第一章 宇宙与星系
随着一次神妙难测的巨大爆炸，时间开始了——对讲故事来说，这通常是一个很好的开头。然而迟至上个世纪，我们才搞明白这个最初的时刻到底标志着宇宙的还是地球的诞生。诚然，犹太教和基督教的《圣经》是这么开头的：“起初，神创造天地。”而创世的确切时间，17世纪爱尔兰的詹姆斯·乌雪（James Ussher）主教就已确认，乃公元前4004年的10月23日。
但就在乌雪主教的著作问世前不久，文艺复兴时期的一些重要哲人就已经有了“时间并无起点”这样的观点，其中最有名的要数布鲁诺——16世纪意大利学者、多米尼加派僧侣，其名声很大程度上来自他的殉难。哥白尼认为地球并非宇宙中心，而是绕太阳旋转，这观点在当时实属离经叛道。布鲁诺对此不但大表赞同，还进一步提出太阳也仅仅是夜空万千繁星之一，而它们每一颗都有自己的行星。这个故事最值得留意的是，布鲁诺相信宇宙亘古未变，且无始无终，无边无沿。在欧洲学者中，布鲁诺并非持有这些观点的第一人，但仍被天主教廷斥为异端邪说（连同他更亵渎宗教的观点，诸如质疑基督神性、圣餐变体论等）。他最终在威尼斯被捕受审，并引渡到罗马再次受审。布鲁诺性子冲动，又爱嘲讽挖苦，他一如既往地拒绝公开宣布放弃自己的著作，除非教宗或上帝自己来告诉他他错了。1600年的2月17日即大斋首日，布鲁诺在罗马鲜花广场被处以火刑。而今，他的一座雕像在此矗立，对满街咖啡馆里兴高采烈的游客怒目而视。
幸好，科学家因言获罪而在火刑柱上被烧死这种事后来极少发生——至少照字面来说是如此。我和一位同事有一次到访罗马，站在布鲁诺气派的雕像下扪心自问：我们会像布鲁诺受审33年后的伽利略那样，在死刑的威胁下公开宣布放弃自己的科学著作吗？在短暂沉默之后我们（无可否认地）爆发了一阵大笑，一致同意我们眨眼之间就会放弃。先不管我们共有的胆小怯懦，也不管为了我们从来无人问津的论文献身的这个想法，单是考虑我们站在了事后诸葛亮的位置就足够了——我们知道错误的科学将与始作俑者一起“身与名俱灭”，正确的则会“江河万古流”。要是我们一死，我们的科学观点即告终结，那大概也算它“罪有应得”。然而布鲁诺确实以生命为自己的信念献祭，成为我们最具声望的科学殉道者之一。最终，我们承认他的观点有惊人的预见性，尤其是他认为地球只是万千世界之一，围绕着广阔而古老的宇宙中万千星辰之一旋转。
然而，布鲁诺关于宇宙无始无终、无边无沿的观点却是错的，时间确实有一个起点。对这一事实，最简单的证据就是夜空的黑暗：如果我们生活的宇宙真的无始无终、无边无沿，那夜空的每一个方向都会在某处有一颗星星，而且每一颗星星发出的光芒都会有充裕的时间抵达地球；因此，整个夜空应该完全被星光照亮才对。这一夜空佯谬尽管早就由德国数学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）和英国学者托马斯·迪格斯（Thomas Digges，与布鲁诺同时代的人）提出，却是以晚得多的18—19世纪的德国天文学家海因里希·奥伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）命名。奥伯斯佯谬的谜底，后来由19—20世纪的英国物理学家威廉·汤姆森（William Thomson，又名开尔文男爵）揭开，甚至美国作家爱伦·坡也曾做出推断：宇宙要么年龄有限，因此遥远星球的光芒还没来得及抵达地球；要么空间有限，因此星辰并非无处不有；要么二者都成立。这意味着宇宙是从过去某个时刻肇始且（或）并非同时在所有地方发生，因而成为最终引出大爆炸假说的最早和最重要线索之一。
