首先我們先來了解壹下他。史蒂芬·霍金於1942年1月8日出生在英國牛津，1959年進入牛津大學學習物理學，1962年進入劍橋大學攻讀博士學位。1963年被診斷肌肉萎縮性側索硬化癥，從此坐上輪椅。1965年和簡·王爾德結婚。霍金壹生研究物理學，被評為物理學教授，他的很多論文和作品獲得各項物理學獎。1985年首次訪問中國並做了演講。1988年出版《時間簡史》，這部作品暢銷幾千萬冊，至今仍然排在科普書類榜首。他對天體物理學的研究對於我們人類認識宇宙有著開創者的作用，他的成就足以支撐人類對高階文明的探索。他生前擔任的是牛津大學盧卡斯教席，而這壹教席曾經由牛頓擔任過。遺憾的是霍金於2018年3月14日與世長辭，他的離去會使我們探索宇宙的時間延長，我們緬懷這位偉大的物理學家。他的作品我會壹壹解讀。
這次我解讀的書是《果殼中的宇宙》，這本書是霍金的第二本著作，是《時間簡史》的延伸閱讀，對壹些內容進行深化闡釋。
可是這本書為什麽叫“果殼”中的宇宙呢？它對《時間簡史》又做了哪些深度研究呢？聽我慢慢道來。為了方便理解，我把這本書分成三個部分：
壹、相對論及其賦予時間以形狀；
二、果殼中的宇宙；
三、時間之弦的多重奏。
在這裏我繼續重申壹下，霍金的這幾本書都是有壹定閱讀門檻的，需要理解壹些基本的天體物理學知識，對於天文迷來說比較容易理解。
壹、相對論及其賦予時間以形狀
對於20世紀人類最偉大的成就無非是相對論和量子力學的發現，從根本上推動人類的文明。相對論的提出者是阿爾伯特·愛因斯坦，他於1879年出生在德國，隨後跟隨父母輾轉多地，在中晚年定居於美國。
19世紀末的科學家們為了方便速度和相對運動而想象出宇宙空間中充滿了“以太”這種介質，並稱以太是絕對靜止的，認為光線和射電波在以太中傳播，就像聲波在空氣中或者水中傳播壹樣。我們都知道壹個物理常識，假設有兩輛汽車相對行駛，這兩輛車的相對速度是它們各自速度的代數和；如果它們以相同的方向行駛那麽它們的相對速度就是各自速度的差。可是對於光線來說卻不是這樣的，無論妳是順著或者逆著光線運動，光對於妳的速度是恒定的。甚至有的科學家還提出物體通過以太運動時會收縮，時間會變慢。
而愛因斯坦在1905年寫的論文中指出，如果人們不能檢測出他是否穿越空間的運動，則以太觀念純屬多余。他指出光速和物體運動無關，並在所有方向上都相同，這就需要拋棄壹個觀念，即存在壹個所有鐘表都測量的稱為時間的普適的量，相反地，每個人都有他自己個人的時間。自然定律對於所有自由運動的觀察者應該顯得相同。相對論的觀點過了很久才被廣泛接受。而相對論的壹個非常重要的推論是質量和能量的關系。愛因斯坦提出了著名公式：E＝mc?（這個公式是本書和《時間簡史》中唯壹出現的公式）。美國人利用這個公式研發出了原子彈，導致曼哈頓計劃最終於1945年在日本的廣島和長崎投放了兩顆原子彈。
雖然相對論和制約電磁學的定律配合得天衣無縫，但卻與牛頓的引力定律不相協調。牛頓的引力定律是說如果在某個區域改變物質分布，那麽在其周圍的引力場就會瞬間察覺到，牛頓認為時間和空間是獨立存在的，並且存在絕對或者普適的時間。所以愛因斯坦的相對論這時稱為“狹義相對論”，包含兩方面假設，壹是狹義相對性原理，二是光速是恒定不變的。
直到1912年，愛因斯坦突然靈感奔湧，意識到如果時空幾何是彎曲的，不像現在假設的那樣平坦，可以把引力和時空聯系起來。這個新理論稱為“廣義相對論”，它把空間和時間從壹個事件在其中發生的被動的背景轉變成宇宙動力學的主動參與者。
