前言与致谢

如今，我们可以自信地讲述远古时期的宇宙状况，这实在是不同寻常。这一理论自一个世纪之前诞生以来，便久经考验，相较于自然科学的其他分支，它诞生的方式相当简单，并且相对而言，很少有人从中找到过推进研究的线索。后来爱因斯坦为我们指明了正确的研究方向，自那以后我便加入了对这一领域的研究，迄今已有50余年。这本书给了我一个机会，让我能够记录下宇宙学研究领域中正在发生的事以及我对其中原因的思考。人们通常认为，在自然科学领域，我们对历史不够重视。本书的写作初衷就是希望能够毫无保留地展现宇宙学发展的全貌，包括其中那些绝妙的见解、幸运的猜想、未选择的道路、犯过的大大小小的错误以及研究过程中逐渐积累的大量证据，这些证据后来也以一种合情合理的方式汇聚在了一起。本书以相对简明的方式较好地解释了自然科学研究究竟是如何开展的。

我希望在本书中能够实现宇宙学客观历史同我本人主观理解的结合，我将以第一人称视角讲述我对本学科的理解。我们并不是为了寻求一个最终的理论（如果真的有这回事的话），寻求这样一种定论其实不过是人们在自己建立的那套既不完整又不精确的自然科学体系当中寻找着自己的位置，这种定位必然不会客观。我们在使用自己希望其合理的客观证据时，需要进行主观判断，同时谨记在心有些证据就是比其他证据更客观也更有用。

我在本书中研究了1998年到2003年间宇宙学研究的证据，并将其整理为对宇宙大规模结构本质和演进过程的可靠理论汇编。本书论述的时间线截止于世纪之交时革命性的那5年。但我于2019年才写完此书，所以书中偶尔会加入对这场革命之后一些事的评论。不断重复“在撰写本文时”这句话太过麻烦，还请读者依据上下文自行理解这部分内容。

我从爱因斯坦革命性地引入广义相对论开始讲述这段历史，该理论使对无边宇宙的本质进行定量分析成为可能。当然，在爱因斯坦提出该理论之前发生的事情也很重要，它们为之后的思想提供了借鉴。但是我的评论仅限于对牛顿物理学体系下无限宇宙方面概念性问题的讨论。本书简化了爱因斯坦出现之后的历史，略去了我认为不太重要（即使它们为更成功的想法提供了参考）和省略掉也不太可能令人遗憾的路径。对这一冒昧行为，我深表歉意。如果我遗漏了具有社会价值的研究路线，恳请各位读者告知，本人将感激不尽。

这门学科的后革命时代历史非常重要，思考宇宙在遥远的过去和将来是什么样子当然很有意思，但我并不打算在本书中探讨这些问题。

那些正在为宇宙学研究做出贡献的人应该知道自己学科的历史。我对这本书的定位是：在这里你可以了解很多年前发生的一些事，这些事件或多或少地解决了本学科内的一些问题。当然，这些事件都非常复杂。宇宙学家们已经从技术层面了解了这段历史，这并不是多么困难。我希望对正在考虑主修物理科学的本科生而言，本书的论述是易懂的。我知道有些读者并非科研工作者，但又对恒星、星系和正在膨胀的宇宙的相关知识非常着迷，他们愿意略过技术性细节，更多关注对现象的描述，我希望本书所写的内容对于这部分读者来说也是易于理解的。细节对那些喜欢琢磨的人而言非常有用，因此我在脚注中添加了我认为与内容相关但对本书整体而言并非必要的评论。脚注还提供了一些定义，这些定义源自天文学家充满好奇心的传统。正文中会有些公式，这些公式对描述这段历史非常重要。公式出现较多的部分，我会使用保证宏观图像仍然可见的叙述方式。阅读时略过公式是完全可行的，读者如果真的需要，可以稍后再回看这些公式。书中也包含了介绍性和总结性的小节，在这些部分没有任何公式。

