第1章
第一个30万年：宇宙、时间、空间的起源

薇奥拉：朋友们，这儿是什么国土？

船长：这儿是伊利里亚（Illyria），姑娘。

起源问题

万事万物是如何起源的？这是创世神话所要面对的首要问题，无论现代宇宙学取得了多么大的成就，这个问题还是需要慎重对待。

一开始，所有的解释都面临同样一个难题：某种事物如何从无到有。这是一个普遍的难题，因为万物的开端是无法解释的。最小的物质，亚原子粒子（subatomic particles）在一瞬间从无到有，并不存在什么中间状态。量子物理学精确地分析了这些介于似有似无之间的奇异突变，但这种解释对于人类是没有意义的。澳大利亚原住民有句俗语可以很好地概括这一看似荒谬矛盾却又正确的说法：“虚无就是虚无。”

对于起源解释之难的意识与神话一样古老。以下经文就以一种颇为老到成熟的口吻和惊人的现代怀疑论观点提出了这些问题。它来自公元前1200年左右古印度诗歌总集《梨俱吠陀》（ Rig-Veda ）中的一首颂诗。该诗描述了创世之前似有还无的一处神秘之地：

无既非有，有亦非有；无空气界，无远天界。何物隐藏，藏于何处？谁保护之？深广大水。

死既非有，不死亦无；黑夜白昼，二无迹象。不依空气，自力独存，在此之外，别无存在。

其光一闪，横向射出，或在于上，或在于下。有施种者，有宏大者。自力为下，冲力为上。

谁真知之？谁宣说之？彼生何方？造化何来？世界先有，诸天后起；谁又知之，缘何出现？

世间造化，何因而有？是彼所作，抑非彼作？住最高天，洞察是事，惟彼知之，或不知之。

我们从中得到一个暗示，首先，存在着一种强有力的虚无——就像制陶工场院里的黏土等待被塑造成什么。现代核物理学也正是这样理解真空观念的：它虽然是空无，但能够拥有形状和结构，（正如粒子加速器的实验所证实的那样）能够从虚无中爆发出“物质”和“能量”。

也许有那么一个陶匠（或者若干个陶匠）正准备着赋予真空以形状。也许陶匠就是黏土本身。根据16世纪玛雅人的手稿《布布尔·乌赫》（ Popol Vuh ，又名《社团之书》）：“不管怎样，什么都不存在：只有喃喃细语，只有浪花涟漪，在黑暗中，在夜色里。只有创造者（Maker），也就是塑造者（Modeler）本人，那羽蛇神（Sovereign Plumed Serpent）、信使（Bearers）、生产者（Begetters），在水里微微闪光。他们就在那里，包围在格查尔鸟（quetzal）的蓝绿色的羽毛里。” 但是造物主又是从哪里来的呢？每一个开端似乎都意味着会有一个更早的开端。在一神论的宗教，例如基督教或伊斯兰教那里，只要你问，上帝是如何被创造的，问题就出来了。我们所遭遇的不是一个出发点，而是永无穷尽的出发点，每一个出发点都会遇到相同的问题。

对于这一进退两难的境地，并没有完全令人满意的答案。我们不得不找到的不是答案，而是某种处理这个奥秘的方法，用禅宗的譬喻来说，就是“指月”的方法。只是我们不得不立下文字而已。然而我们的文字，从上帝到引力都不足以胜任这个任务。因此，我们不得不诗性地或象征性地使用语言；这种语言，不管是科学家、诗人还是萨满使用，都很容易被人误解。法国人类学家马塞尔·格里奥勒（Marcel Griaule）曾经向一位多贡人 （Dogon）的智者奥格特梅利（Ogotemmeli）请教一个神话的细节内容，这个神话是说，许多动物拥挤在一级极小的台阶之上（就像在挪亚方舟上的动物一样）。奥格特梅利略带烦躁地回答说：“所有这些都必须用语言文字表述，但台阶上的每一事物都是一个象征……不管有多少象征都可以在那个一尺台阶上找到自己的空间。”这里翻译为“象征”的字也可以翻译成“这个下界的语言”。 面对事物的起源，语言本身濒临崩溃。

其中一个最难对付的难题是关于时间的。当没有时间的时候，“时间”存在吗？时间是我们想象出来的东西吗？ 在某些思想体系中，时间并不真正存在，地点才是重要的万物之源，而创世的悖论也多种多样。 但是，对于那些把时间视为中心的人类共同体而言，关于起源的悖论是无法避免的。下文是伊斯兰教对祆教徒解开这些谜团所作尝试的一个概括。其中，创造者是一个被称为“时间”的永恒实体，他创造了一个变化的宇宙。这个宇宙由两个相互对立的原则所支配，就是阿胡拉马兹达（Ohrmazd）和阿里曼（Ahriman）两个神。

除了时间，所有的事物都是被造的。时间是创造者，时间是无限的，没有顶点也没有底端。它一直存在，永远存在。没有任何智者能说出时间何时到来。尽管所有的伟大都围绕着它，却没有人称它为创造者；因为它还没有带来什么创造。于是它创造了火和水，当它把水火放在一起，阿胡拉马兹达就存在了，同时时间就成了它所创造的事物的创造者和主。阿胡拉马兹达就是光明，就是纯净，他是善良、仁慈的化身，具有统治一切善良事物的力量。然后，他向下俯视，看见了远在96000帕勒桑（parasang） 之外四处为害、令人厌恶、象征着黑暗与邪恶的阿里曼；阿里曼惧怕阿胡拉马兹达，因为他是可怕的对手。当阿胡拉马兹达看见了阿里曼，他想：“我必须完全摧毁这个敌人。”于是开始考虑使用什么手段能够毁灭他。然后，阿胡拉马兹达开始了他的创造工作。无论阿胡拉马兹达做什么，他都需要时间的帮助；阿胡拉马兹达所需要的所有美德，都已经被创造出来了。

就像形式一样，时间意味着差别，哪怕只是过去与现在之间的差别。因此，就像大多数的创世传说一样，这个故事也是讲述从一种最初的同一性中产生差别。与其他许多创世神话一样，在这个版本的创世神话中，差别起源于对立双方的根本性冲突。

