15万字，3小时读完，这本普林斯顿大学的宇宙学入门读本，值得一读

本文摘自《宇宙小史》，作者：【美】莱曼·佩奇，36氪经授权发布。

不管现在地面上的世界如何混乱，但2022年，无疑将作为21世纪人类太空探索的一个极为重要时间点而被载入史册。

1月7日，继哈伯望远镜之后，耗资约100亿美元，号称人类历史上最强太空之眼的“詹姆斯·韦伯”空间望远镜已在太空中完全展开镜翼。

“詹姆斯·韦伯”空间望远镜

而NASA原定于3月12日的阿尔忒弥斯1号任务，将推迟到今年第二季度，这也是高达101米的太空发射系统火箭的首次飞行，与阿波罗登月任务相隔半个世纪后，“登月”计划再度开启。

继去年以超过50次的航天发射次数登顶全球第一后，今年的5月至10月，我国又将一口气完成问天实验舱、梦天实验舱以及两艘载人飞船、两艘货运飞船的发射任务，并预计在年底正式完成空间站的建造。

其他国家也没闲着。

下半年开始，韩国、日本、印度、阿联酋等国都将启动探月项目，欧洲将向火星发射罗莎琳德·富兰克林探测器，而NASA则将先后向金属小行星“普赛克”发射普赛克号探测器、向小行星“Dimorphos”发射航天撞击器……

根据最新发布的《2021中国的航天》白皮书，未来五年，我们将围绕极端宇宙、时空涟漪、宜居行星等主题，研制空间引力波探测卫星、爱因斯坦探针等，持续开展空间天文、日球物理、月球与行星科学等前瞻探索和基础研究。

曾经沉寂在象牙塔尖的宇宙学，正在成为影响我们日常生活的一大重要主题。

但宇宙相关的知识十分庞杂，有没有一份简短的手册可供我们快速摸清其中的门道呢？

今天，要为你推荐一本重磅新书《宇宙小史》。

它的“重”，主要体现在作者——莱曼·佩奇，他不仅是普林斯顿大学物理系主任、美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士，更是宇宙微波背景辐射研究领域的佼佼者，宇宙学领域公认的权威。

至于《宇宙小史》本身的重量就相当“轻薄”了，以阿信的亲身体验来看，3个小时，就可以读完正文，没有让人惧怕的复杂原理和公式，也不需要你有太多天文学和物理学方面的前置知识。

