第一篇
宇宙

第1章
最初時刻：節點一

若想無中生有，必先創造宇宙。

——卡爾·薩根（Carl Sagan）：《宇宙》（Cosmos）

所以定是在曦光降臨之后，

從最初的紡績地，從馬廄和碧綠之中，

嘶鳴的馬像著了魔一般，喘著粗氣

奔向那洋溢著贊美的土地。

——迪倫·托馬斯（Dylan Thomas）：《蕨山》（Fern Hill）

開啟起源故事

自舉（bootstrapping）是人不可能做到的事情，就是說人不可能使勁抓住自己的靴帶把自己舉起來。后來這一觀念成了計算機專業的行話（啟動或重新啟動），描述的是計算機從僵死中蘇醒，然后輸入操作指令的過程。當然了，從字面上說，要自舉是不可能的，因為要舉起什么東西，必須要有一個杠桿。“給我一個杠桿和支點”，古希臘哲學家阿基米德（Archimedes）曾這樣說，“我就能撬動地球。”但要創造一個全新的宇宙，我們到哪里找那個杠桿呢？怎樣才能舉起這樣的宇宙？或者，換句話說，描述新宇宙誕生的起源故事到哪里才能找到支點呢？

為起源故事尋找支點絲毫不亞于為宇宙本身尋找支點。一種可能的方法是不問起源，而假定宇宙一直存在。這樣支點就是不必要的。事實上，許多起源故事都是這樣講述的，甚至不少現代天文學家，包括20世紀中葉支持穩恒態理論（steady-state theory）的天文學家，也都持此主張。也就是說，在相當大的尺度上，宇宙自古至今一直是這樣。與此類似，但稍有不同的觀點主張：的確存在創世的一刻，那時巨大的力量或存在物塑造了整個宇宙的形態，但此后，世間萬物基本沒有什么改變。蒙哥湖人的祖先可能就是這樣描述宇宙的，認為是先祖把宇宙塑造成這個樣子的。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）把上帝看成世間萬物的“第一因”（first cause），主張上帝充斥整個宇宙空間。他曾這樣寫道：宇宙是“無形的、活著的且有智能的上帝無所不在的存在物的感官（Sensorium）”。20世紀初，愛因斯坦還特別堅定地認為，宇宙（在大尺度上）是萬世不易的，而且還為自己的相對論添加了一個特別的常數，并以此預測穩態的宇宙。

所謂宇宙永恒不變的觀念真的令人滿意嗎？并不盡然，尤其是這種解釋常偷偷地混進來一個創世的神靈，由神靈開啟創世的過程，比如“最初空無一物，于是上帝……”之類的。這里的邏輯謬誤顯而易見，雖然哪怕智力高超的人也要花很長時間才能洞悉個中的究竟。比如伯特蘭·羅素（Bertrand Russell）到了18歲才最終放棄上帝創世的觀念，據說是在讀了約翰·斯圖爾特·密爾（John Stuart Mill）的自傳之后：“我父親曾教導我說，‘我是怎么來的’這種問題是找不到最終答案的，因為這之后還有‘上帝是怎么來的’這個問題。”

這里還有另外一個無解的問題。如果神靈足夠強大且能設計整個宇宙，那么神靈一定要比自己設計的宇宙更復雜，所以說假定有創世神靈存在就意味著還需進一步解釋更為復雜的另外一種存在，以至于無窮。難怪有些人會覺得這是詭辯。

古印度《吠陀經》中的頌歌是這樣斷言的：“無既非有，有亦非有；無空氣界，無遠天界。”也許萬物的生發乃源于本初有與無之間的某種張力，這樣一種幽暗的境界并非實有，卻可能演化為實存。也許正如澳大利亞現代原住民的一句諺語所言，無非全無。說來有些不可思議，而且有人可能直接斥之為模糊不清、神秘莫測，但這種說法卻與現代人的觀念有著驚人的相似之處，且被量子物理學接受為核心概念，即空間并非全無一物，而是充滿了多種可能性。

是否真的存在某種能（energy）或勢（potential）的海洋，而從中能夠自然生發出某種形式的存在物，類同波浪或海嘯呢？這個想法事實上為人所司空見慣，以至于我們不由得這樣去想：我們有關終極起源的觀念是否就來自日常的生活經驗呢？每天清晨，我們一覺醒來，便會覺知有型、有感、有結構的世界從無意識的混沌中悄然涌現。約瑟夫·坎貝爾曾這樣寫道：“由于個體人的意識乃基于一汪夜海，夜間潛入，白晝躍出，所以在神話的意象中，宇宙也要出入沒有時限的永恒之境且最終消融于其中。”

但這樣說也許有些過于形而上了。也許這里最大的困難是邏輯問題。斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）曾說過，所謂的起源問題，其提出本身就不合道理。假如說時空幾何如同地球一樣是球形的，只不過維度更多，那么探問宇宙之先曾有何物存在便如同在網球上尋找起點一樣徒勞無益，因為宇宙時空本來就不曾有所謂起點。時間沒有邊界或起點，正如圓形的地球表面不存在所謂邊緣一樣。

