目录
Content

- 内容简介

- 作者及译者简介

- 专家推荐

- 书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（1）

- 书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（2）

- 书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（3）

- 书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（4）

- 书评：为宇宙立传（1）

- 书评：为宇宙立传（2）

- 书评：引爆眼球，更引爆思想（1）

- 书评：引爆眼球，更引爆思想（2）

- 目录

- 前言

- 引言 天空的诱惑（1）

- 引言 天空的诱惑（2）

- 引言 天空的诱惑（3）

- 插图（1）

- 插图（2）

- 插图（3）

- 插图（4）

- 插图（5）

- 章序

- 时间的开始

- 宇宙的尺度

- 自然界中的力

- 越大越冷

- 宇宙的同谋论

- 疯狂的暴胀

- 生活在一个平坦的宇宙中

- 暴胀之后

- 章序

- 大爆炸的回声

- 光的屏障

- 在时间上回看

- 引力，宇宙的力

- 昏暗时代

- 恒星能量的源泉（1）

- 恒星能量的源泉（2）

- 光谱

- 首批恒星的命运

- 黑洞，一个单向的旅程

- 超新星

- 伽马射线暴

- 相对论——观测者的指南

- 虫洞，现实还是科幻小说

内容简介

内容简介：

一百年前，我们甚至不知道银河系的存在，而今天我们已经知道宇宙大约起源于137亿年前，它由数以十亿的星系组成；

一百年前，我们还无从判断宇宙中是否有其他类似太阳系的行星系统，而现在我们已经找到了200多颗围绕银河系其他恒星旋转的行星，并且在探索生命起源的征途中，我们正不断的向前迈进；

一百年前，我们还只能用光学望远镜和照相干板研究天空，而现在我们采用最尖端的科技，从射电波段到伽马射线，从地面和空间来观测宇宙。

为什么会选择“大爆炸”这个题目？为什么背景截然不同的三个人会聚集到一起，满怀热情地花费两年时间，反复推敲，完成了这部关于“大爆炸”的着作？因为他们相信，每一个聪慧而好奇的人都应有机会听到它－－这个用一种通俗易懂的语言来讲述的奇异故事。这就是“宇宙通史”－－其中的理论只是在最近才开始被人们所接受。

这是一场“大爆炸”！空间、时间、物质以至宇宙都诞生在137亿年前。从这个不可思议的渺小的起始，以令人难以置信的速度膨胀着。布赖恩·梅、帕特里克·摩尔和克里斯·林陶特一起解释了这一切是如何发生的：从空间和时间开始存在的那一刻，到第一批恒星、星系和行星的形成，以及人类演化到能够反省自身的来历和归宿；在此之后，直到无限遥远的未来，那时地球早已被变成红巨星的太阳所吞没。这个故事是用清晰而直截了当的词语讲述的，严格按照事件发生的顺序，没有用到晦涩的数学。

“大爆炸”是一个引人入胜的故事。这是一部虚构的小说吗？作者们希望不是，因为它是建立在像阿尔伯特·爱因斯坦、斯蒂芬·霍金这样的伟大科学家们毕生的研究工作的基础上，其中也包含着我们这个地球成千上万个杰出头脑的贡献。

一起来欣赏这个故事，并让你的想象飞翔吧！

作者及译者简介

作者简介：

帕特里克·摩尔爵士（Sir Patrick Moore） 大英帝国司令勋章获得者、皇家学会会员、皇家天文学会会员。终生研究月球，是许多月面特征的发现者，特别是在难于观测的边缘区域。他也是现代天文学的一位着名的诠释者。他主持的每月一次的BBC电视节目《夜空》，对宇宙探测和天文学的进展进行介绍。这个节目创办于1957年，那年世界上第一颗人造地球卫星斯普尼克1号发射升空。也就是从那时起，帕特里克就成为了一个家喻户晓的名字。他曾无数次地出现在广播和电视节目中，撰写了数百部书籍和文章，并在世界各地举办过讲座。他曾经激励了几代职业天文学家和天文爱好者，把他们一生的热情投入到这个迷人的领域里。

布赖恩·梅 大英帝国司令勋章获得者、名誉博士、皇家科学学院准会员、皇家天文学会会员。他是《夜空》节目的固定撰稿人，还是许多慈善机构的捐助人，例如墨丘利凤凰基金会、英国骨髓捐献协会等。布赖恩也可以被称为“梅博士”，因为赫特福德大学授予了他自然科学的荣誉博士学位。要联系布赖恩并分享他从相对论到摇滚乐等诸多方面的工作进展与心得，可以访问他的互动网站www.brianmay.com

克里斯·林陶特博士 皇家天文学会会员。2000年加入《夜空》节目，作为帕特里克的共同主持人而着名。他在剑桥大学麦格达伦学院研究自然科学，最近在伦敦大学学院获得了天体物理学博士学位。他现在在牛津大学从事从早期宇宙到银河系中恒星形成的研究。

译者简介：

李 元 1925年生于太原，资深科普工作者，已从事科普事业60多年，中国科普研究所研究员。曾在中国科学院紫金山天文台、北京天文馆、中国科协工作。编着校译图书数十种，科普文章、论述近千篇。是北京天文馆创始人，曾获中国天文馆事业的先驱者奖状，建国以来成绩突出的科普作家证书，北京市和全国个人科普先进工作者称号。为中国太空美术事业的开拓者。1998年获国际天文学联合会授予的国际编号6741号小行星命名为“李元星”的殊荣，以表彰他对科普事业的杰出贡献。

专家推荐

图书亮点：

★ 英国皇家学会安万特科学图书奖提名作品！

★ 英国泰斗级天文科普大师帕特里克·摩尔等精心打造！

★ 翻译由中国天文馆事业的先驱者奖状获得者李元担纲

★ 中国科普作家协会理事长刘嘉麒真诚推荐

关于宇宙演化史主流观念最全面、最通俗的佳作！揭示了宇宙所具有的超乎寻常的秘密！

★ 大量高清图片来自哈勃望远镜，为您呈献震撼的月面沟壑山谷细节，木星的云带条纹和它迷人的伽利略卫星，土星的光环和遥远的璀璨星团，这些一定会给您带来无限的惊喜！

★ 采用最尖端的科技，展示了宇宙演化的全部历史，从射电波段到伽马射线，从地面和空间来观测宇宙，为您描绘宇宙的过去、现在和将来！

★ 封面逼真震撼，是一本值得珍藏的科普佳作！

专家推荐：

北京天文馆衷心希望每个人都能阅读本书，并在阅读的过程中获得丰富的天文体验！以及重新认识我们在宇宙中的位置，从而激发个人的探索发现精神。

★宇宙是科学的殿堂，探索宇宙是人类永恒的科学主题。从哥白尼提出地动说到伽利略发现新宇宙，从爱因斯坦的相对论到霍金的时间简史，许多伟大的科学家都在探索宇宙的征程中展露非凡的才华，成为科学的巨匠，宇宙的骄子。

由英国皇家学会会员、科普大师帕特里克·摩尔爵士（Sir Patrick Moore）等撰写，中国着名翻译家、科普作家李元组译的《大爆炸－－宇宙通史》以现代科学研究的最新成果为基础，运用精美的语言和画面，从大尺度的时空描绘了宇宙的过去、现在和将来，展示了宇宙演化的全部历史，是当今有关天文学的最佳大众读本，我作为一名读者，感谢广西科技出版社把它介绍给中国读者。

－－中国科普作家协会理事长刘嘉麒

★《大爆炸－－宇宙通史》 文字引人入胜，图片大多直接来自哈勃望远镜，令人大为赞叹！

－－自由时报

★《大爆炸－－宇宙通史》文笔极为优美，通俗易懂。

－－BBC《天空之夜》杂志

★ 对于宇宙的过去和未来的奇妙之旅。

－－时代周刊

书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（1）

不止是“宇宙诞生自大爆炸”，

还能引爆思想

－－推荐《大爆炸－－宇宙通史》一书

王鸣阳

听到敲门声，开门，从快递员手中接过一个快递件。什么？是科普期刊《科学世界》按例寄来的新出版的一期杂志？－－不像，太重。拆开一看，眼睛一亮，原来是装帧和印制都十分精美的一册科普图书。书名是《大爆炸－－宇宙通史》，使用重磅彩印纸，全书编码191页，精美图片占了一半以上篇幅。有些好奇，找出小弹簧秤称一下，足足900克！

我做科学编辑一生，退休前，每次检阅出版部门刚送来自己的编辑工作成果－－装帧简陋的中文译本样书，再瞥见放在案头的装帧豪华的原文书，总有一种穷人站在阔人面前的那种寒碜感，心中不免酸溜溜的。不是不想装帧好一些，当时的物质条件不容许，奈何！我见到这本《大爆炸》中文译本眼睛为之一亮的感受，如今的年轻人大概是不会有的吧，－－毕竟时代不同了！

《大爆炸－－宇宙通史》是一本天文学科普书，标题是“大爆炸”，其实内容并不只是介绍宇宙之初的那场大爆炸是怎么回事而已，诚如副标题的提示，而是讲述了宇宙从万物肇始到今天的全部演化历史－－宇宙通史，并简略预测了宇宙的未来。

“大爆炸”本来是相当深奥的宇宙论术语，如今已经成为大众媒体上出现频度很高的常见词语。遗憾的是，由于大众媒体的报道大多属于科技新闻性质，对于大爆炸，往往只告诉了读者“宇宙诞生自一次大爆炸”这样一个新奇的“就是这样”的“结论”，而无法通俗解释科学家做出这个令人吃惊的推测的理由。如果仅此而已，那是不可能真正起到“帮助公众了解科学”的作用的，常常还会使公众愈发感到科学神秘莫测，甚至引发一些对科学的误解。比如说，在听说“宇宙诞生自大爆炸”这个“结论”的人群中，据我所知，就有人觉得研究那追溯到不可思议的久远的过去137亿年以前的事，不过是科学家古怪头脑中的“奇妙想象”，是在“画鬼”，是无法检验的事情；又有人把“科学”视为“不懂也信仰”的宗教，听说是“科学结论”，便笃信“权威”，以为那就像地球围绕太阳旋转一样已经是确凿的事实。在经常接触大众媒体的人群中，包括许多在其他方面学识不低的知识分子，知道宇宙起源于“大爆炸”的人很多，而知道科学家是如何得到这样一个结论的人却很少。其实，“宇宙诞生自大爆炸”既不是科学家讲述的天方夜谭，目前也还不是已经被确证为事实，而是探索宇宙起源问题的研究者根据已有的然而又远非充分的事实构建的一种合理假说，还不是问题的最后答案。研究还在继续，必然还要继续！

宇宙是不是起源于一次大爆炸同我们普通人的生活实在没有多大关系，对于我们来说，了解“大爆炸”，与其说是要搞清楚宇宙究竟是不是起源于一次“大爆炸”，毋宁说是要了解现代科学家对于我们所在的这个宇宙正在进行怎样的追根寻底的探索。了解科学前沿对宇宙起源的这种艰巨探索，知道研究者在这种探索中如何有意识地将现有的物理学基本理论（相对论和量子论）应用于极端条件进行检验，并尝试对物理学理论做出新的突破，将有助于我们深入了解今天的科学。这才是我们这些热爱科学的普通人阅读包括这本《大爆炸》在内的关于宇宙起源的科普图书的意义所在和兴趣所在。《大爆炸》一书讲述的是现代科学正在逐渐揭秘的宇宙历史，犹如一个科学探案故事，应用的是科学知识和科学方法，那么，读者跟随研究者的探索思路自然便能够学习或复习到许多物理学、化学和天文学等知识，并看到他们如何巧妙地运用这些已有的知识去探求未知。在这个科学前沿，你还能看到不同观点的争议和竞争，真正的百家争鸣，那也是很有意思和能够得到启发的。

书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（2）

《大爆炸》一书讲的是对宇宙起源的探索，这里会提出许多合理的假定，又有不少本来是使用深奥的数学工具加以严格定义的违背常识的奇妙概念，诚如本书翻译工作的组织者、我国着名天文科普专家李元先生所指出的，我们这些外行读者－－这本书的对象－－是很难完全读懂的。不过，对于这类介绍科学前沿的“尚未完成的理论”（假说）的科普图书，所谓“读懂”，本来就不应该是指毫无质疑地全盘接受“就是这样”的所谓“定论”。就这类科普书的宗旨而言，读者如果具备有基本的天文学知识，还是应该和可以读懂的。这本书封面书名上方有一行提示语“引爆的不仅仅是眼球，还有思想”，点出了作者写这本书的指导思想。这本书中的许多精美的天体图片足以让读者眼睛发亮，所介绍的许多违背常识的事物、现象和观点也足以让以前没有接触过宇宙论问题的读者目瞪口呆，然而作者写这本书的主要意图却是希望“引爆读者的思想”。在这个意义上，外行人不必拘泥于一时难以准确把握的个别概念和个别推理链环，对于研究者进行探索的方法和思想脉络还是可以大体理解的。至少，从中我们可以看到，思想一旦得以“引爆”，冲破牢笼，该会有多么大的威力。