难怪就连普林斯顿大学都用它来作为宇宙学通识课教材，甚至理论物理学博士后在读完这本书之后都大呼：真的学到新东西了！

了解宇宙138亿年的历史，对于我们大部分人来说，只用这15万字的篇幅就够了。

不过，要想吸引你走进宇宙学的世界，阿信今天，还要先从一场黑得五彩斑斓的史诗说起……

1

宇宙138亿年历史的史诗级呈现

2021年年末，一部纪录片刷爆了国内外片单推荐榜，国内的观众甚至为它打出了9.2的高分。

它的名字，简短而霸气，就叫——《宇宙》。

通过先进的视听技术，我们得以真正领略一场的宇宙级史诗。

最初的最初，宇宙中一片黑暗，但这里并非空无一物，虚无中，由“宇宙网”编织成的触手演化为一个极其庞大的空间结构。

这张网主要由暗物质所构成，而在它的中心，引力开始塑造早期的宇宙。

在大约136亿年前，宇宙迎来了一个转折点：氢气和氦气汇入丝状暗物质交结的区域，聚集形成密度更大的分子云。

在自身引力的强大作用下，气态星云也开始坍缩，密度也越来越大，在密度最高的区域，气体变得异常灼热——核聚变反应被激活了。

这便是我们熟知的——宇宙大爆炸。

最初的神祇——宇宙中的第一颗恒星，从混沌中诞生，于是就有了光。

第一代恒星全都是庞然巨物，它们的质量是太阳的成百数千倍，闪耀着蓝色的光芒，表面温度甚至会超过10万℃，它们是宇宙中出现过的最大恒星，狂暴且无常。

大约只用了100万年，它就耗尽了所有的燃料，然后坍缩并在剧烈爆炸中反弹，形成了超新星。

它们的死亡，开始改变宇宙的面貌，丰富了原本只存在氢和氦的虚空，使宇宙中出现了碳、氧、铁等重元素，为新一代更复杂恒星的诞生创造了条件。

在大约46亿年前。

这些元素聚集在一起，形成了元素更为丰富的气体和尘埃云，一些最早的恒星系统终于在我们自己的星系——银河系里诞生了。

宇宙迎来了一个新的复杂时代。

以我们的太阳为例，，在它诞生的最初100万年时间里，它被孤独地包裹在气体和尘埃云之中。

随后，分散的尘埃云逐渐聚集，形成了鹅卵石大小的石块，然后越聚越大，最终形成了行星——也包括我们的家园，地球。

恒星照亮了整个宇宙，但这似乎是它们最无关紧要的作用。

自第一代恒星照亮宇宙以来，这片宇宙已见证了数亿颗恒星的诞生于湮灭，每一代的恒星都用它们所创造的元素丰富着宇宙，而正是这些元素最终演化出了你和我。

我们生活在一个星光璀璨的时代，一个属于光和生命的时代。

以宇宙的匆匆过客的人类视角看去，恒星时代看似永恒。但有始，亦会有终。

而就在你看这篇文章的当下，距离宇宙诞生138亿年之后，太阳的寿命也大约过去了一半，再过大约50亿年，我们的太阳就会消亡。

宇宙学家认为，最后一颗恒星的光芒将在大约10万亿年后熄灭，宇宙将重归黑暗。

但那并不是宇宙的末日，就我们所知，宇宙会永远膨胀下去，所以说，星光闪耀的时代只不过是宇宙无尽的历史中，灵光乍现的一瞬而已。

以上，就是迄今为止现代科学和艺术合力讲述的最为完美的宇宙故事。

可是，这个故事凭什么是这样的？背后的依据究竟是啥？这，就是我们这本《宇宙小史》要告诉你的。

2

现代宇宙学，究竟要告诉我们什么？

无论是古时的人类，还是现代的人类，在同样的环境之下，眼睛所能够看到的星空都极为有限，没有太大变化。

纠结了好几千年，人类对于一个问题一直没有找到确定答案，那就是宇宙到底有多大。

直到1924年，美国天文学家哈勃利用当时最大口径的2.5 米的胡克望远镜确认仙女座星云原来是一个位于银河系之外的星系，关于银河系大小的争论才尘埃落定。宇宙，原来如此浩瀚，人类探索现代宇宙的征程就此开始。

而《宇宙小史》所为你介绍的，正是现代宇宙学诞生后所探讨的主要内容。

比如，你最关心的——宇宙是无限的吗？

莱曼·佩奇

作为顶级的宇宙学家，莱曼·佩奇教授就告诉我们，空间一望无际，绵延不绝，其实也没人知道宇宙到底是不是无限的。

不过从目前的观测结果可以看出，一个无限的、各处性质都跟银河系周边环境差不多的宇宙，与各种数据最为贴合，也是最简约的一种描述。

然而对宇宙成分的观测表明，无论出于何种目的，我们都应该认为宇宙无穷无尽。

现在暂时将宇宙想象为一个巨大无比的容器，里面装满拌有巧克力碎屑的冰激凌。其中巧克力碎屑代表各个星系，冰激凌代表空间。

可观测宇宙就像从容器中离容器壁很远的某个地方挖出来的一大勺冰激凌，冰激凌里充斥着各种大小不一的巧克力碎屑。

只要我们挖冰激凌的位置离容器壁很远，无论我们从哪里挖，每一勺看起来都差不多，可以认为它们是彼此相同的巧克力冰激凌。

如果真的存在这样一个容器壁，它就代表某些我们不曾遇到的物理领域。

那么宇宙是由什么构成的呢？

现代宇宙学认为，宇宙主要由三种成分构成：辐射、物质、暗能量。

宇宙中充满了以热能形式存在的辐射，即宇宙微波背景。

它很像幼年宇宙的化石，不过它不是某种有形的东西，而是来自远古的光。就像恐龙的足印，对于了解宇宙当前的状态它并不重要，但对于了解宇宙如何演化成当今的模样它至关重要。

物体的温度越低，辐射的主波长就越长。根据维恩位移律，以微米为单位，黑体辐射的主波长大约等于3000 除以它对应的开尔文温度。

比如太阳，温度大约为6000 K，所以它辐射的主波长等于3000/6000，也就是0.5 微米。

我们可以继续回溯，一直回到宇宙无比紧致的时候。宇宙大爆炸之后3 分钟，此时宇宙紧致程度大约是当今的3.33 亿倍，温度为10 亿开尔文，相应的辐射如此之强，以至氦核马上就要“散架”了。

氦核中将质子和中子束缚在一起的能量，约为将电子和质子束缚在一起的能量的100 万倍。故相应的辐射热度必须高100 万倍，波长必须短100 万倍，才能将氦核分裂开来。

宇宙的第二种成分是物质，它又可以细分为原子和暗物质。不过我们看到的原子只占总数的一小部分，而且就算把所有原子都加起来，它们也只占物质总量的17%，而物质又只占宇宙总能量的30%。

