万物简史:为万物写史,为宇宙立传-第2部分
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很难相信，我以前怎么从没有见过这类插图，我记得完全给迷住了。我的确认为，起初，我的兴趣只是基于一种个人的想像，美国平原上各州川流不息的车流毫无提防地向东驶去，突然越过边缘，坠入中美洲和北极之间一个6000多公里高的悬崖，但我的注意力渐渐地转向这幅插图的科学含义，意识到地球由明确的层次组成，中心是一个铁和镍的发热球体。
根据上面的说明，这个球体与太阳表面一样灼热。我记得当时我无限惊讶地想：“他们是怎么知道的？”
我对这个信息坚信不疑——我至今仍然容易像相信医生、管道工和别的神秘信息的拥有者那样相信科学家的说法——但是，我无论如何也无法想像，人的脑子怎么能确定在离我们几千公里下面的地方是个什么样子，是由什么构成的，而那可是肉眼根本看不见、X 射线也穿不透的呀。在我看来，那简直是个奇迹。自那以后，这一直是我对待科学的态度。
那天晚上，我很兴奋，把这本书抱回了家，晚饭之前就把书打开——我想，正是由于这个举动，我的母亲摸了摸我的额头，看看我是不是病了——翻到第一页，读了起来。
结果发现，这本书毫不激动人心。实际上，它不是包罗万象的。首先，它没有回答插图在正常人好奇的脑子里产生的任何问题：我们行星的中央怎么会冒出来一个太阳，他们怎么知道它的温度？要是它在下面熊熊燃烧，我们脚下的地面怎么摸上去不是烫的？为什么内部的其余部分不在熔化，或者正在熔化？要是地心最终烧尽以后，地球的某个部分是不是会塌进那个空间，在地面上留下一个大坑？而你是怎么知道这个的？你是怎么测算出来的？
但是，说来也怪，作者对这些具体疑问只字不提——实际上对任何疑问都只字不提，只是说些什么背斜呀，向斜呀，地轴偏差呀，等等。他似乎有意把一切都弄得深不可测，以便守住好东西的秘密。随着岁月流逝，我开始认为这不完全是个个人动机。教科书的作者似乎有个普遍的阴谋，他们要极力确保他们写的材料绝不过于接近稍有意思的东西，起码总是远远回避明显有意思的东西。
现在，我知道有好多好多科普作家，他们写出了通俗易懂而又激动人心的散文——我一下子就可以点出蒂姆西·费里斯、理查德·福泰和提姆·弗兰纳里等三位（且不说已故的出类拔萃的理查德·费曼）——但是，令人伤心的是，他们没有一人写过我用过的教科书。我用过的教科书全都出自那些怀有一种挺有意思的想法的男人（始终都是男人）的笔下，美国的孩子们会喜欢各个章节的结尾都带有问题部分，供他们在自己的时代冥思苦想。因此，我在成长过程中确信，科学是极其枯燥的，但同时我又认为大可不必如此：科学也可以是非常有趣的，要是我办得到的话。在很长的时间里，这成了我的立场。
接着，很久以后——我想大约是在四五年之前——我正做一次飞越太平洋的长途旅行，我漫不经心地朝飞机的舷窗外望去，只见一轮皓月挂在天空，下面是洒满银色月光的一望无际的海洋，突然，一种强烈的不安感涌上我的心头，足迹遍及世界各地的我，对于自己长期以来置身其间，而且这辈子也只能生活其间的地球，竟然是那样的缺乏了解。比如，我不知道为什么海水是咸的，而五大湖的湖水却是淡的。我一点儿也不知道。我不知道随着时间的过去，海水会变得越来越咸，还是越来越淡，不知道海水的咸度是不是我该关心的问题。（我很乐意告诉你，直到20世纪70年代，科学家们也不知道这些问题的答案。他们只是悄悄地议论这些事。）
