宇宙史話：人類如何認識宇宙的故事（簡體書）

40 年前的 1980 年，美國天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）出版了一本面向大眾的科普書籍《宇宙》（Cosmos）。在為美國公共電視臺同期製作的電視片中，薩根站在驚濤拍岸的海邊，充滿詩意地講解我們對身邊的世界乃至宇宙的認知。他指出：“宇宙就在我們之中。我們是由星星的材料構成。我們是宇宙認識自己的途徑。”（The cosmos is within us. We are made of star-stuff. We are a way for the universe to know itself.）

他的書和電視節目在全世界流行，膾炙人口。

在那個年代，宇宙的大爆炸起源已經是科學界的共識。他的讀者、觀眾也對這個名詞並不陌生。大爆炸理論不僅描述了宇宙的初始和演化，也精準地解釋宇宙中化學元素的來源。它們有的誕生在宇宙之初，有的產生於恒星內部的熱核反應，有的則是中子星碰撞的煉獄般壓力下的產物。大約 45 億年前，來自宇宙各個角落、有著不同年齡和經歷的原子聚集在一起，形成了地球。再 10 億年後，它們組合、演化出越來越複雜的生命體，直至人類的出現。

因此，如薩根的敘述，“我們 DNA 中的氮、牙齒中的鈣、血液中的鐵，我們的蘋果派中的碳，都來自恒星的內核”。組成我們身軀的每一個原子都來自那浩瀚的廣宇、深邃的遠古。宇宙就是這樣存在於我們的血肉肌膚之中。我們與宇宙密不可分。

但作為智能生物的人類並不只是原子的特定組合。人類憑借自主的意識仰望星空。從原始樸素的神靈崇拜到嚴謹精確的邏輯推理，逐漸地認識宇宙的客觀存在，並在這個過程中探索自身的意義。

或者，如薩根所言，那也許正是宇宙在通過我們認識自己。

2016 年 2 月，探測引力波獲得成功的新聞轟動全球，將天文學、宇宙學再次推到大眾關注的前臺。在那波熱潮中，我寫作了《捕捉引力波背後的故事》，由科學出版社在 2019 年 7 月出版。

然而，引力波故事固然跌宕起伏、引人入勝，它還只是如同引力波本身一樣的“漣漪”。在那背後，還有著更多的驚濤駭浪。那便是人類對整個宇宙的認知過程，一個更為波瀾壯闊、驚心動魄的故事。

在引力波的故事完成之後，我在 2019 年元旦開始寫作這個新故事，以“宇宙膨脹背後的故事”為題在科學網博客頁連載，直到 2020 年 4 月底完成。在清華大學出版社胡洪濤編輯和王華編輯的支持下，這個系列現在作為《宇宙史話：人類如何認識宇宙的故事》成書出版。

相比於網絡的連載版，本書在內容上保持原貌，只做了少量文字修改。顯著不同的是這本書裡包括了參考文獻，並標明幾乎所有內容的來源出處。有心的讀者可以按圖索驥，做更深一步的探索。

我依據的參考文獻基本上都是英文的書籍、論文以及報刊文章等。書中涉及的人物姓名、專業名詞以及一些關鍵性的論文題目、直接引語等以括號或腳注的形式提供了相應的英語表達以供讀者參考。它們的原文並不一定都是英語，但為便利起見一概以英語標識。

1930 年，英國劍橋大學物理學家詹姆斯·金斯（James Jeans）出版《神秘的宇宙》（The Mysterious Universe），是當時最暢銷的普及型科學讀物。那時候沒有電視，他的影響力自然不及半個世紀後的薩根。但金斯頻頻在英國廣播公司（BBC）製作科普節目，也曾轟動一時。

金斯描述的宇宙充滿了神秘。那時的天文學家還在激烈地辯論宇宙的大小、銀河的地位。他們還沒有了解到宇宙的膨脹和大爆炸。他們有著太多的沒有答案的疑問、無法解釋的現象。作為科學家的金斯頭腦清醒地指出：天文學所提出的諸多問題，需要從物理學中尋求答案。

