湛庐文化“科学素养”专家委员会寄语

    湛庐文化“科学素养”书系专家委员会

    全球顶尖科学家集体盛赞

    跨界推荐

    宇宙中不能承受之轻

    引言 穿越平行世界，找寻宇宙的终极本质

    第一部分 星际空间之旅

    01 我们在空间中的位置：从地球到宇宙

    02 我们在时间中的位置：溯流至时间源头

    03 数字中的宇宙

    04 宇宙的起源：是谁制造了宇宙大爆炸

    05 欢迎来到平行宇宙

    第二部分 穿越粒子世界

    06 神奇的宇宙乐高

    07 第三层多重宇宙，狂野不羁的现实

    第三部分 探秘数学宇宙

    08 万物理论的追索之旅

    09 宇宙是由数学写就的伟大之书

    10 重新认识自我：时间是幻觉吗

    11 第四层多重宇宙，万物的终极答案

    结语 生命，宇宙以及万物的未来

    推荐阅读

    致谢

    译者后记你不是一个人在读书!

    扫码进入湛庐“趋势与科技”读者群，与小伙伴“同读共进”!湛庐文化“科学素养”专家委员会寄语

    湛庐文化“科学素养”专家委员会

    寄语

    科学伴光与电前行，引领你我展翅翱翔

    欧阳自远

    天体化学与地球化学家，中国月球探测工程首任首席科学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国际宇航科学院院士

    当雷电第一次掠过富兰克林的风筝到达他的指尖；

    当电流第一次流入爱迪生的钨丝电灯照亮整个房间；

    当我们第一次从显微镜下观察到美丽的生命；

    当我们第一次将望远镜指向苍茫闪耀的星空；

    当我们第一次登上月球回望自己的蓝色星球；

    当我们第一次用史上最大型的实验装置LHC对撞出“上帝粒子”；……

    回溯科学的整个历程，今时今日的我们，仍旧激情澎湃。

    对科学家来说，几个世纪的求索，注定是一条充斥着寂寥、抗争、坚持与荣耀的道路：

    我们走过迷茫与谬误，才踟蹰地进入欢呼雀跃的人群；

    我们历经挑战与质疑，才渐渐寻获万物的部分答案；

    我们失败过、落魄过，才在偶然的一瞬体会到峰回路转的惊喜。

    在这泰山般的宇宙中，我们注定如愚公般地“挖山不止”。所以，不是每一刻，我们都在获得新发现。

    但是，我们继续。

    不是每一秒，我们都能洞悉万物的本质。

    但是，我们继续。

    我们日日夜夜地战斗在科学的第一线，在你们日常所不熟悉的粒子世界与茫茫大宇宙中上下求索。但是我们

    越来越发现，虽这一切与你们相距甚远，但却息息相关。所以，今时今日，我们愿把自己的所知、所感、所

    想、所为，传递给你们。

    我们必须这样做。

    所以，我们成立了这个“科学素养”专家委员会。我们有的来自中国科学院国家天文台，有的来自中国科学院

    高能物理研究所，有的来自国内物理学界知名学府清华大学、北京师范大学与中山大学，有的来自大洋彼岸

    的顶尖名校加州理工学院。我们汇集到一起，只愿把最前沿的科学成果传递给你们，将科学家真实的科研世

    界展现在你们面前。

    不是每个人都能成为大人物，但是每个人都可以因为科学而成为圈子中最有趣的人。

    不是每个人都能够成就恢弘伟业，但是每个人都可以成为孩子眼中最博学的父亲、母亲。

    不是每个人都能身兼历史的重任，但是每个人都可以去了解自身被赋予的最伟大的天赋与奇迹。

    科学是我们探求真理的向导，也是你们与下一代进步的天梯。

    科学，将给予你们无限的未来。这是科学沉淀几个世纪以来，对人类最伟大的回馈。也是我们，这些科学共

    同体里的成员，今时今日想要告诉你们的故事。我们期待，每一个人都因这套书系，成为有趣而博学的人，成为明灯般指引着孩子前行的父母，成为了解自己、了解物

    质、生命和宇宙的智者。

    同时，我们也期待，更多的科学家加入我们的队伍，为中国的科普事业共同贡献力量。

    同时，我们真诚地祝愿，科技创新与科学普及双翼齐飞!中华必将腾飞!湛庐文化“科学素养”书系专家委员会

    湛庐文化“科学素养”书系

    专家委员会

    主席

    欧阳自远

    天体化学与地球化学家，中国月球探测工程首任首席科学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，国际宇航科学院院士

    委员(按拼音排序)

    陈学雷

    国家杰出青年科学基金获得者，国家天文台研究员及宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家

    陈雁北

    加州理工学院物理学教授

    苟利军

    中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授

    李淼

    著名理论物理学家，中山大学教授，中山大学天文与空间科学研究院院长、物理与天文学院行政负责人

    王青

    清华大学物理系高能物理核物理研究所所长，中国物理学会高能物理分会常务理事

    张双南

    中国科学院高能物理研究所研究员和粒子天体物理中心主任，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任，中国科学院国家天文台

    兼职研究员和空间科学研究部首席科学家

    朱进

    北京天文馆馆长，《天文爱好者》杂志主编

    朱宗宏

    北京师范大学天文系教授、博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授，北京天文学会理事长献给梅亚(Meia)

    她是本书灵感的源泉全球顶尖科学家集体盛赞

    21世纪初，人类对宇宙的探索进入了精密宇宙学时代：通过对大量天文数据的分析，对大爆炸以来的宇宙演

    化，人们不仅勾勒出了一幅完整图景，而且理论预言与观测高度一致，某些模型参数的测量精度甚至高达

    1%。《穿越平行宇宙》一书的作者是精密宇宙学时代的主将之一，提出和发展了许多宇宙学数据分析方

    法，也因此赢得了在学术界的地位和同行们的尊敬。但不为人知的是，他的内心却和普通孩子一样，一直渴

    望着去探寻那些人们通常只在科幻小说里看到的、对宇宙最疯狂的奇思妙想。本书将带你走进MIT教授迈克

    斯·泰格马克的内心世界，让你知道一个普通男孩是怎样从厌恶到喜欢上物理，如何成长为世界一流的宇宙

    学家，之后又是怎样想象和思索平行宇宙的。

    陈学雷国家杰出青年科学基金获得者

    国家天文台研究员及暗物质与暗能量研究团组首席科学家

    这是一本有关多重宇宙的有趣的科普书籍。作者泰格马克教授作为世界知名的理论物理学家，在一开始就以

    引人入胜的故事，讲述了《别闹了，费曼先生》这本书如何激发了他对物理的学习兴趣，以至于让他偷偷选

    了前女友学校的物理课程，并最终从经济学专业转到了物理学专业。而从人类的认识史来看，自从人类诞生

    在地球上，就一直在思考着宇宙从何而来、往哪里去的终极问题。作者对这个终极问题提出了一个近似疯狂

    的想法：我们的宇宙实在就是数学理论的体现，宇宙存在着众多的多重宇宙。100年前，爱因斯坦也认为相

    对论中的黑洞仅仅存在于数学之上，而如今，黑洞已被认为普遍存在。多重宇宙，无论未来能否被验证真的

    存在，《穿越平行宇宙》这本书都是一本非常好的入门读物。

    苟利军

    中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授

    “第十一届文津奖”获奖图书《星际穿越》译者

    当代年轻科学家力作精选，敲开中国科幻新世界的金砖!

    吴岩

    科幻作家，北京师范大学教授

    《穿越平行宇宙》这本书的前半部分讲的是现代物理学科普书里的热门话题：时空、平行宇宙、量子力学、暗物质和暗能量……但泰格马克写得特别流畅易懂，而且用了一个有个人特色的、有温度的写法。等到了后

    半部分，连职业物理学家都会屏住呼吸：泰格马克回答了一个看似应该留给哲学家的问题：所谓“实在”，到

    底是什么东西？答案是数学!宇宙和人，都是数学的一部分——如果你能真正理解这个还有争议的观点，你

    的世界观将会有一个跃迁。

    万维钢(同人于野)

    科学作家，畅销书《万万没想到》作者

    “得到”App《万维钢·精英日课》专栏作家

    “科学的尽头是哲学，哲学的尽头是宗教”，网络上曾流行过这样一种错误的说法。然而，每一个科学理论都

    有它的边界。在这个边界之外，科学家以现有的手段暂时还没有办法触及。例如，可见宇宙之外有什么？量

    子力学的波函数“坍缩”的时候到底发生了什么？

    当我们的问题触及这个边界时，有的科学家会站在边界之内摊摊手，表示无能为力；有的科学家则会像泰格

    马克教授这样，带上科学的武器，大胆地向前迈出一步、两步，甚至很多步。也许他已经误入歧途，也许他

    正在同风车搏斗，也许他的某个不经意的想法超越了这个时代。但无论如何，这都是一个动人心魄的科学故

    事。我们有幸看到一位正统的科学家在践行哈姆雷特的那句名言：“即便我身处果壳之中，仍自以为是无限

    宇宙之王。”

    李剑龙理论物理学博士，科学松鼠会成员

    科学漫画微信公众号“Sheldon42”创始人

    《穿越平行宇宙》勇敢地面对了物理学与哲学交界处最深邃的问题之一：为什么数学在描述宇宙的任务上表

    现得如此出类拔萃？通过生动的语言和通俗易懂的解释，迈克斯·泰格马克这位世界顶级的理论物理学家为

    读者带来了一个可能的答案。同时，他向读者展示了，假如这个答案是正确的，将会如何改变我们对真实世

    界的看法。

    布赖恩·格林(Brian Greene)

    著名理论物理学家、弦理论家，《优雅的宇宙》《隐藏的现实》作者

    大胆、激进、创新。一个改变游戏规则的人。如果泰格马克博士是正确的，这将在物理学与数学的关系上掀

    起一场范式转变，迫使我们修正教科书。所有对我们的宇宙怀揣深深忧思的人，都应该读读这本书。

    加来道雄(Michio Kaku)

    著名理论物理学家，《超越时空》《平行宇宙》作者

    对于如何看待物理实在和生命，泰格马克提供了一个崭新且迷人的视角。他帮助我们从整个宇宙的语境来看

    待我们自身，强调了生命的未来在宇宙中的大好机遇。

    雷·库兹韦尔(Ray Kurzweil)

    未来学家，奇点大学校长，《人工智能的未来》作者

    无论读者拥有什么背景，都会喜欢这本书。几乎每个人都能在这本书中学到新东西、找到值得思索的话题，或许也会找到一些不甚同意之处。

    爱德华·威滕(Edward Witten)

    著名物理学家，菲尔茨奖获得者基础物理学突破奖获得者

    科学家和业余爱好者都会觉得泰格马克这本书的信息量非常大，并且发人深思。你或许对他的理论退避三

    舍，但每一页都会让你期待能与他面对面地辩论这些话题。

    朱利安·巴伯(Julian Barbour)

    物理学家，《时间尽头》作者

    这本鼓舞人心的书由一位真正的专家写就。本书展示了一个由物理学、数学和哲学组成的爆炸混合物，可能

    改变你对物理实在的看法。

    安德烈·林德(Andrei Linde)

    著名物理学家，因其在暴胀宇宙学的成就而获得格鲁伯奖和基础物理学突破奖

    伽利略曾有句名言，说宇宙是由数学的语言写成的。如今，迈克斯·泰格马克则说，宇宙就是数学。你不必

    非要同意他的观点，就可以享受这段深入实在本质的迷人旅程。马里奥·利维奥(Mario Livio)

    天体物理学家，《杰出的失误》《上帝是数学家吗？》作者

    在《穿越平行宇宙》一书中，泰格马克带领我们踏上了一段旋风般穿越宇宙、穿越过去与现在的旅行。通过

    透彻的语言，他向我们提供了一个关于宇宙的宏观认识——这个宇宙不仅包括我们自己所在的宇宙，还包括

    所有可能的宇宙。我们的宇宙或许很寂寞，却从不形单影只。

    赛斯·劳埃德(Seth Lloyd)

    MIT量子力学工程教授，《设计宇宙的程序》作者跨界推荐宇宙中不能承受之轻

    余晨

    易宝支付联合创始人，《看见未来》作者

    米兰·昆德拉在其最负盛名的哲理小说《生命中不能承受之轻》中，以尼采的“永恒轮回”作为开篇：曾经一

    次性转瞬即逝的生活，会像影子一样没有分量，而不断重演的历史，或许才能摆脱存在的虚无而获得沉重的

    意义。

    你是否有过深深的悔恨，叹息生活中错过的机会，失去的爱人，难以挽回的挫败，无可奈何的衰老……你是

    否经历过无法言喻的欣喜，那种突如其来的顿悟，两颗心灵热烈的碰撞，夏日里菩提树下的宁静，海边微风

    中落日余晖的绚烂……你是否有曾想过：如果我能够再活一次……其实，你曾经活过，正在活着，并且必将

    重活同样的人生，一切都会永恒轮回。

    对于尼采来说，永恒轮回或许至多是一种哲思的推断和诗意的遐想；而在《穿越平行宇宙》中，泰格马克却

    告诉我们，永恒轮回是数学的确证和逻辑的必然。在遥远的时空之外，另一个你，不，无穷多个你，正在同

    时读着这本书。

    《穿越平行宇宙》是一场关于现代宇宙学的盛大巡礼，作者为我们展现了物理学前沿和哲学边界上那些令人

    叹为观止的奇景。这本著作的英文原名为《Our Mathematical Universe》(可直译为《我们的数学宇

    宙》)，长久以来，科学家们一直惊叹于为何数学能够如此有效地描述我们的世界。伽利略曾说：数学是上

    帝用来书写自然的语言；而泰格马克却激进地认为：“宇宙不只是被数学所描述，宇宙本身就是数学。并

    且，宇宙不仅某些方面是数学，它的全部都是纯粹的数学，包括你我在内。”这个疯狂的想法被他称为数学

    宇宙假说，看似违背直觉和常识，却并不违背逻辑和理性。某种意义上，这是毕达哥拉斯学派和柏拉图主义

    的轮回再生：万物皆数，只有理念和形式才是绝对和永恒的存在。当我们剥开一层层的表象而看到存在的终

    极结构时，便会发现并没有什么像颜色、质地这样实实在在的“内禀性质”，留下的只是数字、集合、信息、模式等一组组抽象的数学关系。宇宙的本源不是沉甸甸的物理实在，而是没有“人造包袱”的轻飘飘的数学结

    构。宇宙、生命、意识、自我……万物的存在都被交织在一幅宏大而自洽的图景之中。你不见得能接受泰格

    马克教授大胆、创新且极具争议的假说，但这一切仍会让你感受到令人晕眩的理性之美，进而产生宗教般的

    敬畏。

    当你读完这本书而仰望星空时，或许会意识到：你的所有欢乐与痛苦，所有成就与失败，所有荣耀与屈辱，所有美丽与丑陋，所有爱恨与情仇，都会在平行宇宙中一遍遍地重演，一切都似乎毫无意义，却又不可避

    免。在浩渺的空间和漫长的时间中，人类的存在是如此微不足道，然而，我们或许承受了这个轻虚的数学宇

    宙中最沉重的使命：“并不是宇宙赋予生命以意义，相反，生命将意义赋予了宇宙。”引言 穿越平行世界，找寻宇宙的终极本质……树木的主要成分是气体，所以当它们燃烧时，这些气体又回到空气中。燃烧的火焰所释

    放出来的热量原本来自太阳，它们被深锁起来，并将空气变成树的一部分。而燃烧殆尽的灰烬，则是树另一部分的残骸，这一部分并不源于空气，而是来自我们脚下结结实实的地球。

    理查德·费曼(Richard Feynman)

    天地之间有许多事情，是你的睿智所无法想象的。

    莎士比亚，《哈姆雷特》

    第1幕，第5场

    眼见不一定为实

    一秒钟之后，我即将死去。我的脚离开自行车脚蹬，手猛捏刹车闸，但是一切都太迟了。我只看见不断闪烁

    的车灯和逼近的卡车。40吨钢铁，像一条喘息的巨龙，挟着沉重的呼啸向我袭来。我看见卡车司机满眼的惊

    恐。我感到时间仿佛变慢了，我的过往人生一幕幕闪现在眼前。那一刹那，我脑中唯有一个念头：“多么希

    望这只是一场噩梦!”呜呼哀哉，直觉告诉我，这一切都是真实的。

    然而，我如何才能百分之百地确定这不是梦境呢？假如在被撞之前，我曾无意中瞥见一些只有在梦里才会出

    现的场景，会不会有转机呢？比如，我已过世的老师英格丽竟然活了过来，好端端地坐在自行车后面；再比

    如，5秒钟之前，我视野的左上角突然蹦出一个对话框，上面写着：“你确定不看看右边，就贸然冲出地下通

    道吗？”下面还有两个可以点击的按钮，分别标着“确定”和“取消”，那一切又会怎么样呢？如果我看了太多类

    如《黑客帝国》和《异次元骇客》的电影，也许会开始怀疑我的人生是否只是一个计算机模拟程序，甚至开

    始质疑我从前深信不疑的那些关于真实世界的基本假定。但是，上面所说的这些怪事，我一个也没有经历

    过。死亡，是唯一的证明。毕竟，还有什么会比40吨重的大卡车压过来的感觉更真实呢？

    可是，很多事情并不是表面上看起来的那样，卡车，甚至“实在”本身，都是如此。这种说法不仅来自哲学家

    和科幻作家，还源于物理实验。一个多世纪之前，物理学家们了解到一个奇妙的事实——在坚硬钢铁的内部

    结构中，其实大部分都是空荡荡的空间。这是因为，占原子质量99.95%的原子核，其实只占据了原子0.000

    000 000 000 1%的体积。为何近乎空无一物的钢铁摸起来却实实在在、固若金汤呢？这是因为，让原子核各

    就其位的力量非常强大。另外，通过仔细测量，人们发现亚原子粒子甚至能在同一时间出现在不同的位置，这是一个著名的量子力学谜题(我们将在第6章进行探讨)。

    既然粒子可以同时出现在两个地方，而我又是由这些粒子构成的，那我是否也能拥有分身术呢？实际上，在

    车祸发生的3秒钟前，我的潜意识已经决定了是只往左看，还是为以防万一也看看右边——左边是我每天都

    要转向的路，通往我在瑞典时所上的文理中学，这个路口通常没什么车。1985年那个清晨的瞬间，我草率作

    出的决定差点儿让我丢掉小命。这一切都源自一个小小的钙原子是否要进入我前额叶皮层某个特定的神经突

    触，它将决定这个神经元是否发射出电信号，从而激活其他神经元，并触发一阵瀑布般奔流的神经活动，最

    终在我的脑中编码出一句话：“不用看右边。”此刻，假如这个钙原子同时出现在两个相去不远的地方，一个在突触外，一个在突触内，那么半秒钟后，我的瞳孔将同时瞥向两个不同的方向；两秒钟后，我将同时骑向

    两个相反的方向。那么，不久之后，我将同时处于“活着”和“死去”两种状态。这究竟有没有发生的可能？我

    们的世界是否将走向拥有不同历史的平行宇宙呢？主流的量子力学家们正在热烈地辩论着这个话题。换句话

    说，量子力学中最重要的薛定谔方程，是否需要一些修正呢？现在问题来了，我究竟有没有死？在这个平行

    宇宙中，我差点儿死掉，但最终捡回了一条命。那在其他平行宇宙中，我是否有可能已经死了？(在那里，这本书也就不可能写出来。)既然我同时处于活着和死去的两种状态，那么我们是否应该修改一下我们