对于这些悖论，有一个更为诗意的答案，就是把创造想象成一种从睡梦中的觉醒。来自南澳大利亚卡拉拉鲁人（Karraru）的传说将最初的地球描述为寂静、沉默，处于黑暗之中。然而，“在努勒博平原（Nullarbor Plain）一处深邃的山洞中，睡着一位美丽的妇人——太阳。圣父之灵（the Great Father Spirit）温柔地叫醒了她，告诉她该从山洞出来唤醒宇宙的生命了。太阳母亲张开她的双眼，黑暗消失了，阳光普照大地；她的呼吸引起大气层的变化，空气轻摇，微风拂动”。太阳母亲做了一次漫长的旅行，去唤醒沉睡着的动物和植物。 这样一个传说暗示我们：创造不是孤立单一的事件，而必须是不断重复的事件，而且，就像我们将会看到的那样，这是每个人都可以体验到的真理。从星系、恒星到太阳系与生命，每当我们观察某种新生事物，都会重复关于创造的悖论。我们之中的许多人也体验过我们自身的起源，最早拥有记忆的那一瞬间，就像在虚无中被唤醒一样。

现代科学通过许多不同的途径探讨起源问题，有的途径比其他方法更加令人满意。在《时间简史》（1988年）一书中，斯蒂芬·霍金指出，起源问题已被人为地歪曲了。如果我们把时间设想成一条线，自然是会问到它的起点何在。但是宇宙是否会有不同的形状呢？也许时间更像一个圆。没有人会问圆的起点和终点在哪里，就像没有人会在北极问北面在哪里。没有彼岸，没有边界，宇宙的每一属性都完全是自我包含的。霍金写道：“宇宙的边界条件是它没有边界。” 许多创世神话都采用了类似的途径，也许它们全都产生于不把时间看作一条直线的社会中。当我们在时间中回顾过去，过去似乎在慢慢地消退，进入了现代澳大利亚原住民神话所谓的“梦幻时代”。过去好像拐了一个弯，我们想要看见却再也不能够看见了。如果我们往前看，也是一样，在一定意义上，未来与过去似乎能够相遇。 米尔恰·伊利亚德（Mircea Eliade）在一部难懂然而引人入胜的作品《永恒轮回的神话》（1954年）中，也讨论到类似的关于时间的想象。

现代社会通常把时间想象为一条直线而不是一条曲线，因而认为上述解释似乎是人为的。相反，宇宙也许是永恒的。只要我们愿意，就能沿着时间这条直线一直回溯下去，但我们只会发现一个宇宙，所以起源问题并不会真正产生。尤其是南亚次大陆的诸宗教往往会采用这一策略。除大爆炸宇宙学之外，现代最严肃的宇宙衡稳态学说所采取的也是同样的策略。李·斯莫林（Lee Smolin）最近提出的一个理论也采取了同样的策略。这个理论认为，存在着许多宇宙，每当它们创造黑洞的时候就会以周而复始或者“算术式”（algorithmic）的过程创造其他宇宙，这个过程类似于达尔文进化论，确保宇宙以一种增加创造出像我们这样的复杂实体的可能性的方式得到“进化”（参见第2章）。 在现代宇宙学中类似的论证可谓比比皆是，它们都暗示，我们所看到的宇宙也许仅仅是巨大的“多元宇宙”（multiverse）中一颗极小的原子。但这样的探讨也不能令人满意，因为它还是会留下令人困扰不堪的问题，即这样一个永恒的过程其自身又是如何开始的，一个永恒的宇宙又是如何被创造的。

或者我们可以回到造物主的观念上来。基督教通常认为造物主在几千年前创造了宇宙。剑桥的莱特富特（Lightfoot）博士在一次著名的计算中，精确地“证明”上帝在公元前4004年10月23日上午9：00创造了人类。 其他一些创世神话也宣称，神就像陶匠、瓦匠或钟表匠那样创造了世界。这一方式解答了许多疑问，却留下一个悬而未决的基本问题——神又是如何创造他们自身的？我们好像又被迫回到了一个无穷的循环之中。

最后要提及的是怀疑论。这种思想坦率地承认，在某些方面我们必然会智穷虑竭的。人类的知识本质上是有限度的，因此某些问题依然是神秘的。一些宗教把这些神秘看作神故意对人类隐瞒的秘密，另一些宗教，例如佛教，则把它们视为不值得与之纠缠而喋喋不休的终极谜团。我们将会看到，对于宇宙自从诞生之后是如何发展的这个问题，现代宇宙学提供了一个十分令人信服的说明，但是在宇宙的开端问题上也采取了怀疑论的立场。

早期关于宇宙的科学论述

现代科学试图运用经过检验的材料和严格的逻辑来解答起源问题。尽管像牛顿等许多先驱科学家都是基督徒，坚信上帝的存在，然而他们也感到神灵是理性的，所以他们的工作就是把上帝用来创造这个世界的潜在规律梳理清楚。这意味着要去解释世界，就当神灵不存在一样。与大多数传统知识不同，现代科学试图解释宇宙，仿佛宇宙是毫无生气的，仿佛万事万物就这样产生了，没有意图，也没有目的。

基督徒对宇宙的看法在很大程度上应当归功于希腊哲学家亚里士多德的观念。尽管一些希腊人坚持地球围绕太阳旋转，亚里士多德却将地球置于宇宙的中心，一连串肉眼可见的天体按照各自不同的速度围绕地球旋转。这些天体包括行星、太阳和其他恒星。这一模型今天听来是离奇古怪的，但是公元2世纪的托勒密的学说为其提供了一个严密的数学基础，而且这一模型预测天体运行是有效的。基督教又加上了另外一个观念，宣称这个宇宙可能是上帝在6000年前花了5天的时间创造出来的。但在16、17世纪的欧洲，托勒密学说开始崩溃。哥白尼列举了一些强有力的证据，认为地球是围绕太阳旋转的。异端修士乔尔丹诺·布鲁诺则主张所有恒星都是与太阳一样的天体，宇宙可能是无限广大的。17世纪，牛顿和伽利略等科学家探究了这些思想中的许多含义，同时也尽可能保留了《圣经》的创世传说。

