我们生活在一个怎样的世界？
这是每个仰望星空的人都会自然而然发出的疑问。
从华夏上古神话的盘古开天，到古希腊亚里士多德的地心说，再到欧洲文艺复兴哥白尼的日心说，直至现代物理学主张的宇宙大爆炸理论，世界的形态随着人类经验的累积与理性的演算被不断革新。
其实，对于大航海时代以前的人类来说，天圆地方的世界观也无伤大雅，毕竟没有人会环球旅行，民国以前的中国人还一直觉得中国就是天下了呢，海外根本不足为虑。
对于现代社会的人呢，地心说也已足够，在我们的话语体系中，世界与全球通常可以互换，最多扩展到日心说，也不过是考虑日地月三者之间的关系而已，至于其他系内行星、彗星，对人类生活的影响几乎可以忽略不计。
既然如此，人类为何还对宇宙如此痴迷？想必是好奇心与理性力量的驱使吧。
如今，好奇心与理性力量最强、肩负探索宇宙终极真理这一使命的理论物理学家，又将人类的世界观革新到什么层次了呢？
被誉为爱因斯坦之后最伟大的物理学家的霍金Hawking，在这本《A Brief History of Time》中给出了一个相当权威的回答。
需要注意的是，这本书出版自1988年，至今约30年，在此期间理论物理学又有了新的进展，霍金本人也在“否定之否定”中进化着自己的理论。不过，这本即便被迅猛发展的科技反衬得有点“过时”的科普读物，对于非专业读者来说仍足够超前。
【宇宙观】
公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德Aristotle在《On the Heavens》中说，人类生活在一个巨大的球体上，这对于天圆地方的传统经验来说已是一大进步。
公元2世纪，古罗马的天文学家托勒密Ptolemy进一步发展出“地心说”，即从地球向外，依次是月亮、行星、太阳、恒星在各自的空间球面上绕地旋转。
1514年，文艺复兴时期的波兰神父哥白尼Copernicus提出“日心说”，之后德国的开普勒Kepler与意大利的伽利略Galileo也支持这一观点。开普勒发现，地球等行星的轨道并非正圆，而是椭圆；伽利略通过望远镜观测到木星与木星卫星，表明天体并非只能绕地旋转。
1687年，牛顿Newton发表奠定近现代物理基础的《自然哲学的数学原理》，给出了计算天体引力的公式。
1929年，美国天文学家哈勃Hubble发现，所有河外星系发出的光存在“红移”的多普勒现象，也就是光向低频率累积，表明所有河外星系都在远离我们，即宇宙在扩张。由此反推，宇宙也许是从过去的一个点膨胀到现在的样子，即“大爆炸”理论。
1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯Penzias与罗伯特·威尔逊Robert Wilson发现宇宙微波背景辐射，即来自天空各个方向都能检测到波长为7.35厘米的微波，温度相当于3.5K，表明宇宙在大尺度上是均匀的，即没有一个绝对的宇宙中心，各个方向上都均匀分布着各种星系。
【时间、空间不再绝对】
亚里士多德认为，地球是静止的，其他一切都是相对地球运动。牛顿认为，只有相对静止，没有绝对静止。但两人都认为时间是绝对的。
1676年，丹麦天文学家罗默Romer发现，光速恒定，约为每秒30万公里。
1865年，英国物理学家麦克斯韦Maxwell统一电力和磁力，并推测光波或无线电波速度恒定。
1905年，爱因斯坦在光速恒定基础上提出狭义相对论，进而破除了绝对时间的概念。由于相对于不同速度的两人，光的运动距离并不相同，鉴于光速恒定，两人所经历的时间也不同。
1915年，爱因斯坦提出广义相对论，认为时空并不均匀，而是被其中的质能扭曲。
先说空间扭曲，这个概念彻底改变了引力的概念。比如，传统观念认为，地球在引力作用下围着太阳转；相对论认为，地球沿着太阳扭曲的空间曲面作短程线运动。比如，从北京到上海的最短铁路线，表面上看是一条直线，但由于地球表面是球面，或者说曲面，这条短程线实际上是一条曲面短程线。
再说时间扭曲。比如，距离地心越近，时间越慢。山顶要比山脚的时间快。人造卫星的时间要比地面的时间快。如果不考虑相对论的时间差异，人造卫星的位置可能会差出好几公里，GPS也都没法用了。
【基本粒子与力】
宇宙是由什么组成的？中学课本上说，物质是分子组成的，分子是原子组成的，原子包含原子核与电子，原子核包含质子与中子。
目前，科学家证实，质子和中子是夸克组成的。夸克有六“味”，分别是上up、下down、粲charm、奇strange、底bottom和顶top。质子包含两个上夸克和一个下夸克，中子包含两个下夸克和一个上夸克。自然状态下，粲、奇、底和顶夸克都不稳定，会迅速衰变为上下夸克。
基本粒子（夸克、电子、光子）有一种被称作“自旋”spin的属性。其实，基本粒子并没有一个固定的自转轴，自旋是说，如果spin=0，那这个基本粒子的形态就好像一个点，从各个方向看过去都是一样的；如果spin=1，就像一张黑桃A，旋转360度之后，才与原来一样；如果spin=2，就像一张红桃Q，旋转180度，就与原来一样；如果spin=0.5，就需要旋转两圈之后才与原来一样。
