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什么是超弦理论？质量从何而来？宇宙大爆炸后到底发生了什么？时间之箭为何存在？……你是否对量子纠缠态、薛定谔的猫、EPR悖论、希格斯玻色子等深奥的名词充满疑问？你是否已经厌烦通篇都是专有名词的学术解释？那么这本书就是为你准备的！本书旨在以通俗易懂的语言解释从大爆炸到超弦理论背后的故事。
请你停下脚步，花点时间满足一下自己的好奇心吧！
花点时间好奇一下2
从大爆炸到超弦理论
[法]布鲁斯·贝纳姆兰（Bruce Benamran） 著
王翘 李博 译
人 民 邮 电 出 版 社
北 京
图书在版编目（CIP）数据
花点时间好奇一下.2，从大爆炸到超弦理论/ (法)布鲁斯·贝纳姆兰(Bruce Benamran) 著;王翘，李博译. --北京:人民邮电出版社，2020.7
ISBN 978-7-115-53748-5
Ⅰ.①花… Ⅱ. ①布… ②王… ③李… Ⅲ.①科学知识-普及读物②物理学-普及读物 Ⅳ. ①Z228
中国版本图书馆CIP数据核字(2020)第088700号
版 权 声 明
Original French Title: Prenez le temps d'e-penser by Bruce Benamran.
©Hachette Livre (Marabout) Paris, 2015.
Current Chinese translation rights arranged through Divas International, Paris.
著 [法]布鲁斯·贝纳姆兰（Bruce Benamran）
译 王 翘 李 博
责任编辑 李 宁
责任印制 陈 犇
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 https://www.ptpress.com.cn
北京隆昌伟业印刷有限公司印刷
开本：880×1230 1/32
印张：10 2020年7月第1版
字数：225千字 2020年7月北京第1次印刷
著作权合同登记号 图字：01-2017-3667号
定价：59.00元
读者服务热线：( 010) 81055410 印装质量热线：( 010) 81055316
反盗版热线：( 010) 81055315
广告经营许可证：京东市监广登字20170147号
什么是超弦理论？质量从何而来？宇宙大爆炸后到底发生了什么？时间之箭为何存在？……你是否对量子纠缠态、薛定谔的猫、EPR悖论、希格斯玻色子等深奥的名词充满疑问？你是否已经厌烦通篇都是专有名词的学术解释？那么这本书就是为你准备的！本书旨在以通俗易懂的语言解释从大爆炸到超弦理论背后的故事。
请你停下脚步，花点时间满足一下自己的好奇心吧！
科学知识的匮乏已成为一个社会问题，这是不可置否的。现代科学因此被边缘化，人们难以建立严谨的认识论，这也使得各类“大师”遍地开花，技术的使用难以得到认真的探讨。哲学家加斯东·巴舍拉解释说：“科学思维需要思想付出努力”。无疑，我们都不太愿意付出这份努力，即使科学思维如此令人陶醉与振奋。
我们也知道，没有人会对号入座爱因斯坦所说的“那些不在乎科学技术原理、滥用科学成果的人，就像愉悦咀嚼着野草的牛一样，不知道植物生长的原理。他们该为此感到羞愧”。相对论之父的要求太高了（对反刍动物也很不公平，它们至少知道两三个关于口中被匀速咀嚼的草的知识），同时精通粒子物理学、引力波、遗传学、大气学和免疫学是不可能的。如果我们想让参与公共事务的普通公民都通晓这些科目，那每个人都需要1000个爱因斯坦的大脑（这连爱因斯坦都不具备，他自己也只有一个……）。
当然，我们也不用杞人忧天。实际上，我们每个人都知道很多知识。比如地球绕着太阳公转，太阳绕着银河系的中心公转，而银河系又绕着其他中心公转；比如世界上存在着原子，但它不同于第一位古希腊原子学家所想的那样，是一件不可分割的东西；比如生物在不断演化；比如宇宙在膨胀，它不像我们看到的那样一成不变，它甚至在加速膨胀。这些都是我们通过学习、阅读或耳闻后可以表述的知识。但是我们能说出是谁，在何处，以何种方式得到的这些理论吗？我们能否列举出这些理论在建立的过程中都遇到了哪些争议？我们能否解释某些结论或事实是如何说服大众、成为定论的？诚然，我们回答不了这些问题。这个不良习惯有时让我们无法区分知识与信仰，因为我们信任灌输知识的人，而忽视了这些知识是如何在思想史中出现的。
举一个众所周知的例子：地球是圆的。1968年，阿波罗8号在月球上拍摄了第一张地球的清晰照片。大家都清楚地看到地球是蓝白色的球体，而不是圆盘或者别的什么。在那之前，有幸在晴天坐飞机的人们可以在一定高度看见地平线的弧度。而更久以前，古人们能在不离开地面的情况下确定地球是圆的，他们是如何做到的？他们的理论、观测和推论又是怎样的？他们是用什么方法了解到那些看不见的东西的？这些问题的答案令人着迷，也形成了我们常识内的空白。
该怎么做才好？我只有一个信条：在让人们对科学产生兴趣前使科学变得有趣。我乐意为本书写前言的原因是，布鲁斯·贝纳姆兰正在做这件事——他是一位天生的讲师，他也很幽默。
我不在乎他的那股劲儿是哪来的，他所写的每一页内容都散发着学术精神，还有他想解释清楚一切的热情。我更不知道在本书中他是否会用力过猛：毕竟他要讲解黑洞的类别、量子纠缠、薛定谔的猫、EPR悖论、卡西米尔效应、希格斯玻色子、弦理论，乃至更深层的东西。但我们一定看得懂，内容不会很难，因为他非常清楚怎么做才能让深奥的知识浅显易懂。我们甚至会为之振奋。所以，很简单，朋友们：书读百遍，其义自见。
艾蒂安·克莱恩
继续思索
好的，我们说到哪儿了？啊，对！我们已经把经典物理学的所有理论解说了一遍，包括经典牛顿力学、热力学、麦克斯韦电磁理论等，还介绍了狭义和广义相对论。令人欣慰的是，你们还在这儿准备听我讲第二卷的故事，这一卷我讲述的事物尺度可能很大，例如宇宙、黑洞以及大爆炸理论；也可能很小，例如量子力学；还可能是我们无法真正触及的“东西”，例如时间。但在开始探索这些更有趣的话题之前，我们很有必要对我们的思维进行一番检视，区分一下哪些是富有建设性的思维，哪些是无用的思考。至于那些热衷于阴谋论的朋友，可以玩会儿游戏啦，这本书的内容不适合你们。
在这本书中我至少要强调一点：我们每个人都可以对所有事物有自己的看法，但它并不一定是经过推理得到的。我曾有机会与各种各样的人交谈，令我惊讶的是，其中一部分人很容易就把一些乱七八糟的观点视为科学理论。例如，有人曾告诉我，他认为万有引力不存在。我不敢认同，不知这位高人的想法从何而来。“啊，这就是我自己想出来的。”“哦……”我们可以认为万有引力不存在、相对论不存在，可以相信有一位造物主在6天或更长的时间里创造了整个宇宙，我们的确可以随心所欲地想象。但科学理论的独特之处在于，无论我们相信与否，它都能被验证是正确的。需要声明的是，我对宗教信徒没有任何敌意，我们可以遵从内心，有自己的信仰，而且我们的祖先从十几个世纪之前就有了这种信仰并持续至今。但不可否认的是，宗教的一些说法与科学理论相悖，而一些科学理论也曾因此受到攻击，并且在人类历史的很长一段时间内都难以反击。
就科学理论本身而言，这样的攻击有时反而是一件好事。事实上，科学理论的力量和可靠性只能通过它抵抗质疑和攻击的能力来衡量，或者更通俗一些，如洛奇[1]所说的那样：“关键不在于你能打多狠，而在于你能承受多重的打击，并继续前行。”真正的科学理论能够承受所有的攻击。每一个科学理论都或多或少地带有如下潜台词：“除非找到能够否定这个理论的证明，否则它在所假设的理论框架下就是有效的。所以，尽可能地来验证吧！”
但是不管遭受多少攻击和质疑，真正的科学理论都不会被击垮，事实上我们也无法真正打倒它们。比如你想破坏广义相对论，那你需要进行严密的推理，即使不是科学的，至少也应是合乎逻辑的。这种推理不能掺杂任何信仰上的东西，因为信仰无法成为有力的论据，甚至还会起反作用。但请相信，我们还是会遇到极少的明显把信仰当作论据的情况。这种情况的一个典型例子就是《圣经》创造论者，他们认为：达尔文讲的进化论是错的，因为《圣经》里描述了造物主在辛劳6天之后就创造了世界，并在周日[2]休息。值得注意的是，大多数时候，信仰被隐藏在那些看似逻辑正确的推理之中，而进行这番推理的人经常挂在口头的话很有可能就是：“这是谬论。”
年轻的读者们，请先忍住想赶紧开始读下一部分关于宇宙大爆炸[3]内容的念头，一定要认识到，谬误的推理是很常见的，但它们往往难以被察觉，而这恰恰也是合理的逻辑推理的致命伤。谬误的推理广泛存在于我们生活中大大小小的辩论里，通常人们在进行某种论述前都会说：“很明显地……”
这里我举一些特别经典的例子。之所以只举“一些”，是因为如果把所有的例子都详细地列出来，那这本书就变成另外一本专著了[4]。
人身攻击
人身攻击事实上是最经常出现的谬误之一，也是最容易被发现的谬误之一。我们可以将其分为几种形式：一是对人不对事，也就是不顾事情究竟如何而直接攻击个人；二是对事不对人，这种攻击更含蓄，因为并没有直接攻击个人，而只是将某人的观点与其所处环境或地位相联系，以此诋毁他的论点，例如，此前很多人都诋毁爱因斯坦的理论，因为后者“不是来自大学里的研究者”；三是“你也一样”，也就是质疑论述者的行为和观点不一致，例如气候怀疑论者经常说：“如果污染是造成气候灾害的原因的话，那艾伯特·戈尔[5]为什么会开车去参加会议？”这个例子就很典型。人身攻击类观点的破坏性不能被低估。在司法领域，如果目击者而非其证词本身的可信度受到质疑，那么其证词就无法算数。
诉诸权威
“诉诸权威”在拉丁语、英语和法语中有很多种不同的说法。在辩论中，权威者的论断往往是灾难性的。科学史上充斥着一个又一个难以逾越的领域权威，因此，质疑牛顿、麦克斯韦和伽利略是需要极大勇气的。诉诸权威这种谬误的论点比人身攻击更加含蓄，因为在普遍意义上，权威人士被冠以各种高大上的头衔，人们会倾向于相信他们所提出的理论。但是，在引述权威人士的论点时需要区分以下两种情况：一是论点的提出者是否是该领域的权威，例如，读者显然更愿意相信爱因斯坦说的话而非我说的话；二是论点本身是否权威。事实上，如果说到与相对论相关的论点，那我们的确可以给予爱因斯坦一定的信任度，但如果涉及其他不相关的领域，那么质疑他的观点也不用承担什么法律责任。无论如何，即使是权威人士的观点，即使观点涉及的是其所从事的专业领域，诉诸权威也并不一定都是正确的，需要经得住质疑才行。
诉诸群众
虽然看起来与上一种谬误相反，但实际上诉诸群众是一种特殊形式的诉诸权威，这里的权威指大众。很早以前，就有“大家说的不会错”的说法，这种观点的核心理念就是：如果一件事“众所周知”，那就无须再证明。这种论断逻辑经常被用于证明一些荒唐的观点，对这类观点我们应当保持一定的怀疑态度。事实上，在科学推理方面，诉诸群众的观点没有任何价值。但在政治领域，诉诸群众的观点与民主的理念、少数服从多数的理念有着莫大的关系。总而言之，并不能因为所有人都持相同观点就相信该观点一定正确。
诉诸无知
诉诸无知的谬误通常被阴谋论者和各种宗教主义者用来表达他们的意识形态。一般来说，这些论调涉及的都是一些大的命题。比如，“没有人确切地知道生命是如何在地球上出现的，唯有上帝可做出有效的解释。”有时，这些命题又可能很小众，足以欺骗整个世界。例如，“美国空军声称不知道1947年在罗斯威尔发生的事情，但同时反驳了外星飞船坠毁的论调，这证明他们对我们隐瞒了什么东西。”
诉诸反复
这种谬误的核心在于为某个论断举出大量的证据或伪证据来说明其反论断不正确。阴谋论者经常使用这种谬误来自证己见，他们通过举出大量的伪证据，创造出一种到处都是线索的感觉，让人觉得很难推翻他们提出的海量“证据”，或者让人觉得所有这些“证据”都不成立的可能性非常小。比如，“证明”一下人类从未在月球上行走，解释一下金字塔的构造、外星人的纳斯卡线条等。提出上述这些问题的人可能会有一大堆的“证据”，但这里我们必须明确一下，这些海量“证据”实际上很有可能全都是不成立的。我们甚至可以忽略这些海量“证据”，因为只需要一个反例就能使其论断无效。
