起源

    ——万物大历史

    [美]大卫·克里斯蒂安 著

    孙岳 译

    中信出版集团

    目录

    终身学习者一定会喜欢这部万物大历史

    中文版序

    前言

    绪论

    历史年表

    第一篇 宇宙

    第1章 最初时刻：节点一

    第2章 星与星系：节点二和三

    第3章 分子与卫星：节点四

    第二篇 生物圈

    第4章 生命：节点五

    第5章 微小的生命体与生物圈

    第6章 大型生命体与生物圈

    第三篇 我们人类

    第7章 人类：节点六

    第8章 农耕时代：节点七

    第9章 农业文明

    第10章 处于当今世界的边缘第11章 人类世：节点八

    第四篇 未来

    第12章 万物的归宿？

    致谢

    附录 人类史上的统计数字

    词汇表

    推荐阅读书目

    译后记

    终身学习者一定会喜欢这部万物大历史

    比尔·盖茨

    我们人类都有各自的起源故事。在某些人群中，起源故事

    以创世神话的形式出现，而在另外一些人群中，起源故事更像

    是教科书。比如，我出生在美国，从小就被人告知美国的缔造

    者是一群反抗英国统治者的英雄。人类总是好奇自己究竟从哪

    里来，而起源故事赋予人们一种共同的历史、共同的目标，从

    而实现内部团结。

    假如整个人类拥有一个共同的起源故事，那又会是怎样一

    种情形呢？这一故事会是什么样呢？大卫·克里斯蒂安在《起

    源：万物大历史》一书中以史学家的身份试图为此作答。

    作为大历史——也是我一直以来最喜欢的课程——的创立

    者，大卫当然是为此作答的不二人选。大历史讲述的是包括宇

    宙大爆炸、生命诞生和人类社会日益复杂的历程在内的贯通故

    事，以通俗易懂的叙事融会多个学科的创见和证据，说明万事

    万物都是彼此关联的。

    《起源：万物大历史》一书其实是大历史课程教材的缩写

    本。138亿年的万物史依据几个关键的转折点被划分成克里斯蒂

    安所谓的“节点”，比如太阳系的形成、最初人类的出现等。

    早期的几个节点侧重物理和化学，而后来的几个更多是生物学及人类学的线索，讲述单细胞生物如何进化成更复杂的生物

    体。

    如果你还没学过大历史，那么《起源：万物大历史》一书

    会带你径直接触大历史的一些核心概念，而且通俗易懂。大卫

    文笔极佳，他总能使复杂的课题变得轻松有趣。如果你已经上

    过大历史课，那么《起源：万物大历史》一书同样会令你再次

    轻松回味。这本小书把有关宇宙起源的最新成果融会其中，我

    本人在书中就学到了很多新知，这在最初的大历史课中是没有

    的。

    本书的最后一章对人类及宇宙的未来进行了展望。相比而

    言，大卫对未来似乎比我更悲观。他对当前西方经济和政治的

    萎靡不振颇感焦虑，而我却希望他多谈一些有关创新能够阻止

    气候变化对人类社会造成不良影响的情况。但有一点他做得很

    对，就是凸显此刻在整个历史中的重要作用，他这样写

    道：“如今，万事万物都好像加快了节奏，以至我们会不时感

    觉正在慢慢逼近某种即将发生的大变故，所以说我们在未来几

    十年具体做些什么在数千年的尺度上将产生重大影响，对人类

    自身以及整个生物圈都是如此。不管怎么说，我们现在正操控

    着整个生物圈的命运，可能做得很好，也可能做得很糟。”

    懂得了人类从哪里来，在很大程度上就决定了我们下一步

    要到哪里去。《起源：万物大历史》用最新的知识为你讲述万

    物的由来，让你对自己在宇宙中的位置和处境有更深刻的领

    悟。

    中文版序

    大卫·克里斯蒂安

    我很高兴《起源：万物大历史》一书被娴熟地翻译成中

    文，有机会面对世界上人口最多的国度的读者。

    《起源：万物大历史》一书把各种不同类型的知识连缀成

    一种贯通的叙事，说明万事万物的来龙去脉，其中包括宇宙的

    起源、恒星与行星——包括地球——的来历，以及地球上数以

    万亿计的生物如何与人类共享我们的地球家园。我们知道，迄

    今为止，所有的人类社会都曾编织并讲述自己的起源故事。大

    历史本质上也属于起源故事，是我们现代人类的起源故事，无

    论生活在什么地方。我们需要这样一种起源故事，是因为当今

    人类正渐次成为一个全球共同体。生活在不同地区的人群在历

    史上从未像现在这般联系紧密，而正因此，彼此间的全球合作

    也变得日益亟须和紧迫。当今人类已变得异常强大，我们共同

    面对的挑战也因此不可能仅由个别国家及其领导人应对，比如

    来自核战争和日渐加速的全球变暖的威胁。要应对挑战就必须

    让全球各国所有的机构、企业、领导人和公民通力合作。事实

    上，要解决当今人类所面对的各种大问题亟须塑造一种新的全

    球公民认同，一种新的共同体的体认。而这正是我们共同的责

    任。要找到联结人类的纽带，我们就必须认识到：其实不止某

    个国家或文明有自己的历史，整个人类也有一部共通的历史，而且至少可以推至20万年前。这一人类共通的历史同样趣味盎

    然、异彩纷呈，令人怦然心动，而且其重要性也似乎不亚于任

    何民族国家的历史。帮助读者理解并讲述这一人类共通的历史

    正是本书的目的之一，也是当今教育所面临的最重大的一个挑

    战。

    不过，人类共通的历史还只是更大尺度起源故事的一部

    分，此外还有行星地球的历史——因为地球在40多亿年的演化

    中孕育了各式各样的生命，以及星系和整个宇宙的历史——正

    是它们造就了我们的地球家园。如今，我们对这种大尺度的历

    史有了更精准的把握。因此，摆在当今全世界教育工作者面前

    的第二个重大挑战是帮助人们看清这一大图景，让人们认识到

    不同类型的知识其实是紧密相关的。大历史把诸多学科的知识

    整合连缀到一起，以借此澄清宇宙最初如何形成，恒星、星

    系、行星和卫星如何经演化涌现，多种生命体如何在地球上萌

    生和进化，以及我们这一奇异的智人物种如何演进至今日。实

    际上，大历史是把各种不同类型的知识融会成一种异常精彩且

    令人兴致盎然的叙事，讲述的是当今云谲波诡的全球社会如何

    一步步形成的，并将如何进化。

    传统的起源故事构成整个教育的根基。这是因为起源故事

    往往是不同社会所具备的知识的最凝练的表达，就像编织了一

    幅万事万物的整体图谱，凭此图谱，就可以对下一代明确指

    认：“这就是时空图中的我们!”在远古的澳大利亚如此，在

    牛顿所处的欧洲和孔子所居的中国也都是这样。当然，起源故

    事的形式往往多种多样，这取决于不同人群所处的地理环境及

    其依此所选择的生活方式、具备的知识体系和传统等，比如中

    国传统的起源故事就特别丰富多彩。但所有起源故事提出的问

    题都是至为根本的，关乎万事万物的来龙去脉，如：宇宙是由

    某种至上神还是由多个神灵共同创造的？还是只是某种自然生

    灭的过程？行星地球是怎么来的？山川、河流和海洋又是如何

    造就的？动物和人类究竟如何进化？尤其是人类社会如何会变

    成现在这个样子？

    当然，不同起源故事对上述问题有不同的答案。且不管答

    案本身是什么，起源故事却总能对不同人群产生巨大影响，因

    为故事能帮助人们认清自我的本质并形成自身归属的认同。简

    而言之，起源故事是指引方向、指导生活的。

    在当今彼此联系日趋紧密的世界，人类具备了多种新知

    识，也因此能够编织第一部涵括全球的起源故事。但这一起源

    故事究竟会是什么样子呢？本书可谓对此尝试作答。为此，笔

    者编织的现代起源故事汲取了来自世界各地的多种知识，并试

    图探问：在人类已变得异常强大的今日，在人类下一步动作将

    形塑整个地球未来数千年乃至数百万年前景的时刻，我们在此

    讲述的起源故事对人类迎接挑战并构建未来究竟有什么样的指

    引作用呢？

    当然，如同所有既往的起源故事一样，我们这部现代起源

    故事也是不完善的。故事还在演绎之中且异常迅速。而且伴随

    进一步的演绎，现代起源故事还将从多个传统起源故事中获益颇多，尤其关乎人类如何与周围的动植物和谐与共，如何学会

    更尊重环绕我们的自然环境，因为毕竟我们只有一个地球，它

    是我们唯一的家园。

    衷心希望读者能够体悟到笔者在此讲述21世纪简明起源故

    事的初衷。也许读者会因此受到某种启发并产生新的想法，这

    样的话，我们的起源故事就会更加完善。

    前言

    我们讲故事是为弄清万物的缘由。这是人的本性。

    ——丽阿·希尔斯(Lia Hills)：

    《回归本心》 (“Return to the

    Heart”)

    现在很多人都在讲现代起源故事。就我自己而言，这一故

    事发端于1989年我在悉尼麦考瑞大学开设的一门有关万物大历

    史的课程。我觉得这门课的意义在于，它有助于我们更好地理

    解人类的历史。那时，我的教学科研主要围绕俄罗斯史及苏联

    史。但我担心仅仅讲授民族国家史或帝国史(俄罗斯既是民族

    国家又是帝国)会向学生传递这样一种潜意识，即人类在最根

    本的层面上是分裂的，只分属彼此竞争的部落。这样一种意识

    对充斥着核武器的世界有益吗？我还清楚地记得，在古巴导弹

    危机期间，那时我还是个上学的孩子，大家都觉得世界行将末

    日：一切都将被毁灭。我那时还常常想：是否生活在苏联“那

    一边”的孩子们也都怀有同样的恐惧呢？毕竟，他们也属于人

    类嘛。我小时候生活在尼日利亚，这段经历让我强烈地意识

    到：我们人类虽然异常多样，却仍属于同一个共同体，而这种

    意识在我十几岁来到南威尔士的大西洋学院(Atlantic

    College)就读时更得到了确证。

    几十年以后，我成了一名专业史学工作者。这时我开始思

    考怎样才能讲述一种统一的人类史。究竟有没有可能既凸显人类共通的传统，又不忘伟大民族历史上的壮丽和威严？渐渐

    地，我越来越坚信：人类确实需要这样的一种历史叙事，其中

    旧石器时代先民和新石器时代农民所发挥的作用丝毫不亚于位

    高权重的统治者、征服者和历代帝王，虽然历史学术仅以后者

    为主。

    不过后来我终于懂得了，上述这些观念并不是什么新见。

    1986年，著名世界史学家威廉·麦克尼尔(William McNeill)

    就曾提出：书写“整个人类成就及所历经的磨难”的历史

    乃“当代专业史学工作者的道德职责”。 [1] 更早时候，韦尔

    斯(H. G. Wells)则以人类史回应第一次世界大战期间人类的

    自相残杀，可谓异曲同工：

    我们现在意识到：除非世界和平，否则便不会有和

    平；除非普遍繁荣，否则也不会有繁荣。但如果没有共同

    的历史观，也就不会有共同的和平与繁荣。……撒播那种

    狭隘、自私、彼此冲突的民族主义传统，那么不同种族、不同民族必然会走向冲突和毁灭。 [2]

    此外，韦尔斯还意识到：要讲授人类史，可能就有必要囊

    括万物史。因此，韦尔斯的《世界史纲》(Outline of

    History )最终变成了宇宙史。要理解人类史，自然要弄清人

    类这一奇特的物种是如何演化至今的；为此，就必须了解生命

    在地球上的演进史，而要了解后者则有必要了解恒星和行星如

    何生成，甚至宇宙演化的整个历程。时至今日，我们完全有可

    能讲述韦尔斯当初想都不敢想的万物史，且有科学的严谨和精

    确做保障。

    韦尔斯试图建构的是统一人类的知识，把各个专业的知识

    与不同的人群联结到一起。所有起源故事都是要统一人类的知

    识，哪怕基于民族国家史学的起源故事都莫不如此。其中视野

    恢宏的起源故事都会跨越多个时间段，围绕理解和认同描绘出

    多个同心圆，从自我到家庭和家族，到民族、语言团体、宗教

    归属，甚至到人类和生物圈，最终说明人类其实是整个宇宙的

    一部分。

    但最近几个世纪，日趋频繁的跨文化接触表明：所有起源

    故事和宗教在很大程度上都深植于地方习俗和环境。因此，全

    球化的到来及随之而来的新观念广泛传播消解了人们对传统知

    识的信念。甚至传统知识的坚定信仰者也觉察到了起源故事原

    来多种多样且各自有不同的话语。有些人为捍卫自身宗教、族

    群或民族传统做出了激进的反应，甚至诉诸暴力。但更多的人

    却因此失去了信仰和信念，同时也失去了方向感，再也弄不清

    自己在宇宙中的位置。信仰的丧失遂造成普遍的混乱或失范

    (anomie)，情感无附着，生命无意义，甚至产生绝望情绪，这一点在20世纪的文学、艺术、哲学和学术中均有突出表现。

    很多人因此选择了民族主义，因为民族主义毕竟提供了某种归

    属感。但在当今全球互联的世界，民族主义显然起到分化人类

    的作用，虽然它在某个国家范围内能够联结公民。

    笔者秉持一个乐观的信念撰写此书：我们现代人类并非注

    定要长久分裂，陷入无意义的深渊而不能自拔。在高速灵动的现代社会中间，一种新的全球起源故事正在萌生，其意义满

    满，令人敬畏，而且具有神秘色彩，如同传统的起源故事一

    样，不同的是前者建立在多个学科的现代科学学术基础之上。

    [3] 当然这一故事还远非完善，且有关达至美好生活及可持续生

    存方面可能还要借鉴传统起源故事的洞见。但编织这个故事是

    非常值得的，因为它要借鉴来自全球各地被悉心保存下来的经

    过检验的可靠信息和知识，而且是迄今第一个囊括整个人类社

    会各种文化的起源故事。要编织这个故事，需要全人类的协

    作，而这个故事在布宜诺斯艾利斯、北京、拉各斯、伦敦讲述

    都要同样令人信服。如今，有许多学者都已加入这一激动人心

    的编织并讲述现代起源故事的事业之中，为生存在当今全球化

    世界的人们寻找步入未来的方向和共同的目标感，如同所有的

    起源故事一样。

    笔者讲述这样一部宇宙史最初是在1989年。1991年，我开

    始用“大历史”(big history)概念描述这种历史。 [4] 但直

    到后来，我才逐步认识到：原来我是在勾勒正在萌生中的全球

    起源故事。如今，大历史在世界多地的数所大学都有讲授，而

    且通过大历史项目(Big History Project)的支撑，全世界有

    数千所中学也都开设了大历史课。

    面对21世纪全球化的深刻挑战和众多机遇，我们急需这样

    一种新型的历史。本书旨在更新既有的大历史叙事，使故事更

    精妙、美丽和鼓舞人心。

    [1] William H. McNeill, “Mythistory, or Truth, Myth, History, and

    Historians,”American Historical Review 91, no. 1 (Feb., 1986): 7.

    [2] H. G. Wells, Outline of History: Being a Plain History of Life

    and Mankind , 3rded. (New York: Macmillan, 1921), vi.

