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“随着我们与某一事物的距离的增加，我们对它的认识在减少，并且是锐减，以至于在遥远的、模糊的地平线上，我们只能在观测误差之间试探着寻找几乎没有任何意义的定位点。这种寻找还将继续，因为这种寻找的欲望比历史还古老，它在被满足之前，是无法压抑的。”——埃德温·哈勃
人类探索并了解宇宙的欲望与人类历史同寿。天文学被认为是所有自然科学中最古老的学科，这并非毫无道理。一直以来，我们都对头顶上方的星空很感兴趣。起初，我们认为星空中遍布神灵。渐渐地，我们认识到，即使没有神灵的帮助，人类也可以探索宇宙，因此天文学研究就变得越来越重要了。让全世界都知道谁才拥有对星空的解释权，正是历来天文学研究的魅力所在。因此，随着每一个新的“尤里卡”（古希腊语，意为“我找到了”）的出现，不止天文学家的世界观，整个人类对宇宙的认识都发生了变化。然而，对当下天文学世界观的任何描述都只是一份中期报告。尼尔斯·玻尔恰当地做了如下总结：“一切看似不合理的存在在宇宙中都是可能的。”
一门将万物看作一个整体的科学应该从哪里着手研究呢？21世纪的天文学已不再是一门命名式科学，而是一门探究性科学。它试图认知和理解世界，或者说探索作为一个整体的宇宙是如何形成的。它探寻宇宙如何发展，寻找支配宇宙的基本法则。它已成为一门与万物相关联的物理学，而不再仅仅研究某一恒星或星系。如今，几乎每篇天文学的学术文章里都会出现诸如“演化”“复杂性”之类的词语，天文学从以前的仅观察天空的学科变为如今应用型的天体物理学，那么发生这种变化的原因是什么呢？
天文学的这种变化始于望远镜的发明。德国有句谚语：狗总是会咬第一个敢看它的人。1610年，伽利略对来自梵蒂冈的调查官说，如果他们不相信他的话，可以自己用望远镜看看。调查官拒绝了，因为在他们看来，这根奇怪的管子没有展现“真实”，也无法展现“真实”——他们所认为的“真实”是神学上的真实。伽利略想要收回自己的言论，但没有成功。从神学家的角度来看，潘多拉魔盒已经打开，并且再也关不上了。在随后的几个世纪中，天文学界始终使用最新技术，并将地球上的物理学研究成果直接应用于观测和解释宇宙中发生的事件。在接下来的400多年中，伽利略望远镜发展成为一种完美的聚光设备，它利用巨大的反射镜和透镜系统观测恒星和星系的可见光。在感光材料的帮助下，人眼被胶片取代，如今更是被数字芯片取代。现在，没有天文学家会像伽利略当时那样直接用肉眼通过望远镜进行观测了。今天的天文学代表了科技的最高水平：计算机控制天文望远镜，分析电磁辐射，甚至可以自行发现位于极远方的、非常微弱的辐射源。天文学早已不仅仅局限于可见光分析了。
除可见光辐射外，纯粹的宇宙天体物理学研究也开始了。因为大部分紫外线、X射线和γ射线都无法到达地球表面，所以在行星级的大规模实验时，天文学家直接破坏能吸收紫外线的臭氧层，以此来大大降低大气层对紫外线的阻隔作用。紫外线天文学可能在未来迎来黄金时代。
高能辐射被卫星接收后，这个宇宙信使就给我们带来了与“残骸”有关的新闻——当然说的是恒星的残骸。大质量恒星的残骸，即脉冲星和黑洞对研究X射线和γ射线的天文学家来说是天空中特别明亮的光源。这些恒星的残骸融合在一起时，会释放出非常大的能量并拥有非常强的发光能力。
讲完天文学观测技术之后，我们现在开始谈谈天体物理学家的世界观。但是，在此之前我们要谈谈自然科学世界观存在的前提，即是什么让自然科学家如此确信，他们从实验或观测中获得的数据与真相或事实有所关联？焦尔达诺·布鲁诺曾说：“如果这不是真相，那就是优秀的发明。”自然法则真的只是优秀的发明吗？自然科学家的信心是基于什么呢？
