第1章 關於宇宙，我們了解多少？
你可曾想過，如何從頭開始講宇宙的故事？科學家都知道宇宙始於138.2億年（前後有幾百萬年的出入）前的宇宙大爆炸。宇宙的故事涵蓋了138.2億年，的確是個大工程。
什麼是“大歷史”？
講述從宇宙大爆炸到現在的故事，這被稱為“大歷史”。（其他說法還有“宇宙歷程”“進化史詩”或“宇宙進化”等。）講述這樣一個故事，就像爬到山巔，俯瞰山下的整個景色，或者跳進宇宙空間，觀望整個地球。雖然無法看到大部分細節，但整個圖景盡收眼底，而這在山谷中是看不到的。
從宇宙大爆炸到此時此刻，從古至今，大歷史無所不包。大歷史的講述者被稱為“大歷史學家”。他們的知識和信息來自多個學術領域：從天文學、物理學（原子、恆星和星繫）到化學（原子素）；講到行星的形成，需要地質學的知識（岩石及其形成）；說到生命的起源，需要生物學的知識（生物體）；人類出現後，又得掌握人文學科的知識——考古學、人類學、歷史學、哲學、社會學以及政治學。你會發現，大歷史從最大的尺度上講述歷史，幾乎涵蓋了人類知識的大部分學科。為了運用這些知識搞明白過去發生的故事，大歷史將科學和人文融為一體。
到了20世紀70年代後期和80年代，世界各地的很多大學教授都開始講述整體歷史。之所以能做到這一點，是因為那時他們已經積累了以實驗和觀察為基礎的經驗知識，並能加以應用。而測量物體年代的技術也得到了顯著提高。到1953年，科學家已經確定地球的年齡為45億年，同時也估算出宇宙的年齡，約為100億至200億年。到20世紀70年代，大多數科學家都接受了“板塊構造論”——地殼的板塊在地球內部半熔融的物質上漂浮移動。這一發現是了解地球歷史的關鍵。
這些發現讓整個故事的講述成為可能。1989年，澳大利亞悉尼麥考瑞大學的歷史繫教授大衛·克裡斯蒂安，邀請學校內其他院繫的專家每人開講一部分，開始向學生呈現大歷史的樣貌。克裡斯蒂安創造了“大歷史”這個概念，還寫了一篇有關大歷史課程的文章，發表在《世界歷史期刊》（Journal of World History）上。大歷史的概念開始在全世界傳播，一些教授也開始開設相似的課程。
何為經驗知識？
大歷史是以經驗知識為基礎的，而知識是通過形成概念或解釋，然後對其加以證實纔獲得的。科學家通過實驗和觀察獲得經驗知識，歷史學家通過驗證既定事實獲得經驗知識。英語中的“經驗”（empirical）一詞源於希臘語，意思就是“經驗、體驗”。經驗知識是通過“科學方法”不斷發展的。而且經驗知識是現代世界知識的主要形式，全世界的科學家都采用這種方法。它以嚴格、繫統地使用精心驗證過的證據為基礎，始於17世紀初。
當時顯微鏡和望遠鏡的發明，拓寬了科學家的觀察視野，而跨洋航運也使得全球貿易和探險成為可能。一開始，科學家可能通過想像猜測。或者他們觀察到了什麼，然後提出一種想法來解釋所觀察到的現像。這種想法是通過想像、直覺和邏輯產生的，科學家將其稱為“假說”。接下來，他們設計實驗或者查找信息，來驗證這種想法是否能夠解釋實驗結果。如果不能，便予以否定；如果可以，就繼續檢驗，或者查找新的信息來進一步驗證是否與想法相符，直到最後“假說”成為具有很多證據支撐的“理論”。科學理論是指解釋和闡釋大量事實（數據）的觀念。
對於某些主要的思想觀念，在積累了足夠多的證據的基礎上，普通人往往稱之為“事實”，而科學家仍然稱之為“理論”，比如“自然選擇”的進化論就是一例。科學家極其嚴謹，他們知道，有時新的證據能夠推翻主流觀念。這是科學方法的一部分。
科學家也是人，即便非常小心，也會出錯，會產生偏見。這就是為何要使用科學方法的原因，通過長時間不斷試驗，纔能夠得出不帶偏見的結論，大部分人纔能接受和贊同。世界各地的科學家共同合作，分享許多不同視角的數據，對於自然和宇宙的運行機制，在人類思想的有限範圍內，達成一個合理的共識。
