宇宙的形成是我们面对的第 1 道门槛，因为据我们所知，那一刻见证了我们周围万物的起源。那一时刻也是万物历史的开端（参见门槛 1 概述）。
门槛
成分 ▲
结构 ▲
金凤花环境 ＝
突现属性
大爆炸：
宇宙的起源
能量、物质、空间和时间。（宇宙中的万物!）
能量与物质，处于一种快速扩张的空间-时间连续体之中。
不确定：可能是多重宇宙之中量子的起伏。
有可能创造出万物。
因此，我们的第一个问题就是：历史是如何开始的？这或许是我们能够提出来的最深刻、最重要的问题之一。无论你生活在什么社会，了解这个问题的最佳答案是十分重要的，不管你是否赞同它。
传统的起源故事
就人类史的大部分内容来说，关于万物起源的叙述，基本上都取决于富于想象的猜测或直觉，或取决于许多人体验到的“启示”——神灵的窃窃私语或内在的“声音”（参见图 1.1 和图 1.2）。不过，宇宙是如何形成的这个问题如此重要，以至于所有社会的人们似乎都会提到它。在提出这个问题之后，人们也就得出了各种各样的答案。
图 1.1
一些岩洞壁画暗示着所有人类社会似乎都会讲述的起源故事，这幅画来自澳大利亚北部阿纳姆地（Arnhem Land），描述的是一条“彩虹蛇”
图 1.2 上帝赋予亚当生命（《创造亚当》），西斯廷教堂，梵蒂冈。
这幅艺术作品表述了西方一个很有影响的起源故事。作品描述上帝正在赋予亚当（即人类）生命
表 1.1 的文字摘自一些传统起源故事的开头。尽管彼此存在差异，不过，这些关于万物起源的叙述，也具有一些重要的共同点。
摘自亚利桑那州东北部霍皮人的起源故事
“第一个世界是 Tokpela（无尽的空间）。据说，一开始只有创世者，即塔洛瓦（Talowa）。剩下的，就是无尽的空间。没有开始、没有结束、没有时间、没有形状，也没有生命。只有一个无垠的空间，它的开始和结束、时间、形状和生命存在于创世者塔洛瓦的头脑中。”
摘自盘古传说的某个版本
“天地混沌如鸡子，盘古生其中。万八千岁，天地开辟，阳清为天，阴浊为地。”
摘自公元前 1200 年前后印度《梨俱吠陀》
“那时既没有‘无’也没有‘有’，
既没有空界，也没有空之外的天界。
什么覆盖着？在哪儿呢？谁给予庇护？
是无垠而深不可测的水吗？
那时没有死，也没有不死。
既没有夜的标志，也没有昼的标示。
‘那’以自己的自然之力无风呼吸，此外没有任何其他东西。”
（出自《梨俱吠陀》第 10 卷第 129 首《创世颂》，译文采用复旦大学出版社 2008 年出版的《梨俱吠陀精读》第 213 页。——编者注）
摘自索马里的伊斯兰起源故事
“时间之前，有神在。他既不会生，也不会死。若他渴望某物，只需说‘在’，于是它就存在了。”
摘自《旧约·创世记》1:1
“起初神创造天地。地是空虚混沌；渊面黑暗；神的灵运行在水面上。”
首先，从局外人的角度看，其他社会的起源故事通常显得天真和简单化。它们也缺乏情感力量打动外人。然而，我们不要忘记一点，即在讲述这些故事的社会中，这些故事可能具有强大的、几乎不可思议的力量，就像基督教社会中基督诞生的故事，或者佛教社会中佛陀涅槃或觉悟的故事那样。
其次，我们所摘录的文字都是诗性的。无论何时，当人类试图描绘难以形容的事物时，他们必定会诉诸比喻、故事和寓言，诉诸那些能够比简单直接的散文传达更多内容的表达。因此，仅仅从字面意思来理解起源故事是错误的做法，这些故事的讲述者可能并非总是把它们当作严格的事实。起源故事试图描述的，乃是言语永远无法充分表达的事物，用佛教的隐喻来说，就是“指月示人”。请注意这个表述是如何激起好奇心的。它就像宇宙本身一样神秘，尽管我们能够了解很多事物，但是永远不可能充分了解万物。这就解释了为何人们在打算解释像宇宙起源这类神秘的事物时，他们往往使用复杂的、诗性的和比喻性的语言。
第三，所有这些故事的核心是一个悖论，关于起始（beginnings）的悖论。所有这些故事一开始都打算描述一种时间，那时，我们所知道的一切还不存在。于是，它们解释一些事情如何从虚无中显现。许多故事坚持认为一位创世者创造了世界，但总会留下一个恼人的问题：创世者本身是如何被创造出来的？或者更宽泛地说，一些事物如何从虚无中出现？
我们会发现，现代大爆炸宇宙学包含的起源故事（一种对宇宙起源的现代的、科学的解释）也具备这些特征。从外部来看，它似乎很疯狂。它也具有诗性或比喻性特点，因为现代科学在描述难以形容的事物时，也得使用诗性语言。例如，“大爆炸”这个表达就是一种比喻，现代天文学家并不会真正认为宇宙出现时存在一次“大爆炸”。
