宇宙的第一缕光

1 越过地平线的光——人类翻越知识地平线的历史 ............ 001 黎明之下，升起的是我们，而非太阳。科学是如此颠覆我们的视角，引导我们去揭晓那些往往偏离大众常识的真相。 2 旅伴——巨人肩膀上的巨人 ........................................ 007 在这场试图寻觅甚至超越知识的极限的旅行中，我们需要明白带什么上路，而谁又将与我们同行。 3 宇宙法则——力、时空和质能在此统一 ........................ 011 简短，并不意味着简单。它揭露了许多曾被古代思想家们所忽视，但却对描述我们的宇宙有着非凡意义的惊人特性。 4 认识无知——科学的极限 ........................................... 019 一种科学理论，无论多么重要多么具有说服力，都可能被区区一个实验所驳倒，许多科学家都经历过此，包括爱因斯坦。 5 房间里的大象——遗留问题和科学革命 ........................ 025 科学，比想象中更为频繁地借助于基础却难以理解的假设，而人们总是刻意地忽视其中某个严重的问题，并总想着早晚会有人来解决它。 6 要有光？——宇宙学说的演变 ..................................... 032 正是科学的飞速进展，让我们惊奇地发现，我们在寻找知识之钥的途中所依赖的路灯，点亮的不过是宇宙的一小部分。 7 空间——扭曲的直角坐标系 ........................................ 039 至今绝大部分人依然和牛顿一样，相信这世上的时间和空间从零开始一路自由延伸至无穷，仿佛打开时空的导航仪便可以直奔大爆炸，跟乘坐飞机去旅行一样，轻而易举。 8 地狱十分钟——大爆炸后的疯狂十分钟 ........................ 046 我们要避免将宇宙的诞生，看作是太空中某个遥远未知点上所绽放的盛大烟火，而我们也绝非像观看电影那样在对它进行观测。 9 曾未有光——不透明的宇宙 ........................................ 059 在曾经的某个瞬间，宇宙可能是不透明的，或者更恰当地说，它被一层光雾所笼罩，也就是说，这世上是没有光的。 10 宇宙的缕光——跷跷板上的恒星 ........................... 063 恒星的一生，维持着引力和与之抗衡、产生大量能量的核聚变反应之间的微妙平衡。失衡死亡，爆炸诞生。它就像摇滚演唱会里观众陆续亮起的手机和打火机那样，点亮了宇宙。 11 特别的恒星——我们的太阳 ........................................ 068 太阳和太阳系的故事开始于约 45 亿年前，迄今为止，太阳转换了约等于地球质量 100 倍的能量，这一惊人数字也相当于太阳自身质量的 0.03%。 12 太阳系的曙光——从原行星星云到太阳系 ..................... 073 我们似乎总是难以抑制地将这个时间节点上的太阳系认定为与众不同，并相信它和宇宙的其余部分一样，是为了我们才从混沌中演化出此刻的秩序。 13 地球与气候——在宇宙间走钢丝 .................................. 080 我们的存在，依赖于自然演变的时间节奏缓慢，但人类对气候造成的影响，却将这一切无限加速了。 14 生命的曙光——自发还是外来？ .................................. 084 我们从哪里来？尽管科学家和哲学家们尝试以多种方式提供了五花八门的答案，但从严谨的科学角度上说，我们并未取得显著的进步。 15 星际移民——星系间的生命迁移 .................................. 091 生命，可能并不需要通过如岩石般巨大的飞船进行星际移动；外星人，也可能只是某种自古与我们共存的特殊生物形态。 16 其他太阳，其他世界——银河系外的行星 ..................... 100 我们再也没有理由将地球视作一颗典型行星了，因为在观测了成千上万个案例后，我们发现，许多行星都具有自己鲜明的特色。 17 他们在哪里——零或无穷的外星人 .............................. 110 外星人可能已经数次造访过地球，但如果这可能性真的如此之高，那为什么我们一直无法验证外星生物的存在？ 18 宇宙的黑暗面——那些不发光的存在 ........................... 114 宇宙的大部分竟然暗黑且无法洞察，但如果想想在夜班飞机上看到的景色，就会明白这件事并不奇特。