    对“实在”的看法，让它更加名正言顺？

    如果你认为我刚才所说的这些听起来荒谬可笑，只是用物理学来搅浑水，那么，当你听到我接下来要讲的个

    人看法时，你会更加头昏脑涨。如果每时每刻，我在不同的平行宇宙中都可能出现在不同的位置，那么不管

    遇到什么意外，总有一个宇宙中的我能死里逃生。下面请你想象一下，如果未来每次都会这样，那么，至少

    存在一个平行宇宙，其中的我会永远活下去。由于我的意识只会存在于我活着的宇宙中，那是否意味着，在

    主观上我会觉得自己长生不死？如果真是这样，你也能找到一个你永远不会死的宇宙，最终，你将成为这个

    宇宙上活得最久的人。我们将在第7章讨论这些问题。

    很惊讶吧？物理学竟然揭开了“实在”的面纱，让我们看到它怪异的面目，简直超出所有人的想象。其实，这

    还不算太惊奇，接下来，让我们看看达尔文的进化论吧，它会让你更惊讶。对某些物理现象，我们拥有着毋

    庸置疑的直觉。比如，当你扔出一块石头，直觉告诉你，它一定会以抛物线的轨迹落地。这是进化的馈赠，因为这些现象对我们远古祖先的生存具有价值(这也许正是人类对棒球感兴趣的原因)。一个山顶洞人如果

    总在思考“物质最终由什么组成”这种问题，可能就会忽略掉潜藏在身后的老虎，而被一口吃掉，最终被清除

    出大自然的基因库。于是，达尔文的理论作出了一个可检验的预言：每次，当我们使用科技去窥探人类尺

    度之外的实在时，进化带来的直觉都会被打破。这个预言被检验了一次又一次，每一次达尔文都以压倒

    性的优势取胜。

    比如，爱因斯坦认为，物体做高速运动时，时间会变慢。瑞典诺贝尔奖委员会那些坏脾气的委员们觉得这个

    想法实在太疯狂，拒绝向爱因斯坦的相对论颁发诺贝尔奖。再比如，在极低的温度下，液氦会向上飘。而在

    高温时，粒子相撞后会变身为其他东西，比如电子与正电子相撞会变成Z玻色子。如果仅凭直觉，我会认为

    这听起来就像“两辆车相撞变成了一艘游轮”一样怪异。还有，在微观尺度下，粒子就像得了人格分裂症，会

    同时出现在两个地方，产生我们之前提到过的量子力学谜题。而在天文学的大尺度下，咄咄怪事依然存在，比如，仅凭直觉，人类根本无法理解黑洞的性质。如果你能从直觉上理解黑洞的方方面面，那你绝对是凤毛

    麟角!赶紧扔掉这本书，快去出版你的理论吧，免得有人在量子引力的诺贝尔奖上抢在你前面。

    让我们把尺度继续放大，还有更多怪事在等着你，那里的现实比最高级的望远镜看到的所有东西都大得多。

    我们将在第4章中探索宇宙的早期，关于此，主流理论叫作“宇宙暴胀”(cosmological inflation)。这个理论暗

    示着，空间可不仅仅只是宏大而已，它实际上是无限的，包含着无穷多个你。这些“你”，在两种不同类型的

    平行宇宙中，经历着所有可能出现的人生道路。如果这个理论被证实，那么，即使我前面提及的量子力学观

    点(“另一个我被撞死在上学路上”)存在一些谬误，在太空中极遥远之处，也可能存在着无数个太阳系，其中生活着无数个我，他们过着完全相同的日子，直到那个千钧一发的时刻到来——决定不向右看。

    也就是说，不管从极小的尺度还是极大的尺度看，物理学的发现都挑战着我们对实在最基本的看法。在本书

    第10章，你会看到，当我们利用神经科学来钻研大脑运作的方式时，即使在人类这个不大不小的尺度下，有

    关实在的观点也会受到严峻的挑战。

    另外，正如图0-1所显示的那样，数学方程为我们提供了一扇窥探大自然运行规律的窗口。然而，为何我们

    的物理世界会展现出如此极端的数学规律呢？这种数学规律非常重要，著名天文学家伽利略宣称大自然

    是“一本用数学语言写就的书”；而诺贝尔奖获得者尤金·维格纳(Eugene Wigner)则强调说，“数学在物理学

    中不可思议的有效性”简直就是一个亟待解释的神秘事件。我写作本书的主要目的正是回答这个问题。在第9

    章和第10章，我们将探索计算、数学、物理学和意识之间的迷人关系，并探索我的一个听起来很疯狂的信念

    ——我们的物理学世界不仅是被数学所描述，它正是数学本身，而人类正是这个巨大的数学体中具有

    自我意识的一部分。我们将看到，这个信念将开启一扇门，门后暗藏着崭新的、终极的平行宇宙。这些平

    行宇宙是如此庞大和奇异，以至于我之前提到的所有稀奇古怪之事都将黯然失色，迫使我们放弃关于实在的

    那些最根深蒂固的观念。

    图0-1 当通过物理公式来看待世界时会发现，公式描述的是模式和规律。但对我来说，数学更像是通往

    外部世界的一扇窗口。在这本书里，我将告诉你，我们的物理世界不仅仅是被数学所描述，它正是数学本身；

    更确切地讲，它是一个数学模型。

    生命、宇宙、万物，终极答案究竟是什么

    在遥远的远古时代，人类祖先就已经开始追问什么才是实在，冥思苦想着这些关于实在的深邃问题。一切从

    何而来，又向何处去？宇宙究竟有多大？这些问题是如此迷人，全世界几乎所有的人类文明都为其倾心。为

    此，人们创造出了各种创世神话、传说和宗教信条。这些问题太难回答，并未形成一个全球统一的答案(见

    图0-2)。如果所有文化都趋向一个统一的世界观，那这说不定可以成为“终极的实在”。然而事情没有那么

    简单，每种文化给出的答案都大相径庭，有一些则反映出人们不同的生活方式。比如，古埃及的创世神话认为尼罗河让土地变得肥沃，而我们的世界正是从水中诞生；而在我的祖国瑞典，冰与火对生存非常重要，所

    以古挪威神话认为，生命起源于冰与火。很神奇吧!

    图0-2 在漫长的人类历史上，许多思想家都曾为本书将讨论的许多关于宇宙的问题弄得神魂颠倒，然而

    全球并没有形成一个统一的答案。本图由MIT的研究生大卫·赫尔南德斯(David Hernandez)为我在2011年的

    宇宙学课程所制作。当然，这种简单的分类法并不严格，所以你可以持保留态度。因为许多宗教都有多个分支

    和不同的解释，还有一些可被分到多个种类中。比如，印度教在创世神话的三个分类中，都可以占有一席之

    地，因为根据传说，创世神梵天(图中的大神)和我们的宇宙都从一个蛋中而来，而这个蛋又是来自水。

    这些终极问题，古人给出的答案都多少有点儿激进。那什么才是真实与实在呢？除去眼睛能看到的世界之外

    的世界，是真实存在的吗？是的!这是柏拉图在2 000多年前给出的答案。在他经典的洞穴之喻中，人就像

    被囚禁在一个山洞中，面朝空白的洞壁，身后的篝火将一切的影子投射在洞壁上，让人误以为婆娑摇曳的影

    子就是真实的世界。柏拉图认为，被我们人类认为是“实在”的一切日常事物，都只是真实世界扭曲且

    局限的幻影。要想真正理解真实世界，必须打破思想的枷锁。

    我的物理学生涯告诉我，柏拉图是正确的：现代物理学用不胜枚举的例子证明，真实世界的终极本质并不是

    表面上看起来的那样。但如果物理实在不是我们认为的那样，那又应该是什么样的？我们脑中构建的内部实

    在与外部实在有什么关系呢？万物究竟由什么组成？世界是如何运转的？为什么呢？一切的一切，是否有一

    个终极意义？如果有的话，又是什么？正如著名科幻小说家道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)在他的科幻

    作品《银河系漫游指南》(The Hitchhiker’ s Guide to the Galaxy)中所追问的那样：“生命、宇宙和万物的终

    极问题的答案究竟是什么？”

    纵观人类历史，各个时代的思想家对“什么是实在”这个问题作出的回应可谓五花八门——不管是试图回答

    它，还是忽略它。在此，我举出了一些例子(见表0-1，这个表并不完全，也并不是所有例子都互斥)。

    表0-1 对“什么是实在”的一些回答这本书(包括我的科学职业生涯)是我个人对这些问题的追寻过程。这些思想家之所以有如此花样繁多的答

    案，一部分原因是他们选择从不同的角度来回答。所以，关于我个人如何解释它，以及采用什么方法，在此

    我需要向读者们说明一下。“实在”这个词可以有很多不同的内涵。在我眼中，它指的是包含我们自身的这个

    外部物理世界的终极本质。为了更好地理解它，我几乎被迷住了。那么，我采用了什么方法呢？

    还在上高中时的一天夜里，我读了英国女侦探小说家阿加莎·克里斯蒂(Agatha Christ ie)的侦探小说《尼罗河惨案》

    (Death on the Nile)。尽管我知道第二天早上7点就得起床，但还是无法放下这本书。一直看到凌晨4点，谜题终于被解开了。

    我从小就对侦探小说神魂颠倒。12岁时，我和同班同学安德里亚斯·贝蒂(Andreas Bet te)、马提亚斯·博特纳(Mat thias

    Bothner)以及奥拉·汉松(Ola Hansson)成立了一个侦探俱乐部。我们从来没有抓到过罪犯，但破解谜题却让我放飞了想象力。

    对于我来说，“什么是实在”就像是一个终极的侦探故事，作为一个物理学家，我能花这么多时间来探索这个

    问题，实在是太幸运了。在下一章，我会告诉你，还有很多夜晚，我都被好奇心所驱使，通宵达旦地看书，直到谜题被破解。当然，还有很多夜晚，我不是在读，而是在写。我所写下的，乃是一系列数学方程，但我

    知道，这些方程也像侦探小说一样，能把我引领到终极答案面前。我是一个物理学家，因此对“实在”的谜题，我采用物理学的解决方法。对我来说，我将从“宇宙有多大”和“万

    物由什么组成”这种问题开始，并像对待侦探谜题一样对待它们：对细致的观察结果进行梳理，坚持追踪

    每个线索，不管它将通向何方。

    破解“实在”谜题，一场智识上的终极冒险

    什么？物理学的解决方法？这简直是浇灭人兴奋之火的一盆冷水嘛。我很理解这一点。每当我坐在飞机上，邻座的乘客问我做什么工作时，我都有两个备选答案。如果我当时想聊聊天，我就会回答“天文学”，这将开

    启一段有趣的对话[1]；如果我当时不想聊天，我就会回答“物理学”，十有八九他们就会说“哦，这是我高中

    时学得最差的学科”，然后就不再搭理我，我的旅程便会清静万分。

    实际上，物理学也是我高中时最不喜欢的学科。我现在还对第一堂物理课记忆犹新——物理老师用单调而平

    淡的声音宣布：“本节课将学习有关密度的知识。密度，就是用质量除以体积。如果质量是这样，体积是这

    样，那么密度就是那样……”从那之后，我脑子里一片糊涂。并且，每当物理老师的实验失败，他就会将问

    题归咎于湿度，并说“今早还行的呢”。我的一些朋友并不知道为什么他的实验总是失败，直到有一天他发

    现，我淘气地在他的示波器[2]

    下面贴了一块磁铁……

    申请大学时，我决定抵制物理学和其他科技领域，去了斯德哥尔摩经济学院，主要研究环境问题。我想为地

    球尽一份力，让它成为一个更美丽的星球。我发现，最主要的问题并不在于缺乏有效的技术方案，而在于没

    有很好地利用它们。我还发现，影响人类行为的最好方法是触动他们的钱包。创造经济刺激，让个人利己主

    义与公共利益结盟——这个想法把我给迷住了。然而，呜呼哀哉，我的美梦破灭了。我得出一个结论：经济

    学大体上是在兜售智力。说出权贵想听的话，就会得到奖赏。不管政客想做什么，都能找到某个经济学家来

    支持其做法。美国的罗斯福总统想要扩大政府开支，于是听从于宏观经济学大师约翰·凯恩斯(Johan

    M.Keynes)；而里根总统想要减少政府开支，于是转向反对政府过多干预经济的经济学大师米尔顿·弗里德

    曼(Milton Friedman)。

    某一天，我的同学约翰·奥德霍夫(Johan Oldhoff)给了我一本书，改变了我的人生。这本书叫《别闹了，费曼先生!》

    (Sur ely You’r e Joking, Mr .Feynman!)k。我从来没见过理查德·费曼，但正是他改变了我的人生道路，从经济学转向了物理

    学。当然，那本书的主要内容并不是讲物理学，而更像是教你如何撬开门锁和挑选女朋友，但我在字里行间感受到，这个家伙真

    是爱死物理学了。我被迷住了。如果你在路上看见一个长相平平的男生挽着一个倾国倾城的女孩，你一定会认为背后有什么不可

    言说的秘密，你可能会假设，她一定看到了他身上隐藏的闪光点。这也是我对物理学的感觉。我十分好奇，费曼到底看到了物理

    学的什么闪光点，是我在高中时所忽略的？

    我很想解开这个谜题，所以我坐下来，开始读从老爸书柜里找到的《费曼物理学讲义》(The Feynman

    Lectures on Physics)第一卷。书上写道：“假如，因为某次大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话

    能传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息？”

    哇哦!这个家伙和我的高中物理老师真的太不一样了!费曼继续写道：“我相信这句话应该是：万物都是由

    原子组成的——这种永恒运动着的小微粒，当它们分开时会相互吸引，而挤在一起时又相互排斥。”我瞬间被点亮了。就像中了魔咒一样，我废寝忘食地读啊，读啊，读啊。我觉得自己简直像经历了一场宗教

    式的洗礼。终于，犹如醍醐灌顶，坐地顿悟，我明白了自己一直以来忽略了什么，而这却是费曼早就意识到

    的：物理学是终极的智力冒险，是为理解宇宙最深层次的谜题而进行的探索。物理学并不是给有趣的事情

    泼冷水，相反，它让我们把周遭美丽且神秘的世界看得更加清楚。

    秋天，在骑车上班的路上，我看见树叶被染成了红色、橙色和金色，它们是如此美丽。然而，用物理学的眼

    睛来看这些树，还能揭示出更多的美!正如费曼所说的那样，“我越看得深，就越能瞥见更多的优雅”：在第

    2章，我们将看到，恒星才是树木的终极来源；而在第7章，我们将看到，研究树木的组成部分，将暗示着它

    们也存在于平行宇宙中。

    那时，我有一个女朋友，在瑞典皇家理工学院学物理，她的课本看起来比我的有趣多了。可惜我们的关系没

    能长久，但我对物理学的爱却延续了下来。在瑞典，大学都是免费的，所以我在没有告知斯德哥尔摩经济学

    院的情况下，同时也注册了她所在的大学。于是，我有了一个神秘的双重身份。我的“侦探”生涯终于正式开

    始了。而这本书，正是我迟到了25年的“侦探报告”。

    所以，究竟什么是实在？我在此设置了一个如此大胆的主题，并不是要自负地向你推销一个终极答案(在本

    书后面的章节，我们会一起探索那些迷人的可能性)，而是要邀请你来参加一场探险之旅，并和你分享我对

    这些脑洞大开的神秘问题的兴奋和思考。我想，你会和我一样，得出结论：不管实在到底是什么，它绝对和

    我们从前所认为的大不一样，它是一个令人陶醉的谜题，深藏在我们的日常生活中。我相信，你会和我一

    样，用一个全新的视角来看待所有的日常问题，比如罚单和胃痛，更容易不被它们影响，并尽情地享受生

    活。

    当我第一次和我现在的编辑约翰·布罗克曼(John Brockman)讨论写作本书的想法时，他给我下了几道“军

    令”：“我不想要一本教材——我要你用心写的书。”所以，我就写出了一本有点儿像科学自传的书，不过它

    的主要内容是关于物理学，而不是我。当然，这本书肯定也不像你通常所读的那些科普书，那些书的作者一

    般都是从客观的角度来讲解物理学，主要反映科学共同体的主流观点，并为反对意见留出同样的空间。而我

    的这本书更像是我对实在的终极本质的个人探索。我非常希望你会喜欢我眼中的世界。在这本书里，我们将

    一起探索我认为最不可思议的事情，并尝试找到它们的意义。

    一开始，让我们一起来看看，最新的科学进展对讨论“什么是实在”的整个大环境有何改变。从极大的尺度

    (第1章～第5章)到极小的尺度(第6章和第7章)，科学研究如何揭开了“实在”的面纱。在本书的第一部

    分，我们将追问“宇宙有多大”，为此，我们将在前所未有的大尺度上，探索宇宙的起源以及第一和第二层平

    行宇宙。在这里，你会发现一些暗藏的线索，暗示着宇宙从某种意义上来说是数学的。

    在第二部分，我们将进入亚原子的微观世界，马不停蹄地探索“万物由什么组成”。其间，你会发现新的线

    索，暗示着组成万物的原材料从某种意义来说也是数学的。

    在第三部分，我们将回头来看看这一切对真实世界的终极本质来说意味着什么。我们会讨论，不能理解人类意识并不代表不能完全理解外部物理实在。接下来，我们将踏上神秘的旅程——也就是我最激进和颇受争议

    的想法：实在的终极本质就是数学。这不仅会瓦解我们熟悉的概念，比如随机性和复杂性，甚至会让它们

    变成幻觉。于是，最终极的第四层平行宇宙应运而生。最后，在结语部分，我们将回到一切开始的地方，也

    就是我们栖身的宇宙。此时，我们将讨论，对宇宙中的生命、对人类以及对你我来说，这一切意味着什么？

    我们对未来有什么展望呢？一段迷人的旅程正在前方等着我们，让我们开始吧!

