星光岁月：给所有人的宇宙通识课（从大爆炸到超新星，宇宙的神秘与悠长、理性与感性，都在这里！）（套装4册） (未读·探索家)
Author: 尼尔·德格拉斯·泰森; 罗兰•勒乌克; 切特·雷莫
Date: 2020-06-30T16:00:00+00:00
Publisher: 北京燕山出版社

总目录
给忙碌者的天体物理学
给仰望者的天文朝圣之旅
给好奇者的暗黑物理学
140亿年宇宙演化全史

版权信息

给忙碌者的天体物理学

ASTROPHYSICS FOR PEOPLE IN A HURRY

作者：[美] 尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）

译者：孙正凡

出品方：未读·探索家

出版社：北京联合出版公司

目录
推荐序1
推荐序2
推荐序3
自序
01 有史以来最伟大的故事
The Greatest Story Ever Told
02 在地如在天
On Earth as in the Heavens
03 要有光
Let There Be Light
04 在星系之间
Between the Galaxies
05 暗物质
Dark Matter
06 暗能量
Dark Energy
07 元素周期表里的宇宙
The Cosmos on the Table
08 关于球形这回事儿
On Being Round
09 不可见光
Invisible Light
10 在行星之间
Between the Planets
11 另一个地球
Exoplanet Earth
12 基于宇宙视角的反思
Reflections on the Cosmic Perspective
致谢
返回总目录

对那些因为太忙而没空读大部头的人来说，

仍然有一条道路可以理解宇宙。

推荐序1

————

万维钢

偶尔仰望星空的时候，你会想到什么呢？你想到了宇宙之博大和个人之渺小、想到了真理、想到了公平和正义吗？如果只想到这些，你就错过了最动人的主题。

现代天体物理学比任何文艺青年所想象的东西都要丰富很多很多倍，也精彩很多很多倍。我们赶上了一个新观测手段层出不穷、宇宙知识爆发式增长的时代。我们今天对宇宙的了解，跟一百年之前，甚至几十年之前都非常不一样。我们已经有很大的把握知道这个宇宙是怎么回事，而你也有权知道。

这本书允许你问这个宇宙是从哪里来的这种大问题，并且提供了相当可靠的答案——而你将会发现，这其实是非常幸运的事情，因为正如泰森所说，宇宙本来没有义务让我们理解。

尼尔·泰森是卡尔·萨根的传人，他是这样一本书最合适的作者。你的阅读历程将伴随着赞叹和思考，你将收获一个宇宙学的视角。

推荐序2

————

张双南

现代社会大家都很忙，但是又都兴趣很广，对天文宇宙的爱好几乎成了“文化人”的标识之一。然而，大部分人在学校都没有学习过天文和天体物理学，面对滚滚而来、整天刷屏的各种天文新发现的报道，很多人虽然常常不明觉厉，但是还是想知道到底是怎么回事，否则就不能愉快地和人谈论各种天文宇宙的最新话题了。系统地上天文课？太忙，没有时间！抽碎片时间系统地读天体物理的书？太折磨人了，实在是看不进去啊！这本书就是大家的福音！仅仅12章、6万字，就把从宇宙诞生到寻找地外家园这些主题都说清楚了，最后还进一步引发人们对人生和宇宙的哲学思考！

既然大家都很忙，那么我推荐两种阅读方式：对像我这样连周末和假期都没有的读者，您可以一次读一章，花15～20分钟，不难吧？对于那些也非常忙，但是偶尔能够有个周末或者假期的读者，我建议您就一口气读完，这样比较过瘾！还等什么？现在就开始读吧！

推荐序3

————

李淼

生活在21世纪开端，有时我们并不知道这个时代有多特殊。但是，只要我回想起青年时代读到的关于天文和宇宙的科普书籍，就发现在短短的三十年中，人类在理解宇宙这件事上走了多么远。

我们现在可以讲述一个几乎完整的关于宇宙的故事，这个故事既宏大又迷人。宇宙开始于一场大爆炸，之后一些元素形成了，一些恒星和星系形成了。星系中不断有新的恒星形成，有超新星爆发，甚至有黑洞互相碰撞。这是一个既神奇又可以理解的宇宙，而我们这些生活在暗淡蓝点一般的地球上的人，看起来是宇宙中的一粒尘埃，却又是能够理解宇宙的一种生命。

我是一口气读完尼尔·德格拉斯·泰森这本精彩的关于宇宙的书的，它本身就是一个童话一般的故事。作者本人就是一位善于在视频中讲述科学故事的人，这一次，我相信你也会一口气读完这个故事。

自序

最近几年，几乎每个星期，都会有一个值得上新闻头条的宇宙新发现。尽管这有可能是媒体把关人对宇宙产生了兴趣，不过这些新闻数量的上升更可能来自公众科学兴趣的真正提升。相关的证据有很多，从受科学启发或包含科学内容的热门电视节目，到由大牌明星主演、著名电影公司和导演拍摄的科幻影片的成功。最近，以重要的科学家为主角的传记电影已经自成流派。科学节、科幻大会和科普纪录片也在世界各地广为流行。

在这类科幻影片中票房颇高的，是由一位著名导演拍摄的，发生在绕着遥远恒星运行的一颗行星上的故事，一位著名女演员扮演的天体生物学家在电影中占据了非常重要的角色。虽然在这个时代，大多数科学分支都有长足发展，但天体物理学一直是其中的翘楚。我想我知道原因：我们每一个人在某个时间都曾仰望夜空，都想知道：这一切意味着什么？它是如何运行的？我在宇宙中处于什么位置？

如果你实在太忙了，没空通过上课、读教科书或看纪录片来理解宇宙，可你仍在寻找对这个领域简短而有意义的介绍，那么我为你提供了这本《给忙碌者的天体物理学》。在这本小书里，你将对推动当代宇宙学的所有主要思想和发现获得基础而连贯的了解。如果我讲得还不错，你就会从人文意义上通晓我的专业领域，那时你可能会渴望进一步深入了解宇宙。

宇宙没有义务让你理解。

——

尼尔·德格拉斯·泰森

01　有史以来最伟大的故事

The Greatest Story Ever Told

世界已经存在很多年了，

它一旦被设定了合适的运动，

其他的一切都随之而来。

——

卢克莱修，古罗马哲学家，约公元前50年

起初，将近140亿年前，已知宇宙所有的空间、所有的物质、所有的能量，都包含在一个极小极小的尺度之内，比这句话末尾的句号的一万亿分之一还要小。

那时的温度是如此之高，自然界中描述这个宇宙的四种基础作用力还是统一的。虽然我们依然不知道它是如何出现的，但这个比针尖还要小的宇宙只能膨胀——急速膨胀。我们将其称为大爆炸。

爱因斯坦在1916年发表的广义相对论，为我们提供了关于引力的现代理解，即物质和能量的存在弯曲了围绕它们的空间和时间结构。在20世纪20年代，量子力学被发现，为我们提供了微观世界的现代观念：分子、原子和亚原子粒子。但是这两种对自然界的理解方式在形式上是彼此不相容的，这使得物理学家们开展了一场竞赛，要将微观理论与宏观理论融为一种内在一致的量子引力理论。虽然我们还没有达成目标，但我们知道最大的困难所在。其中之一是在早期宇宙的“普朗克时期”。那是大爆炸之后时间间隔从t＝0到t＝10-43秒（1秒的千亿亿亿亿亿分之一），并在宇宙尺度增长到10-35米（1米的千亿亿亿亿分之一）之前。这些难以想象的小尺度被命名为普朗克时间和普朗克长度，马克斯·普朗克（Max Planck）是德国科学家，他在1900年引入了量子化能量的概念，被誉为“量子力学之父”。

引力和量子力学之间的冲突对当代宇宙没有什么实际的影响。天体物理学家们把广义相对论和量子力学的原理和工具应用于不同种类的问题。但在宇宙开始的时候，也就是普朗克时期，极大也是极小，我们怀疑两者一定曾经有某种强制联姻。唉，然而我们对它们在那个仪式上交换的誓言一无所知，所以没有任何（已知的）物理定律能够描述宇宙在那个时期的行为。

尽管如此，我们预计在普朗克时期结束时，其他三种自然力仍然统一，引力逐渐分离出来，成为我们目前的理论可以很好地描述的独立作用力。随着时间达到10-35秒，宇宙继续膨胀，稀释了所有曾集中的能量，刚才还保持统一的作用力分裂成“弱电力”和“强核力”。后来弱电力分裂成电磁力和“弱核力”，从而使得我们已经能够认识到的四种作用力显露了出来：决定放射性衰变的弱核力，把原子核束缚起来的强核力，使得分子结合在一起的电磁力，把大团物质聚集在一起的引力。

-

从宇宙诞生开始，至此过去了万亿分之一秒。

-

在那段时间，以亚原子粒子的形式存在的物质，与以光子的形式存在的能量（光子既是粒子又是波）之间的相互作用持续不断。那时的宇宙温度足够高，这些光子会自发地把它们的能量转换为物质-反物质粒子对，紧接着又彼此湮灭，把能量重新转换为光子对。是的，反物质是真实的，我们已经发现了它，这并不是科幻作家的想象。这种能量和物质之间的转换完全遵守爱因斯坦最著名的质能方程：E=mc^2，它既可以用来算你的能量“值”多少物质，也能用来算你的物质“值”多少能量。方程里c^2是光速的平方，它是个巨大的数字，用它乘以质量，让我们知道在这个“运算”中我们可以获得多么巨大的能量。

在强核力和弱电力分道扬镳之前、之中、之后这段极短的时间里，宇宙变成了由夸克、轻子和它们的反物质兄弟——还有承担它们相互作用力的玻色子——共同组成的一大锅沸汤。这些粒子家族每一类都有好几个变种，但它们都被认为无法再分割成更小或更基本的粒子了。普通的光子是玻色子家族的一员。对于非物理学家来说最熟悉的轻子就是电子，可能还有中微子。至于最熟悉的夸克……好吧，没有你们熟悉的夸克。夸克一共有六种，每一种都被赋予了一个抽象的名称，这些名字不具有真正的语言学、哲学，或教育学的目的，只是为了区别彼此：上夸克和下夸克、奇异夸克和粲夸克、顶夸克和底夸克。

玻色子，顺便说一下，是根据印度科学家萨特延德拉·纳特·玻色而命名的。“轻子”这个词来源于希腊文leptos，意思是“轻”或“小”。然而“夸克”这个名字则有一个颇具文学色彩也更富想象力的起源。物理学家莫瑞·盖尔曼在1964年提出存在夸克，它们是中子和质子的内部成分，他当时认为夸克家族只有三名成员，所以从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》里一句含义出名模糊的句子“向麦克老人三呼夸克”（Three quarks for Muster Mark）借用了夸克（quark）这个词。这些夸克有一个共同的特征：它们的名字都特别简单——这似乎是当化学家、生物学家，特别是地质学家在给他们自己的研究对象命名时无法做到的事情。

夸克是古怪的野兽。它们跟质子和电子有个不同的性质，每个质子拥有+1电荷，电子拥有的电荷为-1，可是夸克具有的电荷为分数——只能是1/3或2/3。而且你永远不可能抓住一个单独的夸克，它总是跟附近的其他夸克抱成团。事实上，你把两个或更多个夸克分开的距离越远，把它们束缚在一起的力量也会随之增强——它们就像是被原子核内的某种橡皮筋拴在一起。夸克被分离得足够远时，橡皮筋断裂，原本储存的能量会“召唤”质能方程E=mc^2在橡皮筋两端各产生一个新的夸克，把你又带回到了起点。

在夸克-轻子时代，宇宙是足够致密的，不相连的夸克之间的平均距离，足以与相连夸克之间的距离相比。在这种情况下，相邻夸克之间无法建立明确的忠诚关系，它们在彼此之间自由地移动，尽管总的来说仍然彼此束缚在一起。这种好像夸克汤一样的物质状态，是2002年由纽约长岛布鲁克海文国家实验室的物理学家们发现的。

强有力的理论证据表明，在极早期宇宙中的一段时间，某种作用力分离之时，赋予了宇宙一种非同寻常的不对称性，其中物质粒子的数量略微超过反物质粒子：比例为十亿零一比十亿。即使那时有人的话，也不会注意到夸克和反夸克、电子和反电子（更常用的名字是正电子）、中微子和反中微子在连续创造、湮灭和再制造过程中产生的如此之小的数量差异。一个人有大把机会找一个“反物质人”彼此湮灭，其他的人也都是如此。

但不久之后就不一样了。随着宇宙的不断膨胀并且冷却，宇宙增长到大于我们的太阳系尺度时，温度已经迅速下降到1万亿开尔文[1]以下。

-

现在，百万分之一秒过去了。

-

在这个不温不火的时期，宇宙的温度和密度没有那么高了，不足以“煮”夸克汤了，所以它们都抓住了身边跳舞的伙伴，创造了一个永久性的重粒子新家族，称为强子（hadron，来自希腊文hadros，意思是“厚”）。这种从夸克到强子的转变很快形成了质子和中子，以及其他不为人所熟悉的重粒子，它们都是由各类夸克的彼此组合形成的。在瑞士（我们回到地球上来）欧洲核子研究组织（更广为人知的是其缩写CERN）用一台大型加速器使强子束发生碰撞，试图重新创造这些极端条件。这个世界上最大的机器便被顺理成章地叫作“大型强子对撞机”。

夸克-轻子汤里令人困扰的微小的“物质-反物质不对称性”如今传递到了强子中，但产生了非凡的后果。

随着宇宙继续冷却，可供自发产生基本粒子的能量在减少。在强子时代，环境中的光子因为没有足够的能量，不能再根据质能公式E=mc^2来制造夸克-反夸克对。不仅如此，从仍存在的正反物质湮灭中产生的光子，也由于宇宙的不断膨胀而在损失能量，降到了产生强子-反强子对所需的能量门槛之下。每10亿次的粒子湮灭（由此留下10亿个光子）才会有一个强子幸存。那些孤独的幸存者最终将笑到最后：它们是产生星系、恒星、行星和牵牛花的终极物质来源。

如果没有在物质和反物质之间十亿零一与十亿的不平衡，宇宙中的所有物质都将自我湮灭，留下一个由光子组成的宇宙，没有别的——永远是“要有光，就有光”的景象。

-

现在，一秒钟的时间已经过去了。

-

宇宙尺度已经增长到了几光年（1光年是光在1地球年里传播的距离，约10万亿千米），大约相当于从太阳到离它最近的恒星的距离。此时温度为10亿开尔文，仍然是非常之热——仍然能够“煮”电子以及与其对应的正电子，电子-正电子继续玩着跳出来又消失的游戏。但在不断膨胀、不断冷却的宇宙里，它们的日子（说真的，是秒数）已经在倒计时了。夸克的命运，强子的命运，也将成为电子的命运：最终只有十亿分之一幸存下来。其他的电子都和它们的反物质伙伴儿发生湮灭，融入了光子的海洋。

就在现在，每个质子对应一个电子已经被“冻结”成为现实。随着宇宙继续降温，降到1亿开尔文以下时，质子与质子当然还有中子发生融合形成原子核，孵化出一个婴儿宇宙，其中90%的原子核是氢，10%是氦，还有痕量的氘（重氢）、氚（超重氢）和锂。

-

从宇宙诞生开始，已经过去了两分钟。

-

接下来38万年里，我们的粒子汤里没有发生什么新鲜事。在这漫长的时光里，宇宙温度仍然足够高，高能电子可以自由地在光子之间漫游，就像来回击球一样不断地吸收和发射光子，发生相互作用。

但是，当宇宙温度低于3000开尔文（大约是太阳表面温度的一半）时，这种自由自在就戛然而止了，所有的自由电子都跟原子核发生了结合。它们的联姻留下了无处不在的可见光，不仅为那一刻天空中的所有物质留下了永远的印记，也宣告了原初宇宙粒子和原子的形成过程已经完成。

*******

在第一个10亿年里，宇宙继续膨胀并冷却，这时物质因为引力作用聚集成团，形成了我们所称的星系，数量近1000亿。每个星系都含有几千亿颗恒星，恒星核心发生着热核聚变。那些质量超过太阳数十倍的恒星，其核心具有足够高的压力和温度，从而制造了比氢要重的几十种元素，正是基于这些元素，才构成了行星，为生命勃发提供了场所。

如果这些元素停留在它们形成的地方，那它们将毫无用处。不过，大质量恒星会发生不可预料的大爆炸，把元素种类丰富的内核抛撒到整个星系，这种重元素丰度（数量密度）增加的过程，称为增丰。这样的增丰过程持续90亿年之后，在宇宙的一个平凡角落（室女超星系团的外围），一个平凡的星系（银河系）中，一块平凡的区域（猎户旋臂）上，一颗平凡的恒星（太阳）诞生了。

从其中形成太阳的气体云包含了足够多的重元素，凝聚生成了一系列相互绕转的天体，其中包括几颗岩石行星和气态行星、数以万计的小行星和数十亿颗彗星。在最初的几亿年里，在轨道上残留的横冲直撞的大量碎片被吸积到更大的天体上。这是以高速、高能撞击的形式发生的，从而熔化了岩石行星的表面，阻止了复杂分子的形成。

随着在太阳系中留下来的可吸积物质越来越少，行星表面开始冷却。我们称之为地球的这颗行星形成于太阳周围的“金发女孩区域”[2]，这里的海洋主要以液态形式存在。如果地球离太阳更近，海洋就会被蒸发掉；如果地球离得更远，海洋就会结冰。无论哪种情况，我们所知道的生命都不会诞生。

在富含化学物质的液态海洋中，通过一种尚未发现的机制，有机分子转变为可自我复制的生命。在这个原始汤中占主导地位的是简单的厌氧菌——在无氧环境中繁衍的生命，但会排泄出作为副产物的氧气。这些早期的单细胞生命体不知不觉地将地球上富含二氧化碳的大气层转化为富含氧气的环境，使需氧生物体能够出现并主宰海洋和陆地。相同的氧原子通常以氧气（O_2）的形式成对出现，也能在大气层高处形成臭氧（O_3）层，它就像盾牌一样吸收了阳光中大部分紫外光子，从而保护地球的表面不受其伤害——紫外线能破坏分子结构。我们把令人惊奇的生命多样性归功于地球，当然我们假设在宇宙其他地方也有丰富的碳，也有无数含碳的简单或复杂的分子。毫无疑问：碳基分子的复杂多样要远超其他元素组合出来的分子结构。

但生命是脆弱的。地球偶尔会与个头较大又任性的彗星和小行星相撞，这种事件在历史上很常见，足以毁掉我们的生态系统。仅仅6500万年前（距离我们的时间不到地球历史的2%），一颗百亿吨的小行星撞击了现在墨西哥的尤卡坦半岛，抹杀了超过70%的地球动植物种类——包括所有著名的超级恐龙。这次大灭绝使我们的哺乳动物祖先能够填补新的空缺，而不是继续充当霸王龙的开胃小菜。这些哺乳动物中一个脑袋很大的分支，我们称之为灵长类，其中一个属种（智人）拥有了足够的智慧来发明科学的方法和工具——去推断宇宙的起源和演化。

在这一切之前发生了什么？在开始之前发生了什么？

天体物理学家不知道。或者，我们最有创意的想法在实验科学看来几乎或者完全缺乏基础。一些宗教人士用一种带有正义色彩的断言作为回应，认为这一切必须有某种东西作为启动：一种比其他所有力量都要大的力量，一个一切问题的源头，一个原动力。当然，在这样的人士心目中，某种东西就是上帝。

但是，会不会宇宙是永恒的存在，只是它的状态我们尚未认识到呢——比如，它是一个不断诞生宇宙的多重宇宙？或者，如果宇宙仅仅是从一无所有中冒出来的呢？或者，如果我们所知道和热爱的一切都只是一个具有超级智慧的外星物种为了好玩而做的计算机模拟游戏呢？

这些哲学上有趣的想法通常满足不了任何人。然而，它们总能提醒我们：“不知道”才是科学家的自然心态。那些相信自己无所不知的人，既没有寻找更没有看过宇宙中已知和未知的界限。

我们所知道的是，我们可以毫不犹豫地断言的是，宇宙有一个开始。宇宙在继续演化。而且，是的，我们身体里的每一个原子都可以追溯到宇宙大爆炸，以及50多亿年前发生爆炸的大质量恒星里的核聚变。

我们是获得了生命的星尘，然后被宇宙赋予了发现自我的使命——而我们的旅程才刚刚开始。

02　在地如在天

On Earth as in the Heavens

在艾萨克·牛顿爵士写下万有引力定律之前，没有人曾根据任何理由推测出我们身边的物理定律和宇宙中其他地方的是一样的。地球上一直发生的是尘世之事，而天上发生的是天界之事。根据那时基督教的教义，上帝控制诸天，我们卑微凡人的思维无法触及它们。当牛顿提出所有运动都是可理解的、可预测的，从而突破这一哲学障碍时，一些神学家批评他没有留下什么事情给造物主做。牛顿已经想通了，果园里使成熟苹果落下的引力，也同样让被扔出的物体沿着曲线路径运动，还让月亮在轨道上围绕地球转动。牛顿的万有引力定律也同样引导行星、小行星和彗星绕太阳公转，使上千亿颗恒星在银河系内的轨道上转动。

不是别的，正是这种物理定律的普适性驱使着科学发现。引力只是一个开端。想象一下19世纪天文学家们用实验室里的棱镜去观察太阳光，看到棱镜将光束分解成光谱时的那种激动。光谱不仅是美丽的，而且含有发光对象的大量信息，包括其温度和成分。通过光谱里的亮线或暗线可以揭示物质元素的存在。让人们高兴和惊奇的是，太阳物质的化学特征和实验室物质的特征是一样的。棱镜不再是化学家的专用工具，它证明，虽然太阳的大小、质量、温度、位置和外观与地球并不相同，不过两者都含有同样的物质：氢、碳、氧、氮、钙、铁等。但比两者的共享成分清单更重要的是，科学家们认识到在太阳上形成这些光谱特征的物理学定律，跟在1.5亿千米之外的地球上起作用的定律是一样的。

这种普适性的概念被成功地逆向运用，而且成果丰硕。对太阳光谱的进一步分析揭示了太阳光谱中存在一种元素，其特征在地球上没有已知的对应物。作为来自太阳的新物质，它被赋予了一个从希腊文helios（太阳）拼出的名字，这就是氦（Helium），后来这种元素才在实验室里被发现。因此，氦成为元素周期表里第一个也是唯一在地球以外被发现的元素。

OK，物理定律在太阳系中有效，但它们在银河系中还有效吗？整个宇宙呢？穿越时空呢？一步一步地，物理定律接受了检验。附近的恒星被证明也由我们熟悉的物质构成。遥远的双星在相互绕转的轨道上，似乎也知道牛顿引力定律的一切。同理，两个星系组成的系统也是如此。

就像地质学家可以把沉积的地层作为地球历史事件的时间线，我们在太空中看到的距离越远，我们看到过去的时间就越长。宇宙中最遥远天体的光谱显示了与我们在近处空间和时间里看到的相同的化学特征。实际上，在过去重元素比较少——它们主要是在后来几代爆炸的恒星里制造出来的——但描述原子和分子是如何产生这些光谱特征的定律是原封不动的。特别是，有一个被称为“精细结构常数”的物理量——它控制着每个元素的基本光谱特征，必定是在数十亿年间保持不变的。

当然，并非宇宙中所有事物和现象在地球上都有对应物。你可能从来没有穿越过一团温度百万开尔文的发光等离子体，而且我敢打赌，你从来没有在街上迎面遇到过一个黑洞。重要的是描述它们的物理定律具有普适性。当光谱分析被第一次应用于恒星际星云发出的光时，再一次，在光谱当中发现的一个特征并没有在地球上找到对应物。当时元素周期表明显没有给这个新元素留下合适的位置。作为回应，天体物理学家们发明了（nebulium）这个名字占位，直到他们能够弄清楚到底发生了什么。事实证明，在太空中，气态星云是如此之稀薄，以至于原子在没有碰撞的情况下可以跑很远。在这些条件下，电子可以做到在地球实验室中原子内从未见过的一些事情。只是普通氧元素在星云环境里表现出的非同反响的特征而已，在地球实验室环境下通常是不可能发生的。

这一物理定律的普适性告诉我们，如果我们降落在另一个拥有繁荣文明的外星球上，它们将按照我们在地球这里发现和检验过的同样的定律运行——即使外星人怀有不同的社会和政治信仰。此外，如果你想和外星人交谈，你可以肯定他们不会说英语、法语，甚至中文。你也不知道跟他们握手——如果他们伸出的肢体确实是一只手——会被视为战争还是和平行为。你最大的希望是找到一种使用科学语言进行交流的方法。

这种尝试被用在了20世纪70年代的先驱者10号和11号、旅行者1号和2号上。这四艘航天器当时都带上了足够的能量（核动力电池），希望在巨行星引力弹弓效应的帮助下，最终彻底逃离太阳系。

先驱者号上带了一张蚀刻金盘，用科学象形图显示了我们太阳系的布局、我们在银河系的位置，以及氢原子的结构。旅行者号更进一步，还携带一张包含来自地球母亲的不同声音的金质唱片，包括人类心跳、鲸“歌”和来自世界各地的音乐精选，包括贝多芬和摇滚明星查克·贝里（Chuck Berry）的作品。虽然这种信息适合人类聆听，但现在还不清楚外星人的耳朵是否会知道他们在听什么——首先要假设他们有耳朵。我最喜欢的桥段是，在旅行者号发射后不久，在美国国家广播公司（NBC）的《星期六夜现场》滑稽短剧中，他们出示了发现宇宙飞船的外星人的回信，信纸上只写着“再多发点查克·莓果[3]”。

科学的繁荣不仅在于物理定律的普适性，也体现在物理常数的存在和持久性上。万有引力常量，经常被科学家亲切地称为“大G”（big G），它就为牛顿的引力方程提供了引力常量大小的测量值。这个量已经默默地接受了亿万年物转星移的检验。如果你做相关计算，你可以确定恒星发光和大G的关系非常紧密。换言之，如果大G在过去稍稍有所不同，那么太阳能量输出的变化就会比任何生物、气候或地质记录显示的变化要大得多。

这就是我们宇宙的统一性。

*******

在所有的常量中，光速是最著名的。不管你走得多快，你永远也不会超过一束光。为什么不行呢？从来没有任何实验曾显示任何形式的物体达到过光速。经过无数次检验的物理学定律预测并解释了这一事实。我知道这听起来显得很保守。过去一些最低级的科学断言低估了发明家和工程师的聪明才智，比如“我们永远不会飞起来”“飞行将永远不具有商业可行性”“我们永远无法分裂原子”“我们永远无法打破音障”“我们永远到不了月球”。但它们的共同点是，没有既定的物理定律支持这些说法。

“我们永远不会超越一束光”这一说法是一个性质完全不同的预测。它遵循了基本的、经过时间考验的物理原则。未来的星际旅行者将有理由读到这样的路标：

光速：

这不只是一个好主意，

更是定律。

不同于在地球上被抓住违法超速才会被开罚单，物理定律相比于法律的好处是，它们不需要执法机构来维护，因为你根本无法违反它，虽然我曾经有一件极客范儿T恤衫上写着“服从引力”（OBEY GRAVITY）。

所有的测量都表明已知的基本常数以及引用它们的物理定律，既不依赖时间，也不依赖位置。它们是真正的恒定和统一的。

*******

许多自然现象表现为多种物理定律在起作用。这一事实常常使分析复杂化，在大多数情况下，需要高性能的计算机来算出正在发生什么，并跟踪重要参数。当舒梅克-利维9号彗星在1994年7月高速冲进木星浓厚的大气层然后爆炸时，对这场爆炸制作的最精确的计算机模型结合了各种物理定律：流体力学、热力学、运动学和万有引力定律。气候和天气代表了另一方面的例子——复杂（和极难预言的）现象。但是约束它们的基本定律仍然在起作用。木星大红斑是已经肆虐了至少350年的强气旋，驱动它的是与地球上和太阳系其他地方产生风暴的相同的物理过程。

另一类普遍真理是守恒定律，其中某些测量量在任何情况下都保持不变。最重要的三个是质量和能量的守恒、线性动量和角动量的守恒，以及电荷的守恒。这些定律的证据既存在于地球上，也存在于我们已经想到和看到的任何地方——从粒子物理微观领域到宇宙大尺度结构这样的宇观结构。

尽管有这么多引以为傲的成果，但我们对宇宙的了解也不是完美无缺的。我们无法看到、触摸或感受到我们在宇宙中测量到的85%的引力来源。神秘的暗物质，除了它对我们可见物质的引力，仍未被真正探测到，它可能是由我们尚未发现或识别的奇异粒子组成。然而，少数天体物理学家并不同意，而且认为并不存在暗物质——你只需要修改牛顿万有引力定律，他们认为简单地在方程中加入一些成分，一切都会解决的。

也许有一天我们会知道，牛顿的万有引力定律确实需要调整。那没关系，这事儿已经发生过一次了。爱因斯坦在1916年发表的广义相对论在某种方式上扩展了牛顿的引力定律，从而使之也适用于极大质量的物体。牛顿本人的万有引力定律在这个扩展后的领域中失效了，这是他当时所不知道的领域。我们由此得到的教训是，我们对定律的信心，取决于测试和验证条件的范围。适用的范围越广，定律在描述宇宙时就越有说服力和解释力。对于日常所见的一般引力条件，牛顿定律是很有效的。它在1969年把我们带到月球上，并安全地返回地球。对于黑洞和宇宙大尺度结构，我们需要广义相对论。如果你把低质量和低速度代入爱因斯坦的方程式，它们实际上（或者更确切地说是在数学上）又变成了牛顿方程——在我们对已有定律的持续理解中，我们对物理定律普适性的信心又进一步增强了。

*******

对科学家来说，物理定律的普适性使宇宙成为一个出奇简单的所在。相比之下，人性——心理的领域——是无限而不可捉摸的。在美国，地方学校的董事会就在课堂上讲授的科目进行投票。在某些情况下，选票是根据文化、政治或宗教潮流的一时冲动而投下的。在世界各地，不同的信仰体系会导致政治上的差异，而这些分歧并非总能和平解决。物理定律的力量和美在于它们无处不在，无论你是否选择相信它们。

换句话说，除了物理定律之外，其他的都只是个人观点。

不是科学家们不争论。我们也争论，有很多争论。但当我们这样做时，我们通常表达的是一些最前沿的观点，这些观点通常涉及对不充分数据的解读。无论何时何地，只要讨论中能够援引物理定律，那么这时的辩论保证是简短的：不对，你关于永动机的想法永远无效，它违反了久经考验的热力学定律；不行，你无法建造时间机器让你回到你出生之前杀死你的母亲，这违反因果律；如果不违反动量定律，无论是否坐在莲花台上，你都不能无缘无故地悬浮在地面之上[4]。

在某些情况下，关于物理定律的知识可以让你有信心面对粗暴无礼的人。几年前，我在加州帕萨迪纳（加州理工学院所在地）一家甜品店要了一杯热可可，当然是加掼奶油的。当可可送到餐桌上来时，我却看不到奶油的痕迹。当我告诉服务员我的可可没加奶油时，他一口咬定我看不到是因为奶油沉到了杯底。但是，掼奶油的密度很低，会漂浮在人们喝的所有饮料之上。所以我给侍者两个可能的解释：要么有人忘了给我的热可可加掼奶油，要么是在他的餐馆里有另外一套物理学普适定律。他不服气，挑衅地拿来了一块掼奶油，以证明他的断言。结果奶油上下摇晃了几下，就上升到可可上面，稳稳地漂浮着。

你还需要什么更好的证据来证明物理定律的普适性吗？

03　要有光

Let There Be Light

大爆炸之后，宇宙的主要议程是膨胀，原本在空间中集聚的能量被不断稀释。随着时间的推移，宇宙变得越来越大、温度越来越低、亮度越来越暗。此时物质和能量以一种不透明汤的形式共存，其中电子不断与无处不在的光子发生散射。

38万年里，事情一直这样进行着。

在这个宇宙早期时代，光子运动不了多远就会撞到电子。在那时候，如果你的任务是看到广袤的宇宙，你根本就看不到。你会发现任何光子都在碰到你1纳秒或1皮秒之前就被电子撞飞了[5]。因为携带信息的光子到达你的眼睛之前走过的最大距离极其之短，你往任何方向看去，整个宇宙都只是一团不透明的浓雾。太阳和其他恒星内部也是如此。

随着温度的下降，粒子的移动速度越来越慢。就在那时，当宇宙的温度第一次降到炽热的3000开尔文以下时，电子的速度就会减慢，刚好可以被路过的质子捕获，从而将完整的原子带入这个世界。这使以前被骚扰的光子获得自由，得以在没有间断的路径上穿越宇宙。

这个“宇宙背景”是热烈耀眼的早期宇宙残余光的化身，而宇宙背景的温度，可以从主要的光子在哪一个光谱波段推断出来。随着宇宙继续冷却，在光谱的可见光部分的光子，因为宇宙不断膨胀而逐渐失去能量，变成了红外光子。虽然那些可见光光子变得越来越弱，但仍然以光子的形式存在。

在光谱中，红外光之下是什么波段呢？从光子获得自由以来到现在，宇宙尺度已经膨胀了1000倍，因此，宇宙背景也相应地冷却到当时温度的1/1000。所有可见光光子已经降至那个时代能量的1/1000。它们现在是微波，因此我们现在给它取了一个名号叫作“宇宙微波背景”（cosmic microwave background，简写为CMB）。它将在微波波段保持500亿年，那之后的天体物理学家们将会叫它为“宇宙射电波背景”（cosmic radiowave background）。

当物体被加热时，它会在光谱的所有波段都辐射光，但这种辐射总会在某个特定能段处产生峰值。对于仍然使用发光金属丝的家用电灯，灯泡发光的峰值在红外线波段。人眼并不能看见红外线，而只有感受到落在皮肤上的热量时，我们的感官才能觉察到它。所以，这份最大的能量辐射恰恰是白炽灯泡作为可见光光源的低效之处。先进照明技术带来的LED革命创造了纯净的可见光，而不在看不见的波段部分浪费电力。这就是为什么你可以在灯泡包装上看到似乎疯狂的句子“7瓦LED相当于60瓦白炽灯”。

作为曾经发光极亮东西的残余物，CMB的光谱形状符合我们对正在冷却的发光体的预期：尽管它的峰值在光谱某个波段，但在光谱其他部分仍有辐射。在这种情况下，除了峰值处的微波，CMB也发射一些射电波和越来越少的微量高能光子。

在20世纪中期，宇宙学这个分支还没有多少数据。在数据稀少的地方，充满智慧和希望的相互竞争的理念就会蓬勃发展。20世纪40年代，俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）和同事们预测了CMB的存在。这些想法的基础来自比利时物理学家兼牧师乔治·勒梅特（Georges Lemaître）在1927年的工作，他被公认为“大爆炸宇宙学理论之父”。但正是美国物理学家拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）在1948年首次估计了宇宙背景温度应该是多少。他们的计算基于三个基础：（1）爱因斯坦在1916年发表的广义相对论；（2）埃德温·哈勃在1929年发现的宇宙膨胀；（3）此前在实验室里以及在“二战”期间制造原子弹的曼哈顿计划发展出来的原子物理学。

赫尔曼和阿尔弗当时计算和提出的宇宙温度为5K。嗯，现在看来这明显是错误的。这些微波的精确测量温度是2.725K，有时写为2.7K，如果你不乐意写小数，把宇宙的温度四舍五入写成3K也可以。

让我们暂停片刻。赫尔曼和阿尔弗把从实验室里刚刚得到的原子物理学，应用于早期宇宙中的假想环境当中。由此，他们向后推演数十亿年，计算出宇宙今天应该是什么温度。他们的预测与正确答案相差很小，这是人类洞察力的惊人胜利——他们原本的计算结果可能会误差十倍百倍，甚至预测到根本不存在的东西。在评论这一壮举时，美国天体物理学家J.理查德·戈特（J. Richard Gott）指出：“预测宇宙背景的存在，然后得到的温度误差在两倍以内，就像预测一个直径15米的飞碟将降落在白宫草坪上，实际是来了一个8米的。”

*******

第一次对宇宙微波背景的直接探测是在1964年，由贝尔电话实验室研究部门的美国物理学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）无意中进行的。在20世纪60年代，每个人都知道微波，但几乎没有人拥有探测它们的技术。贝尔实验室是通信行业的先驱，它为这个目的研制了一种结实的喇叭形天线。

但首先，如果你要发送或接收信号，你不希望有太多的干扰源。彭齐亚斯和威尔逊试图测量干扰他们接收机的背景微波，从而利用这个光谱波段进行干净无噪声的通信。他们不是宇宙学家。他们是建造微波接收机的技术奇才，他们也不知道伽莫夫、赫尔曼和阿尔弗的预测。

彭齐亚斯和威尔逊显然不是在寻找宇宙微波背景，他们只是试图为美国电话电报公司打开一个新的通信渠道。

彭齐亚斯和威尔逊进行了实验，并从他们的数据中减去所有他们可以识别的、来自地球和宇宙的已知干扰源，但其中一部分信号总是存在，而他们就是找不到消除它的方法。最后，他们检查了喇叭形天线的内部，看到有鸽子在那里筑巢。

因此，他们担心“一种白色的介电物质”（鸽子粪便）可能是与此信号有关，因为无论探测器指向何方，他们总能检测到它。在清洗了“介电物质”后，干扰略有下降，但残留的信号仍然存在。他们在1965年发表的论文就是关于这种无法解释的“多余的天线温度”。

与此同时，由罗伯特·狄克（Robert Dicke）率领的普林斯顿大学一组物理学家正在建造专门用于寻找CMB的探测器。但是他们没有贝尔实验室的资源，所以他们的工作慢了点。当狄克和他同事们听说彭齐亚斯和威尔逊的工作时，普林斯顿团队完全了解他们观察到的多余的天线温度是什么。一切都吻合，特别是温度本身，以及信号来自天空的各个方向。

1978年，彭齐亚斯和威尔逊因为他们的发现获得了诺贝尔奖。2006年，美国天体物理学家约翰·C. 马瑟（John C. Mather）和乔治·F. 斯穆特（George F. Smoot）又因为在更宽的光谱范围之上观测到了CMB，把宇宙学从聪明的、不成熟且尚未经受检验的想法，带入到精确的实验科学范畴而分享了诺贝尔奖。

*******

因为光从宇宙遥远的地方到达我们这里需要时间，如果我们向太空深处眺望，实际上是在从时间上往回看。因此，如果我们的目光能够看到很远很远某个星系的智慧生物正在测量宇宙背景辐射的温度，那么他们得到的读数应该远高于2.7K，因为他们是生活在一个更年轻、更小，也比我们更热的宇宙。

实际上，你可以实测来检验这个假设。分子氰（一种碳氮化合物，分子式为CN，曾经用作处决杀人犯的毒气）暴露在微波下会被激发。如果过去微波比我们现在的CMB更热，它们就会使这种分子激发到更高能量。在大爆炸模型中，遥远的年轻星系中的氰，与我们银河系里的相比，沐浴在更温暖的宇宙背景中。这正是我们所观察到的。

这种情况是编造不出来的。

为什么这些事情如此有趣？宇宙直到大爆炸后38万年都是不透明的，所以即使你一直坐在前排中央座位上，你也不可能看到物质的形成。你不可能看到星系团和宇宙巨洞从哪里开始形成。只有当作为信息载体的光子开始能够在整个宇宙中畅通无阻地旅行，我们才能够看见宇宙发生的某些事情。

每个光子跨越宇宙之旅开始的地方，是撞击到曾经阻碍它的最后一个电子之处——这被称为“最后散射点”。随着越来越多的光子逃离碰撞，它们形成了一个不断膨胀的“最后散射面”，深度约12万光年。这个面也是宇宙中所有原子诞生之处：电子与原子核结合，释放出的能量以光子的形式奔向浩渺的红色远方。

此时，宇宙中的一些区域已经开始通过它们的引力相互吸引，聚集成团。与其他那些尚未开始聚集的区域相比，光子通过与这些区域中的电子最后散射，从而使得区域温度相对略低。在物质积聚的地方，引力增强，使得越来越多的物质聚集起来。这些区域成为形成未来超星系团的种子，而其他区域则相对较空。

当你详细地绘制宇宙微波背景时，你会发现它不是完全平滑的。与平均值相比，有些斑点略热，有些斑点则稍冷。通过研究CMB温度各处的差异——也就是说，通过研究最后散射面中的模式——我们可以推断出在早期宇宙中物质的结构和成分。为了弄清星系、星系团和超星系团是如何产生的，CMB是我们最好的探针，它是信息丰富的时间胶囊，使天体物理学家能够反过来重建宇宙的历史。研究它的模式某种程度上就像在做宇宙“颅相学”，因为我们现在就在分析婴儿宇宙的头骨上的“凸起”。

当受到其他各种观测资料的限制时，CMB能够使你解码宇宙各种基本性质的信息。比较冷热区域的大小和温度分布，你可以推断出当时的引力强弱，以及物质积累的速度有多快，同时让你推断出宇宙中存在多少普通物质、暗物质和暗能量。从这里，就可以直接判断宇宙是否会永远膨胀。

*******

普通物质就是构成我们自身的物质。它有引力，能与光相互作用。暗物质是一种神秘物质，它具有引力，但不以任何已知方式与光发生相互作用。暗能量是在宇宙真空中存在的神秘压力，它的作用方向与引力相反，迫使宇宙膨胀速度比没有它时变得更快。

宇宙“颅相学”检验让我们知道宇宙是如何演化的，但宇宙大部分是由那些我们一无所知的东西组成的。尽管今天我们还有大量的未知领域，但跟以往不同的是，宇宙学还是有可靠的科学依据的，因为CMB揭示了宇宙早期曾经走过的那扇门。在那个时间点上发生了有趣的物理过程，我们已经了解了在光子获得自由之前和之后的宇宙状况。

宇宙微波背景这个简单的发现，使宇宙学超越了神话猜想。而且正是对宇宙微波背景准确而详细的测量使宇宙学变成了现代科学。宇宙学家们相当自负，如果你的工作是推断“是什么让宇宙得以存在”，你怎么会不自负呢？但如果没有数据，他们的解释只是假设。现在，每一次新的观察，每一点数据，都挥舞着一把双刃剑：它使宇宙学得以在享有其他科学成果的基础之上蓬勃发展，但它也会筛选在数据缺乏时期提出来的学说，指出哪些是对的，哪些是错的。

任何学科只有经历了这个过程，才会发展成熟。

04　在星系之间

Between the Galaxies

在宇宙组成的宏大统计中，星系显然是被计算在内的。最新的估计表明，可观测宇宙中可能包含1000亿个星系。明亮美丽，密布繁星，星系装饰着黑暗的虚空，如夜间广袤国土上的城市。但太空的空究竟有多空？（城市之间的乡野有多空旷？）仅仅因为星系光彩夺目，就让我们相信其他的东西都不重要吗？不然。宇宙星系之间仍然可能隐藏着难以探测的东西。也许那些东西比星系本身更有趣，或者对宇宙演化来说比星系更为重要。