其他
我这里只是列举了一些最常见、最经典的谬误，不要忘记，还有很多其他种类的谬误。如果把这些都写出来估计要占用一整本书或者好几本书的篇幅。例如，人身攻击方面，研究研究政治家的言论就能搜罗到一大堆；诉诸权威方面，叔本华就有很多典型谬误；诉诸群众方面，想想我们每天都说的那些“众所周知”的事；诉诸无知方面，回忆回忆自己是否说过“这个方面我一无所知，所以不用质疑我的真实性”。对于那些仍对此十分好奇的读者，推荐给你们几个关键词，你们可以在互联网上检索一下，比如诉诸富贵、诉诸贫贱、循环论证、假两难推理、高德温法则、歧义句构、泛化谬误、罪恶关联等。
关于谬误的论述就到这里，下面让我们开始进入正题：花点时间好奇一下。
注释
[1]引自西尔维斯特·史泰龙2006年的电影《洛奇6》。
[2]最初休息日是指周六，后来罗马帝国的基督徒们将其改为周日，因为他们认为“太阳的日子”（Sunday，周日的英文拼写）是神圣的。
[3]是的，在这儿先打个广告。
[4]这本书名为《叔本华的辩论艺术》，作者是亚瑟·叔本华。
[5]译者注：艾伯特·戈尔是美国前副总统、政治家和环境学家。
事实是宇宙既不“大”，也没“爆炸”，这个名字却被保留了下来……
我们前面已经介绍了爱因斯坦的相对论，由广义相对论可以推导出宇宙是存在潜在不稳定性的。这意味着，由于万有引力可以无穷大，宇宙天然就有自毁的倾向。但爱因斯坦认为，宇宙不应该具备这种特性，因为它一直存在着，所以也应该一直存在下去，他观念里的宇宙应该是静止的。对此我们应当表示理解，因为在那个时代，人类认知中的宇宙只有银河系。当时由于观测手段的限制，人们无法通过发现恒星间的显著位移来质疑宇宙的稳定性。因此，静止宇宙的观念深入人心，也由此与广义相对论发生了矛盾。在这种情况下，为了使自己的理论与观念里的宇宙相吻合，爱因斯坦不得不在其理论方程中引入一个常数：宇宙常数。
我职业生涯中最大的错误[1]
1917年2月，爱因斯坦在相对论方程中引入了一个常数，以使该公式导出的结果与静态宇宙这一观点一致。虽然这个常数完全是人为设定的，甚至可以说引入得有点随意，但作为物理学家的爱因斯坦还是力求理解这个常数背后的真正含义。这个常数与普朗克常数不同，后者是作为量子力学领域中的有效数学工具引入的。从数学的观点来看，宇宙常数代表了压力为负数的流体（无论是气体还是液体）的特性，它对一般人来说是没有任何意义的。从某种程度上来说，这个常数代表宇宙自身的特性，它为虚空赋予了能量，而且能量的数值非常巨大。十几年后，人们证明了宇宙不是静止的，而是在不断扩张，因此爱因斯坦对宇宙常数的引入并不正确。爱因斯坦说，这是他职业生涯中最大的错误。然而后来人们又发现，“这个常数的引入也许并不是那么糟糕，而且还真有可能是个天纵奇才的创见”。看吧，爱因斯坦犯的一个错误最终都有可能变成一个天才的想法……这儿讲的内容信息量有点大了，现在让我们回到1917年到1927年之间，这期间发生了很多很酷的事情。
自爱因斯坦引入宇宙常数的那一刻起，许多研究人员都开始探求相对论方程的解。这是因为仅仅写出能够描述宇宙行为的方程并不够，还需要求出方程的解。别误会我的意思，这里说的求解不是像大学数学课上“找到未知数x”那么“简单粗暴”的行为。对于广义相对论来说，这个方程在某种程度上描述了宇宙必须遵守的法则。该方程包含了多个参数。求解这个方程，事实上是在寻找解决方案，也就是说找到一组能够使法则得到遵循的参数。有趣的是，在这个过程中，人们所研究和讨论的参数事实上都对应着真实世界的东西，例如宇宙的大小、全宇宙的能量等。因此，每组“参数-解决方案”都代表了一种可能的宇宙形态。这样做的目标显然是为了更好地理解我们所处的宇宙，因为在爱因斯坦生活的时代，人们尚且无法看到其他的星系，所以对宇宙也只有一个相对模糊的认知。
在所有尝试求解这个方程的研究者中，有两个人非常特别：一个俄国-苏联人和一个比利时人。其中，亚历山大·弗里德曼虽然享日不久，但他的研究成果十分丰硕。这位俄国-苏联物理学家和数学家于1888年出生于圣彼得堡，17岁时师从戴维·希尔伯特。他在1922年，也就是去世前3年解开了广义相对论的方程。事实上，当初在面对这些方程时，他很快就意识到，由于涉及引力、空间和时间，这些方程的解将能够很好地描述我们的宇宙结构。于是他立即着手寻找一个确切的解。很快，在1922年6月，弗里德曼发表了他的结论，该结论可以导出一个宇宙模型，这个模型后来也成为第一个符合广义相对论框架的宇宙模型。这就是弗里德曼的有限宇宙模型。
有限宇宙
这里，我们将挑战一下自己理解力的极限。我们知道，宇宙很大，但面对宇宙是否有边界的问题时，无论怎样的回答都存在争议。这个问题我们后面会详细介绍，这里有必要先思考一下这个问题在不同范畴中的细微区别：从数学角度来说，我们要甄别这个宇宙边界的答案正确与否；从物理学角度来说，我们则要探究这个答案究竟代表了什么含义。没有边界的宇宙就是一个无限的宇宙，对我们来说，无限在物理学上是完全不可理解的。但另一方面，如果宇宙是可以划定边界的有限宇宙，那么在这些边界以外的是什么？如果有什么东西存在的话，它理应属于宇宙的一部分，但如果什么也没有……又怎么会什么都没有呢？那这片什么都没有的虚无又是什么？跟宇宙的其他物理属性类似，有限性是一个令人头痛的问题，但对弗里德曼来说，它有点不值一提，因为他主要采用数学方法来解决这个问题。
弗里德曼发现，根据他给出的解，宇宙除了有大小之外，还有其他特性，例如曲率、质量或能量密度[2]，甚至年龄。这种通过纯数学方法求解得出的宇宙并不是那么平静，但弗里德曼并未贸然质疑和放弃这个结论，而是认真地尝试，探寻更深层次的原因，并因此成为第一个考虑宇宙扩张形态的学者。如果宇宙处于扩张状态中，这就意味着其大小每天都在不断增长。他很快意识到宇宙就像一个四维的球体，即三维的球体空间加上一维的时间，只不过球体的半径在不断变大。那么请读者们好好想一想，为什么是球体呢？这是因为宇宙在扩张的过程中，没有理由在一个方向上的扩张程度大于其他方向，所以应该是均匀地向每个方向扩张。因此，宇宙应该是一个球体[3]。
所以，如果我们往回看，如果时间倒退到足够久以前，我们会发现，球体的半径是逐渐减小的。那么这种减小的情况会无止境地进行下去吗？是否退回到某个时间点，半径就变成了0？这样，整个宇宙就存在于一个点上？这个点又源自哪里呢？基于这些疑问，现代宇宙学诞生了。
我们再简单介绍一下弗里德曼有限宇宙模型的最后一个关键点，读者们可以开动脑筋好好想想：在弗里德曼的模型里，宇宙不存在边界，即宇宙并没有被囊括在另一个更大的外部空间之内，宇宙就是时间和空间本身。更简单地说，弗里德曼的有限宇宙模型有永久可测量或可计算的维度，但在这个宇宙模型之外，不存在其他时间和空间。
弗里德曼发表论文之后，爱因斯坦先后发表了两次评论。第一次，他表示弗里德曼的计算并不正确，“弗里德曼理论所得出的非静态宇宙的结论令人质疑”，因为他认为宇宙应该是静止的，不可能扩张。但是第二次，他表示，弗里德曼关于宇宙年龄的计算是精确的，因为他自己计算出的也是相同的结果。但无论如何，爱因斯坦都坚持认为并明确希望宇宙是永恒静态的。对爱因斯坦相对论方程解决方案感兴趣的第二位著名人物是乔治·勒梅特。
乔治·勒梅特于1894年出生，是比利时的一位天文学家和物理学家，此外，他还是一位天主教的议事司铎[4]。1927年，勒梅特发表了一篇名为《考虑银河系外星云径向速度条件下的均质、匀速扩张的宇宙》[5]的论文。
均质宇宙
我们将在后面具体讨论宇宙的均质性和各向同性等特征，但基于已了解的知识，我们可以在这儿先简单讨论一下这个问题。根据爱因斯坦的相对论，宇宙中不存在任何一个可以用于对宇宙进行物理建模的绝对参考点，这也就是为什么这个理论被称为相对论。由此，无论在宇宙的哪一个位置进行观测，结果都应当是类似的。当然，恒星的排布方位会随着观测位置的变化而发生变化，但宇宙的结构都应当是类似的。
这就意味着，从内部的每个点看起来宇宙的结构应当都相同，也就是所谓的均质性。
在具体讨论勒梅特的这篇论文之前，我们可以先研究一下银河系外的星云以及它们的径向速度指的是什么。
事实上，在18世纪，人类对于宇宙虽然已经有了很多了解，但仍存在很多认知空白。比如，康德提出的“星云说”（即太阳系是由一团星云物质在万有引力的作用下收缩而形成的）让人们的认知水平有了较大提升，但是他们并不了解在银河系之外还有其他星系的存在。晚上，我们看着天空，星星一闪一闪的。人类至少从古希腊时期起就开始注意到，天空中有一些星星没有像其他星星一样在移动，后者在希腊语中被称为“流浪者”，英文就是“planet（行星）”，前者则为恒星。除此之外，天空中还有一条宽阔的白色漫射带，被称为银河；以及一团团模糊且呈云雾状的天体，被称为星云。
银河在哪里？
现在让我们放松一下。你应该已经听说过很多关于银河的信息，而且也知道它是什么，但你也许会问，在发明望远镜之前，人类是怎么观察肉眼看不到的银河的？毫无疑问，你应该是饱受光污染伤害的城市居民。银河非常大，而且肉眼可见。但另一方面，它的亮度相对较低。因此为了观察到银河，天空必须足够黑暗。这就要求地面上的光不会散射到大气中去。但城市的夜晚不仅灯火通明，而且空气污染也很严重，被污染的空气更容易散射光线。
下一次，你可以去农村、山区或者海上。总之，远离任何非自然光线，让你的眼睛习惯黑暗，这时，你会为呈现在眼前的浩瀚星空而惊叹不已。戴上一副双筒望远镜，可以更好地观察这幅美景。你可能想知道从前人类是怎么观察银河的，而我只想知道人类怎么会忽略这绚烂的星空。
如今，人们对星云的认知已经有了很大的进步，可以给出一个有关星云的不失科技含量的准确定义：星云是宇宙中的大量[6]气体或尘埃聚集而成的呈云雾状的天体。我们已经知道[7]，绝大多数恒星的内部聚集着宇宙诞生之初时参与宇宙形成的元素，我们称之为恒星核。特别是氢元素，在其形成巨大的气体云形态之前就已经存在很久了。
在万有引力的作用下，上述的气体云不断地坍缩，直至内部压力达到核聚变的程度，这时一颗新的恒星就应运而生了。正因为如此，星云通常被称为恒星的摇篮，或更通俗地讲是“恒星托儿所”。
我们的太阳系极有可能就诞生于这样的一个星云之中。值得注意的是，第一个提出这种太阳系诞生方式的人是18世纪的德国哲学家伊曼努尔·康德。他一生中的绝大多数时间都在批判，著有《纯粹理性批判》《实践理性批判》《判断力批判》3部作品。
说实话，笔者在写这本书的时候，没想过要浓墨重彩地给康德写上一笔，因为这里最主要是想讲讲星云。但不得不说，康德作为一位优秀的哲学家，不仅对日后成为中学生教材中必备内容的一些问题（如工作、艺术以及语言等）进行了深入研究，而且对一切都富有热情，还在天文学以及认识论方面卓有成就。如果说被称为“瑞典亚里士多德”的科学家和哲学家伊曼纽·斯威登堡在1734年提出了星云说的最初想法，那应该着重指出的是，康德在1755年正式提出了太阳系本身就是在太阳星云的作用下缓慢坍缩而形成的。他认为，星云缓慢地自转，慢慢地坍缩到后来形成恒星和行星的圆盘中。这个模型非常正确，1796年皮埃尔-西蒙·拉普拉斯的脑海中也出现了类似的想法。
但显然没有什么人或理论是永远完美的。19世纪时，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦对上述理论进行了批判。他认为，围绕太阳旋转的尘埃和气体环带并不足以凝聚成行星。我们更喜欢所谓的准碰撞模型，即有另外一颗恒星足够靠近太阳，才使得最终构成行星的物质不会被太阳全部吸收。直到1940年，康德及拉普拉斯的学说经过修正和改进之后，才最终以“康德-拉普拉斯模型”之名得到了人们的广泛认可。关于康德的故事就讲到这里，我们再回头看看星云。
在宇宙中遍布着各类星云，其体积大到令人无法想象的程度。事实上，直至20世纪初，我们对此仍不了解[8]。
