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起初，近140亿年前，整个宇宙比这个句子末尾的句号还小。
到底有多小呢？不妨把这个句号想象成一张比萨饼，然后再把这张比萨饼切成一万亿片。万事万物——包括组成你的身体、你窗外的树木或建筑、你朋友的袜子、矮牵牛花、你的学校、我们这颗星球上最高的山脉和最深的海洋、太阳系乃至其他遥远星系的粒子，宇宙中所有的空间、能量和物质都挤在这个点里。
而且它很烫。
环境如此酷热，又有这么多东西挤在这么小的空间里，宇宙能做的事只剩下一件。
那就是膨胀。
飞快地膨胀。
今天，我们将这个事件称为“大爆炸”，在亿万分之一秒（确切地说，是一千亿亿亿亿亿分之一秒）的时间内，宇宙急速膨胀。
对于宇宙生命在最初这个瞬间的事情，我们到底了解多少？不幸的是，非常少。今天我们知道，四种基本力控制着世间的一切，从行星的运行轨道，到组成我们身体的粒子。但在大爆炸之后的那个瞬间，这四种力仍纠缠在一起。
宇宙在膨胀中冷却。
这个瞬间被科学家称为“普朗克时期”，因德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）而得名。在这个瞬间快要结束的时候，有一种力从混沌中挣脱出来。这种力将组成星系的恒星和行星聚集在一起，让地球围绕太阳旋转，也让10岁的小朋友没法灌篮——它便是引力。引力无处不在，我们可以通过一个简单的实验体验它：请合上这本书，把它举到离你最近的桌面上方几厘米的位置，然后放手。接下来，你看到的便是引力造成的结果。（要是你的书没往下掉，请立即联系离你最近的物理学家，告诉他宇宙出了大麻烦）
不过，在早期宇宙最初的短暂瞬间，行星、书本和10岁的篮球运动员都不存在，所以引力也没处施展身手。引力最擅长操控庞大的物体，然而早期宇宙里的一切都小得超乎想象。
但这只是开始。
宇宙继续膨胀。
接下来，自然界中另外三种主要的力彼此分开。
这些力的主要任务是控制充斥宇宙的粒子，或者说小块物质。
一旦这四种力完全分开，我们就拥有了搭建宇宙所需的工具。
我们不妨假设你真能去往火星，尽管这个任务并不简单；你还有一套足够宽松的宇航服，能让你自由地跳起来。特定行星或卫星的引力强度取决于它的质量。火星比地球轻，因此它的引力相当于地球的1/3，所以你的确有可能跳得足够高。不过，要是有一天你真的去了火星，我希望你不要浪费时间去打篮球，大把更有趣的事情等着你去看、去做。
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宇宙依然难以想象地小而热，但里面开始挤满粒子。这时候的粒子有两种，它们分别叫作夸克——听起来和“马克”押韵——和轻子。夸克的性质十分古怪。你永远不可能抓到落单的夸克，它总是和附近的伙伴“勾肩搭背”。我敢打赌，你至少认识一位这样的朋友或者同学。夸克就像那些不愿落单的孩子，哪怕上厕所都得搭伴。
有人警告我说，向年轻读者介绍太多的名称和术语并不明智。所以我将努力克制列出宇宙中所有夸克类型的冲动——譬如上夸克、下夸克、奇夸克和粲夸克。但我还是觉得你应该了解一下夸克和轻子，整个可见的宇宙都由这些粒子组成，包括你在内。另外我还注意到，孩子们真能记住各种恐龙的复杂名字。当然，有的恐龙凶猛可怕，值得让人记住。不过我再强调一次，现在我们讨论的可是组成宇宙的东西！粒子也很迷人，尽管它们没有恐龙那么凶猛，但要是没有它们，那些恐龙根本就不会存在。
两个或两个以上的夸克被分开得越远，将它们束缚在一起的力就会变得越强——它们就像被某种看不见的微型橡皮筋绑在一起。但要是夸克被分开得足够远，橡皮筋就会绷断，储存的能量就会在断裂的两头分别创造出一个新的夸克，于是被分开的伙伴各自获得了一位新朋友。假如同样的事情发生在你们学校里那些“连体婴”身上，他们每个人都会一分为二。当然，对你们的老师来说，这将是个大麻烦。
而另一方面，轻子却是“独行侠”。将夸克束缚在一起的力对轻子不起作用，所以它们不会聚集成群。最有名的轻子是电子。
除了这些粒子以外，宇宙中还充斥着沸腾的能量，能量被裹在波状的小包裹里，这些光能量团叫光子。
事情从这里开始变得奇怪起来。
宇宙如此炽热，所以光子会不断转化成物质-反物质粒子对，这些粒子对又会相互碰撞，再次转化为光子。但出于某些神秘的原因，这种转化有十亿分之一的概率产生一个落单的物质粒子，没有反物质粒子与它配对。要是没有这些孤单的幸存者，宇宙中就不会有物质存在。这是件好事，因为我们都是由物质组成的。