因为我们所能辨别的，只有光所点亮的那部分。 19 宇宙结构——规范宇宙的力 ........................................ 122 尽管基本力的强度和覆盖范围天差地别，但正是归功于它们，物质才能井然有序地分布于宇宙的各个尺度。 20 黑洞——引力主宰 ..................................................... 128 当天体质量足够大，极其微弱的引力将表现出与其不匹配的贪婪，支配着任何试图反抗它的因素。此刻，引力才展现出它那不可战胜的强大，甚至连光都无法逃脱。 21 新天文学——捕获引力波 ........................................... 138 引力波帮助我们观测宇宙中以黑洞和中子星为主的黑暗部分，并使我们有机会深入研究各种仅持续几秒或几分钟的现象，这为天文学翻开了一个全新篇章。 22 接近无限大——宇宙的尺寸 ........................................ 150 可观测宇宙的半径远远大于宇宙年龄和光速的乘积。从人类尺度出发，以米作单位，需要经过 27 个数量级单位，才能转换至人类可抵达的距离。 23 接近无限小——原子和亚原子的微观世界 ..................... 155 这是一个肉眼无法看见的、由量子力学所统治的世界，我们只能通过粒子加速器观测。大部分发现都真正意义上让人惊喜，而每一次，我们都以为探索到了尽头。 24 大科学——无法预见的发明发现 .................................. 165 科学，和所有其他文化形式一样，是社会在其组成人数达到某个临界值后所发展出来的活动。它与日常生存无关，但从长远来看，却提供了乍看之下并不明显的好处。 25 宇宙实验室——来自宇宙的信使 .................................. 174 我们可以将宇宙看作一个巨大的实验室：在这里，物质和能量，以在地球上无法企及的时间、空间及能量尺度，持续进行着形色各异的实验。 26 一颗特别的粒子——粒子量杯 ..................................... 179 希格斯场就像一个玻璃杯，可以倒进不同数量的液体，杯中液体的高度，也就是不同粒子的质量，都是观测数据（形成于宇宙诞生的初时刻），且理论无法预测。 27 反物质——神秘的消失 ............................................... 183 一颗能量为负的粒子并不是那么容易被人们所接受，而且这样一颗粒子将无法遏制地丧失正能量。它竟然是熵减的，相当于一颗在时间上倒退的粒子。 28 搜寻太空反物质——前沿科学 ..................................... 190 正如卡尔 · 萨根所言：“非凡的结论需要佐以非凡的证据。”这就是为什么，接下来您所看到的这些事件尚未在任何科学期刊上发表。 29 新的地球，新的曙光——在火星上度过余生 ................. 199 今天，富可敌国的私人企业家参与进空间探测领域，他们渴望将自己依赖新兴经济的全球企业所积累的财富，投入到太空探索中去。传奇的 SpaceX 创始人埃隆 · 马斯克的目标很明确，那就是在火星上度过余生。 30 航空曙光——从飞机到太空飞机 .................................. 217 位于美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠的航天发射中心，一个航天学界的传奇之地。在这里，在这些位于机场跑道附近的小房子里，诞生了许多航天界前沿的创新。 31 相邻星球的曙光——冲出太阳系 .................................. 224 我们真正应该改变的是离开的方法，毕竟，能够将物体加速至与光速相近的，就是光本身！ 32 卫星越来越多，越来越小——小卫星风潮 ..................... 230 近 20 年，科技在电子元件小型化和节能化方面显著进步。每个人口袋里都携带着的手机，就和一颗卫星相差无几，一切功能都被集中在了这小巧的体积上。 33 未来的曙光——去向何方 ........................................... 239 我们认识到，宇宙和它那无限的空间其实并不奇特：或许真正怪异的，是有意识对它们进行观测的——我们。 鸣谢 ..................................................................... 249