這本普林斯頓大學的宇宙入門讀本，太好看了！_風聞

不管現在地面上的世界如何混亂，但2022年，無疑將作為21世紀人類太空探索的一個極為重要時間點而被載入史冊。

1月7日，繼哈伯望遠鏡之後，耗資約100億美元，號稱人類歷史上最強太空之眼的“詹姆斯·韋伯”空間望遠鏡已在太空中完全展開鏡翼。

“詹姆斯·韋伯”空間望遠鏡

而NASA原定於3月12日的阿爾忒彌斯1號任務，將推遲到今年第二季度，這也是高達101米的太空發射系統火箭的首次飛行，與阿波羅登月任務相隔半個世紀後，“登月”計劃再度開啓。

繼去年以超過50次的航天發射次數登頂全球第一後，今年的5月至10月，我國又將一口氣完成問天實驗艙、夢天實驗艙以及兩艘載人飛船、兩艘貨運飛船的發射任務，並預計在年底正式完成空間站的建造。

其他國家也沒閒着。

下半年開始，韓國、日本、印度、阿聯酋等國都將啓動探月項目，歐洲將向火星發射羅莎琳德·富蘭克林探測器，而NASA則將先後向金屬小行星“普賽克”發射普賽克號探測器、向小行星“Dimorphos”發射航天撞擊器……

根據最新發布的《2021中國的航天》白皮書，未來五年，我們將圍繞極端宇宙、時空漣漪、宜居行星等主題，研製空間引力波探測衞星、愛因斯坦探針等，持續開展空間天文、日球物理、月球與行星科學等前瞻探索和基礎研究。

曾經沉寂在象牙塔尖的宇宙學，正在成為影響我們日常生活的一大重要主題。

但宇宙相關的知識十分龐雜，有沒有一份簡短的手冊可供我們快速摸清其中的門道呢？

今天，為你推薦一本重磅新書《宇宙小史》。

它的“重”，主要體現在作者——萊曼·佩奇，他不僅是普林斯頓大學物理系主任、美國國家科學院院士、美國藝術與科學院院士，更是宇宙微波背景輻射研究領域的佼佼者，宇宙學領域公認的權威。

至於《宇宙小史》本身的重量就相當“輕薄”了，以阿信的親身體驗來看，3個小時，就可以讀完正文，沒有讓人懼怕的複雜原理和公式，也不需要你有太多天文學和物理學方面的前置知識。

