书作者是美国理论物理学家布赖恩·格林。他是哥伦比亚大学的教授，弦论相关研究的代表人物之一。格林不仅在科学研究中颇有建树，在科普与科幻领域更是一位当红的明星。以科普为例，他撰写过《隐藏的现实》《宇宙的琴弦》等作品，本书更是他向读者介绍宇宙本质的又一力作。同时他还热衷于科学与大众传媒的结合，经常出现在影视剧中扮演“自己”，向大众推广科学前沿理论。如《黑洞频率》《生活大爆炸》等著名剧作中都能看到他的身影。
关于本书
本书以“宇宙的结构”为切入点，实际上讲述的是时间与空间的本质。格林从生活的细节出发，抽丝剥茧地为读者展开了一幅生动的画卷，让读者逐渐看清平静如水的生活表象之下，宇宙运行的深层规律。本书内容丰富，除了音频中着重介绍的内容，还涉及到了许多关于弦论等方面的知识，非常值得一读。
核心内容
宇宙的基础结构是时间与空间，看似是我们生活中非常熟悉的两类物理元素。但是深究下去会发现，我们对其本质似乎了解的并不那么清楚。例如棒球可以飞起又落下，但破碎的鸡蛋为何无法复原？到底是什么给流动的时间强制限定了一个方向？对空间本质的探索也同样精彩。从牛顿甚至更早期的“绝对空间”到现代物理学中“绝对时空”的变化，看似是一字之差，其实内涵早已发生了天翻地覆的变化，时空的本质原来如此精彩。
《宇宙的结构》。你可能会问了，宇宙又不是建筑，有什么结构可言呢？其实，千万不要狭隘地理解“结构”这两个字，它不一定指的是有形的东西。如果宇宙是个屋子，那时间和空间就是建构它的骨架。理解了时间和空间，我们就能看透宇宙运行的方式。
这些年科幻作品这么多，你肯定听过不少和宇宙、时空相关的词，比如量子纠缠、时空旅行、宇宙大爆炸之类的。这些“大词儿”听着就有点让人望而却步。如果你也这么觉得，那这本书就是为你准备的。它会让你发现，其实宇宙时空的真相和你息息相关，只是你从来都视而不见罢了。
举一个简单的例子，看电影的时候，经常会有一些倒放的镜头，比如一个棒球飞到天上，或者破碎的鸡蛋回到餐桌上。但你发现没有，如果是棒球，其实很难分辨到底是不是倒放，因为“抛起”和“落下”这两个动作，在现实生活中都会发生，所以不管影片是正放还是倒放，我们都看不出有什么违背常识的地方。但是鸡蛋就不同了，你一眼就能发现影片是不是倒放，毕竟平时我们从来没见过破碎的鸡蛋还能复原。那么问题来了，这两个过程到底有什么根本的不同？到底是什么阻止了鸡蛋的复原？
这个生活里常见的例子，其实就能为我们揭示宇宙真相的一部分，它可以转化成另一个问题：时间为什么不能倒流呢？这个问题，在本期音频里我也会为你详细解答。经历这样的思考后，你就会发现，其实我们对自己习以为常的日常生活一无所知。这本书就像是把平静的生活撕开了一个口子，让你去看清迷雾一般的表象之下，那些你一直视若无睹的宇宙真相。
这么善于联系日常生活和宇宙，离不开本书作者布赖恩·格林深厚的专业背景和高超的叙事能力。格林本身是一位研究“弦论”的物理学家。你可能听过“弦论”这个名词，“弦论”就是一个试图解释整个物理世界的大统一理论，也是近几十年来物理学的重要突破之一。他还为此专门写过一本非常畅销的科普书《宇宙的琴弦》，专门讲弦论，“每天听本书”栏目也曾解读过。而这本《宇宙的结构》，虽然和它名字很像，但谈论的问题更宏大，探讨的是人们认识宇宙的物理学。
但不管是哪部作品，格林科普作品的特点就是从细节出发，进行逻辑严密的推演，就像推理小说一般逐渐抽丝剥茧，让你沉浸其中，一步步发掘真相。所以，我也会从生活细节出发，追寻时间与空间两条线索，来为你介绍这本书。