我将这本书称为历史，但它是按照我所知道和喜欢的物理学传统来写的，这样做是为了避免出现那些肤浅的“创生故事”。与专业历史学家的讨论告诉我，历史学和社会学领域的专家们所用的传统评估可以对我的研究方法形成补充。例如，我很少写关于人物性格的东西，也不写对研究的支持不断进化的本质。我也不过多地提及交流方式——不管是早期在“老男孩俱乐部”内交换信件，还是如今通过博客——的相关事情。在会议中的交流仍然很重要，但是随着宇宙学范围的扩大，这门学科的会议变得越来越细化，这在我这一代的许多人看来都是令人不安的现象。但我必须将这些留给科学领域中真正的历史学家、哲学家和科学社会学家，我希望他们能理解我越过他们的传统，用一个热心的物理学家的惯例来撰写本书。

在第1.1节和第10章中，我讲述了一些思考，这些思考有关从宇宙学的变化中了解到的自然科学事业的本质和哲学。我们在这段历史中看到，科学家之所以如此行事，是因为他们虽然在日常生活中行为与一般人无异，但对宇宙学研究却有更强烈的兴趣。随着科学的每一项进步，我们都会看到一份新的证据，证明存在一个客观的物理现实，我们正在对它的本质进行更深入的探索。这种观点谈不上有什么新意，但是我认为从现代宇宙学的历史中得出的例子是特别清楚且有益的，因为这门学科相对简单。

我已经介绍过这个故事的一部分。我在2014年就曾发文详细介绍1948年乔治·伽莫夫研究小组中发生的事情。2017年我又发文回顾了鲍勃·迪克引力研究小组的工作，这篇文章对实验引力物理学的发展至关重要，并引导人们认识到早期炽热宇宙的热辐射海遗迹。皮伯斯、佩奇和帕特里奇2009年所著的《寻找大爆炸》（ Finding the Big Bang ）一书中包含了20世纪60年代那些鉴定和解释古老热辐射的研究者对研究的回忆。

那些我认为对本书很重要的参考文献以作者的名字和发表年份标明，并在书末的参考文献部分列出。参考文献列表长度惊人，但它必须如此：尽管这是一门相对较小的学科，但其发展仍然包含了大量的工作。我选取了一些具有开创性贡献的例子，在此向对这一主观问题持不同意见的同行致歉。

本书中的某些引用来自出版著作，并注明了来源。如果引述的是法文或德文，我会加上我的翻译，这部分内容有时我会缩减或用谷歌辅助翻译。这本书提供了一个极好的机会，向那些对这一主题的研究有着久远记忆的人寻求回忆。为写作本书而引用的这些人的话语，我都标上了作者的名字和“个人交流”标签。我还从年轻人的建议以及互联网的奇迹中受益。特别感谢美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的天体物理学数据系统（Astrophysics Data System）书目服务档案库，这种用于追踪过去研究论文的工具非常好用。

说明数据的图示很重要，这些图示的演变也是历史的一部分。感谢我的同行向我提供了他们创造和拥有的图示，我也在图注中标明了他们的名字。我为本书制作的图示，以及我过去制作但从未发表过的图示的图注均未注明引用来源。从文献中摘录的图示，我会在图注中标明来源，可以参考出版物来追踪该图示的版权持有者。版权所有者的授权使用条件差别很大，有的只需要说明一下图表可以被引用，但书中也有引自一个令人尊敬的学术团体的出版物的两幅图需要付费。我认为授权许可之所以如此混乱，是因为出版方自然想加强对内容的控制，但文献中的图示很容易成为教学中合理使用的内容，之后难免会用于出版物中。对于任何我在授权许可方面可能未正确陈述或忽略之处，我深表歉意。如被告知，我将在以后的重印中进行修改。

书中的部分插图是这段历史中人物的样本。我希望这些插图能提醒人们那些公式和测量背后的人。本书篇幅有限且图片收集耗时费力，致使许多杰出同人的照片未能被收录，对此我深表歉意。照片配文是我评论图片背后故事的机会，犹如将课堂上的讲述凝固于纸页之上。

我选择的单位系统都遵循惯例，就是说在不同的研究领域往往会有所不同。在宇宙学的某些领域，通常会通过单位的选择使光速为1。如果使用符号 c ，这些公式在我看来会很奇怪，当然这也得依情况而定，但是我仍遵循惯例，因为这本书是写历史的，所以这似乎很恰当。在其他地方，普朗克常数 ℏ 或者牛顿常数 G 为1。以前的厘米、克等单位系统正在被米、千克等单位系统取代。我认为这是明智的举动，但是因为这类变化往往很慢，我决定遵循历史，保留以前的单位系统。