当时，人们所了解的都是在银河系中能观测到的现象。可以想象，除了我们所在的太阳系外，肯定还有另一个充斥着恒星、星云和真空的星系，但这一切在当时都只不过是猜测。在人类不断探索银河系的过程中，1908年，一家著名的法国公司—圣戈班[9]在加利福尼亚州的威尔逊山启动建造了当时世界上最大的望远镜，其口径达2.5米。1917年工程竣工，美国密苏里州一位名叫埃德温·哈勃的天文学家来到这里，开始了他的观测工作。
1924年，基于对仙女座大星云尺寸的计算，哈勃确定，在半人马座方向自己观测到了一个新的星云，其被观测到的尺寸不比银河系小，但距离要远得多。事实上，有相当多的星云弥漫程度并不高，此前人们所观测到的星云的浑浊状态是由前几代望远镜的分辨率不够高造成的。1924年12月30日，即距离新年不到48小时[10]的时候，哈勃宣布他发现了除银河系以外的另一个星系。从此刻开始，宇宙在我们看来比以往任何时候都要大得多。
科学家喜欢分类
当科学家做出一项完整的发现时，就要对其进行归类，哈勃也不例外。正是从他开始，天文学家们根据形状对星系进行了分类：如果是椭圆形的，就按照离心率[11]分为E0、E1、E2 、E3、E4、E5、E6、E7等；如果是旋涡形的，就根据其旋臂和中心区的尺寸分为Sa、Sb、Sc、SBa、SBb、SBc等；透镜状星系标注为S0；那些形状不规则、不在已有种类之列的，则标记为Irr。随后，人们逐渐意识到，一些不规则星系与旋涡星系之间是存在相似关系的，所以又将不规则星系细分为近似旋涡不规则星系（记作Sm或Irr Ⅰ）及其他不规则星系（记作Im或Irr Ⅱ）。
随着越来越多的星系被发现，尤其当仙女座大星云被发现是一个星系之后，人们不约而同地提出了另一个问题：对于我们而言，这些星系在哪里？这些星系之间是否存在相对位移？如何移动？引力会使它们彼此更接近吗？哦！我的天哪，我们会因为万有引力的存在而被撞得粉碎吗？撞击什么时候会发生？我们还能期待自己的退休生活吗？
科学家也喜欢编目
诚然，前面已经讲了不少关于分类的问题，但这儿还是得再说说编目的问题，我尽量不让你们把这两个概念弄混淆。
18世纪的时候，研究彗星[12]的天文学家查尔斯·梅西耶为帮助天文界的小伙伴们，决定对宇宙中移动的天体进行索引编目（天文学中通常叫编制星表），这些天体不是行星，不是彗星，也不是小行星，更不是恒星或者其他星系，当然，这时候他还不知道有其他星系的存在。当观测到蟹状星云时，他欣喜若狂。该星云是在超新星爆发后形成的，异常壮观且美丽，读者们可以上网搜一搜相关图片。然后他开始编目，以他姓氏的首字母为索引字母，并将蟹状星云命名为M1星云。当时，他的编目规则非常简单：每一次发现新的星云，编目的数字都会增加。因此，仙女星系（当时被认为是仙女座大星云）被称为M31星云，M11则是野鸭星团。1774年，梅西耶首次发布他的星表时，只有45个条目，而到1784年，这个数字已经增长至103。20世纪时，法国天文学家卡米伊·弗拉马利翁又在该星表中增加了几个，使其达到110个。现在我们知道，在这套星表中有40个都是星系。
由于人们喜欢星表这种形式，在梅西耶之后，又出现了几个类似的星表，包括1864年发布的赫歇尔家族两代人的心血—“星云和星团总表”。在其基础上，1888年约翰·德雷尔公布了“星云和星团新总表（New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars）”，后者的英文缩写NGC更为人所熟知。如果你看到一个名为NGC-292的物体，现在应该能查到它就是小麦哲伦星云。这个星表在后来经过不断修订和扩展，最终由蒂芙特和苏伦蒂克在1973年整理发布了“修正版新总表”，即Revised New General Catalogue（RNGC）。在整理这个星表的过程中，人类原来对宇宙的一些幻想和诗意肯定会被舍弃，但同时我们也会收获对宇宙更为准确的认识。
为了计算一颗恒星、一个星云或者一个星系相对地球的移动速度，我们至少要计算两个物理量，其中一个比较容易计算，另一个则有点麻烦。容易计算的是我们所称的切向速度。把天空想象成你头顶上方的一个平面屏幕，在这个屏幕中，你可以在任何时刻计算恒星的速度。比如你看到恒星相对观测点向右移动了几十厘米，记录下这个距离，你就能推算出它在这段时间内看起来所走过的“真实”距离。之所以说“看起来”，是因为这颗恒星的移动速度还包括另一个分量，我们称之为径向速度[13]。径向速度也就是物体相对于你靠近或远离的速度。习惯上，一颗恒星远离我们时，径向速度被记为正数，如果远离得很快，这个速度值就会很大；反过来，当恒星靠近我们时，径向速度被记为负数。为了测算这个速度，天文学家们使用了一个非常有用的工具：红移或蓝移现象。
想必你也知道，当一辆警车经过我们身边时，随着车的靠近和远离，警笛的声音是会发生小小的变化的。警笛声的变化事实上是声音频率的变化，这被称为多普勒效应。具体而言，警笛声是以相同的速度向各个方向发出的。当然，当你站在人行道上一动不动时，这个声音同样会传到你的耳朵里。但是当警车接近你时，这个声音会朝你的方向被“压缩”而使波长变短。由于声速远大于车速（约是其10倍），这种效应就会非常明显。一旦警车经过你身边并远离，警笛声就会被拉长。很显然，声音在警车接近时比远离时更响亮。同样，灯塔发出的光以及汽车前照灯发出的光也会被压缩和拉伸。但是与车速相比，光速是车速的1000万倍左右，因此光的这种变化几乎不可察觉。
另一方面，当一颗恒星以足够快的速度接近或远离我们时，这种变化对足够精确的仪器来说也是可以被探测到的。判断这种变化的基本思路就是测量一下给定恒星发出的光是被压缩了还是被拉伸了。
恒星的光谱学
关于光谱学，我们在《花点时间好奇一下》[14]中已经简要提及，通过分析恒星发出的光，我们可以推导出有关其成分的信息，因为每一种元素（比如氢或氦）都是以一定的波长辐射的。
通过分析银河系外星云（即其他星系）发出的光，我们很快就能判断出其波长并不能完全匹配到任何一种已知的元素—测算出的波长与预期相比略有偏差。这些光波或者短一些，或者长一些，但来自同一个星系的所有光波长度的偏差量都基本相同。从光谱学的角度来看，当光的波长更短时，它们实际上是偏向蓝色的；而当光的波长更长时，则偏向红色，即向可见光的长波段偏移。例如，理论上CFRS 14.1103星系[15]的氧原子发出波长为500.7纳米的光波，发生电离的氢原子发出波长为656.2纳米的光波，然而实际测得的它们的波长分别为604.8纳米和792.7纳米，均比上述理论值略长20%。如今，这种测量光波长度的方法可以用于计算相应星系的径向速度及其与地球的距离。
下面，让我们再用一章的篇幅，认识一位值得我们尊敬的女性。
亨丽爱塔·斯万·勒维特于1868年出生于美国马萨诸塞州，是一位女天文学家。这里之所以强调性别，是因为在当时女性虽然可以进行科学研究，但绝大多数人这样做也只是为了自娱自乐或者满足学习的兴趣而已，人们仍然会轻视她们。这也就意味着，在当时的美国，女性要想比男性做出更出色的科学研究成果，就必须付出更多的努力。因为在研究团队中女性几乎无法获得跟男性一样的地位，仅限于从事一些没有什么价值的重复性工作。斯万于1892年毕业于马萨诸塞州拉特克利夫学院女子教育大学，时年24岁。她在天文学方面很快便展现出不亚于任何男性的才华和天赋。
1893年，哈佛大学天文台台长、天文学家爱德华·查尔斯·皮克林的团队需要人手来处理大量的天文数据。由于他知道女性当时的薪酬低于男性，所以他招募了许多女助手，并且在很长一段时间内都只让她们做一些辅助工作，而不提供任何晋升的机会。当时的校园里有很多诸如“皮克林后宫”之类的玩笑。必须指出的是，从天赋上来看，女性的确是执行“细致和重复”任务的理想选择。而当时对这个小团队更为普遍的叫法是皮克林自己所说的—“哈佛计算员”。
别把皮克林怼得太狠了……
嗯，我知道，我所塑造的皮克林的形象十分糟糕，但这仅仅是他的其中一面。如果我们回顾当时的情形便能联想到，皮克林一定在费尽心力尽可能多地雇请女性作为助手，与此同时饱受同僚的嘲笑。另外，他一定从未料到这些女性会从上述的科研工作中受益，也并未说明他是否希望如此。 如果非要说皮克林很显然是轻视女人这样的话，那么我们可以肯定的是，他不像他的许多同事那么轻视，虽然这并不能减轻他这方面的过错，但可以让我们更加客观、立体地来检视这个人。
也许你会问我，为什么皮克林需要这么多女性助手？仔细想想你就会明白了，因为他当时正在根据星体的亮度等级以及发射光波的光谱特性为星体编制星表。皮克林在这方面展现出了超前的敏锐性，他认识到了拍摄设备的重要性。据他所述，观测者的眼睛是不准确的，而且在大量工作之后容易疲劳；但拍摄设备不同，它可以在亮度非常低的条件下获取到观测对象的细节信息，而且在连续多个小时的观测之后仍然可以保持高质量。皮克林无疑是天文摄影之父。在采用新方法之后，他很快发现了成千上万颗需要编录的星体。因此，他需要很多能够处理这些日益增多的星体信息的廉价劳动力，斯万就是这样的存在，她是皮克林的“计算员”之一。
当时星表中一半以上的星体都是斯万发现的。在受雇于皮克林期间，她在仙王座有了惊人的发现：星座中的恒星δ[16]具有可变的亮度，而彼时变星刚刚被正式发现。基于仙王座中发现的这颗恒星，天文学中一类新的恒星诞生了，即造父变星，这类恒星有着相对固定的变光周期。通过研究大量的造父变星（尤其是麦哲伦星云中的那些变星），斯万在1912年得出结论：这类恒星的变光周期与亮度之间成正比关系。她指出，利用这个关系，可以计算这颗恒星与地球的距离。但皮克林未专注于这项理论研究，最终是由丹麦天文学家埃希纳·赫茨普龙将这种关系以数学形式正式表达出来的。更准确地说，后者采用视差法对麦哲伦星云中的造父变星与地球的距离进行了计算，并根据造父变星的亮度周期校准了该距离。在研究过程中，他采用了斯万提出的变光周期与亮度成正比关系的观点来确定其他变星与地球的距离。直到1921年，斯万才被尊称为恒星光度测量的先驱，而她本人在当年12月12日去世。
斯万一直饱受疾病的折磨，她年轻时患上的一种疾病使她逐渐失聪，1921年她又罹患癌症，但她凭借坚韧不拔的品格，以及对枯燥工作的全身心投入和持续的好奇心，向世人证明了科学无关性别，而与想象力、好奇心和勤奋努力工作直接相关。1924年，瑞典数学家哥斯塔·米塔-列夫勒曾试图提名斯万获诺贝尔奖，但遗憾的是诺贝尔奖不能在科学家去世后追授[17]。埃德温·哈勃也曾多次对此表示遗憾。
我们继续回到哈勃的故事。当时人们已经掌握了计算在宇宙中所观测到的星体与地球的距离的方法，而且具备了测算星体远离或靠近地球的速度的能力。这种情况下，缺少的就是观测，即海量的观察和测量。
埃德温·哈勃在开始测算银河系外星体的移动速度后不久便发现，所有被观测到的星系都在发出红移的光波，这也就意味着这些星系都在远离银河系。然后，在1929年，通过与米尔顿·赫马森合作，他发现星系离地球越远，远离的速度就越快。
并非多普勒效应
我之前说过，红移可以通过多普勒效应解释，但这么说并不完全准确。首先，我们必须理解，光是以光速传播的，在这个速度下应当讨论的就不再是多普勒效应，而是相对论下的多普勒效应。这里涉及时间扩展、光行差，以及许多非欧几里得数学理论框架下的知识， 但这些仍非全部。事实上，能准确解释上述不断离我们而去的星系所引发的红移现象的不是多普勒效应（无论加不加入相对论假设），而是这些星系与我们之间的空间被不断拉伸的事实。这里我又讲得超前了些。
将星系与地球的距离和其远离的速度联系起来表述的理论被称为哈勃定律。它所展示的正是乔治·勒梅特在其1927年发表的文章《考虑银河系外星云径向速度条件下的均质、匀速扩张的宇宙》中所推测的：我们的宇宙正在膨胀。如果宇宙正在膨胀，那我们就可以设想自己在回到过去的途中，会看到宇宙在持续收缩。这已经不是虚幻的想象，而是基于可测量的物理现象的推理。从此时起，人类第一次开始科学地探寻宇宙起源的问题。可以说，在1929年，新的宇宙理论[18]诞生了。但这个理论一直没有正式的名字，直至20世纪50年代，其主要反对者—杰出的英国天文学家弗雷德·霍伊尔，在英国广播公司的电台节目中公开嘲笑宇宙膨胀理论时指出，宇宙是处于恒稳态的，并嘲讽膨胀理论下的宇宙莫不是来源于一场巨大的“爆炸”，由此，“大爆炸（Big Bang）”一词得以普及和流传下来，同时流传下来的还有“弗雷德·霍伊尔”这个名字。