最后，即便现代宇宙学（对宇宙演化的研究）也无法解决起始悖论。尽管宇宙学家通常热衷于思考大爆炸之前存在什么，但是，事实上，我们现在根本不清楚宇宙为何从虚无中出现。我们甚至不知道大爆炸之前是否空无一物。一个晚近受到重视的推测认为，此前存在一个宇宙，这个宇宙收缩成为虚无，然后再次爆炸形成一个新的宇宙（参见第 13 章）。另外还有一个现在受到更严肃对待的推测，它认为存在一个庞大的多维度的“多元宇宙”（multiverse），在其内部，宇宙不断出现，每一个都具有明显的特征，这样，我们的宇宙或许只是无数宇宙中的一个。
这个现代起源故事也在一些重要方面与其他起源故事有所不同。首先，它对万物的起源做出了实事求是的叙述。它渴望人们认真对待它，把它当作对大约 138 亿年前真实发生的事情的描述。它完全不是为了弥补无知而做出的诗意尝试。它宣称对历史的开端做了准确的叙述，因为它建立在经历许多世纪而产生、得到反复检验的众多证据之上，也建立在严谨的、经过仔细检验的科学理论之上。它是唯一一个受到全世界科学家认可的起源故事。不过，由于它建立在证据之上，而新的证据又会不断涌现，因此，这些科学家也很清楚，它的许多细节在未来会发生变化。它不是固定不变的、绝对的故事，也不会宣称自己是完美的。
大爆炸宇宙学的起源
如果我们了解现代大爆炸宇宙学在过去许多世纪的演化，那么，我们就很容易理解它。世界各地科学家现在都赞同的一些宇宙学观念，形成于现代欧洲科学革命传统之中。不过，这些观念的根源，可以回溯到起源于古代美索不达米亚、埃及、印度、古典希腊和罗马以及穆斯林世界的数学、科学和宗教思想。现代宇宙学利用了来自非洲-欧亚大陆大多数地区的思想、技术和传统。
早期宇宙学
在中世纪欧洲，对宇宙起源的解释主要基于两大传统。其一是基督教神学。与犹太教一样，基督教也是一神论宗教。它承认一位至高无上的上帝的存在，它认为宇宙是上帝的作品。到公元 3 世纪，当基督教在罗马帝国广泛传播的时候，一些基督教神学家试图确定上帝创世的日期。他们的努力是“科学的”，因为这种努力建立在他们所知道的最权威的书面文献即《圣经》之上。通过使用这种资料，一些早期基督教学者试图通过计算《旧约》所记载的世代来推定创世的时刻。这些估算表明，上帝在公元前 4000 年创造了地球和宇宙。这意味着，在罗马帝国全盛期，宇宙只存在了 4000 多年。（更多内容参见第 2 章的“塑造地球的表面”。）
中世纪基督教宇宙学依据的第二个传统，乃是罗马-埃及天文学家、亚历山大的托勒密（Ptolemy ，大约公元 90－168 年）的作品。托勒密是一位地理学家、数学家和天文学家。他最伟大的天文学著作以希腊语创作，不过，当穆斯林学者将其翻译成阿拉伯语时，他们把它译成al-Majisti（“伟大的工作”）。中世纪基督教翻译者将其译成《天文学大成》（Almagest），在基督教世界，它是天文学思想和宇宙观念的基础（参见图 1.3）。托勒密拒绝了更早的希腊宇宙模型，那种模型认为，地球和行星围绕太阳旋转。相反，托勒密认为，地球是宇宙中心，其他天体都围绕它旋转。基督教神学家声称，地球是一个有罪的和不完美的地区；不过，在托勒密的模型中，围绕地球旋转的是一个完美的区域。天层由一些完美无瑕的、晶莹剔透的圆圈构成，其中有恒星、太阳、行星和其他天体。这些圆圈以不同速率旋转，由此解释了从地球上看到的天体运动。
图 1.3 托勒密的宇宙。
在中世纪欧洲，大多数学者接受古埃及天文学家托勒密提出的宇宙观：地球是宇宙的中心，四周是旋转的载有天体的透明圆圈
在基督教世界，大多数学者接受托勒密模型长达 1500 多年。部分原因在于，它得到天主教会的支持。不过，它也很好地解释了天体运动。它也十分符合我们的强烈直觉，即地球是静止不动的。毕竟，如果地球是运动的，你难道不该感觉到这种运动吗？
科学的挑战
然而，到了 16 世纪，托勒密的模型在几个方面受到批评。宗教改革削弱了天主教会的权威。更重要的，乃是托勒密天文学受到科学批判。尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473－1543）是波兰天文学家，他复兴了一个古老观念，即宇宙的中心是太阳而不是地球。他也能够证明，这个观念可以解决托勒密体系中一些重大的异常现象。比如说，托勒密天文学对行星的“反向”运动——行星的轨道每年似乎有一点点改变——做出了某种不自然的解释。哥白尼表明，如果地球与其他行星都绕太阳旋转，那么，那种反向运动就是意料之中的事情。此外，德国天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler，1571－1630）证明，行星的轨道并不是托勒密宇宙学所要求的那种完美圆圈，而是椭圆或受到挤压的圆圈。
