第一部分 宇宙

第二章 月亮

大概四十亿年前,我们年轻的行星与另一颗行星撞在一起,后者大概有火星那么大,这次撞击从地球上扯了一块物质下来,被带入太空。在随后的几亿年时间里,所有那次撞击产生的碎片聚到一起,形成了一个球体绕着地球运行。等这一切尘埃落定之时,就是你现在置身其上的月球的诞生之日。

第三章 太阳

热核聚变反应(以小原子创造大原子)能够发生的一个必要条件是巨大的能量,太阳压倒一切的自身引力就是这种巨大能量的来源。这个引力将一切物质拉向太阳的核心,以巨大的压力挤压它们。   这就是行星与恒星的主要差别。两者都是大致呈球形的天体,行星的体积和质量基本上都比较小,有着岩石内核,有时候外面包裹大气。而恒星可被视为巨大的热核聚变反应工厂。它们的引力能量大到可以凭借自然的力量在其内核将物质压缩以产生新的物质。地球上所有的重原子,生命所必需的所有重原子,包括构成你身体的所有重原子,都是在某颗恒星内部被创造出来的。当你呼吸时,你吸入它们,当你触摸自己的皮肤或者别人的皮肤,所触到的都是星尘。你早先疑惑为什么像太阳那样的恒星在寿命将终时会死亡和爆炸,答案就在这里:如果没有这种结束,构成我们的物质将无法被释放。地球也无法诞生,生命无法形成,世界中将只有氢原子与氦原子存在,被锁定在永不死亡的恒星内部。   这些能量必须找到一个出口,因此它们往外扩张,以各种可能的方式离开日核。最后,这种核聚变产生向外扩张的能量与引力带来的向内压缩的力量平衡,令我们的恒星拥有一个稳定的大小。如果没有这种能量释放,只有引力作用,太阳就会塌缩变得很小。    作为恒星的太阳并不是一个巨大的燃烧火球——火焰燃烧需要氧气,虽然太阳会创造出一些氧原子以及其他重原子,但外层空间里没有足够的游离氧气来支撑哪怕最小的火。在太空里,你永远擦不着一根火柴。与天空中所有的恒星一样,太阳是一大团闪闪发光的等离子体,一个由电子、失去了部分电子的原子(它们被称为离子)、失去所有电子的原子(仅剩下原子核)所组成的炽热混合物。    现在你已知道,太阳不会永远处于这种状态:我们恒星的内核有一天会用光它的聚变燃料。当那天到来时,内核不再有足够的向外辐射来对抗引力。引力将打破平衡并引发我们恒星的最终一系列反应:太阳将塌缩而变得更紧密,直到核聚变再次被点燃,但这次核聚变发生的场所将不再是内核,而是发生在离表面更近的地方。这时再次开始的核聚变将无法与引力平衡,而是超过引力,太阳表面将被推开,令恒星体积变大。  ——恒星的爆炸来源于此,引力与核聚力发生的不平衡。   你已经在通向未来的旅程中见过这一幕。能量的最后释放预告着你已见过的恒星死亡的开始,太阳将自己一生所创造的各种原子喷向太空,同时,还创造出更多、更重的原子,如金原子。最后,这些原子与周围其他死去的恒星残骸混合在一起,变成星尘,形成巨大的星云,或许,在很远很远的未来,又成为新世界产生的种子。  ——新生命的诞生

第四章 我们的天体家庭

这些石块分得挺开,当你飞越小行星带时,你意识到自己撞上它们的可能性微乎其微。许多人造卫星都曾飞越其中,毫发无损。 ——恒星爆炸后形成的

第六章 庞让大物

银河系不过是散布在尺度远为巨大的黑暗之中的一个恒星群岛而已。

第七章 银河系

如果你把太阳系,以及其中的行星、小行星和彗星看成我们在宇宙里的家庭,把比邻星当作我们的邻居,那么银河系就是我们在宇宙中的大城市,一个由三千亿颗恒星构成的繁华都市,而我们的太阳,只是其中的一颗。   那时候人们才最早意识到银河系与其他恒星集团之间有着巨大空间,那些恒星集团被认为是独立的另一实体。

