引言................................................................7

宇宙的形式.......................................................8

創世故事..................................................................10

要素一：物質...........................................................12

要素二：自然的基本力............................................16

要素三：隱藏的場和力............................................20

要素四：空間...........................................................22

要素五：時間...........................................................24

要素六：自然律.......................................................26

要素宇宙....................................................28

探索大爆炸......................................................30

時間零點..................................................................32

真空漲落和量子隧穿................................................34

宇宙發生學..............................................................36

大爆炸......................................................................40

暴脹與可見宇宙.......................................................44

火球輻射..................................................................46

核合成時代..............................................................50

宇宙背景輻射時代結束............................................52

暗物質結構..............................................................54

恆星演化.........................................................56

觀測恆星..................................................................58

作為恆星的太陽.......................................................60

恆星的誕生..............................................................64

恆星演化中期...........................................................68

恆星的死亡..............................................................70

超新星......................................................................72

超新星遺跡..............................................................74

黑洞.........................................................................76

黑洞合並——引力波................................................78

引力波宇宙..............................................................80

早的恆星和星繫..............................................82

星族Ⅲ——早的恆星............................................84

紫外線充斥的宇宙....................................................86

年輕的星繫..............................................................90

超大質量黑洞的出現與成長.....................................92

星繫團開始變得普遍................................................96

活動星繫核............................................................100

銀河繫超星繫團和局部宇宙地理............................102

銀河繫..........................................................106

銀河繫的基本天體構成..........................................108

從內向外探索銀河繫的結構...................................110

星族.......................................................................114

銀河繫的形狀.........................................................118

銀河繫、星繫吞噬者..............................................122

行星繫統.......................................................124

原行星盤................................................................126

太陽繫以外的行星..................................................128

行星的內部結構.....................................................132

宜居帶....................................................................134

類地行星................................................................136

晚期重轟擊時代.....................................................138

太陽繫..........................................................140

我們的家園：太陽繫..............................................142

水星.......................................................................144

金星.......................................................................146

地球.......................................................................148

火星.......................................................................150

木星.......................................................................152

土星.......................................................................154

天王星....................................................................156

海王星....................................................................158

矮行星....................................................................160

行星的衛星............................................................162

小行星....................................................................168

彗星.......................................................................170

隕石和小行星的威脅..............................................172

太空旅行.......................................................176

遙遠的探險............................................................178

載人探索................................................................180

星際旅行................................................................182

推進技術................................................................186

結語.............................................................188

延伸閱讀.......................................................189

圖片來源....................................................190

引言

自人類出現以來，我們一直在探索我們周圍世界的旅途上前行。對地貌景觀、季節的規律性、獵食者和獵物的天性及位置的熟悉，初是生存的需要。近幾個世紀，這種探索的過程不再是為了生存，更多的是受到單純的好奇心的驅使。這種好奇心帶來的技術成果徹底改變了我們的文明，尤其是在20世紀。在好奇心所尋求解決的首要問題中，有我們宇宙的所容之物、結構和性質：太陽和地球是如何形成的？我們宇宙的起源和命運是什麼？我們在宇宙中是孤獨的嗎？

幾千年來，哲學家試圖回答這些問題，但未能取得任何進展。你無法通過利用語義或演繹邏輯來回答這些問題。你需要普通感官無法提供的原始信息。直到17世紀望遠鏡和19世紀分光鏡的出現，科學家纔在極大程度上擴展感官並收集到有關行星和恆星的關鍵數據。

艾薩克·牛頓（Issac Newton）爵士曾說過，他的成就是“站在巨人的肩膀上”的結果。我們今天的處境同樣如此。歷經幾代科學家和數百萬小時的勞動，人類歷史纔到達一個可以讓古老的問題終於找到答案的階段。我們了解了我們的宇宙，不是將之作為一個神秘而高深莫測的抽像概念，而是作為一個具體並且可知的物質、能量、空間和時間的體繫。與此同時，宇宙中充斥著奇妙而驚人的物體和事件，其中重要的是我們自身的起源是有知覺的生命，讓宇宙能夠自我理解。