20世纪20年代，美国天文学家埃德温·哈勃应用天文望远镜的观测资料证明，在我们的银河系之外，还有很多星系。在此之前人们一直以为银河系就是我们有限而静止的宇宙的全部了。哈勃利用一种名为“造父变星”（Cepheid variables）的脉动变星推算星系间的距离。造父变星的脉动周期（两次脉动的间隔时长）与平均光度（以光的形式释放的总功率）有直接关联，这一特性使之成为测算距离的重要标尺。脉冲周期相同的两颗造父变星具有同样的光度，所以如果一颗看起来比另一颗更暗淡，它也就更远，而变暗效应的程度与距离的平方直接相关，这就提供了测定的可能。因此，造父变星给出了它们所在星系到我们的距离。哈勃同时发现，平均而言，随着距离的增加，星系发出的光有渐增的红移现象。在可见光中，红光具有最大的波长和周期。光的红移类似声波的偏移，例如当救护车驶离我们时，警报器的音调会下降（频率降低，或周期与波长拉长）。星系中光的红移现象表明，离我们越远的星系在越快地离开我们，也就是说星系在普遍地彼此远离，向外扩张。
甚至在哈勃观测到总体上所有星系都在彼此远离之前，比利时天文学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）以及俄罗斯物理学家、数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）就已各自独立推算出宇宙正在膨胀。他们的计算都运用了爱因斯坦的广义相对论，然而爱因斯坦本人起初却并不认同他们的结论（后来才承认他们是正确的）。而哈勃的观测为他们的观点提供了佐证。
如果膨胀宇宙具有有限的时间和空间，那么将膨胀倒序回放，宇宙的全部质量和能量最初就是浓缩在一个小得多也热得多的体积中，勒梅特称之为“宇宙蛋”。在宇宙最初时刻的这一扩张，被剑桥大学天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）不无贬损地始称为“大爆炸”，实际上他反感这个想法。这个名字留了下来，但“爆炸”一词并不完全准确，尽管我在本章开头也用了同样的表述。普遍意义上的爆炸意味着有高压气体从低压气体中分离出来，向外形成冲击波，然而最初的压缩宇宙的质量与能量也包括全部空间都在这小小的体积中，并无空间供它去爆炸。宇宙膨胀时，是与它的空间边界一起膨胀，在边界之外并没有光、物质、能量或是时间的概念，这凭直觉可能很难想象出来。
到20世纪60年代，美国科学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了宇宙微波背景辐射，就是弥漫在整个宇宙中的一种无线电噪声。这一发现表明宇宙真空并非完全死寂（温度和能量均为零），而是充满了“舒适宜人的”3K（-270℃）微波。这种残留的热量，正是大爆炸之后宇宙一度处于更高温度状态的证据。
大爆炸理论使得简单推算宇宙年龄成为可能，或者仅仅运用目前宇宙膨胀的观测资料也够了。要计算总的时间，就需假定宇宙以估算的膨胀率（称为哈勃常数）从很小的体积增长到今天，宇宙空间也随之冷却到3K的温度。据此我们可推算，宇宙年龄约为140亿年（有大约10亿年的出入）。这一简单推算通过对宇宙最古老星体的天文观测得到了极好的证明，这类星体通常都很小，燃烧极为缓慢（详见下章）。它们在大爆炸之后几亿年才诞生，因而由此估算出的宇宙年龄会偏低。目前对宇宙年龄的最可靠估算是138亿年。
大爆炸理论绝不仅仅是在讲述宇宙如何从很小的一点变成今天的巨大尺寸。从大爆炸初始状态开始的一连串事件，掌控着物质的性质及宇宙的结构。简单说来，在大爆炸之后紧跟着的几微秒（1微秒即百万之一秒）到1分钟之内，发生了很多事情。在我们展开细节之前，可以回想一下最初的宇宙是如此的致密和炽热，只是一个极小的有巨大纯能量的球体，而随着它膨胀和冷却，各种形态的物质、能量乃至自然作用力都从中凝结而出，这一过程可大致想象为水蒸气的冷却，先从气态变成液态水，再从水变成固态冰。每一步都有新形态的物质生成（气态、液态或固态），这就是相变。只是这些发生在宇宙诞生最初几个瞬间的变化要远比相变奇异，而我们对作为起点的最初状态也还谈不上有充分的认识。