第二部分 理解外部空间

第三章 一九一五年

如果的确如此的话会有什么后果,让我们先把太阳放回去想想。如果我们可以先假设宇宙的构造是可塑的,那么太阳对它最简单的影响就是让它弯曲。这是怎么样的情景?让我们想象一个很重的球被放在一张被拉紧了的橡皮膜上。橡皮膜会在球的周围向下弯曲。如果你在橡皮膜上涂上肥皂,任何在橡皮膜上行走的东西——比如说,一只蚂蚁——如果走到弯曲的部分,就会滑向那只球,向下滑。对于那只蚂蚁来说,这种效果就如同引力。 ——很有想象力的说明

第四章 过往层层

光,别名电磁辐射,可被认为既是微粒(光子),又是波。你在后面将会看到,两种描述不仅都适用于描述宇宙,而且要了解我们的世界,两种描述缺一不可。在这里,我们暂时只把它看作波就够了。   光波的高度代表着我们所称的光的强度。   包围着我们的各种光线,从最低到最高能量依次是:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X光和伽玛射线。无线电波有着很长的波长,波峰之间距离可从一米到十万公里或更长,而伽玛射线,其波长短于一毫米的十亿分之一——但它们都是光线。我们所建造的所有望远镜都是为了捕捉它们的,无论它们来自何处,强度如何,我们能通过各种技术从各个不同窗口观察宇宙。当你观看天空时,无论是肉眼还是使用某种望远镜,你都能捕捉到并处理从外太空某个遥远的光源所发出的光波。我先前已经说过,你在本书第一部分所访问的是以我们所拍摄到的所有照片构建的一个3D模型。但那时你可能还没有注意到,虽然它首先是一个穿越空间的旅行,但因为光线的传播也需要时间,不是即刻到达,因此你的旅程同时也是时间上的穿越。   任何恒星发光的时刻,它所发出的光线都带着自己的信息。这些信息以光速穿越空间,经过很多时间后才能被我们看到。这意味着我们在天空中看到的那些最远的恒星可能已经死了。但不是所有的恒星都死了。比如太阳就没死,或者更准确一点:此刻无人知晓,但在八分二十秒之前太阳还没死。  ——光线是有传播速度的,也是有传播延迟的,就像网络游戏一样,遇到延迟的时候你的角色可能还没挂掉,但是延迟恢复之后,你可能已经被人干掉了,透过光观察恒星也是一样,我们不知道此刻到达的光纤的宿主当下的目前如何,只知道发出光芒的那一刻是存在的。   我们所探测到的最遥远星光在到达我们的望远镜的旅途上走了一百三十八亿年时间,出发于宇宙黑暗世纪,当宇宙开始变得透明之时。  ——我的问题是:难道光行走了那么多年不会有耗损?能够将信息传递那么远?   从地球上研究宇宙,现代技术没留给我们多少选择:我们需要使用光。没有人能够旅行到宇宙的另一边。没有人能够心灵传送。最终,观察夜空就如同接收来自各处的明信片。大量明信片。发自我们宇宙历史上的各个时间与地点。将这么多明信片拼接起来,我们可以重建从地球上观察到的,你的宇宙的一小段历史。 ——光就是明信片,有延迟的传播宇宙的信息。

第六章 感受引力

就在这层大气外面,地球之外,还存在着我们的月球,绕着地球旋转,就像在大碗里转动的玻璃珠,差别在于,月球本身也在时空中造成弯曲。月亮造成的时空弯曲让存在于地球表面的水向月球滑去。这就是水面跟随着围绕地球旋转的月亮而产生潮汐的原因。 ——潮汐的产生就是因为月亮的引力