我们自己的旋涡星系——银河系，在地球上抬眼望去，形状就像泼洒在夜空中的牛奶。事实上，银河系（galaxy）这个词便来源于希腊文“奶水状的”（galaxias）。离我们最近的一对星系邻居（有60万光年远），形状都是既小又不规则。费迪南德·麦哲伦在1519年那次著名的环球航行的船长日志里记录下了这两个天体。为了纪念这位探险家，我们称它们为大、小麦哲伦星云，它们主要是在南半球可看见，就像是繁星密布的天空上的一对云斑。比我们银河系要大的最近的星系位于200万光年之外，比构成仙女座的那些恒星距离要更远。这个旋涡星系在历史上被称为仙女大星云，在某种程度上说是银河系的一个更大、更明亮的孪生兄弟。请注意，以上每个星系的英文名称，最初都没有指出其中存在恒星：银河、麦哲伦星云、仙女大星云。这三个名字都来自望远镜发明之前，那时我们还未能分辨出来它们是由恒星组成的。

*******

如第9章我们将要详述的，如果不是受益于那些在多个光谱波段运行的望远镜，我们可能仍然会宣称星系之间的太空里空无一物。在现代探测器和现代理论的帮助下，我们探索了我们的宇宙乡村，揭示了各种难以捉摸的东西：矮星系、速逃星（迅速离开恒星诞生区的年轻恒星）、即将爆炸的速逃星、温度高达百万开尔文发射X射线的气体、暗物质、微弱的蓝色星系、无处不在的气体云、超高能带电粒子，以及神秘的量子真空能。有了这样一个列表，人们可以说，宇宙中所有的乐趣都发生在星系之间，而不是它们的内部。

在所有曾被可靠地调查过的空间区域里，矮星系的数量要比大星系多得多，比例超过10比1。在20世纪80年代初，我写的第一篇关于宇宙的文章名为《银河系和七个小矮人》，指的是银河系附近矮小的家庭成员。从那时起，本地矮星系的总数已经从七个增加到了几十个。虽然正统的星系含有数千亿颗恒星，但矮星系里恒星数量少到只有100万，也就是说它们被探测到的难度要大十万倍。这也就难怪它们仍然陆续在我们的眼皮底下被不断发现。

不再产生恒星的矮星系图像看起来像是烦人的微小污迹。那些仍在形成恒星的矮星系都是不规则形状的，坦率地说，看起来很对不起观众。矮星系有三个特点让你很难注意到它们：它们很小，所以当壮观的旋涡星系争夺你的注意力时，它们很容易被忽略；它们很暗，因此在许多星系巡天中由于在预期光度水平之下而被忽略；它们内部的恒星密度很低，所以与地球夜间大气层和其他周围的发光源相比，它们对比度很差。这一切都是真的。但是，由于矮星系的数量远超过“正常”星系，也许我们关于“正常”的定义需要修正。

你会发现大多数（已知的）矮星系游荡在更大的星系附近，就像卫星一样绕着大星系转。两个麦哲伦星云是银河系的矮星系家族的一部分。但卫星星系的命运可能是相当危险的。大多数计算机模型显示，它们的轨道会逐渐衰减，最终导致不幸的矮星系被撕裂，然后被主星系吃掉。在过去的十亿年中，银河系至少参与了一次这类“同类相食”行为，当它吃下了那个矮星系的时候，被消解的残骸可以被看成是在轨道上绕银河系中心旋转的一股恒星流，即位于人马座远方的群星。该系统被称为人马矮星系，但可能更应该称之为银河系的一顿“午餐”。

在星系团的高密度环境中，两个或两个以上的大星系经常发生碰撞，留下的是一场大混乱：旋涡结构被扭曲到无法识别，由于气体云的猛烈碰撞而新爆发出许多恒星形成区，还有刚刚逃离了两个星系引力的成千上万的星星四处散落。一些恒星重新组合成可以称为矮星系的斑点。其他恒星仍在漂流。大约10%的大星系都显示存在与另一大星系的引力碰撞的证据——在星系团中这一比例可能会高出5倍。

有这么多的混乱，有多少星系残骸渗入了星系际空间，特别是在星系团之内？没有人确切知道。测量是非常困难的，因为孤立的恒星太暗无法单独探测到。我们必须依靠探测所有恒星的星光联合形成的微光才能发现它们。事实上，对星系团的观测发现了存在于星系之间的这类光晕，这表明在那些星系之间可能有许多无家可归的流浪恒星，而且可能与星系本身的恒星数量一样多。

为这项讨论增添新料的是，我们发现了（并不是刻意寻找的）有超过一打超新星爆炸是远离我们曾推测的“宿主”星系的。在普通星系中，对于每颗以这种方式爆炸的恒星来说，都相应有10万到100万颗恒星不是如此表现的，所以孤立的超新星可能暴露了一大类尚未被发现的恒星。超新星是把自己炸成碎片的恒星，在这个过程中，它们的光度暂时（超过几周时间里）会增加10亿倍，使它们在整个宇宙中都可见。虽然十几个无家可归的超新星是一个相对较小的数字，但可能尚待发现的还有很多，因为大多数超新星搜索系统监测的是已知星系，而不是太空里的空旷之地。

*******

对于星系团来说，包含的内容还不止它们的成员星系和那些任性的流浪恒星。灵敏的X射线望远镜的测量结果显示，星系团之内的空间充满了温度高达数千万开尔文的气体。这种气体是如此炽热，以至于它们发出了强烈的X射线。富含气体的星系在运动中通过这种介质之后，自身拥有的气体被剥离，迫使它们丧失产生新恒星的能力。这可以解释X射线望远镜的观测结果。但是当你计算这种被加热的气体呈现的总质量时，它超过了大多数星系团中全部星系质量总和的十倍之多。更糟糕的是，星系团里暗物质泛滥成灾，暗物质的质量碰巧又比星系团自身的其他一切质量大十倍！换言之，如果望远镜观测到的是质量而不是光，那么我们所珍视的团内星系就会表现为在巨大的引力球中微不足道的亮点。

在太空其他地方，在星系团之外，有一大类星系在很久以前就兴旺了。正如之前指出的，观看宇宙类似于地质学家查看纵深的沉积地层，展现在视野中的是岩石形成历史。宇宙中的距离是如此之大，以至于光到达我们经历的时间可以是几百万甚至数十亿年。当宇宙是它的当前年龄的一半时，一类非常蓝且非常暗淡的中等尺度星系繁荣起来。我们能看到它们。它们的光从很久以前传来，代表了非常非常遥远的星系。它们的蓝色光辉来自刚形成的大质量、高温度、高亮度、短寿命的恒星。那些星系之所以暗淡微弱，不仅因为它们距离遥远，而且因为它们内部明亮恒星的密度很稀薄。就像曾经存在又消失的恐龙，留下了鸟类作为它们仅有的现代后裔，那些微弱的蓝色星系已经不复存在，但据推测在今天的宇宙中仍有类似的天体。它们的那些恒星都燃烧完了吗？它们是否已成为散落在整个宇宙中的无形尸体？它们演化成了我们今天熟悉的矮星系了吗？还是它们都被更大的星系吃掉了？我们不知道。但它们在宇宙历史的时间线上的位置是确定的。

既然大星系之间还有这么多东西，我们就会想，其中一些肯定会挡住我们看向宇宙更远处的视线。这是一个关于宇宙中最遥远天体的问题，比如类星体。类星体是超级明亮的星系核，它的光在到达我们的望远镜之前一般已经在太空中穿行了数十亿年。作为非常遥远的光源，它们是探测类星体与我们之间是否存在中间天体的理想实验品。

果然，当你把类星体的光分解成它的成分颜色，揭示出光谱，就会发现，这里面充满了星系际气体云存在的证据。每一个已知的类星体，无论它在天空的什么位置被发现，都显示了散落在漫长时空里的几十个孤立氢云的特征。这种独特的星系际天体类型是在20世纪80年代首次被确认的，并且至今仍是天体物理学研究的活跃领域。它们从哪里来？它们包含多少质量？

已知的每个类星体都揭示了这些氢云的特征，所以我们得出结论，氢云在宇宙中无处不在。而且，正如所料，类星体越远，光谱中就会出现更多的氢云。一些探测到的氢云（少于百分之一）只是我们的视线经过的普通旋涡星系或不规则星系中所含的气体。当然，你会料到至少有一些类星体会位于那些太遥远而无法探测到的普通星系的后面，但其余的吸收体明确无误地是又一类宇宙天体。

同时，类星体的光通常经过的太空区域也包含巨大的引力源，会对类星体的形象造成灾难性破坏。这些引力源往往很难被发现，因为它们可能是普通物质组成的，只是太暗也太遥远了，不过它们也可能是暗物质区域，比如位于星系团中心和周围的那些。无论是哪种情况，哪里有质量，哪里就有引力。根据爱因斯坦的广义相对论，有引力的地方就有弯曲的空间。空间弯曲的地方，就类似玻璃透镜，会改变穿过其中的光的路径。事实上，遥远的类星体或整个星系都能够被那些碰巧位于地球望远镜视线上的天体形成“透镜效应”。根据那些“透镜”本身的质量和视线方向上的几何形状不同，透镜效应可以放大、扭曲，甚至将背景光源分成多个图像，就像玩哈哈镜一样。

宇宙中（已知）最遥远的天体之一不是类星体，而是一个普通的星系，它微弱的光被相关的引力透镜显著地放大了。我们今后可能需要依靠这些“星系际望远镜”来观测普通望远镜无法触及的地方，从而发现宇宙中更加遥远的天体。

*******

星系际空间虽然是很吸引人的所在，但是如果你选择去那里，那对你的健康而言是非常危险的。让我们忽略因为你温暖的身体试图与3K的宇宙温度达到平衡而把你冻死的事实，让我们忽略由于缺乏大气压力会导致你窒息、血细胞爆裂的事实。这些都是很普通的危险。从非寻常角度来说，星系际空间经常被超级高能、超高速的带电亚原子粒子穿透。我们称它们为宇宙射线。其中最高能粒子携带的能量是世界上最大的粒子加速器所能产生能量的1亿倍。它们的起源仍然是一个谜，但这些带电粒子的大部分是质子，即氢的原子核，并以99.9999999999999999999%的光速移动。值得注意的是，这些亚原子粒子单个个体携带的能量就足够从球场中任何地方把高尔夫球打进洞中。

也许，星系之间（也包括之中）的真空里最奇异的事情是，它是虚粒子的沸腾海洋——无法探测的物质和反物质对突然出现又消失。这一奇特的量子物理学预言被称为“真空能量”，它表现为向外的压力，作用与引力相反，在完全没有物质的情况下也依然蓬勃发展。正在加速的宇宙（暗能量能力的展现），可能就是被这种真空能量驱动的。

是的，星系际空间是，并且将永远是个热闹的所在。

05　暗物质

Dark Matter

引力是我们最熟悉的自然力，它同时为我们提供了自然界中最容易理解的和最难以理解的现象。它让千年以来最聪明也最有影响力的人艾萨克·牛顿认识到，引力神秘的“超距作用”产生于每一点物质的自然效应，这种任何两个物体之间的吸引力可以用一个简单的代数方程来描述。20世纪最杰出、最有影响力的人爱因斯坦认识到，并且证明，我们可以把描述引力的“超距作用”更准确地描述为：由物质和能量任意组合所产生的时空结构中的弯曲。

爱因斯坦证明牛顿的理论需要一些修改才能准确地描述引力——例如，当光线经过一个巨大的天体时会产生多大的弯曲。虽然爱因斯坦的方程比牛顿的更为精致，不过它们都很好地容纳了我们所认识和热爱的日常物质，也就是我们可以看到、触摸、感受、嗅闻，并且偶尔品尝的那些物质。

我们不知道这个天才序列里的下一个是谁，但将近一个世纪之后，我们如今在等某人来告诉我们，为什么我们在宇宙中测量到的大部分引力（大约85%），产生于并不与“我们的”物质或能量发生相互作用的物质或能量。也有可能，那些多余的引力根本不是来自物质和能量，而是表现为其他某种概念性的东西。无论是何种情况，我们基本上都是一无所知。我们发现，关于这个“失踪的质量”问题，比起1937年它第一次被美国籍瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）全面分析时，我们今天并没有更接近答案。兹威基在加州理工学院任教超过40年，他这个人能用丰富多彩的表达方式把他对宇宙深刻的洞察表现出来，不过同时，他与同事交恶的能力也令人印象深刻。

兹威基研究了一个庞大星系团中那些单个星系的运动，这个星系团要比我们银河系本地的恒星远得多，位于后发座方向（这个星座的意思是古埃及“伯伦尼斯王后的头发”）。我们称之为后发星系团，它是一个成员极多的孤立的星系集合体，离地球大约3亿光年。它的上千个星系环绕着星系团的中心运行，就像蜜蜂簇拥着蜂巢一样在各个方向运动。利用几十个星系的运动作为将整个星系团结合起来的引力场的示踪物，兹威基发现其中星系的平均速度大得惊人。由于更大的引力会导致被它们吸引的物体具有更高的速度，兹威基推断出后发星系团具有巨大的质量。作为对该估计真实性的检查，你可以把所看到的每个成员星系的质量加起来。即使后发星系团位居宇宙中最大规模的星系团之列，它也没有足够多的可见星系来解释兹威基观察和测量到的巨大速度。

这情况有多糟？我们已知的万有引力定律让我们失望了吗？当然，它在太阳系中肯定有效。牛顿已经证明，你可以推导出，跟太阳在某个距离上保持稳定轨道的行星，必须具有一个特定的速度，否则它就会落向太阳或者上升到更远的轨道上。计算表明，如果我们把地球当前的轨道速度增加（1.4142……）倍，我们这个行星就达到了“逃逸速度”，就会彻底离开太阳系。我们可以将同样的推理应用于更大的系统，比如我们的银河系，作为对来自所有其他恒星引力的反应，星系里的恒星各自在其轨道上运动；或者在星系团中，每个星系同样感受到其他星系的引力。在这种精神感召下，爱因斯坦在他写满公式的笔记本的一页上，写了一首赞颂艾萨克·牛顿的押韵诗（在德语中韵律感更强）：

仰望星辰探真理，

大师思想传我辈。

繁星点点默无言，

但循牛顿理论行。

（Look unto the stars to teach us

How the master’s thoughts can reach us

Each one follows Newton’s math

Silently along its path）

当我们依此检验后发星系团时，正如兹威基在20世纪30年代所做的那样，我们发现它的成员星系运动速度比星系团的逃逸速度更快。这个星系团早就应该迅速分解了，几百万年之后，它那密如蜂巢的结构就不会留下一丝痕迹。但是这个星系团已经有100多亿年的历史了，几乎和宇宙本身一样古老。如此一来，就诞生了天体物理学中至今最长久的未解之谜。

*******

在兹威基完成这项工作之后的几十年里，其他星系团里也发现了同样的问题，所以后发星系团不能被认为是个例。那么我们应该责备什么或怪罪谁呢？牛顿？我不会的，起码现在不会。现在他的理论已经被检验250年了，而且通过了所有的测试。爱因斯坦？不会。星系团的引力虽然难对付，但仍然不够强，不需要动用广义相对论的大锤，而且当兹威基做研究时，广义相对论才发表了20年。可能束缚后发星系团所需的“失踪的质量”确实存在，只是以某种未知的、不可见的形式存在。今天，我们已经给它取了“暗物质”这一名号，这个名字没有断言任何东西是缺失的，但仍然暗示必然存在某种新型物质，尚待被发现。

当天体物理学家们已经开始接受星系团中神秘的暗物质之时，它又一次抬起了它隐形的脑袋。1976年，如今已辞世的薇拉·鲁宾（Vera Rubin）当时是华盛顿卡内基研究所的天体物理学家，她在旋涡星系中发现了类似的质量异常。在研究恒星环绕星系中心的速度时，鲁宾首先发现的是符合她所期望的东西：在每个星系的可见盘中，离中心较远的恒星比离中心较近的恒星的速度要快。对于较远的恒星，在它们自身与星系中心之间有更多物质（恒星和气体），使它们具有更快的轨道速度。然而，在星系的发光盘之外，人们仍然可以找到一些孤立的气体云和明亮的恒星。利用这些天体作为星系最明亮区域之外的引力场的示踪物，在可见物质不再增加的那些区域，鲁宾发现它们的轨道速度本应该随着距离的增加而下降的，但实际上仍然很快。

这些太空区域——每个星系的偏远地区——大部分是空无一物，这些地方含有太少的可见物质，无法解释示踪体异常的高轨道速度。鲁宾正确地推断，在每个旋涡星系远远超出可见边缘的那些遥远区域，必须存在某种形式的暗物质。多亏鲁宾的工作，我们现在称这些神秘地带为“暗物质晕”。

这个晕的问题就存在于我们的眼皮底下，就在银河系中。从星系到星系，从星系团到星系团，天体可见物部分的质量估算值与同一天体整体引力范围内的质量估算值之间的差异，从几倍到几百倍不等。在整个宇宙中，这一差异的平均值为6倍，即宇宙里暗物质的引力大约是所有可见物质总引力的6倍。

进一步的研究表明，暗物质不可能是由发光较少或不发光的普通物质组成。这一结论取决于两条推理。首先，我们可以用近乎肯定的方法消除所有看似熟悉的候选者，就像警察让嫌疑犯列队接受辨认一样。暗物质能在黑洞中存在吗？不，我们认为我们会从黑洞对附近恒星的引力效应中发现那些黑洞。可能是黑色星云吗？不，它们会吸收星光，或以其他方式与来自它们身后的星光相互作用，真正的暗物质不会发生这样的情况。它可能是星际（或星系际）的流浪行星、小行星和彗星吗？所有这些天体都不会自己发光。很难相信宇宙制造的行星在质量上是恒星的6倍多。那将意味着星系中每颗恒星都有6000颗木星，或者更糟的是，有200万颗地球。例如，在我们自己的太阳系中，太阳以外所有的东西加起来还不到太阳质量的千分之二。

对于暗物质的奇异性质，更直接的证据来自宇宙中氢和氦的相对量。这些数字一起提供了早期宇宙留下的宇宙指纹。与事实非常接近的是，大爆炸后的前几分钟的核合成，导致了每10个氢核（它们本身就是质子）就有一个氦核。计算表明，如果大部分暗物质参与了核合成，那么相对于氢，宇宙中应该会有更多的氦。由此我们得出结论，大部分的暗物质（也就是宇宙中的大多数）并不参与核聚变，这就表明它并不具有“普通物质”的资格，普通物质本质在于能够参与原子力和核力作用，从而形成我们所知道的物质。对宇宙微波背景的详细观测能够对这个结论进行独立检验，证实了这个结论：暗物质和核合成无关。

因此，正如我们所能理解的那样，暗物质并不是碰巧由黑暗物质构成的那么简单。相反，它完全是另一种东西。暗物质遵守与普通物质一样的引力规律，对普通物质存在引力，但它并没有能让我们探测到它的其他作用。当然，由于我们并不知道暗物质是什么，这一点妨碍了我们的分析。如果所有的质量都对应有引力，那么所有的引力都对应有质量吗？我们不知道。也许对物质来说这样没有错，但对引力我们还并不理解。

*******

不同天体环境里，暗物质和普通物质之间的比例变化很大，在星系和星系团这样的大型天体中是最为明显的。对于最小的天体，如卫星和行星，并不存在物质和引力间的差异。例如，地球表面的引力可以完全由我们脚下的东西来解释。如果你在地球上超重，不要责怪暗物质。暗物质既不影响月球绕地球公转的轨道，也不影响太阳周围行星的运动——但正如我们已经看到的，我们确实需要它来解释星系中心周围恒星的运动。

在星系尺度上是否存在不同的引力机制？可能不是。更可能的是，暗物质是由我们尚未探测到其本质的物质组成，它比普通物质更分散。否则，我们将探测到分布在宇宙间的由暗物质聚集成的大块引力团——如暗物质彗星、暗物质行星、暗物质星系。据我们目前所知，事情不是这样的。

我们知道的是，我们在宇宙中所爱的东西——组成恒星、行星和生命的物质——只是宇宙这块蛋糕上薄薄的一层糖霜，是在浩瀚的却又看似什么都没有的宇宙海洋里漂浮着的一些微小浮标。

*******

在大爆炸后的前50万年——仅仅是在140亿年宇宙历史中的短暂一瞬，宇宙中的物质已经开始凝聚成为将会发育成星系团和超星系团的小团块。但在接下来的50万年里，宇宙的尺度将会翻番，而后还将继续增长。决定宇宙发展可能性的是两个相互竞争的效应：引力想使物质凝聚，但膨胀试图稀释它。如果你做下计算，你会很快发现，以普通物质自身的引力无法赢得这场战斗。它需要暗物质的帮助，没有暗物质我们就会生活在——实际上我们就不可能活着——一个没有任何结构的宇宙里：没有星系团，没有星系，没有恒星，没有行星，也没有人。

我们需要多少来自暗物质的引力？是相当于普通物质本身所提供的6倍。正好就是我们在宇宙中测量到的数量。这一分析并没有告诉我们暗物质是什么，只有暗物质的效应是真实的，而且，无论如何，你都无法把它归于普通物质。

*******

所以暗物质跟我们亦敌亦友。我们不知道它是什么。有点烦人。但在计算中我们迫切需要它才能得出对于宇宙的准确描述。当我们的推断必须基于我们不理解的概念时，科学家通常是不舒服的，但是如果我们不得不这样做的时候，我们就必须这样做。暗物质不是我们试图驾驭的第一匹野马。例如，在19世纪，科学家们测量了太阳的能量输出，并证明了它对我们的季节和气候的影响，而这远在任何人知道太阳能量是由核聚变产生的之前。现在看起来很可笑，但当时最好的想法是，太阳是一大块燃烧的煤炭。也是在19世纪，我们观测恒星时获得了它们的光谱，并对它们进行了分类，这也远在20世纪量子物理学产生之前，后来量子物理才让我们了解了这些光谱的本质，为什么它们看起来是这样的。

无情的怀疑论者可能会把暗物质假设与19世纪提出、如今已经被否定的“以太”做对比，“以太”是光在其中运动的、充满真空的、没有质量的透明介质。直到1887年由凯斯西储大学的阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）在美国克利夫兰市做的一个著名实验给出否定结果之前，科学家们都断言以太必定存在，即使没有一丝一毫的证据支持这一假设。科学家们当时认为光是一种波，需要通过一种介质来传播光的能量，就像声音需要空气或其他材料来传播它的声波。但是后来证明光可以很愉快地穿过太空里的真空，不需要用任何媒介来承载它。与由空气振动形成的声波不同，光波是自我传播的能量包，不需要任何帮手。

我们对暗物质的无知与对以太的无知是有根本区别的。以太是因不能理解光的传播而想象出来的一种“占位符”，而暗物质的存在并非来自单纯的推测，而是来自观察到的它的引力对可见物质的实际效应。我们不是凭空发明暗物质的，相反，我们从观察事实推断出了它的存在。暗物质就跟那些围绕着另外一颗“太阳”运行的系外行星一样真实，它们也仅仅是通过对它们的宿主恒星的引力影响而不是从对它们光线的直接观测中发现的。

可能发生的最糟糕的情况是，我们发现暗物质根本不包括物质，而是其他东西。我们是看到了来自另一个维度的力的影响吗？我们是否感觉到了与我们相邻的幽灵宇宙中的物质引力穿过了宇宙膜？如果是这样，我们所在的宇宙可能只是组成“多重宇宙”的无数个宇宙之一。听起来异想天开而且难以置信。但这比第一次提出地球是绕着太阳转的还要疯狂吗？比起太阳只是银河系中上千亿颗恒星之一呢？或者是银河系是宇宙中千亿个星系之一呢？

即使这些幻想式的解释中的任何一个被证明是正确的，也不会改变我们如今成功地使用暗物质的引力来理解宇宙形成和演化这一事实。

其他怀疑论者可能会宣称“眼见为实”——这种生活态度在许多方面都行之有效，包括机械工程、捕鱼，也许还有约会。但它并不是好的科学思路。科学不只是要看到，它是关于测量的，最好是用一些不是你自己眼睛的东西去测量，因为眼睛所见无法摆脱脑中的包袱。而这些包袱往往是一大堆先入为主的观念、僵化的成见和彻头彻尾的偏见。

*******

虽然自暗物质的概念提出八十多年以来我们在地球上无法实现直接探测暗物质，但暗物质一直在发挥作用。粒子物理学家相信暗物质是由一类幽灵般的未被发现的粒子组成的，它们与物质通过引力发生相互作用，但在其他方面与物质或光的相互作用非常弱或根本不发生作用。如果你喜欢在物理上赌博，暗物质一定是个很好的下注项目。世界上最大的粒子加速器正试图在粒子碰撞的碎片中制造暗物质粒子。还有特别设计的深埋地下的实验室，正被动地探测来自太空的暗物质粒子。之所以选址于地下，是因为大地可以自然地屏蔽那些已知的宇宙粒子，防止它们进入探测器而被误认为是暗物质。

也许上面这些举措是空忙一场，但“暗物质是一种难以找到的粒子”这个想法还是很值得我们去验证的。对中微子的预测和发现就是一个很好的例子，尽管中微子与普通物质的相互作用非常微弱。来自太阳的中微子的量相当大，在发生核聚变的太阳核心里，每由氢合成一个氦核，就释放出两个中微子，中微子毫无阻碍地逃逸出太阳，在太空的真空里以接近光速穿行，然后就像地球根本不存在一样穿过地球。根据计算，无论白天还是晚上，每一秒钟你身体上的每一平方厘米都有1000亿个来自太阳的中微子穿过，但根本不会与你身体的原子发生相互作用。尽管如此不可捉摸，但在特殊情形下，中微子仍然是可以被阻止的。如果你阻止了一个粒子，就说明你已经探测到它了。

暗物质粒子可以通过类似的极其罕见的相互作用来显示其存在，或者，更令人惊奇的是，它们可能表现为除了强核力、弱核力和电磁力以外的一种力。刚才说过的这三种力，再加上引力，就是宇宙中的四种基本力，能协调所有已知粒子之间的相互作用。所以，情况很明确，等待我们的，要么是通过暗物质粒子的相互作用去发现和控制一种或一类新的作用力，要么就是暗物质跟普通物质也存在相互作用力，只是强度弱得惊人。

因此，暗物质的效应是真实存在的。我们只是不知道暗物质是什么。暗物质似乎不通过强核力相互作用，所以它不能形成原子核。它还没有被发现通过弱核力进行相互作用，而甚至是难以捉摸的中微子也存在弱相互作用。它似乎并没有与电磁力相互作用，所以它不会产生分子，也不会聚集成致密的暗物质球。它既不吸收、发射光，也不反射或散射光。正如我们从一开始就知道的，暗物质确实会施加引力，而普通物质对此会产生响应。但仅此而已。经过这么多年，我们还没有发现它能做什么别的事情。

现在，我们只能满足于把暗物质作为一个陌生的、隐形的朋友来对待，在宇宙需要我们召唤它的时候请它施以援手。

06 暗能量

Dark Energy

宇宙中有一件事似乎没有引起你足够的担心，近几十年来，天文学家们发现宇宙存在一种神秘的压力，它来自太空里的真空中，其表现与宇宙引力作用相反。不仅如此，这种“反引力”最终将赢得这场宇宙拔河大战，因为未来它会迫使宇宙膨胀以指数形式加速。

对于这种20世纪物理学中最烧脑的思想，要怪就得怪爱因斯坦。

爱因斯坦几乎从未涉足过实验室，他没有检验什么现象或使用精密设备。他是一个理论家，他完善了科学上的“思想实验”。思想实验是用想象参与自然，通过发明一种情境或模型，然后找出一些物理原理的因果关系。

正如爱因斯坦的例子一样，如果物理学家的模型试图代表整个宇宙，那么操纵模型就等于操纵宇宙本身。观测学者们和实验学者们可以到真实宇宙中去寻找该模型预测的现象。如果模型是有缺陷的，或者理论家在他们的计算中犯了错误，观测学者们将发现该模型的预测和现实世界事物运行的方式不匹配。这是对理论科学家的提示，告诉他们要么调整旧模型，要么创建一个新模型。

爱因斯坦的广义相对论，是最强大和应用范围最广的理论模型之一——在你更好地了解它之后，你可以称之为GR（General Relativity）。广义相对论发表于1916年，它描述了宇宙万物在引力作用下运动的数学细节。每隔几年，实验科学家们就会设计出更多的精密实验来测试这个理论，只是为了进一步扩大理论精确性的范围。这一振聋发聩的理论的最新例证出现在2016年，当时引力波被专门为它设计的天文台[6]直接探测到。这些引力波正如爱因斯坦所预言，以光速在时空结构中传播，是由类似两个黑洞碰撞那样严重的引力扰动引起的。

被探测到的正是这样的扰动。第一次发现的引力波是由13亿光年远的两个黑洞碰撞而产生，碰撞发生时，地球上还是单细胞生物的天下。当引力波的涟漪向各个方向荡漾开去的时候，又经过了8亿年，地球上才进化出复杂的生命，包括花朵、恐龙和飞行生物，还有一个叫作哺乳动物的脊椎动物分支。在哺乳动物中，又有一个分支进化出了额叶和复杂的思想，其被称为灵长类动物。灵长类动物的一个分支将会发生一种促使语言产生的基因突变，而那个分支——智人——将发明农业、文明、哲学、艺术和科学。所有这些都在过去的1万年里发生。最终智人里一位20世纪的科学家将从他的大脑中发明相对论，并预言引力波的存在。整整一个世纪之后，在宇宙中旅行了13亿年的引力波，终于到达了地球，并被人类的科学技术成功地捕获。百年前的预言终于被证实。

没错，爱因斯坦就是这样一个猛人！

*******

大多数科学模型在第一次被提出时，往往是不完善的，会留调整空间以更好地适应已知的宇宙。在16世纪数学家尼古拉斯·哥白尼所设想的“日心说”宇宙模型中，行星在完美的圆圈上绕日运行。“绕日运行”这部分是正确的，并且是在“地心说”宇宙模型基础之上的重大进展，但“完美的圆圈”后来被证明有所偏差——所有行星都在环绕太阳的略扁圆形，也就是椭圆形的轨道上运动，甚至这种形状也仅仅是更复杂轨迹的一种近似。哥白尼的基本思想是正确的，这才是最重要的。它只是需要一些调整，使其更准确。

然而，就爱因斯坦的相对论而言，整个理论的创始原则要求所有事情都必须精确地按照预期的那样发生。实际上，在外人看来，爱因斯坦建立了像纸牌一样的房子，只用两三个简单的假设就支撑起了整个建筑。事实上，在1931年爱因斯坦了解到，有一本名为《100个作者反对爱因斯坦》的书，他对此的回应是，如果他是错的，那么只有一个就足够了。

不过，爱因斯坦也为科学史上最令人着迷的错误之一播下了种子。爱因斯坦的新引力方程包括被他称为“宇宙学常数”的一项，他用大写希腊字母Λ（读作Lambda）表示：它在数学上是允许的，但并不是一个必选项，爱因斯坦把它写上去是因为宇宙学常数让他能够得到一个静态宇宙。

在那个时代，人们认为我们的宇宙仅仅是存在着，除此之外，宇宙要是发生任何别的情况，都超出了人们的想象。因此，在爱因斯坦的模型中，这个Λ的唯一作用是抵抗引力，保持宇宙平衡，抵消引力把整个宇宙收缩成一团的趋势。就这样，爱因斯坦发明了一个既不膨胀也不收缩的宇宙，与当时每个人的期望一致。

俄国物理学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）随后在数学上证明，爱因斯坦的宇宙虽然是平衡的，但却处于一个不稳定状态。就像一个停在山尖上的球，只要受到最轻微的推力，就会从这个或那个方向滚下来，或者像是用笔尖站立的一支铅笔，所以爱因斯坦的宇宙是处于扩张和全面坍缩之间的危险静止状态。此外，爱因斯坦的宇宙学常数是一个新概念，但仅仅因为你给某样东西起一个名字并不足以让它成为实在——爱因斯坦知道这个Λ是具有负引力的，但在物理宇宙中并没有已知的物质与之对应。

*******

爱因斯坦的广义相对论彻底背离了以前所有的引力思想。GR并不是建立在牛顿关于引力是一种幽灵般的超距作用（这个结论让牛顿本人也感到不舒服）的基础上，而是认为引力是质量对其他的质量或能量场导致的局域时空曲率的反映。换句话说，质量的集中会导致时空结构的弯曲——真实存在的凹痕。这些弯曲指引着运动质量沿着被称为“测地线”[7]的直线前进，虽然在我们看来测地线像是弯曲的轨迹，我们称之为轨道。20世纪的美国理论物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）说得最好，他把爱因斯坦的概念总结成“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动”[8]。

最后，广义相对论描述了两种引力。一个是我们熟悉的那种，就像地球和被扔到空中的球之间的引力，或者太阳和行星之间的引力。它还预言了另一种引力——一种与时空本身的真空相关的、神秘的“反引力”。Λ（宇宙学常数）维护了爱因斯坦和他那个时代的每一位物理学家强烈认为是真实的东西：一个静态的宇宙——一个不稳定的静态宇宙。引入不稳定条件作为物理系统的自然状态，这样做其实违反了科学的信条。你不能断言，整个宇宙是一个特殊的情况，它恰好是平衡的，并且永远如此。在科学史上，从未见过、测量过或想象过像爱因斯坦这样的做法，它也就成了著名的先例。

13年后，在1929年，美国天体物理学家埃德温·P. 哈勃（Edwin P. Hubble）发现宇宙不是静止的。他发现并汇总了令人信服的证据：越遥远的星系，与银河系相对退行的速度就越快。换言之，宇宙正在膨胀。如此一来，尴尬于宇宙学常数没有已知的自然力与之相对应，以及错过了预测宇宙膨胀的机会，爱因斯坦完全抛弃了Λ，称这是他一生中“最大的错误”。他推测它的值为零，把它从公式中划掉了，就像下面这个例子：假设A＝B+C。如果你后来得知A＝10且B＝10，那么只有当C等于0（C在公式中没有必要出现）时，A才仍然等于B加C。

但这并不是故事的结局。在过去的几十年里，时常有理论家将Λ从墓穴里起出来，想象他们的想法在具有宇宙学常数的宇宙中会是什么样子的。69年后，在1998年，科学最后一次请出了Λ。在那年年初，两组相互竞争的天体物理学家发表了一则引人注目的声明：一组由位于伯克利的劳伦斯·伯克利国家实验室的萨尔·波尔马特（Saul Perlmutter）领导，另一组由位于澳大利亚堪培拉的斯特蒙罗山天文台和赛丁泉天文台的布莱恩·施密特（Brian Schmidt）以及位于马里兰州巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学的亚当·里斯（Adam Riess）领导。他们发现，与近处已经被详细研究过的超新星相比，他们观测到的数十颗最遥远的超新星比预期的要暗很多。要解释这种现象，要么是因为那些远处的超新星的行为表现与近处的这些不同，要么是因为它们比主流的宇宙学模型给出的距离要远15%。已知唯一能够“自然地”解释这种加速现象的就是爱因斯坦的Λ——宇宙学常数。当天体物理学家掸掉它身上的泥土并把它放回爱因斯坦广义相对论的原始方程时，宇宙的已知状态与爱因斯坦方程匹配上了。

*******

佩尔穆特等人研究的这类超新星，其价值在于它爆发时的质量。由于这种超新星爆发时的质量都是一定的，又都以同样的方式爆发，在相同的时间里释放出同样多的能量，从而达到的最高亮度也是相同的，因此，它们能够作为一种标尺，或“标准烛光”，用于计算这些超新星所在星系的宇宙距离，以此类推，我们可以一直丈量到宇宙中最遥远的地方。

标准烛光极大地简化了计算：因为超新星都会释放出相同的能量，暗淡的距离远，明亮的距离近。在测量它们的亮度（一个简单的任务）之后，你可以准确地得出它们离你以及它们彼此有多远。

如果超新星的亮度各不相同，你就不能单独使用亮度来判断一个与另一个相比有多远了。这就像是一个暗淡的光点既可能是远处的高瓦数灯泡，也可能是近处的低瓦数灯泡。

不过还有第二种方法可以测量星系的距离：它们相对于我们的银河系的退行速度——退行是整个宇宙膨胀的一部分。正如哈勃首先证明的那样，膨胀的宇宙使得远处的天体比附近的物体运动更快。因此，通过测量星系的退行速度（另一项简单任务），可以推断出星系的距离。

如果这两种行之有效的方法对于同一个物体得出了不同的距离，一定是什么地方出了问题。要么是超新星不是一种好用的标准烛光，要么是我们通过测量星系速度而得到的宇宙膨胀率模型是错误的。

嗯，是出错了。事实证明，问题不出在超新星身上，超新星是完美的标准烛光，经受住了许多质疑者的仔细检验，所以天体物理学家必须面对一个比我们想象的膨胀得还要快的宇宙，使星系位于比此前根据星系退行速度测算出的更远的位置。除了引入Λ——爱因斯坦的宇宙学常数，没有更简便的方法能解释这种额外的膨胀。

这是宇宙中充斥着排斥力的第一个直接证据，它与引力相反，这就是如何以及为什么宇宙学常数能起死回生了。Λ突然获得了一个物理实相，于是它需要一个名字，所以“暗能量”登上了宇宙戏剧舞台的中央。这个名字非常恰当地体现了它的神秘，又体现了我们对其成因的无知。波尔马特、施密特和里斯无可争议地因为这一发现而分享了2011年的诺贝尔物理学奖。

迄今为止最精确的测量结果显示，暗能量是宇宙中最主要的东西，目前占据了所有质量-能量的68%，暗物质占了27%，一般物质仅占5%。

*******

我们四维宇宙的形状取决于宇宙中存在的物质、能量的总量和宇宙膨胀速度之间的关系。我们用来描述宇宙形状的数学参数，是又一个牢牢把握宇宙命运的大写希腊字母：Ω（omega）。如果你把观测的物质-能量密度除以恰好勉强使宇宙停止膨胀的物质-能量密度（称为“临界密度”），你就会得到Ω。

因为质量和能量都会导致时空弯曲，所以Ω便能告诉我们宇宙的形状。如果Ω小于1，实际的质量-能量会低于临界值，宇宙就会在所有的方向上永远膨胀，形成马鞍形，在这个宇宙里最初的平行线将会彼此发散远离。如果Ω等于1，宇宙将永远膨胀，但仅此而已。在这种情况下，宇宙形状是平坦的，我们在高中学习的平行线几何规则将一直有效。如果Ω大于1，平行线会发生汇聚，宇宙向其自身弯曲，最终将再次坍缩成为火球，正如它形成之时。

自从哈勃发现宇宙膨胀以来，还没有任何观测者测量到任何地方的Ω值接近1。把他们的望远镜能看到的所有质量和能量相加，甚至外推至这些限度之外，把暗物质也包含在内，得到的最大观测值是Ω＝0.3。对这些观测家而言，宇宙是马鞍形的，是开放的。

然而，从1979年开始，麻省理工学院的美国物理学家阿兰·H. 古斯（Alan H. Guth），还有其他一些科学家，对大爆炸理论进行了调整，清理了一些令人困扰的问题，使宇宙如我们所知的那样平坦地充满了物质和能量。对大爆炸理论的这次更新的一个重要副产品是，它使Ω趋向于1。不是趋向1/2，也不是趋向于2，更不是趋向100万，而是趋向于1。

世界上几乎没有任何一个理论家对此持有异议，因为它使大爆炸理论能够解释已知宇宙的整体性质。然而，还有一个小问题：这次调整所预测的宇宙质量-能量的总和，足足是观测量的三倍。对此，理论家没有气馁，他们说观测家们只是找得还不够努力。

在统计结果的最后，可见物质仅占临界密度的不到5%。那神秘的暗物质呢？科学家们把它也加上了。当时没有人知道它是什么，我们现在仍然不知道它是什么，但它肯定对质能总量有贡献。我们曾经得出暗物质是可见物质的5或6倍。但那还是太少了。观测家们茫然困惑，理论家们回应道：“继续找。”

两个阵营都确信对方是错误的——直到发现了暗能量。当把暗能量添加到普通物质、普通能量以及暗物质中去的时候，宇宙的质量-能量密度提高到了临界水平。这让观测家们和理论家们都感到很满意。

理论家和观测家终于握手言和了。他们各自做事的方式都是正确的。就像理论家对宇宙的要求一样，Ω确实等于1，尽管你把所有的物质（包括暗物质或其他物质）加在一起都达不到——他们曾天真地以为会有更多物质。今天，宇宙中不会存在比观测家们估计的更多物质了。

没有人曾预见到暗能量在我们的宇宙中占据着如此重要的地位，也没有人曾想见它会是科学分歧的伟大调解人。

*******

那么，它是什么东西呢？没有人知道。人们给出最接近的解释是，假定暗能量是一种量子效应——真空的空间并不是空无一物的，实际上翻腾着粒子和它们的反物质。它们成双成对地出现又消失，存在时间太短而无法被测量。它们瞬时存在的特性被写在了它们的名号中：虚粒子。由于每对虚拟粒子都曾经如此短暂地跻身于太空，它们会施加一点点向外的压力。

不幸的是，当你估计从虚粒子短暂的生命中产生的“真空压力”这种排斥力的大小时，它竟然比实验确定的宇宙学常数要大10120倍。这是一个大得有些愚蠢的数字，它导致了科学史上理论和观测之间最大的不匹配。

是的，我们对暗能量一无所知。但这种无知并非一无是处。暗能量不是漂浮不定的，有一个理论可以锚定它。暗能量栖息在我们可以想象的最安全的港湾之一：爱因斯坦的广义相对论方程。这就是宇宙学常数。这就是Λ。无论暗能量是什么，我们已经知道如何测量它，以及如何计算它对宇宙的过去、现在和未来的影响。

毫无疑问，爱因斯坦最大的错误是宣称那个Λ是他最大的错误。

*******

对暗能量的搜寻开始了。既然我们知道暗能量是真实的，各路天体物理学家已经开始了雄心勃勃的计划，他们用地面和太空望远镜来测量宇宙中的距离，测量宇宙结构的增长。这些观测将检验暗能量对宇宙膨胀史的详细影响，并肯定会使理论家们忙个不停。他们迫切需要弥补他们计算暗能量理论值时造成的尴尬。

我们需要修正广义相对论吗？广义相对论和量子力学的联姻需要重大修改吗？还是有一些暗能量理论等待着某个尚未出生的聪明人去发现？

Λ和宇宙加速膨胀的一个显著特征是，斥力产生于真空之中，而不是来自任何物质。随着真空的增长，宇宙中物质和（我们熟悉的）能量密度逐渐减小，而Λ对宇宙状态的相对影响变得更大。随着更大的斥力产生更多的真空，而更多的真空产生更大的斥力，迫使宇宙进入无休止的指数加速膨胀。