宇宙的形式

拉丁語中的universum一詞早是由羅馬政治家西塞羅（Cicero前1世紀創造的。如今，我們知道我們的宇宙包括地球上的所有事物、太陽繫以及太陽繫之外遙遠的恆星和星繫。它還包含一個廣闊的，並可能無限的空間，這一空間已經存在了近140億年。在人類歷史的大部分時間裡，宇宙形成的方式是宗教問題。所有的創世故事都有一個共同點：它們必須解釋某事物（宇宙）是如何被創造或從無到有的。如今，天體物理學家仍在努力揭開這一令人費解的謎團，他們用現代語言來描述這個謎團：“為什麼是有什麼而不是什麼也沒有？”言語中帶一絲頑皮和幽默。

宇宙一小部分的哈勃極深場，圖像顯示了數千個星繫，其中遙遠的星繫距離地球約130億光年。在哈勃空間望遠鏡的遠極限，它隻能探測到宇宙大爆炸（後文簡稱“大爆炸”）後5億年形成的那些嬰兒星繫。

創世故事

在古代，宇宙中物質的構成是基於亞裡士多德（Aristotle）提出的一組基本要素，即土、氣、火、水和以太。前4種要素存在於地球上，天空中的行星、恆星和其他“居民”則由一種被稱為以太[aether（αιθερ）]的純淨發光物質構成。雖然亞裡士多德考慮了5種要素，但在印度的吠陀哲學中，又補充了時間、空間、思想和靈魂等要素。世界上所有的物質都是由這些要素的混合物構成的。探索宇宙的古代哲學家總是發現自己在探索構成萬物的基本要素，這些要前5世紀被希臘人[如德謨克利特（Democritus）]稱為atomos（原子）前6世紀被吠陀聖人羯那陀(Kanada)稱為parmanu（原子）。

除了了解構成世界的要素外，人們還必須創作故事來解釋世界上的特定事物是如何由這些基本要素構成的。在古埃及，阿圖姆-拉（Atum-Ra）首先通過說出自己的名字從努恩（Nun）的黑暗水域中創造了自己。他通過這種行為，隨著時間的推移將所有其他神靈和地方都創造了出來。隨後古巴比倫人也在宇宙水域中創造了他們自己的神：阿卜蘇（Apsu）代表淡水，提亞瑪特（Tiamat）代表苦澀的咸水。這對神靈隨後創造了其他所有神靈，包括終殺死提亞瑪特的馬爾杜克（Marduk），他又從提亞瑪特的尸體中創造了天與地。同樣在中東，猶太教《聖經》中的《創世記》認為宇宙始於混沌中無形的水，上帝利用它創造了天、地和所有生命。

古人們在創作這些故事時面臨的挑戰可能是來自《梨俱吠陀》中首次提出的：“誰知道這一偉大的創造從何而來？”答案是，即使是“至高天上的至高先見”也可能不知道！然而，千百年來，人們發現此類故事完全可被利用於滿足他們自己的需求。隻是在過去的100年裡，新的認識纔使我們能夠為我們現在所說的宇宙起源創作一個更好的“故事”。當代人類面臨的挑戰是將我們發現的所有新的基本要素納入現代的創世“故事”中，並展示它們是如何以合乎邏輯的方式相互關聯的。這些要素代表了我們物理世界的7種特定的現像和屬性。下面就讓我們逐一來看一看吧。

要素一：物質

直到15世紀，煉金術士也隻成功地識別了亞裡士多德提出的5種要素之外的幾十種化合物。如今，對自然素的探索已經不可阻擋地引領人們認識了地球上94素，還有另外24種是用先進的技術人工素。幾個世紀的科學研究和技術進步也使人們對物質的本質有了深刻的理解，這些物質是由一小部素組成的，其復雜程度令人眼花繚亂。但是，將物質還原為其基本成分的過程並沒有就此結束。從20世紀初開始，人們還發現原子是由電子、質子和中子組成的。已知相對原子素 （Og）於2006年被發現，它包含118個質子、118個電子和176個中子。到20世紀中葉，對質子的研究實驗發現，質子本身由更基本的物質組成，稱為誇克。隨著時間的推移，物理學家發現了6種不同的誇克，它們被賦予了幽默的名字：u誇克（Up）、d誇克（Down）、s誇克（Strange）、c誇克（Charm）、b誇克（Bottom）和t誇克(Top)。人們熟悉的質子和中子隻需要6種誇克中的2種，即u和d誇克，每3個為一組，例如，1個質子由3個誇克組合uud構成，而中子則由誇克組合ddu構成。數以百計的其他質量更大的粒子則需要6種誇克組合構成。

