第1章
大图景

最初，理解这个宇宙的想法看起来十分荒谬而自大，或者说，这在任何情形下都是遥不可及的，因为这个宇宙并不是以人类的时间和空间尺度为基准形成的。然而，我们现在已经有了一个关于宇宙的历史与演化的物理图景。我们的大脑是如此的简单，我们的生命是如此的短暂，我们的身材是如此的矮小，我们如何能够超越这些限制，来理解这个古老而又广袤的宇宙呢？

我们是如此的短暂，以至于星辰看起来像是一种永恒的存在，但那只是因为我们仅仅是匆匆过客。如果你的生命只有100年，那只是宇宙百亿[2]年龄中的很小一部分。你怎么能期待于看到宇宙变更的洪流呢？拿你的寿命与宇宙的年龄相比，就好像拿你能做到的最长的屏气时间与你的寿命相比一样。事实就是如此：一次呼吸之于你的寿命，就像你的寿命之于宇宙年龄。深呼吸！

宇宙的时间尺度会使我们对于历史不再敏感。整个有记录的人类历史仅仅有10，000年：以100年为一代的话，一共只有100代。当狗决定与人类一同在他们的洞穴中生活的时候，我们迎来了文明的第一缕微光，而巨大的宇宙时间尺度则延伸到100万倍之远。在我们的一生中，我们没有任何机会看到宇宙面貌的改变，除了一些极其壮观的特例，比如当一些恒星在超新星爆炸中毁灭自己的时候，尽管我们知道，这种改变的过程一定在进行当中。通过研究超新星的物理性质、形成机制及其在天文学研究上的用途，我们可以追溯宇宙的膨胀历史，直到遥远的过去。

我们又是如此的渺小。地球的尺寸是一个人的1000万倍，我们渺小到看不到它的弧度。我们日常印象中的平坦地球是错误的，因为地球不是以我们的尺度为基准形成的，更别说其他更大的天体了。[1]通常，我们温顺地接受三年级老师所讲的哥伦布环球航行的故事，以此来学习我们的行星的真实形状。更好的方式其实是送人们离开地球的表面来看一眼。宇航员代替我们进行了这个旅行，并且带回了可以展示地球的真实几何形状的照片。球状行星的图像可以打破我们的日常印象，并且将一个球状的地球引入我们的直觉，尽管在此之前我们已经知道这些图像会是什么样的。

后退几步来得到全景的方法对于研究更大尺度的天文目标的效果不佳。就像一片在干酪中滋滋作响的意大利烤香肠很难看到整个比萨，我们也很难看到太阳所处星系的扁平状星系盘。我们看不到银河系形状的全貌，我们无法后退。

我们的宇宙中包含了银河系和1000亿个相似的系统，对于我们来说，想象宇宙的形状甚至更加困难：我们不可能跳出宇宙来看全景。

我们如何才能超越这些限制来得到宇宙的图像？尽管我们的头脑很简单，我们的生命很短暂，我们的日常印象看起来会确信无疑地引我们走入迷途，但是我们还不至于完全绝望。因为问题的关键不在于我们大脑的尺寸，而在于拥有正确的观念。在过去的500年中我们开始解开谜团，关于我们在哪以及一切如何运转。

人类开始利用想象力去探索各种可能性。在德国过去的10马克纸币上，印着数学王子卡尔·弗里德里希·高斯的头像，现在它已经被欧元取代。他的公民服务工作是领导位于哥廷根的天文台。天文学家每天都会提及他的名字，使用他的钟形曲线来估计每一个天文事件的影响，从计算太阳系中天体的运动，到示踪热大爆炸的热流产生的气泡状变化。[2]

19世纪20年代，高斯提出了弯曲空间的概念。19世纪50年代，这个理论由他在哥廷根的优秀的学生兼同事，伯恩哈德·黎曼，进行了进一步的发展。作为一个数学家，黎曼没有局限于思考像沙滩球表面的那种二维空间，而是研究了三维、四维，甚至更高维的数学空间的曲度的一般性质。

