世界已經存在很多年了，

它一旦被設定了合適的運動，

其他的一切都隨之而來。

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盧克萊修，古羅馬哲學家，約公元前50年

起初，將近140億年前，已知宇宙所有的空間、所有的物質、所有的能量，都包含在一個極小極小的尺度之內，比這句話末尾的句號的一萬億分之一還要小。

那時的溫度是如此之高，自然界中描述這個宇宙的四種基礎作用力還是統一的。雖然我們依然不知道它是如何出現的，但這個比針尖還要小的宇宙只能膨脹——急速膨脹。我們將其稱為大爆炸。

愛因斯坦在1916年發表的廣義相對論，為我們提供了關于引力的現代理解，即物質和能量的存在彎曲了圍繞它們的空間和時間結構。在20世紀20年代，量子力學被發現，為我們提供了微觀世界的現代觀念：分子、原子和亞原子粒子。但是這兩種對自然界的理解方式在形式上是彼此不相容的，這使得物理學家們開展了一場競賽，要將微觀理論與宏觀理論融為一種內在一致的量子引力理論。雖然我們還沒有達成目標，但我們知道最大的困難所在。其中之一是在早期宇宙的“普朗克時期”。那是大爆炸之后時間間隔從t=0到t=10^-?3秒（1秒的千億億億億億分之一），并在宇宙尺度增長到10^-3?米（1米的千億億億億分之一）之前。這些難以想象的小尺度被命名為普朗克時間和普朗克長度，馬克斯·普朗克（Max Planck）是德國科學家，他在1900年引入了量子化能量的概念，被譽為“量子力學之父”。

引力和量子力學之間的沖突對當代宇宙沒有什么實際的影響。天體物理學家們把廣義相對論和量子力學的原理和工具應用于不同種類的問題。但在宇宙開始的時候，也就是普朗克時期，極大也是極小，我們懷疑兩者一定曾經有某種強制聯姻。唉，然而我們對它們在那個儀式上交換的誓言一無所知，所以沒有任何（已知的）物理定律能夠描述宇宙在那個時期的行為。

盡管如此，我們預計在普朗克時期結束時，其他三種自然力仍然統一，引力逐漸分離出來，成為我們目前的理論可以很好地描述的獨立作用力。隨著時間達到10^-3?秒，宇宙繼續膨脹，稀釋了所有曾集中的能量，剛才還保持統一的作用力分裂成“弱電力”和“強核力”。后來弱電力分裂成電磁力和“弱核力”，從而使得我們已經能夠認識到的四種作用力顯露了出來：決定放射性衰變的弱核力，把原子核束縛起來的強核力，使得分子結合在一起的電磁力，把大團物質聚集在一起的引力。

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從宇宙誕生開始，至此過去了萬億分之一秒。

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在那段時間，以亞原子粒子的形式存在的物質，與以光子的形式存在的能量（光子既是粒子又是波）之間的相互作用持續不斷。那時的宇宙溫度足夠高，這些光子會自發地把它們的能量轉換為物質—反物質粒子對，緊接著又彼此湮滅，把能量重新轉換為光子對。是的，反物質是真實的，我們已經發現了它，這并不是科幻作家的想象。這種能量和物質之間的轉換完全遵守愛因斯坦最著名的質能方程：E=mc2，它既可以用來算你的能量“值”多少物質，也能用來算你的物質“值”多少能量。方程里c2是光速的平方，它是個巨大的數字，用它乘以質量，讓我們知道在這個“運算”中我們可以獲得多么巨大的能量。

在強核力和弱電力分道揚鑣之前、之中、之后這段極短的時間里，宇宙變成了由夸克、輕子和它們的反物質兄弟——還有承擔它們相互作用力的玻色子——共同組成的一大鍋沸湯。這些粒子家族每一類都有好幾個變種，但它們都被認為無法再分割成更小或更基本的粒子了。普通的光子是玻色子家族的一員。對于非物理學家來說最熟悉的輕子就是電子，可能還有中微子。至于最熟悉的夸克……好吧，沒有你們熟悉的夸克。夸克一共有六種，每一種都被賦予了一個抽象的名稱，這些名字不具有真正的語言學、哲學，或教育學的目的，只是為了區別彼此：上夸克和下夸克、奇異夸克和粲夸克、頂夸克和底夸克。

玻色子，順便說一下，是根據印度科學家薩特延德拉·納特·玻色而命名的。“輕子”這個詞來源于希臘文leptos，意思是“輕”或“小”。然而“夸克”這個名字則有一個頗具文學色彩也更富想象力的起源。物理學家莫瑞·蓋爾曼在1964年提出存在夸克，它們是中子和質子的內部成分，他當時認為夸克家族只有三名成員，所以從詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》里一句含義出名模糊的句子“向麥克老人三呼夸克”（Three quarks for Muster Mark）借用了夸克（quark）這個詞。這些夸克有一個共同的特征：它們的名字都特別簡單——這似乎是當化學家、生物學家，特別是地質學家在給他們自己的研究對象命名時無法做到的事情。

