摘要：《极简宇宙史》以第二人称的形式，带领读者进行了一场周游宇宙的想象之旅，时而进入黑洞，时而穿越星系，时而钻进原子。在极大与极小之间，作者以充满诗意的语言解释了相对论、量子力学、弦理论、平行宇宙等现代物理学前沿理论。在这本书中，你将坐在椅子上，靠想象力的翅膀遨游整个宇宙。从大到不可思议的总星系，到小到无法度量的奇点，从即将毁灭的太阳，到吞噬万物的黑洞，在这场无比奇妙的时空之旅中，你将见证闻所未闻的奇观，理解它们背后既深奥又美丽的科学。你会发现，让你得以存在的自然规律，也同样支配着璀璨繁星，而你与我，都是一团远古的星尘。还有什么，是比这更浪漫的事情吗？

一、宇宙

1.月亮

· 牛顿认为，有一种人类的时间，被我们感知，以钟表计量；还有一种上帝的时间，是瞬间而非流动的。人类时间这条无限长直线，向前也向后延伸到无穷，在牛顿的上帝眼中，却只是一个瞬间。

· 大概四十亿年前，地球与另一颗行星撞在一起，后者大概有火星那么大，这次撞击从地球上扯了一块物质下来，被带入太空。在随后的几亿年时间里，所有那次撞击产生的碎片聚到一起，形成了一个球体绕着地球运行，这就是月球。

· 如果没有这次灾难性的碰撞，我们就不会有月亮照亮我们的夜晚，没有潮汐变化，而地球上可能也不会出现如我们现在所熟悉的生命形式。

2.太阳

· 如果人类能够以某种方式收获太阳在一秒钟内辐射出的所有能量，它就足以满足我们全世界五亿年的能量需求。

· 原子主要呈球形，具有一个紧密的球状原子核和一些微小的电子在远处高速旋转。我们可以依据原子的大小将它们分类。它们中最小的一个被称为氢原子。第二小的被称为氦原子。这两种原子加在一起构成了已知宇宙的百分之九十八的物质。

· 太阳内部发生着热核聚变，即一个用较小的原子核产生较大的原子核的过程。原子核们一旦生成，这些较重的原子核与那些被剥离氢原子核而独自作着自由运动的电子们结合到一起，成为新的更重的原子：氮原子、碳原子、氧原子、银原子等。

· 热核聚变反应能够发生的一个必要条件是巨大的能量，太阳的自身引力就是这种巨大能量的来源。这个引力将一切物质拉向太阳的核心，以巨大的压力挤压它们。

· 地球自身引力不足以让其内核达到足以触发热核聚变反应的温度和压力。在定义上，这就是行星与恒星的主要差别。

· 核聚变反应有一个神奇的特点，不管反应开始时需要多少能量，反应一旦开始，就会释放出更多能量。当两颗原子核融合在一起变成一个更大的原子核时，它们的一部分质量消失了。这些质量并没有凭空消失，而是转化为能量，爱因斯坦的质能转换方程E=mc2给出了这种转化的兑换率。

· 核聚变释放出巨量的光和粒子，这些光与粒子又将它们周围的一切都剥离成原子核与电子。这种原子核与电子分离的物质状态被称为“等离子体”。这种光、热与能量的大规模释放就是恒星之所以发光的原因。

3.我们的天体家庭

· 漂浮转动着的土豆形状的小行星一起构成了一个围绕太阳旋转的巨大圆环，即天文学家所称的“小行星带”。小行星带将四颗较小的类地行星，即水星、金星、地球与火星（它们是岩石状行星）与太阳间隔开来。

· 木星、土星、天王星与海王星都是气态行星，只有一个相对很小的岩石内核深深地隐藏在巨大而骚动的大气层下。这几颗行星都有着美丽的星环。

· 柯伊伯带是一个里面满是各种种类和大小的脏雪球的环带，它很可能是太阳系以及它的成员们从很久以前死去的恒星留下的星云形成时的副产品。

· 当脏雪球朝向太阳飞行时，会慢慢来到较暖的环境并在太阳辐射的照耀下融化并留下长长的尾巴，这条尾巴里是微小的冰块或石块，在黑暗的背景下被阳光照得闪闪发光。这就是“彗星”。

· 冥王星被剥夺了行星资格，降级为矮行星。它是柯伊伯带的一名成员，与至少两颗类似矮行星（妊神星和鸟神星）一起。

· 所有的行星、矮行星、小行星和彗星几乎都处在一个扁平的圆盘之中，太阳在圆盘的中心闪闪发光。一个储存着几千亿亿亿个可能彗星的彗星库形成一个巨大的球状星云，看起来就像占据了太阳与其他恒星之间的所有空间。这个彗星库被称为“奥尔特云”。

4.太阳之外

· 太阳系最远处的几颗彗星改变了轨道，从以太阳为中心的曲线远点，进入另一条曲线远点，那条曲线的中心是另一颗恒星，即比邻星。

· 比邻星属于那种被称为红矮星的家族。它比太阳小很多，色调偏红。这也是红矮星名字的来源。红矮星非常普遍，天空里大多数恒星都属于红矮星。

· 对于一颗恒星来说，有一个特别的距离范围，在这个范围内运行的行星将有可能在自己表面保持液态水，这个距离范围被称为“宜居带”。

5.庞然大物

· 一个不停旋转着的彩色圆环由气体、上亿块岩石和彗星组成，它们都围绕着一个厚厚的甜甜圈形状的东西旋转，那个东西还发射出明亮炽烈的光线。随着这个圆环旋转的不仅仅是那些巨石，还包括恒星。所有的恒星到二〇一五年为止，人类所知道的宇宙中移动最快的天体就在其中。科学家给它取名为S2，或2源。