    [3] 著名生物学家E.O.威尔逊曾雄辩地指出，现代学术多个学科确有联结融通

    的 必 要 性 ， 详 见 E. O. Wilson, Consilience: The Unity of Knowledge

    (London:Abacus, 1998)。中文版见爱德华·威尔逊：《知识大融通——21世纪的科

    学与人文》，梁锦鋆译，牟中原、傅佩荣校，北京：中信出版社，2016年第一版。

    [4] 我最初使用“大历史”一词是在“The Case for ‘Big History,’”Journal of World History 2, no. 2 (Fall 1991): 223–38一文中。绪论

    来去无常的各种事物——你的身体便是其中之一——

    不过是我手足舞动的吉光片羽罢了。知道我遍存于万物

    中，你还有什么好怕的呢？

    ——想象中印度教湿婆神所言，转

    自约瑟夫·坎贝尔(Joseph

    Campbell)：《千面英雄》 (The Hero

    with a Thousand Faces )

    简直不可思议!所有这一桩桩事件，正如同既往的全

    部历史，人在其间无足轻重，且将来亦如是。

    ——詹姆斯·乔伊斯(James

    Joyce)：《芬尼根的守灵夜》

    (Finnegans Wake )

    我们来到这个世界并非出于自愿的选择，甚至不能决定到

    来的时间和地点。有时候，就像宇宙间的萤火虫，我们与同类

    偕行，包括父母亲、姐妹兄弟、自己的子女、亲朋好友，甚至

    还有自己的敌人。当然，与我们偕行的还有其他形式的生命

    体，如细菌和狒狒，甚至是无生命体，比如岩石、海洋和极

    光，更远一点儿的如卫星、流星、行星和恒星，还有夸克、光

    子、超新星和黑洞。我们慵懒地拿着手机，周围是漫无边际的

    空间。行进的过程可能多姿多彩，也可能嘈杂诡秘，虽然我们

    人类可能有一天会离开行进的队伍，但行进本身还会继续。在

    遥远的将来，还会有其他旅客加入而后又离开行进的队伍。不

    过最终，行进的队伍会逐渐稀少。很久很久以后，万物终将形

    同晨曦中的鬼魅悄然消逝，融入无边的能量之海，最初万物正

    是从那里萌生的。

    我们与之偕行的奇异旅客都是些什么呢？我们在行进队伍

    中处于什么位置？行进从哪里开始？朝哪个方向行进？行进队

    伍又将如何消逝呢？

    当今时代，我们人类比以往任何时候都更具优势、有能力

    讲好这一行进的故事。哪怕是距离地球数十亿光年的天体，哪

    怕是数十亿年前的历史事件，我们都能非常精确地定位。这是

    因为我们有能力把为数众多的知识碎片拼接到一起，这样就很

    容易弄清整个图景是什么样子。这是了不起的成就，而且直到

    近期才成为可能。有关人类起源故事的许多知识碎片正是在我

    的有生之年涌现的。

    我们能够描绘宇宙的恢宏图景及其历史，是因为我们人类

    有超强的大脑，如同其他有大脑的生物一样，我们用大脑构建

    内部的世界图景。这种图景等同虚拟的现实，能够帮助我们在

    纷繁的世界中找到自己前行的方向。当然，我们不可能直接洞

    悉图景中的每一个细节；要做到这一点，人的大脑要差不多整

    个宇宙那么大才有可能。但我们有能力创制异常复杂的现实的

    简易图谱，足以让我们了悟真实世界最重要的那些方面。比

    如，人们常见的伦敦地铁全图会略去大多数的弯道岔路，但这

    并不妨碍人们找到自己要乘坐的路线。与此类似，本书可谓提

    供了整个宇宙演化的一幅全图。人不同于其他有大脑的物种，就在于人有异常强大的交流

    工具——语言，语言使人类个体之间可以共享彼此的世界图

    谱，且如此形成的图谱规模更大，也更为详尽，远非独立个体

    所能为。分享使人类能够比照数以百万张图谱检验自身图谱的

    细节。这样，在经历了数千年、数百代人之后，每个人群都编

    织了囊括众多人见解、观念和思想的世界图谱。就这样，一个

    像素接着一个像素地，人类在过去两万年左右的时间里通过集

    体知识(collective learning)，勾画出越来越丰富的宇宙全

    图。也就是说，宇宙当中这一小小的岛屿开始反观整个宇宙。

    就好像宇宙经历了漫长的沉睡之后慢慢睁开了双眼。如今，伴

    随全球人类观念与信息的交流，宇宙的这双眼睛可谓视野更加

    宏阔，现代科学的认知愈发精准和谨严，现代科学研究配备了

    更多的工具，从粉碎原子的对撞机到太空望远镜无奇不有，再

    加上具有高超计算能力的计算机网络。

    可以想见，所有这些图谱累加起来，正是当今时代最为宏

    大的起源故事。

    还在很小的时候，我就有这样一个习惯：除非把事物放到

    某个图谱之中，否则我便感觉很难理解。如同许多人一样，我

    努力挣扎着把自己所学到的孤立的知识领域连缀到一起。文学

    与物理学没有任何关系，我也看不出哲学与生物学、宗教与数

    学、经济学与伦理学之间有什么关联。我从未停止寻找框架的

    努力，也就是人类知识斑斑点点的世界图谱，以把所有的知识

    缀合到一起。传统的宗教故事对我没有多大的感染力，因为我

    曾在尼日利亚生活过，很早就见识到不同宗教的世界图景差异

    非常之大，甚至彼此截然对立。

    在当今的全球化世界，一种新的知识框架正在萌生。参与

    建构、完善和传播的人们来自多个学科领域和多个国家，其总

    数成千上万，却能通力合作。把所有这些人的洞见连缀到一

    起，就能洞悉某个特定学科因壁垒而无法获得的洞见；换言

    之，上述做法使我们能够登高望远，而不是停留在低矮的地

    面。由是我们不仅看清了不同学科领域的关联，还可以深入思

    考宽广的主题，比如复杂性的本质、生命的本性，甚至何谓人

    的问题。时下，我们通过多个学科(如人类学、生物学、生理

    学、灵长目动物学、心理学、语言学、历史学、社会学等)的

    目镜蠡测人类，因为单一专业的学科知识很难让人综观整个人

    类。

    似乎从有人类开始，人们便从来没有停止过寻求连缀多种

    知识的起源故事。我经常想象这样一幅图景：4万年前，每当夕

    阳西下，一群人便围坐到篝火旁。比方说这群人就围坐在新南

    威尔士威兰德拉湖区(Willandra Lakes Region)蒙哥湖

    (Lake Mungo)南岸的一处空地，那里曾发现澳大利亚最古老

    的人类化石。如今，这里是帕坎第族(Paakantji)、央佩族

    (Ngyiampaa)和穆提穆提族(Mutthi Mutthi)人聚居区，但

    我们能够确知的是，其先祖早在4.5万年前就在这里居住。

    1992年，早在1968年就被考古学家发现的先祖化石(简称

    蒙哥1号)终于被送还到上述原住民区。这具化石的原型是位女

    性，身体已有部分被烧毁。 [1] 后来在距这里大约500米的地方又发现了一具人体化石(蒙哥3号)，可能是男性，大约50岁离

    世。此人生前曾患有关节炎，牙齿也严重损毁，这可能是因为

    他要用牙齿撕咬以拔出纤维来织网或结绳。他的尸体被庄重地

    掩埋，掩埋处还撒有200千米以外才有的红赭石粉。2017年9

    月，蒙哥男子(Mungo Man)的化石被送还蒙哥湖地区。

    上述二人都是在约4万年前即已离世，那时的威兰德拉湖

    (现已干涸)碧波荡漾，滋生了大量的鱼类和贝类，从而吸引

    了大量的鸟类和其他动物出没，而这些都可以成为人捕食狩猎

    的资源。 [2] 那时，蒙哥湖地区的人们日子过得还蛮不错呢。

    在我的想象中，男女老少、父母亲、曾祖父母围坐在篝火

    旁畅谈，有些穿着动物毛皮缝制的衣服，幼小的婴儿还躺在摇

    篮里。孩子们在湖边追逐嬉戏，成年人轻松地咀嚼着蚌贝、新

    鲜的鱼类、螯虾和袋鼠肉排。不过慢慢地，他们谈论的话题变

    得严肃起来，这时有位长者开始发话了。如同以往在炎热的夏

    日或寒冷的冬夜，老人们会讲述他们从祖先和师长那里听到的

    故事。他们追问的问题甚至至今令我心驰神往：那有山有水、有谷有壑的风景是怎样形成的呢？星星是从哪里来的？人最初

    如何来到这个世界？又是从哪里来？还是人从来就是这样？人

    与巨蜥、小袋鼠和鸸鹋有关系吗？(对这最后一个问题，蒙哥

    湖畔的先民和现代科学给出的答案都非常肯定，“当然

    有!”)在此，讲故事者是在传授历史，而此时的历史是有关

    远古创世的神话，有神力，还有神。

    日复一日、年复一年，这种不断被讲述的故事描述的正是

    蒙哥湖人的大范式思想。这种故事像长了长腿一样，会一直流

    传下去。故事把时人有关世界的各种知识整合融会到一起。有

    些孩子一开始对故事中的某些复杂情节感到难以理解，但因为

    在不同场合反复听同样的故事，也就慢慢习惯了，而且会体会

    故事中的深意。等孩子们长大了，故事已深入骨髓，变得刻骨

    铭心且异常亲切，故事中各种微妙的细节和意义遂沉淀出一种

    深沉的美感。

    在他们谈天说地的过程中，眼前的风景、袋熊和袋鼠、祖

    先的家园、历代的先师，共同编织成一幅所有人共享的宇宙图

    景，其中有族人和社区的位置，丰盈而美丽，虽然也不乏骇人

    的时刻：这就是你的一切；这就是你的起源；这就是你的列祖

    列宗；这就是你所从属的整体；这就是你生活在这一群人当中

    必须承担的职责和面对的挑战。故事有强大的威力，因为所有

    人都相信，而他们之所以感觉故事是真的，是因为故事代代相

    传，是基于时人所拥有的最确切的知识建构起来的。正如蒙哥

    湖人凭借自己对人类、天上的星辰、地面的景观及动植物的深

    刻理解，并比照先祖及邻居社区的知识体系，会不断地检验、再检验自身宇宙图谱的准确性、合理性和连贯性。

    我们自然能从祖先编织的宇宙图谱中受益。法国著名社会

    学家埃米尔·杜尔凯姆(émile Durkheim，又译涂尔干)认

    为，隐藏在起源故事和宗教之中的图谱对个体人的认同归属感

    至关重要；失去了这样的宇宙图谱，人们就会陷入深重的绝望

    和无意义的深渊，甚至会导致人自杀。我们所知的所有社会都

    会把起源故事作为教育的核心，也就不足为怪了。在旧石器时

    代，孩子们从长者那里聆听起源故事，正如后来的学者从基督教、伊斯兰教、佛教的核心教义中汲取养分一样，在巴黎、牛

    津、巴格达和那烂陀的大学莫不如此。

    不过，令人奇怪的是，现代的世俗教育好像缺少这样一种

    充满自信的起源故事，也无力把所有知识串联成整合的宇宙图

    谱。这正说明当今世界为何到处都弥漫着杜尔凯姆所谓的迷失

    自我、彼此分裂和不辨方向，无论是在德里、利马，还是在拉

    各斯抑或伦敦。现在的问题是：全球世界虽已紧密相联，但各

    地不同的起源故事却多如牛毛，且在激烈争夺人们的信任和关

    注，彼此掣肘。所以现代的教育工作者仅关注其自身所在区域

    的起源故事，而年轻一代认知这个世界也是各自躲在彼此分立

    的学科背后。现代人掌握的知识量当然远非蒙哥湖人所能想

    见，从微积分到现代史到电脑编程，但与蒙哥湖人不同的是，我们现在很少鼓励人将所有的知识编织成一套首尾贯通的完整

    故事，就如同过去教室里老式地球仪把成千上万张地方图整合

    成一张世界地图一样。这样的结果只能是对现实片段的理解，根本无力呈现人类共同体的全貌。

    现代起源故事

    不过……零零碎碎地，一个现代起源故事却正在萌生。如

    同蒙哥湖人的故事，现代起源故事同样是历经数百代数千年先

    人的编织和后世不断地核对、检验。

    当然，现代起源故事也不同于大多数传统的起源故事。这

    是因为前者不是某个区域或文化独自编织的，而是全球70亿人

    共同造就的，所以它的知识基础是全世界全部的知识。现代起

    源故事服务于所有现代人，所以必然根植于现代科学的全球传

    统。

    此外，现代起源故事还有一点不同于许多传统起源故事：

    它没有创世的神灵，虽然故事中的能量和粒子，其迷离诡谲，丝毫不亚于传统起源故事中的万神殿。但如同儒教或早期佛教

    的起源故事一样，现代起源故事是关于整个宇宙及其演化历程

    的。诚然，宇宙本身谈不上什么意义，意义终归是源于

    人。“宇宙有什么意义？”神话和宗教学者约瑟夫·坎贝尔曾

    这样探问，“跳蚤又有什么意义？它就在那里，仅此而已，而

    你自身的意义正是因为你就在那里”。 [3]

    相比许多传统的起源故事，现代起源故事涵括的世界要大

    得多，也不甚稳定，甚至湍流激荡。而这些品质也正是现代起

    源故事的局限所在，因为这一故事虽涵括全球，但产生的时间

    却颇为浅近，甚至因此还有不少青春年少的粗糙和盲点。现代

    起源故事萌生于人类史进程中某个非常具体的时间点，深受现

    代资本主义发展自身巨大冲力和潜在不稳定性的影响。比如，它在很大程度上对生物圈缺乏应有的敏感，而世界多地的起源

    故事对此都颇为关注。

    现代起源故事所描绘的宇宙永不停息、充满活力、不断演

    进且规模巨大。据地质学家沃尔特·阿尔瓦雷兹(Walter

    Alvarez)所说，我们可以根据宇宙中星体的数量来想象一下宇

    宙究竟有多大。大多数星系差不多都有1 000亿颗恒星，而整个

    宇宙中大约有1 000亿个星系。也就是说宇宙中约有(深呼吸准

    备!)10 000 000 000 000 000 000 000(1022 )颗恒星。 [4]而根据2016年的最新观测，宇宙中星系的数量可能比这还要多

    很多。所以你尽可以在上面数字的后面再加几个零。相比之

    下，我们的太阳不过是这无数恒星中非常普通的一颗。

    现代起源故事目前还在建构之中。有些地方还需添加，有

    些地方尚需检验或整理，而脚手架和噪声则需清除。但在过去

    的几十年间，我们人类对宇宙的了解出现了突飞猛进的大发

    展，现代起源故事也因此变得异常丰富多彩，同时也更增加了

    宇宙对人类的神秘感。正如法国哲学家布莱士·帕斯卡

    (Blaise Pascal)所言：“知识本身就像一个球体：球的体积

    越大，其与未知的接触面就越大。” [5] 虽然现代起源故事还

    有诸多不完善，甚至不确定的因素，但我们却有必要对此有深

    刻的洞察，就像蒙哥湖人有必要觉察自身的起源故事一样。现

    代起源故事讲述的是全体人类共享的遗产，并以此让我们在地

    球史上的这一关键时刻做好准备，迎接当今面临的巨大挑战和

    重大机遇。

    现代起源故事的核心是复杂性不断提升这一观念。宇宙最

    初是如何形成的？又如何生成世间万物、各种力以及包括人在

    内的多种存在？我们还不清楚宇宙究竟是从何脱胎而出，或宇

    宙存在之前是否有什么东西先在。但我们确知的是，宇宙最初

    萌生于巨大的能量泡沫中间，而且结构异常简单，甚至直到今

    日，至简依然是宇宙存在的默认条件。宇宙的绝大部分呈寒

    冷、黑暗、空虚状，只有在极特殊、极罕见的情况下才会出现

    类似地球的完美的金凤花条件(Goldilocks conditions)，既

    不太热太凉，又不太浓太稀，就像童话故事《金凤花姑娘与三

    只熊》中小熊的粥一样，才能容许复杂存在的进化。 [6] 就在

    这样的金凤花条件下，在数十亿年间，愈发复杂的事物不断涌

    现，其组成部件的数量不断增加，内部联系也日趋繁复。我们

    不能错误地假定复杂事物就一定比简单事物更好，但复杂性对

    我们人类而言却至关重要，因为我们是复杂的存在，而我们生

    活于其中动态的全球社会可谓迄今所知的最复杂的存在。因

    此，弄清复杂事物究竟如何涌现以及涌现需要什么样的金凤花

    条件对理解人类和世界的本质可谓意义非凡。

    在关键的转折关头，总会有更复杂的存在涌现。笔者将其

    中最重要的转折点称作节点(thresholds)，而节点构成现代

    起源故事复杂叙事的主要线索。节点凸显最重要的转折点，此

    时，既有的事物会被重组，或以其他方式发生改变，从而催生

    新的特质“涌现”，也就是此前从未有过的品质。早期宇宙中

    并无恒星、行星和生物，但渐渐地，全新的事物渐次出现。恒

    星是氢原子和氦原子熔炼而成的，新的化学元素是恒星濒死时

    在星体内部造就的，行星和卫星是冰团、尘埃团与新的化学元

    素聚合而成的，而最初的生物细胞是在主要由岩石组成的行星

    上丰富的化学环境中进化而来的。人类的问世也是故事的一部

    分，因为人类是生物在地球上进化、分化的产物，但人类在其

    短暂而精彩的历史上，也曾创造出多种全新的复杂存在，以至

    于貌似主导着世间的变革。新事物的不断出现，尤其是新事物

    变得愈发复杂、创造出前所未有的新的特性，就好像婴儿出生

    那般神奇。之所以这样说，是因为宇宙演化的总体趋势是渐趋

    简单和无序。而且最终，宇宙会趋于愈发无序(科学家们将这一现象称作熵，即entropy)，整个宇宙会蜕变成完全无序无结

    构的混沌状态。只不过这需要很长很长的时间。

    我们目前生活的时代，正值宇宙的青壮年，可谓生机勃

    勃。宇宙最初诞生的一刹那，也就是我们马上就要说到的现代

    起源故事的第一个节点，更是美妙至极，丝毫不亚于此后的其

    他任何节点。

    [1] 有关这些发现的历史，以及考古学家和如今仍在蒙哥湖附近居住的居民对

    发现的不同解读，可参阅纪录片Andrew Pike and Ann McGrath, Message from

    Mungo (Ronin Films, 2014)。

    [2] 有 关 澳 大 利 亚 内 陆 发 现 的 精 彩 著 述 ， 可 参 阅 Mike Smith, The

    Archaeology of Australia’s Deserts (Cambridge: Cambridge University

    Press, 2013)。

    [3] The Power of Myth, episode 2, Bill Moyer and Joseph Campbell,1988, http:billmoyers.comcontentep-2-joseph-campbell-and-the-power-of-

    myth-themessage-of-the-myth.

    [4] Alvarez, A Most Improbable Journey, 33.

    [5] Fritjof Capra and Pier Luigi Luisi, The Systems View of Life: A

    Unifying Vision (Cambridge: Cambridge University Press, 2014), 280.