因此，任何没有被银河系束缚在附近的东西都将以越来越快的速度退行，成为时空结构加速膨胀的一部分。如今在夜空中可见的遥远的星系，最终将会消失在可以企及的视野之外，而它们离我们远去的速度比光速还要快。如此的宇宙壮举，并不是因为它们以这样的速度在太空中运动，而是因为宇宙的结构本身以这样的速度承载着它们。没有物理定律能阻止这一点。

再过大约一万亿年，居住在我们银河系里的所有人可能根本就不知道还有其他星系存在。我们的可观测宇宙将只包括一个由邻近的长寿恒星组成的系统。在这繁星满天的黑夜之外，还会有无尽的虚空——那是深空黑暗的脸庞。

暗能量是宇宙的基本属性，它最终将会削弱人类后代理解未来宇宙的能力。除非当代整个银河系的天体物理学家能将现在的宇宙做一个很好的记录，并埋下一个可以保存万亿年的时间胶囊，否则末日之后的科学家将会不知星系为何物——而星系是我们当前宇宙物质组成的主要形式——而且他们也将永远错过我们当前宇宙这部剧本的关键页面。

在我的梦中我不止一次想到：我们是否也错过了宇宙过去的一些基本章节？宇宙历史这部大书的哪一部分被标记了“拒绝访问”？我们的理论和方程式中，还缺少什么本应存在的东西，让我们苦苦追寻却可能永远找不到答案？

07　元素周期表里的宇宙

The Cosmos on the Table

有时候仅仅为了回答一些琐碎的问题，也需要深刻和广博的宇宙知识。在中学化学课上，我问我的老师元素周期表上的元素是从哪里来的。他回答说，从地壳里来的。我承认他说的没错。这肯定是实验室得到那些材料的地方。然而，地壳里的元素是从哪儿来的呢？答案一定和天文学有关。但要回答这个问题，真的需要知道宇宙的起源和演化吗？

是的，肯定需要。

只有三种元素是在宇宙大爆炸时自然出现的。其余的都是从高温的恒星核心，以及垂死恒星爆炸后的余烬中锻造出来的，这让后代的恒星系统得以吸纳这些重元素，从而形成行星，继而诞生人类。

对许多人来说，元素周期表只是一个被遗忘的怪东西——在中学课本上，一张满是格子的大图，上面写满了神秘咒语一般的字符。作为宇宙中所有已知和未知元素的化学行为的组织原则，这张图表应该被视为人类文化的一个标志，它是全人类科学探索的见证——这些探索包括发生在实验室里的、粒子加速器里的，以及宇宙研究前沿领域里的。

然而，时不时地，即使是科学家也禁不住把元素周期表看成是苏斯博士[9]笔下的奇禽异兽动物园。否则，我们怎么能相信有毒、高金属活性并且软到可以用黄油刀切开的钠，和一种臭臭的致命气体氯混合在一起，生成的氯化钠却成为了一种生物必需的，被称为食盐的无害化合物？氢和氧的结合也很神奇，一种是爆炸性气体，另一种则强烈助燃，然而两者结合则可生成液态水，而水可以灭火。

下面请允许我挑出一些对宇宙有重要意义的元素，从天体物理学家的角度来提供解读。

*******

氢是最轻和最简单的元素，原子核内只有一个质子，它完全是大爆炸时期产生的。在94种天然元素里，氢占据了人体内所有原子数目的三分之二还多，在宇宙的所有原子中更是超过了90%，包括太阳系在内的所有尺度上都是如此。在巨大的木星的核心里，氢处于如此大的压力下，致使它的行为更像一种导电的金属而不是气体，从而产生了太阳系行星中最强的磁场。1766年，英国化学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）在实验时从水（H_2O）中发现了氢（hydrogen的英文名来自希腊文hydro-genes，意思是“生成水的”），不过卡文迪许在天体物理学领域最广为人知的是，他是第一个通过测量牛顿引力方程里引力常数的精确值，从而计算出地球质量的人。

每一天的每一秒，在太阳那个温度高达1500万开尔文的核心里，就有45亿吨高速移动的氢原子核撞击形成氦，转变成能量。

*******

氦是一种低密度气体，当你吸入氦气时，会暂时提高你的气管和喉部的振动频率，使你的声音听起来像米老鼠。氦是宇宙中第二简单和第二丰富的元素。虽然丰度（原子数比例）比氢小得多，但它的含量是宇宙中除了氢之外所有其他元素总和的4倍以上。大爆炸宇宙学的支柱之一是，它预言在宇宙的任何区域，氦元素在所有原子中所占的比例不少于10%，这一比例在宇宙诞生时的原始火球中便混合形成了。因为在恒星内的氢核聚变也会产生氦，所以宇宙中的某些区域可以很容易积累超过10%的氦，但是正如大爆炸理论预言的，迄今为止还没有人发现过某个星系里的氦含量少于这一比例。

在氦元素在地球上被发现并分离出来的30年之前，1868年日全食期间，天文学家们在太阳的日冕光谱中探测到了氦。正是这个原因，氦（helium）才得名于希腊太阳神赫利俄斯（Helios）。氦的浮力是氢的92%，但没有氢的易爆性，所以节日庆典活动上用的大型充气人偶就是用氦作为填充气体的，于是举办这种活动的商场等单位，成了仅次于军队的第二大氦元素用户。

*******

锂是宇宙中第三简单的元素，它的原子核中有三个质子。就像氢和氦一样，锂也是在大爆炸中制造出来的，但与氦也可以在恒星核中制造不同的是，锂会被每一个已知的核反应所破坏。大爆炸宇宙学的另一个预测是，我们可以预期宇宙任何区域中，锂的原子数比例不超过1%。还没有人在任何星系中，发现锂的含量超过这一比例。氦的丰度下限和锂的丰度上限互相对照，为检验大爆炸宇宙学提供了强有力的双重约束。

*******

碳元素能够合成很多种分子，其种类要比其他所有不含碳的分子的总和还要多。宇宙中有大量的碳，它们在恒星核心里被锻造，又被翻搅到恒星表面，并大量释放到星系空间里，所以碳是最适合成为化学和生物多样性基础的元素了。氧元素在丰度排名中略胜于碳，也很常见，它是从爆炸恒星的残骸中被锻造和释放出来的。氧和碳都是我们所知道的生命的主要成分。

但我们不知道的生命形式呢？基于硅元素的生命会是什么样的？硅在元素周期表中位于碳的正下方，这意味着，从原则上来说，它可以创造出与碳同样多的分子组合。不过，最后还是碳胜出了，因为在宇宙中，碳比硅要丰富十倍。但这并不能阻止科幻小说作家们的想象力，他们总是在警惕着外星生命，却也最想知道第一个硅基的外星人会是什么样子。

钠，除了作为食盐的活性成分以外，也是目前城市路灯中最常见的发光气体。钠光灯要比白炽灯“燃烧”得更亮，寿命也更长，但是这两种灯泡可能很快都会被LED灯所取代，因为LED灯在特定功率下更亮，也更便宜。最常见的钠光灯有两种：黄白色的高压钠灯，和比较少见的发橙色光的低压钠灯。尽管所有的光污染对天体物理学都是有害的，但低压钠灯是最不坏的，因为它们的污染可以很容易地从望远镜数据中去掉。作为合作范例，离凯特峰国家天文台最近的大城市——亚利桑那州图森市，已经通过了与当地天体物理学家的协议，将城市所有路灯换成低压钠灯。

*******

铝占据了地壳的近10%，但对古人来说却是未知的，我们的曾祖父母对它也不熟悉。因为这种元素直到1827年才被识别和分离出来，直到20世纪60年代末才进入普通家庭，当时锡罐和锡箔被铝罐、铝箔所取代（我敢打赌，你认识的大多数老年人仍然把这种材料叫锡纸）。抛光后的铝可制成几近完美的可见光反射镜，是今天几乎所有望远镜的首选涂层。

钛的密度是铝的1.7倍，但强度是铝的两倍以上。因此，钛——在地壳中第九丰富的元素——已经成为许多现代用品的宠儿，如军用飞机部件和假肢都需要一种轻便而高强度的金属来实现其功能。

在宇宙中的大多数地方，氧原子的数量都超过了碳。在每一个碳原子都锁住了可用的氧原子（形成一氧化碳或二氧化碳）之后，剩余的氧便与其他元素结合，比如钛。红色恒星的光谱中布满了源于钛氧化物的特征，钛氧化物本身对地球上的“明星”来说并不陌生：星光蓝宝石和红宝石呈现的星彩就是由晶格中的钛氧化物杂质造成的。此外，用于望远镜圆顶的白色涂料含有钛氧化物，它恰好在光谱的红外线部分具有高度反射性，能大大减少望远镜周围空气中积累的阳光热量。黄昏时分，随着圆顶的打开，靠近望远镜的空气温度迅速与夜间空气的温度达到一致，使得恒星和其他宇宙天体的光线变得锐利而清晰。而且，钛（titanium）的名字虽然不是直接来自宇宙天体，但它来自希腊神话的泰坦巨人（Titans），泰坦也是土星最大卫星土卫六的名字。

*******

从很多方面来说，铁都算得上宇宙中最重要的元素。大质量恒星在其核心中制造的元素，依次从氦到碳到氧到氮，等等，在元素周期表上一直延续到铁。在铁原子核中，有26个质子和至少同样多的中子。铁的特殊之处在于，在所有元素中，它的每个核粒子具有的总能量最小。这意味着一些很明显的事情：如果你通过裂变来分裂铁原子，它们就会吸收能量。如果你通过聚变来合成铁原子，它们也会吸收能量。别忘了恒星就是在忙着制造能量。随着大质量恒星在其核心制造和积累铁元素，它们也正接近死亡。如果没有丰富的能量来源，这颗恒星就会在自己的重量下坍缩，紧接着发生反弹，形成猛烈的超新星爆发，在超过一个星期的时间里，它会比10亿个太阳还亮。

*******

软金属镓的熔点如此之低，像可可脂，接触到你的手就会熔化。除了用来进行空手熔金这种客厅炫技之外，天体物理学家对镓并不感兴趣，除非是作为镓化氯实验的一种成分，用来探测来自太阳的令人难以捉摸的中微子。在这个实验里，大量（100吨）的液态氯化镓被深埋在地下的一个大桶里，用来监测中微子和镓原子核之间发生的碰撞，这个反应将镓转化为锗。在每次原子核被撞击时，这种相遇都会发出X射线。久而未决的太阳中微子问题，即探测到的中微子比理论预测的要少的问题，就用这样的“望远镜”解决了。

*******

锝的所有同位素都有放射性。除了在粒子加速器里可以按需制造，在地球的任何地方都找不到它。锝的这种特征写在了它的名字里，Technetium来自希腊文technetos，意思是“人造的”。出于尚未完全理解的原因，锝存在于一小类红色恒星的大气层中。单就这一点来说并没什么，不过值得注意的是，锝的半衰期仅为200万年，比这些恒星的生命期要短很多很多。也就是说，锝并不是这些恒星一开始就具有的元素，否则它们早就衰变殆尽了。在恒星核心也没有已知的机制产生锝，并让它翻腾到恒星表面从而被我们发现。对这一现象的解释已经导致了多种奇怪的理论，在天体物理学界尚未达成共识。

*******

与锇和铂一起，铱是元素周期表里三种最重（密度最大）的元素之一——体积相当于三个桶装水（56升）的铱的重量就比一辆别克车还重。铱也是下面著名事件的铁证：在世界各地的白垩纪、古近纪地层交界处，都发现了可追溯到6500万年前的铱元素。并非巧合的是，当时凡是比登机箱大的陆地物种都灭绝了，包括传奇一般的恐龙。

铱在地球表面很罕见，但在直径10千米的金属小行星上相对常见，当小行星撞上地球时，因撞击而气化，把它带来的铱洒遍了地球表面。所以，无论你最喜欢哪一种恐龙灭绝理论，来自外太空的一颗珠峰大小的杀手小行星都应该名列榜首。

*******

我不知道阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）会怎么想，但在1952年11月1日的南太平洋埃尼威托克环礁第一次氢弹试验的残骸中，发现了一种未知的元素，为了向他致敬而命名为锿（einsteinium）。要是我能给它命名，我会给它起名叫“末日元素”（armageddium[10]）。

同时，在元素周期表中有十个元素的名字是来自围绕太阳运行的天体：

磷（Phosphorus）的名字来自希腊文，意思是“带来光明者”（light-bearing），也是金星的古代名称，因为它是启明星，在黎明日出之前出现在天空。

硒（selenium）的英文名来自希腊文的“月亮”（selene），它之所以得此名是因为，在采矿中它总是与元素碲相伴存在，而碲（tellurium）的名字的来自拉丁文“地球”（tellus）。

1801年1月1日，意大利天文学家朱塞普·皮亚齐（Giuseppe Piazzi）在火星与木星之间的巨大空旷地带，发现了绕太阳运行的一颗新行星。根据用罗马神命名行星的传统，这个天体以丰收女神之名被命名为谷神星（Ceres）。当然，Ceres也是“谷类食物”（cereal）这个词的词根。谷神星的发现让科学界非常兴奋，为向其致敬，便把之后发现的一种新元素命名为铈（cerium）。两年后，在谷神星绕着太阳运行的同一空间又发现了一颗行星，它被称为智神星（Pallas），来源于罗马神话里的智慧女神帕拉斯，并且，因循铈的例子，发现智神星之后找到的第一个元素被命名为钯（palladium）。这种命名传统在几十年后结束了，因为人们在同一轨道区域发现了更多类似的天体，并且发现它们比已知最小的行星还要小得多。其实被发现的这片区域是太阳系的一片新领地，其中布满了小而不规则的石块和金属块。谷神星和智神星不是行星；它们是小行星，它们所在的小行星带中，现在已发现了数十万个天体——这可比元素周期表中的元素多太多了。

金属汞（mercury），在室温下呈液态，滚来滚去，它跟太阳系所有行星中运动最快的水星（Mercury），都是以罗马神话里行动迅速的信使之神墨丘利命名的。

钍（thorium）是以北欧神话中的强壮的、挥舞着闪电的雷神托尔（Thor）命名，它对应罗马神话里以闪电为武器的朱庇特（Jupiter，这也是木星的英文名）。说到木星，哈勃望远镜对木星两极区域的观测图像显示，在那里湍急的云层深处确实存在大规模的放电活动。

唉，土星，萨图恩（Saturn），我最喜欢的行星[11]，并没有以它命名的元素，但天王星（Uranus）、海王星（Neptune）和冥王星（Pluto）都有很著名的代表元素。

元素铀（uranium）在1789年被发现，其命名是为了向八年前威廉·赫歇尔（William Herschel）发现的天王星致敬。铀的所有同位素是不稳定的，会自发地衰变成较轻的元素，这个过程伴随着能量释放。在战争中使用的第一颗原子弹，即以铀作为其活性成分，于1945年8月6日被美国投到了日本广岛。在铀核中有92个质子，被普遍认为是自然形成的“最大”元素，不过在铀矿里还是可以发现较大的自然元素，但含量极少。

如果天王星值得向其致敬而命名一种元素，那么海王星也是如此。然而情况不太一样的是，铀是在天王星发现不久之后找到的，镎（neptunium）则是1940年在伯克利回旋加速器里发现的，距离德国天文学家约翰·加勒（John Galle）发现海王星已经过去整整97年了。法国数学家约瑟夫·勒维耶发现天王星的轨道行为很怪异，他预言存在一颗未知行星干扰了天王星的运动，并计算出这颗行星的轨道，加勒正是在预言的那片天区找到了海王星。就像在太阳系中海王星跟在天王星之后一样，在元素周期表中镎也会紧跟在铀之后出现。

伯克利回旋加速器发现（或说是制造了）许多自然界中找不到的元素，包括钚（plutonium），在元素周期表里，它紧跟在镎之后，以冥王星（Pluto）命名；冥王星是1930年克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）在亚利桑那州的洛厄尔天文台发现的。就像129年前发现谷神星一样，人们兴奋不已。冥王星是由美国人发现的第一颗行星，而且在没有更好的数据的情况下，它被普遍认为是大小与地球相当的天体。然而，由于测量手段变得越来越精确，测到的冥王星尺寸也在不断变小。

我们对冥王星大小的了解直到20世纪80年代末才稳定下来。现在我们知道，冰冷的冥王星在曾经的九大行星里个头小得不成比例，甚至比太阳系的六颗最大的卫星还要小一点儿。和成群结队的小行星一样，后来人们发现，太阳系外围存在着数以百计与冥王星相似的天体。这预示着冥王星跻身大行星的日子已经不多了，并且由此也揭示了此前未曾被记录的柯伊伯彗星带的存在，冥王星就属于这个小型冰天体群。考虑到这一点，有人可能会认为，谷神星、智神星和冥王星是以其假象溜进了元素周期表。

不稳定的武器级钚，是在广岛被炸毁三天后，美国在日本长崎上空引爆的那枚原子弹的活性成分，这使第二次世界大战迅速结束。前往太阳系外的航天器装有“放射性同位素热电发生器”，通常都以少量非武器级的放射性钚为能源，因为那里阳光的强度已经下降到不能使用太阳能电池板了。1磅（约0.45千克）钚能产生1000万千瓦时的热能，这足以给一盏白炽灯供电11000年，要是我们人类能依靠核燃料提供的能量代替食物，这些能量也够一个人用11000年。

*******

所以，在元素周期表的宇宙之旅结束时，我们已经到达了太阳系的边缘，甚至更远。至今我还不能理解，为什么那么多人不喜欢化学制品，还有人要求食物中禁用化学物质。也许那些又长又难懂的化学名称听起来很可怕，但这应该怪罪化学家，而不是化学物质本身。就我个人而言，我对无论存在于宇宙何处的化学物质都没有什么不适。我最喜欢的恒星，以及我最好的朋友们，都是由化学物质构成的。

08　关于球形这回事儿

On Being Round

除了晶体和破碎的岩石，宇宙中很少有东西天然就带着棱角。虽然许多物体形状奇特，但从简单的肥皂泡到整个可观测的宇宙，球形物体的名单实际上是无穷无尽的。在所有形状中，球形最受简单物理定律的青睐。物体呈球形的倾向如此普遍，以至于我们为了取得对物体的基本了解，常常假设它是球形的，即使我们确定它是非球形的。简而言之，如果你不了解球形，那么你就不能宣称理解了物体的基本物理性质。

自然界中的球形是由诸如表面张力之类的力制造的，它们希望使物体在各个方向都变得更小。液体的表面张力使肥皂气泡在各个方向挤压空气，它会在被形成的瞬间，用尽可能少的表面积来包围那部分空气。这就产生了具有最高强度可能的气泡，因为除非必要，肥皂膜就不需要扩张得更薄。只要用大学一年级的微积分，你就可以证明这种，也是唯一的一种，对封闭的体积来说具有最小的表面积的形状，是一个完美的球体。事实上，如果所有的装运箱和超市里的所有食品包装都是球形的，那么每年可以节省数十亿美元的包装材料费用。例如，一盒超大份的麦片，可以很容易地装入一个半径为12厘米的球形纸箱。但实用性更占上风——没有人想要在球形包装盒滚下货架后去满地追赶它们。

在地球上，制造滚珠轴承的一种方法是用车床加工，另外一种是将事先定好量的熔融金属液滴在长传动轴的顶端。在固定成为球形之前，金属液滴会不停地颠簸，而且需要足够的时间来硬化，然后才算完工。在地球轨道上的空间站里，那里一切都是失重的，你轻轻地喷出精确定量的熔融金属，之后你就不用管了——珠子冷却过程中就会悬浮在那里，直到它们硬化为完美的球体，表面张力会为你做所有的工作。

*******

对于庞大的宇宙天体来说，是能量和引力共谋将其转化为球体。引力是使物质在各个方向坍缩的力量，但引力并不总是会赢——固态物体的化学键很强大。由于地壳岩石的支撑，喜马拉雅山的生长克服了地球引力的作用。但在你对地球上的巍峨大山兴奋莫名之前，你应该知道，从最深海沟到最高山脉之间的高度大约只有20千米，但是地球的直径将近13000千米。因此，与在它表面上走动的微小人类的认识相反，地球作为一个宇宙天体，是非常平滑的。如果你有一个宇宙超级无敌大手，用它拂过有高山深海的地球表面时，会感到像台球一样光滑。那些昂贵的地球仪上高耸的山脉，其实是严重夸大了实际情况。这就是为什么尽管地球有山脉和山谷，以及在两极方向上略扁，但从太空看起来，地球与完美球体并无二致。

与太阳系其他星球上的山相比，地球的山其实微不足道。火星的最高山奥林匹斯山的高度约2万米，山底部近500千米宽。这让阿拉斯加的麦金利峰看起来像个鼹鼠丘。宇宙造山的方法很简单：天体表面的引力越弱，其山脉就能更高。珠穆朗玛峰的高度差不多已经达到了地球山峰的极限了，因为如果再高，它下方的岩层就会被自身的重量压垮。

如果固体天体的表面引力足够低，其岩石中的化学键就能够抵抗自身重量的作用。在这种情况下，天体可能是任何形状的。两个著名的非球形天体是火卫一和火卫二，火星的这两颗卫星长得就像大土豆。两个卫星中火卫一略大，尺寸为27千米×22千米×18千米，一个重70千克的人在它上面仅相当于地球上的110克。

在太空中，表面张力总是迫使一小团液体形成球体。每当你看到一个小的固体物体是球形的，你大可以假设它形成时曾处于熔融状态。如果那团东西质量非常大，那么不管它由什么组成，引力都将确保把它塑造成一个球体。

星系中体积庞大、质量巨大的气团可以凝聚成近乎完美的气态球体，这就是恒星。但是，如果一颗恒星轨道离另一个引力很大的天体太近，那么随着它的物质被夺走，它的球体形状也会被扭曲。所谓“太近”，我的意思是太接近另一个天体的“洛希瓣”——以19世纪中叶的数学家爱德华·洛希（Édouard Roche）命名，他对双星附近的引力场做了详细的研究。理论上，洛希瓣是两个相互围绕的天体周围像哑铃状的一对包层。

如果一个常见的天体的气体物质从它自己的包层中跑出来，就会掉向另一个天体。在双星系统中，当其中一个恒星膨胀为红巨星，物质溢出它的洛希瓣时，就会发生这种现象。此时，红巨星扭曲成一个奇特的非球形状，类似于一颗被拉长的好时巧克力。此外，有时双星中有一个是黑洞，它的位置就会因为正在被它吞噬的伴星而暴露出来。盘旋而出的气体，通过巨星的洛希瓣之后，被加热至极高温度，在掉落到黑洞本体消失之前会发出很亮的光。

*******

银河系里的群星呈现出一个大大的、扁平的圆盘形状，它的直径与厚度之比为1000∶1，比任何最平坦的煎饼还要平坦。对，银河系不是球形的，但最初却可能是。我们可以通过假设银河星是由一个巨大的、球形的、缓慢旋转的气体球坍缩而成，以便来理解它如今的平坦程度。在坍缩的过程中，这个球旋转得越来越快，这就跟花样滑冰运动员收紧双臂以增加自转速度是一样的。星系的两极方向自然地变扁，而中间增加的离心力阻止盘面的坍缩。

在银河系星云坍缩之前就已形成的任何恒星，它们保持在巨大并向下运动的轨道上。剩下的气体，很容易就粘到它们身上，就像两个热棉花糖在空中相撞，然后它们就被限制在了中间盘面上，后世的恒星，包括太阳在内，就在这里面生成。目前的银河系，既不在坍缩也不在膨胀，而是一个引力成熟的系统，在这个星系中，那些仍在盘面上方或下方轨道上运行的恒星，可以认为是最初球状气体云的残骸。

旋转物体总体趋于扁平是地球的极直径（从南极到北极）比赤道直径略小的原因。但差别并不大：千分之三，约42千米。但地球很小，主要是固体，而且旋转速度也不快。以24小时转一圈来算，地球赤道上的东西，仅仅以每小时1600千米的速度转动。相较之下，快速旋转的气态巨行星土星，它上面一天只有10个半小时，赤道上的线速度为每小时35000万千米，它的极直径比中间的赤道直径要短整整10%，这个差异甚至通过一个小型的业余望远镜就能看出来。变扁的球体一般称为扁椭球体，而两极被拉长的球体称为长球体。在日常生活中，汉堡包和热狗分别是这两种形状很棒的例子（虽然有些极端）。我不知道你怎么想，我每次吃汉堡包，脑海里都会冒出土星的样子。

*******

我们利用离心力对物质的影响，来获得极端宇宙天体的自转速度，比如脉冲星。由于它们的旋转速度高达每秒1000转，我们就可以知道，它们不可能是由日常物质组成的，否则它们本身就会由于旋转过快而解体。事实上，如果脉冲星旋转得更快一些，比如说每秒4500转，它赤道上的速度就达到了光速，这就告诉你这种材料极不寻常。

为了理解脉冲星，你可以想象一下，把整个太阳的质量装进一个曼哈顿大小的球里。如果这样很难做到，那么也许想象把1亿头大象装进一支唇膏管子里更容易一点。为了达到这个密度，你必须压缩所有虚空的空间，而这些空间原本是原子的原子核和它们的轨道电子自由运动之处。压缩之后，会将几乎所有的（带负电荷的）电子压进（带正电荷的）质子，形成一个（电中性的）中子球，表面引力高得令人发狂。在这样的条件下，登山者在地球上爬上500千米的悬崖所花费的能量，到了中子星上都爬不上一座相当于一张纸厚度的“山”！简而言之，在引力极大的地方，高处往往会倒塌，填补低洼之处——这听起来几乎像是《圣经》中“在为主预备道路”的形容：“一切山洼都要填满，大小山岗都要削平，高高低低的要改为平坦，崎崎岖岖的必成为平原。”（《以赛亚书》40：4）。如果有制造球体的秘诀，这就是了。基于所有这些原因，我们认为脉冲星是宇宙中形状最完美的球体。

*******

富星系团的整体形状透露了深刻的天体物理学信息。有些富星系团形状破破烂烂，有些被拉成细丝，而另一些则形成巨大的片状。这些都没有形成稳定的球状。有些星系团尺度是如此巨大，宇宙140亿年的年龄都不足以使其成员星系完成对星系团的一次跨越。我们得出的结论是，这些星系团的样子生来就如此，因为其中星系之间的引力碰撞时间太短，还不足以影响星系团的形状。

但是其他系统，比如我们在关于暗物质的章节中遇到的那个美丽的后发星系团，从外观就可以立刻看出，引力已经把它塑造成球形了。因此，这种星系团的成员星系运动方向不太可能都是一样的。如果是一样的话，那么整个星系团也不能旋转得很快，否则，它就会像我们的银河系一样，变得扁平化。

后发星系团，跟我们的银河系一样，也是引力成熟的。在天体物理学中，这种系统被认为是“弛豫”的，也就是它已经处于一种平衡状态。这意味着许多事情，比如成员星系的平均速度是星系团总质量的良好指标，不管总质量是不是造成其平均速度的原因。正是这些原因，引力弛豫系统是探测不发光的“暗”物质的绝佳利器。请允许我做一个更强有力的声明：如果不是因为存在弛豫系统，无处不在的暗物质可能至今尚未被发现。

*******

囊括所有球体的那个球体——其中最大的也是最完美的——是整个可观测宇宙。从每个方向上看去，所有星系都在离我们远去，其速度跟它们和我们的距离成正比。正如我们在前几章中所看到的，这是1929年埃德温·哈勃发现的膨胀宇宙的最大特征。

当把爱因斯坦的相对论和光速、膨胀宇宙，以及由于膨胀所致的质量和能量稀释结合在一起时，我们在每个方向上都能找到一个距离，在那里星系的退行速度等于光速。在这个距离上和更远处，所有发光物体的光在到达我们之前就失去了所有的能量。也就是说，这个球形“边缘”之外的宇宙是不可见的，也不为我们所知。

在众多“多重宇宙”的版本中，有一个曾经广为流传，它认为多重宇宙并非由完全独立的宇宙组成，而是在一个连续时空结构之内，由彼此孤立、相互无接触的口袋空间组成。这就像大海上的许多艘船，它们彼此距离足够远，因此它们的圆形地平线并不相交。就其中任何一艘船而言（如果没有进一步的数据），它都是大海上唯一的船只，尽管它们共享着同一个海洋。

*******

球体确实是多产的理论工具，能帮助我们洞察各种天体物理问题。但我们也不应该成为球形狂。我想起了一个关于“如何增加农场牛奶产量”的半认真的笑话：畜牧业专家会说：“改进奶牛的饲料……”工程师可能会说：“改进一下挤奶机的设计……”但轮到天体物理学家时，他说：“把奶牛改进成球形的怎么样……”

09　不可见光

Invisible Light

那么你还是用见怪不怪的态度对待它吧。

霍拉旭，天地之间有许多事情，

是你们的哲学所没有梦想到的呢。

——

《哈姆雷特》第1幕第5场

在1800年之前，在英文里，“光”（light）这个词除了用作动词和形容词外，指的只是“可见光”这个概念。但在那一年初，英国天文学家威廉·赫歇尔观察到了某种致暖效应，他认为这是由人眼看不见的光引起的。当时，赫歇尔已经是一个卓有成就的观测家，他在1781年发现了天王星，当时正在探索阳光、颜色和热之间的关系。他开始在一束阳光的路径上放置了一个棱镜——这并不新鲜，早在17世纪艾萨克·牛顿爵士就这样做了，并且命名了广为人知的七种可见光谱颜色：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。但赫歇尔的好奇心并未得到满足，他想知道每种颜色的温度可能是什么。所以他把温度计放在棱镜彩虹的不同区域，正如他猜想的那样，不同的颜色处确实记录下了不同的温度[12]。

设计完善的实验需要一个“对照组”，在对照组中你根本不指望有任何效果，它是作为实验的“傻瓜检验”而存在的。例如，如果你想知道啤酒对郁金香有什么影响，那么也可以同时拿另外一棵一样的郁金香，但给它浇的不是啤酒而是水。如果两种植物都死了——如果你把它们都杀死了——那么你就不能责怪啤酒。这就是对照组的价值所在。赫歇尔深知对照组的重要性，因此他在可见光谱之外，紧挨红光的那里也放了一个温度计，他预期在整个实验过程中这个温度计的温度不会超过室温。然而，意料之外的事儿发生了，对照组温度计的温度上升得比红色光那里还要高。

赫歇尔写道：

“（我）得出结论，整个红色区域仍然没有落在最大热量处，最大热量甚至可能是位于可见光之外。在这种情况下，辐射热至少有一部分，如果不是主要的话，包括——如果我可以被允许如此表达——不可见的光；也就是说，来自太阳的光线之中，有一种能量与我们的视觉并不对应。”[13]

天哪！

赫歇尔无意中发现了红“外”光（红外线），这是光谱紧挨红色“之外”的全新部分，他在关于这一主题的四篇论文中的第一篇报告了这一发现。

赫歇尔发现的秘密在天文学里的地位，相当于荷兰科学家安东尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）发现的一滴湖水里有“许多非常小的活物，动得飞快”[14]。列文虎克发现了单细胞生物——一个生物学的宇宙；赫歇尔发现了一个新的光带。这两者都隐藏在众目睽睽之下。

其他研究人员马上接续了赫歇尔未涉足的范围。1801年，德国物理学家和药剂师约翰·威廉·里特（Johann Wilhelm Ritter）发现了另一个不可见光带。里特这次利用的不是温度计，他把一小堆光敏氯化银放置在每个可见光颜色区域，也放在了紧挨着紫色频谱结束的黑暗区域。果然，看似无光照区域中的那一小堆氯化银变黑的程度，要比紫色区域的还要深。紫色之外有什么？紫“外”光（紫外线）。

按照从低能、低频到高能、高频为序，来填满整个电磁波谱，我们就有了：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。现代文明巧妙地利用了其中每一个频段，制造了无数的家庭和工业设施，让我们熟悉了它们。

*******

在发现红外线和紫外线之后，天文观测没有在一夜之间改变。直到130年后，第一台用于探测不可见光波段电磁波的望远镜才建成。这时，无线电波、X射线和伽马射线早已被发现，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）也已证明，不同种类的光唯一真正的区别其实就是它们的频率。事实上，正是赫兹认识到了这一点，我们才有了电磁波频谱这个东西。为了纪念他，所有物体的振动频率的单位，都叫作赫兹。

奇怪的是，从发现不可见光带，到想到建造不可见光望远镜这个过程，天体物理学家显得有点迟钝。技术尚未完备肯定是重要原因，但人类的傲慢也要承担一部分责任：宇宙怎么可能向我们发出我们的神奇肉眼看不到的光？超过三个世纪——从伽利略时代，直到埃德温·哈勃时代，建造望远镜只意味着一件事：制造一种捕捉可见光的仪器，增强我们天赋的视力。

望远镜仅仅是增强我们贫乏感官的工具，使我们能够更好地了解遥远的宇宙。望远镜越大，它就能让我们看见越暗淡的天体；镜片磨制得越完美，产生的图像就越清晰；它的探测器越灵敏，观测就越高效。在任何情况下，望远镜传递给天体物理学家的每一点信息，都是承载于光束之上来到地球的。

然而，天上发生的事情，并不只局限在人类方便观测的可见光波段。相反，它们通常在多个波段同时发出不同数量的光。因此，如果望远镜和探测器不能感知整个光谱，天体物理学家们将会错过许多宇宙中令人兴奋的东西。

以爆炸的恒星——超新星为例。这是宇宙中常见的高能事件，会产生数量巨大的X射线，有时在爆炸的同时，还伴随着伽马射线爆发和紫外线闪光，当然也少不了可见光。在爆炸气体冷却，冲击波消散，可见光变暗之后很久，超新星的“残骸”持续在红外波段发光，同时发出射电脉冲，这是宇宙中最可靠的计时器——脉冲星就是由此而来。

大多数恒星爆炸发生在太遥远的星系，但是如果一颗恒星在银河系内爆发，它的垂死挣扎将会亮到让每个人都能看见，根本无须望远镜。最近我们星系中的两次超新星爆发，一次发生在1572年，一次发生在1604年，虽然这两次壮丽的天象被广为记载，但它们产生的不可见的X射线或伽马射线却没人看到。

天文观测设备，是根据其观测的光波波段来设计的，这就是为什么没有单一的望远镜和探测器能同时看到这类爆炸的所有特征。但解决这个问题的方法很简单：收集多个光波段中得到的所有观测结果（或许由你的同行观测所得），然后给不可见的光指定某种可见光的颜色，从而创建一幅多波段图像。这正是电视剧《星际迷航：下一代》中的角色乔迪所看到的景象。有了这种“视力”，你将什么都不会错过。

只有在你确定了你想观测的波段后，你才能考虑你的望远镜的镜面大小、建造所需的材料、它的形状和表面，以及你需要何种探测器。例如，X射线波长非常短，所以，如果你要收集它们，你的镜子就要超级光滑，以免表面的瑕疵扭曲它们。但是如果你要收集波长很长的无线电波，你的镜子用你徒手弯成的铁丝网就可以了，因为铁丝的不平整比无线电波的波长要小得多。当然，你也需要大量的细节（高分辨率），所以只要资金充足，你的镜子应该尽可能地大。最后，你的望远镜口径必须远远大于你要探测的光波波长，在这方面，最明显的例子无疑是射电望远镜。

*******

射电望远镜，最早的不可见光望远镜，是天文台的一个令人惊异的亚种。美国工程师卡尔·G. 央斯基（Karl G. Jansky）在1929年和1930年间成功地建成第一座射电望远镜。它看起来有点像无人农场的移动洒水系统。它由一系列高大的长方形金属框架制成，用木制的侧撑和底盘固定，下面安上了四个用福特T型汽车备胎做成的轮子，可像旋转木马一样转起来。央斯基调节这个30米长的装置，让其观测波长大约15米的电磁波，对应的频率为20.5兆赫。[15]央斯基为贝尔电话实验室工作，他建造这台设备是为了研究地面无线电通信的可能污染。这非常类似于35年后贝尔实验室给彭齐亚斯和威尔逊的任务，在后两者的接收机中发现了微波噪声，正如我们在第3章中看到的，这促成了宇宙微波背景的发现。

央斯基用他那个简单拼凑而成的天线，花了好几年时间，仔细追踪和记录接收到的静电噪声，他发现，无线电波不仅来自当地的雷暴和其他已知的陆地来源，也来自我们银河系的中心。那片天空区域每23小时56分钟就会经过望远镜的视野一次：这正是地球在太空中自转的周期，也正是银河中心回到天空同一个角度和高度所需要的时间。卡尔·央斯基发表了他的观测结果，标题为《显然来自地外源的电子干扰》[16]。

这项观测标志着射电天文学的诞生——但央斯基本人并未意识到这一点。贝尔实验室调整了他的工作，使他没能在他本人开创性的发现上取得更多的成果。不过，几年之后，来自伊利诺伊州惠顿市的一个名叫格罗特·雷伯（Grote Reber）的美国人，在自家的后院建造了一个9米宽的碟形金属射电望远镜。在1938年，在非受雇于任何人的情况下，雷伯证实了央斯基的发现，并在接下来的五年里制作了数幅低分辨率的射电天空地图。

雷伯的望远镜虽然是史无前例的创新，但根据今天的标准，它又小又粗糙。现代射电望远镜已经完全不是那样了。不受后院的束缚，它们有时是名副其实的巨型怪物。MK1望远镜，坐落在英国曼彻斯特大学乔德雷尔·班克天文台，它是一面可操控的76米宽的实心钢制单碟面，从1957年开始工作，是地球上第一个真正的巨型射电望远镜。在MK1开始运行几个月后，苏联发射了人造卫星“斯普特尼克1号”，这个盘状天线突然变成了跟踪轨道上那个小硬块的不二之选——这使它成为了追踪行星际太空探测器的太空跟踪网的先行者。

世界上最大的射电望远镜在2016年完工，被称为500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），简称 FAST。它是由中国在贵州省建造的，面积比30个足球场还大。如果外星人给我们打电话，中国人会第一个知道。

*******

干涉仪是另一种类型的射电望远镜，由相同的盘状天线阵列组成，分布在郊区的大片地区，用电子方式连接在一起工作。它能产生对辐射源天体的单一、连贯、超高分辨率的图像。早在快餐业发明“supersize me”这个口号之前，它已经是望远镜领域不成文的座右铭了，尤其射电干涉仪更是其中的庞然大物。其中之一，是在美国新墨西哥州索科罗附近的一个非常大的天线阵，官方名称就是甚大阵（Very Large Array，VLA），它由27架25米口径的碟状天线组成，分布在跨越35千米的沙漠平原轨道上。这座天文台是如此惊人，仿佛来自天外，因此多次成为电影大片的背景画面，包括《2010太空漫游》（1984），《超时空接触》（1997）和《变形金刚》（2007）。此外还有甚长基线阵列（Very Long Baseline Array，VLBA），10架25米的碟形天线从夏威夷到维尔京群岛，横跨8000千米，使它达到了世界上所有射电望远镜中的最高分辨率。

在微波波段的观测，对干涉仪来说是较新的任务，我们已经有了阿塔卡玛大型毫米波阵列（Atacama Large Millimeter Array，ALMA），它拥有66架天线，位于遥远的智利北部安第斯山脉。ALMA可以在不到1毫米到几厘米的波长范围内调节，让天体物理学家们能够用高分辨率看到其他波段无法看见的宇宙动态，如正在坍缩的星云结构，它们将成为恒星诞生的育婴房。ALMA之所以坐落在地球上最干旱的所在——海拔4800米的高原，是为了避开潮湿的云层。水可能对微波炉加热食物来说是很好的，但对天体物理学家来说是有害的，因为来自银河系甚至更远处的原始微波信号，会被地球大气层中的水蒸气吸收。水和微波关系密切: 水是食物中最常见的成分，而微波炉工作时主要是在加热食物中的水分。这预示着，微波碰到水，会被水吸收。因此，如果你想得到尽可能清晰的天体图像，必须像ALMA那样，想办法把望远镜和宇宙之间的水汽量降到最低。

*******

在电磁波谱的超短波长那一头，你会发现高频、高能的伽马射线，波长在皮米[17]量级。伽马射线是在1900年发现的，但一直到1961年美国宇航局的“探险者11号”卫星搭载了一架新的望远镜，才在太空里探测到了伽马射线。

任何经常看科幻电影的人都知道伽马射线对你有害。你可能会变成满身绿色的彪形大汉，或手腕上会喷出蜘蛛丝的怪咖。但伽马射线也很难被捕获，因为它们能穿透普通的透镜和反射镜。那么，如何去观察它们呢？“探险者11号”上望远镜的核心放着一个叫作闪烁器的装置，它通过发射出带电粒子来响应入射的伽马射线。如果你测量那些粒子的能量，你就能判断是哪种高能光创造了它们。

两年后，1963年，苏联、英国和美国签署了《部分禁止核试验条约》，禁止在水下、大气层和太空进行核试验——在那些地方核辐射可能扩散和污染到试验国以外的地方。但这是冷战时期，那个时代没有人相信任何人说的任何事情。援引“信任但要查证”的军事法令，美国部署了一系列新的卫星，即“维拉卫星”，用来监控由苏联的核试验所致的伽马射线爆发。这些卫星确实发现了伽马射线的爆发，几乎每天都有，但完全怪不到苏联头上。这些射线来自宇宙深空——后来被证明是来自宇宙间断续的、遥远的、规模巨大的恒星爆炸，这标志着伽马射线天体物理学的诞生，也是我所在研究领域的一个新的分支。

在1994年，就像维拉卫星的发现那样，美国宇航局的康普顿伽马射线天文台发现了一些出人意料的事情：在地球表面附近有频繁的伽马射线闪光。它们被理智地称为“地面伽马射线闪光”。核浩劫？不，从你正在读这句话的事实可以明显看出世界安然无恙。并非所有的伽马射线都是致命的，也不是都源自宇宙。每天在雷雨云的顶部附近，就在普通的闪电发生前的一瞬间，至少有五十次这样的闪光发生，它们的成因仍然是个谜，但最好的解释是，在雷雨云中，自由电子加速到接近光的速度，然后撞击到大气原子的原子核，从而产生了伽马射线。

*******

今天，在光谱中的每一个不可见波段都有望远镜在运作，其中一些位于地面，但大部分位于太空——在那里，望远镜的视野不受地球大气层的阻碍。我们现在观测宇宙使用的波长，跨越了从数十米的低频无线电波，到不超过千万亿分之一米的高频伽马射线的广大范围。如此丰富的光源让天体物理学的新发现永无止境：想知道星系中的恒星中潜藏着多少气体？射电望远镜最擅长这项工作。如果没有微波望远镜，就不可能有关于宇宙背景的知识，也不可能真正理解大爆炸宇宙学。想偷看银河系星云深处的恒星育婴房吗？注意红外线望远镜正在做的事情。在普通黑洞和星系中心的超大质量黑洞附近的辐射是什么情况？紫外线和X射线望远镜做得最好。想看一颗40倍太阳质量的庞大恒星的高能爆炸吗？通过伽马射线望远镜能够目击好戏。