第七章 宇宙学

宇宙自身能够(根据爱因斯坦),也的确正在进行(根据观察)演化。 ——宇宙在演化和进化的,并不是一层不变。

第二部分 理解外部空间

任何声称所有被我们的可见宇宙所包含在内的一切在过去的某个时段曾经大小为零(或非常接近于零)的理论都被称作“(热)大爆炸理论”。

第九章 大爆炸的铁证

如果宇宙膨胀模型是正确的话,这样一个地方必须存在。现在,这样一个地方的确存在。你见过它的表面:临界最后散射面。它限制了我们所能看到的宇宙。 ——临界面,散射面。   彭齐亚斯和威尔森在一九七八年获得了诺贝尔物理学奖。他们发现了位于可见宇宙尽头的临界最后散射面所残余的热量。这种辐射,热大爆炸理论的铁证之一,被称为宇宙微波背景辐射。    我们现在就在这个阶段。当光可见时,那里很热,现在可见光已经变成——经过一百三十八亿年的膨胀之后——-270.42°C的微波冷光。 但这个理论意味着什么呢?是不是可以理解成我们的宇宙被创造于临界最后散射面?   临界最后散射面的另一边(或者之外,或者之前),后来变成我们可见宇宙的东西可被形容为一团由物质、光、能量与曲率混合在一起的汤,越来越致密,越来越热。很快你就会去那里旅行,亲眼看看。但现在,就让我们先相信你进入那道墙后面越远,到达我们宇宙的更早部分,所有一切会变得越极端化。走到太远之后,你的周围一切都已不符常理。就连时间与空间都过于纠缠,连爱因斯坦的方程式都已不再适用,无法描述那里所有的一切是什么以及是怎么发生的。 ——这个是宇宙之外是什么的解释?   你知道我们的宇宙有着自己的历史,还很可能有着自己的开端,大约在一百三十八亿年前,隐藏在一个不透光的表面之后。

第三部分 快

第一章 做好准备

引力,按照爱因斯坦的说法,只是时空弯曲引起的效应而已,它并不是简单的作用力。 ——按照引力的表现,应该是立体多维的时空弯曲效应   速度改变了一切,甚至空间与时间。   如果给碰巧存在于我们星球表面之上的所有人、动物和物体都戴上自己的钟表,它们所经历的时间运行实际上都不相同。我们都有着自己的时间,只对应于我们每个独特的自己。   钟表并不以相同的速度运行,实际上,时间的流逝取决于物体间的相对运动速度。   这个理论被称为“狭义相对论”。 设想有一对双胞胎。两个人,因为他们通常成对出现。在爱因斯坦的理论被发表几年之后,法国物理学家保罗·朗之万(PaulLangevin)利用狭义相对论做了如下计算:如果双胞胎中的一个被送上火箭,以99.995%光速从地球出发做一次六个月的旅行,在地球上的那位得等五十年才能见到他的兄弟回来。根据爱因斯坦的理论,离开的那位待在宇宙飞船的人所经过的六个月等于留在地球上的那位及整个人类的五十年:我们的地球将在那个旅程中绕着太阳转五十圈。虽然他们是双胞胎,结果却是两个人拥有不同的年纪,一个比另一个老了四十九岁半。真是一个让人惊讶的结论。   依据爱因斯坦的狭义相对论,同样的效应也会发生在时间上。在以光速的99.995%飞行的火箭或以光速的99.999,999,999%飞行的飞机上,发生高速运动的是火箭或飞机,而不是它们的周围环境,所以是它们的时间,也只是它们的时间,受到它们相对于环境的极端高速的影响。 ——所以说穿越时空到未来是有可能的(但是回到过去这个可能性不清楚),达到或者超过光速,你就能很快的到达未来,真正的原因是你的时间比别人慢上了N倍,导致你看到了世界快速变化。另外有很多穿越时空的电影,在穿越的时候造成的时空扭曲也是符合常理的,有科学依据的。   首先,时间的流逝在你与地球上所有其他人,包括那位宇航员(她的时间与那个悬在你阿姨房子上巨大时钟所显示的时间非常接近,可以认为两者相同)之间有着极大的差别。你们各自所戴的真实精准的机械手表不再以相同的速度走动,你飞得越快,差异越大。这是第一个变化。这很奇怪,我也认同,但事实就是这样。

第二个变化是距离在你前进的方向上变小了:那些在你没有高速运动时看起来很远的物体在你高速运动后变得很近。这也非常奇怪,我认同,但依然事实如此。它被称为“长度收缩”。

第三个是,最终你变得越来越重。虽然看起来这个变化最让你感到不快,但这最后一个现象却不像另两个那么出人意料,如果你到现在已经了解了这个质能转换方程式E=mc²的话——现在就让我们看看这个极高速运动所带来的独特副产物。没有什么带有质量的东西能够到达光速运动,更不要说超过光速了,那是规律。所以带有质量的东西运动得越快,让它加速就越不容易。来看看这在现实中意味着什么,设想你飞得快到在你的速度表上增加1公里/小时就达到了光速。   当然,没有任何理由禁止你投球——但既然那只网球无法超过光速运动,显然有一些别的限制会在你试图把它投向前方的虚空中时发生。答案就在我们的老朋友——方程式E=mc²之中:你试图投掷而加给网球的能量被转化成质量。因为它无法被转化成速度。   答案在于那个自然界中所存在着的绝对不可打破的速度限制:光速。 如果距离不收缩,你就必然会违反光速限制。   在他关于物体运动的理论——狭义相对论中,时间的膨胀必须伴随着距离的收缩同时进行,只有这样,才能保证不管是谁在看,都不会有物体能够以超过光速的速度运行。 ——在自然界中,最快的是光,如果要比光还快,可能就会发生时间膨胀之类的东西平衡。   以87%的光速移动的你,自己并没有感觉到每秒移动了520,000公里,而是只移动了260,000公里。地球上的观察者看到的一公里的距离在你这里变成了只有半公里。 ——这不就是那个缩地行走的神化故事吗?   在我们的宇宙中,钟表的走动速度决定于谁在看:取决于你在哪里、你身边有什么(引力部分)以及你的速度。在二十世纪早期,这一切还非常抽象,在今天,它们已成为实验事实。我们不得不接受。

