核心内容
本文基于霍金的第二部科普作品《果壳中的宇宙》，核心内容是霍金为我们介绍了相对论、量子力学等20世纪物理学中最重要的知识，还介绍了时间旅行、虫洞等新奇的概念。而其中最核心的内容，是霍金通过引入虚时间的概念，将宇宙的历史归结成一个表面轻微起伏的四维球面，正如一个果壳。内容综合整理来自得到的柴知道解读。
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回顾下霍金的生平
斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日至2018年3月14日），出生于英国牛津，英国剑桥大学著名物理学家，现代最伟大的物理学家之一、20世纪享有国际盛誉的伟人之一。
霍金的主要研究领域，是黑洞和奇点，他在这两个领域做出了很大的贡献。他是剑桥大学的卢卡斯数学教授，这个职位，是牛顿和狄拉克这样的顶尖牛人才能获得的，由此你就能感受到霍金在学术上的贡献有多高了。
1963年，霍金21岁时患上肌肉萎缩性侧索硬化症（卢伽雷氏症），全身瘫痪，不能言语，手部只有三根手指可以活动。1979至2009年任卢卡斯数学教授，主要研究领域是宇宙论和黑洞，证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理，提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型，在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。获得CH（英国荣誉勋爵）、CBE（大英帝国司令勋章）、FRS（英国皇家学会会员）、FRSA（英国皇家艺术协会会员）等荣誉。
前言
《果壳中的宇宙》的书名，来源于莎士比亚的作品《哈姆雷特》。《哈姆雷特》在第二幕第二场的时候，有一句台词，说“即使把我关在果壳之中，仍然自以为无限空间之王”。在霍金看来，这句话恰好符合了宇宙的现实，他认为，宇宙的历史也是果壳状的，所以就把这本书起名为《果壳中的宇宙》。这句话有点不好理解，不过听完了这本书，你就能明白他为何会这么说了。
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霍金在前言中说，《时间简史》是一部线性结构的书，每一章的逻辑都依赖于前面的章节，所以必须要按顺序看。而《果壳中的宇宙》最大的特点就在于，各个章节之间相对独立，按霍金的说法就是，这本书的前两章相当于一棵树的主干，剩下的都是蔓延出去的枝叶，你只要先把前两章给看了，后面的章节可以不按顺序阅读，挑自己感兴趣的话题看就行了。
《果壳中的宇宙》的前两章，一是讲到了爱因斯坦的相对论，二是讲到了霍金自己提出一个宇宙模型，是这本书的主干。在后面的章节里，最重要最有价值的，当然是跟书名一样的那一章，“果壳中的宇宙”。
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所以接下来，我就通过这几章中的内容，顺着霍金的思路，带着大家来看看他为什么说我们生活在果壳之中。我会从以下三个问题入手讲起：第一个问题，爱因斯坦是如何把时间和空间联系到一起，给宇宙赋予形状的？第二个问题，霍金是如何运用数学方法来构建“无边界宇宙模型”的？第三个问题，霍金为什么说宇宙的历史是果壳状的？
第一部分
先来看第一个问题，爱因斯坦是如何把时间和空间联系到一起，给时空赋予形状的？
在20世纪之前，人们对时间和空间的了解基本上来源于日常观察，认为时间和空间都是绝对的，不受干扰的。这种观点叫“绝对时空观”，它的代表人物是牛顿。
牛顿认为，时间是一成不变的，永远在往前走，所有的钟表，只要是准确的，那它们测量到的时间都一样。时间绝对不受任何事物影响，是匀速流动的，对所有人来说都一样公平。空间也是，牛顿曾说过一句话，说空间“是和任何外界事物都无关的，它从不运动，并且永远不变”。