第一部分
我们先来看第一个线索，时间。如果总结一下我们日常生活的经验，会自然而然地发现时间似乎有两个特点。
第一个特点就是“时间是可以流动的”，就像我们坐在一条船上，河水载着这条船向前行驶，两岸的景色向后退，就像过去的一切离我们远去，而未来则在下游等着我们。电影胶片的比喻可以让我们进一步理解时间的流动性，一瞬间这一帧被照亮，然后这一帧熄灭，下一帧紧接着被点亮，如此一帧一帧持续下去，就形成了我们所经历的日常生活。
第二个特点就是，“时间是有方向的”，就像我们举的那个鸡蛋的例子，其实类似的例子还有很多。比如牛奶的泼洒、蜡烛的燃烧等等，如果把这些过程录成影像，但只交给你一帧帧静态的胶片，你也很容易按照事情发生的顺序把它们排列起来。这个顺序，就是时间前进的方向。
这两个特点我们在生活中都有体会。但是如果仔细思考，还是会感觉哪里有些不太对劲。比如在我们的感受中，“此时此刻”非常重要，而“过去”和“未来”的地位也绝对不对等。你看，很多人不是都说吗，“过去”不重要，它已经不能改变了，但是“未来”我们还能把握。但按照电影胶片这种切片的方法，所有的时刻地位应该都是相等的，都是那么一段胶片。“此时此刻”并没有那么特殊，“未来”也不比“过去”重要。
再比如，时间为什么是有方向的呢？为什么棒球弹起、落下的影像可以完美倒放，但是破碎的鸡蛋、泼洒的牛奶就不能呢？为什么时间只有正向，却没有反向呢？从这里我们还可以引申出一个很有趣的问题，为什么我们能够回忆起过去，却不能回忆起未来呢？这其中，一定存在什么具有方向性的关键因素在起作用。
这些来源于生活经验的问题，就曾经困扰着物理学家。因为物理定律的那些公式中，经常会涉及时间，但是并没有什么规定说，表示“时间”的那一项只能是正数，它们其实完全可以是负数。换句话说，各种各样的物理定律，无论是大家熟悉一点的牛顿力学、麦克斯韦的电磁理论，还是不那么熟悉的广义和狭义相对论，从数学上来说，它们表示的东西既可以沿着时间轴的正向发生，也可以反过来逆着时间轴发生。这在物理学上有个名词来表示，叫“时间反演对称性”。但是诡异的是，时间反演对称性在有些场景符合我们的直觉，比如我们反复提过的棒球的例子；但是在有些场景下又违背了我们的直觉，比如鸡蛋和牛奶的例子。
那到底是哪里出了问题？飞翔的棒球和破碎的鸡蛋到底区别在哪儿呢？抽丝剥茧之下，科学学家终于发现了一个全新的描述世界的维度，物理学上我们称之为“熵”。
“熵”是个专用字，是科学家专门造出来表示这个物理概念的。从今天的角度看，“熵”在物理学上是如此重要，但直到十九世纪末，奥地利物理学家玻尔兹曼才第一次意识到这个东西的存在。
它说的是一个系统的混乱程度。就比如一滴墨水滴入一杯清澈的水里，墨水分子会逐渐扩散到整个杯子内部。墨水刚滴入的时候，整个杯子内部的分子都还很有秩序，墨水都集中在水杯的一个位置上，墨水分子就像一个严谨的军队方阵。但随着墨水的扩散，杯子中分子就越来越无序，“方阵”都被打散，“熵”逐渐增高了。也就是说，系统越混乱、越无序，熵就越高。
