宇宙的起源

● 世界著名宇宙学家约翰·巴罗经典之作，被译成28种语言、风靡多个国家和地区，深受世界各地读者的喜爱与追捧！

● “科学大师书系”经典再现。中国科学院院士、复旦大学教授金力，科技创新研究者、清华大学教授陈劲，世界著名哲学家、《直觉泵和其他思考工具》作者丹尼尔·丹尼特重磅推荐！

约翰·巴罗

● 英国宇宙学家，理论物理学家和数学家，同时也是一位科普作家和业余剧作家。

● 现任剑桥大学应用数学与理论物理系数学科学研究教授，擅长应用哲学的方法来阐述物理宇宙学。他写作的科普著作简单易懂、深入浅出，《宇宙的起源》等15部科普作品被翻译成了28种语言，深受世界各地读者的喜爱。

● 曾荣获洛克天文学奖和英国皇家格拉斯哥哲学学会开尔文奖章。

“科学大师书系”重点在于大师，这10本书的作者既是世界一流的思想者，又是文采斐然的科普作家。去读他们的书吧，你将直接站在大师的肩膀上！

——金力

中国科学院院士，复旦大学教授

历代科学家对宇宙、生命的起源与运行进行了永不竭尽的探索，他们完成的研究成果以及在科研过程中表现出的追求真理的精神，一直是人类知识发展和道德进化的宝贵财富。在未来的发展进程中，基于科学的创新将日益重要，中国需要更多的科学家。熟读科学大师系列，将进一步激发广大有志者献身科学的动力以及提高科学研究的成功率。

——陈劲

科技创新研究者，清华大学教授

我将“科学大师书系”视为向这个世界撒下的一张大网，它捕获的将是我们这颗行星的下一代思想家和科学家。

——丹尼尔·丹尼特

世界著名哲学家，《直觉泵和其他思考工具》作者

1 膨胀中的宇宙

2 设想中的多种宇宙模型

3 宇宙有起点吗

4 宇宙的暴胀和粒子物理学家

5 暴胀和COBE 卫星

6 时间——一段简短的历史

7 步入迷宫

8 全新维度

1 膨胀中的宇宙

“我必须对你表示感谢，” 夏洛克·福尔摩斯说道，“因为你让我对这个稍显有趣的案子产生了兴趣。”

——《巴斯克维尔的猎犬》

（The Hound of the Baskervilles）

宇宙是以何种方式、何种原因并从何时开始的？它到底有多大? 是什么形状？由何种物质构成？这些问题是任何一个拥有好奇心的孩子都可能会提出的，同时也是数十年来现代宇宙学家上下求索的。对于畅销书作家和记者而言，宇宙学的一个吸引人之处在于，该学科最前沿的许多问题都很容易表述；而其他前沿科学领域，比如量子电子学、DNA 测序、神经生理学或者数学，专家提出的问题很难用通俗易懂的语言传达给大众。

20 世纪早期，哲学家和天文学家尚未对“空间是绝对固定的”这一概念提出质疑。他们认为，在这个绝对固定的舞台上，恒星、行星和其他所有天体都只是沿着各自的轨道运转。但到了20 世纪20 年代，这种对宇宙的简单描述开始发生改变。首先是物理学家开始探索爱因斯坦的引力理论会带来什么结果，并获得相应的启发；其次是美国天文学家埃德温·哈勃通过对遥远星系中恒星光线颜色的观测，获得重大发现。

哈勃利用了波的一个简单性质：如果波源远离接收器，接收器收到的波的频率就会下降。如果你想观测这一性质，可以在一潭静止的水里上下摆动手指，看着波峰移动到水面的另一个点，然后将手指朝远离接收点的方向移动。相比于原先移动的那个点，此时接收器接收到的波的频率就会变低，而当你的手指靠近接收点时，接收到的波的频率就会增高。所有的波都具有这种性质。这一性质在声波中的体现就是火车鸣笛或者警笛的音调变化。光也是一种波，当光源远离观察者时，光波频率降低，这意味着被观察的可见光颜色会微微变红，这种现象被称为“红移”。当光源靠近观察者时，接收频率增高，可见光的颜色则变蓝，这种现象被称为“蓝移”。

哈勃发现，星系发出的光呈现出系统性的红移现象。通过测量红移的程度，他可以确定光源后退的速度。同样，通过比较同一类恒星（内在亮度相同的恒星）的视亮度，可以推断出它们与地球的相对距离。他发现，光源距离地球越远，远离的速度就越快。这一趋势被称为“哈勃定律”，该定律用数据来说明如图1-1 所示。