此书作者在序言中写下的一段话可以说是对宇宙起源研究方法乃至科学研究方法的一个通俗概括，也可以说是对于如何阅读这本书的一种提示，非常重要，不可忽略，故摘引如下：

“大爆炸理论（更准确地说，是一套理论）如其所说，仅是一种理论。我们对于所居其中的宇宙进行观察与得到的事实证据，需要创建思想的模型与之拟合。在天文学中，不断有模型被采纳，或被抛弃。因为远未找到所有事实，所以如果几年内我们这本书还不需要大规模重写的话，会令人感到很新鲜。当然，我们在这里所讲的故事是出自目前大多数天文学家都认为比较好的一个模型。”

作者在这里指出科学研究需要“事实证据”，同时也需要运用理性思维“创建思想模型”，并提醒读者，“在天文学中，不断有模型被采纳，或被抛弃”。事实上，在科学上，从来没有什么“唯一正确”、“亘古不变”或“放之四海而皆准”的理论，不仅“远未找到所有事实”的尚未完成的理论（“假说”）是如此，即使已经完成的理论（如相对论和量子论）也仍然必须不断接受新的检验。这段文字的最后特别提醒，这本书所介绍的大爆炸理论是“目前大多数天文学家都认为比较好的一个模型”，表述了科学是人所从事的活动和“模型”是人所得到的认识的观点，也就重申了科学成果得到承认是通过“同行评议”的规则，否定了某些人以为“科学成果”可以是自我标榜，或者是需要依靠“权威”担保、媒体“炒作”的那种误解。

书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（3）

“引爆思想”当然不是狂思乱想。本书引言“天空的诱惑”的最后一段话对于什么是科学思维以及在科学思维中事实和理论之间的关系也有很好的说明：

“……为了解释一个观测事实，就需要提出某种理论，通常会用这个理论做出预测。这个预测可以通过新的观测进行检验。如果预测被证实，那么我们得到了一个‘好’的理论，反之，我们必须重新予以考虑。在接下来的章节中，我们将使用最经得起当前实验天文学检验的理论来构建宇宙历史的模型”。

我们在阅读这本书时，最重要的是要注意提出一个理论所依据的观测事实是什么，这个理论最后做出了怎样的可以通过新的观测接受检验的结论，万不可混淆了事实和理论（假说）。以这种方式阅读，我们对于书中的论证，有的认同，有的质疑，就能够保持思想活跃，“引爆”自己的思想，从中获益，加深自己对科学本质的认识。

例如这本书中曾提到的“平行世界”，那是从宇宙是一个超过三维的空间的假定提出的一种假说。“多维空间”，简直就像是科幻小说中的遐想，十分玄妙，难以想象。其实，这个理论的提出者哈佛大学的丽莎·兰道尔（发表“翘曲额外维模型”）自己就承认，“我本人不具备想象我们所构建的这种图象所必需的那种形象思维能力”。同时她又说：“‘眼见为实’，这种想法有时是对的。但是，有时候也必须要摆脱‘眼见为实’这种成见。可以说，就整个物理学而言，这是必须放弃的成见。我们谁也没有直接看见过原子或者夸克，然而，种种检测技术都已经证实了它们确实存在。这难道还不能说明不能囿于眼见为实的成见，抽象思维的重要性吗？”事实上，研究宇宙论的科学家在进行抽象思维时更多用到的工具是数学，而不是形象。再如，媒体关于彭罗斯和霍金一起发表“奇点定理”的报导，非常简单地将其结果概括为他们发现了“宇宙诞生自一个奇点”（奇点：质量集中在大小为零的一个点上，因而密度为无穷大）。然而，彭罗斯本人就曾对他们的理论的意义进行过澄清：“奇点这个词给人印象好像本身暗示了什么，其实，那不过是‘这个数学模型用在这里不很合适’的意思。”对于有的媒体称“彭罗斯博士和霍金博士证明了宇宙中真实存在着密度无限大的点”的那种说法，彭罗斯则说，“太遗憾了。面向大众的解释的确常常就是这样写的。……不过，我的真正意思其实是‘需要有新的理论’。”由此可见，媒体的过于简略的猎奇报导是很容易产生误导的。甚至有研究者指出，出现伪科学的原因之一就是这类失败的“科普宣传”。

书评：不止是“宇宙诞生自大爆炸”（4）

因为工作关系，我在上世纪70年代曾对我国科普书的出版做过一个星期的调查，发现我国科普图书的出版在上世纪二三十年代就开始形成我称之为的“三大永恒主题”，即生活类、生态类和天文学类。这天文学类，按说同普通人的生活关系最小，为什么也能够成为科普教育的主题而且得到读者的喜欢呢？我的经验是，我阅读天文学科普书是记不住诸如“土星有多少颗卫星”那样的死知识的，但是我总是能够从三个方面得到思想启发。第一是见怪不怪。在天文学领域我们会知道许多在日常生活中见不到的事物和现象，甚至是完全违背我们日常经验常识的不可思议的事物和现象，这就在潜移默化中会使我们养成一种开放的态度，能够比较理性地接受那些起初并不理解，而事实证明是正确的新观念。第二是理性思维或者说理论在我们认识世界的过程中的巨大作用和威力。我们人类用眼耳鼻舌身来感知周围的事物，然而所能达知的范围十分有限，这就必须使用工具来延伸我们的感知范围。但是，用工具获得的信息必须解码，即必须利用理性加以合理解释，才能够被我们正确感知。比如说望远镜，我们今天都相信通过望远镜看到的月球表面的那些阴影是月面上的环形山，其实这也并非不证自明，当400年前伽利略发表他的用望远镜看到的结果时，也是有许多人怀疑的。至于说微波背景辐射是支持宇宙大爆炸的一项观测证据，就更需要具有说服力的解释了。第三是科学没有终极结论。在天文学表述的结论中，常能看到“根据××理论”，“据认为”之类不下最后结论的留有余地的话。人活不过百多年，人类文明不过几千年，活动范围也基本上被限制在地球上，同天文学的大时间和大距离尺度相比，简直就是渺小之极。人类面对自然和宇宙不能自大，“征服自然”已经是自不量力而且已经自食苦果，而要完全了解自然也不是我们这一代人或者再经过若干代人就能够完成的事情。科学结论既不是单纯的“眼见是实”，也不是只靠“逻辑思辨”取得的结果，更不是无须事实证明的“信则灵”，即使已经确证是正确的结论，也还仍然需要接受检验。科学总在前进，已有的科学认识终将被未来的新认识所替代，这是人类具有的在认识论意义上“认识的无限性”的体现，也表现了人类对自己能力的真正自信和对未来的信心。

总之，我们阅读《大爆炸》一类天文学科普书，能够预期的最大收获是能够“引爆思想”。

王鸣阳，资深编辑，原科学出版社编审，我国着名科技翻译家。主要译着有《世界史上的科学技术》《终极抉择：威胁人类的灾难》《剑桥大学丛书》《科学世界》《起源》等数十部。

书评：为宇宙立传（1）

为宇宙立传

李元

宇宙是什么？天体是什么？成千上万颗星星是什么？它们从哪里来？又往何处去？远古的人类和星空最亲近（那是夜晚没有灯光照耀的世界），但他们并不了解星星和日月的运行和变化。人类自文明诞生以后逐渐发展了科学技术，但对宇宙的了解仍然有限。400年来无数的望远镜和各种科学仪器指向天空，对天体进行观测、搜索、计量、摄影、分析、研究。直到人造卫星上天，太空时代来临，各种科学探测器飞出地球，从太阳系里发回许多信息、照片、资料，又有多种空间望远镜飞上太空全面扫描各类天体，给人类带来无限惊喜，展示给我们见所未见、闻所未闻的事物和景象，还有许许多多的疑问等待人们去研究。还有宇宙中神秘的暗物质又在哪里？它们又是什么？它们在宇宙中的位置、能量、作用几何？近年来更引人注意的是寻找太阳系外的行星特别是类地行星上可能存在的生命形态和地外文明更是人们的兴趣焦点。虽然地球上的事物演变已经千头万绪，十分复杂，但天上的事，也不能忽视，我们需要去仰望星空，因为地球是宇宙的一员，我们不能不去了解地球的宇宙环境。

《大爆炸－－宇宙通史》这本书，正是在时间和空间上以大尺度的宏观规模去读宇宙的过去、现在和将来，也就是宇宙演化的全部历史。这本书也是我看到过的这方面的最佳读物之一，它的作者都是这方面的专家，既深入又浅出地把宇宙的故事娓娓道来，更让人高兴的是当今世界的天文科普大师帕特里克·摩尔也是作者之一，那就可知本书的质量和分量了。

这是一本很值得阅读的书，当然也不是轻易就能读懂的，读者起码要有一定的基础科学知识。

在我们银河系中的太阳系里，生命偶然诞生在地球上，又经过漫长的年代终于有了高级智慧生命人类（在宇宙间难道只有地球人最聪慧吗？天晓得！谁又敢说？）。人的个体不大，寿命最长也不过百十来岁，但是通过多少代人的努力探索特别是借助望远镜发明400年来科学的迅速发展，人类探索宇宙的广度和深度及其速度都达到了空前的程度，所以2009年被联合国宣布为国际天文年。通过科学和技术的协力，才能有足够的研究成果提供给科普作家写出这类宇宙演化史的着作。就以本书为例，作者都是这方面的专家和能手，甚至还有科普大师，他们能把如此复杂而漫长的以十亿年百亿年为尺度的宇宙演化史，通俗有趣地纳入这本不太大的书中。如果能通晓这本有趣的宇宙史的话，你就会了解人类在宇宙中的位置以及探索宇宙的意义。在人类短促的科技发展道路上，居然能从一百几十亿年前的创世时代跨越到文明昌盛的现代，而且还能展望几十亿年以后的未来图景，这实在是了不起的事情。

书评：为宇宙立传（2）

本书的作者之一是帕特里克·摩尔，他是令人尊敬的把一生全部献给天文学的传播和发展的当代科普巨人之一，不止在英国，在全世界他都是一位科普明星！1995年我去参观美国帕洛马山天文台着名的5米直径的海尔望远镜时，天文台的展厅中播放的生动说明就是帕特里克·摩尔亲自讲解的。5米巨镜不但是美国的国宝，也是世界级的科技成就，是人类探索宇宙的一个里程碑，而介绍这架观天巨镜的人，不是美国人，而是英国的帕特里克·摩尔！在20多年前我曾有幸和他通信，得益良多，也从他和他的朋友处了解到他的一些情况：他一直独身生活，进行了大量科学活动，编着了许许多多、各式各样的天文科普书刊，他也是BBC的明星。他身材魁梧，但要把他所有的编着书刊都叠加在一起，肯定要超过他的身高好多，可以说是着作超身。他还是一位音乐爱好者，并会作曲。他今年86岁，仍然活跃在群众中。

本书还有一大特点就是真正的图文并茂，书中附有大量大幅的色彩绚丽的天文图片，很多是别处未见的，均是精心挑选出来的。2009年是国际天文年，本书的中文版的翻译出版是对国际天文年的一份献礼。

我还想借此机会和读者谈谈我对这本书的看法。对一般读者来说，能全部读懂而且有所领悟和感到乐趣那当然是最理想的。但是有些读者可能不会一下都读懂，也可以把喜欢的容易理解的部分先读，以后随着自己科学基础知识的增长，自然会把这本书消化。那么漫长的宇宙演化全史，不可能那么快地全部理解。我还建议，如果需要，可以顺便去读一两本有趣的较全面的天文科普读物（这类读物书店里多的是），这样也有助于读懂本书。

本书中讲认识星座的那部分以及所附的星图有些过于简单，对此有兴趣的读者可以看看图文并茂的谈星座的书以补此书的不足。

也许有的读者会有疑问，这本书里某些章节所论述的过去和未来的图景是否可信？是否是宇宙演化的必然途径？宇宙在数以十亿百亿年计的漫长岁月中演变，宇宙间的任何生命或智慧生命都是绝对无法看到它的全程的，甚至去研究和推论宇宙的演化历程也都是十分艰难的。在宇宙间也许有些智慧生命所达到的科技程度远远超过我们，也许他们有和我们地球人完全不同的展望和结论，这也未可知。

从现实意义上说，那137亿年以前也好，50亿年以后也好，对我们现在的“地球·人类·社会·个人”都没有太多的影响和关系。在我们的现实生活中，只有尊重自然界的客观规律，爱护环境，保护地球，建设我们的家乡和祖国，才能对人类作出有益的贡献，才能有一个和平共处，和谐共有的人类大家庭，才不至于把在宇宙中不断运行的美好地球破坏摧残，自毁家园。我想这应该是我们读过本书，获得更开阔的视野和更新思想之后应有的积极态度。

李 元 1925年生于太原，资深科普工作者，已从事科普事业60多年，中国科普研究所研究员。曾在中国科学院紫金山天文台、北京天文馆、中国科协工作。编着校译图书数十种，科普文章、论述近千篇。是北京天文馆创始人，曾获中国天文馆事业的先驱者奖状，建国以来成绩突出的科普作家证书，北京市和全国个人科普先进工作者称号。为中国太空美术事业的开拓者。1998年获国际天文学联合会授予的国际编号6741号小行星命名为“李元星”的殊荣，以表彰他对科普事业的杰出贡献。