    扫码关注“湛庐教育”，回复“穿越平行宇宙”，观看泰格马克教授的演讲视频，与他一起穿越平行宇宙!同时，还可获取泰格马克教授

    为读者制作的阅读指南，快速厘清本书脉络。

    ◆我认为，关于真实世界的终极本质，物理学告诉我们的最重要的事情就是：不管它到

    底是什么，它都绝不是表面上看起来的那样。

    ◆在第一部分，我们将把镜头拉远，探索极大尺度下的物理实在，从行星到恒星，再到

    星系和超星系团，以及我们的宇宙和两类可能的平行宇宙。

    ◆在第二部分，我们将把镜头拉近，追寻极小尺度下的物理实在，从原子到更小更本的

    粒子，并讨论第三层平行宇宙。

    ◆在第三部分，我们将研究奇异物理实在的终极本质，考察宇宙终极纯粹的数学性，尤

    其是第四层，也即最终极的一层平行宇宙中的数学结构。

    ◆对不同的人来说，“实在”的内涵是不同的。我所说的“实在”是指我们所存在的这个外

    部物理世界具有的终极本质。我从小就对这个问题很着迷。这本书是一场追寻“实在”之本质的个人冒险。跟我一起来吧!第一部分 星际空间之旅01 我们在空间中的位置：从地球到宇宙空间……很大，真的很大。你简直不会相信它有多么广袤无垠，这超乎你的想象。

    道格拉斯·亚当斯，《银河系漫游指南》

    空间是无边无际的吗

    他举起手，我示意他可以问问题。“空间是无边无际的吗？”他问道。

    我惊讶得下巴快掉到地上了。哇哦!我刚刚在儿童乐园做了一场小小的天文学讲座，这是我孩子在温彻斯特

    幼儿园的课外活动。一群超级可爱的小朋友坐在地上，用水汪汪的大眼睛望着我，期待着我的回答。可是，这个5岁男孩刚刚问出的问题，我也不知道怎么回答啊!实际上，地球上根本没有人能准确回答这个问题。

    尽管这并不是一个令人绝望的形而上学问题，但却是一个严肃的科学问题，我接下来将为你作出一些明确的

    预测，与之有关的理论也正在被物理实验所探索。实际上，我认为这对物理实在的基本性质来说，是一个非

    常棒的问题。我们将在第4章讨论，这个问题将引领我们走向两种不同类型的平行宇宙。

    这些年以来，我看多了世界各地的负面新闻，对人类的未来变得越来越悲观，然而几秒钟前，这个幼儿园小

    朋友却让我对人类的潜力重拾信心。连一个5岁的小孩子都能说出如此深奥的话，想象一下，在合适的条件

    下，把所有成年人团结起来，将会完成多么伟大的壮举!这个孩子也提醒了我教育的重要性。我们的好奇心

    与生俱来，但有时，学校教育却将其摒弃在外。我认为，作为一位教师，最主要的责任不只是传道授业，还

    包括重燃孩子们问问题的热情。

    我热爱各种问题，尤其是那些重要的大问题。我在追寻有趣的问题上花了很多时间，这对我来说是一种幸

    运。更幸运的是，我还能把这种事情当成工作，赚钱养家，这简直超出了我对人生最疯狂的期待。下面我列

    出了16个我经常思考的问题。

    问题1：宇宙空间怎么可能不是无限的呢？

    问题2：在有限的时间中，如何能创造出无限的空间？

    问题3：我们的宇宙会膨胀成什么样？

    问题4：大爆炸是从空间中的什么地方开始的？

    问题5：大爆炸是从某个单独的点开始发生的吗？

    问题6：如果宇宙的年龄只有140亿年，那么我们如何能看到300亿光年远的东西？

    问题7：星系退行的速度比光速还快，这不违背相对论吗？

    问题8：星系是真的在远离我们，还是仅仅只是空间在膨胀？

    问题9：银河系在膨胀吗？

    问题10：大爆炸奇点的存在有证据吗？

    问题11：通过暴胀，宇宙从虚无中生出我们周遭的万物，这难道不违背能量守恒定律吗？

    问题12：是什么导致了大爆炸？

    问题13：大爆炸之前有什么？

    问题14：我们宇宙最终的命运是什么？

    问题15：暗物质和暗能量是什么？问题16：我们人类是微不足道的吗？

    让我们一起来探索这些问题吧!在接下来的4章里，我们将回答其中11个问题。你会发现剩下的5个问题令人

    极其纠结。但是，首先让我们回到那个幼儿园小朋友的问题上，这将是本书第一部分的中心主题：空间是无

    边无际的吗？

    被低估的空间

    我父亲曾给过我一个建议：“如果你遇到一个无法回答的难题，那么在所有你不能回答的问题里，先选择一

    个简单一些的问题来处理。”怀着同样的精神，让我们先问一个更简单的问题：在不与我们的观测结果相违

    背的前提下，空间最小能有多小？图1-1描绘了人们对这个问题的回答随着时间发展而变化的情况。从图中

    可以看出，几个世纪以来，这个问题的答案发生了翻天覆地的改变：今天我们已知的宇宙比狩猎的祖先们所

    知道的最远距离——他们一生所行走的距离，大了10亿兆(1021)倍。并且，这种视野的扩张不是一锤定

    音，而是屡次上演。每次，当我们有能力把窥探宇宙的镜头拉得更远一些时，就会发现，之前所发现的一切

    只是一个更庞大物体的一小部分。而从图1-2中可以看到，一个国家也只是一颗行星上的一小片土地，而这

    颗行星只是太阳系的一小部分，而太阳系只是银河系的小小一隅，银河系只是一个星系团的一个小角落，这

    个星系团也仅仅只是可观测宇宙的一小部分，甚至连可观测宇宙，在我看来都只是一层或几层平行宇宙中小

    小的一个。

    图1-1 从这张图中可以看到，我们认为的宇宙下限，随着时间的推移在逐渐扩大。而在纵坐标上，相邻

    刻度之间的差距竟有10倍之多!图1-2 每次，当我们有能力把窥探宇宙的镜头拉得更远一些，就会发现，之前所发现的一切只是一个更

    庞大物体的一小部分：一个国家也只是一颗行星上的一小片土地(左图1)，这颗行星只是太阳系的一小部

    分，太阳系只是银河系的小小一隅(左图2)，银河系只是一个星系团的小角落(右图2)，这个星系团也仅

    仅只是可观测宇宙的一小部分(右图1)，甚至连可观测宇宙，在我看来都只是一层或几层平行宇宙中小小的

    一个。

    就像把头埋在沙子里的鸵鸟一样，人类总是一次又一次地假定，我们能看见的范围就是宇宙的全部了，并总

    是错误地认为我们人类位于宇宙的中心。在探索宇宙的漫长道路上，宇宙的大小总是一次又一次地被低估，这几乎成了一个永恒的主题。然而，图1-2却反映出第二个主题，也是我认为非常有启发性的一个主题：

    我们不但一次又一次地低估了宇宙的尺度，还一次又一次地低估了人类智慧理解宇宙的能力。山顶洞

    人的大脑与我们现代人的大脑差不多大小，当夜幕来临，既然他们不会坐在家里看电视，那么一定会仰望星

    空，并提出诸如“天上那些玩意儿是什么”“它们从哪里来”这样的问题。他们传颂着优美的神话故事，却没有

    意识到自己具有解答这些问题的潜能。秘诀不在于飞向群星深处去亲自勘察这些天体，而在于放飞你的想

    象。

    如果你确信一件事不可能成功，于是就不去尝试，那这件事注定会失败。从事后诸葛亮的角度来看，物理学

    上所有重大的突破，本来都应该发生得更早一些，因为促使它发生的工具早就存在了。如果一个冰球运动员

    错误地认为自己的球棍坏掉了，那即使他面对一个无人防守的空门，也无法进球。在接下来的几章里，我将

    和你分享一些故事，你将看到，牛顿、亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann，宇宙学家、数学家)、乔

    治·伽莫夫(George Gamow，物理学家、天文学家)和休·埃弗雷特(Hugh Everett，物理学家)是如何克服

    这种“确信的失败”的。诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)正是怀着这样的心情对我

    说：“在物理学的世界里，这是常发生的事情——我们并不是错在太把自己的理论当回事，而是错在太不把

    自己的理论当回事了。”

    首先，让我们来看看如何测量地球的大小，以及地球和月球、太阳、其他恒星和其他星系之间的距离。我个

    人认为这是有史以来最饶有趣味的侦探故事之一，说不定正是它促成了现代科学的诞生，所以我非常急切地

    想要和你分享，把它作为开胃菜，放在正餐前——别忘了，正餐是宇宙学领域最新的突破性进展。正如你所

    看到的那样，前4个例子并不复杂，只需要测量一些角度就可以了。但它们也无不证明：对熟视无睹的日常

    事物提出疑问是一件多么重要的事情，因为最关键的线索可能就隐藏在其中。

    哥伦布的好运气

    在人类最初驶向大海时，就注意到了一个事实：当船只驶向地平线时，船体总是比船帆消失得更早。这让他

    们开始产生一个观点：大海的表面是弯曲的，所以地球是球形的，就像太阳和月亮看起来的那样。古希腊人更是找到了直接的证据。他们发现，月食时，地球投影在月亮上的阴影是圆形的(见图1-3)。从航海中估

    算地球的尺度，其实很容易。[3]

    图1-3 在月食的过程中，月亮会穿越地球造成的阴影地带(如图中所示)。2 000多年前，古希腊天文学

    家、萨莫斯的阿里斯塔克斯(Aristarchus of Samos)将月食时地球投影在月亮上的阴影大小与月亮本身进行了

    比较，精确地推导出了月亮的大小约是地球的14。(延时摄影由安东尼·艾因梅米缇斯[Anthony Ayiomamit is]

    拍摄)

    但2 200年前，古希腊天文学家埃拉托斯特尼(Eratosthenes)只巧妙地利用了一下角度，就计算出了一个更加精确的结果。

    他知道，夏至那天，在古埃及城市赛伊尼(Syene)，正午的太阳会恰好出现在头顶；但在794公里以北的亚历山大港，此时的太

    阳会略偏南7.2°。这样，他计算出，走794公里的路程，相当于在地球周长的360°里绕了7.2°，那么地球的周长应该大致等于39

    700公里(794×360°÷7.2°)，这与现代测量的40 000公里相当接近。

    令人惊讶的是，意大利航海家哥伦布却完全弄错了。他在计算里程时，错误地把阿拉伯的英里和意大利的英

    里搞混了，以为自己只用航行3 700公里就能到达东方。实际上，这个数字应该是19 600公里。如果他当时计

    算正确，可能就没人肯为他的航行埋单了。而假如美洲不存在，那他估计也早已葬身大海了。所以，有时候

    运气反而比正确更重要。

    误打误撞地解开日地距离的谜题

    月食和日食，在历史上曾激发了人类无数的恐惧、敬畏和神秘的传说。实际上，当哥伦布搁浅在牙买加时，他还设法预测1504年2月29日的月食，从而恐吓当地原住民。但是，月食也曾提供了优美的线索，让人类能

    对宇宙的大小猜测一二。2 000多年以前，古希腊天文学家阿里斯塔克斯注意到了图1-3中的现象：当地球运

    行到太阳和月亮之间时，就会出现月食，此时地球投影在月亮上的影子拥有一道圆滑的曲线边缘——而地球

    的这个圆形影子比月亮大上了好几倍。阿里斯塔克斯还意识到，这个阴影应该比地球本身要小一点点，因为

    地球比太阳小。他把这个复杂性考虑进去以后，计算出地球应该比月球大3.7倍。由于埃拉托斯特尼已经计

    算出了地球的周长，于是阿里斯塔克斯就这样简单地用其除以3.7，就得到了月球的周长!我认为，正是这

    一刻，人类开始放飞自己的想象力，并开启了征服宇宙的征程。在阿里斯塔克斯之前，无数人仰望夜空，疑

    惑月亮到底有多大，但他是第一个真正算出结果的人。而他只用脑力就完成了这件事，并没有用火箭。一个科学突破常常伴随着更多的发现。这一次，当人们知道了月球的大小，便明白了它与地球之间的距离。

    请抬起你的手，伸直手臂，看看周围有什么东西能被你的小拇指挡住。你的小拇指在视野中所覆盖的角度约

    为1°，大概是月亮覆盖范围的2倍——下次月亮出来时，记得验证一下哦。对一个覆盖0.5°范围的物体来说，它与你之间的距离大约等于它大小的115倍。所以，如果你坐飞机时，从窗户往外看，发现你用半个小指头

    就能覆盖住地面上一个50米大小的游泳池(奥林匹克运动会游泳比赛的泳池也这么大)，那你就能算出飞机

    的航行高度大约为6 000米(115×50米)。用同样的方法，阿里斯塔克斯计算出月球与地球的距离为月球大

    小的115倍，差不多等于地球直径的30倍。

    地球和太阳之间有多远

    那么，太阳距离地球有多远呢？请再次伸出你的小拇指，你会发现，太阳覆盖的角度与月亮差不多，约为

    0.5°。太阳肯定比月球远多了，因为日全食时，月亮几乎才刚刚能把太阳挡住。那么，太阳到底有多远呢？

    这取决于它有多大——假如它是月亮的3倍大，它也得是月亮的3倍远，才能覆盖同样大小的角度。

    阿里斯塔克斯在他那个年代可谓顺风顺水，他聪明地解决了这个问题。他意识到，在弦月发生时，太阳、月

    亮和地球组成了一个直角三角形。此时，我们能看见月球正面正好有一半被太阳照亮(见图1-4)。他估算

    了一下，此时月亮和太阳之间的角度大约为87°。这样，他知道了这个三角形的形状，以及地球和月亮相连

    组成的边的长度，于是，他用三角法算出了太阳和地球相连组成的边的长度，这也正是太阳和地球之间的距

    离。他的结论是：太阳与地球之间的距离，大约比月球到地球间的距离远20倍，所以，它一定比月亮大了20

    倍。换句话说，太阳可真大啊，直径比地球大了5倍多。洞悉了这一点，阿里斯塔克斯早在天文学家哥白尼

    之前许多年，就提出了日心说：他认为，太阳比地球大那么多，应该是地球绕着太阳转更合理，而不是太阳

    绕着地球转。

    这个故事具有很强的启发性，也具有一定的警示性。它不仅告诉我们聪明很重要，还告诫我们，量化我们测

    量的不确定性有多么重要。在第二点上，古希腊人显然不是很熟练，阿里斯塔克斯也不例外。原来，太阳正

    好照亮一半月亮的那一刻，并不是那么容易确定的。而且，就算确定了那一刻，月亮和太阳的角度也并不是

    87°，而是89.85°，和直角相差无几。这样一来，图1-4中那个三角形会变得特别细长：实际上，太阳与地球

    之间的距离差不多是阿里斯塔克斯估算出来的20倍远，直径也比地球大109倍——所以，你可以在太阳里装

    进100多万个地球。不过，这个错误直到2 000年后才被纠正。2 000年后，哥白尼更加聪慧地利用几何学知

    识，算出了太阳系的大小和形状。他甚至还算出了所有行星轨道的形状和相对大小。但是，他所计算出的太

    阳系大小仍然是实际大小的120——相当于娃娃屋和真实房子的差距。图1-4 通过测量弦月与太阳之间的角度，阿里斯塔克斯估算出了太阳与地球之间的距离。(这张图并不

    是按真实比例绘制的；实际上，太阳比地球大100多倍，也比月亮远400多倍。)

    恒星离我们有多远

    那么，天上的其他恒星呢？它们距离我们有多远呢？它们究竟是什么东西？我认为，这是史上最“悬疑”的侦

    探故事之一。算出月亮和太阳各自距地球的距离已经令人印象深刻了，但至少它们都有一些现成的线索可以

    用：月亮和太阳在空中会饶有趣味地来来去去，改变位置，而且它们还有形状和角度可以测量。而其他恒

    星，要测量它们有多远，听起来简直毫无希望!它们看起来只是夜空中暗淡的小白点，你要瞪大眼睛、仔细

    地看啊看，结果会发现……它们依然是暗淡的小白点，根本没有可辨认的形状和大小，只是远远的一个小光

    点。而且，这些恒星好像从来不会移动，除了随着整个星空一起旋转——我们也知道，这并不是星空在旋

    转，而是地球在旋转所造成的错觉。

    一些古人猜测，那些恒星是漆黑巨球上的一个个小孔，遥远的光从孔里射进来。意大利天文学家、自然科学家布鲁诺则不认

    同这种观点，他认为其他恒星是和太阳一样的物体，只是太过遥远了，它们甚至可能也有自己的行星和文明——天主教会很不喜

    欢这个观点，于是，1600年，他们把布鲁诺烧死在了火刑柱上。

    1608年，突然出现了一丝希望的光芒：人类发明了望远镜!伽利略很快对其进行了改进，并用自己设计的最先进的望远镜凝

    望那些遥远的星星。结果，他看见了……竟然还是暗淡的小白点!一切又回到了起点。我记得，很小的时候，我在祖母的钢琴上

    弹奏“一闪一闪亮晶晶”。在这首《小星星》首次发表的1806年，里面那句“How I wonder what you are”(究竟何物现奇景)回荡

    在许多人的脑海里，但却没人真正知道这个问题的答案。

    如果真如布鲁诺所认为的那样，其他恒星只是遥远的太阳，那它们一定比太阳远多了，因为只有异乎寻常的

    遥远，才会让它们显得如此暗淡。那么，它们距离我们究竟有多远呢？这取决于它们到底有多亮。这也是我

    们很想知道的问题。在《小星星》发表的32年后，德国数学家、天文学家费里德里希·贝塞尔(Friedrich

    Bessel)终于在这个“悬案”上有了突破。请你伸直手臂，竖起大拇指，交替闭上左眼和右眼几次。看到了

    吗？你的大拇指在背景画面中以固定的角度跳来跳去，忽左忽右。接着，移动大拇指，让它离你的眼睛越来

    越近，你会发现，它跳跃的角度在变大。天文学家把这个跳跃的角度叫作“视差”(parallax)。利用这个视

    差，你能清楚地算出你的大拇指有多远。你不用担心计算的问题，因为在你不经意间，你的大脑已经帮你算

    出来了——大脑能根据物体在两只眼睛中的不同角度来判断它的距离，这对深度知觉的形成至关重要，也正

    是这样的能力让我们能看到三维立体的东西。两只眼睛之间的距离越大，我们对遥远物体的深度知觉就越好。在天文学上，我们同样可以利用这种视差的

    小把戏，假装我们拥有两只距离3 000亿米的眼睛，这正是地球绕太阳旋转的轨道直径。我们能做到这一

    点，是因为我们能将相隔6个月时间拍摄的望远镜照片进行对比，在这两个时间点，地球位于太阳的两端。

    贝塞尔就这么做了。结果，他发现，在这两张照片中，尽管大部分恒星的位置几乎都没变化，却有一颗特立

    独行的恒星：它有一个晦涩的名字叫“天鹅座61”(61Cygni)。这颗恒星移动了一个很小的角度，可以算出

    从它的距离约是太阳距离的100万倍——这个距离非常之远，它的星光到达地球需要11年，而太阳光到达地

    球却只需要8分钟。

    不久以后，又有一些恒星的视差被测量出来，这样，我们终于知道了这些暗淡小白点的距离!这是如何计算

    出来的呢？在夜晚，当一辆车离你远去时，你会发现尾灯的亮度与距离的平方成反比(也就是说，离你2倍

    远时，亮度下降4倍)。关于天鹅座61，由于贝塞尔知道了它的距离，利用这个平方反比的关系，他计算出

    了它的亮度。他的结果是，天鹅座61的亮度与太阳相差无几，也就是说，布鲁诺的观点一直都是正确的!

    差不多在同一时间，采用另一个完全不同的方法，人们又取得了另一个重大突破。1814年，德国眼镜商约瑟

    夫·冯·弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer)发明了一个名为“光谱仪”的装置，它可以根据光的组成，将其分

    解成彩虹般的色谱，并观察它们精致的细节。他发现，在彩虹般的色带里，有一些神秘的暗条(见图1-

    5)，而这些暗条在光谱中的位置取决于光源的材料，就像光的指纹一样。接下来的几十年里，人们仔细研

    究和测量了这些光谱，并根据常见的物质对它们进行了分类。用同样的知识，在夜店里，你可以给朋友们玩

    一个小把戏，通过灯光的颜色来猜测物质的成分，而不用靠过去仔细查看。

    图1-5 我儿子亚历山大拍到的这个彩虹，并不会给我们带来黄金，而更像是一个知识的金矿，告诉我们

    原子和恒星的运转方式。在第6章，我们将会一起探索，不同颜色的相对强度是因为光是由微小的粒子(光

    子)组成的。那些暗条的位置和强度也可以用量子力学中的薛定谔方程计算出来。

    令人们始料不及的是，对太阳光谱的分析证明，太阳这个挂在天边的神秘的炙热圆球，竟然是由地球上常见

    的元素组成的，比如氢元素。并且，用光谱仪分析望远镜看到的星光后，人们发现其他所有恒星的成分和太

    阳几乎完全一样，都是由一些气体元素混合而成!这再一次证明了布鲁诺是正确的：其他恒星的确就像是

    遥远的太阳，不管从释放的能量还是从组成的成分来看，都是如此。因此，短短几十年里，恒星们从神

    秘莫测的小白点，变成了燃烧着炽热气体的巨球，我们甚至可以测量出它们的化学成分。

    光谱，就是天文学家的金矿。每次你认为自己已经了解了它的所有秘密时，它都还会用更多神秘的线索来证明你的肤浅。比如，光谱能让你测量出一个物体的温度，而不用温度计去接触它。不用摸，你就知道一块烧

    白的铁比烧红的铁更烫。同样，白色的恒星比红色的恒星更加炙热。通过光谱仪，你能精确地测量出它的温

    度。然而，这并不是光谱能告诉我们的全部：通过光谱信息，你还能知道一颗恒星的大小。这很像做填字游

    戏，填出一个词就能暗示出下一个词。那么，通过温度如何能得知恒星的大小呢？秘诀在于，温度可以告

    诉我们恒星表面每平方米释放出多少光。如果算出恒星总共发出了多少光(通过它的距离和视亮度)，你就能算出恒星的表面积，也就能算出它的大小了。

    这还不够。恒星光谱中还暗藏着关于它运动的线索。随着恒星的运动，光线的频率(也就是光的颜色)会发

    生轻微的偏移，这被称为“多普勒效应”。想感受一下多普勒效应，就去听听马路上的汽车吧：当汽车靠近你

    时，声音的频率会变高；当它们飞驰而去时，声音又会变低。和我们的太阳不同，许多恒星都有一颗伴星，它们处于稳定的双边关系，组成一个双星系统，绕着对方规律地旋转，就像在跳圆舞曲。这种恒星圆舞曲也

    会表现出多普勒效应，使得它们的光谱周而复始地移来移去，每转一圈就循环一次。光谱移动的大小，暗示

    着它们运动的速度。通过观测，我们有时还能测量出双星之间的距离。将这些信息汇集在一起，我们就能使

    出大招了：不通过天秤就能称出恒星的重量。我们的秘诀就是牛顿运动定律和万有引力定律，根据观测到的

    轨道，计算出质量。有时，多普勒效应甚至能告诉我们，某些恒星周围竟然也有行星在绕着它们旋转。当一

    颗行星运行到恒星前方时，恒星的亮度会轻微地降低，这能让我们算出行星的大小；而光谱中的细微变化则

    能告诉我们这颗行星是否有大气层，甚至能告诉我们大气层的成分。光谱线就像是一个神奇的礼品盒，可以

    不停地从中掏出神奇的礼物。比如，如果我们知道一颗恒星的温度，那测量光谱线的宽度就能算出它的气

    压；测量光谱线分裂成多少邻近的支线，我们就能算出它表面的磁场有多强。

    总之，恒星发出的暗淡光线中，隐藏着数不尽的秘密。通过精密的测量和分析，我们能解码出它们的距离、大小、质量、成分、温度、压力和磁场，还能知道那里是否也有一个星系类似我们的太阳系。人类竟然能从

    神秘莫测的小白点中，推导出如此丰富的知识，这实在是一个壮举。我想，史上最厉害的神探夏洛克·福尔

    摩斯和赫尔克里·波洛(Hercule Poirot)，也一定会为我们感到骄傲!

