第一推动丛书：宇宙系列 史蒂夫?霍金、罗杰?彭罗斯、基普?索恩等科学巨匠为我们描绘宇宙学的奇迹和激动人心的发现

*推动丛书是国内*早的引进版科普丛书，一套由当代世界卓越科学家撰写的、倡导科学精神和科学思想的科普佳作，已经走过了辉煌25年，成为了经得起时间检验的经典！

　　本次推出《*推动丛书》宇宙系列的新合集（共计16册），重新设计成套推出，便于广大读者购买，更值得收藏。

　　《时间简史》（文字版）
　　此书自1988年首版以来的十年岁月里，已成为科学著作的里程碑，在全球销售已超过1000万册。时间有初始吗？它又将在何地终结呢？宇宙是无限的还是有限的？史蒂芬·霍金对遥远星系、黑洞、夸克、大统一理论、反物质、“时间箭头”等进行了深入探讨。

　　《时间简史续编》
从获奖电影记录片《时间简史》而产生了本书——《时间简史续编》，本书是为那些想要更多地了解霍金教授的生平其及学说的读者而编的。叙述了霍金教授的生命历程和研究工作，展现了他巨大的理论架构后面那位真实的“人”。全书附有人物照片及霍金教授生平照片，同时还有大量图片展现所讨论的科学观念，包括黑洞、时间之箭等。

《霍金讲演录》
　　本书收集了霍金探索宇宙观方面13篇精彩的文章，以及1992年圣诞节BBC播出的会晤纪实，他的学说彻底改变了人类的宇宙观。从这些文章里我们也可以读到霍金作为科学家、普通人的不同风采。

《时空本性》
　　本书是基于霍金和彭罗斯在剑桥大学的六次演讲和辩论而成，辩论主要围绕量子场论和广义相对论这两种成功的理论是否可以被统一的问题。尽管争论的问题不同了，但同之前那场著名的辩论一样，在这里彭罗斯担任爱因斯坦的角色，而霍金充任玻尔的角色，他们的观点同样闪烁着人类智慧的光芒。

《时空的未来》

本书汇集了霍金等六位有关时空理论的物理学家的文章，探讨了黑洞、引力波、时空隧道等科学理论，还从时空弯曲与量子世界的角度对未来的时空做了深入的探讨，有助于我们更加清晰地了解未来世界的图景。

《果壳里的60年》

本书是霍金在过60岁生日时与朋友们的一系列讲稿，梳理了20世纪80年代以后物理学与宇宙学方面的新成果，讲述了宇宙的未来前景、弯曲的时空观念、量子引力的设想等几个方面的科学理论，是面向科学的未来，与前沿思想同步的科学知识。

《黑洞与时间弯曲》

作者花费15年时间写就了这本介绍宇宙研究历史和发展情况的科普著作，系统地介绍了宇宙物理学的发展历史、代表人物、理论的冲突和科研上的合作与竞争，还介绍了从光学望远镜、射电望远镜到引力波探测仪的不同探测手段的发展过程，以及在不同探测手段下宇宙所展现出来的激动人心的一面。

《千亿个太阳》
　　本书介绍了恒星能源、结构和演化，射电脉冲星、密近双星质量转移、致密X射线以及地外文明的知识。全书基本上撇开了数学公式，运用了许多生动比喻，叙述了许多著者亲身经历的故事，是一本颇有特色的科普佳作。

《爱因斯坦的未完成交响曲》

本书回忆了爱因斯坦*伟大的成就“广义相对论”的迷人故事，还探究了在爱因斯坦首次提出引力波之后的几十年里，物理学家们对这一概念的认识是如何演化的。同时精心描写了这次科学革命中的每一位关键科学家，并据此向我们介绍了当今的实验和全新的天文台，如美国的LIGO。

《物理天文学前沿》
　　物理学和天文学之间一直存在着根本性的联系，它促使两位当今世界*的天体物理学家合作，从物理学观点来阐述天文学的前沿问题。作者用非数学方法的论述，使艰深的前沿课题变得通俗易懂。如果你也想了解当前物理学和天文学得*知识，本书是你的不二之选。

《大宇之形》

本书中，丘成桐细说从古希腊时代柏拉图等几何学家、到爱因斯坦、卡拉比以及丘成桐自己的研究、他对几何学未来的看法等等；敘述了他几十年來所有成就的来龙去脉以及心路历程。读者可以深切了解近代数学和物理学研究的重要进展，更体会到这些卓越科学家的研究精神。

