果壳里的宇宙

在《果壳中的宇宙》一书中，霍金教授以他独特的热情，邀请我们一道作非凡的时空遨游。这个旅程借大量彩色缤纷插图之助而变幻成超现实的奇境。在这个奇境里，粒子、膜和弦作十一维运动，黑洞蒸发并且和它携带的秘密同归于尽，我们宇宙创生的种子只不过是一个微小的硬果。丹麦王子哈姆雷特怀疑他的叔父谋杀了他的父王并占有他的母亲后，非常愤怒。他曾感叹道：若非噩梦连连，我即使被关在果壳之中，仍然自以为无限空间之王。

时间简史

《时间简史》是由英国伟大的物理学家、黑洞理论和“大爆炸”理论的创立人史蒂芬·威廉·霍金撰写的一本有关宇宙学的经典著作，是一部将高深的理论物理通俗化的科普范本。 在这部书中，霍金带领读者遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、“带味”粒子和“自旋”粒子、反物质、“时间箭头”等进行了深入浅出的介绍，并对宇宙是什么样的、空间和时间以及相对论等古老问题做了阐述，使读者初步了解狭义相对论以及时间、宇宙的起源等宇宙学的奥妙。

以上是科普读物，至于科幻我推荐你读一下《星丛》，另外，刘慈欣的小说（《球形闪电》，《黑暗森林》）很注重宏观与微观的对比，你也许会喜欢，建议你看看。

现代宇宙系当中最有影响的一种学说，又称大爆炸宇宙学。与其它宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化历程。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。

这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。

但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。

宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

扩展资料：

关于宇宙的其他猜想理论：

虫洞喷发说

虫洞喷发说认为：我们现在所生存的宇宙起源于一次时空之门的开启。

在许许多多平行宇宙中，有一个极其普通的平行宇宙，在这个宇宙中，质量最大的一个黑洞的不断地吞噬宇宙中的其他天体，它的质量不断增大，大到其万有引力可以摧毁一切物质形态，首先将其核心变为能量体，能量逐渐积蓄，最终冲破其外壳，向外释放能量，形成虫洞，时空之门打开。

当能量释放完全后，虫洞停止喷发，时空之门关闭。而喷出来的高能粒子，经过漫长的演变后，形成了我们现在所生存的宇宙；那个喷发的虫洞则变为先前那个平行宇宙中的一个普通的天体，这也是我们不能找到宇宙的中心的原因。

新的怀疑

长期以来，“大爆炸”宇宙诞生理论一直被天文学界普遍认同

“哈勃”太空望远镜本次拍摄到了一些宇宙深处的星体，这些星体大概形成于宇宙诞生后的5亿年内（约130亿年前）。然而，这些星体的数量却远远少于科学家们原来的估计。

哈勃拍摄的这些照片可以说明以下二点：要么大爆炸发生后恒星物质的形成并没有科学家们原来设想的那么积极，这并不符合现阶段通行的理论；

由安德鲁·邦克博士领导的英国科学家小组在对哈勃拍摄的照片研究后得出了上述令人吃惊的结论。以便于解开上述这些迷惑。

根据许多科学家数十年来一贯支持的大爆炸理论，我们的宇宙大约诞生于140亿年前。

按照该理论的解释，宇宙形成于140亿年前一个体积极小且密度极大的物质的爆炸，爆炸发生后喷发出物质微粒和能量，也正是从那时起才开始产生了时间和空间、质量和能量。在大爆炸发生前，既没有物质，也没有能量，当然也没有生命。

太阳系形成

太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统，其最大范围可延伸到约1光年以外。太阳系的主要成员有：太阳、八大行星、无数小行星、众多卫星，还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质在太阳系中，太阳的质量占太阳系总质量的998%，其它天体的质量总和不到太阳系的02%。

太阳是太阳系的中心天体，它的引力控制着整个太阳系，使其它天体绕太阳公转，太阳系中的八大行星都在接近同一平面的近圆轨道上，朝同一方向绕太阳公转（金星例外）。宇宙有起源也会有消亡，科学家预计，若干亿年后，宇宙会急剧收缩，以至于回到大爆炸以前的相貌。

参考资料：

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”，一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家惠勒命名为“黑洞”。

随着天文观测的数据越来越多，黑洞存在的证据也越来越多。2019年，在多国科学家协力合作下，人类拍摄了首张黑洞照片，该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。时至今日，黑洞已经不仅仅是理论上的东西，而是被证实了的东西。