    从百万到十亿再到万亿，不断刷新尺度的星系

    我的祖母西格纳去世时，已有102岁高龄。她离开时，我花了很多时间回忆她的人生。令我惊讶的是，她竟

    然生长在一个完全不同的宇宙观中。当她上大学时，我们对宇宙的认识仅仅只是太阳系加上它周围的一堆星

    星。我的祖母和她的朋友或许也曾想过星星有多么遥远、它们的光线到达我们需要很长时间(少则几年，多

    则上千年)。而如今，我们已经知道，哪怕是距离我们上千光年的星星，也只是我们“宇宙后院”的邻居而

    已。

    如果祖母的大学里有天文学家，那么他们一定曾辩论过“星云”是什么，这是一种云彩一般的天体，弥散在夜

    空中，有的还拥有美丽的旋涡，就像凡·高的名画《星夜》(Starry Night)描绘的那样。这究竟是什么东西

    呢？当时许多天文学家认为，它们只是无聊的宇宙气体云，飘浮在恒星之间。但有的天文学家却持有更激进

    的观点，认为它们是“岛宇宙”，今天被称为“星系”。这是由恒星组成的庞大集合，由于太过遥远，用望远镜也无法看清每一颗星星，所以呈现出一抹朦胧的光霾。为了解决这个争端，天文学家们需要测量这些星云的

    距离。那么，用什么方法来测量呢？

    视差测距的方法，对较近的恒星很有效，但在星云上却无计可施：它们太过遥远，视差太小了，根本无法观

    测。还有什么方法能测量遥远的距离呢？想象一下，如果你用望远镜观察一个遥远的灯泡，发现上面竟然印

    着“100瓦”的字样，这就好办多了：你只需要利用前面说过的平方反比关系，根据它的视亮度，就能计算出

    这个灯泡的距离。天文学家把这种拥有固定亮度的物体叫作“标准烛光”(standard candles)。然而，天文学

    家们沮丧地发现，恒星根本和“标准”二字无缘，它们的亮度千差万别，有的比太阳亮百万倍，有的只是太阳

    亮度的几千分之一。但是，如果你观察到一颗恒星上标着“4×1026瓦”(这正是太阳的瓦数)，你就得到了一

    个标准烛光，并能算出它的距离，就像那颗灯泡一样。不幸中的万幸，大自然赐予了我们这种标准烛光，它

    是一种特别的恒星，叫作“造父变星”(Cepheid variables)。造父变星的亮度会随时间来回变化，与此同时，其大小也在发生着周期性的变化。1912年，哈佛大学天文学家汉丽埃塔·勒维特(Henrietta Swan Leavitt)发

    现，造父变星的脉动频率正像一个瓦特计量器：两次脉动之间间隔的时间越长，它们释放出的光的瓦数就越

    大。

    造父变星还有一个优势是，它们很亮，在很远的地方也能看得见(有一些甚至比太阳亮10万倍)。美国天文

    学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现，在“仙女座星云”中——这是夜空中一团月亮大小的光雾，在远离城

    市光照的地方肉眼可见，有一些造父变星。当时美国加州刚建好了一座胡克(Hooker)望远镜，拥有当时全

    世界最大的2.5米反射镜。用这座望远镜，哈勃测量了仙女座内造父变星的脉动频率，利用勒维特的方程，算出它们的实际亮度，并与它们看起来的亮度进行对比，从而计算出了它们的距离。1925年，当哈勃在一个

    会议上宣布自己的结论时，在场所有人无不十分惊讶：他声称，仙女座是一个远在100万光年以外的星系。

    这比我祖母在夜空中见到的最远星星还要远上1 000倍!其实，今天我们知道，仙女座的距离比哈勃估算的

    还要更远一些，大约在300万光年以外。所以，哈勃不经意间延续了阿里斯塔克斯和哥白尼的传统，再一次

    低估了宇宙的尺度。

    接下来的几年，哈勃和其他天文学家陆续发现了许多遥远的星系，把人类的视野从“百万光年”扩展到了“十

    亿光年”。在第4章，我们将更进一步，把这个数量级扩大到“万亿光年”的级别。

    空间的本质皆数学

    最后，让我们再回到那个幼儿园小朋友问的问题：“空间是无边无际的吗？”此刻，我们可以从两个角度来回

    答这个问题：观测角度和理论角度。到此为止，我们已基本完成了前者，回顾了一下测量技术如何一步步揭

    开越发遥远、永无止境的宇宙秘密。同样，从理论角度看，人类也取得了许多进展。首先，空间为什么不是

    无限的呢？正如我和幼儿园小朋友所讨论的那样，如果在空间中走着走着竟然遇到一个图1-6里的标识，警

    告我们已经到达空间的尽头，那可真是太诡异了!当我还是个小孩子时，我就曾思考过这个问题：如果真有

    这么个标识，那它后面又是什么呢？在当时的我看来，担心走到空间的尽头，就像古代的水手担心船会从大

    地的边缘掉下去一样可笑。于是，我用纯粹的逻辑分析总结道，在空间中，你能永远走下去，碰不到边界，所以空间是无边无际的。实际上，古希腊的欧几里得就用纯粹的逻辑推理得出，几何实际上也是数学，它可

    以精确地描述无限的三维空间，与其他数学结构(比如数字)无异。他发展了这个描述三维空间的优美数学

    理论及其几何性质，并被人们广泛接受，成为人们心中唯一符合逻辑的物理空间世界观。

    图1-6 我们很难想象宇宙会有一个边界。如果它真的有一个终点，那终点后面又是什么呢？

    然而，在19世纪初，数学家卡尔·高斯(Carl F.Gauss)、雅诺什·鲍耶(János Bolyai)和尼古拉·罗巴切夫斯

    基(Nikolai Lobachevsky)都发现，统一的三维空间中可能还存在其他某些合理的逻辑解释。鲍耶在给父亲

    的信中兴奋地写道：“从虚无中，我创造出了一个奇异的新宇宙。”这些新空间遵循着不同的规则，比如，它

    们并不像欧几里得所说的那样，必须是无限的；甚至三角形内角和都不一定非得是欧几里得规定的180°。来

    看看图1-7，想象一下，在图中三个立体物体的二维曲面上分别画一个三角形。对左边的球面来说，三个角

    加起来大于180°；对中间的圆柱面来说，内角和等于180°；而右边的双曲面上，三个内角和小于180°。并

    且，尽管球面的二维表面是有限的，却没有任何边界。

    这个例子说明，只要一个面不是平的，就能打破欧几里得的几何规则。不过，高斯和其他数学家的想法比这

    个更激进。他们认为，空间也可以弯曲，即使它并不是任何物体的表面。

    想象一下，假设你是一只盲眼的蚂蚁，你想确定你处在图1-7中的哪个曲面上，于是你开始爬来爬去。你感

    到你生活在一个二维的空间里，因为你没法接触到第三个维度(也就是说，你没法离开你所在的曲面)，但

    这并不阻碍你的“侦探”工作：你还是可以确定一条直线(两点之间最短的线)，所以你只需要简单地加一下

    三角形的内角和就可以了。如果你加起来的角度是270°，你就可以宣布：“啊哈!比180°多耶，我一定是在

    一个球体上!”为了给你的蚂蚁同伴们更多惊喜，你甚至可以计算出走多远才能回到出发点。我们日常所说

    的所有几何特征，比如点、线、角、曲率等，都可以在一个二维曲面上定义出来，根本不需要用到第三个维

    度。这意味着，即使不存在第三个维度，数学家们也可以定义出一个弯曲的二维面——这是一个弯曲的二维

    空间，只有它本身，而不是某个物体的表面。图1-7 如果你在这些曲面上画三角形，它们的内角和可能大于180°(左图)，也可能等于180°(中

    图)，也可能小于180°(右图)。爱因斯坦告诉我们，在三维空间里，也存在这三种可能性。

    对于大多数人来说，这些非欧几里得几何的空间，完全是神秘的抽象概念，对我们的物理世界来说毫无用

    处。然而，爱因斯坦带着他的广义相对论，登上了历史舞台。他仿佛在告诉人类：“我们真的是蚂蚁!”在爱

    因斯坦的理论中，三维空间可以弯曲，即使缺乏让它可以弯向的隐蔽第四维。所以，关于我们的空间究竟是

    什么样的，不能像欧几里得的粉丝们所希望的那样，只依靠纯粹的逻辑推理。它只能通过测量来解决，比如

    在空间中画一个巨大的三角形(可以用光线画出边缘)，并把它的内角加起来，看看是不是等于180°。在第

    3章，我将告诉你，我和同行们玩这个游戏玩得多开心。那么，结果如何呢？如果你画的三角形有整个宇宙

    那么大，那它的内角和应该差不多等于180°；但是如果这个三角形里满满当当地塞着一个中子星或黑洞，那

    内角和就会大于180°。所以，物理空间的形状比图1-7里的三个例子复杂多了。

    再次回到幼儿园小朋友的问题上。我们知道，爱因斯坦的理论允许空间是有限的，但并不是以图1-6中那种

    傻乎乎的方式，而是以弯曲的形式。举个例子，如果我们的三维空间弯曲了，就像一个四维超球面的表面，那么如果我们沿着直线一直往前走，走啊走啊，最后会从相反的方向回到起点。我们并不会从三维空间的边

    缘掉下去，因为它根本没有边界。就像图1-7里的蚂蚁一样，它在球面上爬行时，永远不会遇到边界。

    实际上，爱因斯坦的理论哪怕在空间不是弯曲的情况下仍然允许空间是有限的!看看图1-7中的圆柱体，从

    数学上来说，与其说它是弯曲的，不如说它是平的：因为在一张卷成圆柱形的纸上画一个三角形，它的内角

    和等于180°。让我们用剪刀把这个三角形剪下来，你会发现它能平摊在桌面上。而对球面和双曲面上的三角

    形来说，却做不到这一点，除非你把纸弄皱或撕破。然而，尽管图1-7中的圆柱面在蚂蚁看来是平的，也就

    是说，如果蚂蚁沿着一条水平直线前进，最终依然会回到它的出发点。数学家把这种空间的连接性称为“拓

    扑性”(topology)，将所有维度上都连接着自身的平滑空间称为“环面”(torus)。一个二维环面的拓扑性与

    面包圈(就是中间有一个洞那种)很相似。爱因斯坦的理论允许我们栖息的物理空间是一个三维曲面，这样，它既是平滑的，又是有限的。或者，它也可能是无限的。

    总而言之，我们居住的空间可能是无限的，也可能是有限的——根据我们对空间性质的最佳理论，也就是爱

    因斯坦的广义相对论，这两种可能性都完全说得通。那么，空间到底是无限还是有限？我们将在第3章和第4

    章继续讨论这个迷人的话题，在这两章，我们将找到空间无限的证据。然而，幼儿园小朋友的问题引发了另

    一个有趣的问题：“空间究竟是什么？”直观看来，我们都认为空间是一种物理实体，编织出了整个物质世

    界。然而现在，我们已经窥探到，数学家眼中的空间只是一种数学的东西。对他们来说，研究空间就像研究几何学，从这个意义上看，它所有的固有性质都是数学性质，比如维度、曲率和拓扑性。在第9章，我们将

    进一步讨论这个话题，你将看到，从定义良好的角度看，我们的整个物理实在只是一个纯粹的数学物体。

    在本章，我们探索了我们在空间中的位置，呈现出了一个极其庞大的宇宙——比我们祖先所认为的大多了。

    要理解宇宙最深处发生了什么，我们可以用望远镜来观察。然而，只探索我们在空间中的位置是不够的，我

    们还需要了解我们在时间中的位置。这正是下一章的主题。

    ◆人类一次又一次地意识到，我们周围的物理世界比想象的大多了。我们所知的一切，都只是一个更庞大结构的一小部分：地球、太阳系、星系、超星系团，等等。

    ◆爱因斯坦的广义相对论允许空间是无限的。

    ◆广义相对论也允许空间是有限的，但却没有边界。所以，如果你往前不停地走啊走，你可能会从相反的方向回到出发点。

    ◆空间编织出了我们的物理世界，它本身可能只是一个纯粹的数学物体，因为从某种意

    义上讲，它所有的固有性质都是数学性质——代表维度、曲率和拓扑性的数字。02 我们在时间中的位置：溯流至时间源头知之为知之，不知为不知，是知也。

    孔子

    最可怕的无知，就是拒绝接受你所不知道的东西。

    韦恩·戴尔(Wayne Dyer)

    我们的太阳系从何而来？我儿子菲利普上二年级时，卷入了一场热烈的讨论。

    “我认为太阳系是上帝造出来的。”他班上一位女生说道。

    “但我爸爸说太阳系是一团巨大的分子云造出来的。”菲利普插嘴说。

    “那这团巨大的分子云又是从哪里来的呢？”另一位男孩问。

    “也许是上帝造出了这团分子云，然后这团分子云再造出了我们的太阳系。”第一个女孩说。

    我相信，自从人类直立行走以来，就开始仰望夜空，好奇那些星星从何而来。从古至今，人们都知道，有些

    事情是可以被理解的，而有些则如秘密般深藏不露、不为人知。比如，我们知道此时此刻正在发生什么，也

    知道那些与我们密切相关的事情，诸如周遭有何物、早餐吃什么。但是，望向更遥远的地方和更久远的过

    去，我们仿佛遇到了一块知识的巨石，横亘在路上。巨石之外是无知的世界。在上一章中，我们目睹了人类

    如何用智慧推着这块巨石往前，将我们对空间的认知逐步扩大——从地球到太阳系，再到星系，最后到达数

    十亿光年外的宇宙深处。那么现在，让我们开始第二段智慧的探险，一起来看看人类如何推着这块无知的巨

    石溯流而上，到达时间的源头。

    “月亮为什么不会掉下来呢？”我们用这个问题，来开始这段冒险。

    太阳系制造机：45亿年的引力与压力之战

    直到约400年前，“月亮为什么不会掉下来呢”这个问题看起来还毫无解决的希望。那时候，人们刚通过巧妙

    的观测，用肉眼可见的线索确定了太阳、月亮、水星、金星、火星、土星和木星的位置。哥白尼、第谷·布

    拉赫(Tycho Brahe)、约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)等科学家甚至计算出了这些天体的运动规律——

    太阳系就像钟表，每个部分都循着完美的圆形轨道，周而复始地运动着，仿佛永无止境。没有迹象表明它有

    一天会停下来，更不知道它是否始于过去的某一天。那么，太阳系是永续永存的吗？如果不是，它是从哪里

    来的呢？

    当时市场上卖的钟表，对齿轮、弹簧等部件的工作原理，人们都了如指掌。对一只特定的钟表，人们不仅能

    预测它的未来，还能推知它的过去。比如，你能准确预测一只手表会按稳定的速度运行下去，但由于摩擦力

    的存在，如果你不上发条，它就会慢慢停下来。通过分析，你能知道它上个月什么时候上过发条。那么，天体也遵循这样的规律吗？是否也存在某种类似摩擦力的力，影响着它们的运动，最终改变它们的轨迹呢？如

    果事实果真如此，那我们就能像对待钟表一样，算出它形成的时间和方式。

    答案却似一记响亮的耳光：“不是!”我们已经很了解地球上的物体在空间中的运动，不管是随手扔一个石

    子，还是古罗马的投石机和发射铁球的大炮，它们的运动轨迹都很容易预测，并且无一例外都会掉落到地面

    上。然而，天体们却仿佛遵循着与地球上的物体完全不同的定律。比如，如果月亮是天上的一块大石头，为

    何它不会像其他石块一样掉到地面上呢？经典的回答是：月亮是天堂之物，而天堂之物必然遵循着不同的规

    律，不受万有引力的影响，所以它不会掉下来。还有一些人进一步解释道：天堂之物之所以与众不同，是因

    为它们是完美的。不信你看，它们有着完美的球形外表，它们运行的轨迹是完美的圆形——完美的东西才不

    会掉到不完美的地面上来呢。而地球上处处充斥着不完美：摩擦力会让物体减速，火焰会熄灭，人会死去。

    而在天堂，物体之间没有摩擦力，太阳不会熄灭，时间一望无垠，没有尽头。

    然而，这种对天堂的美好幻想禁不起推敲。对第谷的观测结果进行分析后，开普勒总结道，行星的轨道并不

    是圆形，而是被拉长的椭圆形，这可一点也不完美。伽利略用望远镜发现，太阳也并不完美，上面像锈蚀的

    铁片一样散布着丑陋的黑色斑点；月球就更不用说了，它并不是一个浑圆光滑的完美球体，而是布满了起伏

    的丘壑和巨大的凹坑。那么，既然月亮并不完美，为什么它不会掉下来呢？

    最后，牛顿终于解决了这个问题，他的想法很简单，但也很激进，那就是：天堂之物遵循着与地球之物完全

    相同的规律。既然月亮不会像石头一样掉下来，那我们能不能扔出一块石头，也像月亮一样永远不掉下来

    呢？太阳比地球重多了，扔出的石头为何不会掉到太阳上去呢？牛顿猜想，一定是因为太阳太遥远，万有引

    力随距离增大而减小。那么，是否能以极快的速度向上抛出一块石头，在引力把它拉回地面之前，就逃脱地

    球呢？靠牛顿自己的力气肯定不行，但他意识到，如果有一架假想的超级大炮，只要它能给予石头足够的速

    度，那石头就能逃离地球。正如图2-1所示，水平射出一枚炮弹，它的命运将取决于它的速度——如果它的

    速度低于某个神奇的值，那它最终将会撞毁在地面上。如果你以越来越快的速度发射炮弹，那它们在坠毁之

    前所飞行的距离会越来越长。直到你终于到达那个神奇速度，炮弹就不再掉下来，而是保持在固定的高度，以接近正圆的轨道，绕着地球转圈——和月亮一样!在地面上，牛顿用很多东西做过实验，比如石头、苹果

    等，最终计算出了这个神奇的速度——呼啸而过的每秒7.9公里!