对科学方法的信任是基于该方法已取得的无数成果。自然科学家要对观测结果和实验数据进行解释。如果一些模型和理论不仅能完美地解释现有的观测结果和实验数据，而且能对未知的现象做出准确的预测，从而使这些现象被发现，那么这些模型和理论就非常具有说服力。理论与实验之间的“博弈”重复的次数越多，我们就越相信支配这种博弈的规则。这些规则就是自然界的基本法则。
自从“博弈”开始以来，作为构建我们的世界观基石的基本定律，没有一个被证明是错误的，最多只能说有些笼统。我们的世界观并没有发生突飞猛进的变化，只是加入了新的基石并且不断拓展边界。自然科学世界观的连贯性（指的是一致性）基于相互支持的、在各自的动向上紧密相连的两大柱石，即理论和实验。我们甚至可以通过实验以验证如下问题，即自然法则是否会随着时间而变化，也就是说，支配早期宇宙的法则是否与当下的不同。因此，即使自然科学世界观是一种动态的、内部不断变化的世界观，我们也可以说它在很大程度上是始终如一的。我们可以将其比作一种活的生物体，它的外壳保持不变，但内部只有在动态平衡的状态下才能保持稳定。一旦这种动态平衡被打破，生物体就会崩溃死亡。当自然科学的生存动力消失，即实验/观测与理论之间永恒的批判性对话归于沉寂时，自然科学便会消亡。如果我们的自然科学世界观因我们相信已经找到了真相而“冻结”，那么它终将被粉碎。幸而，这种对话目前依然热烈而生动，所以我们的自然科学世界观在很大程度上不会出现类似从托勒密的学说到哥白尼的学说那样的“阶段性突变”。
现在来谈谈万物伊始，因为宇宙的形成也有一个起点。它从密度极大、极度炽热的“无昨日之日”的宇宙变成气体越来越稀薄、温度不断下降的宇宙。物理学中的性质力（引力、核力、电磁力等）像晶体一样从热源中生发“冷凝”而成，原子核和电子也由此产生。宇宙大爆炸发生几分钟后，当今宇宙所有的组成成分都出现了：氢、氦和电子。此外，宇宙大爆炸还产生了很多光，光子与重子的数量之比为1 000 000 000:1，因此宇宙中的光远多于阴影。
如今，我们观测到的数据给“宇宙大爆炸”这个设想的几个基本点都提供了非常有力的证据支持。当然，我们仍然不知道大爆炸的“目的因”是什么。虽然大爆炸之前发生的事情不属于现代天文学的研究范畴，但是我们有足够明确的证据证明万物是如何诞生的。据我们估计，宇宙是在140亿年前形成的。而今天，我们不但了解宇宙的一般特性，最重要的是我们知道“物质之舞”始于宇宙的起点。
自诞生以来，宇宙就一直在膨胀。大爆炸是宇宙的起源，从那时起，空间和时间就同步运行了。宇宙由于在不断膨胀，于是就有了确定的时间走向。时间不走回头路，是不可逆的，万事没有重复。我们的宇宙每天都在变得越来越大、越来越冷，望远镜和卫星每天都在向我们展示着宇宙新的发展变化。大爆炸产生的辐射本质上是一种电磁波，它以光速传播。但是，光速不是无限大的，而是接近30万千米/秒。因此，光也是需要时间才能到达我们的地球的。而且，我们的目光越是看向太空深处，我们接收到的光线就越古老。也就是说，我们凝视太空的目光越深邃，回顾的过去就越遥远。今天，我们可以“看到”，在过去，星系之间的距离更近一些，并且它们也更加明亮。我们还可以“测量”更早期的整个宇宙的温度，并由此确定宇宙以前的温度更高。我们甚至“看到”了无法穿透的、巨大的宇宙光幕，它如此厚重，使得我们无法窥见大爆炸后不久宇宙的样子。这片光幕就是宇宙背景辐射，它是宇宙起源于大爆炸的证据，因为它是大爆炸的遗迹，是冷却的残余物，温度仅为2.725开尔文（约-270℃）。
然而，在如今这个非常寒冷、非常古老并且几乎空空如也的宇宙中，我们人类处于什么位置？现代天文学的诸多发现对我们又意味着什么？事实上，宇宙为我们做了很多，地球是宇宙中一个非常特殊的星球。