愛因斯坦依然相信宇宙是靜態的，從而在他的方程裏添加了壹項“宇宙常數”。因為根據萬有引力定律，所有物質都有相互吸引效應，而與之平衡的就是宇宙常數提供的排斥效應，達到平衡來維持宇宙的靜態。當哈勃發現宇宙其實是在膨脹，並且膨脹的速率越來越快。愛因斯坦稱宇宙常數是他壹生當中所犯的最大的錯誤。（按照當時的年代來說宇宙常數的效應確實多余，但是按照現在的科學成果顯示，宇宙常數還真的存在，因為我們都發現宇宙壹直在膨脹，這個膨脹的作用力是誰提供的呢？直到現在還沒有答案，我們取了個名稱叫“暗能量”，這其實就是壹個宇宙常數）。發現宇宙是膨脹的事實後，反推這個膨脹大約在137億年前宇宙是壹個奇點，通過大爆炸變成現在的樣子。那個奇點就是時間的開始。而大質量恒星死亡後變成黑洞，引力之大連光都無法逃逸，這就變成了時間的終點。愛因斯坦從未認真地接受時間有起點和終點，因為在這兩個時刻相對論是失效的。後來量子理論的問世，又使愛因斯坦受到震驚，用他的格言來說“上帝不擲骰子”，因為量子力學提出“不確定性原理”，也就是我們要判斷物質的運動規律必須精確測量物體現在的速度和位置，當對速度測量得越準確時，則對位置就測量得越不準確，反之亦然。愛因斯坦也因為研究並解釋了光電效應而獲得諾貝爾物理學獎。
這個世界20世紀的改變超過了以往任何壹個世紀，並不是政治或者經濟上的改變，而是由基礎科學的進步導致技術的巨大發展，而代表這些進步的除了愛因斯坦還能有誰呢？
說到這我們還是要討論那個困擾我們已久的問題——時間。時間到底是什麽呢？它如何開始，又把我們導向何方？在書中作者也表示：關於時間或者任何別的概念的任何可靠的科學理論，都必須基於最可操作的科學哲學之上，這就是證實主義，也是科學家們孜孜不倦的精神。牛頓在他出版的《數學原理》中給出了時間和空間的第壹個數學模型，他認為時間和空間是壹切事件發生的背景，不受事件影響。並且時間和空間是相互分離的，時間是壹根單獨的線，向兩端無限延伸。但隨著思想的進步，愛因斯坦提出了廣義相對論，認為宇宙中的物質和能量的分布引起時空彎曲和畸變，使之不再平坦。時間和空間難分難解地相互糾纏，人們不能只使空間彎曲而讓時間安然無恙。它們成為發生事件的主動的動力參與者。
廣義相對論認為時間和空間不僅不能獨立於宇宙，而且不能相互獨立。它們由宇宙中的測量定義，也就是說它們是有開端和終結的，這就引發了宇宙創生這個令人不安的問題，因為這個問題在科學王國之外。根據我們觀察到的宇宙的膨脹以及微波背景輻射，可以推測宇宙是在137億年前以奇點大爆炸變成現在的樣子。我們回溯過去，時空是壹個梨形的圓錐，這就是時空的形狀。
作者和他的搭檔的這壹發現引起了科學界的廣泛討論。並且深入到高維空間，可是這壹領域壹直是個謎。廣義相對論和量子理論為基礎，我們試著去發現萬物理論，才能打開高維空間。弦理論應運而生，它把基本粒子看做是壹根能震動的壹維小弦，只有長度。這根弦震動的不同頻率代表不同的粒子。後來作者的搭檔保羅·湯森優化了弦理論，取名叫“p膜”理論，即壹個p膜在p個方向上有長度，由此得出p＝1的膜是弦，p＝2的膜是壹個面，以此類推，在高維空間中會有更大的p的值，並且全部被卷曲起來，只剩下我們所知的四個宏觀的幾乎平坦的維度。
二、果殼中的宇宙
說到這我們回顧壹下本書的書名——果殼中的宇宙，名字的靈感來源於莎士比亞的作品《哈姆雷特》中的語句：“即便把我關在果殼之中，仍然自以為無限空間之王”。從這句話中我們可以體會到宇宙的無限空間。作為壹門科學，我們應該試圖理解宇宙，並盡可能地得到完整的圖像。但通過哈勃望遠鏡觀看宇宙深處之後，我們只有驚駭。我們看到的是數以億萬計的星系，每個星系都有億萬計的恒星，有很多恒星還被行星圍繞。就拿我們的銀河系來說，我們看到的也只是盤面垂直方向的壹小部分範圍內的星體。而且在20世紀初，哈勃通過觀察其它星系光譜的紅移現象，推論出幾乎所有星系都在遠離我們而去，並且離我們越遠的星系，遠離我們的速度就越快。這個事實證明宇宙是在膨脹，而且是加速膨脹。倒退這個膨脹就會提到壹個我們很難接受的痛點，就是宇宙的起源。在137億年前，時間和空間被扭曲成壹個奇點，然後通過熱大爆炸變成現在的樣子，在這個奇點所有物理學定律全部失效。從那個時刻開始宇宙的演化方式有無數種，現在看到的宇宙只是這無數種方式中隨機選擇的壹種而已。