當今有一些宇宙學家被另一組概念吸引，由此我們又回到宇宙無始無終的理念。也許我們身居其中的宇宙乃無限多重宇宙中的一個組成部分，新的宇宙會不斷從大爆炸中脫穎而出。也許此說并不錯，但是目前，我們還找不到人類身居其中的這個局部宇宙大爆炸之前有任何物存在的確鑿證據。就好像這次宇宙大爆炸的威力實在太大了，以至于任何其所由自的先前存在的信息都被抹掉了一樣。所以即便是有所謂宇宙小村莊存在，我們卻看不到其他的村莊。

坦誠地講，針對終極起源的問題，我們現代人給出的答案并不比此前人類社會給出的答案高明多少。開啟起源故事現在看來仍像是某種邏輯的和形而上的悖論。我們并不清楚宇宙誕生的金鳳花條件究竟是什么。英國小說家特里·普拉切特（Terry Pratchett）曾這樣寫道：“目前人類對這一問題的認知可總結如下：最初，世間空無一物，然后就發生了大爆炸。”相比之下，我們對此的解釋也不過這個水平。

節點一：宇宙的量子啟動

當今最廣為人所接受的有關宇宙終極起源的故事是大爆炸學說。大爆炸是現代科學認知的一個基本范式，就像生物學中的自然選擇或地質學中的板塊構造一樣。

有關大爆炸起源說的關鍵證據直到20世紀60年代方才到位。那時，天文學家首次探測到宇宙微波背景輻射（CMBR），即大爆炸過后殘留的能量，且至今仍散落在宇宙中。宇宙學家們非常努力地試圖弄清宇宙最初乍現的那一刻，但他們所能講述的故事卻只能從宇宙開啟后（即零時后）的10-43秒左右開始。

故事大概是這樣的：宇宙最初就是一個點，體積比原子還要小。那是多小呢？我們人類的心智經進化已經習慣了人類尺度的事物，所以對特別微小的東西理解起來頗有困難，但可以想象一下：僅在這句話后面的句號里就可以容下100個原子。而在大爆炸之時，整個宇宙真的就比原子還要小很多，而其中卻蘊含著當今整個宇宙的能量和物質。這一點頗難以想象，所以最初提出時，有人直接說這簡直是瘋了。但我們目前所掌握的證據都說明，這一奇妙、微小、熾熱的奇點在大約138.2億年前真的存在。

我們還不清楚宇宙大爆炸究竟是如何發生的，而且為何會是這樣。但量子物理學及粒子加速器——后者能通過電場或電磁場把亞原子粒子旋轉提升到極高的速度——向我們展示了：真實的物質確實能夠在真空條件下從虛無中誕生，雖然要領悟這一點需要對虛無（nothing）有更深刻的把握。根據現代量子物理學，我們根本不可能準確定位亞原子粒子的位置和運動。也就是說，我們根本無法確定某一特定空間處于虛無狀態，或者說虛無中有某種張力，充滿了無中生有的可能性。如同古印度《吠陀經》頌歌中“無既非有，有亦非有”的斷言，這種有無之間的張力似乎確實開啟了我們的宇宙。

如今，我們把宇宙最初誕生的時刻稱作大爆炸，就像新生兒來到這個世上總要伴隨一聲啼哭一樣。大爆炸一詞是英國天文學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）1949年杜撰出來的，他之所以這樣說也是因為覺得這一觀念實在太可笑了。早在20世紀30年代，大爆炸之說尚處于最初醞釀階段之時，比利時天文學家（兼天主教神父）喬治·勒梅特（Georges Lema?tre）已將新生的宇宙稱作“宇宙蛋”（cosmic egg）或“原始原子”（primordial atom）。顯然，當時深諳此道的少數科學家也相信，若是巨大的能量蓄積在原始原子之內，那么這一微小的粒子肯定溫度極高，且其膨脹釋放壓力的速度也必然極快。宇宙膨脹的過程一直持續至今，就好像一根巨大的彈簧持續延展了130多億年。

宇宙大爆炸后最初的幾秒幾分鐘之內發生了許多事。其中最重要的，是最初結構和格局的成型，以及最初的實體或能量形式和特征，而所有這些都是非隨機的（nonrandom）。生成具有新特質的存在過程總會顯得異常神奇。而在現代起源故事中，這種神奇的過程還會不斷呈現。當然了，最初看似神奇的過程慢慢地會變得不那么神奇，因為我們懂得了：凡物都不會是無中生有的。具有新特質的存在不過是既有物質和力量的新穎組合，是新的組合賦予了新的存在以嶄新的特性，正如擺放的方式不同會造成新穎的馬賽克圖案一樣。下面舉一個化學方面的例證加以說明。我們通常認為氫和氧是無色的氣體，但把兩個氫原子和一個氧原子以特定的方式組合，就會生成一個水分子。把眾多水分子聚攏到一起，就會出現嶄新的特性，我們稱之為“水”（wateriness）。我們得見一種新形式或新結構且具新特性的存在，事實上只是已有存在物的新穎組合。創新實在是一種涌現的過程。假如我們把涌現當作起源故事中的一個角色，那么這一角色可能會顯得鬼鬼祟祟（slinky）、神秘莫測，說不準某個時候就從黑暗中迸發出來，而整個故事的情節也會因此而變得曲折新穎、撲朔迷離。