    [6] 金凤花原理(Goldilocks principle)这一概念是斯皮尔最先详细阐述

    的，可参阅Spier, Big History, 63–68及后文。

    历史年表

    本年表是现代起源故事的一些基本年代，有近似绝对时间和

    重新计算的相对时间两种，后者假设宇宙问世于13.8年前，而不

    是138亿年前。这样重新计算后的年代能够让读者更好地把握这

    一宏大故事的历时线索。毕竟，自然选择的设计让我们的心智很

    难处理动辄数百万年，甚至数十亿年的时间链条，所以缩略的示

    意要更容易把握。

    至于过去几千年发生的历史事件，其起讫年限大多是通过现

    代计时技术在最近50年内确定的，其中最重要的是放射性测定年

    代技术。第一篇

    宇宙

    第1章

    最初时刻：节点一

    若想无中生有，必先创造宇宙。

    ——卡尔·萨根(Carl Sagan)：

    《宇宙》(Cosmos )

    所以定是在曦光降临之后，从最初的纺绩地，从马厩和碧绿之中，嘶鸣的马像着了魔一般，喘着粗气

    奔向那洋溢着赞美的土地。

    ——迪伦·托马斯(Dylan

    Thomas)：《蕨山》(Fern Hill )

    开启起源故事

    自举(bootstrapping)是人不可能做到的事情，就是说人

    不可能使劲抓住自己的靴带把自己举起来。后来这一观念成了

    计算机专业的行话(启动或重新启动)，描述的是计算机从僵

    死中苏醒，然后输入操作指令的过程。当然了，从字面上说，要自举是不可能的，因为要举起什么东西，必须要有一个杠

    杆。“给我一个杠杆和支点”，古希腊哲学家阿基米德

    (Archimedes)曾这样说，“我就能撬动地球。”但要创造一

    个全新的宇宙，我们到哪里找那个杠杆呢？怎样才能举起这样的宇宙？或者，换句话说，描述新宇宙诞生的起源故事到哪里

    才能找到支点呢？

    为起源故事寻找支点丝毫不亚于为宇宙本身寻找支点。一

    种可能的方法是不问起源，而假定宇宙一直存在。这样支点就

    是不必要的。事实上，许多起源故事都是这样讲述的，甚至不

    少现代天文学家，包括20世纪中叶支持稳恒态理论(steady-

    state theory)的天文学家，也都持此主张。也就是说，在相

    当大的尺度上，宇宙自古至今一直是这样。与此类似，但稍有

    不同的观点主张：的确存在创世的一刻，那时巨大的力量或存

    在物塑造了整个宇宙的形态，但此后，世间万物基本没有什么

    改变。蒙哥湖人的祖先可能就是这样描述宇宙的，认为是先祖

    把宇宙塑造成这个样子的。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)把

    上帝看成世间万物的“第一因”(first cause)，主张上帝充

    斥整个宇宙空间。他曾这样写道：宇宙是“无形的、活着的且

    有智能的上帝无所不在的存在物的感官(Sensorium)”。 [1]

    20世纪初，爱因斯坦还特别坚定地认为，宇宙(在大尺度上)

    是万世不易的，而且还为自己的相对论添加了一个特别的常

    数，并以此预测稳态的宇宙。

    所谓宇宙永恒不变的观念真的令人满意吗？并不尽然，尤

    其是这种解释常偷偷地混进来一个创世的神灵，由神灵开启创

    世的过程，比如“最初空无一物，于是上帝……”之类的。这

    里的逻辑谬误显而易见，虽然哪怕智力高超的人也要花很长时

    间才能洞悉个中的究竟。比如伯特兰·罗素(Bertrand

    Russell)到了18岁才最终放弃上帝创世的观念，据说是在读了

    约翰·斯图尔特·密尔(John Stuart Mill)的自传之

    后：“我父亲曾教导我说，‘我是怎么来的’这种问题是找不

    到最终答案的，因为这之后还有‘上帝是怎么来的’这个问

    题。” [2]

    这里还有另外一个无解的问题。如果神灵足够强大且能设

    计整个宇宙，那么神灵一定要比自己设计的宇宙更复杂，所以

    说假定有创世神灵存在就意味着还需进一步解释更为复杂的另

    外一种存在，以至于无穷。难怪有些人会觉得这是诡辩。

    古印度《吠陀经》中的颂歌是这样断言的：“无既非有，有亦非有；无空气界，无远天界。” [3] 也许万物的生发乃源

    于本初有与无之间的某种张力，这样一种幽暗的境界并非实

    有，却可能演化为实存。也许正如澳大利亚现代原住民的一句

    谚语所言，无非全无。 [4] 说来有些不可思议，而且有人可能

    直接斥之为模糊不清、神秘莫测，但这种说法却与现代人的观

    念有着惊人的相似之处，且被量子物理学接受为核心概念，即

    空间并非全无一物，而是充满了多种可能性。

    是否真的存在某种能(energy)或势(potential)的海

    洋，而从中能够自然生发出某种形式的存在物，类同波浪或海

    啸呢？这个想法事实上为人所司空见惯，以至于我们不由得这

    样去想：我们有关终极起源的观念是否就来自日常的生活经验

    呢？每天清晨，我们一觉醒来，便会觉知有型、有感、有结构

    的世界从无意识的混沌中悄然涌现。约瑟夫·坎贝尔曾这样写

    道：“由于个体人的意识乃基于一汪夜海，夜间潜入，白昼跃出，所以在神话的意象中，宇宙也要出入没有时限的永恒之境

    且最终消融于其中。” [5]

    但这样说也许有些过于形而上了。也许这里最大的困难是

    逻辑问题。斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)曾说过，所谓的

    起源问题，其提出本身就不合道理。假如说时空几何如同地球

    一样是球形的，只不过维度更多，那么探问宇宙之先曾有何物

    存在便如同在网球上寻找起点一样徒劳无益，因为宇宙时空本

    来就不曾有所谓起点。时间没有边界或起点，正如圆形的地球

    表面不存在所谓边缘一样。 [6]

    当今有一些宇宙学家被另一组概念吸引，由此我们又回到

    宇宙无始无终的理念。也许我们身居其中的宇宙乃无限多重宇

    宙中的一个组成部分，新的宇宙会不断从大爆炸中脱颖而出。

    也许此说并不错，但是目前，我们还找不到人类身居其中的这

    个局部宇宙大爆炸之前有任何物存在的确凿证据。就好像这次

    宇宙大爆炸的威力实在太大了，以至于任何其所由自的先前存

    在的信息都被抹掉了一样。所以即便是有所谓宇宙小村庄存

    在，我们却看不到其他的村庄。

    坦诚地讲，针对终极起源的问题，我们现代人给出的答案

    并不比此前人类社会给出的答案高明多少。开启起源故事现在

    看来仍像是某种逻辑的和形而上的悖论。我们并不清楚宇宙诞

    生的金凤花条件究竟是什么。英国小说家特里·普拉切特

    (Terry Pratchett)曾这样写道：“目前人类对这一问题的认

    知可总结如下：最初，世间空无一物，然后就发生了大爆

    炸。” [7] 相比之下，我们对此的解释也不过这个水平。

    节点一：宇宙的量子启动

    当今最广为人所接受的有关宇宙终极起源的故事是大爆炸

    学说。大爆炸是现代科学认知的一个基本范式，就像生物学中

    的自然选择或地质学中的板块构造一样。 [8]

    有关大爆炸起源说的关键证据直到20世纪60年代方才到

    位。那时，天文学家首次探测到宇宙微波背景辐射(CMBR)，即大爆炸过后残留的能量，且至今仍散落在宇宙中。宇宙学家

    们非常努力地试图弄清宇宙最初乍现的那一刻，但他们所能讲

    述的故事却只能从宇宙开启后(即零时后)的10-43 秒左右开

    始。

    故事大概是这样的：宇宙最初就是一个点，体积比原子还

    要小。那是多小呢？我们人类的心智经进化已经习惯了人类尺

    度的事物，所以对特别微小的东西理解起来颇有困难，但可以

    想象一下：仅在这句话后面的句号里就可以容下100个原子。

    [9] 而在大爆炸之时，整个宇宙真的就比原子还要小很多，而其

    中却蕴含着当今整个宇宙的能量和物质。这一点颇难以想象，所以最初提出时，有人直接说这简直是疯了。但我们目前所掌

    握的证据都说明，这一奇妙、微小、炽热的奇点在大约138.2亿

    年前真的存在。

    我们还不清楚宇宙大爆炸究竟是如何发生的，而且为何会

    是这样。但量子物理学及粒子加速器——后者能通过电场或电

    磁场把亚原子粒子旋转提升到极高的速度——向我们展示了：

    真实的物质确实能够在真空条件下从虚无中诞生，虽然要领悟这一点需要对虚无(nothing)有更深刻的把握。根据现代量子

    物理学，我们根本不可能准确定位亚原子粒子的位置和运动。

    也就是说，我们根本无法确定某一特定空间处于虚无状态，或

    者说虚无中有某种张力，充满了无中生有的可能性。如同古印

    度《吠陀经》颂歌中“无既非有，有亦非有”的断言，这种有

    无之间的张力似乎确实开启了我们的宇宙。 [10]

    如今，我们把宇宙最初诞生的时刻称作大爆炸，就像新生

    儿来到这个世上总要伴随一声啼哭一样。大爆炸一词是英国天

    文学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)1949年杜撰出来的，他

    之所以这样说也是因为觉得这一观念实在太可笑了。早在20世

    纪30年代，大爆炸之说尚处于最初酝酿阶段之时，比利时天文

    学家(兼天主教神父)乔治·勒梅特(Georges Lema?tre)已

    将新生的宇宙称作“宇宙蛋”(cosmic egg)或“原始原

    子”(primordial atom)。显然，当时深谙此道的少数科学家

    也相信，若是巨大的能量蓄积在原始原子之内，那么这一微小

    的粒子肯定温度极高，且其膨胀释放压力的速度也必然极快。

    宇宙膨胀的过程一直持续至今，就好像一根巨大的弹簧持续延

    展了130多亿年。

    宇宙大爆炸后最初的几秒几分钟之内发生了许多事。其中

    最重要的，是最初结构和格局的成型，以及最初的实体或能量

    形式和特征，而所有这些都是非随机的(nonrandom)。生成具

    有新特质的存在过程总会显得异常神奇。而在现代起源故事

    中，这种神奇的过程还会不断呈现。当然了，最初看似神奇的

    过程慢慢地会变得不那么神奇，因为我们懂得了：凡物都不会

    是无中生有的。具有新特质的存在不过是既有物质和力量的新

    颖组合，是新的组合赋予了新的存在以崭新的特性，正如摆放

    的方式不同会造成新颖的马赛克图案一样。下面举一个化学方

    面的例证加以说明。我们通常认为氢和氧是无色的气体，但把

    两个氢原子和一个氧原子以特定的方式组合，就会生成一个水

    分子。把众多水分子聚拢到一起，就会出现崭新的特性，我们

    称之为“水”(wateriness)。我们得见一种新形式或新结构

    且具新特性的存在，事实上只是已有存在物的新颖组合。创新

    实在是一种涌现的过程。假如我们把涌现当作起源故事中的一

    个角色，那么这一角色可能会显得鬼鬼祟祟(slinky)、神秘

    莫测，说不准某个时候就从黑暗中迸发出来，而整个故事的情

    节也会因此而变得曲折新颖、扑朔迷离。

    宇宙中最初的结构和格局就是这样涌现的，从大爆炸中迸

    发出的物质和力量以新颖的方式组合到一起。

    有证据表明，宇宙大爆炸后最初的一刹那，充盈宇宙的是

    纯粹、随机、未分化且无形的能量。在此，我们可以把能量视

    作能够造成事物生发的潜势(potential for something to

    happen)、用功做事或改变事物的能力。原始原子中的能量大

    得惊人，温度超过绝对零度数万亿度。此后有一个阶段，宇宙

    膨胀的速度极快，被称作“暴胀”(inflation)期。此时宇宙

    膨胀的速度总体上都是特别快，以至于人类根本无缘得见宇宙

    中绝大部分的物质和存在。也就是说，我们今日得见的万物可

    能只是宇宙间全部存在的一个极微小部分。霎时之后，宇宙膨胀的速度降了下来。一方面，大爆炸引

    发的能量流趋于稳定；另一方面，宇宙又持续膨胀，结果是能

    量因分散而变得稀薄。此时的平均温度也开始下降且保持降

    势，所以我们今日宇宙的大部区域温度只有绝对零度

    (absolute zero，绝对零度是基本粒子静止不动状态下的温

    度)以上的2.76℃。我们人类以及地球上的其他生物没有感觉

    到严寒难耐，是因为临近的太阳给我们送来了温暖。

    在大爆炸引发的极端温度条件下，几乎存在各种可能性。

    但伴随温度下降，可能性的幅度变窄。各具特色的实体在宇宙

    温度趋降的过程中形同鬼魅般凸现，而所有这些在此前大爆炸

    的熔炉中是不可能出现的。科学家们把这种事物形式和结构的

    改变称作相变(phase changes)。我们在日常生活中常见这种

    相变，比如水蒸气失去能量后会变成水(水分子在液体状态下

    运动的速率远低于水蒸气状态)，而水还会结成冰(水分子在

    结冰状态下基本静止不动)。水和冰只能在温度较低的条件下

    存在。

    在宇宙大爆炸10-36 秒后的刹那间，能量本身经历了一次相

    变，并由此一分为四种彼此不同的位态，即我们今日称作引

    力、电磁力、强核力和弱核力的四种力。我们有必要熟悉这四

    个不同的角色，因为它们塑造了我们的宇宙。引力相对较弱，但其作用的力臂很长，而且总是把万物向一起拉，所以引力有

    积 聚 性 。 引 力 作 用 的 结 果 是 宇 宙 分 成 了 好 多 块 状 物

    (clumpy)。电磁能呈正负两种形态，所以常自相抵消。引力

    虽弱，但却在大尺度上塑造宇宙；相比之下，电磁力只在化学

    和生物的层面成为主导，所以是电磁力才让我们有了浑然一体

    的身体。第三、四种基本力的名字——强核力和弱核力——貌

    似不大起眼，而且作用力的力臂很短，只在亚原子尺度发生作

    用。人类不能直接感受到这后两种力，但它们却对世界的方方

    面面发生作用，因为它们决定原子内部发生的一切。

    能量可能还有其他位态。20世纪90年代，科学家在测定宇

    宙膨胀的速度时发现，宇宙实际上是在加速膨胀。于是，物理

    学家和天文学家借用了爱因斯坦最初提出的一个想法，主张还

    存在一种反引力(antigravity)，正是反引力造成了宇宙膨胀

    的不断加速。而且据说，当今反引力的质量占到了整个宇宙质

    量的70%。尽管反引力已开始主导整个宇宙，但我们人类对其性

    质和原理都还一无所知，所以物理学家们称之为暗能量(dark

    energy ) 。 其 实 ， 这 个 名 称 只 不 过 是 个 占 位 符

    (placeholder)，因为暂时还找不到更合适的称谓。要留心这

    一空当，因为弄清暗能量是当代科学界所面临的重大挑战之

    一。

    物质是在宇宙大爆炸后的第一秒内形成的。所谓物质也就

    是能量推来推去的那种东西。直到一个多世纪以前，科学家和

    哲学家还认定物质和能量是截然不同的存在呢!现在我们弄清

    了：其实物质不过是高度压缩的能量的一种存在形式。早在

    1905年的时候，年轻的阿尔伯特·爱因斯坦就在一篇颇为有名

    的论文中证明了这一点。这就是著名的质能转换公式，即能量

    (E)等于质量(m)乘以光速(c)的平方，用符号表示就是

    E=mc2 ，我们由此可知单位质量的物质中蕴藏着多么巨大的能量。现在，我们合计一下：一丁点儿的物质究竟蕴藏多少能

    量。可不是要用物质的质量乘以光速(每小时要10多亿千米

    呢!)，而是光速的平方啊!这数字可大得不得了，所以哪怕

    只是给一丁点儿的物质解压缩，就足以获得巨大的能量。氢弹

    爆炸就是这种为物质解压缩的过程，而早期宇宙大爆炸的过程

    与此正好相反。大量的能量被压缩成很小的物质，就像海量能

    量中的点点微尘。我们人类的高超之处，就在于我们学会了在

    瞬时内重新制造出巨大的能量，地点是日内瓦的大型强子对撞

    机(LHC)。那时，无数粒子从能量的海洋中喷薄而出。

    而这只是宇宙大爆炸后第一秒发生的事情……

    最初的结构

    宇宙大爆炸后留下了海量的能量迷雾，而就在这迷雾中，最初的形式和结构出现了。虽说能量的迷雾至今从未消散，但

    从里面涌现出的结构为我们的起源故事赋予了轮廓和情节。其

    中有些结构或格局会持续数十亿年，而有些却只是一闪而过，但没有哪一种结构会永久地保留。所有的结构都短暂无常，就

    像洋面涌动的波浪。热力学第一定律称：能量的海洋永恒存

    在，就是说它是守恒的。而热力学第二定律又称：其中涌现的

    所有形式和结构最终还会融入能量之海。形式，如同飘逸的舞

    步，是不守恒的。

    有些颇具特色的结构和形式曾在宇宙大爆炸之后的第一秒

    出现。可这是为什么？宇宙为何不是能量的随机流动呢？这是

    至为根本的大问题。

    假如我们的起源故事安插了某个创世神灵，那么结构的问

    题就很好解释了。我们只需假定(很多起源故事正是这么做

    的)：相对混沌，神灵更青睐秩序。但现代的起源故事大多已

    不接受创世神灵的观念，因为现代科学找不到直接证据支撑神

    灵的存在。有很多人声称有过接触神灵的体验，但有关这种体

    验的叙述却千差万别且自相矛盾，根本无法复制。这类叙事往

    往太过柔性、太过分散、太过主观，不能充当客观的科学证

    据。

    因此，现代起源故事一定要在神灵之外找到界说结构和形

    式涌现的理由。这当然不易，因为依据热力学第二定律，所有

    的结构终将瓦解。奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin

    Schr?dinger)曾这样写道：“我们现在认识到，物理学的这一

    基本定律是说，大自然有一种趋向于无序的倾向(这一倾向从

    图书馆里图书的摆放或书桌上随意堆放的纸张和手稿便可得

    知)，除非我们能够阻止它。” [11]

    如果说现代起源故事中有个恶人，那无疑是熵了，因为熵

    的存在使整个宇宙呈现出由秩序走向混沌的趋势。熵可谓热力

    学第二定律的忠实奴仆。如果我们把熵安插进我们的现代起源

    故事，那熵绝对是一个放浪、阴险、无视他人苦痛的家伙，也

    无心和任何打交道的人含情脉脉。熵自然也非常危险，而且最

    终会让所有人失落且无力反抗。熵在现代起源故事的结尾处得

    意扬扬。它会消融全部的结构和格局，毁掉所有的星体、星系

    和生物细胞。约瑟夫·坎贝尔曾在一本有关神话的书里用富有

    诗意的语言这样描写熵：“我们所知的整个世界……最终只有一个结局：死亡、瓦解、四分五裂。我们曾那样热爱过的一切

    秩序，在历经磨难后也将灰飞烟灭。” [12]