· 束缚S2不让它飞走的天体不是一颗恒星，而是一个质量惊人的黑洞。科学家们称其为人马座A*。

· 当一颗恒星被黑洞吸引，它会在靠近黑洞的过程中解体。解体了的恒星的星尘在到达真正构成黑洞的核心之前就被抛了出来。恒星的质量被转化成人类所知能量最高的两种光线（X光与伽玛射线）所构成的两道激流，一道朝上，一道朝下。

6.银河系

· 银河系更像一个由气体、星尘和恒星构成的厚厚圆盘。在虚空的包围下，在巨大的距离尺度上，这些恒星们相互围绕，加上星尘与气体，科学家们称其为星系。

· 四个巨大明亮的螺旋状旋臂被暗黑色分开，围绕着中心转动，它们交汇而成的中心是一团更明亮的气体、星尘和恒星，光芒掩盖了一切。

· 太阳系位于从中心的黑洞到银河系边缘约三分之二距离的地方，四条明亮旋臂中的一条之内。一点儿也看不出有什么特别。从整个宇宙的角度看，银河系作为星系也不过是普普通通的一个。

· 仙女座星系离地球实在太远了，虽然它含有几万亿颗恒星，但只有它中心的突起能被肉眼看到，而且很小。

· 二〇〇九年NASA发射的开普勒望远镜已经探测到超过六千个潜在世界。其中约二千个已被证实是围绕遥远的太阳旋转的行星。有一些还是双星系统（行星绕着两颗太阳转）。那些遥远的世界被称为“外行星”。那二千个已被证实的外行星中大约有十来个可能与地球类似。其中甚至有一个，在二〇一四年被证实与我们的地球具有令人吃惊的相似性，它的名字是开普勒186f。

7.宇宙尽头的第一道墙

· 银河系属于一个由五十四个不同星系通过引力相互纠缠而构成的一个小小星系群。科学家把这个星系群命名为“本星系群”。银河系是其中第二大的成员，第一大的是仙女座星系。

· 再外边就是另一个星系群的地盘了，有一些星系群可以有多达好几百个星系。这些巨大的星系集合，比我们的星系群大许多，被称为“星系团”。再往前去，会遇到巨大的星系团，被称为“超星系团”。

· 在“宇宙黑暗世纪”，大概持续了八亿年，第一颗恒星开始将氢与氦这些小原子聚合成后来构成我们以及其他行星和恒星的重原子。这些是第一代恒星。而我们的太阳则是第二或第三代恒星。

· 我们可见宇宙的尽头是我们的望远镜已经探测到并且绘出的这道墙。这个尽头，这道光线无法透过的墙被称为“临界最后散射面”。

二、理解外部空间

1.定律与秩序

· 如果我们仔细考察内心，我们都有这样一个直觉，认为自然界是有规律的，而且这些规律无法打破。依然热情不减地继续这种搜寻并进一步揭开大自然秘密的学科被称为“理论物理学”。

· 牛顿创造了一种全新的语言，即数学分析法（微积分），使自己能够描述人类所感觉到的任何事物。牛顿提出的最有名的公式是万有引力定律。

2.讨厌的石头

· 如果考虑到行星们互相之间的引力作用，除了水星之外的太阳系七大行星都严格按照牛顿的公式运行。水星那个鸡蛋状的轨道自己会旋转，因此水星每次画出的轨迹并不与上次重合。这几乎都是其他行星造成的，每次靠近时它们都将这微小的水星拉向自己。

3.1915 年

· 考虑一下这种想法，引力就仅仅是这种弯曲的结果，当一个人跌落时，并不是有一个往下拉的力让他跌落，而是他沿着宇宙构造中一个不可见的斜坡滑行而已，直到他撞到地上或其他类似地方阻止了他进一步跌落。这个将物质与宇宙的局部几何联系起来并用以解释引力本质的理论，是爱因斯坦的广义相对论。

4.过往层层

· 为了了解大自然，我们必须超越我们的感官所告诉我们的感知，而为了实现这一点，我们必须假定，在相似条件下，大自然在任何时间与空间都遵循同样的定律。我们把这个称为宇宙第一原则。

· 光，别名电磁辐射，可被认为既是微粒（光子），又是波。两种描述不仅都适用于描述宇宙，而且要了解我们的世界，两种描述缺一不可。

· 能够被眼睛看到的光为“可见光”，区分两种颜色的标准通常比较随意，但的确存在着一种严格的数学定义，基于距离，也就是它们波长的定义。

· 波长越短（频率越高），波所带的能量就越大。从最低到最高能量依次是：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X光和伽玛射线。

· 任何恒星发光的时刻，它所发出的光线都带着自己的信息。这些信息以光速穿越空间，经过很多时间后才能被我们看到。这意味着我们在天空中看到的那些最远的恒星可能已经死了。

5.膨胀

· 只要速度合适，理论上行星可以在任意距离的轨道上围绕其恒星运行。与行星轨道相反，电子轨道被电子禁入区所分隔，在这些区域内电子无法存在。

· 电子从一个轨道转换到另一个轨道，要么必须吸收能量，要么必须释放能量。电子离原子核越远，其所携带的能量就越高。因此当一个电子从离原子核较近的轨道跳跃到另一个较远的轨道时，它必须吸收一些能量。要移到离原子核更近的轨道，电子需要释放一些能量。

· 电子通过吸收或释放光来实现从一个轨道跳跃到另一个轨道。电子需要吸收或释放特定数量的能量，也就是特定的光射线，才能够从一个轨道转换到另一个轨道。

· 你能找出那个原子都吸收了哪些波长的光，只要看看它的影子里少掉了哪些波长就行。在由各种颜色和其他光线组成的连续彩虹中有几小块颜色变暗，就对应了被原子吸收的波长。这个图表被称为光谱，暗淡的部分被称为吸收线。科学家们只需要看一眼光谱中缺少了哪些光的波长，就能够知道位于你与光源之间的是哪种原子。

· 以完全相同的方式影响所有颜色的光线，估计不是光本身的问题，而是它赖以传播的介质。在光谱中，意味着宇宙远处所产生的颜色往红色方向移动，它们被“红移”了。如果宇宙的构造永远处于被连续稳定的拉紧状态中，那么光线传播得越远，它到达地球时红移得就越厉害。