到了18世纪，托勒密的宇宙观最终被推翻了。取而代之的是一幅全新的景象，宇宙是按照原则上能够为科学所发现的严谨而理性的客观规律运行的。上帝创造宇宙，或许在时间之内；在某种意义上，或许在时间之外。随后，上帝就让它几乎完全按照自己的逻辑和规则运行。牛顿假设时间和空间都是绝对的，给宇宙规定了一个终极的参照框架。人们普遍认为，时间和空间是无限的，因而宇宙没有确定的边界，时间亦无起源。于是，上帝离万物起源的故事越来越远了。

不过问题依然存在。其中一个问题产生于热力学理论，这个理论提出，宇宙的可用能量恒定减少（或者说熵正在不断增加，参见附录二）。其结果是，在一个无限古老的宇宙里将会没有可用的能量来创造任何东西——然而这很显然不是事实。或许这可能表明，宇宙并不是无限古老的。夜晚的天空则提出了另一个问题。1610年，天文学家约翰尼斯·开普勒指出，如果真的有无数颗恒星，那夜晚的天空应该布满耀眼的光芒。这个问题现在又称“奥伯悖论”（Olber’s paradox），是以19世纪以后广泛宣传这个问题的德国天文学家的名字命名的。唯一的答案只能假设宇宙并不是无限的。这可以解释奥伯悖论，但同时却产生了另一个问题：牛顿指出，如果宇宙不是无限的话，那么引力就会把所有的物体拉向宇宙中心，就像集油槽里面的油一样。还好，当天文学家研究夜空的时候，他们所观察到的并不是这个样子。

所有的科学理论当然都包含着难题。但是只要理论能解答人们提出来的大部分问题，这些难题就可以忽略不计。在19世纪，牛顿理论所面临的难题基本上都被忽略不计了。

大爆炸：从原初的混沌到最早的有序

在20世纪前半叶，种种证据逐渐积累，形成了另一种理论，我们称之为大爆炸宇宙学。它解决了熵的问题，说明宇宙并不是无限古老的；它解决了奥伯悖论，指出宇宙处在有限的时间和空间内；它还指出，宇宙正在迅速膨胀，引力（还来不及！）将所有事物都拉扯成一团，这也合理地解释了引力的悖论。大爆炸宇宙学描述了一个有开端、有历史的宇宙，因此，把宇宙学变成了一门历史科学，变成了一种变化和进化的叙述。

大爆炸理论认为，宇宙从一个无限小的奇点开始迅速膨胀，并且至今仍在膨胀。至少，这种叙述在形式上类似于传统的创世神话，即所谓的浮现神话（emergence myth）。在这类叙述中，宇宙就像一粒卵或一颗胚芽，从一个遥远的，也许是不可确定的起点，历经不同的阶段，在内在的发展规律制约下不断进化。1927年，大爆炸宇宙学的创始人之一乔治“·勒梅特（Georges Lemaoître）提出，早期宇宙就像原初的原子”（primordial atom）。如同所有的浮现神话一样，现代理论暗示宇宙在一个特定时间被创造，它有自己的历史，而且可能在遥远的未来消亡。新的理论解决了旧理论所遇到的许多困难。例如，它指出宇宙并不是永远存在的，由此解释了奥伯悖论；由于光速有限（正如爱因斯坦所言），即使到宇宙生命的尽头，来自最遥远星系的光也不可能到达我们这里。这个理论也与产生于20世纪初有关恒星、物质、能量的大量新数据和信息相一致。但在一开始的时候，它也不得不借助于某种不可言说的神秘。

关于起源的现代故事如下所述。 宇宙诞生于大约130亿年前。 （这段时间有多长呢？如果每个人的寿命正好是《圣经》所说的70年，那么要相当于2亿人的寿命首尾相连才能回溯到那么远的时间。关于这些巨大的时间范围的更多详情，可参见附录一。）关于开端，我们除了说出现了某种事物之外，就没有其他任何话可说了。我们不知道它为什么出现，也不知道如何出现的。我们说不清在这之前存在着什么。我们甚至都不能说有那么一个“之前”或者“空间”，某种事物在其中存在着，因为（公元5世纪圣奥古斯丁在一场争论中早就提出）时间和空间也许是与物质和能量在同一时刻被创造出来的。所以，关于大爆炸那一刻或者更早的时期，我们说不出什么确切的东西。

然而，从大爆炸之后一秒钟还不到的一刹那开始，现代科学能够根据大量证据提供一个精确而清晰的故事。大部分最有趣的“事件”都发生在这一秒钟不到的一刹那间。事实上，把时间本身当成从这些最初的若干瞬间延伸出来，将有助于我们理解一百亿分之一秒与宇宙之后数十亿年的历史是同等重要的。

一开始，宇宙极其微小，也许比原子还小。（那么原子到底有多微小呢？物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）形象地说明了原子的大小：如果把一只苹果扩展到地球那么大，那么组成苹果的每一个原子的体积就相当于最初的那只苹果。） 这个像原子般大小的宇宙温度高达好几万亿度。在这样的温度下，物质和能量是可以相互转化的——正如爱因斯坦所说，其实物质差不多就是能量的一种凝聚形式。这种“能量/物质”高度致密的混沌，颇类似于各种传统创世神话所说的原初的无序状态。但是在现代故事中，这个微小的宇宙以令人吃惊的速度膨胀，而且正是由这种膨胀产生了最初的差异和形式。 膨胀理论宣称，大约在大爆炸之后的10- ³⁴ 秒至10- ³² 秒间，宇宙以超光速（光速大约为每秒30万千米）膨胀，在某种形式的“反引力”（antigravity）作用下迅速分离。这一过程的强度是无法想象的：在爆炸之前，整个宇宙可能比一个原子还小，而在一瞬间之后，它变得比一个星系还要大。膨胀的程度大到我们几乎观察不到宇宙的绝大部分，因为大部分来自宇宙的光线都过于遥远而不能到达我们这里。我们所能见到的宇宙也许只是真正宇宙的极小一部分。就像蒂莫西·费里斯所指出的：“如果整个膨胀的宇宙像地球那么大，那么我们所能观察到的部分比一个质子还要小。”