這個結論是相對論和量子力學的不確定性原理為根據得出的，我們知道假如壹個粒子從A點想要到達B點，直線距離是最短的。但是不確定性原理告訴我們，這個粒子從A點出發，有無數種路徑可以到達B點，它可以到太陽上轉壹圈再到達B點。物理學家費恩曼繼續推論：宇宙應該有多重歷史，是以所有可能性為基數。霍金引入“虛時間”這個概念，它是和我們感覺到正在流逝的通常的實時間成直角關系。在數學中我們學過實數，與之對應的就是虛數，比如√-5（根號下負5）。宇宙的所有可能性的歷史都在虛時間中，實時間中的歷史確定其在虛時間中的歷史，反之亦然。虛時間不必有開端和終結，是有限但無界的，像個球面。但是宇宙空間又不是平坦的，有的地方引力小，空間膨脹；有的地方引力大，形成星系。所以虛時間的球面是凹凸不平的，像是個果殼。
在實時間中發生的壹切都作為密碼被儲存在這個果殼上面，我們也許是被束縛在果殼之中，而仍然自以為無限空間之王。
三、時間之弦的多重奏
時間作為壹個單獨的維度，經常激發我們的想象，我們很想知道時間加快、變慢、扭曲甚至倒流會是什麽樣的景象。
人類總想預言甚至控制未來，這就是占星術如此盛行的原因。現代科學家總是想找到“科學決定論”，來“計算”出未來。可是我們要想知道事物將來的狀態就必須知道它現在的狀態，但不確定性原來告訴我們，不能在同壹時刻準確地測量壹個粒子的位置和速度，把位置測量得越準確，就會把速度測得越不準確，反之亦然。因為測量本身就會影響粒子的運動，我們根本無從下手。然而量子力學提出壹個新的理論，由物理學家薛定諤發現的方程叫波函數。壹個粒子出現的具體位置我們不知道，但可以計算該粒子出現在空間每壹個點上的概率，這就是波函數要做的。可是新的問題又出現了，利用波函數的前提是時間必須是平滑連續的，牛頓物理學中顯然是沒問題。在狹義相對論中，也就是每個人都有自己的時間測度，不存在絕對的時間，這也可以用波函數計算。但是在廣義相對論中顯然失效了，廣義相對論說的是時空不是平坦的而是彎曲的，物質和能量使時空變形。比如黑洞，被吸進黑洞裏的物質的“信息”暫時是丟失的。霍金提出的“霍金輻射”說的是黑洞並不是完全“黑”的，是會輻射出粒子的，在黑洞事件視界的邊緣虛實粒子對在碰撞湮滅之前其中壹個被吸進黑洞，另壹個剛好不受引力吸引逃逸了出去，這時吧黑洞看成是壹張p膜，壹個粒子撞到膜上激起了波動，不同方向的波疊加產生尖峰，其中壹小片破裂作為粒子發射了出去。在這個模型中落入黑洞的物體的信息會儲存在p膜上的波的波函數中，p膜被認為是平坦時空中的薄片，進而是平滑的，所以可以用薛定諤方程來計算將來的波函數。由此可知，世界是可以預言的。
那麽，我們能回到過去嗎？壹種先進的文明能返回以前並改變過去嗎？我們都知道光是速度最快的，沒有任何物質能超越光速，所以直接進行時空旅行是不可能的。但是廣義相對論證明時空是彎曲的，會不會存在連接空間和時空的不同區域的管道——蟲洞呢？目前還只是想象，我們還找不到能將時空大曲率彎曲的方程。
霍金對於我們人類目前掌握的技術抱有很大希望，他說生物技術和電子生命的發展，會加速我們我們對“星際航行”的夢想。他呼籲如果人類要去應付他周圍日益復雜的世界和遭遇到諸如太空旅行這樣的新挑戰的話，那必須以某種方法改善其精神與體魄。提高我們的智慧，將生物與電子技術結合，使我們人類向更高階生命攀爬！
這本書到這裏就全部解讀完了，我們來簡單總結壹下：
首先講到的是愛因斯坦是如何給宇宙時空賦予形狀的。在愛因斯坦之前，人們壹直信奉“絕對時空觀”，認為空間和時間都是絕對的，不受任何幹擾。但愛因斯坦通過狹義相對論，打破了絕對時間的觀念，又通過廣義相對論，在時間和空間之間建立起了聯系，給時空賦予了形狀。
接下來講到了，霍金是怎麽給宇宙的歷史賦予形狀的。霍金通過數學方法，引入了壹個叫做“虛時間”的概念，虛時間跟實時間有著密切聯系，但比實時間更靈活。霍金提出，宇宙在虛時間中的歷史，是壹個封閉的四維球面，沒有奇點，沒有起源和開端，也不需要上帝來創造它。這被稱為“無邊界宇宙模型”。
最後霍金為什麽說宇宙的歷史是壹個果殼？霍金把廣義相對論和“多重宇宙思想”結合起來，認為宇宙的確可能擁有多重歷史，但並非所有的歷史都適合人類生存。我們生存的宇宙在虛時間中的歷史，壹定是有著輕微起伏的四維球面，這樣的話，它在實時間中才有可能形成星系、恒星以及智慧生命。這個有著輕微起伏的求面宇宙，就好像是壹個果殼，我們所有人都生活在這個果殼之中。
好，今天的解讀就全部結束了，謝謝妳的收看，我們下期解讀再見。