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尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）是一位天体物理学家，但他更著名的身份则是科普达人，有个拍得特别漂亮的系列纪录片叫《宇宙》就是他主持的。

1.昨天、今天和明天，东方、南方和北方，这里、那里和所有地方，构成这个宇宙的物质和物理定律都是一样的！我们可以用同样的物理定律计算宇宙的起源了。

通过分析太阳和星星的光谱，发现宇宙别处的物质跟我们这儿的并没有什么不同。而我们观测几十亿光年以外的地方的星体，看到的其实是那些星体几十亿年以前的样子，说明早期的宇宙包含的元素也与地球上元素谱线相同，早期宇宙的原子物理学跟我们现在完全一样！【物质】

观测双星系统，轨道正好能用牛顿力学解释。考察太阳发光的情况，物理学家知道引力常数（G）也从来都没变过。【物理定律】

2.从宇宙大爆炸到产生地球，从光子到各种元素。

宇宙起源于137亿年以前的一次“大爆炸”【这个是依据什么，又怎样计算的？】

物理学一共有四种基本相互作用：引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。在普朗克时间（10^[-43]秒）之前，四种相互作用是统一在一起的，描述那样的状态需要把广义相对论和量子力学统一在一起，而这个工作现在还没做好。【弦理论就是用来做这个事情的吧】

10^[-43]秒后引力就脱离出来，单独起作用，此时宇宙直径为10^(-35)米。

10^[-35]秒后强相互作用和“弱电相互作用”分开。

稍微更晚些，弱相互作用和电磁相互作用分开。

  一万亿分之一秒，宇宙里有了夸克和轻子（电子也是轻子），还有反夸克和反电子。夸克和反夸克，电子和反电子相遇湮灭释放两个极高能量的光子，而光子在高温下又产生正反夸克和电子（此时宇宙高温可以让夸克和电子自由运动）。

每十亿对夸克和反夸克湮灭，会留下一个正夸克作为幸存者【暂时无法解释】。

百万分之一秒，宇宙已经膨胀到像太阳系这么大，温度进一步下降，夸克们会被三个一组束缚在一起，形成“重子” —— 也就是质子和中子。质子和反质子，中子和反中子之间也要不停地发生碰撞湮灭变成光子，光子再生成正和反的质子和中子。正物质的质子和中子的幸存率，也是十亿分之一。

1秒，宇宙已经膨胀到几光年这么大了。更低的温度使得质子和中子被结合在一起形成原子核，其中90%是氢原子核，剩下的10%是氦原子核，其他元素极少，都可以忽略不计。同时温度使得光子只能产生正反电子，同样湮灭后十亿分之一的存活率。

38万年，温度低到让所有电子都被原子核捕获，变成氢原子和氦原子。

10亿年的时候，这些原子在引力的作用下结合在一起，就会变成恒星，然后这些恒星又会组成星系。其中有些比太阳大十倍的恒星，在高温高压之下，可以生产一些更重的元素，比如氧和碳之类。这些恒星最后会爆炸，重元素被传播出来，散布在整个宇宙之中。

100亿年，宙中某个不起眼的地方产生了一个不起眼的恒星，这个恒星就是太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体，这些气体在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。其中某一颗行星，距离太阳不远不近，正好允许液态水的存在，这个行星就是地球。

3.微波背景辐射

宇宙年龄38万年的时候，光子终于自由了。它们在宇宙中飞翔，一直存在到今天，之前的宇宙温度太高，光子随时都会被电子碰撞。随着宇宙膨胀，这些光子的能量变得越来越低，到今天它们的能量已经降低了一千倍，变成了微波，遍布于整个宇宙，温度为2.72K。

借助卫星观测，天文学家可以精确绘制整个宇宙的微波背景辐射地图。宇宙中遍布一种叫做“氰”（符号是CN，cyanogen）的气体分子，这个分子受到微波辐射会被激发。物理学家从它被激发的情况，就可以判断宇宙微波背景辐射在各处的温度有什么细微的差异。

有了“宇宙微波背景辐射”这个东西，天文学才变成真正的科学！ 现在你有任何理论模型，都可以计算一番去跟微波背景辐射信息做个比对，验证不了就只能淘汰。 宇宙学成了精确科学！

4.宇宙结构

如果你把宇宙想象成一个国家，星系团就好像是城市，这些城市就好像一个一个的岛屿散布在宇宙之中，下图是一个星系团的图片；星系团又有一个个星系组成，我们所处的银河系就是其中之一，宇宙中至少有千亿个类似的星系；星系内部有一大堆恒星集合在一起，给外面的恒星提供了一个向内的引力，使恒星绕着星系的中心转。

另外星系中间那广阔的空旷地带，其实也有很多物质，包括矮星系、不属于任何星系的孤单恒星、星系间气体等等。

5.暗物质 与 超速的恒星

天文学家观察星系团里的几个星系，通过估算星系团的质量和能提供的引力，计算出星系的理论旋转速度，发现理论速度比实际观察到的速度小。同样观察一个星系最边缘找了几个恒星，其理论值比实际值也小很多。