随着宇宙的膨胀，它的同质性开始降低。初始的平衡被打破，不同的范型开始出现，物质和能量获得了我们今天所见到的形式。现代核子物理学能够说出在怎样的温度下会出现怎样特定的能量或物质形式，就像我们能够说出在怎样的温度下水会转化为冰一样。因此，如果我们能够测算宇宙冷却的速度，那么我们就能测算不同的力与粒子分别是在什么时候从早期宇宙混沌中诞生的。在大爆炸后第一秒内，夸克出现了，它构成原子核的主要成分——质子和中子。夸克和原子核由支配我们宇宙的四种基本力之一的强核力结合在一起。

即使以大多数创世神话的夸张标准衡量，现代创世故事在这一点上（亦即大爆炸之后不超过1/1000秒的时间宇宙就生成了），它的夸张程度也是显而易见的。粒子以两种形式出现，组成了几乎等量的物质和反物质。反物质的粒子除了拥有相反的电荷之外，与物质的粒子一模一样。当二者相遇，彼此相互抵消，而且它们的质量百分之百转化为能量。因此，大爆炸后的第一秒钟之内，在原子内部上演了一出逆向的抢座位游戏，其中夸克是游戏者，反夸克就是座位，10亿个夸克中找不到反夸克座位的那一个夸克才是胜利者。构成我们宇宙的物质是由10亿个粒子中找不到反物质伙伴的那个粒子所组成的。找到伙伴的粒子以宇宙背景辐射的形式转化为纯粹的能量，这些能量至今仍遍及宇宙。 这一过程或许可以解释为什么在今天的宇宙中，物质的粒子与能量的光子的数量之比为1∶10亿。

然后宇宙膨胀的速度减慢了。在大爆炸之后的几秒钟内，电子出现了。电子带着一个负电荷，而质子（由夸克构成）带着一个正电荷。电子与质子之间的关系由另一种基本力——电磁力所控制，电磁力也出现在宇宙历史的第一秒之内。在早期炽热的宇宙中，携带电磁力能量的光子与物质带电的粒子纠缠在一起。那时的宇宙更像今天太阳的内部：大量的粒子和光子不断相互作用，形成一片白热的海洋。整个宇宙在带正电荷的质子与带负电荷的电子以及光的相互作用下所产生的能量发出持续不断的噼啪声。在这个“辐射的时代”，就像埃里克·蔡森所解释的，物质只不过像“一个极其微小的、用显微镜才能看见的凝结物，悬浮在由耀眼的放射线所构成的浓‘雾’中”的存在。

可能在大爆炸发生30万年之后，宇宙的平均温度下降到绝对零度以上4000℃，温度的下降可能是宇宙历史最根本的转变之一。 转变的瞬间就像宇宙的起源一样神秘，而且在我们的历史中随时都会发生。我们日常生活中最熟悉的例子之一，就是水变成蒸汽。把水加热，在一段时间内看上去只是水温升高。变化是渐渐发生的，我们能够观察到它正在发生变化。突然，越过一个临界值，某种新的东西出现了，整个系统进入了一个新阶段。原先的液体变成了气体。为什么临界状态就出现在某个特定的点上呢，在我们所举的例子中就是（海平面）100℃？有时我们能够解释从一种状态到另一种状态的转变，而且答案无非是不同的力——如引力、压力、热力、电磁力等——出现不平衡。有时我们完全不知道临界值为什么会在某个特定的点上被超越。

辐射时代的终结就是这样一个转变，物理学家多少可以用宇宙膨胀过程中光量子能量下降与在亚原子层次上发生作用的电磁力之间的平衡来加以解释。随着宇宙的膨胀，宇宙温度降低，在宇宙间流动的光能量大为减弱，使得带正电荷的质子能够捕获带负电荷的电子，产生稳定而中性的原子。由于原子是中性的，因而不再与光子发生强烈的相互作用（虽然少数相互作用仍在发生）。因此，光量子如今可以自由地在宇宙中飘荡。在大多数场合，物质和能量停止了相互作用。就好比犹太教—基督教—伊斯兰教宇宙哲学中的物质和精神一样，物质和能量成了两个彼此分离的不同领域。这一衰退过程之后的时代可以描述为“物质阶段”。

最早出现的原子极为简单。大部分为氢原子，由一个质子和一个电子构成。还有三分之一的氦原子，氦原子由两个质子和两个电子构成，也有一些更大一点儿的原子。所有的原子都很微小，直径约为一千万分之一厘米。但它们内部仍然主要是真空。质子和中子结合在一起形成原子核，电子遵循着自己的轨道在远处围绕着它们运行。理查德·费曼指出：“如果我们有一个原子，并希望看到它的原子核，那我们必须把这个原子放大到像一间大房子的尺寸，这样原子核才差不多是一颗可以用肉眼辨认的微粒，但原子所有的重量几乎都集中在这个极其微小的原子核内。” 即使在诞生30万年之后，宇宙依然是很简单的。它差不多全部由真空构成，由氢和氦组成的巨大云团四处飘荡，携带着巨大的能量。

表1.1是宇宙早期历史的简明年谱。大约大爆炸之后30万年，所有的创造物都已经出现了：时间、空间、能量，以及物质宇宙的基本粒子，包括质子、电子和原子核，如今这些粒子的大部分已组成了氢原子和氦原子。从那一刻起，已没有什么真正意义上的变化了。同样的能量和同样的物质延续至今。对于下一个130亿年而言，这些相同的成分以不同范型安排着自己，不断形成和消亡。从某种观点看，现代创世神话的剩余部分只不过是关于这些不同范型的故事而已。

