今天为你解读的书是《极简宇宙史》。这本书的作者克里斯托弗·加尔法德是法国理论物理学家，他还有一个更著名的身份，那就是大名鼎鼎的斯蒂芬·霍金的亲传弟子。他想把这本书献给自己的老师，以表达对老师的无限感激与致敬。
这本书作为一本科普读物，有什么特别之处呢？我想这么形容：它站在英式的严谨当中，用美式的幽默写出了法式的浪漫。它让你感受到星空的神奇美妙，不仅仅是文学艺术的专利。在严谨的科学世界中，它同样性感迷人，还有一些任性调皮的作者。在前言部分，他就承诺读者：“我保证这本书只会出现一个公式，那就是e等于mc的平方。”并且自信满满地表示，即便你是一个文科生，也能够看懂这本书，因为这本书充满了有趣的故事和情节，把抽象的宇宙理论转化成了具象的画面。你可以想象自己是一个疯狂的时空穿越者，跟随作者在宇宙的各个角落中，做着奇幻的旅行。
本书的书名《极简宇宙史》毫无疑问是要带领我们探索宇宙的历史。宇宙学是研究整个宇宙的一门科学，它是物理学的一个重要分支，也是物理学的一个前沿领域。尽管上千年来，人类一直在观察着宇宙，但是宇宙学真正成为一门科学还只是近100年来的事。在本书中，我会给你介绍四个研究宇宙的理论：万有引力定律、广义相对论、量子力学理论和量子引力理论。让我们围绕着这四个理论来追溯宇宙的历史。
第一个理论，我们从牛顿发现的万有引力定律开始。牛顿，你肯定不陌生。这位集天文学家、物理学家、数学家、自然哲学家于一身的大科学家，发明了一个公式，被称为万有引力定律。在当时，这个公式几乎适用于整个世界，它不仅能够计算出各种物体的运动轨迹，还能够计算出地球和月球的公转轨道。在牛顿生活的年代，没有任何人能够证伪他的公式，哪怕只是提出怀疑。那么，这个万有引力定律是不是担得起“万有”的称谓呢？经过科学家的检验，太阳系当中有七大行星几乎是老老实实地按照牛顿的公式运行的，但是唯有一个行星不太听话，那就是离太阳最近、受到太阳引力作用最强的水星。它的运行轨道与计算之间出现了一点误差。多大的误差呢？想象一下手表上一秒钟的角度差，然后把那个角度除以五百，你得到的就是在上一个世纪当中水星实际轨道与牛顿计算产生的角度误差。
如此完美的万有引力公式遇到这么一点误差都不行吗？不行，因为牛顿的公式就是要求精确吻合。那么，固执的水星作为太阳系八大行星中最小的成员，为什么一定要与众不同呢？直到牛顿生命的最后一刻，他依然没有找到解释，那一年是1727年。
将近两个世纪之后，我们迎来了第二个伟大的理论，那就是广义相对论。在1915年，终于有一个人站出来解决牛顿留下的难题，他提出了一个疯狂大胆的想法来重新解释引力。这个想法实在是太过于惊人了，在当时几乎没有人能够理解。这个人就是爱因斯坦，而这个理论就是广义相对论。
下面我们来想象一下，把一个很重的球放在一张被拉紧的橡皮膜上。橡皮膜会因为球的重量向下弯曲。如果说你在橡皮膜上涂上了肥皂水，那么，任何在橡皮膜上行走的东西，比如说一只蚂蚁，如果走到弯曲的部分，就会滑向那只球。对于那只蚂蚁来说，这种效果就如同引力。我们的时空就像是这张巨大的橡皮膜，恒星与行星都嵌在这张膜上。在这些星体的周围，时空也会弯曲。简单来说，大质量的星体会引起时空弯曲，时空弯曲产生了引力。当一个人跌落的时候，并不是下面有一个力在拉扯，而是他像那只橡皮膜上的蚂蚁一样，沿着膜滑行而已。而以这种弯曲理论来进行的几何计算，竟然成功消除了水星轨道的误差。
广义相对论完美地解释了大尺度天体的运动规律，为宇宙学的研究提供了正确的科学框架。爱因斯坦的科学成就也因此进入了全盛时期。他从瑞士伯尔尼专利局的一个小小技术员，一跃成为了与牛顿齐名的大科学家。然而，历史最喜欢上演的逆袭戏码，就像是他当年撼动牛顿定律一样，这一次一个全新的物理领域向广义相对论宣战了。于是我们迎来了第三个理论：量子力学理论。