難怪就連普林斯頓大學都用它來作為宇宙學通識課教材，甚至理論物理學博士後在讀完這本書之後都大呼：真的學到新東西了！

瞭解宇宙138億年的歷史，對於我們大部分人來説，只用這15萬字的篇幅就夠了。

不過，要想吸引你走進宇宙學的世界，阿信今天，還要先從一場黑得五彩斑斕的史詩説起……

01 宇宙138億年曆史的史詩級呈現

2021年年末，一部紀錄片刷爆了國內外片單推薦榜，國內的觀眾甚至為它打出了9.2的高分。

它的名字，簡短而霸氣，就叫——《宇宙》。

通過先進的視聽技術，我們得以真正領略一場的宇宙級史詩。

最初的最初，宇宙中一片黑暗，但這裏並非空無一物，虛無中，由“宇宙網”編織成的觸手演化為一個極其龐大的空間結構。

這張網主要由暗物質所構成，而在它的中心，引力開始塑造早期的宇宙。

在大約136億年前，宇宙迎來了一個轉折點：氫氣和氦氣匯入絲狀暗物質交結的區域，聚集形成密度更大的分子云。

在自身引力的強大作用下，氣態星雲也開始坍縮，密度也越來越大，在密度最高的區域，氣體變得異常灼熱——核聚變反應被激活了。

這便是我們熟知的——宇宙大爆炸。

最初的神祇——宇宙中的第一顆恆星，從混沌中誕生，於是就有了光。

第一代恆星全都是龐然巨物，它們的質量是太陽的成百數千倍，閃耀着藍色的光芒，表面温度甚至會超過10萬℃，它們是宇宙中出現過的最大恆星，狂暴且無常。

大約只用了100萬年，它就耗盡了所有的燃料，然後坍縮並在劇烈爆炸中反彈，形成了超新星。

它們的死亡，開始改變宇宙的面貌，豐富了原本只存在氫和氦的虛空，使宇宙中出現了碳、氧、鐵等重元素，為新一代更復雜恆星的誕生創造了條件。

在大約46億年前。

這些元素聚集在一起，形成了元素更為豐富的氣體和塵埃雲，一些最早的恆星系統終於在我們自己的星系——銀河系裏誕生了。

宇宙迎來了一個新的複雜時代。

以我們的太陽為例，，在它誕生的最初100萬年時間裏，它被孤獨地包裹在氣體和塵埃雲之中。

隨後，分散的塵埃雲逐漸聚集，形成了鵝卵石大小的石塊，然後越聚越大，最終形成了行星——也包括我們的家園，地球。

恆星照亮了整個宇宙，但這似乎是它們最無關緊要的作用。

自第一代恆星照亮宇宙以來，這片宇宙已見證了數億顆恆星的誕生於湮滅，每一代的恆星都用它們所創造的元素豐富着宇宙，而正是這些元素最終演化出了你和我。

我們生活在一個星光璀璨的時代，一個屬於光和生命的時代。

以宇宙的匆匆過客的人類視角看去，恆星時代看似永恆。但有始，亦會有終。

而就在你看這篇文章的當下，距離宇宙誕生138億年之後，太陽的壽命也大約過去了一半，再過大約50億年，我們的太陽就會消亡。

宇宙學家認為，最後一顆恆星的光芒將在大約10萬億年後熄滅，宇宙將重歸黑暗。

但那並不是宇宙的末日，就我們所知，宇宙會永遠膨脹下去，所以説，星光閃耀的時代只不過是宇宙無盡的歷史中，靈光乍現的一瞬而已。

以上，就是迄今為止現代科學和藝術合力講述的最為完美的宇宙故事。

可是，這個故事憑什麼是這樣的？背後的依據究竟是啥？這，就是我們這本《宇宙小史》要告訴你的。

02 現代宇宙學，究竟要告訴我們什麼？

無論是古時的人類，還是現代的人類，在同樣的環境之下，眼睛所能夠看到的星空都極為有限，沒有太大變化。

糾結了好幾千年，人類對於一個問題一直沒有找到確定答案，那就是宇宙到底有多大。

直到1924年，美國天文學家哈勃利用當時最大口徑的2.5 米的胡克望遠鏡確認仙女座星雲原來是一個位於銀河系之外的星系，關於銀河系大小的爭論才塵埃落定。宇宙，原來如此浩瀚，人類探索現代宇宙的征程就此開始。

而《宇宙小史》所為你介紹的，正是現代宇宙學誕生後所探討的主要內容。

比如，你最關心的——宇宙是無限的嗎？

萊曼·佩奇

作為頂級的宇宙學家，萊曼·佩奇教授就告訴我們，空間一望無際，綿延不絕，其實也沒人知道宇宙到底是不是無限的。

不過從目前的觀測結果可以看出，一個無限的、各處性質都跟銀河系周邊環境差不多的宇宙，與各種數據最為貼合，也是最簡約的一種描述。

然而對宇宙成分的觀測表明，無論出於何種目的，我們都應該認為宇宙無窮無盡。

現在暫時將宇宙想象為一個巨大無比的容器，裏面裝滿拌有巧克力碎屑的冰激凌。其中巧克力碎屑代表各個星系，冰激凌代表空間。

可觀測宇宙就像從容器中離容器壁很遠的某個地方挖出來的一大勺冰激凌，冰激凌裏充斥着各種大小不一的巧克力碎屑。

只要我們挖冰激凌的位置離容器壁很遠，無論我們從哪裏挖，每一勺看起來都差不多，可以認為它們是彼此相同的巧克力冰激凌。

如果真的存在這樣一個容器壁，它就代表某些我們不曾遇到的物理領域。

那麼宇宙是由什麼構成的呢？

現代宇宙學認為，宇宙主要由三種成分構成：輻射、物質、暗能量。

宇宙中充滿了以熱能形式存在的輻射，即宇宙微波背景。

它很像幼年宇宙的化石，不過它不是某種有形的東西，而是來自遠古的光。就像恐龍的足印，對於瞭解宇宙當前的狀態它並不重要，但對於瞭解宇宙如何演化成當今的模樣它至關重要。

物體的温度越低，輻射的主波長就越長。根據維恩位移律，以微米為單位，黑體輻射的主波長大約等於3000 除以它對應的開爾文温度。

比如太陽，温度大約為6000K，所以它輻射的主波長等於3000/6000，也就是0.5 微米。

我們可以繼續回溯，一直回到宇宙無比緊緻的時候。宇宙大爆炸之後3 分鐘，此時宇宙緊緻程度大約是當今的3.33 億倍，温度為10 億開爾文，相應的輻射如此之強，以至氦核馬上就要“散架”了。

氦核中將質子和中子束縛在一起的能量，約為將電子和質子束縛在一起的能量的100 萬倍。故相應的輻射熱度必須高100 萬倍，波長必須短100 萬倍，才能將氦核分裂開來。

宇宙的第二種成分是物質，它又可以細分為原子和暗物質。不過我們看到的原子只佔總數的一小部分，而且就算把所有原子都加起來，它們也只佔物質總量的17%，而物質又只佔宇宙總能量的30%。