夸克是古怪的野獸。它們跟質子和電子有個不同的性質，每個質子擁有+1電荷，電子擁有的電荷為-1，可是夸克具有的電荷為分數——只能是1/3或2/3。而且你永遠不可能抓住一個單獨的夸克，它總是跟附近的其他夸克抱成團。事實上，你把兩個或更多個夸克分開的距離越遠，把它們束縛在一起的力量也會隨之增強——它們就像是被原子核內的某種橡皮筋拴在一起。夸克被分離得足夠遠時，橡皮筋斷裂，原本儲存的能量會“召喚”質能方程E=mc2在橡皮筋兩端各產生一個新的夸克，把你又帶回到了起點。

在夸克—輕子時代，宇宙是足夠致密的，不相連的夸克之間的平均距離，足以與相連夸克之間的距離相比。在這種情況下，相鄰夸克之間無法建立明確的忠誠關系，它們在彼此之間自由地移動，盡管總的來說仍然彼此束縛在一起。這種好像夸克湯一樣的物質狀態，是2002年由紐約長島布魯克海文國家實驗室的物理學家們發現的。

強有力的理論證據表明，在極早期宇宙中的一段時間，某種作用力分離之時，賦予了宇宙一種非同尋常的不對稱性，其中物質粒子的數量略微超過反物質粒子：比例為十億零一比十億。即使那時有人的話，也不會注意到夸克和反夸克、電子和反電子（更常用的名字是正電子）、中微子和反中微子在連續創造、湮滅和再制造過程中產生的如此之小的數量差異。一個人有大把機會找一個“反物質人”彼此湮滅，其他的人也都是如此。

但不久之后就不一樣了。隨著宇宙的不斷膨脹并且冷卻，宇宙增長到大于我們的太陽系尺度時，溫度已經迅速下降到1萬億開爾文[1]以下。

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現在，百萬分之一秒過去了。

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在這個不溫不火的時期，宇宙的溫度和密度沒有那么高了，不足以“煮”夸克湯了，所以它們都抓住了身邊跳舞的伙伴，創造了一個永久性的重粒子新家族，稱為強子（hadron，來自希臘文hadros，意思是“厚”）。這種從夸克到強子的轉變很快形成了質子和中子，以及其他不為人所熟悉的重粒子，它們都是由各類夸克的彼此組合形成的。在瑞士（我們回到地球上來）歐洲核子研究組織（更廣為人知的是其縮寫CERN）用一臺大型加速器使強子束發生碰撞，試圖重新創造這些極端條件。這個世界上最大的機器便被順理成章地叫作“大型強子對撞機”。

夸克—輕子湯里令人困擾的微小的“物質—反物質不對稱性”如今傳遞到了強子中，但產生了非凡的后果。

隨著宇宙繼續冷卻，可供自發產生基本粒子的能量在減少。在強子時代，環境中的光子因為沒有足夠的能量，不能再根據質能公式E=mc2來制造夸克—反夸克對。不僅如此，從仍存在的正反物質湮滅中產生的光子，也由于宇宙的不斷膨脹而在損失能量，降到了產生強子—反強子對所需的能量門檻之下。每10億次的粒子湮滅（由此留下10億個光子）才會有一個強子幸存。那些孤獨的幸存者最終將笑到最后：它們是產生星系、恒星、行星和牽牛花的終極物質來源。

如果沒有在物質和反物質之間十億零一與十億的不平衡，宇宙中的所有物質都將自我湮滅，留下一個由光子組成的宇宙，沒有別的——永遠是“要有光，就有光”的景象。

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現在，一秒鐘的時間已經過去了。

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宇宙尺度已經增長到了幾光年（1光年是光在1地球年里傳播的距離，約10萬億千米），大約相當于從太陽到離它最近的恒星的距離。此時溫度為10億開爾文，仍然是非常之熱——仍然能夠“煮”電子以及與其對應的正電子，電子—正電子繼續玩著跳出來又消失的游戲。但在不斷膨脹、不斷冷卻的宇宙里，它們的日子（說真的，是秒數）已經在倒計時了。夸克的命運，強子的命運，也將成為電子的命運：最終只有十億分之一幸存下來。其他的電子都和它們的反物質伙伴兒發生湮滅，融入了光子的海洋。

就在現在，每個質子對應一個電子已經被“凍結”成為現實。隨著宇宙繼續降溫，降到1億開爾文以下時，質子與質子當然還有中子發生融合形成原子核，孵化出一個嬰兒宇宙，其中90%的原子核是氫，10%是氦，還有痕量的氘（重氫）、氚（超重氫）和鋰。

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從宇宙誕生開始，已經過去了兩分鐘。

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接下來38萬年里，我們的粒子湯里沒有發生什么新鮮事。在這漫長的時光里，宇宙溫度仍然足夠高，高能電子可以自由地在光子之間漫游，就像來回擊球一樣不斷地吸收和發射光子，發生相互作用。

但是，當宇宙溫度低于3000開爾文（大約是太陽表面溫度的一半）時，這種自由自在就戛然而止了，所有的自由電子都跟原子核發生了結合。它們的聯姻留下了無處不在的可見光，不僅為那一刻天空中的所有物質留下了永遠的印記，也宣告了原初宇宙粒子和原子的形成過程已經完成。

