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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
正文 前言
2010…1…28 21：13：20 本章字数：943
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。
正文 引言 天空的诱惑（1）
2010…1…28 21：13：22 本章字数：1178
引言 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。
正文 引言 天空的诱惑（2）
2010…1…28 21：13：24 本章字数：1096
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。
正文 引言 天空的诱惑（3）
2010…1…28 21：13：26 本章字数：1166
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！
正文 章序
2010…1…28 21：13：59 本章字数：900
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。
正文 时间的开始
2010…1…28 21：14：01 本章字数：1454
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。
正文 宇宙的尺度
2010…1…28 21：14：03 本章字数：1458
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