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宇宙是如何起源的？行星、恒星和星系是如何形成的？宇宙的终极命运是什么？自古以来，人类就对浩瀚的星空充满了好奇。如果你也对宇宙的起源和演化很感兴趣，那就请前往宇宙大爆炸的现场看看吧，或许你心中所有的疑问都可以在那里找到答案！因为一切都是从那里开始的——它创造了整个宇宙，即创造了时间和空间！当你旅行到大爆炸时，你不仅是在进行一段穿越时空的旅行，更是在穷尽物理学本身——从极大到极小，从无限长到无限短，以及从我们所知的物质到亚原子粒子、基本力及其他。这是一场奇异的、脑洞大开的且充满科幻色彩的漫游之旅，一部完备的、精妙的宇宙演化史。本书以通俗易懂的语言、贴近生活的视角，向普通读者介绍宇宙学知识，并将140亿年的宇宙演化历程化繁为简，犹如庖丁解牛般细致入微，让艰深难懂的知识变得生动有趣。从只有纯能量的普朗克期，到见证暗物质和暗能量的诞生的大统一时期，再到也许是创世史上伟大的表演的暴胀期，物质以“夸克汤”的形式存在的电弱时期，直到宇宙演化的下一个阶段——夸克时期、强子期和轻子期，迎来了宇宙史上伟大的战争——物质和反物质之间的大决战。然后是光子时期、复合时期、黑暗时期，后是代恒星被点燃、可见光次照亮整个宇宙的复兴时期，恒星和星系就此形成。这还是一场重温宇宙学科学史的漫游之旅，一部由我们人类书写的、浪漫的科学史诗。本书作者是一个讲故事的高手，他选择绕过一切枯燥成分，用介于科学与科幻之间的叙事手段，化繁为简，同时赋以宏观视角，为我们提供了一个新奇而烂漫的阅读视野。宇宙究竟有多大？从公元前3世纪利用几何学来估计地球、月球和太阳之间的距离的古希腊人，到16和17世纪的天文学家乔瓦尼·卡西尼和伽利略，再到18世纪末、19世纪初发现了“宇宙岛”星云并预测了银河系的终结的赫歇尔，人类对宇宙尺度概念的拓展从来没有停止过。从伽利略的自由落体实验到牛顿的水桶实验，再到爱因斯坦的相对论，一代代物理学巨擘是如何完善描述宇宙的理论体系的？时空的结构是什么？引力又是如何影响时空的？哈勃是如何通过红移效应发现宇宙正在加速膨胀的？人们又是如何通过哈勃常数来计算宇宙的年龄的？描述宇宙起源的“大爆炸”与“稳恒态”理论模型的提出背后又有哪些有趣的科学故事？此外，本书还单独用一个章节讲述了探索宇宙的先驱人物及其重要贡献，用一个个鲜活的人物角色将宇宙学的科学史完整地串联起来，给了普通读者一次非常难得的机会，得以窥见伟大科学发现的诞生过程。这堪称科学精神与人文精神的完美结合！我们仰望星空，我们更仰望探索星空的先驱！