《黑洞战争》

本书是关于黑洞本性的一场论战，这一论战关系到我们对整个宇宙的认识，也极大地推动了物理学的发展。参加论战的一方主要是本书作者萨斯坎德和1999年诺贝尔物理奖获得者赫拉德·特霍夫特，另一方则是公众心目中很熟悉的物理学家斯蒂芬·霍金。

《死亡黑洞》

本书集结了四十余篇作者*精彩的探讨宇宙话题的文章——从宇宙生物学前沿的星际生命问题，到电影业对夜空污染的忽视。作者通过描绘人体进入黑洞以后的故事，向我们揭示了黑洞的奥秘；通过回顾历史上科学与宗教的无谓冲突，讲述了地球从宇宙中心到无名小卒的故事。

《宇宙的轮回》

彭罗斯在本书中说明了如何将加速膨胀宇宙的*终命运解读为一个新生的“大爆炸”。同时，还介绍了五花八门的标准或不标准的宇宙学模型，宇宙微波背景的基本而无所不在的作用，以及星系核心的巨大黑洞。

《宇宙传记》
　　本书作者约翰·格里宾描述了宇宙是如何开始的，早期宇宙是什么样子，它的结构如何发展演进，以及出现了什么物质使其结合在一起。此外，在介绍了到目前为止我们对宇宙的认识之后，他甚至进一步展望未来，揭示这一旅程往后会如何继续。

《大爆炸简史》

《时间简史》 [英]史蒂芬·霍金 著

《时间简史续编》 [英]史蒂芬·霍金 著

《霍金讲演录》 [英]史蒂芬·霍金 著

《时空本性》 [英]史蒂芬·霍金 [英]罗杰·彭罗斯 著

《果壳里的60年》[英]史蒂芬·霍金 等著

《时空的未来》 [英]史蒂芬·霍金 等著

《黑洞与时间弯曲》 [美]基普·S. 索恩 著

《千亿个太阳》 [德]鲁道夫·基彭哈恩 著

《物理天文学前沿》 [英] F. 霍伊尔[印] J. 纳里卡 著

《黑洞战争》 [美]伦纳德·萨斯坎德 著

《宇宙传记》 [美]约翰·格里宾 著

《大宇之形》 [美]丘成桐[美] 史蒂夫·纳迪斯 著

《宇宙的轮回》 [英] 罗杰·彭罗斯 著

《死亡黑洞》 [美] 尼尔·德格拉斯·泰森 著

《爱因斯坦的未完成交响曲》 [美]玛西亚·芭楚莎 著

《大爆炸简史》 [英] 西蒙·辛格 著

《大宇之形》摘录

第1章　想象边缘的宇宙（部分）

对数学家而言，

维度指的是一种“自由度”，

也就是在空间中运动的独立程度。

在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动，

只要没有碰到障碍，

它就拥有三个自由度。

但维度是不是就只有那么多？

望远镜的发明以及随后多年以来的不断改良，帮助我们确认了一项事实：宇宙比我们能看到的还要浩瀚、广大。事实上，目前所能得到的*证据显示，宇宙将近四分之三是以一种神秘、看不见的形式存在，称为“暗能量”（dark energy），其余大部分则是“暗物质”（dark matter），再剩下来构成一般物质（包括我们人类在内）的，只占百分之四。而且物如其名，暗能量和暗物质在各方面都是“暗的”：既看不见，也难以测度。

我们所能看见的这一小部分的宇宙，构成了一个半径大约137亿光年的球体。这一球体有时被称为“哈勃体”（Hubble volume），但是没人相信宇宙的整体范围只有如此而已。根据目前所得的*数据，宇宙似乎是无穷延伸的——不管我们向哪个方向看去，如果你画一条直线，真的可以从这里一直延伸到永恒。

不过，宇宙仍有可能是弯曲而且有界限的。但即使如此，可能的曲率也会非常微小，以至于根据某些分析显示，宇宙必然至少有上千个哈勃体那么大。

*近发射的普朗克太空望远镜，或许会在几年内揭露宇宙可能比一百万个哈勃体还大，而我们所在的哈勃体只是其中之一而已。我相信天文物理学家的这一说法，也了解有些人可能会对上面引述的数字有不同意见，但无论如何，有个事实是不容辩驳的：我们目前所见到的，不过是冰山一角。

而在另一个*，显微镜、粒子加速器以及各种显影仪器持续揭露宇宙在微小尺度上的面貌，显现了人类原先无法触及的世界，像细胞、分子、原子，以及更小的物体。如今我们不再对这一切感到惊讶，完全可以期待望远镜会向宇宙的更深处探索。另一方面，显微镜和其他仪器则会把更多不可见之物转为可见，呈现在我们眼前。