宇宙中最初的結構和格局就是這樣涌現的，從大爆炸中迸發出的物質和力量以新穎的方式組合到一起。

有證據表明，宇宙大爆炸后最初的一剎那，充盈宇宙的是純粹、隨機、未分化且無形的能量。在此，我們可以把能量視作能夠造成事物生發的潛勢（potential for something to happen）、用功做事或改變事物的能力。原始原子中的能量大得驚人，溫度超過絕對零度數萬億度。此后有一個階段，宇宙膨脹的速度極快，被稱作“暴脹”（inflation）期。此時宇宙膨脹的速度總體上都是特別快，以至于人類根本無緣得見宇宙中絕大部分的物質和存在。也就是說，我們今日得見的萬物可能只是宇宙間全部存在的一個極微小部分。

霎時之后，宇宙膨脹的速度降了下來。一方面，大爆炸引發的能量流趨于穩定；另一方面，宇宙又持續膨脹，結果是能量因分散而變得稀薄。此時的平均溫度也開始下降且保持降勢，所以我們今日宇宙的大部區域溫度只有絕對零度（absolute zero，絕對零度是基本粒子靜止不動狀態下的溫度）以上的2.76℃。我們人類以及地球上的其他生物沒有感覺到嚴寒難耐，是因為臨近的太陽給我們送來了溫暖。

在大爆炸引發的極端溫度條件下，幾乎存在各種可能性。但伴隨溫度下降，可能性的幅度變窄。各具特色的實體在宇宙溫度趨降的過程中形同鬼魅般凸現，而所有這些在此前大爆炸的熔爐中是不可能出現的。科學家們把這種事物形式和結構的改變稱作相變（phase changes）。我們在日常生活中常見這種相變，比如水蒸氣失去能量后會變成水（水分子在液體狀態下運動的速率遠低于水蒸氣狀態），而水還會結成冰（水分子在結冰狀態下基本靜止不動）。水和冰只能在溫度較低的條件下存在。

在宇宙大爆炸10-36秒后的剎那間，能量本身經歷了一次相變，并由此一分為四種彼此不同的位態，即我們今日稱作引力、電磁力、強核力和弱核力的四種力。我們有必要熟悉這四個不同的角色，因為它們塑造了我們的宇宙。引力相對較弱，但其作用的力臂很長，而且總是把萬物向一起拉，所以引力有積聚性。引力作用的結果是宇宙分成了好多塊狀物（clumpy）。電磁能呈正負兩種形態，所以常自相抵消。引力雖弱，但卻在大尺度上塑造宇宙；相比之下，電磁力只在化學和生物的層面成為主導，所以是電磁力才讓我們有了渾然一體的身體。第三、四種基本力的名字——強核力和弱核力——貌似不大起眼，而且作用力的力臂很短，只在亞原子尺度發生作用。人類不能直接感受到這后兩種力，但它們卻對世界的方方面面發生作用，因為它們決定原子內部發生的一切。

能量可能還有其他位態。20世紀90年代，科學家在測定宇宙膨脹的速度時發現，宇宙實際上是在加速膨脹。于是，物理學家和天文學家借用了愛因斯坦最初提出的一個想法，主張還存在一種反引力（antigravity），正是反引力造成了宇宙膨脹的不斷加速。而且據說，當今反引力的質量占到了整個宇宙質量的70%。盡管反引力已開始主導整個宇宙，但我們人類對其性質和原理都還一無所知，所以物理學家們稱之為暗能量（dark energy）。其實，這個名稱只不過是個占位符（placeholder），因為暫時還找不到更合適的稱謂。要留心這一空當，因為弄清暗能量是當代科學界所面臨的重大挑戰之一。

物質是在宇宙大爆炸后的第一秒內形成的。所謂物質也就是能量推來推去的那種東西。直到一個多世紀以前，科學家和哲學家還認定物質和能量是截然不同的存在呢！現在我們弄清了：其實物質不過是高度壓縮的能量的一種存在形式。早在1905年的時候，年輕的阿爾伯特·愛因斯坦就在一篇頗為有名的論文中證明了這一點。這就是著名的質能轉換公式，即能量（E）等于質量（m）乘以光速（c）的平方，用符號表示就是E=mc2，我們由此可知單位質量的物質中蘊藏著多么巨大的能量。現在，我們合計一下：一丁點兒的物質究竟蘊藏多少能量。可不是要用物質的質量乘以光速（每小時要10多億千米呢！），而是光速的平方啊！這數字可大得不得了，所以哪怕只是給一丁點兒的物質解壓縮，就足以獲得巨大的能量。氫彈爆炸就是這種為物質解壓縮的過程，而早期宇宙大爆炸的過程與此正好相反。大量的能量被壓縮成很小的物質，就像海量能量中的點點微塵。我們人類的高超之處，就在于我們學會了在瞬時內重新制造出巨大的能量，地點是日內瓦的大型強子對撞機（LHC）。那時，無數粒子從能量的海洋中噴薄而出。