一般认为，在大爆炸开始的第一个瞬间，温度非常之高，因而压力也非常之高，因此宇宙也就仅容纳了唯一一种形式的极高能量，存身于无法想象的极小体积内，远远小于一个原子甚至亚原子粒子。这一状态延续了最早的10–43秒。（以下供参考：10–2等于0.01，而10–43就是1与前面小数点之间隔着42个0。）这段时间被称为普朗克时期，以公认的量子力学之父、20世纪德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）命名。在这段时期（这儿我得指出，宇宙学家异想天开地征用了“时期”这样的术语，这会把绝大多数地质学家逼疯）*，自然界的基本作用力也仅有一种形式。具体来说，作用力涉及粒子交换，比如厨房磁力贴就是通过交换名为光子的粒子吸附在你的冰箱上，而光子就是传递电磁力的光粒子。如今其他作用力各有不同的“传递者”，但在普朗克时期如果所有的传递粒子都一模一样，那所有的作用力也就都一样。这个初始单一作用力的概念，正是理论物理学家长久以来苦苦寻觅的“统一场论”或称“万物理论”。目前，还难以实现仅用一个理论就解释清楚如何统一引力（使我们留在地球上的力）与其他三种基本作用力——电磁力（即电荷之间的作用力，也包括磁力）、强力及弱力（二者决定亚原子粒子如何结合在原子核中）。物理学的整个领域，诸如弦论、圈量子引力论†，都在试图敲开这枚难搞的坚果。统一除引力外的另三种作用力的尝试，在理论上和实验上都取得了很大进展，这就是所谓的大统一理论（Grand Unified Theory），与被称为标准模型的“近乎万物”（除开引力的万物）理论异曲同工。希格斯粒子或者叫玻色子（以英国物理学家彼得·希格斯命名）的发现为标准模型带来了开创性的确证，并原则上解释了是什么让物质具有了质量这一特性（让某些物体更难被移动的“惯性质量”，就要归功于无处不在的希格斯场对粒子的拖拽）。
一不留神离题了。让我们回到真正的核心，也就是对普朗克时期的宇宙自身究竟是什么状态，我们还所知甚少。而关于宇宙究竟如何抵达这个原点，此前又是什么样子，我们同样不甚了了。无论如何，在普朗克时期结束时，被牢牢束缚的小小宇宙并不稳定，而大爆炸就这样开始了。
宇宙接下来的10–35秒真可以算作大爆炸中的“爆炸”期，这段极短的时间发生了极速膨胀，因而叫暴胀时期。暴胀使宇宙的体积增加了许多许多个数量级（大约1070倍），虽说在尺寸上只是变成了几米的大小，还不怎么大，但膨胀的速度可是光速的许多倍。‡膨胀被认为是由能量的释放所驱动，这能量仅有一种形式，储存在单一的作用力场中，喷薄而出的能量则成为接下来已知宇宙的物质和能量的来源。
极速膨胀之所以会成为大爆炸故事不可或缺的一部分，是因为要是没有它，对宇宙微波背景辐射（前面提到过的弥漫整个宇宙的无线电波杂音）的基本观测就难以解释。比如说，既然宇宙所有空间在近140亿年之后看起来都还有几乎相同的温度，宇宙不同方向相距遥远的各个尽头就必然彼此有过长期的接触并维持到了足够大的尺寸，在后续膨胀中才能以相同的温度各奔前程。若是从时间原点起它们从未彼此接触，那就很难理解为什么它们现在都具有同样的温度。极速膨胀使宇宙得以快速拥有小而有限的体积，于是宇宙的各部分在各奔前程之前，都能达到相同的温度。