    牛顿认为，如果月球也遵循同样的运动规律，他也能算出它保持圆形轨道所需要的速度。可是有个关键的线

    索缺失了，即在月球那样遥远的距离，地球的引力会下降到什么程度呢？由于月球以圆形轨道绕地球旋转，每个月转一圈，而这个圆形轨道的半径早已被阿里斯塔克斯算出来了，所以牛顿据此算出了月球的速度——

    大约每秒1公里，与M16步枪子弹的速度差不多。接下来，牛顿总结出了一个影响深远的结论：假如地球和

    月球之间的引力与距离的平方成反比，那么，使月球正好绕圆形轨道运行的那个“神奇速度”恰好等于

    观测到的月球速度!这样，牛顿终于发现了万有引力定律，它放诸四海而皆准，不论在地球上还是天上，都一样。图2-1 如果炮弹发射的速度大于每秒11.2公里(D)，它就能一飞冲天，逃离地球的引力(忽略空气阻

    力)。如果速度稍慢一些(C)，它将进入椭圆轨道，绕地球旋转。如果发射的速度是每秒7.9公里(B)，它

    的轨道将是一个完美的正圆形。如果速度再低一些(A)，炮弹最终将落回地面上。

    一时间，所有谜题都像拼图游戏的碎片一样各自归位。牛顿将万有引力定律与他制定的运动定律结合起来，不仅能解释月亮的运动，还能解释行星绕太阳旋转的运动。他还通过数学推导出，最常见的轨道形状是椭圆

    形，而不是正圆形，这正是开普勒百思不得其解的问题。

    与所有重大的科学突破一样，牛顿的发现能回答的问题远远超过了那些促使他开始思考的难题。比如，这一

    定律还能解释潮汐现象——太阳和月亮的万有引力吸引着地球上的海水，但对更近那一面的海水吸引力更大

    一些，使得海水随地球的自转而被搅动起来。牛顿定律还表明能量是守恒的(在物理学上，守恒的意思是指

    一成不变)，所以如果能量出现在某处，它一定不是从虚无中凭空出现的，一定是从别处而来。潮汐消耗了

    大量的能量(其中一些被潮力发电站利用)，那这些能量来自何处呢？大部分来自地球的自转，所以潮汐的

    摩擦力使得地球自转变得越来越慢——如果你总觉得一天24小时不够用，没关系，等到两亿年后，地球上的

    一天将延长到25个小时!

    这说明，摩擦力也会影响天体的运动，摧毁了“太阳系永续永存”的思想——在过去，地球的自转一定比现在

    快。你还能计算出，今天的地球-月球系统的年龄不会超过40亿～50亿年，否则那时的地球自转速度会超级

    快，巨大的离心力会将地球撕得粉碎。我们终于对太阳系的起源有了第一个线索!“案发时间”总算出现了一

    线曙光。

    牛顿的发现为人类思想插上了翅膀，走出了征服空间的第一步。他证明，通过地面上的实验，我们也可以发

    现物理定律，并能将其推而广之，解释天上发生的事情。尽管牛顿的专长只是万有引力和运动，但他的这种

    思想实验却像燎原野火一样，逐渐蔓延到了其他领域，比如光、气体、固体、电现象和磁现象。人们展开了

    大胆的猜测，不仅对肉眼可见的宏观现象，还针对微观现象，将牛顿的运动定律运用于原子，来解释气体等

    许多物质的性质。一场科学革命拉开了序幕，开启了工业革命和信息时代的大门。反过来，这些进步帮助我

    们创造出强大的计算机，又帮助我们进一步推动了科学的发展，解开物理方程，回答人们曾百思不得其解的许多有趣问题。

    物理定律可以被运用在很多方面。一般情况下，我们希望能用现状预测未来，比如预报天气；也可以把这些

    公式反过来，用现状去推演过去，比如重建哥伦布在牙买加看见的月食的具体细节。还有第三种方式是，想

    象一种假设的条件，运用物理公式推算它随时间的变化趋势，比如，模拟一次目的地为火星的火箭发射，计

    算它是否能如期到达。运用第三种方法，我们找到了太阳系起源的新线索。

    想象一下，外太空有一团极大的气体云，随着时间的流逝，它会发生什么呢？物理定律认为，它的命运取决

    于两股力量之间无休止的战役——万有引力和压力，前者想压缩它，而后者则想把它撑大。

    如果引力占了上风，气体云开始压缩，它就会变得越来越热(这就是为什么用气筒给自行车打气时会发

    热)，这个过程反过来又增大了压力，遏制了引力导致的进一步压缩。如果引力和压力势均力敌，相互平

    衡，这团气体会长时间保持稳定状态。但休战总是短暂的，最终都会被打破。由于温度很高，气体云开始闪

    耀出光芒，把保持压力的热能辐射出去。于是压力变小，引力又会进一步压缩气体，长此以往地进行下去。

    如果我们将引力和压力的物理定律输入计算机，就能模拟出这场战役的各种细节。最后，密度最大的区域变

    得无比炙热和致密，变成了一个核聚变反应堆——在那里，氢原子聚变生成氦，同时巨大的引力保护它们不

    会炸开。此时，一颗恒星诞生了。这颗新生恒星最外层的气体非常炎热，闪耀着令人目眩的光芒。光芒吹散

    气体云剩下的部分，让它显现在我们望远镜的视野中。

    让我们倒带，重播一下，再从另外一个角度看看刚才的过程。在气体云逐渐压缩时，气体轻微的旋转将会被

    放大，就像冰上舞者收拢手臂时会转得更快一样，产生巨大的离心力。由于离心力的存在，引力无法将所有

    气体压缩成一个点。取而代之的是，引力把气体压成了像比萨一样的形状——很像我小时候学校附近的比萨

    店厨师用手旋转比萨面饼，让它变扁平一样。这个“宇宙比萨”的主要成分是氢气和氦气。但是，如果配料表

    中还包括一些更重的元素，比如碳、氧和硅，那么，在中心生成炙热恒星的同时，外层物质将会形成一种较

    冷的物体——行星。当新生恒星将剩下的“比萨面团”吹跑之后，行星就会显露出它们的面孔。由于所有的旋

    转(物理学家称之为“角动量”)都来自最初那团气体云的旋转，所以，不出所料，太阳系的所有行星都往相

    同的方向公转(如果你从北极的方向往下看，为逆时针方向)，与太阳每月自转一周的方向正好相同。

    这种太阳系起源的理论不仅被理论计算所支持，还与望远镜对其他恒星系的观测相符。通过观测，我们将许

    多处在诞生各个阶段的恒星系“抓个现行”。银河系里包含着许多巨大的分子云。这些气体云中包含着大量分

    子，能帮助它们辐射出热量，从而逐渐冷却和收缩。我们在许多气体云中都亲眼目睹了恒星的诞生。在一些

    云里，我们甚至能看到初生的恒星和周围比萨状的原行星盘，形状完整，充盈着气体。近年来，天文学家发

    现了许多恒星系，藏着大量关于太阳系起源的奥秘。

    如果太阳系真是这样形成的，那它发生在何时呢？大约100年前，人们普遍相信太阳系形成于2 000万年前，这是因为，如果它在这个时间点之前就存在了，燃烧就会辐射掉大量能量，引力将会把太阳压缩得更小，小

    于我们观测的结果。同样，通过计算发现，如果太阳系形成于这个时间以前，地球内部的大部分热量(比如火山和热液喷口)也将早已消散完毕，冷却殆尽。

    直到20世纪30年代，核聚变的秘密被揭开，人们才恍然明白了太阳保持炙热的原因。但早在1896年，放射性

    的发现已经摧毁了旧的地球年龄理论，提供了一个更好的解释。铀元素最常见的同位素会自发衰变成钍等更

    轻的元素。其中，一半铀元素发生衰变(也就是半衰期)大约需要44.7亿年。正是这些放射性元素的衰变产

    生了足够的热量，在数十亿年的时间里保持着地球核心的炙热，这也解释了为何地球年龄老了2 000万年还

    能继续保持温暖。此外，通过测量岩石中铀元素衰变的比例，我们还能得知岩石的年龄。用这种方法，人们

    发现，澳大利亚西部杰克山(Jack Hills)的一些岩石竟然有44.04亿年的历史，而最古老的陨石甚至有45.6亿

    年历史。这意味着，不止是地球，太阳系的一切都形成于45亿年以前——正符合对潮汐的粗略估计。

    总而言之，物理定律的新发现为我们提供了定性和定量的方法来回答祖先最困惑的问题之一：太阳系是何

    时、以何种方式形成的？

    星系，宇宙里的“超级大比萨”

    研究了太阳系的形成，我们已经把时间的开端往前推进到45亿年前。那时，太阳系诞生于一团因万有引力而

    坍缩的分子云中。但正如菲利普的同学所问：这团分子云又是从哪里来的呢？

    星系的形成

    有了望远镜、铅笔和计算机的武装，天文学家提供了令人信服的答案，尽管一些重要的细节还需要进一步探

    讨。我们知道，引力和压力之战让太阳系形成了像比萨一样的圆盘形状。其实，这种战役在更巨大的尺度上

    依然在上演——比太阳重数百万倍甚至数万亿倍的分子云被压缩成了“超级大比萨”。这种坍缩极其不稳定，所以它的中心并不会像打了鸡血一般诞生“超级巨星”，周围也不会形成“超级行星”。与之不同，它会碎成无

    数片小一些的气体云，这些小气体云各自孕育出各自的太阳系——于是，星系诞生了。我们的太阳系，只是

    银河系中数千亿个比萨形状的恒星系之一。太阳系大约在银河系距中心一半的位置，几亿年才绕着银河系旋

    转一圈(见图1-2)。

    有时候，星系之间会发生碰撞，就像宇宙版的大撞车。这听起来很恐怖，但实际上并不可怕，因为几乎所有

    恒星都会从空隙里穿越过去，而不会迎面撞在一起。相撞后，万有引力会将大部分恒星聚在一起，形成一个

    更大的崭新星系。银河系和我们最近的邻居——仙女座星系都呈比萨形，伸展着美丽的悬臂，如水中的旋涡

    一般，所以被称为旋涡星系(spiral galaxies，见图1-2)。当两个旋涡星系相撞时，一开始会混乱不堪，后来

    会逐渐形成一团圆形的恒星群，被称为椭圆星系。这正是我们最终的命运，因为我们的银河系正在向仙女座

    星系迎头撞上去，大约几十亿年后会相撞——不知道我们的后代会不会把这个新星系称为“银女座”。我们唯

    一能确定的是，它一定是一个椭圆星系。望远镜拍下了许多星系的相撞，展现了这个过程的不同阶段，都基

    本符合我们的理论预测。

    如果今天的星系都是由小星系融合而成，那么最初的小星系究竟有多小呢？这个问题将把我们对时间的追溯往前再推进一大步。说实话，这也正是我亲自参与的第一个研究项目。项目中，我负责弄清楚气体云中的化

    学反应，它生成了辐射热能的分子，从而降低了压力。但是，每次我以为自己算完了，都会发现分子式存在

    严重的问题，导致后面的所有计算都失效，必须从头再来。

    我跟着我的研究生导师乔·西尔克(Joe Silk)在这个问题上纠结了整整4年，我实在沮丧透了。我甚至去定制

    了一件T恤，上面印着“我讨厌分子”以及我的大敌——氢分子，上面有一个大大的红叉，就像禁烟标志一

    样。但接下来，幸运女神降临了——我去慕尼黑做博士后时，遇到了一个友好的大学生叫汤姆·艾贝尔

    (Tom Abel)，他刚刚完成了一段史诗般的计算，包含了我所需要的所有分子。他作为共同作者加入了我们

    的团队。24小时后，大功告成!据我们预测，最早期的星系“只”比太阳重100万倍。我们的运气真是太好

    了，因为当年的这些发现与汤姆如今用更精密的计算机模拟出来的结果仍然基本相符——他现在正在斯坦福

    大学当教授呢。

    永恒的运动，宇宙的自然状态

    地球就像一个舞台，上演着一幕伟大的戏剧——斗转星移，生命一代又一代降生到人间，它们相互影响，度

    过一生，然后走向死亡。这幕地球戏剧始于45亿年前。然而，我们却发现，地球只是一幕更宏大的宇宙戏剧

    中的一小部分。那里就像一个宇宙级别的生态系统，一代又一代的星系诞生、相互影响、最终走向死亡。那

    么，在此之上，是否存在更高级别的戏剧，一代代宇宙在其中诞生和死亡呢？更具体地说，我们的宇宙是否

    存在一个开端呢？如果有，是什么时候呢？

    星系为什么不会坍缩？这个问题将再次把我们对时间的认知往前推进一步。我们知道，月亮不会掉下来是因

    为它旋转得极快。宇宙中充满了星系，星系的运动方向各不相同，而且并不都是绕着我们旋转，很显然，月

    球的理由不适用于它们。如果宇宙是永续永存的，并且本质上是静止的，那遥远的星系相对我们来说就不会

    运动得太快。那它们为什么不会最终坠向我们，就像你突然让月球停止在轨道上，它一定会落向地球一样

    呢？

    在牛顿的时代，人们当然不知道星系的存在。布鲁诺通过冥思苦想，得出宇宙是永恒静止的，里面均匀地布

    满了恒星这一结论。如果你认同布鲁诺，那你至少有一个半生不熟的理由，不用担心宇宙会塌到头上，那就

    是，根据牛顿定律，每颗恒星在每个方向都会受到同样强大的万有引力(实际上是无穷大)，因为每个方向

    上都有无数颗恒星，这些引力相互抵消，所以恒星可以保持静止。

    1915年，这个理由被爱因斯坦的新引力理论推翻了，这就是广义相对论。爱因斯坦发现，永恒静止、均匀布

    满恒星的宇宙模型与他的新引力方程不相符。那么，他做了什么呢？毫无疑问，爱因斯坦继承了牛顿大胆推

    测的精神，一边探索符合自己方程的宇宙形态，一边在观测中寻找证据。然而颇具讽刺意味的是，爱因斯坦

    作为人类历史上最具有创造精神、最敢问别人之不敢问、最敢挑战权威的科学家，却不敢质疑最大的权威

    ——他自己，以及他对永恒不变的宇宙的痴迷。结果，他修改了自己的广义相对论方程，在其中加入了一个

    额外的常数，使宇宙变得永恒且稳定。他后来把这个举动称为自己一生中最大的错误。更加具有讽刺意味的是，现在看来，这个宇宙常数竟可能真的存在，只不过是以暗物质的形式存在(我们在后面会讨论到)，并

    且取值也不同，因此不能以此来保持宇宙的恒常稳定。

    后来，终于出现了一个人，有信心聆听爱因斯坦方程中的低吟。这个人就是俄罗斯物理学家、数学家亚历山

    大·弗里德曼。他计算出了最一般情况下的均质宇宙解，发现了一个令人震惊的事实——绝大部分解都不是

    静止的，而是随着时间而变化!爱因斯坦的静止宇宙不但只是一个特例，而且本身也不稳定，不能保持很长

    时间。正如牛顿证明太阳系的自然状态就是永恒运动一样(比如地球和月球不可能永远保持静止)，弗里德曼的研究揭露出，宇宙的自然状态也是永恒运动的。

    然而，究竟是怎样的运动呢？弗里德曼发现，在所有的可能性中，宇宙最自然的状态有两种——不是在膨

    胀，就是在收缩。如果宇宙在膨胀，这意味着所有分开的物体都在相互远离，就像正在膨胀的麦芬蛋糕顶上

    的巧克力片一样(见图2-2)。如果这是真的，它们过去的距离一定比现在更近。实际上，在弗里德曼关于

    膨胀宇宙的最简解中，过去确实存在一个时间点，那时，我们今天所看到的万物都位于同一个地方，因此拥有无限大的密度。换句话说，我们的宇宙有一个开端，在无限的密度中发生了一场灾难式的爆

    炸——宇宙大爆炸。

    弗里德曼的大爆炸理论是一记振聋发聩却沉默无语的惊雷。虽然他的论文发表在了德国最有威望的物理学期

    刊上，连爱因斯坦等人都对其进行了讨论，但却被大多数人忽略了，并最终被埋没，对当时的主流物理世界

    观没有产生任何影响。忽视伟大的见解，是宇宙学的传统(其实在整个科学界都这样)——正如我们前面说

    到的阿里斯塔克斯日心说、布鲁诺的遥远太阳系一样。在后面的章节中，我们还将遇到很多这样的例子。

    图2-2 遥远的星系相互远离，就像正在膨胀的麦芬蛋糕顶上的巧克力片(左图)——在它们中的每一颗

    看来，其他巧克力都在后退，速度与距离成比例。但是，如果只有空间在膨胀，像蛋糕的面饼一样，那么星系

    和空间之间就没有相对运动，空间把所有的距离都均匀地拉大(右图)，就像把尺子上的刻度单位从毫米改成

    了厘米一样。

    我认为弗里德曼被学术界忽视的一大原因是，他超越了他所处的时代——1922年的宇宙观仅限于银河系(实

    际上，也只是银河系中能被我们看到的有限部分)，而银河系并没有膨胀，数以千亿的恒星被万有引力束缚

    在轨道上，那宇宙膨胀也无从说起。这正好能回答第1章开头提出的问题9：“银河系在膨胀吗”。弗里德曼的膨胀理论只适用在极大的尺度。在这个尺度上，可以完全忽略物质碰撞形成星系和星系团的过程。在前文图

    1-2中可以看到，在极大的尺度上(比如1亿光年的尺度)，星系的分布变得相当均匀，暗示着弗里德曼的均

    质宇宙是适用的，并且所有距离遥远的星系都在相互远离。但正如我们之前所讨论的，那时候哈勃还没有发

    现其他星系呢，他到1925年才建立起有关星系的理论，而那是在弗里德曼发表膨胀宇宙理论的3年之后!真

    正到了3年之后，弗里德曼的机会终于来了。然而不幸的是，正是在这一年，伤寒夺去了他年仅37岁的生

    命。

    我认为，弗里德曼是宇宙学历史上最伟大的无名英雄。写到这里，我忍不住把他1922年的论文翻出来读了一

    遍。论文最后，他举了一个例子，例子中的宇宙质量为太阳的5亿兆倍。据此，他计算出这个宇宙的寿命约

    为100亿年——竟和我们宇宙的年龄差不多!此时，距离人们发现其他星系还有好几年，不知弗里德曼从哪

    里得到的这些数字。但对一篇伟大的论文来说，这个结尾再合适不过了。

    我们的宇宙正在疯狂膨胀

    5年后，历史再次重演。一位MIT的研究生，同时也是比利时神父的天体物理学家乔治·勒梅特(Georges

    Lema tre)，再一次发表了大爆炸理论。但是他并不知道弗里德曼已经发表过这个理论，于是“重新”发表了

    一次。结果，它再一次被学术界忽视了。

    最终让大爆炸理论引起人们注意的不是一个新研究，而是一次新观测。埃德温·哈勃发现系外星系后，人们

    很自然地想测出它们在空间中的分布和运动情况。我在前面章节里提到过，物体朝我们而来或离我们而去的

    速度通常很容易测量，因为这种运动会导致它的光谱线发生移动。彩虹中，频率最低的是红光，所以，如果星系正在离我们远去，它的所有光谱线将发生红移，也就是向红色的一端移动。远去的速度越

    快，红移的程度越高。如果星系正在朝我们而来，它将发生蓝移，光谱线移向蓝色的一端。

    假如漫天的星系只是在随机地乱动，我们会发现，一半星系在红移，另一半在蓝移。但令人吃惊的是，哈勃

    发现，几乎所有的星系都在红移。为什么它们全都离我们而去呢？难道它们不喜欢我们吗？是我们说了什

    么不好的话吗？不仅如此，哈勃还发现，星系与我们的距离(d)越远，远离我们的速度(v)就越快，并遵

    循下面这个公式：

    v=Hd

    这个公式被我们称为“哈勃定律”，其中的H是一个常数，被称为“哈勃常数”。在哈勃1929年发表的学术论文

    中，这个常数用一个谦逊的字母“K”表示。有趣的是，乔治·勒梅特在那篇被忽视的论文中，也预测过膨胀宇

    宙会出现类似的现象——如果一切都在膨胀，一切都在相互远离，那越远的星系就远离得越快。

    如果一个星系正在远离我们，它过去一定与我们十分靠近。但那又是多久以前呢？如果银行抢劫犯跳上一辆

    车，逃离犯罪现场，你只需要用距离除以车的速度，就能判断出抢劫发生的时间。如果我们用同样的方法计

    算后退的星系，根据哈勃定律，每个星系的“案发时间”都是dv=1H!用现代观测方法，我们知道1H≈140亿年。所以，哈勃的发现意味着在140亿年前的某一刻，发生了一件相当不同凡响的事——大量物质挤成一