而這只是宇宙大爆炸后第一秒發生的事情……

最初的結構

宇宙大爆炸后留下了海量的能量迷霧，而就在這迷霧中，最初的形式和結構出現了。雖說能量的迷霧至今從未消散，但從里面涌現出的結構為我們的起源故事賦予了輪廓和情節。其中有些結構或格局會持續數十億年，而有些卻只是一閃而過，但沒有哪一種結構會永久地保留。所有的結構都短暫無常，就像洋面涌動的波浪。熱力學第一定律稱：能量的海洋永恒存在，就是說它是守恒的。而熱力學第二定律又稱：其中涌現的所有形式和結構最終還會融入能量之海。形式，如同飄逸的舞步，是不守恒的。

有些頗具特色的結構和形式曾在宇宙大爆炸之后的第一秒出現。可這是為什么？宇宙為何不是能量的隨機流動呢？這是至為根本的大問題。

假如我們的起源故事安插了某個創世神靈，那么結構的問題就很好解釋了。我們只需假定（很多起源故事正是這么做的）：相對混沌，神靈更青睞秩序。但現代的起源故事大多已不接受創世神靈的觀念，因為現代科學找不到直接證據支撐神靈的存在。有很多人聲稱有過接觸神靈的體驗，但有關這種體驗的敘述卻千差萬別且自相矛盾，根本無法復制。這類敘事往往太過柔性、太過分散、太過主觀，不能充當客觀的科學證據。

因此，現代起源故事一定要在神靈之外找到界說結構和形式涌現的理由。這當然不易，因為依據熱力學第二定律，所有的結構終將瓦解。奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）曾這樣寫道：“我們現在認識到，物理學的這一基本定律是說，大自然有一種趨向于無序的傾向（這一傾向從圖書館里圖書的擺放或書桌上隨意堆放的紙張和手稿便可得知），除非我們能夠阻止它。”

如果說現代起源故事中有個惡人，那無疑是熵了，因為熵的存在使整個宇宙呈現出由秩序走向混沌的趨勢。熵可謂熱力學第二定律的忠實奴仆。如果我們把熵安插進我們的現代起源故事，那熵絕對是一個放浪、陰險、無視他人苦痛的家伙，也無心和任何打交道的人含情脈脈。熵自然也非常危險，而且最終會讓所有人失落且無力反抗。熵在現代起源故事的結尾處得意揚揚。它會消融全部的結構和格局，毀掉所有的星體、星系和生物細胞。約瑟夫·坎貝爾曾在一本有關神話的書里用富有詩意的語言這樣描寫熵：“我們所知的整個世界……最終只有一個結局：死亡、瓦解、四分五裂。我們曾那樣熱愛過的一切秩序，在歷經磨難后也將灰飛煙滅。”

現代自然科學常以冰冷的統計數字說明熵的作用。大千世界，凡物形態萬千，但絕大多數都是未加結構化的、隨機的，甚至是混亂的。要做出改變，大多數情況下都非常難，就像是手里握著1080張（10的后面有80個零，宇宙中全部原子的大致數量）紙牌，然后試圖通過洗牌讓所有的A都彼此相連。這樣一種格局世所罕見，也許你洗牌至宇宙的末日甚至花費比這多幾倍的時間都可能無法實現。大多數情況下，你所能得到的只是稍許的整齊或根本的無序。再比如，這里有一堆建材，包括磚、砂漿、電線和涂料等，你朝這堆建材扔過去一枚炸彈，然后就期望著對面的高樓拔地而起，而且網線齊備、窗明幾凈，客戶們爭相排隊購房，這樣的概率究竟有多大？魔法的世界可以完全不考慮熵的作用，但我們居住其中的這個世界卻不能。大部分的宇宙，尤其是星系之間廣袤的空間，都沒有形制和結構，其原因也正在于此。

熵的力量非常強大，所以我們很容易理解最初的結構究竟是如何形成的。但我們知道：結構確實形成了，而且顯然是得到了熵的允許。不過，要把物質連到一起形成更復雜的結構是有代價的，就好像熵會索要復雜性稅金一樣，這稅金就是能量。事實上，我們會看到，熵索要的復雜性稅金種類還不少，就像俄國的彼得大帝（Peter the Great），他專門成立了政府部門，其職能就是編制新的稅種。熵喜歡這么干，是因為復雜實體繳納的稅金能夠助其完成自己的險惡計劃：把整個宇宙粉碎。為熵繳稅本身會制造更多的混亂和浪費，如同現代大城市的運轉會產生巨量的垃圾和廢熱一樣。人一生的每時每刻都要為熵繳稅，直到哪一天人死了，也就不用再繳稅了。