暴胀时期之后，释放的能量扩散，密度降低到了一个恰好的程度，从中凝结出了物质。能量可以转换成物质，根据的是爱因斯坦少数几个人们耳熟能详的方程之一：E=mc2，其中E代表能量，m是转换而成的物质质量，c则代表光速。最早出现的物质主要以亚—亚原子尺度粒子（sub-subatomic）夸克的形态呈现为夸克汤§，这是构建质子和中子的基础材料，而质子和中子又一起构建了原子核。这时仍有为数众多的纯能量以光子的形态存在，同时还有通常称作轻子的物质微粒，数量上比前者要少得多。轻子包括电子和中微子，电子是一种带负电的小粒子，绕原子核旋转，在电线中形成电流的也是它。中微子则数量极少，呈电中性，此时就正在飞速穿过你的身体，而你毫无觉察。大体上说，轻子的界定，部分是基于它们不能合并产生原子核。
故事进行到这里时，宇宙的温度仍然太高，夸克还不能彼此结合。但在接下来的10-5秒中，有更多事情发生。物质和所谓反物质（比如电子的反物质是正电子，与电子质量相同而所带电荷相反）以几乎相等的数量存在。物质与反物质一旦接触就会一起湮灭，只能共存极短暂的时间。湮灭会释放出更多能量，但也会留下“少”量的常规物质，其数量略微丰富些，因而存留至今。被认为是宇宙质量最主要存在形式的暗物质（详见下文），也很可能是在此期间产生的。这段时期的最后阶段则涉及夸克的结合，那时候温度已经足够低到夸克终于能彼此结合产生质子和中子了，但对中子与质子结合为原子核的过程来说还是过高，更不必说生成完整的原子了。由于质子和中子一般被叫作强子，10-5秒期间的这一最后阶段就称为强子时期。
在这10-5秒过后，温度仍然很高，光子也仍具有充足的能量，因此可以将能量转变为物质，并继续生成轻子。但在1秒之后，环境冷却，轻子不再生成。这期间生成的轻子数量，差不多就是存留至今的量（除了那些后来由核反应生成的轻子），因此10-5秒到1秒这段时间就称为轻子时期。
在1秒后直到约100秒的期间，宇宙冷却到了能让中子与质子结合生成第1个原子核的温度。但自由中子本身并不稳定，倾向于衰变成1个电子和1个质子。于是到100秒时，剩下的中子就不算多了，在每16个强子中，只有2个是中子，另外14个全是质子。在这16个强子中，2个中子将与2个质子相结合，组成1个氦原子核，剩下的12个质子，则每个都形成1个氢原子核。这样一来，在正常的宇宙质量中，大约有25%是氦（每16个强子中的4个以氦的形式存在），而剩下的是氢（每16个强子中的12个以氢的形式存在）。实际上，也还生成了少量的其他物质，比如锂以及更重的氢（氢的同位素，例如氘，在原子核中有中子和质子各一），但因为环境冷却太快而无法形成更多，它们的数量也就极少。到今天宇宙的质量组成仍与此相同，即约75%的氢、25%的氦，以及少许更重的元素（详见下文），这样的成分组成结构是关于大爆炸理论可供进一步检验的预测（而且之后也确实得以成功检验）。
在接下来的10万年中，宇宙温度仍然太高，原子核无法俘获电子形成完整的原子。物质和光子能量的密度也仍然太大，于是彼此卡住，动弹不得。这就是说，物质太致密，光无法穿透；能量也太高，物质无法凝结起来，原子核和电子只能保持分散。由于这期间的宇宙整个沐浴在光子中，人们通常称之为辐射时期。
到大约10万年时，物质和光子的密度都降低到了光能从中逃逸的地步。到大约38万年时，温度则降到允许原子核与电子结合形成原子，这就开启了我们基本上至今仍身处其中的物质时期。这一最后的结合也释放了大量的能量，残留下的就是暗淡的宇宙微波背景辐射。最后的核结合及能量释放也携带了在暴胀时期之后各向均一、略有涨落的夸克汤的迹象，因此宇宙微波背景辐射的这种有轻微涨落的均一性模式，如今被认为是宇宙第一个指纹剧烈扩张的一丝反映。