在这个我们的宇宙里,时间与距离不是普适的绝对概念。它们取决于观察者,取决于是谁在体验以及谁在观察。它们都是相对的,否则,光速就无法成为常数,也无法成为极限。 ——这个应该是相对论的核心观点吧?但是有一个疑惑,光大道了光速,那么光内的粒子为什么没有增加质量(读完全篇下来,思考了光内到底只是能量还是包含了粒子?)   或许有一天你能走得与光一样快,但你将为此作出重大牺牲:你需要放弃自己的质量。所有质量。光无法携带任何质量,一点都不行,这才是它的速度这么快的原因。光喜欢轻装上路。 ——是否解决了上面那个疑惑?光不会越来越重,因为光本身没有质量。   了,任何带有质量的东西在加速过程中会变得越来越重。要想达到光速,从一开始你就不能具有质量。   如果真的能把自己变成某种没有质量的东西,会发生什么?那个时候,你的时间会如何流逝?听起来难以置信,答案是时间停止流逝。你带在身边的所有嘀嗒作响的钟表(没有质量)都会停止走动。在光速,时间停止了。   想要永生,你就得把自己变成光,而这是不可能的任务。而且,即便你能够变成光,你的时间将无法前进。你的确实现了永生,但你自己却意识不到。 ——但是科幻电影里的冷冻效果可以接受。   将你的现在快进到别人的未来在理论上是可能的(甚至有可能在某一天在实际上也成为可能),但想要通过快速移动而活得更长久则不会实现。 ——时间是相对的,自己想活得长久是不可能的,因为对于你自己,时间还是这个速度,而可以做到的仅仅是别人觉得你过得很慢而已。

第四部分 跃入量子世界

第一章 金块与磁铁

不停地将一块能被你握住的材料一分为二,大概二十六次——前后相差一到两次——之后,你就会得到该材料的一个原子,不能再分了,不然就会变成不再是你一开始得到的那种物质了。换一个东西来说,奶酪不是纯的物质,但它依然由原子构成,那些原子聚在了一起。   我们所知道的宇宙中的一切物质都是由原子构成的。

原子: 原子(atom)指化学反应不可再分的基本微粒,原子在化学反应中不可分割。但在物理状态中可以分割。原子由原子核和绕核运动的电子组成。原子构成一般物质的最小单位,称为元素。已知的元素有119种。 因此具有核式结构。

原子结构如下 : 原子结构图

因为这些不同原子含有不同数量的小要素,因而由这些原子构成的纯物质才会具有不同的特性或——如所有人都知道的——价值。   当你沐浴在太阳光下时,不是能够感觉到温暖吗?面对冬天壁炉里熊熊燃烧的木头,你的皮肤不是会觉得发热吗?你的皮肤与世界上所有的物质一样,都由原子构成。这些原子的外层充满了电子。当来自太阳的光线照到你的皮肤,皮肤上的原子及其电子们会捕获一些光子,从而进入激发状态。在激发状态下,电子们摇摆得更快,于是产生了你身体所享受(或痛苦)的热量。