但最初的結構是如何涌現的呢？對此，科學尚未找到完整的答案，雖然有許多想法還是很有希望的。

宇宙間除了能量和物質之外，還有一些基本的源自宇宙大爆炸的運作規則（operating rules）。在17世紀科學革命以前，科學家們并不理解何謂運作規則，而今這些運作規則被稱作物理學基本定律（laws of physics）。這些定律能夠解釋最初的原子為何瘋狂錯亂卻又并非完全沒有方向：正是物理學定律規定了某些特別的路徑，也同時阻絕了似乎無窮盡的其他多種可能。物理學定律濾掉了那些與自身不相容的宇宙狀態，只允許那些和宇宙運作規則相容的狀態出現，新狀態又會依次產生新規則，新規則繼而導引新的發展路徑。

不可能的狀態被不斷濾掉，結果確保了結構在數量上的最小化（minimum）。我們不清楚為何上述的規則會得以成型，或為何是這種形式的規則。我們也不知道這種規則是無可避免的。也許在其他宇宙中也有類似規則，可能與此稍有不同，比方說那里的引力更強些，或電磁力稍弱些。果真如此的話，那里的生靈（若有的話）也會講述與我們不同的起源故事。也許有些宇宙的壽命不過百萬分之一秒，而其他宇宙要比我們這個宇宙的壽命長得多。也許有些宇宙會制造出多種稀奇古怪的生物，而另外一些注定與生無緣。假如我們的宇宙真的只是多重宇宙中的一個，那我們完全可以想見：我們的宇宙問世之時，形同冥冥之中的一場擲骰子游戲剛剛開始，有指令稱“好的，這個宇宙會有引力存在，且有電磁力，電磁力是引力的1036倍”（這的確是我們這個宇宙中引力與電磁力之間的強度比例）。有了這種規則，我們的宇宙便不會完全無序。這就確保了某些地方會發生有趣的事情。

能量以某種形式涌現，便宣布了結構和格局的誕生。能量凝結成最初的物質粒子，也是遵照規則的。故此，在宇宙大爆炸之后的數秒之間，生成了原子的基本組成成分，即中子、質子和電子，與此同時還有質子和電子的反粒子（即帶負電荷的質子和帶正電荷的電子），物理學家分別稱之為物質和反物質（antimatter）。只有在此時，物質與反物質才可能輕松生成，而伴隨宇宙溫度的繼續下降，一場波及整個宇宙的德比毀滅大戰就開始了，物質與反物質彼此湮滅，由此釋放出大量能量。對我們而言頗為幸運的是，有極少量的物質（也許是十億分之一的粒子）躲過了這場浩劫。劫后余生的粒子被限定在某個地方，因為此時的溫度已不足以把物質還原成純能量。這樣殘留下來的物質就是我們整個宇宙間的物質構成。

隨著溫度的下降，物質出現了分化。電子和中微子（neutrino）受電磁力和弱核力的支配，而構成原子核的質子和中子則由三位一體的被稱作夸克（quark）奇異粒子構成，受強核力的綁縛。電子、中子、夸克、質子、中微子……僅在宇宙大爆炸后的數秒之間，溫度快速下降的宇宙就生成了截然分明的結構，而且各具特征。但宇宙大爆炸的風暴漸弱之后，宇宙間就不再具備解鎖這些原始結構的巨大能量條件，所以從此，至少對我們人類而言，上述能量與粒子的不同組合，比如質子和電子，就成了某種永恒不朽的東西了。

偶然性與必然性就這樣協力創造出最初的簡單結構。物理學定律濾掉了多種可能——這是必然性在發生作用。隨后，偶然性又在剩余的諸種可能中隨機揀選并重新組合。這就是最初演化的機理。正如納米物理學家彼得·霍夫曼（Peter Hoffmann）所說：“物理法則的磨礪為之增添了一點兒必然性的色彩，但偶然性才是真正的創造力之源，是后者推動著、形塑著宇宙演化。我們周圍的所有美景，從星系到向日葵，都是混沌與必然協同創造的結果。”

最初的原子

宇宙大爆炸之后的幾分鐘之內，質子與中子發生了組合配對，于是，更復雜的結構出現了。單個的質子是氫原子的原子核部分；成對的質子（與兩個中子）構成氦原子的原子核，此時的宇宙開始搭建最初的原子了。但聚合質子要花費很多能量，因為質子的正電荷彼此排斥，而且由于宇宙大爆炸后溫度迅速下降，所以不可能把很多質子聚合到一起構成較大的原子核。這也說明了我們這個宇宙的一個基本特性：差不多四分之三的原子都是氫原子，剩下的大多是氦原子。