舉一個科學如何發揮作用的例子。這個例子是關於大陸漂移的，即“大陸運動”的想法最終如何成為完善的板塊構造理論。1915年，德國氣像學家阿爾弗雷德·魏格納（Alfred Wegener）提出了“大陸漂移”的假說。1925年，在一次地質學會議上，那些人拿他的想法逗樂，他則靜靜地聽著，抽著煙鬥。魏格納提出的證據是，南美洲的輪廓與非洲西部的輪廓剛好吻合，而分處大西洋兩岸的兩塊大陸上，發現了相似的動植物的化石。但魏格納無法解釋，究竟是何種力量如此巨大，能夠移動整片大陸。由於他解釋不了運動的機制，而且他隻是個氣像學家，並不是地質學家，所以多數地質學家都不接受他的假說。1930年，魏格納在格陵蘭島監測氣像時，死於意外。
直到第二次世界大戰期間，關於大陸漂移的進一步證據纔出現。美國海軍司令官亨利·赫斯（Henry Hess）——他同時也是一位經驗豐富的地質學家——使用一種叫作“聲吶”的新工具，收集海底的輪廓信息。（聲吶將聲波傳入水中，檢測物體並測量物體之間的距離。）他發現海底並不平坦，這一點令他頗感意外。20世紀50年代，進一步的研究確定，海底火山在大西洋中部和太平洋中部形成了高脊。1962年，赫斯出版了一本書，描寫海洋盆地的由來以及地殼如何在火山山脊的兩側移動——在火山山脊處，新的物質從地球中心噴發出來。
20世紀60年代，研究者進一步發現了新的證據：距離山脊越近，洋底越年輕，而越往山脊兩側延伸，年代越久遠。這一證據證明了海洋底部地殼移動的假說。接下來，科學家就可以把所有的知識整合到一起了：不隻是大陸在移動，海洋地殼的所有板塊也在移動，帶動附近的大陸地殼移動。
這些板塊都是地殼的組成部分，地殼分裂成幾塊。致使板塊移動的力量，是洋脊湧出來的新物質造成的。在半熔融的地幔上方，新物質不斷將舊的物質往兩邊推開。到了20世紀70年代，板塊構造理論成為地質學領域的核心觀念，或者說“範式”。
受到這些故事的鼓舞，一些科學家認為，科學最終能夠發現幾乎所有事物的奧秘。對他們來說，要想達到這一目標，隻需不斷增加觀察，提高實驗工具的精確性，以及擴大觀察的範圍。科學令人興奮，因為科學看似總是處於發現新事物的前沿。
你覺得科學家能夠最終發現所有應知的事物嗎？當前的知識爆炸將引領我們走向何方？當然，沒有人知道這些問題的確切答案，但是有一些科學家和哲學家提醒我們，人類所能獲知的東西可能是有限度的。
畢竟，人類的感知能力是有限的。鷹的視敏度優於人類2到3.6倍——具體視鷹的種類不同而有所不同。人類聽不到的低頻聲音，大像能夠聽到。每個物種在進化的過程中，都發展了有利於其祖先生存下來的感知功能。
我們人類所能看到的世界，隻是滄海一粟而已。舉個例子，太陽中心的核反應產生中微子，這是一種比電子小得多的基本粒子。每秒鐘有幾十億的中微子穿過我們的身體，但我們卻無法看到。人類能夠看到光，但光隻是電磁輻射的一小部分，有很多波長的電磁輻射是我們看不到的——伽馬射線、X射線、紫外線、無線電波等，這些在波譜中的波段都是肉眼無法捕捉到的。因為在數千年的時間裡，看到它們與否並不影響人類生存。螨蟲寄生在我們的睫毛上，細菌在我們的皮膚上爬來爬去……對於這些，看不到是個好事。
很明顯，對於科學家來說，無論何時，雖然有非常精密的儀器，但大部分自然世界仍處於未檢測或是無法接觸的狀態。關於人類積累的知識，有一個引人深思的比喻：人類知識貌似無邊無際，但也隻是未知的茫茫大海上漂浮的一座小島而已。知識小島面積越來越大，小島的海岸線也就越來越復雜，但依然是漂浮在神秘的、未知的大海之上。［此比喻出自達特茅斯大學的巴西裔美國物理學家馬塞洛·戈裡瑟（Marcelo Gleiser）。］
似乎人類永遠無法知道和理解關於現實的一切。對現實的理解隨著人類自身狀況的改變而不斷改變，而發現新知識的興奮是人類探索的驅動力。人類似乎具有一種與生俱來的生存本能，去發現自然界的模式規律，去理解我們的歷史和周遭環境。關於人類在宇宙中的位置，我們已經獲得令人驚喜的意識。這就是本書所要講的——關於人類在宇宙中所處的位置，人類都有哪些了解。讀完這些，讀者朋友就能在這幅最為巨大的時空地圖上，找到自己的位置了。
大歷史的架構