在继续深入探究大爆炸以及宇宙起源问题之前，让我们暂时回过头来好好讨论一下为什么勒梅特在论文中会谈到均质的宇宙。
问题1：什么是宇宙？
这里有必要先统一一下我们常说的宇宙所涵盖的范围，事实上，我们所谓的宇宙应当被称为“可观测宇宙[19]”。这也是科学意义上的宇宙，而非哲学意义上的、抽象的、包含一切可观测和不可观测的内容的广义宇宙概念。例如，如果存在一个巨大的、超出人类观测极限的高尔夫球，那这个高尔夫球就不是可观测宇宙的一部分，但它确实又是宇宙的一部分。我们平常所谓的宇宙，即可观测宇宙，是指所有通过科学测量仪器能感知到的东西的集合。无须穷举，显然它包括地球、整个太阳系、整个银河系以及可用望远镜看到的所有星系，有些星系我们可以看得很清楚，而有些则因为距离太远而没法观测到（后者就不是可观测宇宙的一部分）。
问题2：宇宙的过去在哪儿？
好问题！
众所周知，光在真空中的传播速度最快，但光速并非无穷大。而在人类所有可以通过感官感知外部世界的能力（视觉、听觉、触觉……）中，由于光速最快，所以眼睛是最早受到刺激的一类感官。但不得不承认，当我们面对距离我们2米的墙壁时，我们看到的不是墙壁，而是光被墙壁反射后的状态。光线只需要很短的一段时间[20]就能完成这2米距离的传播，这是永远无法避免和被忽略的。实际上，我们所看到的一切，包括我们自己的身体在内，虽然如此接近自己的眼睛，但事实上也都只是过去的一幅画面（光被物体反射后在极短的时间内到达我们的眼睛）。幸运的是，在我们所处的空间内，光速可以被近似地视作无穷大，因此，光的反射可以被认为是瞬间完成的，如果没有这个条件，我们所熟悉的生活就无法继续。试想，如果光以30千米/小时的速度传播，我们又怎么驾驶汽车呢？
一个不那么无害的问题
如果没有即时性的概念，那么生命还能存在吗？本来我没打算详细讲，但这个问题一旦抛出来，毫无疑问会引起读者的思考。作为生物，我们所有的行为都建立在一个最初的基础上，即对现实的感知。这种感知本就是围绕视觉而表达的，所以，如果即时的概念不再符合现实，我们又如何存在呢？具体而言，如果光线需要很久才能传播1米，我们看其他事物时就会有一个延迟。比如，我们跟别人握手，在几秒之后我们才能看到手真正握在一起。这种情况下，我们所熟知的一切都将不复存在。
所以，那些瞬间的事物，无论是声音还是光线，在宇宙的尺度上都不再有效。举个最简单的例子，我们所看到的除了太阳以外距离我们最近的恒星是它们几年前的状态；而对那些遥远的恒星而言，则可能是它们几万年前的状态。我们在太空中看得越远，也就越能了解到宇宙遥远的过去。因此，对“宇宙的过去在哪儿”这个问题，简单回答就是，无处不在。
问题3：宇宙的年龄是多少？
这个问题看起来简单，但事实上很难回答，我们后面会详细来讲。不过，读者读到这里，应该已经很清楚宇宙膨胀理论，包括宇宙现在的状态以及膨胀速度等。因此，如果我们追溯历史，可以想象宇宙在这个过程中逐步收缩，星系越靠越近，直至最后集中于一个无限小的点，这大约可追溯到138亿年前。想必你们已经了解了，这个点就代表着大爆炸[21]发生的时刻。有些人认为，这个时刻就标志着宇宙的诞生；另外一些人则不这么看，他们针对宇宙大爆炸之前的短暂时刻提出了种种不同的假设。但事实究竟如何，我们都不知道。你可以选择相信其中的一个或另一个观点，但到目前为止，这些都仅仅是不同的假设。如果你听到有人声称他可以确定大爆炸是宇宙的起源，那么你可以直接走开听听其他人的观点，因为这个人并不知道自己在谈论什么，除非他有了新的发现，可以建立起一个更加精确的假设。因此，对于“宇宙的年龄是多少”这个问题，我认为合理的答案是：宇宙似乎至少有138亿年[22]的历史。
问题4：宇宙有多大？
根据定义，我们无法得知广义宇宙的形状，因为很可能它在各个维度都是无限的。在这种情况下，甚至我们讨论宇宙的形状这个问题本身也可能是无意义的。对可观测宇宙而言，这个问题的答案是很简单的，我们在所有能观测到的方向上看到的宇宙都一样长，所以宇宙的形状像一个球。理论上，我们在每个方向上所能看到的最远距离都是138亿光年[23]，因此宇宙这个球体的半径是138亿光年。如果说得再清楚些，那就是这个问题是先验的，这是因为它建立在我们既有的认知之上。事实上，我们认为宇宙由3个维度组成：从上到下，从左到右，从前到后—通常分别称为高度、宽度和深度。但宇宙并不会因为我们只能感知到这些空间维度，就只存在于这些维度之中。例如，爱因斯坦已经通过广义相对论证明了空间和另一个维度—时间是不可分割的。那么我们还能简单地说宇宙是个球体吗？还是我们应该在这儿讲讲超球体的概念？
超球体
超球体或四维球体是一类相对抽象的几何体。由于它存在于4个维度中，而四维超出了我们现有的认知范围，因此除了通过理论定义它之外，我们很难清楚地理解它究竟是什么。圆形（或二维球体）被定义为与给定点距离相同的平面上的点的集合，这个给定点被称为圆心，相同的距离则是半径。在三维空间中，球体的定义保持不变，即与给定点距离相同的空间上的点的集合。超出三维空间，对于球体我们仍可保持相同的定义，但如果要在没有视觉观感帮助的情况下做到这一点，很容易就超出了我们的认知范围。听起来很复杂，对吗？你不知道它是多么难以捉摸……
在这里介绍超球体的概念并非随意为之，因为我们很快就会意识到，如果考虑超过三维的空间，那么就会影响到宇宙的一个参数—曲率。
如果将可观测宇宙降[24]至我们能够理解的3个空间维度之中，那它就可以被看作一个半径为138亿光年的球体。比如，当我们观测一个距离我们100万光年的星系时，我们看到的就是它100万年前的样子。我们现在知道，宇宙正在膨胀，构成宇宙的星系正逐渐远离彼此。这意味着，在距我们100万光年的星系的光线从出发到被我们观测到的过程中，星系在不断地远离我们，如今与我们的距离已经远远超过100万光年。在数学上，这并不难理解，因为我们现在知道如何确定星系与地球的距离以及它们相对地球的远离速度，我们甚至可以计算出它们相对地球而言可能的位置。在这样做的过程中，考虑到我们所观测到的星系可能的位置，我们甚至能够确定可观测宇宙的大小，估计宇宙是一个半径接近140亿光年的球体。因为我们总是以相同的方式对宇宙的各个方向进行观测，所以顺理成章地，如果考虑到宇宙膨胀的事实，我们应该是处在一个球体上，它实际上是一个被称为“宇宙球体”的巨大球体，其半径估计超过了460亿光年。
哈勃球
宇宙正在膨胀。一切事物都在不断地彼此远离，且离得越远，远离的速度就越快。这就引出了一个问题：星系离开我们的速度有多快？答案可能看起来令人惊讶：超过一定距离以后，物体将以比光速更快的速度远离我们。这怎么可能呢，光速不是最快的速度吗？实际上，没有什么能比空间中的光速度更快，但是空间本身可能比光运动得更快，而这并不违背现有的理论。
这个答案的有趣之处就在于，超出极限距离之后，除了光之外，其他一切物体远离我们的速度都比光速要快。虽然远处的星系比光更快地远离我们，但它们朝我们的方向发出的光还是按照光速传播的，所以这束光也会远离我们，但同时这又不会违反狭义相对论，即不管观测者如何，光速是恒定的。该极限距离在所有方向上明显相同，由此而形成的球体被称为哈勃球。
问题5：宇宙的中心在哪里？
这个问题的答案很明显。我想问：如果宇宙是从一个点（球心）发展起来的球体，那么这个点在哪里？如果我告诉你3架飞机从同一地点起飞，相互之间越飞越远，追踪这些飞机的轨迹就能回溯到同一个交点（即起飞点），那么前面的问题就简单了。对于宇宙而言，情况则有点不同，我们回过头再来看看超球体的概念。从三维过渡到四维，对我们这种处在三维世界中的生物来说是完全抽象的过程；但另一方面，对我们而言，从二维过渡到三维就很容易理解。因此，我们将通过类比的方法来解释。假设我们处在三维宇宙中，在这个宇宙中我们只知道其中的两个维度，我们想尝试拓展到三维及以上的维度。在这样做的过程中，我们就能体会到宇宙的本质。因为从二维到三维的过渡与从三维到四维的过渡是完全相同的。
那么想象一下，我们整个宇宙都在一个气球的表面上，包括星系、星云、恒星、行星等一切都在那里。这种情况下的宇宙与我们的真实宇宙唯一明显的区别在于，它处在一个只有两个维度的环境中，而这两个维度也就决定了球面的特征。因此，从气球表面的任意一点出发，向左和向右是第一个维度，向前和向后则是第二个维度。地球就在这个气球表面的某个地方。从这个地方我们可以观察周围的世界；这当然有一定的极限距离，比如说可以看到1米左右的距离。这种情况下，以地球为圆心在气球表面画一个半径为1米的圆圈，你就能够理解地球上的观测者可以观测到的一切。
但是我们的宇宙正在膨胀，所以，假设这个气球也是如此。这种膨胀不仅是一个二维的过程，也在第三个维度上发生。如果我们给气球多充一点气，会发生什么呢？宇宙虽然具有球体的形状，且总是完全位于气球的表面上，但由于球体在膨胀，每个星系之间的空间在扩展，这时再以地球为圆心画一个半径为1米的圆圈的话，我们能看到的东西就变得更少了，因为所有物体都在远离地球。我们的真实宇宙正是以同样的方式在运行，但一直都存在一个额外的维度。
所以，如果我们回到过去的话，在过去的某个时刻，似乎所有的星系都无限接近我们的观测点—地球。那么，地球是宇宙的中心吗？历史上地心说曾经“统治”天文学界几个世纪之久，而在这里我将把这一学说推向“新的高度”。事实上，就是这样，地球确实可以被视作宇宙的中心。请注意，我没有说它就是中心，我只是说它可以“被视作”中心。每个观测者都可被视作宇宙的中心，因为一切物体都在不断地相互远离。再用刚才我们提到的那个气球来进行完全相同的实验。但这一次，将观测者放在织女座或金牛座上，结果也会完全相同，因为一切物体都在远离选定的观测点。有两件事可以帮助我们理解，为什么“宇宙中的任一点都可以被视作中心”这个结论并不是那么令人震惊。首先，如果今天宇宙中的所有事物都来自某个原始的点，那么现在它们在某种程度上也还都在这个点上；其次，相对论告诉我们，宇宙中没有哪个观测点比另一个更具有特权，也就是说，宇宙中不存在人们可以视作参考基准的“绝对”零点。因此，如果宇宙只有一个中心，那么它将打破相对论，然而相对论至今为止尚未被证伪。
所以，要知道你宣称自己可被视作宇宙的中心是有严谨的科学依据的，当然你也要认识到，其他所有人都可以这样说。
问题6：宇宙是均质的？
我们来回忆一下，乔治·勒梅特在1927年发表的那篇论文名为《考虑银河系外星云径向速度条件下的均质、匀速扩张的宇宙》。我们已经观测到了宇宙半径的增长，也观测到了银河系外星云的径向移动速度。再回忆一下物质守恒定律，尽管它看起来是理所当然的—宇宙中的物质是不会消失也不会产生的，只能由一种物质转化成另一种物质[25]。那么，基于上述这些认知，我们就能够得出宇宙是均质的吗？事实上很简单，由上面这些知识我们可以得出结论：在宇宙的任意一个地方，向各个方向看去，都会观测到基本相同的情况。
值得再次指出的是，将上面这个结论跟相对论联系到一起的话也是没有什么问题的，因为如果宇宙不是均质的，那宇宙中就肯定会存在一些点能够观测到这种非均质的情况。但相对论并不会导出宇宙中所有点都严格意义上完全相同的结论，宇宙中当然存在某些点距离所有的星系都相对较远，另一些点则毗邻很多星系。宇宙的均质性并不意味着宇宙的各个地方在物质分布或者能量分布上是完全均匀的，而是指在平均意义上是均质的。显而易见的是，当宇宙开始膨胀时，宇宙内部的每一个地方都开始了相同的膨胀过程。这是毫无疑问的，否则我们会发现在宇宙的某些地方几乎不存在任何物质，而在另一些地方则会堆积过多的物质。总而言之，宇宙的均质性就是指质量或能量密度、温度等各类属性在宇宙的各个地方都是基本一致且恒定的。