宇宙的第三種主要成分是暗能量。

由於一直找不到這些“缺失物質”，在經歷多種證據鏈以及成千上萬名科學家的分析之後，我們不得不承認，宇宙中一定存在某種新的、不可見的物質形式，也就是暗物質。

某種程度上而言，這種結論是由排除法得出來的，因為我們知曉它不是什麼。

自20 世紀90 年代末期以來，我們唯一能確定的就是它的存在性。直到今天，我們仍然在努力嘗試把暗能量填進物理學的拼圖。

有沒有可能，世界上根本不存在什麼暗物質粒子，而是我們的物理定律不完備？目前已經有很多人開始研究廣義相對論在大尺度宇宙上是不是存在問題。

這些新理論通常被統稱為“修正牛頓動力學”（MOdified Newtonian Dynamics，縮寫為MOND）。幸運的是，MOND 給出了可以用實驗驗證的預言，其中有不少預言和目前的觀測結果背道而行。

另外，還沒有發現任何不符合廣義相對論的現象。因此絕大多數的宇宙學家並不同意MOND。

當然我們也承認，宇宙中的確可能存在某些未知的力、某些未知的物理定律，只是還沒被我們發現。

03 宇宙學為什麼迷人？

最大尺度上的宇宙和最早期的宇宙其實相當簡單，只憑幾個參數就可以輕鬆描繪出其主要特徵。

事實上，宇宙圖景有很多可能性，《宇宙小史》為大家展示的只是其中一幅，只不過這幅圖景能夠以最少的假設來闡釋人類所掌握的數據。之後的觀測會向世人揭露真相，看看這幅圖景到底正確與否。

人類對宇宙的瞭解可以用我們所説的以宇宙大爆炸為核心的標準宇宙模型來概括，該模型的建立主要基於如下幾個重要的天文觀測結果。

一是1929年哈勃發現星系正在退行（最重要的觀測結果）：遙遠的星系都離我們而去，而且離我們越遠，退行速度越快。哈勃定律為我們描繪了宇宙正不斷膨脹的圖像。

二是彭齊亞斯和威爾遜在1965年發現了宇宙微波背景。它基本保留了宇宙138 億年前的狀態，宇宙微波背景光子經過長途跋涉，沿途受到少量我們可以認識並可以忽略的各種影響，最終被我們在地面和空間的射電望遠鏡偵測到。

三是1998 年天文學家通過將Ia 型超新星作為宇宙的“標準燭光”，發現目前宇宙在加速膨脹，該結果強烈暗示宇宙中存在暗能量。

拋開其他內容不談，這個模型指出了宇宙的構成：大約5% 的原子物質，我們的身體就是由這些物質構成的；大約25% 的“暗物質”；還有大約70% 的“暗能量”。

根據愛因斯坦的引力理論，標準模型闡明瞭宇宙如何從太初時期演化至今。

換句話説，我們從廣義相對論中提取出一套認知空間的方式，並把它作為描述宇宙組分——輻射、原子、暗物質、暗能量——如何匯聚在一起形成當今宇宙的理論基石。

但在上海交通大學講席教授、科學史與科學文化研究所首任院長江曉原為《宇宙小史》所寫的序言中，他提醒我們：

通常各種宇宙學圖書中對“大爆炸宇宙模型”的描述，都不應該被簡單視為客觀事實或“科學事實”。

我們必須明確意識到：所有這些描述都只是一種人為建構的關於我們外部世界的“圖景”而已。

而且，由於宇宙學這門學科的特殊性質，哲學上關於外部世界的真實性問題，在宇宙學理論中特別突出、特別重要。波普爾關於“證偽”的學説流傳甚廣，大家似乎形成了一個誤解，以為只要是科學理論，都必然是具有“可證偽性”的。

事實上，在今天的科學殿堂中，就有不少並不真正具有“可證偽性”的學問，比如，宇宙學。

由於迄今為止的一切宇宙模型，都具有明顯的建構性質，“大爆炸宇宙模型”也不例外。宇宙學中的許多論斷（其實是假説）從根本上排除了被證偽的一切可能性。

但即便如此，也不能妨礙我們説，宇宙學是一門科學，而這，正是宇宙學迷人之處。

宇宙是如此浩瀚，又是如此難以理解。這或許就是當黎明來臨時人們會感到莫名心安的原因——當明亮的天空遮掩了羣星的光芒，也掩去了它們帶給人類的困惑。

宇宙是如何形成的？人類為什麼會存在？所有的這一切又將如何終結？

人類若想深刻地瞭解自我，就必然要面對這些疑問。

畢竟，我們和宇宙之間有着割捨不斷的血緣關係：我們是星塵，體內流淌着10億年前的碳元素。