此外，還有很多物質屬于暗物質（dark matter），雖然我們還不大清楚暗物質究竟為何物，但我們確知暗物質是存在的，因為它的引力決定了星系的結構和分布。于是，在大爆炸后的幾分鐘之內，我們的宇宙分化成大規模的暗物質云團，其中有大量的質子和電子的等離子體（plasma），噼啪聲中還有閃亮的光子（photon）穿插其間。如今，等離子體只存在于恒星的內核處。

現在，我們稍等片刻，也就是38萬年的時間（其實差不多是我們人類在地球上生存總時間的兩倍呢！）。在這段時間里，宇宙繼續降溫。當溫度降到10 000℃以下時，就出現了又一次的相變，就像蒸汽化成水那樣。要理解這次相變，我們還需懂得：熱其實是原子運動的一種度量。所有的物質粒子在能量的驅動下都在時刻不停地抖動，就像緊張不安的孩子們一樣，而溫度不過是這種抖動的均值。抖動是真實存在的現象。愛因斯坦在1905年發表的一篇著名論文中指出，正是抖動的原子使空氣中的塵埃粒子出現隨機波動。溫度下降，粒子抖動的頻率也降低，直到最終粒子連接到一起。伴隨宇宙溫度的下降，電磁力會把帶負電荷的電子推近至帶正電荷的質子，直至電子平靜下來并圍繞質子旋轉。就這樣，我們有了最初的原子，而原子是我們周圍所有物質最基本的構成要素。

通常，孤立的原子呈中性，因為其質子和電子的正負電荷彼此抵消。所以，當最初的氫原子和氦原子形成時，宇宙中大部分的物質突然變得中性了，躁動的等離子體一下子消失不見了。作為電磁力載體的光子可以自由穿行在電中性的原子和暗物質霧團中。直至今日，天文學家們依然能夠探測到這次相變的結果，因為擺脫了等離子體的光子造成了一層薄薄的略帶嗡鳴的背景（即宇宙微波背景輻射），至今仍彌漫于整個宇宙。

至此，我們的起源故事已經突破了第一個節點。此時，我們有了自己的宇宙。宇宙中有性質獨特的物質結構存在。能量和物質各具情態。我們還有了原子。而且宇宙有自身的運作規則。

但證據何在？

如果你是第一次聽到這樣的起源故事，一定會感到離奇驚悚，但切勿因此而不以為然，因為我們有大量的證據予以證明。

認定宇宙大爆炸確有其事的第一個線索是：人們發現宇宙在加速膨脹。如果宇宙在膨脹，我們從邏輯上就可以假定：宇宙在很久很久以前一定極其微小。我們知道宇宙在膨脹，是因為我們有強大的觀測設備和技術，而前述的蒙哥湖人根本不具備，雖然僅憑裸眼，蒙哥湖人也對天象進行了出色的觀測。

從牛頓的時代起，大多數天文學家都認定宇宙是無限的，因為如若不然，那么根據引力定律，所有的物質都應被吸附到單一的物質團上，就像集油槽把所有的燃油都吸附到槽里一樣。到了19世紀，天文學家們有了更精確的測量儀器，所以能夠準確地繪制出太空中恒星和星系的分布圖譜，而此時的天文圖譜已經暗示出一種頗為不同的宇宙圖景。

繪制天文圖譜從星云（nebulae）開始，也就是星圖上不時出現的模糊瘢痕。（現在我們知道了，大多數星云其實都是整個的星系，每個星系都有數十億顆恒星）星云距我們有多遠？它們到底是什么？星云在移動嗎？隨著時間的推移，天文學家們已經學會了如何從星云發出的光中獲取更多關于恒星的信息。這些信息包括星云距我們有多遠，以及是在向我們靠近還是遠離我們。

研究恒星及星云的移動，最聰明的辦法是利用多普勒效應（因19世紀奧地利數學家克里斯蒂安·安德烈亞斯·多普勒而得名，又譯克里斯琴·多普勒），測量恒星或星云趨近或遠離我們的速度。能量以波的形式遷移，而波就像海灘的波浪，也是有頻率的。能量抵達波谷相當有規律，是可以測量的。可一旦發生位移，頻率就會發生變化。人下海游泳，然后再浮出水面，那么其遭遇海浪的頻率似乎會增加。聲波也是一樣。如果一物體，比如摩托車，向你隆隆駛來，此時的音頻會提升，人耳對高頻的反應是聲音越來越大。而當摩托車駛過，隆隆的馬達聲會逐漸減弱，因為此時的聲波正被拉長。騎車的人與摩托車之間的相對距離不變，聽到的聲音自然是維持同一頻率。多普勒效應是指物體彼此趨近或遠離時電磁發射頻率的明顯變化。

上述原理同樣適用于星光。如果恒星或星系趨近地球，那其光波的頻率會提升。高頻可見光對人眼呈藍色，所以我們會說光向電磁光譜的藍端趨近。但假如光遠離地球，其光頻會向光譜的紅端趨近，天文學家稱之為紅移（redshift）。因此，我們可以通過測量光頻偏移的幅度得知恒星或星系移動的速度。