本书讲述的内容似乎过于集中在新泽西州普林斯顿这个小镇上。这是不可避免的，部分原因是我自1958年以研究生身份来到普林斯顿大学以来一直是该大学的一员。但更加不可避免的是，书中的很多故事都发生在这里。其他学术机构提供的学术休假让我在这个故事中扮演的角色得到了帮助。这些学校包括加州理工学院、加利福尼亚大学伯克利分校、位于加拿大不列颠哥伦比亚省的多米宁天体物理天文台（the Dominion Astrophysical Observatory）、剑桥大学以及普林斯顿高等研究院，普林斯顿高等研究院提供的还是两次机会。我在这些地方学到了很多东西。

同行们的建议和回忆给了我很大帮助，这些人包括：内塔·巴哈尔（Neta Bahcall），约翰·巴罗（John Barrow），迪克·邦德（Dick Bond），史蒂夫·鲍恩（Steve Boughn），米凯莱·卡佩拉里（Michele Cappellari），克劳德·卡里南（Claude Carignan），雷·卡尔伯格（Ray Carlberg），里克·卡尔森（Rick Carlson），罗宾·齐亚杜洛（Robin Ciardullo），唐·克莱顿（Don Clayton），肖恩·科尔（Shaun Cole），拉马纳特·考西克（Ramanath Cowsik），马克·戴维斯（Marc Davis），理查德·戴维德（Richard Dawid），雅各·德斯沃特（Jaco de Swart），乔·邓克利（Jo Dunkley），约翰·埃利斯（John Ellis），温·埃文斯（Wyn Evans)，桑德拉·费伯（Sandra Faber），肯特·福特（Kent Ford），肯·弗里曼（Ken Freeman），卡洛斯·弗伦克（Carlos Frenk），福田正孝，吉姆·冈恩（Jim Gunn），戴维·霍格，皮特·哈特（Piet Hut），戴维·凯泽（David Kaiser），史蒂夫·肯特（Steve Kent），鲍勃·科什纳，阿尔·科格特（Al Kogut），罗基·科尔布（Rocky Kolb），安德烈·克拉夫佐夫（Andrey Kravtsov），里奇·克朗（Rich Kron），马尔科姆·朗盖尔（Malcolm Longair），加里·马蒙（Gary Mamon），约翰·马瑟（John Mather），阿德里安·梅洛特（Adrian Melott），莉莲·莫恩斯（Liliane Moens），理查德·慕肖斯基（Richard Mushotzky），基思·奥利弗（Keith Olive），杰里·奥斯特里克（Jerry Ostriker），莱曼·佩奇（Lyman Page），布鲁斯·帕特里奇（Bruce Partridge），威尔·珀西瓦尔（Will Percival），索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter），马克·菲利普斯（Mark Phillips），乔尔·普里马克（Joel Primack），马丁·里斯（Martin Rees），亚当·里斯（Adam Riess），布莱恩·施密特（Brian Schmidt），杰里·塞伍德（Jerry Sellwood），乔·西尔克（Joe Silk），戴维·斯佩格尔（David Spergel），埃德·斯皮格尔（Ed Spiegel），保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt），马泰斯·斯坦梅茨（Matthais Steinmetz），迈克尔·施特劳斯（Michael Strauss），亚历克斯·萨莱（Alex Szalay），阿拉尔·图姆尔（Alar Toomre），里仁·范德韦加尔特（Rien van de Weygaert），雨果·范沃尔登（Hugo van Woerden），史蒂夫·温伯格（Steve Weinberg），雷纳·韦斯（Rainer Weiss），西德·威斯特摩兰（Cyd Westmoreland），西蒙·怀特（Simon White），内德·赖特（Ned Wright），杰茜卡·姚（Jessica Yao）和马蒂亚斯·萨尔达里亚加（Matias Zaldarriaga）。我肯定还遗漏了一些人，在此向他们表示诚挚的歉意。