    堆，密度高得不得了。但是，正如车速不是一成不变的一样，宇宙的膨胀也可能有快有慢。考虑到这个，我

    们需要对结论进行修正。今天，我们用弗里德曼方程和现代观测方法发现，需要修正的幅度非常小，只占一

    点点比例——原来，大爆炸之后，我们的宇宙用了一半的时间来减速膨胀，又用了一半的时间来加速膨胀，所以误差就被抵消了。

    想要扩张，就得从别处抢

    哈勃的观测结果公布以后，连爱因斯坦都心服口服。现在，宇宙膨胀已是被广泛接受的事实。可是，宇宙膨

    胀意味着什么呢？现在，我们准备回答第1章开头时提出的其中4个问题。

    首先看问题8：星系是真的在远离我们，还是仅仅只是空间在膨胀？为方便起见，爱因斯坦的广义相对论认

    为这两个观点是等价的，因为它们描述宇宙时同样有效(见图2-2)，所以你可以自由选择更加符合你直觉

    的那一个[4]。第一种观点(见图2-2左图)认为，空间并没有变化，只是星系相对于空间在运动，就像烤麦

    芬蛋糕时，由于你在黄油中加入了发酵粉，所以麦芬蛋糕会膨胀，导致上面的巧克力片相互远离。和巧克力

    片一样，所有的星系也都在相互远离，并且距离越远的星系，相互远离的速度就越快。尤其是，如果你站在

    其中一颗巧克力片(或星系)上，你就能感受到其他巧克力片(或星系)与你之间的相对运动符合哈勃定律

    ——它们后退着，两倍远的星系的退行速度也翻一倍。值得注意的是，不管你站在哪颗巧克力片(或星系)

    上，结果都是一样的。所以，如果星系在空间中的分布无穷无尽，那宇宙膨胀就没有一个中心点——因为无

    论从哪里看，它都是一样的。

    而从第二种观点来看，空间很像麦芬蛋糕的面团——面团会膨胀，但巧克力片与面团之间没有发生相对运

    动。同样，第二种观点认为星系与空间之间也没有发生相对运动。星系在空间中的位置是稳定的(见图2-2

    右图)，但它们之间的距离却被改写了。这就好像星系间存在一把假想的尺子，空间膨胀后，尺子上的刻度

    单位必须擦掉重写，如果把刻度由毫米改成厘米，那所有星系之间的距离都是以前的10倍。

    这又回答了第1章开头的问题7：星系的退行速度比光速还快，这不违背相对论吗？哈勃定律v=Hd告诉我

    们，当星系远在cH≈140亿光年外时，它的退行速度将超过光速c，而我们没有理由怀疑这些星系的存在。这

    与爱因斯坦在相对论中所说的“没有物体的速度能超过光速”相违背吗？答案是肯定的，但同时也是否定的

    ——它确实违背了爱因斯坦发表于1905年的狭义相对论，但并不违背他发表于1915年的广义相对论，而后者

    才是爱因斯坦对这个问题的最后结论。所以，不用太担心。广义相对论解放了速度的上限；狭义相对论认

    为，无论在什么情况下，两个物体之间的相对速度都不可能超过光速。但在广义相对论中，只有两个物体位

    于同一地方时，相对速度才不可能超过光速——与之不同的是，那些相对我们做超光速运动的星系都位于非

    常遥远的地方。所以，如果考虑到空间的膨胀，那我们就需要重新表述一下——任何物体都不能相对空间

    做超光速运动，但空间本身可以被随意拉伸，不管多快都行。

    说到遥远的星系，我曾在报纸上读到过，有些星系距离我们有300亿光年远。第1章开头的问题6：如果宇宙的年龄只有140亿年，那我们如何能看到300亿光年远的东西？它们的光线是怎么到达我们的？此外，我们刚

    刚知道它们正以超光速的速度后退，这样一来就更不可能看见它们了。答案是，我们看见的并不是它们现在

    的样子，而是它们发出这些光线的时候。正如我们看见的太阳是8分钟以前的太阳一样，我们看见的遥远星

    系也是它在130亿年前的样子，它的位置也是130亿年前的位置——那时它与地球的距离比现在近8倍!所

    以，这个星系发出的光线根本不需要在空间中旅行130亿光年才到达地球，因为宇宙膨胀造成了这个差别

    ——这就好像你在自动扶梯上只走了一步，但实际上已经移动了20米。

    一切都是演化的造物

    在星系都离我们远去的遥远地方，空间会不会因为膨胀而挤在一起，发生宇宙大撞车？不用担心。如果宇宙

    的膨胀遵循弗里德曼方程，就不会发生这样的事故。如图2-2所示，不管从哪个方向看过去，空间膨胀都是

    完全一样的，所以不会出现这种碰撞点。如果你赞同“遥远星系相对一个静止的空间在后退”的观点，那它们

    就不会和更遥远的星系相撞，因为那些星系比它们后退得更快——福特T型车永远无法追尾飞驰的保时捷。

    如果你赞同“空间在膨胀”的观点，那答案很简单——体积是不守恒的。读一读中东局势，你就会习惯这样的

    观点：想要扩张自己的地盘，就得从别人那里抢。然而，广义相对论的结论却与之不同——在星系间的区域

    中，可以创生出更多的空间，而不用挤占其他空间。新的空间会乖乖地待在原来这些星系之间(见图2-2右

    图)。

    宇宙大讲堂

    尽管宇宙暴胀理论听起来很疯狂，并且违背直觉，但它不仅符合逻辑，而且与天文观测相吻合。实际上，自

    埃德温·哈勃的时代以来，我们已经累积了相当多的观测证据，这要感谢现代观测技术和我们接下来要讨论

    的新发现。最基本的结论是，宇宙本身在不停地改变。当我们回望数十亿年前，你会发现一个膨胀得不是很

    厉害的宇宙，因此它也相当致密和拥挤。这表明，我们所栖身的空间并不是一成不变、像欧几里得的定理一

    样那般枯燥。相反，它是一个动态演进的空间，甚至曾经有过“童年时代”——它诞生在大约140亿年前。

    如今，望远镜技术已经非常先进，让我们能直接看到宇宙的演化。

    想象你在一个宽敞的大讲堂里演讲。突然，你注意到观众席上一件很有意思的事——离你最近的观众席上，坐的全是和你差

    不多岁数的人。但是，第10排以后，观众全变成了青少年。在青少年的后面，是一些年幼的小孩。再往后，是蹒跚学步的幼儿。

    倒数第二排，竟是一些嗷嗷待哺的婴儿。而礼堂的最后一排，在你看来空空如也，什么也没有。

    当你用最先进的望远镜观察宇宙时，你也会看到类似的情境——附近是一些和银河系类似的大型成熟星系；

    但在极其遥远的地方，大部分星系都是很小的“婴儿”，看起来还没有完全发育好；再远处，则空空如也，完

    全没有星系，只是一片黑暗的深渊。由于遥远的光需要很长时间才能到达地球，所以，望向宇宙的远方也就

    等同于望向过去的时间。那片没有星系的黑暗深渊，就是第一代星系出现之前的纪元。那时候，空间中充满

    了氢气和氦气，万有引力还没来得及将它们压缩成星系。由于这些气体都是透明的，就像生日派对气球里充满的氦气一样，所以，在望远镜看来，它们是隐形的。

    忽然，你又突然发现了一个秘密：在你演讲时，在空空如也的最后一排，竟然释放出能量。原来，最后的黑

    墙并不是完全的黑暗，而是在隐隐闪着黯淡的微波!这是为什么？听起来很诡异，但这正是我们凝视宇宙最

    深处时所能看到的情景!为了理解这件事，我们需要把时间继续往回推进。

    宇宙最深处，一窥微波的神秘

    从牛顿和爱因斯坦身上，我学到了一个非常关键的准则：“要敢于推演!”具体地说，就是把你已知的物理定

    律，运用在无人涉足过的全新领域，看看是否能推断出什么有趣的结果，并可用观测来验证。牛顿把伽利略

    在地球上建立的运动定律运用在了月球及更远的物体上；弗里德曼则将爱因斯坦关于太阳系的引力和运动定

    律推演到了整个宇宙。这个准则是如此成功，你可能会认为它一定是科学界的“模因”(meme)，像基因一

    样代代相传。你也可能会认为，1929年，当弗里德曼的宇宙膨胀理论终于被人们接受后，全世界的科学家一

    定争先恐后地展开系统性的研究，推演时间的开端。如果你真这么认为，那就大错特错了……不管我们科学

    家如何强调自己是真相的理性追随者，我们都难以克服人类的小缺点，比如偏见、同侪压力和从众心理。这

    些缺陷，远不是仅靠数学天赋就可以战胜的。

    我认为，继弗里德曼之后的第二个宇宙学大师，依然是一个俄罗斯人——乔治·伽莫夫。他在列宁格勒时的

    博士生导师不是别人，正是亚历山大·弗里德曼。尽管弗里德曼只指导了伽莫夫两年就仙逝了，但他的勇气

    和智慧却被伽莫夫继承了下去。

    宇宙“等离子屏幕”

    由于宇宙正在膨胀，在过去它一定比现在更拥挤和稠密。然而，它一直以来都是在膨胀吗？也许并不是。弗

    里德曼的研究中包含一种可能性——宇宙可能曾经处在收缩的状态，收缩的速度越来越慢，朝我们飞来的物

    质缓缓地慢下来，停在那里，然后开始反弹，并加速远离我们。然而，这样的宇宙大反弹只会发生在物质密

    度远比今天小的情况下。于是，伽莫夫决定对另一种可能性进行系统探索。这种可能性更一般，也更彻底：

    宇宙从一开始就在膨胀，从来没有收缩过。

    伽莫夫在他1946年写的书中解释说，如果我们把宇宙想象成一部电影，当我们把它逆着时间往回放，会发现

    密度越来越大，大到简直没有极限。由于星系间的空间充满了氢气，随着我们逆着时间往回放，这些气体会

    被压缩得越来越厉害，也越来越热。这就好像，如果你加热一块冰块，它会融化。继续加热融化后的冰水，它会蒸发变成气体——水蒸气。与之类似，如果你不停地加热氢气，它会变成第四种状态——等离子体。为

    什么会这样呢？这是因为，氢原子的结构很简单，只是一个电子围绕着一个质子旋转，氢气就是这样一堆原

    子相互撞来撞去的结果。如果温度足够高，撞击会变得极其猛烈，以至于原子都被撞碎了，电子和质子分道

    扬镳、各走各路——氢等离子体就是一锅由自由电子和质子熬成的粥。

    也就是说，伽莫夫认为，我们的宇宙起源于一场极热的大爆炸，那时，等离子体曾充满了宇宙空间。更有趣的是，这个理论可以被检验——虽然冷氢气是透明无形的，但热氢等离子体却并不透明，而且能像太阳表面

    一样发出耀眼的光芒。这意味着，如果我们从空间的近处望向远处(见图2-3)，我们首先会看到附近的成

    熟星系，接下来是越来越年轻的星系，然后是透明的氢气，再然后会遇到一堵看不穿的墙，由发光的氢等离

    子体构成。我们无法看透这堵墙，因为它是不透明的，就像一个宇宙检查员，阻挡我们窥伺之前发生的所有

    事情。此外，不管我们往哪个方向看，结果都一样，因为不管往哪个方向看，我们都是在望向过去的时间

    (见图2-4)。于是，我们看起来就像被一个巨大的等离子体球所包围着。

    图2-3 由于光线需要一定的时间才能到达我们的眼睛，所以望向远方其实相当于望向过去的时间。在遥

    远的星系以外，我们会看见一堵不透明的墙，由发光的氢等离子体组成，这些光花了140亿年才到达我们。这

    是因为，140亿年前，空间中充满了炙热的氢等离子体。而那时，宇宙的年龄只有40万年。(本图改编自

    NASA[美国国家航空航天局]和WMAP[威尔金森微波各向异性探测器]研究小组的图片)

    图2-4 看起来，我们就像位于一个巨大的等离子体球的中心，因为不管我们往哪个方向看，都会遇到一

    堵同样的等离子体墙。

    在1946年的书里，伽莫夫的大爆炸理论认为我们能够观察到这个等离子体球。他让他的学生拉尔夫·阿尔菲

    (Ralph Alpher)和罗伯特·赫尔曼(Robert Herman)进行更详细的计算。几年后，两人发表了一篇论文，认

    为这个等离子体球会闪耀着只比绝对零度高5度的温度。也就是说，它发出的不是可见光，而主要是微波。

    然而，没有一个天文学家愿意帮两人在天空中搜寻这个宇宙微波背景辐射，结果，他们的成果也逐渐被人遗

    忘，就像弗里德曼的膨胀宇宙理论一样。

    看见大爆炸的余晖1964年，普林斯顿大学的一个研究团队发现，这种可观测的微波信号可能真的存在，于是计划对其展开观测

    和搜寻，但他们被别人抢先了一步。同年早些时候，阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊

    (Robert Wilson)在位于美国新泽西州的贝尔实验室测试一个最先进的微波望远镜时，发现了一件奇怪的事

    ——他们的望远镜探测到了一个无法解释的信号，并且，不管往哪个方向看，这个信号都几乎保持不变。怪

    哉!他们本来以为，只有当望远镜指向天空里某个特定的物体时，才会接收到信号，比如太阳或者发射着微

    波的卫星。结果，整个天空仿佛都在发光，闪耀的温度比绝对零度高3度——很接近伽莫夫的团队预测的5

    度。他们仔细检查了附近可能造成噪声的东西，甚至一度怀疑是几只在望远镜上做窝的鸽子拉的鸟屎在作

    怪。

    不久前，我曾和彭齐亚斯一起吃午饭，他告诉我，他们把那几只可怜的鸽子装在木头盒子中，把它们远远地送到贝尔实验室

    的其他园区里，才放它们出来。不过，这些鸽子是信鸽……虽然他在书里只说，当信鸽飞回望远镜时，他们“清除”了它们，然

    而，在喝了点酒之后，彭齐亚斯向我坦承了一个悲伤的事实——他们使用了猎枪……鸽子是走了，神秘的信号却依然还在——原

    来，他们发现的是宇宙微波背景辐射，也就是宇宙大爆炸的余晖。

    彭齐亚斯和威尔逊的发现引起了轰动，并因此共同获得了1978年的诺贝尔物理学奖。从伽莫夫和他学生的计

    算中，可以得出，图2-4中那个等离子体球应该如太阳表面的一半那么热。由于它的热辐射在空间中穿行了

    140亿年才到达我们，随着空间膨胀了几千倍，它也被冷却了几千倍，只剩下了比绝对零度高3度的余晖。也

    就是说，我们的整个宇宙曾经和恒星一样炙热。伽莫夫的热大爆炸理论经受住了检验，被证明是正确的。

    珍贵的宇宙“婴儿照”

    现在，等离子体球已经被探测到了，科学家们开始你追我赶，看谁先拍下它的照片。由于各个方向的辐射温

    度相差无几，彭齐亚斯和威尔逊拍下的照片很像网上的搞笑图片“雾霾中的北京”——其实整张图片都是白色

    的。为了得到一张清晰的宇宙“婴儿照”，你需要把对比度调得非常大，以显示出处处细微的差别。这些差别

    必定会存在，因为如果在过去每个地方都完全相同，那物理定律会让这种相同保持到现在，绝不可能出现今

    天这个不均匀的、成块成簇的宇宙——有些地方有星系，有些地方空无一物。相反，宇宙会变成一片荒漠。

    然而，事实证明，要拍摄宇宙的“婴儿照”实在太困难了，人们花了将近30年的时间才发展出足够的技术。为

    了抑制环境噪声，彭齐亚斯和威尔逊不得不使用液氦，将他们的探测器冷却到接近宇宙微波背景辐射的温

    度。然而，天空中不同地方的温度起伏非常细微，差别大约只有几十万分之一，因此，需要比彭齐亚斯和威

    尔逊当年的探测器灵敏10万倍，才能拍下宇宙的婴儿照。全球的实验室都在挑战这个领域，但都失败了。

    有人说，这个任务根本毫无希望，但有些人却不肯放弃。1992年5月1日，在我的研究生读到一半时，初具规

    模的互联网上开始对一个传言议论纷纷——天体物理学家乔治·斯穆特(George Smoot)准备要公布一个迄

    今为止最野心勃勃的微波背景实验结果。他采用的是NASA的宇宙背景探测器——COBE卫星(Cosmic

    Background Explorer)，从冰冷黑暗的太空中发回的数据。我的博士生导师乔·西尔克正好被安排去华盛顿主

    持斯穆特的演讲。在他飞去华盛顿之前，我问他这个发现有多大胜算。西尔克说，他认为他们并没有发现宇

    宙中的起伏，只是发现了来自银河系的射电噪声。然而，斯穆特的演讲并不像许多人想象的那样虎头蛇尾。相反，他在科学界扔下了一颗炸弹，不仅改变了我

    的职业生涯，还改变了整个宇宙学领域——他的团队真的发现了那些起伏!霍金将其誉为：“如果算不上人

    类历史上最伟大的发现，那至少也是本世纪内最伟大的发现。”我们接下来将会看到，这些“婴儿照”拍下的

    是宇宙“只有”40万年历史时的样子。它包含着许多关键线索，让我们得以窥探宇宙的起源。

    淘金热

    现在，COBE卫星找到了金矿，立刻涌现了一个热潮——人们想从里面挖出更多金子。从图2-5中可以看到，COBE卫星拍下的天图十分模糊，因为低分辨率将小于7°的差别都抹掉了——你能很自然地想到，下一步工

    作应该是把镜头拉近，聚焦在天空中的一小块区域，用高分辨率和低噪声进行拍摄。下面我将解释，这样的

    高分辨率天图中暗藏着一些关键的宇宙学问题。

    12岁时，我在斯德哥尔摩递送信件，赚到了人生第一部照相机。从那以后，我就很喜欢摄影。所以，给宇宙拍照这个想法，本能地吸引着我。我也很享受用计算机制图的过程，不管是为了我的高中校报《箭毒》(Curar e)，还是为我自己开发的计算机

    游戏FRAC——这是一个三维的俄罗斯方块游戏，从中我赚到了1991年环球旅行的旅费。所以，当许多实验物理学家邀请我和他

    们组成团队，帮他们将数据转换成天图时，我感到由衷的幸运。

    我交到的第一个好运，就是认识了普林斯顿大学的年轻教授——莱曼·佩奇(Lyman Page)。我喜欢他孩子

    气的顽皮微笑。在他的一次会议演讲后，我鼓起勇气去询问他是否有合作的机会。当他告诉我，他在上研究

    生之前花了很多年在大西洋上航海之后，我更加欣赏他了。后来，佩奇委托我对一个微波望远镜得到的数据

    进行计算。这个望远镜位于加拿大小城萨斯卡通(Sasktoon)。在那里，他和他的团队花了三年时间，用这

    个望远镜扫描北极上空的一小片天域。图2-5 在展示一张全天图时，为了方便起见，通常把它投影在一张平面上，就像地图(上)一样，看起

    来就像是在抬头看天，而非低头看地。COBE卫星拍摄的宇宙婴儿照(左下)十分模糊，于是，许多人希望把

    镜头拉近，采用较高的分辨率(中左)拍摄一小块天空。后来，WMAP探测器和普朗克卫星发回了分辨率更

    高的全天图片(右)，它们的分辨率分别为300万像素和5 000万像素。这些全天图都相对地图旋转了一点，目的并不是让天图的中面与地球赤道面相对应，而是让其与银河的盘面对应(左下图中的灰条带)；地球北极

    指向萨斯卡通天图的中部。(图片来源：帕特里克·迪宁[Pat rick Dineen])

    把这些数据转化为图像是相当困难的事情。因为单凭数据无法组成天空的图片，它们只是装满数字的表格，代表着用各种复杂的方法对天区进行加减后测出的伏特数。同时，我也觉得非常兴奋，因为它需要我在信息

    论和数字计算上付出极大的努力。在慕尼黑的博士后办公室里，我度过了许多个用麦片来保持精力的夜晚。

    终于，我按时完成了图2-5中的那个萨斯卡通天图。于是，我被邀请到法国阿尔卑斯山参加一个大型宇宙学

    会议，并在会议上演讲。

    到今天为止，我曾在几百个会议上演讲过，但只有少数几个会议的经历独立于记忆的流逝之外，就像被赋予

    了魔法一样历久弥新，每次想起来都会让我忍不住微笑。阿尔卑斯山的这次会议，就是其中之一。走上演讲

    台时，我的心简直跳到了嗓子眼儿。我环视了一周，发现礼堂里挤满了人，他们中许多人的研究，我都读

    过，但大多数人并不知道我是谁。他们来这里开会的主要目的是滑雪，而不是听我这样的新手演讲。但是，我不仅仅感到心跳得厉害，还感受到了房间里涟漪般涌动的能量。人们为宇宙微波背景辐射的新进展而兴

    奋，我也为自己能参与其中一小部分工作而感到荣幸。那是在1996年——现在想起来简直像寒武纪一样久

    远，那时候，人们演讲用的幻灯片都是透明的塑料片，而我手中正好握着一张塑料片王牌——萨斯卡通天图

    的幻灯片(和图2-5中的一样)。它相当于把COBE卫星的图片拉近了仔细观察。我感到房间里流动着一股兴

    奋的情绪。在茶歇时，一堆人挤在高射投影仪旁边，只为再看一眼那张图片和提问题。宇宙微波背景辐射学

    的奠基人之一迪克·邦德(Dick Bond)走过来，微笑着对我说：“我简直不敢相信，佩奇竟然把数据给你

    了!”