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦用这些弯曲空间的概念建立了一个新的引力理论。在爱因斯坦的广义相对论中，物质和能量的存在会扭曲四维时空，并且影响光在宇宙中传播的路径。数学家们按照他们自己的逻辑发展而来的数学正好是爱因斯坦描述物理世界所需的工具。太阳系很小，这里的引力也很弱，所以弯曲的空间只在太阳系造成了很小的不同，就像地球的曲度只对棒球场的铺设造成了很小的不同一样。但是在宇宙尺度上的空间曲度是很重要的。爱因斯坦的广义相对论描述了质量和能量弯曲宇宙的方式，以及宇宙中的物质是如何在可以想象的最大尺度上使它膨胀或者坍缩的。通过使用爆炸的恒星、大爆炸的余温，以及几个世纪以来所发展的强有力的物理理论系统，现在我们有了对于宇宙的历史和几何模型的最初一瞥。

任何人都不必以一己之力来构建我们的宇宙图景：科学使得我们可以累积从前的优秀大脑的理论，比如高斯和爱因斯坦，并且与现在的其他人合作或者竞争，利用快速发展的技术来仔细研究海量的数据。从莎士比亚、莫扎特或者伦勃朗的时期到现在，文化的其他方面有可能获得了发展，也可能没有，但是我们最为肯定的是，如今的科学是一定超过之前几个世纪，甚至可以说是之前几十年的。我们可以使用过去的每一个优秀的理论和测量方法，因为科学家会将他们的发现发表在经过认真筛选的期刊上。我们可以使用敏锐的新工具，比如哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope, HST）、大型电子照相机，以及强大的计算机来进行如今的科学探索。通过这种方式，如今的普通人都或多或少地可以进行比伽利略、牛顿或者哈勃所能够实现的更好的测量。如果这样我们还不能在研究宇宙的历史上取得进步，我们真的会变成很无聊的天文学家。

因为地球上的物理学定律在遥远的地方仍然有效，所以我们能够解码这个宇宙。在圣克鲁斯的木板路上加速一个过山车（和车上激动的乘客）的引力，正是万有引力的局部形式，万有引力使得行星和小行星始终在它们的轨道上运行，控制恒星围绕星团和星系运转，并且决定宇宙是否会永远膨胀下去。钙原子，无论是在我们的股骨上，还是在太阳的大气中，或者在遥远星系中的恒星大气中的钙，都是在精确地遵循着同样的量子力学定律的电力的作用下不可改变的单位。在嗡嗡作响的望远镜控制室中，荧光灯里的原子发射或者吸收光子的方式，与同种原子在爆炸的恒星中所表现的完全一样。通过用望远镜收集恒星发出的光，然后优雅地将它分解为光谱，我们就可以辨别出恒星的化学元素组成和运动方式。地球上的粒子加速器发现了一些人们不那么熟悉的物理定律，它们作用于弱力和强力，揭示了亚原子粒子的组成，以及它们推拉彼此的方式。这些物理定律加上人类的想象和天文观测的指导，可以告诉我们恒星发光的机制和超新星爆发的原因，并且可以解释一个膨胀中的热宇宙所留下的关于其历史的线索。

除去这些成果之外，人类的想象力其实是很羸弱的。这个宇宙比我们想象中还要疯狂：我们一直在低估它真实的疯狂程度。所以天文学并不完全是一门测试物理理论的思想预测的实验科学。天文学是一门由发现驱动的科学，鉴于我们观测的目标甚至比最无拘束的思想者能够预测的还要奇异古怪。在物理效应比较简单的地方，天文学就像物理学。比如，热大爆炸的余迹仍然能在各个方向被探测到，以我们称之为宇宙微波背景辐射的微弱射电信号的形式。对这个背景辐射的预测和测量可以精确地测试热大爆炸的简单物理学。但是，当这个现象有太多的位移项而不再适合简单的分析的时候，天文观测就占据了主导。当宇宙变得更加复杂的时候，物质形成恒星，它变得不再那么容易预测，而且有趣很多。恒星在热核冲击波中爆炸的具体机制仍然没有被完全理解，即使是最不羁的大脑也无法做出预测。尽管我们已经看到了10亿倍太阳光度的恒星爆炸事件。我们仍然不能计算热核的火焰摧毁一颗恒星的具体过程，但是这并不代表我们无法足够好地测量超新星的性质，以将它们作为测量宇宙大小的标尺。天文学家已经习惯于用破碎的、不详尽的、非直接的证据来建立模型。通常我们无法在地球上进行可控的实验来检验天文理论，但是我们可以将观测得来的足够多的证据聚集起来，来看看我们是否在正确的道路上。

