《果壳中的宇宙》（The Universe in a Nutshell）是 斯蒂芬·霍金 （Stephen William Hawking）创作的科普著作，英文原版于2001年10月出版， 中译本于2001年11月26日出版。 该书的主题是宇宙学，涉及 广义相对论 、量子论、黑洞、暴胀、时间旅行、弦论、 超引力 等概念。
《果壳中的宇宙》是史蒂芬·霍金为其成名作《 时间简史 》所写的续篇。书名出自于 莎士比亚 名剧《 哈姆雷特 》，哈姆雷特认为，即便把他关在果壳中，他仍然自以为是无限空间之王。该书讲述了现代物理学的历史和原则， 斯蒂芬·霍金 试图“将 阿尔伯特·爱因斯坦 的 大统一理论 和 理查德·费曼 的多重历史观点融入到一个能阐述 宇宙 中发生的一切事情的理论系统中”。
2002年，《果壳中的宇宙》获得 安万特 科学图书奖。
创作背景
由于史蒂芬·霍金不打算写《简史之子》或者《时间的稍长历史》，也由于他忙于研究，所以没有进行再次创作。但是，之后他意识到有必要撰写一本更易理解的有别于《时间简史》的书，而《果壳中的宇宙》是史蒂芬·霍金为其成名作《时间简史》在2001年写的续篇。其书名出自于 莎士比亚 名剧《 哈姆雷特 》，哈姆雷特认为，即便把他关在果壳中，他仍然自以为是无限空间之王。就是这样一句看似充满浪漫情怀的话语却与人类的宇宙观完全相符。现代量子宇宙学认为，整个宇宙是由一个果壳状的瞬子演化而来，果壳上的果子皱纹包含着宇宙中所有结构的密码。 斯蒂芬·霍金 正是这一学说的开创者。
作品内容
《果壳中的宇宙》讲述了现代物理学的历史和原则。霍金试图“将 阿尔伯特·爱因斯坦 的 大统一理论 和 理查德·费曼 的多重历史观点融入到一个能阐述 宇宙 中发生的一切事情的自洽的理论系统中”。
相对论简史
在《果壳中的宇宙》第一章中，霍金回顾了迈克尔逊-莫雷实验、时间与空间的相对性、质能方程E=mc2、 广义相对论 的基石—— 等效原理 、宇宙是非静止的，它是在不断变化的、奇点大爆炸及广义相对论和 量子力学 的不协调性。
时间的形状
在《果壳中的宇宙》的第二章中， 斯蒂芬·霍金 认为，任何物理学都是按照实证主义的方法来研究的。 科学理论 就是一种 数学模型 。如果这个数学模型和现实相符合，那么这个模型就存活下来。如果不相符，要么扔掉要么拿回去修改。时间的本质这个问法本身就有问题。人类所做的一切，只是在描述一种时间模型，然后查看时间模型表达的信息，是不是与现有的观测证据相符合。理论物理就是在不断地提出模型，然后去验证它，不管这个模型多么匪夷所思。霍金大部分都是提出模型，解释现有的观测结果，同时做出 预言 。在 广义相对论 里，时间与空间一体， 引力 被描述成了时空的弯曲。时空就像皮膜，大质量 天体 就把皮膜压弯，周围的时空压凹下去一个坑，都逃不出这个坑。 斯蒂芬·霍金 认为这个表达是不完整的，这个通俗化的比喻只描述了空间的弯曲，没有藐视时间。霍金把大质量物体产生的引力是连同时间空间一起弯曲的，理论命名为“时间的形状”。
果壳中的宇宙
第三章与整本书的名字一致，霍金很多次引用 理查德·费曼 “路径积分”的理论。 海森伯格 提出了 矩阵力学 ， 埃尔温·薛定谔 提出了 波动力学 ，这两者在数学上是等价的，这两个学说成为了现代量子理论的基础。费曼提出了另外一种方法，与前两者也是等价的，那就是路径积分的思想。 斯蒂芬·霍金 从这费曼的路径积分思想得到启发，认为粒子从a点到b点的行为，实际上所有可能的路径都有贡献，每条路径实际上都是一段历史，最终的轨迹是由无数的历史叠加形成的。联想到整个 宇宙 层面，宇宙的历史也是多重的，所有这些历史都符合一个分布函数。霍金一直强调有多重历史，也就是存在各种各样的宇宙，每个宇宙的参数各不相同。宇宙有很多物理 常数 ，比如说 普朗克常数 、 万有引力 常数、 精细结构常数 等。假如 常数 数值稍有改变，宇宙就不是现在的样子。