书评：引爆眼球，更引爆思想（1）

引爆眼球，更引爆思想

－－从《大爆炸－－宇宙通史》说起

王直华

2009年12月21日，张桂宜编辑在电话里兴奋地对我说：“我们又出了一本好书！是李元先生等翻译的。”“好哇，快寄给我来欣赏！”

不等我提问，他又说起了他们去年出版的《男孩的冒险书》：“这书已经售出了11万册！”我想，《男孩的冒险书》受到欢迎，有一个原因：它契合了公众对男孩成长的关切。

24日，我从远郊回到家，就看到茶几上那本精美的大书《大爆炸－－宇宙通史》。人们评价传播媒介，不是有个指标叫“粘着度”吗？才读了《中译本前言》、《引言 天空的诱惑》、《第一章 万物肇始》，我就让它给“粘”上了。这书为什么有如此高的“粘着度”？

《大爆炸－－宇宙通史》对我有吸引力，当然首先是因为我对热大爆炸宇宙学有兴趣。紧接着的重要因素，就是因为我感到这本书“可信”。我到书店选书、买书，如果对这书所谈话题感兴趣，便首先要了解作者、翻译者和出版者的专业背景。《大爆炸》的三位作者，布赖恩·梅、帕特里克·摩尔和克里斯·林陶特，都是英国皇家天文学会的会员，自然是热大爆炸宇宙学的行家里手。他们又都是BBC电视节目《夜空》的主持者或撰稿人，又自然拥有不俗的表达力。特别是帕特里克·摩尔先生，李元说他是“把一生全部献给天文学的传播和发展的当代科普巨人之一，不止在英国，在全世界他都是一位科普明星！”

翻译者团队，可谓阵容强大。应广西科学技术出版社的特邀，李元先生负责组译这本天文科普着作。李元先生是我尊敬的科普界的元老。他的天文科普作品，他的科普报告，受到公众，特别是青少年的广泛欢迎。只要举出这样一件事，就足以说明他的成就：为了表彰李元对天文科普事业做出的杰出贡献，1998年国际天文学联合会将国际编号6741号小行星命名为《李元星》。为了组织翻译这本书，李元请来“一些年轻的同行，他们大多具有博士学位，是年富力强的后起之秀，也都在北京天文馆工作，也大多是天文爱好者出身，有实地的天文观测和天文科普工作经验。”这样一个由天文学家兼天文科普专家组成的翻译团队，使翻译质量得到了保证。阅读《大爆炸》，我感觉很畅快，这是一本内容可信引人、文字平易近人的科普图书。

阅读《大爆炸》，我用八个字形容它的文字内容：丰富新颖、说理清晰。作者对许多问题的阐述，会给天文爱好者带来豁然开朗的感觉：为什么说宇宙是“有限而无界”的？为什么在大爆炸后30万年，宇宙变得透明了？第一批恒星在形成的时候，含有哪些元素？为什么所有行星以同一方向绕太阳公转？为什么有暗物质？为什么有暗能量？《大爆炸》解秘的有趣问题，很多很多。

书评：引爆眼球，更引爆思想（2）

见字如面，读文如面。读着李元先生的《中译本前言》，就如同坐在他对面，听着他热情、诚挚的讲话。《中译本前言》说：“这是一本很值得阅读的书，当然也不是轻易就能读懂的，读者起码要有一定的基础科学知识。”这话很真诚，很实在。我不是研究天文学、宇宙学的，仅仅是个爱好者。自从进入科学传播领域，我很关心热大爆炸宇宙学的进展。1965年齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射，1989年发射宇宙背景探索者卫星COBE，2001年发射第二代宇宙微波背景探测卫星WMAP，迈出这三步，宇宙学已经发展成精确科学。这些背景知识，使我读《大爆炸》方便了许多。

在表现手法上，《大爆炸》不是通过科学家故事来展开的。它是“宇宙通史”，它带领我们知性地去阅读宇宙的过去、现在和将来。我们在为追求新知而读书的时候，要有遭遇困难的心理准备。用力向上跳起，够着果子，把它采下，你会有成就感。不需要费力就轻易获得了果子，你可能没有什么美好的感觉。读得懂，固然可喜；读不懂，更要知难而进、破难而进。当你通过自己的认真思考，理解了书中的内容；或者通过查找参考资料、书籍，获得了圆满的解答，都表明你在“学会学习”的道路上前进了一大步。与“读图”、“浏览”和“读故事”相比，深度阅读更有益于培养我们的想象力和创造力。

《大爆炸》最吸引眼球的，是它有大量精美的彩色天文图片。《大爆炸》采用的开本，是889mm×1194mm 1/16。用大幅彩色照片呈现天文尺度的场景，将宇宙的壮美淋漓尽致地展示在读者面前。我请编辑帮忙数了一下，此书共有彩图211幅，大体上每页都有一幅或两幅。《大爆炸》俨然是一本大画册，不仅可读，而且可赏。

人的思维有三：知、情、意。人的趣味有三：知趣、情趣、意趣。科普作品分类有三：重知趣的作品，重情趣的作品，重意趣的作品。知趣、情趣、意趣兼重，是为圆趣。有的书从情趣切入，着重艺术的解读，着重故事过程的解析；有的书从理趣切入，着重科学知识的解理、技术工程的解构；有的书从意趣切入，着重技术工程的实用解说。优秀科普作品，虽然切入点各有不同，但他们的共同特点是：圆融，即知趣、情趣、意趣的圆融。《大爆炸》的封面上有这样一句话：“引爆的不仅仅是眼球，还有思想”。就阅读来说，不仅要读图以引爆眼球，更要读文以引爆思想。这是因为，为了培养创造力，青少年需要“引爆的”不仅仅是眼球，更重要的是“引爆”思想。我们需要提倡“圆融阅读”。

从“深（度阅）读”和“图读”这两个角度观察，《大爆炸》都是值得一读的好书。《大爆炸》用平顺的语言托出科学的理性之美，用精美的图片送来科学的感性之美。按傅雷先生的说法，感性与理性相平衡，就是最高境界。阅读《大爆炸》，我获得的是情理圆融的美的享受，高境的享受。

元旦前，在电话里，我问张桂宜编辑，《大爆炸》能不能像《男孩的冒险书》那样火？他没有直接回答，他相信：“《大爆炸》自有它的读者群。读者会表现出对它的喜爱。”交谈中张桂宜还补充了一个细节：天上还有一颗帕特里克·摩尔小行星。真棒，读《大爆炸－－宇宙通史》，有两颗明星为我们指引道路！

王直华，1941年生于北京，科普作家，科学编辑，科学记者。1965年毕业于清华大学，后从事电子学科学研究。1975年开始兼做科学翻译、科普写作。1985年底投入科学新闻事业，现任科技日报副总编辑，中国科普作家协会科普翻译专业委员会主任。科普作品题材广泛，体裁多样，与时代同步。曾获韬奋新闻奖提名奖、全国优秀科普作品一等奖等。

目录

目 录

前言

引言 天空的诱惑

我们身在何处

以光速前行

时间的历史

第一章 万物肇始 大爆炸后10-43～10-32 秒

时间的开始

宇宙的尺度

自然界中的力

越大越冷

宇宙的同谋论

疯狂的暴胀

生活在一个平坦的宇宙中

暴胀之后

第二章 于是有了光 大爆炸后30万～7亿年

大爆炸的回声

光的屏障

在时间上回看

引力，宇宙的力

昏暗时代

恒星能量的源泉

首批恒星的命运

黑洞，一个单向的旅程

超新星

伽马射线暴

相对论－－观测者的指南

虫洞，现实还是科幻小说

第三章 演化中的宇宙 大爆炸后7亿～90亿年

超大质量黑洞

我们的星系：银河系

旋涡星系

神秘的暗物质

为什么有暗能量

第五种力

宇宙剪切

第四章 恒星与行星 大爆炸后90亿～92亿年

恒星的诞生

生命的化学

中年的恒星

太阳系的形成

今日太阳系

岩质行星

暗棕矮星

第五章 生命的诞生 大爆炸后92亿年到现在

月球的角色

我们的行星－－生命的摇篮

恐龙的梦魇

火星上有生命吗

第六章 透视未来 现在到大爆炸后187亿年

地球生命的结局

红巨星的太阳

白矮星－－坍缩了的太阳

中子星和黑洞

脉冲星

碰撞的恒星世界

引力波

末日？

第七章 宇宙的结局 大爆炸后187亿年向前

永不停息的膨胀

没有永恒

大撕裂

平行的宇宙

游戏的结局

前言

前言

曾有一位天文学家认为这是一个荒诞不经的念头。如果不是他的感叹，我们可能今天不会在这里讨论所谓的“大爆炸”。

从20世纪40年代后期开始，英国天文学家弗瑞德·霍伊尔就是稳恒态假说的着名拥戴者，这个理论最初是由赫尔曼邦迪和托马斯戈尔德提出的。出于哲学上的原因，霍伊尔被宇宙在极大尺度上必然不随时间改变的观点所吸引。根据埃德温·哈勃在20世纪20年代的发现，霍伊尔和其他人注意到宇宙中的个体正在互相远离。因此，为了保证宇宙看上去不产生变化，稳恒态理论家们推论出新的物质必须在每个地方持续不断地产生以抵偿损失，即持续创生的概念，这样就能保证宇宙在实质上永远保持不变。与此同时，乌克兰宇宙学家乔治伽莫夫则反驳道，宇宙有可能从某个时刻起才存在，而且根本就不是处在一个稳定的状态下。在1949年的一次广播中，霍伊尔强烈地断言，当前的观测事实与那种要求所有物质在一次大爆炸中产生的理论相矛盾。于是无意中，霍伊尔为这种他耗费余生与之搏斗的理论创造了一个名字。

在20世纪50年代和60年代早期，两种理论交锋得很厉害。但是所积累的观测证据逐渐向那种霍伊尔认为难以接受的原始大爆炸倾斜。对稳恒态理论的致命一击出现在1964年，彭齐亚斯和威尔逊（最初无意间）发现了宇宙微波背景辐射－－上百亿年后大爆炸的回声，宇宙创生的混响。

大爆炸理论（更准确地说，是一套理论）如其所说，仅是一种理论。我们对于所居其中的宇宙进行观察与测量得到的事实证据，需要创建思辨的模型与之拟合。在天文学中，不断有模型被采纳，或被抛弃。因为远未找到所有事实，所以如果几年内我们这本书还不需要大规模重写的话，会令人感到很新鲜。当然我们在这里所讲的故事是出自目前大多数天文学家都认为比较好的一个模型。

我们的目标是按照事件发生的顺序讲述宇宙自身演化的故事，所以我们把一些历史轶事和次要话题的内容安排在灰色的栏目中而不放入正文。如果你希望专注地欣赏宇宙的故事，尽可以跳过灰色栏目中的内容，留待日后阅读。请记住，我们故事的主线始于第一章。每个后续的章节专门描述某个时段内发生的事件，从过去到现在，再到能够展望到的、几乎不可思议的遥远的未来。

引言 天空的诱惑（1）

言 天空的诱惑

在一个明朗的夜晚仰望天空，如果你是在一个远离现代都市光污染的地方，就可以看到成百上千的星星，点缀着苍穹。很多人都知道这些不断闪烁的小小的光点就是一个个太阳，而其中许多都比我们自己的太阳要大得多、热得多，也有威力得多。而我们的地球只是一颗不起眼的行星，在宇宙中的地位就好比撒哈拉沙漠中的一粒细沙。但在这些之后隐藏着什么？宇宙是如何开端的？它是如何演化的？而如果真有一个终极存在的话，又将怎样消亡？

天文学家们正试图回答这些问题。我们这些小小的生命，居住在围绕着一颗普通恒星旋转的小小星球上，靠着从无限遥远的星星发出的光线，探索着宇宙深处的秘密，甚至向另外的世界发送自己制造的宇宙飞船，这是多么了不起的事情！很有可能我们只是宇宙中的初等生物，其他的文明早已超越了我们，但我们毕竟已经在探索所居住的这个宇宙的征途上起步了。在本书中我们将竭尽全力为你讲述宇宙的故事：从它远远早于地球存在时的诞生，如何演化到现在，以及它遥远的未来，那时地球甚至在记忆中都已经不存在了。这当中有许多我们不曾了解、可能永远也不会了解的奥秘。但从我们的祖先仰望繁星并自问“我们是谁”开始，直到今天，我们一直在这条路上探索着。

我们正生活在天文学的黄金时代。新的观测设备－－比如在朦胧的大气层外环绕地球的哈勃太空望远镜－－就在几十年前都还不可想象。在过去50年中我们能取得如此惊人的成就，另一个关键因素就是计算机不断增长的巨大威力。

没有哪个领域在近年来取得了像宇宙学－－在最大的尺度上研究宇宙的过去、现在和未来演化的学说－－这样辉煌的进展。在20世纪的大部分时间里，大多数天文学家都曾倾向于一种静态的宇宙，在最大的尺度上是均匀的而且不随时间变化。这与我们现在的看法差异实在是太大了。