大部分天文方向是将已知的物理定律应用到天文背景中，但是还有一些天文测量可以揭示这个世界的基本性质：物质和能量的行为之下的物理规则。天文目标可以创造我们在地球实验室中无法重现的环境。

通过天文观测我们发现了这个世界的一个基本的物理性质，那就是光速的有限性。1676年，戴恩·奥勒·罗默正在巴黎工作，对木星的卫星进行观测。这些卫星躲在木星后面所形成的卫星食现象是可以预测的，但是这些测量有一些恼人的季节性误差。罗默在巴黎天文台有一个可靠的钟表，放置在稳定的地板上。他注意到当地球在环绕太阳的轨道上趋近木星的月份，卫星食现象会提前一点，在一年的其他时间，当地球远离木星的时候，卫星食会变晚。罗默推断道，这个现象说明光线穿过地球公转轨道的半径需要花费一些时间。他测量出这个时间延迟为大约16分钟。在罗默的时代，这种对于极其重要的物理现象——光速的有限速度的基本测量，只能通过天文观测来实现。光传播1英尺所需的时间是1纳秒，也就是1秒的十亿分之一。[3]在摆钟的时代，没有任何实验装置有能力在室内距离下测量如此短的时间间隔。直到1850年，斐索在同一个天文台建立了一个带有快速旋转镜片的天才的光学仪器，光速才在地球上得到测量。之后，与空虚的空间本身相关的能量和压力（至少在2002年之前）仍然没有被任何实验探测到，也不是任何系统而完善的物理理论的自然结论。这个基本的性质仅仅在遥远超新星的观测中得到了体现，而这些观测揭示了宇宙的加速膨胀，这也是这个工作变得如此激动人心的原因之一。

光线的惰性给了天文学一个历史学的途径来检验过去，就像在地理学中那样。我们从未见过事物现在的样子。我们看到的总是光线离开的那刻事物的样子。对于一个房间里面的物体来说，这个时间大概是几纳秒之前。基于在地球表面的经验，我们可以近似地认为事物就是我们看到的那样。但是在天文尺度下，光线旅行所用的时间效应是非常重要的。这些效应允许我们超越自己短暂的生命，去观测宇宙在很长的宇宙时间尺度下是如何变化的。毫不夸张地说，光线旅行的时间将望远镜变成了一个时间机器。[4]透过空间，我们看到的不是一个凝固的瞬间，“现在”，而是一个时空的切片：在近邻宇宙我们看到的是现在，而当我们看向远方的时候，我们看到的是过去。通过对过去的直接观测，我们可以追溯宇宙的历史，这仅仅受限于我们的仪器的能力。

到目前为止，我们还没有办法看到未来，但是我们可以使用对过去的直接测量，以及我们对于事物运作原理的物理理解来预测未来。恒星不能预测我们的未来，而我们却能基于对维持恒星发光的原子核尺度的事件的坚实掌握，来预测恒星的未来。对于恒星，这些预测是可以被检验的，因为我们可以观测到不同年龄的恒星，从而了解它们的生命循环，从诞生到成熟再到或安静或猛烈的死亡。

光线的有限速度被写成了天文学的语言——我们使用“光年”这一单位来代表光在一年中旅行的距离。[5]光线从一颗100光年外的恒星发出，到达地球的时间恰好是一个世纪。今晚你就可以出去走走，看看那些在你父母出生之前就发出光线的恒星。至今为止观测到的最远的超新星的光携带着宇宙在过去100亿年中膨胀过程的信息，这大约是大爆炸至今的总时间的三分之二。测量从如此遥远的恒星发出来的光并不容易——天空很明亮，而恒星很暗淡，而且还有很多稍不留神就会遇到的陷阱。但是拼凑起一个完整的宇宙图景的回报也是巨大的。

1917年，当爱因斯坦开始将他刚刚发明的引力的几何学解释与宇宙联系起来的时候，天文学家仍然认为银河系中的恒星就是宇宙中的全部物质。现在我们知道，银河系并不是整个宇宙，而只是它的很小一部分。恒星形成于庞大的星系，这些星系每个都包含一千亿个像太阳一样的恒星，是我们能够看到的示踪宇宙的隐藏性质的单元。