旅程的开端  

你一直想知道但都不敢问的关于亚原子物理的一切  

宇宙汇率  

如何建造一个时间隧道  

时间旅行者的选择  

选项之一：快子远距离传送

【发现和历史】  

事物何以存在？  

宇宙有多大？  

宇宙的膨胀  

哈勃常数  

引力基础课  

牛顿的水桶实验 

相对论的诞生  

时空的结构  

E=mc2  

稳恒态vs大爆炸  

宇宙学尺度  

宇宙微波背景  

地方土特产：夸克汤  

暗能量和暗物质  

轻元素  

必做之事：一场亚原子粒子的旅行  

改变宇宙的命运  

为什么不暴增点什么东西出来呢？

【佳参观时机】  

在这场两皮秒的旅程中，你能做些什么？  

奇点  

普朗克期 

大统一时期 

暴胀期 

电弱时期 

反物质战争  

光子时期 

复合时期 

黑暗时期 

宇宙复兴  

恒星和星系形成  

【值得铭记的先驱人物】  

乔治·勒梅特 

阿尔伯特·爱因斯坦 

乔治·伽莫夫  

埃德温·哈勃  

亚历山大·弗里德曼 

弗雷德·霍伊尔  

维拉·鲁宾  

史蒂芬·霍金

【太空远足 】 

膜、更高的维度和泡沫宇宙  

引力波冲浪 

寻找类星体  

寻找暗物质  

超星系团谜题  

【天气和气候】  

电离辐射风暴  

中微子雨  

热浪 

【时间悖论】  

改变时间线  

祖父悖论  

限制行动悖论  

本体论悖论  

违背热力学第二定律  

复制悖论  

过于拥挤  

预防措施  

防止违背因果律的十个方法  

未来：开放、闭合还是平坦  

未来：冻结、坍缩还是撕裂  

探测原初引力波  

高能粒子加速器  

量子引力  

术语表

索引 

图片版权

乔尔·列维(Joel Levy)，一位专门研究科学及科学史的作家和记者。从化学和物理到死亡射线和仿生机器人，他的作品探索了主流思想和奇怪的技术。在华威大学和爱丁堡大学分别获得分子生物学和心理学学位后，他创作了二十多本书。目前国内已引进出版的图书包括：《思想实验：当哲学遇见科学》《DK烧脑思维训练手册》《奇妙数学史：从早期的数字概念到混沌理论》《给快节奏时代的简单心理学》《霍金简史》《弗洛伊德口误：关于心理学你需要知道的一切》等。

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【地方土特产： 夸克汤】

没有品尝过当地美食，你怎么可能对度假目的地有真正的了解呢？地方土特产可以让你体验到纯正的异域文化的味道，因为它是由“风土”的特色成分汇编而成的。

极早期宇宙（一直到大爆炸后大约 10-10 秒）的招牌菜是一种被称为“夸克汤”（只不过以前你接触过的文章可能直译为“夸克—胶子等离子体”）的美味。

完美的液体

夸克汤是一种由自由的夸克和胶子组成的超致密、超高温的物质，它们被粉碎成一种完美的液体，并由诸如暗物质（dark matter）和正电子等奇异粒子进行调味。

夸克是一种基本粒子，也是构成普通物质的小单元。夸克之间通过一种叫作胶子的粒子牢牢结合在一起，三个夸克可以构成一个质子或一个中子（它们是构成原子核的亚原子粒子）。虽然早期宇宙的直径不到几千米，但它的温度是如此之高（超过1016K），以至于质子和中子都无法形成，因为巨大的能量随时会将它们粉碎。物质以夸克汤的形式存在，且物质可以转化成能量（以光子的形式），能量也可以转化成物质，这是一个动态的转化过程。

通常物理学家将等离子体描述成一种气体，但是在粒子对撞机实验中，重金属离子以接近光速的速度相撞，结果表明夸克—胶子等离子体就像一种“完美的液体”，这就是“夸克汤”这个名字的灵感来源。

【暗能量和暗物质】

早期宇宙中普遍存在的产物可能也是人们所知少、难发现的。到目前为止，你所能看到的物质和能量只占整个宇宙物质和能量总量的5%。

宇宙微波辐射和新诞生的星系，夸克—胶子等离子体和电子—正电子湮灭：所有这些壮观的现象都只是宇宙极小的一部分。其余部分是看不见的，也无法探测到：那么我们是怎么知道它们就在那里的呢？

缺失的拼板

引力是宇宙伟大的组织原则，它主宰着恒星系统、星系和星系团的运动和形式。

然而，当天文学家观测我们的星系和其他星系时，发现有些事情是讲不通的。处于旋涡星系外侧的恒星，本来应该比处于中心位置的恒星的移动速度更慢，但根据我们对可见物质的观测，实际上它们的移动速度差不多是一样的。

这就意味着星系的外围一定存在大量的物质，就像是光晕一样围绕着星系。但不论是什么物质，它似乎不与电磁力或者普通物质［物理学家称之为重子物质（baryonic matter）］发生相互作用，因此天文学家无法探测到它们——这就是“暗物质”这个名字的由来。同样地，星系团的运动形式也只能用存在一些可以对其施加引力影响的不可见物质来解释。

大进击

哈勃对遥远星系红移效应的观测揭示了宇宙正在膨胀，并由此引出了宇宙暴胀理论。引力的影响应该会使膨胀速度变慢，但令天文学家惊讶的是，宇宙实际上正在加速膨胀。

一定有某种神秘的力量在给宇宙膨胀加速，而且这种力量似乎正在变得越来越强。有一种假说认为，宇宙真空中的量子涨落产生了一种排斥力，但由于没有人知道它是什么，科学家们就把它称之为“暗能量（dark energy）”。