第四章 坚强的电子世界

光不停地撞击我们的身体上,激发我们血肉之躯中的电子(包括我们眼睛里视网膜上的电子),让构成我们身体的物质发热,给它们能量。 原子也能吐出它们的电子所吞噬的光子,让我们和其他物体以一种或多种颜色“发光”,那些颜色就是被某个原子——或某组原子——的电子所吞噬又随后被释放出的光的颜色。就是这个原理给了我们的眼睛、皮肤、头发和衣服,以及所有植物、岩石等物体以色彩,就像它给了遥远的恒星各自独特的色调一样。 当光线照到西红柿上时,除了红色之外的其他所有可见光都被西红柿吸收变成热能或其他能量被储存,红光对西红柿的原子没有用,因此被吐出来,重新开始它们的旅程,直到进入我们的眼睛,告诉我们自己正看着一只可爱的红色西红柿。如果没有电子与光子,我们无法看见西红柿或我们彼此,也无法知道我们的宇宙由什么构成,无法了解远处的世界遵循着与我们所处世界一样的物理定律。更奇妙的是,我们的感官让我们的身体能够将所有这些怪异的相互作用转换成能被我们大脑处理的感觉信号。依靠它,人类了解了这些相互作用背后的科学,以及遍布整个宇宙的场的存在。这不仅令人惊讶——简直可以说就是奇迹。 ——世界万物颜色的由来,所以说没有任何光的时候,物体还能够保持原来的颜色吗?变色龙的原理也是此吗?另外,光纤照射到物体上时,人眼透过物体看到的颜色其实是物体本身不接受的颜色。那物体本身的颜色呢?这个有点超脱我的想象力了。   一个原子与另一个原子之所以不同,在于原子所容纳的电子数不同,而并非因为两个原子所包含的电子本身有什么不同。所有的电子总是相同的。 氢原子是最小的原子,它只有一个电子在第一层电子层做轨道运动。氦原子有两个电子,这两个电子的轨道也在第一层电子层。随便再举个例子,氖原子有十个电子,它的第一层和第二层电子层是饱和的。所有原子的化学和机械属性都与其外部原子的电子壳层的填充状况有关。   如果你想在原子中多增加一个额外的电子,就不能随意安排它的位置,而且肯定不能放到一个已经被占满了的层里。 ——这就是大自然法则,你不能轻易的通过改变粒子而改变物体本身。   这个不许同居(电子)的规则有一个名字,叫做泡利不相容原理。一九二五年由瑞士理论物理学家沃尔夫冈·泡利(WolfgangPauli)发现,他于一九四五年因此成就获得诺贝尔物理学奖。   它还解释了为什么你能用手抓住这本书:这本书封面上的原子最外层的电子坚决拒绝给你手指上原子的电子让位。而你手上的电子们也同样不肯退缩。因此它们保持距离。依靠你自己的力量绝对不可能让它们改变主意。电子波不会重叠,永远不会。不要试着穿墙而过来证实我(或者泡利)搞错了。就算你被撞得鼻青脸肿,电子也会不理不睬。 ——解释电子不能通过相容而改变的道理   通过上述方式分享电子,原子们构成了一个更大的结构,被称为分子。你刚才看到的那个被构建起来的分子就是由两个氢原子和一个氧原子构成的。   通过共享一个或几个电子,许多原子能够以不同的方式结合在一起,形成复杂程度不同的链条。利用这个过程,大自然创建了各种大小和属性不同的分子,有的非常小(比如水分子仅仅由三个原子构成),有的非常大,比如你体内的DNA,它由几十亿个原子结合而成,携带着要“打造”一个像你这样的人的所有必要的信息。 ——原来DNA也是分子,而且结构复杂,由上亿的原子组成。   为什么你(非常幸运地)能够穿过空气,却无法穿过墙壁? 答案是,空气中的原子们并不都分享它们的电子,所以没有都绑在一起,而作为固体的你,原子们都绑在一起。空气中的原子们并不阻止你穿过,而是挤向它们的邻居替你让路,顺便说下,这样的移动产生了风,再顺便说下,这就是气体与固体的差别。 ——为什么我们能够穿越空气但是却不能穿越墙壁,因为空气的原子并不分享电子,所有都没有绑在一起。而你穿越空气时,其实空气的原子只是在为你让路,且让路的过程中产生了风。    失去一个或几个电子的原子成为科学家们所称的“离子”。离子总是想要找到某个东西捆绑在一起,以形成分子。事实上,它们拼命想要找回电子。在物理学术语中,它们具有很高的活性。 同样,分子中由电子形成的绑定也会被打破。通常这个过程伴随着能量的释放,这也是吃东西带给我们的好处。你身体里进行的化学反应降解了食物中所含的分子,释放出它们的能量,被你的组织以各种方式利用,维持你的生命。 ——分解分子释放能量   宇宙中所有原子的外部都是模糊的、具有波形且体积巨大的带有电荷的电子。它们是电磁场中的基本粒子,还是自己私人空间的严格护卫者。泡利不相容原理不许两个电子在同一时间出现在同一地点,即使宇宙中所有原子的内部绝大多数地方都空无一物,但这个原则确保你无法穿透墙壁、椅子、床或任何固体的东西。要不然,生活就变得太棘手了。 泡利的这条原则还带来了不同种类的原子在结构与化学性质上的差别:因为电子不能都挤在离原子核最近的地方,它们在原子核周围像洋葱似的按层分布,占据自己能够占据的位置,让原子随着电子数目的增加而变大。 我们还要指出,电子并不是唯一遵循泡利不相容原理的粒子。还有其他一些粒子——但不是所有粒子——也遵循这个原则。光子就是例外,你可以在任意小的空间里装入任意多的光子。它们不在乎。事实上,它们还喜欢这样,两个光子越是相似,就越愿意待在一起,就像寒风中的企鹅。激光就是这种癖好带来的发明:完全相同的光子高度集中在一起,形成带有高能量的光束。