也就是说，在绝对时空观中，时间和空间跟其他任何东西都无关，是所有事物的背景。而且，它们俩之间，也没有一点联系。空间是三维的，时间是独立于空间之外的一个维度，按照霍金的说法，就像是一根向两边无限延伸的铁轨。
但在20世纪初的时候，爱因斯坦的相对论横空出世，一举推翻了以牛顿为代表的绝对时空观，为时间和空间赋予了形状。
先从时间说起。在20世纪的时候，人们已经发现了，光具有波的性质，当时科学家们认为，既然是波，那无论是光，还是其他电磁波，都一定需要一种传播介质。水波的介质是水，声波的介质是空气，那光波或者电磁波的介质是什么呢？科学家认为，是“以太”，以为的以，太空的太。
以太充满了整个宇宙，无所不在，而且绝对静止。当我们说光速的时候，那就是相对于以太这个绝对静止的参照系而言的。那如果我们换个参照系，比如说是一架运动的飞机，如果飞机顺着光传播的方向飞，那在乘客看来，光速就会变慢，逆着光传播的方向飞，那光速就会变快。
但问题是，人们通过实验发现，这个说法根本就不符合事实。无论人们怎么测量，选取什么参照系，无论你是静止还是在高速运动，光速相对于你总是恒定的。也就是说，光速跟参照系无关，跟运动状态无关，是永远不变的。
光速不变的发现，引发了一个很重要的推论：就是并不存在一个绝对的时间。如果两个观察者的运动状态不同，那他们眼中的时间也不同。
举个例子，假如你站在地上，这时候天上飞过了一艘宇宙飞船。宇宙飞船里面有个人，站在船尾，他用激光发射器向船头发射了一束光。那在他看来，这束光走的距离，刚好是这个飞船的长度。但在你看来，因为飞船在向前运动，所以光在走的时候，船头也在向前走，如果这束光要到达船头，那它跑的距离，其实要比飞船的长度更长一些。
好，那问题来了，这束光到底飞了多久呢？很简单，只要拿距离除以速度，就能够获得答案。我们现在已经知道了，虽然你和飞船里的人运动状态不同，但光速在你们看来都是不变的。但问题是，在你跟他眼里，这束光跑的距离是不一样的，所以在你们俩看来，这束光从船尾到船头所花费的时间，也是不一样的。
这就从另一方面代表着，即使是同一件事，在运动状态不同的观察者看来，它花费的时间也是不一样的。所以爱因斯坦提出，没什么绝对的时间，每个观察者都有一个自己的时间。这可不只是不同人的主观感觉不一样，已经有很多实验都证明了这一点。这么一来，绝对时间的观念就被打破了。爱因斯坦的这套理论，就叫做狭义相对论。
狭义相对论虽然厉害，但是有个问题，就是没法儿跟牛顿引力定律相协调，所以叫“狭义”嘛。哪里没协调好呢？在狭义相对论中，宇宙信息最快的传递速度，就是光速。但在牛顿的引力定律中，引力的传播速度是无限的，只要远方多了一个物体，那不管你离它多远，立刻就能感知到它的引力。这跟相对论是矛盾的。
爱因斯坦为了把引力纳入到自己的理论中，就又提出了一个新理论，也就是广义相对论。广义相对论认为，引力的本质，是时空的弯曲。像地球这样的物体，本来是想在时空中沿着直线运行的，但太阳这样的大质量物体把时空给压弯了，所以影响了地球和其他行星运动的轨迹。这一理论，就叫做广义相对论。
霍金用了一个很出名的比喻，来说明广义相对论的原理：你可以把宇宙时空想象成一张橡皮膜，把太阳、地球这样的物体想象成一个个球。如果你往时空膜上扔一个球，那膜就会弯曲变形。其他在膜上运动的球，也会受到这种弯曲的影响，改变自己的运动轨迹。
这就是引力的本质。这同时也说明，引力的传播也是需要时间的，不会超过光速。这么一来，引力就跟相对论协调了。同时也代表着，绝对空间的观念被打破了，空间不是不变的，而是像这张橡皮膜一样，会发生形变和弯曲，是具有形状的。
但这里有一点需要格外的注意。橡皮膜和球的这个比喻广为流传，非常生动形象，但却并不完整。霍金说，在这个比喻中，我们能感受到的只是空间的弯曲，但在相对论、以及各种实验中，科学家发现，时间和空间是难分难解地纠缠在一起的，你不能说我只弯曲空间，不弯曲时间，那是不行的。空间的弯曲一定也伴随着时间的弯曲，这就从另一方面代表着，时间和空间一样，也是具有形状的。