    现代自然科学常以冰冷的统计数字说明熵的作用。大千世

    界，凡物形态万千，但绝大多数都是未加结构化的、随机的，甚至是混乱的。要做出改变，大多数情况下都非常难，就像是

    手里握着1080 张(10的后面有80个零，宇宙中全部原子的大致

    数量)纸牌，然后试图通过洗牌让所有的A都彼此相连。这样一

    种格局世所罕见，也许你洗牌至宇宙的末日甚至花费比这多几

    倍的时间都可能无法实现。大多数情况下，你所能得到的只是

    稍许的整齐或根本的无序。再比如，这里有一堆建材，包括

    砖、砂浆、电线和涂料等，你朝这堆建材扔过去一枚炸弹，然

    后就期望着对面的高楼拔地而起，而且网线齐备、窗明几净，客户们争相排队购房，这样的概率究竟有多大？魔法的世界可

    以完全不考虑熵的作用，但我们居住其中的这个世界却不能。

    大部分的宇宙，尤其是星系之间广袤的空间，都没有形制和结

    构，其原因也正在于此。

    熵的力量非常强大，所以我们很容易理解最初的结构究竟

    是如何形成的。但我们知道：结构确实形成了，而且显然是得

    到了熵的允许。不过，要把物质连到一起形成更复杂的结构是

    有代价的，就好像熵会索要复杂性税金一样，这税金就是能

    量。事实上，我们会看到，熵索要的复杂性税金种类还不少，就像俄国的彼得大帝(Peter the Great)，他专门成立了政府

    部门，其职能就是编制新的税种。熵喜欢这么干，是因为复杂

    实体缴纳的税金能够助其完成自己的险恶计划：把整个宇宙粉

    碎。为熵缴税本身会制造更多的混乱和浪费，如同现代大城市

    的运转会产生巨量的垃圾和废热一样。人一生的每时每刻都要

    为熵缴税，直到哪一天人死了，也就不用再缴税了。

    但最初的结构是如何涌现的呢？对此，科学尚未找到完整

    的答案，虽然有许多想法还是很有希望的。

    宇宙间除了能量和物质之外，还有一些基本的源自宇宙大

    爆炸的运作规则(operating rules)。在17世纪科学革命以

    前，科学家们并不理解何谓运作规则，而今这些运作规则被称

    作物理学基本定律(laws of physics)。这些定律能够解释最

    初的原子为何疯狂错乱却又并非完全没有方向：正是物理学定

    律规定了某些特别的路径，也同时阻绝了似乎无穷尽的其他多

    种可能。物理学定律滤掉了那些与自身不相容的宇宙状态，只

    允许那些和宇宙运作规则相容的状态出现，新状态又会依次产

    生新规则，新规则继而导引新的发展路径。

    不可能的状态被不断滤掉，结果确保了结构在数量上的最

    小化(minimum)。我们不清楚为何上述的规则会得以成型，或

    为何是这种形式的规则。我们也不知道这种规则是无可避免

    的。也许在其他宇宙中也有类似规则，可能与此稍有不同，比

    方说那里的引力更强些，或电磁力稍弱些。果真如此的话，那

    里的生灵(若有的话)也会讲述与我们不同的起源故事。也许

    有些宇宙的寿命不过百万分之一秒，而其他宇宙要比我们这个

    宇宙的寿命长得多。也许有些宇宙会制造出多种稀奇古怪的生

    物，而另外一些注定与生无缘。假如我们的宇宙真的只是多重

    宇宙中的一个，那我们完全可以想见：我们的宇宙问世之时，形同冥冥之中的一场掷骰子游戏刚刚开始，有指令称“好的，这个宇宙会有引力存在，且有电磁力，电磁力是引力的1036

    倍”(这的确是我们这个宇宙中引力与电磁力之间的强度比

    例)。有了这种规则，我们的宇宙便不会完全无序。这就确保

    了某些地方会发生有趣的事情。

    能量以某种形式涌现，便宣布了结构和格局的诞生。能量

    凝结成最初的物质粒子，也是遵照规则的。故此，在宇宙大爆

    炸之后的数秒之间，生成了原子的基本组成成分，即中子、质

    子和电子，与此同时还有质子和电子的反粒子(即带负电荷的

    质子和带正电荷的电子)，物理学家分别称之为物质和反物质

    (antimatter)。只有在此时，物质与反物质才可能轻松生

    成，而伴随宇宙温度的继续下降，一场波及整个宇宙的德比毁

    灭大战就开始了，物质与反物质彼此湮灭，由此释放出大量能

    量。对我们而言颇为幸运的是，有极少量的物质(也许是十亿

    分之一的粒子)躲过了这场浩劫。劫后余生的粒子被限定在某

    个地方，因为此时的温度已不足以把物质还原成纯能量。这样

    残留下来的物质就是我们整个宇宙间的物质构成。

    随着温度的下降，物质出现了分化。电子和中微子

    (neutrino)受电磁力和弱核力的支配，而构成原子核的质子

    和中子则由三位一体的被称作夸克(quark)奇异粒子构成，受

    强核力的绑缚。电子、中子、夸克、质子、中微子……仅在宇

    宙大爆炸后的数秒之间，温度快速下降的宇宙就生成了截然分

    明的结构，而且各具特征。但宇宙大爆炸的风暴渐弱之后，宇

    宙间就不再具备解锁这些原始结构的巨大能量条件，所以从

    此，至少对我们人类而言，上述能量与粒子的不同组合，比如

    质子和电子，就成了某种永恒不朽的东西了。

    偶然性与必然性就这样协力创造出最初的简单结构。物理

    学定律滤掉了多种可能——这是必然性在发生作用。随后，偶

    然性又在剩余的诸种可能中随机拣选并重新组合。这就是最初

    演化的机理。正如纳米物理学家彼得·霍夫曼(Peter

    Hoffmann)所说：“物理法则的磨砺为之增添了一点儿必然性

    的色彩，但偶然性才是真正的创造力之源，是后者推动着、形

    塑着宇宙演化。我们周围的所有美景，从星系到向日葵，都是

    混沌与必然协同创造的结果。” [13]

    最初的原子

    宇宙大爆炸之后的几分钟之内，质子与中子发生了组合配

    对，于是，更复杂的结构出现了。单个的质子是氢原子的原子

    核部分；成对的质子(与两个中子)构成氦原子的原子核，此

    时的宇宙开始搭建最初的原子了。但聚合质子要花费很多能

    量，因为质子的正电荷彼此排斥，而且由于宇宙大爆炸后温度

    迅速下降，所以不可能把很多质子聚合到一起构成较大的原子

    核。这也说明了我们这个宇宙的一个基本特性：差不多四分之

    三的原子都是氢原子，剩下的大多是氦原子。

    此外，还有很多物质属于暗物质(dark matter)，虽然我

    们还不大清楚暗物质究竟为何物，但我们确知暗物质是存在

    的，因为它的引力决定了星系的结构和分布。于是，在大爆炸

    后的几分钟之内，我们的宇宙分化成大规模的暗物质云团，其中有大量的质子和电子的等离子体(plasma)，噼啪声中还有

    闪亮的光子(photon)穿插其间。如今，等离子体只存在于恒

    星的内核处。

    现在，我们稍等片刻，也就是38万年的时间(其实差不多

    是我们人类在地球上生存总时间的两倍呢!)。在这段时间

    里，宇宙继续降温。当温度降到10 000℃以下时，就出现了又

    一次的相变，就像蒸汽化成水那样。要理解这次相变，我们还

    需懂得：热其实是原子运动的一种度量。所有的物质粒子在能

    量的驱动下都在时刻不停地抖动，就像紧张不安的孩子们一

    样，而温度不过是这种抖动的均值。抖动是真实存在的现象。

    爱因斯坦在1905年发表的一篇著名论文中指出，正是抖动的原

    子使空气中的尘埃粒子出现随机波动。温度下降，粒子抖动的

    频率也降低，直到最终粒子连接到一起。伴随宇宙温度的下

    降，电磁力会把带负电荷的电子推近至带正电荷的质子，直至

    电子平静下来并围绕质子旋转。就这样，我们有了最初的原

    子，而原子是我们周围所有物质最基本的构成要素。

    通常，孤立的原子呈中性，因为其质子和电子的正负电荷

    彼此抵消。所以，当最初的氢原子和氦原子形成时，宇宙中大

    部分的物质突然变得中性了，躁动的等离子体一下子消失不见

    了。作为电磁力载体的光子可以自由穿行在电中性的原子和暗

    物质雾团中。直至今日，天文学家们依然能够探测到这次相变

    的结果，因为摆脱了等离子体的光子造成了一层薄薄的略带嗡

    鸣的背景(即宇宙微波背景辐射)，至今仍弥漫于整个宇宙。

    至此，我们的起源故事已经突破了第一个节点。此时，我

    们有了自己的宇宙。宇宙中有性质独特的物质结构存在。能量

    和物质各具情态。我们还有了原子。而且宇宙有自身的运作规

    则。

    但证据何在？

    如果你是第一次听到这样的起源故事，一定会感到离奇惊

    悚，但切勿因此而不以为然，因为我们有大量的证据予以证

    明。

    认定宇宙大爆炸确有其事的第一个线索是：人们发现宇宙

    在加速膨胀。如果宇宙在膨胀，我们从逻辑上就可以假定：宇

    宙在很久很久以前一定极其微小。我们知道宇宙在膨胀，是因

    为我们有强大的观测设备和技术，而前述的蒙哥湖人根本不具

    备，虽然仅凭裸眼，蒙哥湖人也对天象进行了出色的观测。

    从牛顿的时代起，大多数天文学家都认定宇宙是无限的，因为如若不然，那么根据引力定律，所有的物质都应被吸附到

    单一的物质团上，就像集油槽把所有的燃油都吸附到槽里一

    样。到了19世纪，天文学家们有了更精确的测量仪器，所以能

    够准确地绘制出太空中恒星和星系的分布图谱，而此时的天文

    图谱已经暗示出一种颇为不同的宇宙图景。

    绘制天文图谱从星云(nebulae)开始，也就是星图上不时

    出现的模糊瘢痕。(现在我们知道了，大多数星云其实都是整

    个的星系，每个星系都有数十亿颗恒星)星云距我们有多远？它们到底是什么？星云在移动吗？随着时间的推移，天文学家

    们已经学会了如何从星云发出的光中获取更多关于恒星的信

    息。这些信息包括星云距我们有多远，以及是在向我们靠近还

    是远离我们。

    研究恒星及星云的移动，最聪明的办法是利用多普勒效应

    (因19世纪奥地利数学家克里斯蒂安·安德烈亚斯·多普勒而

    得名，又译克里斯琴·多普勒)，测量恒星或星云趋近或远离

    我们的速度。能量以波的形式迁移，而波就像海滩的波浪，也

    是有频率的。能量抵达波谷相当有规律，是可以测量的。可一

    旦发生位移，频率就会发生变化。人下海游泳，然后再浮出水

    面，那么其遭遇海浪的频率似乎会增加。声波也是一样。如果

    一物体，比如摩托车，向你隆隆驶来，此时的音频会提升，人

    耳对高频的反应是声音越来越大。而当摩托车驶过，隆隆的马

    达声会逐渐减弱，因为此时的声波正被拉长。骑车的人与摩托

    车之间的相对距离不变，听到的声音自然是维持同一频率。多

    普勒效应是指物体彼此趋近或远离时电磁发射频率的明显变

    化。

    上述原理同样适用于星光。如果恒星或星系趋近地球，那

    其光波的频率会提升。高频可见光对人眼呈蓝色，所以我们会

    说光向电磁光谱的蓝端趋近。但假如光远离地球，其光频会向

    光谱的红端趋近，天文学家称之为红移(redshift)。因此，我们可以通过测量光频偏移的幅度得知恒星或星系移动的速

    度。

    1814年，年轻的德国科学家约瑟夫·冯·夫琅和费

    (Joseph von Fraunhofer)发明了世界上第一台分光仪

    (spectroscope)，其实就是一种专业用的三棱镜，能够分解

    不同频率的星光，正如同普通的玻璃三棱镜把光分解成五颜六

    色的彩虹一样。夫琅和费研究发现，太阳光的光谱在某些特别

    的频段有一些轻微的暗线，就像宇宙的条形码一般。另有两位

    德国科学家，古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)和罗

    伯特·本生(Robert Bunsen)通过实验研究发现，某些特别的

    元素发射或吸收光均有各自不同的频率。看来上述暗线是太阳

    外围温度较低处不同元素的原子吸收太阳核心处发出的光的不

    同频率所致。其结果是减少了这些频段能量的吸收，所以在发

    射 光 谱 上 留 下 了 多 条 暗 线 。 这 种 暗 线 被 称 作 吸 收 线

    (absorption lines)，而不同元素会造成不同的吸收线格

    局。比如，碳和铁的吸收线就颇为典型。如果星光出现红移，碳和铁的吸收线都会向光谱的红色端趋近，我们甚至可以准确

    测量其趋近的幅度。对天文学家而言，这就相当于警察手里的

    机动车测速仪。

    20世纪初，美国天文学家维斯托·斯里弗(Vesto

    Slipher)使用上述探测技术吃惊地发现有大量天体都出现了红

    移现象，也就是说：这些天体都在远离地球，而且速度很快!

    这种彼此分离的现象颇令人惊异。其背后的真实意义究竟是什

    么？对此给予明确回答的是美国另一位天文学家埃德温·哈勃

    (Edwin Hubble)，后者对这些遥远的天体与地球的距离进行

    了大量观测，此外还结合了其他众多发现。要测量地球与恒星

    和星系之间的距离，还是很复杂的。原则上，照古希腊人的理解，我们可以使用视差(parallax)法，就像寻常的测量员一

    样。在地球绕太阳旋转的数月间，仔细观察夜空中的星星相对

    其他星星是否出现移动。如果有，就可以用三角尺测量一下其

    与地球间的距离。很不幸的是，哪怕是离我们最近的比邻星

    (Proxima Centauri)也异常遥远(差不多有4光年)，所以不

    借助某种特殊的仪器，根本别想探测出其是否有动静。就这

    样，直到19世纪，才有天文学家使用视差法测定了地球与邻近

    星体的距离。但无论怎么说，维斯托·斯里弗研究的星体比这

    遥远得多。

    幸运的是，在20世纪初，哈佛天文台的天文学家亨丽爱塔

    ·勒维特(Henrietta Leavitt)找到了测定遥远星体和星系距

    离 的 方 法 ， 她 使 用 了 一 种 被 称 作 造 父 变 星 ( Cepheid

    variable)的星体作为参照物，因为这种星体的亮度变化极有

    规律(北极星就是这样一种造父变星)。勒维特发现，造父变

    星的频率与星体的亮度(luminosity)之间有某种非常简单的

    对应关系，而据此就可以计算出造父变星的绝对亮度

    (absolute brightness)值。接着，比较该变星此前对地球呈

    现的视亮度(apparent brightness)，就可以计算出该星体的

    距离，因为星体的亮度会伴随其远去的程度而渐趋式微。这一

    精妙绝伦的技术即天文标准烛光(astronomical standard

    candles)，为埃德温·哈勃有关宇宙的两大发现做好了准备。

    20世纪初，大多数天文学家都认为整个宇宙不过我们银河

    系(the Milky Way)这么大。1923年，哈勃使用洛杉矶威尔逊

    山天文台的望远镜——当时世界上最强大的望远镜——对太空

    实施观测，发现原以为从属仙女座星云(Andromeda nebula)

    的造父变星太过遥远，所以根本不可能是我们这个星系的一部

    分。这一观测证实了一些天文学家的猜测，即宇宙要比银河系

    大得多，是由多个星系组成的，而不仅仅是我们的银河系。

    不过，哈勃以造父变星为依托对大量遥远的星体进行观

    测，又有了一个更令人震撼的发现。1929年，他成功地向世人

    证明：差不多所有的星系看起来都在远离地球，而且越是距离

    遥远的，其红移的幅度就越大。换句话说，距离越远的物体，其远离的速度就越快。这似乎意味着整个宇宙在膨胀。此前，比利时天文学家乔治·勒梅特早有这样的疑惑，但只不过是纯