每個故事都需要情節、主題、聲音或是某個人講述故事的方式。大歷史是以證據為基礎的真實故事，不是虛構的，但仍然需要這些特征將故事融合在一起。
說得簡單點，故事的主題是萬事萬物，包括宇宙，都處於永恆的變化之中。目前來看，似乎宇宙中的某些地方正湧現出越來越多的結構，也越來越復雜。這與物理定律——熱力學第二定律相違背。熱力學第二定律表明，整體上來看，宇宙會越來越無序。（參見“第3章臨界點2：星繫和恆星”，了解更多熱力學第二定律的知識。）
復雜性越來越高，意味著某時某刻有全新的事物出現，而新事物是無法通過之前存在的個體部分預見的。它更復雜，是因為它是通過能量流結合在一起的特定的結構，它的組成部分增加了。由於組成部分增多，需要更多能量維繫，因此也會更脆弱些。
科學家把這種現像稱為“出現”（emergence），但尚未完全理解它。20世紀80年代後期，這一概念萌芽時還隻是一種假說，現在已有若干證據支撐它。
假說是這樣的：科學家認為，當部分結構以特定方式排列，條件恰到好處時，增加的能量在結構之間流動，新事物就會產生。科學家使用兩個詞語來描述“恰到好處”的條件：“最優條件”（Optimal conditions）和“金發女孩條件”（Goldilocks conditions），後者出自英國童話《金發女孩與三隻熊》。金發女孩條件是指既不太燙也不太涼，既不太大也不太小，剛剛好的條件。
對於如何給這些轉型時期，也就是新事物出現的時期命名，講述這個宇宙故事的人尚未達成一致意見；對於究竟有多少個這樣的時期，科學家們也未達成一致意見。他們也將其稱為“過渡期”（transition）或者“轉換期”（transformation）。有些故事的講述者，比如天體物理學家埃裡克·蔡森稱其為“時代”（epoch）。還有一些人，比如荷蘭生物化學家和社會學家弗萊德·斯皮爾，將其稱為“朝代”（regime）。有些人則什麼名字也不叫——隻是在故事的講述中，提到有這麼一回事兒罷了。
假如深入學習大歷史，就會學會對比這些不同的版本。在本書中，我將引用“臨界點”（threshold）這個概念來指代即將有新事物出現的過渡期。大衛·克裡斯蒂安在他的著作《時間地圖》中首次使用了這一詞語。這個詞隻是用來在綿延不絕的時間長河中定位大事件的術語，轉變有時會跨越幾千年的時間。
當然，“臨界點”這個詞是一種比喻，遠遠超出了字面含義。在時間的長河中，並不存在真正的“臨界點”。這個詞無非是要傳達出跨越一個“臨界點”或“門檻”時的興奮勁和新鮮勁——從此邁入新生活的大門，就像新婚夫婦邁入婚姻的殿堂，從此開始相互依偎的生活一樣。這個比喻並不是要遏制新生事物的出現，如果你生活在中國，或許能夠理解這個概念。中國傳統文化中，“門檻”通常要高出地面約15～20釐米（6～8英寸），這樣，妖魔鬼怪就進不了大門，而人則需要邁過門檻，纔能進入屋內。
而本書中，大歷史的講述將被分為8個臨界點，每個臨界點都有新事物的產生。或許還可以分得更詳盡些。這8個臨界點似乎代表了復雜性的重大飛躍，又不至於太煩瑣而難以識記。這8個章節當中，留給人類的有3個。我在本書中使用的這8個臨界點分別是：
1.大爆炸的出現：宇宙起源
2.恆星和星繫的出現
3.質量更大素的出現
4.太陽繫的出現
5.生命的出現
6.智人的出現
7.農業（有機能量）的出現
8.工業化（化石燃料能源）的出現
本書中，除了第5臨界點“生命的進化”有兩個章節之外，其餘臨界點各自為章。最後兩章中，我會跟大家討論今天的我們身處何地，這也是關於未來的第9個臨界點，此外還會討論人們如何在大歷史中尋找意義。
讀者朋友們的問題對於閱讀和學習本書來說非常重要，就像科學家和學者的問題能夠成為發現新知識的驅動力一樣。閱讀每一章節之前，先考慮一下該章的主題。你會提出哪些問題呢？關於這一主題，你想知道些什麼呢？閱讀完每章後，你還有疑問嗎？每個章節後，我都羅列了一些科學家尚未解答的問題，但你的問題對你自己來說纔是至關重要的。