但在我们看来，范型是非常重要的，因为我们自身就是一种探寻范型的生物体。出现的范型包括银河系和恒星、化学元素、太阳系、我们的地球，以及居住在地球上的所有生物。当然，也包括我们人类。听说有一位逸名的智者说过：“氧是一种很轻的、无味的气体，要有足够的时间，就会变化成为人类。” 从这一观点而言，现代创世神话和早期的创世神话一样是充满矛盾的。一切不变，但是一切皆变。尽管各种事物似乎独立存在、特征各异，但实际上每个事物又是相同的。形式和质料是其背后同一本质的不同表达形式，意大利人乔尔丹诺·布鲁诺于1584年在《论原因、本原与太一》中就提出了这个观念。同样的观念也出现在极为深奥的宗教和哲学思想中。佛教最为尊贵经典之一的《心经》有云：“色不异空，空不异色。色即是空，空即是色。” 范型是如何从早期混沌的宇宙中产生的，将是下一章的一个核心主题。

大爆炸宇宙学的证据

我们必须从这些形而上学的反思中回到枯燥却重要的证据问题上来。为什么现代天文学家接受这样一种乍一看稀奇古怪的创世故事呢？为什么我们要认真看待这个故事呢？概而言之，其答案正是，尽管现代宇宙创造的故事颇为离奇，但是却有大量坚实的事实根据。

哈勃和红移

第一个至关重要的证据来自对宇宙大小和形态的研究。想为宇宙绘制一幅地图就先要测定恒星之间的距离，其方法为先确定一些恒星，观察它们彼此之间是如何移动的。现代人对于科学绘制宇宙地图的尝试可以追溯到19世纪末。

要测量恒星的距离是极其困难的。较近的恒星可以用初等三角学以及精确测量恒星的视差来估算距离。对于居住在地球上的天文学家而言，能够得到的最大基线就是地球围绕太阳公转的轨道，所以天文学家以6个月为周期，观测有运动迹象的恒星。然而，即使是这种测量方法，所需的精确度也超出了19世纪之前的天文学家的能力（参见图1.1）。

对于更为遥远的恒星，我们不得不依靠更不精确的方法。20世纪第一个10年，美国天文学家亨丽埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt）研究了变星——那是一种在有规则的周期中改变亮度的恒星。她发现有一种特殊的变星，即所谓的造父变星，其周期与恒星的大小和亮度相关。使造父变星忽明忽暗的原因正是它们的膨胀和收缩。莱维特指出，较大的（因此也较明亮的）造父变星膨胀和收缩的速度比较缓慢。因此，通过测量其周期的长度，天文学家能够估算出每一个造父变星的体积和真正的（或者说“固有的”）亮度。那么通过测量观察者所看到的亮度，能够估算出有多少光线在来我们地球的旅途中丢失了，由此可以知道该恒星离我们到底有多远。

20世纪20年代，另一位美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）利用洛杉矶郊外威尔逊山天文台的望远镜观测造父变星，试图为广阔的宇宙空间绘制地图。他起先发现，许多造父变星显然存在于我们所在的银河系之外。这意味着宇宙并不是由一个而是由许多个银河系组成的，因此证明了德国哲学家伊曼努尔·康德在近两个世纪之前提出的观点。（具体而言，康德曾相当正确地指出，天文学家称之为星云的物体是由星系构成的，而且大多数星系都距离我们很远。）哈勃于1924年公布了这一观点，它标志着现代天文学上的一场革命。在几年之内，哈勃的研究工作使他有了更具革命性和更深刻的观点。20世纪20年代末，他发现大多数遥远的星系正在离我们而去。离我们越远，它们的移动速度越快。现在我们可以知道，我们所能观察到的最远的河外星系逃离我们的速度超过了光速的90%。哈勃是如何知道这点的？这一奇特的观测又意味着什么呢？

很奇怪，测量遥远的物体是否向我们移动或远离我们，反而比确定它们与地球之间的准确距离要容易一些。相关技术颇为简单，不难掌握。假如让来自遥远恒星的光线通过光谱仪，我们就能对光谱的不同部分加以分析。这就如同观察通过三棱镜的阳光一样。阳光通过三棱镜时，不同的频率有不同的折射角度，因而穿过三棱镜之后，它们就会呈现出彩虹般不同颜色的光带。每一条光带，或者说每一种颜色，都代表着一定能量或频率的光线，而且光线一旦通过这种途径分离之后，对每个能量层级都可以分别进行研究。在包括我们太阳在内的恒星光谱中，在某些特定频率的光线中都会出现狭窄的暗线。实验室研究表明，这些暗线之所以产生，是因为在前往地球的旅途中，光线所穿越的物质吸收了其特定频率的能量，使得这些特定的频率到达我们这里的时候已被减弱了。这些暗线被称为吸收线。每种吸收线都与一种特殊的元素相应，正是这种元素吸收了特定频率的光的能量。显然，这意味着通过研究星光中的吸收线，我们就可以知道恒星内存在什么元素，总量为多少。实际上，如今我们关于恒星如何运作（参见第2章）的知识主要就是建立在这样的研究之上的。

更为值得注意的是，恒星光谱能够告诉我们这颗恒星以什么样的速度向我们靠近或是远离我们而去。这个原理就是多普勒效应——当一辆救护车从我们身边驶过，警笛声会逐渐变弱。如果一个移动的物体（例如一辆救护车）以波为形式释放能量（例如声波），那么该物体朝向我们移动的时候，这些波似乎被压缩，而背向我们移动的时候，那么这些波就会拉长。在海滩上，如果走入海浪，与站立不动相比，浪花会更频繁地拍打你的双腿。但是你朝岸上走，浪花拍打你双腿的频率会小一些。同样的原理也适用于光谱。在恒星发出的光中，吸收线与你在实验室所期望的位置似乎有些偏移。例如，代表氢元素的吸收线可能偏向较高的频率移动，使它的光波似乎被压缩了（或者说接近光谱蓝色的一端）。或者可能向较低的频率移动（接近光谱红色的一端），这样光波似乎就被拉长了。哈勃发现了这两种移动的情况，但当他从事关于最遥远物体的研究工作时，他发现所有的移动都趋向光谱红色的那一端。换句话说，光波似乎被拉长了，仿佛物体正在远离我们而去。物体离我们越远，那么红移的程度就越大。