从这个角度，我们再来分析一下鸡蛋和牛奶的例子。很显然，一个完整的鸡蛋比一个碎了一地的鸡蛋要有序得多，熵也低得多；泼洒出的牛奶比杯中的牛奶更加混乱，熵更高。但是碎的鸡蛋不会自己复原，洒掉的牛奶也不会自己回到杯子里。那我们就可以看出，一个物理系统，其实总是趋向于向熵更高的状态发展，而不是反过来。别看这只是咱们生活中常见的现象，但是你可能从来没想过，它能帮我们重新认识“时间”。其实，这说的就是著名的“热力学第二定律”。热力学第一定律就是大家再熟悉不过的“能量守恒定律”。
但是要注意的是，热力学第二定律指出的是系统更有可能演化的方向，但并不是绝对。比如你现在所处的房间中充满了空气，里面每个分子都是自由运动的，所以有可能在某个时刻这些分子突然跑到房间的另一个角落，让你喘不上气，但是这样的概率极低，低到自从宇宙诞生以来那么长的时间，可能都没有发生过一次。
推理进行到这一步，一切都显得非常顺利，似乎“熵”的概念和热力学第二定律，真的为我们带来了一直苦苦探索而不得的东西，那就是“时间之箭”，时间的方向性。鸡蛋打破的过程，熵剧烈增加；而棒球升起又落下的过程，熵没有巨大的变化。“熵”的存在，让鸡蛋打破的过程成了单向的过程。这就是时间的方向性。生活中无数类似的例子，都为时间的流动指明了方向。“熵增”作为时间流动的真相。但是真相仅仅就是这样吗？
本书的作者格林，给出了更加深入的思考和推理。从数学上来看，熵增的确可能朝向着未来，但也可能朝着过去。就像你在一个函数曲线的低谷位置，向左向右都比这个地方高，那就都是增长的方向。那如果这个函数表示的是时间与熵的关系，那就意味着，熵在时间正向和负向上都是增加的。
就像你站在山谷最低处，两侧都是向上延伸的山脊，对你来说，爬左边的山还是右边的山，都是在向上爬。这也就是说，时间其实既可以流向未来，也可以流向过去。最令人绝望的是，物理学家也没法在数学或物理学上，找到直接证据去反驳这种猜想。但如果接受了这种猜想，那物理学家目前所做的一切努力都失去了意义，这是让人不能接受的。
侦探小说里福尔摩斯常说：排除一切不可能的，剩下的就是真相。如果我们还相信这个宇宙是能稳定存在的话，那么一定有一个条件，限制了熵在过去方向的增长，而让它只能朝着未来增长。
为了得到这个至关重要的条件，物理学家还是得进行一番推理。这次的推理，还是从我们熟悉的鸡蛋开始。前面我们在分析鸡蛋摔在地上的过程时，曾经提到，完整的鸡蛋是非常有序的，熵很低。那这就有一个问题，鸡蛋的低熵状态是从哪里来的？热力学第二定律不是说，系统会朝着熵增的方向演化吗？要回答这个问题，就得看看鸡蛋是怎么来的。你立马就会说，鸡蛋当然是来自母鸡。没错，鸡蛋来自母鸡，鸡蛋的低熵状态也同样来自母鸡。那接下来的问题就是，母鸡也是有序的啊，它的低熵状态是怎么来的？
其实，从物理学的角度分析一下我们身边这些熟悉的生物，包括人类自身，都会有一种让人无比惊讶的感觉。毕竟，生物体本身就是一个高度有序的物理系统。归根到底，这种组织性是从哪里来的呢？想想一只鸡的生存过程，我们会发现，鸡之所以能够保持这种有序、低熵的状态，是因为它会吃东西、从外界摄入物质和能量。
最关键的问题就是，能量和能量是不一样的。鸡通过饮食从外界摄取的能量，它吃的谷子、小米这些食物，也是非常有序的。而有序的东西所提供的能量，熵很低，可以维持鸡的生存。但是鸡扩散到环境中的热能，会导致空气的振动更加剧烈，让熵增高。所以生物体，无论是鸡还是人，为了维持身体的有序状态，都需要不断从环境中摄入低熵的能量，同时释放高熵的能量，以抵抗热力学第二定律所预言的、因为熵增加而导致的混乱状态。