    理论的推测。勒梅特认为：如果宇宙真的是在膨胀，那么在过

    去的某个时间，它就应该是处于高度压缩的微小空间。勒梅特

    将这一微小空间称作原始原子(primordial atom)。

    大多数天文学家对宇宙膨胀这一说法感到震惊，觉得哈勃

    的计算肯定是出现了错误。就连哈勃本人对此也没有一点儿把

    握，更何况爱因斯坦坚信宇宙是稳态的，并搬出他的广义相对

    论方程对稳态宇宙加以证明，还特意添加了一个所谓宇宙常数

    (cosmological constant)的概念。

    天文学家之所以对此抱怀疑态度，部分原因还在于哈勃的

    估算确实存在一些问题，因为根据哈勃的计算，宇宙膨胀大约

    始于20亿年前，而当时的天文学家早已确知地球和太阳系的年

    龄都比这要大得多。正是出于这个原因，大多数天文学家几十

    年来都认为哈勃有关宇宙膨胀的想法很有意思，但却可能是错

    误的。许多人更愿意接受1948年赫尔曼·邦迪(HermannBondi)、托马斯·戈尔德(Thomas Gold)及弗雷德·霍伊尔

    提出的稳恒态宇宙理论。根据宇宙稳恒态说，很多星系之间的

    距离确实是在加大，但与此同时还创造出了很多新物质，所以

    从大尺度看，宇宙的总体密度是恒定的，形态也变化不大。

    不过最终，事实证据还是更支持宇宙膨胀说。20世纪40年

    代，同在洛杉矶威尔逊山天文台(哈勃曾在此工作)的沃尔特

    ·巴德(Walter Baade)证明：造父变星实际上有两种，所以

    据其估算的距离就会出现一定的差别。巴德进行了重新计算，认为宇宙大爆炸可能发生在100多亿年以前(目前最精密的估算

    值是138.2亿年前)。这样一来，原有的历史年代问题就不是问

    题了。我们现在所能了解到的所有天体的年龄都不超过138.2亿

    年，这一点完全支持大爆炸宇宙说。毕竟，如果说宇宙是永恒

    不变的，那肯定有好多天体的年龄要超过138亿年。

    真正可靠的证据是在20世纪60年代发现的，这就是宇宙微

    波背景辐射。这一背景辐射是大爆炸后约38万年最初原子形成

    时辐射释放遗留下的。宇宙微波背景辐射可谓宇宙膨胀说富有

    决定意义的证据。为什么这样说呢？

    20世纪40年代，一些天文学家和物理学家对哈勃的数据已

    经有了较深刻的印象，于是便试图弄清：假如真的发生了大爆

    炸，那会是怎样一番景象呢？假如万物都被压缩至一个原始原

    子，那最初的宇宙该是什么样子呢？如果哈勃和勒梅特说得不

    错的话，那早期宇宙应该极端致密且炽热，而其膨胀至冷却的

    速度也肯定非常快。物质和能量真处于这种极端条件下又会如

    何表现呢？第二次世界大战期间，制造原子弹的“曼哈顿计

    划”刺激了极高温条件下的物理研究。20世纪40年代末，俄裔

    美籍物理学家乔治·伽莫夫(George Gamow)运用参与“曼哈

    顿计划”的研究所得，开始思考宇宙大爆炸后的可能情形。伽

    莫夫与同事拉尔夫·阿尔弗(Ralph Alpher)预测，宇宙大爆

    炸后肯定会温度下降，待到温度适宜时，最初的原子才能形

    成，而原子形成时还必然伴随着巨大能量的释放，而光子也会

    摆脱前原子时代带电等离子体的束缚，开始在电中性的宇宙中

    穿行。此外，他们还论证说，释放能量的闪光应该可以被察觉

    到，虽然闪光的频率伴随宇宙膨胀会降至几乎为零。如果科学

    家仔细观察，就会发现温度近乎绝对零值的辐射从四面八方涌

    来。不过那时，对多数人而言，这种说法近乎疯狂，所以根本

    没有人试图以整个宇宙为范围寻找低温辐射。

    1964年，有科学家偶然发现了伽莫夫所谓的辐射闪光。在

    位于美国新泽西霍姆德尔的贝尔实验室，有两位射电天文学

    家，阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊

    (Robert Wilson)，当时他们正在建造一个高精度无线电天

    线，以接收人造卫星的通信信号。为消除干扰，他们把接收器

    冷却到比绝对零度高3.5℃的水平，但令人费解的是，此时还有

    一个低温能量释放的嗡鸣声存在，而且这个声音似乎来自四面

    八方，所以不可能是某个巨大的恒星爆炸所致，这一点他们是

    知道的。他们于是怀疑故障出在了接收器上，就试图把栖息在

    角状天线上的一对鸽子驱离，还清扫了鸽子留下的粪便，可这

    样还是无济于事。(那对可怜的鸽子总想返回天线，最终不得

    不遗憾地被射杀。)而在不远的普林斯顿，罗伯特·迪克

    (Robert Dicke)正带领一队天文学家寻找伽莫夫所谓的背景辐射，却突然听说了彭齐亚斯和威尔逊的最新发现，于是马上

    意识到后者抢占了先机。两队科学家决定联合撰写论文，讲述

    他们的发现。他们认为，这可能是伽莫夫曾预测到的、宇宙大

    爆炸后的能量释放所致。

    宇宙微波背景辐射的发现使大多数天文学家接受了宇宙大

    爆炸理论，因为其他理论都无法解释这种波及整个宇宙的辐射

    现象。类似这样先是奇怪却最终成功的预测是说服科学家的最

    强有力的方式之一，它能说明这一理论是正确的。看来宇宙是

    在膨胀，而且真的是发端于宇宙大爆炸。

    时至今日，有关宇宙发端于大爆炸的证据是压倒性的，可

    谓不容置疑。有关细节还需进一步研究，但其核心观念足以成

    为现代起源故事的第1章。这样，我们的故事也就启动了。根据

    量子物理学，实有可自真空起，看来整个宇宙发端于虚无的确

    是真的，因为这虚无充满潜势。 [14]

    [1] Richard S. Westfall, The Life of Isaac Newton (Cambridge:

    Cambridge University Press, 1993), 259. 牛顿后来改变了有关宇宙乃上帝“感

    官”(sensorium)的想法，但最终还是认定上帝“真的是无所不在”。

    [2] Bertrand Russell, “Why I Am Not a Christian,” lecture given at

    Battersea Town Hall, London, March 1927.

    [3] 转引自Christian, Maps of Time, 17。

    [4] Deborah Bird Rose, Nourishing Terrains: Australian Aboriginal

    Views of Landscape and Wilderness (Canberra: Australian Heritage

    Commission, 1996), 23.

    [5] Joseph Campbell, The Hero with a Thousand Faces, 2nd ed.

    (Princeton, NJ:Princeton University Press, 1968), 261.

    [6] Stephen Hawking, A Brief History of Time: From the Big Bang to

    Black Holes (London, Bantam, 1988), 151.

    [7] 感谢艾丽丝·伯翰(Elise Bohan)提示我来自Terry Pratchett, Lords

    and Ladies (London: Victor Gollancz, 1992)的引文。

    [8] 有 关 范 式 的 论 述 ， 最 经 典 的 是 Thomas Kuhn, The Structure of

    Scientific Revolutions, 2nd ed. (Chicago: University of Chicago Press,1970)。

    [9] Peter Atkins, Chemistry: A Very Short Introduction (Oxford:

    Oxford University Press, 2015), loc. 722, Kindle.

    [10] Lawrence Krauss, A Universe from Nothing: Why There Is

    Something Rather than Nothing (New York: Simon and Schuster, 2012).

    [11] Erwin Schr?dinger, What Is Life? And Mind and Matter

    (Cambridge: Cambridge University Press, 1967), 73.

    [12] Campbell, The Hero with a Thousand Faces, 25–26.

    [13] Peter M. Hoffmann, Life’s Ratchet: How Molecular Machines

    Extract Order from Chaos (New York: Basic Books, 2012), loc. 179, Kindle.

    [14] 有关这一观念更多的内容，可参阅Krauss, A Universe from Nothing。第2章

    星与星系：节点二和三

    人类是星体物质构成的。

    ——哈罗·沙普利(Harlow

    Shapley)，《来自遥远星体的景观》

    (View from a Distant Star )

    大爆炸为我们带来了宇宙，但在此后的几千万年里，宇宙的

    结构却超级简单。不过，在这简单平静的背后，许多新的有趣的

    可能性却正在萌生，终于有一天，满天的星辰、星系开始照亮夜

    空。此时，我们的故事又多了一整套的新角色，它们各有新特征

    和新的复杂性，可谓引领宇宙穿越了第二个复杂性不断提升的节

    点。但要说明这许多新的星体是如何生成的，我们还需回到最

    初。

    驱动复杂性生成的自由能

    宇宙大爆炸后的几秒钟至几分钟，整个宇宙的温度急剧下

    降。其间有几个星光璀璨的时刻，宇宙中的能量足以生成或毁灭

    各种新奇的能和物的形态。但由于温度急剧下降，有些形态的能

    和物就凝结成几种简单的结构。在大爆炸的熔炉中，力和粒子像

    陶瓷一样稳定下来。狂躁的能量遵循少数几个运作规则造就了质

    子和电子一类的结构，这些结构非常稳定，因为温度趋降的宇宙

    很难再产生当时制造这些结构所需的温度。

    此后，宇宙温度下降的速度减缓，就好像已经从温度的高峰

    跌到了谷底一样。此时的温度梯阶趋于平缓，不再出现陡降，所

    以变化的速度也出现锐减，就好像来到了起伏有致的丘陵地带，温度也时升时降。此时的新结构也很难被锁定，因为结构遭遇少

    许的升温就解体了。比如，原子在新兴的星体内在温度达到一万

    摄氏度以上时就会发生解体。

    在这种不大可预测的环境中，复杂的结构需要额外的加固才

    能稳定下来。而这种加固还要靠控制下的非随机能量流动

    (controlled,nonrandom flows of energy)。恒星是由内核处

    发散出的能流得以维持的；生物体，包括你和我，能够维持下去

    靠的是细胞内复杂的新陈代谢所提供的精准的能流；而在大爆炸

    后的宇宙，也要靠做功才能建造并维持复杂的结构存在。正因如

    此，凡物的形态、复杂性及有指向性或结构化的能流

    (structured flows of energy)之间存在着深刻的联系。

    结构化的能流是一种颇为直观的描述，而非科学界的术语。

    这里想说的是：热力学理论对两种能流进行了区分，即完全随机

    的能流和有方向、有结构、首尾贯通的能流。结构化的能流称作

    自由能(free energy)，非结构化的能流则称热能(heat

    energy)。这一划分当然不是绝对的。其实这里只是一个贯通或

    随机的度的问题。但无论怎么说，区分自由能和热能对我们的起

    源故事却是至为根本的。

    热力学第一定律认为，宇宙中能的总量是不变的，且保持恒

    定。我们的宇宙从问世起，其造成事物生发的潜势似乎就是固定

    的。所以，热力学第一定律其实想要表达的是原初时代的多种可能性。热力学第二定律称：从原初多种可能性中萌生的物质多少

    都呈现出某种结构，就好像溪水中的涟漪。但随着时间的推移，大多数的物质都会变得更少结构化。这是因为物质和能量的大多

    数可能组合的结构性都很弱，所以即使偶然有结构，其趋势也是

    迅速衰败。

    瀑布就是一个很好的例证。瀑布很有型，但最终会耗散殆

    尽。瀑布顶端的水分子并非随机运动，而是像气罐中的分子一

    样，都向同一个方向进发，又像恋爱中的猫，彼此贴得越近越

    好。这是因为，不同于普通单个行动的空气分子，瀑布中的水分

    子被电磁力裹挟，引力于是将其紧密地聚拢到一起且朝同一方向

    运动，如同行进中的一队士兵。水从瀑布顶端飞溅直下，此时势

    能便转化成动能。水分子协调一致，朝一个方向运动。此时的运

    动是结构性的，我们可以把造成这一运动的能量流称作自由能。

    自由能不同于空气分子的随机热能就在于前者能做功，原因是它

    有型有结构，能够把物朝一个方向推动，而不是随意任何一个方

    向。 [1] 如果有必要，就可以导引这种自由能通过涡轮机发电。

    自由能是造成事物生发的那种东西，其移动快捷、势不可挡，是

    我们整个起源故事的驱动器。

    但不同于一般意义上的能，自由能很难保存，因为它很不稳

    定，就像伸展的弹簧。自由能做功的时候，就失去了自身的结

    构，用完了也就完了。如同瀑布顶端的水砸到底端的岩石上，旋

    即变成了分散的、不再整齐划一的热能。单个的分子彼此大致独

    立地摇摆着。能当然还在那里，还是守恒的(也就是热力学第一

    定律)，但分子朝多个方向推动，这样就不再能够驱动涡轮机

    了，因为此时的自由能已经转化成热能。根据热力学第二定律，所有的自由能最终都会转化成热能。

    热能就像喝醉酒的交警，胡乱指挥着能的车辆，结果只能是

    制造更多混乱。而自由能可被比作神志清醒的交警，指挥能的车

    辆沿着某些特定的路线前进，所以创造出秩序。对我们来说非常

    幸运的是，早期宇宙确有一些自由能存在，而且依据宇宙最基本

    的规则在运行。这些规则把能向某些特定的非随机的路线导引，确保了少量却至为根本的结构存在。

    星系与恒星：节点二

    正是自由能驱动了最初的大型结构涌现，也就是星系和恒

    星。此时最重要的自由能是引力。就像宇宙的牧羊犬一样，引力

    喜欢把万物纠集成群。此时被纠集成群的万物正是宇宙大爆炸后

    出现的简单物质。引力与物质一道制造了最初恒星和星系涌现的

    金凤花条件。

    科学家对宇宙微波背景辐射的研究表明，在宇宙形成早期，大尺度的结构还非常罕见。我们可以设想一下：一层轻巧的氢原

    子和氦原子薄雾漂浮在充满光子的暗物质温暖浴缸中会是什么样

    子，此时浴缸的温度大致均衡。我们已经确知，早期宇宙均质化

    程度极高，因为通过衡量宇宙微波背景辐射的温度差异，我们会

    发现宇宙中温度最高的地方比温度最低的地方也不过仅高出

    0.01 ℃ 。 此 时 还 不 存 在 可 用 的 温 度 梯 阶 ( temperature

    gradients)，不存在可以造成新结构的能量势差。现在你可以

    用手快速揉擦脸，如此造成的温差都要比那时的温差大得多。不过，此后引力开始对这种毫无希望的物质进行加工，然后

    的故事就有意思了。大爆炸作用的方向是把空间尽力推开，而引

    力却努力把能量和物质往一起拉。

    引力的概念在牛顿对宇宙的理解中至关重要，而且是引发科

    学革命的一个纲领性概念。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数

    学原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)一书中对引力原理进行了详细的论述，这部书也因此成为人类

    历史上最重要的科学著作之一。牛顿认为，引力是所有物质相互

    吸引的一种力。250年后，爱因斯坦又证明了：能实际上也会产

    生引力，因为能毕竟是物质生成的质料。

    此外，爱因斯坦还预言：引力其实是某种形式的能，所以，就像电磁力或声一样，引力应能产生波。但爱因斯坦担心这种引

    力波会非常弱，以至于人们根本无法测量出来。2015年9月，真

    正的科学奇观出现了：人类终于发现了引力波!而且是两次，一

    次是在美国路易斯安那州，一次是在美国华盛顿州，两次都是通

    过 激 光 干 涉 引 力 波 天 文 台 ( Laser Interferometer

    Gravitational-Wave Observatory，或简称LIGO)。2017年，有

    三位对此做出重大贡献的科学家被授予诺贝尔物理学奖。此次发

    现的引力波是大约一亿年前产生的，当时有两个黑洞在距离我们

    很远的南部某个星系发生了碰撞。(那时恐龙还主宰着我们这个

    星球呢!)科学家在地球上将光束一分为二，然后沿两个臂长4

    000米的LIGO探测仪垂直发射，探测仪的两端都安装有反射镜。

    这样，当光束完成约300次往返运动后，却未能同时抵达原点。

    原来，是微弱的引力波将一个方向发射出的光束拉长了，而另一

    个方向的光束则被缩短，其间的差别比一个质子的直径还要小。

    由此，天文学家了解到引力波的存在，科学家希望凭借这一认知

    能够以更新颖的方式研究宇宙。

    从引力的角度看，早期宇宙太过平滑了，因为其演化过程中

    本该有丛簇的现象发生。引力有一种重新构架宇宙的趋势，而这

    也正是我们觉得早期宇宙的熵颇低的原因，低熵就意味着更为整

    齐划一；此后的数十亿年则见证了熵增的过程，也就是宇宙变得

    更混乱。引力一旦介入，只需几亿年的时间，就把原本平滑整齐

    的早期宇宙变得异常混乱，造成了丛簇叠生的恒星和星系。

    正如牛顿指出，物质的质量越大、密度越高，其引力就越

    大。所以地球的引力就比你我都要大，而且越远离地球表面，比

    如身处国际空间站，来自地球的引力也越发微弱。现在我们把早

    期宇宙设想成一个立方体。立方体中的暗物质和原子会自发地运

    动，导致某些地方比其他地方密度更大。根据牛顿定律，我们可

    知物质在密度大的地方肯定比密度小的地方引力会更大，而且随

    着时间的推移，二者之间的差异会增大。就这样，数百万年后，引力使宇宙中充满了更多的斑点和丛簇。

    引力把原子拉得更加紧密，原子彼此碰撞的概率就越大，且

    摇动得也越发狂乱。这样一来，物质丛簇集合的地方温度会升

    高，原因是更多的热量被积聚到了狭小的空间。(同理，人们给

    轮胎打气的时候，其内部的温度也会升高。)整体而言，宇宙的

    温度在降低，但物质聚集的地方却开始升温。终于，在某些地

    方，温度上升到质子不再能绑缚电子的程度；此时，原子开始解

    体，并在丛簇物质的核心地带重新制造出带电的等离子体，正如

    遍布早期宇宙的带电等离子体一样。由于引力造成的压力叠加，物质密实的地方变得密度更大，其核心也更炽热，于是在这些地方重现了早期宇宙的巨大能量。

    大约在1 000万摄氏度，质子就有足够的力量克服正电荷彼此之

    间的斥力，而一旦突破此障碍，质子就会在巨大核力的驱使下两

    两结对，当然，这种核力作用的力矩都很短。质子对继而形成氦

    核，正如大爆炸之后不久曾短期出现过的那样。

    质子聚合期间，其中的部分物质会转化成纯能量，正如我们

    此前看到过的，这时候，哪怕极微小的物质也蕴含着巨大能量。

    氢弹爆炸会释放巨大的能量，其原理正如恒星生成一样，是通过

    核聚变完成的。所以说，一旦物质团的温度达到了节点的大约1

    000万℃，就会有数万亿的质子聚合而成氦核，形成一个释放巨

    大能量的大熔炉。而一旦点燃，且有足够的质子持续发生聚合，大熔炉也就会持续地燃烧下去。

    聚合释放出的热能会造成物质的核心发生膨胀，从而拒斥了

    外来的引力。这种新的物质结构常常会持续稳定长达数百万年，甚至数十亿年。这样，一颗恒星就诞生了。

    有了星系和恒星的宇宙

    但恒星却并非仅有一颗，事实上，在每个物质丛簇聚集的地

    方，都有数十亿颗恒星。此时，我们所谓的星系开始闪耀，照亮

    了青年宇宙的夜空。

    宇宙中有了星系和恒星，便与早期只有原子的宇宙大为不

    同。此时的宇宙在较大和较小的尺度上都已具有结构性，我们可

    以说整个宇宙变得更复杂了。星系间是黑暗、空洞的空间，而星

    系内部则有闪亮的、致密的区域。星系里充盈着致密的物质和能

    量，而星系间极其寒冷且空荡荡的。但此时宇宙中的物质不再像

    当初一样宛若均匀飘动的雾，而是成片成团地凝结成星系，其形

    状就像蜘蛛编织的一张网。每个星系的结构都各具特性，但大多

    数是螺旋形的，就如同我们身处其中的银河系，而且每个星系的

    周围往往有数十亿颗恒星在缓慢围绕着核心运行，这核心通常是

    一个密度极高的黑洞。星系彼此发生碰撞后，通常会扭曲成“不

    规则星系”(irregular galaxies)。星系当然也是依靠引力聚

    合成团的，内部圈圈环绕，密密匝匝，以至于在宇宙中最终形成

    一个类似巨型群岛的架构。

    散落在宇宙之中的众多恒星，就像冷布丁中的葡萄干，其实

    每颗都具备高结构性和很多新涌现出的特性。每颗恒星都有一个

    炽热的内核，在此实现质子的聚合，从而产生足够的用以对抗引

    力的能量。紧贴着内核处，是一层向内挤压的外核物质，后者为

    内核燃烧提供质子燃料。恒星的寿命主要取决于其初始形成之际

    自身的质量。巨型恒星会产生巨大的引力压力，所以其散发的热

    能要比小型恒星多得多。因此，巨型恒星往往在几百万年的时间

    里就油尽灯枯，而质量较小的恒星燃烧要慢得多，所以后者的寿

    命甚至比目前宇宙的寿命还要长很多。(免费书享分更多搜索@

    雅书.)

    宇宙之中物质的多样化构成意味着多样化的环境、更大创造

    力和花样翻新的能量梯阶，其中有光度梯阶、温度梯阶和密度梯

    阶，自由能从梯阶的高端流下，恰如飞流的瀑布。每颗恒星都向

    外围寒冷的空间倾泻自身的热能，其中有热流、光流和化学能流，而这些都可以被用来在恒星附近的地区制造新式的复杂实

    体。地球上之所以能够生机盎然，就是因为这种自由能的流动。

    引力催发物质演变成恒星，质子在压力下克服正电荷彼此相

    斥的力实现聚合，这一过程在此后的历程中会反复出现。这有点

    儿像早晨喝了一杯咖啡，然后你就有了外出工作的动力一样。化

    学家通常把这一初始赋能的行为称作“活化能”或“激活

    能”(activation energy)，就像点燃的火柴引发大火一样。

    其原理正在于：某一种能量发生变化，从而引发远高于活化能的

    自由能流动。在恒星生成的过程中，引力最先提供了质子聚合的

    活化能，然后是恒星形成，再后是一系列其他的变化。

    但这里有一个问题：热力学第二定律还起作用吗？熵既然痛

    恨结构，那它为什么还要让更复杂的结构成型呢？

    如果仔细观察能流，我们会发现诸如恒星之类的有型结构为

    保持自身的复杂性付出了多么沉重的代价。我们先看质子聚合释

    放出的能量。在此，能所做的第一件事是把恒星支撑起来，也就

    是要防止恒星塌陷。这就像是给熵交了一定量的押金，或称作复

    杂有型税(complexity tax)。而恒星一旦不再能够释放能量，也就自然塌陷了。复杂有型税的概念可以解释著名天体物理学家

    埃里克·蔡森(Eric Chaisson)观察到的现象，即：一般说

    来，物质的表现越复杂，支撑其存在的能流就越多，甚至可以精

    确到每秒每克物质的耗能量。比如，根据蔡森的估计，在现代人

    类社会中流动的自由能要比流经太阳的自由能密度高大约100万

    倍，而流经其他各类生物的自由能密度则居于上述二者之间。也

    就是说，凡物欲变得更复杂，熵必然要求其中有更大的能流；反

    过来说，凡物复杂了，则必然也已找到足够量的自由能流维持其

    存在。所以，也难怪更为复杂的实体难以制造和维持，而且复杂

    实体要比简单实体更容易发生崩溃。这一观念是现代创世神话的

    核心线索，其对现代人类社会的启示亦可谓寓意深长。 [2]

    熵很喜欢这种交易，因为支撑恒星的自由能，正如瀑布中水

    的势能，在释放到太空之后，终将贬值。因此，恒星变得越复

    杂，其降解自由能的力度也就越大。事实上，整个现代起源故事

    都贯穿这一主题。复杂性的提升并非战胜了熵，正相反，支撑复

    杂实体(包括你和我)的能流正帮助熵实现打破一切秩序与结构

    的苍凉计划。

    新元素与不断提升的化学复杂性：节点三

    大爆炸后的10亿年，宇宙就像一个半大的孩子，行为举止已

    变得十分有趣。不过从化学的角度看，宇宙还是相当枯燥无趣

    的，因为那时的元素只有氢和氦。而到了我们所说的第三个复杂

    性提升的节点，新型的物质出现了，即元素周期表中所有其他的

    元素。宇宙有了90多种不同的元素，其可做的事情也就多多了。

    宇宙之所以最先制造出氢和氦，是因为这两种元素最简单。

    氢核中只有一个质子，所以被标记为元素1；氦核中有两个质

    子，所以标记为元素2。大爆炸后38万年宇宙微波背景辐射出现

    时，宇宙中还有少量的锂(元素3)和铍(元素4)存在，仅此而

    已。这些就是宇宙大爆炸制造出的四种元素。宇宙制造更多元素的金凤花条件相对简单，即足够量的质子

    和足够高的温度，而这种条件在大爆炸后相当一段时间内并不存

    在。只是后来，伴随众多濒死恒星再无法偿付熵索要的复杂有型

    税，在倦怠、蹒跚和内外交困中最终崩溃，从而释放出巨大能

    量，上述条件也就自然具备了。

    要弄清为何恒星在濒死时会制造出新元素，我们还要先了解

    一下恒星是如何维系生存和走向衰老的。

    恒星的寿命从数百万年到数十亿年不等，所以人类根本无从

    观看恒星走向衰老。正因如此，仅靠裸眼观察太空的古“天文学

    家”们绝无可能讲述我们现在讲述的恒星生灭的故事，比如玛雅

    人、蒙哥湖畔的智者或古希腊人。现代人对太空的理解是基于近

    两个世纪全球范围的大量科学研究和观察数据，这样，天文学家

    们才可能分享数以百万计的恒星的信息，而这些恒星均处于各自

    寿命的不同阶段。正如英国天文学家亚瑟·爱丁顿(Arthur

    Eddington)所戏称的那样，从事天文学研究就像漫步在一片森

    林之中，眼前的树木有的嫩芽初放，有的成熟参天，还有些古树

    真的行将枯萎。 [3] 研究处于生命不同阶段的树木，我们自然会

    弄清楚它们是如何成长、成熟，直至最终死亡的。

    天文学家们有一个最基本的涵括众多恒星信息的图谱，这就

    是赫罗图(Hertzsprung-Russell diagram)。它相当于天文学

    家的地球仪，就是那种学校教室里常见的地球仪，凭借它，很多

    零碎的信息就有了更多意义。

    赫罗图大约是在1910年创制的，它将所有的恒星依据两种最

    基本的特性进行了分类。第一个特性是恒星的亮度或光度

    (luminosity)，在赫罗图上标记为纵轴，也就是相对于太阳，该星体向太空发散的能量总和。第二个特性是恒星的颜色，从颜

    色就可以看出其表面温度，通常以开(K)计，在赫罗图上通常

    标记为横轴。由于这两种特性在恒星的生命周期会发生变化，所

    以赫罗图实际上能够让我们认清多种恒星经历的历程。不同恒星

    生命轨迹最大的差别主要取决于另外一项统计数据——星体质量

    的大小。较大恒星的历程自然不同于较小恒星的历程。 [4]简明赫罗图，上面标记有不同类型恒星的大致位置

    在赫罗图上，最亮的恒星，即那些放射出最多能量的恒星，比如参宿七，均在图的顶部，而且这些恒星通常体积也最大。而

    光度最小的恒星，如比邻星，均在图的底部。太阳(光度为1)

    在图中居于中部。在图中，恒星表面温度最高的均靠左边，而表

    面温度较低的则靠右边。

    赫罗图有三个很有意思的区域。横跨该图，从右下部到左上

    部弯曲的点状集团为主星序。大多数恒星生命周期中的90%都在

    主星序的某个点上，其具体坐落于哪个点取决于恒星的质量，而

    主星序上所有的恒星均能产生足够的能量以把质子聚合成氦核。

    太阳目前正在做的正是制造氦核的工作，所以说太阳已处于中

    年，仍在主星序上。赫罗图的右上部是红巨星地带，比如参宿

    四，处于猎户星座(Orion)的一个角落。这里的恒星均年事已

    高，核心部位的质子差不多用完了，靠燃烧其他较大的原子核勉

    力维持火炉不灭。其表面温度已经有所下降，因为它已膨胀至太

    阳半径的差不多200倍大。但这类恒星发出的光却异常强烈，原

    因是它们的体积大，所以居于赫罗图的顶部。赫罗图中的第三个

    重要区域是左下部，这里是白矮星的地带。白矮星曾属于红巨

    星，只是后来失去了外表层的大部，最后只剩下炽热的、致密的

    内核。

    一旦恒星垂垂老矣，最终会耗尽自身的自由质子，其内核部

    也逐渐堆积起燃尽的质子灰烬，换言之，氦核。要实现氦核的聚

    合就需要比聚合质子高得多的温度，所以恒星内核处最终会停止

    燃烧。而一旦燃烧停止，引力就占了上风，恒星便会在自身重力

    的压迫下最终塌陷。但故事并非就此结束。恒星塌陷后，在引力

    的挤压下，其温度会再次升高。恒星的外部表层也会因此膨胀，温度则又降了下来，从而以此维持自身的平衡。对人类而言，这

    种恒星的外部表层呈红色，所以被称作红巨星。而一旦太阳到了这个阶段，就会膨胀至其目前体积的200倍左右，而太阳系内的

    行星，包括地球，都会因此而灰飞烟灭。

    如果红巨星的质量足够大，其内核处在引力的挤压下会变得

    异常炽热，足以把氦核聚合成更重的元素，比如碳(有6个质

    子)和氧(有8个质子)。此时的恒星可谓是经历了一场复活，只不过聚合氦核要比聚合质子复杂得多，且产出的能量也较少，所以说恒星到了这一阶段，其寿命也就不多了。巨型恒星要经历

    好几次这样剧烈的膨胀和收缩。碳和氧也聚合成更重的元素，从

    镁至硅，最终是铁。伴随恒星升温，另外一种生成机制开始介

    入，把部分中子转化成质子，从而制造出更多新元素。恒星的核

    心会逐渐变成一个巨大的铁球，外面包裹着由其他元素构成的多

    重表层。

    但至此，恒星就不会再有发展了，因为不能一直靠聚合铁元

    素产生新的能量。所以最终，大多数恒星会把外面的多重表层炸

    掉，从而成为白矮星，也就是赫罗图底端左部所见的恒星。白矮

    星可谓星界的僵尸，因为其核心处已不再有燃着的火炉，其自身

    密度极高，通常有地球大小，但质量却有太阳那么大。如果你试

    图用勺子舀起一匙白矮星物质，那定然是徒劳，因为这一匙至少

    有4吨重。不过虽说是僵尸，白矮星却依然炽热，要真正冷却下

    来可能需要数十亿年。白矮星已完成自身的任务，即使周围充满

    了各种新元素。有些白矮星的死亡更为壮烈：与附近的星体发生

    碰撞，从而引发超新星大爆发。这种大爆发会产生极高的温度，所以能够制造元素周期表中的众多元素。通过大爆炸圆寂的白矮

    星会制造出所谓1A型超新星。这种大爆发都是在相同温度下发生

    的，所以一旦能够确认大爆发及其亮度，就可以据此估算星体与

    地球的距离。天文学家利用1A型超新星能够估算出比使用造父变

    星进行估算远数百倍的星体的距离。

    相当于太阳质量7倍左右的恒星以另一种爆发的形式走向死

    亡 ， 这 种 爆 发 被 称 为 核 心 坍 缩 超 新 星 ( core-collapse

    supernova)。恒星的内核塌缩成比太阳还要大的铁球时，内核

    处的火炉将最后一次熄灭，随之，引力会以极快的速度和力度挤

    压铁球，从而产生极大的能量和极高的温度，甚至超过该星体有

    生之年的最高值。此时，星体会瞬间发生超新星大爆发，其瞬时

    喷发的能量甚至是当时星系的总和。仅仅几分钟的时间，这种超

    新星爆发就制造出元素周期表中其余的众多元素并将其喷洒至空

    中。这种核心坍缩超新星最有名的例证是蟹状星云(Crab

    Nebula)的形成。参宿四在此后100万年间也会发生超新星大爆

    发。

    大多数通过超新星爆发剥离了外表层的红巨星会剧烈地收

    缩，其间会有大量质子和电子被糅合成中子。这样，整个星体就

    被挤压成中子星(neutron star)，即由中子构成的星体，其中

    中子的密度就像原子核中的粒子一般。这种高密度的物质存在颇

    不寻常，因为即使在原子中也存在大量空间，所以一颗中子星，哪怕只有20千米的直径，其重量却是太阳的两倍，而一匙中子物

    质足有10亿吨重。 [5] 现有证据表明，元素周期表中许多重元素

    非常有可能并非是在普通的超新星爆发中形成的，而是在剧烈的

    中子星碰撞合并中形成的。

    中子星旋转的速度极快，就像发出警告时用的信标，1967

    年，人们首次发现中子星就是因为这种快速的闪光。旋转的中子星被称作脉冲星(pulsar)。第一颗脉冲星被发现之后不久，又

    有一颗在蟹状星云的核心处被发现，后者是一次超新星大爆发的

    遗留物，中国天文学家1054年对此曾做过记录。这颗位于蟹状星

    云核心处的脉冲星差不多有一座城市大小，每秒转动达13次之

    多。

    不过，对于大多数巨型恒星而言，还有一种更为奇幻的结

    局：其核心部位会发生强烈的向心聚爆(implode)，这时候，塌陷简直无可避免，于是，星体变成了黑洞，也就是目前人类已

    知的密度最高的物质。爱因斯坦曾预言过黑洞的存在，即一种至

    密物质，其引力之大，甚至连光线都无法从中逃脱，也正因如

    此，我们迄今对黑洞内部究竟怎样尚知之甚少。黑洞可谓太空中

    的怪物，但我们有充分证据表明黑洞是真实存在的。宇宙中最初

    形成的恒星可能都异常巨大，因此，其中可能有许多已变成黑

    洞，而这些黑洞可能是后来星系形成的基础，就像众多沙砾拱卫

    着珍珠一样。如今，天文学家们已经在大多数星系中探测到黑洞

    的存在，包括我们身处其中的银河系。黑洞的引力非常巨大，足

    以把附近的恒星吞入腹中。恒星一旦接近黑洞的边界，哪怕是黑

    洞的“事件视界”(event horizon)，都会伴随一声凄厉的惨

    叫而喷射出自身最后的巨大能量。这种濒死的哀鸣造就了异常明

    亮的星体，后者被称作类星体(quasar)。

    黑洞的边界，或称“事件视界”，是有去无回的一个转折

    点，也是我们人类知识的一个极限，因为任何信息都难以逃离黑

    洞的魔爪。我们可以大致估算出构成黑洞的星体的质量，甚至包

    括其旋转的速度，但仅此而已。不过，斯蒂芬·霍金称，确有微

    妙的量子效应使得少许能量从黑洞中逃逸出来。也许还有部分信

    息会从黑洞中逃逸出来，但即使如此，我们还没有掌握解读这类

    信息的技术呢!

    就这样，垂死的恒星以各自不同的方式丰富了年轻的宇宙，使其更加多姿多彩。而元素周期表中的各种元素，一旦在垂死的

    恒星和超新星爆发中形成，便会在星际不断聚集，由此，原子聚

    合而成简单的分子，而分子经过类似发酵的过程，就会进而形成

    新形式的物质。

    天文学家凭借多种技术，已经确认了远离地球数百亿光年之

    遥的多种星体的构成，正因如此，我们对恒星才有了上述了解。

    从上述可知，天文学家们是从星光中获取了海量信息。不过，光

    亮只是恒星和星系喷射出的能量的很小一部分。现代望远镜已能

    让天文学家接触到所有频段电磁波的能量发射，从波段最长且最

    为懒惰的无线电波(radio waves)到波段最短且异常活跃的伽

    马射线(gamma rays)。而现代大型计算机可以对这种海量信息

    进行非常精确的处理。如此，再加上各种空间望远镜，比如哈勃

    望远镜，足以使天文学家在不受地球大气层扭曲干扰的情况下观

    察宇宙。借助这种现代科学仪器，人类对整个星系环境的认识有

    了突飞猛进的发展。

    旧式的仪器，比如光学望远镜(optical telescope)和分

    光镜(spectroscope)，对太空探索同样非常重要。比如，通过

    对比由分光镜获得的吸收线，我们便可得知恒星内部究竟有什么

    元素及其分布和比例。你想知道太阳内部含有多少金元素吗？那

    好，请把分光镜对准太阳，然后研究一下金元素的吸收线并测量

    一下吸收线的暗度，由此便可知金元素占太阳总质量的万亿分之一。但不要泄气，毕竟太阳的质量太大了，要是能够提取太阳中

    所有的金元素，你肯定会成为地球上最富有的人，因为这比地球

    上的金含量要多得多。

    天文学家通过恒星发射光线的颜色(或频率)测定其表面温

    度，恒星表面温度最低可至2 500K，而最高可高达30 000K。而

    且，正如我们已经看到的，天文学家还可以通过测量恒星的表观

    亮度(apparent brightness)计算出该星体发射的光的总量

    (即其亮度)，然后计算出其可能达到的亮度。恒星表面温度和

    亮度是制定赫罗图所必需的两项最基本的指标。最后，如果我们

    弄清了恒星的亮度就可以据此估算该星体的质量。类似的技术还

    可以让我们准确估算整个星系与地球之间的距离，星系的大小、运动状况及富含的能量。

    最近50年来，上述技术使我们对恒星和星系的了解有了革命

    性的进步。借助技术，我们认识到恒星和星系也是在不断演化

    的，而且还会走向衰亡，以及在发生、发展和演变的过程中如何

    为宇宙提供丰富的化学元素。而这些是后来复杂分子形成、新式

    天体问世不可或缺的金凤花条件，后者如地球及其卫星。

    [1] “从分子的视角看，一物增重是说分子中的原子均向同一方向移动。……

    所谓做功是说利用周边原子均匀的移动使能量发生了迁移。”参见Peter Atkins,Four Laws That Drive the Universe(Oxford: Oxford University Press, 2007),32。

    [2] 参阅Chaisson, Cosmic Evolution, and Spier, Big History 。

    [3] Andrew King, Stars: A Very Short Introduction (Oxford: Oxford

    University Press,2012), 49.

    [4] King, Stars ,59.

    [5] King, Stars , 66。第3章

    分子与卫星：节点四

    真实的情形是，只有原子和虚空存在。

    ——德谟克利特(Democritus)

    你生活在地球上。这就无药可治了。

    ——塞缪尔·贝克特(Samuel

    Beckett)，《终局》(Endgame )

    从星尘到分子

    从前文我们看到，宇宙中的物质是如何动用极端的能量并

    按照其自身的基本运作规则，经过剧烈的过程创造出了星系、恒星和新元素的。这种大起大落的宇宙作为就好像我们日常生

    活中所见的链锯雕塑(chain-saw sculpture)一般，而引力正

    是其中的链锯雕塑师。在恒星附近，这种粗放的雕塑提供了更

    为细微的雕塑所需的新环境，而要理解这种新式结构的原理，我们还需从大尺度过渡到小尺度，去了解一下原子之间的关

    系。

    化学复杂性取决于细微的电磁能流，因为只有后者才能从

    事纳米级的细致工作，重新摆放单个的原子和分子。但这种细

    微的自由能流通常只出现在受保护的、罕见的金凤花条件下。

    温度过高会毁掉分子和原子，因此化学复杂性不可能在恒星内

    部实现。但化学复杂性毕竟还需要一定的能量，所以也不可能

    在空空如也的死寂太空中完成。比较理想的环境是靠近恒星，但也不能太近，而且那里要有持续不断、较温和的自由能流。

    我们人类能够感受到引力，但在原子出没的纳米世界里，引力则显得无足轻重。引力对诸如细菌或水黾科昆虫之类微小

    的存在几乎没有什么作用，后者更关注的是局部电荷或水表面

    的张力。在分子尺度，最重要的是电磁力，一种能使原子和分

    子聚合离散的力量。分子和原子就生活在由电磁力吸引、刺

    激、诱惑、套索的世界中。

    化学反应最初发生在星际尘埃云(interstellar dust

    cloud)之中，原因是这里充满了各种新元素。直至今日，星际

    尘埃云中有约98%的物质为氢和氦，而散落其间的是元素周期表

    中其他的各种元素。甚至天文学家也时常含糊其词地把比氦元

    素重的元素统称为金属(metals)，所以他们告诉世人：伴随

    越来越多的恒星走向死亡，宇宙中的金属成分也增加了。同

    理，我们说太阳比先前各代恒星的金属成分更高，是因为太阳

    富含更多的金属。

    通过分光仪，我们可得知星际尘埃云中不同元素的分布及

    其含量。同理，使用分光仪，我们也可以确认受电磁力绑缚的

    原子团组成分子的分布状况，比如确认尘埃云中是否存在水分

    子、冰分子或硅酸盐(silicate)分子，这些分子的主要成分

    是硅元素和氧元素，是构成地球上尘埃和岩石最主要的材料。

    目前，我们已确知星际尘埃云中有很多种简单的分子，其中包括对地球上的生命至关重要的氨基酸(amino acids，制造蛋白

    质的材料)。

    化学是研究电磁力如何合成原子、制造分子的学科，有了

    这一过程，我们的世界才开始变得丰富多彩。

    化学元素的幽会地：原子如何合并成新物质

    原子很小。打个比喻：要合并成本句结尾处的句号那么大

    的一种物质，大约需要合并100万个碳原子。还有，可不要以为

    原子是个实心球，真实的原子内部基本上是毫无一物的空间。

    每个原子在核心部位有质子(带正电荷)和中子(不带电

    荷)，质子和中子受强核力的绑缚而成型。其余的部分都是空

    灵的空间。围绕原子核——但距离很远——旋转的是电子团，差不多每个质子配一个电子。20世纪初，现代核物理先驱欧内

    斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)曾戏称，原子内部的核就

    像是“大教堂里的苍蝇”。

    卢瑟福比拟的尺度大致不错。但在他做上述比喻时，现代

    量子物理学还没有问世，而后者证明他的这个比喻还是有些误

    导。电子极其细小，差不多是质子质量的11836。根据量子物

    理学，我们绝无可能确定电子绕质子飞行的准确速度和位置，我们所能知的只是电子可能的位置，而不是其确切的位置，因

    为要确认电子的位置就必然要动用能量(比如打开手电筒)，只不过这样一来，辅助测量电子位置的能会惊扰电子的飞行速

    度和轨迹。正因如此，量子物理学家描述电子绕飞的状况时常

    使用“概率雾”(probability mist)的概念，也就是说，电

    子在原子核外面的某个距离会更浓重一些，而在其他距离会清

    淡一些。如果把原子比作大教堂，那么电子的概率雾在大教堂

    内的多处都有发现，甚至会渗透到大教堂的墙外。 [1]

    化学所关注的正是粒子如何幽会，以及粒子在概率雾中间

    的争斗，而且争斗得非常厉害呢!质子与电子离合聚讼，原有

    的键价被打破，新型的关联又兴起，结果是崭新形式的物质不

    断涌现。而驱动这一切的正是下述这个简单的事实：电子带负

    电荷，彼此相斥，却与带正电荷的质子彼此相吸，可以是本家

    原子的质子，也可以是邻家原子的质子。化学家研究的正是电

    子与质子、电子与电子之间的挑逗、对抗、媾和及争端，电子

    会跑去和邻家原子聚合成分子，有时是几个原子媾和，有时竟

    多达数百万甚至数十亿个原子，由此而来的复杂结构甚至比星

    际结构还要复杂。每个分子结构都有一些新涌现的特性，因

    此，其化学的可能性简直无穷无尽。但无论如何，粒子间的求

    偶还是有着自身的规则的(虽然这些规则有时比人类之间的求

    偶还要乖戾)，而规则决定着电磁力如何架构化学复杂性。

    电子自然是其中的主角。就像人间的恋人一样，电子也同

    样地不可预测、变化无常，而且总是谁开的价钱好就跟谁走。

    电子沿着独特的轨道绕质子飞行，轨道不同，能量级也不同。

    只要有可能，电子就会朝距离原子核最近的轨道跃迁，因为这

    里需要的能量最少。但每个轨道能够容纳的电子数是有限的，如果靠近原子核的轨道被占满了，那么电子只能将就着在远离

    原子核的轨道绕行。如果轨道的容量和电子的数目恰好匹配，那自然就皆大欢喜了。这种情况造成的结果就是所谓惰性气体(noble gases)，比如氦气(helium)或氩气(argon)，这

    种物质存在总处于元素周期表的右侧。它们不与其他原子聚

    合，因为它们相对更安于现状。

    但假如原子的外层轨道没有被电子占满，问题就来了：这

    里的紧张气氛会造成电子无休止地抢占轨道位置的状况，也是

    大量化学工作的重心所在。有些电子在此时会跳到邻家原子的

    轨道上，而这就造成原有电子缺少一个负电荷，所以该原子会

    与另一个有多余电子的原子聚合而成离子键(ionic bond)。

    我们食用的盐就是这样形成的：钠原子最外层的电子时常出

    轨，这样恰好和外层空位且正在寻找多余电子的氯原子一拍即

    合。有时候，电子会感觉环绕两个原子核飞行更惬意，所以这

    两个原子核自然就分享该电子的负电荷，形成共价键

    (covalent bond)。氢原子和氧原子合成水分子的情形正是这

    样。但这样形成的分子却有些不平衡，是两个较小的氢原子拱

    卫着一个较大的氧原子。这种怪异的形状造成正负电荷在分子

    表面分布不均，令氢原子颇不舒服，所以后者常会受邻家分子

    中的氧原子吸引。这种吸引力正是水分子能够凝结成水珠的原

    因，其利用的恰是这种弱氢键(weak hydrogen bonds)。氢键

    在生物化学中的作用至为根本，因为诸如脱氧核糖核酸(DNA)