自旋为半整数的基本粒子被称作费米子，如夸克与电子，构成了宇宙中的物质，而自旋为整数的基本粒子被称作玻色子，构成了宇宙中的力，如传递电磁力的光子。
在微观层面，物理学家发现，相对论并不适用，便发展出一套量子力学理论，其中重要的概念就是基本粒子有波粒二象性。双缝实验发现，光可以被理解为是以一颗颗粒子的形式通过双缝，但在接收屏上出现的“干涉”现象表明光同时也具有波的性质。
1900年，德国科学家普朗克Planck提出“量子”理论，指出光或其他波以量子为单位传递能量，且频率越高，单位量子能量越大。
1926年，德国科学家海森堡Heisenberg提出“不确定性”理论，指出微观粒子的位置或速度，一个越精确，另一个就越无法确定。
1913年，丹麦科学家波尔Bohr提出，电子只能在原子核外围的固定轨道。量子力学认为，轨道之间的能量差就是量子差。
1925年，奥地利物理学家泡利Pauli提出“不相容原理”，即不能有两个或两个以上的费米子处于完全相同的状态，比如不能既处在同一位置，又具有相同的速度；玻色子不遵从“不相容原理”。“不相容原理”解释了基本粒子为何没有在引力或电磁力作用下聚集坍缩；相同位置的玻色子越多，作用力则越强。
物理学家将力分为四种，分别是引力、电磁力、弱核力、强核力。
在粒子能量达到100GeV或以上，电磁力、弱核力表现出同一性质。大一统理论认为，如果能量升至1014GeV或以上，电磁力、弱核力、强核力都会表现出同一性质，但引力仍不在其内。
不过大一统理论并未被证实，目前实验室内无法提供如此巨大的能量。霍金认为至少要有一个相当于太阳系那么大的粒子加速器才能做此实验。
如果能量再提升呢，能否把引力也统一起来呢？目前还不得而知，因为当能量到达1019GeV，即达到普朗克能量，自身就将形成黑洞，与外界永远隔离了。
除了一条道走到黑，不断提升粒子能量外，还有没有别的理解世界的思路呢？有，这就是弦理论！
弦理论认为，宇宙的基本组成也许并不是一个粒子，而是一条弦，或开放（一条有端点的线）或封闭的弦（一个圈）。弦的不同振动方式分别表现为物质与能量。
不过，在数学推导上，弦理论要求必须有9+1维（9是空间维度、1是时间维度）或26维，并不适用于自然界的四维时空。至今，也没有实验证据能够证实弦理论。
【宇宙起源与最终命运】
物理学家认为，宇宙中存在三种对称，分别是镜像P、电荷C、时间T。
1956年，华裔美籍物理学家李政道与杨振宁提出“宇称不守恒”理论，即镜像对称的粒子之间弱核力不同。后来，科学家又陆续发现电荷相反的粒子之间弱核力不同；既电荷相反又镜像对称的粒子之间，也存在不同的物理现象。
由于CPT对称在数学模型上肯定守恒，而CP不守恒，因此T也不守恒，也就是说即便时间倒流，世界也无法回到过去的状态。如此看来，从当前宇宙膨胀反推宇宙起源于大爆炸的奇点也不像板上钉钉那么确定了。
宇宙这个话题也许太过宏大，最终究竟如何物理学家也莫衷一是。但对恒星的演进，物理学家取得了长足进步。
印度裔美籍物理学家钱德拉塞卡Chandrasekhar算出，恒星质量在太阳约1.5倍或以上将最终在自身引力下坍缩成中子星或黑洞，这个临界值也被称为钱德拉塞卡极限。处于临界值以下的恒星，会演变为白矮星，最终走向黑矮星。
根据“泡利不相容原理”，电子、中子、质子等费米子不能占据同一空间，相互之间的排斥力被称为简并压力。
在白矮星中，电子简并压力对抗着自身引力；在中子星中，引力强过电子简并压力，把电子压进原子核内，与质子结合成中子，中子简并压力继续抵抗着自身引力。如果恒星质量更大，那么中子简并压力也对抗不了引力，恒星最终只能在引力作用下无限塌缩为黑洞。
除大质量恒星在生命末期会坍缩成黑洞外，宇宙可能在早期大爆炸的高温高压中产生很多原始小黑洞，氢弹爆炸也可能形成黑洞，但制造这样一颗氢弹需要耗尽全球海洋中的所有重水。
不过，至今人类并没有足够的证据证明黑洞存在，霍金也因此无法凭借黑洞领域取得的成就获得诺贝尔物理学奖。
【再聊两句吧】
科学的终极目标是找出万物理论，即一套可以找出所有四种力的本质与物质最基本构成的理论。目前，相对论只适用于宏观世界，量子力学只适用于微观世界，统一相对论与量子力学就是现代科学家孜孜以求的终极使命。
一个好的科学理论有两个要求：一是参数少、适用范围广；二是可预测未来。比如E=MC2。
任何理论都是临时性的，都是一种基于经验与实验的假设。随着人类实践的丰富，任何假设都有可能被推翻，但更多的情况是，不断被修正与完善。
其实，对于绝大多数日常生活来说，知晓牛顿的经典物理学就足够了，即便爱因斯坦的相对论能更准确地描述世界运行。
也许，未来我们会找到万物理论，但牛顿的理论依然会最实用。而在探索万物理论的路上，我们提出的黑洞、弦理论等，即便终有一天能用实验证据证实或证伪，至少目前更像是华而不实的科幻。
最后说个小花絮吧。关于黑洞到底存不存在，霍金与基普·索恩Kip Thorne（电影《星际穿越》的科学顾问）打了个赌。霍金赌黑洞不存在，这实际上是一种风险对冲。如果霍金赢了，索恩要给霍金买4年的Private Eye，一种英国八卦爆料杂志；如果索恩赢了，霍金要给索恩买1年的Penthoue，一种美国轻度色情杂志。（完）
九牛二鼠
2016年1月29日