我们身在何处

在下面的故事里，我们面对的是十分巨大的空间和时间跨度。地球是一个直径为12.800千米的圆球，在1.5亿千米的距离上环绕太阳运行。地球是八大行星之一，和众多小得多的天体一起组成太阳系。

大多数行星都有卫星。我们所熟悉的月亮是地球唯一的卫星，在环绕太阳的旅途中忠实地陪伴着我们。像行星一样，它自身只反射太阳光。月亮离我们不过40万千米，所以看上去是这样地引人注目。这也是人类曾经涉足的唯一的地外世界。1969年，当尼尔·阿姆斯特朗在月球静海荒凉的岩石上说出“这是一个人的一小步，但却是人类的一大步”时，生活在那时的人们都不会忘记那种激动人心的心情。

但太阳系只是宇宙的很小的单元，我们所在的星系－－银河系－－包含至少1000亿颗太阳，而且它们很多都伴有行星。我们尚不确定这些行星上是否存在任何形式的生命，无论这些生命是否具有智慧。

引言 天空的诱惑（2）

以光速前行

恒星都在遥远的地方。如果用英里或者千米来丈量它们之间的距离，就如同用英寸来表示伦敦离纽约有多远，这显然是过于繁琐了。幸运的是，我们有一个更好的计量单位。光的传播不是瞬间就能完成的，它以每秒钟约30万千米的速度行进。所以在一年的时间里光走过9.6万亿千米。这个距离称作光年，注意这是距离而非时间单位。离太阳最近的恒星有4光年远，而我们已经记录到的最远的天体则是在120亿光年之外。

从这么遥远的距离上望去，恒星仅是一个小小的光点。表面现象常给人以错觉。很多在任何晴夜中都能看到的星星不仅比太阳亮得多，而且还大得多。例如猎户座的参宿四，离我们300光年，是颗巨大的恒星，它的球体内甚至可以容纳下地球绕日公转的轨道。已经观测到它表面的一些特征，但是只有太阳才近到使我们有能力研究其真正细节的程度。事实上，我们关于恒星的大部分知识都来自对这颗近邻恒星的研究。幸运的是，太阳是一颗普通的恒星，既不过于暴烈也不过于孱弱，变化也不大。天文学家们把它归类为矮星，而实际上它的质量比平均值略高一些。像参宿四这种巨星的数量则比矮星的少得多。

通过观察恒星的颜色也能使我们了解到它们的很多性质。就像我们谈论热得通红和白热化的物体时，知道白热的东西比通红的东西更烫一些一样，恒星的颜色也反映出它的温度。例如参宿四看上去发红是因为它比太阳的温度低；而猎户座中的另一颗亮星，蓝白色的参宿七则比太阳的温度高。我们的太阳略呈黄色，其温度和体积均介于两者之间。

时间的历史

由于巨大的空间距离，当我们观察远方的星星时，实际上正在参与一项时间旅行，只不过这并不需要威尔斯的时间机器抑或无名博士的时间飞船。比如天狼星，这颗夜空中最亮的恒星，每年有好几个月的时间都非常地醒目。它的能量是太阳的26倍，距离我们8.6光年，即约80万亿千米。它发出的光需要8.6年才能到达地球。所以当我们在2009年观察它时，实际看到的是它在2001年的样子。

许多人，特别是那些海员，都认识北极星。根据最新的测量结果，北极星的距离是400光年。现在（2009年）我们看到的北极星的光线是在1609年前后才离开那里的。如果在那边也有一位天文学家装备着威力巨大的望远镜能够观察到地球，那么他会看到英国正处在莎士比亚的年代。

我们现在看到的参宿七的光在十字军东征的时候就已经踏上了旅途。即便这样远的距离按照宇宙的标准来看也不过是小小的局部。我们现在能够研究的天体是如此遥远，所看到的是它们远早于地球存在之前的模样。

引言 天空的诱惑（3）

这种时间旅行对于我们了解宇宙是十分有用的。因为我们所希望了解的整个故事的大部分，都可以实实在在地看到。例如，要是怀疑星系在过去可能要小得多，就可以通过实际的观测来确认。观察60亿光年处的星系，我们相信这就是自己的星系所在的宇宙60亿年前的样子。

如果说距离的扩大伸展了我们的想象，那么时间的巨大跨度也同样令人惊愕。不同的研究都告诉我们地球的年龄约有46亿年，产生于环绕年轻太阳的气体尘埃云中。但我们人类只是地球家园中的一位新住户。为了便于理解，让我们把地球的年龄当作1年，它在新年的子夜形成。那么原始生命出现在5月初，然后直到11月中旬才开始有鱼类，而到了11月份马上结束时出现了第一批登陆者。爬行动物们在12月的第一个星期里统治着世界。随着恐龙在12月15日前后灭绝，哺乳动物悄悄地出现在画面中。但直到12月31日的早晨，猿人才来到这里。整个人类的故事都被压缩到一年中最后一天的最后一个小时里，而耶稣基督出现在地球上还不到1分钟的时间。

我们有理由相信自己对于距离和地球年龄的判断，同时也在估计宇宙年龄方面取得了巨大的进展。最新的137亿年的数值可以准确到几个百分点内。然而这就带来了一个真正重大的问题。

我们存在，而且由原子和分子构成，这是无可置疑的事实。这些物质必须以某种方式产生：要么它们一直都存在，要么在某个时间被创造出来。两种情形都不容易被接受。如果构成我们的物质一直存在，那就必须设想时间是没有开始的；如果它在137亿年前突然出现，那么在此之前发生了什么？或者，还有“之前”吗？

数学上的结论是时间和宇宙一同开始，所以在这点之前不存在“以前”。从理论上说这可能是很准确的，但显然不能令人满意。在研究宇宙时我们把时间看成第四个维度。我们这些作者正在北纬50度，西经0.41度，海拔几米的地方写作。但要想找到我们还需要知道时间：我们只是2006年底在那里。

然而在天文学的尺度上，这个简单的图景不再成立。比如说在遥远的未来，天文学家希望在地球和4光年远的最近的恒星－－比邻星上同时开展一项实验。因为任何信息都不可能快于光速传播，两个系统之间发送的光信号不足以同步这项实验。时间不再是两边的实验者都能遵守的一个绝对标志。

面对这些不确定性，我们只能做出一些巧妙的猜想。虽然听上去不免有些随意，但这实质上正是科学的方法。为了解释一个观测事实，就需要提出某种理论，通常会用这个理论做出预测。这个预测可以通过新的观测进行检验。如果预测被证实，那么我们得到了一个“好”的理论，反之，我们必须重新予以考虑。在接下来的章节中，我们将使用最经得起当前实验天文学检验的理论来构建宇宙历史的模型。

让我们开始吧！

插图（1）

插图（2）

插图（3）

插图（4）

插图（5）

章序

第一章 万物肇始 大爆炸后10-43～10-32 秒

世间万物－－空间、时间、物质－－都是在137亿年前的一个“大爆炸”中诞生的。那时的宇宙是一个无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系，有的只是一团基本粒子，充斥其中。此外，整个宇宙还没有一个针孔大，而且难以置信地热。这个宇宙立刻开始膨胀，从这个出人意料的怪异起点，逐渐扩展，直到演化成我们现在看到的样子。

现代科学还不能描述或解释大爆炸之后10-43秒内发生了什么事情。这个时间间隔：10-43秒，被称为普朗克时间，是以德国科学家麦克斯·卡尔·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了这样一个概念：能量不是连续可变的，而是由具有特定能量的“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大部分物理学的基石，它从最小的尺度上处理宇宙问题，而且被列为20世纪理论科学的两个伟大成就之一。另一个是爱因斯坦的广义相对论，处理极大尺度－－天文尺度上的物理学。

尽管在它们各自的领域里这些理论都被实验和观测完美地验证了，但是调和这两个理论的努力却遇到了很大的困难。特别是，它们对时间的处理方法根本不同。在爱因斯坦的理论中，时间是一个维度，是连续的，所以我们从一个时刻平滑地过渡到下一个时刻，而在量子理论中，普朗克时间就代表着一个基本的极限：时间具有一定意义的最小单元，同时这也是在理论上能够测量出的最小时间单元。如果我们制造出最为精确的钟表，会发现它会不规律地从一个普朗克时间跳到下一个普朗克时间。

试图调和这两种截然对立的时间观念是21世纪物理学面临的主要挑战。近年来在“弦理论”和“膜理论”方面进行了这种尝试。就现在来说，量子物理主宰着紧邻大爆炸之后的灼热致密的微小宇宙阶段。我们对宇宙的科学研究就从大爆炸之后10-43秒开始。

大爆炸的概念与直觉相反，我们的常识似乎更易接受一个静态无穷的宇宙观念。但是确有科学理由让人相信大爆炸这个奇异的事件。如果我们接受大爆炸，就有可能看清整个事件的进展过程，从第一个普朗克时间开始，直到我们生活在地球上的现在。

时间的开始

时间的开始

让我们回到紧邻大爆炸之后宇宙的那个起始点。通常我们脑海中会闪现出这样一幅场景：在一个广阔的空间里宇宙突然地爆发了，但这是完全错误的。大爆炸的真实情景是：空间、物质以及更为关键的时间，都是在这里同时产生的。空间不是从虚无中产生的，在创世之前并没有虚无。在大爆炸之前时间也还没有开始，甚至谈论大爆炸前的某个时刻也是没有意义的。即使莎士比亚或者爱因斯坦也无法用通常的语言来描绘这一情景，虽然他们拥有非凡的智慧。

这也意味着当我们今天考察宇宙时，询问“大爆炸”是在哪里发生的这个问题是没有意义的。空间自身也是随着大爆炸产生的。因此，在大爆炸刚发生后的时刻，我们现在所见的整个宇宙蜷缩在一个极小的区域，比一个原子核还要小。大爆炸发生在每一个地方，这里没有“爆心”。

对这点的一个很好的直观描述是埃舍尔的一幅着名画作，虽然它的名称比较乏味：三维空间的分割。想象你站在任何一个位于网格交叉点的立方体上，每一个接到立方体上的直杆都延伸出去。在你的视野中所有的东西都从你这里延展出去，所以很自然地会首先感觉到自己正是位于一个特殊的地点：扩展的中心，但随后你就能意识到无论你位于网格的哪一点，看到的直杆向外扩展的景象都是一样的，事实上并没有一个中心。宇宙的情况与此非常类似：每一个星系群看起来都在远离我们而去。如果有一个观测者在这些遥远的星星上回望我们，他也会看到同样的景象，也可能同样地以为自己位于扩张的中心。

另一个经常被提到，而且乍看起来很有道理的问题是“宇宙有多大”。这里我们又遇到了一个大问题，就是有两类可能的答案：宇宙是有限的，还是无限的？如果是有限的，那么它的外面是什么?实际上这个问题是没有意义的。因为空间自身仅存在于宇宙之中，所以从字面上来说根本就没有“宇宙的外面”。另一方面，当我们提到宇宙是无限的时候，实际指的是它的大小是无法限定的。我们无法用日常的语言来解释“无限”，而且我们知道爱因斯坦也做不到－－因为帕特里克曾经问过他！

还需要记住，我们要把时间看作是坐标中的一维。也就是说，不能简单地问“宇宙有多大”，因为答案会随时间变化。我们可以问“宇宙现在有多大”，但随后我们会看到，相对论的一个结果就是不可能定义一个普遍适用于整个宇宙的叫做“现在”的时刻。

谈论具有有限大小的宇宙立即会使人联想到边界。如果我们走得足够远，会撞到一堵砖墙吗？答案是否定的。宇宙具有数学家们所说的“有限而无界”的性质。一个有用的类比是一只在圆球上漫步的蚂蚁。要是它在这个弯曲的表面上一直朝着一个方向前行，就永远也不会遇到障碍，能够游荡无穷的距离。所以虽然球的尺寸是有限的，但蚂蚁觉察不出来。类似地，如果我们登上一艘无比先进的飞船沿着直线航行，我们也永远不可能到达宇宙的边界，但这并不意味着宇宙是无限的。随后我们还会看到空间也可以被看作是弯曲的。

让我们把自己限定在能够做出科学回答的问题上，即能够通过和观测结果对比来回答的问题。我们可以确定地说可观测的宇宙（顾名思义，即发出的光线有可能到达我们的那部分宇宙）在尺寸上是有限的。因为我们目前最好的估计是宇宙的年龄为137亿年，这样可观测宇宙的边缘（从那里发出的光刚刚到达我们）离我们有137亿光年远，而且还在以每年1光年的速度扩展。实际上后面还要谈到为什么我们永远不可能看到这么远。宇宙一定比我们能看到的要大，这是我们能够确定回答的全部。

宇宙的尺度

宇宙的尺度

说一个目标在离我们137亿光年之外当然很准确，但我们能真正地去理解宇宙的这种尺度吗？我们很容易感受例如从伦敦到纽约的距离，甚至从地球到月球的距离（约38万千米），这几乎是10倍于地球上的环境。有很多人在他们的一生中曾经乘飞机飞行过比这还长的距离，事实上有些航空公司会给予那些乘坐航班累计超过160万千米的乘客以某种特权。但你如何去想象1.5亿千米－－从地球到太阳的距离？当我们考虑最近的恒星，离我们4.2光年（约40万亿千米）时，这个距离是很难想象的。而星系更遥远得多。银河系最近的邻居仙女座星系距离我们有200万光年之远。