为了说明这个道理，霍金还在书里放了一张图，图上是类似于一个绳子打成的结的形状，这个交缠扭曲的形状，就像是弯曲的时空。这说明，时间和空间不光会受到其他东西的影响，它们两者之间也有着密不可分的关系，时空是一个不可分割的整体。所以通过广义相对论，爱因斯坦就给时间赋予了形状。
到这里，第一个问题你就明白了，爱因斯坦是怎么给时空赋予形状的？在“绝对时空观”看来，空间和时间是一切事物的背景，绝不受任何事物的干扰，相互之间也没有关系。但狭义相对论的出现打破了“绝对时空观”，爱因斯坦发现，对于不同运动状态的观察者来说，他们眼中的时间也是不同的。接着他又提出了广义相对论，认为引力的本质是时空的弯曲，时间和空间是紧密交缠在一起的，都会发生形变和弯曲，由此把时间和空间联系到了一起，给时空赋予了形状。
第二部分
刚才的第一个问题，我们讲了爱因斯坦是如何给时空赋予形状的。而霍金在爱因斯坦的基础之上，利用数学方法，构建了自己的宇宙模型。那么接下来的第二个问题就要来看看，霍金是怎么给宇宙的历史赋予形状的？
在相对论提出之后，科学家们对宇宙时空的观察和研究，开始慢慢的变深入。在20世纪20年代的时候，埃德温·哈勃等科学家发现，宇宙里绝大部分的恒星或者星系，都在相互远离。这就说明，宇宙正在不断地膨胀。你可以把这个画面想象成吹气球。随着气球逐渐膨胀，气球上的各个点之间的距离也会慢慢的远。我们的宇宙就跟这个气球类似，也在持续膨胀。
宇宙膨胀是20世纪最伟大的科学发现之一，并且带来了一个非常惊人的推论：你想想，既然宇宙一直在膨胀，那如果我们把时间往前推，宇宙不就比现在小得多吗？根据目前的膨胀率来计算，如果我们往前倒推100至150亿年，那宇宙中所有的物质应当集中在一个点上。这个点密度无穷大，体积无限小，是一个“奇点”，奇怪的奇，这个奇点，就是宇宙时空的开端。霍金和他的合作伙伴彭罗斯共同证明了，如果广义相对论是对的，那宇宙和时间本身，都一定开始于这个奇点之中，它们是在宇宙大爆炸中诞生的。
但问题是，根据广义相对论的计算，在宇宙大爆炸的那一刻，包括广义相对论在内的一切物理定律都失效了。所以宇宙诞生的奇点非常特别，我们没法儿去研究它，也不知道大爆炸的那一刻发生了什么，不知道宇宙的开端是怎样，也不知道宇宙为何会变成今天这个样子。
虽然宇宙大爆炸理论已经被广泛接受了，但不少科学家还是对这个理论不太满意。因为既然我们没法儿研究宇宙的开端，那就等于把宇宙起源问题排除在了科学之外，给宗教留了一个空子。
为了解决宇宙起源的问题，霍金利用数学方法，引入了一个叫“虚时间”的概念，虚拟的虚，提出了一个“无边界宇宙模型”。在这个模型中，宇宙是一个四维的球状时空，没有奇点，也就不存在起源问题。
先来看看“虚时间”是什么。霍金把我们日常感知到的那个时间叫做“实时间”，实在的实。“虚时间”是和“实时间”相对的一个概念，但我们平常感觉不到，因为它是一个数学概念，跟数学上的“虚数”有关。
简单说一下什么是“虚数”。我们都知道，任何数的平方，一定大于等于零，比如-5的平方是25，所以只有0和正数才有平方根，负数没有。但数学家在计算中经常会遇到一些奇怪的数字，比如根号-5，你说这怎么办？这种负数的平方根，是一个纯粹的数学概念，不会在实际生活中出现，所以叫“虚数”。
那虚数怎么表示呢？我们平常画的数轴，都是一条横线，负数在0点左边，正数在右边。如果我们过这条数轴的0点，画一条跟它垂直的纵轴，那这条纵轴上的数字，就是虚数了。所以在数学模型中，代表实数的实数轴，和代表虚数的虚数轴，是相互垂直的。
虚时间的概念，就跟虚数有关。按霍金的说法，用虚数来度量的时间，就是虚时间。他画了一张图，其实也就是两根互相垂直的数轴，横着的那一根，代表宇宙在实时间中的历史，竖着的那一根，代表宇宙在虚时间中的历史。
所以在这个数学模型中，实时间跟虚时间之间是垂直的，宇宙在实时间中的历史，跟在虚时间中的历史，也是相互关联的。这听起来有点抽象，我们只要知道，虚时间实际上的意思就是对实时间做了一种数学上的转换处理，二者之间有密切关联，就好像是对方的投影一样，这就可以了。