在6種誇克之外，排在第二位並且質量小得多的基本粒子家族被稱為輕子。電子是我們現代文明的主力，是輕子中為人所熟悉的，但它要與另一種稱為中微子的粒子配對。在放射性衰變過程中，例如當一個中子在大約10分鐘後衰變時，中子變成質子並同時釋放出一個電子和一個中微子。其他粒子也可以經過衰變釋放出額外的、質量更大的輕子，如μ子和τ子，各自被它們自己的伙伴中微子跟隨。

反物質是在20世紀30年代發現的，是一種物質形式，它們所帶的電荷與誇克和輕子物質相反。例如，帶負電荷的電子有一個反物質版本，稱為正電子。正電子的質量與電子相同，但帶正電荷。電荷為-1/3的d誇克有帶 1/3電荷的反物質d誇克。類似地，帶 2/3電荷的u誇克有帶-2/3電荷的反物質u誇克。這就是為什麼沒有淨電荷的中子也有反粒子，即反中子。中子包含誇克組合ddu，反中子由3個反誇克ddu組成。

粒子及其反粒子的另一個重要特征是當它們聚集在一起時，它們會在能量爆發中消失。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的狹義相對論指出，物質和能量是等價的物理屬性，由他的標志性公式E=mc2關聯在一起。電子和正電子的結合正好產生兩條伽馬射線，每條射線攜帶的能量E=mc2，其中m是電子的質量，c是光速。正負電子對也可以通過使用“粒子加速器”來創造，其中粒子之間的踫撞能量幾乎可以“無中生有”地創造正負電子。我們宇宙的基本構成可以簡潔地概括為6種誇克、6種輕子和它們的反物質雙生粒子。這些發現已經被編入了物理學家的標準模型中，但標準模型還有美中不足之處。

自20世紀90年代以來，天文學家一直在研究星繫的運動和我們銀河繫的自轉，發現了大量看不見的暗物質。暗物質與標準模型中出現的物質不同。暗物質似乎是不可見的，不發光，也不會吸收或反射來自恆星的光。想檢測到暗物質隻能通過它對我們可以看到的事物的引力影響來推斷。銀河繫附近星繫的運動，以及銀河繫內恆星和氣體雲的運動，向我們揭示了星繫周圍巨大的暗物質暈的範圍。現代研究推測，我們銀河繫中存在的暗物質的質量大約占銀河繫質量的93%。在銀河繫附近的許多星繫中也可以探測到暗物質的這種優勢。如果沒有大量的暗物質，許多星繫隻會自旋分裂，而不是像今天我們所看到的那樣持續存在了數十億年。

盡管人們經過50多年的努力仍未發現新的誇克或輕子，但對暗物質的探索仍然是當代天體物理學中激動人心的活動之一。天體物理學家試圖利用標準模型中中微子的存在來尋找暗物質。如果一個中微子的質量是一個電子的十萬分之一，那麼它們的質量和引力就足以用於模擬暗物質。在20世紀80年代和90年代，這是一個令人興奮的前景，但直到對3種已知類型中微子質量的精確測量纔表明它們不足以提供足夠的引力。從純粹的理論角度出發，物理學家采用超對稱性這一新原理將標準模型擴展到更高能量，從而找到了暗物質的候選粒子。有希望的粒子被稱為中性微子。在瑞士日內瓦的大型強子對撞機上，盡管進行了長達10年的探索，但仍未發現超對稱性或這種新粒子存在的證據。從質量的t誇克的質量（約單個質子質量的180倍）到大型強子對撞機探測的極限（單個質子質量的1萬倍），在此之間沒有檢測到新粒子。對於物理學家來說，這片粒子沙漠是令人震驚且前所未見的。大自然似乎已經用盡了物質的形式，所有的物質形式已被我們編入標準模型中了。