最后，意大利学者伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564－1642）终结了天上地下截然有别的观念。伽利略是最早通过望远镜观察天空的天文学家之一。这样，他就能够指出，太阳的表面根本就不是完美无瑕的，而是带有一些黑点，而木星有着自己的卫星。这两个事实都与托勒密模型相悖。伽利略还解释了我们为何不能感觉到地球运动。他指出，如果地球上所有事物都向着一个方向运动，我们就觉得它像没有运动一样。如果你坐在飞机上，然后将一颗球抛向空中，它不会以每小时 800 千米的速度射向后方；而是落到你手中，因为你们共享着飞机的向前运动。因此，尽管地球以每小时 112000 千米的速度在太空运动，我们却感觉不到它在动。
临近 17 世纪末期，英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1642－1727）表明，理解宇宙根本就不需要托勒密那种复杂的、虚构的天体体系。相反，人们只需要依据少数简单方程式，就能够解释天上和地上物体的运动，不管是行星运动还是苹果落地。他指出，宇宙间存在一种普遍的力，他称之为引力。这种力将所有实物彼此拉近，它的强度与物体的质量成正比，与它们之间的距离成反比。在所有的科学成就之中，牛顿运动法则是最伟大的成就之一，它们提供了极其简单的方式解释一切运动。许多人认为，这些法则似乎是理解宇宙的关键。
到 1700 年，很少有科学家把托勒密的宇宙模型当回事。他们都承认，地球绕太阳旋转。他们也相信，整个宇宙可以用牛顿阐述的那种简单科学法则来解释。
绘制宇宙地图
现在宇宙学家面临着新的挑战。更好地理解宇宙意味着需要绘制宇宙地图。你能够像地理学家开始绘制地球那样绘制宇宙吗？要做到这一点，就得确定恒星的确切位置和运动。这项工作并不容易。直到 19 世纪，宇宙学家才开发出更可靠的手段来测量地球到附近恒星的距离，以及探索它们在太空的运动。关于宇宙及其起源的现代思想，就来自绘制宇宙地图的这种努力。下面我们会交替讨论恒星的位置及其运动这两个问题。
如何知道地球到恒星的距离呢？这值得你在某个夜晚出门仰望星空，并且看看你是否能做到这一点。它是一个微妙而复杂的问题。理论上说，古希腊人已经知道该如何做。你可以使用视差（parallax）：观察者位置的移动导致两个固定物体之间关系的明显变化（参见图 1.4）。
图 1.4 视差是如何运作的，展示可以进行三角学计算的三角形。
视差取决于如下事实，即当你移动时，中间位置的物体（比如一颗附近的恒星）似乎在更远物体（比如更遥远的恒星或星系）的背景下移动。从理论上来说，我们可以确定移动的范围，然后利用三角学（注意图中的三角形）计算出附近恒星离我们的真实距离。实际上，即便最近恒星的运动也非常小，因此，19 世纪之前，我们根本无法使用这种方法确定地球到附近恒星的距离
为了更好地了解视差是如何运作的，可以将一根手指头放在眼前靠近鼻子的位置。先不要移动手指头，只是来回摆动头部。这种情况下，你的手指头似乎在移动；它移动的距离取决于它与眼睛的距离。（让手指头远离鼻子，然后摆动你的头来检测一下。）希腊人意识到，这条简单原则使得人们能够测量地球到最近恒星的距离。当地球每年绕太阳旋转时（记住，一些古希腊天文学家接受了太阳中心的宇宙模型），一些最近的恒星肯定会在更遥远恒星的背景下运动，就好像你在摇动头部时，手指头的运动那样。通过测量较近恒星在较远恒星的背景下移动了多远，并且通过使用初等三角学（结合对地球轨道的尺寸、地球到太阳之距离的大致估算），你就能够估算出这些恒星有多远。
希腊人持有正确的观念。不幸的是，即便最近的恒星都非常遥远，你根本无法以肉眼观察到任何运动。直到 19 世纪中期，探测和测量一些最近恒星位置发生微小变化的精密望远镜和测量仪器才被研制出来。不过，这些仪器足以让天文学家估算一些恒星离我们的距离。当这么做的时候，他们意识到，宇宙比他们大多数人曾经认为的要大许多。我们现在知道，即使最近的恒星，即比邻星，也有 4 光年之遥，40 万亿千米之遥。如果乘坐商业喷气式飞机以每小时 880 千米速度前往那里的话，也得花上大约 500 万年。记住，还有几千亿颗恒星在更遥远的地方，比邻星是离我们最近的；用天文学术语来说，比邻星是我们的邻居。