辐射时期的光逃逸一空，以及原子结合的能量井喷后，宇宙在接下来的3亿年里陷入了黑暗，这就是黑暗时期。简而言之，宇宙温度降得太低，而物质也稀释得太厉害，再也没有什么东西能发光了。
在黑暗时期末期，氢氦混合气体中轻微的密度涨落导致了指向高密度区域的引力，也就使这个区域能吸引更多物质。更多的物质又进一步使密度涨落更大，又吸引更多物质，如此往复，就形成了第一批巨型星云形式的引力束缚结构。在这些气态的星云中，那些最大的第一代恒星诞生了。
第一代恒星应当仅由氢与氦组成，它们的亮相标志着黑暗时代的结束，时间在大爆炸之后3亿年。那些最大的第一代恒星诞生而又复归死亡，创造出更重的物质（详见下章），其他较小的恒星则由巨大星云的驱动而形成，并因引力束缚而集结，从而有了第一批真正的星系，这一过程在大爆炸之后的10亿—30亿年达到鼎盛。尽管总体而言宇宙中的星系在膨胀中彼此远离，但它们并非完全自由地飘荡，其中一些会因为彼此的引力束缚而形成星系团。星系团在引力下形成纤维状结构。这些纤维组成的网是宇宙中最大的结构，纤维之间则是空洞¶。这样的结构充斥着宇宙。
我们自己的星系——银河系，就是由仙女座星系的引力束缚着（在遥远的将来它们甚至会相撞），而它们也都是室女座星系团中的大型星系，后者又是更大的拉尼亚凯亚超星系团的一部分。不过在大爆炸之后10亿年的第一批星系形成之后，可能又花了10亿到20亿年才形成这些星系团和纤维状结构。
今天的星系在大小和形状上并不一致，但轮廓也并非完全随机。最大的那些星系呈椭圆形，组成为球体的恒星们以随机的轨道方向绕星系中心旋转。更为常见的是圆盘状、螺旋形、有旋臂结构的星系，它们盘面扁平，看起来在绕质量中心旋转，例如银河系或仙女星系。实际上，由布满气体和恒星的巨大星云形成的旋转的星系本来会坍缩，但旋转阻止了垂直于旋转轴线的坍缩，倒是允许平行于轴线的“跌落”，这就形成了扁平盘状结构（与太阳系的形成类似，后面我们将展开讨论）。在太阳系这样的系统中，坍缩星云的中心通常拥有更多质量，对一个太阳系来说这就是恒星。而在星系中，中心拥有过多质量，因而会形成超大质量的黑洞，它的质量和密度是如此之大，甚至连靠太近的光都无法逃出它的引力。
典型的星系直径约为10万光年。（1光年即光在1年中走过的距离，约1013千米，也就是10万亿千米。作为比较，太阳系中最远的行星海王星，与太阳的距离约为45亿千米，不及1光年的1/2000。）我们的银河系有数千亿颗恒星。然而某些方面的证据表明，已观测到的星系质量只是星系总质量的一小部分，尚有大量看不见的质量存在于星系中，人们恰如其分地称之为暗物质。
20世纪60年代，美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）和同事们发现，位于圆盘状星系的螺旋和旋臂中的绝大部分恒星，绕星系中心旋转的速度几乎都是一样的，而与它们到星系中心的距离无关，这与我们的行星围绕太阳旋转的方式截然不同——太阳系行星的轨道速度随着与太阳距离的增加而递减，这是因为仅有太阳引力将它们固定在轨道上，而引力随距离减小（这样的轨道叫开普勒轨道，以开普勒及其行星运动定律命名）。绝大部分恒星的轨道速度一致，这表明，距离星系中心越远，其轨道内就有越大的质量提供引力，将其束缚在星系中。但是，让恒星这样旋转所需的总质量，远大于观测到的正常星系质量，这就说明可能存在暗物质，提供了所需的其他质量。
天文学家同样注意到，如果星系质量仅由可观测到的恒星组成，星系团内不同星系的相对速度就比引力所能束缚住的速度要快得多。也就是说，星系团能保持稳定、不四下飞散的唯一原因是，存在比可观测质量多得多的质量来束缚它们。关于暗物质还有各种各样的其他证据，比如引力透镜效应，指的是当光线经过质量巨大的天体如星系团时，路径会发生弯曲。