问题7：宇宙是各向同性的？
我们经常会用看起来没什么区别的表述来解释宇宙的均质性和各向同性这两个特点，但我觉得，对于那些不擅长咬文嚼字、对高等物理也不感兴趣的读者来说，有必要对这两个概念进行区分。因为很显然，我们经常把它们弄混。
各向同性的英文isotrope源自希腊语
（意思是“相同”）和
（意思是“方向”），因而，这个概念从字面上理解就是相同方向。我们称一种介质是各向同性的，是指无论从什么方向观测，它的物理特性都是相同的。如果观测的结果不是这样，那么就称之为各向异性。比如说树木，在顺着它的纤维结构方向上施力的话，木材的抗拉强度和抗压强度更大。而纯净水则总体上在各个方向都保持着相同的特性；之所以说总体上，是因为重力会使水的压力随着深度的增加而变大。
为了更好地区分均质性和各向同性，我们可以简单地说，前者是指物质本身物理特性的一种不变性，后者是指物质行为的一种不变性，而物质的内部结构会影响其行为。
因此，可观测宇宙是各向同性的，这意味着无论是星系的结构和组成方式、恒星的诞生和毁灭、万有引力定律，还是光的传播等特性，只要在宇宙内部，就都是一样的。不管我们向哪个方向看，都会看到相同的宇宙，即遵循相同的物理定律而形成的宇宙。
值得注意的是，宇宙的均质性与方向无关，并不存在哪个方向有更高的优先级。让我们再回想一下刚才提到的那个气球的例子，如果给它打个结，然后捏着它，那么这个气球就被朝着某个方向拉伸了，这样气球表面上的宇宙就不再是各向同性的了。但上面这种情况，在我们的宇宙中从来没有被观测到过。
问题8：宇宙是什么形状的？
你可能会说，我们已经回答过这个问题了。是的，它是个球体，准确地说是个超球体，但这么说也只是回答了这个问题的一部分。事实上，我们假设观测者在可观测宇宙的各个方向都进行了相同的观测，才得出了可观测宇宙是一个球体的结论。但是，需要指出这个形状与宇宙本身并不相关，而是与我们的观测能力有关。因此，对于真正意义上的宇宙，我们只能提出假设。简单来说，宇宙存在下面两种可能性：要么是无限的，要么是有限的。如果是有限的，那要么就是有边界的有限，要么就是完美意义上的无边界的有限。
首先，让我们回忆一下亚里士多德的模型[26]。他提出，宇宙有边界，这个观点像极了他说地球是平的，只要走到足够远就可以看到边界。就理解地球来说，当时的这个观点也并不算是最愚蠢的，甚至相对而言还是错误的认识中较好的一种。因为当时的人们知道地球存在于宇宙之中，所以如果我们走出地表平面的边界就会“掉下去”，但仍会掉入宇宙之中。对宇宙而言，假设它有边界而且我们可以到达这个边界，也就是两种介质的分界点，那么我们就可以说，在这个边界的一侧是宇宙，而另一侧则是其他东西。但问题是，宇宙被定义为所有东西的集合，因此，如果在另一侧有东西的话，那这另一侧就还应当算在宇宙之内。这就像我们沿着陆地走到尽头的话，与大海相接的海滩并不意味着就是地球的边界。那我们再假设宇宙的另一侧什么东西都没有，需要注意的是，什么都没有并不是指真空，因为真空中还是有东西的。这种情况下，宇宙就可以理解为被一圈围墙保卫着，而这个围墙则是在虚无之中。我这儿就不再找亚里士多德的碴儿了，因为这个模型至少是有一定抽象意义的，哲学家还是会对它感兴趣的。但同为哲学家的布鲁诺的观点是：“宇宙是个无穷的球体，球心在宇宙的任意一个地方。”[27]
当然，这两个人物之间相隔了1900多年，认识上的差距还是相当巨大的。[28]
一个低级的问题
我问：“宇宙到底是有限的还是无限的？”爱因斯坦回答说：“这是一个傻瓜才会问的问题。”
我们现在知道有两种宇宙模型都没有边界，但其中一个是有限的，另一个则是无限的。直观来讲，无限的宇宙似乎就应该是无边界的：如果我们朝一个方向出发，并保持方向不变，那么我们永远都无法到达尽头，我们也永远不会路过同一个地方两次。因此，虽然没有边界的无限宇宙模型不太好描述，但很容易引起人们的共鸣。
而有边界但无限的宇宙模型则看起来更有意思一些。我们的第一反应都是要指出这种模型的一个矛盾：宇宙怎么会既是有边界的，同时又是无限的呢？我们举一个地球上的例子，这个例子不是最佳的类比，但也能说明一些问题。假设你突然决定，从你所在的位置出发沿直线向前走，而你行走路线上的所有障碍物，比如汽车、建筑、山峰等都消失了，这样你就能一直前行而不受阻断，而且我们假设你不会疲劳也不用吃饭、睡觉等。那么，在某个时间点，你就绕着地球走了完整的一圈并回到了出发点。当然，除非我们认为地球是一个完美的球体，否则这个说法不太准确，但需要承认的是，你会经过一个你曾经走过的地方。
如果重新假设我们的地球表面是有限的，但我们永远也无法到达它的边界，也就是说它是无边界的。像这样有限但没有边界的宇宙究竟是什么呢？是这样的，假设你乘坐一艘速度极快的太空飞船并朝你面对的方向一直飞行，在经历了很长很长时间之后的某个时刻，你将会回到你起飞的地点。这有点像以前的街机视频游戏，当你操控的角色消失在屏幕的一侧后，他会在屏幕的另一侧出现并继续游戏。很多宇宙模型或多或少地看起来都有点奇怪，它们都阐释了无边界有限宇宙的概念。如果假设整个宇宙都在一个球面或者圆环上（要是不理解的话，可以想象一个轮胎或者甜甜圈的样子），那么实际上宇宙就是有限但并无边界的[29]。
问题9：宇宙在什么东西里膨胀？
我们要认识到，这是个让人很难回答的问题……因为前面我们已经说过宇宙在膨胀，那你自然会问，宇宙在什么东西里膨胀。欲回答这个问题，最终还是得回到对宇宙的有限性的讨论上来。事实上，如果宇宙是无限的，那么它就在它自己里面膨胀……我知道这话有点绕，看起来有点像芭蕾舞里的皮鲁埃特旋转。但事实上并非这样，膨胀是无限宇宙之所以无限的最大驱动力，因此我们虽然永远无法真正地掌握无限的概念，但无限从不缺席。这有点像一家拥有无穷多房间的旅馆，即使是满客，也总会有一个房间能容纳新的客人。
无限旅馆
假设一家旅馆有无穷多个房间而且已经客满了—为了方便思考，我们可以想象旅馆里的客人和房间都被编号为正整数，那么1号客人就住在1号房间，2号客人住在2号房间，以此类推—那么无论你怎么检查，房间都是满的，因为1000号房间住着1000号客人，1000000号房间住着1000000号客人。
这时有个客人开车来到旅馆，想在这儿休息一晚，我们给她编号为Pi。当这个客人来到前台时，有可能的对话是这样的。
“您好，女士，欢迎来到无限旅馆。”
“请问还有空房间吗？”
“很抱歉，女士，我们现在房间都满了。”
“太好了，但我想要一间，谢谢……”
“那没问题，女士，您需要提供早餐吗？”
你听到这段对话后一定非常惊讶，怎样能保证在不退出一名客人的情况下，让满员的旅馆再容纳一名客人呢？一种可行的办法就是，将Pi安排在1号房间，将1号客人安排在2号房间，将2号客人安排在3号房间，由此所有的客人都住在比他自身编号大1个数字的房间里。我知道这种解决方案对那些对数学感到头疼的人来说就像是玩把戏，但它从数学角度来看是正确的：尽管所有房间都已经有客人了，但新的客人到达后，他也可以获得一个房间。
这个例子就是这么实用，无限难以捉摸，但它永远都不会缺席。
所以，如果宇宙是无限的，那么它就无限地在自己的内部膨胀。如果宇宙是有限的，它又在什么之中膨胀呢？我想说，关于这个问题的回答可能并不能让人满意。如果宇宙有限而且有边界的话—也就是亚里士多德提出的观点—那么如果它在膨胀，肯定是在什么之中膨胀，而这种情况与我们尝试定义的宇宙是不相符的。如果从时间上讲有膨胀后的宇宙，那这个宇宙也应该在现在的宇宙之中。反过来，如果宇宙有限但无边界，那么这个问题就没什么意义了。我知道，你们想说：“但是，宇宙如果是有限的，那么在宇宙的另一边应该是有东西的呀？”这可不一定。我曾经说过，这些事是令人沮丧的根源。在这儿我举个令自己满意的类比例子，我也希望它能令读者们满意。
时间是一个维度，是时空四维中的一维，但这个维度与其他3个维度并不相同。空间的3个维度都能够以相同的方式向上/向下、向前/向后、向左/向右，但是时间只会向未来发展，否则我们就会重复不停地过同一天的生活，就像《土拨鼠之日》[30]中的菲尔（比尔·默瑞饰）一样。这种情况下，时间就是有限但无边界的，不管时间如何流逝，你总是在度过相同的一天却不会到达时间的尽头。我们在理解有限无边界宇宙时经常会犯的一个错误是，我们试图在宇宙自身的维度中去寻找这个边界。在这个例子里说的是时间，我们就开始找时间上的“前一天”和“后一天”，很有可能它们是存在的，但是在这种情况下，我们所说的“宇宙-时间”理论并不能完全涵盖宇宙。因为对时间这个维度而言，总存在一部分额外的时间，不管我们能否进入其中，都无法改变它的存在，这有点像我们之前讲的可观测宇宙与真正宇宙之间的关系。如果我们要绕过这个逻辑错误，尝试寻找宇宙在时间维度上的边界，那就不应该纠结于某个时间点之前或之后的状态，而应当探究整个时间维度的边界之外究竟是什么样的。如果你们觉得这个问题毫无意义的话，那么我只能说，这是我能为你们提供的关于这个问题的唯一最佳解释了。对于有限无边界宇宙来说，情况也是相同的，这个问题比物理学本身还要抽象。
问题10：宇宙是由什么组成的呢？
显然，我们必须将自己界定在可观测宇宙的范围内来进行讨论，尽管某些人可能会耍小聪明，声称自己知道超出可观测范围的宇宙究竟由什么组成。正如我们所知，宇宙由星系、星云、星团以及飘浮在各处的各类物质组成。整个宇宙都是由自然元素组成的，正如德米特里·门捷列夫[31]所预测的那样，自然元素越轻，它在宇宙中就越常见—锂元素除外。因此，我们在宇宙中找到最多的就是氢元素，其次是氦元素，然后是构成物质的其他自然元素。物质本身由原子组成，原子又由质子、中子和电子组成。除了这些粒子外，还有光子、中微子等，我们在这儿不进行详细介绍，在本书的后半部分会展开来讲。值得一提的是，所谓的基本粒子，是指不是由其他更小的粒子组成的物质，但是要知道，即使是质子和中子也是由3个夸克组成的粒子，而由3个夸克组成的粒子通常被称为重子—重子除了包括质子和中子外，还包括许多其他粒子。如果我们按照这种方式统计并开展最精确的计算，那么所有这些粒子加起来的总质量最终可能只占到宇宙质量的4%～5%。这时你们就会说，肯定漏了很多东西[32]。
今天，当我们观测一个星系时，我们已经知道如何估算它的质量，这种估算方法是非常经典的。事实证明，对于一个我们已经估算过质量的星系，我们会发现，它实际的引力比按它的质量推算出的引力大得多，或者换句话说，我们估算出的星系的质量无法解释星系为何会一直存在而没有瓦解。这种情况下，我们可以得出以下结论：宇宙中肯定存在着我们无法观测到的物质，它不发光，也不吸收光，更不反射光，就像一种隐形或者透明的材料，这种物质被称为暗物质。
暗物质还是黑物质？
对于这个问题存在两个观点，因而持不同观点的人分成了两派：其中一派并不区分这两个名字，因为他们认为这两个词都可以从英语“dark matter”直接翻译过来，也就是字面意义上的直译；另一派对这两个名字进行了区分，他们认为，与暗物质不同，黑物质是指能够与光相互作用（吸收、反射等）的物质，有时观测者无法看到黑物质是因为用于观测的设备的精度不够，这样，暗物质和黑物质就可以完全区分开了。对我而言，究竟叫哪个名字并不重要，把“dark matter”看作由透明材料组成的物质就行了。
关于暗物质的本质有很多假设，这些假设基本上都把暗物质和一些经典的“透明”物质联系了起来，比如分子云、褐矮星、黑洞等，或者是我目前认为不太能够解释得通的中微子[33]。科学家们目前达成的基本共识是，宇宙中暗物质的质量是那些“普通”物质质量的4～5倍，也就是占整个宇宙质量的24%～27%，而二者加起来的质量最多也就只占宇宙质量的32%。那么，你肯定会说，还是漏掉了很多东西。
剩下的东西我们稍后再讲，因为要花很大的篇幅来好好论述。