也许这些黑暗的东西不寻常的特征就是它们的数量。为了解释星系的旋转速度和宇宙的加速膨胀，我们估计宇宙中大约68%是暗能量，27%是暗物质，只有5%是我们可以观测和了解的东西。

【乔治·勒梅特】

个提出大爆炸理论的人是比利时神父、物理学家乔治·勒梅特（1894—1966）。他参加了次世界大战，并被授予比利时英勇十字勋章。战争结束后，勒梅特决定先学习数学，再学习以担任神职工作。他在1923年被授予了圣职后去了英国，师从物理学家和天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington，1882—1944）。在美国待了一段时间后，他又回到了比利时，在天主教鲁汶大学任职。

1927年，他在研究了爱因斯坦场方程后，独立于亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，1888—1925），发现了一组指向宇宙膨胀的解，与埃德温·哈勃报告的观测结果相吻合；他甚至对后来被称为哈勃常数的东西给出了个定义和估计值。勒梅特在一份名不见经传的比利时学术期刊上以法语发表了一篇论文：《将银河系外星云的径向速度考虑在内，均质的宇宙质量不变，半径不断增加》。这篇论文在当时并没有引起多少注意，然而论文的结论意义非凡：宇宙的膨胀意味着空间和时间是存在起点的。当时能认识到勒梅特的工作的重要性的人寥寥无几，这其中就包括爱因斯坦本人。据说，爱因斯坦曾在1927年告诉这位比利时神父：“你的数学计算无懈可击，但是物理学方面的观点真是糟透了。”

1931年，勒梅特发表了论文的英文版，在这之后他的理论变得广为人知。在英文版论文中，他提出宇宙起源于一个“原初超级原子”的理论，即“宇宙蛋（Cosmic Egg）”假说，而不是“大爆炸”模型。勒梅特称，宇宙蛋“在创世的那一瞬间爆炸”，时间和空间的开端是“没有昨天的现在”。此时，哈勃已经公布了他的发现。经过长达十年的观测，他发现星系的红移程度与距离我们的远近成正比，这就证实了勒梅特的理论。

尽管如此，勒梅特的论文还是引起了轩然大波。其中一些人认为，他的宗教信仰才是他推进这个理论的真正动机，而该理论在创世的故事中给上帝留出了可供发挥的空间。1931年5月，勒梅特在《自然》杂志上发表了一篇文章，用以回应对他的研究工作的一些异议。请注意！他是用“世界”这个词来表示“宇宙”的：

“如果世界是从一个量子开始的，那么时间和空间的概念在一开始的那个点上就完全没有任何意义；只有当初的量子分裂出足够的数量后，它们才开始有意义。如果这个说法是正确的，那么世界的开端就在时间和空间的开端之前一点点。”

他的想法很快开始获得认可。1933年，勒梅特陪同爱因斯坦在美国加州举办巡回讲座。据说，在一次研讨会上听了勒梅特对这一理论的阐述之后，爱因斯坦宣称：“这是我听过美的、令人满意的对创世的解释。”不过，人们对爱因斯坦的这一评价也是有争议的。

【引力波冲浪】

在早期宇宙，水上运动实在算不上一个选择，因为那时氧元素还没有被制造出来，排除了水存在的可能性——但是伙计，谁也没说你不能在波上冲浪啊！

爱因斯坦将宇宙看作由时空布料构成的“床单”，这一新视角带来的结论是，这块布料的扭曲变形就像质量集中造成的那样，可以在时空中产生波。想象一下，将一个保龄球从半空中投到一张蹦床上：波会持续地从撞击点向外扩散，就像池塘表面被扔进去了一颗鹅卵石那样。

这些在时空中传播的波叫作引力波（gravitational wave）。支持大爆炸暴胀模型的重要证据之一，就是探测到这些极其微弱但波长极其长的引力波。这种引力波的波长预计可达10亿光年。实际上，这些引力波本身太微弱了，无法被直接观测到，但是在不久的将来，对宇宙微波背景的高分辨率测绘可能会揭露这些波的印记。引力波的波长和产生引力波的物体的大小是相称的，而我们目前所预期的引力波，在宇宙中并没有能产生这种波长的物体。说得过去的解释就是，它们是由早期宇宙的暴胀产生的。暴胀造成的时空急速膨胀以及现在宇宙的持续膨胀将这些引力波拉长，但在初的10-36秒内这种波动是非常剧烈的，那些寻求刺激的冲浪爱好者估计会很喜欢！

【未来：冻结、坍缩还是撕裂】

既然宇宙学家们现在已经知道了暗能量有多么重要，而且很明显，它将决定宇宙的命运。宇宙的终极命运将有三种可能的结局，这取决于暗能量在未来会发生什么。不幸的是，因为没有人知道暗能量是什么，所以我们无法确定哪个结局才是对的。

大冻结

如果暗能量一直保持不变，而宇宙继续加速膨胀，那么物质将会变得越来越分散，直至变成薄雾。熵持续增加，恒星将会死亡；而因为物质过于稀薄，新的恒星将无法继续形成。终整个宇宙将冷却到接近零度。因此，这种结局被称为“大冻结（Big Freeze）”。

大坍缩

然而，如果暗能量不是恒定的，那么未来它就有可能发生逆转，成为让宇宙收缩的引力，并使宇宙坍缩为一个点——这就是“大坍缩”。这种结局可能会导致另一场“大爆炸”，那样的话，宇宙将永远处于这二者的振荡之中。

大撕裂

如果未来这种由暗能量产生的、让宇宙膨胀的斥力增大了，那么总有一天它将会变得比引力更强大。在这种情况下，星系、恒星以及我们的星球终都将被撕裂——这就是“大撕裂（Big Rip）”。暗能量甚至还可以克服作用于强子之间的强核力，导致原子被撕裂。终导致“大撕裂”的结局。

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通俗易懂讲宇宙，一本书让你读懂宇宙的起源与演化，每一个人都可以成为宇宙探险家。天文学有句经典名言：“我们都是由星尘构成的。”认识宇宙，就是重新认识我们自己。

这是一场奇异的、脑洞大开的且充满科幻色彩的漫游之旅，一部完备的、精妙的宇宙演化史。本书以通俗易懂的语言、贴近生活的视角，向普通读者介绍宇宙学知识，并将140亿年的宇宙演化历程化繁为简，犹如庖丁解牛般细致入微，让艰深难懂的知识变得鲜活生动起来。

这还是一场重温宇宙学科学史的漫游之旅，一部由我们人类书写的、浪漫的科学史诗。本书作者是一个讲故事的高手，他选择绕过一切枯燥成分，用介于科学与科幻之间的叙事手段，化繁为简，同时赋以宏观视角，为我们提供了一个新奇而烂漫的阅读视野。

此外，本书还单独用一个章节讲述了探索宇宙的先驱人物及其重要贡献，用一个个鲜活的人物角色将宇宙学的发展史完整地串联起来，给了普通读者一次非常难得的机会，得以窥见伟大科学发现的诞生过程。这更是科学精神与人文精神的完美结合！我们仰望星空，我们更仰望探索星空的先驱！

书摘插图

前言

你是不是正在寻找一个令人一生难忘的假期？那么，给你一个包含所有已知时间的假期怎么样？请前往宇宙大爆炸的现场看看吧，一切都是从那里开始的——它创造了整个宇宙！前往时间和空间的诞生之地，自然危险重重，充满困苦，但是这本友好的漫游指南会随时待命，为你旅行中的每一步提供贴身帮助。这本必不可少的手册将会为你说明：你应该在什么时候看什么；需要采取什么措施来避免自己的身体被完全分解为原子尘埃；以及应该如何大限度地从穷尽宇宙的生命也只能享受一次的旅程中获取新知和感悟，从你需要了解的科学发现到产生它们的历史环境，可谓无所不包。你要想美美地享受假期，步都是要先到达目的地。但是，大爆炸是“何时”而不是“何地”——因此，到达那里需要一种非传统的思维和坚定的信念。物理学定律可能会让人们实现时间旅行，不过也可能不会，而现有的具备理论可行性的交通方式往好里说，也要动用整个宇宙的能量，而且极其致命。时间箭头在传统的物理学中，时间有一个单一的、不可逆转的方向，那就是从过去指向现在，再到未来。有时这被称为“时间箭头”。决定时间方向的力量之一是熵（entropy），这是一个丰富而含糊的概念，被定义为无序、随机或不能做功的能量。物理学定律表明，熵总是增加的。例如，熵增意味着破碎的玻璃不能自动重新拼接起来。时间维度然而，爱因斯坦意识到，时间并不是的。相反，对于不同的观测者来说，时间流逝的速度不同。在相对论（relativity）的概念中，时间被视为与长度、高度、深度并存的另一个维度，这四个维度共同组成了一个可以扭曲、变形的结构（被称为“时空”）。这种对时间的思考方式提出了一种有趣的可能性，即时空可以被扭曲，这样我们就可以在第四个维度（时间）中旅行， 正如我们在其他三个维度中所做的那样。让我们一起扭曲时空吧！扭曲时空并不容易，它需要巨大的质量或者能量（相对论告诉我们，质量和能量可以相互转化）。为了开启去往大爆炸的一生难忘的假期，你可能想要考虑“曲速引擎”这个选择，包括虫洞（wormhole）和宇宙圆柱体。快子远距离传送（tachyonic teleportation）给我们提供了另一种到达早期宇宙的途径，用这种方法就不用把现存的宇宙搭进去。只不过从你的视角来看，在这个过程中你可能难逃一死。我们将在接下来的几页中看一看每一种选择。但是，首先我们需要绕开亚原子物理（subatomic physics）这个奇异的世界。