人们在掌握了大尺度天体的运动规律之后，开始研究小尺度的微观世界。我们知道，所有的物质都是由基本粒子构成的，比如说质子、中子、电子等等。它们就像是乐高积木一样，组装在一起搭建了我们的世界。量子力学就是研究这些积木块的理论。当爱因斯坦试图用广义相对论来描述微观世界的时候，结果只能用三个字来概括：很失败。广义相对论彻底失效了。这是为什么呢？简单来说，这是因为宏观世界和微观世界有着完全不同的运行规律，就像海洋和陆地是两种完全不同的生态系统一样。
还记得刚才我们讲到的广义相对论中那一张橡皮膜吗？在我们的宏观世界中，时空如同那张橡皮膜一样，光滑、连续、稳定，只有这样才能够有效地运用广义相对论。但在微观的量子世界，一切都是离散的、不连续的、不固定的。这就好像那张橡皮膜被撕得东一块西一块，有的地方是圆润的弧线，而有的地方是尖锐的边角，根本没法用它来描述引力。
好，让我来给你具体介绍量子世界的几个特点，也许你就能够理解为什么这个微观世界是如此特别了。第一个特点是状态叠加。在日常世界中，一个物体只能有一个状态，但在量子世界中，一个粒子可以有无数的状态同时存在。可以这么说，如果有一个量子化的你，那么所有你能够想象的生命轨迹将同时发生：你会很富有，又很贫穷；结了婚，但是又是一个单身狗；快乐而又悲伤；在北京，又在巴黎；获得诺贝尔奖，又完全是一个笨蛋。没有错，在量子世界中就是这么任性。
第二个特点是瞬间感应。这里有一个专业词语叫做量子纠缠，意思是当两个粒子组成一段时，即使相隔遥远的距离，他们之间也可以瞬间影响彼此的行为。就好像有一种心灵感应。说得更通俗一点，就如同电视剧中最常见的情景：双胞胎中的哥哥中枪倒地，远在地球另一端的弟弟会同时感受到重击。也许你不相信宏观世界有这种心灵感应，但微观世界还真的就是有。虽然连爱因斯坦都说这简直就是闹鬼，但这确实是经过验证的科学事实。
第三个特点是测量不准。你永远都无法同时知道一个粒子准确的位置和速度。当你观察它的位置时，它的速度就变得很模糊；而速度确定的时候，位置又无法测量。总之，你根本没有办法精确地描述一个粒子。这是因为人类的观测工具太大了，仅仅是观察和测量，这个动本身就会影响粒子原有的状态。你不过是看了它一眼，就能够改变它原有的样子。所以量子世界不是一个精确的世界，我们只能够用概率来描述。希望这三个特点没有把你搞晕。
总之，与我们的常识相比，量子世界简直就是天方夜谭。连它的奠基人之一波尔都要吐槽，说如果谁不为量子力学感到困惑，那他就是没有理解量子力学。好了，现在我们有了三个描述宇宙的理论：一个是我们最熟悉的万有引力定律，一个是统治着巨大天体引力的广义相对论，一个是适用于微观粒子的量子力学理论。看上去宇宙万物，从小到大似乎都有了它们适用的理论。那么，第四个理论是什么呢？这第四个理论叫做量子引力理论。请注意，这个理论是最复杂、最具有争议的一个。它至今还几乎是一块未知的领域，也是现代宇宙学家们正在为之奋斗的领域。
要理解量子引力理论，我们需要做一点准备工作，先了解一个概念叫做奇点。奇特的“奇”，你可以干脆把它理解为一个奇特的点。它奇特在哪儿呢？在物理上，它是一个存在又不存在的点。说它不存在是因为它的体积无限；说它存在呢，是因为它的能量无限。大宇宙就是从这样一个起点当中演化而来的。其实，中国古代早就有类似的思想，老子在《道德经》中说：“吾名天地之始”，也说的就是宇宙是一个从无到有的过程，而这个从无到有的诞生点，就是宇宙学上的起点。
为什么要了解奇点这个概念呢？因为它是宇宙学中一个极其特别的存在，它将巨大的物质和能量禁锢在一个非常微小的空间当中，既属于宏观尺度又属于微观尺度，既需要广义相对论来解释它的引力效应，又需要量子力学来解释它的量子效应。在这里矛盾就出现了。我们刚才讲过，广义相对论和量子力学是互不相容的。于是我们需要一个能够同时解释极大和极小的理论，只有解决了这个问题，才能够解开起点的秘密，进而才能够更好地理解宇宙的诞生。这就是量子引力论要解决的难题。