现代物理学认为，宇宙有一个起点，时间和空间都是在一个奇点的爆发中创造出来的。这一理论被称为宇宙大爆炸理论。宇宙大爆炸理论非常符合当代天文观测，因此被广为接受。

把整个宇宙的物质塞进一个点，那不就是一个超级大黑洞吗？

物理学的对称性告诉我们，过去和现在都受到同一套自然规律支配着。今天起作用的自然规律，在过去也是一样有效，并且将来还会有效。因此，我们才能推测遥远的过去曾经有过什么，也能对未来加以预测。如果宇宙之初也遵守今天的物理定律，那么，宇宙之初，大量物质聚集在一个奇点，就应该是一个超级大黑洞。

那么问题来了：这个超级大黑洞是如何孕育出我们这个宇宙的呢？

在黑洞理论形成的初期，人们以为黑洞不会放出任何东西。然而，霍金证明，由于量子涨落，黑洞会放出辐射。这种辐射现在被人们称为霍金辐射。

霍金墓碑上刻着黑洞温度公式，公式左边即黑洞温度T，右边的h为普朗克常数，c为光速，π是圆周率，k是玻尔兹曼常数，G为引力常数，M是质量。

从霍金辐射公式可以看出，黑洞的辐射只与其质量有关，且与质量成反比。质量越大，黑洞的温度越低，其能放出的辐射越少。我们还能从该公式看出，黑洞是一个负比热系统。黑洞吸收的热量越多，其温度就越低，放出的热量越少。其实这很容易理解：热是微观粒子的运动，黑洞吸收物质（能量）会让自己变重，越重自然运动得越慢，因此温度也就越低。反过来，假设黑洞放出的热量，那么黑洞就会越来越热，越热就越倾向于放热，最后会爆发消失！

黑洞是吸热还是放热，取决于视界内外的热平衡情况。热量始终是从温度高的地方流向温度低的地方。若是视界外温度高，则黑洞吸热，反之，黑洞放热。因为黑洞特殊的负比热特性，其吸热时会变冷，放热时会变热，因此，一般情况下吸热的黑洞就会一直吸热，而放热的黑洞则可以持续放热。

黑洞越小，温度越高。假设将一辆1000吨的火车压缩成一个黑洞，其温度高达77×1017K，如此高温的黑洞，必然会迅速放热而爆发消失。鉴于小黑洞一旦形成就会爆发消失，所以太小的黑洞并不能稳定存在。因此，稳定存在的黑洞必须拥有巨大的质量。

1936年﹐奥本海默等证明存在一个临界质量，一颗热核能源耗尽的星体﹐如果质量大于这个临界质量﹐就不可能成为稳定的中子星，它很可能坍缩形成黑洞，这个临界质量被称为奥本海默极限。也就是说，如果是恒星死亡后诞生的黑洞的话，其形成的条件需要恒星达到某个临界质量。

人类实际能在宇宙中探测到的黑洞，质量一般很大，因此，它们的温度都是极低的。假设一颗星核质量为三倍太阳质量的恒星塌陷为黑洞，其温度约为13×10`-7K。如此低温的黑洞，必然能从宇宙中吸收热量而不断变大。

按照黑洞理论，诞生宇宙的奇点拥有极大的质量，必然意味着其温度极低。许多书籍介绍大爆炸时认为，诞生宇宙的奇点温度极高，这是错误的。宇宙诞生之初，一定极冷！

在现在的宇宙中，黑洞一旦形成，就开始不断吞噬宇宙中的能量，然后变得越来越冷。这个过程没有什么力量能够阻止，黑洞不断成长，互相兼并，长此以往，宇宙间的一切物质，最终都将掉入黑洞。因此，宇宙会越来越冷。直到有一天，整个宇宙归于一个黑洞！

但黑洞不是宇宙的终点。黑洞并不会在极冷的热平衡中永恒死寂，因为量子涨落的随机性让黑洞无法实现完全的热平衡。

当周围的能量都流进黑洞，视界外的温度越来越低，越来越接近绝度零度，到最后，黑洞几乎无法在从周围获取能量，这时，只要一次量子涨落，至今为止一直吸热的黑洞，就有可能转变为放热的黑洞。也就是说，当黑洞从外界获得能量（物质）的概率过小时，黑洞的状态会由吸热过程转变为放热过程！应验了那句古语：物极必反！

由于黑洞特殊的负比热特性，一旦开始放热，黑洞就会越来越热，这个过程将以不可逆转之势持续下去，越放热，黑洞就越热，越热也就越能放热！起初很慢，然后越来越快，到最后，黑洞会彻底爆发，直至消失！

发现了吗？这就是我们的宇宙大爆炸！

所以，我们这个膨胀的宇宙就是一个超级大黑洞逆转爆发而产生的。这个超级黑洞的爆发，诞生了我们这个膨胀的宇宙。根本不需要莫名其妙的暴胀理论。

克里斯托弗·诺兰凭借指导《星际穿越》入围第41届美国科幻恐怖**奖土星奖最佳导演。2014年末，《星际穿越》再一次在中国引发了科幻浪潮，《星际穿越》中的科学事实、猜想和推测引起了观众的无限兴趣。而黑洞卡冈都亚在**中扮演了重要角色。