· 星系间的空间在拉伸，也就是自发地变大。星系间虚空的空间本身在变大。科学家们称其为“宇宙膨胀”。描述远处的星系越走越远这一行为的定律被命名为哈勃定律。

· 远处星系之间的距离的确一直在变大。邻近天体之间却没有这种现象，因为引力在短距离内足够强大。星系产生的万有引力抵消了这种膨胀。

· 要猜想离地球很远很远的地方所发生的事情，人类必须假定宇宙中没有一个特别的位置，这就是宇宙第二原则。如果某个观察者在宇宙各处观察，对于他来说，任何方向看出去都是一样的。远处的星系总是远离他所在的观察点，同那些星系远离地球一样，这是宇宙第三原则。

6.感受引力

· 引力永远是互相吸引的，它永远让物体掉落，但竞争产生了层次，某些物体不得不往上走，以腾出空间容纳比自己更重的物体。

· 太阳与羽毛都会以同样的方式掉向小行星、行星，或任何东西。因为受引力作用，只是沿着质量或能量在宇宙构造上产生的斜坡滑下而已。

· 光在太空里并不一直以直线前行。当它路过星系、恒星、行星，甚至一小块石头附近时，光线变弯了。物体密度越大，光线路径离它越近，弯曲程度就越明显。

· 公式E=mc2告诉我们质量与能量只是同一样东西的两面。爱因斯坦表示宇宙在任何一个地点的形状由位于该处的质量与能量决定。在这个过程中，他抛弃了把引力看作一种作用力的观念。引力只是一种几何学，是曲线与斜坡，由质量和能量所产生。

· 因为我们星球给时空带来的弯曲，让它附近的一切物体落向自己的表面，这又随之进一步加强了时空的弯曲。

7.宇宙学

· 对科学的健康的看法是，将科学整体看作是帮助我们思考的脚手架，通过一代代人的努力，尽可能地接近我们所生活其中的真相，通过实验来揭示真实中隐藏着的神秘。

· 通过向爱因斯坦方程式提供一个可见宇宙的简单模型，你得到了一个结论。这个结论符合你在天空中看到的现象，符合科学家们每天面对的事实：宇宙自身能够（根据爱因斯坦），也的确正在进行（根据观察）演化。

· 爱因斯坦的公式表明，宇宙虽然一直拥有着它至今依然拥有的能量，却曾经完全没有大小，在空间上与时间上都没有大小。

· 何声称所有被我们的可见宇宙所包含在内的一切在过去的某个时段曾经大小为零（或非常接近于零）的理论都被称作“（热）大爆炸理论”。

8.宇宙地平线之外

· 使用望远镜或者其他强大的工具，你现在已经能够看到整个可被观察的宇宙，与肉眼所见相比大得不可思议，但它依然存在限制：临界最后散射面（标志着宇宙从不透明（等离子体状态）到透明（中性原子气体）的转变）。这个散射面位于我们的过去，大约一百三十八亿年以前。它同样也位于空间中，离我们一百三十八亿光年处。

· 我们从地球上能看到的可见宇宙是一个半径为一百三十八亿光年的球。但这并不意味着外面就没有东西存在。

· “多重宇宙”的概念意味着一个由许许多多分离的宇宙所形成的大宇宙，各个分离宇宙之间无法互相交流，虽然它们都属于同一个整体。

9.大爆炸的铁证

· 从纯粹的逻辑出发，利用爱因斯坦的方程式和你离开沙滩后所见到的宇宙，可以得出一个推论：一道光无法透过的墙应该存在于我们的过去，而且能够被看见。而且这道墙的确存在。我们已经通过实验探测到它，甚至它已被标记出来。

· 有人利用爱因斯坦的方程式计算过以临界最后散射面为表面的墙应有的温度。他们的结论是一个比较大的数字：大约3000°C。

· 伽莫夫、阿尔弗与赫尔曼通过计算得出结论，由于宇宙的膨胀，刚才提到的3000°C高温只有很小一部分遗留下来，从那道墙上发出，充斥于我们整个可见宇宙。他们所预期的温度大概在-260°C到-270°C之间，比绝对零度高3°C到13°C。

· 彭齐亚斯和威尔森在一九七八年获得了诺贝尔物理学奖。他们发现了位于可见宇宙尽头的临界最后散射面所残余的热量。这种辐射，热大爆炸理论的铁证之一，被称为宇宙微波背景辐射。

三、快

1.我们自己的时间

· 时间的流逝取决于物体间的相对运动速度。还能依据两个人之间的相对速度算出他们两人时间上的预期差异。这个理论被称为“狭义相对论”。爱因斯坦的狭义相对论还有一个推论：如果你的时间膨胀了，长度就会收缩。

· 你在高速旅行中会遇到三个违反常理之事。第一个变化是，时间的流逝在你与地球上所有其他人之间有着极大的差别。第二个变化是，距离在你前进的方向上变小了，这被称为“长度收缩”。第三个变化是，最终你变得越来越重（E=mc2）。

· 在狭义相对论中，时间的膨胀必须伴随着距离的收缩同时进行，只有这样，才能保证不管是谁在看，都不会有物体能够以超过光速的速度运行。

2.如何才能永远不老

· 科学家们给高速定了一个门槛，越过这个门槛，你刚才所经历的那些奇怪效应就会显著地呈现出来，让人无法忽略，这个门槛被称为“相对论速度”。

· 在这个我们的宇宙里，时间与距离不是普适的绝对概念。它们取决于观察者。它们都是相对的，否则光速就无法成为常数，也无法成为极限。

· 每次你利用GPS确定自己的位置时，它们都考虑了地球周围空间与时间弯曲的效应。离地面越近，弯曲程度越大，不仅在空间上如此，在时间上也是如此。GPS的成功应用得归功于爱因斯坦的狭义相对论与广义相对论。