那这种数学转换到底有什么用呢？霍金说，爱因斯坦在广义相对论中，把实时间和三维空间合并了起来，组成了四维时空。但是在这个时空中，时间和空间的方向是不一样的。你想啊，一个人可以在空间的任意方向上移动，但是在时间方向上，就只能从过去走到未来，单向移动。
但霍金通过数学转换，引入虚时间的概念之后，情况就变了。虚时间在数学上等价于空间，按霍金的说法，就相当于是空间的第四个方向。虚时间就相当于一条双行道，比实时间更为灵活，具有更多的可能性。在虚时间的帮助下，霍金就为宇宙的历史赋予了形状。
霍金利用这种方法，把时间变成了一个跟空间差不多的东西，构建出了一个四维的球面宇宙模型，也就是“无边界宇宙模型”。这个宇宙是怎样呢？霍金用地球做了个类比。
人类无法想象四维的东西，所以霍金说，我们大家可以大概把宇宙在虚时间中的历史，想象成一个二维的地球表面。
在虚时间中，宇宙的确有一个起点，就好像是地球上的南极点。但是南极点本身并没什么特别之处，跟地球上的其他点一样，都遵循同样的物理规律。所以在这个模型里，宇宙没有一个特别的奇点，所以也根本没有开端和起源。这个宇宙完全自给自足，它就是存在本身，不需要上帝来创造它，这就解决了宇宙历史起源的问题。
这里多说一句，无边界宇宙模型目前还只是霍金的一家之言，并没有被广泛接受。目前被科学家们广泛接受的宇宙历史，还是以宇宙大爆炸模型为基础的。
讲到这里，你就知道了霍金是怎么给宇宙的历史赋予形状的。霍金利用数学方法，引入了“虚时间”的概念，相当于是实时间的一个投影。霍金认为，宇宙在虚时间中的历史，是一个四维的球面，这个理论因此被称为“无边界宇宙模型”。在这个模型中，宇宙没有一个特别的奇点，因此没有开端和起源，也就不需要上帝来创造它。
第三部分
在前两个问题中，我们先讲到了爱因斯坦的相对论，又讲到了霍金的无边界宇宙模型。在这个基础之上，我们终于可以来回答接下来的第三个问题了，霍金为什么说宇宙的历史是一个果壳？
霍金在“果壳中的宇宙”这一章的标题下面，写了一句摘要，说“宇宙具有多重历史，每一个历史都是由微小的硬果决定的”。在霍金看来，自己的“果壳理论”，是把爱因斯坦的广义相对论和费恩曼的多重历史思想合并在一起所形成的，它可以描述“宇宙中发生的一切事物”。广义相对论刚才已经讲过了，那这个被反复提到的，费恩曼的“多重历史思想”，到底是怎么回事呢？
费恩曼是一位非常伟大的物理学家，中文翻译时也经常叫他费曼。费恩曼的主要研究方向是量子力学，这是和相对论并列的，当今物理学的两大支柱理论之一。“多重历史思想”，就能解释量子力学中一些非常诡异的发现。
举个例子。假如现在有个足球，我们要把这个球从A点踢到B点，那这个球的运动轨迹只有一个，无论球是直着飞过去的，还是划出一道弧线飞过去的，反正就只有一种可能，它在中途每一点的位置都是确定的。
但在量子力学中，情况就不是这样了，科学家们在观测微观粒子的时候发现，即使我们大家都知道一个粒子从A点走到了B点，但我们却并不知道它是怎么走过来的，或者说，在粒子到达B点之前，我们根本就不知道它在哪个位置。
那这在某种程度上预示着什么呢？费恩曼认为，这说明，这个粒子同时走遍了所有可能的路径。它既走了一条从A直接连到B的路径，也有一定的可能在中途绕了一个圈，还可以在中途先跑到几公里外的一家餐馆转一圈再转个弯回来到达B点，总之一切有可能的路线，这个粒子都同时跑了一趟。
霍金说，你别看这个想法听起来违反了我们的直觉，但是它完全经得起实验检验，所以已经被当做科学事实而广泛接受了。在刚才的这个例子中，粒子在从A点到达B点之间所发生的事情，就是这个粒子的历史，这个粒子同时跑了所有可能的路径，所以它的历史不止有一个，而是有多重历史。这就是费恩曼“多重历史”思想的来源。
这里顺便说一下，在量子力学中，存在着非常多难以理解的反直觉现象，所以费恩曼还有一句名言，说“没人能真正理解量子力学”。