*近几十年间，由于理论物理学的发展，再加上一些我有幸参与的几何学进展，带来了一些更令人惊讶的观点：宇宙不仅超出我们所能看见的范围，而且可能还有更多的维度，比我们所熟悉的三个空间维度还要多一些。

当然，这是个令人难以接受的命题。因为关于我们这个世界，假如有件事是我们确知的，假如有件事是从人类开始有知觉时就知道，是从开始探索世界时就晓得的，那就是空间维度的数目。这个数目是三。不是大约等于三，而是恰恰就是三。至少长久以来我们是这样认定的。但也许，只是也许，会不会还有其他维度的空间存在，只不过因为它太小，以至于我们无法察觉呢？而且尽管它很小，却可能扮演非常重要的角色，只是从人们习以为常的三维视野无法体认到这些罢了！

这个想法虽然令人难以接受，但从过去一个世纪的历史得知，一旦离开日常经验的领域，我们的直觉就不管用了。如果运动速度非常快，狭义相对论告诉我们，时间就会变慢，这可不是凭直觉可以察觉到的。另外，如果我们把一个东西弄得非常非常小，根据量子力学，我们就无法确知它的位置。如果做实验来判定它在甲门或者乙门的后面，我们会发现它既不在这儿也不在那儿，因此它没有*的位置，有时它甚至可能同时出现在两个地方！换言之，怪事可能发生，而且必将发生。微小、隐藏的维度可能就是怪事之一。

如果这种想法成真，那么可能会有一种边缘性的宇宙，一处卷折3 在宇宙侧边之外的地域，超出我们的感官知觉，而这会在两方面具有革命意义：单仅是更多维度的存在 ——这已经是科幻小说一百多年来的注册商标——这件事本身就够令人惊讶，足以列入物理学史上的*重大发现了。而且这样的发现将会是科学研究的另一起点，而非终点。这就好像站在山丘或高塔上的将军，得益于新增加的垂直向度，而能把战场上的局势看得更清楚。当从更高维的视点观看时，我们的物理定律也可能变得更明晰，因而也更容易理解。

从苍蝇的世界看维度的意义

我们都很熟悉三个基本方向上的移动：东西、南北、上下（或者也可以说是左右、前后、上下）。不管我们去哪里——不论是开车上杂货店或是飞到大溪地 ——我们的运动都是这三个独立方向的某种基本组合。我们对这三个维度太过熟悉，以至于要设想另一个维度，并且指明它确切指向哪里，似乎是不可能的。长久以来，似乎我们所见的即是宇宙的一切。事实上，早在两千多年前，亚里士多德在《论天》（ On the Heavens）中就论称：“可在一个方向上分割的量，称为线；如果可在两个方向上分割的量，称为面；如果可在三个方向上分割的量，则称为体。除此之外，再无其他量。因为维度只有三个。”公元150年时，天文学家、数学家托勒密尝试证明不可能有四个维度，坚持认为不可能画出四条相互垂直的直线。他主张，第四条垂直线“根本无法量度，也无法描述”。然而，与其说他的论点是严格的证明，还不如说是反映了人们没有能力看到并描绘四维空间的事实。

对数学家而言，维度指的是一种“自由度”（degree of freedom），也就是在空间中运动的独立程度。在我们头上飞来飞去的苍蝇可以向任何方向自由移动，只要没有碰到障碍，它就拥有三个自由度。现在假设这只苍蝇降落到一个停车场，而被一小块新鲜柏油黏住。当它动弹不得时，这只苍蝇只有零个自由度，实质上被限制在单一点上，亦即身处于一个零维的世界。但这小东西努力不懈，经过一番奋斗后从柏油中挣脱出来，只可惜不幸翅膀受了点伤。不能飞翔之后，它拥有两个自由度，可以在停车场的地面上随意漫步。然后，我们的主角察觉到有掠食者（或许是一只食虫的青蛙），因此逃进一根丢弃在停车场的生锈排气管，苍蝇此时只有一个自由度，暂时陷入这根细长管子的一维，亦即线状的世界。