测量更遥远的恒星需要使用不同的技术。其中之一由美国天文学家亨利埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt，1868－1921）开发。19 世纪末期，她研究了一种特殊的恒星，它的亮度似乎呈现周期性变化。这种恒星就是造父变星（Cepheid variables，又译仙王星座的变光星），它们最早被发现于仙王座（Cepheus）星群，故得此名。莱维特意识到，它们亮度的变化速度取决于它们的大小，这意味着，我们可以计算出它们的大小。因为恒星的尺寸与它们的亮度密切联系在一起，这也意味着我们可以估算它们真实的（“固有的”）亮度——也就是说，当你近距离观察时，它们到底有多亮。通过从地球上来计算它们的亮度，我们也就能够估计出它们有多远，因为一颗恒星的光抵达另一个遥远的天体时，随着光线在更广阔空间的传播，光的总量会以一种数学方式减少。莱维特认识到，通过这种间接方式，我们就可以估算出造父变星的真实距离。
埃德温·哈勃（Edwin Hubble）——我们后面还会讨论他——于 1924 年指出，一些造父变星位于我们的星系（银河系）之外。这第一次证明宇宙中还存在许多其他不同星系，这也再次表明，宇宙比大多数天文学家所认为的要大得多。
天文学家也想知道恒星和星系是否在太空中运动。引人注目的是，从事这种工作的技术在 19 世纪出现了。这些技术最终会带来更重大的发现。
19 世纪早期，德国一位玻璃制造者约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer，1787－1826）发明了一种被称为分光镜的装置。观察者通过分光镜（或光谱仪）就能够把来自恒星的光分成不同频率。简单的玻璃棱镜所做的是同一件事情。它们将光分成不同频率，也就是我们看到的不同颜色，这也解释了棱镜为何看上去似乎创造了人工彩虹，从一端的红色（频率较低）到另一端的蓝色（频率较高）。不过，弗劳恩霍夫从他的分光镜所创造的光谱（“光线彩虹”）中看到了某种奇特的事物。他发现了能量减弱的暗线，即现在所说的吸收线（absorption lines，参见图 1.5）。实验室的实验表明，这些暗线的存在，要归因于一些具体的元素，这些元素往往会吸收不同频率的光能。如果你知道那些频率，那么，经由吸收线，你就可以得知发射这些光的恒星内部含有哪些元素。稍后，当天文学家开始探究恒星的形成及其所含物质时，上述看法被证明是至关重要的。
图 1.5 多普勒效应与吸收线。
吸收线，即恒星光线之光谱上的暗线，体现了特定频率上特定元素的存在。不过，吸收线通常会稍微偏移它们的预期位置（即它们的频率）。这要归因于多普勒效应。来自恒星的光波要么扩散，要么收缩，因为它不是离我们远去（当频率红移时），就是向我们移动（当频率蓝移时）。通过使用这种方法，哈勃发现宇宙中所有遥远的物体似乎都在离我们而去，离得越远，它们离开的速度就越快
19 世纪末，亚利桑那州弗拉格斯塔夫市洛厄尔天文台（Lowell observatory）的维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）发现了吸收线的另一个奇异特征。在遥远天体的光谱中，吸收线似乎偏离了它们的预期位置。因此，代表氢元素的吸收线可能是蓝移的（在光谱线上移向更高频率的蓝端）或红移的（移向低频率的红端）。斯里弗认为，这种移动是恒星向我们移动（蓝移）或远离我们（红移）造成的。它们是由多普勒效应（Doppler effect）引起的，这种效应似乎也引起警笛的声音在向我们移动时频率上升，在远离我们时频率降低。这种效应产生的原因在于一个事实，即当发出声音的物体向我们移动时，我们感觉声波正在聚集起来，当它远离我们而去时，声波似乎扩散开了。如果斯里弗是正确的（我们现在知道他是正确的），那么，我们就可以确定遥远的物体（比如遥远的星系）是向我们移动还是离我们远去。我们甚至能够计算出它们运动的速度有多快。这是一个非凡的技术成就。
我们较详细地讨论了测量恒星距离和运动的技术，因为它们为现代大爆炸宇宙学奠定了基础。
大爆炸宇宙学
20 世纪 20 年代，美国天文学家埃德温·哈勃（1889－1953）对那些发现进行了综合。哈勃在加州帕萨迪纳威尔逊山天文台工作，那里有一架当时世界上最大的望远镜之一。他利用我们前面所说的技术来绘制宇宙全景，由此得到的图景完全出乎人们意料。第一个奇特之处在于，宇宙似乎是不稳定的。宇宙中大多数遥远的天体似发生红移（red-shifted）。换句话说，它们似乎正在远离地球而去。这一点是人们没有料到的，因为自牛顿生活时代以来，大多数天文学家认为宇宙是稳定的。哈勃把对这些天体的运动评估和它们的距离估算结合在一起，发现了更加不同寻常的现象：天体离得越远，红移就越大；换言之，天体似乎在以更快速度远离我们（参见图 1.6）。
