宇宙的结构

《**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。概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 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）：

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

## 出版數據

* The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality [宇宙的結構：空間、時間以及真實性的意義]. 蘭登書屋克諾夫出版社部門. 2004. ISBN 0-375-41288-3 （英語）.
* 宇宙的结构：空间、时间以及真实性的意义。第一推動叢書物理系列。湖南科學技術出版社. 2012. ISBN 9787535771391.
* 宇宙的结构。第一推動叢書物理系列 25 周年紀念版。湖南科學技術出版社. 2018. ISBN 9787535795137.

## 參見

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

## 注釋

## 外部連結

* PBS-TV/NOVA：宇宙的結構（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（更新：2011 年 11 月）（英文）
* IMDb 上的電視系列片