· 光无法携带任何质量。任何带有质量的东西在加速过程中会变得越来越重。要想达到光速，从一开始你就不能具有质量。

· 如果真的能把自己变成某种没有质量的东西，达到光速，那么时间会停止流逝。想要永生，你就得把自己变成光，而这是不可能的任务。而且即便你能够变成光，你的时间将无法前进。你的确实现了永生，但你自己却意识不到。

四、跃入量子世界

1.如同海里的鱼

· 电磁力这种作用力由虚光子所携带，这种粒子的存在只有一个目的：携带电磁力。宇宙中任何两个物体之间，不管它们是不是有磁性，都存在着某些东西，被称为电磁场。

· 虚拟光珠对于物质可以吸引、排斥，或者毫无作用。一切都取决于一种东西：一种被科学家们称为“电磁荷”的东西。自然中只存在两种电磁荷，它们分别被称为正的或负的。

· 规则是虚拟光珠排斥同种电荷，而将异种电荷拉到一起。电荷间距离越近，出现的虚拟光珠越多，排斥力就越大。而正电荷与负电荷之间却喜欢待在一起。电荷间距离越近，它们之间的吸引力就越大。中性物体不在乎这些虚拟光珠，它们能够通过拥有完全相同数量的正电荷与负电荷实现中性，或者完全不带任何电荷。

2.跃入原子世界

· 宇宙里所有的原子都有着这样的结构：不同大小的内核被一个或多个电荷波围绕。科学家们称这个内核为“原子核”，那个模糊的带电荷运动着的波为“电子”。

· 电子能够自顾自地随意跳跃。这个现象本身被称为“量子隧穿”或“量子跃迁”，而且不仅仅是电子，在量子世界的所有粒子都能量子跃迁或隧穿。

· 如果你知道电子在哪里，你就不可能知道它移动的速度。如果你知道电子所带有的能量，你就不可能知道它能维持这种能量多久。

· 发展至今的科学认为，电子并不由比它更小的粒子构成。与原子不同，它们没法再切开、分裂或打破。它们是电磁场的产物，是电磁场的一种表现。

· 因为电子就是自己本身，是电磁场最基础最本质的表现之一，所以它们被称为基本粒子。原子由更小的构件所构成，它们不是基本粒子，但它们由许多基本粒子构成。

· 电子并不是只通过虚光子（不可直接检测，稳定传播，长程）与其他世界发生联系。它们也涉及实光子（可直接检测，瞬时存在，长程）。

· 实光子与电子一样，都是电磁场的基本表现，不由任何其他东西构成：它们是量子涟漪，意味着它们既能像波一样活动，也能像粒子一样活动。电子与光子可以互相转化。

3.坚强的电子世界

· 光不停地撞击我们的身体上，激发我们血肉之躯中的电子，让构成我们身体的物质发热，给它们能量。原子也能吐出它们的电子所吞噬的光子，让我们和其他物体以一种或多种颜色“发光”，那些颜色就是被某组原子的电子所吞噬又随后被释放出的光的颜色。

· 不管它们处于哪种原子之中，波状的电子们之间绝对不会互相重叠，因此在任一原子中，不同个电子之间的可能组合就有了非常严格的限制。

· 电子只能居于围绕着原子核的不同的层次中。第一层，也就是最里面一层，最多只能有两个电子，第二层可以有八个，第三层可以有十八个，第四层有三十二个，诸如此类。

· 一个原子与另一个原子之所以不同，在于原子所容纳的电子数不同，而并非因为两个原子所包含的电子本身有什么不同。所有的电子总是相同的。

· 如果一个新增的电子，真的想加入一个已经构建完成的原子，它或者不得不定居到离原电子更远尚有空位的地方，或者占据某个原电子的位置。波状的电子们不会互相重叠。这个规则叫做泡利不相容原理。

· 当一个原子失去一个电子后，原子核与电子的电荷之和不再是零。失去一个或几个电子的原子成为科学家们所称的“离子”。离子总是想要找到某个东西捆绑在一起，以形成分子。

· 电子并不是唯一遵循泡利不相容原理的粒子。但是光子就不遵循此规则，你可以在任意小的空间里装入任意多的光子。两个光子越是相似，就越愿意待在一起。

4.一所特别的监狱

· 原子核中包含质子。质子比电子大，但与原子本身大小比，它又显得极其微小。与电子不同，质子不是基本粒子。

· 虚拟粒子携带的是强相互作用力，它们比携带电磁力的虚光子有力几百倍。这种作用力与其所属的量子场一起，成为宇宙中所有物质得以稳定存在的重要因素。

· 质子中包含三个夸克。夸克自己不能独立存在。夸克之间距离越远，它们的强相互作用力的携带者就会变得越狂躁，比宇宙中所有其他已知的力量更有效地将它们拉回到一起。

· 胶子将夸克们粘在一起。夸克与胶子构成了我们宇宙中所有的质子。作为我们所知道的最强力量，即强核力的携带者，胶子将夸克监禁在一起，只有在夸克彼此非常接近时它们才能得到自由，因此确保了构成我们的物质不会裂开。

· 强相互作用场有六种不同的夸克。如果有足够的能量，这六种夸克能够在强相互作用场里的任何地方任何时间出现。但在原子核中只有六种中的两种。它们就是上夸克与下夸克。

· 中子是电中性的。在每个质子中，胶子禁锢着两个上夸克和一个下夸克。在每个重子中，胶子禁锢着两个下夸克和一个上夸克。

· 正是因为存在胶子和夸克的交换，中子与质子才能共存于原子核中。利用从一个监狱跑去另一个监狱的方式，两个胶子变成的夸克确保了原子核的稳定。参与交换的粒子，那对穿行于监狱之间的夸克双胞胎被称为介子。它们所携带的作用力被称为强核力。这是一种非常强大的吸引力。