太阳位于银河系的其中一个靠外的旋臂上，距离中心大约20，000光年。我们在夜晚能看到的所有恒星都位于银河系内，它们中的很大一部分位于那条城市居民永远看不到的微弱的扁平光带上。星系的尺度如此庞大，这说明很多里程碑式的事件已经在此发生，但是我们仍然毫无察觉，因为这些新闻还没有抵达地球。安德鲁·杰克逊——“老山胡桃”，赢得了1815年的新奥尔良之战，在和英国人于比利时的根特签订和平条约的15天之后。消息传到他那里需要时间，所以他就坚持作战一直到听到这个新闻。银河系中超新星爆发的闪光以光速传播，但是信息经过遥远的距离时也有同样的延迟：银河系中有很多已经发生但是我们还未见其光芒的超新星爆发。在类似于银河系的星系中，超新星每100年左右的时间爆发一次。由于来自超新星的光线可能需要20，000年才能运行到我们这里，我们星系中成百上千的超新星的光此时正在向我们传来，每一个超新星的闪光都是一个增长的球层，以光速向外扩散，就像一条鱼在微光中跃起之时在平静的池塘中激起的涟漪。会不会有一道这样的微波在今晚卷上我们的水岸呢？我们能否像第谷·布拉赫——望远镜发明之前世界上最后一个伟大的观测者，在1572年那样，看到一个位于我们本星系的超新星？我们不知道。我们无从知晓，因为没有任何信息可以超越光速来给我们一个预警。最后一个非常明亮的超新星于1987年被观测到——不是在我们的星系，而是在我们南方的近邻星系，大麦哲伦星云。对于我个人而言，我已经为下一个超新星做好了准备。

与恒星之间的距离相比，单个恒星显得十分渺小，但是星系本身相比它们的距离来说并不是很小。如果我们想象这样一个实际比例的模型，其中类似太阳的恒星的大小与豌豆相当，近邻的恒星就会在100英里以外。由于恒星相对它们之间的距离而言显得过于渺小，它们极少发生碰撞，我们的星系看起来像是一个有着黑色天空的无边无际的所在。但是星系之间的距离，尽管比恒星之间的距离大100万倍，与星系本身相比并不显得那么庞大。如果我们把自己的星系想象成一个餐盘，那么距离我们最近的较大近邻星系，仙女座大星云（也被称为M31，命名于它在梅西耶的延展天体表的位置），会在仅仅10英尺之外，在比尔叔叔铺下的感恩节桌布的另外一端。当星系在它们之间的引力牵拉的作用下移动时，它们之间的碰撞和可能的融合现象并不罕见。但是星系经历的是一种奇怪的碰撞类型，与两个盘子在调味汁瓶附近撞碎的情况非常不同，因为组成每个星系的单个恒星仍然很难撞到彼此。在50亿年内，我们所居住的银河系和M31将会发生碰撞，现在M31在略微超过200万光年的距离之外，正在朝我们运行。单独的恒星会错过彼此，就像两群交错的蜜蜂。

星系分布在整个可观测宇宙，它们之间的典型距离为几百万光年。星系是非常合群的，它们组成了松散的星系群以及密集的星系团，星系在这里挤在一起，留下了几亿光年的星系稀少的巨大空隙。银河系在一个我们称之为本星系群的小星系群中，其中包含了大小麦哲伦星云，M31和M33（另一个近邻的漩涡星系），还有一些其他星系。距离我们最近的中等大小的星系团在处女星座的方向，因此被称为处女座星团。从哈勃空间望远镜观测到的这些星系中的恒星的可见光度，我们可以判断室女座星团的距离为大约5000万光年。在一个天空足够黑暗的台址，一架小望远镜就可以毫不困难地观测到这些星系，以及更遥远的星系，当那些星系的光线发出的时候，恐龙仍然漫步在地球上。

迄今为止我们的观测极限是“哈勃深场”的图像，这些图像在1995年底由哈勃空间望远镜拍摄，由342张跨越10天拍摄的图像叠加而成。在这些时间里，哈勃始终盯着北方天空的一个非常小的空白点，生成了我们有史以来最深的图像。哈勃在地球大气层之上的轨道中，所以它可以产生不被时时变化的大气所模糊的图像。但是它是一个相对较小的望远镜，仅仅有最大地基仪器的面积的1/16，所以这个空间望远镜要花费很长一段时间来收集暗弱遥远的星系发出的光。基本上哈勃深场中的所有东西都是星系。前景星系与背景星系相互重叠、摩肩接踵。哈勃深场是现今科技能够做到的成像极限，它将我们带回了宇宙历史上可以碰触到的最深的一层，回溯到了大爆炸之后的20亿年之内。