哈勃的这一发现意义非常重大，但是容易理解。尽管在我们自己的银河系和相邻的河外星系中的恒星由于引力的作用聚集在了一起，但一个河外星系离地球越远，那么它远离地球的速度就越快。我们没有理由认为我们居住在宇宙中异乎寻常的位置。实际上，现代河外星系分布图表明，从大范围看，宇宙是非常同质的。因此我们不得不假设，宇宙任何一个地方的观察者也能观察到宇宙的其余部分也在远离他们而去。这必定意味着整个宇宙正在膨胀。如果宇宙正在膨胀，那么过去的宇宙肯定比现在要小得多。如果遵循这个逻辑一直回溯下去，我们很快就会看到，在遥远过去的某一瞬间上，宇宙肯定是无限微小的。这一观点直接导致了现代大爆炸宇宙学的基本结论：宇宙曾经是无限微小的，但是后来它膨胀了，而且至今仍在继续膨胀。哈勃的研究工作为大爆炸宇宙学提供了第一个而且是最基本的证据。

哈勃还指出，科学家可以通过测量宇宙膨胀的速度来推算宇宙存在的时间。这是一个令人惊讶的结论，因为这似乎是一件完全没有意料到的事。哈勃找到了一种测算宇宙年龄的方法！起初，他估计两个相距100万秒差的物体，其膨胀速度（又称哈勃常数）大约为500千米/秒（100万秒差的距离为光在326万年中的运行距离，大约为30.9×10 ¹⁸ 千米，或大约3000亿亿千米）。这个数字意味着宇宙只有20亿年的年龄。我们现在知道这是不可能的，地球的年龄至少是它的两倍。今天我们对于哈勃常数的估算就比较低了，说明宇宙的年龄更为古老。但要测算出宇宙准确的年龄是很困难的，这主要是因为估算遥远河外星系的实际距离很难。现代科学家除了造父变星之外，还运用了好几种其他的距离标志，表明哈勃常数在55—75千米/（秒·每百万秒差距）之间。这意味着宇宙的年龄是在100亿至160亿年之间，而最新的估算大约集中在130亿年。 为简明扼要起见，本书将一直用这个数字。

相对论与核物理学

20世纪初，大多数天文学家仍然认为宇宙是无限的、同质的、稳定的。哈勃的推论在当时来看似乎荒诞不经，正是其他领域的进展削弱了这一传统图景的效力。其中包括爱因斯坦相对论的发表。其详细内容在这里并不重要，但是该理论表明，从大范围看，宇宙也许并不是稳定的。爱因斯坦的等式意味着宇宙就像一个两头尖尖的楔子，要么趋向于这一端，要么趋向于那一端。它既在膨胀，也在收缩，一个完全平衡的宇宙是不可能存在的。爱因斯坦自己却反对这个结论。实际上，后来他承认这是他一生中最严重的失误——为了保持宇宙的稳定，他篡改了自己的理论，指出宇宙中还应该存在着一种可称为“宇宙常数”的力。他想象这种力就像反引力，可以平衡物体之间的相互吸引，以免宇宙在万有引力的作用下坍塌。然而，在1922年，俄罗斯人亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）证明，事实上宇宙既在膨胀也在收缩。宇宙处于不稳定状态且正在不断地进化中。最后爱因斯坦也接受了这一思想。

但是解决这些新发现的枝节问题颇费了一些时间。20世纪40年代，对于天文学家而言，一个正在膨胀的宇宙的观念仍然是不可思议的。随后，20世纪40年代至60年代，一些新的支持这一观点的证据积累起来，直至60年代末，大爆炸理论才成为关于宇宙起源的标准叙述。20世纪40年代末，美国一批物理学家——包括美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）——运用某些原子弹研究的知识来探索这种全新的宇宙理论的内涵。一个极其微小的宇宙是什么样子的？很显然，它有极高的温度：就像自行车轮胎，打了过足的气就会变热，同样，所有的物质和能量都压缩在一个极小空间，这样的宇宙必定是极热的。在这样的条件下物质将会如何活动，我们并不关注其详情。关键是，伽莫夫以及弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，后来他成了大爆炸理论的狂热批评者）等科学家很快就意识到，利用现有关于能量和物质在不同温度下如何工作的观念，对早期宇宙活动进行计算是完全可能的。而他们得出的答案是合乎情理的。他们发现能够利用大爆炸理论假说，绘制出一幅令人惊讶又言之有理的图景，说明早期宇宙是如何构建的。尤其是，或许能够大致推测出在早期宇宙中存在着哪些形式的能量和物质，从而明确宇宙在膨胀和变冷之际是如何变化的。人们很快发现，早期宇宙极其致密而又异常炽热的观念与粒子物理学的知识是完全一致的。

宇宙背景辐射

宇宙背景辐射（Cosmic Background Radiation，简称CBR）的发现，最终使得绝大多数天文学家接受了大爆炸理论。早期关于大爆炸如何发生作用的理论指出，在宇宙早期的历史中温度不断降低，温度一旦达到不同的粒子和力能够生存的地步，它们就能获得稳定的存在形式。早期宇宙过于活跃，在好几十万年的时间内温度过高，无法形成原子。但是温度终于降低到足够低的程度，质子（带正电荷）开始捕获电子（带一个负电荷）。在这个临界值上，物质呈中性，能量与光线能够在宇宙中自由流动。一些主张大爆炸宇宙学的早期理论家预言，在那一瞬间应该有巨大的能量释放出来，其残留物至今仍可检测到。

有趣的是，那些赞同大爆炸观念的科学家实际上并没有去寻找这种背景能量。它是由阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）于1964年偶然发现的，当时这两位科学家在新泽西的贝尔实验室工作。他们正尝试建造一座超敏感的微波探测器，可是他们发现根本无法清除所接收到的各种背景“噪音”。无论探测器朝向什么方向，总存在着由微弱的能量产生模糊的嗡嗡声。为什么天空的任何方向会同时发射能量？能量来自特定的恒星或银河系还可以理解，而来自四面八方的能量——而且是如此之多的能量——却似乎是完全无法理解的。尽管信号很微弱，但其所代表的能量加在一起就十分巨大。他们向一位射电天文学家透露了自己的发现，而这位天文学家曾经听到宇宙学家P. J. E.皮布尔斯（P. J. E. Peebles）断言，在大约相当于绝对零度以上3℃的能级上存在着残余射线。这个温度非常接近于彭齐亚斯和威尔逊所发现的射线温度。他们已经发现了早期大爆炸理论家们所断言的能量的片羽吉光。