當薩根在 1980 年再度面向大眾解釋宇宙時，他自豪地宣布“在宇宙以及人類在宇宙中的地位問題上，我們已經做出了最令人驚奇而又意想不到的發現”。

這本書所講述的，就是這一系列發現背後的故事。

在這個進程中，人類經歷了遠古的神話、古希臘的哲學、文藝復興的啟蒙和現代科學的誕生、技術的飛躍。故事中的角色五彩繽紛，有歐洲的貴族、哈佛的“後宮”、世界大戰中的官兵、工業革命的暴發戶、天主教牧師……他們的共同之處是與金斯一樣，相信破解宇宙之謎的鑰匙不在神學、哲學，而在科學、物理學。

這個故事的主角也因此是一代又一代的天文學家、物理學家，包括在宇宙模型上一錯再錯的愛因斯坦。他們中的一些成為眾望所歸的名家乃至聞名遐邇的明星。更多的卻依然默默無聞甚至被歷史忽略、遺忘。但正是他們的青春奉獻和不懈努力才有了我們今天對宇宙的認識和理解。

即使是薩根，他在 1980 年時也不知道宇宙的膨脹在加速，不知道在他所描述的浩瀚宇宙之外——抑或之內——還有一個更深邃、更神秘，由暗物質、暗能量組成的未知宇宙。但他與金斯同樣清楚地知道，對於宇宙我們還有著太多的疑問，只有持之以恒的科學研究才能逐步找到答案。

書中的故事只能“終止”於 21 世紀初。但書中仍然健在的人物以及他們的後繼者依然面臨著眾多的未知與神秘。他們在孜孜不倦地尋求著新的發現和下一個答案。

就在本書寫作期間，諾貝爾物理學獎頗為罕見地連續兩年頒發給天文學、宇宙學領域的成果。2019 年獲獎者中的皮布爾斯是本書的主要角色之一。2020年的獲獎者中的彭羅斯也在書中有過驚鴻一瞥。

他們的故事，宇宙——我們——的故事都還遠遠沒有結束。

By 作者 程鶚

第1章 愛因斯坦無中生有的宇宙常數 // 1

第2章 尋覓宇宙的中心 // 10

第3章 坐井觀天看銀河 // 19

第4章 察“顏”觀色識星移 // 28

第5章 挑戰愛因斯坦的宇宙 // 36

第6章 “後宮”中丈量宇宙 // 44

第7章 20世紀初的宇宙大辯論 // 55

第8章 哈勃打開的宇宙新視界 // 64

第9章 一個牧師的宇宙觀 // 72

第10章 哈勃的“新”發現 // 80

第11章 愛因斯坦錯在哪裡？ // 88

第12章 勒梅特的“宇宙蛋” // 97

第13章 宇宙萬物始於“伊倫” // 104

第14章 宇宙的年齡 // 114

第15章 宇宙大爆炸的余波 // 123

第16章 於最細微處見宇宙 // 132

第17章 大爆炸之後的困惑 // 140

第18章 磁單極之謎 // 149

第19章 暴脹的宇宙 // 157

第20章 泡泡中的宇宙 // 168

第21章 在大尺度上探求宇宙微妙細節 // 177

第22章 渦旋星云中的秘密 // 185

第23章 揭開宇宙的黑暗一面 // 196

第24章 膽小鬼和猛男 // 205

第25章 新生宇宙的第一張照片 // 215

第26章 愛因斯坦又錯了嗎？ // 225

第27章 宇宙距離階梯之超新星 // 234

第28章 角逐遙遠的超新星 // 246

第29章 宇宙的膨脹在加速 // 257

第30章 稱量星系的體重 // 269

第31章 神秘可測的浩瀚宇宙 // 279

第32章 我思，故我在……這個宇宙 // 289

第33章 宇宙之有生於無 // 299

第34章 天若有情天亦老 // 309

參考文獻 // 319

索引 // 325