从赫歇尔的“不可见光”实验以来，我们已经有了长足进步，让我们能够探索宇宙的真面目，而不是它看起来的样子。赫歇尔如果有知，肯定会很自豪的。我们只有在看到了不可见之物以后，才获得了真实的宇宙图景：在我们的哲学中，我们现在所梦想的，是跨越空间、跨越时间的，一个丰富灿烂的天体和现象的集合。

10　在行星之间

Between the Planets

从远处看，我们的太阳系很空旷。如果你把它封闭在一个球体内——一个足够大，足以包含最远的行星海王星的轨道[18]，那么太阳、所有行星以及它们的卫星所占据的体积，只占这个球体的万亿分之一略多一点儿。但行星之间的太空并非空无一物，而是包含各种形式的大石块儿、小石块儿、冰球、尘埃、带电粒子流，还有远航的太空飞船。太空里还遍布着巨大的引力场和磁场。

行星际空间并非空无一物，地球在轨道上的运行速度是每秒30千米，每天能扫到数百吨的流星体——其中大部分还没有一粒沙子大。流星体冲进大气层时能量如此之高，以至于几乎全部刚一接触就气化了，随即在地球上层大气中燃烧殆尽。我们地球上的这些脆弱物种，有赖于这层大气保护罩才得以生存演化。更大的，像高尔夫球大小的流星体升温很快，但不均匀，并且经常粉碎成许多小碎片，然后气化。还有更大的流星，表面都被烧焦了，但整个地落到了地面。你会认为，到现在为止，经过绕太阳旅行46亿圈之后，地球将会“清空”轨道路径上所有可能的碎片。并没有。但和过去比起来，现在的情况已经好多了。在太阳和它的行星形成后的5亿年里，有太多的碎片像暴雨一样落在地球上，持续撞击产生的热量使地球大气层变得炽热，连我们的地壳都熔化了。

一块非常大的碎片导致了月球的形成。从阿波罗登月计划带回来的月球样本中，科学家们意外地发现月球上缺少铁和其他更重的元素，这表明月球很有可能是从地球上缺铁的地壳和地幔中飞出去的，是一颗游荡的火星大小的原行星与地球任性碰撞的后果。这次碰撞后飞到轨道上的碎片合并形成了我们那颗可爱的低密度卫星。除了这次特别大的事件外，地球在其幼年时期所经受的猛烈轰击，在太阳系的行星和其他大型天体中并不罕见。它们也分别遭受了相似的创伤，这从月亮和水星的表面可以清楚地看到，由于没有大气，从而不会发生侵蚀作用，它们身上保留了这一时期的大多数撞击坑。

不仅太阳系被其形成时期的残骸撞得伤痕累累，而且附近的行星际空间还包含着火星、月球和地球遭受高速撞击时，从其表面抛出的大大小小的岩石。对流星撞击的计算机模拟表明，撞击区附近的地表岩石能够被以足够大的速度向上抛起，从而逃脱母体的引力束缚。根据在地球上发现火星陨石的概率，我们得出的结论是每年大约有1000吨的火星岩石掉落在地球上；也许有相同量级的陨石从月球到达地球。回想起来，我们其实不必特意去月球带回月球岩石，我们身边就有很多，不过在阿波罗计划期间我们还不知道这一点。

*******

太阳系的大多数小行星主要分布在主小行星带上，这是火星和木星轨道之间一个大致平坦的区域。根据传统，发现者可以根据喜好来命名他们发现的小行星。虽然艺术画中会把小行星带描绘成太阳系盘面上遍布奇石的一片区域，但那里的小行星总质量不到月球的5%，而月球自身的质量仅比地球质量的1%大一点。听起来无关紧要。但是它们的轨道不断地受到扰动，因此形成了数以千计的危险小行星，其椭圆轨道与地球的轨道相交。一个简单的计算表明，它们中的大部分将在1亿年内撞击地球。那些大于1千米的小行星碰撞所产生的能量足以破坏地球生态系统，并将地球上的大部分陆地物种置于被灭绝的危险之中。

那就太糟糕了。

小行星不是唯一对地球上的生命构成威胁的天体。“柯伊伯带”是一个布满彗星的带状环形区域，它开始于海王星的轨道之外，宽度范围和太阳到海王星的距离相当，冥王星也被包括在内。荷兰出生的美国天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）提出了这样的观点：在寒冷的太空深处，在海王星的轨道之外，还有来自太阳系形成时的冰冻剩余物。如果它们没有坠落到一颗大行星上，这些彗星将会绕太阳运行数十亿年。跟小行星带一样，柯伊伯带的一些天体沿着椭圆轨道行进时，也会与其他行星轨道交叉。比如冥王星和它的伙伴们组成的冥族小天体，会穿过海王星的公转轨道。其他柯伊伯带物体会一直深入到内太阳系，任性地穿越行星轨道。这些天体中，最著名的是哈雷彗星。

比柯伊伯带更远处，一直延伸到距离最近恒星一半路程的位置，还有一个球状的彗星库被称为“奥尔特云”，得名于首先推断其存在的荷兰天体物理学家简·奥尔特（Jan Oort）。这个区域是长周期彗星的来源，那些彗星的轨道周期远长于人类的寿命。与柯伊伯带彗星不同，奥尔特云彗星可能从任何角度和任何方向进入内太阳系。20世纪90年代的两个最亮的彗星——海尔-波普彗星和百武彗星，都来自奥尔特云，而且短时间内它们将不再回来。

*******

如果我们的眼睛能看到磁场，那么木星看起来要比天上的满月大十倍。访问木星的航天器必须被设计成不受这种强大力量的影响。正如英国物理学家迈克尔·法拉第在19世纪所证明的那样，如果你让一根导线通过一个磁场，沿导线长度方向就会产生电压。正是这个原因，快速移动的金属太空探测器的内部将会产生电流。同时，这些电流自身又会产生磁场，它们与周围的磁场相互作用，从而阻碍太空探测器的运动。

我最后一次细数太阳系中各行星的卫星数量时，一共是56颗。然后有一天我早上醒来，得知在土星周围又发现了十几个。从此之后，我决定不再管这些数字了。我现在关心的是，这些卫星中，哪个是有趣的、值得研究的。从某些方面来看，太阳系的卫星比它们所环绕的行星要更为迷人。

*******

地球的卫星是月亮，它的直径约为太阳直径的1/400，但它到地球的距离，也是它和太阳距离的1/400，从而使太阳和月亮在天空中看起来一样大——这个巧合在太阳系的行星-卫星组合中是独一无二的，也让我们得以拍到独特的日全食照片。地球也潮汐锁定了月球，使它绕轴自转和绕地球公转具有同样的周期。只要发生这种情况，被锁定的卫星就只会永远以同一面朝向它的母星。

木星的卫星系统充满了怪胎。木卫一（Io），是最接近木星的卫星，它也被潮汐锁定，由于受到木星和其他卫星的挤压作用，这颗小球体产生了足够的热量，使其内部岩石都熔化了，因此木卫一是太阳系中火山最活跃的地方。木卫二，还有一个名字叫欧罗巴（Europa），它上面有大量的水，它的加热机制——跟木卫一一样——已经融化了表面之下的冰，于是在冰面之下存在着温暖的海洋。如果有第二好的地方去寻找生命，就是这里。（有一位艺术家曾经问我，来自欧罗巴的外星人是否应该被称为“欧洲人”。我想不到其他任何貌似合理的答案，只能点头称是。）

冥王星的最大的卫星，冥卫一（Charon，卡戎），和冥王星比起来，它个头很大，而且很靠近冥王星，于是冥王星和它彼此潮汐锁定了对方，它们的自转周期和公转周期是相同的。我们称之为“双潮汐锁定”，这个词儿听起来像是尚未发明的摔跤套路。

根据惯例，太阳系的行星基本以罗马神话里的诸神命名，卫星则以希腊神话里与之相关的诸神角色来命名。古典文学里的神灵有着复杂的社会生活，所以不缺人物角色来给那么多卫星命名。这条规则的唯一例外是天王星的卫星，它们以英国文学的各种角色来命名。除了那些用裸眼轻易可见的行星，英国天文学家威廉·赫歇尔爵士是第一个发现新行星的人，他是英王忠诚的臣民，所以他原本准备以英国国王的名字来命名天王星。如果威廉爵士成功了，行星名单将会如下：水星、金星、地球、火星、木星、土星和乔治。幸运的是，清醒的头脑占据了上风，若干年后还是采用了符合古典传统的名字：天王星（Uranus，宙斯的祖父），但是他以莎士比亚的戏剧和亚历山大·蒲柏的诗歌里的人物来命名卫星的最初建议成为延续至今的传统。在它的27颗卫星里，我们会发现天卫一爱丽儿（Ariel）、天卫六考狄利娅（Cordelia）、天卫十荻丝梦娜（Desdemona）、天卫十一朱丽叶（Juliet）、天卫七奥菲利亚（Ophelia）、天卫十二波西娅（Portia）、天卫十五波克（Puck）、天卫二安布瑞尔（Umbriel）和天卫五米兰达（Miranda）。

太阳从它的表面以超过每秒100万吨的速度散失物质，我们称之为“太阳风”，它主要的形式是高能带电粒子，速度高达每秒1600千米。这些高能粒子流在遇到行星磁场时会发生偏转。这些粒子螺旋向下进入行星的南北磁极地区，与气体分子激烈碰撞，从而使大气发光，形成丰富多彩的极光。哈勃太空望远镜已经在土星和木星两极附近发现了极光。在地球上，北极光和南极光时常提醒我们，拥有一个起到保护作用的大气层是多么好。

地球大气层从地面向上延伸数十千米。“低”地球轨道上的卫星通常在200到800千米高度飞行，绕地球一圈大约需要90分钟。虽然在这样的高度你无法呼吸，但这里仍然存在一些大气分子——足以缓慢地消耗卫星的在轨能量。为了对抗这种阻力，低轨卫星需要经常提升轨道高度，以免落回地球而在大气层中烧毁。另一种定义大气层边缘的方法是，看何处它的气体分子密度等于行星间的气体分子密度。根据这个定义，地球大气层的范围将绵延数千千米。

在更高的位置上，大约36000千米（地球到月球距离的1/10）处，运行的是通信卫星。在这个特殊的高度上，地球的大气层不仅无关紧要，而且卫星的速度足够低，它需要一整天的时间才能围绕地球完成一次公转。在与地球自转速度精确同步的轨道上，这些卫星似乎一直悬停着，这使它们成为从地球表面一处向另一处发送信号的理想中继站。

*******

牛顿定律特别指出，随着你离行星越来越远，行星对你的引力也就变得越来越弱，但并不会降到零。木星以其强大的引力场拦住了许多彗星的去路，否则它们将会在内太阳系肆虐。木星充当了地球的引力盾牌，就像一个魁梧的大哥哥，让地球拥有了长期（数亿年）的相对和平和安宁。没有木星的保护，地球上的生物将很难进化成有趣的复杂生命，并且总是会生活在毁灭性撞击带来的灭绝危机之中。

我们发射到太空的几乎每一个探测器都利用了行星的引力场。例如探索土星的“卡西尼号”，它就是经过了金星的两次引力助推，地球的一次助推（返回飞越），木星的一次助推。像连续变向的弹子球，借助一个行星的引力到达另一个行星是很常见的操作手段，否则仅靠火箭提供的能量和速度，探测器将无法到达它们的目的地。

我现在对太阳系的一些行星际残片负责。2000年11月，由大卫·李维和卡罗琳·舒梅克发现的主带小行星1994KA，被命名为13123-泰森以向我致敬。虽然我喜欢这种荣誉，但其实也没有什么好自夸的，因为好多小行星有我们熟悉的名字，如乔迪、哈里特和托马斯，甚至还有的小行星叫梅林、詹姆斯·邦德和圣诞老人。

目前发现的小行星已经有数十万颗，可能很快就会多得起不出名了。但不管那一天是否到来，我都颇感欣慰的是，以我的名字命名的那一块宇宙碎片并不孤单，因为在行星之间，跟它在一起的还有一大串以真实和虚构人物命名的其他碎块。

我也很高兴，目前，我的小行星没有朝地球冲过来。

11　另一个地球

Exoplanet Earth

无论你喜欢快跑、游泳、步行，还是爬行，从地球上一个地方到另一个地方的过程中，你都可以欣赏到我们这个星球上无穷的景色。你可能会看到峡谷绝壁上一条粉红色的石灰岩，一只在玫瑰茎上吃着蚜虫的瓢虫，一只从沙子里探出头来的蛤蜊。你所要做的就是看。

然而，如果从一架正在爬升的飞机的舷窗向外看，这些表面细节都将迅速消失。看不到蚜虫，也看不到好奇的蛤蜊。到达大约1万米巡航高度，连辨认高速公路都变得不容易。

当你进入太空时，更多的细节又消失了。从轨道高度约400千米的国际空间站窗口看出去，在白天你可能会认出巴黎、伦敦、纽约和洛杉矶，不过这是因为你在地理课上学过它们的位置。到了晚上，它们向四处蔓延的城市灯光使其显得更加明显。在白天，与传言不同，你看不到吉萨的大金字塔，也看不到中国的长城，它们毫不醒目的很大一部分原因是它们都是用取自周围环境的土和石头建成。虽然长城有万里之长，但它只有6米宽——比公路都窄，在飞机上都快看不到公路了，在更高的空间站上自然看不到长城。

从国际空间站轨道上用裸眼可以看到以下场景：1991年第一次海湾战争结束时，从科威特的油田大火中升起的烟柱；2001年9月11日从纽约燃烧的世贸中心腾起的浓烟。你也会注意到水田和旱田之间的绿色-褐色界限。除了这些之外，再也没有什么人造景观能让你从数百千米的天上辨认出来了。不过，你可以看到许多自然风光，包括墨西哥湾的飓风、北大西洋的浮冰，以及任何地方发生的火山喷发。

在38万千米之外的月球上，你将看不到纽约、巴黎，以及地球上任何大城市的都市灯火。但从月球上看过来，你仍然可以看到大型天气锋面（weather front）在地球上移动。当火星离地球最近时，距离大约5600万千米，从火星上用业余天文望远镜可以看到地球上被冰雪覆盖的大型山脉和大陆边缘。如果前往48亿千米外的海王星——在宇宙尺度上来说就是下一条街，太阳的亮度便只有现在的千分之一，在天空中占据的面积也只有地球上看到的千分之一。地球本身呢？它是一颗并不比暗星更亮的小斑点，几乎消失在了太阳的光芒里。

1990年，“旅行者1号”在海王星轨道外拍摄的一张著名照片，证明了从宇宙深空看来，地球是多么平淡无奇——“暗淡蓝点”，这是美国天体物理学家卡尔·萨根给它的称呼。这已经很大方了。如果不是特地加上辅助说明，你甚至可能都不知道它在那儿。

假如某些具有高等智慧的外星人，用他们的超级视觉器官以及最先进的设备，从远方巡视天空，那会发生什么？他们可能发现地球的哪些特征？

首先是蓝色，这是地球最重要的特征。水覆盖着地球表面的2/3还多；仅太平洋就占据了地球的一半。任何能探测出地球颜色的外星人，肯定会推断出水的存在，它是宇宙中第三丰富的分子。

如果外星人的设备分辨率足够高，他们看到的就不仅仅是一个暗淡蓝点。他们也会看到蜿蜒的海岸线，强烈地暗示着水是液态的。聪明的外星人肯定知道，如果一个行星有液态水，那么那个行星的温度和大气压就会保持在一个很容易确定的范围内。

地球独特的极地冰盖，随着季节温度的变化而消长，这是在可见光波段不难分辨的特征。推测出地球的自转是24小时也很容易，因为同一块陆地会在非常规律的时间间隔里进入他们的视野。外星人也会看到大型天气系统来来去去；通过仔细研究，他们可以很容易把云层与地表的特征区分开来。

该检验一下实际情况了。最近的太阳系外行星——围绕着太阳以外的恒星旋转的行星——位于半人马座α恒星系统中，它距离我们大约4光年，是一颗三合星系统，主要在南半球可见。而人类目前已发现的大多数系外行星位于几十到数百光年之外。地球的亮度不到太阳的十亿分之一，而且离太阳很近，这使得任何人想用可见光望远镜直接看到地球都非常困难。这就像在好莱坞的一盏探照灯附近探测萤火虫的发光一样。因此，如果外星人已经发现了我们，他们很有可能不是用可见波长看到的，比如红外线。在红外波段，地球的亮度和太阳比起来差异要小一些。不过，外星人工程师也可能采取其他的搜寻策略。

也许他们在做一些我们的行星猎人经常采用的方法：监视恒星，看它们是否定期地晃动。一颗恒星的周期性晃动暴露了它周围行星的存在。与大多数人的想法不一样，行星不是简单地绕其主星公转，而是和它的主星围绕着它们共同的质心一起转动，行星越大，恒星晃动的幅度就越大，当你分析恒星的光谱时就可以更容易地做出预测。而这颗行星可能太暗淡而无法直接看到。对于搜寻行星的外星人来说，不幸的是地球很小，所以太阳几乎不怎么晃动，这将进一步挑战外星工程师们的技术水平。

*******

美国国家航空航天局（NASA）的开普勒望远镜设计，就是为了发现和太阳类似的恒星周围的类地行星，它运用了另一种探测方法，大大增加了系外行星的发现数量。开普勒搜索的是那些总亮度定期略有下降的恒星。在这种情况下，开普勒的视线方向上正好可以看到一颗恒星会变暗一点点，原因是它的一颗行星正好从主星前面经过。不过，用这种方法你看不到行星本身，甚至也看不到恒星表面的任何特征。开普勒只是跟踪了恒星总光度的变化，但已经找到了数以千计的系外行星，包括数以百计的多行星系统。从这些数据中，你还可以了解到系外行星的大小、它们的轨道周期，以及它们与其主星的轨道距离。你也可以对行星质量做出有根据的推测。

在银河系某些位置的恒星看来，地球总是会出现于其视线方向上，当地球从太阳跟前经过时，它会遮挡太阳表面的万分之一，从而使太阳总光度从正常值变暗万分之一。这样外星人就会发现地球的存在，但对地球表面发生的事情则一无所知。

用无线电波（射电波）和微波来侦测地球的存在或许是不错的办法。也许那些监听我们的外星人，有类似于中国贵州省的500米口径射电望远镜这样的设备。如果他们有，如果他们调谐到正确的频率，他们肯定会注意到地球——或者更确切地说，他们会注意到我们的现代文明是天空中最“明亮”的无线电波和微波来源之一。我们不仅有传统的广播本身，而且还有电视、手机、微波炉、车库门钥匙、车门钥匙、商用雷达、军用雷达和通信卫星。地球在长波频段中闪耀——壮观的证据表明这里发生了一些不寻常的事情，因为小型岩石行星在自然状态下，几乎不会发出任何无线电波。

因此，如果那些外星监听者把他们自己的射电望远镜指向我们，他们可能会推断我们的行星拥有科技文明。但麻烦的是，他们也可能做出其他解释。也许他们无法区分地球的信号与太阳系中较大行星的信号，因为这些大行星都是无线电波的巨大来源，特别是木星。或许他们会认为我们是一个新型的、奇怪的、无线电密集的行星。或许他们无法区分地球的射电辐射与太阳的辐射，迫使他们断定太阳是一种新型的、奇特的、无线电密集的恒星。

我们地球上天体物理学家就被类似的事件难住过。1967年英国剑桥大学的安东尼·休伊什（Antony Hewish）和他的团队正在用射电望远镜巡视天空，寻找所有的强射电源时，发现了一个非常奇怪的东西：一个天体具有精确的脉冲，重复的时间间隔略大于一秒。休伊什的研究生贝尔（Jocelyn Bell）是第一个注意到这一点的人。

不久，贝尔的同事们证实，脉冲来自很远的深空。认为这个信号是人为技术发出的想法——也就是在太空里另一种文明发出的信号——是令人难以抗拒的。正如贝尔所说：“我们没有证据证明这是一个完全自然的射电辐射源……当时我试图用一种新技术取得博士学位，可一些愚蠢的小绿人竟然选择了我的天线和我的频率来跟我们联系。”然而，几天后，她又发现了来自银河系其他地方的重复信号。贝尔和她的同事们意识到他们发现了一类新的宇宙天体——完全由中子组成的恒星，它旋转的同时发射出射电脉冲。安东尼·休伊什和贝尔明智地将它们命名为“脉冲星”。

事实证明，拦截射电波并不是探听宇宙秘密的唯一方法，还有宇宙化学。对行星大气的化学分析已经成为现代天体物理学的一个活跃领域。你可能猜到了，宇宙化学依赖于光谱学——通过光谱仪分析光。利用光谱学家们的工具和方法，宇宙化学家们可以推断出在一颗系外行星上是否存在生命，不管那种生命是否有感知能力、智慧或科学技术。

这个方法之所以有效，是因为每种元素、每种分子，不管它存在于宇宙的什么地方，都以唯一的方式吸收、发出、反射和散射光。正如前面已经讨论过的，让光通过光谱仪，你会发现可以被称为化学指纹的特征。最明显的指纹特征主要是由环境压力和温度激发的化学物质形成的。在行星大气中，化学指纹非常丰富。如果一个星球上充满了动植物，它的大气层将富含生物标记，也就是生命的光谱证据。无论这种标志物是来源于生物（由某种或所有生命形式产生）、人类活动（由广义的智人物种产生），还是科技（由技术产生），这些证据都将难以隐藏。

除非他们碰巧生来就有内置的光谱传感器，进行太空搜索的外星人需要建造光谱仪来读取我们的“指纹”。但最重要的是，地球必须经过太阳前面（或其他光源前面），让光得以穿过我们的大气层并继续传到外星人那里。这样，地球大气层中的化学成分就能与光相互作用，留下可以观测的印记。

有些分子——氨、二氧化碳、水，在宇宙中到处都有，无论那里是否存在生命。但另一些分子，在有生命存在的环境中会特别多。另一个容易被检测到的生物标志物，是地球上的甲烷含量，其中2/3是由与人类有关的活动产生的，如燃料油生产、水稻种植、污水以及家畜的打嗝和放屁。其余1/3的甲烷来自自然环境，主要是湿地里分解的植被和白蚁的排泄物。不过，在自由氧匮乏的地方，甲烷并不总是需要有生命才能生成。此时此刻，太空生物学家们正在争论火星上微量的甲烷以及土卫六（泰坦）上大量甲烷的确切来源，我们推测那里并没有奶牛和白蚁。

如果外星人在我们绕太阳公转时跟踪地球的夜晚一侧，他们可能会注意到有钠元素出现，它来自大量使用的钠蒸气路灯。然而，最有说服力的证据是我们星球上那些自由飘浮的氧气，它们构成了我们足足1/5的大气。

氧——是宇宙中第三丰富的元素，排在氢和氦之后，具有很强的化学活性，并且很容易与氢、碳、氮、硅、硫、铁等原子结合。它甚至也与自己结合。因此，要让氧气含量保持在稳定的状态，一定是氧气释放的速度跟它被消耗的速度一样快。在我们地球这里，氧气的产生可以追溯到生命身上。由植物和许多细菌进行的光合作用，在海洋和大气中产生自由氧。自由氧反过来又能使代谢氧气的生命得以存在，包括我们和动物王国中几乎所有其他生物。

作为我们地球人，我们已经深知我们星球独特的化学指纹的意义。但是，那些来到我们面前的遥远的外星人，将不得不解释他们的发现并检验他们的假设。钠的周期性出现是否一定是来源于科技？自由氧肯定是生物产生的，那么甲烷呢？甲烷的化学性质是不稳定的，有些来自人类活动，但是正如我们所看到的，甲烷也有非生命活动的来源。

如果外星人认为地球的化学特征是生命的确切证据，也许他们会想知道这种生命是否拥有智慧。想必外星人彼此有交流，也许他们也会相信其他的智慧生命也能互相交流。也许那时他们就会决定用射电望远镜监听地球，看看其居民所掌握的电磁波频谱是哪一波段。因此，不管外星人是用化学手段还是用无线电波来探索，他们可能都会得出同样的结论：地球是一个有先进技术的星球，那些技术是由智慧生命形式发展起来的，他们可能会致力于发现宇宙是如何运作的，然后又为个人利益或公众利益而应用那些科学规律。

如果外星人进一步分析地球大气的化学指纹，人类的生物标志物也将包括硫酸、碳酸和硝酸，以及化石燃料燃烧形成的其他成分。如果好奇的外星人碰巧在社会上、文化上和技术上比我们要先进得多，那么他们肯定会把这些生物标记解释为地球上缺乏智慧生命的有力证据。

*******

第一颗太阳系外行星是在1995年被发现的，而在我写作本书时，统计数字正在上升到3000颗，大多数是在银河系里太阳系附近的一小块儿区域里发现的。所以，系外行星的数量应该还有很多。毕竟，我们的星系有超过1000亿颗恒星，而已知的宇宙蕴藏着数千亿个星系。

我们对宇宙中的生命的探索，驱动了对系外行星的搜索，其中一些行星在整体性质上与地球相似，虽然细节稍有差异。从目前的数据推测，仅在银河系就有多达400亿颗类地行星。将来，它们都是我们的后代可能造访的行星，当然最好是主动选择去访问，而不是迫不得已离开地球。

12　基于宇宙视角的反思

Reflections on the Cosmic Perspective

在人类创建的所有学科中，天文学被公认是而且无疑是最崇高、最有趣、最有用的。因为，通过这门科学所获得的知识，不仅地球之大部分被发现……；而且我们的能力随着它所传达的思想的宏大而扩展，我们的心灵因为超越了低级狭隘的偏见而得到升华。

——

詹姆斯·弗格森，1757[19]

早在有人知道宇宙有一个开端之前，在我们知道离地球最近的大星系有200万光年之前，在我们知道恒星如何发光或原子是否存在之前，詹姆斯·弗格森对他最喜欢的科学的热情介绍是如此真切。而且他说的话，除了18世纪的修辞，听起来就像是昨天写的。

但是谁会这样想呢？谁会来欢呼庆祝这个有关生命的宇宙视角？不是移民而来的农场工人，不是血汗工厂的工人，当然也不是在垃圾堆里翻找食物的流浪汉。你需要的是不必为了生存而付出全部时间的那种奢侈，你需要生活在政府重视探索人类在宇宙中的地位的国家，你需要生活在其中的智识追求可以让你做出前沿发现，并且你的发现可以被正常传播的社会。以这些作为标准，工业化国家的大多数公民都做得很好。

然而，这种宇宙视角也伴随着隐藏的代价。当我跨越几千千米去旅行，只为了在日全食期间在快速移动的月球阴影里度过一小会儿，有时我会忽视地球。

当我静下心来，思索我们膨胀的宇宙，嵌在不断延伸的四维时空中的众多星系疾速地飞离彼此，有时我会忘记无数行走在这个地球上的人还没有食物和住所，而且其中儿童的比例超乎寻常。

当我凝视那些证明在整个宇宙中存在神秘暗物质和暗能量的数据时，有时我会忘记每一天——地球每自转24小时——都有人以他们所信奉的神灵的名义杀人或者被杀，有些人不以神的名义杀人但以他们需要或想要的政治信条的名义杀人。

当我跟踪小行星、彗星和行星的轨道，它们每一个都是由引力精心策划的宇宙芭蕾舞剧中旋转的舞者，有时我会忘记太多的人的所作所为，他们无视地球大气、海洋和陆地之间微妙的相互作用，而其后果将导致我们的孩子和孩子的孩子付出健康和幸福的代价。

有时我会忘记，掌握权势的那些人很少会尽他们所能去帮助那些无法自救的人。

我偶尔会忘记这些事情，因为无论世界有多大——在我们的情感上，在我们的思想里，在我们超大的数字天图里——宇宙总是更大的。对有些人来说这是个令人沮丧的想法，但对我来说这是一个获得解放的想法。

想想一个成年人如何看待孩子们认为大不了的创伤：打翻的牛奶、摔坏的玩具、擦伤的膝盖。作为成年人，我们知道孩子对什么是真正的问题一无所知，因为缺乏经验大大地限制了他们作为儿童的观念。孩子们还不知道这个世界不是围着他们转的。

作为成年人，我们是否敢于向自己承认，我们也有一个共同的不成熟的观念？我们是否敢于承认，我们的思想和行为来自一种全世界都围着我们转的执念？表面上不是。然而证据比比皆是。掀开那些种族、民族、宗教、国家和文化冲突的面纱，你会发现人类的自负正在不断膨胀。

现在想象一个世界，其中每个人，特别是有权势和影响力的人，对我们在宇宙中的位置拥有开阔的眼界。如果从这个视角出发，我们的问题就会缩小，或者根本不会出现，我们就可以避免我们的前人因为世俗分歧而屠杀彼此的行为。

*******

早在2000年1月，重建后刚开放的纽约市海登天文馆[20]举办了一场名为《通向宇宙的护照》的太空秀[21]，这个活动带领游客们经历了一场从天文馆直到宇宙边缘的虚拟旅程。在这场秀中，观众观看了地球，然后是太阳系，接着又观看了银河系里的亿万星辰渐渐缩小成穹幕上一个几乎看不见的小点。

在开幕不到一个月时，我收到了来自常春藤盟校的一位心理学教授的信，他专门研究那些使人自觉渺小的事情。我从来不知道有人竟专攻这样的领域。他说他想对观众们进行一次观影前后的问卷调查，以评估他们在观看节目后的沮丧程度。他写道，《通向宇宙的护照》引发了他最强烈的渺小感和无意义感。

怎么可能呢？每次我看到太空秀（还有我们制作的其他节目），我都觉得自己充满力量和激情。人脑只有1400克重，而它产生的思维活动却能让我们找到我们在宇宙中的位置，这让我感到自己很强大。

请允许我指出，是这位教授，而不是我，误读了大自然。他这种毫无道理的自大，首先源于对所谓意义的幻想，另一方面“人是万物之灵长，宇宙之精华”的文化假设也助长了这种自负。

不过我也要为他说句公道话，我们大多数人都很容易受到人定胜天这类强势思维的影响。我曾经也是这样，直到后来我在生物课上学到“一厘米结肠里的细菌要比这个世界上存在过的人的总数还要多”。这类信息会让你对究竟是谁（或是什么）在实际掌控你我而思虑再三。

从那天起，我开始认为人类并非空间和时间的主人，而是作为一个伟大的宇宙存在链的参与者，与现存的和已灭绝的物种都有直接遗传联系，而且可以追溯到近40亿年前地球上最早的单细胞生命。

我知道你在想什么：我们比细菌更聪明。

毫无疑问，我们比任何曾经在地球上奔跑、爬行或匍匐的其他生物都更聪明。但我们有多聪明呢？我们烹调食物，我们谱写诗歌和音乐，我们从事艺术和科学，我们数学很好。即使你数学不好，你也比最聪明的黑猩猩好得多——它们的遗传特征与我们的差异微乎其微。无论如何，灵长类动物学家永远都找不到一只能做乘除法或三角几何的黑猩猩。

如果我们和我们的猿类近亲之间微小的基因差异，能解释表观上巨大的智力差异，那么智力上的这种差异也许并不那么巨大。

想象一种生命形态，他们的智力之于我们的差异，就像我们之于黑猩猩的一样。对于这样一个物种，我们的最高精神成就将是微不足道的。他们的幼儿不必是在芝麻街学习他们的ABC，而是在布尔大道学习多变量微积分[22]。我们最复杂的定理，我们最深奥的哲学，我们最有创造力的艺术珍品，只不过是他们的小学生带回家的随堂作业，用来让爸爸妈妈拿冰箱贴贴在冰箱门上展示的东西。这些生物将会研究斯蒂芬·霍金（他在剑桥大学担任的教授讲席曾经由艾萨克·牛顿拥有），因为他比其他的人稍微聪明一点儿。为什么？因为他可以在头脑中做理论天体物理学和其他基本计算，但这样的智力水平也就相当于刚从外星人学前班放学回来的小孩子。

如果一个巨大的基因鸿沟将我们和我们在动物王国中最近的亲戚分隔开来，我们就可以理直气壮地赞颂我们的聪明才智。我们可能有资格四处炫耀，认为我们离我们的近亲物种很远且截然不同。但并不存在这样的鸿沟。相反，我们与自然的其余部分是一个整体，我们的位置既不高于也不低于自然，而是属于自然。

需要更多消除自负的例子？对数量、尺度和规模做简单的对比就可以很好地说明问题。

就拿水来说吧。水很平常，也很重要。一个250毫升杯子里的水分子的数目，比世界上所有海洋里的水按杯计算的数目还要多。这一杯水里的分子数目之多，能够匀出1500个分子到世界上的每一杯水中。无可回避的是：你刚才喝的一些水曾流经过苏格拉底、成吉思汗和圣女贞德的肾脏。

空气怎么样呢？也是至关重要的。你每一次呼吸吸入的空气分子数目，比在地球整个大气层里的空气按“一呼吸”计算的数目还要多。这意味着你刚才呼吸的空气曾经通过了拿破仑、贝多芬、林肯和比利小子[23]的肺部。

该说一下宇宙了。宇宙中的恒星数目比任何海滩上的沙粒还多，比地球形成之后经历的秒数还要多，比曾经生活过的所有人写下的文字和发出的声音还要多。

想看过去的全景吗？宇宙的视角将带你去那里。光从太空深处到达地球是需要时间的，所以你看到的天体和现象并不是它们现在的样子，而是它们曾经的样子，几乎能够追溯到时间本身的开端。在这个可推算的范围内，宇宙进化的全景连续不断地展开。

想知道我们是由什么构成的吗？又一次，宇宙视角提供了一个比你的预期更让你震惊的答案。宇宙中各种化学元素是在大质量恒星尤其是其生命结束时发生剧烈爆炸的火焰中锻造出来的，这些元素丰富了它们所在的星系。结果呢？宇宙中四种最常见的活跃元素氢、氧、碳和氮，也是地球生命体中四种最常见的元素，碳更是生物化学的基础。

我们不只是生活在这个宇宙之中，宇宙就存在于我们的身体之中。

*******

有说法认为，我们甚至可能不是来自这个地球。当多个独立的研究路线被放在一起考虑时，迫使研究人员重新考虑我们是谁，我们来自哪里。正如我们已经看到的，当一颗大个小行星撞击一颗行星，撞击点周围的区域获得的反冲能量，能把岩石抛入太空。岩石以这种方式可飞往其他行星，并在其表面着陆。还有，微生物的适应能力可以相当强。地球上的极端微生物可以在太空旅行中遇到的温度、压力和辐射范围内生存。如果撞击产生的抛射岩石来自一个具有生命的行星，那么微生物群就会藏在岩石的角落和缝隙中。再有，最近的证据表明，太阳系形成后不久，火星是湿润的，并且可能是适宜生命繁殖的，甚至上面的生命比地球上出现得还要早。

总的来说，这些发现告诉我们，生命可能始于火星，后来才来到地球上播种生命，这一过程被称为“有生源说”。因此，所有的地球人可能——只是可能——是火星人的后裔。

*******

几个世纪以来，宇宙的发现一次又一次使我们对我们自身的看法降级。地球在天文学上曾经被认为是独一无二的，直到天文学家得知，地球只是绕太阳运行的又一颗行星。然后我们推测太阳是独一无二的，直到我们得知，夜空中无数恒星其实都是太阳。然后我们认为我们所在的星系即银河系是整个已知宇宙，直到我们确定，天空中的无数模糊天体是其他星系，布满我们已知宇宙的图景。

今天，我们多么容易假设只存在这一个宇宙。然而，现代宇宙学新出现的多种理论，以及对不可能存在任何独一无二的事物的不断重申，要求我们继续包容对我们的独特性期冀的最新冲击：多重宇宙。

*******

宇宙视角源自基础知识。但它又不仅仅是你所知道的知识，而是关乎拥有智慧和洞察力把那些知识用于评估我们在宇宙中的位置。它的特征是显而易见的：

宇宙视角来自科学的前沿，但它并不仅仅是科学家独占的。它属于每个人。

宇宙视角是谦逊的。

宇宙视角是精神上的——甚至是救赎的——但不是宗教的。

宇宙视角让我们能够以一种思想同时把握宏观和微观。

宇宙视角使我们的头脑对非凡的想法保持开放，但又不至于使我们脑洞太大以至于容易轻信我们被告知的任何事。

宇宙视角使我们睁开眼睛看宇宙，它不是被设计用于抚育生命的慈爱摇篮，而是一个寒冷、孤独、充满危险的地方，迫使我们重新评估所有人对彼此的价值。

宇宙视角表明地球是一颗尘埃。但它是一颗珍贵的尘埃，目前，它是我们唯一的家园。

宇宙视角在行星、卫星、恒星和星云的图像中发现着美，同时也颂扬着塑造它们的物理定律。

宇宙视角使我们的眼界能够超越我们的环境，让我们超越寻找食物、住所和伴侣的原始需求。

宇宙视角提醒我们在没有空气的太空中，旗帜不会飘扬——这也许是象征着在太空探索中我们不必掺杂进任何狂热的爱国情绪。

宇宙视角不仅包含了我们与地球上所有生命的遗传亲缘关系，而且也珍视我们与在宇宙中任何尚未发现的生命之间的化学亲缘关系，以及我们与宇宙本身的原子亲缘关系。

我们每个人如果至少一周一次——即使不能一天一次——思考在我们面前有什么宇宙真理未被发现，也许就会诞生一位聪明的思想家、一个巧妙的实验或一个充满创新的太空项目。我们可能会进一步思考，那些发现将来有一天会如何改变地球上的生命。

如果没有这样的好奇心，我们就跟那些守着能满足自己所有需要的几十亩地，因而表示没有必要出门冒险的旧时代农夫没有什么区别。然而，如若我们所有的祖先都如此认为，那些农夫就会仍然是用棍子和石头追逐晚餐的穴居人。

在我们短暂停留在这个星球上的这段时间，我们欠我们自己和我们的后代一次探险的机会——部分原因是探索本身的乐趣。但还有一个更高尚的理由：当我们对宇宙的认识停止增长的那一天，我们就有可能面临着倒退到幼童式观点的风险，即我们固执地以为宇宙仍然围绕着我们转。在那个不容乐观的世界里，拥有武器却资源匮乏的人和国家将基于他们“浅陋而狭隘的偏见”采取行动。而那将是人类启蒙的劫难——直到一个充满远见，从而能够再次拥抱而不是畏惧宇宙视角的新文化的兴起。

致谢

感谢我的来自《博物》（Natural History）杂志的两位文字编辑：爱伦·戈尔登松（Ellen Goldensohn ）和艾维斯·朗（Avis Lang），感谢她们这么多年来的孜孜不倦，并力保这些文字完全表达了我的原意。

感谢我的科学编辑，也是我普林斯顿大学的同事兼好友罗伯特·拉普顿（Robert Lupton），在所有重要议题上，他比我懂得更多。

还要感谢贝特西·勒纳（Betsy Lerner），她的建议让我的书稿增色颇多。

1.开尔文（Kelvin），热力学温标或称绝对温标，用符号K表示。每变化1K相当于变化1℃，与摄氏度计算起点不同，开尔文是以绝对零度作为计算起点，即-273.15℃＝0K。—译注
（如无特别标注，文中注释均为原作者注。）

2.Goldilocks zone，出自童话《金发姑娘和三只熊》，形容不多不少，不冷不热，刚刚好。——译注

3.这个段子的笑点在于Chuck Berry名字中的Berry也有莓果的意思，外星人误以为这是一种吃的。——译注

4.原则上，如果你因为肠胃胀气而放出的废气足够强大而且源源不断的话，是可以完成这个特殊才艺表演的。

5.1纳秒是1秒的十亿分之一，1皮秒是1秒的一万亿分之一。

6.激光干涉仪引力波天文台（LIGO）。LIGO由两台相同的探测仪组成，分别位于相距3000千米的美国华盛顿州的汉德福和路易斯安那州的利文斯顿。

7.测地线”是一个不必要的花哨字眼，它指的是弯曲的表面上的两个点之间的最短距离—在这里引申为在四维的弯曲时空结构中两点之间的最短的距离。

8.在研究生院我上约翰·惠勒的广义相对论课时（在那里我认识了我的妻子）他经常这样说。

9.苏斯博士（Dr. Seuss，1904—1991），美国著名儿童文学作家、漫画家，创作过超过60本儿童书籍，代表作有《戴高帽子的猫》《霍顿听到了呼呼的声音》等。——译注

10.由Armageddon变形而来，这个词意为（《圣经》中说的）世界末日的善恶大决战。——译注

11.事实上，地球是我最喜欢的星球，然后才是土星。

12.直到19世纪中期，当物理学家的光谱仪被应用于天文问题时，天文学家才变成了天体物理学家。在1895年，著名的《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）创立时，它的副标题是“光谱学和天文物理学国际评论”。

13.威廉·赫歇尔，关于太阳和在地面射线里的异常热量，英国天文学联合会，哲学学报（Philosophical Transactions），1800年，17期。

14.安东尼·范·列文虎克，致伦敦皇家学会的信，1676年10月10日。

15.所有的波均遵循简单的等式：速度=频率×波长。速度固定时，如果增加波长，频率则下降，反之亦然。这个规律对于任何以波形式传播的光线、声音，甚至是在运动场上球迷欢呼形成的“人浪”都成立。

16.卡尔·央斯基，显然来自地外源的电子干扰，无线电工程师学院学报，21期，10卷（1933）：1387页。

17.皮米（picometer或pm），1皮米相当于1米的一万亿分之一。

18.不，不是冥王星。请忽略它。

19.詹姆斯·弗格森（James Ferguson，1710—1776，英国天文学家），引自《运用艾萨克·牛顿爵士的原理解释天文学，并且使那些没有学过数学的人容易理解》（伦敦，1757）。

20.作者任馆长的天文馆。——译注

21.《通向宇宙的护照》（Passport to the Universe）是由安·德鲁扬（Ann Druyan）和斯蒂文·索特（Steven Soter）合写的，他们也是科普纪录片《宇宙：时空之旅》（Cosmos：A Space-Time Odyssey）的合著者，该片由作者主持。他们还与卡尔·萨根（Carl Sagan）联手创作了1980年的经典纪录片《卡尔·萨根的宇宙》（Cosmos：A Personal Voyage）。

22.布尔代数是数学的一个分支，它处理的变量表示为真值或假值，通常由0和1表示，并且是计算机运行的基础。得名自18世纪英国数学家乔治·布尔（George Boole）。

23.9世纪美国西部著名罪犯。——译注

版权信息

给仰望者的天文朝圣之旅

THE SOUL OF THE NIGHT: An Astronomical Pilgrimage

作者：[美] 切特·雷莫（Chet Raymo）

译者：高爽

出品方：未读·探索家

出版社：北京联合出版公司

Published by agreement with the Rowman & Littlefield Publishing Group through the Chinese Connection Agency, a division of The Yao Enterprises, LLC.

Simplified Chinese edition copyright © 2019 by United Sky (Beijing) New Media Co., Ltd. All rights reserved.