两位科学家的发现具有重大意义，因为没有其他理论能有力地解释如此普遍的能量的来源，只有大爆炸宇宙学能够轻而易举地又很自然地对此加以解释。从1965年起，很少有天文学家还怀疑大爆炸理论是关于宇宙起源最流行的解释。如今它已是现代天文学的核心思想，是现代天文学理论与观念统一的范例。而宇宙背景辐射是现代宇宙学的核心：它试图描绘那些微小的变化，在不久的将来为我们提供关于早期宇宙性质的最有用的信息。［宇宙学家马克斯·泰格马克（Max Tegmark）博士甚至说：“宇宙的微波背景对于宇宙学的重要性，就好比脱氧核糖核酸（DNA）对于生物学的重要性一样。” ］ 2001年6月，一颗新的人造卫星威尔金森微波异向性探测器（the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）发射升空，它将比从前更加精确地描绘细微的变化。

另一些形式的证据

自从发现宇宙背景辐射（CBR）之后，积累了更多关于宇宙大爆炸的证据。例如，大爆炸理论断言早期宇宙主要由一些简单元素组成，尤其是氢（大约占76%）和少部分的氦（大约占24%）。这与今天我们观测到的宇宙中元素的比率大致相似（虽然恒星内部的反应使得氢元素转变为氦元素，现在氢元素的数量下降至大约71%，而所有物质中的氦元素大约占到了28%）。氢和氦在化学上占多数对于我们而言并不十分明显，因为我们所居住的宇宙角落，恰好是其他元素聚集的地方（参见第2、3章），但是相关证据在我们周围却俯拾即是。氢元素显然是最普通的元素，甚至在我们自己体内也是如此。林恩·马古利斯和多里昂·萨根写道：“我们身体中所含氢元素的状况反映了宇宙中氢元素的状况。” 通过特别精确的测量，可知在大爆炸中，氢元素还形成了少量的锂元素。这些也明显接近于大爆炸时元素构成理论所断言的数值。

其次，无论是天文学观测还是放射线测定年代技术（参见附录一）都不能确定时间超过120亿年的物体。如果宇宙的实际年龄超过这个时间（也许是几千亿年），而超过120亿年的物体却又不存在，这会让人觉得不可思议。

最后，大爆炸理论——不像它的主要竞争对手稳态宇宙理论——意味着宇宙随着时间的推移在不断地改变。宇宙最遥远的部分与比较靠近我们的部分看上去应该不一样，所以说观察100亿光年之外的物体，我们所看见的其实是它在100亿年前的样子。而且，就如我们将会看到的那样，遥远的物体与现代的宇宙在重要的方面并不相同。例如，与现在相比，早期宇宙拥有更多的类星体（参见第2章）。

大爆炸宇宙学有多大的可信度？

大爆炸宇宙学是正确的吗？没有任何科学理论能宣称自己是完全确定的。而且该理论仍然遇到一些遗留问题，其中有一些还是非常技术性的。但到目前为止，没有一个问题是无法克服的。

在20世纪90年代初的一段时间内，发现了一些比宇宙年龄还要古老的恒星——在某些天文学家看来，这个证据令人严重怀疑到整个大爆炸理论。哈勃望远镜观测表明，显然这并不是真实的。那些最古老的恒星似乎要比用最新哈勃常数推算出的宇宙年龄年轻10亿年。对大爆炸宇宙学而言这是一个好消息！但是在90年代末，从研究遥远的Ia型超新星（参见第2章）积累的证据表明，宇宙的膨胀速度并未在引力的影响之下减退，反而在逐渐增长，这条消息则不那么受欢迎。如果观测准确的话，这是令人感到惊异的，因为这似乎意味着还有一些至今未知的力在不断地起着作用，从大爆炸以来保持并推进着宇宙膨胀的速度，但这种力极其微弱，根本察觉不到。这种力可能由“真空能”构成，这是量子力学预言的一种力，它会朝引力相反的方向发生作用，驱使物质与能量彼此分离，而不是将它们拉到一起。如果情况确实如此，那么它的作用与爱因斯坦思辨性的宇宙常数几乎是相同的。 这个证据也许对大爆炸宇宙学是一次严重打击。另一方面，它意想不到地解决了暗物质（参见第2章）问题，因为真空能就像一切的能量一样具有质量，这可以解释天文学家一直在寻找的巨量的物质。关于起源的棘手问题依然是存在的。对于宇宙大爆炸的那一瞬间，我们所掌握的一切科学知识似乎都变得混乱无用。此时，宇宙的密度趋于无穷大，温度也趋于无限高，现代科学尽管已有了许多大有希望的观念，但是还没有找到解释此类现象的好方法。

尽管存在这些问题，我们还是会认真对待大爆炸理论，原因在于它与大多数现代天文学、粒子物理学的经验性和理论性知识的组合相一致。没有其他关于宇宙起源的学说能够解释这么多的问题。科学家构建了一个合乎逻辑的学说，与那么多证据相一致，这个理论还告诉了我们在宇宙的历史中最初几分钟内发生了什么，这本身就是一个令人震惊的成就。同样引人注目的是，我们认识到，未来的研究很可能在一些相当重要的方面修正当前的学说。