如果你正在阅读本书，并且可能正在思考这个问题，那么你的身体内则正在发生由碳、氧、钙、钠和钾等元素参与的生化反应。这些元素并不是自古就存在的，而是在宇宙大熔炉中炼出来的。恒星都是非常成功的“炼金术士”，能从核聚变中获得能量。在核聚变过程中，氢成功地聚变为氦，再聚变为氧，这条反应链的终点为铁，然后能量供应就中断了。之后，大多数恒星慢慢燃烧殆尽，亮度逐渐减弱，就此熄灭，只剩下这些元素。但是，大质量恒星会在其自身引力的作用下坍缩并发生爆炸。在这种寿命终止时的爆炸中，大质量恒星甚至会产生金、银和铀。
原子核在恒星中彼此融合在一起。地球上所有生物的构成成分中，星尘占比高达92%。因此可以说，我们是由恒星爆炸的残骸组成的。如果所有恒星都保留自己“孵化”出的元素，那么宇宙将非常无趣，因为它将一如既往地由氢和氦组成。然而现代天文学家发现，大质量恒星在猛烈的爆炸中会将内部产生的重元素回馈给宇宙。恒星爆炸时的冲击波会压缩星云，并为其注入新鲜的重元素。然后，星云会在自身引力的作用下坍缩，新的恒星由此出现。随着其中一些恒星再次爆炸，物质循环又重新开始了。
这一动态的循环过程决定了当今人类的天文学世界观。这一过程不仅存在于物质之间，还存在于星系之间。物质循环为我们打造了银河系这个家园，而星系，包括星际间的气体，也有可能被其他星系所吞并。一个星系的气体越多，诞生的恒星就越多，在气体非常多的情况下，恒星的诞生就会呈井喷式爆发。在这些恒星爆炸之后，该星系甚至可能将其产生的重元素抛到星系之间的空间中。当这些原本炽热的物质冷却下来之后，便可能掉落到一个叫银河系的星系中，如此便给这个星系带来了丰富的重元素。
这种“物质之舞”持续了数十亿年之后，我们的银河系才有了足够多的重元素，这才为形成拥有行星的恒星提供了可能。在更早的时候，这是不可能的，因为当时银河系的重元素太少了。今天，我们发现了很多其他恒星周围的行星系统，这些行星系统无一例外都是在拥有许多重元素的恒星周围被发现的。这些系外行星系统与我们太阳系的有很大不同，因为这些行星的轨道非常“偏心”，这些行星与木星（质量约为地球的318倍）类似，质量也非常大，并且非常靠近其宿主恒星。我们尚未明确知道这种星系是如何产生的，但是有一点我们目前非常确定，即太阳系的秩序不一定是宇宙中的一种标准模式。太阳系外的行星系统的发现是现代天文学的重大事件，因为如果存在其他行星系统，那么也可能存在外星生命。天文学在第三个千年的重点便是寻找宇宙中的生命，不是寻找UFO（不明飞行物）或ET（外星人），而是在太阳系周围寻找生命演化的生化迹象。这个任务曾经属于科幻小说作家，而今天属于天文学家。
今天，我们已经对整个宇宙及其组成有了很多了解。我们知道恒星如何诞生，又如何死亡；我们知道元素来自何处，以及恒星如何反复向宇宙的物质循环系统提供新鲜“血液”；我们甚至知道其他行星系统的存在，以及是否可能存在外星生命。看起来，我们的天文学研究成果颇丰，但是我们知道的真的很多吗？我们目前的世界观是完整的吗？
可惜不是！我们如今遇到了一个似乎无法打破的认知壁垒——宇宙“黑暗的一面”。我说的不是漆黑的夜空或星际间的黑暗空间，而是所谓的“暗物质”，它的存在已被人类的大量观测所证实。暗物质是一种物质，它仅可以通过自身质量以及由此产生的引力作用而被发现。它不以任何方式与辐射相互作用，也就是说，它不吸收任何辐射。然而，每个星系都被暗物质所包围，暗物质甚至决定了星系和星系团的形成。没有暗物质的引力，宇宙到今天都无法形成一个星系。没有它，宇宙中就只有随着其膨胀而不断变得稀薄的、均匀分布的气体。暗物质形成了一片物质的海洋。虽然星系、恒星、行星和所有生物是由发光物质构成的，但是它们只是这片由暗物质形成的暗海中的一座座小岛。暗物质应该是由我们还完全不认识的粒子所构成的。