目录
版权信息
前言
1 寂静
2 在黑暗的时光里
3 微光
4 夜行动物
5 万物之初
6 古老的光辉
7 蛇与阶梯
8 星尘
9 脚下红尘滚滚的平原
10 隐藏的物质
11 水塘中的怪物
12 夜晚的数字
13 颜色的甜言蜜语
14 昴星团的追随者
15 夜晚的形状
16 仲冬夜之梦
17 仁慈、温和的地球
18 等待彗星
19 慢慢的黑暗
20 飞鸟与鱼
致谢
译后记
返回总目录

献给莫琳

前言

对人们最常提出的关于宇宙的“大”问题，现代天文学提供了谨慎的回答。宇宙是什么？宇宙从哪里来，将要到哪里去？宇宙是由什么组成的？以及，在大地之上，像萤火一样在物质表面起舞的、名为生命的东西，又是什么？

这些来自新天文学的回答，向我们展现了与人类尺度极不相称的时空。在这之中，包括多如恒河沙的恒星，每一颗（可能的）潜在的温暖的行星，或是其他充满了生命的星球；包括星系——千亿颗恒星于星云中诞生，又在壮烈的爆炸中死亡；包括或斑斑点点或如丝如缕的星系集团，跨越数光年甚至数十亿光年，好似窗外光线下飞舞的微尘；还包括世界的边缘，让我们得以抵达最初的那个无中生有、创造万物的时刻。

很多人容易被新天文学吓到，更愿意躲进无知的舒适区里。但是，如果我们真的对“我们是谁”这样的问题感兴趣，就必须足够勇敢地接受感观和理性告诉我们的一切；必须进入充满星系和天文数字的宇宙，甚至冒着承受精神眩晕的风险，了解我们最终必须得知的一切。

但是，如同博物学家约翰·巴勒斯[1]所说，了解只是一半，而爱是另一半。接下来的这些篇章是知道和热爱的练习，是一个人进入黑暗和寂静的夜空中探寻人生意义的朝圣之旅。探寻的回报是瞬间的顿悟、神赐般的启示，以及与一种比我们更伟大的事物的短暂邂逅——那是一种力量，一种美，把我们引入对最遥远天体的狂喜的沉思中。偶尔，如果我们足够幸运，还可以得到一个令人惊叹、超乎寻常的夜晚。用诗人杰拉尔德·曼利·霍普金斯[2]的话说，这样的夜晚“如抖动的银箔般闪耀”。

这趟旅程，我们每个人都必须独自前往。进入恒星和星系的王国，触碰宇宙的极限，抵达时空的边界。在那里，我们的心灵会接触终极的秘密，和已知的不可知相遇。这是一场探寻夜之魂的朝圣之旅。

1 寂静

昨天在波士顿的大街上，我看到一个年轻人滑着滑板撞了一个小孩儿。滑板冲入人行道，朝着一个小女孩全速直撞过去。我当时就在现场，在一个不太近也不太远的位置上看到了发生的一切。一切发生得悄然无声。一切发生在死寂之中。吓坏了的孩子试图躲避冲撞，她的哭声，她的妈妈在那一刻的尖叫声，都被灰色羊毛般昏暗的11月天空吸收掉了。孩子的身体毫不费力地腾空而起，缓慢运动，宛如在梦中飘浮，然后跌落，撞到人行道上，两次。就像一个皮球，弹跳，然后静止。

所有这一切发生的时候，安静极了，就像是我正在用天文望远镜观看一幕发生在另一颗行星上的悲剧。我曾观测太空中的恒星爆炸，巨大的、行星状碎裂的、几光年远的场面，透过眼前望远镜冰凉的玻璃镜片呈现，绝对寂静。我在波士顿的大街上目睹的场景给我的感受就像那次观测一样。

就在那孩子腾空而起的时间里，地球携着她向东自转了800米，地球相对太阳的运动又让她反过来朝西移动了64千米。在银河系的所有恒星之中，太阳系带着她飘移，悄无声息地朝着织女星的方向运动了32千米。她也乘着围绕银河系的转轮行过480千米，环过中心闭合成一个完美的圆。在穿越宇宙的壮丽飞行结束后，她撞回地面，又像个皮球一样弹起。她升向空中，在银河系中漫游，再跌落人行道上。

似乎有一层薄膜把我们和混乱隔绝开来。孩子被滑板撞飞，缓慢运动后静止下来。这期间存在一个漫长的间歇。鸽子在灰色的天空中冻结，人行道上漫步的行人呆若磐石，培根大街的交通停滞。小女孩的身体安静地躺在柏油路面上，就像一张发皱的报纸。妈妈的哭喊声迷失在星辰间的虚空里。

我们要如何理解宇宙的寂静？有人说，陨石进入地球大气层的时候，肯定会呼啸着四分五裂。但在地球的大气层之外，星空依然不声不响。星系中燃烧的灌木没有发声。银河流淌过夏夜黑暗的浅滩，也没有激起易被察觉的波纹。恒星自己吹散星风，发出的声响我们无可辨析。几百万个太阳系被银河系中心的黑洞吸入，像羽毛飘落一样无声无息。宇宙在大爆炸中开始膨胀，创世的火球悄悄地释放出无限能量，像根终极的爆竹一样。这里没有任何声迹。薄膜破裂了，一个孩子飞越半空，宇宙保持沉默。

在耶稣受难日和复活节之间的天主教教堂里，钟声也是沉默的。遵循欧洲12世纪的习惯，大钟被“黑暗乐器”所替代，木头发出的噼啪声响和其他东西产生的噪声，都提醒着信徒们声音所带来的恐惧，那总会让人联想到耶稣基督之死。人们无法相信神会死去，而天堂竟然对此保持沉默。果然，闪电击中耶稣受难的加略山。神殿轰响着出现裂隙。大地震动，岩石迸开，群星仍在闪烁。这喧响与雷电，根据中世纪的风俗，是人们在复活节的仪式上用木器制造出来的。

可是，昨天，在波士顿的大街上，一个孩子腾空而起，天空对此无动于衷。我听着，把愤怒的感官音量开到最大，可却什么也没能听到。

※

米开朗基罗·安东尼奥尼的电影《红色沙漠》中有这样一个场景：一个女人走进建筑工地，男人们正在那里建造大型射电望远镜阵列。“这些是做什么的？”她问。其中一名工人回答：“它们用来听星星的声音。”  “哦，”她懵懂又热切地惊叫，“我能听听吗？”

让我们听听。让我们把花费数百万美元建造的望远镜连接上厨房里的收音机，然后将恒星辐射的能量转化为声音。我们会听见什么？各种元素随机产生的爆裂声，恒星大气中的电子能级跃迁产生的静电声，氢的嗡嗡声，试图遵循量子物理随机率的物质产生的咝咝声和噼啪声——随机的、统计的、无关紧要的噪声，就像忙碌蜂巢里传出的争论或是海浪拍打木板发出的叹息。

我读高中的时候，在玻璃罐中做过一个电铃实验。电铃悬挂在罐子里，电线通过将瓶口密封住的橡胶塞上的小孔与电源连接。打开电铃的电源让它响起来，然后抽出玻璃罐子里的空气。慢慢地，电铃的声音逐渐消失了，而铃舌还在如静默的刺青针般敲击着。我们观察着铃舌在真空中无声地拍打，就像看到一只飞蛾在窗外用柔软的翅膀击打着玻璃。

和玻璃罐中的真空相比，恒星之间的空间更加空旷。恒星之间的空旷是难以想象的浩瀚。如果太阳是波士顿的一只高尔夫球，地球就是4米远的针尖儿，而最近的恒星——半人马座α——将是辛辛那提的另一只高尔夫球（它是三星系统，所以实际上是两只高尔夫球加上一粒豌豆）。和恒星本身的尺寸相比，恒星之间的距离是如此遥远：在波士顿的一只高尔夫球；在辛辛那提的另两只高尔夫球与一粒豌豆；在迈阿密的一颗玻璃球；在旧金山的一个篮球。恒星之间的广袤无垠没有道路相连，只有比如今地球上能够制造出的更加完美的真空。银河系中，我们所在的这个区域里，星际空间中每立方厘米仅含有大约一个物质原子，也就是说，每个原子占据着一块方糖大小的空间。星际空间的寂静真空要比玻璃罐子中的真空密集一百万倍。在这几乎完美的真空中，恒星爆炸，陨石在卫星上撞击，行星分崩离析，这些动静都不会比玻璃罐里跃动的电铃更响亮。

我曾经通过一架性能强大的望远镜观测蟹状星云。那星云是恒星爆炸后正在扩散的残骸，残存的外圈物质扩散到8光年宽，距离我们5000光年远。我当时在望远镜里见到的东西，充其量就是一块模糊的小光斑，与其说是一颗正在消亡的恒星，倒不如说更像是目镜上的一小片被烟熏过留下的污迹。通过望远镜看它，一半靠视觉，一半靠想象。在模糊的光斑中，我很容易想象到向外扩散的激波、高能辐射的包层、撕裂的气态细丝，以及死亡恒星破碎和脉动的遗迹。我的目光紧贴着望远镜目镜停了一刻钟的时间，我体验到强烈的能量释放感，如同老房子倒塌在地基上，而炸药专家精确控制了掀起灰尘的方向。在看到蟹状星云的时候，我感觉自己应该戴上耳塞，像炮兵或是操作电锤的工人那样保护自己的耳朵。但实际上什么声音也没有。

中国古人见到了蟹状星云爆发的过程。公元1054年，金牛座出现了一颗新星。它接连燃烧几个星期，亮度超过金星，甚至在白天也足以被人们看到。之后，这颗星逐渐暗淡下去，直到消失不见。中国古人在史书中将其记录为“客星”。900年之后，爆发还在继续。我们将望远镜指向1054年金牛座出现“客星”的区域，就能看到喧腾的气体泡泡还在疾速向外扩张。

多丽丝·莱辛在她的太空幻想编年史的开头是这么说的：“我父亲，过去就这么坐着，一个小时接着一个小时，一夜接着一夜，坐在位于非洲的我家的门外，看着星星。‘那么，’他会说，‘如果我们爆炸了，也还有那么多的世界存在呢。’”[3]是的，即便它们当中现在或今后有那么一两颗爆炸了，也还有那么多呢。数万亿颗恒星遍布在真空的空间里，其中一颗在1054年爆炸了，中国人看到了；一颗在1572年爆炸了，第谷·布拉赫看到了；还有一颗在1604年爆炸了，开普勒看到了。它们都陷于令人敬畏的寂静。

※

宇宙在物理层面的寂静，对应着道德上的沉默。一个孩子在空中腾飞之后受伤，而星系继续围绕着各自的轴线有条不紊地旋转。但是，为什么我还心有不甘呢？在九天之外，不存在极乐世界，也没有众神在享宴之余一瞥人世间的疾苦。天外存在的，只是一个又一个遥远的星系，壮丽而安静地旋转着，高悬于上却对我们的生活漠不关心。星系的数量可能无穷无尽，我们的愤怒却不能每时每刻都持续。有限的生活，分配于无限的宇宙，结果已渺小到足以忽略不计。

从我居住的新英格兰村走到繁忙的主街只有几百米，奎塞特小溪蜿蜒穿过沼泽，看起来似乎就同我所希望的那样遥远。在11月顺流而下，会来到一片原始的寂静之地。溪水暗淡而迟缓，把柳树根和厚厚的箭头状绿叶搅动得像糖浆一样混浊。风在空中止步，鸟儿早已南逃。越野自行车在冬天被堆积起来，雪地摩托还藏在车库后面落灰。11月的这几个星期，奎塞特小溪附近的沼泽就像星际空间一样寂静。

我们对寂静的掌控十分脆弱。长途高速路上的货运车厢吱吱作响，有时这点噪声就足以打断梭罗的沉思。梭罗有足够的洞察力去了解，在离瓦尔登湖不远处的菲茨堡铁路上鸣响的汽笛声除了预示着火车即将进站似乎还有更多的含义，但他几乎想不出如果科技扰乱我们原本自然宁静的世界会引发什么后果。梭罗迷恋猫头鹰。“它们的叫声，”他说，“和沼泽地与黄昏的树林特别般配。”在猫头鹰的叫声之间，只有深沉的、给人以启发的宁静。梭罗说：“它们的叫声之间夹杂着一种空旷的、未经开垦的自然，而人类还没能充分理解这些。”梭罗沉醉于这间隙的寂静，就像我痴迷于11月里沼泽的沉默不语。

在学生时代，我偶然读到马克斯·皮卡德的著作《沉默的世界》。这本书提供了相较于之前的我而言，对现在的我来说更有价值的视野。沉默，皮卡德说，是语言的源泉，并且，抑制语言的结果只能是将它反反复复地再现。只有与沉默相关，语言才有意义。这是皮卡德赐予的宝物。带着这一层面的沉默的意义，我的思绪回到了11月的奎塞特小溪旁的沼泽。沉默，这沉默让我面对恒星，面对默不作声旋转着的笨重星系，面对真空中上帝敲打大钟发出的叮当声响。恒星的沉默，是创造和再造的沉默。这样的沉默无法命名，这样的沉默只能被独自探索。沿着瓦尔登湖的岸边，猫头鹰啼鸣着发问，回答隐藏在鸣叫间隙的寂静中。那间隙短暂却无限深邃，夜之魂潜藏其中。

我乘独木舟沿着溪水顺流而下时竖起耳朵聆听，就像动物嗅探着风中食物或天敌的气息。我不确定在这沉默之外，在一切缺席的声响之外，我还想听到什么。可能是一声干涩的啼鸣，用诗人华莱士·史蒂文斯的话说：“屋外传来一声干涩的啼鸣……唱诗班C调唱得最好的歌者……还离得很远。”[4]是我所求的太多了吗？我不求肆意大作的铃声，也不求震裂神庙的惊雷。我只求远处柳树林里一声干涩的啼鸣，还有那遥远星系中丛丛柔荑的飒飒窸窣。

※

一个孩子被滑着滑板的年轻人撞飞，跌落在人行道上静止不动。鸽子在灰色的天空中冻结，人行道上漫步的行人呆若磐石。孩子的身体像发皱的报纸一样在那里躺了多久？我的心脏像真空中静默拍打的电铃一样跳了多久？可能是一分钟，也可能只有零点几秒。在这之后，世界本来的节奏恢复如初，人群潮水般聚集。有个人把受伤的孩子抱起来，和她的妈妈一起匆忙寻求帮助。好事者心烦意乱地散开。城市的喧闹声吞噬了公共空间，培根大街的交通再次运作起来。

2 在黑暗的时光里

小时候，有一次父亲把我从睡梦中叫醒，只为让我一睹彗星的光彩。他从收音机里听说，一颗彗星将在黎明之前几个小时的东方天空现身。我穿上拖鞋，披上夹克，跟着父亲来到院子里。瞌睡虫跟在我身后，像是彗星的尾巴。我们父子二人一同站在黑色的松树之间，仰头寻找着星夜中的小斑点。

在我记忆中残留的影像当下却清晰起来了。父亲其实并不知道彗星究竟长什么样子，也无法确定它会出现的精确方向，我们只能尽力在天空中找个大概。我猜测，他想象中的彗星拖曳着一条长长的光轨，会像天使降临时吹奏喇叭一样宣告自己的登场。他想象着滔天巨响和光芒四射。他期待着天际燃起火焰。他想让我看见这一切。

我们没能看见那颗彗星。可能对于天文学家来说那只是每年例行来访的十几颗彗星中的一颗，只能依靠双筒望远镜、天文望远镜或照相底片才能看得见。又或许，那颗对肉眼来说太暗的彗星就隐藏在松树之间，没有被我们发现。我们站在结霜般的冰冷空气中寻找着它，直到东方的天空晨光熹微。那一夜，给了我最初的关于群星的记忆。没有名字的、不可计数的、声势浩大的群星，像一张冰冷的渔网笼罩着松树林，美丽而令人畏惧。

※

美丽无非是恐惧的开端[5]，诗人赖内·马利亚·里尔克如此哀叹。今夜，我再次从黑暗中醒来，迷失在关于粗糙黑松林和无名群星的儿时梦境里。这是独处的时刻，绝望的时刻，像孤狼一样的时刻。我真切地感受到幽灵就栖身在阴影中，肉体的幽灵，心灵的幽灵。一时兴起，我起身穿过漆黑的房间，走入门前的庭院。在那儿，我逮到了冬季的猎户座，正偷偷溜过秋夜的天空。

巨人猎户座，他是大言不惭者、猎杀野兽者、呼风唤雨者。星光点缀在巨人隆起的肌肉处，北方夜空中再也没有哪块地方存在比它更明亮的可被观测到的星星。钻石般的参宿七是猎人的前脚，红宝石一样的参宿四是支撑着猎人抬起的手臂的肩膀。还有闪耀的参宿五和参宿六，它们是另一侧肩膀和另一只脚。参宿一、参宿二和参宿三是猎人腰带上的白珍珠。这几颗星中离我们最近的是参宿五，但470光年的路程比从地球到离我们最近的星球还要远上100倍。参宿六有2000光年远。它们都是银河系中的巨星，比我们的太阳明亮万倍，是夜空中最大、最耀眼的存在。这些巨星在夜晚用火舌回应着地上的黑松林。

父亲教会我认识并叫出猎户座群星的名字。他和我一起站在松树下，用手指着缠绕在大树枝头的巨人猎户的身影。他拿出一本书，书中有星图、恒星的信息和关于星座的故事。其中猎户座的故事是我最喜欢的。

历经千辛万苦，猎户奥利翁抵达了希俄斯岛，他在那里爱上了国王奥诺比安的女儿梅洛普。国王同意奥利翁娶自己的女儿为妻，但是坚持要他完成一系列困难的任务以证明他的决心。奥利翁每完成一项任务，国王就提出另一项新的，每次都要比之前的更困难。最终，奥利翁怀疑国王根本就没打算放走他的女儿，这考验永远也不会结束。他决定不再接受任务，还要强行带走梅洛普。但猎户的计划被国王发现了。奥诺比安把奥利翁抓起来，刺瞎了他的双眼，将他放逐到海边，让他只能在黑暗中徘徊。

猎户座的故事，是关于光明与黑暗的长篇史诗的一部分，它就像一条无源之溪，流过建立了多种文明的不同民族的记忆。史诗中的英雄总是一位战士，勇猛而英俊，身披祥云，衣着绚烂。他爱上了明媚的少女，最终却总要将她抛弃或杀害。他是旅行者。他是战胜了在丰饶土地上为非作歹的野兽和魔鬼的勇士。他是“千面英雄”，走入黑暗，再骄傲凯旋。

神话中猎户座的原型是太阳。这样的神话让蒙昧中的原始人类对太阳的季节性和周期运动的体验变得饱满——冬季和夏季，夜晚和白天，死亡和蜕变。在最早讲述故事的人的梦境里，失明了的奥利翁就是冬天或夜晚的太阳。巨人历经风雨，现在却步入黑暗。他一路蹒跚向西前行，盲目而孤独，被众神遗弃。老天无眼！众神扑灭了光明。他们扑灭了光明，却又像无事发生一样各回各家。奥利翁成了阴暗峡谷中独行的诗人，他是心灵的黑夜里的圣十字若望，他是步入歧途后迷失在阴暗森林中的但丁。

每个孩子都知道，夜晚是恐惧的开始。有谁不害怕黑暗呢？众神是光明的创造者，他们朝九晚五地工作。所以到了夜晚，我们就只能靠自己了。

※

20分钟里，我站在门前庭院中，看着猎户座的群星向西方移动了三根手指的宽度。云层增厚，疾驰向东。在掠过的云隙之间，我看到了那个巨人。就在那儿！腰带上不容错认的三颗星！踌躇地闪烁着，像西洋镜上的图画。在我父亲那本书的星图上，猎户座的形象呈现出全副武装的姿态，他手持木棒和狮子皮做的盾牌，利剑悬于腰间。但是，这充满想象力的图像与我在这个断续梦境中的夜晚所见到的星空不太一样。今夜，我见到的是已经失明的巨人，是让人怜悯的、英俊的巨人，是海神波塞冬的儿子。他迟疑地伸出手臂，踉跄着向西穿过一片黑浓如酒的大海。

在其他晴朗的时间里，星座中最明亮的那颗星被称为Lucida。而猎户星座中的一等星——位于巨人肩膀的参宿四，即为猎户座最亮之星。血红色的参宿四，就像是猎人被刺瞎的眼睛。这是一颗红超巨星，已经是恒星膨胀的强弩之末，它的直径约有6.5亿千米。如果参宿四处于我们太阳的位置，那么地球及其轨道都会位于参宿四体内，就连火星也逃不掉。参宿四是已膨胀到足以吞噬周围行星的老年恒星。

巨大的参宿四，是少数几颗天文学家可以成功拍摄到细节照片的恒星之一。在这些特殊的照片上，参宿四貌似明亮的圆盘，而不再只是一个小光点。圆盘周围缠绕着气态的冕层，它们是被星风吹离恒星表面的气体。我见过一幅用计算机处理过的参宿四的伪彩色照片，照片以不同的颜色表现出恒星表面的温度高低。这种方法可以展现恒星内部的对流结构。恒星核心的火炉将恒星外层巨大的能量激发，它们翻涌着掀起巨浪。照片中橘色的“海洋”标志着那是热量由恒星内部穿透到表面导致温度上升的区域，蓝色的“大陆”代表着那是能量沉降以至温度较低的地方。谁能想到这些呢？谁能想到那些夜空中冰凉如水的小光点，其实是另外的太阳，是燃烧着热核反应的创造之火的太阳？谁能想到猎户座肩头的红色恒星竟然能放射出比地球上正午艳阳更耀眼的光芒？

这些来自天文学家的信息，这些计算机处理过的明信片，最近才告诉我们，参宿四是遥远的巨大恒星，是氢和氦组成的直径6.5亿千米的火球，是剧烈膨胀的星体，肆无忌惮地吞噬着行星，点燃了银河系昏暗的角落。它的表面翻腾动荡，像风暴中汹涌的海水，火舌在幽暗的宇宙空间蔓延亿万千米。站在地球上看，这个庞然大物却只凝缩成天空中猎户座肩头的一个小亮点。夜空里的恒星善于隐藏各自真正的秉性，因为它们总是自如地玩弄着一个名为“距离”的诡计。如果在我们同参宿四之间的距离——500光年远——存在一颗像我们的太阳这样通常大小的恒星，那么它是无法被肉眼观测到的。参宿四周围的行星上要是也能有一座帕洛马山天文台的话，上面的天文学家如果足够幸运，就有可能在照相底片上从银河系的数十亿颗恒星中识别出我们细若微尘的太阳，可这样的工作无异于大海捞针，因为它是那样平凡无奇。参宿四能在我们自己的夜空中现身也完全是因为它令人难以置信的尺寸。

※

沉重的云层后面，猎户座渐渐西行。海神之子行走于水上。在阻隔视觉的黑暗中，他会不会先用一只脚小心翼翼地试探着迈进水中，以免跌入世界边缘的深渊？当巨人的脚掌羞怯地踏在鱼儿们头顶星光闪耀的海面上，它们会继续安然地潜游还是会四散逃走？“在黑暗的时光里，视线开始清晰。”这是诗人西奥多·罗特克[6]的名句。先知以赛亚也说过类似的话：“走进黑暗的人看见光。”中世纪的神秘主义者拥抱黑暗。信徒们相信，只有穿过黑夜，才能收获天主赐福的光明。

而我不奢求于赐福便会感到满足。就像一尾在幽暗海水中游动的鱼，隐蔽于行走在水面之上的巨人身影下已使我心满意足。科学之光，比神秘主义的光明更加严谨。本书是一本关于科学的读物，是从暗弱的星光中用理性和想象力提炼出来的纵观宇宙的视野，是凝成露珠般的夜晚浓缩而成的新宇宙学。

科学之光可能比神秘主义的光明要严谨得多，但对英雄气概的追寻却一点儿也不少。新天文学的壮丽视野足以把众神从天上的宝座上踢开。就猎户座本身而言，在它之中就藏纳着足以匹敌奥林匹斯山的科学事实和未解之谜。恒星诞生于充满尘埃的星云之中，热核反应将它们燃起，爆发的强烈光芒足以致使附近的行星目盲。再比如，位于猎户座足部的参宿七，它燃着热切的蓝色光芒，仅仅百万年间就已消耗掉比一百个太阳还要多的物质。像参宿四这颗红超巨星一样浮肿的恒星，正努力延缓最终的引力坍缩。有些恒星起伏不定，深深地叹息；有些恒星不堪重负已经爆炸；有些恒星死去时会收缩到行星那么小，甚至收缩到只有一座城市的规模，然后——留下一块城市大小的永夜之地——它会继续缩小，把自身收缩成一个针尖，然后再缩，直到把相当于十几个太阳的质量压缩到超越物理尺寸为止。

猎户座腰带附近萦着一缕黑烟，那是马头星云。那里的空间足够容纳2000个太阳系。谁会愿意走进那样的黑暗森林呢？马头矗立在明亮的气体背景之前，周围全是氢元素辐射的玫瑰色的华丽波涛。谁能在那样的广袤无垠中认出自己的样子？无论是马头星云还是那明亮的气体背景，对于肉眼来说都是不可见的。据说，只有在特别黑暗、特别晴朗的条件下，利用搭配宽视场目镜的中等尺寸望远镜，才有可能观测到马头星云。我尝试过，但从来没能成功。我对这部分天空的了解，仅仅得益于众多大天文台拍摄的丰富多彩的照片。这个区域的丰富程度无与伦比：耀眼的恒星、黑暗的星云，以及被猎户座腰带上最东边那颗巨大的恒星参宿一的辐射激发的闪烁气体。如果夜空中有什么东西可以媲美神秘主义的幻想，那一定就是这里。

从星光中攫取宇宙的秘密已经不再只是千面英雄的工作，它现在属于拥有同一副面孔的一千位英雄——这就是我们的科学界。但探索就像是护送猎户座踉跄着穿过黑浓如酒的大海。“夜晚是我们无尽的窗口。”我们踉跄着穿过黑暗，向着光明前行。

奥利翁听到铁匠手中锤子的敲打声。他跟随着乐声穿过海洋，最后来到利姆诺斯岛——铁匠的熔炉。铁匠是赫菲斯托斯乔装打扮的，他是锻造之神、手艺精湛的匠人，是他为众神锻造了金色的太阳和银色的月亮。锻造之神同情盲眼奥利翁的遭遇，派遣自己的仆人刻达利翁作为他的向导，一起向东方行进。刻达利翁坐在盲眼巨人的肩膀上，带领他去寻找阿波罗和太阳将升的地方。奥利翁面朝东方而立，太阳升起。他感觉阳光温暖了自己的双眼。之后，他慢慢恢复了视觉。起初眼前迷蒙一片，之后雾气渐渐消散，他的世界终于再次清晰起来。

※

古希腊人相信，眼睛在视觉方面扮演着双重的角色。他们认为，从双眼中可以放射出一道苍白的光线，与世间万物接触后再返回瞳孔，所见事物就像是旅行者归来所携带的礼物。对他们来说，眼睛既是发射器又是接收器。现代科学已经推翻了古希腊人的视觉理论。现在我们已经知道，眼睛的作用只是被动地接收，它仅仅是容纳从四面八方而来的光线的收集器。视觉，用新的说法，意味着投向光明，仅此而已。

但是，除此之外，一定还有些东西，不仅仅是投向光明那么简单。是哪些因素影响着光？或者说，为什么我们在黑暗的时光里却能看得最清楚？几天前的一个下午，日光已渐渐消退，我在一片浸水草甸上意外地发现了一团紫茎泽兰。这种植物开着紫色的小花，像燃着紫色的烈焰。它的茎间挂着银色的蛛网，一只金蛛转动它布着黄色条纹的肚子，朝向正在西沉的太阳。它的颜色穿过草地，就像一枚发亮的螺栓。

“在黑暗的时光里，视线开始清晰。”这是一个悖论：黑就是白，黑暗是美丽之母，光的消亡就是展露。难道古希腊人终究是正确的吗？也许，只有在黑暗的时光里，智慧的光芒才能从眼睛里迸发出来，才能指引通向世界的正确方向而不被灼热的阳光所掩盖。也许，只有在黑暗的时光里，眼睛和思维才能彼此转化，才能精巧地合作，激发出视觉的艺术。没有多少人愿意走夜路，没有多少人愿意走进黑暗的森林去感受恐惧所带来的肠胃里的焦灼，也没有多少人愿意生活在漆黑的山洞度过一个又一个不眠之夜。但，令人意外地，古希腊人的真理浮现出来，思维之光带回了非凡的礼物。“一个人走向远方，寻找自我的意义。”西奥多·罗特克说。浸水草甸上的时间已过去一个小时。金蛛在纤细的蛛丝上转动着腹部的黄色条纹，像钟表的时针一样旋转着追踪太阳的方向。“渐昏渐暗的林荫里，我遇见自己的身影。”罗特克继续说，“日子在火中煎熬。万千契合宛若狂风暴雨，猛烈不知疲劳。群鸟飞舞，残月当空，天仍大亮，午夜却再次难逃。”[7]

3 微光

1982年3月10日，我在等待世界末日的到来。根据大众媒体所谓的确切报道，太阳系所有的行星在轨道上的位置会在那天与这颗恒星处于同一侧，就像穿在竹签子上的肉串一样排列成一条直线。有人预言，这种罕见现象的发生将会招致严重的后果：所有行星的引力联合起来拖曳牵引，作用在一条直线上，会引发太阳风暴，对地球造成巨大危害。而重创之下的地球，火山爆发，大陆板块巨震，地质断层像拉链一样被撕开，加利福尼亚沉入大海。

好吧，当然，这一切都没有发生。加利福尼亚还安稳地待在圣安德利亚斯断层上，太阳依旧孜孜不倦地散发着光芒，地球也还安逸地在原本的自转轴上旋转。

行星根本不会排成一条直线，至少不会像报纸上说的那样排列，不会像一根穿满珠子的看不见的线。在行星排成最接近直线的状态时，如果从太阳的视角看过去，会发现它们分布在一个95度张角的扇形区域中。这意味着，这些行星分布的范围已经超过了天空的四分之一。在预言中的灾难到来之前的好几个星期里，这些行星的排列角度已经与人们所担忧的情形非常接近，但没有引发任何值得在意的事件。不仅如此，历史上还有过比这一次排列得更加整齐的时候，也没有招致什么严重后果。更何况，天文学家可以精确计算出这种特殊的排列状态所增加的引力，它的作用对地球所产生的影响，还比不上有人从二层楼的窗户跳出去落到街上造成的冲击力大。

不过，行星齐聚在四分之一天空中的确是足够罕见的情况。像1982年那样排列的紧凑程度，每179年才有机会重现一次。如果你能赶在3月10日那个星期的某天太阳升起之前起床，那就有机会同时看到能以肉眼观测到的全部五颗行星。

预言中的灾难日，早上5点，我正在大学的天文台观测。天空仍漆黑如墨，群星闪烁。我把望远镜从西移向东，开始太阳系大巡游：火星、土星、木星、金星和水星。就连月亮也以优雅的月牙姿态装点了我的清晨，与群星一起参与了这场游行。土星，戴着俏皮的光环帽子，看起来就是卡通动画中常见的星球的原型，那么梦幻，却无可否认的真实。木星慷慨地展示出全部四颗大卫星供我观赏。金星也化成小月牙般的形状，似乎在调皮地模仿着月亮。小小的水星，和平时一样，身影总是让人难以捕捉。当时的它，静立在东方渐露霞光的微粉天空映衬下的树顶上。我爬上天文台圆顶，从天窗向外观赏日出。行星们以不同寻常的光辉对抗着逐渐明亮的天空。蓝色的角宿一和红色的心宿二也闪耀着光芒加入群星的壮丽行列。仅这一个清晨，就足以让人觉得179年的等待是值得的。

※

1982年3月10日那天，世界没有走到尽头，天空却给我们带来一场足以铭记终生的微光盛宴。那天早上，没有地震打扰我的美梦，或是把我从天文台圆顶的天窗上晃下来；没有太阳喷吐出长蛇般的烈焰。只有夜空，轻声呢喃着甜言蜜语。在我生活的地方，隐藏在大城市的灯光和烟霾之下，夜空的低语几乎无法使人得以耳闻。我得把握住所有可能的机会。

在最暗的、最晴朗的夜晚，仅凭肉眼可以观测到几千颗星星。除了恒星之外，对于远离城市灯光的细心观测者来说，裸眼还可以看到其他奇景：星团、至少一个星系、星云、银河、黄道光。可是，典型的城市或郊区的观测者也许只看得见几百颗最亮的星星，此外再也见不到其他任何令人难忘的天体。我们辜负了黑夜，我们丢失了微光。

我目睹过黄道光——莪默·伽亚谟[8]所说的“伪曙光”。在8月或9月，晴朗无月的夜晚，黎明前一到两个小时，可以看到从地平线开始沿着黄道带延伸的黄道光。黄道光比银河还要暗弱，我曾试图探寻它好多次，但都没有成功。太阳系内部区域的行星之间遍布着尘埃，黄道光就来源于太阳光在星际尘埃中的反射。这些尘埃通常在太阳附近形成一个扁平的盘，而这正是我们只有在日出前或日落后，以及在一年中那些太阳系的平面相对于地平线剧烈倾斜的时刻才能看到黄道光的原因。我上一次看到的黄道光，是越过海边黑暗的山坡照射而来的。来自大西洋的风吹散云层，地平线上漫步的星笼罩在黄道光的华盖之下。我再也不曾见到这样的景象。

弗拉基米尔·纳博科夫在《文学讲稿》中这样建议他的学生：“让我们崇拜自己的脊椎和脊椎的兴奋吧。可以相当肯定地说，那背脊的微微震颤是人类发展纯艺术、纯科学的过程中，所达到的最高情感宣泄形式。”在夜空中找寻微光，既是一项艺术，也是一门科学。搜索的结果往往一无所获，但我把这样的兴奋视作极其珍贵的财富。“我们本来就是头部燃着圣火的脊椎动物。”纳博科夫说，“人脑只是脊柱的延续，是增强了的组织顶端，燃烧着纯净的蓝色火焰，但是贯穿整根蜡烛的是烛芯。”在看到黄道光的那个早上，我感受到整根烛芯燃烧的热量在我身上蔓延。

还有一种特殊的微光盛宴，试着数一数金牛座中的小恒星团——昴星团中的成员吧。自古以来，这些恒星就被称为“七姐妹”“七少女”或者“明亮七星”。早在公元前3世纪，已经有一首诗歌为它们取好了名字：阿尔库俄涅（Alcyone）、梅洛普（Merope）、塞拉伊诺（Celaeno）、塔宇革忒（Taygeta）、斯忒洛珀（Sterope）、厄勒克特拉（Electra）和迈亚（Maia），它们“微小而暗淡”。大部分现代观测者只能用肉眼看见昴星团中的6颗恒星，或者，如果夜晚格外晴朗，那就能看到9颗或10颗。在望远镜发明之前，开普勒的导师梅斯特林，画出了这个星团的11颗恒星。天文学文献中也不难见到以裸眼观测到这个星团中12颗恒星的记录。我见过的最多的数字是声称自己看到了16颗。这个星团实际上可能包含多达500颗恒星，它们当中也许有20颗恒星的星等位于肉眼可见的范围内，但是过于密集的排布让观测到16颗的纪录显得很可疑。在最黑暗、最晴朗的夜晚，我的最佳成绩是看到9颗。那个时候我还年轻，视力比现在强多了。

或者，试试寻找年轻的月亮。严格来说，月亮在经过太阳和地球之间的那一刻，可以被称为新生。这一瞬间可能降临在白天或黑夜的任意一个时间节点。我们所称的“新月”，实际上是年轻的月亮，我们只能在月亮真正新生之后的某一刻才能察觉到天空中纤细的小月牙。最年轻的月亮，可以在日落之后被发现，那是低垂在西方的月牙，紧靠在太阳刚刚落下的地方，被地平线上炫目的落日余晖所净化。有许多因素——地理纬度、日落时间、月球轨道平面与地球轨道平面的夹角角度——共同决定了看到新月的可能性。天气的晴朗状况，地平线的清晰度，视力的敏锐程度，也都起到了重要的影响作用。我曾见到新生不超过30个小时的月亮，它薄如指甲，纤如睫毛，弯曲弧度像是丘比特的弓，弓弦上的箭直指太阳。但是30个小时算不上破纪录，甚至连接近纪录都谈不上。总是有人发表报告说见到了新生24小时的月亮。莉齐·金和内尔·柯林森是英格兰斯卡伯勒的两位女佣，有记录表明她们在1916年5月2日看到了新生14.5个小时的月亮。传说文艺复兴时期的天文学家约翰内斯·开普勒在某天早上看到了残月，又在同天晚上捕获到了新月，但这个故事很难让人相信。我会继续探寻。我会查看我的年历以及盖伊·奥特威尔每年编写的天文年鉴。我会等待那个特别的夜晚，等待所有必需的因素都恰到好处，地平线清晰分明，月亮从我肩头越过，比我以往见过的都要更加单薄瘦弱。我想那就是我心中最完美的优雅月影。

还有其他难得一见的天象奇观可以被肉眼捕捉到，它们化成微光在夜空中闪烁，隐藏着自己真正壮丽的一面。仙女星系就是一个很难，但确实可以凭裸眼观测的星体系统。在很多个黑暗的乡村夜晚，我都从夜空中分辨出过它。在发明望远镜之前，仙女星系只是星图上不甚清晰的小斑点。没有人想得到，这些模糊的光斑是包含万亿恒星的宇宙岛屿，是另一个银河系，是除了我们自己的星系以外唯一不借助光学辅助就可以目测到的星系。仙女星系距离我们200万光年远。如果没有望远镜的帮助，再也不会有比这更远的光能进入你的眼睛。

我曾有幸得以一瞥M13的真容，那是武仙座中包含百万恒星的球状星团，也或许，我只是想象自己真的见到了它的样子。未来某天，我将旅行到南方，去观测半人马座和杜鹃座中更明亮的球状星团。据说在最黑暗的夜晚，有可能看得到天鹅座中的北美星云。拥挤的恒星让这团星云弥漫出暗淡的粉色光芒，拢在天鹅的翅膀下方。我常常试着寻找它，但从没能达成所愿。我不会就此放弃，我会继续尝试。

我看到过鬼星团，或称它为巨蟹座的蜂巢星团。对肉眼而言，它只是一团朦胧一片的乳白色的光。喜帕恰斯称它为“小云”。当伽利略将他的望远镜转向这朵“云”时，他惊喜于竟能从中分辨出微小的金刚石般的恒星。他数出了36颗。这个星团里实际上有着几百颗恒星，闪烁着超越视觉极限的光芒。

※

我第一次观测到鬼星团是在卡茨基尔山的小山坡上。不知怎的，那一天我走到了约翰·巴勒斯的墓地。他是世纪之交的博物学家。当时有两位著名的博物学家名叫约翰，一位是约翰·缪尔（John Muir），即“约翰·大山”（John of the Mountains），就是在阿尔卑斯山峰和阿拉斯加冰盖上安家的那位；另一位就是约翰·巴勒斯，即“约翰·大鸟”（John of the Birds），他喜欢坐在自家门前的走廊上，看地球自转带来斗转星移。巴勒斯是大自然的细微光芒和轻声低语的鉴赏家。“优秀的自然观察者体现在细节处，”他说，“处处有痕迹，处处有意义。”或者，“能成功观察自然的秘诀，在于拥有发现暗示的能力。”巴勒斯是发现了暗示的人，他相信他脊椎的兴奋。

巴勒斯安眠在一片散布着岩石的草地的最高处，从那里看下去，宽阔山谷的壮丽景色尽收眼底。墓地周围环绕着本地页岩垒成的矮墙。附近有一泓山泉，泉眼之上有一块平坦的巨石，巴勒斯每日就是坐在那里从光阴中观察并获取自然的暗示与启示。一块固定在巨石上的牌匾镌刻着这位博物学家的墓志铭：我站在永恒的道路之中，属于我的将认得我的脸。

在春天的清晨登上那座小山丘，四下寂静安宁，只有风声摇曳着桦树噼啪作响。一只丘鹬被我从巨石下面惊起，尖叫着拍打翅膀，长长的鸟喙从地面掠过。我确信这里就是那样的地方，是那种能从一百万种不起眼的特征和细碎的真理之光中培育出一个哲学家的地方。植被覆盖的山坳里，宁静的草甸一直延伸到清澈的小河边。那里还处于冬日的冰封状态，易碎般脆弱，积雪的河岸绵延到干石墙北侧。约翰·巴勒斯墓地周围的土地上张贴着布告，宣告着这里属于“纽约大峡谷的C.巴勒斯”。依托着C.巴勒斯的善意，以及对“属于我的”一切的探求，我无视了那布告，徒步踏进那片原野。艳阳高照，鹰击长空，它在等待狙击那些度过了漫长冬眠，禁不住暖阳诱惑冒头而出的小动物。浑身是毛的毛毛虫自信地穿过草甸，打算搜寻一处合适的地方，好把细胞重新排列，让自己蜕变成春天的第一只飞蛾。我用两双眼睛看着眼前的一切——我自己的双眼和约翰·巴勒斯的双眼。我记得巴勒斯的信条：“了解只是一半，而爱是另一半。”

那天深夜，在山坡上，我扫视微光闪烁的群星，发现了巨蟹座的鬼星团。我想起巴勒斯，这位洞察自然界微妙姿态的大师。对于白日，巴勒斯是坦诚的生物，但对于夜晚，他却只懂得赞美。“夜晚的恩赐并非有形的，”他这么说，“夜晚不会伴随着水果、鲜花、面包和肉类而来；夜晚的降临伴随着群星和星尘，伴随着神秘和涅槃。”从此之后，夜晚的微光对巴勒斯袒露出自己的秘密，天堂的大门为他开启。他的思想，“像一道闪电”，击中无底深渊，随后天空的面纱再次剥落下来。幸好，对深夜赐予的这种模棱两可又转瞬即逝的启示，他说：“如果世界永远以一种赤裸裸的宏伟姿态出现，也许会超出我们的承受能力。”

在卡茨基尔的墓地的那一天，我注意到从记号石下方生长出来的新的藤蔓植物。幼嫩的卷须盘绕着穿过干石墙上的孔洞，绿色的嫩芽沿着古老的无尽道路奋力迎向太阳。春天的风裹挟着细碎的暗示，夏日的踪迹就藏在空气里。在这样的日子里，就连卡茨基尔页岩的重量，也不足以将老人的精神压在地下。