我们的确存在，而且我们知道，随着时间的流逝，宇宙不断膨胀、冷却。在它膨胀得比我们的太阳系还大的过程中，它的温度也在迅速下降。虽然这时的宇宙还很热，但它已经降到了1万亿开氏度以下。
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宇宙已经从句号的亿万分之一膨胀到了和我们的太阳系差不多大，也就是说，直径近3000亿千米。
宇宙中的主要粒子——包括我们刚刚介绍过的夸克和轻子——都有性质与它处处相反的双胞胎反粒子。以轻子家族中最著名的电子为例，电子拥有一个负电荷，而它的反粒子——正电子——则拥有一个正电荷。不过我们不太看得到反粒子，因为反粒子一旦形成就会立即去寻找它的双胞胎兄弟，它们的相见从来就没什么好结果。这对双胞胎会彼此湮灭，转化为爆发的能量。这个故事请见物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）的著作《物理世界奇遇记》（ The New World of Mr. Tompkins ）第三章。今天，科学家在大型实验中利用原子的碰撞来创造反物质粒子。我们跟踪空间中的高能碰撞来观察它们。不过要说最容易找到反物质的地方，可能还得数科幻作品。《星际迷航》（ Star Trek ）电视剧集和电影里那艘著名的“企业号”星舰就是靠反物质引擎驱动的，反物质也是漫画里的常客。
也许你已经学会测量温度，但要描述一个系统的温度，有几种不同的方式。美国人习惯用华氏度，欧洲和全球其他大部分地区则以摄氏度为标准。天体物理学家使用开氏温标，这套温标下的零度是绝对零度。任何东西都不可能比绝对零度更冷。0开氏度约等于-273.15摄氏度。我并不反感其他温标。日常生活中我乐于使用华氏度，但在思考宇宙的时候，我想到的肯定是开氏度。
1万亿开氏度，这个温度比太阳表面热得多，但比大爆炸之后的那个瞬间已经冷却了不少。这个温吞吞的宇宙温度和密度都不足以继续“烹制”夸克，所以夸克纷纷抓紧“舞伴”，创造出更重的粒子。它们的组合很快带来了我们更熟悉的物质形态，譬如质子和中子。
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宇宙的直径已经膨胀到了几光年，大约相当于太阳和离它最近的恒星之间的距离。温度降到了10亿开氏度。这还是很热，足以“烹制”小小的电子和它们的搭档——正电子。这两种粒子不断诞生，彼此湮灭，然后消失。但电子和其他粒子都遵循同一条法则：它们有十亿分之一的概率幸存下来。
其余的则相互摧毁。
宇宙的温度降到了1亿开氏度以下，还是比太阳表面热。
控制宇宙的四种基本力如下。
不过简而言之：引力束缚大家伙，其他三种力则作用于小不点。
更大的粒子开始彼此聚合。组成我们今天能看见的宇宙——包括恒星和行星、你窗外的树木或建筑、你朋友的袜子、我的胡须——的原子所需的基本元素终于走到了一起。质子与中子、其他质子共同组成原子的核心，我们称之为“原子核”。
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正常情况下，宇宙中呼啸而过的电子会被质子和原子核吸引。电子带有一个负电荷，质子和原子核则携带正电荷，异性相吸。可这些粒子为什么会携带正电荷和负电荷呢？或者你还会问，异性为什么相吸呢？
它们就是这样。
我真想告诉你一个更好的答案，但宇宙没有义务为我们提供合理的解释。我只能说，这两个概念背后都有很多很多年的科学研究支持。
既然异性相吸，那么接下来你肯定觉得质子和电子会紧紧黏在一起。不过在接下来的几千年里，宇宙的温度还是太高，这些粒子根本无法安定下来。电子自由游荡，撞得质子东倒西歪，自由电子就爱干这事儿。
每个人都有不同的气质或特性。有人善良，有人慷慨，也有人不友善。这些特性能帮助我们定义自己。电性是物质的基本特性之一。有的粒子带正电，例如质子；有的带负电；还有一些完全不带电，譬如中子。拥有相同电性的两种粒子会互相排斥，电性相反的粒子——例如质子和电子——则会相互吸引。
宇宙温度降到3000开氏度（大约相当于太阳表面温度的一半）时，这样的局面就结束了，所有自由电子都和带正电的质子结合在了一起，它们结合产生的所有光子至今仍原封不动地在宇宙中穿行——直到今天，科学家仍能探测到这些光。我们将在第三章中进一步讨论这部分内容。
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这幅通过望远镜拍摄的画面让我们看到了银河系中心附近的数十万颗恒星。