1814年，年輕的德國科學家約瑟夫·馮·夫瑯和費（Joseph von Fraunhofer）發明了世界上第一臺分光儀（spectroscope），其實就是一種專業用的三棱鏡，能夠分解不同頻率的星光，正如同普通的玻璃三棱鏡把光分解成五顏六色的彩虹一樣。夫瑯和費研究發現，太陽光的光譜在某些特別的頻段有一些輕微的暗線，就像宇宙的條形碼一般。另有兩位德國科學家，古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）和羅伯特·本生（Robert Bunsen）通過實驗研究發現，某些特別的元素發射或吸收光均有各自不同的頻率。看來上述暗線是太陽外圍溫度較低處不同元素的原子吸收太陽核心處發出的光的不同頻率所致。其結果是減少了這些頻段能量的吸收，所以在發射光譜上留下了多條暗線。這種暗線被稱作吸收線（absorption lines），而不同元素會造成不同的吸收線格局。比如，碳和鐵的吸收線就頗為典型。如果星光出現紅移，碳和鐵的吸收線都會向光譜的紅色端趨近，我們甚至可以準確測量其趨近的幅度。對天文學家而言，這就相當于警察手里的機動車測速儀。

20世紀初，美國天文學家維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）使用上述探測技術吃驚地發現有大量天體都出現了紅移現象，也就是說：這些天體都在遠離地球，而且速度很快！這種彼此分離的現象頗令人驚異。其背后的真實意義究竟是什么？對此給予明確回答的是美國另一位天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble），后者對這些遙遠的天體與地球的距離進行了大量觀測，此外還結合了其他眾多發現。要測量地球與恒星和星系之間的距離，還是很復雜的。原則上，照古希臘人的理解，我們可以使用視差（parallax）法，就像尋常的測量員一樣。在地球繞太陽旋轉的數月間，仔細觀察夜空中的星星相對其他星星是否出現移動。如果有，就可以用三角尺測量一下其與地球間的距離。很不幸的是，哪怕是離我們最近的比鄰星（Proxima Centauri）也異常遙遠（差不多有4光年），所以不借助某種特殊的儀器，根本別想探測出其是否有動靜。就這樣，直到19世紀，才有天文學家使用視差法測定了地球與鄰近星體的距離。但無論怎么說，維斯托·斯里弗研究的星體比這遙遠得多。

幸運的是，在20世紀初，哈佛天文臺的天文學家亨麗愛塔·勒維特（Henrietta Leavitt）找到了測定遙遠星體和星系距離的方法，她使用了一種被稱作造父變星（Cepheid variable）的星體作為參照物，因為這種星體的亮度變化極有規律（北極星就是這樣一種造父變星）。勒維特發現，造父變星的頻率與星體的亮度（luminosity）之間有某種非常簡單的對應關系，而據此就可以計算出造父變星的絕對亮度（absolute brightness）值。接著，比較該變星此前對地球呈現的視亮度（apparent brightness），就可以計算出該星體的距離，因為星體的亮度會伴隨其遠去的程度而漸趨式微。這一精妙絕倫的技術即天文標準燭光（astronomical standard candles），為埃德溫·哈勃有關宇宙的兩大發現做好了準備。

20世紀初，大多數天文學家都認為整個宇宙不過我們銀河系（the Milky Way）這么大。1923年，哈勃使用洛杉磯威爾遜山天文臺的望遠鏡——當時世界上最強大的望遠鏡——對太空實施觀測，發現原以為從屬仙女座星云（Andromeda nebula）的造父變星太過遙遠，所以根本不可能是我們這個星系的一部分。這一觀測證實了一些天文學家的猜測，即宇宙要比銀河系大得多，是由多個星系組成的，而不僅僅是我們的銀河系。

不過，哈勃以造父變星為依托對大量遙遠的星體進行觀測，又有了一個更令人震撼的發現。1929年，他成功地向世人證明：差不多所有的星系看起來都在遠離地球，而且越是距離遙遠的，其紅移的幅度就越大。換句話說，距離越遠的物體，其遠離的速度就越快。這似乎意味著整個宇宙在膨脹。此前，比利時天文學家喬治·勒梅特早有這樣的疑惑，但只不過是純理論的推測。勒梅特認為：如果宇宙真的是在膨脹，那么在過去的某個時間，它就應該是處于高度壓縮的微小空間。勒梅特將這一微小空間稱作原始原子（primordial atom）。

大多數天文學家對宇宙膨脹這一說法感到震驚，覺得哈勃的計算肯定是出現了錯誤。就連哈勃本人對此也沒有一點兒把握，更何況愛因斯坦堅信宇宙是穩態的，并搬出他的廣義相對論方程對穩態宇宙加以證明，還特意添加了一個所謂宇宙常數（cosmological constant）的概念。

