序言

宇宙的起源

人类正生活在宇宙的黄金时期，距离宇宙中发生的那些激动人心的事件已经过去很久了。在繁星满天的日子里遥望天空，你会看到数以万计的星星组成一条被我们称作“银河”的玉带，横跨黑暗的天空。这是古人对宇宙的全部了解。渐渐地，随着人们发明出倍率越来越大和分辨率越来越高的望远镜，一个难以想象的浩瀚宇宙开始进入我们的视野。大量的恒星聚集在我们称为星系的光岛之中，周围围绕着的是寂静的微波海洋——这是约150亿年前宇宙大爆炸的回声。时间、空间和物质似乎起源于一次爆炸性事件，在那之后，宇宙以一种整体膨胀的状态出现，同时也在逐渐冷却，不断变得稀薄。

最开始，宇宙是一个充满辐射的“炼狱”。它的温度太高了，导致任何原子都无法在其中生存。在发生大爆炸后的最初几分钟里，宇宙的温度便冷却到足已形成最轻的元素的原子核。在仅仅几百万年之后，宇宙就已冷却到足以形成原子，简单的分子也随之出现。经过数十亿年的复杂发展，物质凝聚形成恒星和星系。而后，随着稳定的行星环境的出现，一系列复杂的生物化学复合体以我们不甚了解的过程被孕育出来。这一系列复杂的过程是如何以及为何开始的呢？关于宇宙的起源，现代宇宙学家必须解答哪些问题？

从现代科学的角度来看，古代的各种创世故事都算不上科学理论，因为它们并未试图揭示任何关于宇宙结构的新认知，它们的目的仅仅是消除人类想象中的未知恐惧。通过从创世的角度定义人类所在的位置，古人可以将世界与自身联系起来，从而消除对未知或不可知的事物的恐惧。现代科学需要达到的目标远不限于此，它必须足够深刻，才能告诉我们更多未知的宇宙信息；现代科学的知识储备必须广博到能够做出预测，以证明和解释当前的宇宙；现代科学还应该为我们指出隐藏在一系列不相关事实背后的内在连贯性和统一性。

虽然现代宇宙学家采用的方法很简单，但对外行人而言并不容易理解。这种方法就是，首先假设支配地球运转的法则，然后将其推广到整个宇宙的尺度上，直到某人发现这个法则并不适用，再对其进行调整。比较典型的例子是，宇宙中有一些地方处于极端环境中，比如拥有极高或者极低的密度和温度，尤其是在过去的某段时间里，但我们生活的地球没有这种情况。因此有时候，我们期望相关理论在这样的极端条件下仍能适用。虽然有时确实如此，但在一些情况下，我们研究的是近似真实的自然法则模型，相比于真正的自然法则，前者具有一定的限制性。因此，当我们达到这些极限时，必须尝试建立更接近真实的模型才能解释特殊的新发现。虽然许多理论能用于预测，但我们不能通过观测检验其对错。事实上，正是这些预测决定了未来天文台或者人造卫星的建造。

宇宙学家热衷于构建“宇宙模型”，他们希望通过模型对宇宙的结构和历史进行简化的数学描述，以找到主要特征。就像模型飞机重现了真实飞机的一部分但并非所有特征一样，我们不可能寄希望于一个宇宙模型就可以涵盖宇宙的每一个细节。我们的宇宙模型还比较粗略，它们将宇宙看成一个完全均匀的物质海洋，但忽略了物质凝聚成恒星和星系的过程。只有当研究者研究更具体的问题，比如恒星和星系的起源时，才会考虑这个完美均衡的模型的缺陷。不过，构建模型这一方法非常有效，因为宇宙最显著的特征就是，我们可以通过模型，用简单且理想化的方式描述宇宙中以物质的形式均匀分布的可见部分。

宇宙模型还涉及宇宙的某些性质，诸如宇宙的密度或者温度，后者的数值只能通过观测获得，而且只有一些特定观测值组合符合模型的要求。通过这种方式，我们可以检验宇宙模型和真实宇宙之间的兼容性。

我们在宇宙的各方面探索上成就斐然。除了使用卫星、航天器和望远镜，我们还可以利用显微镜、原子对撞机和加速器、计算机以及人类的思维，来扩展对整个宇宙微观环境的认识。除了外太空的世界，比如恒星、星系以及宏大的宇宙结构，我们也开始研究微观世界深处错综复杂的精妙之处。在那里，我们发现了原子核的内部结构和组成部分——作为物质的基础组成部件，虽然数量很少，结构简单，但它们的结合组成了这个纷繁的世界，而我们也不过是其中特殊的一部分。

我们的两个前沿认知——关于物质组成的微观世界和恒星及星系组成的天文世界，在当代以一种意想不到的方式结合到了一起。它们原本属于不同的研究领域，由不同的科学家通过不同的方式来解答，现在他们的研究兴趣和方法紧密地交织在一起。通过粒子探测器对基本粒子展开研究，科学家很可能揭开星系形成的奥秘，这些基本粒子的特性也可能通过观测遥远的星光得到答案。通过重建宇宙的历史、寻找宇宙“青少年时期”的遗迹，结合宏观和微观的物理世界，我们对宇宙的统一性有了更加深刻和完整的认知。

《宇宙的起源》这本书的目的是，为初学者简明扼要地解说宇宙的起源。比如，关于宇宙早期的历史，我们有什么证据？宇宙起源的最新理论是什么？我们可以通过观测检验这些理论吗？我们自身的存在与它们有什么关系？这些是我们向着时间之始行进的旅程中可能会遇到的一些问题。我还将介绍一些关于时间的本质的最新理论，比如“宇宙暴胀”和“虫洞”理论，并在此过程中解释COBE卫星（宇宙背景探索者卫星）观测的重要性以及在1992年春天，它的观测给我们带来的欣喜。

我要感谢从事宇宙学研究的同事以及合作者，他们的讨论和发现让我有机会讲述宇宙起源的故事。安东尼·奇塔姆（Anthony Cheetham）和约翰·布罗克曼（John Brockman）对这本书的构想值得称赞。我还要感谢格里·莱昂斯（Gerry Lyons）和萨拉·利平科特（Sara Lippincott）的指导。我的妻子伊丽莎白也提供了大量的帮助，她让我迅速地完成了这本书的写作，而不是无限期拖延，我对她所做的一切一如既往地心怀感激。当然，我的另一些家庭成员——戴维、罗杰和路易斯对这本书就显得兴致索然了，他们最感兴趣的是夏洛克·福尔摩斯。

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