    我意识到，宇宙学进入了一个黄金时代。新的发现吸引了无数新人和新资金进入这个领域，又再一次促成了

    新发现的涌现，构成了一个良性循环。会议结束后的一个月，也就是1996年4月，两颗新卫星的基金通过了

    批准，它们的分辨率和灵敏度都远远大于COBE卫星。其中一个是NASA的WMAP探测任务，是由莱曼·佩奇

    带头的严谨团队。还有一个是欧洲的项目——普朗克卫星，我为它的基金申请工作做了计算和预测，这让我

    非常开心。由于空间任务通常需要花很多年来做计划，于是，为了抢在WMAP探测器和普朗克卫星之前出成

    果，全球各地的小团队都在你追我赶，企图在它们发射之前摘些酸果子。结果，萨斯卡通项目抢到了第一个

    风头，由此开启了我参与的一系列好玩项目。

    接下来，我和许多实验物理学家一起工作。这些实验的名字都稀奇古怪，比如HACME、QMAP、特纳里夫岛

    (Tenerife)、POLAR、PIQ和飞去来器(Boomerang)。我同他们合作，利用他们的数据来制作宇宙“婴儿

    照”，并探索其中关于宇宙的秘密。我最基本的游戏规则是担任理论与实验的中间人——我感到，宇宙学正

    从一个极度缺乏数据的领域，转变成一个拥有超多数据的领域，这些数据多到让人无所适从，所以我决定开

    发一个工具来充分处理这种数据“雪崩”。具体地说，我的战略是运用一种叫信息论的数学方法，在一个给定的数据集中搜寻与宇宙相关的信息。通常，几兆字节(MB)、几吉字节(GB)，甚至几太字节(TB)的信

    息中，只有非常稀少的几个比特是关于宇宙的信息。它们以十分复杂的方式深深隐藏在纷繁杂乱、数据庞大

    的噪声中，这些噪声来自探测器的电子设备、大气辐射、银河辐射等各种各样的源头。当时，有一个完美的

    数学方法可以完成这项大海捞针的任务，但在实践中做起来太复杂，需要计算机进行几百万年的运算。而我

    发表的几个数据分析方法虽然并不完美，但提取信息的速度足够快，适用于实践。

    我喜欢宇宙微波背景辐射的原因有很多。比如，它促成了我的第一段婚姻，让我拥有了两个可爱的儿子，菲

    利普和亚历山大。我和我的前妻安赫丽卡·科斯塔(Angélica de Oliveira Costa)走到一起，正是因为她从巴西

    来到加州大学伯克利分校读乔治·斯穆特的研究生。我们的合作亲密无间，不仅限于给孩子换尿布，还包括

    我前面提到过的许多数据分析项目。其中一个项目是QMAP，它是一个望远镜，装在一个高空气球上，由莱

    曼·佩奇和马克·德夫林(Mark Devlin)等人放飞到高空，以避免受到地球大气层的微波噪声干扰。

    不好了!1998年5月1日凌晨2点，一切看起来都糟透了。还有7个小时，我们的飞机就要飞往芝加哥，我将在那里的一场宇

    宙学会议上演讲，公布QMAP项目的最新结论。但此时此刻，我和安赫丽卡却在普林斯顿高等研究院的办公室里焦虑不已。宇宙

    微波背景辐射实验容不下一点错误，也不能忽视任何重要的东西。在科学界，可信度的关键要素是被另一个独立的实验所验证。

    但由于人们聚焦的天区不同，采用的分辨率也不同，所以根本不可能通过比较两个实验的结论来验证它们是否相符。然而，萨斯

    卡通和QMAP的天图在一处香蕉形状的天区正好产生了重叠(见图2-5)。我和安赫丽卡灰心丧气地盯着计算机屏幕，感到心沉

    到了谷底——萨斯卡通和QMAP重叠的那部分天图并排显示在屏幕上，而它们俩根本没有一点相似之处!我们眯着眼睛仔细看，企图把这些差异想象成设备的噪声。但这只是美好的幻想。我们所有的努力都表明，这两张天图中至少有一张是完全错误的。我

    怎能拿这个结论去演讲呢？这不仅是对我们自己，也是对所有建造和运行实验的科学家们的羞辱。

    安赫丽卡全神贯注地凝视着我们的计算机程序，突然间，她发现了一个可疑的负号，大概会使QMAP天图呈颠倒状。我们修

    正了这个负号，重新运行代码。面对计算机屏幕上的结果，我俩面面相觑，大气都不敢喘——两幅天图几乎完全一样!成败在此

    一举!接下来，我们睡了短短的几个小时，就飞往了芝加哥。把租来的车停好后，我几乎全靠肾上腺素驱动，一路小跑到费米实

    验室礼堂。时间不早不晚，刚好轮到我演讲。我实在太兴奋了，根本没注意到自己已经违章停车。直到晚上，我发现我的车离奇

    地失踪了。

    “你把车停哪儿了？”保安问。

    “哦，就停在外面啊，在消防栓的正前方。”我回答道，突然脑袋里“咣”的一声，一天内第二次恍然大悟——车被交警拖走

    了。

    宇宙的“沙滩球”

    宇宙微波背景辐射引起的淘金热，持续了好几年。这期间，有20多个不同的实验室在你追我赶——我会告诉

    你一些相关故事。然后，终于轮到WMAP探测器粉墨登场了。2003年3月11日下午2点，房间里挤满了人。我

    们都挤过来看NASA电视台，因为WMAP项目团队将要公布他们的结果。地面实验和气球实验都只能绘制一

    部分天区的图像，但WMAP探测器却能像COBE卫星一样，用它超高的分辨率和灵敏度描绘整个天空。我的

    感觉就像小时候过圣诞节，圣诞老人最后终于出现了——唯一不同的是，圣诞节只需等上几个月，而为这一

    天，我已经等了好几年。事实证明，等待是值得的——WMAP项目团队公布的图片令人震惊。他们废寝忘食

    地工作，从申请经费到建设、发射、数据分析和得出结论，只用了不到6年的时间，比COBE卫星快3倍。实

    际上，为了保持进度，WMAP项目的带头人查克·班尼特(Chuck Bennett)几乎害死了自己——该项目的重要贡献者大卫·斯伯格尔(David Spergel)告诉我，在卫星发射后，班尼特的身体崩溃了，不得不住了三个星

    期的医院。

    此外，WMAP项目团队还在网上公开了所有数据，这样，全世界的宇宙学家都可以尝试自己分析。对我这样

    的宇宙学家来说，现在终于轮到我们来废寝忘食地疯狂工作了，而他们总算可以高枕无忧地睡大觉。他们的

    观测结果很出色，但受到了银河系射电噪声的污染。你可以从图2-5中的COBE天图里看到，天图中央有一条

    水平的条带。对于此，有一个坏消息和一个好消息。坏消息是，来自银河系和其他星系的微波污染遍布整个

    天空，几乎无处不在，尽管程度很低，而且不容易看到；好消息是，这些污染的颜色与我们想要的信号不同

    (颜色取决于频率)，而WMAP探测器采用了5个不同的频率。用这些信息，WMAP项目团队可以清除污

    染，而我兴奋地发现了一个更好的方法可以完成此事。

    我的方法基于信息论，由此得到了一张更清晰、分辨率更高的照片(见图2-5右下)。我和安赫丽卡以及我

    们的老朋友安德鲁·汉密尔顿(Andrew Hamilton)一起工作了一个月，终于提交了一篇论文，之后我的生活

    才慢慢重回正轨。图2-4里有一个球形的微波背景图像，类似的图像也出现在本书的封面上。制作这种图的

    过程非常好玩，给我带来了很多快乐。WMAP项目的团队也很喜欢干这件事，他们甚至做了一个自己的版

    本，并把它印在一个塑料沙滩球上。这个球现在还在我的办公室里，让整个屋子蓬荜生辉。我把它称为“我

    的宇宙”，因为它是一个象征、一个符号，将我们目之所及的万事万物都被囊括在内。

    邪恶轴心，天图的神秘队列

    接下来，让我们来仔细看看宇宙微波背景中的那些星罗棋布的斑点。从这些斑点的大小，我们能解答许多关

    于宇宙的秘密。我们知道，声音和颜色都可以被分解成不同频率的组合。与之类似，我们也可以把二维的宇

    宙微波背景辐射图分解成若干个组分(见图2-6)，它们有一个古怪的名字，叫多极矩(multipoles)。本质

    上来说，这些多极矩天图包含着大小不一的斑块。然而，从COBE卫星开始，人们就注意到了一件可疑的事

    情——第二个多极矩，也就是四极矩天图中，最大的几个斑块比预计的弱很多。然而当时没人能作出一张四

    极矩天图，来看看究竟发生了什么，因为这需要一张全天图，但银河系的微波干扰对一些天区造成了不可修

    复的污染。

    图2-6 将图2-5中的WMAP探测器天图分解成一组多极矩的加总，可以看到，其中斑点变得越来越小。

    最前面的两个天图(左图和中图)中，亮斑排列成一个神秘的队列，被称为“邪恶轴心”。不同的颜色代表与平

    均温度相比的冷热程度。下方的色条代表单位是μK，也就是1开氏度的百万分之一。

    现在，有了WMAP探测器的结果，我们终于获得了清晰的天图，看起来可以拿来一用。那是一个深夜，在我

    们提交天图论文之前不久，安赫丽卡和孩子们都已经睡了，我也正准备上床。但我实在太好奇了，很想看看那讨厌的四极矩会变成什么样，所以我决定写一个计算机程序，生成一张图片来看看。当图片从计算机屏幕

    上蹦出来时(见图2-6左图)，我顿时被迷住了——它不仅比预想的更弱(较冷和较热区域之间的温度起伏

    几乎接近零)，并且沿着一条有方向的一维条带分布，而不是理论预测的随机分布，所以看起来十分有趣。

    我当时已经困得要死，但为了奖励自己深夜还在工作，我决定再调试一张新图片，于是我把2改为3，得到了

    一张第三极矩，也就是八极矩的图片。天呢!这究竟是什么？屏幕上出现的图片中，斑块的分布同样遵循一

    个一维的条带，方向与四极矩基本相符(见图2-6中图)。这可不是宇宙应该有的样子啊!和我们平时拍的

    照片不同，宇宙的照片不应该存在一个特殊的方向，比如“上”——它应该看起来很随机，不管你怎么旋转照

    片，看起来应该都一样。然而，我屏幕上的这张宇宙“婴儿照”却拥有斑马一样的条纹，排列在一个特别的方

    向上。我怀疑我写的代码有问题，于是又把3改成4，出现了第三张图(见图2-6右图)，这次和预测的完全

    一样——斑点随机分布，没有特殊的方向。

    安赫丽卡再次检查了数据，确认一切无误之后，我们把这个惊奇的发现写进了天图论文。令我惊讶的是，《纽约时报》竟然提到了我的论文，还派了一个摄影师过来给我拍大头照。接下来，包括我们在内的许多团

    队都对数据的细节进行了更深入的研究。有些人把那个特殊的方向戏称为“邪恶轴心”；一些人则辩称这是统

    计学上的巧合，或者是来自银河的干扰。还有人认为，事实应该比我们想象的更神秘，并声称他们用不同的

    方法在第4和第5极矩中也找到了类似的异常现象。此外，还涌现了一些新奇的解释，比如，我们生活在一个

    小小的“面包圈宇宙”中，空间转一圈后与自身相连，但后续的分析认定这是不可能的。直到今天，我对“邪

    恶轴心”的困惑与那天晚上相比，一点也没有减少。

    从0到1，宇宙微波背景理论的历程

    2006年，安赫丽卡和我被邀请到斯德哥尔摩，庆祝COBE卫星的研究成果获得诺贝尔物理学奖。不出所料，COBE团队内部开始争抢功劳。最后，奖项由乔治·斯穆特和约翰·马瑟(John Mather)二人分享。看到他俩

    和解，我十分欣慰。整个COBE团队都被邀请过去，沐浴在当之无愧的荣耀中。我感到，那些不愉快的嫌隙

    被无休止的高雅酒会用一个明显的事实所黏合了，那就是，他们完成了一项伟大的工作，不仅让两个人同时

    获得了诺贝尔奖，更重要的是，他们拍下的第一张宇宙“婴儿照”创造出了一个生机勃勃的新领域，把宇宙学

    的研究带进了一个崭新的时代。我多么希望，乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼也出现在这里。

    2013年3月21日清晨，我5点就起床了，为了看一个巴黎的网络直播——普朗克卫星团队即将公布他们的第一

    张宇宙微波背景辐射图像。过去的10年里，ACBAR、ACT、南极望远镜等实验设备都曾拓宽我们对宇宙微波

    背景的知识，但普朗克卫星才是WMAP探测器以来最大的里程碑。我正在刮胡子时，乔治·艾夫斯塔休

    (George Efstathiou)正在向公众讲述他们的成果，突然一股怀旧和兴奋交织的感觉涌上了我的心头。我仿

    佛回到了1995年3月，当时艾夫斯塔休邀请我到牛津大学去和他合作，为还未发射的普朗克卫星开发一种新

    算法。这是我第一次被邀请参加学术合作，感到十分荣幸。我们一起开发出了一种去除干扰信号的新方法，帮助普朗克项目得到了欧洲空间局(ESA)的资金。时光荏苒，现在浴室镜里这个老了8岁、正在刮胡子的

    我，终于要看到这个项目的成果了。当艾夫斯塔休展示普朗克卫星最新的天图时，我忍不住放下刮胡刀，找出我们之前清除了前景干扰的WMAP

    探测器天图放在笔记本电脑屏幕旁边。它们几乎严丝合缝!宇宙邪恶轴心依然存在!我把这两张图都放到了

    图2-5中，好让你进行对比。你可以看到，所有大尺度结构都能精致地吻合在一起，但普朗克天图中有更多

    的小斑点。这是由于它有出众的灵敏度和分辨率，能拍下WMAP探测器因无法辨认而模糊掉的小细节。普朗

    克卫星证明，我们多年的等待是值得的!由于它出色的质量，普朗克卫星总算为WMAP探测器之前的表现提

    供了一份可对照的答题卡。仔细消化普朗克卫星的结果后，我认为WMAP项目团队的工作完全能得A+。当

    然，普朗克卫星项目团队也是如此。然而我认为，普朗克卫星给人们最大的惊喜就是：没有惊喜——从本质

    上说，它再一次确认了我们已经相信的宇宙图景，只是更加精确。宇宙微波背景辐射，终于成熟了。

    泰格马克教授将普朗克卫星天图投影到了一个球体上，读者可以仔细端详它丰富的色彩和细节。扫码关注“湛庐教育”，回复“穿越平

    行宇宙”获取该图。

    到现在为止，我们已经将最早的时间由140亿年前拨回到大爆炸后40万年，看见周围的空间充满了炙热的等

    离子体。那时候，没有人，没有行星，没有恒星，也没有星系——只有原子在弹来蹦去，辐射出耀眼的光

    芒。然而，更加神秘的问题浮出水面：这些原子从何而来？

    原子是大爆炸的产物吗

    宇宙，一个熊熊燃烧的核聚变反应堆

    之前我们讲到，伽莫夫对宇宙的过去进行了大胆的推演，成功预测了宇宙微波背景，为我们呈现了绝妙的宇

    宙“婴儿照”。然而对他来说，这个了不起的成就还远远不够，于是，他把时间往回推演到了更早的时候，并

    算出了结论。时间越早，温度越高。我们知道，大爆炸后40万年时，几千摄氏度的氢元素充满了宇宙空间，几乎有太阳表面一半那么热，所以那时氢元素发生的事，和太阳表面正在发生的一样——发光。所以产生了

    宇宙微波背景辐射。伽莫夫还意识到，大爆炸后仅1分钟时，氢的温度大约高达10亿℃，比太阳内核还炙

    热，所以它一定也会发生太阳内核正在发生的事——核聚变，将氢元素聚变成氦元素。然而不久之后，宇宙

    逐渐膨胀和冷却，冷到不足以发生核聚变时，就像一只无形的手关掉了这个宇宙核聚变反应堆的开关。那

    时，还没来得及把所有氢都转化为氦。受到伽莫夫的启发，他的学生阿尔菲和赫尔曼对此进行了进一步计

    算。那时还是20世纪40年代，由于没有现代计算机，他们的工作受到了极大的限制。宇宙在最初的40万年里是不透明的，之前发生的事都被藏在宇宙微波背景的等离子屏幕后。那么，要如何检

    验伽莫夫的这个预测呢？伽莫夫意识到，这个情况和对恐龙的研究很相似——你根本不可能直接看到发生了

    什么事，但你能找到化石证据!用现代观测到的数据和计算机重新运行他们的计算过程，你能预测出，当宇

    宙还是一个核聚变反应堆时，有25%的质量生成了氦。当你用望远镜，通过遥远星系的光谱来测算它们的氦

    含量时，你会得到一个数字：25%!对我来说，这和发现霸王龙股骨化石一样令人印象深刻——这就是疯狂

    往事的直接证据。只不过这件事的疯狂之处在于，万事万物都热得疯狂，就像太阳的核心一样。此外，氦元

    素并不是唯一的“化石证据”。随着伽莫夫的理论变得广为人知，太初核合成理论(也就是大爆炸核合成)预

    测，三十万分之一的原子是氘[5]

    ，五十亿分之一的原子是锂。这两个比例都已被观测证实，并与理论值完美

    契合。

    都错了!大爆炸有麻烦了!