预言未来
斯蒂芬·霍金 认为 埃尔温·薛定谔 的 波函数 来计算概率问题。 哥廷根大学 的 马克斯·玻恩 解释波函数控制着粒子出现的概率，随着时间的延续，波函数如何变化，可以对未来的概率做出一个计算。在平直的空间里，波函数的演化是确定的。科学的所有预言必须有可验证的特性，“ 拉普拉斯妖 ”——如果人们知道在某一时刻 宇宙 中所有粒子的位置和速度，则 物理定律 应允许人们预言宇宙在过去或将来的任何时刻的状态。
护卫过去
霍金认为，事件顺序是否能被打乱的问题需要分为几个层次来探讨。在 阿尔伯特·爱因斯坦 的 相对论 之中，历史顺序毫无疑问是不能打乱的。但是这个理论没考虑量子的不确定性，因此是不完整的。在 量子力学 看来，粒子是具有不确定性的，但是时空的定义是经典的。假如将来能找到完整的 量子引力 理论，不仅仅物质粒子会受到不确定性的影响，而且时空本身也是量子化的，也会受到不确定性的影响。预测未来不可能，回到过去也是做不到的。 斯蒂芬·霍金 讨论的核心是时间圈环，物理学上的术语叫“闭合类时线”。
膜的新奇世界
膜世界是复杂的高维世界，根据量子的不确定性，会有泡泡不断地创生出来。人类生活的膜世界，可能充满高维的泡泡。生活在四维的时空里可能是一种感受，世界都是高维世界在泡泡表面上的投影。
主要观点
宇宙的起源和膨胀
膜的量子创生像气泡在沸水中创生， 不确定性原理 允许膜世界作为泡泡从无中出现，膜形成泡泡的表面，内部则是高维空间。小泡泡倾向于再 缩为无，两个泡泡可能因为碰撞而合并，宇宙大爆炸或许就是两个泡泡之间碰撞造成的。人类生活在四维时空的泡泡上（宇宙的边缘上）。一个超过某一临界尺度的泡泡会继续长大，生活在膜上的智慧生命（如 地球 人类）就会觉察到 星系 在相互离开，宇宙在膨胀，没有任何星系是膨胀，外部显示却是4维。一个在 虚时间 中表面完全光滑的果壳是泡泡最可能的历史，但是它在实时间中对应于以暴涨形式永远膨胀的膜（泡泡的表面），星系不能在这样的表面上形成，就不可能有智慧生命发展。而在虚时间中不那么光滑的果壳历史，虽然概率稍低，但它在实时间中对应的泡泡历史，首先有一个加速暴涨的相，然后缓慢下来。在这个减速过程中，星系能够形成，智慧生命能够发展。稍稍长毛的果壳 宇宙 ，正是智慧生命从M理论允许的大量的宇宙中选择出来的膜模型。
暗物质和影子人类
M理论认为， 引力 可以从膜上弥漫出去。这样，如果在邻近我们膜世界有一张额外的大膜，则它能防止引力向远处发散。这张邻近的额外大膜就是我们的“影子膜”（影子世界）。由于引力可以传播到影子膜上去，所以那里的 恒星 可以围绕影子 星系 中心 公转 、 行星 可以围绕暗质量公转。由于光被限制在膜上，所以人类看不到影子世界。
能量守恒
根据M理论，膜上的运动物体产生的 引力波 可以从膜上弥漫出去。如果存在一张影子膜，引力波就会在我们膜和影子膜之间来回反射。但是，如果影子膜是高度弯曲的（如马鞍型），就不能将引力完全反射回来，特别是波长比其曲率半径短的引力波会完全逃逸出去。
黑洞辐射和消亡
