宇宙小史

序言本书主要对现代宇宙学在空间、能量、时间等方面进行*大尺度上的简明介绍。我希望这些文字可以将宇宙学中人类已知的、比较重要的几个方面的知识传递给大家，包括宇宙的组成、几何结构、演化过程、用来描述宇宙的物理定律，也会介绍一下我们挖掘这些知识的具体过程。宇宙学已经成为一门较为成熟的学科，以至于其中掺杂了很多听上去相当疯狂的理论和推测，而这些让人眼花缭乱的内容很容易遮掩宇宙学*为神奇的一面：我们可以在*大尺度上了解整个宇宙，通过某些探测手段，其精确度可以达到百分比的水平 。我们将会看到，*大尺度上的宇宙和*早期的宇宙其实相当简单，只凭几个特殊参数就可以轻松描绘出其主要特征。跟其他东西，比如具有大气、海洋、运动的大陆板块、磁场等物理属性的无比复杂的地球相比，前者要简单得多，列出几个主要属性即可看清它的面貌。本书不仅会向大家展示人类目前所掌握的观测、度量结果，还会通过各种物理表述向大家说明这些结果如何彼此交织在一起，形成一幅统一的宇宙图像。事实上，宇宙图像有很多可能性，我为大家展示的只是其中一幅，只不过这幅图像能够以*少的假设来阐释人类所掌握的数据罢了。之后的各种观测会向世人揭露真相，看看这幅图像到底正确与否。人类对宇宙的了解--可以用我们所说的标准宇宙模型来概括，这套模型和观测结果吻合得极好。它可以对未来做出预测，具有可验证性，而且如果有必要，它也可以被轻易修改，增添内容。抛开其他内容不谈，这个模型很关键地指出了宇宙的构成：大约5%的原子物质，我们的身体就是由这些物质构成的；大约25%的“暗物质”；还有大约70%的“暗能量”。根据爱因斯坦的引力理论，标准宇宙模型阐明了宇宙万物是如何从太初时期演化至今的。换句话说，我们从广义相对论中提取出一套认知空间的方式，并把它作为描述宇宙万物——辐射、原子、暗物质、暗能量——如何汇聚在一起形成当今宇宙的理论基石。总之，尽管我们有一套非常出色的宇宙模型，但从根本上来讲，我们仍旧不清楚它的主要成分到底是什么。宇宙学当中存在很多激动人心的、悬而未决的问题，等待全世界的科学家去探究、分析。在本书的末尾，我会将其中某些问题分享给大家。本书将遵循我对宇宙学的学习路径，主要以宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，缩写为CMB，是宇宙诞生时遗留下来的一种微弱热辐射，又称背景辐射）的测量为线索来理解宇宙，而且我们有充分的证据来证明这种方式的合理性。尽管宇宙微波背景和太阳的热辐射，或者说电炉的热辐射类似，但它的温度其实非常低，只有2.725K ，仅比绝对零度高2.725°C，似乎暗示着它古老的起源。不过，宇宙微波背景不只包含温度，它的存在还有很多其他意义。没错，我们从宇宙微波背景得到的大部分信息都来自太空中不同位置的温度变化。比如，无论是在南天极，还是在北天极，宇宙微波背景在温度上的差异都非常小（任选两个方向做比较）。由于宇宙微波背景可以被精确地测量，所以我们对它的理解成为宇宙模型的基础。不过在深入研究宇宙微波背景的各种特性和人类能从中获得哪些信息之前，我们首先得介绍一些基本概念，看看如何从一个整体的角度认知宇宙。在**章中，我们的主要任务就是打好基础，了解宇宙的一些基本概念，主要线索为两项观测结果：光速恒定有限，宇宙正在膨胀。这两项客观事实彼此啮合，为接下来的章节搭起了框架。在第二章中，我们将回顾宇宙的组成，不过并不是事无巨细地全面分析，而是把重点放在宇宙每个时期起主导作用的重要组成部分，这些东西可以告诉我们宇宙如何演化至今。我们还会分析宇宙的各种成分如何共同作用，从而产生了恒星、星系、星系团这些在宇宙学中被称为“结构”的东西。形成这些结构的整个过程起源于宇宙大爆炸，*终催化了地球的诞生，人类得以登上历史舞台。在第三章中，我们将阐释插图1中宇宙微波背景的细微温度差异。弄懂这张图后，我们便可以获取和宇宙相关的大量信息。在第四章中，我们会把之前的内容拼凑起来，同时引入标准宇宙模型。虽然该模型拥有出色的预测能力，但宇宙中仍旧充满很多未解之谜。*后，在第五章中，我将从理论和实验两方面分别为大家介绍一些宇宙学的前沿科研项目。宇宙学是一片充满活力、令人神往的科研圣地。无论是实验领域，还是理论领域，科学家们都在苦苦探寻更加深入的知识成果。对于像我这样的宇宙观测者来说，宇宙微波背景在持续不断地提供各种新的洞察和理解。与此同时，源源不断的观测实验或许可以帮助我们从全新的视角来看待标准模型中那些已有的要素，甚至有可能帮助我们获取全新的科学发现。在开始正文之前，请允许我先对本书的难度做一个简要说明。想要把*新的科研成果呈现给读者，*大的困难之一就是要找到一个恰当的阅读难度。尽管出于科学概念的特殊性，我对很多术语和概念都做了相应的解释，但是在整本书中，我还是对读者的知识水平和兴趣程度做出了更高的预期。因此，对某些特定话题，我准备了4个附录，以便有需求的读者能够获取更详尽的信息。比如，我在创作时已经假定读者知道光是一种携带能量的、具有特定波长的电磁波，不过在附录A中，我还是为那些想要进一步了解相关领域的读者提供了关于各种辐射 以及相应波长的简明科普。此外，我还假定大多数读者知道光速的有限性，其数值为一个常数。不过，无论身处宇宙何处，无论运动速度有多快，你都会发现真空中的光速一直是186000英里 /秒，这是爱因斯坦狭义相对论的基本前提之一，掌握此知识点的人要比刚才的人少一些。为了使本书简洁明了，我不会过多深入讨论和相对论有关的知识（毕竟已经有很多图书出色地完成了这一任务）。不过随着本书内容的推进，我还是会阐释一些有助于理解宇宙的物理概念，这些内容可能会比你之前掌握得更加详尽。根据实际需求，我可能会酌情增加相应篇幅，不过大家放心，阅读本书所需的数学知识并不复杂，无非也就是“距离 = 速度 × 时间”这种水平。而且大多数情况下我们都会使用近似值，便于大家掌握。宇宙学中非常棘手的一点是，它涉及的距离和时间尺度都很大，大到让人难以想象。为了更加直观，我们在计数时以“10亿”为单位。比如，地球上的人口大约有70亿，你小拇指的指尖上大约有10亿个细胞，10亿颗M&M彩虹豆刚好装满一个6米见方的盒子。考虑到这是一本科普读物，本书没有列出任何专业性强的参考资料，很多理论和发现的来源我们也没有一一备注（希望我的同事们能原谅我）。虽然本书篇幅不长，但需要呈现的内容可不少——我们要介绍整个宇宙呢——所以事不宜迟，进入正题吧。