天文學家之所以對此抱懷疑態度，部分原因還在于哈勃的估算確實存在一些問題，因為根據哈勃的計算，宇宙膨脹大約始于20億年前，而當時的天文學家早已確知地球和太陽系的年齡都比這要大得多。正是出于這個原因，大多數天文學家幾十年來都認為哈勃有關宇宙膨脹的想法很有意思，但卻可能是錯誤的。許多人更愿意接受1948年赫爾曼·邦迪（Hermann Bondi）、托馬斯·戈爾德（Thomas Gold）及弗雷德·霍伊爾提出的穩恒態宇宙理論。根據宇宙穩恒態說，很多星系之間的距離確實是在加大，但與此同時還創造出了很多新物質，所以從大尺度看，宇宙的總體密度是恒定的，形態也變化不大。

不過最終，事實證據還是更支持宇宙膨脹說。20世紀40年代，同在洛杉磯威爾遜山天文臺（哈勃曾在此工作）的沃爾特·巴德（Walter Baade）證明：造父變星實際上有兩種，所以據其估算的距離就會出現一定的差別。巴德進行了重新計算，認為宇宙大爆炸可能發生在100多億年以前（目前最精密的估算值是138.2億年前）。這樣一來，原有的歷史年代問題就不是問題了。我們現在所能了解到的所有天體的年齡都不超過138.2億年，這一點完全支持大爆炸宇宙說。畢竟，如果說宇宙是永恒不變的，那肯定有好多天體的年齡要超過138億年。

真正可靠的證據是在20世紀60年代發現的，這就是宇宙微波背景輻射。這一背景輻射是大爆炸后約38萬年最初原子形成時輻射釋放遺留下的。宇宙微波背景輻射可謂宇宙膨脹說富有決定意義的證據。為什么這樣說呢？

20世紀40年代，一些天文學家和物理學家對哈勃的數據已經有了較深刻的印象，于是便試圖弄清：假如真的發生了大爆炸，那會是怎樣一番景象呢？假如萬物都被壓縮至一個原始原子，那最初的宇宙該是什么樣子呢？如果哈勃和勒梅特說得不錯的話，那早期宇宙應該極端致密且熾熱，而其膨脹至冷卻的速度也肯定非常快。物質和能量真處于這種極端條件下又會如何表現呢？第二次世界大戰期間，制造原子彈的“曼哈頓計劃”刺激了極高溫條件下的物理研究。20世紀40年代末，俄裔美籍物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）運用參與“曼哈頓計劃”的研究所得，開始思考宇宙大爆炸后的可能情形。伽莫夫與同事拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）預測，宇宙大爆炸后肯定會溫度下降，待到溫度適宜時，最初的原子才能形成，而原子形成時還必然伴隨著巨大能量的釋放，而光子也會擺脫前原子時代帶電等離子體的束縛，開始在電中性的宇宙中穿行。此外，他們還論證說，釋放能量的閃光應該可以被察覺到，雖然閃光的頻率伴隨宇宙膨脹會降至幾乎為零。如果科學家仔細觀察，就會發現溫度近乎絕對零值的輻射從四面八方涌來。不過那時，對多數人而言，這種說法近乎瘋狂，所以根本沒有人試圖以整個宇宙為范圍尋找低溫輻射。

1964年，有科學家偶然發現了伽莫夫所謂的輻射閃光。在位于美國新澤西霍姆德爾的貝爾實驗室，有兩位射電天文學家，阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson），當時他們正在建造一個高精度無線電天線，以接收人造衛星的通信信號。為消除干擾，他們把接收器冷卻到比絕對零度高3.5℃的水平，但令人費解的是，此時還有一個低溫能量釋放的嗡鳴聲存在，而且這個聲音似乎來自四面八方，所以不可能是某個巨大的恒星爆炸所致，這一點他們是知道的。他們于是懷疑故障出在了接收器上，就試圖把棲息在角狀天線上的一對鴿子驅離，還清掃了鴿子留下的糞便，可這樣還是無濟于事。（那對可憐的鴿子總想返回天線，最終不得不遺憾地被射殺。）而在不遠的普林斯頓，羅伯特·迪克（Robert Dicke）正帶領一隊天文學家尋找伽莫夫所謂的背景輻射，卻突然聽說了彭齊亞斯和威爾遜的最新發現，于是馬上意識到后者搶占了先機。兩隊科學家決定聯合撰寫論文，講述他們的發現。他們認為，這可能是伽莫夫曾預測到的、宇宙大爆炸后的能量釋放所致。

宇宙微波背景輻射的發現使大多數天文學家接受了宇宙大爆炸理論，因為其他理論都無法解釋這種波及整個宇宙的輻射現象。類似這樣先是奇怪卻最終成功的預測是說服科學家的最強有力的方式之一，它能說明這一理論是正確的。看來宇宙是在膨脹，而且真的是發端于宇宙大爆炸。

時至今日，有關宇宙發端于大爆炸的證據是壓倒性的，可謂不容置疑。有關細節還需進一步研究，但其核心觀念足以成為現代起源故事的第1章。這樣，我們的故事也就啟動了。根據量子物理學，實有可自真空起，看來整個宇宙發端于虛無的確是真的，因為這虛無充滿潛勢。