汪诘开讲宇宙学新知 01：霍金的《时间简史》过时了？

因为忙于《寻秘自然》系列，好久没有给大家写东西了，脑子里存了好多关于天文学和宇宙学的内容想跟大家分享。终于成稿，希望你喜欢。

天文学是一级学科，它的深度和广度不亚于数学、物理、化学。

在我的所有著作中，讲天文的是最多的，比如《星空的琴弦：天文学史话》、《太阳系简史》（这本书原名《太阳系新知》，但出版社为了强行蹭当年的“简史”热，给改的名字，我很不满意）、《地球的眼睛：地基和太空天文台传奇》、《亿万年的孤独：地外文明搜寻史话》、《太空探索者》，这几本都是专门讲天文的。另外，我还有好几本书也都涉及到天文方面的话题。因此，天文方面的知识实在是太庞杂了。

而现在，同事想让我新开一个“天文”主题的精品专题，还给我下了这么一个要求：

干货，还是干货！只给你 10 期左右的时间，从你满肚子的天文知识中，精挑细选一些你认为最值得讲的东西出来。注意，挑出来的内容必须是精品，别用烂大街的东西来水字数。

嗯，我觉得这个要求非常正当，我必须找出最精华的那部分内容，满足那么多对我怀有期待的读者。具体怎么布局这 10 期的内容呢？让我思考一下……我所掌握的天文学知识，可以分成几大类：

01 科学史类。天文学是最古老的自然科学之一，它的历史之长、分支之多，实在难以尽述。
02 新知类。就是人类对宇宙的当下最新认识，它们是最近二十年基本得到了科学共同体的认可，并且改写或者更新了很多教科书上的知识。比如最典型的：宇宙到底有多大，长什么样这个问题，最近二十年有大量的新知。
03 科学猜想类。这部分知识是我们根据已有的观测证据，对宇宙方方面面的科学猜想。这些猜想虽然尚未得到科学共同体的普遍认可，但它们都有很大的概率是正确的，将来很可能会找到过硬的证据。比如说，人类对暗物质的猜想，对快速射电暴的猜想、对外星生命的猜想等等。
04 未解之谜类。宇宙中有很多现象，科学家基本上已经证实了这些现象是存在的，但我们对这些现象的成因却几乎一无所知，即便有猜想，也属于非常初级的阶段，很可能现在的这些猜想完全是错误的。最典型的就是宇宙暗能量。

作为一个忙碌的现代人，你很可能对人类文明方方面面的成果都感兴趣，但一个人的时间精力毕竟是有限的，面对几乎无限多的文明成就，都想要是绝无可能的。假如你的注意力能分配给天文学的就是 10 篇文章的阅读时间，那我觉得，你最该掌握的是第二类，也就是新知类。

如果还有余力可以再了解第三类和第四类，科学猜想和未解之谜。最后才轮到科学史。因为只有这样，你才能体现自己是一个现代人不是吗？假如牛顿、伽利略他们穿越到今天，你的学识竟然不能让他们感到惊讶和佩服的话，那我们岂不是白白活在二十一世纪了。现代人就应该掌握一些现代最新的知识。

所以，我这次的新专栏重点是讲 2、3 类，也就是新知类和科学猜想类，但我会留一些时间出来，选择性地讲讲第一类科学史或者听第四类未解之谜类，说实话，这两类知识也都能让你在吃饭聚餐的时候高谈阔论，大放异彩，到底哪一类更吸睛，我也说不好。

前言够长了，让我们开始正式的内容。从我们人类对宇宙的当下最新认知开始。

面对宇宙，我们一直就有三个最最基本的问题：宇宙有多大？宇宙包含了多少物质？宇宙存在多久了？

这三个问题是宇宙学中的最基本三问，也可以说是人类对宇宙最好奇的三个问题，也是三个最容易听懂的问题。说实话，宇宙学中的有些问题，要理解问题本身就需要讲上好几个小时都不一定够，但这三个问题不一样，小学生也能立即听懂是什么意思。

但你千万不要以为这三个问题我们人类早就能回答了，或者说，早就已经不算什么新知了。错了，这三个问题恰恰是人类一直在求索，一直在更新答案的问题，我们对这三问的探索，还远远没有抵达终点。

让我先从宇宙有多大这个问题开始讲起。这个问题是被小朋友们经常问的一个题，我不知道，如果你的孩子这么问你，你会怎么回答。如果现在有一个家长随口回答说：宇宙是有限大的，并且越年轻的宇宙越小，宇宙正变得越来越大。听到这个回答，我可以判断出，这位家长是有一定天文学知识的家长，小时候多半也是一个天文爱好者，对宇宙学有一定的了解。