图 1.6 哈勃关于遥远星系的距离和运动图表。
哈勃使用加州帕萨迪纳威尔逊山天文台的望远镜研究遥远的星系。他发现，天体离我们越远，它似乎更快地离我们远去。这是一项重要发现，证明我们的宇宙正在扩张
这意味着什么呢？这意味着，当在非常大的尺度上观察时，宇宙不同部分似乎正在彼此分离。我们现在知道，引力强大到足以将不同星系团汇聚在一起。就包括银河系和仙女座星系在内的星系团来说，确实如此，因此，仙女座星系没有离我们远去。不过，哈勃观测的天体更加遥远，在这种更大规模上，星系团彼此之间的距离似乎越来越远。这表明宇宙似乎正在扩张。宇宙各部分就好像手榴弹爆炸产生的碎片一样。
没有天文学家曾预想到这些。哈勃的结果深深震惊了爱因斯坦——他的相对论要比哈勃公布的观测结果早几年发表——爱因斯坦一度认为，事情肯定出错了。爱因斯坦为了回避不稳定宇宙的可能性，甚至修改了自己的理论，宣称存在一种平衡引力的新类型的力。（他后来接受了哈勃的结论，声称回避它是自己犯下的最大错误之一。奇怪的是，最近的发现或许一定程度上证明爱因斯坦是对的，我们后面会看到，他的权宜之计似乎指向了我们现在所说的暗物质这种新的力。暗物质是一种能量，它似乎在分裂空间，它也弥漫在整个宇宙。）
托勒密的宇宙是微小而稳定的，牛顿的宇宙是庞大和稳定的，而哈勃所描绘的宇宙是十分不稳定的。哈勃的宇宙最初极小，然后不断膨胀，直到它变得非常巨大。不过，我们现在知道，它并没有真正膨胀成为一切事物，尽管它在膨胀的同时创造了时空维度。这就让我们很难想象它的形态。千万不要认为宇宙存在一个核心或边缘。它根本就没有，就好像地球表面没有中心和边缘一样。
哈勃对宇宙做出现实的描述了吗？或者他的结论只不过是一种光学幻觉？最初，没有人能够给出确定的回答。不过，如果他的描述是现实的，那么，它对我们理解宇宙的历史有着重要影响。1927 年，比利时天文学家、天主教教士乔治·勒梅特（Georges Lemaitre，1894－1966）指出，如果宇宙正在扩张，那么，这意味着它有历史。宇宙学不是对宇宙的静态描述；它是一门历史性学科，就像人类史那样。他进一步指出，我们还可以就那种历史的形态表达一些重要看法。如果宇宙正在扩张，那它过去肯定比现在小很多。在某个遥远的过去时刻，宇宙中的一切事物都被压缩在原子大小的空间中。勒梅特称之为原始原子（primeval atom）。
在天文学家看来，这绝对是一个令人震惊的结论。勒梅特描述了宇宙如何发端于无法想象的一小束能量。如果宇宙的确在膨胀，那么他无疑是正确的。
尽管哈勃的研究为现代大爆炸宇宙学奠定了基础，不过，直到几十年之后，大多数天文学家才接受他的观点。部分原因在于，他的结论初看上去肯定是疯狂的。事实上，英国天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，1915－2001）于 1950 年不怀好意地将那种观点描述为大爆炸。霍伊尔从来没有接受大爆炸宇宙学，他只是在一次电台采访中讽刺性地使用了“大爆炸”这个术语。
一开始，很少有天文学家了解哈勃的发现所包含的内容。早期宇宙是什么样的？20 世纪 40 年代，为建造原子武器而进行的研究，导致逐渐对基本粒子的本质以及它们在极端压力和高温下的活动产生了一些新想法。如果哈勃和勒梅特的模型是对的，那么，那种环境在宇宙历史上肯定早就存在过。
大型强子对撞机
今天，宇宙学家在研究宇宙起源时，使用庞大而昂贵的机器在极端高温下将粒子捣碎，进而观察它们的构成成分。大型强子对撞机（the Large Hadron Collider，简称 LHC；参见图 1.7）位于日内瓦机场下面的环形隧道内，在那里，粒子被猛烈地捣碎，这样，科学家实际上在重新创造类似于宇宙诞生第一秒时的环境。这有点类似于把两辆法拉利一起捣碎来观察它们的构成！正因此科学才会令人兴奋！事实上，2012 年 7 月 4 日，参与 LHC 工作的科学家宣称，他们发现了一种粒子即著名的“希格斯玻色子”存在的证据。这种粒子解释了为何所有物质都有质量。英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）在 1964 年率先提出这种粒子的存在，稍后，其他一些物理学家也表达了这种看法。世界上确实存在一种与希格斯的创造性观念相一致的粒子，这项发现被认为是现代科学重大转折点之一。