物理学家把提供多余引力的东西，称为“暗物质”。计算表明，想要维持那么高的速度，暗物质的总质量，必须是已知物质总质量的6倍。

宇宙大爆炸以来一直在膨胀，若引力太强，宇宙中的原子们刚刚出生就会都挤在一起；引力太弱，它们就不会有机会凝聚成恒星。物理学家计算发现，我们已知的这些寻常物质的引力，原来根本对抗不了大爆炸的膨胀。计算得出必须还要有6倍现在物质总质量才能使得引力刚好与膨胀之间平衡，产生目前的宇宙。

那么暗物质是什么？不是黑洞，因为黑洞可以通过其周围星体的轨道来判断；也不是流浪行星，行星质量太小，不太可能集中那么大比例的质量。

物理学家计算表明，大爆炸产生的氢原子和氦原子核的比例是10:1，这个比例还可以跟宇宙微波背景辐射的观测结果对上号，这表明宇宙创生中所有的核反应都在这里了。那也就是说，暗物质根本就没参与核反应！目前所有的仪器都测不到暗物质。物理学家知道的四种相互作用，暗物质很可能除了引力之外，其他都不参与。当然也许暗物质也参与强相互作用或者弱电相互作用，只不过实在太微弱了，不容易测到。

考虑到暗物质，我们银河系的图像应该是这样的，整个星系被一层厚厚的暗物质包围。暗物质在星系中间比较浓，远离星系的地方慢慢变淡。因为我们的太阳系只是整个星系中间的一小块区域，行星和卫星都太小，运动不会受到暗物质影响，我们没感觉到。但是考察星系边缘那些恒星的运动，影响就非常明显了。

6.暗能量 与 膨胀的宇宙

牛顿提出了引力，但并未解释引力是怎么传播的，为什么可以立刻感受到引力，难道引力信息能超越光速吗？这个直到爱因斯坦的广义相对论才做出解释，引力是通过空间传递，也就是“物质告诉空间怎么弯曲，空间告诉物质怎么运动。”下面就是广义相对论的引力场方程。【虽然不理解，但光想想就觉得伟大】

这里还有一个关于方程中那个红色希腊字母 Λ（音标：['laemdə]）的故事，爱因斯坦开始认为宇宙是静态的，为了避免推导出宇宙是膨胀的，所以认为加入Λ（被称为“宇宙常数”）。后来哈勃通过发现星系的“红移”现象证明宇宙是在膨胀的，此时爱因斯坦终于放心的去掉了Λ。然而2011年诺贝尔奖获得者通过分析超新星光谱计算出宇宙膨胀不断没有减速，而且还在加速，这使得物理学家又需要把Λ放回爱因斯坦的场方程中去，只不过Λ的数值得改成让宇宙加速膨胀了。

Λ 到底有什么物理意义呢？物理学家现在解释不了，只好沿袭“暗物质”的命名传统，称之为“暗能量”。现在更进一步的估算，我们这个宇宙现在的全部能量之中，寻常的物质只占大约4%，暗物质占26%，暗能量占70%。

暗能量提供了一种真空中的斥力，但是它到底是什么样的底层物理机制，我们完全不知道。有人猜测这是不是量子力学的真空能，结果一计算发现结果差了10^120倍，太过荒诞了。

有意思的一点是物理学家通过计算，再过一万亿年，除了银河系以外，我们的天空中将会再也看不到其他的星星。也就是说如果我们这个文明不能把现在关于宇宙的知识流传到那个时候，如果那时候还有智慧生命的话，那时的天文学家将会认为宇宙里就只有一个银河系。因为缺少关键信息，他们永远都想不到宇宙曾经有过这样的历史。那么反过来思考我们这一代人，是不是也缺少了某些关键信息，以至于有关这个宇宙，有些东西是我们永远都不能理解的呢？

7.宇宙的视角

天体物理学给我们的是一个“宇宙学视角”。所谓视角，就是看问题的角度和方法。比如一群人出去旅游，要研究一下旅游的线路。艺术家视角，就是一定要去最美的几个地方。教育的视角，是去哪几个地方能学到最多东西。工程师视角是怎么合理规划线路。我们多一个视角，就多一个自由度，就不容易把自己限制在一个情境之中。那么宇宙学视角意味着什么呢？最根本的一点，就是这个世界不是因为你而存在的。

在太阳系里，地球的确是非常特殊，人类这个高等生物的出现的确是难能可贵。可是放眼宇宙，甚至仅仅是放眼银河系，我们似乎一点儿都不特殊。天文学家估计，仅在银河系中，类地行星就至少四百亿颗。这就等于说给古往今来每个曾经活过的地球人都发一颗类地行星，还绰绰有余。宇宙中的星星比地球上的沙子都多，比地球上有史以来出现过的所有人说过的所有的话，其中所有的字所有的音节都多。

泰森的老师，天体物理学家、也是著名的科学作家卡尔·萨根，看了这张照片（该照片是1990年旅行者1号探测器即将飞出太阳系，在距离地球60亿公里的地方，拍摄的带有地球的照片 ）非常感慨，他在1996年的一个颁发学位典礼上就此说过一段非常著名的话：“我们成功地（从外太空）拍到这张照片，细心再看，你会看见一个小点。就是这里，就是我们的家，就是我们。在这个小点上，每个你爱的人、每个你认识的人、每个你曾经听过的人，以及每个曾经存在的人，都在那里过完一生……我们的装模作样，我们的自以为是，我们的错觉以为自己在宇宙里的位置有多优越，都被这暗淡的光点所挑战。我们的星球只是在这被漆黑包裹的宇宙里一粒孤单的微粒而已。”