关于指数的注解

现代科学经常会遇到一些庞大的数字。例如，若要把1000亿亿亿写成正常的阿拉伯数字，会占据很大的空间距离（想要知道其空间距离到底有多大，可参见下一小节所举的例子），因此科学家一般都倾向于使用指数；本章中的许多数字也都使用了这一方便的数学形式。它是这样使用的。 100等于10乘以10，或者说是两个10相乘。因此，在指数形式中100可以写作10 ² 。1000等于三个10相乘，就可以写作10 ³ ，以此类推。若要将数字的指数形式转换为正常形式，那么先写下一个1，接着在1的后面加上与指数相应数量的0。因此，1000（10 ³ ）就是1后面跟3个0；10亿就是10 ⁹ ，或者是1后面跟9个0，即1000000000。指数形式也同样可以运用于小数。一百分之一（1/100或1%）可以写作10 ^-2 ；一千分之一（1/1000）可以写作10 ^-3 。这一形式也并不仅仅局限于10的倍数。比如，130亿年可以看作是10亿年的13倍，若写成指数形式，就成了13×10 ⁹ 年。

有一件事情应当注意，指数增加1倍，那么数字便增加10倍。所以，10 ³ 并不是比10 ² 大那么一点点，实际上是它的10倍。同样地，10 ¹⁸ （或者说是100亿亿）并不是10 ⁹ 的2倍，而是10亿倍（10 ⁹ 倍），它是10 ¹⁷ 的10倍。指数提供了一个容易使人迷惑的方式来描述庞大的数字，这能哄骗我们忽略数字本身真正的大小。氢原子的质量可以写成指数形式为1.7×10 ^-27 千克。若用正常的书写方式，很简单，但是很长，是一个分数：1.7/1000000000000000000000000000千克，或者是一千亿亿亿分之一千克的1.7倍。要了解其真正的意思是什么则更为困难了。试着想象某件事物很小，称上去只有十亿分之一千克重。（当然我们做不到——这样的计算超出了我们的思维能力，但我们可以尽力去尝试。）然后试着设想称重是它的十亿分之一的东西，当重复这个实验到第三次时，你就想象到了一个氢原子的质量。要秤太阳的质量，你就以乘法代替除法。太阳的质量大约为2×10 ²⁷ 吨，或者是2000000000000000000000000000吨，也就是1000亿亿亿吨的2倍。它包含大约1.2×10 ⁵⁷ 个原子。宇宙包含大约10 ²² 颗恒星。粗略地估算宇宙中原子的数量，我们可以将这两个数字相乘，即将二者的指数相加，得出1.2×10 ⁷⁹ 个原子。只有用普通的计数法写下这个数字，才能给人留下深刻印象，即使这样，我们中的大多数人还是不能真正理解我们正在写下的东西。本书的最后一章，我们会遇到比这几个数字还要大得多的数字。

本章小结

我们没有把握对大约130亿年前的宇宙中的任何事物多说些什么。我们甚至不知道是否有空间与时间的存在。在某一点上，能量和物质从空无之中迸发出来，产生了时间与空间。早期宇宙温度极高，十分致密，在一次大爆炸中以极快的速度膨胀。随着宇宙不断膨胀，它的温度逐渐下降。物质和反物质彼此抵消，留下了极少量的残余物质。宇宙摆脱了早期那种强烈的不稳定状态，出现了不同的实体——质子、中子、光量子、电子——和不同的力，包括强作用力、弱作用力，以及引力和电磁力。几百年之后，宇宙的温度下降到质子与电子能够稳固地结合成原子的程度，宇宙中的物质电荷呈中性。其结果是，物质和能量停止了它们之间不断的相互作用，而放射线开始在宇宙中自由地流动。随着宇宙的膨胀，射线温度下降；如今作为宇宙的背景辐射我们能够检测到它。

以上所说的这个故事，貌似奇特，却建立在大量的科学研究之上，而且与我们今天所知的天文学和粒子物理学的大部分知识相一致。大爆炸宇宙学如今已是现代宇宙学的核心思想。正是这样一个范式，将现代关于自然的观念和宇宙历史结合起来，而且支配着现代创世神话起首的第一章。

延伸阅读

芭芭拉·斯普劳尔（Barbara Sproul）的《原始神话》（1991年）一书，从各种不同的文化中搜集创世神话，并附有介绍性的短文。现在有许多关于大爆炸宇宙学的通俗读物，其中一些书的作者曾帮助构建了关于宇宙起源的现代传说。以下就是我认为最有帮助的几本书：斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的《时间简史》（1988年）是最知名的，还有最近出版的《果壳中的宇宙》（2001年）；更具专业性的书籍还有史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）的《最初三分钟》（1993年第2版）。约翰·格里宾（John Gribbin）的《起源》（1981年）是一本很值得向大众介绍的读物（这也是本书灵感的来源之一），尽管该书显示的是它那个时代的观点。蒂莫西·费里斯（Timothy Ferris）所著《预知宇宙纪事》（1997年）；约翰·巴罗（John Barrow）所著《宇宙的起源》（1994年）；彼得·科尔斯（Peter Coles）所著《宇宙学》（2001年）；还有阿曼德·德尔塞默（Armand Delsemme）所著《我们宇宙的起源》（1998年）显得更为时尚、更为现代，但也同样通俗易懂。其中，德尔塞默的著作很适合于本书前半部分的读者。若想更清楚地了解现代天文学、化学、物理学的思想观点和专门术语，切萨雷·埃米利亚尼（Cesare Emiliani）所著的《科学指南》（1995年）是一本十分有用的手册。埃里克·蔡森（Eric Chaisson）所著的《宇宙的演化》（2001年）试图在不同等级层面，从恒星到细菌，全面思考秩序和熵的意义，而马丁·里斯（Martin Rees）所著的《就这六个数字》（2000年）也是一本介绍宇宙基本结构的书籍。李·斯莫林（Lee Smolin）所著的《宇宙的生命》（1998年）是一本通俗易读的书籍，书中有一个很重要的推测：我们的宇宙可能只是依照宇宙演化形式而变化着的众多宇宙中的一个。查尔斯·林维弗（Charles Lineweaver）的文章《我们在宇宙中的位置》（2002年发表）对于思考宇宙中的等级和位置而言是一篇很好的介绍文章。奈杰尔·考尔德（Nigel Calder）所著的《时间范围》（1983年）对于整个时间而言是一部很出色的年谱，尽管它已经有点儿过时了。 aqd1eYudMXT6LBdhueQ3JnOhn+3tjZyPjRV/xYeFJlysQhIrPpOC/kiJhxO9U4q4