更为紧迫的问题是弄清楚所谓的“暗能量”，它约占宇宙总质能的70%。近几年来，通过对遥远的超新星爆炸的观测，我们得出了一个非常奇怪的结论：宇宙正在加速膨胀。80亿年以来，一股力量在不断加快宇宙空间的膨胀速度。从那时起，宇宙中所有物质的总量开始低于暗能量，这大大影响了宇宙的演化。质量会产生引力，从而减慢宇宙的膨胀速度。而自80亿年前以来，暗能量接替引力控制了宇宙，从而加速了宇宙膨胀。暗能量到底是什么？我们不知道，甚至量子力学对此也无能为力！这是21世纪理论物理学面临的最大挑战。
我们现在又面临一个转折点，情况与一百年前类似。当时的物理学完全不清楚电磁波在哪种介质中传播，因此假想出一种介质，并称之为“以太”。科学家进行了很多实验，以期证明当地球随以太运动而运动时光速会改变。结果让人绝望：所有实验都证明光速与参考系无关。最终是爱因斯坦用狭义相对论将物理学从这一难题中解救出来。狭义相对论、广义相对论和量子力学代表了20世纪物理学的重大突破。显然，我们现在需要再次发动一场物理学变革来解决由暗物质和暗能量引起的问题。
尽管有像宇宙中无处不在的暗物质之类的难题，但是我们仍可以充满信心地肯定我们当下的宇宙观。现代天文学的最大发现是，地球上一切有效的自然法则也适用于宇宙中的其他地方。在地球上可以解释得通的实验理论，在宇宙中也会以一种宏伟的方式被证实。今天，我们可以借互相绕行的一对恒星残骸，即两个半径分别为10千米、仅由中子组成的天体，来验证广义相对论，甚至能将计算结果精确到小数点后10位。结论是，广义相对论是正确的。在中子星被发现的30年前，就有人在书桌旁预言了这种恒星残骸的存在。宇宙中的现象和量子力学现象具有惊人的一致性。因此，如果我们发现的并通过实验证实的自然法则确实是错误的，那么它们错得也太完美了。
显然，有了物理学，人类就掌握了一个很有用的描述自然的方法。宇宙中的物理学，即天体物理学，如今以宇宙为镜端详人类。我们生活在宇宙中，一个天体物理学所研究的宇宙中。在过去的几十年中，由于有了天体物理学，我们已经认识到自身的存在是如何与宇宙提供的先决条件紧密交织在一起的。
物理学中基本相互作用力的共同作用决定了整个宇宙的多样性和复杂性。物理学理论甚至可以描述我们认知的基本边界，也就是原则性边界。光速是宇宙中最快的速度，而普朗克常数定义、描述了宇宙中最小单位的能量。如此，相对论从一方面，量子力学从另一方面描述了物理学研究的边界。由于早期的宇宙中充斥着强烈的辐射，而物质的温度与宇宙辐射的温度相同，因此发光物质与辐射之间强烈的相互作用使宇宙中产生了无法穿透的光幕。正如我们不能看到太阳中心而只能看到太阳表面一样，我们也无法知道早期宇宙中发生的事件。只有当宇宙在膨胀过程中冷却到一定程度、辐射逐渐变弱时，物质与辐射才能分离开来。这大约发生于宇宙大爆炸后38万年，但是宇宙背景辐射将此前发生的一切永远掩盖了。辐射与温度之间的这种关系为我们指明了宇宙的时间走向。由此，宇宙中的空间、时间以及速度都有了意义。
对更深层次物理关系的精准探索将物理常数和定律限制在极为狭窄的范围内。我们不可能存在于其他任何宇宙中，因为行星的运行轨道只有在三维空间中才是稳定的。只有在我们的宇宙中，物质才是稳定的，因此生命也只可能在我们的宇宙中出现。
现在，我们已经围着物理学的山巅走了一圈。可是，我们只是看了看，没费太多的脑力，就像只是在平原上漫步一样。接下来，我将带领你走进理性和智慧的群山，攀登我所知道的最迷人的科学之峰。让我们一起进入一个与我们的世界完全不同的世界，即宇宙，因为没有它就没有我们的世界。事实上，宇宙真的与我们所有人都有关系！