宇宙的第三种主要成分是暗能量。

由于一直找不到这些“缺失物质”，在经历多种证据链以及成千上万名科学家的分析之后，我们不得不承认，宇宙中一定存在某种新的、不可见的物质形式，也就是暗物质。

某种程度上而言，这种结论是由排除法得出来的，因为我们知晓它不是什么。

自20 世纪90 年代末期以来，我们唯一能确定的就是它的存在性。直到今天，我们仍然在努力尝试把暗能量填进物理学的拼图。

有没有可能，世界上根本不存在什么暗物质粒子，而是我们的物理定律不完备？目前已经有很多人开始研究广义相对论在大尺度宇宙上是不是存在问题。

这些新理论通常被统称为“修正牛顿动力学”（MOdified Newtonian Dynamics，缩写为MOND）。幸运的是，MOND 给出了可以用实验验证的预言，其中有不少预言和目前的观测结果背道而行。

另外，还没有发现任何不符合广义相对论的现象。因此绝大多数的宇宙学家并不同意MOND。

当然我们也承认，宇宙中的确可能存在某些未知的力、某些未知的物理定律，只是还没被我们发现。

3

宇宙学为什么迷人？

最大尺度上的宇宙和最早期的宇宙其实相当简单，只凭几个参数就可以轻松描绘出其主要特征。

事实上，宇宙图景有很多可能性，《宇宙小史》为大家展示的只是其中一幅，只不过这幅图景能够以最少的假设来阐释人类所掌握的数据。之后的观测会向世人揭露真相，看看这幅图景到底正确与否。

人类对宇宙的了解可以用我们所说的以宇宙大爆炸为核心的标准宇宙模型来概括，该模型的建立主要基于如下几个重要的天文观测结果。

一是1929年哈勃发现星系正在退行（最重要的观测结果）：遥远的星系都离我们而去，而且离我们越远，退行速度越快。哈勃定律为我们描绘了宇宙正不断膨胀的图像。

二是彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现了宇宙微波背景。它基本保留了宇宙138 亿年前的状态，宇宙微波背景光子经过长途跋涉，沿途受到少量我们可以认识并可以忽略的各种影响，最终被我们在地面和空间的射电望远镜侦测到。

三是1998 年天文学家通过将Ia 型超新星作为宇宙的“标准烛光”，发现目前宇宙在加速膨胀，该结果强烈暗示宇宙中存在暗能量。

抛开其他内容不谈，这个模型指出了宇宙的构成：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，标准模型阐明了宇宙如何从太初时期演化至今。

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组分——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。

但在上海交通大学讲席教授、科学史与科学文化研究所首任院长江晓原为《宇宙小史》所写的序言中，他提醒我们：

通常各种宇宙学图书中对“大爆炸宇宙模型”的描述，都不应该被简单视为客观事实或“科学事实”。

我们必须明确意识到：所有这些描述都只是一种人为建构的关于我们外部世界的“图景”而已。

而且，由于宇宙学这门学科的特殊性质，哲学上关于外部世界的真实性问题，在宇宙学理论中特别突出、特别重要。波普尔关于“证伪”的学说流传甚广，大家似乎形成了一个误解，以为只要是科学理论，都必然是具有“可证伪性”的。

事实上，在今天的科学殿堂中，就有不少并不真正具有“可证伪性”的学问，比如，宇宙学。

由于迄今为止的一切宇宙模型，都具有明显的建构性质，“大爆炸宇宙模型”也不例外。宇宙学中的许多论断（其实是假说）从根本上排除了被证伪的一切可能性。

但即便如此，也不能妨碍我们说，宇宙学是一门科学，而这，正是宇宙学迷人之处。

宇宙是如此浩瀚，又是如此难以理解。这或许就是当黎明来临时人们会感到莫名心安的原因——当明亮的天空遮掩了群星的光芒，也掩去了它们带给人类的困惑。

宇宙是如何形成的？人类为什么会存在？所有的这一切又将如何终结？

人类若想深刻地了解自我，就必然要面对这些疑问。

毕竟，我们和宇宙之间有着割舍不断的血缘关系：我们是星尘，体内流淌着10亿年前的碳元素。

书名：《宇宙小史》作者：[美]莱曼•佩奇（Lyman Page）著，出版社：中信出版集团

作者简介

[美] 莱曼•佩奇（Lyman Page）

普林斯顿大学物理系主任，美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院院士。

他是观测宇宙学方面的专家，也是威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）最初的联合研究者之一，该探测器用于对宇宙年龄的精准测量。

2010年，因在解开宇宙年龄方面取得的重大成果，获得被誉为“东方诺贝尔奖”的邵逸夫天文学奖。

2018年，因为“WMAP 实验团队绘制了早期宇宙的详细地图, 升级了人类对宇宙演化的认知”获得了2018年基础物理学突破奖。

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本文来自微信公众号“中信出版”（ID:citicpub），作者：阿信，36氪经授权发布。