深吸一口氣，跳出未知世界的海洋，構造屬於你自己的知識島嶼。本書會給讀者朋友提供一個知識框架，之後你學到的所有的新知識，都可以“掛靠”在這個框架上。這個框架會告訴你宇宙中的萬物如何聯繫在一起，而你又是如何與萬物聯繫在一起的。
如果你已經有了與之不同的知識框架，比如說宗教知識框架，這個框架與自然和科學知識相違背，怎麼辦呢？如果你正在上大歷史的課程，可以與老師和同學討論這些問題。如果你正在讀這本書，可以與父母、朋友或教士討論這些問題。很多人發現，把科學框架和宗教框架結合起來，還是行得通的。
大歷史涉及了人類最感興趣的許多問題：世界從何而來？世界由什麼組成？是什麼將其連接在一起？我又是從何而來？我在此處做什麼？人類是怎樣一種生物？我們應該如何對待彼此和這個世界？此刻正在發生的主要問題是什麼？一切又會去向何方？討論這些與人類息息相關的問題，對於正在學習大歷史的人來說，恰是有趣和有意義之處。
快速預覽“大歷史”
開始前，我們先來對本書所涉及的“臨界點”做一個大體了解。
· 宇宙始於138.2億年前的大爆炸。我們從最古老的恆星那裡獲知此信息，而且能測量宇宙以多快的速度膨脹，然後再倒推得出時間。最初，宇宙的溫度極高，高到所有的粒子都無法結合在一起。大爆炸之後，大約過了38萬年，簡單的原子（氫、氦）開始形成。宇宙逐漸冷卻、膨脹，直至今日。（臨界點1）
· 氫是最簡單的原子，由一個質子和一個電子組成。宇宙誕生後約7億年到20億年，氫氣雲產生了，恆星和星繫開始形成。隨著恆星的燃燒和爆炸，開始出現更為復雜的原子。高溫使得更多的粒子聚合，產生素，諸如碳和氧，隨後形成了新的行星。而且，至少在一顆行星上素最終結合在一起，形成了生命。（臨界點2和3）
· 太陽是一顆中等體積的恆星。它大約於45.6億年前在銀河繫中形成。氣體雲在引力作用下向內坍縮，並開始燃燒。剩下的物質則結合在一起，約1億年後，形成了太陽繫中的8大行星。地球是一顆岩態星球，與太陽的距離處於8大行星中的第3位，距離適中，剛好一半為固體，一半為熔融狀態。（臨界點4）
· 地球形成大約10億年後，生命，也就是單細胞的細菌，開始出現。進行光合作用的細菌將氧氣排放到大氣中，最終形成了保護生命免受紫外線傷害的臭氧層。據估計，最古老的細胞化石有34.9億年之久。細菌進化了10億年之久，之後在10億年到20億年之前出現了多細胞生物體。（臨界點5）
· 多細胞生物體大約始於20億年之前，隨後在約6億年之前，大量動植物爆發般地湧現出來。人類與黑猩猩和倭黑猩猩有著共同的祖先，這一祖先經過約600萬年的進化之後，也就是約20萬年之前，現代人類（智人）出現了。在人類出現之後的歷史長河中，95%的時間裡，人類一直靠打獵和采集為生，人口數量相對穩定，與地球和地球的各個繫統和諧相處。（臨界點6）
· 大約1萬年之前，出現了溫和、穩定的氣候。人類開始種植作物、馴化動物，尋找方法貯存多餘的食物。這使人類能夠在人口密集的城鎮裡群居，發展專門的職業、建立國家、形成等級制度、造字書寫、建造宏偉的建築——而這些都是文明的特征。（臨界點7）
· 人類現代的生活，是以工業化和消耗化石燃料為基礎的，隻有僅僅250年的時間。在這個短暫的時期內，地球上的人口從約7.5億上升到74億。現在的人類，正在改變我們賴以生存的地球和地球的各個繫統。（臨界點8）
對於將近138.2億年的歷史，你又如何理出頭緒呢？繪制時間線的方法有很多，這裡推薦一個快捷方法：找2卷完整的1000節斯科特牌衛生紙，外加3/4卷，想辦法把衛生紙在房間裡平鋪開來。或者，要是不想搞得一團糟，隻是簡單地想像一下如何平鋪也行。每一節衛生紙代表500萬年，一卷有1000節，也就是代表50億年，大約是太陽繫的年齡。最後一卷的最後一節代表整個人類歷史，這要加上人類與黑猩猩共同的祖先進化成為人類的時間。［這個方法是北卡羅來納州的科學教育家露西·拉菲特（Lucy Laf?tte）提出的。］
在整個宇宙中，人類隻占據最小的部分，而現代社會在整個人類歷史中，也隻占據一小部分。在整個宇宙背景中看起來就是這個樣子。你希望大歷史能夠為你解答什麼樣的問題呢？