要素二：自然的基本力

我們宇宙的第二個要素是使物質“做”一些有趣事情的力。如果沒有力，宇宙將是太空中由誇克和輕子組成的靜態氣體。自古以來，人類就知道這些基本力中的種，稱為電磁力。這是使中國古代水手的磁羅盤工作的力，或是如古希臘人發現的那樣，琥珀與皮毛摩擦時會產生使人感到觸電的力。

帶電粒子擁有從粒子向外輻射的電場，就像車輪中的輻條一樣。這一電場將對它遇到的另一個帶電粒子產生一個力，如果兩個粒子所帶的電荷相反，則會產生我們熟悉的吸引力，而電荷相同則產生排斥力。力場也是賦予岩石、山脈、行星甚至人體硬度的因素。當帶電粒子運動時，它們也會產生磁場，我們在磁鐵之類的東西中經常“看到”這種磁場。在我們的太陽表面，由稱為等離子體的帶電氣體運動引起的磁場會變得非常強大，它們會穿過太陽表面形成太陽黑子。太陽黑子是成對產生的，一個的磁極性為北極，另一個的磁極性為南極，就像玩具磁鐵一樣。等離子體的運動可以拖動這些磁場，放大它們並使得它們得以影響離太陽更遠的區域。

原子中的電子通過長程電磁力維繫在一起，但由於原子核中所有質子都帶正電荷，它們之間的強烈電磁排斥會導致原子核飛散。為了使誇克結合形成質子和中子，並將這些粒子限制在原子核中，需要非常強的短程力，即強核力。強核力由膠子傳遞。膠子類似於光子，因為它們都沒有質量，但與所有由誇克組成的粒子相互作用。與隻有1種類型的光子不同，膠子有8種不同類型。更有趣的是，光子不會相互作用，但膠子會相互作用。這樣產生的結果是，光子可以在太空中傳播超遠距離以產生電磁力，而膠子產生的力會隨著一對誇克之間距離的增加而增強。正是膠子的這一特征將誇克限制在質子內，並且將質子和中子共同限制在原子核內。

某些粒子可以衰變成更簡單的粒子，這也需要核力。中子在衰變成1個質子、1個電子和1個中微子之前，平均可以存在10分鐘。粒子衰變是自然界中被稱為弱核力的第三種力的標志。正如電磁力由光子交換攜帶而強核力由膠子交換攜帶一樣，弱核力由3種稱為中間矢量玻色子的粒子攜帶。如果沒有弱核力，恆星將永遠無法使氫聚變成氦來支撐自己。此外，超新星將永遠無法引爆，無法用碳、氧和素來豐富太空。

引力是自然界的第四種基本力，人類在數百萬年前就已經知道了這種力，但在400年前纔開始詳細研究這種力。一個悖論是，引力是自然界中弱的力，但同時也是普遍的力。宇宙中從誇克和電子到恆星和星繫，無論多小的物質都會產生這種力，而這種力隻會造成吸引。引力的本質是由牛頓在1666年提出的，他以數學的精確展示了引力的作用。就像電磁力一樣，引力是一種遵循平方反比定律的力，隨著物質之間距離變大而減小。這也解釋了太陽繫中行星之間的規律性，包括它們以橢圓路徑繞太陽公轉的原因。愛因斯坦在研究相對論時徹底推翻了引力隻是另一種力的觀念。他於1916年發表的廣義相對論為引力的存在提供了一種完全不同以往的解釋，其中還包括一種對空間和時間的新思考方式。

愛因斯坦的相對論指出，描述物體如何運動的相關領域稱為時空。這是一個四維空間，包括普通空間的三個維度和時間的一個維度。隻有將一個物體的演化視為一條穿越時空的路徑，也就是世界線，而不僅僅是空間本身，你纔能準確地解釋它的運動和行為。世界線代表粒子在空間中移動時的歷史。愛因斯坦的廣義相對論也以數學方式表明時空是可以彎曲的，這種彎曲以我們所說的引力這種形式被感知。行星穿過由更大質量的恆星產生的彎曲時空的短路徑，即它的世界線，看起來像一個三維空間中的橢圓，在四維空間中如同開瓶器的螺旋，螺旋軸是沿著時間軸延伸的。在嘗試沿著直的螺旋狀世界線運行時，這顆行星對這一彎曲時空的感知是牛頓所界定的普通引力。因此，引力與強核力、弱核力和電磁力不同，它是粒子在彎曲或扭曲的時空運動的結果。目前還沒有實驗證據表明引力是由粒子（比如引力子）交換攜帶的，盡管有很多理論證據表明事實可能如此。