· 恒星将中子与质子们聚拢在一起，而且与分开时相比，这些中子和质子们一旦聚在一起，就不需要那么多虚拟胶子来守护它们的夸克。在恒星内核，多余的胶子与介子也被解雇。这就是为什么所有因聚变而产生的原子核比聚变前原子核各自重量之和要轻。

5.最后的力量

· 最后一种作用力也是核力：它只作用于组成原子核的构件上。但这个作用力比强核力弱许多，因此被称为“弱核力”。它所属的无处不在的量子场被称为“弱核力量子场”，弱核力量子场有着属于它自己的基本粒子和作用力携带者。自发的原子核分裂，一个被称为“放射性”的过程就是它的特征之一。

· 弱核力的的携带者能将一种夸克变化成另一种。这些作用力携带者被称为W和Z玻色子。一个原子通过衰变变成更小更稳定的原子。这就是原子核的自发核裂变，它是核聚变的反面。这是放射性衰变。，这也是放射性的根源。弱核力及其携带者W和Z玻色子就主宰着这个领域。

· 泡利通过比较放射性衰变发生之前与之后的观察，发现一些能量不见了。于是他预言一定有一种粒子将这份能量带走，这种粒子具有很小的质量，不带任何电荷，非常难以捕捉，而一旦射出，将射穿我们所知道的所有物质，几乎不被阻挡。我们现在已经知道这种新粒子的存在。它被称为“中微子”。中微子只受到弱核力场与引力影响。它们对电磁场及强相互作用场完全没有反应。

· 当原子核发生衰变时，它会分裂并发出中微子、夸克监狱、电子与光子。这些粒子中个头最大的是被互相绑在一起的四个夸克监狱：两个质子与两个中子结合在一起。它被称为“阿尔法粒子”，实际上就是一个失去电子的氦原子。

· 放射性衰变发射的第二种粒子是非常高能的电子，它能将远处的正常电子打飞，第三种类型则是高能光子，伽玛射线。

· 如果没有放射性，就不会有地震或火山爆发，地球表面早在几十亿年前就会是一片冰冷。我们所知的生命或许不会存在。

五、到达空间与时间的源头

1.要自信

· 格拉肖、萨拉姆与温伯格作出了一个令人吃惊的发现：电磁力与弱核力是早就存在的另一种作用力、另一种场的两种不同表现。他们发现，在宇宙的早期，至少有两种充满着我们整个宇宙的不可见的量子海洋曾经是同一个海洋，所谓“电弱场”。

2.没有什么“什么都没有”

· 当无人进行观察时，从一个地方运动到另一个地方，粒子会在时间与空间上经过所有可能的路径，只要这些路径出发于起点，终止于终点。当有人试图探测一个粒子时，粒子就不再出现在所有地方，而是只在一个地方。

· 在贝尔提出的一条定理的指导下，阿斯佩进行的实验证实：可能性而非确定性的存在是对于极其微小的世界你不得不接受的客观性质。

· 因为量子场填满了所有时间与空间，粒子因此可以在任何时间与地点出现。这就是为什么说宇宙中任何地方都不存在真正真空的原因。

· 想象有一道墙，装在万向轮上，将两间房分开，其中的一间充满空气，另一间充满水。想象将两块很小的金属板平行相对放置。卡西米尔猜想，在两块板之间无中生有出现的虚拟粒子应该与在两块板之外出现的粒子不同，两种真空因此会不一样，所以金属板应该会移动。拉莫若通过实验证实了这个猜想。这种现象被称为卡西米尔效应。

· 所有基本粒子永远与它们的同类绝对而且完全相同，因为在整个宇宙中，所有的基本粒子，都诞生于同一个背景场中，也会在任何时候被同一个背景场所吞噬湮灭：某个量子场的真空。

· 存在于宇宙中所有中子和质子当中的“胶子浓汤能量”能够用来解释我们所知的非常多的物质的质量，但还不是全部。

· 要让电弱场一分为二成为电磁场和弱场，必须存在另外一个场。这个场就是希格斯场，它的基本粒子是“希格斯粒子”。

· 希格斯场并不能解释所有物质的质量起源，它只能解释其中的一部分。中子和质子的大部分质量来自将夸克束缚在其边界之内的作用力，来自夸克–胶子浓汤。如果希格斯场突然失效了，那么夸克就会变成没有质量。但质子和中子的质量却几乎不会改变。

3.反物质

· 依据爱因斯坦对于物体在非常高速度下运动时行为的研究，再结合以量子粒子们奇怪的行为，狄拉克创建了量子场理论，还发现了反物质。

· 一个电子从来不会被单独创造。它必须与另一个与它除了电荷之外一模一样的粒子一同被产生。那个粒子所带电荷是正的，它被称为“反电子”。在电子与反电子被创造出来以前，总电荷是零，之后依然是零。

· 电子与反电子对被“无中生有”的过程被称为粒子-反粒子偶的产生。反方向的过程同样存在：当一个电子与反电子相遇时，它们发生湮灭，它们的质量变回能量，变成光。

· 反粒子就在你身边，但很少量，因为每次一个反粒子出现，都只能存在非常非常短的时间。任何反粒子与它对应的正常粒子遇到时就会立刻湮灭，依照E=mc2变成一缕能量与光消失。

4.墙外有墙

· 在宇宙变得透明前的三十八万年，通过位于地球的望远镜往回一百三十八亿年所看到的景象中，电弱场还在。希格斯场已经不见了。W和Z玻色子是电弱场的作用力携带者。

· “暴胀场”被认为是我们宇宙最初膨胀的始作俑者。整个宇宙从只有质子几十亿分之一体积的小点膨胀谓一个直径十米的球的阶段被称为“宇宙暴胀”。

· 量子引力墙（普朗克墙）挡住了现代知识。这道墙的后面，是量子引力的世界。在那里，自然界所有已知的场可能以一种量子的方式被统一成一个。量子引力墙的外面被称为“普朗克时期”。