4 夜行动物

谁会在夜晚出门闲逛？是萤火虫，拖曳着萤光的长尾；是北美夜鹰与杜鹃，在黑夜中孤芳自赏；是牛蛙与蟋蟀，一唱一和地唱着走音的歌。猫头鹰和飞蛾也在夜晚外出，它们两个中的一个只不过是另一个的放大版。刺猬也走出来，群星好似披挂在它们的尖刺上。丘鹬，举止轻佻地转着圈。还有鼻涕虫和蜗牛在它们行进的路线上留下一串亮闪闪的黏液。漆黑如墨的夜晚，鬼怪也四处横行。魑魅魍魉不安好心。狼人褪去伪装化为原形。吸血鬼隐匿身形，悄无声息地填饱肚子。圣艾尔摩之火击中航船的桅杆，女妖伸长手臂向你召唤。诗人同样喜欢在夜晚外出漫步，他们说：“这是理智、寒冷与行星的光。心灵的树木却是黑色的。”[9]当然不能落下天文学家。太阳落下的时候，天文学家就像阴影或一只獾那样钻回自己的地盘。

今晚，我漫步在西爱尔兰一座高山的黢黑小路上。北斗七星在东北方的天空中光芒四溢。这七颗明亮的星，像七位哲人、七位智者、七头熊或是七头公牛。它们是向昴星团七姐妹求爱的七兄弟，却偷偷带走了其中一个姑娘（看！在开阳星身边的就是那个失踪的妹妹）。我曾一度惊讶于不了解星座的人也总能轻松地辨别出大勺子似的北斗七星。我一直好奇，这些星星的模式是否会以遗传学的方式在人类的大脑中留下深刻的印记，就像鸟类天生有能力识别并跟随星座的轨迹来为自己的迁徙引航。北方的天空再也没有别的星座图案像北斗七星这样留存着悠久丰富的历史文化。北斗星存纳着人类的忧思和梦境。

北斗星在英语中的正式名称叫作Ursa Major，以中文来讲即为大熊座。不光是西方传统把这个星座看作一头熊，北美的印第安人对此也有同样的理解。仅靠北斗的七颗星要认出一头熊的形象是很难的。一些制图家试图借助周围相对暗淡的九到十颗星来勾勒出令人满意的熊的形象。对我来说，这几乎是不可能做到的。北斗星中的七颗明星比这个星座中的其他恒星都耀眼得多。北斗星中的恒星，就如同全宇宙中其他的恒星一样，缓慢地改变着它们在天球上的位置，天文学家将其称为自行。对历史上的很多人来说，构成勺子图案的这七颗星也许曾有某刻看起来比今天的样子更像是一头熊。但是，利用现在自行的轨迹来推算它们曾经的位置并不难（我自己就计算过很多不同时期的北斗七星的位置），可在人类历史跨度内的任何时期——至少在我看来——北斗七星都不会让人觉得像一头大熊。话说回来，还有一个滑稽的小情况可供考虑：也许在这个星座得到大熊座之名的那个历史时期，所有的熊看起来都长得更像是勺子。

中国古人把北斗七星看作不朽的天上仙宫；对爱尔兰人来说，它们又组成了大卫王的华丽战车；在斯堪的纳维亚，北欧人说那是诸神的雄伟马车；日耳曼部落又把它看作雷神索尔的战车；中世纪的基督徒把北斗七星看作先知以利亚升天的天堂战车；而在英格兰传统中，北斗星被认为是查尔斯的马车或是一柄巨大的犁。

谁会屈从北斗的光辉？谁会放弃甜美的梦乡而去追寻巨熊那永恒的巢穴？梭罗的一位同伴曾宣称，人在没有星星的情况下也可以生存得很好，但那种生活却是大打折扣的。他说星星是一种永不会被舍弃的必需品。群星是每日的食物，是圣餐，是护身符和誓约。如果没有星星，诗人会做什么呢？如果群星“如石头般重重坠入纤纤的树丛”，他们会做什么呢？

在夏季的午夜，经历极昼的因纽特人要等上好几个星期才能看得见大熊座。可其实那头大熊就匿身于极昼的日光里，绕着天顶悠闲地转着圈。

※

每位诗人，每只狐狸或獾，每只蛾子或猫头鹰，所有凝望过夜空的生物都进行过天文学历史上最重要的观测之一。他们得出结论：夜空是黑暗的！群星在黑色的天空中闪烁。北斗七星就像一柄巨大的犁，在北极的漆黑上空刨出沟壑。夜空的黑暗远比群星能向我们讲述更多关于遥远宇宙深处的故事。黑夜是一个悖论，充满着深刻的意义，让我来解释给你看。

1610年，约翰内斯·开普勒收到伽利略的新书《星际信使》的副本。这本书概述了伽利略这位意大利科学家用望远镜观测到的天空的景象。开普勒反对伽利略关于宇宙无限以及宇宙包含无穷多恒星的观点。他在给伽利略的信中这样写道：“如果真是这样的话，整片天空都会像太阳一样燃着炫目的光芒，而在无限的宇宙里，无论朝哪个方向看，我们的视线都必然会抵达一颗星，就像身处密林之中的人，周围每个方向都围挡着树，那他的视线一定会停留在一棵树干上。很显然，夜空不像白天那么亮，所以（开普勒推断）宇宙不可能是无限的。”

百年之后，英国天文学家爱德蒙·哈雷提出，如果星光的传播因距离过于遥远而减弱，不能被我们探测到，开普勒的观点就站不住脚了。但是哈雷的反驳理由并不充分。正如他所认为的那样，任何来源的光的强度，都与其光源到观测者的距离的平方成反比，但是在无限宇宙中的空间体积在每个方向上也随着距离的延伸而增加，并与距离的平方成正比。如果恒星在宇宙空间中均匀地分布，那么发光恒星的数量也必将随着距离的平方成正比增加。这恰好生成两个可以完全抵消的效果：随着与光源之间的距离加大，光的强度逐渐削弱，但是发光体的数量却逐渐增加。所以开普勒显然是对的，在无限的宇宙里，夜空就应该如同白天一样明亮，北斗七星的光芒应该被淹没在宇宙群星的绚丽华彩中。开普勒的观点在1826年被海因里希·奥伯斯[10]重新提出，后来这成为著名的奥伯斯佯谬：如果宇宙无限，并且均匀地布满发光的恒星，就不应该存在夜晚。之后，有不少人试图解释这个问题。一些科学家抗辩说，星际空间中存在着气体和尘埃，它们吸收掉星光，因此减弱了遥远恒星的光芒。但是我们可以证明，如果星际气体和尘埃吸收了星光，它们最终会变得过热而辐射出同等的能量，照样可以维持天空的亮度。何况恒星的分布并不是均匀的，而是结合成星系这样的团块。但是这个发现也没能解决奥伯斯佯谬。如果把宇宙中的星系看作星系中的恒星，这个佯谬同样存在。

但如果宇宙不是无限大呢？这样这个佯谬就迎刃而解了。或者宇宙太年轻，遥远的星光还没有足够的时间抵达我们身边，如此佯谬也能得以解决。夜空是黑暗的，这是毋庸置疑的事实，而这一点似乎能让我们得出结论：宇宙不是无限大的，或者根本没有我们想象得那么老。无论是哪一个结论，都深刻地影响了前几个世纪的天文学家们。一个有限的宇宙简直让人难以想象，宇宙的边缘之外是什么？一个有起始的宇宙似乎违背了物理定律——是什么将宇宙从无到有创造出来——也许那真要求助于神的特别干预。19世纪的科学，因趋向理性的思想转变，无法承认宇宙具有边缘或是起点。天文学家深深陷入名为夜空的黑暗困境里。

※

“看，看那群星！看那头顶的天空！”杰拉尔德·曼利·霍普金斯吟诵道，“哦！看看坐在火光里的天上的人们！看那明亮的街区，看那颤动的城堡！夜空的钻石掉落在幽暗的树林，那是精灵的眼！”[11]天上有超过人类心脏可承受限度的奇观。我漫步在高山间一条黑暗的小路上，北斗七星闪耀着，像电焊机发出的光芒。它们围绕着北极星旋转，好似一团轮转烟火，时而沉向地平线，时而跃回无垠苍穹。首先来认识一下黄色的恒星天枢（Dubhe），它的名字由阿拉伯语 Thahr al Dubb al Akbar而来，意为“大熊之背”。然后是天璇星（Merak），即“熊的腰部”。天枢和天璇这两颗星的连线组成天上巨大的表针，它们始终围绕着北极星转动，就像拴着安全绳的婴儿。接下来是北斗的第三颗恒星天玑（Phad），也就是“熊的大腿”，以及第四颗恒星天权（Megrez）——“尾巴根部”。没那么闪耀的天权星，是勺把和勺斗相连的地方，从这里再往外看则属于勺柄的部分：首先是玉衡（Alioth）；然后是开阳（Mizar），它身边总是带着一颗暗弱的名叫“辅”的伴星（这就是昴星团中那个被掠走的小妹！）；最后是摇光（Alkaid）。宙斯“将它们掷向天空，它们乘着旋风旋上高空，固定在那里”。最高天神宙斯贪恋凡人卡利斯托。美丽的卡利斯托原本是在山间漫步的女猎人，以在阿卡迪亚山中追寻凶猛野兽为乐趣。宙斯的妻子赫拉因嫉妒她丈夫对卡利斯托的痴迷，憎恨他的不忠，就把不幸的卡利斯托变成了一头熊。作为一头熊，卡利斯托只能蜷缩在森林中，惧怕人类也惧怕野兽。有一天，卡利斯托的儿子阿卡斯在森林中偶然遇见她。高兴坏了的卡利斯托忘乎所以，用两条后腿站立起来想要拥抱她的儿子！面对突然袭来的大熊，阿卡斯吓了一跳，立刻搭弓上箭。千钧一发之际，宙斯从奥林匹斯山上遥望到了下面发生的一切。看到悲剧即将上演，他果断施展魔法，将阿卡斯变成了一头小熊。而后，宙斯把母子二人一起升到高空，让他们永远以两头熊的形象留驻在那里，成为如今的大熊星座和小熊星座。

我曾一度搜寻大熊座附近空间中的星系。用一架中等尺寸的望远镜，我能发现那个星座中距我们最近也是最明亮的两个星系。1774年，德国柏林的天文学家波德首先发现了M81和M82星系，它们是夜空中两个不易辨别的团块。1781年，“彗星捕手”梅西耶把它们加入自己的星表，分别编上了序号，再在前面加上自己名字的首字母M。如今我们称呼它们的名字，即为当时梅西耶赋予它们的编号。相较于M82，M81是更灿烂的天体。在天文台的照相底片上，可以把它分辨为由2000亿个太阳组成的耀眼风车，但是在业余爱好者的小望远镜里它就只能表现为雾状的模糊斑点。假如M81处在北斗七星的距离上，那么它可怕的光芒会充斥我们的天空。它将转动着、闪耀着，那光芒像无数个太阳堆积，灌满瞳孔，无可逃避。它的姐妹星系M82呈现出细长的纺锤形，神秘莫测，难以捉摸，看起来似乎因经历了暴虐的痉挛而样子古怪。它的恒星排列毫无规律可循，质量肆意变动。M82的核心遭受了相当于百万倍太阳质量的剧烈爆炸所造成的能量冲击而破碎不堪，恒星如同正在甩干身体的狗身上的水滴一样四处飞溅。它们周围的行星，无论是绿色的世界还是蓝色的世界，都因巨大的震撼被吹散了。“宽恕我们吧，上帝！请息怒。”M82就像阿卡斯的离弦之箭，射中母亲的心脏。

大熊座的七颗亮星中，有五颗真的属于同一个星团，距离我们大约80光年。天枢比这个星团更远，距离我们105光年。蓝白色的巨星摇光比其他几颗都要更远，距离我们210光年。北斗七星都属于我们的银河系，而且距离相对来说都不算远。M81和M82距离我们700万光年，它们是银河系之外遥远孤独的“宇宙岛”，悬在茫茫虚空的汪洋大海中。以地球上的时间计算，击碎M82核心的爆炸发生于850万年前，考虑到距离，在我们现在观测到这个星系时，那场爆炸刚刚过去150万年。在那场灾难的冲击波里，我从这座高山启程，我从这幕黑夜启程。“看，看那群星！看那头顶的天空！”跨越光年，星系在黑暗的天空中燃烧，这是思想之光。

※

奥伯斯佯谬直到20世纪才得到解决，而且这答案完全出乎意料。在1912年到1928年之间，天文学家维斯托·斯里弗尔成功地获取了40个星系的光谱。当时，人们还不知道所谓的“旋涡星云”就是和银河系一样的遥远的恒星系统。斯里弗尔让星系的光穿过棱镜，然后观察它们彩虹般的色散。星系发出的光是典型的恒星光，但是光的波长会有轻微的延长，朝着光谱上红色一端位移。星系光的红移暗示斯里弗尔，星系正朝着远离我们的方向运动，这就是所谓的多普勒效应，而当卡车在高速公路上疾驰而过的时候，它的咆哮听上去也会有同样的效果。当卡车接近我们的时候，声音波长被压缩，音调升高；而当卡车远去，声波被拉开，音调降低。这原理也同样适用于光波：光源朝着我们的方向运动，光波压缩，向着光谱上蓝色的一端或者短波的方向位移；光源远去的时候，光波拉长，发生红移。M81正在以每秒77千米的速度急速远离我们而去，而M82远去的速度更是让我们追赶不及，达到了每秒386千米。

起初，这样的结论可能让人觉得有点奇怪。星系飞离我们，难道是因为我们对周围的天体没有吸引力吗？难道我们正处于被宇宙排斥的中心吗？答案非常显而易见，而且很快就明朗了。就在斯里弗尔获得星系光谱的同时，威尔逊山天文台的埃德温·哈勃和米尔顿·赫马森成功地测量出了星系间的距离。他们发现了人们未曾预料到的联系：星系不仅仅是远离我们，其远离的速度还和与我们之间的距离成正比。这关系非常精确，以至于我们可以推测，宇宙中的所有地方都在均匀地向外扩张。星系似乎正在彼此散开，空间正在膨胀。我们的银河系不是宇宙排斥的中心，每一个其他星系上的居民都会看到他们的邻居正在远离自己而去。如果星系正在彼此远离，根据它们的相对速度和现在的距离，不难计算出140亿年前它们一定靠在一起。星系的扩散始于宇宙的大爆炸。那是最早的初生之火。那是真正的创世大爆炸。

于是，我们可以解决奥伯斯佯谬这个遗留问题了：夜晚是黑暗的，原因在于宇宙正在膨胀。宇宙或许有限，或许无限。但是，无论怎样，宇宙经历的时间是有限的。它的开端就在140亿年以前。因此，我们没有办法接收到140亿光年之外的恒星散发的星光[12]，因为根本没有这样的星体存在。进一步说，后退中的光源减弱了亮度，如果遥远的星系还在远离我们，它们就不会像奥伯斯佯谬中所提到的那样应该对我们的夜空贡献出一份光明了。宇宙太年轻，还不足以让我们的夜空处处光亮。

※

我们的生活被黑暗环绕。“如果夜晚不用露水和黑暗修复这溃败的世界，那日子会是多么令人难以忍受！”梭罗写道，“当阴影开始聚集……我们偷偷地前行……就像丛林中的动物，寻找沉默又忧郁的思想，那是才智的天然猎物。”夜空，是神秘主义者、哲学家、科学家和神学家狩猎的乐园。我沿着山脊走上一条黑暗的小路，独自前行一个小时。大熊在东方的天空中循着路径移动了六分之一。小熊正围绕着北极星摆动尾巴。宙斯迷恋卡利斯托。卡利斯托放下她的箭袋。赫拉因为嫉妒而设计陷害卡利斯托。卡利斯托爱着阿卡斯。阿卡斯害怕大熊，箭矢搭在弓弦上正要射出。

“今夜，在无尽微茫的星光之下，树和花朵飘散着清冽的芬芳。”这是我第三次在这个冥思之夜想起西尔维娅·普拉斯的诗。每天都是生活的片段，每个人的生活都围绕着一些淡淡的黑暗。星系从我们身边跑开，稀释了它们的光辉，让夜空暗淡下来。夜晚是宇宙年轻时的样子。我走过的道路两侧都有用篱笆围起的，由黑莓、忍冬和灯笼花组成的树篱。从灯笼花的小灯罩里发出灰暗的微光，花哨的暗紫色和猩红色褪去，随着离去的星系一起飞远了。宇宙太年轻了，我走进它青春的光芒。现在有时间了，“树木有时会触碰我一下，花儿有的是时间陪着我”[13]。

5 万物之初

“春天慢吞吞地走来。”诗人这样唱道。可这天早上，春天就这样来临了。它躺在冬天里被压展得平平的草地上，藏在被仍在沉眠的动物掘得深深的却最终被遗弃的草间地洞里。春天悄悄地躲进借来的巢穴中。这是4月的第一天，草地鹨也回来了！

我没有看见它。4月之前很少能看见草地鹨，除非你能靠得足够近，把它从藏身之地吓出来才行。但是，它那长长的、含混不清的、双音节的鸣叫声，像番红花的盛开，稍微有些为时过早。在一两个月之内，草地会再次翠绿繁茂，但今天，春天的迷思沾染了些许悲叹的意味，就像草地鹨的歌声那样不够舒展。

草地鹨的叫声没有什么过错，我也能吹出这样曲调的口哨。但我该如何描述这声音呢？就像从跳板向冰水里跳跃？就像4月的风击碎玻璃窗？不，怎么说都不够确切。我翻阅我的鸟类相关图书，《黄金野外指南》提供了非常科学的“声谱图”来展现频率与时间之间的关系。我在图表上查阅到这曲调，大约持续2秒钟，音域位于中央C之上三到四个八度。可是这样的内容根本没用。《彼得森指南》上的内容略好一些：“两声清脆的、含混的哨声，悦耳而悠长。”“嘀呀——嘀咿呀——”彼得森尝试用尽量客观的感受描述鸟鸣声，这让我们更接近原本的声音，而不是奇怪的、悲伤的音乐。

通常情况下，人们总能从一本旧指南书中得到更接近现实的答案。查普曼的经典之作《鸟类手册》出版于1895年，其中记录了这样的文字：“草地鹨的歌声清脆而悲伤，是一种不同寻常的甜美哨音。”啊，这个描述更好了——甜美而悲伤。但在我们这个例子中，有关鸟叫声的一切，都没有比F.斯凯勒·马修所著的那本已有75年历史的《野生鸟类及其啼声手册》中表达得更好的了。“这支歌，”马修说，“如果不说它是伤感的，那毋庸置疑，它只能是悲凄的。”马修用他独具特色的夸张表达，把草地鹨的叫声描述为歌剧《茶花女》中男主人公阿尔芒所演唱的前两小节剧目，但其演唱方式更像是薇奥莉塔发现自己必须放弃阿尔芒时的唱腔。甜美又悲伤。草地鹨的歌声，就是春天！

为什么开始总是伴随着悲伤？婴儿的降生，新年的伊始，贝多芬交响乐第一声胜利的音符，正在复苏的草地上一只野鸟的叫声——所有这些约定的、欢愉的时刻，都沾染上了一种奇怪的、甜美的忧郁。草地鹨知道什么我还不知道的吗？这位身着黑金相间法衣的侍僧也有着自己的秘密。在皱巴巴的草地上的藏身之处，它正做着关于存在主义哲学的讲授，发表着玫瑰与荆棘的论述。它满怀希望地宣布春天来临，声音中又带着丝丝忧伤。就像光明伴随着阴影，才开始便预示着收场。

※

来自地中海先民们的创世神话，后来被查理斯·多利亚和哈里斯·莱诺维茨翻译成了英语。神话中，上帝创造万物，伴随着七次大笑：哈哈哈哈哈哈哈。上帝能理解草地鹨的内心吗？他发出第一声笑的时候是不是眨了眨眼？那全是玩笑吗？还是一个恶作剧？今天是愚人节，完美的春日起点，完美的创世之日。

多利亚和莱诺维茨这样描绘上帝的第一声大笑：光芒（闪耀），显身，万物崩裂，宇宙之神，火神。这部神话有2000年的历史，只能从古文中翻译个大概，很难从中发现关于现代科学宇宙诞生理论的蛛丝马迹。“宇宙大爆炸”，天文学家弗雷德·霍伊尔就是这样轻描淡写地称呼宇宙的诞生的。也许“大闪电”是个更好的名字，或者“大劈裂”也不错。140亿年以前，一切都不存在。后来上帝笑了。无限致密、无限高温的能量种子，从虚空中涌现出来，向着无边的空间中扩散，最终漂流蜕变成物质。根据当下的宇宙学思想，这创世的第一声笑，只持续了十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一秒。笑声结束，宇宙开始如闸门中涌出的奔腾洪水般不肯停歇地运转下去。

基本粒子物理学家和宇宙学家围坐在一起，用方程式、铅笔还有黄色便利贴，重新建立起关于宇宙诞生的最初瞬间的理论。这是宇宙尺度的野心，值得我们认真对待。他们是探测到夸克和类星体的人，是把物质转变成能量的人，是描绘出百万分之一的百万分之一秒的粒子运动轨迹的人，是寻找着比玻璃上的指甲刮痕更微弱的蛛丝马迹的人。这样的人如果提出这样的问题是很自然的：宇宙从何时、何处诞生？如何诞生？找到这些问题的答案，从数学上说，就像是把物质往反方向推导，就像是反转一个星系的演化，就像是把牙膏塞回软管里。

对宇宙起源的推测，源于对星系的后退的发现。也就是说，宇宙正在膨胀！空间就像是正在被吹大的气球，或者是平底锅上胀起的面包。当空间膨胀的时候，星系就会如同浑圆气球上涂绘的斑点，或是面包上点缀的葡萄干，彼此之间的距离越来越远。有趣的是，爱因斯坦早在20世纪初就预言了宇宙这种奇怪的行为，并将其以广义相对论的方程形式表达出来。这些方程看起来坚信宇宙就像正在发酵膨胀的面团。这结果太古怪、太出人意料了，爱因斯坦拒绝接受。因此，他给方程式增加了一项完全没有必要的常数，想要避免再得出那样的结果，当然，在这个过程中掺杂了数学的简单优雅。后来当埃德温·哈勃宣布宇宙的确正在膨胀的时候，爱因斯坦立刻冲到威尔逊山天文台借用哈勃的望远镜观探星空。据说当时在山上，有人对爱因斯坦的妻子艾尔莎解释说，这台100英寸（254厘米）口径的巨型望远镜是用来确定宇宙的结构的。“好吧，好吧，”艾尔莎回应道，“这件事我丈夫在一个旧信封的背面就做到了。”在威尔逊山天文台上看到的东西给爱因斯坦留下了深刻印象，最终他从自己的方程中去掉了那个突兀的常数项。他说，这个常数是他这一生中所犯的最大的错误。

如果星系正在四散飞远，那么它们曾经一定靠得很近。如果我们倒过来播放这部电影，就会看到星系从四面八方聚合，彼此加速靠拢。它们会腾出无尽的虚空，挤碎所有的恒星，就像用手攥住一把潮湿的沙子。星星挤压着星星，物质碰撞着物质，宇宙的密度大得吓人。电影会在一片纯净能量爆发出的令人目眩的剧烈光芒中结尾。无尽，非凡，初生的宇宙之神，火神，这就是万物之初。

根据众所周知的物理学定律，现代宇宙学家可以轻松推算出宇宙在不同历史阶段的每个瞬间的状态。利用这些计算，我们现在还可以把这部电影再倒回来。宇宙诞生于140亿年前的剧烈光芒，那来自无限致密的纯粹能量之种，是原初的创世火球。这种子不单存在于某一个地方，它无所不在。虚空在宇宙开始膨胀之时自我创生。就在百万兆分之一的百万兆分之一的百万兆分之一的千万分之一秒之后，基本粒子——这里指夸克和电子——闪现跳跃在辐射背景中，破损重组，破损再重组，形成宇宙创生之初的原始材料，造物的过程挣扎着开始了。

造物之初的百万分之一秒之后，夸克跳起三人之舞，质子和中子出现了。又过了千分之一秒，质子和中子开始彼此黏合，成为轻元素的原子核。物质和反物质彼此湮灭，在自我毁灭的狂乱中纵情狂欢。只有中微子的洪流涌向未来。

时光飞逝，宇宙冷却，原子形成。之后星系也出现了，再之后是恒星。类星体就像明亮的灯塔闪耀在星系的核心。空间继续膨胀。上帝发出第一声“哈”的几十亿年之后，宇宙开始看起来有点像我们现在看到的样子了，尽管这时距离太阳系从银河系遍布尘埃的凌乱角落里形成还有80亿年。那个时候，造物主刚刚发出他的第五声笑（据多利亚和莱诺维茨翻译的神话所言）。甜美而忧伤的歌声再度响起，造物才刚开始，冬季已在角落潜藏。

※

不久以前，物理学家和天文学家绝望于永远也不能探知在宇宙诞生之前到底发生了什么。在宇宙历史上那个特殊的时刻，他们的方程式就像冲天火箭一样无限发散。宇宙的密度和温度的数值无限地增加，成为数学上不可攀登甚至难以观望的高山。空间和时间坍缩在一个无限小的奇点中，数字如同越缩越窄、越来越深的无底洞般持续减小，直到对它的计算方法成为一根太长太细、难以追寻的丝线。这就像我所居住的小城中的一条街。当地历史学家说，这条街拆掉路面就变回了曾经的泥泞道路，再往前追溯就是一条小径，再之前这里只有攀爬上树的松鼠的痕迹。以数学方式追踪宇宙到万物之初，就像是沿着这条街追寻，最终发现自己除了爬上了那棵树之外无路可走。是什么造成了大爆炸？这个问题如果不是毫无意义的话，就一定非常棘手。宇宙创生是无中生有，这似乎违背了物质和能量的守恒定律。但是，物理学家也只能耸耸肩说，事实就是那样，然后就再也没办法解释更多了。当然，对造物主而言，那就如同一声轻笑或是一天的工作那样容易理解。

后来，新一代的年轻宇宙学家在推测万物之初的时候，变得越发地大胆，并得以从他们的方程式中瞥见宇宙诞生之前的世界。他们借助了最近的有关物质在高温环境下的行为的发现。他们调整了关于空间和时间的理论，引导我们重新了解夸克和中微子、难以捉摸的W和Z_0粒子，以及其他组成宇宙模块的亚原子基本粒子。所有这些知识给我们带来了一个惊人的预测：我们的宇宙，这个诞生于140亿年前的能量和物质辐射所形成的火球中的宇宙，也许只是众多宇宙的其中之一。宇宙可能就像更大的超空间与超时间基质中的泡沫一样沸腾，它随着超空间中的量子扰动而爆发。恒星和星系的正能量，与引力势能的负能量相互平衡，造物的所有泡泡相加却等于零。我们的宇宙是从虚无中爆发而不违反物理定律的泡沫，是包裹着我们的空间、我们的时间、我们的银河和它无穷无尽的星系兄弟的泡沫。如果做出这些计算的“魔术师”所言不虚，那么这些宇宙存在于全部的时间中，而我们群星闪耀的夜空只不过是一颗还在不断自我创造的星系泡沫的内部。

如果这些内容让你觉得头晕目眩，那我要恭喜你了。烧脑，是所有伟大科学的基本要求。在哥白尼发现地球只是众多行星之一的时候，在牛顿告诉我们太阳只是一颗恒星的时候，在哈勃证明了旋涡星云就是另一个银河系的时候，他们的大脑也会因剧烈运作而眩晕。《天空和望远镜》杂志的高级编辑艾伦·麦克罗伯特写道：“无论自然的属性是什么，在我们耐心调查之前，我们所见的都不如还未曾发现的景象更丰富。我们发现，自然从来不吝惜它的广博与丰饶。”上帝的“哈哈哈”并非低声窃笑，他在毫不遮掩地捧腹大笑。

※

如果草地鹨甜美又忧伤的歌声将我们的思绪引回创世之初，引回宇宙那个甜美又忧伤的季节的开端，那么红翼鸫的刺耳呼唤就是超级空间中隐藏的声音，虚无空灵，随意起伏，超越了万物初始的时空界限。在我新英格兰的居所附近，红翼鸫是最先到来的鸟类。它们早就来了，在春天之前，在讨厌的卷心菜之前，在柔弱的柳树之前，在卷曲的蕨类植物之前，在草地鹨之前。而今年，红翼鸫比往年来得还要早。2月的第二个星期，它们就出现在了我家附近。我听到它们站在水塘边高高的橡树上大声聒噪，假装善于交际。很快，它们会沿着溪流找到更矮小的树木，用刺耳的叫声互相防范，保护各自的水源不被侵犯。乌鸦活跃起来了！整个漫长的冬天里，乌鸦都占据着自己的栖身之地。现在，它们呱呱喧嚷着、盘旋着、抗议着突然到来的红翼鸫的侵占。专横的红翼鸫，栖息在它们各自的树梢上，完全忽视了乌鸦的不满。

红翼鸫是一种冷漠的、傲慢的鸟类，身上唯一的光彩之处就是它的双翼的颜色。它的嘶鸣声尖锐得可以锯断木头。它的红翼是它在旷野中的声音，披挂着骆驼的毛发，啄食着蝗虫与蜂蜜。我们原谅它的一切。我们原谅它，因为它是万物之初的开始，它是一切之前的开始。它最先到达，有时赶在冬天风雪退去之前，有时赶在春天甜美而忧伤的气息之前。从它的嘴里，泡沫状的宇宙开始诞生，超越甜美，超越忧伤，超越物理学家的方程式的跌宕起伏。这就是万物之初。在上帝发出第七声笑的时候（我仍然跟着多利亚和莱诺维茨笑）——他看了看这一切，像只鸟一样飞去了。

6 古老的光辉

起初……地是空虚混沌的。神说，要有光，就有了光。

在创世的最初，亚原子的粒子对抗着背景辐射，闪烁不定。宇宙是煮沸的物质和能量的火球。宇宙诞生1秒钟之后，温度下降到100亿摄氏度，物质的创造停止了。质子、电子和中子，在光的海洋中舞蹈，直到宇宙盈满了炫目的辐射。

100万年过去了，宇宙冷却到可以使带电粒子抵抗辐射能量的压力，抵抗大分裂。电子连接原子核，形成了原子。宇宙中的烈性酒诞生了，主要是以氢和氦的形式存在。这些原子很轻，可以肯定，气球用它们装满就可以飘上天。但是现在，宇宙已经打下了基础，具备了建造世界的原子物质。光的统治减弱了，宇宙开始变得透明。但是，我们还要用一个章节描述一种古老的光辉。在接下来的10亿年中的某个时刻，星系开始形成，再用不了多久，类星体就会出现。

※

我今天在邮箱里收到一位朋友从报纸上摘抄的一首诗。这首诗描写了牧师带来的天主教教育可能产生的影响。诗歌的结尾有几行乔伊斯式的句子：“他们用恐惧和强迫，冲洗了我们灵魂深处的罪恶，上帝的神圣珩鸟，哭泣着飞入高原的雨中，那里是仅存的圣地。”朋友随诗附上了一张字条，上面问我：“你的珩鸟是不是也发生了什么事？”我不知道我的珩鸟发生了什么事，但它肯定已经冲破了牢笼。

大部分珩鸟都是生活在岸边的鹬鸟类，但是高原珩鸟并非如此。它们在高海拔的荒原和沼泽上安家，在山坡的旷野和坑洼的草甸上筑巢。它们的声音像是风的呼哨声，即使在夜晚也清晰可闻。这是一种害羞的鸟。它有着干草的颜色。不经意间，会听到它强烈的、空气中的柔软泡泡般的鸣叫。我的一本鸟类手册上说：“在它们迁徙期间，人们会清晰地听到，这些长途跋涉超越人类视觉极限的鸟类歌唱时的甜美音调。”如果诗人想要寻找逃亡的上帝的象征，没有什么是比高原珩鸟更好的选择了。

我说不清自己青年时代的上帝何时逃进了高原的雨季。他不受我的灵魂驱动。他的逃离也不是我的老师们的过错。在我大学毕业前，我曾真切地感受到上帝的面容离我很近，那是一段充满信仰的时期，但在大学毕业后不久，我遭遇了信仰的危机。作为大学生，又作为一名天主教徒，我度过了一段令人兴奋的时光。在学校中，我们阅读法国天主教作家的著作：贝尔纳诺斯、布洛伊、佩吉、莫里亚克、马里顿和德日进。我们也读英国作家的作品：G.K.切斯特顿、格雷厄姆·格林、伊夫林·沃，还有霍普金斯。我们还读西格里德·温塞特和安托万·德·圣·埃克苏佩里。神圣的珩鸟在每一页纸上跳跃，成群地伸展双翼，扑棱着翅膀制造骚动，淹没了它们尖细的、充满怀疑的窃窃私语。艾米莉·狄金森把希望叫作“有羽毛的东西”。珩鸟就是我们的希望，是信仰，是慈爱。后来的某天，我一觉醒来，我的珩鸟已经不见了。屋顶上一只嘲鸫正在唱着动听的歌，但是珩鸟已经回到了高原，无影无踪。我投向科学书籍，忙着自己的人生事业。但有些东西已经失去了——“有羽毛的东西”。上帝缺席的时候，我试图创造出鸟类学的神学。我聆听冬天里山雀的双音节叫声，品味春天里草地鹨的甜美又忧伤的歌喉。我等待正午时画眉鸟婉转的咏叹调，也期盼黄昏里喧鸻的刺耳尖鸣。但是，神圣的珩鸟仍然在高原上和风雨同行。有时我的内心深知，它已经一去不回了。

在夜晚最黑暗的时候，在星光下，我听到那干涩的啼鸣。那是风声还是珩鸟在屋后的小山上徘徊？我看不见珩鸟，因为它有着干草色的外表和风声般的啾鸣。19世纪鸟类学家法兰克·查普曼这样记录高原珩鸟：“在一片草场上策马而行，只匆匆一瞥，根本无法察觉一只珩鸟的踪影。但若仔细搜寻，认真探查，总会发现潜藏其中的珩鸟其实并不在少数。”而上帝，也像珩鸟一样隐藏在干草、雨水和夜晚最暗的星光中。

※

用后院的望远镜就能看见类星体3C 273。我用我的14英寸（约35.6厘米）口径的望远镜看到过它。如果不查看星图，我永远不会得知我看到的究竟是什么。类星体3C 273看起来和任何一颗暗弱的蓝色恒星一样，处在我所使用的望远镜的观测极限。3C 273看起来就像室女座成千上万的、暗淡的十三星等的恒星中的任何一颗。为了找到它，我将我的望远镜指向明亮的室女座恒星太微左垣二，然后向西北方扫过几度，直到视场中出现与星图上的位置相吻合的那颗星。太微左垣二距离我们35光年远，按照宇宙的尺度来说，它是我们银河系的邻居。比它距我们更近的恒星只有二三百颗，它们当中大部分都很渺小，而且暗弱，甚至无法用我的14英寸望远镜观测到。类星体3C 273距离我们15亿光年远，比太微左垣二要远1亿倍，远在银河系所有恒星之外，远在其他数以亿计的可见星系之外。类星体3C 273距我们15亿光年，它的光来自15亿年前。望远镜里这个寻常的小亮点是我目睹过的最接近宇宙诞生之初的东西。这个蓝色小光点，是我对宇宙创生之后令人目眩的光辉的匆忙一瞥。

自然为我们提供了一种回顾早期宇宙的方法。光线从遥远光源来到地球需要时间。当天文学家通过他们的望远镜看到遥远的天体，他们就正在回溯历史。恒星几光年远，星系数百万光年远，而类星体离我们几十亿光年远。我们靠类星体可以回溯几十亿年的时光。类星体是目前我们可以观测到的最遥远的天体。3C 273的光是迄今为止进入我眼中的最古老的光。

※

1963年，加州理工学院的马尔滕·施密特首次发现了类星体。施密特捕捉到了照片底片上类似恒星的天体的光谱，光谱中大量射电能量的发射吸引了天文学家们的注意。这些天体被称为“类似恒星的射电源天体”，简称“类星体”。它们的光谱非常奇怪，与其他任何恒星的光谱都有所不同，光谱的颜色与任何已知物质的辐射形式都无法匹配。天文学家对此十分困惑。后来，灵光乍现的施密特在神秘的光谱中认出氢原子光谱的伪装特征，典型的氢辐射波长已经朝着光谱的红端（长波方向）急剧移动了！只有多普勒效应会造成波长变长，即光源和观测者之间的分离运动导致了光的波长的延伸。如果所有这些天体都在后退着远离我们，那一定是因为它们受到了宇宙整体膨胀的影响。光谱上罕见的巨大红移提醒了施密特，这些天体离我们特别遥远，比之前观测过的所有天体都更远。

如果宇宙均匀地膨胀，那么遥远天体的星光的红移程度，与该天体到我们的距离成正比。3C 273曾经被施密特考虑当作射电源。它的红移对应着每秒48000千米的后退速度，是光速的16%。3C 273和施密特其他样本中的类星体显然相距我们数十亿光年之远，比如今可见的最远的星系还遥远。它们的光从宇宙诞生之初就开始向我们奔来。

但是类星体比遥远的星系要明亮闪耀得多，这就是为什么我能在自己14英寸的小望远镜里看到这些自宇宙初期就开始燃烧的火炬。这些跨越亘古向我们招手的物体，这些用对远古纪元的惊艳一瞥引诱我们的物体，究竟是什么呢？从它们闪烁的光芒中，天文学家可以推断出类星体的尺寸是非常小的，可能还没有我们的太阳系大。可它们却又比整个银河系还要明亮1000倍，它的光辉可以掩盖百亿个太阳的光芒。

有些天文学家不愿意相信这么小的东西内里却能爆发出如此巨大的能量。他们希望证明类星体其实就在我们附近，这样就不需要相信类星体真能明亮至此了。不过，如果类星体真的离我们很近且不受宇宙膨胀的影响，那又是什么造成了它们光谱的剧烈红移呢？

现在类星体的宇宙学距离几乎得到了广泛接受，但至今还没有人知道这些奇怪的来自宇宙创世之初的神秘旅行者的本质是什么。如今越来越多的人达成共识，认为类星体其实是非常遥远的星系的明亮核心。也许在恒星密集的星系中心区域，引发了连锁的超新星爆发。但由于星系本身太过遥远，所以我们完全看不到。更有可能，它们是年轻星系的核心，其中心是猛烈吞噬周围物质的超大质量黑洞。由于黑洞强大的引力，周围物质在快速落向黑洞的过程中释放出巨大的能量，使得类星体成为宇宙中最耀眼的天体。

巡天观测已经证明，类星体的数量随着距离的增加而增加。显然，这些天体在宇宙的早期比在今天更常见。如果类星体的黑洞模型是正确的，那么在年轻星系的演化过程中，有一个典型的阶段就是形成大质量的中心黑洞。恒星坠入这些巨大的宇宙深坑，就像水流回旋着被冲入下水道，速度逐渐增加，直到接近光速，在所有波段以辐射的形式释放出丰富的能量。数百万的恒星坠入宇宙黑洞那大张着的深渊巨口。这些星系初生时所承受的剧烈痉挛现在大多已经平息下来了，包括我们的银河系在内，它们现在以一种更为平静的方式存在着。

原始宇宙中，类星体不仅比现在数量更多，也更加明亮。我们甚至可以嫉妒当时更加璀璨的夜空。那时候星系之间比现在靠得更紧密，在炽热的蓝色恒星的光芒下灼烧。在那些硕大光轮的中心，物质流进黑洞，被引力拉扯成令人难以置信的密度，永远坠入黑暗——恒星、行星、卫星、雨和风，全部无法逃离，一去不回。流入黑洞的物质释放出巨大的能量，滋长了星系的核心，让它们散发出无与伦比的光芒，掩盖了天空中其他的星光。宇宙闪耀着光的信标，这是光明的时代。

※

在大型大视场望远镜为夜空拍摄的单张照片上，可能容纳着多达20万颗疑似恒星的光点。也许它们当中的几百个就是类星体。这些隐藏在众星之间闪耀得怪异的天体，就像躲藏在干草中的珩鸟。它们低频的氢辐射混淆在星光中，就像珩鸟的歌声藏在风里。如果120亿年前的地球上有人类存在——如果那时有地球的话——他们就会目睹类星体在夜空中的各个角落燃烧，散发出足以致盲的光亮。我们的银河系的核心是什么样子呢？过去也曾经是类星体吗？如果是这样，那么它的光芒就也曾击倒了我们，晃动了芦苇，压弯了干草，比1000个太阳更耀眼。它看起来会像天上的玉石，像纯净剔透的水晶。恒星只能隐没在它的光辉里，昴星团的迷人微笑不再甜美，巨人猎户座在它面前也只能自惭形秽。

圣保罗被锤击炼钢炉所迸出的火花撞击到地面上，圣约翰目视它在盛夏炽烈阳光下燃烧，葡萄牙的特蕾莎女王沐浴着绚丽夺目的华美光芒。看起来，神秘主义者们直观地体验到了创造的光彩。现在，它们一去不回了。那种古老的光辉，数十亿年前年轻宇宙中那种纯净光芒的洪流，都一去不回了。当我决定找寻3C 273这个相对近一些，又是我们天空中最亮的类星体的时候，我等待了一个星期，盼来了无月夜；又等了一个星期，盼来了晴夜。我希望室女座尽可能地高出地平线，这意味着我要在寒冷的2月的夜晚等到黎明。几个星期的等待似乎并非没有理智。我所追寻的暗光，在类星体逐渐远离地球的情况下，已经在宇宙中朝着我行进了几十亿年。当进入我的望远镜的光离开3C 273的时候，地球上还只有海洋中浮游的单细胞微生物。这些没有进化出双眼的生物看不见年轻银河系的璀璨，也看不见无数装点夜空的燃烧着的巨大蓝色恒星。我沿着北斗七星移动望远镜，让它向着大角星画出弧形，直到能窥视到角宿一。角宿一是室女座最明亮的恒星，是引领我找到类星体的信标。我屏住呼吸徒手操作，并不使用旋钮，小心翼翼地移动望远镜，从角宿一挪向太微左垣二，挪向黑暗，跟随着星图的指引穿过零星的暗星。最终，3C 273悄悄溜进我的视野，谨慎小心，隐姓埋名，穿越光年的距离，把创世之初的光辉压缩为暗房里的一个小光点。就像一只鸟儿在高地的雨水中哭泣，微弱、遥远。在我见到这个类星体的时候，天空开始变亮，类星体几乎即刻就要消逝在太阳的光辉里。我想起《瓦尔登湖》的最后一段话：“使双眼视而不见的光亮，对我们来说就是黑暗。当我们清醒时，曙光才会破晓。来日方长。”

7 蛇与阶梯

类星体，最遥远的可见天体，在它们光谱中展现了熟悉的氢的特征。在猎户座恒星之间的尘埃和气体云里，天文学家已经探测到泄露天机的碳、氧、氮、硫和硅的辐射。在星际空间的稀薄环境里，他们还发现了水、氨、乙炔、乙醇以及地球上常见的许多其他分子。看起来，宇宙在建筑材料方面是公平的。星系和恒星、行星和卫星、细菌和蓝鲸，它们全都只不过是92种元素的不同排列。