下面，我会尽我所能、尽我所知（也是目前人类所知）向大家讲述宇宙大爆炸。跟名字的直接意思不同，宇宙大爆炸并不是一场爆炸，也不会发出“砰”的响声。事实上，我们甚至无法确认所谓的宇宙大爆炸事件是否真实存在。要事先说明的是，尽管我将以最简明的文字讲述下面这些东西，但可能对某些读者来说仍然无法理解。请你放宽心，因为有些东西我也无法真正弄清楚，很多问题甚至有待那些杰出的天文学家们来探索和发现。
零时刻？
这个时刻可能存在，也可能不存在。“零时刻”概念所对应的时间点，在时间上并无意义，甚至可以说，在这个时间点上，时间也许根本就不存在。重新读一遍前面这句话，你就会知道它有多难以理解。此外，在这个时间点上，空间也不存在。“零时刻”的概念其实没什么好说的，我所能讲的一切都只能是形而上的，但这并不意味着我对自己讲的东西没有信心。我们如今所知的构成宇宙的一切物质在零时刻都共存于一个点上，这个点无限小，因此，我们无法用空间的概念来描述它。宇宙的所有能量无比稠密，以至于时空的各个维度都被折叠至这一个零维度的点上，这个点被我们称为“奇点”。
普朗克墙
宇宙中存在4种基本相互作用（常称为自然界四力或宇宙基本力），即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。普朗克时期指的是宇宙演变历史中4种基本相互作用完全融合统一的那段时间。但直到今天，我们也无法形成能完美融合4种基本相互作用的理论，正因为如此，我们也可以称那段时间为“大统一时期”，这也促使其成为当前基础科学研究的热点之一。所以，我们无法探知在这个时期内到底发生了什么。我们不知道这个时期从什么时候开始，甚至无法确认它是否真的开始过，但我们可以确认它什么时候结束，就是4种基本相互作用互相分离的时刻，从这一刻起我们提出的理论才真正切合实际，这个时间点是10-43秒。
10-43秒
这个数值主要根据广义相对论得来，因此，它只考虑了引力相互作用，并未考虑其他3种相互作用，当然这3种是不可忽略的。正因为有了这个如此小的时间点，我们才得以将宇宙诞生之初发生的一连串事件大致联系起来。从那一刻开始，科学家们就有信心解释到底发生了什么，而且时间越往后，我们确切知道的部分也就越多。而在此之前，我们不可能知道发生了什么、如何发生、为什么发生以及按照何种顺序发生。这也是为什么我们会说“普朗克墙”，当然这更多是出于对普朗克本人的敬意[34]。
在0～10-43秒这个时间段内，我们还可以谈论宇宙的大小。在10-43秒这个时刻，四大基本相互作用不再统一，引力相互作用与其他相互作用彼此分离，此时宇宙的尺寸很小—电子约是它的1000亿倍那么大，当然电子本身已经很小了。我们目前还没有模型来描述小于这个尺寸的宇宙。这个尺寸标准是当前物理学框架内的最小度量，从长度上来看是10-35米，被称为“普朗克长度”。粗略地说，如果我们把电子视作跟整个太阳系一样大小，那么此时的宇宙大致相当于太阳系里的一个足球。这是怎么回事？目前，我们尚不清楚这个问题的确切答案，但此时宇宙中的物质或能量密度已经大到使所有维度完全重叠在一起，而且我们不知道如何恰当地描述它。那么我们怎么知道宇宙在这个特定的时刻可能存在于如此“荒谬”的“针尖”中呢？很简单，因为宇宙即将膨胀，而且从这一刻起，我们已经可以非常准确地描述这种转变。
暴胀
在10-36秒时，强相互作用与弱相互作用开始相互分离。
宇宙中的4种基本相互作用
虽然这不是一个适合在这里插入的话题，但我们已经可以说上几句了。我们目前所理解的宇宙被4种主要相互作用所支配，即电磁相互作用、引力相互作用、强相互作用和弱相互作用。我们已经讨论过电磁相互作用和引力相互作用，在我们所能感知的尺度上，我们每天都会经历和体验这两种相互作用，不管是否喜欢。强相互作用在我们能感知的尺度上不那么明显，对它的感知并不是件容易的事。在原子核中质子之间相互黏合，但这些质子自身都带正电，按理说应该相互排斥，因此肯定存在足够大的力来保持它们这种相互黏合的状态，这种力就被称为强核力（即强相互作用）。弱相互作用是负责放射性的“力”，即控制那些小于原子的粒子（比如亚原子粒子）的放射性衰变。值得注意的是，因为弱相互作用的作用范围实在太小了，所以这些粒子之间的相互作用非常激烈。因此，最强的相互作用就是强相互作用，由于夸克的局限性，虽然它的理论相互作用范围是无穷远，但实际上有效范围只是飞米级。相较而言，电磁相互作用的强度约为强相互作用的十万分之一，实际作用范围却是无穷远；负责放射性的弱相互作用同样比强相互作用的作用强度小很多，而其作用范围也非常有限，同样只是飞米级。在我们能够感知的尺度范围内，由于电荷总体上是正负相互抵消的，引力相互作用就成为最主要的相互作用，但实际上其强度要比其他相互作用小得多。强相互作用的强度是引力相互作用的1×1044倍，而电磁相互作用的强度是引力相互作用的1×1036倍。在我们能感知到的尺度上，引力相互作用之所以如此令人印象深刻，是因为其所作用的物质数量太多了。但请记住，你用你的小拇指就能抬起一个物体，也就是说你可以抵抗引力，由此可见它确实很弱。
宇宙在发生着骤然剧变，我说“骤然”并非为了让任何人感到震惊，因为对于这场变化，用“骤然”一词都不足以充分描述。事实上，在10-36秒到10-32秒时间段，对不起，但为了清楚起见，我不得不把它写下来，即在0.000000000000000000000000000000000001秒到0.00000000000000000000000000000001秒之间，宇宙从极小的尺寸飞速跨越到直径是当前可观测宇宙直径的千分之一的状态。在这短短的时间内，它的规模增加了大约1×1013倍。这些数字对你我来说并没有实际意义，你只需认识到这个尺寸很大就够了。这是一个太短暂的时间段和一个太大的尺寸，以至于我们无法用头脑去想象。宇宙的这个变化阶段被称为宇宙的暴胀时期。我们怎么知道宇宙经历过这个暴胀阶段？事实上，人们关于这个问题的许多猜想都会导出这种假设，并且正如科学中常见的那样，这些猜想预测我们最终会得到一些发现……而随后我们真的发现了它们，这就使得科学猜想的可信度不断提高。至少，这就是我们的想法。
粒子时期
随着宇宙的急剧膨胀，弱相互作用和强相互作用相互分离，宇宙就变成了由夸克与胶子组成的“粒子汤”。也是从这里开始，人类对宇宙的科学分析逐渐多于猜想；宇宙的历史越向后推进，我们也就越多地受益于科学观测，而越少地迷失在猜想之中。我不会详细介绍在下一瞬间发生的所有事情，因为这在粒子物理学方面需要太多的先决假设条件，但我们基本上可以总结如下：在所谓的大爆炸之后最多约1微秒，也就是百万分之一秒的时间，出现了粒子和反粒子，但由于一个我们目前仍然无法得知的原因，粒子比反粒子要多。然后，它们通过一种被称为希格斯机制[35]的复杂变化获得了质量，宇宙的4种基本相互作用此时完全相互分离，并呈现出我们今天所知的特征。然而，由于当时宇宙的温度仍然很高，夸克之间无法相互结合，以形成质子和中子。
夸克、胶子、强子、轻子、玻色子和整个“乐队”
粒子种类多样，尺寸极小，而且一个比一个特殊。为了让读者对粒子有一个相对清晰的认识，我将介绍其中的几个大类。
夸克是不能被忽视的基本粒子，它们相互结合形成被称为强子的复合粒子。例如，质子和中子就是由3个夸克构成的复合粒子，但它们的组成构型不同。强子受到强相互作用的影响，因此是由夸克（和反夸克）以及夸克之间的胶子相互结合在一起所组成的。
胶子是基本粒子，是玻色子大家族的一员。玻色子的概念比较复杂，这里我们暂时不进行详细探究。玻色子作为基本粒子的主要特点是“ 传递”各类相互作用，而夸克则依靠各类相互作用组成了物质。因此，在两个夸克相互作用之时，玻色子就操控这种相互作用。拿语法来比喻的话，玻色子有点像“主语”和“宾语”之间的“动词”。举个典型的例子，光子就是玻色子家族的一员。
轻子也是一类基本粒子（和反粒子），比如电子和中微子，它们也参与构成物质，但与夸克不同，它们对强相互作用并不敏感，而对其他相互作用很敏感。此外，夸克之间像质子和中子那样三三组合之后，我们就称这些粒子为复合重子。
轻子和夸克合起来形成了一大类物质粒子，被称为费米子。
关于粒子的简单介绍就到这里吧，没有详细介绍是因为要把握好读者理解上的难度，当然这里讲得有点快了。
所以，宇宙对于夸克和胶子来说太热了，那么会发生什么呢？ “沸腾的粒子汤”会在大爆炸后1秒冷却。接着，夸克和胶子互相结合并形成质子、中子和一般的强子（以及反强子）。然后，在接下来的几十秒内，有很大一部分强子和反强子相互湮灭了，之所以不是全部，是因为粒子要比反粒子多。然后，我们在宇宙中发现了更多的轻子—像电子一样—以及它们的克星反轻子，而它们中的绝大多数也将相互湮灭。宇宙大爆炸发生几十秒后，宇宙中主要包含强子和轻子，更简单地说，包含了足以制造当前宇宙的所有物质。
此时，作为玻色子的光子开始在宇宙中与不同的粒子（特别是质子和电子）发生相互作用。在任何时刻都会发生这样的事情：大量的光子刚被一个粒子发射出来，就被另一个粒子吸收了。随着宇宙持续冷却，质子和中子结合形成了复杂程度不同的原子核。这个阶段被称为核合成[36]，准确地说是“太初核合成”。然而，太复杂的原子核寿命特别短，有的只能存在几分钟，只有像氢原子核或氦原子核这种足够稳定的原子核才能够持续存在。但要注意，这时的宇宙温度仍然太高，电子还不能被原子核捕获，因此它们都明显带电，光子则继续从一个粒子“跳跃”到另一个粒子。
第一束微光
随着宇宙的持续冷却，电子最终被原子核捕获，它们一起形成第一批原子，主要是氢原子和大量氦原子，而其他种类的原子很少。原子是电中性的，不会再干扰光子的运动，从这时起光就可以传播得很远，因而宇宙看起来是透明的。此时的宇宙大约有38万岁的年纪，我们目前可观测到的能证明宇宙存在的最早痕迹—主要是宇宙微波背景辐射—就可以追溯到这个时候。
当这些原子“擦肩”而过时，引力会使它们聚集在一起，直到内部的压力大到催生核聚变，随之而来的就是第一颗恒星的诞生。从这一刻开始，这些星体结构就将根据引力相互作用自然形成，恒星将形成星团、原星系，然后是整个星系。这种演变一直持续至今日，也就是宇宙大爆炸后的大约138亿年。
早在20世纪40年代，像拉尔夫·阿尔菲、罗伯特·赫尔曼和乔治·伽莫夫这样的科学家就预测，如果我们能看得足够远，应该能够观测到光子被释放时变得透明的宇宙。下面我们就详细讲讲。
乔治·伽莫夫是俄裔美籍物理学家，1904年出生在敖德萨。他曾师从当时世界上最好的学者，早先是马克斯·玻恩和尼尔斯·玻尔，随后又加入了卢瑟福在剑桥大学的研究团队，并凭借他的积累，成为著名的放射学专家—插句题外话，提起剑桥大学，读过《花点时间好奇一下》的读者一定还记得三一学院。伽莫夫提出了隧道效应理论，并参与研发了第一台粒子加速器。1933年，由于受邀参加索尔维会议，他终于获得了赴美签证，带着他的妻子兼秘书和他的包—“轭式修饰法”（见下页上方的解释）—离开了苏联。随后，他在美国华盛顿获得了一个教授的职位，并于1940年获得美国国籍。普通的美国人可能会对这个外来者不屑一顾，但美国政府当局对他非常认可，以至于让他参与了1942年开始的曼哈顿计划。该计划是20世纪美国密级最高的军事项目，催生了世界上第一颗原子弹。
什么是轭式修饰法？
轭式修饰法是英语中常用的一种修辞手法，通常是用一个单词（大部分是动词）同时修饰或支配两个不相关的词，从而表达两种不同的含义。那些伟大的作家经常在信里使用这种修辞形式。
·纪尧姆·阿波利奈尔：在米拉波桥下流着塞纳河和我们的爱。
·阿尔弗雷德·德·缪塞：他们知道如何计算时间和地球是圆的这件事。
·匿名者[37]：我抓住了我的夹克和感冒。