这种将星系和星系团固定住的看不见的暗物质，在电磁波的任何波段（从微波到红外再到紫外）都检测不到。但近年来，天文学家不得不得出结论，宇宙中的物质有相当大的一部分都是暗物质，而最早星系的组成也被认为其中的暗物质成分要多于氢和氦。由于对暗物质的存在只能间接探测，其基本组成仍然是一个谜。
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既然从大爆炸以来宇宙就一直在向外膨胀，自然就会有这样一个关于未来的问题：膨胀是会在引力的作用下慢下来，但凭着充足的初始爆炸能量仍能一直持续，还是说它总有一天会精疲力竭，在引力的作用下宇宙将向内坍缩回到中心？最近的发现表明这两种设想都大错特错，宇宙的膨胀正在加速。在这之前，引力被认为是仅有的长程力，并且在质量的吸引下会造成宇宙膨胀的减速（或可能的坍缩）。加速膨胀的结论实在出人意料，因而为另一种迄今为止尚未探测到的作用力提供了证据。这种作用力产生于一种名为“暗能量”的能量场，最终提供了使宇宙膨胀得更快的推动力。（暗物质和暗能量都叫“暗”，这并不是说二者相关，只不过它们都无法用光探测到。）暗能量是一种超长程的作用力，只在跨越超星系团的尺度上发挥作用，也只有当宇宙膨胀到足够大时才变得重要。据推断，直到约40亿年前，也就是我们的太阳系都已经形成之后，暗能量才超过引力成为支配力量，并造成了宇宙的加速膨胀。这种膨胀在某种意义上就好比是，宇宙填充着一个逐渐倾斜的浴缸，当水即将溢出边缘，转向另一侧倾泻而下。
考虑到被暗能量覆盖的宇宙体积，人们推断宇宙（物质和能量的总和）绝大部分都是暗能量，大约占到70%，而暗物质则占约25%。在剩下的5%的普通原子物质中，诞生了恒星、行星乃至你我，尽管这类物质的绝大部分仍然是氢和氦的形态。然而暗物质和暗能量仅仅在星系和星系团的尺度上才可知晓，这不是我们人类能感觉、能确实体验或是凭直觉能形成概念的尺度。重力基本是我们能时时切身感知并在起床、爬楼梯、倒咖啡等等日常中驾驭的唯一作用力。但是如果我们跟小虫子或微生物一样大小，我们的生活就将更多被电磁力支配，比如因电磁力而产生的静电效应，比如水的表面张力。我们将发现重力不再那么重要甚至几乎注意不到了，蚂蚁爬墙几乎不会被重力阻滞，从高楼上掉下也不会受重力影响。与此类似，对于感知暗物质和暗能量而言，我们降到了小虫子的尺度。
*“普朗克时期”的英文有两种表达：Planck epoch、Planck era。在地质学术语中，epoch和era有不同的层级位置。地质年代时间术语，由大到小依次是宙（eon）、代（era）、纪（period）、世（epoch）、期（age）、时（chron）。比如，今天的人类生活在显生宙新生代第四纪全新世。——编者注
†“弦论”是理论物理学的一支，将量子力学和广义相对论结合为最终的万物理论。弦理论以一段段“能量弦线”为最基本单位，来说明宇宙里所有微观粒子如电子、质子及夸克都由这一维的“能量线”所组成。“圈量子引力论”与弦论同是当今将引力量子化最成功的理论。——译者注
‡按相对论，信息和能量在空间中的运动不能超光速，但是宇宙膨胀是空间本身在膨胀，因而不受光速约束。——编者注
§夸克汤：粒子物理学的“标准模型”认为，在超过1万亿摄氏度的温度下，质子和中子也会“熔化”，变成夸克和胶子组成的等离子体，这种夸克—胶子等离子体就是“夸克汤”。——译者注
¶空洞：天文学里，空洞指的是纤维状结构之间的空间，二者均为宇宙组成中最大尺度的结构。一个典型的空洞直径大约为11至150个百万秒差距（1个百万秒差距等于3261600光年），其中只包含很少或完全不包含任何星系。——译者注
