《从大爆炸到大终结》

你本身的奇迹 / 引言

当人类首次考量自己的生存状态时，他面对的是一个环境恶劣的世界。早期人类以游猎方式按小型部族群居，无从把握自己的命运，所以他们设想自己的命运掌握在诸神手中。不管怎么说，把希望寄托于神迹，对于短暂而艰难的生涯来说，总比徒然悲叹要强。后来科学逐渐萌兴，通过搜集证据和验证想法，发现了支配宇宙的自然规律和机制。只要正确地运用雄辩的思想、证据和实验，即使奇迹也能解释。

随着科学破除了迷信的神迹，它揭示了一切奇迹中较大的一个——你本身的奇迹。你的旅行开始于约138亿年前时空存在之前的那个时候，时间就从那时开始。在一无所有的某个地方，即将开始的宇宙中可能存在的一切都挤压在一个比最小的粒子还小的所在。后来(原因尚不明白)所有这潜在的一切都在一次势不可挡的“大爆炸”中释放出来了，宇宙由此诞生。起初的宇宙是超高温的等离子体，就像一锅沸腾不已的热汤，逐渐膨胀并冷却，随着这一进程，从这锅汤里首批粒子结合生成。所有这些粒子以物质和反物质的两种类型产生。如果说物质和反物质是等量地产生的，那么在后来确实发生的两者互相湮灭的连锁反应中，宇宙本来会消失殆尽。可是由于我们尚不知道的原因，物质的数量稍稍多于反物质，于是宇宙(连同潜在的你)便得以存在至今。

不过你的存在还不是一个唾手可得的结论。随着宇宙的膨胀，物质向四周扩散。要是物质分布得十分均匀(就像把水倒进一个水桶)，那么它将永远保持那样的状态。幸好膨胀的宇宙并非均匀，在局部区域物质稍微密集些，引力便大行其道。越来越多的物质被吸引在一起形成了气态星云，星云坍缩产生了足够高的热量和压力，触发了核聚变反应，使首批恒星闪耀光芒，而且把原子压缩在一起产生了多种重化学元素，而你正是由它们构成的。

如果所有这些化学物质都封闭在恒星内部，那也没有用处。幸运的是这些早期恒星质量真大，而大质量恒星则是短命的，所以当恒星在炼成这些重元素后，作为超新星而爆发——把这些可再生的种子洒向宇宙的四面八方。如果物理定律稍微有些不同，这些恒星的质量就不会那么大，大到足以“砰蓬”爆发，那么构成你身体的化学元素只炼到一半，而且只能永远锁藏在一个个冷却的碳团里(指白矮星 ——译注)。几十亿年以后，经过几轮核聚变反应的循环，星系形成了，宇宙还存在着，称为银河系的一个星系将要见证随后的奇迹。

大约在45亿年以前，在一颗不起眼的恒星周围，有一颗行星从尘埃和冰块盘旋着的星周盘里凝聚而成。它有些不忍卒睹——只是一个有金属沉积、被烧焦的炽热熔岩球——但是它毕竟已经形成，而且与恒星的距离几近。它离得不太近，避免成为热不可耐的火炉，也离得不太远，不致成为大而无当的冰块。正是在这颗行星上生命应运而生，这看似代表了的机遇，而且似乎造就了一个很大的奇迹。

真正的奇迹来自于一个火星大小的行星状天体，它猛撞我们的幼年行星，把很大一团岩态物质抛向太空。这就形成了月球。生成月球的这次撞击也让地球自转轴歪向一侧，这就意味着太阳的能量不致于集中投射到单一区域，而且月球的引力也阻断了地球绕轴的无序晃动，这使得地球的气候稳定，阻止了气候的剧烈动荡(而这可能灭绝生命)。月球的诞生使地球成为生命的理想摇篮，但还不止于此，月球的引力推动着地球的海洋，潮汐日复一日地冲刷着今日大陆的海岸线。可能正是这种潮汐作用反复而有序地出露又淹没海滩，才是促使生命进化的首要原因。