黑洞发射的引力波会传播到额外维上去，并在人类维与额外维之间来回反射。因而人类膜上的一个黑洞会延展成额外维上的一个黑洞。如果黑洞很小，则额外维上的黑洞是球形的，如果是巨型黑洞，则额外维的黑洞是饼状的。黑洞由于 引力 辐射而损失能量，它因此会慢慢蒸发，尺寸缩小。当它比马鞍型额外维的曲率半径还小时，它的 引力波 就会自由地逃逸而不再返回，在我们膜上就无法直接观测到黑洞的辐射，只有通过黑洞的质量损失间接地测量到。也许这正是我们迄今没有观测到黑洞激烈消亡时产生的 伽玛射线 的原因。
黑洞的熵和全息界
本来是 热力学 中的概念，表示一个 物理系统 的无序程度。1948 年 美国 应用数学 克劳德·香农 在设法量化一条消息所包含的信息量时，得出了一条与 路德维希·玻尔兹曼 热力学熵类似的公式，于是便把熵的概念引进 信息论 。一条消息的熵，就是编码这条消息所需 二进制 位（即比特）的个数。黑洞的熵是黑洞内部状态（质量、旋转和电荷）数目的度量。1974年， 斯蒂芬·霍金 发现一个计算黑洞熵的简单公式，即黑洞的熵等于黑洞 视界 的面积。说明熵是一个系统中的总信息的 测度 ，暗示与三维世界中的所有现象相关联的信息，能被存储在它的二维边界上。
物理系统所能容纳信息量的界限叫“全息界”
根据全息原理，5维时空 宇宙 就是一幅画在其4维边界上的全息图像，4维时空的态与5维时空的态一一对应，两个宇宙是完全等效的。因此生活在这些宇宙中的生物，将无法确定他们是栖息在一个由 弦理论 描述的5维时空中，还是生活在一个由 量子场论 描述的4维时空中。但是由于全息等价，使得一个在某一时空中难以计算的问题，可以用另一种方式解决，如4维时空中 夸克 和 胶子 特性的计算，可以转化为高度对称的5维时空中的简易计算。
作品出版
所获荣誉
价值与影响
《果壳中的宇宙》涉及 广义相对论 、量子论、 黑洞 、暴胀、时间旅行、弦论、 超引力 等概念，以相对简化的手法及图解为读者讲述了宇宙的起源。 截至2021年9月，《果壳中的宇宙》累计发行140多万册。
作品评价
该书围绕主题是宇宙学，涉及广义相对论、量子论、黑洞、暴胀、时间旅行、弦论、超引力等诸多前沿概念。在《果壳中的宇宙》这部新作中， 斯蒂芬·霍金 把读者带到理论物理的最前沿，真理在那里甚至比幻想更令人眼花缭乱。他利用通俗的语言解释制约着 宇宙 的原理。（36 评）
2001年，霍金又出了一部作品《果壳中的宇宙》，以相对简化的手法及图解为读者讲述了宇宙的起源。“即使我身处果壳之中，我仍以为自己是宇宙之王”， 《 哈姆雷特 》中的这句话，也是霍金传奇一生的写照。（ 界面新闻 评）
《果壳里的宇宙》，以清澈明晰、妙语连珠的表述，把我们带到天文和物理的最前沿，真理在那里甚至比幻想更令人眼花缭乱，从而确立了世界科学著作的 里程碑 地位。（作家蒋 宝德 评）
2002年，霍金的新书《果壳里的宇宙》出版，并获2002年度 安万特 科学图书奖。这是一部图文并茂的科普著作，主题是宇宙学，内容涉及 广义相对论 、星子论、 黑洞 、暴胀、时间旅行、弦论、 超引力 等诸多前沿概念。（王宗奕评）
作者简介
斯蒂芬·霍金 ，出生于 伽利略·伽利莱 逝世周年纪念日， 剑桥大学 应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的 广义相对论 和宇宙论家。20世纪70年代，斯蒂芬.霍金与 罗杰·彭洛斯 一道证明了著名的奇性定理，共同获得了1988年的 沃尔夫物理学奖 ，因此被誉为继 阿尔伯特·爱因斯坦 之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家”。霍金还证明 黑洞 的面积 定理 ，是 艾萨克·牛顿 和 保罗·狄拉克 担任过的卢卡逊数学教授，拥有多个 荣誉学位 并且担任皇家学会会员。