给我92种元素，我能创造一个宇宙。无处不在的氢，冷漠淡薄的氦，令人恐惧的硼，内涵深刻的碳，行为放荡的氧，忠诚可靠的铁，神秘莫测的磷，另类新潮的氙，自以为是的锡，左右逢源的汞，动作迟缓的铅……如果你愿意，想象一下，有一间储存着92种元素的化学储藏室。拔掉软木塞子，打开阀门，倾倒那些小盒子与小罐子，看看会发生什么。能量释放，能量吸收。原子相互连接形成分子。简单的分子重新组装起来形成复杂的分子。火花、闪烁、烟火、光芒。化学元素的暴乱。常见的和不常见的组合。这些是掌控秩序的狂怒的元素。这些是对生命充满热情的元素。元素的意义，比我们双眼能看到的更多。铷是银色的，它的盐燃烧时却是深红色的；钙调节着心跳，在我们的身体中基本储存于两个地方：牙齿和骨骼；我的每一口呼吸都吸入了氮，它构成了蛋白质的主干，也是TNT炸药的主要制作材料；砷会杀死你，但它的某些化合物却是药物；懒惰的氩做什么都显得毫无用处，可如果取一个惰性的气态氩的原子，再让它撞上一个额外的质子与一个额外的电子，就能得到固体状态的活跃的钾；地壳中所含的钾的自然放射性，推动了物种的基因突变，驱动了生物的进化。

为什么哲学家吝啬于关注这些有魔力的、多变的东西？在西方思想史的早期，物质扮演着创造世界这幕戏剧中最不重要的角色。担当主演的是光、力量、能量、精神。物质只是宇宙的浮渣，是谷糠，是存在链条的底端，是地球通往天堂最高处的价值阶梯上的最低一级。物质是野性丑陋的半兽人卡利班，而光是空气中缥缈的精灵爱丽儿。[14]物质是精神的负担。

20世纪，物理学走过了相当长的道路才把物质从哲学范畴的低迷中拯救出来。最近在高能粒子物理方面的研究表明，相较于阶梯，事物的存在链条更像是一条咬着自己尾巴的蛇。探索原子的内部，物理学家遇到了星系的宇宙。在物质的核心处，他们窥见大爆炸的光芒。卡利班摘掉自己的面具，他就是精灵爱丽儿。

※

我有一个朋友，名叫安妮·撒克逊。她出身于一个石匠世家。她的弟弟伊万仍在雕刻石头——他继承了家族的事业。他能刻出新英格兰最出色的墓碑。石头就是伊万·撒克逊的生命，“撒克逊”的含义就是石头。安妮是一位学者。她生活在思想、艺术和光的世界。“光奇怪地进入我的眼睛。”她坚持道。她改变家里的家具的位置，她把墙壁铺满壁纸，她从来没有放弃绘画。她正在塑造光，她说，她想尝试让物质“通通风”。她在天花板上安装天窗，她凿破墙壁装上窗子。圣诞节的时候她会在每扇窗前都摆上蜡烛。她严格规划自己的生活，在日出前起床，日落后很快就睡下。她坚持艾米莉·狄金森所说的新英格兰典型的“对光的奇怪偏见”。她试图活出“空灵”的生活状态。她说：“物质只是实现审美的手段。”安妮曾经与我谈论她为什么喜欢教堂，她说，教堂的礼拜仪式，就像是新英格兰的独特光辉。我感觉，促使安妮·撒克逊去教堂和让她在自家屋顶上开洞的原因是一样的，她布置物质为的是精神方面的效果。毕竟，基督教的圣餐礼的意义不也正是如此吗？

用简朴的话语来形容，伊万·撒克逊是一个简单的人。他是大自然的工程师，是一位农夫。伊万深爱着乡土。植物可能依赖阳光进行光合作用，但伊万负责照顾它们的物质需要。植物为了扎根，需要多少肥料、多少水，他对此有着准确无误的直觉。伊万考虑的是物质如何汇聚在一起，如何起作用。很长时间以来，他担心家传的银制餐具会变色。某一天，他看到当地政府寄来的邮件上说，镇上的供水所含盐分过高，建议对钠的承受度不高的人不要饮用。伊万把这个消息和餐具的事联系起来，终于让它们重新闪闪发亮。

伊万对光影的转换不感兴趣。他感兴趣的是那些稳固的、看得见摸得着的东西，比如石头。他说，花岗岩会永久存在，他在乎这样的东西。在纪念碑店铺，他用双手接过新交付的石头。它会被日晒雨淋吗？它会褪色吗？它会有裂痕吗？它柔软吗？它坚硬吗？他永远不会满足于现在的工作成就。他见过历史上那些伟大的石匠的作品，他知道他还比不上这些人。但他了解石头。多年以前，在用黑色花岗岩制作墓碑成为时尚的时候，伊万觉得很困惑，他认为这对新英格兰来说不是最佳的选择。花岗岩不是本地产物，它在这里的状态不对。黑色花岗岩来自非洲，是一种热带石材，在这里用来书写不会有很好的效果。人们想让伊万在黑色花岗岩上用白色颜料书写。“画在花岗岩上！”他嗤之以鼻地重复，“颜料只能用在木材上！”人们想让伊万在墓碑上涂绘独木舟、猎犬和骏马，可他不喜欢那样。他宁愿刻上十字架和六芒星。石头才是永恒的，他说，不应该用来铭记那些傻里傻气的东西。他尤其喜欢用希伯来语书写自己的作品。他喜欢那些字母，喜欢那种奇怪的上帝的语言的神秘感。他去犹太教堂验证自己的想法。他雕刻石头靠的是理性。伊万可以滥用自己作为新英格兰人天生的坏脾气，但对于花岗岩，他坚信，不应该被滥用。

安妮生活在对光的追求中。伊万紧抱着他那满是灰尘的石头。阳光从来不会进入伊万工作的小屋。他呼吸着石材，粉尘为他的肺裹上一层外衣，在他的手指甲底下攒下了消磨不去的痕迹。而安妮每天早早起床，只为抓住破晓时分纯洁的阳光。我认识他们两个人。他们就像是同一枚硬币的两面。他们是咬着自己尾巴的蛇。在伊万的石头粉尘里，存在天使的圣光。而在安妮的墙壁上的光影游戏中，物质也正翩翩起舞。

※

物质的经典概念是指形态为固体且具有质量的物体，就像受到握紧的拳头挤压的潮湿石头粉尘。如果物质由原子组成，那么原子也一定具有固定形态和质量。20世纪初，原子被想象成微小的圆球，或是花岗岩般的微小颗粒。在那之后，在尼尔斯·玻尔的物理学中，微缩的小球变成了类似乐器的东西，变成了精确调校过的缩小到100亿分之一的小提琴。随着量子力学的出现，“乐器”让位于纯粹的音乐。在原子的尺度上，物质的固体形态和质量都消解在光和虚空之中。突然之间，物理学家开始用作曲家的语言来描绘原子——“共振”“频率”“和谐”“级”。原子电子在合唱团中歌唱，等级和秩序如同炽天使、智天使、座天使和主天使。[15]物质和光之间的典型区别变得模糊不清。在新的物理学里，光可以像粒子一样反弹，物质也可以像光一样产生波的涟漪。

最近几十年，物理学家在物质的乐章中发现了优雅的亚原子结构。他们采用一种奇怪的新语言描述亚原子的世界：夸克、超夸克、胶子、奇异夸克、粲夸克。还有上夸克和下夸克、顶夸克和底夸克。常规物质中最简单的成分，例如质子，具有巴赫赋格曲的特征，由四个声部构成一个完整的复调：物质、能量、空间和时间。物质的核心是琶音、半音和切分音。在物质存在最低的音阶上，宇宙诞生了。我们最终理解了维持原子和宇宙紧密结合的四种基本作用力，这对我们来说是一个值得纪念的非凡进程。让电子紧靠原子核的是电磁力，产生放射性衰变的是弱相互作用力。温伯格-萨拉姆理论成功地把这两种力用单一的概念统一起来。量子色动力学在解释“原子核内部结合质子和中子的是强相互作用力”方面取得了巨大的成功。全新的、高度推测中的“超对称理论”试图统一电磁力、弱相互作用力和强相互作用力，最终将束缚星系的引力也包括进来。这种“大统一”将实现爱因斯坦用一个无所不包的理论解释自然界全部作用力的梦想。

天文学家和粒子物理学家已经进行了卓有成效的对话。天文学家已经意识到，宇宙的大尺度结构可能是大爆炸初期粒子间微妙的相互作用决定的。同时，粒子物理学家也希望在天文学家的深空观测中找到证据，验证自己关于亚原子结构的理论。蛇已经咬住了自己的尾巴，别让它溜掉。

※

迄今为止，用于研究物质的最重要的设备是粒子加速器。这些机器完全是1932年由欧内斯特·劳伦斯制造的5英寸（12.7厘米）直径回旋加速器的后代。它们用电场加速粒子束达到高能状态，并利用磁场引导粒子聚焦。聚焦的加速粒子束撞击到另一些静止的粒子，或者与那些反方向运动的粒子束进行对撞。在这些撞击的残骸中，物理学家寻找着组成物质的终极成分。而略带讽刺意味的是，越是要探索物质结构中更深的层次，就越是需要更高能量的机器。

在美国，加利福尼亚的斯坦福线性加速器中心、芝加哥附近的费米国家加速器中心和长岛的布鲁克海文国家实验室都具备主要的研究设备。当前，费米实验室的超导质子同步加速器是它们当中能量最高的机器。这台机器被设计来通过3.5英里（约5600米）直径的超导磁铁环将质子加速到产生1万亿电子伏特的能量。1电子伏特可以让一节干电池传输1个电子或者质子。费米实验室的机器应用相当于将1万亿节干电池的能量作用于单个的质子，以将其撞成碎片，之后，物理学家就可以在质子残片中寻找新的发现。

在美国物理学家调试他们的大机器的时候，欧洲人争先恐后地赢取奖项。日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN）的碰撞粒子束加速器，是首台运行达到数千亿电子伏特能量的机器。1983年，CERN宣布发现了难以捉摸的W和Z_0粒子。这两种粒子在之前已经被电磁力和弱相互作用力的统一所预言。这项发现为该理论提供了令人震惊的验证（预测了粒子的存在），同时，也大大地激励和鼓舞了欧洲粒子物理学家，显著提高了他们的士气和声望。

日内瓦发现W和Z_0粒子的成就刺激了美国物理学家更努力地建造最大的机器。在能源部的高能物理咨询委员会建议下，美国物理学家放弃了布鲁克海文还未完成的碰撞束加速器研发工作，转而立即投身于为时12年的“超导超级对撞机”的建造工作。这台机器的研发将耗费数十亿美元，是当时历史上最大、最昂贵的科学仪器。计划中，这台机器将被掩埋在一座直径100千米的环形隧道中。它被称为“沙漠加速器”，因为它只能建造于美国西南部平坦的沙漠地带。它将把两束质子流加速到产生20万亿电子伏特的能量，再让它们迎头撞击。在这场悲壮撞击仅存的碎片中，物理学家希望找到能带领他们实现作用力“大统一”的线索，从而理解宇宙的起源和结构。

雄心勃勃的梦想，也可能是不切实际的梦想。社会大众可能会抵制花费数十亿美元来建造一台只能生产粒子的机器，况且这些粒子存在的时间极短，甚至来不及观测，只能推断它们是否真实存在。[16]但物理学家充满希望。他们发现，物质具有令人惊讶的美感与质感。物质是建筑砖瓦，也是建筑师；物质是音乐，也是作曲家。它是蛇的头和尾，是万物的最初，也是时间的最终。物理学家希望在尽可能的范围内探测到最小尺度的物质，而这些发现将揭开曾经困扰了神学家、哲学家和科学家的终极奥秘。宇宙是什么？宇宙从何而来？宇宙要往何处去？像萤火一样在物质表面起舞的名为生命的东西又是什么？

※

玛丽·居里，这位发现了镭元素的杰出的物理学家，在处理了成吨的捷克斯洛伐克沥青铀矿后从中获取了极小一部分的新元素。她提纯了新物质，把它装进玻璃瓶。这种被她发现的新物质，是元素周期表上最重的元素之一，基于这个原因，文艺复兴时期的炼金术士帕拉塞尔苏斯一定会认为这种物质存在于创世的根基处。但是，玛丽·居里的镭玻璃瓶发出了诡异的绿光。它发出的绿光，和穿透望远镜的猎户座大星云的光一样，和时间边缘遥远的类星体燃烧而成的光一样。它的光来自创世之初，来自原初火球的闪耀，来自宇宙大爆炸。玻璃瓶里的光来自元素的自然衰变，物质奉献了自己，释放了纯粹的能量。

神圣的光芒把圣保罗从马背上掀翻。玛丽·居里也因为这种光芒而患病。就在她忙碌着把镭元素从杂质中释放出来的时候，看不见的死亡射线穿透了她的身体。在玻璃瓶里，怪异恐怖的辉光就是咬着自己尾巴的蛇。天使的光芒混合了尘世的烟灰。在居里夫人最后的岁月里，她饱受放射性辐射的残害，风寒和发热缓慢地摧毁她的身体，让她深受折磨。在她去世后，她的女儿说：“她已经融入了那些她挚爱的物质。她奉献了自己的生命，永远地与它们融为了一体。”

居里夫人后院的工作间，是连阳光也无法抵达的地方。她就是在那里偶然发现了物质和能量的等价关系。基于这种等价性，宇宙学家就能逐步理解大爆炸的辐射、星系物质的诞生、类星体的驱动力和恒星燃烧的神秘原因。光和物质，在居里夫人指甲下的沥青铀矿的灰尘里达成了一种奇妙的统一。然后，光杀死了她。

8 星尘

只有胆大妄为的人，才会使用隐喻。使用隐喻，就像高空走钢丝，就像发射炮弹，就像在没有安全网的情况下凭空翻跟头。隐喻的麻烦在于，你永远不会知道它们什么时候会让你失望。你在半空翻跟头，站上摇晃的秋千——然后突然，秋千消失了。

用蝴蝶举个例子吧。当然，对于使用隐喻来说，蝴蝶是一个安全的赌注。美丽的娇柔，生命的脆弱。《牛津英语词典》用了半页篇幅来解释蝴蝶这个词代表的全部含义：虚荣、轻率、易变、轻浮。甚至连莎士比亚也这样说：“人们都是像蝴蝶一样，只会向炙手可热的夏天蹁跹起舞……”[17]

随之而来的是黄缘蛱蝶。或许稍早一些，在2月，最迟在3月，蛱蝶就已做好准备伸展翅膀。今年是在2月，格外温暖的一天，我蹬着自行车，骑行在还没有完全融化的雪地上。这时，咔！我撞上了春天的第一只蛱蝶。它一定才刚刚从冬眠中苏醒过来。几分钟之后，它的翅膀彻底被2月的阳光焐暖了。这个小东西可能躲开了碰撞，但身体还沾染着沉眠的余韵，带动运作的齿轮和铰链仍然僵硬。它大摇大摆地凭空出现在我的前方。我感觉到它易碎的鳞片刷在我的脸上，如同云母般脆弱，深棕色，边缘是明亮的黄色，点缀着暗蓝色的斑点。这对翅膀有8厘米宽。2月中旬，这样精致的小东西是从哪里来的？

黄缘蛱蝶是新英格兰最常见的过冬的成虫。其他物种只能在幼虫阶段，或是把自己紧紧地裹在茧里过冬，而成虫会移居到更温暖的地方去。但黄缘蛱蝶并非如此。风雪来临的时候，蛱蝶会寻找一棵中空的大树，或是一丛衰落的叶子，像熊一样在里面冬眠。只不过它没有温暖的绒毛，也没有厚厚的脂肪层。这只单薄脆弱的小东西，能在冷酷致命的寒冬中幸存下来，我总觉得是个奇迹。但每一年，在第一个温暖的春日，也许是在冰雪开始消融的2月，黄缘蛱蝶就会挥动着棕黑色与黄色相间的翅膀飘飘而出。在其他昆虫还缩在卵里尚未孵化的时候，蛱蝶已经在呼吸着春日的甜美气息了。

这就是隐喻。美丽是脆弱的吗？生命是短暂的吗？根本不是。恰恰相反，它坚强，它不可磨灭，它生生不息。黄缘蛱蝶一直在证明这一点。

※

我必须说，在我的手册上写道，新英格兰的整个冬天，黄缘蛱蝶都在冬眠，可我从来没发现过冬眠中的蛱蝶的成虫。但是，我见识过这种无与伦比的昆虫的其他阶段。蛱蝶在榆树、柳树和杨树的小树枝上孵化。它的幼虫是身上覆着丝绒般黑色绒毛的柔软毛虫，嵌着红白色的斑点。它用褐色的胶状物质把自己蜷成一个蛹，顶端的茧尖用红色装饰。成熟的黄缘蛱蝶在夏末从蛹中钻出来，以花粉和花蜜为食，直到冬天来临，进入冬眠。当蛱蝶在2月或3月醒来的时候，它们就又能发现花粉和花蜜。这也是奇迹的一部分。

在英格兰，黄缘蛱蝶是来自欧洲大陆的稀有移民，被称作坎伯威尔的美人。在欧洲大陆，同样地，蛱蝶也会宣告春天的到来。我不会忘记纳博科夫在自传中写下的一段可爱词句，他在回忆自己1916年春天发生在圣彼得堡的第一段青涩的恋爱时说道：“坎伯威尔的美人，浪漫如旧，晒干它青肿的翅膀，它们的边缘因冬眠而苍白，就在亚历山德罗夫斯基花园的长椅的背后。”圣彼得堡的冬天肯定比新英格兰的冬天更难熬。然而，蛱蝶在那里还是幸存下来，睡在中空的大树里，薄如纸张的翅膀勇敢地折叠起来抵抗严寒，之后以某种方式奇迹般地在春日的温暖阳光第一次重回大地的时候复苏，再度在公园里嬉戏，一瞥夏天的美丽。

黄缘蛱蝶的忍耐力，就是衡量物质多样性的证据。蛱蝶留在柳树枝上的虫卵，要孵化为幼虫，靠的是包裹在DNA螺旋之外的蛋白质抵御恶劣环境。季节变化让虫卵重新活跃，来自柳树枝和空气里的原子成了组成毛毛虫结构的原料，其中主要是碳、氧和氢原子，也包含少许氮、磷和铁原子，还有其他任何必需的元素。这些原子在这里或那里黏合在一起，组合成发育中的蠕虫所需要的一切：形状、身体、结构和恰当的电平衡。在这之后，在蛹的内部，所有相同的原子重新洗牌，它们仍然受到DNA的指引，改变身体结构，组成蝴蝶的成虫。一些组成蝴蝶身体的原子，随着产卵离开了原本的身体，成为下一代蝴蝶的一部分。而当成虫死去的时候，组成它的原子最终会渗入地下成为其他生物的组成部分，或是被土壤与石头吸收掉。

如果能追踪一个碳原子就太棒了，就像鸟类学家在某只鸟身上捆绑某种微型发射器，让我们可以追踪它的旅程。碳原子，是我们已知的最稳固的物质（前提是碳元素不以碳-14那样的放射性形式存在）。每个碳原子一旦存在就会一直存在。地壳中的碳原子在地球形成之前就是太空中尘埃星云的一部分。地球表面的碳原子就像朝圣者或吉卜赛人一样四处漫游，钻进岩石，跃入海洋，浮上空气，融入生物的身体。它不拘一格，可以和任何东西结盟。有时候，它会加入两个氧原子的团队，以CO2的身份穿街过巷。或者，它会结合蛱蝶蛋白质中更大量的氮、氢和氧。再或者，它可能坚持以某种自身固定的排列形态存在，形成一颗钻石或一块石墨。如果我们标记它、监视它，会发现它始终在发出微小的信号，宣告着自己当下的位置。

想一想，原子如风一般舞动着拂过世间万物。事物流逝变迁的背后是事物的永恒。赫拉克利特说：“一切皆流，无物常驻。”黄缘蛱蝶的身体就像一条河。你不能踏进同一条河两次。我们生活的世界是燃烧的烈焰，我们在其中烧灼，我们一直沐浴在火焰里。蛱蝶的燃烧就像是安慰的语言，向季节致敬。岩石一直在经受火焰缓慢、持续的炙烤。如果我们能看到灌木丛上跳跃的火焰，与摩西所看到的相同；如果我们能看到每一棵树都无时无刻不在经受着烧灼，所有的枝干都包裹着火焰；如果我们能看见风，看见河，看见原子不断地流动，我们会惊奇于任何事物都会持续下去。赫拉克利特说：“物质善于隐藏自己的真实构成。”诗人玛丽安·穆尔也说道：“可见的力量是不可见的。”“房子、星星、沙漠，”飞行员对小王子重复道，“真正使它们美丽的东西，是看不到的。”哲学家、诗人、物理学家和神秘主义者的老生常谈如同刺在他们耳朵上的文身：黄缘蛱蝶的力量，它的美的适应能力，让它坚韧的原因，让它那优雅火焰无可摧毁的根源，是那些不可能看得见的东西。地球的表面在燃烧着，这火焰只是一种肉眼无法可见的持久物的传递。氢、碳、氧、铁，这些真正重要的东西，是不可简化的、永恒的、隐藏的财富。这些就是火焰的元素。

※

今天早上，我看到燃烧着的天空，看到太空中恒星之间流动着的物质。我在黎明前起床，捕捉到了夏天东方夜空中的星座。织女星、天津四和牛郎星出现在未明的天际。一时心血来潮，我取出望远镜，开始寻找微弱的光芒。首先，我找到了天琴座的环状星云。在我的望远镜里，这个星云看上去就像一个微小的烟圈，灰暗、朦胧。我没有费心给望远镜接上电动马达，所以电机还不能补偿地球的自转。在地球迎着太阳向东转动的时候，环状星云飘过了我的目镜的视野，被强化了的烟圈形象在太空中游荡。环状星云是行星状星云，在夜空中呈盘状，样子模糊，早期的观测者习惯把它们想象成行星的圆盘。但是，环状星云的距离比行星远得多，有1500光年。这是一颗垂死的恒星吹出的气泡。在我的望远镜中无法看到那颗恒星脱离尘埃外层的裸露核心，但是用更大的天文台望远镜拍摄的照片可以向我们展露出恒星被包裹在气泡中心的样子，就像是躲在明亮的茧里的蝴蝶幼虫。

这就是恒星死去的方式。所有活着的恒星都会散落物质，就连此刻的太阳，都正在将自己物质的光环吹向太空，这种缥缈的物质流被称作太阳风。当引力让星云坍缩为致密的球体时，恒星就会从空间中的气体和尘埃之间脱胎而出。而恒星，自它们诞生的第一天起，就又开始把气体和尘埃返还到空间中。50亿年来，太阳燃烧的同时呼出一丝微弱的气息，呼出一束物质流。地球就沐浴在这样的物质流中，原子和亚原子粒子的太阳风为地球的大气层提供了能量，点燃了极光。这整个过程，也仅让太阳损失了原始质量的一小部分。但是在恒星生命的最后，往往会加速向空间进行物质返还，特别是如果恒星的尺寸很大，推出的物质就会更多。随着维持恒星燃烧的核燃料耗尽，恒星会进入一个不稳定的阶段。重力向下压碎恒星的核心，热核反应使它膨胀，打破平衡，最终它不得不吹走自己的外层物质。1万多年前，1500光年远的一颗恒星抽搐起来，吹出了环状星云。再过5万年，我们在宇宙空间中看到的气泡将继续扩张弥漫，以至于再也无法被观测到。到那时，来自天琴座垂死恒星的烟圈，将消散为布满星际的介质。

※

我把望远镜从天琴座的环状星云上转开，向下望向地平线，寻找狐狸座的哑铃星云。书上说哑铃星云比环状星云更亮，但我想找到它总是很费劲。就比如今天早上，这项任务因为黎明的曙光即将降临而更加困难了。这个星云的名字源于它的形状，“两团模糊的物质彼此连接”，但今天早上，我没法看到比一个萦绕着苍白光芒的昏暗椭圆形更清晰的东西了。我无法用14英寸望远镜看清它。但书上说，在哑铃星云的中心有两颗恒星，组成一个双星系统。就我所知，目前还没有人能确定究竟是这两颗恒星中的哪一颗推出的物质形成了哑铃星云。其中一颗恒星，经受了临终的痉挛，吹出了它的表层物质。星云里的物质只是原恒星质量的一小部分。这颗恒星失去的只是它的外层，就像一只蝉蜕下了它的甲壳。

靠近地平线的天空逐渐明亮，哑铃星云褪去光辉。我把望远镜重新滑向天琴座的环状星云，可几乎同时，环状星云也隐匿在旭日的晨光里。环状星云中的物质总质量，经过计算，大约是太阳总质量的10%。它的成分比例可以通过光谱来确定。在这些物质中，每1700万个氢原子，就有100万个氦原子、1万个氧原子、5000个氮原子、1500个氖原子、900个硫原子、130个氩原子、34个氯原子和4个氟原子。其中当然也存在着碳，以及被揭露的真相。

行星状星云中这些重于氢的元素的相对丰度明显超过了周围的星际空间。例如，相对于氢元素含量，行星状星云中的氮元素含量是星云的前身恒星诞生的星系云的10倍。天文学家觉得他们知道原因所在。当恒星燃烧的时候，它们把氢转化为氦，接着把氦转化为碳，然后是氧，再然后是氮，最终成为铁。这个过程被称作热核聚变反应，与氢弹爆炸的过程完全一致。在恒星核心发生的原子核剧变的过程中，被融合的核心的一小部分质量转化成了纯粹的能量。正是这部分能量，让恒星能够发光发热。恒星的燃烧，就是用较轻的元素重建出较重元素的过程。这些重塑出的沉重元素会乘着和缓的星风，或是更剧烈些的、行星状星云膨胀出的泡泡回归太空。有时恒星将物质剥离自己的这个过程不光要经历痉挛的阵痛，还会造成灾难性的后果——如果它们作为超新星爆炸了的话。恒星在燃烧的时候产生元素。在恒星核心的工厂里，引力让重元素挤在一起。这件作品足够让雕刻大师切里尼嫉妒，它比珠宝巨匠法贝热为沙皇制造的宝物更令人陶醉。氧原子，因外层的6枚电子而闪闪发光，在化合、燃烧、生锈、腐蚀和创造的过程中恣意释放它的怒火，地球上没有别的原子比它更常见。碳，这位魔法师，现在成了黑骑士，时而身着低调内敛的墨色，时而化身钻石张扬闪耀。它是组成蝴蝶、尼龙、汽油、鞋擦、炸药和农药的骨干成分。铁，工业的象征，地球的核心，夜晚的飞行者，因纽特人用天上掉下来的铁陨石制造工具。钯、锆、镝、钆、镨，这些罕见的旅行者散落在超新星的遗骸中，它们散布于星系，就像从国王的马车里撒出的大把钞票一样。

太阳诞生之前，百代恒星在银河系中诞生、消亡，将原始的氢转变成未来行星诞生所需要的材料。今天早上，在环状星云和哑铃星云中，我见到了宇宙抛撒的钞票。就在今天早上，我看见两颗恒星把英国便士变为美元，再把美元变成镶嵌了金边的证书。一个碳原子，就是一张值得拥有的证书。环状星云和哑铃星云抛撒这些证书，就像狂欢节上的人群挥扬五彩碎纸屑一样毫不吝啬。

※

除了氢和一部分氦，地球上的每一个原子，都是由恒星炙热的核心或是恒星到达生命终点所伴随的剧烈痉挛制造的。我写字用的铅笔中石墨的每一个碳原子，都贴着“金牛座制造”或者“猎户座制造”的标签。宇宙在燃烧。原子流出恒星，穿越星系，现在，它们是猎户座马头星云中的尘埃，或已经成为一颗新行星的地壳，就像货币流通，就像棒球手传球。原子穿过黄缘蛱蝶的身体，在每一次呼吸之间，只做短暂的停留。整个地球的表面，每一秒钟，都像蛹中的蛱蝶一样，正在重新组织成新的形式。赫拉克利特说：“太阳每天都是崭新的。”他的哲学表述也许只是字面的意思？“雷电驱动万物。”他说，宇宙激情燃烧着，适度点燃，适度熄灭。走进一条河，烧起一只脚。走进同一条河，再次烧起同一只脚。可既不会是同一条河，也不会是同一只脚。

英国作家黎里相信，鸵鸟消化硬铁以维持自己的健康。黄缘蛱蝶消化硬铁，留在肚子里的是美丽。百亿年之前，美丽从恒星中飞出来。可见的力量是不可见的。恒星像烟圈一样膨胀起来，比如哑铃星云，我们看不见真正重要的东西。真正重要的东西，是隐藏在星云的面纱后面的过程，是暗自发生在黄缘蛱蝶胶质的蛹里面的事情。蛱蝶的蛹就是一座圣城，由金色的芦苇包围。圣城的第一层地基是玉石，第二层是蓝宝石，第三层是玛瑙，第四层是翡翠，第五层是红条纹玛瑙，第六层是红玉髓，第七层是橄榄石，第八层是绿宝石，第九层是黄玉，第十层是绿玉髓，第十一层是红锆石，第十二层是紫晶。蝴蝶翩翩滑入圣城，换下了自己的斗篷。它的蝶蛹是黄金。它就是星尘。

9 脚下红尘滚滚的平原

一个晴朗的秋日，我带领一队握着野花的学生从莫拉·泰瑞尔的植物课堂走到他们的实验室。我知道他们要在那里做什么。他们会打开布里顿和布朗所著的《新植物图志》。他们会在显微镜的照明台上打开带去的花束。他们会轻点花蕊和萼片，检查花冠的颜色，打开子房的缝隙。他们会素描植物的形态。这些花是属于穗状花序、总状花序、圆锥花序、伞形花序、伞房花序，还是聚伞花序？这些叶子是深裂的、浅裂的、齿状的，还是完整的？它们是对生的、互生的，还是掌形的？叶柄是有茎的、无茎的、抱茎的，还是贯穿的？就在学生们爬上小山走向实验室的时候，他们仍抓紧时间从路边采摘更多的植物——菊苣、紫菀和假黄精。我小心地跟着他们，不免心生羡慕。

博物学家约翰·缪尔说，他生命中所经历的两次最伟大的时刻，分别是他和拉尔夫·沃尔多·爱默生[18]在约塞米蒂国家公园露营的时候，以及他独自在加拿大的沼泽中找到稀有的布袋兰的时候。我第一次来新英格兰是20年前，布袋兰的近亲，粉色的兜兰似乎也是稀有物种。记得我第一次遇到它，是在树林深处的水塘边上。我从来没在树林里见过这样的植物：绚丽、沉重，充满热带气息，就像温室的逃犯。我被它迷住了。我坐在它旁边的草地上，想弄明白这株植物为什么令我心潮澎湃。

我后来才知道，兜兰并没有我想象中那么稀有。在我对这片土地有了更多了解的时候，我学会了该去什么地方找到它们。毕竟在那些日子里，我在树林里偶然遇到兜兰，虽然不能和与爱默生一起露营这样的重要经历相提并论，但这曾经对我来说也一样是值得回忆的体验。现在，20年之后，兜兰在这一带已经变得非常常见。6月初，只要走进森林，就不断有生机勃勃的植物从你脚下冒出来。夏天里的绿色没什么可稀罕的，梭罗说。在现在的新环境中，兜兰就如同一袋硬币中的单独一枚一样毫不起眼。我们当地的大部分野花，都和夏天里的绿色一样没什么价值。山芥、秋麒麟草、紫菀、烟管头草，它们总是数量惊人。但这里也有一些野生植物特别稀有，足以让我为它们驻足。我曾经发现过一株孤独的耧斗菜，在那之后我再也没有见过第二株。我只知道一两个地方生长着这种高贵的鲜红色花朵。在断断续续的小河河床上，这种小花躲避着采集者的眼睛。去年，我找到了一种可能是从其他星球坠落在地球上的生命：一株白色的兜兰，雪白无瑕，独自在松树林中绽放，周围众星拱月般围绕着上万株它的粉色表亲。

我的彼得森野外花卉手册承认白色兜兰相当稀有，而且是一种本土花卉。相当稀有！本土花卉！这种独一无二的白色小花，是被选中的新娘，是神圣的羔羊。布里顿和布朗的书上提到的任何情况都没能让我为这个令人兴奋战栗的发现做好准备。这个季节，我回到同一个地方，白色的兜兰再次出现在我眼前，在树林下的荒草中，在上万株的粉色兜兰身边，奇迹般地复活了。在新几内亚的某些部落的语言中，只有两个基础的表示颜色的词语，粗略地翻译过来的意思大概就是“黑”和“白”。有这样两个词就足够了。我的兜兰是白色的。宇宙中的其余部分都是黑色的。星系和恒星被创造出来，孕育了这棵小小的植物。恒星燃烧，锻造出原子。14世纪的神学家埃克哈特大师这样写道：

“大地不能逃离天空，

让它上下躲闪，

天空流进，使它丰饶，不求回报。

神也这样对待世人，

要逃离的只会回到他的胸怀。”

※

在我们的地球表面，现在至少存在300万甚至1000万个物种。历史上曾经存在的物种数量比这个数字还要大得多，但它们大都已经灭绝了。在一颗称得上是穷乡僻壤的恒星附近的一颗小小行星上，能存在这么多物种算得上硕果累累了。除此之外，对宇宙与地球的生物多样性相匹配方面的知识我们还一无所知。物理学家发现了几十种基本粒子和92种自然存在的元素。天文学家将少于20种类别的星系进行系统编目，恒星被细分为不超过100种类型。而在这个起伏、颠簸、悸动的地球表面，却存在着1000万种各自独立、可供分辨的生命形式。根本没有足够多活着的生物学家来解释这一切。植物学家的理论可以对白色兜兰进行更精确的分类：植物界，被子植物门，单子叶植物纲，兰目，兰科，兜兰属，兜兰种。但即使是如此细致的划分也不够好，这种冗长枯燥的植物分类术语，也可以应用于更常见的粉色兜兰。那么如此躁动的宇宙又是什么类型呢？当成千上万的粉色兜兰不断占据更多的地盘，什么样的宇宙还会为一株孤零零的白色兜兰留出一席之地？这个问题太过庞大了，可能是我们将要提出的最宏大的问题。

宇宙学家和物理学家越来越频繁地思考着相同的问题，他们也确实有理由这样做。因为我们对自己生活的这个独一无二的宇宙了解得越多，就越会觉得我们生存在这里是那么不可思议。考虑一下这些巧合：如果决定了原子直接的相互作用的所谓的宇宙精细常数的数值和现在的已知结果略有不同，那么恒星要么会燃烧得过于迅速，要么根本不会燃烧，永远保持寒冷和黑暗。这个常数的数值处在精确的平衡中，就像一枚立在桌子上的硬币一样，使相当数量的恒星能以稳定的光线燃烧几十亿年，从而温暖和滋养邻近行星上的生命，其中就包括我们的太阳。如果控制核力的强相互作用常数与现在相比仅增大2%，夸克就不可能组合形成质子，也就不会存在我们熟知的那些元素。如果这个常数的数值比现在小百分之几，那么比氦元素更重的那些元素的核心都会不稳定，由岩石和铁组成的行星就都不会形成，碳基生物也无法存在。如果引力常数与其观测值略有出入，或增或减，恒星就不能散发出持续时间足够长的光来推进附近行星上的生命进化。如果大爆炸之后的1秒钟内，宇宙密度及其膨胀速率的比值与我们假设的值有极细微的差异，比如仅仅是小数点后面15个零再写一个1的差值，那么宇宙就会迅速塌缩，或者急剧膨胀，原初的物质就无法凝缩成恒星和星系。

我的白色兜兰显然存在，这一事实严重限制了物理学基本常数的取值。除非决定自然定律的常数具有某些特别精确且显然无端的数值，否则这棵植物不会存在于你我的视野里。恒星闪耀的事实，也许只是从可能存在的无穷多个想象中的宇宙中选择出了我们现实中的这个。硬币被抛到空中，用它的边缘立在桌上。如同你我一样，宇宙学家对此也感到困惑。他们把这种看似不可能的宇宙巧合，归结为一种原理，即所谓的“人择宇宙学原理”。这个原理指出，既然只有人类可以观测到的这个宇宙具备这些巧合的物理量，允许生命的出现和进化，那么我们生活的这个宇宙就必然具备这些物理特质。物理学常数的巧合就是为了我们的利益而奇迹般设计出来的，因为是我们在这里观测它们，否则它们就不会是这样。

布莱克说，一沙一世界，一花一天堂。他是对的。沙粒中的硅和氧，花朵中的碳，它们各自能存在靠的是将宇宙结合在一起的精确作用力。在恒星的中心，3个氦原子相结合就会形成碳元素。稍稍调整电磁力或核力的强度，就能从碳原子的核心中敲出不一致的共振，阻止氦元素的合成，在恒星燃烧的10亿年里也就不可能产生足够的硅和氧，以至无法制造出任何一粒沙子。不，硬币不会在落下时恰巧靠它的边缘立住，情况要比这不可思议得多：硬币在空气中翻转了1015次，却在落下来试图以边缘立住的时候一次成功。如果地球上所有沙滩上的每一粒沙都是可能的宇宙，即宇宙始终遵循着我们所了解的物理定律，那么其中只有一粒沙子是允许智慧生命存在的宇宙，只有一粒沙子是我们所生活的宇宙。

有人会为这些信息欢呼雀跃，他们会说：“啊哈！你看，物理学家已经证明了上帝的存在。”我要说：“没有的事。”物理学家什么都没有证明。他们只是观测到了这个极不可能存在的宇宙的存在，这是我们唯一能观测到的宇宙。如果这是一个使我们受到束缚的谜团，那就如此吧。如果你愿意，我会用来自祖先的古老语言来赞美这种不可能性，我会敲锣打鼓制造出欢乐的声音，我会奉献松树林中的白色花朵作为圣洁祭品。但是，我永远也不会相信在这种古老的语言中包含着关于无限宇宙的新的知识。物理学家所发现的事实，与沙石上的隐修者和菩提树下的佛陀心中的神秘同样辉煌、同样绝妙。物理学家已经掌握的知识丰富并深化了这些庄严尊贵的神秘，并非对其证明，也非将其否认。

※

第一眼看上去，宇宙的确就像是完全被设计成为了符合我们的利益而存在。但还有另一种方式看待宇宙。一位量子物理学家，当他将研究重点转向关于宇宙大爆炸的物理学理论时告诉我们，那些方程式允许多重宇宙的存在，在某种超空间和超时间的软木塞子拔出之后，就像冒出的泡泡一样，无穷多个宇宙喷薄而出，每个宇宙中的物理常数和条件都随机取值。我们已知的这个宇宙，这个沙砾和白色花朵的宇宙，是唯一一种允许形成我们这类物质和我们这类恒星的宇宙。这是连续扔1015次硬币才能获得一次的机会，我们的夜晚就是1015个夜晚中的一个。有些宇宙填满了恒星，有些永远黑暗，除了这一个，其他的宇宙我们永远都无法了解。你看艾伦·麦克罗伯特在《天空和望远镜》杂志上写下的段落：

50年后，经历过星系初生的大爆炸的宇宙，看起来似乎收缩了一点，显得拥挤。我们似乎正在接近下一个步骤。我们今天仅仅是试图透过一扇敞开的门勘探无边无际的宇宙全貌，或大或小，或熟悉或陌生，数不清的绚烂缤纷。我们所面临的实际问题是，我们没有完全合适的物理学。只能说，这是一种象征，意味着我们此刻正站在科学的前沿，未来一代又一代人会继续扩展我们探索的边界，会得到我们意想不到的结果。

我该怎么理解这件事呢？宇宙是巨大的香槟酒嗞嗞喷涌的气泡！我可能永远也不会习惯接受这件事。一个星光灿烂的夜晚就足以让我头晕目眩。一朵白色的兰花就可以让我屏住呼吸。如果上帝真实存在，如果包含星系的宇宙只是一朵太空泡沫，我该说些什么？夜晚，我的兜兰甚至也成了黑色。我是黑暗的朝圣者。就像诗人罗特克所说：“我俯视着远处的光芒，我注视着树的黑暗一面，脚下红尘滚滚的平原，再看一眼，我就迷失在夜晚。”[19]

※

今天的报纸上说，哥伦比亚号航天飞机将于下午4点47分经过我们这片区域，也就是在太阳刚落下的时候。4点45分，我走进院子，想试着在天空中找到点什么。航天飞机严格执行了时刻表，出现在天空的西北方向，像外科手术的解剖刀一样精确地划到东方。它像金星一样明亮，看起来就像一颗在古老轨道上松散移过的行星。当我沉默地站在院子里观看遥远的飞行器把天空割出一个清晰的切口时，突然间夜幕降临，鸟群飞舞。一大群加拿大雁从水塘往我房子的北面飞，然后盘旋向南，喧嚣着打破了黄昏的宁静。它们唰唰地拍打着翅膀，有节奏地敲击着夜空，用它们的嘶哑嗓音嘲笑着天空中的群星。40或者50只加拿大雁，排成参差不齐的“V”字形队列，维持在我头顶上方不足30米的距离。它们拍打着、鸣叫着，在惹人烦躁的聒噪声中飞向南方，发出的噪声已经倾覆了杰里科的河床。我从来没想过去看看航天飞机究竟会从视线里的哪个位置出现。

地球表面随着生命流动。我注意到的所有地方都有生命的印记。我睁开双眼，夜空遍布鸟群。我放任听觉，翅膀的拍打声在我耳畔鼓动。这是怎样的肆意挥霍？在我的书架上有一本马古利斯和施瓦兹编著的《地球生命门类指南》，270页的著作为所有的生命大胆地进行了分类。你和我、野生加拿大雁以及其他所有长了脑子和脊椎的动物，45000种，在这本书上只占据4页纸的篇幅——第236至239页。而兜兰和其他所有开花植物，23万种，只有3页内容——第268至270页。我真没想到，这本书上我认识的物种就没有几个。太多的生命太过渺小，不用显微镜根本看不见。还有很多生物的栖息地我从来都没有去过。我翻开一块石头，1000只动物慌忙逃窜到我的视野之外。我抓挠一下眼皮，就搅动得一个螨虫王国不得安宁。我每走一步路，都颠覆了一片微观世界的森林。我随意翻开这本书，看到第218页上面写的是：缓步动物门，缓慢移动，微粒尺寸的“水熊虫”。这里还给出了一幅电子显微镜制作的缓步类动物的照片，让人们可以理解为什么赫胥黎称这种动物叫“熊”。它们看起来就像熊，运动起来也像熊，只不过体积只是真正的熊的万分之一。缓步类动物可以在高至150摄氏度、低至零下270摄氏度的环境里存活。它们生活在北极，在热带地区，在蕨类植物的森林里，在温泉里。它们能自行脱水烘干，把自己变成桶状，这个行为被称为“桶化”，因为这时它们看起来就像葡萄酒桶一样。在这个状态下，它们能存活100年。它们可以承受住比足以杀死人类的辐射水平强大1000倍的辐射。这种生物的整个族群都是无法用肉眼看见的。它们用极细微的熊掌攀过地衣，它们把自己堆放在植物根部的黑暗酒窖里，假装自己是装着陈酿美酒的酒桶。如果事实真是如此，在这个吵闹的夜晚，在所有宇宙的合奏中，这些加拿大雁的扑腾吵嚷只是其中之一，那么我是否应该感到惊讶？这太令人难以置信了，为了确保1个、2个或者100个物理参数的随机起伏能够正确地、精确地组合，产生一片松树林里有着一朵小白花的宇宙，大自然会创造出无数个宇宙。但是那么多个宇宙注定无法被看到，因为它们当中缺乏有认知能力的生物。如果地球上存在1000万个物种才能确保其中有一种生物具备认知能力，如果1000亿个星系的存在才能确保其中有1000个行星进化出生命，那么为什么不会有10万亿个宇宙同时存在？确实，为什么不呢！加拿大雁的拍打和鸣叫，在几个小时之后，依然扰乱着夜晚的安宁。