六、意料之外的谜团

1.宇宙

· 物理学中有三种谜团。第一种来自理论内在本身；它们是理论性的。第二种根植于观察与实验，它们在通常情况下是推动研究发展的力量。第三种谜团出现在没有人能够再理解任何东西的时候。黑洞与时空诞生前的物理学就同时属于这三种谜团。

· 黑洞和宇宙的最早时期有着共同的重要特性。它们都有一个极限，在这个极限之外，引力只有在考虑了量子效应之后才能适用。这个极限就是普朗克墙。

2.量子无限

· 量子规则的后果之一是：某事只要可能发生，它就一定发生。哪怕就是两个微小的电子相互作用，在此过程中虚拟粒子对们出现的可能性也是无穷大。所以会有无穷大数量的虚拟粒子牵涉其中。

· 即便是在真空中，要准确地描述我们的世界，我们仍需要考虑所有无穷多种粒子-反粒子对相互作用的可能性。

· 这些可能性都很重要而且数量是无穷大，其结果是宇宙中的任何一点都应该对应于无穷大的能量值，哪怕是在没有其他东西的真空中。然而实际情况不是这样的，不然我们的宇宙就会在任何地方开始塌缩，因为这些无穷大的能量给时空带来的巨大引力效应。

· 霍夫特纯粹简单地决定忘掉引力，还把无穷大也去掉了。去除无穷大的结果导致了一些以前从未被见过的粒子被预言，而且是精确预言。

· 威尔逊不再试图解释无穷多个更小的领域以得到有关粒子的某个结论，而是认为尺度可能确实是问题所在：人们没有必要为了能够讨论粒子而考虑更加小的尺度。

· 移除无穷的过程叫做“重正化”。它在计算方面的效率非常出色。但是在考虑到引力的情况下，这些重正化手段并不起作用。

· 量子场论断言只要有场存在，就能产生小块的能量，或者小块的物质，它们被称为“量子”。电磁场的基本量子就是其最小能态的基本粒子即光子和电子。强核力场的基本量子是夸克与胶子，引力场（被视为一个假设的量子场）的基本量子是引力子。

· 如果引力就是我们刚才提到的一个量子场，如果引力子正确描述了引力在自然界中发挥作用的机制，时空将与这些无限发生作用，并且在各处崩塌。但时空并没有崩塌。

· 在有关引力的量子场论中，因此基本粒子也是由它的场本身所构成。但是这个场是时空。因此其基本粒子应该由空间和时间来构成。这意味着我们周围应该有时空的基本小块存在，也就意味着空间与时间都不再是连续的。这些时空基本小块能够表现出既是波又是粒子。它们服从量子隧穿，服从量子跃迁。

· 就算我们能够忘记讨厌的无限的问题，所有其他量子场理论能够如此强大地描述构成我们的各种粒子，全依赖于周围不存在这样的时空小块。这意味着广义相对论与量子场论所使用的时空概念是不同的。

3.活着，或是死去

· 一旦被探测到，粒子就失去了它的量子波动性。这颗粒子无处不在，直到它被某个探测器检测到。这个不可逆的过程被称为“量子波塌缩”。

· 在本质上你不能同时知道一个粒子所在的位置和它运动得多快。这条规则被称为“海森堡测不准原理”。

· 为了进行“薛定谔的猫”这个思想实验，你需要选定一只猫，一只能够完美封闭的盒子，一旦关上，没有人能够从外面知道里面的情况。你还需要找一种放射性材料，这种特殊材料，在你的实验过程中会有50%的机会产生射线。你还需要再找到一瓶装着致命毒药的管子，一把锤子和一个放射性探测器。你把所有东西联接在一起，一旦放射性探测器探测到放射性物质放出射线，锤子就会打破管子释放出毒药。

· 根据量子世界的规则，衰变还是未衰变这一事件被直接联系到毒药和猫，只要盒子未被打开，这只猫既没有死去，也没有活着，而是同时存在。在你打开盒子之前，衰变同时处于发生了和未发生状态，因此毒药已经被释放，也尚未被释放。所以猫死了，却又活着。

· 阿罗什和维因兰德设计了一个实验，并且能够在预期发生塌缩的瞬间探测到状态的叠加。他们用的是原子和光。他们看见量子叠加非常真实；几乎所有量子粒子都能够，也确实同时以不同且互斥的状态存在。

· 艾弗雷特认为，我们宇宙中的一切都由量子物质构成，因此所有一切都应被看作是一个各种可能性同时存在的巨大量子波。如果从这个视角看，那么没有什么塌缩发生。所有的可能性都依然存在。整个宇宙在每次作出选择时产生了分支，缘于实验或是其他观察。因此应该存在着无法想象之多的许多平行宇宙，其中每一种可能性，每一种可能的后果都以事实存在。我们的周围到处都是平行历史。

4.暗物质

· 将每个恒星和尘埃云以及所有属于我们星系的你看得到的物质质量都加起来，你会得到结论：要稳住银河系里任何一颗恒星按现在的速度运行而不飞走，银河系的质量远远不够。

· 奥尔特认为银河系中充满了一种我们尚不知道的物质。一种至今为止尚未被任何一种手段探测到的物质。因为它不与光相互作用，因此任何人都无法通过收集光线的望远镜看到它们。他称它为“暗物质”。

· 按照奥尔特的说法，暗物质的可见效应只能是非直接的，通过引力显示：暗物质无法被看见，虽然它显然不是普通物质，但它与普通物质一样能让时空弯曲。构成它们的不可能是那些构成我们所知道的一切东西的粒子们。

· 在奥尔特大胆猜测的八十多年之后，我们依然对这个暗物质由什么构成一无所知。我们知道它存在。我们知道它在哪里。我们有它在我们整个宇宙的各个星系内部和星系周围分布的地图。我们甚至还有一些严格限制确定它不是什么，但我们对它是什么却依然一无所知。

5.暗能量

· 科学家们想出了三种不同的方法来估算宇宙距离。第一种方法适用于各种天体，包括恒星或行星，只要它们离我们不是太远。当地球绕着太阳转动时，那些离地球近的物体相对于非常远的看上去固定不动的恒星背景有着相当明显的移动。通过测量某一天体因地球围绕太阳运动相对于远处背景所发生的位置变化，科学家们就能估算该天体与地球之间的距离。

· 对于星系间距离的估算，这个方法就显得力不从心。因为星系们离我们实在太远了。第二种方法牵涉到一种非常独特的被称为造父变星的恒星。造父变星是一种非常明亮的恒星，而且它们所发出的光会非常规律地在最亮与最暗之间变化。科学家们找到一种方法能够将这种亮度变化的周期与它们所发出的总光量联系起来。而这个信息就足以告诉科学家们那些恒星离我们有多远。我们能够收集到的位于远处的造父变星到达地球的光占其总发光量的比例就告诉了我们它们的距离。

· 要测量宇宙中最远的距离，单个的造父变星已经不够了，因为就算最强大的望远镜都无法将它们从其所在的恒星群中区分出来。第三种方法使用哈勃定律。通过测量从远处星系们传来的光线颜色变化程度，科学家们就能判断出这些光线在我们的宇宙中膨胀了多久，利用这个信息，也就有可能知道这些星系离我们有多远。

· 白矮星巨大的密度带来的强大引力远胜于红巨星。在围绕着白矮星转动时，红巨星自己的表面被撕开，碎片被白矮星收获并压缩。白矮星的确收获了许多质量，到达了太阳质量的140%，一个质量门槛。越过这个门槛之后，白矮星自己内核的压力突然大到以一种新的剧烈到超乎想象的链式反应，发生爆炸。这种爆炸形成了所谓的Ia型超新星。

· 通过研究Ia型超新星，科学家们都发现大约五十亿年前，在经过了大约八十亿年的正常行为之后，宇宙的膨胀开始加速。

· 爱因斯坦的引力理论，只允许物体间相互吸引。因此在长期看来，充满整个宇宙的物质终会让膨胀变慢。而不是加速。唯一能够让这种矛盾自圆其说的办法只能是引入一种全新的东西来解释这种加速。而且这种东西必须布满整个宇宙。而且它还必须具备一种独特的性质：它必须能够产生类似反引力的作用力，让物质与能量之间互相排斥而非吸引。

· 这种能量被称为“暗能量”，为了对应它所被观察到的效应，暗能量应该大量存在。那是一个巨大的能量。是暗物质的量的三倍之多。是构成我们的普通物质的量的十五倍。

· 依据NASA卫星的估算，我们宇宙的能量构成如下：暗能量：72%。暗物质：23%。我们已知物质（包括光）：4.6%。

6.奇点

· 不停地将能量加入到某个空间，时空的弯曲会变得越来越深，直到时空崩塌。这种崩塌超出了广义相对论所能应对的范围。这种无限大被称为“奇点”。它们不同于你早些时候看到的量子无限性，与量子进程毫无关系。它们出现的原因在于有太多质量或能量，出现在太小的体积里。它们是局部的。它们存在的可能性宣告了爱因斯坦引力理论的失效。

· 潘洛斯和霍金在一系列定理中证明：在一个以广义相对论统治的大尺度宇宙中，这种崩塌是必然发生的。

· 从某种意义上说，我们的宇宙就是从这样一个奇点中诞生。另一个奇点位于遍布我们宇宙的每一个黑洞深处。

7.灰色就是新的黑

· 黑洞是空洞的极端反面：它们诞生于过小的空间里，却聚集了过多的物质与能量。需要巨大的能量才能创造出黑洞。只有最为巨大的那些闪亮的恒星死亡时，才能释放出足够的能量将自己的内核压缩成黑洞。

· 按照广义相对论，由于黑洞所含的物质与能量如此之多，在我们的宇宙中，没有任何东西拥有能够逃脱黑洞引力陷阱的能量。甚至光也不行。

· 在黑洞周围，你的时间流逝得比其他所有地方都慢。你看到了宇宙的未来在你面前展开，这就是空间与时间统一在一起，成为时空后在实际上所产生的效应。

· 按照潘洛斯与霍金的说法，你被位于你下面某处的时空奇点拉住，这个奇点永远无法从外面看到。没有光线能够逃离地平线，奇点就躲在地平线之后。在这里，时间与空间的概念都已经失效，就像大爆炸前的某个时间一样。

· 黑洞为什么会发生粒子泄漏有四个原因。第一个原因是：量子粒子能够从产生它们的场中借到能量。它们在黑洞地平线之内也同样如此。拥有了这种借来的能量，它们可以在一小段时间里比光走得更快。时间不长，但足以通过量子跃迁跳出黑洞的不归区域。这是量子进程。

· 第二个原因是：在所有可能发生的路径中粒子（理解为波）可以选择掉入，也可以选择没有掉入，而且大多数途径是没有掉入，因为黑洞外面的空间大于黑洞内的。

· 第三个原因是：因为地平线将空间分成不同的两部分，黑洞内的真空与黑洞外的不一样，因此某种形式的真空作用力，即卡西米尔效应，应该将地平线向里推，让黑洞变小并蒸发。

· 第四个原因是：在所有黑洞地平线附近都会生成粒子–反粒子对，反粒子掉入黑洞的可能性比粒子掉入的可能性大，就像我们身边的反粒子的数目大大小于粒子一样。

· 一个黑洞射出的粒子越多，它就变得越热，而随着黑洞变得越热，它射出的粒子又会越多。这又是一个恶性循环，将导致黑洞不可避免地死亡。

· 霍金发现了黑洞会蒸发。光与粒子能够找到逃逸黑洞的途径。量子效应让黑洞蒸发。黑洞能够蒸发，就像具有温度一样。这种温度在今天被称为霍金温度。

· 霍金辐射敲响的不是量子物理学或广义相对论的丧钟，而是试图通过物理学来了解我们整个宇宙从哪里来这一希望的丧钟。这个问题有个专门的名字：黑洞信息悖论。

· 普朗克了解到在宇宙中存在着一个尺度门槛，低于这个门槛，量子效应将不能被忽略。自然界中有一个常数告诉我们大概在什么尺度上，量子效应开始出现。它被称为普朗克常数。