图 1.7 大型强子对撞机，欧洲核子研究组织。
大型强子对撞机是迄今为止设计出来的最庞大、最昂贵的科学实验。它由日内瓦机场下面一条巨大隧道构成，亚原子粒子在那里以接近光速的速度被击碎，以便发现它们的构成。这好像将汽车一起捣碎以观察它们的内部构成，不过，这是我们用来确定宇宙构成基本成分的本质的唯一方式。白圈标出了 LHC 的位置。前面是日内瓦机场。红线标示的是瑞士和法国之间的边界
20 世纪 40 年代，一些科学家，包括弗雷德·霍伊尔和俄裔美国物理学家乔治·加莫夫（George Gamow，1904－1968）在内，以哈勃的结论为前提，开始探究早期宇宙的面貌以及它是如何活动的。引人注目的是，他们发现建构一种合理的故事是可能的。事实证明，此后几十年，我们可以非常详尽地解释宇宙从其诞生到现在的各个不同阶段。
大爆炸宇宙学讲述的万物起源
我们无从知晓宇宙诞生之前存在什么。因为完全没有证据，因此，也不可能就宇宙出现之际表达任何科学的意见。事实上，“之前”这个想法可能是毫无意义的，时间本身或许也是在大爆炸中与空间、物质和能量一起被创造出来的。天文学家将来可能会找到一种方式来处理这个终极问题，不过，当下大爆炸宇宙学并不打算解释宇宙出现的那一时刻。然而，在宇宙出现之后一秒钟内一个极小的时间里，大爆炸宇宙学能够讲述一个详细的故事，该故事基于大量证据之上。下面对这个故事的某些部分做一个简洁的、非技术性的叙述。
大约 138 亿年之前，某种事物出现了，它似乎开始创造空间、时间、物质和能量（物质是由具有质量、占据空间的实体构成；能量是由移动和形塑物质的力构成）。太空一开始可能不会比一个原子更大。它也不可思议的炽热。这一点并不奇怪。毕竟，这个原子大小的空间包含了今天宇宙中所有能量。它的温度如此之高，以至于物质和能量可以相互转化。能量不断聚集形成物质粒子，它们也不断地再次转变成能量。爱因斯坦的相对论证明，物质和能量实际上是同一种物质的不同形式；宽泛而言，我们可以将物质视作静止的能量。在极端高温下，比如一颗氢弹内部或恒星中心，物质能够再次转化为能量。因此，在最初的时候，宇宙是由某种能量和物质汤构成。不过，当它膨胀时，就会迅速冷却下来。当它冷却时，这种汤就开始分化为不同的力和不同的物质。科学家将这些变化称为相变（phase changes）。这有点类似于蒸气冷却时的情形；在大约 100 摄氏度时，蒸汽突然发生一种相变，即转变为液态水。
在某一个时刻（宇宙出现之后 1/1027秒），早期宇宙极速扩张。在这种“膨胀”——天文学家的称呼——结束之际，宇宙很可能与今天宇宙中一个星系的大小相当。
在一秒钟的极小一部分时间内，作为相变的结果，四种基本的能量形式得以出现。它们是引力、电磁力以及“强”核力和“弱”核力。（后面再讨论引力和电磁力；我们很熟悉这两种力，它们在我们的故事中扮演了重要角色。我们不会花很多时间讨论其他两种力。它们活动的范围甚至小于一个原子，它们有助于控制原子以及质子和电子之类的亚原子粒子的活动。因此，对它们感兴趣的主要是核物理学家。）除了这四种力之外，物质的基本成分也出现了，包括暗物质（我们真的不了解它）和我们由以构成的物质，即原子物质（atomic matter）。
在最初的 20 分钟时间里，物质和能量开始呈现出更稳定的形式。质子——氢原子的带正电荷的原子核——已经出现，大约 25% 的质子发生核聚变，并且与中子（它们与质子的质量相同，但不带电）结合形成氦原子核。数量极少的质子聚变形成锂原子核，不过，由于宇宙冷却的速度太快，以至于无法发生更多聚变。物质现在以一种等离子（plasma）的形式存在，那是一种炽热的、气体般的状态，在那种状态下，质子和电子（带负电荷）还没有结合在原子中。今天，相同的状况（等离子）也存在于恒星的核心。由于质子和电子带有电荷，因此，宇宙中大多数原子物质发出电流的噼啪声，也不断受到强烈的电磁能的撞击。质子——我们可以把它们视为电磁能的小型储藏所——肯定会与这些带电荷的粒子相互作用。
等离子几乎存在了 38 万年（这大约是人类在地球上生活时间的两倍）。于是，宇宙大爆炸 38 万年之后，出现了一种重要的新变相。当宇宙温度冷却到接近我们太阳的表面温度时，光子开始丧失能量，亚原子粒子的活动不再那么猛烈。最终，在一个温度更低的、更柔和的宇宙中，带正电的质子和带负电的电子之间的电荷非常强大，足以把它们结合在一起。突然间，一个临界温度值被跨越，宇宙中质子和电子结合起来形成呈电中性的原子（因为质子和电子的相反电荷相互抵消）。这样，整个宇宙似乎一下子丧失了它的电荷。电荷网络－－电磁辐射出现的地方——消失了，光子现在可以在宇宙中自由运动。
20 世纪 40 年代晚期，乔治·加莫夫指出，在这个故事中的那一刻，当光子脱离物质之际，肯定存在一种巨大的能量闪烁，或许我们现在还可以探测到那一闪烁。然而，当时大多数宇宙学家似乎并没有认真探寻古代那次能量闪烁的残留物，这表明他们对大爆炸观念持怀疑态度。
支持大爆炸宇宙学的更多证据
直到 20 世纪 60 年代早期，宇宙起源于一次大爆炸的观念依旧只不过是一种令人感兴趣的假说而已。（假说是指尚未获得足够多的证据从而没有得到广泛接受的科学思想。理论则相反，是指具有大量证据足以使其得到普遍接受的科学思想。）大多数天文学家怀疑它是对过去发生之事的真实描述。另一个假说，即当时著名的稳态理论（steady state theory）——之所以称之为理论是因为它为时人广泛接受——在 20 世纪 20 年代被首次提出，后来被不断修正和改善。它得到许多人的支持，其中包括弗雷德·霍伊尔，他终其一生都是大爆炸宇宙学的批评者。稳态理论宣称，尽管宇宙一直在扩展，不过，新物质和能量不断产生的速度抵消了扩展的速度。因此，依照稳态理论，最终的结果就是，从宏观来看，宇宙看起来始终跟今天的宇宙没什么两样。
这两种假说都宣称对哈勃发现的红移做出了解释，那么，我们如何检测它们呢？哪一种是正确的？
1964 年，答案突然出现了。天文学家阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias，生于 1933 年）与罗伯特·威尔逊（Robert Wilson，生于 1936 年）在新泽西贝尔电话实验室工作，他们正努力为卫星传输建造一种超敏感的接收器（参见图 1.8）。为了改善设计的号角式天线，他们试图消除所有的背景信号。他们发现了一种微小的、持续存在的以及均匀的背景噪音，并且根本无法清除它。很显然，这种噪音存在于天线指向的任何方向，因此，它似乎并非来自太空中某个特定天体。他们一开始怀疑自己的装备出现了问题，一度将天线上的鸽子粪便清理一番，以防鸟粪散发的微小热量是噪音的来源。最后，他们与附近普林斯顿大学物理学教授罗伯特·迪克（Robert Dicke，1916－1997）取得联系。迪克很清楚那些预测，即大爆炸释放出了巨大能量，而且他当时正在设计一种能够探测这种背景能量的射电望远镜。他马上断定，彭齐亚斯和威尔逊检测到了加莫夫和其他人预测到的古老能量的片羽吉光。
图 1.8 宇宙背景辐射。
彭齐亚斯和威尔逊于 1964 年率先用来探测宇宙背景辐射的无线电探测器
彭齐亚斯和威尔逊发现了一种极其微弱的信号，它的能级相当于零下 270 摄氏度，只稍稍高于绝对零度（即零下 273 摄氏度，是可能存在的最低温度）。这非常接近加莫夫和迪克等宇宙学家预测到的能级。最引人注目的，乃是背景辐射的均匀性。它来自宇宙四面八方。简而言之，即便这种信号很微弱，但是它所体现的是庞大的能量，它似乎在每一个地方都具有几乎相同的密度。稳态理论无法解释这种宇宙背景辐射（CBR）的来源。不过，如前所述，宇宙大爆炸理论已经预测到了它。
所有科学假说最有效的检验之一，就是奇怪的预测变成了事实。这也解释了一个现象，即宇宙背景辐射被发现以来，大多数宇宙学家和天文学家最终都承认大爆炸理论对宇宙起源做出了正确叙述。因此，我们现在也可以将大爆炸称为一种确定的理论，把稳态理论视为一种假说。另外，自从被发现以后，宇宙背景辐射就得到密切研究，因为它能够就它发射之际（大爆炸发生约 38 万年之后）宇宙的本质向我们提供很多信息。
支持大爆炸宇宙学的进一步证据
尽管宇宙背景辐射和红移可能是支持大爆炸宇宙学的最有效证据，不过，还存在其他许多有力证据。我们下面只讨论三种比较重要的证据，它们都相对容易理解。
首先，宇宙中似乎不存在超过 130 亿年的物体。我们在本章后面会了解到，天文学家现在很好地了解了恒星从幼年演进到老年再到塌缩的全过程。这表明，就好像根据一个人的姿势、肤色以及活动，我们就能够大致猜出年龄一样，天文学家通过测量一颗恒星的温度、化学成分和质量，就能够估算出其年龄。这些计算并不容易，不过，它们都没有表明有哪颗恒星比 130 亿年更古老。如果宇宙有几千亿年古老，或者如果它是无限古老的（稳定理论这么认为），那么，不存在更古老的恒星（指超出 130 亿年）就显得有点不可思议了。如果大爆炸理论是正确的，那么，这种年龄分布正好是我们所预期的。