对你来说这是的奇迹……。这些首批单细胞的生命体，不论是什么机制导致它们演化，我们的祖先总来自它们之中。当你今天坐在这里读着这本书的时候，你和这些微小的浮游生物之间曾经存在一条连绵不断的纽带。38亿年以来，咱们祖先中的每一代都长时间地生存过，足以把它们的遗传因子留传给下一代。这是多么不可思议，经过近 40 亿年来的物种灭绝、弱肉强食、疾病流行、社会剧变、战争杀戮和饥荒肆虐，一条连绵不断的生命之链通向于你。

这就是我所称的奇迹。

在这本书里我们将描绘能量怎样成为物质，一系列物理定律如何导致物质相互作用，产生了恒星、星系和你。我们还将描述一些科学发现和突破，它们帮助我们理解宇宙是怎样形成的。

怎样测量宇宙 / 第1章 我们怎样发现大爆炸

即使近如19世纪，你也很难强求天文学家告诉你天体的距离，尽管它们可能较近，诸如火星和金星之类；至于更远的恒星和星云，那只能靠猜测了。

正如我们所见，17世纪望远镜的发明开辟了天文观测的新前沿——曾经难用肉眼察觉的针尖大的光芒顷刻间被发现原来是行星、卫星和彗星。即使我们能直观地看到宇宙在眼前膨胀，问题仍在于科学家们既不能跨步子测度或拉卷尺丈量，也不能像闹市中的测工用“计里程车”之类的工具去测定天体之间的距离。那么他们是怎样测量空间距离的呢？

视差角

对于较近的物体，用一种称为三角视差的数学上比较简单的方法就能得到答案，为了不使你因回想起学校里学习几何而产生恐慌，我们就只称它为“视差测量”(上世纪70 年代有一部精彩的科幻惊险电影曾经涉及到它，你是否想到啦？)

现在，你只要按下述简单步骤去做，就能看到视差效应：

1.竖起一根手指离开你的鼻子几英寸(1英寸=2.54厘米)，闭上一只眼睛。

2.注意你的手指相对于背景物体的位置。

3.现在闭上这只眼睛，睁开另一只眼。

[如果你是赛克洛普斯(希腊神话中的独眼巨人——译注)这个门道就行不通了]，于是你将看到你的手指似乎跳到了别的位置。

之所以会有这种“跳跃”发生，是因为两只眼睛有几厘米的间隔，每只眼睛从稍微不同的方向去看这只手指。 (竖手指的视差实验不宜在公共场所去做， 因为竖起手指并夸张地眨眼的行为会引起误解。)

通过测量这一视差运动并应用简单的几何关系就能测定比如手指到你鼻子的距离。

同样的方法也能用于测量很远物体的距离，例如山脉、月球、行星，甚至星系。很可惜(可能毫不奇怪)距离越远，视差运动越小，于是距离也就更难以测定。

再次伸出那根手指，并把它一下放回到你的鼻子跟前。现在，再次睁开并闭上你的眼睛，但是这回请把你的手指慢慢地向前移去。随着手指的前移，你会看到视差变得越来越小。这是由于(除非你碰巧是条双髻鲨)你的双眼靠得很近，而随着手指移开，眼睛看向手指的角度之差逐渐减小。

当天文学家用视差法测量空间天体的距离时，情况也一样。为了测量到月球的距离(只有40万千米)，天文学家要把他们的“眼睛”(也就是两架望远镜)放到几千英里(1 英里=1.609千米)开外。但是，即使为了测量最近行星火星和金星的距离，也要棘手得多。

即使把望远镜放在地球相对的两头( 约1.2万千米)与到火星的惊人距离(离地球最近时达5600万千米)相比，形成一个非常尖细的三角形。但是，虽然角度极小，还是能够测量的。

当天文学家用视差法测量空间天体的距离时，情况也一样。为了测量到月球的距离(只有40万千米)，天文学家要把他们的“眼睛”(也就是两架望远镜)放到几千英里(1 英里=1.609千米)开外。但是，即使为了测量最近行星火星和金星的距离， 也要棘手得多。

即使把望远镜放在地球相对的两头(约1.2万千米)与到火星的惊人距离(离地球最近时达5600万千米)相比，形成一个非常尖细的三角形。但是，虽然角度极小，还是能够测量的。