宇宙继续膨胀，像一只不会爆炸的气球。膨胀过程中，宇宙逐渐冷却，引力开始起效。最开始的几十万年里，粒子到处乱跑，就像幼儿园操场上的小朋友。然后引力将这些碎片凝聚起来，形成宇宙中的城市，我们称之为星系。
近一千亿个星系成形了。
每个星系拥有几千亿颗恒星。
这些恒星像高压锅一样，迫使微小的粒子聚合形成越来越大的元素。最大的恒星积聚了极高的热和压力，制造出铁这样的重元素。
巨型恒星内的元素如果一直停留在自己诞生的地方就没什么用处。但这些恒星并不稳定。它们会爆炸，将自己内部的物质抛洒出去。
宇宙诞生90亿年后，在宇宙中一个平凡星系的一块平凡区域里，一颗平凡的恒星诞生了，它便是太阳。
它是怎么形成的？引力慢慢聚集起一大片气体云，里面充斥着粒子和包含多余质子、中子的重元素。在这些粒子围绕彼此旋转的过程中，引力迫使它们不断靠近，最终发生碰撞，聚合在一起。
宇宙中有118种已知的元素，每种只由一种原子组成。不同元素间的主要区别在于原子核包含的质子数不同。氢是宇宙中最常见的元素，它只拥有一个质子。将一个质子加到氢原子里，你就会得到一种新元素——氦。
太阳诞生之初，这团气体云里仍残留着足够多的宇宙原料，它提供的物质足以制造出几颗行星、几十万颗被称为小行星的太空岩石和几十亿颗彗星。甚至到了这一步都还有富余，剩下的垃圾到处晃荡，常常撞上其他天体。
从700千米的高度俯瞰地球，你就会明白为什么我们叫它蓝色星球。
这样的撞击能量惊人，足以熔化岩石行星的表面。
太阳系中左冲右撞的碎片越来越少，这样的撞击也逐渐减少，行星表面开始冷却。被我们称为地球的行星形成于太阳周围的“金发姑娘带”
。你还记得吧，童话里的金发姑娘不喜欢粥太烫或者太冷，她想要温度刚刚好。同样地，地球和太阳之间的距离也刚刚好。要是地球离太阳更近一点，海洋就会蒸发；而要是再远一些，海洋就会封冻。
无论是前者还是后者，我们所知的生命都不会演化出来，你也不会在这里读这本书。
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组成我们这颗年轻炽热星球的岩石中蕴含的水被释放到空中。随着地球逐渐冷却，这些水以雨的形式坠落下来，渐渐形成海洋。在这些海洋里，简单的分子以我们尚未发现的某种方式组合在一起，形成生命。
人类是需氧生物。我们需要富含氧的空气。主宰早期海洋的是简单的厌氧菌，这些显微级生命不需要氧气也能存活。多亏了厌氧菌，它们能释放氧气，这些充盈在空气中的氧最终为我们人类提供了繁荣的基础。有了富含氧的新大气，越来越多的复杂生命形式得以兴起。
但生命是脆弱的。偶尔会有大型的彗星和小行星撞击地球，造成巨大的破坏。
6500万年前，一颗重达10万亿吨的小行星撞击了如今墨西哥的尤卡坦半岛。这块太空岩石在地球表面上撞出了一个180千米宽、20千米深的大坑。这次撞击，以及它扬起的尘埃和碎片，抹去了地球上的绝大部分生命，包括所有著名的大型恐龙。
灭绝——生物或生命形式的绝对终点。
这次大灾难让我们哺乳动物的祖先得以繁荣发展，而不是继续充当霸王龙的零食。这些哺乳动物中有一支脑袋特别大的，我们称之为灵长类，它们演化出了一个聪明得足以发明科学方法和工具甚至追寻宇宙起源和演化的物种——现代智人。
那便是我们。
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大爆炸之前发生过什么？
天体物理学家也不知道。或者说，对于这个问题，我们最具创造性的答案几乎得不到实验科学的任何支持。换句话说，我们无法证明它们。面对这个问题，有人坚持认为，一切必然有个开始：某种强于其他所有力的力，某个万物源头。他们脑子里的这个源头当然就是上帝。
但是，也许宇宙早已存在，以某种我们尚未确认的方式——譬如说，有个不断创造出新宇宙的多重宇宙。会不会是这样呢？
或者宇宙是从虚无中突然诞生的？
又或者我们所知、所爱的一切不过是某个外星超级智慧物种创造出来的电脑游戏？
一般而言，这些问题满足不了任何人。但它们却能提醒我们，无知——而不是已知——才是研究型科学家的常态。聪明的年轻人往往不愿意说“我不知道”，但承认自己的无知是科学家必须面对的日常。如果有人相信自己无所不知，那他肯定没有寻找过宇宙中已知和未知之间的边界，更不曾被这边界绊倒过。
而在接下来的章节里，我希望带领你前往这条边界。
我们确切知道的是，宇宙有一个起点。
我们知道宇宙一直在演变。
我们还知道，你身体里的每一个原子都能追溯到大爆炸那一刻，追溯到50多亿年前将自己内部的物质洒遍星系的巨型恒星熔炉之中。
我们是被赋予生命的星尘。
宇宙赋予了我们探查它的力量——我们这才刚刚开始。