战争（指第二次世界大战）结束后，就像当时许多物理学家一样，伽莫夫对宇宙大爆炸产生了兴趣，特别是大爆炸之后的最初一段时间内基本粒子是如何形成的这个方面。在学生拉尔夫·阿尔菲的协助下，他将宇宙之初“中子和质子的稠密之汤”称为“伊伦”，并证明了这种组成结构可以解释当前宇宙中氢和氦的数量问题。他在专业领域表现出色，本人也很有趣。我之所以说他有趣，是因为他使用术语“伊伦”来描述产生宇宙的原始“蛋”—在他之前乔治·勒梅特已经描述过这个“蛋”—但他引入的这个术语“伊伦”事实上是亚里士多德给出的名字。而一旦涉及亚里士多德，我就知道我们正在与一个有趣的人打交道。此外，下面要讲的这个故事也会证明我是正确的。因为当伽莫夫、阿尔菲对外发表他们的研究成果时，文章署名中有汉斯·贝特的名字，但实际上后者当时对这项研究知之甚少，而且如果该篇文章写的是一大堆废话的话，还可能会损害贝特的声誉。那为什么要在这篇文章中强加上贝特的名字呢？这几位科学家之间是否存在什么逸事？完全没有！伽莫夫只是发现如果在这篇文章上署名为“阿尔菲、贝特和伽莫夫”，听起来很像是“阿尔法、贝塔和伽马”，因此，他才找贝特填补了中间的空缺。故事就是这样，这也就是为什么我一直认为乔治·伽莫夫是“搞笑的乔治”。
之后，伽莫夫又对遗传学产生了兴趣，并针对基因与蛋白质测序之间的关系提出了理论假设，但这又是另一个故事了。对阿尔菲来说，自己的名字跟两位著名的科学家的名字并列出现事实上是很有压力的，因为这会让人认为他就是个打酱油的，虽然他对这篇文章的贡献必不可少。此后，他与另一位美国科学家罗伯特·赫尔曼开始了长期合作，继续研究大爆炸理论。他们猜想，当宇宙变得透明时，辐射将达到最大值，而这种辐射即使到今日也仍然可观测到，但能量等级已经非常低了。他们做出了理论假设，并计算得出这种辐射可以在宇宙的任何地方被观测到，辐射的温度约为5 开尔文，也就是高于绝对零度[38]5开尔文。他们的研究成果被收录在伽莫夫发表在《自然》期刊某一期的一篇文章[39]的最后。“搞笑的乔治”此后曾用过阿尔菲和赫尔曼的理论，但并未标注“引用”二字。因此，这两个人决定改进前面提到的“阿尔法-贝塔-伽马”文章里的研究成果，并开始详细研究粒子构成时期的一系列连续的子时期。值得注意的是，他们还纠正了此前报告中的一个关键性错误，该错误曾指出在大爆炸阶段所有自然元素都被创造出来，而这两个人则指出当时只产生了氢、氦和锂3种元素，其他元素则是恒星核合成的结果。
20世纪60年代，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊是贝尔实验室（贝尔通信公司的研究和开发中心）的两位物理学家。他们当时正在新泽西州的霍姆德尔利用一种新型天线开展研究工作，然而这副天线接收到了一些干扰信号，让两位物理学家感到头疼。好在这两位是经验丰富的研究人员，他们立即理清了造成这些干扰的原因：应该是设备的某处出现了故障。他们花了很长时间检查所有电路，但并没有排除这些干扰，而且非常奇怪的是，无论天线指向哪个方向，这些干扰都是有规律可循的。之后，他们认为天线上肯定落了鸟粪。他们又花了很多时间清理天线上的鸟粪，但干扰仍然存在。最后，两个人突然意识到，他们接收到的很有可能是一种向各个方向漫射的微波辐射信号，其光谱类似于黑体的光谱，温度为3开尔文。他们发现的这个就是宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR）。因为这项发现，他们获得了1978年的诺贝尔物理学奖，同年还有另一位科学家因其他领域的成果获此奖项，所以实际上他们两人每人都只获得了诺贝尔奖总奖金的1/4，但是他们不会为此而抱怨。别忘了，最开始这两个人还以为干扰是由鸟粪造成的……这种情况我们一般就认为是“意外发现”。
意外发现
意外发现是指偶然间发现了没有期待发现的事物或现象；通常我们能够理解所发现的东西，但有时也并不一定。历史上有许多意外发现，我忍不住想跟你们分享一下我最喜欢的一个。
斯宾塞·席尔瓦是3M公司（Minnesota Mining and Manufacturing Company，明尼苏达矿务及制造业公司）的一名化学家，负责研制胶水。1968年，他试图研制一种黏性超强的胶水，结果却发现研制出的胶水的黏性不大，但它的一种衍生产品能将两张纸粘贴在一起，然后在不损坏它们的情况下还能将两者轻松分离开。但斯宾塞并没把这个发明当回事，而是放在一边继续研制他的胶水。
1974年，斯宾塞的一位名叫亚瑟·傅莱的同事遇到了一个头疼的问题：他是圣保罗长老会教堂唱诗班的一员，在唱诗时他夹在赞美诗册中的书签总是会掉下来。偶然间他想到了他的朋友斯宾塞的发明，便问斯宾塞是否可以用这种胶粘书签，保证在不损坏他的诗册的情况下将书签揭下来再重新粘到别处。
便利贴随之诞生了，并成为世界上销量最多的办公耗材。我喜欢这种意外发现。你还可以回想一下微波炉的发明、青霉素的发现、美洲大陆的发现、维可牢尼龙搭扣的发明等。
今天，我们已经拥有特别适合观测宇宙微波背景辐射的设备，特别是部署在太空中的专用望远镜，它们不会受到任何地面电磁信号的污染。你肯定已经知道，宇宙微波背景辐射是一种特别微弱的辐射，单纯用望远镜是很难观测到的，因为它会被附近的手机和Wi-Fi网络信号所掩盖。为了更好地解释这种随处可见的情况，这里举一个例子：我们都曾在电视上看到过“雪花”，当然这不是真正的雪花，而是电视节目在放映时受到的干扰，你看到的2%～3%的“雪花”是电视机对它捕获到的信号的视觉诠释，当然这不是宇宙微波背景辐射。
如今，我们已经可以对宇宙微波背景辐射进行足够精密的观测，已经可以回答一些问题，并可以验证之前提出的一些假设。
首先，宇宙最初应该是非常均质的，而且星系是由于引力引起的聚合效应而形成的。但为了解释为什么会形成如今的这种结构，就必须承认当时的宇宙温度、密度等参数在不同的地方是存在差异的。彭齐亚斯和威尔逊当时的测算结果显示出宇宙微波背景辐射是完美均质的，这主要是因为他们所采用的设备的观测精度非常低，不足以观测到上述差异。但从1989年发射的宇宙背景探测者（Cosmic Background Explorer， COBE）卫星以及随后发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克卫星的观测结果来看，我们的确可以实际观测到宇宙密度的波动，这就解释了宇宙中为什么会存在星系以及其他大型结构。这些波动在宇宙微波背景辐射的最初阶段差异非常小，大约表现出0.00001开尔文[40]的各向异性特点。这些差异虽然极小，但足以解释为什么引力在宇宙的某些地方而非其他地方将物质聚集了起来。而这些微小的差异体现在宇宙的各个地方，与人类观测的角度无关，因此最终形成了均质的和各向同性的宇宙。
回到本章的标题，宇宙微波背景辐射和暴胀是什么关系呢？你还记得我前面提过关于暴胀的很多猜想最终都被证明是正确的，其中一些我们会在后面讨论吗？好了，现在就是开始讨论的时候了。
前面说过，暴胀是宇宙状态的突然剧变，而人们自然会质疑理论物理学家们是否能用一种方法来证明它的存在。事实上，如果暴胀是存在的，那也应该是在宇宙发出任何可被人类观测到的东西之前发生的，所以进行直接的观测是不可能的。反过来，那是否有可能观测到暴胀存在过的痕迹或者造成的后果呢？这个问题科学家们就能回答了。需要指出的是，如果宇宙确实曾经历过剧烈膨胀期，那么由此产生的惊人引力变化会导致空间的延伸速度要比光速快得多，这必然会引起所谓的引力波。
引力波
阿尔伯特·爱因斯坦曾被问及万有引力是如何传播的以及以何种速度传播的。事实上，牛顿的万有引力定律里并没有“时间”这个参数，这表明引力具有瞬时延伸性。因此，
如果太阳消失，地球上的万物会立即感受到引力的损失，即便太阳和地球之间的距离有大约1.5亿千米。引力损失的信息传播速度也远快于光速，这在狭义相对论下是不可能的，但它正是广义相对论[41]的起点。因此，一旦重新考虑这一点，我们就必须承认引力的信息传播速度与时间紧密相关，并且受狭义相对论模型的约束。由于引力是与物质能量的存在直接相关的空间形变，由质能方程可知，质量的消失会迫使时空立即调整其形状，并且这种调整过程会以光速传播。显然，刚才说的太阳自发消失是一种纯粹的理论想象，但一个巨大的物体突然改变其运行轨迹，比如突然做加速运动，那么时空也必须进行相应的调整。在现实世界中，这种调整过程也必须以光速传播。时空形变有点像被你的手抚弄的水面，这种形变像湖面上的涟漪一样以波的形式在宇宙中传播，其本质则是引力。因此，这种波很自然就被称为引力波。
再回到刚才的话题，宇宙发生了暴胀，那么时空也就突然地扩展至所有物质或能量出现的地方，这必定会改变在空间中传播的引力波，当然也会造成引力波在时间上的延展，甚至到宇宙变得可观测时引力波仍可被观测到。如果我们能在宇宙微波背景辐射中观测到引力波，那就能够证实暴胀的存在。问题是， 如何才能在已经有近140亿年历史的微波电磁辐射中观测到这些引力波？ 这的确需要我们下很大的功夫……
这里我们不用深入到具体细节，因为这既冗长又复杂。电磁波的传播并非无迹可寻，它们是通过推动磁场和电场的波动来传播的……好吧，我承认这样说并不准确，因为电磁波本身就是一种波，但是为了方便大家理解，我还是要这么表述。跟空气中的声波、水面上的水波等并不向某个特定的方向传播的机械波不一样，电磁波倾向于向某个特定的方向传播，这种现象我们称为电磁波极化。为了理解极化这个概念，大家可以想象一束光线，它将使电场[42]向垂直方向波动。这种情况的限制性在于，用裸眼观察只能看到光线以与场的垂直或水平波动相同的方式传播。这里有一个很直接、应用很广泛的例子，能让大家更好地理解我在说什么。
影院里的3D电影
3D表现形式已经出现有些年头了，且最近越来越流行，许多大片都采用3D形式呈现在银幕上，让我们可以欣赏到精美而又壮观的场景。3D表现形式是如何实现的呢？这是一种被称为立体视觉的过程，原理是同时向人的双眼发送两幅不同的图像，也就是使每只眼睛只接收一幅图像。事实上，影院的银幕是平的，也就是二维的，而为了能感知到影像的立体深度，人们左眼和右眼感知的内容必须有所偏差。因此，只要观众接收的这幅相同的二维图像有所差别，大脑就知道如何将其解译为三维的影像。因此，我们需要想出一种方法，可以通过单个银幕同时发送两幅不同的图像。这个方法的关键就在于光的极化（或叫“光的偏振”）。
一种经过特殊改装的投影机以24帧/秒的帧率同时投射两幅图像;其中一幅图像是垂直偏振方向的，而另一幅是水平偏振方向的。如果用肉眼直接看，你会看到两幅图像的叠影。但你并不能用肉眼直接看电影，而是需要一副特制的眼镜，其中一个镜片只允许垂直偏振光进入，而另一个镜片只允许水平偏振光进入。由此，每只眼睛在每个时刻都会感知到不同的图像。这些图像造成了两只眼睛的视差，这样大脑就可以解释为它看到了3D影像。永远不要忘记，你的大脑很容易被愚弄。
如果你有两副3D眼镜，你可以将两副眼镜的镜片交错叠在一起，然后旋转其中一副眼镜。你会发现在两副眼镜相互垂直的角度上有光线透过，而在其他角度上根本没有光线透过。
所以，我们可以说，电磁波（光）可以被极化。事实上，这种极化现象一直存在，而且极化方向甚至可以是围绕传播轴转动的方向，这种情况被称为圆极化。而当极化方向为特定方向时，相应的被极化的电磁波（光）则被称为偏振光。
让我们回到刚才所讲的暴胀，如果它确实发生了，那么它必定会改变并放大正在传播的引力波。在某些地方，引力波被拉伸，而在另一些地方则被压缩，这种形变就是时空的拉伸和压缩。它们使得这些地方分别变得更温暖或更冷。宇宙微波背景辐射里那些更有“活力”的光子，就表明它们来自更热的区域，于是，天文学家们试图在宇宙微波背景辐射中找到“热点”周围光线偏振变化的痕迹。通过采用足够精确的观测工具，他们最后终于找到了。
在上面这幅图中，我们不用弄清楚自己看的是什么，也可以观察到热点或冷点周围“线条”的方向变化。这幅由位于南极的BICEP2望远镜在2014年3月提供的图像[43]，揭示了我们所预期的光的偏振变化，这似乎令人信服地证明了宇宙确实发生过暴胀。
至少科学家们在发现这幅图像时说：“我们最终证明了暴胀的存在。”2014年5月，该新闻被发布后迅速传遍整个网络。它不仅是一个关于宇宙历史的重大发现，还证实了宇宙的确存在一段无法被观测到的历史时期，这是一项重大成就。