在尺度的另一个极端，想象一个原子的大小同样地困难，任何普通的显微镜都无法看到单独的原子。有这样一种说法：从量级上看，人正处于从原子到恒星的尺度范围的中间。有趣的是，这也正是物理规律最为复杂的地方。在原子世界，我们应用量子物理学；在宇宙尺度，应用相对论。在这两个极端之间，我们对如何调和这些理论的困惑暴露无遗。牛津科学家罗杰·彭罗斯坚定地写下了他的信念：我们对基本物理原理所缺失的理解力，也是我们对人类意识所缺失的理解力。当我们思考所谓的人择原理－－归纳起来就是宇宙的演化必然保证我们能够存在并认识它－－时，这个观点尤为重要。

另一个有用的问题是，宇宙中有多少原子？一种估计给出的总数高达1079 个原子，即1后面跟着79个0。

传统上我们把原子看成由三类比较基本的粒子组成：质子（带单位正电荷），中子（不带电）和质量小得多的电子（带单位负电荷）。顺带说一下，在原子层次精确定义什么是电荷远非那么简单。可以把电荷看作是粒子的属性之一，就像大小和质量一样。电荷总是以固定的粒度出现，我们称之为单位电荷。

根据经典模型，原子就像一个小型太阳系，电子环绕中央的原子核旋转，由质子和中子组成的复合的原子核带有正电荷，并且和环绕的电子的总负电荷严格抵消。在我们的太阳系中，行星被引力保持在环绕太阳的轨道上；在原子中，是带负电荷的电子和带正电荷的原子核之间的电磁吸引力使得电子环绕原子核旋转。

过去，我们注意到这个简洁的模型可以解释很多基本的化学现象，比如，为什么原子的外层电子容易参与化学反应：因为它们离核较远，吸引力的约束较小。所以最简单的原子－－氢原子，只有由一个质子构成的原子核和一个电子组成，整个原子是电中性的：正1加负1等于零。所有原子都具有相同数目的电子和质子。每种元素内这种粒子的数量是唯一的，称为原子序数。比如氦原子有2个质子和2个电子，所以它的原子序数是2。而碳原子的序数是6。重元素含有数目众多的电子和质子。地球上最重的自然元素－－铀的原子序数是92。

在20世纪早期，把质子和中子看成坚实颗粒的观点甚为流行。但这个图景今天已经变得不那么清晰了。面对很多甚小系统的奇怪行为时，把它们看作由波动而非颗粒构成能够更好地进行解释。这个理论叫做波粒二象性。此外实验显示，电子看起来确实是不可分割，而质子和中子事实上并不是最基本的。它们能被分解成更小的颗粒，叫夸克。夸克现在被认为是最基本的。没有人曾经看到过夸克，但我们知道它们一定存在，因为在粒子加速器中检测到了。人们建造了粒子加速器，以不可思议的高速度把质子打碎，从而探测到夸克。在这些实验中质子似乎破碎了，所以科学家断定质子不是最基本的。自然界不喜欢形单影只的夸克，所以它总是成双或成三地出现。

自然界中的力

自然界中的力

夸克的这种性质的起因与把夸克约束在一起的力的不同寻常的性质有关。这种力被称为强核力不是无缘无故的，它只在极小的尺度内才占主导地位，所以我们需要使用非常强大的粒子加速器才能使质子分裂。不像我们在大尺度环境中所熟悉的力－－例如引力或异性电荷之间的吸引力那样，强力随距离的增加而增加。换句话说，如果我们能够分开两个夸克，会发现分离的距离越大，两者之间拉回的力就越大。最终，当夸克分开到一定程度，造成这种形变所注入的能量是如此之大，以至于能量转化为质量，产生两个新的夸克。这样猛然间我们获得了2对夸克，而不是事先希望的把夸克单独隔离开。这个过程意味着我们在实验中从未产生过独立的夸克。在日常世界中，夸克只作为其他粒子的组分而存在，例如质子和中子中各含有3个夸克。

在刚刚大爆炸后极端高温的宇宙中，夸克具备足够的能量自由地运动。因此，通过理解最大尺度上的宇宙过程，可以增加我们对最小尺度上的粒子的了解。每个粒子在宇宙初期获得的能量比我们在粒子加速器中所能制造的高得多。即使我们建造一个和太阳系一样尺寸的加速器也不可能产生如此巨大的能量。

值得注意的是，当前我们通过粒子物理对微观世界的研究，和通过宇宙学对极大尺度的宏观世界的认识是紧密交织在一起的。为了了解整个宇宙，我们要依靠对于基本粒子的认识，而我们进行此项研究的最好的实验室就是处于萌芽期的宇宙。一个充满了高能基本粒子的炙热空间，是我们想象到的新生宇宙的最早景象。

越大越冷

越大越冷

在第一个普朗克时间之后，微小而炽热的宇宙不可思议地开始膨胀，也开始逐渐冷却下来。宇宙是一个沸腾的夸克的海洋，每个夸克携带着巨大的能量以极高的速度在运动，结果是当时没有我们现在看到的这些原子和分子的形态，因为这些复杂的结构是不可能抵御极高温度的分裂力的。夸克的能量太高，无法被捕获和限制在质子和中子内。事实上在宇宙的婴儿期，夸克可以自由飞驰直到与一个邻居相撞。除了夸克，这种早期的亚原子粒子的浆汁中还含有反夸克－－除了带有相反的电荷，和夸克完全相同。现在人们相信每种粒子都有对应的反粒子，除了所带电荷外其他特性完全一致。电子对应的反物质粒子是正电子，带有正电荷，其他方面和电子相同。在科幻小说里反物质的概念很常见，它们是无数极为先进的星际飞船发动机的基础，所有这些都来自一个实验事实：当一个粒子和对应的反粒子相撞时，两个粒子都会湮灭，同时释放出巨大的能量。如果在原始宇宙中一个夸克与一个反夸克相遇，它们就会消失，同时发出辐射闪光。反向的进程也会发生，足够高能的辐射（当然是在宇宙演化的早期阶段的能量水平）可以同时产生一对粒子，包含粒子和它的反粒子。这个时期的宇宙充满了辐射，辐射产生粒子对，粒子又极快地在互相碰撞中湮灭，并把能量转移回背景辐射。

贯穿整个时期，宇宙持续地膨胀和冷却。经过第一个1微秒（仅仅10万亿亿亿亿个普朗克时间），当温度降低到约10万亿度的临界值以下时，夸克的运动速度降低到能够被它们之间的相互引力（强力）所捕获的程度。三个一组夸克聚集到一起形成了我们熟悉的质子和中子，总称重子；而反夸克聚集成反质子和反中子，总称反重子。如果重子和反重子的数量是相等的，那么极有可能它们之间的碰撞会使得重子全部湮灭。而当宇宙膨胀时，辐射的能量被稀释，不再能够产生新的粒子，这样宇宙中的物质就不可能留存到现在。

仅仅由于从一开始就存在的一点微弱的不平衡挽救了物质，使得我们今天得以存在，使我们能够在这里思考很久以前发生过什么。出于我们至今尚未知晓的原因，每十亿个反重子会对应十亿零一个重子，所以在最初的混战结束后，几乎所有的反重子都消失了，留下的残余的质子和中子形成了今天的原子核。

宇宙的同谋论

宇宙的同谋论

让我们暂时回到现在。想象两个从地球上看去处于相反方向上的距离我们90亿光年的星系，它们之间的距离是180亿光年。泛泛而言，在最大的尺度上，它们身处的宇宙区域看起来是一样的。其中一个可能位于星系团的中心深处，就像我们附近的室女座星系团，另一个可能孤立得多；但是在第一个星系团附近会有孤立的星系，而在第二个星系的附近则不可避免地存在着星系团。所以每个区域都有相同比例的相同类型的星系，而且本地的温度也是一样的。

这就产生出一个被称为“宇宙同谋”的问题。宇宙年龄目前最好的估计是137亿年，不到180亿年，所以光还没有足够的时间从一个星系传到另一个星系。而根据相对论，光是宇宙中最快的东西。如果连光都没有时间穿过两个区域中间的空间，其他任何事情也不可能发生，没有任何东西能够从一个区域传递到另一个，所以两个区域之间的任何差异都无法消除。但是，无论我们朝哪个方向看，宇宙似乎都一样，有同样类型的星系，几乎按照一样的模式分布，好像它们曾经互相商量过一样。这个事实变得令人不解，被称作“宇宙同谋”。

为什么这会成为一个问题？难道宇宙在各个方向上看起来一样不是很自然的事情吗？也许有某个现在还不为人所知的规律在支配大爆炸的物理变化，保证只有几乎是均匀的宇宙才能产生。但是现在我们还没发现有任何物理理论能够预言这一现象的迹象，所以至少需要考虑如下的可能，就是宇宙诞生之时不同区域之间可能存在巨大的温度差异，比如在早期宇宙中，一半的温度可能是另一半温度的两倍。那么这样如何产生我们现在观察到的宇宙的均匀性呢？热量没有时间流动到宇宙中冷的部分，甚至没有时间在两个区域之间以光速发送一个消息。在这种环境下，原始的不平衡不可能被修正；而实际上，这些互相远离毫无关联的区域却是非常相似的。

我们的两个星系现在是互相远离。但是宇宙在非常年轻时要小得多，而在两边的物体有可能互相接触从而交换热量，达到今日所见的均匀性。现在的问题是，这个早期阶段的宇宙到底有多大？出乎意料地，答案相当简单。

到目前为止我们只讨论过一种能够在天文距离上起作用的力，就是万有引力。它本质上是一种把物体拉到一起的吸引力。引力本身会减缓膨胀的速度。我们可以尝试从现在反推出宇宙的大小随时间是如何变化的，而我们发现宇宙同谋的问题一直到早期宇宙都存在。换句话说，宇宙从来没有小到过能够让光从一侧运动到另一侧的程度。所以从来没有小到能够使得温度差被平坦掉的程度。这个推论是建立在引力是唯一影响膨胀速度的力的基础上的，所以如果我们要解决同谋问题，就必须放弃这个观点。

疯狂的暴胀

疯狂的暴胀

现在流行的解决方案在一定程度上增加了大爆炸理论的复杂度。大多数宇宙学家们现在相信曾有一个异常短暂的快速膨胀期，称为暴胀。在大爆炸后10-35秒到10-32秒之间，宇宙扩展了几十亿倍。在暴胀阶段的最后，膨胀回到了一个比较稳定的速度，和今天观测到的一致。

如果没有暴胀时期，我们所看到的宇宙中相对侧的区域就既没有时间来交换热量，也没有可能达到充分的平衡。假设的这种快速膨胀使我们能够认为宇宙开始时要小得多，从而可以在加速膨胀开始之前达到温度均衡。剩余的少量不均匀性被尺度上的巨大增加所消除。这个迷人的快速暴胀带来的一个结果就是我们所观测到的区域只是整个宇宙的极小的一部分。即，我们只能观察到实际上是我们周围局部的一点变化，而这注定是非常有限的。用一个日常的比喻，我们知道地球从珠穆朗玛峰峰顶到最深的海沟的底部有很大的高度变化。暴胀的等价效果就是把你脚尖下的一小块地方扩展到整个地球这么大，或者等效地把我们缩小到比最小的病毒还小很多的地步，那么在我们能够到达和探索的范围里，高度的变化将是微乎其微的。对于宇宙中的温度起伏，暴胀也带来了同样的效果。

但是为什么在婴儿期宇宙膨胀速度会如此突然地急剧增加？看起来需要引入一种新型的力，它和引力起的作用相反，来对这种巨大的加速负责。科学家已经开始研究这种力应该具备什么样的属性，但还没有得出明确的结论。就我们所知，暴胀发生前的宇宙环境并没有任何特别之处，故而这种加速力的突然出现和消失显得多少有些随意。但是它的存在确实使我们能够处理宇宙同谋的问题。

引入暴胀之后还能为我们解决哪些问题呢？暴胀还能解释我们今天观察到的宇宙中的另两种现象。没有暴胀，那么这两种现象根本无从解释。首先，根据粒子物理的标准理论，一种被称作“磁单极子”的粒子应该能够偶尔被探测到。但实际上，我们从未探测到磁单极子。这无疑需要某种解释。暴胀理论使我们能够争辩，因为这种粒子分布得太稀疏了，所以探测不到并不令人惊讶。比如，为了辩论我们假设在大爆炸中产生了100万亿个这种粒子，那么我们会感到奇怪为什么一个都没有发现。但是如果同样数目的粒子被散布在比暴胀之前大几十亿倍的宇宙中，那么在我们可观测的宇宙范围内找不到这种粒子就很有可能了。暴胀的力度是如此之大，就在它起作用的短暂时间里，它所产生的宇宙也比传统大爆炸理论所预计的大了不知道多少倍。暴胀为这些失踪的粒子提供了一个解释：它们被过度稀释了。