当然，海水的咸度只是我不知道的事情中的极小部分。我不知道什么是质子，什么是蛋白质，不知道类星体的夸克，不理解地质学家怎么只要看一眼峡谷壁上的一层岩石，就能说出它的年龄——我确实什么也不知道。我心里渐渐迫切想要知道一点儿这些问题，尤其想懂得人家是怎样测算出来的。科学家们是怎样解决这些问题的——这对我来说始终是最大的奇事。他们怎么知道地球的重量，怎么知道岩石的年龄，怎么知道地心深处实际上是什么东西？他们怎么知道宇宙是怎样开始的，什么时候开始的，它开始的时候又是什么样子的？他们怎么知道原子内部的情况？科学家怎么往往好像差不多什么都知道，而又仍不能预测地震，甚至不能准确地告诉我们下星期三看比赛时该不该带雨伞？这到底是怎么回事——尤其是在经过回想以后？
于是，我决定今生要拿出一部分时间——结果是花了三年时间——来读书看报，寻访很有耐心、德高望重、愿意回答许多无人吭声的特别问题的专家。我倒想要看看，是不是有可能在不大专门或不需要很多知识的，而又不完全是很肤浅的层面上，理解和领会——甚至是赞叹和欣赏——科学的奇迹和成就。
这曾经是我的想法，我的希望，本书就是按照这个意图来写的。反正，我们要涉及的范围很广，而办这件事又远远用不着100 万个小时，因此我们就开始吧。
第一章 如何营造一个宇宙
它们都处于同一平面。它们都在沿同一方向转动……你要知道，这真是完美无缺的，这真是不可思议的，这几乎是很神奇的。——天文学家杰弗里·马西对太阳系的描述
无论怎么努力，你都永远也想像不出质子有多么微小，占有多么小的空间。它实在太小了。
质子是原子极其微小的组成部分，而原子本身当然也小不可言。质子小到什么程度？像字母“i ”上的点这样大小的一滴墨水，就可以拥有约莫5000亿个质子，说得更确切一点，要比组成1。5 万年的秒数还多。因此，起码可以说，质子是极其微小的。
现在，请你想像一下，假如你能（你当然不能）把一个质子缩小到它正常大小的十亿分之一，放进一个极小的空间，使它显得很大，然后，你把大约30克物质装进那个极小极小的空间。很好，你已作好创建一个宇宙的准备。
我当然估计到，你希望创建一个会膨胀的宇宙。不过，要是你愿意创建一个比较老式而又标准的大爆炸型宇宙，你还需要别的材料。事实上，你需要收集现有的一切东西——从现在到宇宙创建之时的每个粒子——把它塞进一个根本谈不上大小的极小地方。这就是所谓的奇点。
无论哪种情况，准备好来一次真正的大爆炸。很自然，你希望退避到一个安全的地方来观察这个奇观。不幸的是，你无处可以退避，因为奇点之外没有任何地方。当宇宙开始膨胀的时候，它不会向外扩展，充满一个更大的空间。仅有的空间是它一面扩展一面创造的空间。
把奇点看成是一个悬在漆黑无边的虚空中的孕点，这是很自然的，然而是错误的。没有空间，没有黑暗。奇点四周没有四周。那里没有空间供它去占有，没有地方供它去存在。我们甚至无法问一声它在那里已经多久——它是刚刚产生的，就像个好主意那样，还是一直在那里，默默地等待着合适的时刻的到来。时间并不存在。它没有从过去产生这一说。
于是，我们的宇宙就从无到有了。
刹那间，一个光辉的时刻来到了，其速度之快，范围之广，无法用言语来形容，奇点有了天地之大，有了无法想像的空间。这充满活力的第一秒钟（许多宇宙学家将花费毕生的精力来将其分割成越来越小部分的1 秒钟）产生了引力和支配物理学的其他力。不到1 分钟，宇宙的直径已经有1600万亿公里，而且还在迅速扩大。这时候产生了大量热量，温度高达1000万摄氏度，足以引发核反应，其结果是创造出较轻的元素——主要是氢和氦，还有少量锂（大约是1000万个原子中有1 个锂原子）。3 分钟以后，98％的目前存在的或将会存在的物质都产生了。我们有了一个宇宙。这是个美妙无比的地方，而且还很漂亮。这一切都是在大约做完一块三明治的时间里形成的。
这个重大时刻的发生时间还是个有点争议的问题。宇宙到底是在100 亿年以前形成的，还是在200 亿年以前形成的，还是在100 亿年到200 亿年之间形成的，这个问题宇宙学家已经争论很长时间。大家似乎越来越赞成大约137 亿年这个数字。但是，我们在后面将会进一步看到，这种事情是极难计算的。其实，我们只能说，在那十分遥远的过去，在某个无法确定的时刻，由于不知道的原因，科学上称之为t=0 的时刻来到了。我们于是踏上了旅程。