    之类携带基因的分子都是靠氢键实现其功能的。相比之下在金

    属中，电子的表现颇为不同：大量电子会环绕金属的原子核巡

    行，所以金属特别适合导电，其实电流不过是大量电子的流

    动。

    碳原子有6个质子，可谓是原子浪漫故事中的主角——唐璜

    (Don Juan)。碳原子的外层轨道通常有4个电子，但这里的容

    量却是8个，所以可以想见碳原子肯定很乐于把外层轨道上的这

    4个电子去除，或在此添加4个电子，或让这4个电子与其他原子

    共享。这就有了多种选择，所以碳原子可以和其他原子形成各

    种复杂的分子，有环形的，有链形的，还有其他你想不到的形

    状的。由此也不难得知，碳在生物化学中为何如此重要。

    化学的基本规则似乎是普世皆然的。我们之所以这样说，是因为从分光仪显示的结果看，地球上存在的许多简单分子在

    星际尘埃云中同样存在。但相比之下，星际化学相当简单，迄

    今被人类所发现的星际分子至多不超过100个原子。这一点并不

    令人惊讶。毕竟在太空中，原子彼此之间的距离要大得多，所

    以彼此搭便车甚至碰面的机会都要难得多。况且，太空的温度

    也颇低，所以启动原子聚合而成长期稳定的分子所需的能量也

    不多见。星际化学令人振奋的一面反倒是：星际居然不只能够

    制造出简单的分子，如构成行星的水和硅酸盐，还有许多生命

    赖以成型的基本分子，如作为蛋白质主要成分的氨基酸。事实

    上，我们现在已经确知：简单的有机分子在宇宙中是很常见

    的，而这又使得地球之外存在生命的命题多了一重可能性。

    节点四：从分子到卫星、行星和太阳系

    围绕尚处于青年阶段的恒星的简单化学分子为下一个节点

    复杂性的不断提升创造了必需的金凤花条件，因为后者提供了

    构建诸如行星、卫星和小行星之类的新天体所必需的材料。与

    恒星相比，行星的化学成分往往更丰富，而且温度温和适宜，所以为复杂化学活动提供了较为理想的金凤花环境。至少在其

    中一颗行星(即我们自身所在的地球)上，类似上述的化学反

    应最终制造出生命体，也许还有许多这样的行星。

    在相当长的时间里，人类只知道有一个太阳系存在。但到

    了1995年，天文学家确认了系外行星(exoplanet)的存在，也

    就是说有行星围绕银河系之中的其他恒星运转。这一发现起因

    于天文学家们观察到恒星在运行时会有轻微的晃动，而且在有

    行星掠过的时候，恒星的亮度也会有细微的变化。从那时起，我们已了解到：大多数恒星都有自己的行星，所以仅在我们的

    银河系，就可能有数以百亿计的各式各样的行星体系存在。截

    至2016年年中，天文学家们又确认了3 000多颗系外行星的存

    在。在此后的一二十年内，科学家们对其他行星体系的研究会

    让我们更清楚地认识最常见的行星体系会是怎样的构成。不久

    以后，我们就可以继而研究这些行星的大气层，由此便可知有

    多少行星可能适合生命存在。我们已经知道，许多行星和地球

    的大小相当，而且许多与其环绕的恒星距离很合适，也就是说

    可能有生命得以萌生的液态水。

    由系外行星的发现，我们得知，如同节点三一样，节点四

    在太空也曾多次被跨越，而第一次跨越的时间可能是在宇宙史

    的早期，但究竟是围绕哪一颗恒星，我们可能再也无法确认

    了。不过有关类似的节点跨越，我们已具备了相当多的知识。

    行星体系的形成过程相当复杂，也相当混乱，但其本质是

    恒星形成过程的副产品，条件是恒星附近空间有较丰富的化学

    元素。宇宙大爆炸后的数十亿年以后，星际间布满了富含多种

    化学元素的物质云团。这些云团约有98%的成分为氢和氦，其间

    关键的差异就在剩余2%的具体成分。如同在宇宙早期，引力仍

    然倾向于把这些物质云团变得星星点点且更密实。在我们生活

    的这个区域附近，除了引力之外，还有一次超新星大爆发，结

    果使星际物质四散分离，然后在45.67亿年前开始了巨型物质云

    团的收缩。这次超新星大爆发还留下了独特印记，时至今日，我们还能够在太阳系的陨石之中找到当初的放射性物质。

    物质云团收缩的结果，是最终形成了多元的太阳星云

    (solar nebulae)，其中之一变成了太阳。太阳吸纳了上述云

    团99%的物质。但对我们人类而言，真正有意思的是云团剩余的

    物质，后者变成了环绕太阳飞行的圆形碎片。伴随引力对太阳

    星云的进一步挤压，环绕其飞行的气团、尘团和冰渍越转越

    快，直至在向心力的作用下形成一个类似比萨饼面团的扁平形

    状，也就是我们今天所见的太阳系的外观。现在，我们依然能

    够观察到附近恒星形成区域的原行星圆环(protoplanetary

    disks)，由此可知这一过程是很常见的。

    有两种过程决定了旋转的物质圆环最终演化成行星、卫星

    和小行星。第一个过程是化学分选(chemical sorting)。新

    近形成的太阳有大量的带电粒子，其剧烈的爆炸——被称作太

    阳风(solar wind)——把较轻的元素，比如氢和氦，驱离内

    (层)轨道，从而制造了两个截然不同的区域。太阳较靠外的

    区域，如同宇宙中的大部分区域一样，主要成分是更原始的元

    素，如氢和氦，而较靠近太阳的区域则是岩石密布的行星——

    也就是我们常说的水星、金星、地球和火星，这里因为失去了大量氢和氦，所以化学元素反倒罕见地多样。氧、硅、铝和铁

    占到了地球地壳成分的80%以上，此外的钙、碳、磷等元素也发

    挥了一些次要的作用。在地球上，氢元素的作用只可谓是中

    等，而氦元素则很难得见。

    太阳系形成的第二个过程是吸积(accretion)。围绕太阳

    不同层次轨道旋转的零星物质逐渐聚集起来。在较靠外的多是

    气体的区域，这一过程可能相对轻柔。引力把大量气体物质聚

    集起来，形成了体积较大的气态行星(gassy planets)，比如

    木星和土星，其成分主要是氢和氦，以及少许的浮尘和冰。而

    在较靠近太阳的内部区域，吸积的过程要剧烈、混乱得多，因

    为这一区域的物质元素大多是固态的。有些浮尘粒子和冰渍聚

    合而成小块的岩石和冰块，在空中歪歪斜斜地漂浮行驶，有时

    彼此碰撞成碎片，有时彼此合并成体积更大的物质。再大一点

    儿，就形成了流星(meteors)和小行星，分别沿各自的轨道运

    行。这些流星和小行星再彼此碰撞或合并，就会形成更大的物

    体，直到引力扫清了周围残留的碎屑。最终，这一过程造就了

    我们今日所见的多种行星，环绕着太阳沿各自的轨道运行。

    当然，这种简单的叙述还不能突显吸积过程的混乱和剧

    烈。有些物体会窜到其他物体的飞行轨道上，从而把幼小的行

    星和卫星踢出原有的轨道，或干脆将其击碎。巨大的原行星木

    星就可能因此曾向太阳系的内部迁徙，其巨大的引力阻止了任

    何可能的行星在这一被称为小行星带的区域形成。天王星的轨

    道也有一些莫名其妙的倾斜，其现在运行的轨道很可能是与另

    一巨大的天体撞击所致。此外，还有许多小行星的表面呈锯齿

    形，很可能是早期太阳系形成时与其他天体剧烈撞击留下的疤

    痕。

    天体之间发生撞击持续了很长时间，甚至在太阳系步入稳

    定期之后仍不时发生。事实上，我们地球的卫星(月亮)就很

    可能是地球早年与火星大小的原行星忒伊亚(Theia)发生撞击

    后形成的，时间大致是在太阳系形成后的一亿年。这次撞击把

    巨大的物质云团抛向太空，这一云团起初可能像土星环——可

    能也是卫星被打碎后的遗骸——一样绕地球飞行，直至经吸积

    过程形成卫星。

    经过5 000万年的时间，太阳系终于被形塑成它类似当今的

    模样，因为它在形成后一直相当稳定。整个宇宙中数以百亿计

    的行星体系的形成机制可能与此大致相类，虽然各自的形制颇

    有不同。但所有行星相比恒星，其温度都要低一些，化学成分

    也要丰富多样一些，所以只有行星才具备各种新式复杂性生发

    的金凤花条件。最终，至少在其中的一颗行星上——也许还有

    许多这样的行星——真的制造出了生命。

    行星地球

    我们的太阳系位于我们称之为银河系的星系中，大致在银

    河系螺旋臂猎户座猎户支臂一颗恒星的郊区。银河系是一组约

    有50个星系的大星系群中的一个，这一星系群还有一个不那么

    响亮的名字，叫作本星系群(Local Group)。本星系群处于室

    女星系团(Virgo Cluster)较靠外的一个区域，而后者约有1

    000个星系。而室女星系团又从属于本超星系团(LocalSupercluster)，后者由数百个星系团组成。要横跨本超星系

    团，即使你坐上光速飞行器的话，也足足需要一亿年的时间。

    2014年，又有科学发现表明，本超星系团实际上从属于一个更

    大的宇宙帝国，该帝国可能有10多万个星系，而要跨越该帝国

    可能需要光速飞行四亿年。这一帝国也有一个名字，叫作拉尼

    亚凯亚超星系团(Laniakea Supercluster，来自夏威夷当地的

    语言，意思是“无法度量的天”)。这是人类目前所知的宇宙

    中最大的有型实体。我们据此假想：拉尼亚凯亚超星系团一定

    受暗物质的支撑，这种来自暗物质的巨大引力把所有星系聚拢

    到一起，使其各居其位，虽然与此同时宇宙还在不断地膨胀。

    现在，我们要回到拉尼亚凯亚超星系团的郊区，回到我们

    的本星系群、我们的银河系和猎户支臂，因为在那里才能找到

    我们的太阳和地球。地球经吸积过程最终形成之后，链锯雕塑

    最后一次为它的内部结构赋型。地质学家把这一过程称作分化

    (differentiation)。

    年轻的地球曾极度升温并发生融化。升温是剧烈的吸积过

    程所致，出现大量放射性元素(系超新星爆发时留在太阳系的

    物质)，还有就是因体积增大而造成压力剧增。最终，年轻的

    地球变得极端炽热，其大部融化成黏泥(gooey sludge)一

    般，而在此液化的过程中，地球的不同层次依密度重新排列，最终形成了它目前拥有的结构。

    较重的元素，主要是铁、镍及部分的硅，从炽热的黏泥渗

    透至地球的核心部位，形成金属核。而伴随地球的旋转，其核

    心部位产生了一个巨大的磁场，有效地保护了地球的表面，使

    其不受太阳风带电核粒子的侵害。较轻一些的岩石，如玄武

    岩，在地球核心的上部形成了第二层，厚度大约3 000千米，这

    种半熔化的岩石与气体和水混合，被称作地幔。火山爆发时喷

    出的熔岩就是从这里来的。而最轻的岩石，如多种花岗岩，则

    漂浮至地球的表层，待冷却固化后就形成了薄如蛋壳般的第三

    层，叫作地壳。如今的地壳被大洋和大陆所覆盖。在大洋底

    部，地壳最薄之处仅有5 000米的厚度，但在大陆，地壳最厚的

    地方可高达5万米。地壳最有意思的地方是它的化学成分。在地

    壳层，物质可以呈固态、液态和气态，而且可以经火山爆发、小行星撞击、年轻时代太阳的灼热及地球上最初大洋的缩合等

    反复加热或冷却。在地壳及地幔，热能与多种元素的循环造成

    了大约250种新的矿物质。 [2] 包括二氧化碳在内的各种气体和

    从火山口及其他地表石缝汩汩流淌出的水共同构成了第四个层

    面：地球最初的大气层(atmosphere)。而由小行星和彗星

    (comet)带来的各种气体、水源、复杂分子及其他物质又进一

    步丰富了地壳和大气层。

    炽热的熔芯使年轻的地球充满活力，因为总有能量从核心

    向外层渗透并搅动表层，致使表层温度升高，使地幔中柔软的

    岩浆循环往复，而地表还有星罗棋布的火山。来自地心的热能

    至今依然驱动着地球表层的变迁。如今，我们能够利用GPS全球

    定位系统跟踪地表的移动状况并由此得知：地球表层的地壳事

    实上每时每刻都在移动，移动的速度差不多和我们手指甲生长

    的速度相当，但最快时也有可能达到每年25厘米。地质学家把地球史划分为几个时段，其中最大的时段单位

    是宙(eon)。第一个时段被称作冥古宙(Hadean eon，意思

    是“像地狱一般的”时代)，从地球形成之初至大约40亿年

    前，此后太古宙(Archean eon)开始。假如你到冥古宙时期去

    拜访，就会发现当时的地球还处于吸积的剧变过程中，恰似一

    场撞车大赛在进行中。月球及其他行星上至今残留的猛烈撞击

    的痕迹说明，大约在40亿至38亿年前，内太阳系(inner solar

    system)依然处于小行星及其他迷失的太空天体大规模狂轰乱

    撞的时期。这一时期被称作后期重轰炸期(Late Heavy

    Bombardment)，其原因可能是木星和土星的变轨，结果大批天

    体被随机地抛向刚刚成型不久的太阳系。如今，大多数小行星

    处于木星和火星之间，就好像一个从未实现的行星的建材和支

    柱一般，原因是木星的引力拖拽实在是太强了。目前，据人类

    所知，这一区域尚有38万颗小行星存在。虽然大多数小行星的

    体积不大，但这么多游离的天体无论如何对系内行星是个巨大

    的威胁。 [3]

    研究地球：地震仪与放射性测定年代法

    尽管有好莱坞的制片试图说服我们，但我们人类的确还无

    法向地球的深处开挖。我们至多能向下挖掘约12千米，而这不

    过是地球半径的0.2%。在俄罗斯西北部的科拉半岛(Kola

    Peninsula)，人们就钻了这样一个洞，以便利地质考察。我们

    之所以能够了解地球内部的情况，是因为科学家们有另外一项

    巧妙的技术，大致相当于地质学家的X射线探测器。我们知道，地震会引发地球从内到外的震颤，地震仪就是用来测量地表各

    处地球震动的幅度的。通过比较各地不同的震级，我们就可以

    计算出震动从内部向外传导的速度和距离，我们还得知不同类

    型的地震经过不同材料的传导速度也有所不同，有些地震只能

    固体传导，而有些也可以通过液体传导。因此，通过使用不同

    的地震仪跟踪地震的传导情况，我们就可以获知地球内部的构

    造。

    在现代起源故事中，要确定地球的年龄及其他诸多年代数

    据只是到了20世纪下半叶才成为可能，而这一切都得自科学的

    灵巧和智慧。

    地球现代史的第一步是在17世纪启动的。当时，现代地质

    学的先驱们意识到：人们有可能把地球史上发生的事件进行排

    序，虽然还不清楚某些事件究竟是何时发生的。那时候，有个

    住在意大利的丹麦牧师叫尼古拉斯·斯丹诺(Nicolaus

    Steno)，他经过仔细地研究沉积岩(sedimentary rocks)，证明了不同岩层形成的顺序是可以确定的。所有的沉积岩都是

    一层一层地形成的，所以最底下的一层通常是最古老的，而穿

    透其他层次的沉积岩肯定地质年代更晚近。

    19世纪初，英国测绘学家威廉·史密斯(William Smith)

    发现，不同地区的岩层中确有完全相同的化石出现。一个合理

    的假定是：类似的化石一定来自相同的年代，因此，我们完全

    可以由此确认世界各地在历史上同一年代形成的岩层。把这些

    原理和数据叠加到一起，19世纪的地质学家们就成功绘制出一

    个地球史的相对年代表，这一时间表至今仍被现代地质年代测

    定系统所接受，其中最早的年代是寒武纪(Cambrianperiod)，因为这一层次沉积岩中的化石用肉眼都能看得非常

    清楚。

    但当时的人们并不知道寒武纪的确切年代，而且许多地质

    学家根本不相信仅通过岩层就可以确定历史发生的绝对年代。

    1788年，英国地质学家詹姆斯·赫顿(James Hutton)这样写

    道：“我们的发现可谓是前不见起点，后不见终点。” [4] 甚

    至迟至20世纪初，人们确定绝对年代的办法也不过是通过找到

    历史记录，以是否有人提到过为最终依据。也就是说，诚

    如“一战”后试图书写现代起源故事的韦尔斯所称，当时人们

    的绝对年代表仅仅能向前追溯几千年的时间。

    尽管韦尔斯还不知道，当时的人确实已经发现了一些线

    索，而这些线索最终让世人能够了解到更确切的历史年代信

    息。这里的关键是放射性测定年代法，其实所谓放射性是一种

    形 式 的 能 ， 早 在 1896 年 即 被 亨 利 · 贝 克 勒 尔 ( Henri

    Becquerel)发现。其原理如下：在诸如铀等原子核较大的原子

    中，由于带正电荷的质子较多，所以其强大的拒斥力会造成原

    子核的不稳定，直至最终原子核发生解体，并同时喷射出高能

    电子或光子，甚至整个的氦核。伴随部分原子核被抛出，该元

    素也发生了根本性改变，遂演变成只有较少质子的元素。比如

    铀最终会蜕变成铅。20世纪初，欧内斯特·卢瑟福发现：即使

    我们不能确定某个具体的原子核何时解体，但放射性衰变本身

    却是相当有规律的过程，尤其是在计算出数十亿粒子放射性衰

    变过程的均值之后。相同元素的同位素(isotope，即质子数相

    同但中子数不同)衰变速率不同，但各自的速率却是相当稳定

    的，因此，我们完全有可能非常精确地测定某种特定同位素中

    一半的原子衰变所需的时间。比如，铀238(有92个质子和146

    个中子)的半衰期(half-life)是45亿年，而铀235(有92个

    质子和143个中子)的半衰期为7亿年。

    卢瑟福因此认识到：如果能够测定样本真实衰变所需的时

    间，那放射性衰变完全可以成为地质学家考察绝对历史年代的

    一座地质钟(geological clock)。1904年，卢瑟福尝试测定

    了一份铀样本的衰变期，然后得出结论说：地球的年龄约有5亿

    年。这一基本思路是正确的，但他对地球年龄的估算值却引发

    了广泛争议，因为时人普遍接受的是地球年龄不超过1亿年，二

    者之间的差别毕竟太悬殊了。

    不过，随着时间的推移，越来越多的地质学家开始相信：

    地球的年龄可能比当初认定的时间要长得多。但放射性衰变测

    定年代的技术在当时还是难以掌握的，所以直到20世纪40年

    代，相关的技术问题才伴随“曼哈顿计划”的实施最终得到解

    决，“曼哈顿计划”不但制造出世界上第一颗原子弹，还开辟

    出了许多相关的新方法。要制造原子弹，就必须能够严格区分

    铀的同位素，这样才能生产出纯铀235的样本。美国物理学家威

    拉德·利比(Willard Libby)最终设计出区分并测定铀同位素

    的精密技术，而这对放射性衰变测定而言可谓至关重要。

    1948年，利比的团队成功测定古埃及法老左塞尔(Zoser)

    墓中器物的具体年代，该器物由美国纽约大都会博物馆提供。

    [5] 研究人员使用了碳14年代测定技术，碳14是碳的一种放射性

    同位素，其半衰期为5 730年，对研究诸如木质器物之类的有机物品非常实用。这使时人认识到：不同的放射性材料适用于不

    同的尺度，不同材料的年代测定也需要不同的放射性元素。对

    地质学家而言，铀衰变成铅的原理特别有用，而且还可以利用

    铀不同同位素衰变速率不同的原理实现交叉检验。 [6] 1953

    年，克莱尔·彼得森(Clair Patterson)利用铀衰变成铅的原

    理成功测定了一块铁陨石的绝对年代。彼得森还做出了正确的

    认定，即陨石是太阳刚刚形成后的原始材料构成的，而循此，便可以进一步测定整个太阳系的形成年代。根据彼得森的测

    算，地球的年龄大约是45亿年，比上述卢瑟福的测算要长得

    多。值得庆幸的是，彼得森测算出的地球年龄至今仍为人所接

    受。

    随着放射性测定年代技术的成熟，又有其他一些测定年代

    技术陆续问世，这样就可以实现多方相互确认。对于相对晚近

    的最近几千年的事件，我们还可以通过计数古树的年轮得到确

    认，比如狐尾松(bristlecone pines)，这种树的寿命往往长

    达几千年。天文学家有自己独特的方法确认宇宙史的年代；生

    物学家发现DNA的进化相当有规律，所以可以通过比较两个物种

    基因组(genomes)的差异来确定其相对祖先分化的程度。这类

    技术都是建立在对过程——比如放射性衰变——的悉心研究基

    础之上，还使用了各种精密的测算仪器，因此，我们的现代起

    源故事正是围绕这种精确的历史年表展开的。

    迄今为止，我们所看到的是复杂性实体的生发，虽有趣，但还没有生命。不过，我们马上就要抵达另一个至为根本的节

    点，即生命的出现。有了生命，我们会看到一种全新的存在类

    型，更高的复杂程度，还有一系列的新概念，包括信息、目

    的，甚至还有自我意识。

    [1] Peter Atkins, Chemistry: A Very Short Introduction (Oxford:

    Oxford University Press, 2015), loc. 788, Kindle.

    [2] Robert M. Hazen, “Evolution of Minerals,” Scientific American

    (March 2010): 61.

    [3] John Chambers and Jacqueline Mitton, From Dust to Life: The

    Origin and Evolution of Our Solar System (Princeton, NJ: Princeton

    University Press, 2014), 7.

    [4] Doug Macdougall, Why Geology Matters: Decoding the Past,Anticipating the Future (Berkeley: University of California Press, 2011),4.

    [5] Doug Macdougall, Nature’s Clocks: How Scientists Measure the

    Age of Almost Everything (Berkeley: University of California Press, 2008),58–60.

    [6] Tim Lenton, Earth Systems Science: A Very Short Introduction

    (Oxford: Oxford University Press, 2016), loc. 1297, Kindle.第二篇

    生物圈

    第6章

    大型生命体与生物圈

    动物可能只是进化蛋糕上的一层糖霜，细菌才是蛋糕

    本身。

    ——安德鲁·诺尔(Andrew

    Knoll)：《壮年行星上的生命》(Life

    on a Young Planet )

    大型生命体

    小型生命体统治生物圈长达35亿年之久，甚至到现在还统

    治着生物圈的大部分。从卢卡到大型生命体——最初的多细胞

    生物或后生生物(metazoans)——的最初问世，经历了足足30

    亿年的时间。由此可知，进化出多细胞生物要比原核生物复杂

    得多。这一事实同时说明，即使宇宙中有各式各样的生物存

    在，后生生物也必定非常罕见。后生生物的问世代表生物已经

    进化到一种新的复杂水平。

    多细胞生物的进化，需要多种分子机制事先就位。首先，须有把数以百万计的细胞精确结合到一起的可靠方法；其次，须在细胞间建立新的信息交流通道，为细胞培养特别的角色定

    位，在数十亿个细胞间实现信息与能量的管理和共享。此外，还需能够制造翅膀、眼睛、爪子、心脏、触须、触角、鳍、壳、骨骼等的机器，因为大型生物要能够接收、处理并对更多的信息做出反应，所以还需要大脑。新的基础设施还真不少

    呢!

    但要进化出这套机器就需要时间。而且在地球上进化出后

    生生物，还必需另外一个金凤花条件——稳定性。仅有对生命

    进化有利的条件还不够，关键是这种条件还必须能够持续相当

    长的时间，以使生命体能够不断地进化和尝试。太阳本身的稳

    定帮了大忙，而且太阳似乎很适合这项工作。按照恒星的标准

    看，太阳是非常可靠的公民，不太可能做出太不可预测的事

    情。星体运行轨道不稳定就意味着气温会大起大落，所以说稳

    定的行星轨道也帮了不少的忙。我们的地球在这方面完全称

    职。我们的月球相比之下也是超常地大，而这也有助于稳定地

    球的轨道并保持一定程度的倾斜。还有，正如我们此前所看到

    的，板块构造、侵蚀和生命体本身共同创造出了一个地表恒温

    器，从而使地表温度不至波动过大。

    在这样一个复杂进化的过程中，可能出错的地方真的是很

    多的。邻近的恒星系统中有可能出现超新星大爆发，地球有可

    能与另一颗行星发生致命的碰撞。但不管怎么说，我们的地球

    还是安然无恙地避过了上述危险，而且在过去的30亿年里一直

    适合生物生存。这就为大型生命的进化提供了足够的时间。大

    型生命体真的很大的。我们人类相比细菌，就像迪拜830米高的

    哈利法塔(Burj Khalifa)相比一只爬过看门人鞋子的蚂蚁。

    大型生命体一旦问世，将在极大程度上改造整个生物圈，正如此前小型生命体所做的那样，只不过前者是以更为新颖的

    方式。后生生物占据了所有大陆，并改造了大陆的面貌。大型

    植物把岩石粉碎成土壤，加速了风化，把早期地球怪石嶙峋的

    表面，连同其布满叠层石的海岸线，变成了郁郁葱葱、格调奇

    异的花园、森林和热带草原，而且就发生在过去的5亿年间。而

    且伴随绿色植物把氧不断输送到空气中，整个大气层都被改造

    了。大约从4亿年前开始，地球已开始适应高氧(氧气占到整个

    大气的15%以上，而非此前低于5%的标准)、低二氧化碳(现在

    是百万分之几百的样子，而不是此前的百万分之几千)的新的

    大气构成。各种动物在大型植物创造出的新的生态位

    (niches)中漫游，同时有真菌和细菌清理、分解并回收死亡

    动物的遗骸。后生生物还改造了海洋，使海洋中充满了各种稀

    奇古怪的新生物，从虾到海马、从章鱼到蓝鲸。

    使大型生命体得以成型的分子器件

    在过去的10亿年里，细胞最重大的创新不在细胞内部(这

    部分工作主要是原核细胞完成的)，而是在细胞之间关系不断

    变化的架构。最早的多细胞生物细胞间的结合还非常软弱无

    力，就像上面提到的数以十亿计的叠层石聚合到一起那样。更

    准确地说，叠层石只是聚到一起而没有多少组织。事实上，许

    多细菌也只是类似这种聚集的行为，细胞之间仅限于非常基本

    的通信交流。在实际操作中，这意味着每个细胞内的计算网络

    被连接到由许多不同的细胞组成的计算系统中。

    早期的某些后生生物很可能只是兼职的，就好像现代的黏 ......