言归正传。霍金说，如果我们把“多重历史”的思想运用到宇宙整体的话，那就会发现，宇宙跟刚才说的粒子一样，也没有一个单一的历史，而是具有多重历史。之前说过，霍金在无边界宇宙模型中预言，宇宙在虚时间中的历史，是一个封闭的球面。那根据多重历史思想，这个球面有可能是个完美的、均匀的四维圆球面，也有一定的可能是个像核桃壳这样的果壳一样，有轻微起伏、凹凸不平的球面。那么问题来了，霍金凭什么说，我们这个宇宙在虚时间中的历史，一定是果壳状的呢？
霍金在这里采用了“人存原理”，来回答了这样的一个问题。人存原理，人类的人，存在的存，它的意思就是说，宇宙必须是现在这个样子的，否则人类根本就没机会出现，也就不会有人在这里问宇宙为什么是这个样子的了。
人存原理听起来有点耍赖，但霍金认为，人存原理在解释宇宙起源时扮演着很关键的角色。宇宙可能存在多重历史，但其中绝大部分的历史根本就不适合智慧生物出现。
他打了个比方，说为什么我们恰好生活在三维空间中呢？假如现在有一个生活在二维空间中的纸片人，那它体内贯穿全身的肠子，就会把它的身体一分为二了，它根本没法儿进行复杂的活动。如果是四维空间的话，那根据计算，当两个物体靠近的时候，他们之间的引力会迅速增加，所以像行星这样的东西，就没法儿形成稳定的轨道，要么被恒星吞噬，要么跑到外太空去，也无法孕育智慧生命。
所以说，只有在包含三维空间的宇宙历史中，才有可能诞生智慧生命，才会有人跑来问，“哎为什么我们的宇宙是三维的？”
霍金承认，根据多重历史思想，宇宙在虚时间中的历史，的确可能是一个完美的圆球面。但这种宇宙跟我们人类没有关系。因为虚时间和实时间之间，有着密切的关系，宇宙在虚时间中的历史，同时也确定了我们在实时间中所经历的一切。
如果宇宙在虚时间中是一个完美的圆球面，那根据他的计算，这就从另一方面代表着，宇宙在实时间中会一直疯狂暴胀，而且膨胀速度越来越快，永无止境，如果这样的话，物质就没有机会集中在一起，形成星系和恒星，就更没机会形成生命了，像我们这样的智慧生物，压根就不会出现。所以这样完美的球面型宇宙，跟人类是没有关系的。
在霍金看来，我们生存的这个包含智慧生命的宇宙，在虚时间中的历史，应当是一个稍微变形的、有起伏的球面。这样的话，它所对应的、在实时间中的宇宙，同样会以暴胀开始，但之后的膨胀速度会逐渐缓慢下来，恒星、行星、智慧生命这些东西就有机会形成了。所以霍金认为，我们的宇宙在虚时间中的历史，一定是一个有着轻微起伏的果壳。
总结一下，霍金为什么说宇宙的历史是一个果壳呢？霍金认为，宇宙在虚时间中的历史，也确定了宇宙在实时间中的历史。根据“多重历史思想”，宇宙可能拥有多重历史，但这些历史中，只有少数宇宙才适合智慧生命的诞生。这些宇宙在虚时间中的历史，只能是有着轻微起伏的四维球面，就好像是一个充满褶皱的果壳。我们就像哈姆雷特说的那样，都生活在这个果壳之中。
总结
聊到这里，《果壳中的宇宙》的精髓，也就是霍金为什么说我们生活在果壳之中，我们该有所了解了。内容有点多，再总结一下：
首先讲到的第一个问题，是爱因斯坦是如何给宇宙时空赋予形状的。在爱因斯坦之前，人们一直信奉“绝对时空观”，认为空间和时间都是绝对的，不受任何干扰。但爱因斯坦通过狭义相对论，打破了绝对时间的观念，又通过广义相对论，在时间和空间之间建立起了联系，给时空赋予了形状。
接下来的第二个问题讲到了，霍金是怎么给宇宙的历史赋予形状的。霍金通过数学方法，引入了一个叫做“虚时间”的概念，虚时间跟实时间有着密切联系，但比实时间更灵活。霍金提出，宇宙在虚时间中的历史，是一个封闭的四维球面，没有奇点，没有起源和开端，也不需要上帝来创造它。这被称为“无边界宇宙模型”。
最后一个问题是，霍金为什么说宇宙的历史是一个果壳？霍金把广义相对论和“多重宇宙思想”结合起来，认为宇宙的确可能拥有多重历史，但并非所有的历史都适合人类生存。我们生存的宇宙在虚时间中的历史，一定是有着轻微起伏的四维球面，这样的话，它在实时间中才有可能形成星系、恒星以及智慧生命。这个有着轻微起伏的求面宇宙，就好像是一个果壳，我们所有人都生活在这个果壳之中。
撰稿：汪花生 脑图：摩西