起点主要有两种：一个是大爆炸起点，一个是黑洞起点。一个对应着宇宙的诞生，一个对应着星体的死亡。下面我们来分别展开，说一说这两种起点有哪些不可思议的故事。首先，我们一起来看大爆炸起点。这个起点是宇宙的开始点，咱们就来追溯一下宇宙的诞生。我们从地球上研究宇宙最管用的手段就是观察光。任何光线都携带着自己的信息，观察星光就像是在收集来自宇宙各地的明信片。它们来自宇宙历史上各个时间与地点，它们拼接起来，就可以重建宇宙的一小段历史。可以这样说，我们对于宇宙的一切了解都来自与我们所见到的光。
科学家通过观察光就能够分析出宇宙中的化学元素、恒星的构成等等。可是问题来了，我们观察的越远，就越发现不对劲。本来是橙色光的位置变成了红色光，本来是蓝色光的位置变成了绿色光，也就是说所有的光谱的位置都往红色那一边移动。这就表示光波在拉长，而且光源离我们越远，颜色的偏移就越明显。无论你站在宇宙的什么位置观看，都会发现这种现象。这意味着什么呢？这意味着星系之间的空间在拉伸，宇宙在膨胀，在不停地生长变化。
如果把宇宙想象成一块有弹性的布，而光是缝在上面的线，那么把这块布拉长，上面的丝线也就跟着拉长了。光波拉长就会导致红移现象。这个发现带来了一个非凡的后果：科学家们认识到宇宙并不是一成不变的。既然它在膨胀，那么它在过去一定要比现在小。科学家们从广义相对论当中推导出了起点的概念。这个点既是空间的起点，也是时间的起点，它致密而炽热，在经历过一次大爆炸之后，不断地膨胀至今，形成了今天的宇宙。
那么，宇宙从大爆炸起点开始究竟膨胀了多大呢？它有没有尽头呢？让我们继续向宇宙最深处推进。我们顺着光向前一百亿年、120亿年、130亿年，到了138亿光年的地方。我们不得不停住了。假如说你身在此处，就会发现眼前是一个光穿不过去的地方，这里好像有一堵墙，虽然光线就在这道墙的后面，但它被束缚了，根本无法穿透。这是一道时间与空间的墙，它表明光在138亿年前才第一次摆脱了物质的束缚，射向太空。这也是我们的望远镜所能够看到的最远的地方，也就是人类能够观测到的宇宙的尽头。
这个尽头，这道光线无法穿透的墙，叫做临界最后散射面。以这个临界最后散射面为边界，人类可见的宇宙是一个半径为138亿光年的球体。当然，由于宇宙的膨胀，这个球体的半径在变大，我们的实际观察距离就会更远一些。现在只有我们的想象力可以穿过这道墙了。让我们想象自己穿过去，再向前迈进三十八万光年。这时，你就会到达宇宙大爆炸的起点。这里是一个极度扭曲混乱的地方，它的密度无限，大热量无限，高体积无限。所有的能量都在猛烈的摇晃和扭曲，正在孕育着一场开天辟地的大爆炸。这就是起点，是宇宙的开端，也同时是时间和空间的起始点。人类全部已有的知识在这里都失去了意义，我们还无法描述这里的情景，只能找到新的理论，才有可能揭开它的秘密。
接下来，我们再来说一说第二种起点：黑洞起点。这里同样隐藏着量子引力的秘密。黑洞起点位于黑洞的中心地带，那里同样是一个密度无限大、体积无限小、热量无限高的地方。如果你经常看科幻小说和电影，相信你一定对黑洞的特征不陌生。它是一种无比致密的天体。如果把地球变成黑洞，你需要把它压缩到一个圣女果的大小。当大黑洞的引力大到光都无法逃脱时，所有不小心接近黑洞的物体都会被它吞噬。但进入黑洞就真的是有去无回吗？1975年，霍金发表了一个令人震惊的结论，他说，掉入黑洞的一切未必是永远被禁锢，其中有些能够逃出来。这一理论被称为霍金辐射，他指出黑洞是会向外辐射能量的，黑洞向外发射出粒子，把吞噬在黑洞当中的能量一点一点地还给太空。当黑洞散尽所有的能量之后，就会蒸发消失。