书籍介绍

宇宙是如何起源的？行星、恒星和星系是如何形成的？宇宙的终极命运是什么？自古以来，人类就对浩瀚的星空充满了好奇。如果你也对宇宙的起源和演化很感兴趣，那就请前往宇宙大爆炸的现场看看吧，或许你心中所有的疑问都可以在那里找到答案！因为一切都是从那里开始的——它创造了整个宇宙，即创造了时间和空间！ 当你旅行到大爆炸时，你不仅是在进行一段穿越时空的旅行，更是在穷尽物理学本身——从极大到极小，从无限长到无限短，以及从我们所知的物质到亚原子粒子、基本力及其他。 这是一场奇异的、脑洞大开的且充满科幻色彩的漫游之旅，一部完备的、精妙的宇宙演化史。本书以通俗易懂的语言、贴近生活的视角，向普通读者介绍宇宙学知识，并将140亿年的宇宙演化历程化繁为简，犹如庖丁解牛般细致入微，让艰深难懂的知识变得生动有趣。 从只有纯能量的普朗克期，到见证暗物质和暗能量的诞生的大统一时期，再到也许是创世史上zui伟大的表演的暴胀期，物质以“夸克汤”的形式存在的电弱时期，直到宇宙演化的下一个阶段——夸克时期、强子期和轻子期，迎来了宇宙史上zui伟大的战争——物质和反物质之间的大决战。然后是光子时期、复合时期、黑暗时期，最后是第一代恒星被点燃、可见光第一次照亮整个宇宙的复兴时期，恒星和星系就此形成。 这还是一场重温宇宙学科学史的漫游之旅，一部由我们人类书写的、浪漫的科学史诗。本书作者是一个讲故事的高手，他选择绕过一切枯燥成分，用介于科学与科幻之间的叙事手段，化繁为简，同时赋以宏观视角，为我们提供了一个新奇而烂漫的阅读视野。 宇宙究竟有多大？从公元前3世纪利用几何学来估计地球、月球和太阳之间的距离的古希腊人，到16和17世纪的天文学家乔瓦尼·卡西尼和伽利略，再到18世纪末、19世纪初发现了“宇宙岛”星云并预测了银河系的终结的赫歇尔，人类对宇宙尺度概念的拓展从来没有停止过。 从伽利略的自由落体实验到牛顿的水桶实验，再到爱因斯坦的相对论，一代代物理学巨擘是如何完善描述宇宙的理论体系的？时空的结构是什么？引力又是如何影响时空的？哈勃是如何通过红移效应发现宇宙正在加速膨胀的？人们又是如何通过哈勃常数来计算宇宙的年龄的？描述宇宙起源的“大爆炸”与“稳恒态”理论模型的提出背后又有哪些有趣的科学故事？ 此外，本书还单独用一个章节讲述了探索宇宙的先驱人物及其重要贡献，用一个个鲜活的人物角色将宇宙学的科学史完整地串联起来，给了普通读者一次非常难得的机会，得以窥见伟大科学发现的诞生过程。这堪称科学精神与人文精神的完美结合！我们仰望星空，我们更仰望探索星空的先驱！