要素三：隱藏的場和力

前文關於各種力和物質的討論中未提及的是極為關鍵的第二十五種粒子，稱為希格斯玻色子。與產生強核力、弱核力和電磁力的12種載力粒子不同，希格斯玻色子是真正隱藏在“真空”中的。它與空間中其他物質和載力粒子的相互作用，將使標準模型中的所有粒子具有我們所測量的質量屬性。光子和膠子根本不與希格斯場相互作用，因此靜止質量為零。電子和中微子會與希格斯場發生微弱的相互作用並獲得少量質量。誇克、μ子和τ子與希格斯場的相互作用更強，而中間矢量玻色子在所有粒子中與希格斯場的相互作用強。當一個載力粒子獲得質量時，它產生的力會使其在越來越小的範圍內獲得這一質量，直到後，如對於巨大的中間矢量玻色子來說，它們獲得質量的範圍會縮小至比原子核還小的尺寸。2012年，使用大型強子對撞機的物理學家宣布檢測到了與希格斯場相關的粒子，命名為希格斯玻色子，其驚人的質量剛好超過130個質子質量之和，但單獨由一個基本粒子承載。

物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒特（Fran.ois Englert）在1964年就預言了希格斯玻色子的存在，他們也因此獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。但早在大型強子對撞機探測到希格斯玻色子之前，這種粒子及與之相關的場就已經成為許多關於統一自然界各種力的先進理論的主要內容了。

盡管與嵌在真空中不可見的希格斯場相關的粒子已經被發現，但對於更神秘的第二個自然場——“暗能量”而言，情況卻並非如此。對遙遠距離外的超新星爆發的探測表明，如果宇宙膨脹的速度是恆定的，那麼暗能量實際上比估計的更加微弱。在我們看來，暗能量似乎離我們更遠，但這種情況隻有當近期的宇宙膨脹加速時纔能發生。另一種探測暗能量效應的方法是仔細研究我們的宇宙在大爆炸中誕生時遺留的火球發出的光。美國國家航空航天局的宇宙背景探測器和威爾金森微波各向異性探測器等航天器，以及歐洲太空總署的普朗克衛星，都使用非常靈敏的無線電接收器來測量宇宙微波背景輻射的亮度。科學家發現，正如大爆炸宇宙學所預測的那樣，宇宙微波背景輻射在整個天空中都非常均勻，但也有非常細微的不規則性。與這些星團演化的詳細數學模型做比較，就可以推導出暗能量、暗物質和普通標準模型物質的數量。威爾金森微波各向異性探測器和普朗克衛星測量宇宙微波背景輻射的結果是，宇宙由4.6%的普通物質、24%的暗物質和71.4%的暗能量組成。看不見的暗能量場彌漫在太空中，隨著宇宙體積的變大而變強，從而導致宇宙加速膨脹。在遙遠得難以想像的1000億年後的未來，看不見的暗能量場實際上將會導致星繫消解、行星破碎，甚至原子本身在宇宙學家所說的大撕裂中飛散。

要素四：空間

要構建一個宇宙，我們需要前三個要素，也需要一個放置它們的場所。那個場所通常稱為空間，而在我們的宇宙中，它恰好具有三個維度，並且其範圍之大難以想像。數千年來，空間被認為是一個被動的容器，其中盛放著世界的組成成分。甚至直到18世紀，牛頓仍將空間視為宇宙中所有事物的固定的、被動的、的參照繫，它們的位置和運動可以通過數學來理性並一致地描述。但是到了20世紀初，愛因斯坦狹義和廣義相對論的成功建立消除了對這樣一個預先存在且永恆的牛頓空間的需求。愛因斯坦提出空間實際上是人類虛構的。它是一個更復雜的物理對像的一部分，該對像還包括作為第四維度的時間，從而創造出所謂的“時空”。事實上，愛因斯坦的關於引力的相對論中的時空隻是引力場本身的另一個名稱，這是因為用於描述時空幾何結構的數學符號也用於描述引力場的強度。由於物質和能量可以產生引力場，空間也是由物質和能量產生的，因此空間並不是作為宇宙中物質和能量的被動容器而預先存在的。事實上，我們宇宙的誕生也帶來了空間的誕生。宇宙學背景下的空間隻不過是物體之間的距離間隔。根據廣義相對論，空間不是一種增長速度受光速限制的物理“事物”。星繫等客體嵌在太空中，但它們的運動速度低於光速，而它們之間的空間可以比光速膨脹得更快。

