前言

宇宙是一张可伸缩的地图

很久以前，原子遍布在直径达几万亿千米的空旷宇宙中。过去的几十亿年里，没有任何迹象表明，这些原子最终会组合在一起，成为你的眼睛、皮肤、头发、骨骼，或是你大脑中的860亿个神经元。

这些原子中有很多来自恒星的深处，也许是好几颗恒星，它们之间相隔几万亿千米之远。当这些恒星发生爆炸时，它们向外喷射出灼热的气流，气流裹挟着一些物质向外扩散，并填满了一个星系的一小部分，这个星系存在于一个直径几乎达1024千米的时空中，而在这个时空中，与它相似的星系有数千亿个。

尽管这些原子零散地分布在宇宙中，但它们最终演变成了我们的世界，成了我们地球的一部分。它们逐渐冷却，慢慢聚集在一起，因重力而沉降，形成新的物质，其密度几乎比它们飘浮在宇宙中时的密度大了1021倍。经过大约45亿年，它们渐渐变成了各种不同的样子。

这些原子中的一部分形成了最早一批复杂生命的微观气泡，那时，那些复杂生命仍栖身于空空荡荡的海洋和大陆之中。而正是这部分原子遨游在整个地球环境中时，不断地被释放，被吞并。

它们存在于一只，也可能是几千只三叶虫的壳上。它们存在于生物的触须中，根茎上，脚上，翅膀上，血液中，以及这之间的无数细菌上。当1亿年前，这些生物向外看向太空时，有些原子就飘浮在它们的眼前，而另外一些可能在恐龙蛋的卵黄中扎了根，或者附着在冰河世纪时期一只生物呼出的气体上。对其他一些原子来说，这是它们第一次被整合进活的有机物中，而在这之前的漫长岁月里，它们一直在海洋和云朵中、在几万亿滴雨滴或者几十亿朵雪花中穿行。现在，在这一瞬间，它们就在这里，构成了你。

每个原子本身都是一种直径约一百亿分之一米大小的化合物，恰好处于一个宇宙的边缘，处于我们肉眼看得见的现实世界和看不见的量子世界之间。电子占据了原子空间的大部分区域。质子和中子聚集在原子核周边，原子比它们大10万倍，而它们本身由其他更小的东西组成：夸克和胶子。我们可以说电子不具备实际意义上的大小，也可以说原子核比电子大1000万倍。在138亿年前的某一刻，所有原子构成的所有化合物都被挤压在一个极其狭小却拥有巨大能量的时空源头中。虽然这个源头现在已经扩大了很多，但我们人类仍然处于这个封闭空间之中，与那些可能存在于10亿光年之外的东西一起存在于此。然而，我们并非与外界毫无联系。

这是一个相当离奇的故事，它并非虚构，关于过去138亿年里究竟发生了什么，这是我们所能做出的最好的推测与讲述了。《如果宇宙可以伸缩》试图挖掘出这个故事的更多部分，让你能够认识到人类关于整个自然界知道（或不知道）些什么。为了实现这一点，我们将会采取一种行之有效的方法，也就是做一个简单的假设：用放大了10倍的视野来观察宇宙，从宇宙可观测的边缘直达现实最深处。

“游历于不同尺度下的自然界”这一奇思妙想并非新近才出现的，这一想法在科学上的实现最早可追溯至1665年出版的罗伯特·胡克（Robert Hooke）的著作《显微制图》（Micrographia）。类似的作品还有1957年基斯·博克（Kees Boeke）的开创性巨作《宇宙观：40级跳跃中的宇宙》（Cosmic View: The Universe in 40 Jumps），1968年加拿大国家电影局（National Film Board of Canada）发行的短片《宇宙伸缩》（Cosmic Zoom），1977年查尔斯·埃姆斯和蕾·埃姆斯导演的《十的次方》（Powers of Ten），以及随后的众多衍生物，它们充分展示了人类对宇宙之旅的普遍热爱。

现在似乎到了拿出一些成果的时候了，我们不仅需要引入全面更新的核心材料，还应将重心聚焦于宇宙错综复杂的连接性上。与我手里的原子相关联的，可能是另一边的原子，或者另一颗行星上的原子，又或是横跨大半个宇宙的原子。在我们身上起作用的物理原理，在其他尺度上、其他宇宙时间中也同样有效。我们日常生活中出现的形态和层展现象（emergent phenomena），会以无数种惊人的方式在自然界中共享同样的规则与特质。

无论是描述手指和脚趾的数量，还是使用现代数学与测量单位，我们都能看到“10的幂”这种概念在10的次方和10的负次方之间来回变换。将这些连续的量级放在一起，我们就拥有了一种语言，用来表达远在人类日常经验之外的宇宙连续性与相关性。“10的幂”使人类在宇宙万物与空无一物之间自由穿梭。

《如果宇宙可以伸缩》只是一个概要，如果你愿意的话，叫它备忘单也行。这本书并不能详述宇宙的历史以及其中的每一个细节。相反，它会把我们所知的现实世界看作一张可伸缩的、有着预设途径的地图。用电子游戏来比喻的话，本书就像一个“铁轨射击游戏”（rail shooter），只不过这条轨道是沿着宇宙的物理尺度铺展开的，它从顶端开始，一直缩小到底部。

在书写这段旅程并以图表展现出来之前，我们不断地苦苦思索该如何建设这条铁路。宇宙有着三维的空间，还有一个棘手的维度，我们称之为时间。在这一路上，有无数有趣的东西值得一看。而我们试图在“总览全线”与“确保观赏了绝妙景点”之间找到平衡。

在这段旅途中，某些地方真的很有挑战性，甚至在第1章，你就需要辨别暗物质、扩张的宇宙，以及一些更奇怪的东西，比如多维宇宙和多维版本的你；在第3章，你会看到太阳系的宏伟起源；到了第6章，你会困惑于意识的本质；而在第9章，你需要了解量子力学的阐释方式。别担心，书中精美的插图和信息图表将会照亮你的前路，为你指引方向。

人们对现实的种种观感融合在一起，形成了光怪陆离的数据与知识。我们希望，在找寻自己与这些数据、知识间的关联时，你能乐在其中。记住，这是所有人的宇宙，当然，也是你的宇宙。