曾10次進入非小說榜前15名，在4月4日達到其最高排名第3位，後於5月9日退出榜單。它首次印刷了125,000冊，並成為每月之書俱樂部的主要選擇，克諾夫對它期望甚高。截至2020年1月，該書的評論者平均評分為4.6星（滿分5星），在560位評論者中，有400位給了它5星。

## 改編

Nova (美國電視節目)根據《宇宙的結構》這本書製作了一部同名紀錄片，作為由《宇宙的琴弦》改編的廣受歡迎的紀錄片的續集。該系列由格林主持，還包括了眾多其他著名物理學家的評論，例如馬克斯·泰格馬克等。

該紀錄片系列組成了Nova電視系列片的4集（第39季第5-8集）：

- 宇宙的結構：什麼是空間？（What is Space?）
- 宇宙的結構：時間的幻覺（The Illusion of Time）
- 宇宙的結構：量子躍遷（Quantum Leap）
- 宇宙的結構：宇宙是唯一的嗎？（Universe or Multiverse?）

## 參見

- 《現實的構造》
- 《宇宙的琴弦》
- 《星際科學》
- 《果殼中的宇宙》

## 外部連結

- PBS-TV/NOVA：宇宙的結構（更新：2011年11月）
- IMDb上的電視系列片

## 基本資料

- 原始文本：The Fabric of the Cosmos
- 作者：布萊恩·格林
- 譯名：宇宙的結構——空間、時間以及真實性的意義
- 譯者：劉茗引
- 國家：美國
- 語言：英語
- 主題：理論物理、宇宙學、弦理論
- 類型：科普
- 出版社：克諾夫出版社
- 出版時間：2004年
- 媒介：印刷書籍
- 頁數：569頁
- ISBN：0-375-41288-3
- 杜威十進分類法：523.1 22
- 國會圖書館分類法：QB982 .G74 2004
- OCLC 編號：52854030
- 前作：宇宙的琴弦
- 續作：時間邊緣的伊卡洛斯
- 副書名：Space, Time, and the Texture of Reality
- 出版機構：湖南科學技術出版社