第五章 一所特别的监狱

我们先前在电子与光子身上发现的大多数诡异的量子行为——譬如,在此处消失,然后出现在彼处,也就是“隧穿”   胶子质子

第六章 最后的力量

引力——在自己周围的时空中所引起的弯曲——让每一个接近或经过自己周围的物体掉向自己,但那些粒子与光子的风暴则是向外吹去,朝向太空,朝向远方,在不可见但充满整个宇宙的背景场中辐射出阵阵涟漪。   原子能作为整体,通过原子核的裂变或聚变,能释放出它们所隐藏的巨大能量,人类试图在核电站中以各种效率利用这些能量。我们只能希望有一天,技术的发展能让这些技术变得更加安全清洁,因为它们有着巨大的潜力。 尽管核能有着不怎么良好的公众印象,尽管过去有着不当使用,但我们不应该忘记,没有核力,我们就不会存在。没有放射性,地球上就不可能出现生命。

第五部分 到达空间与时间的源头

第二章 没有什么“什么都没有”

无人观察的粒子的确沿着时空所能提供的一切可能路径运动。 ——这是量子学吗?   为什么粒子——大自然——会在乎有没有人观察它? ——这也是我的疑惑,为什么有人类的观察和没有人类观察时有这样的差别,人类的观察起到了什么作用?   所有粒子所属的量子场是这些可能性的总和,然而,当有人试图找出粒子的真相时,看见粒子就意味着许许多多存在着的可能性中的一个被选了出来,这种选择就是你探测到它这个行动本身。没有人知道为什么会这样,或者这是如何实现的,但真实的结果就是如此。   就好像,在别人眼里,在生命中的某个时间点对于某个话题,你所具有或不具有的所有想法的可能性都存在,直到有人听到你大声说出的时候,在此之后那种无限的可能性突然被缩小为一个想法。   好吧,它们周围并不是什么都没有。量子场无处不在。 粒子要出现,就得先从量子场中借到一些能量。因为这些场填满了所有时间与空间,粒子因此可以在任何时间与地点出现。这就是为什么说宇宙中任何地方都不存在真正真空的原因。 ——太难懂了,量子场无处不在,所以例子可以在任意地方从量子场中获得能量?   这就是科学家所称的真空。 这就是当所有一切都被取走后所剩下的:位于最低能量水平中的量子场,虚拟粒子们自发从场中生成,只是移向各处,直到重新被吞噬湮灭。 我再说一次:在我们的宇宙中不存在所谓真正什么都没有的“空”。 ——即使你看不到,宇宙中还是存在慢慢的粒子,并且相互发生作用。   怎么可能所有电子和其他基本粒子永远与它们的同类绝对而且完全相同呢? 答案在于,在整个宇宙中,所有的基本粒子,都诞生于同一个背景场中,也会在任何时候被同一个背景场所吞噬湮灭:某个量子场的真空。那些不可见的、充满我们整个宇宙的背景海洋。 ——这个答案的问题是所有的粒子为什么都会长得一模一样?这个在自然界中是不可能的,但是粒子的确就是这样。因为他们都来源于量子场的真空。   所有的电子都是电磁场完全相同的表现,它们都诞生于电磁场的真空之中,并在此中传播。光子也一样。