一旦你有了前三個要素，即嵌在真空中的物質、作用力和隱藏的場，你就可以無償獲得空間本身！令人驚奇的是，我們稱之為“時間”的神秘事物可能也是如此。

要素五：時間

關於我們的存在，難以理解的奧秘是時間的本質。幾千年來，哲學家都在試圖解釋這個似乎勢不可擋地從過去流向未來，並建構著我們的生活以及整個物理宇宙中的事件的“東西”究竟是什麼。這些思考產生了一些並不多見的但看起來非常直觀的關鍵性見解。其中廣為人知的是牛頓設想的一個可以主控時間瞬間的宇宙“主時鐘”，時間從過去流向未來，與物質的行為無關。愛因斯坦的相對論，連同無數的實驗結果，卻證明不存在這樣同步的宇宙時間。運動中的物質都有自己的主時鐘，稱為固有時，並且固有時不能在整個宇宙中被同步來創建一個宇宙時間。時間和空間一樣，僅由物質集合（時鐘的集合以及其他物體的集合，甚至包括各種場本身）之間的關繫來定義。這迫使我們更仔細地研究時空本身的性質。

時空是我們整個宇宙的基石，它是由無數的世界線定義的，這些世界線在其四維空間內開始和結束，就像漏勺底部的意大利面一樣。每條世界線都是一個事件的集合，這些事件通過某種因果關繫關聯起來，形成一個粒子的歷史。事件是當一個粒子與另一個粒子相互作用時時間上的特定時刻和空間上的具體位置，例如當一個光子被一個原子發射出去或吸收進來時，或者當你在某個特定日子和時刻在法國巴黎的埃菲爾鐵塔下遇到某人時。每條世界線上的事件都是與該世界線相關聯的時鐘所傳遞的特定時間上的瞬間，就像你使用隨身佩戴的腕表度量你當前的時間一樣。根據相對論，地方時被稱為固有時。根據愛因斯坦的廣義相對論，世界線的形狀共同定義了時空的幾何形狀，而不是反過來的。把時間和空間合在一起視為一個時空是個理解問題的便利視角，由此看來，世界線上的無數事件所表現的粒子的整個歷史都可以一覽無餘。時空不會隨時間演化，它隻是作為整體存在。相對論的這種含義被稱為愛因斯坦的塊宇宙，並給物理學家提出了一個重大問題：如果觀察者的歷史以他們的世界線表現為從出生的那一刻到死去的那一刻，那麼，你正在經歷的被稱為現在的當前時刻，是如何被單獨挑出來的？這也反映了一個事實，即物理學中所有對一個物體或繫統的運動和演化進行建模的方程都是通過調用代表時間的變量t來實現的。但在這些數學模型中，沒有任何地方將“t = 現在”單獨列為一個特殊時刻。

更令人困惑的是，我們並不能像感知空間的三維那樣感知時間。事實上，我們感知時間和追蹤我們的每個現在的方法是參照附近稱為“時鐘”的其他世界線的集合，它們遵守固有時，並幫助我們跟蹤我們所處環境中的變化。如果我們的環境中沒有任何變化，那麼時間就根本不以一種有意義的方式存在。時空觀的一個顯著特征是，時間不是構成我們宇宙內容的世界線整體之外的特征。時間隻在我們宇宙的時空中出現和存在。

盡管我們在理解時間和空間如何交織方面已經遠遠超越了古代哲學家，但我們還沒能夠設法解決物理學家所說的現在問題，或者時間究竟為什麼存在這個問題。我們所確切知道的是，就像空間一樣，時間是在大爆炸中產生的，並且根據愛因斯坦的相對論，時間是物質和能量的一個特征。因此，時間（和空間）不需要在物質出現之前作為一個獨立的要素被創造出來，而是與空間和物質一起誕生的。