    没有人能随随便便成功——伽莫夫的热大爆炸理论遭到了冷遇。实际上，“大爆炸”这个名字还是得自一个批

    评者——弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)，他最初是想以此来嘲笑它的荒谬。根据20世纪50年代的评判标准，大爆炸理论的两个主要预测——宇宙的年龄和原子的丰度，都是错误的。根据哈勃最初对宇宙膨胀的测算预

    计，宇宙的年龄不会超过20亿年。地质学家们因此感到很困惑，因为地球上一些岩石的年龄都比这个老。此

    外，伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼当时还希望能证明我们周遭的所有原子都以正确的比例诞生于太初核合成，但

    他们发现这是不可能的，太初核合成甚至不能产生足够的碳，更不用说氧和其他日常常见的元素了——它只

    能孕育出氦、氘和一点点的锂。

    我们现在已经知道，哈勃极大地低估了星系之间的距离。正因如此，他得出了错误的结论。他所算出的宇宙

    膨胀速度比真实速度快了7倍，这意味着，宇宙的年龄应该比他所算出来的老7倍。20世纪50年代，人们对星

    系距离的观测越来越精确，这个错误逐渐被修正。那些不高兴的地质学家终于得到了安慰。

    大爆炸预测的第二个“谬误”——原子丰度的错误，也在同一时代消融了。伽莫夫在恒星核聚变上做了很多开

    创性的研究。他和其他科学家的工作都表明，恒星能产生出氦和一点点其他元素，正如我们的太阳现在正在

    做的一样。那么，其他元素从何而来呢？伽莫夫希望太初核合成能完成这项任务。然而，20世纪50年代，另

    一个看起来令人吃惊的核物理发现将氦、铍、碳和氧连接起来了。霍伊尔第一个意识到，恒星在生命末期会

    将氦变成碳、氧和大部分常见的元素，正是这些元素组成了你和我。此外，恒星结束自己生命的时候会发生

    爆炸，将它孕育的大部分原子都回馈到宇宙空间，形成气体云，将来又能从中诞生出新的恒星和行星，最终

    诞生你我。换句话说，我们与天堂之间的联系，比祖辈想象的要紧密得多——我们都是星尘。我们位于宇宙

    之中，宇宙也存在于我们之中。洞悉了这一点，伽莫夫的太初核合成理论经历了从失败到成功的腾飞。原

    来，宇宙在最初的几分钟内，确实只生成了氦以及一点点氘和锂，而之后的所有原子都是由恒星创造出来的

    [6]。原子从何而来的问题最终被解决了。不鸣则已，一鸣惊人。正如热大爆炸理论在“冷宫”里平步青云一

    样，1964年，伽莫夫的另一个预言也被观测证实，并震惊了宇宙学界，这就是牺牲几只鸽子才确认的大爆炸

    余晖——宇宙微波背景辐射。大爆炸假说

    那时，我们现在所能看到的一切

    都比太阳的内核还热，它们膨胀得

    相当迅速，一秒钟内就能膨胀到两

    倍那么大。

    到底什么是大爆炸

    现在，我们已经把时间回溯到了140亿年前，那时候整个宇宙是一个熊熊燃烧的核聚变反应堆。当我说了“我

    相信大爆炸假说”时，只是指我被这个理论说服了，但仅此而已。

    这个爆炸真的很大，所以我们管它叫“大爆炸”。然而，你也许已经注意到，我给它下的定义十分保守，并没有提到它之前发生的任何事。比如，我并没

    有暗示宇宙当时的年龄为1秒钟，也没有暗示它的密度曾经无限大或者源自

    某种令数学规律崩溃掉的奇点。对第1章开头的问题10“大爆炸奇点的存在有

    证据吗”，答案很简单：“没有!”当然，如果我们把弗里德曼方程向时间的

    源头一步步推演，它们会在太初核合成1秒钟前一个无限致密的奇点崩溃，但在第6章中我们将会看到，量子

    力学会让这些方程在还没到达奇点时就失效。我认为，区分一件事是“有确凿证据”还是“高度推测”，是非常

    重要的。在这件事上，对大爆炸之前的事，尽管我们有许多令人兴奋的理论和暗示(我们将在第4章继续讨

    论)，但坦白讲，我们其实什么都不知道。目前，这就是我们知识的边界。实际上，我们甚至不能肯定宇宙

    是否真有一个开端，还是在太初核合成之前就已经经历了超出人类理解范围的永恒时间。

    总的来说，人类对时间的认知已被推进到相当久远的过去，揭示出一条宇宙的故事线(我画在了图2-7

    中)。大爆炸后100万年，空间中充满了相当均匀的透明气体。如果把宇宙这幕戏剧倒着播放，我们会看到

    这些气体变得越来越炙热，因为其中的原子互相撞击的强度越来越大，直到碎裂成原子核和自由电子——等

    离子体。接下来，我们会看到氦原子被撞碎，分裂成质子和中子。然后，它们也被撞碎，变成更基本的粒子

    ——夸克。再往后，我们会跨越人类知识的边界，进入一个全凭推测的疆域——在第4章，我们将探讨图2-7

    中标着“暴胀”和“量子谜题”的两个阶段。现在，让我们再跳到大爆炸后100万年，让时间往后流逝，我们会

    看到万有引力放大气体间轻微的不均匀，最终形成了我们今天所看到的星系、恒星和丰富多彩的宇宙结构。

    图2-7 尽管我们对宇宙的终极起源知之甚少，但我们对其后140亿年中发生的事却已经了解了很多。随着

    宇宙的膨胀和冷却，夸克组成了质子(也就是氢核)和中子，接着又聚变成氦核。然后，这些原子核捕获电子，形成原子。在万有引力的作用下，这些原子坍缩成我们今天所观测到的星系、恒星和行星。

    不过，万有引力只能将宇宙间轻微的起伏放大，却无法从虚无中创造出起伏。如果宇宙过去是绝对均匀和统

    一的，万有引力也无计可施，它会永远保持均匀的状态，不可能创造出任何稠密的块簇，更别说星系了。这

    意味着，在很早的时候，宇宙中一定撒下了这些起伏的种子，得以让引力来放大，这就像一张宇宙的蓝图，决定了哪些地方会生成星系。那这些起伏的种子从何而来呢？换句话说，我们已经看到了宇宙中原子的起

    源，但是这些原子何以会排列成庞大的星际结构呢？宇宙大尺度结构从何而来呢？在我们所问的所有宇宙学

    问题中，我认为这是最硕果累累的。为什么？我们将在接下来的两章探索这个问题。

    ◆由于遥远的光线到达我们需要很长的时间，所以望远镜向我们展开了宇宙的历史画

    卷。

    ◆大约140亿年前，我们今天所能看到的一切都比太阳核心还炙热，膨胀得相当快，一秒

    钟内就能膨胀到两倍大。这就是我所说的“大爆炸”。虽然我们对那之前发生了什么不

    甚明了，但我们知道许多那之后发生的事——膨胀和聚集。

    ◆宇宙在核聚变反应堆的状态下仅保持了几分钟，那时就像太阳的内核一样，将氢转变

    成氦和其他较轻的元素，直到剧烈的膨胀稀释和冷却了宇宙，核聚变才停止了。根据

    计算，我们预测25%的氢元素变成了氦；观测结果不仅与这个预测完美吻合，还符合对

    其他轻元素的预测。

    ◆经历了40万年的膨胀和稀释，氢-氦等离子体冷却成了透明的气体。我们能看到这个转变，在遥远的宇宙深处，有一堵等离子体组

    成的墙，发出暗淡的光芒，这就是宇宙微波背景，此项研究获得了两枚诺贝尔奖章。

    ◆在接下来的几十年中，万有引力改变了宇宙的图景，从无聊的均匀一致到有趣的成块成簇，放大了我们在宇宙微波背景上所看到

    的细微密度差别，最终形成了我们今天看见的行星、恒星、星系和宇宙大尺度结构。

    ◆宇宙暴胀理论预测，遥远的星系会遵循一个简单的方程，离我们远去，这和我们的观测十分相符。

    ◆简单的物理定律就能准确地描述宇宙的整个历史，也让我们能从过去预测未来，并从未来推断过去。这些支配着宇宙历史的物理

    定律，都是以数学公式的形式呈现，所以，我们对宇宙历史最精确的描述，都是数学描述。03 数字中的宇宙宇宙学家经常会犯错，但他们从不优柔寡断。

    列夫·朗道(Lev Landau)

    从理论上说，理论和实践是一样的，但从实践的角度来说，它们却截然不同。

    爱因斯坦

    “哇!”我惊讶得下巴几乎掉到了地上。我站在路边，一句话也说不出来。眼前的这番景象，我每天都会看

    到，但却从没好好地端详过它。此时，正是凌晨5点钟，我把车停在一条横穿亚利桑那州沙漠地带的高速公

    路边，正在查看地图。突然间，我被深深触动了——看，天空!这不再是我从小看到的那片被光污染得糟透

    了的斯德哥尔摩的天空，因为那里只能看到北斗七星和几颗稀疏又暗淡的星星。而此时此刻，我正凝视着的

    是一片蔚为壮观、摄人心魂的浩瀚苍穹，成千上万颗明亮的光点，汇成了美不胜收的各种形态。银河闪耀其

    上，就像一条壮丽的星系高速公路，横跨整个苍穹。

    在干燥的沙漠空气中，我的视野被放大，能看到海拔2 000米以上。但我相信，你也曾在远离城市灯光的地

    方见过这样的美景，你一定和我一样，心中充满了敬畏。那么，这一敬畏又源于何处？毫无疑问，一部分是

    因为星星和这辽阔的一切。但是，还有一些其他的东西令我们惊讶万分，那就是星星组成的形态。我们的祖

    先对这些形态十分好奇，为了解释它们而创造出了许多神话故事。一些文明把星星分组，想象成一个个星

    座，并用神话中的人物来描绘它们。很显然，恒星在夜空中并不是像波点图案一样均匀分布，而是成团成簇

    的。那天凌晨，我所看见的最大的星际形态，不是别的，正是我们的银河。利用望远镜，我们会发现，星系

    与星系一起也能聚集成团簇状的结构，拥有着迷人的形态，组成了星系群和星系团以及硕大无朋的丝状结

    构，盘踞着亿万光年的宇宙空间。那么，这些形态是怎么形成的呢？这些巨大的宇宙结构究竟源于何处呢？

    在上一章的结尾，我们了解到万有引力会带来不稳定性，这同样使我们开始疑惑宇宙大尺度结构的起源。换

    句话说，我们的理性探讨和对星空的敬畏之情，两者殊途同归，都提出了同样的一个问题：这些宇宙结构源

    自何方？这就是本章将要探索的关键问题。

    通缉令：寻找精密宇宙学

    正如我们在上一章所看到的那样，人类依然不理解宇宙的终极起源，尤其不知道在宇宙成为核聚变反应堆、一秒钟能膨胀两倍之前发生了什么事。不过，那之后的140亿年发生的事情，我们已经了解得很多了，那就

    是膨胀和聚集成团。这两个过程都受到万有引力的控制，将炙热、平滑的“夸克粥”转变成今天这个点缀着灿

    烂星辰的宇宙。在上一章里，我们把宇宙的历史快放了一遍，其中，宇宙膨胀逐渐稀释和冷却了基本粒子，让它们能够聚集成较大的结构，比如原子核、原子、分子、恒星和星系。自然界存在4种基本作用力，其中3

    种力轮流驱动着聚集成团的过程：首先是强相互作用力将原子核黏合在一起，接着是电磁力造就了原子和分

    子，最后是万有引力编织出了让夜空熠熠生辉的大尺度结构。万有引力是如何做到这一点的？如果你骑自行车时遇到红灯，你会捏紧刹车闸，此时你就会立刻感受到引力

    导致的不稳定——因为你会开始不由自主地左右摇晃。为了保持平衡，你只好把其中一只脚放在地上，才不

    至于摔倒。这些不稳定性的本质是由于细微的波动被放大了。在自行车的例子中，你离平衡状态越远，引力

    就越容易将你拉倒。而对宇宙来说，宇宙离完美的均质越远，聚集的程度就越容易被引力放大。如果一个区

    域的密度比周围稍稍大一些，引力就会把邻近的物质也拉过来，让它的密度变得更大，这样它的引力也就变

    得更大，使得它累积质量的速度也越快。这就好像当你本身就很有钱时，赚钱就变得更容易一样，当质量很

    大时，累积更多质量的过程就变得很容易。140亿年的光阴，万有引力带来的不稳定性已经足够将哪怕一丁

    点儿的密度起伏放大为巨大致密的团簇，比如星系，从而将曾经无聊透顶的宇宙涂抹得多姿多彩。

    过去几十年里，宇宙膨胀和聚集成团的大格局已被人们所知，但直到我开始上研究生并最初接触宇宙学的

    1990年，人们对它细节的认知还是雾里看花、水中望月。那时，人们尚在辩论宇宙的年龄究竟是100亿年还

    是200亿年，反映出长期以来人们对宇宙膨胀速度的不同理解。宇宙现在和过去分别膨胀得多快呢？人们对

    这个问题已经争论了很长时间。而关于宇宙聚集的讨论则建立在更加摇摇欲坠的基础上，因为人们发现，观

    测值和理论值大相径庭，反映出一个令人震惊的事实：宇宙中有95%的组成部分，我们竟全然不知它们

    为何物!COBE实验测量数据显示，在宇宙大爆炸40万年后，宇宙只有0.002%的聚集度，这显然说明了，仅

    靠万有引力，根本不足以把这些微弱的聚集放大到今天我们看到的宇宙大尺度结构，除非存在一种隐藏的物

    质形式，来贡献额外的引力。

    这种神秘的物质被称为“暗物质”，这个名字正好反映了我们对它的无知。其实，“不可见物质”这个名字会更

    适合一点，因为它看起来是透明的，而不是黑暗的。如果它穿越你的手掌，你将完全察觉不到。确实是这

    样，来自太空的暗物质穿透地球时，对地球没有任何影响，而当它穿过整个地球后，会毫发无伤地出现在另

    一边。如果你觉得暗物质还不够疯狂，下面我将向你介绍另一种神秘物质。有它的存在，宇宙膨胀和聚集的

    理论预测才能与观测结果相符，它就是暗能量(见图3-1)。人们假定，暗能量只会促使宇宙膨胀，但对聚

    集成团没有一点贡献，并且暗能量永远都是均匀分布在宇宙中的。

    图3-1 暗物质和暗能量都是不可见的，这意味着，它们之间的相互作用不会产生光线和其他电磁现象。

    我们只能通过万有引力的作用来判断它们的存在。

    暗物质和暗能量饱受争议已经许多年。对暗能量来说，最简单的候选者就是所谓的宇宙学常数。我们之前提

    到过，宇宙学常数是爱因斯坦为自己的引力理论所加上的荒唐数字，后来又自称为他一生最大的错误。1934

    年，为了解释将星系团聚拢在一起的额外引力，天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)提出了暗物质假

    说。到了20世纪60年代，薇拉·鲁宾(V era Rubin)发现，旋涡星系的自转速度非常快，如果仅靠可见物质提供的万有引力，它们早就分崩离析了，所以它们一定包含着某种看不见的物质，以提供额外的万有引力，维

    系星系的完整。这些假说遭到了强烈的质疑——如果我们将这些无法解释的现象都归咎于某些可以穿墙而过

    的不可见物质，那我们是不是应该相信鬼魂的存在？

    历史上也曾有过令人不安的荒谬先例。在古希腊，当托勒密意识到行星轨道并不是完美的正圆形时，他炮制

    出一个复杂的理论，声称行星先是绕着较小的圆圈旋转(称为“本轮”[epicycles])，再由这些小圆圈绕着大

    圆圈旋转。正如我之前讲到的那样，更精确的万有引力理论扼杀了本轮理论，预测出行星的轨道是椭圆形，而不是正圆形。说不定在未来，我们还会发现一个更精确的万有引力理论，这样，暗物质和暗能量也能像本

    轮理论那样“退休”了。如果真发生了这种事，我们还能不能把今天的宇宙学当真呢？

    这是我上研究生时所问的问题。要回答这些问题，需要更精确的观测，将宇宙学从一个极度缺乏数据、高度

    依赖推测的领域转变为一门精密的科学。幸运的是，这正是目前正在发生的事。

    精确的微波背景起伏，让预测符合观测

    我们在图2-6中看到了由宇宙微波背景实验所生成的宇宙“婴儿照”，它可以被分解成一组不同天图的组合，即“多极矩”。从本质上讲，每个多极矩中都包含着大小不一的斑点。图3-2中展现了每个多极矩中温度起伏

    的总量。这条曲线被称为宇宙微波背景的“频谱”(power spectrum)，展示了天图中隐藏的宇宙学信息。翻

    到图2-4，你会看见图中有许多斑点狗一样的斑块——这些斑块大小不一，有的占据天空中1°的范围，有的

    跨越2°，诸如此类。在频谱中，你能看出每种大小斑块的数量有多少。

    频谱最大的好处在于，我们不仅可以测量它，还可以预测它——对于许多关于宇宙膨胀和聚集的数学模型来

    说，我们可以准确地计算出它们的频谱长什么样，而且不同模型预测出的曲线相去甚远(见图3-2)。如

    今，图3-2中的曲线几乎都被观测结果否定了，只剩下唯一的一条。但在我上研究生时，这些被否定掉的曲

    线中的每一条，都至少有一位德高望重的同行全心全意地相信它是正确的。频谱的曲线形状取决于很多复杂

    的因素，包括影响宇宙聚集成团的所有因素(比如原子的密度、暗物质的密度、暗能量的密度和“种子”起伏

    的性质)，所以，如果我们能调整关于这些因素的前提假设，让预测符合观测，那我们就能找到一个完美的

    模型，不仅可以进行预测，还可以测算这些重要的物理量。图3-2 对宇宙微波背景中各个起伏所占的角度进行精密地测量后，许多曾流行一时的理论模型都被排除

    了，但是标准模型却与之完美相符。在这张图里，你能欣赏到现代宇宙学最卓越的成就，而不用担心细节问题

    ——现代高度精密的测量结果都与理论预测值相符。

    望远镜和计算机，改变和颠覆

    当我在研究生阶段首次知道宇宙微波背景时，根本没有频谱这种东西。后来，COBE卫星给我们创造了机

    会，让我们第一次接触到这种歪歪扭扭、深奥难懂的曲线。这种曲线最左端的高度大约为0.001%，那里附近

    的倾斜度几乎为水平。COBE卫星的频谱中隐藏着很多信息，但是当时没有人能够把这些信息挖出来，因为

    这需要处理一个占据31MB空间的沉闷数表，称为“矩阵”。在今天看来，31MB的数据量简直小得可笑，你手

    机上的一段短视频都有这么大。但是，在1992年，这是一个令人望而生畏的数字。所以，我和同班同学泰德

    ·邦恩(Ted Bunn)暗中打起了小算盘。我们系的马克·戴维斯(Marc Davis)教授有一台叫作“魔

    豆”(magicbean)的计算机，拥有32MB内存。在无人注意的凌晨，我常常偷偷摸摸地登录这台计算机，让它

    分析我们的数据。几个星期的秘密行动后，我们终于发表了一篇论文，里面包含着当时对频谱曲线形状最精

    确的测算。

    这段经历让我意识到，正如望远镜改变了天文学一样，计算机技术的飞速发展也将让天文学发生翻天覆地的

    变化，并跨上一个新台阶。现在，你使用的计算机性能已非常强大，可以在几分钟内完成我和泰德用戴维斯

    教授的计算机算了几个星期的程序。看到那么多实验物理学家为了收集宇宙的数据而鞠躬尽瘁，我感觉我们

    欠他们很多，于是决定帮助他们处理数据，就像挤牛奶一样，直到挤完数据中的最后一滴精华。接下来的10

    年中，这成了我的主要工作。

    我最着迷的一件事是如何更好地绘制频谱图。有的方法速度很快，但是不太精确，并且存在一些其他问题。

    后来，我的好友安德鲁·汉密尔顿找到了一种理想的方法，但却需要超大量的计算，运算量相当于天图像素

    数的6次幂。也就是说，用这种方法测算COBE卫星天图的频谱，需要的时间比宇宙的年龄还长。

    1996年11月21日，新泽西州的普林斯顿高等研究院里显得安静又黑暗。在这儿的办公室里，我在咖啡的陪伴下又度过了一个疯狂的夜晚。我为自己的一个新想法而感到兴奋，因为这将把汉密尔顿方法中的6次幂降低到3次幂，这样，我就可以在一小时内

    算出COBE卫星最精确的频谱。当时，我正在手忙脚乱地完成次日会议的一篇论文。在物理学界，一旦我们完成一篇论文，就会

    立刻把它上传到一个免费网站ht tp：arXiv.org上，这样我们的同行就能尽早地读到它们，以免在审稿和出版过程中陷入泥淖。

    对此，我有一个坏习惯——在我写完论文的前一天上传，时间点选在那天上传的最后期限刚刚结束之后。这样，我的论文就会成

    为第二天的论文列表中的第一个。但这有一个坏处，如果我没有在24小时内写完论文，我就会因上传一篇没有写 ......