生活在一个平坦的宇宙中

生活在一个平坦的宇宙中

看似荒唐的暴胀观点的第三根支柱，可能也是最有说服力的一个，涉及宇宙的几何学。大多数人都很熟悉我们在学校可能还有点不情愿学习的欧几里得几何学，我们被告知三角形内角和等于180度。但事情并不总是这样。比如想象画一条线，从北极出发沿格林尼治子午线到赤道，再沿赤道向东转过90度，最后沿子午线穿过俄罗斯回到北极完成一个三角形。那么我们就经过了2个90度的转角，90+90=180度。而我们还需要加上两条子午线之间的那个顶角。欧几里得几何学仅适用于平面。

而宇宙中的几何学又会是一种什么样的形式呢？事情要复杂得多，因为我们面对的是一个四维空间（三个熟知的空间坐标，加上时间），而非一个二维的表面。让我们考虑最大的尺度，而忽略物质造成的局部畸变。宇宙有无数种可能的几何学，而我们的宇宙似乎精心地选择了一个特殊的类型。观测表明（见第三章中宇宙微波背景辐射），我们生活在一个平坦的宇宙中，在这里，欧几里得几何学即使在最大的尺度上也成立。为什么事情会这样？要达到一个平坦的宇宙，宇宙中必须具有确切数量的物质，差异仅在几个原子之间。换句话说，要是我们的宇宙中少了或多了几个原子，那么它的几何特性就会变得远非平坦。

重申一下，我们所掌握的观测事实，固然可以归因于支配大爆炸自身的早期物理学的某些特殊性质，而暴胀理论指出了另一条途径，并获得了更加令人满意的解释。它们之间的分歧在于暴胀可以得出一个比简单大爆炸大得多的宇宙。

下面通过一个三维情形的类比来帮助我们理解四维空间。任何一个站在保龄球上的人，当他掉下来时马上就会意识到这是一个球面。那么对于一个很大的球，比如我们幸福地生活其上的地球，又会如何呢。即便不是一目了然，我们也很容易发现自己是站在一个曲面上。超出我们印象的是，远在古希腊时期人们就已经知道地球是个球体，他们甚至还成功地测量出了它的直径。而看到一艘船消失在地平线下提醒人们地球表面是弯曲的。现在想象我们正在一个比地球大上万亿倍的球面上，那么所有的实验都会显示这是一个真正的平面。球面的曲率是如此之小，根本测量不出来。出行的船只似乎永远也走不到地平线下。

暴胀之后

暴胀之后

经过暴胀之后的宇宙就像上面最后的球面一样，因为它膨胀到了如此巨大的地步，我们所能观察到的宇宙仅仅是整体的极其微小的一部分，所以只能够测量出它的局部性质。因此可以得出这样的结论，即我们看到的宇宙是平坦的。在这个巨大的宇宙中我们无法获知自己观测范围之外的几何学是什么样子的。不管在宇宙中可能存在多少种几何学，暴胀说明了为什么我们看到的宇宙是平坦的。

上面的三个问题被暴胀设想利落地解决了，其代价是引入了一个我们知之甚少的、神秘的、暂时的加速，也许当我们对大爆炸本身有了更为深入的了解之后会有其他的答案，但在目前阶段暴胀不失为一个很好的解释。

在暴胀之后，宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却。大爆炸后3秒，温度降低到约10亿开。宇宙中3/4的物质是氢，其余几乎都是氦。氦原子有2个电子，环绕着由2个质子和2个中子组成的原子核。

大爆炸理论预言每有10个质子，即10个氢原子核，就会相应地产生1个氦原子核。现在氢和氦的比例依然是10比1。这可能是对大爆炸理论最为简明有力的验证。恒星将氢转化为氦，所以我们可以预料氦的比例会有所提高。如果我们在宇宙某处发现了一个孤立的物体，其中氦的含量比预计的低，那就必须开始彻底地重新考虑我们的理论。到目前为止还没有发现这种情形。

所以我们是否相信大爆炸？它的主要竞争对手－－稳恒态理论看上去已经寿终正寝了。现在，大爆炸占据了舞台。必须记住，理论是无法证明的。我们只能够尽力使其与所有的已知事实相符。带有暴胀的大爆炸理论看起来满足这个要求。但是，任何时候都有可能冒出新的发现，使我们看到原有理论的致命裂痕。不过在一个新的牛顿或者另一个爱因斯坦变出另一套更好的理论之前，我们还要和大爆炸待在一起。

章序

第二章 于是有了光 大爆炸后30万～7亿年

在暴胀这一灾变时期后的30万年里没有什么大的变化发生。支配宇宙演化的物理环境几乎保持不变。宇宙成为一个变动不那么剧烈的地方。随着温度的降低，质子和中子的速度也减慢了。但就像我们将要看到的那样，物质和辐射依然混合在一起。从我们的观点看，这一时期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙间的最大差异是，在这极早期阶段，宇宙是完全不透明的。

包括可见光在内的电磁波也可以看成是光子流。光子是一种没有质量的粒子，以每秒30万千米的速度运动。在量子力学（可能是现代科学中经过最好验证的理论）的奇妙世界中，我们不再能够明确地区分“波”和“粒子”，而要接受任何物质都会表现出介于两者之间的“波粒二象性”。就像我们传统上认为是粒子的那些实体－－例如电子和质子－－一样，光在某些时刻也表现得像一个粒子，叫做“光子”，而在其他时候像一个波。

每个光子都携带一份确定的能量，能量大小由光的颜色决定，所以确实可以说电磁波是一个光子流。现在让我们追踪其中一个光子的轨迹。它可能产生于极早期宇宙中的一次质子和反质子的碰撞。在这种非常密集的环境中，这个光子走不了多远就会碰上一个电子并被吸收掉，而电子则获得了能量。其后，光子可能又被发射出去，但这时和它原来的方向已是毫无关系了。这个过程在不断地重复，其结果是光子在任何方向上都走得很慢。

但是当宇宙在大爆炸后30万年，恰好冷却到3000度时，一个突然的变化发生了。在这个临界时刻之前，电子这种组成普通原子物质的最轻，因而也是运动最快的粒子，运动得太快，以至于较重的原子核无法将其捕获。但到了3000度的温度时，它们就再也无法逃脱原子核的捕捉了，最初的中性原子产生了。从原子的尺度上看，被捕获的电子在一个很远的距离上环绕原子核，但如果与原子间的距离相比，电子离原子核是极近的。这样，新形成的原子之间的空间变得空旷了，光子突然能够不受阻碍地运动很长的距离。换句话说，物质和辐射分离开来，在大爆炸后30万年，宇宙变得透明了。

大爆炸的回声

大爆炸的回声

电子捕获进程对于宇宙的温度相当敏感，一旦温度降低到上述临界值之下，捕获过程就以惊人的速度发生。由于暴胀的原因，宇宙温度在整个空间范围内几乎完全一样，这意味着这一过程几乎在整个宇宙内同时发生，其结果是光线可以不受阻碍地穿越宇宙，使我们在134亿年后仍然能够看到这幅我们宇宙演化的特殊时刻的快照。这种观察过去某个特定时刻的景象的能力是天文学所独有的。通常当我们试图观察比较遥远的宇宙区域时，视线会被邻近的星系所遮挡，它们发出的光线还是比较近期的。宇宙变得透明这个不可思议的事件现在可以不受遮挡地观测到，我们称之为宇宙微波背景，或CMB。

无论有意无意，我们的很多读者都曾亲身感受过这种伴随大爆炸的“大火球”熄灭时的微弱回声。把电视天线拔掉或者调谐到没有频道的地方，你会看到黑白的天电干扰。这种干扰中的1%来自宇宙微波背景。在它最初发出134亿年后，仍能干扰你的电视图像。

现在，这种微波辐射的频率等效为一个平均温度仅比绝对零度高2.7K的发射机。如果这个辐射真是大爆炸自己的回声，那为什么会如此之冷？其原因是很直接的。这些辐射在发出时，宇宙的温度是3000度，在它传向我们的过程中，它所穿过的空间一直在膨胀，使得光的波长越来越长，于是表观温度越来越低。这是我们首次遇到这种叫做红移的现象，它具有极端的重要性。

宇宙微波背景的发现为大爆炸理论的若干预言提供了强有力的支持。例如，发出的辐射与一个黑体的特征相符合。黑体是一个假设能吸收所有进入它的辐射的物体，如果被加热，则它的辐射能谱中任意频率上的强度只取决于它的温度。在实际应用中，我们可以据此得知发射体的性质。例如，它应该与外界的影响相隔绝。在大爆炸和30万年后的透明期之间的那个炽热、高密度和不透明的宇宙正是这样的一个发射体。理论和观测结果之间符合得是如此之好，在大多数数据曲线上，表示预测值的线宽要大于测量的不确定量。这在科学上是很少见的情况，在观测天文学中更是独一无二。

最初，辐射似乎是绝对均匀的，与方向无关。即使把我们自己的星系所发出的微波辐射造成的前景辉光减去，在宇宙微波背景上较亮的天区看上去也和其他部分几无二致。但我们今日看到的宇宙却是明显“结块”的。星系组成星系团，星系团又构成超星系团，而它们之间隔着巨大的距离。这些地方正由诸如英澳2度视场巡天计划和斯隆（Sloan）巡天计划进行详尽的检查，而且已经延伸到距离地球10亿光年之遥的地方。无论从这些观测结果中我们绘制出怎样的宇宙画像，毋庸置疑的是它绝不是均匀的，所以很清楚有什么地方搞错了。在看上去均匀的早期宇宙里，一定隐藏着生成我们今天看到的不均匀结构的原因。

宇宙背景辐射是当今天体物理学最集中研究的对象，它还能告诉我们很多东西。它标志着宇宙中最早结构的景象。最近对于宇宙微波背景更为细致的研究揭示出小于万分之一度的温度起伏。这个差异很微小，但正是形成我们今天看到的周围结构的起因。通过温度来测量物质密度差异的想法听上去有些奇怪，却有充分的理由。就像宇宙背景探测（COBE）卫星显示的那样，在发出宇宙微波背景时的物质密度不是绝对均匀的。在比平均值更为密集的区域内，引力会吸引更多的物质，这种挤压会把这个区域略微地加热，这就是我们去探测并测量到的温度起伏。

如果没有这些涨落来让引力发挥作用，那么从一个在产生宇宙微波背景时完全均匀的宇宙中形成现在看到的这种非均匀的、有疏有密的宇宙的历程就不可能完成。但是，空间中涨落的尺度也十分重要。对宇宙微波背景的观测得到的全天图中可以看出，每个蓝色（略冷）和红色（略热）的区域大小是很相似的，平均起来是1度宽，就是满月视角的两倍。根据以上事实经过缜密思考，宇宙学家们确定宇宙是平坦的。其理由是，我们的理论能够预言早期宇宙中涨落的实际物理尺寸，将期望值与实际值相比较，可以告诉我们光线自从源头发出后被弯折了多少，这取决于宇宙中物质的数量：物质越多，光线弯曲得越厉害。在封闭宇宙中，光线弯曲较显着，造成涨落区域看上去比预计的要大；而在开放的宇宙中，物质较少，所以涨落区看上去会小很多。事实上，将仿真结果与实际情况比较后发现宇宙恰恰含有临界数量的物质，因而是平坦的。

这种讨论既让宇宙学家们兴奋也令他们沮丧。兴奋的是，对微波背景的研究不仅能够告诉我们辐射发出的那个极早时刻的情况，还能揭示此后宇宙的整个历史。但问题是要想对早期宇宙得出确切的结论，就必须排除后期各种因素的影响，而这是很难做到的。

光的屏障

光的屏障

我们已经知道在微波背景辐射产生之前宇宙是不透明的，光线无法在里面传到远方。就像在地球上没法看到云层里面一样，我们也没法看到这一时刻以前的情况。这个类比不完全准确，因为云朵自身不发光。太阳是一个更好的例子。从外面看，太阳有一个确切的表面：光球，但实际上我们看到的仅仅是物质开始变得透明的那个边界。光球内，气体是如此炽热、明亮和密集，光子无法不受碰撞地穿透出去，就像紧接着大爆炸后的那段时间一样；光球之外，气体变得透明了，光子能够自由地穿越，就像宇宙刚刚变得透明的那一时刻－－宇宙微波背景产生的时刻。

要看透云层，我们有一个替代方案：无线电波可以轻易地穿过云层，所以可以得到云层之外或者云朵里面的信息。这种技巧在宇宙微波背景这里不起作用。30万年是对所有电磁辐射的限制，似乎是难以克服的障碍。那么我们怎么能够在前面如此自信地描述在这一时刻之前的那些情况呢？此时我们需要依靠理论。这些理论中有许多曾成功地预言了微波背景辐射是什么样子，这样我们就能够将理论和实际的宇宙微波背景作比较，得出合适的结论。

但更为理想的当然是我们希望能够越过这个障碍看到过去。为了达到这个目标出现了不少想法。比如去探测那些在微波背景辐射时代之前就幸存下来、未曾变化的高能粒子。现在已经开始寻找这种以微小的、几乎无质量的中微子或其他怪异的物质形态出现的粒子。但真正能够探测到并确定其来源的中微子望远镜，还有待建造。