但维度是不是就只有那么多？一只苍蝇在天上飞，被柏油黏住，在地上爬，逃进一根管子里——这是否就囊括了一切可能性？亚里士多德或托勒密应该会回答“是”，对一只没有高度冒险精神的苍蝇而言，或许也确是如此，但是对当代数学家来说，故事并没有就此结束，因为他们通常不认为有什么明显理由只停留在三个维度。我们反而相信，想要真正理解几何学的观念，像是曲率或距离，需要从所有可能的维度，从零维到 n维来理解它（其中 n可以是非常大的数）。如果只停留在三维，我们对这个概念的掌握就不算完整，理由是：比起只在某些特定情境才适用的断言，如果大自然的定律或法则在任何维度的空间中都有效，那么它的理论威力更大，也可能更基本。

甚至即使你所要对付的问题仅限于二维或三维，也可能借由在各种维度中研究该问题而得到有利的线索。再回到我们那只在三维空间里嗡嗡飞的苍蝇，它可以在三个方向移动，亦即具有三个自由度。然而，假设还有另一只苍蝇在同一空间里自由移动；它同样也有三个自由度，整个系统就突然从三维变成六维的系统，具有六个独立的移动方向。随着更多的苍蝇在空间里穿梭，每一只都独立飞行而不与他者相关，那么系统的复杂度及其维度，也随之增加。

窥探更高的维度

研究高维度系统的好处之一是，可以发现一些无法从简单场景里看出的模式。例如在下一章，我们将讨论：在一个被巨大海洋覆盖的球形行星上，洋流不可能在任何点都朝同一个方向流动（例如全部从西流向东）。事实上一定会发生的是：一定存在着某些点，海水是静止不动的。虽然这条规则适用于二维曲面，但我们只有从更高维的系统观察，也就是考虑水分子在曲面上所有可能运动的情况，才能导出这个规则。这是为何我们不断向更高维度推进的原因，希望看看这样能把我们带到什么方向并学习到什么。

很自然的，考虑更高维度的结果之一是更大的复杂度。例如所谓“拓扑学”（Topology）是一门将物体依*广义的形状加以分类的学问。根据拓扑学，一维空间只有两种：直线（或两端无端点的曲线）和圆圈（没有端点的封闭曲线），此外再无其他可能性。你或许会说，线也可以是弯弯曲曲的，或者封闭曲线也可能是长方形的，但这些是几何学的问题，不属于拓扑学的范畴。说到几何学和拓扑学的差别，前者就像拿着放大镜研究地球表面，而后者则像搭上太空船，从外太空观察整个地球。选择何者，要视底下的问题而定：你是坚持要知道所有细节，比方说地表上的每一峰脊、起伏和沟壑，抑或只要大致的全貌（“一个巨大圆球”）便已足够？几何学家所关切的通常是物体精确的形状和曲率，而拓扑学家只在乎整体形貌。就这层意义而言，拓扑学是一门整体性的学问，这和数学的其他领域恰恰形成明显对比，因为后者的进展，通常是借由把复杂的物件分割成较小较简单的部分而达成。

也许你会问：这些和维度的讨论有何关系？如上所述，拓扑学中只有两种基本的一维图形，但直线和歪歪扭扭的线是“相同”的，正圆也和任何你想象得出的“闭圈”，不论是如何弯的，多边形、长方形，乃至于正方形都是相同的。

二维空间同样也只有两种基本形态：不是球面就是甜甜圈面。拓扑学家把任何没有洞的二维曲面都视为球面，这包括常见的几何形体，像立方体、角柱、角锥的表面，甚至形状像西瓜的椭球面。在此，一切的差别就在于甜甜圈有洞，而球面没有洞：无论你怎样把球面扭曲变形（当然不包括在它中间剪洞），都不可能弄出一个甜甜圈来，反之亦然。换句话说，如果不改变物体的拓扑形态，你就无法在它上面产生新的洞或是撕裂它。反过来说，假如一个形体借由挤压或拉扯，但非撕裂（假设它是由玩具黏土做成的），变成另一个形体，拓扑学家就把这两个形体看成是相同的。

只有一个洞的甜甜圈，术语称为“环面”（torus），但是一般甜甜圈可以有任意数目的洞。“紧致”（compact，封闭且范围有限）且“可赋向”（orientable，有内外两面）的二维曲面可以依洞的数目来分类，6/7这个数目称为“亏格”（genus）。外观回异的二维物体，如果亏格相同，在拓扑上被视为是相同的。

先前提到二维形体只有球面与洞数不同的甜甜圈面两大类，这只有在可赋向曲面的情况才成立，本书所讨论的通常都是可赋向曲面。比方说，海滩球有两个面，即里面和外面，轮胎的内胎也有两个面。然而，对于比较复杂的情况，例如单面或“不可赋向”的曲面如“克莱因瓶”（Klein bottle）和“莫比乌斯带”（Mbiusstrip），上述说法并不成立。