第四章 墙外有墙

地球刚被一个火星大小的行星撞击,并撞飞了一大块物质,形成了月球。 ——月球的来源?   将整个宇宙压缩到一个直径为一百光年的球状 ——可以整理一下这里宇宙起源的过程,作者用的是倒叙的描述手法。   我们可称之为“开端”的、空间与时间诞生这一事件之后的一百万亿亿亿分之一秒的时候,后来有一天成为我们整个可见宇宙的一切现在都被压缩在一个直径十米的球状空间里,而且还在收缩。   它被称为“暴胀场”。它被认为是我们宇宙最初膨胀的始作俑者。听起来实在疯狂,所有东西现在突然又开始加速,整个宇宙以无法想象的速度难以置信地塌缩在自身,将你都带入其中。 整个宇宙从一个直径十米的球缩小到只有质子几十亿分之一体积的小点中。科学家们称这个阶段为:宇宙暴胀 ——宇宙的起源,由此效应产生。   当科学家们说你的宇宙年龄是一百三十八亿年,他们指的是你所熟悉的时间与空间这两个概念开始在你的宇宙中有意义,时空变得有意义以来,时间已经过去了一百三十八亿年。 ——宇宙年龄   你现在知道宇宙由不停运动演化并互相作用的量子场构成——今天已经是三种但在很早很早以前是一种的场。 这些场是我们宇宙中所有粒子和反粒子的父母,这也是为什么所有同类基本粒子都完全一样,无论是在你的身体里,还是在另一个星系中,无论是现在还是过去。

第六部分 意料之外的谜团

第一章 宇宙

因为在黑洞与宇宙源头这两个例子中都牵涉到巨大的能量被禁锢在很小的空间中,而且这两个例子中都有将非常大的尺度缩小到非常小的尺度的情形,引力和量子效应都不能忽略。 从某种意义上说,黑洞与我们宇宙的起源看上去非常相似。 ——那是不是有这种可能,黑洞孕育了新的宇宙。这里是当初看到这里的疑惑,后面其实得到了答案,是的。

第二章 量子无限

量子场论断言只要有场存在,就能产生小块的能量,或者小块的物质,它们被称为“量子”。

第三章 活着,亦或者死去

所以你的确进行了干扰。你的确观察了。当有人进行了观察,大自然就必须作出选择。 ——在薛定谔的猫的实验中,我一直不懂,当没有人观察时,任何结果都有可能,甚至一直在重叠,存在平行世界? 当有人观察时,大自然就一定要做出选择,这个说法太抽象,太哲学了。   按照艾弗雷特的看法,我们的周围到处都是平行历史。 你站在两部电梯前犹豫要上哪一台,另一个你,在分叉出去的另一个平行宇宙,选了另一台。在又一个平行宇宙中,你撞在了两台电梯中间的墙上。还有一个宇宙中,你走楼梯。因此,所有的可能都被实现了。

第七部分 迈向已知世界之外的第一步

第二章 许多大爆炸

薛定谔的猫。它背后的想法是找到一个戏法能将微观世界的量子行为引入宏观世界,变成可被观察的现实。   暴胀场将曾经非常微小的宇宙在一个短到无法想象的时间里变到非常巨大。暴胀场和它的基本粒子(暴胀子)随后通过E=mc²的比例衰变为纯能量,释放出非常巨大的能量,整个宇宙变得难以置信的炽热。这就是我们所理解的大爆炸开始时的情境。暴胀场的物质变成了能量,将后来构成我们今天一切事物的各种场激发出来。 ——这就是宇宙起源?

第三章 宇宙无疆

霍金与哈妥假设,引导我们现在这个宇宙出现之前的所有宇宙都是从“无”(真正的空,数学上的“无”)中形成的,这一切都发生在某个有限的假想时间之前。

第五章 一个关于弦的理论

你甚至能够看到你觉得是黑洞的东西通过扭曲变形的时空管道将两个邻近的膜连在一起,两个宇宙的引力将它们互相吸引在一起,你突然怀疑,是不是有可能,在另外的膜中,有可能也有人类生活……黑洞会不会就是连接你们两个世界的通道?那个你尚未到达的奇点是不是通向另一个现实?我们的膜,我们的时空的诞生,是不是可能与在此之前存在的其他膜之间的碰撞有关?暗物质和暗能量的源头是不是也在这个场景之中?   明天,或许它能让我们找到时空中的捷径,即所谓虫洞,它或许能够将两个距离遥远的地方连接起来,而无需穿越分隔两地的巨大距离。