图1为《星际穿越》海报

黑洞—光都无法逃逸的牢笼

黑洞是由弯曲的空间和弯曲的时间构成的，除此无他。

假如你是一只蚂蚁，生活在一张儿童蹦床上——那种由高高立柱支撑起来的橡皮膜。此时，一块很重的石头落在其上，把橡皮膜拉向下方。不过，你是一只失明了的蚂蚁，看不见立柱、石头或者弯曲的橡皮膜。但你是一只聪明的蚂蚁，你怀疑自己生活于其中的整个橡皮膜（宇宙）是弯曲的。为了验证橡皮膜的形态，你先在橡皮膜上方靠外围的区域绕了一圈，并测量了圆圈的周长，然后你从这个圆圈的一头穿过中心点径直爬到另一头，并测量了圆圈的直径。如果你所在的世界是平直的，那么圆圈的周长和直径的比值应该正好等于圆周率。可是在蹦床上，你发现圆圈的周长比直径还要小得多。这让你肯定，你的宇宙是高度弯曲的。

图2为爬在橡皮膜上的蚂蚁

在无自旋的黑洞周围，空间弯曲和蹦床类似。取黑洞的赤道面切片，你就会得到一个二维的表面。从高维空间中看，这个表面的弯曲方式和蹦床一样。图3展示了黑洞弯曲的空间，看起来和图1一样，只是我们移去了立柱和蚂蚁，并在黑洞中心用奇点代替了石头。

图3：黑洞的弯曲空间

奇点是一个非常小的区域，在那里二维表面变成了一个点，所以空间才会产生“无限扭曲”。在奇点处，潮汐力无限强大，任何已知物体都会被拉伸和挤压到无法存在。

蹦床的弯曲是由石头的重量产生的。同样地，我们可能会猜想，黑洞的空间弯曲也来自奇点。但并非如此。事实上，它是由引起空间弯曲的巨大能量造成的。

正如准备射箭时拉开一张硬弓需要很多能量一样，空间弯曲也需要大量能量。而与弯曲的弓存储了弯曲能量类似（直到松开弦，能量才会从弓传送到箭上），弯曲能量也存储在黑洞的弯曲空间中，对黑洞来说，弯曲能量是如此巨大，以至于它本身就可以产生空间弯曲。空间弯曲这种非线性、自我循环式的行为违反了我们的日常经验，却正是爱因斯坦相对论物理定律的一个基本特性。这有点儿像科幻小说中，主人公回到过去并孕育了自己的情节。（《前目的地》这个**有这样的情节。）

这种自我循环式的空间弯曲并不在太阳系中发生。空间弯曲在整个太阳系中都显得非常小，这种能量也微不足道，远达不到产生循环式弯曲的级别。太阳系内几乎所有的空间弯曲都是由质量，包括太阳的质量、地球的质量、其他行星的质量直接产生的。相反，黑洞的空间弯曲则完全由弯曲自身造成。

黑洞卡冈都亚的构造：推测却无法证实

如果我们知道黑洞的质量和它的自旋速度，那么通过爱因斯坦的相对论物理定律，我们便可以推算出黑洞的其他性质：大小、引力强度、视界在赤道附近因离心力而向外延伸的程度，以及黑洞对其背后天体所产生的引力透镜效应的细节，甚至黑洞所有的性质。（就好像一旦知道了我的体重和奔跑速度，就能推断出关于我的一切）正如**《星际穿越》所展示的，通过研究米勒星球的性质，物理学家通过相对论推断出卡冈都亚的质量和自旋速度，从而了解关于此黑洞的所有事情。

而对于卡冈都亚的结构奥妙，只能去推测而无法证实。

《星际穿越》的科学顾问基普·索恩在解读星际穿越的时候，曾经对卡冈都亚做了合理大胆地推测。

图4为卡冈都亚的结构

在如图的卡冈都亚周围，有一个类似“火壳”的东西。引力在黑洞附近是如此强大，空间和时间弯曲是如此强烈，以至于光线会被困在视界外的轨道上，绕着黑洞一圈又一圈地转动，很长时间后才可以逃脱。这些禁锢光线的轨道不稳定，因为光线最终总会逃离它们。索恩教授喜欢称这些暂时被禁锢的光线为“火壳”。

可能《星际穿越》在中国引起的热潮已经过去，但通过这部**我们可以更大程度地去了解宇宙，了解那些神秘的科学力量。**中的每一个华丽特效都是一场严谨的科学追求，希望中国未来的科幻**也要有如此探索的精神。

出品：科普中国

制作：北京邮电大学 战博豪

监制：中国科学院计算机网络信息中心

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。