如果有另一位家长也随口回答道：宇宙是无限大的。对我来讲，这就有点麻烦了。这位家长要么是一个对宇宙学一无所知的家长，要么是一个对现代宇宙学的发展了如指掌的人。

实际上，如果一个人完全没有学习过现代天文学知识，仅仅凭着自己朴素的经验和哲学观，很容易得出“宇宙是无限大”这样的一个结论。人类历史上的无数先贤也确实是这么认为的。这是因为，按照我们常人的逻辑，如果宇宙不是无限大的，那你告诉我：宇宙的外面是什么呢？在普通人的观念中，外面是一个不需要条件的概念，不管什么东西，只要有边界，我就可以问，这个边界之外是什么？但是，当一个人具备了一定的科学素养后，会开始明白，“外面”的存在，并不是天经地义的，谁说一定要有“外面”呢？

如果你穿越回 1988 年的英国伦敦，你有机会去问当时世界上最好的宇宙学家，他刚刚出版了一本叫《时间简史》的书，在全世界卖疯了。是的，他就是斯蒂芬·霍金。

那一年，霍金 46 岁，他肯定不能算是当时全世界最好的物理学家，但完全可以担得起全世界最好的宇宙学家。在《时间简史》这本书中，霍金就用科普的方式回答了宇宙有多大的问题。他说，我们的宇宙是一个有限无界的四维超球体。

想要理解有限无界这个概念，你就必须先接受我们所看到的空间可以是弯曲的这个概念。比如说，我夜晚拿起一只激光笔，向宇宙中打出一束光，在我们肉眼可见的感觉中，这束激光是完全平直的一条线。但那只是因为我们肉眼的可见范围太小了而已。这就好像我们无法感知到地球是一个球体，我们站在地球上，其实是站在一个弯曲的球面上，只有飞到太空中，才能看到地球是一个球体。同样的道理，我们之所以感受不到激光是弯曲的，那只是因为我们的眼界不够。

如果我们的眼界足够，就会看到激光是弯的。而弯曲的激光与我们在一张平坦的纸上画出一根弧线是完全不一样的，激光的弯曲并不是因为激光的路径是弯曲的，而是因为整个空间是弯曲的。就像我如果在纸上画一条直线，把纸条弯曲起来，你会看到这根直线也变成了弧线。激光在空间中一定是沿着最短路径传播，但因为空间本身就是弯曲的，所以光也就成了弯曲的。

弯曲一张平坦的纸这个很好理解，但是弯曲空间这件事情对于绝大多数普通人来说就很难理解。关键的原因在于，纸片是二维的，我们是三维的生物，所以从三维看二维，就很容易理解弯曲是怎么回事。但问题是，空间是三维的，我们身处在三维的空间中，就很难理解弯曲的空间是怎么回事。这就好像，如果有一只蚂蚁在这张纸上爬，蚂蚁也很难感知到这张纸被我弯曲了。但空间真的是可以被弯曲的，关于这一点，我们不仅有完善的物理理论来描述，就是爱因斯坦的广义相对论，而且，我们还找到了非常有力的证据。最有名的一项证据就是 1919 年，英国物理学家爱丁顿通过日食的时候观察天上星星的位置，证实了太阳的巨大引力可以弯曲周围的空间。

好，假如你现在接受了空间是可以弯曲的这个事实。你就不难接受，宇宙可以是一个有限但无界的循环空间这样一个奇怪的观点了。换句话说，霍金认为，如果你朝着宇宙中的任意一个方向一直飞一直飞，最终你会回到原地，尽管你自己觉得你一直在沿着直线朝一个固定的方向飞，没有拐弯，但因为宇宙本身是一个超球体，你一定会回到原地。这就好像麦哲伦当年的环球航行一样，他的船队朝着东方一直航行，最终回到了原地。

霍金关于宇宙有限无界的这个模型被写在《时间简史》这本书中，随着这本书在全球热卖几千万册，宇宙是有限大的这个概念也逐渐深入人心，也成了很多科普书讲到宇宙大小时的一个必写的知识点。说实话，宇宙有限无界的概念是反直觉、反经验的，能接受这个概念，并且随口告诉自己的孩子，这已经可以充分说明，这位家长是具备很不错的科学素养的。

但是，这个观念，最近这 10 多年来，几乎已经被彻底转变了。预知详情，周五更新见！