在时间上回看

在时间上回看

和化学家或者物理学家不同，宇宙学家们没法拿到他们的研究样品并送到实验室中进行分析。但他们却有一个巨大的优势，就是可以逆着时间向回看，并且观察到研究目标在几百万年前的样子。记住，只要观测离地球越来越远的天体，就可以看到离现在越来越久远的事情。这不适用于在透明时刻前发生的事件，它们隐藏在不透光的婴儿期宇宙里。从现在起我们讨论那些有可能直接观测到的事件。

这一章的内容始于宇宙变得透明的那一刻，就是最终作为宇宙微波背景回声为我们所观测到的时刻。近期的实验，例如Boomerang，Maxima和WMAP已经证实了COBE卫星探测到的背景辐射的微弱温度起伏，我们将此解释为宇宙密度在这一时间点上万分之一的变化。而我们今天看到的这种不均匀性要大得多：既有超星系团、数千个星系聚集在一起的区域，又有几乎没有任何物质的空间。

我们自己的银河系仅是数百万个旋涡星系之一。当然可以去设想，没有任何理由怀疑这些星系或星系群是随机地分布在宇宙中的。但是对星系的大尺度巡查表明，在最大尺度上存在着许多蜂窝状的结构，包括长度有3000万光年的一条巨壁。宇宙是如何从那种早期刚刚变得透明、几乎但又不完全均匀的状态演化成现在的模样呢？

引力，宇宙的力

引力，宇宙的力

通常认为，在天文距离上唯一起作用的力是万有引力。对一个物体，无论是恒星、行星、一个人还是一片云，引力的强度取决于它里面包含多少物质。注意质量和重量是不同的。质量表示存在多少物质，而重量表示由于重力产生的力的大小。所以一个在地球轨道上的宇航员处于失重状态，但并没有失去质量。可以把引力定义为：使质量产生重量的力。例如，月亮是太阳大家庭中较小的一个成员，其引力小到无法保持住大气。地球质量比月球大得多，把物体吸引住的能力也强得多，所以幸运的是它保持了我们呼吸所需的大气层。类似地，早期宇宙中物质密集的区域比稀疏的区域有更大的引力，可以把周围的物质吸引过来，而这又进一步增强了它的引力。所以这一过程一直在加速，就像常说的那样：富者愈富，贫者愈贫。

在这些比较致密的区域中也存在局部的密度差异，所以有同类的过程发生。质量越大，引力越强，从周围吸引的物质聚集得越多。使用计算机能够重构当时的情景，从而建立一个比较好的模型来反映早期宇宙是如何演化成现在宇宙的大尺度结构的。

不论这种结构在哪里形成，都必须考虑两种对立的因素：从大爆炸开始的空间的膨胀和引力作用下的局部物质的收缩。一旦天体在形成过程中积累了足够的质量，它就能抵御总体的膨胀而收缩到一起。

一个星系团的始祖最开始时是很小的，其体积随着宇宙的膨胀而增加，并持续地从周围把物质吸纳过来。随着可以积累的物质的耗尽，它增长得越来越慢，直至停止扩张，这个原始的星系群达到了它最大的范围，并有能力凝聚到它最终的大小。引力随距离的增大而变弱，所以在宇宙演化的这个阶段，收缩仅可能发生在很小的尺度上。这样，还仅仅是气体团的原始星系开始形成。

昏暗时代

昏暗时代

这种聚合是什么样子的？我们什么都看不到，因为正处在被第15任皇家天文学家马丁·里斯所称的“黑暗年代”。这个时代紧接着产生微波背景辐射的时刻，当时还没有任何恒星在宇宙中发光。

当然那里还充斥着在宇宙开始透明时产生的、还没有多久的回声。这种辐射（此时应称为宇宙电磁背景辐射，而非微波背景辐射）在3000度时开始出现，这个温度和乙炔焊焰的温度差不多。因而在此期间实际上存在着逐渐变暗、逐渐变红的弥漫的辉光。所以宇宙并未彻底黑暗过，只是昏暗而已。

随着宇宙的冷却，在愈来愈微弱的辉光中，物质的引力收缩将最终形成星系。于是一个剧烈的变化发生了，大量的恒星爆发，昏暗的宇宙忽然被照亮，宇宙中充满了耀眼的光芒。这一刻来得有多突然还有争议，但无论如何，我们已经进入了开始形成最早的恒星的新纪元。

在大爆炸中，实际上只有3种元素被创造出来：氢、氦和少量的锂，其他元素的含量可以忽略。我们已知的所有其他元素都是在恒星内部形成的。人们常说：我们是星尘，这是十分贴切的。我们太阳和太阳系的物质很可能已经经历过两次恒星形成的循环。其后可以看到，很多恒星在其火爆的生命史中将氢和氦转化成较重的元素。例如金元素的出现就清晰地表明它是来自超新星的爆炸。相比之下，第一批恒星在形成时只含有最轻的3种元素。

要形成星系，气体团必须收缩。而气体要收缩，温度必须降低。在现在的宇宙中，气团收缩释放的能量可以被碳和氧原子发出的辐射带走。但在我们描述的这个时代，除了通过氢分子外没有其他的途径进行冷却。而氢分子冷却过程的效率是很低的。其结果是，只有大团的气体才能收缩，而从中形成的恒星也特别巨大。第一批恒星的质量可能有太阳质量的数百倍。既然储存了这么多燃料，那么这些巨无霸的发光时间一定比太阳寿命长很多吧？恰恰相反，这些早期恒星来也匆匆，去也匆匆，仅能存在几百万年。相比之下，太阳的整个活跃期可达90亿年。

恒星能量的源泉（1）

恒星能量的源泉

要理解这点，就要考虑恒星中心深处的情形。只有一颗恒星允许我们做近距离研究，那就是太阳。太阳，像所有普通恒星一样，是个白热的大气体球，是可以吞没100万个地球这么大的球体。它的表面温度有5600℃，而在核心产生能量的地方，温度高达1500万摄氏度。我们无法看到太阳内部较深的地方，但可以检测它的构成。我们建立的数学模型可以做到符合观测结果，所以才确信对于核心温度的预测。占太阳质量70％的物质是氢，这也是它的燃料，和原始恒星的情况一样。

我们知道氢是最简单的原子，由一个质子和一个环绕的电子组成。恒星内部是如此之热，电子被从原子核边剥离走，剩下不完整的原子称为“电离”。在恒星核心，压力和温度都极端地高，这些原子核的速度是如此之大，当它们互相碰撞时核反应就会发生。氢原子核结合成次轻的元素，即氦原子核。大家公认这一过程是间接而曲折地发生的，其最终效果是4个氢原子核结合成1个氦原子核。这个过程除了产生我们看到的恒星发出的光芒外，同时还产生另一个叫做中微子的副产品，这种奇特的粒子以后还要谈到。在形成氦的过程中要损失点质量，同时释放出很多能量。正是这些释放出的能量使得恒星发光。而对太阳来说，每秒钟要损失400万吨的质量。现在太阳的质量已经比你刚开始阅读这段话时少了许多。氢燃料不可能永远地提供下去，但目前还没有危险。太阳大约在50亿年前诞生，以恒星的标准来看正值壮年。当所有的氢耗尽后，太阳并不是简单地暗淡下去，而是会发生另一段故事，这在以后的章节中会讲到。

所以至少在太阳中，能量来源于在4个氢原子核结合成为1个略轻的氦原子核时损失的质量。自然界中最着名的公式E＝mc2告诉我们质量（m）等效于能量（E），而换算系数c2是光速的平方，非常大。所以很小的一点质量消耗就会产生出巨大的能量，而太阳每秒钟要损失400万吨的物质并转化成能量！

这些消失的质量从何而来？氢原子是最简单的原子，只有1个电子环绕1个质子。所以4个氢核中的每个都是1个单独的质子；氦核则由2个质子和2个中子组成。但是，中子比质子稍微重一点，所以如果把这些粒子的质量直接加起来就会发现，1个氦核比4个氢核要重，质量反而增加了！但实际上，尽管氦原子核由重一些的粒子构成，然而其总质量却确实比4个质子要小。要记住这一领域是由量子力学和其关联效应所主宰的，答案也就在这里。如果我们测量单个质子的质量，那么它确实比中子轻。但这些亚原子粒子不是自由的。在氦原子核中它们被强核力束缚在一起，无法自由运动。在亚原子粒子形成这种束缚时会释放出能量，我们测量到的结果就是质量的降低。

恒星能量的源泉（2）

为什么产生的原子核要有2个质子和2个中子？如果2个单独的质子之间能形成稳定的约束关系，那么天体物理学家们对于核反应的研究就会变得简单得多。因为那样的话两个质子迎头相撞就能结合成这种“轻氦核”，并释放出电磁波。然而，两个质子带有相同的正电荷，电磁力使它们互相排斥，而它们之间的作用力不足以将它们约束在一起。因此，与这种简单的结合质子的方式所不同的是，在太阳和其他恒星内部，这一过程相当错综复杂而且惊人地缓慢。

由于无法把两个质子简单地结合到一块，我们必须绕过这一阻碍形成更复杂的原子核的状态。在下面的讨论中只需要考虑原子核，而非整个原子。因为在恒星内部这样的高温下，环绕原子核并组成原子的电子早已因能量过高而无法捕获。唯一起作用的是弱核力，它会造成质子自发地衰变成中子，并释放出1个正电子和1个中微子。新产生的中子可以被一个经过的质子捕获，形成一个氘核。氘实际上就是重的氢，等于1个中子加上1个质子。弱力真是名副其实，这一步骤会耗费很长时间。在太阳中心，一个质子可能平均要等上50亿年才会形成一个氘核，而此后的一切就进行得快多了。

在平均1秒左右的时间里，氘核就会抓获另一个质子结合成一种有2个质子和1个中子的稳定的原子核，即氦-3，氦的一种较轻的形式。经过约50万年，这个原子核会撞上另外一个，形成我们更为熟悉的有2个质子和2个中子的氦核，同时释放出2个质子，它们会参与到下一个循环中。这个步骤要把两个带正电的原子核结合到一起，难度较大因而较为缓慢。只在极近的距离内才起作用的强力把两个原子核吸引到一起，而电磁力又抵抗强力使它们互相远离。最后原子核会靠近到使强力发挥作用的地步。这样我们最终获得了辐射形式的能量，一个正电子－－它会和它的反粒子结合释放出能量－－及一个中微子。

中微子是以高速运动的微小粒子，几乎不与其他粒子发生作用。所以在从太阳中心发出后相对不受周围气体的阻碍。它们中的一些会到达地球，被我们建造的大型探测器所发现。许多年以来都有这样一个问题，就是我们预计每一次产生氦核的碰撞过程中都会产生一个中微子，而探测到的中微子太少。不过中微子有一个惊人的本领，就是在途中改变“味道”或者类型。粒子物理学家发现存在3种中微子，而且它们能够随着时间互相转化。原来的实验都只对其中一个特定类型的中微子敏感，而无法探测到其他类型。总之，这些实验告诉我们，在太阳中心，这一比地球上进行的任何实验都高得多的温度下所发生的反应，我们对它的认识是基本正确的。这些实验也首次提供了可靠的证据，证明中微子具有有限（虽然很小）的质量。因为如果它们像以前认为的那样不具有质量，那么就不可能从一种粒子类型转化成另一种类型。

光谱

光谱

艾萨克·牛顿爵士首次将一束阳光穿过一只玻璃棱镜，证明了阳光是由从红色（长波长）到紫色（短波长）的各种波长的光线的混合。他把阳光通过小孔和棱镜，射出后形成一条彩色光带，这是首个有意制成的光谱。牛顿并未做进一步的实验，可能因为那时棱镜的玻璃质量欠佳，无疑更为可能的是还有其他的事情正等待他去考虑。下一个真正的进展来自英国科学家W.H.渥拉斯顿。1801年，渥拉斯顿在屏上用一道狭缝代替了小孔，得到了里面横跨着许多暗线的带状太阳光谱。渥拉斯顿认为这些线仅是各种颜色之间的分界，从而与一项重大发现失之交臂。十多年后，德国光学家约瑟夫·夫琅禾费做到了这点。

像渥拉斯顿一样，夫琅禾费获得了太阳光谱。他把暗线描画下来，发现它们的位置和强度是不变的。例如在光谱黄色的部分有两条非常明显的暗线。这些线条是如何形成的？1858年古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生给出了答案，同时奠定了现代光谱学的基础。