我仍然可以回忆起我12岁那年，当我看完那本又大又厚的《夏洛克·福尔摩斯全集》的时候，我感受到一阵突然袭来的巨大失望感。当福尔摩斯走下莱辛巴赫瀑布，迎接他与莫里亚蒂的致命相遇的时候，我为这个华生医生（和我）见过的最出色最智慧之人的死亡，感受到一种孩子气的悲伤。但是更糟的是这种感觉：“这一切就这样了吗？”

以一种比较有趣的方式，哈勃深场引发了一点相同的感觉。就是这样了吗？这就是我们能看到的最远的地方了吗？因为我们有足够的理由认为这个宇宙的年龄大约为140亿年，所以我们能看到的最远的物体在140亿年前发出它的光芒。换句话说，自大爆炸以来时间的有限性和光速的有限性给我们对宇宙的直接认知施加了一个天然的限制——我们可以观测到的区域的半径只有140亿光年。哈勃深场中的一些目标是在120亿年前发出的光。所以，就是这样了吗？我们是否已经触碰到了知识的边缘（或者至少知识边缘的12/14）？

同样地，居住在这样一个小而狭窄的宇宙中有一点拥挤。星系之间的典型距离是几百万光年，如果每个星系都是节日桌上餐盘的大小，那么我们就会居住在一个在各个方向都只有20英里的可观测宇宙中。可观测宇宙看起来更像拥挤的中国香港，而不是苍穹之州蒙大拿。

《夏洛克·福尔摩斯全集》还有另一本3英寸厚的书，但是我还没有看。这应该是一个暗示，柯南·道尔可能会大发慈悲，我们可能可以欣赏到更多的夏洛克的故事。同样地，一个转瞬即逝的想法表明，在宇宙这本书中我们还有很多内容没有阅读。哈勃深场图像是在一个比人眼能看到的更宽的颜色范围中拍摄的。但是当我们向更深处看去，看向更多遥远的星系和超新星，也就是在宇宙时间中更早的时刻，从宇宙中第一代天体发出的光芒会被宇宙的膨胀更多地拉扯，直到超出哈勃空间望远镜的观测范围，进入到红外波段。

这就像我们在一场电影中迟到了。我讨厌这种感觉。我们已经错过了片头曲和所有重要的开头场景中最关键的信息——在宇宙中，这些是膨胀的起源、由氦引起的冷却、最早期天体的形成、最早的恒星的爆炸以及化学变化的开始，是它们造就了我们所居住的这个富饶而又富有变化的世界，包括我们身体中的碳、氧、钙和铁。太多的事情甚至发生在我们能寄希望于用光学仪器观测到的过去之前，这些仪器运行于我们的眼睛所工作的可见光波段，在这个波段地球的大气是透明的，也是在这个波段哈勃空间望远镜完成了它的大部分工作。

哈勃空间望远镜并没有用正确的方式来观测早期宇宙的天体初光。如果我们想看到开场片段，我们需要建造一个类似于哈勃的望远镜，但是工作于更宽的波段，在红外波段：下一代空间望远镜。而我们确实这样做了。

如果我们想看到大爆炸本身的闪光，我们需要观测更长波长的光，我们的任何感官都不能在这些射电波段工作。从1965年开始，我们也在做这些工作了。但是大部分宇宙是不可见的，甚至对于我们的所有技术来说都是这样。我们知道它在这里，因为我们可以看到它的效应，但是我们不能直接测量它。我们看到的宇宙被我们看不到的宇宙所控制：暗物质完全不像组成我们身体的质子和中子，暗能量在宇宙的失控膨胀中显示出它自己的神秘。

通过天文观测和物理理论，我们能够建立一个相关的宇宙图景。两者都是艰难的工作，有过很多错误的探索、长时间的苦工以及短暂的兴奋火花。科学不是一部浩如烟海的百科全书，它是一个微弱的理性的火焰，跨越愚昧的宽敞水面而不息地燃烧着。我们也许是短暂而渺小的，但是我们足够幸运，能够生于这个技术进步为人类关于宇宙的前世今生的老问题带来新启发的时刻。超新星是我们探究的途径，暗能量是我们的猎物。游戏正在进行！