如果我们继续追根溯源，沿着食物链一路向上，我们会发现，动物体摄取的所有低熵能量最终都来自植物。而植物的低熵能量则来自太阳。接下来的问题就是，太阳的低熵状态是从哪里来的？大概五十亿年前，弥散的气体团在引力的作用下旋转、聚集，最终形成太阳。如此一步一步追溯上去，我们会发现，宇宙最早期一定非常有秩序，熵一定是极低极低的，这就是如今我们所看到的一切有序状态的来源。
所以你发现了吗，物理学就是如此的神奇，从一个普普通通的鸡蛋，竟然能推理得到宇宙诞生时的状态！用一句文艺一点的话来说，如今的宇宙，不过是早期高度有序化的宇宙的遗迹。是的，遗迹，这个词再准确不过了。因为如今我们都对宇宙最早期的过程有一些了解，这个过程被形象地称为“宇宙大爆炸”。
宇宙大爆炸之后，是怎么变成了我们今天的这个世界，推荐你收听“每天听本书”里的另一本书《大爆炸简史》。它就在跟我们描述，现在的宇宙，是怎么从最初高度有序化的“宇宙蛋”当中，经由一场大爆炸孵化出来的。当然，“宇宙蛋”是物理学家打的一个比方，它的另一个名字你可能听到得更多，就是“奇点”。
第二部分
上面讲的内容就是关于“时间”的本质，而接下来要给你讲的，则是关于“空间”的本质。
每个时代、每种文明都有自己关于空间的独特认识，比如中国古人说空间是盘古开天辟地之后出现的，亚里士多德说空间是同心的水晶球套在一起构成的。但无论我们描述宇宙空间的方式有多不一样，感受空间的方式都是大同小异，那就是通过运动。比如你家在A点，学校在B点，空间位置可以通过东南西北或是前后左右来描述，但要感受AB之间的这部分空间，得通过步行之类的运动手段才行。可以说，“空间”与“运动”是紧密联系在一起的。
空间到底是什么呢？哲学家莱布尼茨认为，空间只不过是用来描述物体相对位置的一种方法罢了。如果空间中没有物质，那空间本身就没有任何独立存在的意义。这话有点难理解，格林为我们打了个比方。这就像字母表，如果字母不存在，那字母表自然也就不存在了。这种对空间的认知方式，很符合我们日常的生活直觉，似乎很有道理。
但是伟大的物理学家牛顿，就不这么认为。和传说中苹果砸脑袋的故事类似，牛顿能从绝大多数人熟视无睹的生活细节中，窥视到完全不同的规律。这次引起牛顿思考的，是一只装了水的木桶。我们想象这样一个情景，在一个木桶中装满水，然后把木桶用绳子吊起来，让木桶旋转。根据我们的日常经验，这桶水很快就会和木桶保持同步，跟着木桶旋转起来，旋转的水面还会出现下凹。那你有没有想过，水面为什么会下凹呢？
你可能觉得，这有什么好问的，水正在旋转，水面当然会下凹啊。但实际上答案远没有这么简单。看起来，水当然在旋转，但牛顿思考的问题是，水究竟在相对于什么旋转？现在听到“相对性”这个词，好像总和爱因斯坦有什么联系，但实际上这个概念可以追溯到更遥远的历史时期。为什么要考虑相对性呢？
因为根据日常经验，要理解运动的过程，我们就不得不选定一个什么东西当做参考，虽然在很多时候我们会有意无意地忽视这一点。比如我们说一个棒球，以每小时100千米的速度朝击球手飞来。真正的意思是指，相对于击球手，棒球的运动速度是每小时100千米。但如果站在棒球的角度，你也可以说，击球手在以每小时100千米的速度朝棒球飞来。这个道理你肯定非常清楚。
所以牛顿才会思考，水到底相对于什么在运动。是相对于木桶吗？显然不是，因为水和木桶之间没有相对运动，它们是同步运动的。牛顿进一步把这个问题的论证大大拓展了，为了便于大家理解，我们把牛顿的论证用这样一个例子来说明：试想在一片虚无的空间中，没有太阳、地球，什么都没有的一片虚空之中，放置着一个巨大的木桶，在桶内壁上紧紧捆绑着一位宇航员。在这个假想的虚空宇宙之中，没有任何的参照物，那这位宇航员怎么才能知道木桶是不是在旋转呢？
你可能会说，这很简单啊。因为根据日常生活的经验，如果木桶在旋转，宇航员肯定能够感受到自己被紧紧压在内壁上，这就是所谓的“离心力”的作用。但问题是，在这片假想空间中，除了巨桶和宇航员，并没有任何其他的物体，这种旋转的参照物是什么呢？牛顿在这里，就提出了一个天才的想法。
他认为，可以选定一个“终极容器”作为参照物，而这个终极容器就是“空间”本身。牛顿提出，我们所有人、所有物体都处于一个透明的、虚无的舞台之中，这个舞台被他称为“绝对空间”。如果一个物体相对于绝对空间是运动的，那么它就是运动的。反之，如果一个物体相对绝对空间是静止的，那它就是静止的。
更进一步，一个物体只有相对于绝对空间有加速度，它才处于真正的加速状态。但是这个“绝对空间”到底是什么，牛顿在当时并没有办法给出清晰的解释。他只好含混地说，“我不定义时间、空间，因为这些东西众所周知。”然后他又在著作中写道：“绝对空间只取决于它本身的性质，不需要其他外部事物作参考。”绝对空间这个概念在牛顿的理论体系中至关重要，重要到什么程度呢？你一定听说过，牛顿所处的时期，宗教还非常发达。他宣称，绝对空间是“神”的感觉中枢。但其实从这种含糊的描述我们也可以看出，牛顿对绝对空间到底是什么，也没能够真正搞清楚。
绝对空间的概念统治了物理学界很长时间，直到后来物理学家马赫对此提出了质疑。按照牛顿的理论，让巨桶相对于绝对空间旋转，和绝对空间相对于巨桶旋转，两者应该是没有任何区别的。马赫提出，如果是在一个虚无的宇宙空间中，除了巨桶和宇航员之外什么都不存在，宇宙对巨桶自然也就没有任何力的作用。在这种情况下，绝对空间的旋转，自然也就不会对宇航员产生任何力的作用，所以宇航员根本不会感受到离心力。在他看来，日常经验中之所以旋转的物体会出现离心力，并不是因为物体相对于绝对空间做运动而出现的。那是因为什么呢？他认为，离心力是宇宙中所有其他物质，对旋转物体的作用总和。
从一个简单的“木桶实验”出发，马赫和牛顿思考得出的对空间的认知，出现了巨大的差异。那之后，思想的交锋不断地在无数物理学家脑海中上演，但无论是哪一方都无法占据绝对优势。于是一个问题就出现了，所谓的“绝对空间”到底是不是真的存在呢？对这个问题，物理学家们苦苦追寻，却一直没有答案。直到后来电磁学领域的发展，把这种论战卷入了一场诡异而带有粉碎性的风暴之中，让这个问题以一种令所有人都意想不到的形式得到了解决。而这场风暴的开端，就是光速的测量实验。
通过前面在“木桶实验”中，科学家们对空间不同理解的讨论，我们可以看出，我们想要描述速度的时候，一定要选择一个参照物。比如，空气中声音的传播速度是每秒钟340米。空气既是声音的传播介质，又是声速的参照物。同样的道理，物理学家早就在实验中测量得到了光的传播速度，大约是每秒钟三十万公里，但他们一直没找到光的传播介质。有的物理学家就推测，光是在一种名为“以太”的物质中传播的。很多物理学家甚至认为，“以太”其实就是牛顿所提出的“绝对空间”的化身。
但是，怎么才能证明以太是存在的呢？因为地球在宇宙中是高速运动的，物理学家就提出，在地球上对传播方向不同的光进行速度测量，就能够验证以太的存在。这就好像当你顺着海浪的方向游泳时，速度是比你逆着海浪游要快的。但真正进行测量后，物理学家惊讶地发现，无论沿着什么方向对光速进行测量，光速永远是个定值。
为了解释这个诡异的光速测量实验，物理学界的大牛爱因斯坦发表了一篇论文。他提出了一个匪夷所思的观点，那就是，以太并不存在，光的传播不需要任何介质，光速也不需要任何参考物。换句话说，光速相对于任何物体，速度都保持不变。在这个前提下，爱因斯坦提出了震惊世界的“相对论”。他认为，空间和时间是针对旁观者的角度而言的，每个人都有自己的时钟，对于空间的测量也都有自己的准绳。不同观察者之间发生相对运动的时候，空间和时间会以一种非常精确的方式进行补偿，所以无论是谁，对光速的测量总是得到同样的结果。就这样，爱因斯坦不再将空间视为独立的概念，而是将空间和时间统一了起来。我们都知道，我们生活的空间是“三维空间”。爱因斯坦在三维空间的基础上，添加了“时间”的维度，从而建立起“四维时空”的基本概念。
把时间和空间进行统一后，我们看待宇宙的方式发生了翻天覆地的变化。比如你在路边注视着一辆静止的车，在传统空间的角度来看，这辆车是静止的。但是从统一的时空角度来看，这辆车其实是运动的，只是它在穿越的不是“空间”，而是“时间”。狭义相对论提出了一个非常简单的原则：任何物体穿越时空的速度都等于光速，只是这个速度是指四维时空的速度。
什么意思呢？四维时空的速度既在时间轴上有速度，又在空间轴上有速度，这两部分速度合起来恰好是光速。比如对光来说，所有的速度都被分配到空间轴，这就意味着光在时间轴上是完全静止的。换句话说，如果你也能以光速在空间中运动，那你的时间也将是静止的。相关的结论已经在高速运动的物体上得到了证实，运动物体的时间的确过得比静止物体要慢一些。但如果按照牛顿所提出的“绝对空间”的概念来看，他把时间和空间割裂开，不管物体运动的速度是快还是慢，它们所经历的时间都是一样的。这毫无疑问是不全面的。我们这就能看出来，其实真正绝对不变的，是统一了时间和空间的“绝对时空”。
于是，对宇宙空间的认识，从莱布尼茨的相对性观点，发展到了牛顿的绝对性观点，又发展到马赫的相对性观点，最后通过爱因斯坦，又回到了绝对性的观点。有句老话说，看山是山，看山不是山，看山还是山。这第一个“山”和最后一个“山”，那可是大不一样的。我们对空间的认识也是一样。爱因斯坦提出的“绝对时空”，已经和牛顿的“绝对空间”完全不一样了。物理学的发展就这样经历了数个轮回，最终一步步地螺旋式上升到今天的地步。
总结
好了，在音频的最后，我们来总结一下。时间和空间，是搭成“宇宙”这间屋子的骨架。在本期的音频里，我分别为你介绍了它们。
第一个方面，是从“鸡蛋破碎后不能复原”这样一个常见的现象出发，以此为线索为你讲解了“熵”的概念和低熵的来源，探讨了“时间”的本质。
第二个方面，则是从牛顿的木桶实验出发，为你讲述了物理学中对空间认知的演变过程，探讨了“空间”的本质。
时间和空间作为宇宙的基本结构，理解了这两者的本质，就能够窥探宇宙运行的本质。其实，这本书特别厚，将近600页了，我只能提出书里最主线的内容，也就是格林对时间和空间的讨论来跟你聊一聊这本书。但实际上，这本书里还有非常丰富而且有趣的支线内容，如果你感兴趣，特别推荐你去进一步阅读和思考。
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