其次，与稳态假说不同，大爆炸理论暗示着宇宙具有自身的历史。因此，就像人类社会那样，它会随着时间的推移而发生变化。我们认为 1 万年之前的人类社会与今天人类社会完全不同（到底有多么不同，可以参见第 4 章），同理，宇宙学家认为，100 亿年之前的宇宙与现在的宇宙也是完全不一样的。他们所发现的，就是这一点。最强大的现代望远镜能够探测距离地球几十亿光年的天体（1 光年是指光在一年时间里走过的距离，大约为 9.6 万亿千米）。在这么做的时候，它们事实上是在观测几十亿年之前的天体，因为天体发射出来的光需要经过几十亿年才能够到达地球。强大的望远镜就像时光穿越者，其中一些强大的望远镜能够向我们展示大爆炸之后不久的真实宇宙。这些望远镜表明，早期宇宙确实与现在宇宙完全不同。它非常拥挤，包含了今天宇宙中极其罕见的类星射电源（即 Quasar，“quasi-sterllar radio source”的缩写，当恒星被吸进似乎处于所有星系核心的巨大黑洞时，它就形成了）。这种研究支持了大爆炸宇宙学的结论，即宇宙像人类社会那样，具有随时间推移而发生变化的历史，同时驳斥了稳态假说的结论，即宇宙在过去一直没什么变化。
第三，大爆炸理论的早期理论家认为，当宇宙在最初几秒钟快速冷却时，短暂的时间只允许最简单的化学元素的原子核形成。最简单的元素是氢（其中心有一个质子以及一个围绕它旋转的电子）和氦（有两个质子和两个电子）。从氢到铀（92 个质子和 92 个电子）的化学元素，其原子核都有特定数量的质子。因此，大于氢或氦的元素想要形成的话，原子核必须聚合在一起，以便形成带有更多质子的更大原子核。这就需要极端高温来克服质子之间的相互排斥力，因为它们都带有正电荷，然而，当最初的原子形成之际，没有哪个地方的温度高到足以做到这一点。这意味着，大部分宇宙是由氢原子和氦原子构成。这本身就是一个出乎意料的预测，因为氢原子和氦原子在地球表面比较罕见。不过，当天文学家使用光谱仪观测恒星内部和恒星之间的空间存在何种元素时，他们发现，宇宙中 75% 的原子物质由氢原子组成，剩下的大部分由氦原子构成。由此可见，大爆炸宇宙学再次提出了一个最终成为事实的奇怪预测。
大爆炸宇宙学存在的问题
今天，大多数天文学家和宇宙学家都承认，大爆炸理论对宇宙的起源做出了合理而正确的叙述。不过，它远非完美。其中最突出的异常现象之一，即不久的将来很可能得到修正的异常现象，就是暗物质和暗能量的存在。如前所述，这些是我们能够探测到的、但迄今为止还无法理解的物质和能量形式。
天文学家首先意识到，当研究星系中恒星的运动时，实际存在的物质远远超出我们所能看到的。通过使用引力法则，我们就可以估算恒星以多快速度绕庞大的星系旋转。恒星的实际运动表明，宇宙中存在的质量可能是天文学家探测到的质量的 20 倍。其中一些质量由暗物质构成。另外，到 20 世纪 90 年代晚期，越来越明显的是，宇宙正在加速扩张，大多数宇宙学家相信，这种加速的动力是一种新形式的能量，即暗能量（dark energy），它是一种反引力，将事物分离开而不是把它们吸引到一起。
暗能量大约占宇宙总质量的 70%，它与空间的总量联系在一起，因此，这种能量的重要性随着宇宙扩张而增加。事实上，宇宙扩张的速度似乎在加快，这要归因于越来越强大的暗能量，这种情况发生在大爆炸 90 亿年之后，也即地球形成之际。宇宙质量的另外 25% 是暗物质。剩下 4%~5% 由原子物质构成。大多数原子物质是以氢和氦的形式存在，其中只有大约 1%~2% 是由从碳到铀等较重化学元素构成。甚至大多数原子物质都是不可见的，由此可见，我们真正能够探测到的，是宇宙中不到 1% 的物质。我们并不真正了解宇宙中绝大多数物质和能量，这个事实让许多天文学家深感不安。在暗物质和暗能量的本质得到说明之前，这个疑问会一直困扰整个大爆炸理论。
不过，天文学家和宇宙学家显得很乐观，他们相信，大型强子对撞机（LHC）这种实验或许很快就会提供一些答案。我们前面已经了解到，LHC 已经发现了希格斯玻色子。当它开始以更高的能级活动时，许多人希望它能够发现其他形式的、有助于解释暗物质和暗能量构成的能量和物质。那将是物理学家或宇宙学家激动人心的时刻。
尽管存在这些困难，不过，当前并不存在真正能够与大爆炸宇宙学相媲美的理论，它成功地解释了与宇宙相关的大量问题。针对“宇宙是如何开始的”这一基本问题，大爆炸理论提供了迄今为止最权威、最具说服力的答案。