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在第一個10億年里，宇宙繼續膨脹并冷卻，這時物質因為引力作用聚集成團，形成了我們所稱的星系，數量近1000億。每個星系都含有幾千億顆恒星，恒星核心發生著熱核聚變。那些質量超過太陽數十倍的恒星，其核心具有足夠高的壓力和溫度，從而制造了比氫要重的幾十種元素，正是基于這些元素，才構成了行星，為生命勃發提供了場所。

如果這些元素停留在它們形成的地方，那它們將毫無用處。不過，大質量恒星會發生不可預料的大爆炸，把元素種類豐富的內核拋撒到整個星系，這種重元素豐度（數量密度）增加的過程，稱為增豐。這樣的增豐過程持續90億年之后，在宇宙的一個平凡角落（室女超星系團的外圍），一個平凡的星系（銀河系）中，一塊平凡的區域（獵戶旋臂）上，一顆平凡的恒星（太陽）誕生了。

從其中形成太陽的氣體云包含了足夠多的重元素，凝聚生成了一系列相互繞轉的天體，其中包括幾顆巖石行星和氣態行星、數以萬計的小行星和數十億顆彗星。在最初的幾億年里，在軌道上殘留的橫沖直撞的大量碎片被吸積到更大的天體上。這是以高速、高能撞擊的形式發生的，從而熔化了巖石行星的表面，阻止了復雜分子的形成。

隨著在太陽系中留下來的可吸積物質越來越少，行星表面開始冷卻。我們稱之為地球的這顆行星形成于太陽周圍的“金發女孩區域”[2]，這里的海洋主要以液態形式存在。如果地球離太陽更近，海洋就會被蒸發掉；如果地球離得更遠，海洋就會結冰。無論哪種情況，我們所知道的生命都不會誕生。

在富含化學物質的液態海洋中，通過一種尚未發現的機制，有機分子轉變為可自我復制的生命。在這個原始湯中占主導地位的是簡單的厭氧菌——在無氧環境中繁衍的生命，但會排泄出作為副產物的氧氣。這些早期的單細胞生命體不知不覺地將地球上富含二氧化碳的大氣層轉化為富含氧氣的環境，使需氧生物體能夠出現并主宰海洋和陸地。相同的氧原子通常以氧氣（O?）的形式成對出現，也能在大氣層高處形成臭氧（O?）層，它就像盾牌一樣吸收了陽光中大部分紫外光子，從而保護地球的表面不受其傷害——紫外線能破壞分子結構。我們把令人驚奇的生命多樣性歸功于地球，當然我們假設在宇宙其他地方也有豐富的碳，也有無數含碳的簡單或復雜的分子。毫無疑問：碳基分子的復雜多樣要遠超其他元素組合出來的分子結構。

但生命是脆弱的。地球偶爾會與個頭較大又任性的彗星和小行星相撞，這種事件在歷史上很常見，足以毀掉我們的生態系統。僅僅6500萬年前（距離我們的時間不到地球歷史的2%），一顆百億噸的小行星撞擊了現在墨西哥的尤卡坦半島，抹殺了超過70%的地球動植物種類——包括所有著名的超級恐龍。這次大滅絕使我們的哺乳動物祖先能夠填補新的空缺，而不是繼續充當霸王龍的開胃小菜。這些哺乳動物中一個腦袋很大的分支，我們稱之為靈長類，其中一個屬種（智人）擁有了足夠的智慧來發明科學的方法和工具——去推斷宇宙的起源和演化。

在這一切之前發生了什么？在開始之前發生了什么？

天體物理學家不知道。或者，我們最有創意的想法在實驗科學看來幾乎或者完全缺乏基礎。一些宗教人士用一種帶有正義色彩的斷言作為回應，認為這一切必須有某種東西作為啟動：一種比其他所有力量都要大的力量，一個一切問題的源頭，一個原動力。當然，在這樣的人士心目中，某種東西就是上帝。

但是，會不會宇宙是永恒的存在，只是它的狀態我們尚未認識到呢——比如，它是一個不斷誕生宇宙的多重宇宙？或者，如果宇宙僅僅是從一無所有中冒出來的呢？或者，如果我們所知道和熱愛的一切都只是一個具有超級智慧的外星物種為了好玩而做的計算機模擬游戲呢？

這些哲學上有趣的想法通常滿足不了任何人。然而，它們總能提醒我們：“不知道”才是科學家的自然心態。那些相信自己無所不知的人，既沒有尋找更沒有看過宇宙中已知和未知的界限。

我們所知道的是，我們可以毫不猶豫地斷言的是，宇宙有一個開始。宇宙在繼續演化。而且，是的，我們身體里的每一個原子都可以追溯到宇宙大爆炸，以及50多億年前發生爆炸的大質量恒星里的核聚變。

我們是獲得了生命的星塵，然后被宇宙賦予了發現自我的使命——而我們的旅程才剛剛開始。