但在2015年1月，另一个新闻被爆出：BICEP2的观测结果并不足以令人信服。事实上，在如此精密的观测工作和精确的测量尺度下，即使最轻微的干扰也会影响结果，而且就BICEP2的观测环境而言，整个银河系中的尘埃已经对其造成了很大的干扰，这导致我们不大有可能按原样取得结果。这当然不是历史上第一次我们过早地宣布胜利，但失望之情仍然是难以言表的。
另外，就上述结论而言，我们有必要指出，2014年所取得结果的失效并未推翻暴胀理论。它很可能发生过，只不过我们现在所拥有的“证据”还不可靠。人类的探索工作仍在继续。
我们来谈谈宇宙的曲率，它就像一道相当难的练习题。虽然曲率是我们非常熟悉的一个概念，但是当谈到三维空间的曲率时，它确实意味着我们需要考虑一个额外维度上的曲率，而在这个维度上我们的感知力“失灵”了。 为了能理解这部分内容，我们可以简化问题并讨论我们能够掌握的关于曲率的知识。
我们来做个想象力游戏，忘记山谷、山脉、最小的山丘和最大的深渊，想象地球是一个完美的球体[44]，它的表面拥有完美的曲率。那么你正处在一个完全平坦的广袤大地上。于是，立刻就有了下面这个问题：球体表面上的一块土地怎么可能是完全平坦的呢？事实上并不能。从我们的观测水平来看，地面是扁平的，因为地球的曲率远远小于我们用肉眼所看到的地表变化。这也正是我们能够在不必考虑地球曲率的情况下建造房屋的原因。在我们所处的空间尺度上，欧几里得几何定律是有效的：例如两条平行线互不相交（或重合）、三角形的内角和为180度等。
我们现在再来想象将观测尺度拓展到整个星球的情况。假设我们就在赤道上的某处，例如厄瓜多尔的基多。从那里，在地面上朝北画一条直线。同时，我们在从赤道的另一个地方做同样的事情，这次是在非洲，例如加蓬的利伯维尔，我们再向北画另一条直线。我们绘制的两条线是平行的，它们都垂直于赤道，都朝北，但它们最终会在北极相交。球体的表面在这个尺度上就不是平坦的，而是弯曲的，我们会欣喜地发现自己所画的两条直线其实是曲线。同样，我们可以在球体的表面上绘制三角形，其内角和远大于180度，因为基多-利伯维尔-北极三角区在赤道上就已经包含了两个直角。
现在，回到我们的三维宇宙空间，大爆炸理论假设我们的宇宙必须是平的，或“几乎是平的”，后者的意思是它必须在可观测宇宙的尺寸量级上是平的。因此，如果确实发生了大爆炸，并且是按照我们此前模拟的方式爆炸的话，那么在可观测宇宙之中，欧几里得几何定律是成立的，并且三角形的内角和必须是180度。毫无疑问，在地球、太阳系甚至银河系的尺度上，宇宙看起来都很平。但是，从可观测宇宙本身的尺度出发来看呢？宇宙微波背景辐射将再一次为我们提供答案。
换质位法
在进一步探讨这个逻辑学上很著名的推理方法之前，有必要提醒一下大家，我们在前面已经推断出，如果宇宙确实发生了大爆炸的话，那么它现在必须是平的。一个非常经典的逻辑错误是，人们认为如果我们能证明宇宙是平的，那么就能证明这种爆炸的存在，这显然是错的。只有当能够证明宇宙不是平的时，我们才能证明大爆炸并不存在。让我们举一个更明显的例子来更好地理解这个微妙之处，比如我们说：“如果下雨，那么土壤就是湿的。”我的假设是下雨，结论是土壤是湿的。我们谈论的就是原因和结果。如果按照上面的错误逻辑来推理，我们就会说：“如果土壤潮湿，那就说明下雨了。”这显然是错误的，因为其他原因也可能导致这种结果，比如有人刚刚浇灌了土地。另一方面—这就是我们所说的换质位法—如果土壤干燥，我们可以推断没有下雨。如果一个原因总是导致一个特定的结果，那么这种结果的缺失就意味着原因也没有发生[45]。
大爆炸的理论假设如下：宇宙的大爆炸是残酷的和非常暴力的，在极短的时间内膨胀率达到了1050左右的量级，并且就像球体表面的曲率会随着其膨胀而减小一样[46]，宇宙的曲率也在急剧减小，无论宇宙的“初始”形状是什么样。如果宇宙微波背景辐射满足欧几里得几何定律，如果它的三角形的内角和正是180度，那么这就是支持大爆炸理论的另一个论据。
你尽可在宇宙微波背景辐射的图像中勾勒出三角形，并可发现它是满足欧几里得几何定律的，但要注意两个微妙之处：首先，宇宙微波背景辐射的图像是平的，所以显然满足欧几里得几何定律；其次，我们讨论的是三维空间的曲率，而非我们日常习惯的二维平面曲率。那么，如何测量三维空间的曲率呢？首先，我们应当正确地认识我们看到的图像，宇宙微波背景辐射并不是一幅平面图像，从中心来观测的话，它是一个球体。事实上，我们所获得的宇宙微波背景辐射图像是根据某个固定位置（比如卫星）在所有方向上的观测结果而进行的重建。
基本上，宇宙微波背景辐射图像可以看作利用微波频谱的一小部分对宇宙进行观测而得到的一张地图。从某种意义上来说，我们所得到的图像类似于一个平面球，就像我们的世界平面地图。实际上，平面球只会或多或少（而非完全）地代表它应该代表的球体世界。
墨卡托vs高尔与彼得斯
1569年，地理学家墨卡托将地球投影在一个平面上，这成为后来所有平面地图中最常用和常见的模型。这个模型是将地球表面向与赤道相切的圆柱体表面进行投影后得到的，这是一种巧妙的方法。我们现在对此无须了解太多，只要知道越靠近赤道的地方，地球投影的面积就越小，对现实世界的扭曲就越少。这个模型之所以得到普及，是因为它有如下特点。首先，它保留了正确的角度。这意味着，在局部范围内角度不会变形。因此，当我们只对地图的一部分感兴趣时，地图上所呈现的角度与现实是“相符”的。其次，这个模型不体现真实的距离或面积。这样一来，你就会问了：“如果这张地图又没有考虑到真实的距离，面积（无论是大陆还是海洋）也不对，那么这张地图又有什么用呢？”这一模型的主要优点是，海洋上给定点之间的特定路线与实际路线是一致的。因此，即使地图采用的路线不一定是最短的实际路线，该地图对航行者也是有价值的。另外，地图上的直线（除赤道外）对应着地球表面上的曲线。但是，正如我说过的，离赤道越远，地表的变形越大，这就是为什么在我们的平面球上，格陵兰岛的大小看起来与非洲大陆相似，而实际上非洲大陆的面积约为格陵兰岛的14倍。
高尔-彼得斯投影最早于1855年由苏格兰牧师詹姆斯·高尔提出， 1973年德国电影制作人阿尔诺·彼得斯也提出了相同的描述，并称其为他的“创新”[47]，虽然并非如此。这种投影模型中的陆地与海洋的距离和二者的尺寸与实际情况成比例，但在角度上有些偏差，以至于其几乎无法用于海上导航。在该投影模型上，不同的大陆虽然有时难以识别，但更直观地展示了按比例绘制的准确的距离和尺寸，而不再是接近赤道的地方更准确。好的，题外话就到这里。
无论如何，在平面球上绘制的三角形符合欧几里得几何定律，而由空间中的3个点组成的与前者形状一样的三角形，放在地球表面就不再符合欧几里得几何定律了，除非这个三角形足够小。因此，我们必须确定宇宙微波背景辐射图像中的三角形是否符合欧几里得几何定律，而要实现这个目标，需要通过一种特制的仪器来测算上述三角形是否具有各向异性。这种各向异性表现为在不同的观测方向上因辐射温度不同会产生波动。
2001年6月，美国人在COBE卫星发射12年后，向太空发射了威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），用于获取精确的宇宙微波背景辐射图像—精确到足以准确测算其各向异性。2003年2月11日，科学家们收到了结果：宇宙微波背景辐射图像中的三角形符合欧几里得几何定律，即平行线不相交。因此，在理论误差约为2%的情况下，宇宙在超大尺度范围内爆发第一次辐射的那一刻似乎是平的，或者几乎是平的，有些人则会说，是非常平的。今天，人们仍然在期待可以证实大爆炸存在的证据能早日被找到，而实际上，我们已获取了不少线索。
就这样，宇宙，这伟大的无限疆域，一个接一个地向我们展示它的秘密，而这些秘密中的每一个又都蕴藏着许多其他秘密。然而，有一件事是非常明确的：不仅我们人类有历史，而且我们的星球、太阳系，以及银河系本身也都有自己的历史，构成它们的原子同样也有历史。进一步来讲，构成宇宙的物质有历史，那么宇宙本身也就有自己的历史，由此，我们可以试着确定它的起源及未来。这个思路毫无疑问将推动我们提出下面这两个平淡无奇的问题：什么是时间？时间为什么会流逝？在探寻宇宙的另一个极端—无限小的尺度之前，我们还要花很大工夫来讲讲上面这两个问题。
注释
[1]是爱因斯坦的职业生涯，对吗？不是我的……
[2]提这个概念是为了提醒读者质量和能量本质上是两个相同的东西。
[3]球体被定义为空间中距离中心等距离的所有点的集合。这个距离被称作半径。在二维空间中，球体则变成了圆。
[4]这是天主教神职人员的一种称谓。
[5]发表于《布鲁塞尔科学学会年鉴》，第47卷，第49页。
[6]星云的直径通常至少可以达到十几光年，做个对比来看一下：我们的太阳系的直径大约是3光年。
[7]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第25章。
[8]事实上并非如此，但这无关紧要。
[9]这家公司最早是由科尔伯特先生创办的。
[10]这是巧合吗？毫无疑问，肯定是。
[11]这是一个与椭圆形密切相关的几何概念。
[12]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第34章和第39章。
[13]说的内容有点跑题了，但我们在这儿进行一下简单的解释还是有必要的。
[14]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第3章和第24章。
[15]这是另一种编目体系，来自加拿大-法国红移巡天计划。
[16]星座中的恒星通常以希腊字母来命名，因为比较方便编目。
[17]这也是在DNA内部双螺旋结构的发现上做出重大贡献的英国分子生物学家和晶体学家罗莎琳德·富兰克林没有获得诺贝尔奖的原因。
[18]关注宇宙的形成与演化的科学领域。
[19]由于名字太长了，所以我们经常就只称为宇宙。
[20]大约0.000000007秒。
[21]这里之所以用楷体，是因为想强调一下，这个词用在这里是不恰当的。
[22]误差不到1%。
[23]一光年是指光在一年的时间里所经过的距离，大约是1×1013千米。
[24]数学上准确讲应该叫“映射”。
[25]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第66章。
[26]已经有很久的历史了。
[27]乔尔丹诺·布鲁诺1591年的著作《论无限、宇宙和诸世界》。
[28]我知道在谈到亚里士多德和布鲁诺的时候，我变得有些主观了，但你们能理解我，对吧？
[29]我建议你们在网上搜一搜“让-皮埃尔·卢米涅”，了解一下他的观点。
[30]哈罗德·雷米斯导演的1993年的电影作品。
[31]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第3章。
[32]肯定的。
[33]超对称理论所预测的一种粒子。
[34]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第9章。
[35]我们后面再具体讲希格斯玻色子。
[36]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第25章。
[37]事实上是我自己，但相比其他人我还是谦虚一些吧。
[38]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第8章。
[39]《宇宙的演化》，《自然》期刊第162期，1948年11月13日。
[40]每变化1开尔文对应于摄氏温度的1摄氏度升降。
[41]《花点时间好奇一下》（人民邮电出版社，2019年）第79章。
[42]在电磁场中电场和磁场相互垂直。
[43]这幅图像经过了哈佛-史密森天体物理学中心的处理。
[44]准确地说，现实中是不可能的。
[45]在逻辑学领域，“如果A，那么B”等同于“如果非B，那么非A”。
[46]球体的曲率与其半径的平方成反比。
[47]他肯定想说的是，相较于墨卡托投影的创新。