就像望远镜收集光线一样，光谱仪把光分解成彩虹样的光谱。观察发光的固体或者液体的光谱，你可以看到彩虹似的连续谱带；而低压气体的光谱却大不一样，与一条彩带不同，只能看到分立的亮线，即发射光谱。基尔霍夫和本生发现，每条谱线都是某种特定元素或者元素组合的标志，而且不会重复。例如钠会产生2条明亮的黄线以及其他亮线。有些元素的光谱比较复杂，比如铁有数千条谱线。而他们伟大的洞察力在于，发现太阳光谱中的暗线和实验室里发光气体光谱中的亮线是一一对应的。现在知道每条谱线都产生于气体原子外层电子某个特定的状态跃迁。如果气体很热，电子的能级降低时就会放出能量，我们就能看到发射线；如果气体较冷并且背景光是像阳光那样的连续谱的话，我们就会看到一条暗线，因为电子在相同的频率上吸收了能量，并跃迁到上面的能级。在太阳光谱黄色部分里的那一对特殊的暗线就是相对较冷的钠蒸汽存在的明确迹象。通过对这些夫琅禾费线的研究，可以得到被称为“反变层”的太阳内层大气中所有气态元素的丰度。

被称作夫琅禾费线的这些暗线还可以提供运动的信息，继而间接地告诉我们天体的距离。注意一下救护车鸣笛的声音。与静止时相比，当汽车朝我们开来时，每秒钟内有更多数量的声波进入耳朵，其效果是波长变短了，所以声调听上去越来越高；而当汽车经过后驶离我们时，每秒钟进入耳朵的声波数减少，波长增大，所以音调变低。奥地利科学家多普勒首先对这种现象做出了解释，后来这种现象被称为“多普勒效应”。对光来说也存在同样的现象。对于一个正在靠近的源，波长的缩短令光线变蓝；对于正在退行的源，光线变红。这种颜色变化极其微弱，难于察觉。但是会在夫琅禾费线中有所反映。如果所有的谱线都向红端，即长波长端移动，那么光源就正在远离我们。红移越大，退行速度就越大。

现在回到太阳光谱。太阳的明亮表面，即光球，产生连续光谱。其上的是一层压力低得多的大气（色球层），所以预计应该产生发射光谱。事情也确实如此，然而在一个明亮的彩虹背景的映衬下，这些谱线被“反转”了，看上去不是亮的，而是暗的。但是它们的位置和强度不受影响。日光光谱黄色部分的两条暗线对应着钠的发射线，所以我们断定太阳上存在钠。

首批恒星的命运

首批恒星的命运

随着最早的恒星出现在宇宙中，它们的光芒终结了黑暗时代。这些恒星质量巨大，每个可能相当于150个太阳。伴随着巨大体积而来的不断增加的重力把它们的核心加热到非常高的温度。为恒星提供能量的核反应继而加速进行，所以物质被迅速地消耗掉。最早的恒星有可能在100万年里就把自己的燃料用光。

在首批恒星诞生之前，宇宙是一片原子的海洋，主要是氢原子。巨大的恒星开始发光后，其辐射四处传播，将电子踢出原子，使之电离。逐渐地，每个新恒星的周围都围绕着一个电离气体的气泡。恒星能量越大，产生的气泡就越大。恒星的能量只能影响有限范围内的气体，但这些恒星的体积和能量是如此巨大，它们造成的电离气泡可能有数万光年大小。

接下来会发生什么？围绕着两个不同恒星的气泡会偶尔相遇，一旦如此，里面的所有物质都会处在两颗恒星共同的辐照之下，被两倍的能量所激励。气泡扩展得更为迅速和庞大。这意味着有很大的可能这个扩大的气泡又和另一个邻居相接，于是整个过程进一步加速。经过相对短暂的时间，在原来充满中性氢的宇宙中，99%以上的物质都被电离了！

黑洞，一个单向的旅程

黑洞，一个单向的旅程

这种最初的电离相当不合逻辑地被称为“再电离时期”，它的产生还有另一个可能的原因。包括我们星系在内的几乎每一个星系，其中心都有一个大质量黑洞。黑洞是大质量恒星坍缩的产物，它的引力是如此之强，即便光也无法逃离出来：它的逃逸速度太大了。逃逸速度的概念一目了然，就是一个物体要脱离某个质量更大的物体的重力场时，所必须具备的速度。最终，一个坍缩恒星的逃逸速度会达到每秒300.000千米，即光速。光是宇宙中最快的，而当光都无法再从那里传出，那么在这个古老恒星的四周就会形成一个禁区，没有任何东西能从那里逃逸。当然我们无法直接看到黑洞，因为它根本不发出任何辐射。但我们可以确定它的位置，因为能够探测它对其他天体的引力效应，例如当黑洞是双星系统的一个成员时。

结果是黑洞与其周围被割裂开来。因为任何辐射都无法逃出，所以我们没有办法探索其内部，而只能猜测里面的情况。如果掉落到黑洞里自然是有去无回，所以我们强烈地建议不要这样做。科学家们创造了一个新词叫“抻面条”来形容这个过程，相信任何人想到这点就都不会贸然前往了。

黑洞通常是由大于太阳质量8倍的恒星坍缩形成的，而在星系中心，等于数百万个太阳质量的巨大黑洞可能另有来历。这些庞大的黑洞可能是在宇宙非常早期的阶段形成的。如果这样，那么第一缕光线可能还不是由恒星发出的，而是物质掉落进黑洞时被加热的结果，这也足以造成普遍的电离。如果是这种情况，那么这些黑洞依然存在着，在目前仍然隐藏在星系的中心。现在还不清楚，这两种可能的再电离机制中到底是谁在起作用。我们必须对这个时期有更多的了解，才有可能平息这场争论。

超新星

超新星

无论哪种理论正确，这种最早的庞大怪异的恒星都存在过，而且在再电离时期，它们对周围的影响也未结束。我们已经看到它们的寿命短暂，而其灭亡的过程却很激烈。不像正在等待我们太阳的相对平静的未来，这些巨星的终点是灾难性的爆炸。

一颗恒星的外层是由中心发生的核反应所产生的能量来支撑的。当这一过程的燃料耗尽时，外层就会坍塌，增加了内部核心的压力和温度。这种变化会使得以前一系列反应所生成的氦核互相碰撞、反应并结合成更重的元素。同时，内核外围的氢还在继续燃烧，其结果就像一层层的洋葱一样，重元素不断地在中心形成。最后，铁的产生中止了这个循环。铁原子核是最为稳定的，当它们相互碰撞时会损失能量而不是释放能量。一旦一颗巨型恒星生成了铁核，就没有什么能够阻止外层向内的坍缩。很快一个致密的核心形成了，冲击波激荡在星体内，将其余的物质向外抛出，一个光和热的巨大爆炸发生了，这就是我们看到的超新星。

超新星的爆发已经相当猛烈，更厉害的是特超新星：无比巨大的恒星由于同样的原因发生的爆炸。这也还不是最极端的情况。我们所知的最具灾难性的事件叫做伽马射线暴。

伽马射线暴

伽马射线暴

伽马射线是电磁辐射中能量最高的形式，它的波长甚至比X光还要短，在

0.01纳米以下（1纳米是10-9 米）。尽管在全天有一个几乎是恒定的均匀伽马射线背景，但在其中确实发现了一些分立的源。这些持续几分钟的伽马射线的突然爆发极有威力，它能够穿过可视宇宙被探测到。伽马射线最初的爆发后，在其他频谱段会出现一个“余晖”。找到这支正在暗淡下去的“冒烟”的枪，对于天文学家们确定我们离最近的爆发的距离非常关键。我们现在知道这些伽马射线暴是十分遥远的。一个单独的爆发所发出的能量超乎想象，太阳在整个生命中发出的能量尚不及伽马射线暴在几分钟内释放的能量多。

尽管不同爆发的原因似乎不同，但许多伽马射线暴产生于超大质量恒星死亡之时。记住一旦这些恒星中用于核反应的燃料枯竭，从中心发出的辐射就消失了。重力最终赢得了战斗。恒星的外层向内塌陷，中心区域彻底坍缩形成黑洞，同时外层被反弹回来并以极高的速度被抛出。释放的能量是如此巨大，在恒星的一生中所合成的原子核又重被打碎，一切几乎又变回了氢。但是，这种巨大爆炸中的能量又会引发进一步的核反应，将氢原子聚变成更重的元素，其中特别包括那些比铁重的元素。

爆发是否较弱，从而意味着距离较近；或者是非常强劲，即十分遥远。现在我们相信这些爆发是从离我们10亿光年的源头发出的，而且不可思议地强大，可能是自大爆炸以来最大的爆炸！

如果这个爆炸的恒星像第一代恒星那样大，那么向外释放的能量就足以产生一次伽马射线暴。在我们邻近的宇宙中，最大的恒星只有太阳的20～30倍，我们看到它们以相对温和的超新星方式灭亡。但是一颗超新星的光芒已足以盖过它所在的整个星系，所以一颗特超新星可以穿过整个可视宇宙被看到。

伴随这激烈的灭亡，爆炸产生的冲击波以接近光速横扫过去，相似的过程可以在哈勃太空望远镜拍摄的附近超新星的照片上看到。濒死的第一代恒星产生的冲击波除了加热周围的气体外，还使得周围的气体云随之收缩，触发了下一代恒星的形成。这些新恒星在形成过程中吸收了第一代恒星产生的元素，这些元素在更早的时期还不存在。这些原子，尤其是碳和氧，能有效地把收缩云气中的能量辐射出去，这促使气体团冷却碎裂，形成更小的团块，进而形成较小的恒星。结果是，这些第二代的恒星与我们现在看到的恒星非常相似。它们中最小的那些，也就是寿命最长的，可能今天还在闪烁，并且可以在银河系里找到。

这些恒星的确切质量对于其命运有着决定性的影响。例如，300个太阳质量以上的恒星会直接坍缩成大质量黑洞，既没有物质被抛出也没有冲击波扩散出来。而在160个太阳质量上下的恒星则会形成成对不稳的超新星。这种爆炸正好产生大量的正电子，即电子的反粒子。当正反粒子相遇时，它们会在湮灭的同时产生能量。这些超新星中的这种能量足以防止核心的坍缩，这样黑洞和中子星都不会生成，而所有的物质都被抛出，进入第二代恒星的形成过程。我们相信在宇宙早期有大量的这种尺寸的恒星形成，并按照这种机制进行演化。

相对论——观测者的指南

相对论——观测者的指南

作者：【英】帕特里克•摩尔 出版社：广西科学技术出版社

相对论——观测者的指南

黑洞的物理学通常是用广义相对论的语言来描写的，所以值得花点时间做些了解。根据爱因斯坦的理论，两个拥有各自独立的参考系的观测者，当相对加速（或减速）时，它们的时标无法保持一致。换句话说，我觉得经过了10秒钟，而如果你正在加速离开我，那么会感到只过去了6秒钟。

人们首先会想到“哪个人是正确的”，然后去检查时钟是不是被动了手脚。然而相对论明白无误地告诉您，两者都是对的，这里面没有人施展诡计。不同观测者的时间确实在以不同的速度流逝。不过一些常识性的原则被保留下来。例如两人观察到的事件发生的顺序是一致的。故而尽管可能其中一人看到A在B之前一分钟发生，而另一人看到A和B同时发生，任何人不可能看到B先于A发生。所以因果关系保持不变。但许多其他我们认为是理所当然的常识都不再成立了。

为什么在日常生活中从未经历过这种类似悖论的事情？为什么我们从未见过时钟在以不同的速率走动？答案是，我们很幸运没有生活在黑洞附近。在没有极端的加速度，或接近光速的高速，或非常巨大的质量聚集在一起的条件下，这些改变微乎其微，牛顿的运动定律可以很好地得到符合。爱因斯坦并没有去证明牛顿错了，而是扩展了牛顿的思想，使之在更为极端的情况下依旧准确。

黑洞除了对时间的流逝有如此作用外，相对论还告诉我们巨大的质量是如何影响周围的空间的。相对论难于理解的原因之一是其数学框架是四维形式的：三个我们所熟悉的空间维度加上一个时间维度，空间和时间不再独立存在。为相对论提供了大部分数学架构的闵可夫斯基曾这样说道：单独的空间和单独的时间消失得无影无踪，而这两者的复合体开始大放异彩。

如何去想象一个四维的球体？我们都不能。但可以通过只考虑两个维度来对它的特性有所认识。把时空想象成一条四角拉紧的平展的床单。现在在中间放上一只圆球或其他重物，床单就会变形。就像理论告诉我们质量使得时空扭曲一样。穿越这个畸变时空的光线，其路径也会被扭曲。在一个大质量黑洞附近，这种效应会强大到使一个观测者在某个合适角度能同时看到周围星盘的正面和反面。

虫洞，现实还是科幻小说

虫洞，现实还是科幻小说

对黑洞里面的情形，我们只能猜测。难道这个倒霉的恒星真把自己挤压成不存在的东西了吗？有人提出这样一种想法，就是黑洞使得时空畸变到出现一条连接宇宙间不同地点和时间的，甚至连接不同宇宙间的通道。这种叫做虫洞的观点目前还处在科幻小说的范畴，它为里面的人物提供了一种有用的武器使之可以摆脱现代物理学的束缚。但是必须提到，在对黑洞这种怪异物体的严肃的科学研究之中，虫洞的观念也包含在研究内容里。

目前的状况也许可以这样说：任何经过检验的理论都没有排斥虫洞的观点，而同时也没有任何倾向于这种观点的证据。无论如何，在黑洞内部，所有的普通科学规律似乎都已失灵，我们深信不疑的那些常识也不再管用。