当然，有大量的事情我们不知道，还有大量的事情我们现在或在过去很长时间里以为自己知道而其实并不知道。连大爆炸理论也是不久以前才提出来的。这个概念自20世纪20年代以来一直很流行，是一位名叫乔治·勒梅特的比利时教士兼学者首先提出了这种假设。但是，直到20世纪60年代中，这种理论才在宇宙学界活跃起来。当时，两位年轻的射电天文学家无意中发现了一种非同寻常的现象。
他们的名字分别叫做阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊。1965年，他们在美国新泽西州霍尔姆德尔的贝尔实验室，想要使用一根大型通信天线，可是不断受到一个本底噪声——一种连续不断的蒸汽般的咝咝声的干扰，使得实验无法进行下去。那个噪声是一刻不停的，很不集中的。它来自天空的各个方位，日日夜夜，一年四季。有一年时间，两位年轻的天文学家想尽了办法，想要跟踪和除去这个噪声。他们测试了每个电器系统。他们重新组装了仪器，检查了线路，察看了电线，掸掉了插座上的灰尘。他们爬进抛物面天线，用管道胶布盖住每一条接缝，每一颗铆钉。他们拿起扫帚和抹布再次爬进抛物面天线，小心翼翼地把他们后来在一篇论文中称之为“白色电介质”的、用更通常的说法是鸟粪的东西扫得干干净净。可是他们的努力丝毫不起作用。
他们不知道，就在50公里以外的普林斯顿大学，一组以罗伯特·迪克为首的科学家正在设法寻找的，就是这两位天文学家想要除去的东西。普林斯顿大学的研究人员正在研究20世纪40年代在苏联出生的天文物理学家乔治·伽莫夫提出的假设：要是你看到空间深处，你就会发现大爆炸残留下来的某种宇宙背景辐射。伽莫夫估计，那种辐射穿过茫茫的宇宙以后，便会以微波的形式抵达地球。在新近发表的一篇论文中，他甚至提出可以用一种仪器达到这个目的，这种仪器就是霍尔姆德尔的贝尔天线。不幸的是，无论是彭齐亚斯和威尔逊，还是普林斯顿大学小组的任何专家，都没有看过伽莫夫的论文。
彭齐亚斯和威尔逊听到的噪声，正是伽莫夫所假设的。他们已经找到了宇宙的边缘，至少是宇宙150 亿光年以外的可见部分。他们在“观望”第一批质子——宇宙中最古老的光——果然不出伽莫夫所料，时间和距离已经将其转变成了微波。艾伦·古思在他的《不断膨胀的宇宙》一书中提出一种类比，有利于摆正这一发现的位置。要是你把观望宇宙深处比做是在美国纽约帝国大厦的100 层上往下看（假设100 层代表现在，街面代表大爆炸的时刻），那么在彭齐亚斯和威尔逊发现那个现象的时候，已经有人发现的最远的星系是在大约60层，最远的东西——类星体——是在大约20层。彭齐亚斯和威尔逊的发现，把我们对宇宙可见部分的认识在大厅的地板上推进了约1 厘米。
彭齐亚斯和威尔逊仍然找不到噪声的原因，便打电话给普林斯顿大学的迪克，向他描述了他们遇到的问题，希望他能作出一种解释。迪克马上意识到两位年轻人发现了什么。“哎呀，好家伙，人家抢在我们前面了。”他一面挂电话，一面对他的同事们说。
此后不久，《天体物理学》杂志刊登了两篇文章：一篇为彭齐亚斯和威尔逊所作，描述了听到咝咝声的经历；另一篇为迪克小组所作，解释了它的性质。尽管彭齐亚斯和威尔逊并不是在寻找宇宙的本底辐射，发现的时候也不知道是什么东西，也没有发表任何论文来描述或解释它的性质，但他们获得了1978年诺贝尔物理学奖。普林斯顿大学的研究人员只获得了同情。据丹尼斯·奥弗比在《宇宙孤心》一文中说，彭齐亚斯和威尔逊都不清楚自己这一发现的重要意义，直到看到《纽约时报》上的一篇报道。
顺便说一句，来自宇宙本底辐射的干扰，我们大家都经历过。把你的电视机调到任何接收不着信号的频道，你所看到的锯齿形静电�
