本書(shū)主要介紹宇宙是怎樣形成的：我們?nèi)绾伟l(fā)現(xiàn)大爆炸，能量如何成為物質(zhì)，一系列物理定律如何使得物質(zhì)相互作用產(chǎn)生了恒星、星系和生命，以及宇宙的未來(lái)是終結(jié)還是重生。如果宇宙不是我們想象的存在，那么它的逝去并不會(huì)讓我們對(duì)生命的存在感到迷茫。
我們發(fā)現(xiàn)大爆炸，放棄了宇宙靜止和永恒的觀點(diǎn)。
批物質(zhì)粒子怎樣形成，正是它們構(gòu)成了我們的宇宙。
基本作用力創(chuàng)造批復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，點(diǎn)燃批核火焰，促使宇宙擺脫黑暗。
恒星作為宇宙壓力鍋烹飪出一些重元素來(lái)，坍縮星體造出了黑洞。
培植幾個(gè)大星系，并由黑洞經(jīng)營(yíng)我們的宇宙園地。
黃色太陽(yáng)作為熱菜，獻(xiàn)上我們的招牌菜——地球，并準(zhǔn)備生命的配方。
估量宇宙萬(wàn)物的結(jié)局，從宇宙切割出奇點(diǎn)并創(chuàng)造一個(gè)多元宇宙。
講宇宙的圖書(shū)有很多，而我們之所以選擇引進(jìn)這本書(shū)，是因?yàn)樗膱D文確實(shí)足夠突出，作者對(duì)知識(shí)點(diǎn)取舍得當(dāng)，深入淺出，讀起來(lái)通俗易懂且十分有趣，足以讓我們解釋給別人。
醒目而的配圖，幽默而博學(xué)的故事，科學(xué)插圖畫(huà)家本 吉利蘭用親切的語(yǔ)言告訴我們，宇宙從大爆炸開(kāi)始，時(shí)間由此開(kāi)始，并帶領(lǐng)我們一直到現(xiàn)在。
當(dāng)你想捧讀這本書(shū)時(shí)，一定是對(duì)廣袤的宇宙充滿了好奇，那么這本書(shū)對(duì)得起你的這份探索精神，它一定會(huì)滿足你對(duì)宇宙的想象和知識(shí)需求。
數(shù)次調(diào)整排版，整體精心設(shè)計(jì)，UPM芬歐雅光紙全彩內(nèi)文，參照原版圖書(shū)調(diào)色印刷，從內(nèi)容到載體都物有所值。
本 吉利蘭 Ben Gilliland
本 吉利蘭是一位獲獎(jiǎng)的科學(xué)作家和插畫(huà)家。他于2005年開(kāi)始為英國(guó)《地鐵報(bào)》的通俗宇宙科學(xué)專(zhuān)欄寫(xiě)稿，為大眾講解科學(xué)知識(shí)，并因此赫赫有名。2013年他獲得了Arthur Clarke爵士太空成就獎(jiǎng)。
引
第1章 我們?cè)鯓影l(fā)現(xiàn)大爆炸
第2章 宇宙誕生
第3章 我們?cè)鯓影l(fā)現(xiàn)原子
第4章 作用于宇宙的力很強(qiáng)
第5章 恒星誕生
第6章 恒星的一生和死亡
第7章 會(huì)見(jiàn)星系園丁
第8章 烹煮太陽(yáng)系
第9章 終結(jié)還是重生
名詞注釋
索 引
致 謝
你本身的奇跡 / 引
當(dāng)人類(lèi)首次考量自己的生存狀態(tài)時(shí)，他面對(duì)的是一個(gè)環(huán)境惡劣的世界。早期人類(lèi)以游獵方式按小型部族群居，無(wú)從把握自己的命運(yùn)，所以他們?cè)O(shè)想自己的命運(yùn)掌握在諸神手中。不管怎么說(shuō)，把希望寄托于神跡，對(duì)于短暫而艱難的生涯來(lái)說(shuō)，總比徒然悲嘆要強(qiáng)。后來(lái)科學(xué)逐漸萌興，通過(guò)搜集證據(jù)和驗(yàn)證想法，發(fā)現(xiàn)了支配宇宙的自然規(guī)律和機(jī)制。只要正確地運(yùn)用雄辯的思想、證據(jù)和實(shí)驗(yàn)，即使奇跡也能解釋。
隨著科學(xué)破除了迷信的神跡，它揭示了一切奇跡中較大的一個(gè)——你本身的奇跡。你的旅行開(kāi)始于約138億年前時(shí)空存在之前的那個(gè)時(shí)候，時(shí)間就從那時(shí)開(kāi)始。在一無(wú)所有的某個(gè)地方，即將開(kāi)始的宇宙中可能存在的一切都擠壓在一個(gè)比最小的粒子還小的所在。后來(lái)(原因尚不明白)所有這潛在的一切都在一次勢(shì)不可擋的“大爆炸”中釋放出來(lái)了，宇宙由此誕生。起初的宇宙是超高溫的等離子體，就像一鍋沸騰不已的熱湯，逐漸膨脹并冷卻，隨著這一進(jìn)程，從這鍋湯里首批粒子結(jié)合生成。所有這些粒子以物質(zhì)和反物質(zhì)的兩種類(lèi)型產(chǎn)生。如果說(shuō)物質(zhì)和反物質(zhì)是等量地產(chǎn)生的，那么在后來(lái)確實(shí)發(fā)生的兩者互相湮滅的連鎖反應(yīng)中，宇宙本來(lái)會(huì)消失殆盡。可是由于我們尚不知道的原因，物質(zhì)的數(shù)量稍稍多于反物質(zhì)，于是宇宙(連同潛在的你)便得以存在至今。
不過(guò)你的存在還不是一個(gè)唾手可得的結(jié)論。隨著宇宙的膨脹，物質(zhì)向四周擴(kuò)散。要是物質(zhì)分布得十分均勻(就像把水倒進(jìn)一個(gè)水桶)，那么它將永遠(yuǎn)保持那樣的狀態(tài)。幸好膨脹的宇宙并非均勻，在局部區(qū)域物質(zhì)稍微密集些，引力便大行其道。越來(lái)越多的物質(zhì)被吸引在一起形成了氣態(tài)星云，星云坍縮產(chǎn)生了足夠高的熱量和壓力，觸發(fā)了核聚變反應(yīng)，使首批恒星閃耀光芒，而且把原子壓縮在一起產(chǎn)生了多種重化學(xué)元素，而你正是由它們構(gòu)成的。
如果所有這些化學(xué)物質(zhì)都封閉在恒星內(nèi)部，那也沒(méi)有用處。幸運(yùn)的是這些早期恒星質(zhì)量真大，而大質(zhì)量恒星則是短命的，所以當(dāng)恒星在煉成這些重元素后，作為超新星而爆發(fā)——把這些可再生的種子灑向宇宙的四面八方。如果物理定律稍微有些不同，這些恒星的質(zhì)量就不會(huì)那么大，大到足以“砰蓬”爆發(fā)，那么構(gòu)成你身體的化學(xué)元素只煉到一半，而且只能永遠(yuǎn)鎖藏在一個(gè)個(gè)冷卻的碳團(tuán)里(指白矮星 ——譯注)。幾十億年以后，經(jīng)過(guò)幾輪核聚變反應(yīng)的循環(huán)，星系形成了，宇宙還存在著，稱(chēng)為銀河系的一個(gè)星系將要見(jiàn)證隨后的奇跡。
大約在45億年以前，在一顆不起眼的恒星周?chē)幸活w行星從塵埃和冰塊盤(pán)旋著的星周盤(pán)里凝聚而成。它有些不忍卒睹——只是一個(gè)有金屬沉積、被燒焦的熾熱熔巖球——但是它畢竟已經(jīng)形成，而且與恒星的距離幾近。它離得不太近，避免成為熱不可耐的火爐，也離得不太遠(yuǎn)，不致成為大而無(wú)當(dāng)?shù)谋鶋K。正是在這顆行星上生命應(yīng)運(yùn)而生，這看似代表了的機(jī)遇，而且似乎造就了一個(gè)很大的奇跡。
真正的奇跡來(lái)自于一個(gè)火星大小的行星狀天體，它猛撞我們的幼年行星，把很大一團(tuán)巖態(tài)物質(zhì)拋向太空。這就形成了月球。生成月球的這次撞擊也讓地球自轉(zhuǎn)軸歪向一側(cè)，這就意味著太陽(yáng)的能量不致于集中投射到單一區(qū)域，而且月球的引力也阻斷了地球繞軸的無(wú)序晃動(dòng)，這使得地球的氣候穩(wěn)定，阻止了氣候的劇烈動(dòng)蕩(而這可能滅絕生命)。月球的誕生使地球成為生命的理想搖籃，但還不止于此，月球的引力推動(dòng)著地球的海洋，潮汐日復(fù)一日地沖刷著今日大陸的海岸線。可能正是這種潮汐作用反復(fù)而有序地出露又淹沒(méi)海灘，才是促使生命進(jìn)化的首要原因。
對(duì)你來(lái)說(shuō)這是的奇跡……。這些首批單細(xì)胞的生命體，不論是什么機(jī)制導(dǎo)致它們演化，我們的祖先總來(lái)自它們之中。當(dāng)你今天坐在這里讀著這本書(shū)的時(shí)候，你和這些微小的浮游生物之間曾經(jīng)存在一條連綿不斷的紐帶。38億年以來(lái)，咱們祖先中的每一代都長(zhǎng)時(shí)間地生存過(guò)，足以把它們的遺傳因子留傳給下一代。這是多么不可思議，經(jīng)過(guò)近 40 億年來(lái)的物種滅絕、弱肉強(qiáng)食、疾病流行、社會(huì)劇變、戰(zhàn)爭(zhēng)殺戮和饑荒肆虐，一條連綿不斷的生命之鏈通向于你。
這就是我所稱(chēng)的奇跡。
在這本書(shū)里我們將描繪能量怎樣成為物質(zhì)，一系列物理定律如何導(dǎo)致物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生了恒星、星系和你。我們還將描述一些科學(xué)發(fā)現(xiàn)和突破，它們幫助我們理解宇宙是怎樣形成的。
怎樣測(cè)量宇宙 / 第1章 我們?cè)鯓影l(fā)現(xiàn)大爆炸
即使近如19世紀(jì)，你也很難強(qiáng)求天文學(xué)家告訴你天體的距離，盡管它們可能較近，諸如火星和金星之類(lèi)；至于更遠(yuǎn)的恒星和星云，那只能靠猜測(cè)了。
正如我們所見(jiàn)，17世紀(jì)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明開(kāi)辟了天文觀測(cè)的新前沿——曾經(jīng)難用肉眼察覺(jué)的針尖大的光芒頃刻間被發(fā)現(xiàn)原來(lái)是行星、衛(wèi)星和彗星。即使我們能直觀地看到宇宙在眼前膨脹，問(wèn)題仍在于科學(xué)家們既不能跨步子測(cè)度或拉卷尺丈量，也不能像鬧市中的測(cè)工用“計(jì)里程車(chē)”之類(lèi)的工具去測(cè)定天體之間的距離。那么他們是怎樣測(cè)量空間距離的呢？
視差角
對(duì)于較近的物體，用一種稱(chēng)為三角視差的數(shù)學(xué)上比較簡(jiǎn)單的方法就能得到答案，為了不使你因回想起學(xué)校里學(xué)習(xí)幾何而產(chǎn)生恐慌，我們就只稱(chēng)它為“視差測(cè)量”(上世紀(jì)70 年代有一部精彩的科幻驚險(xiǎn)電影曾經(jīng)涉及到它，你是否想到啦？)
現(xiàn)在，你只要按下述簡(jiǎn)單步驟去做，就能看到視差效應(yīng)：
1.豎起一根手指離開(kāi)你的鼻子幾英寸(1英寸=2.54厘米)，閉上一只眼睛。
2.注意你的手指相對(duì)于背景物體的位置。
3.現(xiàn)在閉上這只眼睛，睜開(kāi)另一只眼。
[如果你是賽克洛普斯(希臘神話中的獨(dú)眼巨人——譯注)這個(gè)門(mén)道就行不通了]，于是你將看到你的手指似乎跳到了別的位置。
之所以會(huì)有這種“跳躍”發(fā)生，是因?yàn)閮芍谎劬τ袔桌迕椎拈g隔，每只眼睛從稍微不同的方向去看這只手指。 (豎手指的視差實(shí)驗(yàn)不宜在公共場(chǎng)所去做， 因?yàn)樨Q起手指并夸張地眨眼的行為會(huì)引起誤解。)
通過(guò)測(cè)量這一視差運(yùn)動(dòng)并應(yīng)用簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系就能測(cè)定比如手指到你鼻子的距離。
同樣的方法也能用于測(cè)量很遠(yuǎn)物體的距離，例如山脈、月球、行星，甚至星系。很可惜(可能毫不奇怪)距離越遠(yuǎn)，視差運(yùn)動(dòng)越小，于是距離也就更難以測(cè)定。
再次伸出那根手指，并把它一下放回到你的鼻子跟前。現(xiàn)在，再次睜開(kāi)并閉上你的眼睛，但是這回請(qǐng)把你的手指慢慢地向前移去。隨著手指的前移，你會(huì)看到視差變得越來(lái)越小。這是由于(除非你碰巧是條雙髻鯊)你的雙眼靠得很近，而隨著手指移開(kāi)，眼睛看向手指的角度之差逐漸減小。
當(dāng)天文學(xué)家用視差法測(cè)量空間天體的距離時(shí)，情況也一樣。為了測(cè)量到月球的距離(只有40萬(wàn)千米)，天文學(xué)家要把他們的“眼睛”(也就是兩架望遠(yuǎn)鏡)放到幾千英里(1 英里=1.609千米)開(kāi)外。但是，即使為了測(cè)量最近行星火星和金星的距離，也要棘手得多。
即使把望遠(yuǎn)鏡放在地球相對(duì)的兩頭( 約1.2萬(wàn)千米)與到火星的驚人距離(離地球最近時(shí)達(dá)5600萬(wàn)千米)相比，形成一個(gè)非常尖細(xì)的三角形。但是，雖然角度極小，還是能夠測(cè)量的。
當(dāng)天文學(xué)家用視差法測(cè)量空間天體的距離時(shí)，情況也一樣。為了測(cè)量到月球的距離(只有40萬(wàn)千米)，天文學(xué)家要把他們的“眼睛”(也就是兩架望遠(yuǎn)鏡)放到幾千英里(1 英里=1.609千米)開(kāi)外。但是，即使為了測(cè)量最近行星火星和金星的距離， 也要棘手得多。
即使把望遠(yuǎn)鏡放在地球相對(duì)的兩頭(約1.2萬(wàn)千米)與到火星的驚人距離(離地球最近時(shí)達(dá)5600萬(wàn)千米)相比，形成一個(gè)非常尖細(xì)的三角形。但是，雖然角度極小，還是能夠測(cè)量的。