· 普朗克常数与另两个常数一起构成了自然界普遍适用的基石，一个是光速，另一个是引力常数，引力常数告诉我们物质之间如何通过引力互相吸引。

七、迈向已知世界之外的第一步

1.回到起点

· 可见宇宙是一个以地球为中心的球体，一个包含着所有能到达我们的过往的球体。我们的可见宇宙有着由世代构成的层次，最外面的一层，我们可见过去的边缘，也就是能被观察到的最早历史时期，展现的是我们宇宙的光线第一次摆脱物质的束缚，能够自由移动的时刻。

· 宇宙微波背景辐射是大爆炸理论的坚定支持者。它是证明我们的宇宙历史上曾经更小更热的铁证。这种辐射的均匀让科学家们引入了宇宙暴胀期这一概念，这个时期处于大爆炸发生之前。

· 古斯、斯塔罗宾斯基和林德认为，在物质、光和其他我们所知道的所有东西都尚未形成时，在可见宇宙之外，大爆炸之前，存在着一种场（暴胀场），充满了整个宇宙，带着互相排斥与引力相反的作用力。那个场非常强大，它引发了一段极为剧烈的膨胀期，那次膨胀将早期宇宙的不同部分以远远高于光速的速度炸开，所以今天看起来距离非常遥远，过去绝对不应该有接触的地方，实际上曾经紧贴在一起。

· 如果暴胀场真的出现过，那么它应该仍存在，充满了整个宇宙，以自己最低的能量态（真空状态）蛰伏着，没有足够的能量，它不会被激发到足以产生并向我们展示它的粒子（暴胀子）的高度。

2.许多大爆炸

· 暴胀时期发生在大爆炸之前。暴胀场将曾经非常微小的宇宙在一个短到无法想象的时间里变到非常巨大。暴胀场和它的基本粒子（暴胀子）通过E=mc2的比例衰变为纯能量，释放出非常巨大的能量，整个宇宙变得难以置信的炽热。这就是我们所理解的大爆炸开始时的情境。

· 暴胀场的物质变成了能量，将后来构成我们今天一切事物的各种场激发出来。在暴胀时期，宇宙膨胀的速度如此巨大，以至于所有可能发生的量子起伏都被冻结。

· 暴胀能够预测出遍布宇宙的背景辐射为什么难以置信地能以均匀这一方式呈现。但那只是我们当初引入暴胀的原因之一。它还表明在这个均匀的辐射背景之上应该印着一些量子起伏的印记，以微小的温度差异方式表现。这种差异被称为“各向异性”。

· 与所有量子场一样，暴胀场同样会发生量子起伏，使自己能够在局部上从真空态跳跃到其他状态。在暴胀场中，意味着它能自发创造一个小规模的宇宙，或者许多。

· 暴胀场可以在所有地方创造小规模的宇宙。所有地方指的是我们宇宙空间里的任何地点，虽然它所涉及的时间尺度可能非常巨大。这个过程被称为永久暴胀。

3.宇宙无疆

· 在永久暴胀理论里，无穷多个宇宙曾经、正在并且将要形成，从过去到未来，一直如此，我们所在的宇宙只是碰巧成为我们的宇宙。

· 一个年轻的宇宙本身被隐藏在普朗克墙之外无法被看到，因此这个宇宙本身就必须遵循量子世界的一条基本原则：只要没有人观察，所有的可能性都会发生。

· 没有人能够在普朗克尺度之外使用时间。所以霍金将时间转化为另一种东西，一种更能操控的概念，称为“假想时间”。利用这个概念，他又考虑了宇宙所有可能的各种历史，所有我们无法从宇宙内部观察到的宇宙历史。

· 霍金与哈妥假设，引导我们现在这个宇宙出现之前的所有宇宙都是从“无”（真正的空，数学上的“无”）中形成的，这一切都发生在某个有限的假想时间之前。

· 霍金与哈妥考虑了具有那个性质的所有宇宙。它们有好多。他们认为这些宇宙之和就是我们所在的宇宙被外部看到的样子他们的数学方程式今天被称为哈妥-霍金宇宙波函数，它的初始条件，就是那个认为所有应该被考虑到的可能宇宙就是那些无中生有出现的所有宇宙的假设，被称为“无边界猜想”。

4.一片尚未被探索的现实

· 因为至今没有实验探索到这个尺度，很可能在到达普朗克尺度之前，那里的时间与空间就开始与我们日常所感知的时间与空间产生不同。同样可能的是，正因为如此，引力、物质和光的本质在那里就已发生变化，甚至是非常巨大的变化。

5.一个关于弦的理论

· 所有量子粒子都能用量子弦的振动来表示。闭合的弦含着引力，开放的弦能释放光子，这两种弦就统一了引力与电磁力。

· 弦无法存在于一个只有四维的时空之中，它们存在于一个十维宇宙中。就是从这六个微小的额外维度中，产生了各种物质。

· 人择原理阐述的是，在那些难以想象之多的可能存在的宇宙之中，我们只需要考虑与我们人类存在相容的那些，因为只有那些宇宙的存在才确保了我们人类的存在，让我们能够谈论这些宇宙，否则从人类的角度而言，一切都无从谈起。

· 环状的弦从一个宇宙移动到另一个宇宙，这种宇宙被称为“膜”。它们可能有不同的维度。当数学物理学家们改变这些宇宙之间的相互作用时，它们之间还能互相转换，就像弦本身一样变化。它们既可以是各自独立的实体，又能被看成同一现实的不同表现。

参考文献

加尔法德，《极简宇宙史》