这一发现为科学家们带来了一个巨大的难题，因为它引发了一个悖论，叫做黑洞信息悖论。之所以叫悖论，是因为它违反了信息守恒定律。咱们物理课上都学过能量守恒定律，说的是在一个封闭系统中，总能量是保持不变的。其实还有一个相类似的定律，叫做信息守恒定律。道理都差不多，是说信息既不会凭空产生，也不会凭空消失，但信息的状态会发生改变。这里所说的信息是一个物理上的概念，指的是物体的所有属性，是它区别于其他物体的全部特征。举个例子，比如说你吃掉了一个苹果，虽然说苹果没了，但是构成这个苹果的水分、糖分、维生素等等，还是依然存在于你的身体之中。它们被转化成为分子、原子。如果说我们把这些分子、原子重新组装起来，就能够还原出那个被你吃掉的苹果。即使是再过几亿年，连地球都不复存在，但构成这个苹果的信息要素也不会消失，它们会以别的形式继续存在于宇宙之中。信息守恒定律是量子力学的一个基本定律之一，更是物理学的一个铁律。
可是掉入黑洞的信息却不守恒了。掉入黑洞的不管是人类还是动物，不管是废铁还是钻石，只要它们最初的质量一样，那么被辐射出来的时候就变得完全一样。也就是说黑洞活生生地剥夺了物质的所有特征，出来的只有热辐射。这就让物理学家们抓狂了，信息凭空消失了。这简直就是物理学的灾难。
黑洞辐射显示了自然界中宏观世界与微观世界之间的交流。黑洞信息悖论和大爆炸起点背后的秘密一样，在我们建立新的理论之前，很难找到正确的答案。于是科学家们开始向量子引力理论进军。它的研究对象是量子引力，目的是将广义相对论和量子力学统一起来，这或许能够成为适用于整个宇宙的万物理论。这是目前物理学上最深奥的问题之一，也是科学家们的终极梦想。
目前，在量子引力的研究中，有一个最有力的学说叫做弦理论。这是一个很浪漫的理论，它认为宇宙的基本单位不是粒子，而是一根一根像琴弦一样的细线。粒子不过是弦的震动而已。就像你拨动一根吉他弦，听到的是“哆”；拨动另一根弦，听到的是“咪”。音乐家们通过一把吉他的六弦合奏，就可以创造出无数美妙的音乐。而宇宙中的弦通过不同的震动会产生一个个粒子，构成我们的世界。虽然说所有的弦都是相同的，但不同的震动对应着不同的粒子、不同的性质。例如，弦的震动越剧烈，粒子的能量就越大；震动得越轻，粒子的能量就越小。无数这样的震动着的弦，奏出了一支巨大的宇宙交响曲。就是用这样一种理论，世间万物的存在都统一到了弦这个概念上，包括引力和基本粒子间的作用力，这才调和了广义相对论和量子力学之间的矛盾，完成了大统一。当然，弦理论目前还没有被证实，能否解开奇点的秘密也不得而知，但它至少提供了一种思路，或许将来有一天，科学家们可以将弦理论进行完善和验证，为物理学翻开新的一页篇章。
好了，我们对宇宙的探索到此为止。作者在书的结尾给我们提出了一个深刻的思考：回顾一下这四个物理理论，你是否发现每一个理论的诞生之路都有相似之处？当牛顿经典力学一统天下的时候，它的万有引力不能解释水星轨道的变化，于是广义相对论应运而生。而广义相对论又在微观粒子面前失效，于是量子力学横空出世。当所有这些已知理论在遇到宇宙大爆炸和黑洞的时候，再一次全部失效。科学家们开始向量子引力理论进军。我们看到科学的发展就是一次一次错误和检讨，在一次次自我推翻和否定中，迈向寻找终极理论的巅峰。
也许有一天，我们真的能够找到量子引力理论的终极奥义，找到那个统一宇宙的万物理论。但是统一以后呢，是不是一切都大功告成了呢？或许在未来的某一天，我们的知识体系会再一次被打破，需要重启新的探索。现代科学的创立还不到400年，而它的智慧却贯穿了整个宇宙，没有什么可以阻挡我们探索的步伐。而这一切都来源于我们对宇宙、对科学那永无止境的好奇和迷恋。
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