图1-2 展示了从遥远星系接收到的光信号的例子，与实验室中相同原子发出的光相比，这些来自遥远星系的原子在光谱上向红色方向移动。

哈勃发现的是膨胀的宇宙。在这之前，人们认为宇宙是一个恒常不变的舞台，行星和恒星在其中进行着可观察的固定运动，而哈勃发现宇宙是动态的、变化的。这是20 世纪科学界的最大发现，它证实了爱因斯坦广义相对论对宇宙的预言：它不可能是静止的。因为如果星系间不相互远离，彼此之间的引力会使它们聚集在一起。所以宇宙不可能是静止不动的。

如果宇宙正处于一种膨胀的状态，那么当我们倒转历史、回顾过去时，就应该能找到证据证明宇宙起源于一种体积更小、密度更大的状态——该状态的尺寸似乎为零。这个假设后来被称为“宇宙大爆炸”。

我们在宇宙研究方面的步伐迈得有点大。对于宇宙现阶段的膨胀现象，还有许多重要方面值得探究，因此，当下我们不应该一头扎进对宇宙过去的钻研之中。首先，我们要搞清楚到底宇宙中的什么东西在扩张。在电影《安妮·霍尔》中，伍迪·艾伦靠在沙发上表达他对宇宙膨胀的焦虑：“毫无疑问，宇宙膨胀意味着布鲁克林（纽约市的一个区）正在膨胀，你我在膨胀，所有人都在膨胀。”但值得庆幸的是，他的担忧是错的。我们没有膨胀，布鲁克林没有，地球没有，太阳系也没有。事实上，银河系也并未膨胀，甚至成千上万个星系聚集在一起被我们称为“星系团”的集合也没有膨胀。这些物质的集合在化学键力和引力的作用下紧密地结合在一起，它们的相互作用比宇宙膨胀的力更大。

只有当我们站在大规模的星系的尺度上时，才会发现宇宙的膨胀力超越了局部引力。例如，与我们相邻的仙女座星系正向银河系移动，因为仙女座星系和银河系之间的引力大于宇宙的膨胀力。星系群是宇宙膨胀的标尺，膨胀的并非星系本身。我们可以用一个简单的方式进行类比，比如位于正在膨胀的气球表面的尘埃。气球不断膨胀，表面的尘埃也会散开，但每个尘埃微粒本身并不会以同样的方式膨胀。尘埃的作用就是标记气球表面被拉伸的距离。同样，我们最好将宇宙的膨胀看作星系群之间空间的扩展，如图1-3 所示。

我们可能会担心所有星系都在远离地球这一事实造成的后果。但星系远离的为什么是地球呢? 如果我们对科学史有一丁点儿了解，就必然知晓，哥白尼证明地球并非宇宙的中心。如果我们认为宇宙的一切都在离地球远去，实质是又把地球置于了无限宇宙的中心位置。但事实并非如此。膨胀的宇宙不像大爆炸一样在空间中存在某个起点。宇宙并非从某个固定的背景空间开始膨胀，宇宙包含了所有膨胀的空间。

宇宙的起源

人类正生活在宇宙的黄金时期，距离宇宙中发生的那些激动人心的事件已经过去很久了。在繁星满天的日子里遥望天空，你会看到数以万计的星星组成一条被我们称作“银河”的玉带，横跨黑暗的天空。这是古人对宇宙的全部了解。渐渐地，随着人们发明出倍率越来越大和分辨率越来越高的望远镜，一个难以想象的浩瀚宇宙开始进入我们的视野。 大量的恒星聚集在我们称为星系的光岛之中，周围围绕着的是寂静的微波海洋——这是约150 亿年前宇宙大爆炸的回声。时间、空间和物质似乎起源于一次爆炸性事件，在那之后，宇宙以一种整体膨胀的状态出现，同时也在逐渐冷却，不断变得稀薄。

最开始，宇宙是一个充满辐射的“炼狱”。它的温度太高了，导致任何原子都无法在其中生存。在发生大爆炸后的最初几分钟里，宇宙的温度便冷却到足已形成最轻的元素的原子核。在仅仅几百万年之后，宇宙就已冷却到足以形成原子，简单的分子也随之出现。经过数十亿年的复杂发展，物质凝聚形成恒星和星系。而后，随着稳定的行星环境的出现，一系列复杂的生物化学复合体以我们不甚了解的过程被孕育出来。这一系列复杂的过程是如何以及为何开始的呢？关于宇宙的起源，现代宇宙学家必须解答哪些问题？

从现代科学的角度来看，古代的各种创世故事都算不上科学理论，因为它们并未试图揭示任何关于宇宙结构的新认知，它们的目的仅仅是消除人类想象中的未知恐惧。通过从创世的角度定义人类所在的位置，古人可以将世界与自身联系起来，从而消除对未知或不可知的事物的恐惧。现代科学需要达到的目标远不限于此，它必须足够深刻，才能告诉我们更多未知的宇宙信息；现代科学的知识储备必须广博到能够做出预测，以证明和解释当前的宇宙；现代科学还应该为我们指出隐藏在一系列不相关事实背后的内在连贯性和统一性。