序言

宇宙的起源

人類正生活在宇宙的黃金時期，距離宇宙中發生的那些激動人心的事件已經過去很久了。在繁星滿天的日子里遙望天空，你會看到數以萬計的星星組成一條被我們稱作“銀河”的玉帶，橫跨黑暗的天空。這是古人對宇宙的全部了解。漸漸地，隨著人們發明出倍率越來越大和分辨率越來越高的望遠鏡，一個難以想象的浩瀚宇宙開始進入我們的視野。大量的恒星聚集在我們稱為星系的光島之中，周圍圍繞著的是寂靜的微波海洋——這是約150億年前宇宙大爆炸的回聲。時間、空間和物質似乎起源于一次爆炸性事件，在那之后，宇宙以一種整體膨脹的狀態出現，同時也在逐漸冷卻，不斷變得稀薄。

最開始，宇宙是一個充滿輻射的“煉獄”。它的溫度太高了，導致任何原子都無法在其中生存。在發生大爆炸后的最初幾分鐘里，宇宙的溫度便冷卻到足已形成最輕的元素的原子核。在僅僅幾百萬年之后，宇宙就已冷卻到足以形成原子，簡單的分子也隨之出現。經過數十億年的復雜發展，物質凝聚形成恒星和星系。而后，隨著穩定的行星環境的出現，一系列復雜的生物化學復合體以我們不甚了解的過程被孕育出來。這一系列復雜的過程是如何以及為何開始的呢？關于宇宙的起源，現代宇宙學家必須解答哪些問題？

從現代科學的角度來看，古代的各種創世故事都算不上科學理論，因為它們并未試圖揭示任何關于宇宙結構的新認知，它們的目的僅僅是消除人類想象中的未知恐懼。通過從創世的角度定義人類所在的位置，古人可以將世界與自身聯系起來，從而消除對未知或不可知的事物的恐懼。現代科學需要達到的目標遠不限于此，它必須足夠深刻，才能告訴我們更多未知的宇宙信息；現代科學的知識儲備必須廣博到能夠做出預測，以證明和解釋當前的宇宙；現代科學還應該為我們指出隱藏在一系列不相關事實背后的內在連貫性和統一性。

雖然現代宇宙學家采用的方法很簡單，但對外行人而言并不容易理解。這種方法就是，首先假設支配地球運轉的法則，然后將其推廣到整個宇宙的尺度上，直到某人發現這個法則并不適用，再對其進行調整。比較典型的例子是，宇宙中有一些地方處于極端環境中，比如擁有極高或者極低的密度和溫度，尤其是在過去的某段時間里，但我們生活的地球沒有這種情況。因此有時候，我們期望相關理論在這樣的極端條件下仍能適用。雖然有時確實如此，但在一些情況下，我們研究的是近似真實的自然法則模型，相比于真正的自然法則，前者具有一定的限制性。因此，當我們達到這些極限時，必須嘗試建立更接近真實的模型才能解釋特殊的新發現。雖然許多理論能用于預測，但我們不能通過觀測檢驗其對錯。事實上，正是這些預測決定了未來天文臺或者人造衛星的建造。

宇宙學家熱衷于構建“宇宙模型”，他們希望通過模型對宇宙的結構和歷史進行簡化的數學描述，以找到主要特征。就像模型飛機重現了真實飛機的一部分但并非所有特征一樣，我們不可能寄希望于一個宇宙模型就可以涵蓋宇宙的每一個細節。我們的宇宙模型還比較粗略，它們將宇宙看成一個完全均勻的物質海洋，但忽略了物質凝聚成恒星和星系的過程。只有當研究者研究更具體的問題，比如恒星和星系的起源時，才會考慮這個完美均衡的模型的缺陷。不過，構建模型這一方法非常有效，因為宇宙最顯著的特征就是，我們可以通過模型，用簡單且理想化的方式描述宇宙中以物質的形式均勻分布的可見部分。

宇宙模型還涉及宇宙的某些性質，諸如宇宙的密度或者溫度，后者的數值只能通過觀測獲得，而且只有一些特定觀測值組合符合模型的要求。通過這種方式，我們可以檢驗宇宙模型和真實宇宙之間的兼容性。

我們在宇宙的各方面探索上成就斐然。除了使用衛星、航天器和望遠鏡，我們還可以利用顯微鏡、原子對撞機和加速器、計算機以及人類的思維，來擴展對整個宇宙微觀環境的認識。除了外太空的世界，比如恒星、星系以及宏大的宇宙結構，我們也開始研究微觀世界深處錯綜復雜的精妙之處。在那里，我們發現了原子核的內部結構和組成部分——作為物質的基礎組成部件，雖然數量很少，結構簡單，但它們的結合組成了這個紛繁的世界，而我們也不過是其中特殊的一部分。

我們的兩個前沿認知——關于物質組成的微觀世界和恒星及星系組成的天文世界，在當代以一種意想不到的方式結合到了一起。它們原本屬于不同的研究領域，由不同的科學家通過不同的方式來解答，現在他們的研究興趣和方法緊密地交織在一起。通過粒子探測器對基本粒子展開研究，科學家很可能揭開星系形成的奧秘，這些基本粒子的特性也可能通過觀測遙遠的星光得到答案。通過重建宇宙的歷史、尋找宇宙“青少年時期”的遺跡，結合宏觀和微觀的物理世界，我們對宇宙的統一性有了更加深刻和完整的認知。

《宇宙的起源》這本書的目的是，為初學者簡明扼要地解說宇宙的起源。比如，關于宇宙早期的歷史，我們有什么證據？宇宙起源的最新理論是什么？我們可以通過觀測檢驗這些理論嗎？我們自身的存在與它們有什么關系？這些是我們向著時間之始行進的旅程中可能會遇到的一些問題。我還將介紹一些關于時間的本質的最新理論，比如“宇宙暴脹”和“蟲洞”理論，并在此過程中解釋COBE衛星（宇宙背景探索者衛星）觀測的重要性以及在1992年春天，它的觀測給我們帶來的欣喜。

我要感謝從事宇宙學研究的同事以及合作者，他們的討論和發現讓我有機會講述宇宙起源的故事。安東尼·奇塔姆（Anthony Cheetham）和約翰·布羅克曼（John Brockman）對這本書的構想值得稱贊。我還要感謝格里·萊昂斯（Gerry Lyons）和薩拉·利平科特（Sara Lippincott）的指導。我的妻子伊麗莎白也提供了大量的幫助，她讓我迅速地完成了這本書的寫作，而不是無限期拖延，我對她所做的一切一如既往地心懷感激。當然，我的另一些家庭成員——戴維、羅杰和路易斯對這本書就顯得興致索然了，他們最感興趣的是夏洛克·福爾摩斯。