10 隐藏的物质

在8月英仙座流星雨的鼎盛之夜，我和儿子幕天席地而睡。那天夜里异常晴朗，我们远离了城市刺眼的灯光和恼人的阴霾。流星划破恒星闪烁的苍穹背景，看上去似乎夜色才是点缀。我们头上的银河，从北边的仙后座延伸到南边的人马座，连成一道拱形。它是昏暗的光河，是发光的帷幔，是黑色天鹅绒上点缀的钻石尘埃。时光流逝，恒星西垂，我们几乎能感觉到自己正在银河系的明亮旋涡中旋转。

对所有古代文明来说，银河，这条繁星之路，是一座桥梁、一条道路，或是一条河流。天文学家小罗伯特·伯纳姆[20]认为，这些形象紧密联系着人类的生活观念，是两个世界之间的旅途或巡游——“生活是一座桥，”禅宗大师说，“在它上面没有房子。”——宇宙自身无尽的旅程通往未知的终点。这种形象是一种有力而难忘的象征，仿佛让我们踏上了一段漫长的旅程，让我们感到身处群星之间就如同回到了家。

对银河的现代观点也同样令人难忘。我们的太阳是盘状结构上数千亿颗恒星中的一颗。这个圆盘有着10万光年的直径。盘上的恒星聚集在几条旋涡状的旋臂上，围绕着中心旋转，就像一架风车。太阳距离这个中心3万光年，处在与太阳距中心同等距离位置的恒星，围绕银河系的中心转动一圈，需要2亿5000万年。恒星和恒星之间的空间撒满了尘埃和气体，它们是恒星诞生所需要的丰富材料。在银河盘的上下方分散着几十个由数百万恒星组成的球状集团，被称为“球状星团”。球状星团围绕着银河系运动，就像蜜蜂围绕蜂巢嗡嗡飞舞。

我过去经常在教室的地面上把一盒盐撒成旋涡状的样子，来建造一个银河系的模型。示范的效果很棒，给人留下了深刻的印象，但尺寸规模却是错误的。如果每粒盐都精确地代表一颗典型的恒星，那么盐粒和盐粒之间的距离应该有几千米远。一个数字和维度上相对精确的银河系模型需要耗费1万盒盐来撒在比地球截面更大的扁平圆圈上。在银河系的尺度上，我们的太阳系就只是风车中的一粒微尘，只是海水中旋转漂浮的一粒盐。就在那个夜晚，在那个我们看到了星尘的夜晚，我和儿子躺在敞开的夜空之下凝视着成千上万颗星。那是最棒的一个晚上。但我们所看到的全部的恒星都只是银河系中的一只旋臂上离我们最近的邻居。

夏天夜晚的银河在人马座方向最为明亮壮观。这一点暗示了那个方向是银河系的螺旋中心，聚集的恒星和星团最为密集。在银河系盘的中心平面上，尘埃和气体遮挡了我们的视线，藏匿着它的核心。但是射电和X射线望远镜可以穿透遮挡物，洞察强大的能量源，看到那个蓬勃跳动的怪物的心脏，俨然就是造物之初的暴虐景象。银河系的核心，就是超大尺度的不稳定地带，是宇宙承受痉挛的地方。或许也是在那里，正有无数个太阳被超大质量黑洞吞噬着。

※

1610年的冬天，当伽利略把他的望远镜指向银河的时候，他惊讶地发现这条苍白的光带可以被分解为大量的恒星。恒星不计其数，超过了肉眼的视力范围。我们将银河系盘上无数恒星的光汇集起来组成的光带看作环绕在我们天球上的明亮天河。不透明的尘埃和气体在盘的中心部分聚集，特别是在人马座的方向，阻挡了天河的流淌，留下黑暗的岛屿。古时候没有明亮的灯光，居住在更南纬度（靠近人马座的纬度）的人，更容易看到这条横亘夜空的璀璨光带。澳大利亚原住民看到过银河系中心黑暗区域中巨大的鸸鹋形象。我们现在称这个黑暗的深渊为煤袋星云，真是缺乏诗意。在秘鲁，说克丘亚语的印第安人发现在银河的间隙中存在几个暗星座，包括一只鸟、一只狐狸、一头小美洲驼、一只蟾蜍，还有一条巨蛇。西班牙征服者忽视了印加人描述的黑暗的星座形象，恒星暗淡的枯燥夜空没有引起欧洲人的兴趣，他们没心思考虑那到底是什么星座。欧洲人看到的是破碎的光线，印第安人看到的是有限的黑暗。欧洲人看到的银河是条道路，印第安人看到的却是藏匿着野兽的巢穴。

现在，印加人的黑暗野兽去而复返，企图在我们身边作祟。近年来，天文学家已经发现了之前银河系一直在我们面前遮掩不表的更大的那部分，就隐藏在印加人闪耀的小美洲驼和蟾蜍之间的黑暗区域里。

对氢原子的射电研究表明，银河系的银盘尺寸比我们认为的还要大一倍。氢云扩展到活跃的恒星形成区之外，在恒星组成的明亮星系的边缘围绕着气体组成的旋臂。四条海星触手般的旋臂伸展到星系空间中，使旋涡规模加倍。那里的物质太过稀薄，难以孕育新的恒星。

能证明银河系正在进行特殊延伸的另一项证据，来自简单的数星星的办法。现在，相片底片上的恒星可以利用计算机控制的扫描光束进行计数。这些新技术能让天文学家观测到比之前的可靠测定范围暗得多的恒星。他们发现在银河系的光盘上下覆盖着大量的低亮度的恒星，而过去这些地方被认为没有物质存在。银河系的旋臂显然被一个由暗星组成的蛋形光晕包裹着。

但是在对银河系的研究中，最令人吃惊的进展当数银河系的旋转动力学。对银河系外围部分的天体（亮星、恒星星团和分子气体云）的运动观测，已经可以使天文学家改进他们对银河系总质量的计算。这些天体的轨道运动遭受引力的控制，它们被引力束缚在围绕银河系中心的轨道上。所有位于这些天体和银河系中心之间的物质都提供了牵引它们的引力。通过观测这些遥远天体的移动速度，天文学家可以计算出束缚它们的总质量。这些计算的结果令人惊讶。它揭示出，银河系的质量至少比过去估计的高出30倍，不发光的物质只能通过它们自身的引力被人察觉。

怎么会有这么多的物质？银河系中97%的物质到现在都没有被探测到，它们就隐藏在黑暗中，就像印加人的星座避开了西班牙殖民者的注意。答案在于，这些新近发现的物质中一定包含着某些特殊的非辐射物质形式。所以它们不会是星星，我们可以看到星星在空中闪耀。它们也不会是星际气体或尘埃，气体和尘埃自身散播辐射，也会吸收来自遥远光源的光线，我们可以借此观测到它们。

那么，这种宇宙中隐藏的成分，这种占据全部物质构成的较大比例的暗物质，究竟是什么？它们是什么时候形成的？我曾经和一位朋友提到这些研究的进展。“宇宙中97%的物质，”我说，“是我们完全不了解的存在。”我的朋友回答：“也可能是最好的存在。”事实是，天文学家至今对这种把恒星束缚在银河系轨道上的“东西”完全没有了解。

可能，银河系的暗物质成分包括木星尺寸的天体。氢和氦形成的球体太小，所以不能点燃成为恒星。也可能暗物质中还包含一些我们仍不了解的天体类型，它们比尘埃的颗粒大，比最小的恒星小。或许，暗物质中还包括黑洞，也就是坍缩成致密天体的恒星，连光线都无法逃离它们的引力。

这些更常见的暗物质候选体遍布我们的星系。探索亚原子领域的物理学家已经提出过“暗物质”可能具有其他的形式：它们可能是中微子的囤积物，因为每一个中微子自身都带有难以察觉的微小的质量；或者是一种尚未被发现的引力微子、光微子或轴子的气态形式。这些粒子的质量是电子的100亿分之一，完全是假设中的实体，过于古怪离奇，偏离常规经验，没有人能了解它们，它们就像祭司王约翰的现代王国里的朝圣者一样徘徊不定，在无限大和无限小的世界里游走。就像18世纪哲学家鲁杰尔·博斯科维奇所说的原子——没有维度的粒子，却有着无限的影响力——这些银河中稀奇古怪的野兽或许正以一根难以言喻的奇妙线绳和宇宙绑在一起，如此捉摸不透。想要理解它，只能凭借我们的想象力，去拥抱整个时间和空间的结构。“你能系住昴星的结吗？”上帝在旋风中回答约伯[21]，“你能解开参星的带吗？”

※

这种被我们像扔渔网一样笼在恒星身上的无限大和无限小的联姻，究竟是什么？是神的宏伟蓝图的直觉，还是我们缥缈梦境的投影？人们总能在银河中见到自己的梦境。对埃及人来说，银河是伊西斯播种的麦田；对因纽特人来说，银河是纯净积雪的瀑布；对布须曼人来说，银河是将熄营火的灰烬；对阿拉伯人来说，银河是奔腾不息的河流。

哈罗·沙普利[22]享年87岁。在他辞世前不久，曾到访我的学校。沙普利为我们建立了银河系的现代观念。他提出，银河系是千亿颗恒星组成的旋涡状薄饼，直径10万光年，条纹上缠绕着或暗或明的气体带。《波士顿周日广告》在1921年5月29日那一期的头条写道：哈佛天文学家发现，宇宙比之前大了1000倍。在那次访问中，这位羸弱的八旬老人为我们讲述了有关他的生活的故事，以及故事背后的意义。他的双眼依然明亮，白发斜梳。他穿越了银河系，只留下身后我们这些茫茫的地球人还在翘首等待。

沙普利做了一个了不起的梦。他的梦里包含所有可见的恒星。他的梦将宇宙放大了1000倍。现在，我们已经发现，可见的恒星只是所有存在的物质中的一小部分。银河系中大部分物质对我们来说都是不可见的，它们躲在梦境边缘的黑暗中，束缚着、牵引着、塑造着、指引着——那隐藏在光海中巨大的海怪利维坦，或是长着铜管般骨头和铁板般软骨的骇人巨兽。如果在银河系中新发现的不发光物质在其他星系中也一样普遍（我们有理由这样相信），那么我们将不得不大幅增加对宇宙总质量的估计。根据广义相对论，正是宇宙的平均密度来决定宇宙是会永远膨胀，成为无尽的冰冷虚空，还是会重新收缩，恢复为创生时的炽热火球。银河系和其他星系中隐藏的物质可能会决定宇宙的最终命运。

※

在我和儿子观赏8月夜晚这场每年都会上演的流星雨的时候，我们所感知到的这一切，沿着银河流淌过我们的脊背。我们乘坐着旋转的地球围绕太阳运动。太阳裹挟在千亿颗恒星转动形成的旋风中，被神秘的暗物质封印其中。旋转，旋转，旋转，我们分享着一段连宇宙自身也不确定目的地的旅程。

11 水塘中的怪物

奥德修斯遭到了喀耳刻的警告。选这条路走，他将遭遇六头六口、每张嘴里都挤着密密麻麻三排尖牙的怪兽斯库拉。选另一条路走，他要通过每天吞吐海水三次、将大海搅出翻涌旋涡的海妖卡律布狄斯。大海像煮沸的大锅一样翻腾，她掀起滔天的巨浪，喷出的海雾犹如暴雨冲刷各个角落。当她吞咽咸海，整个旋涡从里到外都会被掀开，把海底的黑沙暴露在外。奥德修斯做出了他的选择。他驾船驶向斯库拉，在六头怪兽掳走他船上的六位勇士的时候，他发现自己已经幸运地趁着海怪休息的空当逃出生天。

18世纪卑尔根的蓬托皮丹主教在他的《挪威博物学》中这样描述：荷马笔下的斯库拉就是大海怪的意象。这样的考虑，减少了荷马故事中神话色彩的渲染，但古老的魔法依然能作用于主教大人的想象力，构思出宣告不祥的海洋巨怪。海怪的身躯如此宽阔庞大，蓬托皮丹主教坚称，当海怪在海面下穿行的时候，渔民会发现他们的渔船仿佛搁浅在一片不寻常的阴影浅滩上。这种生物起伏不定，它的身体裹满如同沼泽般浓厚的黏液，触角有船的桅杆那么长。如果海怪缠上最大的战舰，足以把它拉到海底。“怪物浮上海面短暂停留，”主教写道，“它开始再次缓慢下沉，随之而来的危险不比之前少，因为下沉的运动造成了海水涌起，如此而来的旋涡或激流能把一切物体拽向深渊。”

赫尔曼·梅尔维尔是一位有质疑精神的作家。他倾向于相信主教笔下怪物的灵感来自一只巨大的鱿鱼。在他的《白鲸》一书中，亚哈船长的“裴廓德号”上的捕鲸人遭遇了一只巨大的鱿鱼，却错把它当成了白鲸。以实玛利的报告令我们难忘：

我们简直顿时把有关大家伙的所有想法都给忘得干干净净，大家尽凝望着那神秘的海洋迄今为止所揭示于人类的最为奇妙的景象。一团巨大的软绵绵的浆状物，纵横有好几个弗隆[23]，闪着奶油色的光芒，漂浮在海面上。在它身体中央辐射出无数的长手臂，扭动卷曲，七缠八绕，活像一窝蟒蛇，横冲直撞地仿佛要把任何碰得到的倒霉东西捉住似的。既看不出它究竟有没有面目，又辨不清它是否有感观，但见一个神秘的、无定形的、凭空出现似的活幽灵在波涛间起伏。

水手们怕得发抖。除了以实玛利，所有人都在那天被卷入深渊，与怪物融为一体。

自古时候起，怪兽和旋涡就一直是神话和故事中的常驻角色。而且，正如你所期盼的那样，这些形象也被投射到了天空之上。猎户座的脚部有一个巨大的旋涡，就在明亮的恒星参宿七附近，被神祇赫耳墨斯·特里斯墨吉斯忒斯称为“死亡”，而新西兰的毛利人称之为“通往地狱的路”。就在星座之间的这个位置，波江座的河水流淌着，星光如同法厄同的水中坟墓，倾泻而下，一直到达南方地平线以下的世界。靠近河流的是鲸鱼座。这只鲸鱼，就是《白鲸》的主角在天空中的样子。古代神话中，波江座代表的大河与银河代表的天河经常被混淆。它们都是连接生者世界与亡者世界的通道，都有怪物驻守，都被说成是承受了法厄同的坠落的河流。在银河的例子中，科学和神话进行了奇妙的融合，我们已经发现，天上明亮的河流实际上是旋涡状的结构，而在那大旋涡的深处，如同古人猜测的那样，潜伏着恐怖的怪兽。

※

天文学家早已知道，银河系的中心是灾难的策源地。这个星系核处于人马座的方向，人马座伴随着高能辐射的火花而燃烧：射电能量、X射线能量和紫外线能量。半个世纪以前，一位名叫卡尔·央斯基的年轻工程师建造了一架旋转的无线电天线，用来研究雷暴对短波通信的影响。他的天线探测到一些静电来自附近的和远方的风暴，还有一些信号源稳定且微弱，每天围绕我们的地平线完整旋转一圈。经过几年的持续观察，央斯基得出结论，这个微弱的无线电静电源位于人马座方向，比地球上的任何风暴都更遥远。它被固定在恒星间的空间中，远离自转着的地球。央斯基的天线是人类史上第一台射电望远镜。他对人马座无线电静电射电源的观测是射电天文学的开端。之后，更先进的射电望远镜被用来绘制银河系的旋臂图案。旋臂由恒星、尘埃和气体组成，因为其中的氢原子而活跃于微波波段。那些同样类型的射电望远镜窥探到了银河系的核心，那一定是个强大的射电辐射源。而辐射最强烈的核心，就位于旋臂的最中心处，被称为“人马座A*”。射电源隐藏在遮挡物中，一般的光学望远镜无法透过银河系旋臂上的尘埃和气体观测到它，但来自银河系中心的射电波可以轻松穿透这些障碍，就如同本地的调频广播信号穿过我家墙壁一样容易。以每秒数百万次的频率，栖身于旋涡星系核心的怪兽宣告着自己的存在。

最详细的银河系中心射电图是由甚大阵（VLA）射电望远镜制出的。VLA位于美国新墨西哥州靠近索科罗的沙漠中，由27面天线组成，排列成“Y”字形，范围延及方圆30千米。射电图像显示，三条S形的高热、带电气体正绕着银河系中心旋转。天文学家现在相信，这些强力的射电源是流入中央大质量黑洞的物质。黑洞是一种极其致密的天体，即使是光也不能逃离它的引力。银河系中心的黑洞质量相当于1亿个太阳的质量，却被压缩在比地球轨道还小的空间里。显然，银河系中心的黑洞还在持续增长，轻而易举地把恒星、尘埃和气体拉扯进它的势力范围。奥德修斯做梦也想不到比银河系中心的怪物更离奇的东西。致密黑暗的物质核心，超出我们的想象，正在吞食恒星，为自己果腹。

※

1983年秋季的一天，我走过本地的木板桥，那之下的溪流渐宽，拓成一处宽阔的暗色水塘。我经过一群年轻的垂钓者，他们正在往远处的水塘角落里释放钓线，脸上带着12岁男孩子青涩的自信。我停下来称赞他们熟练的技巧，也哀叹这里鱼儿的命运，而几个瘦小的年轻人只是面无表情、默不作声地站在桥面上。“钓得怎么样？”我问。他们脸上闪现出一瞬严肃的神情。他们忙于工作，而我打扰了他们。“这附近有一条40厘米长的鲈鱼。”其中一个男孩边说边把渔线往池塘的另一边放出去。我明白了。男孩们接连把鱼饵扔进可能隐藏着大鱼的阴影里。我往水里使劲盯着看，但除了黑色的池水什么也没看见。

每天下午我下班回家，都能在桥上看见这些男孩。每天下午我询问他们的时候，都会得到同样的答案：“大鱼还在那儿。”我佩服这些孩子的耐心与执着，但我更佩服的，是水里那个我还未曾谋面的带鳞生物。就像尼斯湖水怪或峡湾的海妖，大鲈鱼给水塘——甚至世界——增添了新的魅力。

每个黑黢黢的水塘里都应该有它自己的怪物。夜空的“水塘”也曾庇护着依附于它的各种怪兽：鲸鱼座、天龙座、天蝎座和长蛇座仍潜伏其中。几代人以来，我们一直在忙着除掉那些最后的、存在于谎言之下使人轻信的黑暗造物，比如匿身于挪威海域虚假阴影中的海妖。现代的主教不会再像18世纪卑尔根主教对鱿鱼的描述那样，写下混合了客观科学与道德预警的文字。蓬托皮丹主教当年说，海妖花几个月吃东西，再花几个月排出粪便。在它排便的那几个月里，海平面总是污秽混浊。这些漂浮的排泄物的气味会吸引来鱼类。渔民如果这时赶来捕鱼，海怪就会张开触手，用密齿尖牙欢迎来访的宾客。

地球和天空中的黑暗池塘逐渐无法再庇护那些怪物，它们一只接一只地被科学这位猎魔人残忍捕杀。但是现在，伴随着一次令人好奇的回归，科学又给我们带回了天空中的怪物，比我们在梦中见过的任何一只都更加奇怪。银河系，黑夜中的旋涡池塘，在它的核心住着一只怪兽。在那可怕的涡流中，恒星和行星，气体和尘埃，都会被它的血盆大口吞下，被引力卷入一个幽暗深邃、无法逃离的地下世界，而后消失殆尽。就像池底的大鲈鱼，银河系心脏里的怪物让夜晚变得更加深沉阴暗。它对着星座念出咒语，施展魔法。

※

如果我们想了解银河系，最好的办法通常是看一看别的星系。我们无法看见银河系的全貌，因为我们身在其中。但如果我们超越银河系的扁平旋涡放开视野探寻，就能发现无数其他的星系，并且没有理由认为这些星系和我们自己的不同。我们知道，银河系的中心能产生巨大的能量，它是神秘离奇事件的发生地。能量的来源，据天文学家所说，是隐藏在恒星旋涡池塘中的大质量黑洞，就像淹没在旋涡里的海妖。我们的星系中心存在黑洞的最佳证据，来自银河系之外，来自位于猎犬座的名叫NGC 4151的星系。

NGC 4151是最明亮的塞弗特星系之一，这种稀少的高能星系类型于1943年被卡尔·塞弗特首次发现。天文学家们相信，塞弗特星系和遥远神秘的明亮类星体有关，至少这些奇怪的星系明亮的中心区域产生能量的机制和类星体相同。现在看起来，塞弗特星系中心的发动机，以及类星体的中心，很可能就是相当于太阳数亿倍质量的黑洞。那样的天体位于星系的中心，会吸引并吞食邻近的恒星、尘埃和气体。千百万个太阳，以及可能围绕它们运行的那些行星，都会旋转着被淹没在那个令人恐怖的水槽里，就像船只和水手掉进卡律布狄斯的口中。在劫难逃的那些太阳系和伴随着它们的气体云都被吸进旋涡，在其中被纺成一个扁平的“吸积盘”，一个由恒星、尘埃、气体组成的旋转环，在炽热的辐射能量下堆积、加热、流动，在落入黑洞的深渊之前绝望地挣扎。

一个由欧洲天文学家组成的团队已经获得了NGC 4151中心存在黑洞的有力证据。利用地球轨道卫星上的紫外望远镜，他们发现这个星系活跃的核心所散发出的光芒中存在碳和镁元素的辐射。光的特征波长被模糊了，大概是物质围绕黑洞的运动所造成的。从模糊的程度来看，这个团队能够计算出含有碳和镁的气体云的轨道运行速度。

在1979年的一系列观测中，NGC 4151的核心陡然耀发了。13天之后，碳的光芒耀发，这表明明亮的碳云距离旋转中心有着13天的距离。30天之后，镁光耀发，即富含镁元素的气体云距离旋转中心有30天路程。在已知距离和物质云的环绕速度的条件下，天文学家发现很容易就能计算出中心天体的尺寸和质量。在NGC 4151的中心，有一个比单个恒星大不了太多的天体，其质量相当于1亿个太阳。毫无疑问，具有这样的尺寸和质量的天体一定是黑洞。1亿个太阳，也许是1亿个和我们自己的太阳系类似的行星系统，已经打着旋儿落入宇宙的下水道。就像女巫喀耳刻警告的那样：“上天让你远离那个地带，因为就连能撼动大地的至尊天神也不能把你从灾难中拯救出来。”

※

托尔金，中土世界的大师，他认为魔法和怪物的世界只是形容词的另一种视角。能思考出“轻”“重”“灰”“黄”“静止”“转动”这样的概念的思想，也能构思出让重物起飞、让铅变成黄金、让石头变成流水的魔法。相反地，20世纪的世界总体上来说是一个名词和动词的世界，是物体在时空中运动的世界，是缺少魔法的世界。我们所见即所得。

除了……在那个时候每天下午那些男孩都去垂钓的水塘里。从形容词中，我让我的思想虚构出巢穴里的大鲈鱼。它轻盈如悬浮水中的云，或是光滑如匍匐水底的卵石。它躲藏在梭鱼草灰色的阴影中，或是像折射的阳光映出亮黄色的光芒。它如同水中的月亮倒影静止无息，或是像水塘釉色表面上的陀螺旋转不停。形容词是想象力的造物。

距离太阳30000光年远，在银河系螺旋的中心，巨大的黑洞正一刻不停地忙着自己的事情。沉重、黑暗、静止的引力奇点坐落在黑暗的核心，吞食着光线、黄色的恒星、摇摆的天体。即便是容易轻信的蓬托皮丹主教也无法想象出这样的造物，1亿颗恒星被压缩成一个相当于地球轨道尺寸的球体。不，这是地球轨道尺寸的黑洞，空间体积永远被引力所掩盖。恒星，数亿颗恒星被挤压进地球尺寸的黑洞，棒球尺寸的黑洞，针尖尺寸的黑洞。密度终极无限，无法抗拒，最终创造出能将任何物质拉扯进无尽虚空的旋涡与激流。黑洞，白鲸，水塘中的怪物：想象永远不会离去。在梅尔维尔的道德寓言的恐怖结论中，大白鲸把整个宇宙都拉进如墨般漆黑的深渊。

立刻，惊呆的船员就站立起来，然后转身。“船呢？我的天哪，船在哪儿？”很快，他们通过昏暗的、迷蒙的雾气，看见她的褪色幻影，就像气态的海市蜃楼。只有桅杆的最上头一截露出水面。几个原本在高处的水手，现在正保持着一种安详的姿态往下沉。一个巨大的、以小船为圆心的旋涡形成了。仅存的一只小艇，所有的漂浮物，每一片浮桨，所有有生命的和没有生命的，都被卷挟其中。最终，所有的一切都被旋涡带走了，甚至连“裴廓德号”留下的肉眼不可见的细碎木渣也没能逃过一劫。

※

在温暖的秋夜，当银河系灰暗的环状光芒从仙后座一直绵延到人马座，我记得那只怪物就在这星系的核心。斯库拉和卡律布狄斯的魔法也没有物理学家的这个发现神奇，它的本质被射电天文学家用仪器设备揭示了出来：人马座A*，这个以太阳为食的黑洞，仍潜藏在夜晚的水塘里。

10月底，我终于在男孩们钓鱼的水塘里看见了那条大鲈鱼。我刚走到桥上的时候，它正好从一直晒太阳的睡莲附近猛冲出来。天气很冷，带着钓鱼竿的男孩们已经走了。轻的和重的，灰的和黄的，静止的和转动的。它又活过了一季。

12 夜晚的数字

“大多数人过着一种平静而绝望的生活。”梭罗说。如果他的书对我们有着持续的吸引力，那是因为我们正处在绝望中。在绝望中，我回到夜晚，就像梭罗回到他的湖边。我测量那些星际的空间，用的工具与这位康科德市的自然主义者测量瓦尔登湖用的绳索和棍棒一样。梭罗用铅垂线测量瓦尔登湖的深度，再把这些数据标在地图上。他搜寻生存在湖水里的鱼和水草，将其分类编目。他记录冬季里冰层的厚度。这些是他的资产账目的一部分，是对他的财富的记录，是对他从瓦尔登湖得到的财宝的清算。这些，如梭罗所说，测量、深度、厚度，是一个人真正的经济学。

黑夜就是我的湖水，我数着其中的星星。我可以看向窗外，在飞马座从现在开始升起1个小时之后，告诉你在这个星座的大四边形里我能看到多少颗星星。今夜我只能看见4颗。4颗，或者1颗也没有，或者20颗。或者在最棒的无月之夜，在这个大四边形中可以看见好多颗星——重要的是范围。飞马座的四边形在宇宙空间中圈出一个范围，围墙可能是数光年远的尺度或是彗星的尾迹。在梭罗的房子里能听得到康科德市的喧嚷，但他并不觉得拥挤。“这里已经有了一片足够大的牧场。”他说，运用他的想象力。瓦尔登湖对岸的矮橡树高原一直伸展到西部的大草原和鞑靼草场。他说，从他住的地方到康科德市的距离就像天文学家观测到的夜空那样遥远。他能想象出“仙后座的宝座”（我复述了他的原话）之外的那些罕至的迷人之地，但他发现，他在瓦尔登湖的房子出于位置的原因远离了城镇生活，就像仙后座群星远离了太阳。“那些闪闪的小光，那些柔美的光线，传给我最近的邻居，只有在没有月亮的夜间才能够看得到。”

今晚，我在飞马座四边形里只看见4颗星。而在整个夜空里随意散落着另外的400颗星。我占有了它们。我记录划过天空的流星；我测量星云的重量；我阻断银河，用它碾磨我的稻谷。我把夏天的群星像蔬菜一样装进罐头，以供我在冬天享用。我把冬天的群星折叠到阁楼的盒子里，让我在多云的夏季夜晚可以欣赏。我把繁星记录到账本里。我清点它们，就像一名会计或是出纳员。这就是经济学，这一切都值得。

※

梭罗对经济学特别感兴趣。他用会计师的心思做分类和测量。我们现在已经精确地知道了他建造房子所花费的成本：木板8美元3.5美分、瓦片4美元、木条1美元25美分。他花4美元买了1000块旧砖，花1美分买了粉笔。他的木屋的全部成本总计是28美元12.5美分，其中还有一部分是他在极不情愿的情况下支出的。他需要的不多，最重要的是从他家门口往外望时可以看到的大自然。他说，自己就算坐在南瓜上，也要比挤在天鹅绒垫子里强。

我在某处读到过，卡拉哈里沙漠的布须曼人族群中平均每人拥有11千克重的物质财产。我计算了一下自己的物资，除了房子以外，我能清点的物品总重量超过了4吨。这是生活中积累的沉重负担。这4吨物资的获取和维护，就是我绝望的来源。梭罗说，生活中的大部分奢侈品，以及许多所谓的舒适，不仅是可有可无的，还会对我们的生活造成阻碍。我没有天鹅绒垫子，但在我房子周围的阻碍已经足够多了。这些东西从我身上索取的多于它们给予我的，我必须随时承担它们的重量，无论我是否愿意。

如果我必须把我的物资削减到11千克，我会留下什么？我首先想到的是我的自行车——油亮、漆黑、机械性能完美——它是一件珍贵的财产，当然也是一个中年人可接受的装备。但是合金材料打造的自行车有12千克重，那上面也没有什么我能卸下来的零件。此外，冬天就要来了，自行车不能带着我穿过白雪皑皑的森林。那么，立体声收音机和一些我最喜欢的唱片怎么样？肖邦的夜曲，或者马勒的第一交响曲？但是，我发现这些东西的重量有17千克，况且配备的还是耳机而不是喇叭，对电器的需求仍然让人与世界维持关联。好吧，那么，我应该保留我的写字台吗？漂亮的桌面给予我很多愉悦的时光，却不求什么回报。但在写字台上得到的乐趣，离不开能看到冬季阳光穿透绿色植被流泻而出的、具有海湾景观的窗口，以及总是在我手边的一杯香气弥漫的现煮咖啡。再加上这些额外的东西就远远超过11千克的限制了。那我该如何选择呢？一条灯芯绒的裤子、几件厚毛衣、一双好靴子、一顶羊毛帽子、一个空白页的本子、一支钢笔、奥特威尔的《天文年历》、伊恩·里德帕斯的《诺顿星图手册》和梭罗的《瓦尔登湖》。我把所有这些东西打包好，它们只有不到10千克重。这就够了。

梭罗的朋友爱默生曾说：“谁能了解地上的糖果和美德，了解水、了解植物、了解天空，还了解这些东西从何而来，那么他就是一个真正富有的、高贵的人。”当然，把我对减少生活负担的渴望，与布须曼人因穷困而被迫缺乏物资的情况放在一起比较，有些不负责任。而且，说实话，在我4吨重的物件当中，几乎没有什么是我甘心舍弃的。我没办法回到卡拉哈里沙漠，我也不渴望那样。所以，我要在我的物资当中增加来自天空的糖果和美德。我要收集恒星和星系，直到我的资产堆叠不住，颠覆倾倒。我会贪得无厌，直到没有哪一座皇家金库大到能装得下我的财富。

※

当伽利略把他的望远镜指向巨蟹座的“蜂巢”的时候，他数出了36颗星。那时他的财富明显增加了。当他对着猎户座腰带上的3颗星看，他的财富累积又得到了激增。当他用仪器观测银河的时候，他收获的星星不胜枚举。他在1610年1月的那几个寒冷的夜晚聚敛的财宝，连美第奇家族的金库都装不下。

对于伽利略的宝库，我将增加银河系的5000亿颗恒星，并且宣称它们归我所有。让我把这笔账记下来：500000000000颗恒星。我保守地估计，每颗恒星有6颗主要行星、几十颗卫星、1万颗小行星。那么，我有着5000000000000000个潜在的住宅用地，它们全都被我一人独占。室女座星团里的一个漂亮星系怎么样？室女座中有3000个可见的星系，经过天文学家仔细统计，每个星系都有着5000亿颗恒星。我可以优惠给你一个。

我犹豫不决，担心自己听起来就像埃克苏佩里笔下的小王子在328号小行星上遇到的那位商人，那位拥有星星的商人，或许也只是他自认为拥有了它们。他把自己所拥有的星星全都记录在纸上，准确地说，一共有501622731颗。在埃克苏佩里的刻画中，这位商人只是被我们嘲笑的对象，他痴迷于积累无用的财富。但我要说，有这么一本记满恒星的账本并非坏事。这比堆满天鹅绒靠垫的豪宅还要好。

小王子生活在一颗比房子大不了多少的行星上，上面有三座火山（两座活火山和一座死火山）、一枝玫瑰花，还有一些总重量肯定到不了11千克的财产。我很羡慕小王子那颗行星的尺寸。在同一天晚上，他只要挪挪椅子，就可以看到44次日落。可以看到44次日落的夜晚绝对值得拥有。我只曾在一个晚上看到3次日落，可那次经历已经让我感觉自己是个富有的人。第一次日落时，我坐在波士顿洛根机场准备起飞的飞机上。当飞机升到空中向北飞行，我瞥见太阳重新出现在地平线上，趁机目睹了第二次日落。飞机转向西边，追赶落日，我又看到已落下的太阳再次升起，垂在地平线上。飞机掉头向南飞向纽约，太阳第三次西沉。我在自己的账本上记录了这三次日落。

账本上还记录着另外一些珍贵的财富：1975年秋天天鹅座出现的一颗新星；1961年9月30日见到的无与伦比的极光；如同一道蛾眉的初生不过30个小时的新月；在粉蓝色黄昏里拖着尾巴划过天际的美丽威斯特彗星。我的账本里还包括关于日月食、掩星、星体相合、火流星的记录页。我贪婪地收集这些天象，把它们囤积起来。我还想收集其他宝藏，却没能如愿。许多年前，我在《科学美国人》上读到一篇关于绿光现象的文章，那是指太阳升起或落下的时候，太阳的上边缘出现的由大气折射而导致的一抹转瞬即逝的彩色条纹。要看见这种现象，需要一个完全平坦开阔的视野、清晰明朗的地平线以及足够好的运气。我不知道除了那篇文章的作者之外还有谁看见过绿光。但我经常去寻找它。每次在我发现自己身处海平面附近而且天气非常晴朗的时候，我都期盼着能有幸目睹绿光。但我至今还没能见过它一次。

※

有一天，我在学校走廊里遇到了一位朋友。我们手上都拿着一本大书：她拿着一本伊丽莎白时代的诗歌选集，而我手里是一卷《史密森星表》。“哦！星星！”她说道，“真好！”我翻开我的书，上面密密麻麻全是数字。纽约城市电话本那么大的一本书上，详细记录着96000颗恒星的坐标和特征，包括赤经、赤纬、自行、视向速度、光谱型、视星等和绝对星等、以秒差距为单位的距离。这位朋友明亮的双眼暗淡下去，她引用了诗人约翰·多恩的话：“悲伤的数量不能如此之多。”[24]

我这本《史密森星表》中的恒星，并不像我那位朋友渴望找到的那样闪耀夺目。它们不是小王子送给他的飞行员朋友的星，不是会像小铃铛和生锈的滑轮那样歌唱的星。诗人们会蔑视那位为星星编号的商人，他们更愿意接受闪耀着金属光泽的未经测量的夜空。他们更喜欢看到夜晚的星光仿佛大教堂里燃烧的蜡烛一般闪烁。大教堂里的烛台的确梦幻，但没有写满数字的星表，我们就无法接近这个由星系组成的宇宙。没有数字，我们就依然活在以地球为中心的伊丽莎白时代。数字，是让我们打破第七层天球并且得以一窥无限宇宙的途径。

数字可以成为启示。16世纪犹太教神秘哲学文字《光明篇》告诉我们，《圣经》中的每一个字都闪着光芒。对应地球上70个国家的70种已知的语言，每个词语都有70个理解的角度，就连每个单词的每个单独的字母也是如此。在每个词的70个理解角度中，存在600000个真相的“入口”，或者说是可能的解释。西奈半岛的摩西在第一个词诞生的时候，作为600000个目击者之一对其进行了见证。这样算下来，在《圣经》的每个词中，就有2940000000种光芒。《圣经》中每一页纸上的光芒多如银河系中的恒星。据《光明篇》所言，整本《圣经》里的单词、字母甚至字母的形状，都揭示着上帝的秘密名讳。除非把宇宙撕裂，否则《圣经》中的任何一个字母都不能被替换或删去。

现代天文学与《光明篇》的精神紧密相连。星系就是单词，恒星就是组成它的字母。每颗恒星都有600000个入口，有些是数字，有些是生锈的滑轮奏出的乐音。如果不冒风险，哪一个都不能舍弃。半人马座α星距离我们4.3光年远，即40万亿千米。就算开采整个地球的石料也不够制作沿途里程碑所用。每一米的距离对于这趟旅程来说都是必需的。对这每一米路和每一颗星，清点它们，命名它们。诗篇的作者这样唱道：“他告诉我们群星的个数，他呼唤每颗星星的名字。”织女星、五车二、毕宿五、参宿四。但这些只是巨大的恒星。从离我们最近的那颗开始，把它们全部编号，按顺序进行清点。太阳，半人马座α星A、B和C，巴纳德星，沃尔夫359，勃兰德2147星，天狼星和它的白矮星伴星，鲁坦726-8恒星系统。

如果我也拥有一本像《光明篇》这样的著作，那一定是小罗伯特·伯纳姆的《天体手册》。共三卷2138页的纸张满满记载着恒星信息和知识。翻开任意一页，我都能发现通往无限宇宙的新入口。例如在第213页写道：“1918年发现的天鹰座新星，是过去300年来最亮的新星，因发现巴纳德星而成名的巴纳德在当年6月8日夜晚首先注意到它。在偶然注意到这颗新星的几个小时之前，他刚刚结束了在怀俄明州观测日食的工作。同一时间，居住在俄亥俄州德尔弗斯的17岁少年莱斯利·珀尔帖也独立发现了这颗天鹰座的新星，他后来成为美国彗星的观测专家。在这颗新星被发现之后的几个小时内，它的亮度超过了除天狼星之外的所有恒星。天鹰座的这颗恒星距离我们1200光年远，其光度是太阳的44万倍。”再看第940页：“行星状星云NGC 2392，位于双子座，被威廉·赫歇尔于1787年发现。根据伯纳姆的描述，这个模糊的星云具有W.C.菲尔兹喜剧电影的特点——它的俗名叫作爱斯基摩星云，呈现出一张戴着爱斯基摩毛皮兜帽的人头的滑稽面孔。经过仔细测量得知，爱斯基摩星云正在以每秒110千米的速度增长。”第1619页：“在银河系的中心、人马座的位置，炽热的恒星燃烧生成甲醛、二氧化碳、羟基分子、甲醇等生命物质。如果将恒星星云人马座B2的乙醇成分进行提纯，可以得到无数瓶纯度极高的烈酒，这些酒的质量总和将大大超过地球。”

在关于人马座星云的这一页中，星座中的恒星数目以惊人的数字被统计展示出来。伯纳姆给我们传递了4世纪的中国隐士诗人陶渊明的精神。陶渊明发现社会化的生活对他的个人才智来说毫无价值，他不愿再为五斗米折腰，从而退居到他独自拥有的私人世界。在那里，他投身于自己真正热爱的事物：自然、花朵、儿童、星辰、诗歌、美酒和他那“三径五柳”、在夏夜可以看到银河悬于东篱之上的小花园。突然间，我们仿佛重返瓦尔登湖，或是回到小王子的小小行星之上。我们像教堂里的老鼠一样穷苦，又像王公贵族一样富有。我把人马座的每颗恒星数给我自己。我拥有它们而不必向任何人折腰。

13 颜色的甜言蜜语

雅内·马尔科姆在她的批判文集《黛安娜和尼康》（Diana and Nikon）中道出了黑白照片与彩色照片之间的差别。她说：“黑白照片，要求摄影师屏蔽掉对色彩世界的注意，而彩色照片允许摄影师忘记色彩世界的存在。”当然，使用彩色胶片作为媒介的人中存在许多伟大的艺术家，但在传统上说，是否拒绝色彩可以作为区分严肃摄影师和摄影爱好者的标准。马尔科姆说，掌握黑白媒介很困难，而彩色的就容易多了。前者需要的是艺术，而后者就没有那么高的要求。在我写下这几行文字的时候，我窗外的树肆意张扬地展现着色彩。在10月的新英格兰，任何人都可以随手拍下一张漂亮的照片，并且大部分人都这样做了。蔚蓝色的天空，铅白色的教堂尖顶，几笔绚丽夺目的红色和金色相间的落叶点缀描绘……世界上没有多少地方能比这里更美。随意把相机对准任何方向，按下快门，手中的照片绝不会让你失望。色彩讨好般地取悦你，眼睛只是慵懒地享受着。

再过几个星期，11月到来，树叶凋零殆尽。等到下个季节开始的时候，眼睛必须时刻打起精神，不能吝惜自己的注意力，捕捉这黑与白的季节。11月的色彩转瞬即逝，不经意间就会逃过人们的注意。加拿大舞鹤草的深红色小浆果，云杉枝头金冠戴菊鸟闪闪发光的帽子，露出地面的花岗岩中粉色长石的斑点，11月的色彩需要眼睛辛勤劳动才能发现。

马尔科姆说，严肃的摄影师，能抵抗“颜色的甜言蜜语”。走在11月的树林里，就像拍摄一张黑白照片，眼睛必须编译自然之美。必须让黑色的硬松树皮成为五子雀的玫瑰色胸膛的相框，必须在冬日山毛榉的卷曲叶片中分辨出新鲜出炉的面包的颜色，这是眼睛的微妙化学反应。诗人玛克辛·库敏写道：“山毛榉是整个冬天都营业的烘焙店。”这么一点点色彩，就让艺术具有了大师风范。但是今天，卖弄招摇的10月填满了我的窗口，试图吸引我的注意，奋力将全部的能量挤进我的每一寸视线中。一个月之内，这些喧嚣的、令人眼花缭乱的颜色就会全部消失。10月的色彩助长了大自然的信誉，而11月的色彩却称得上是一件艺术品。

※

如同11月的色彩，夜空中的色彩也一样精美绝伦。夜空是全年都存在的11月。夜晚是只用了黑与白两种颜料涂绘的画作。恒星在纯净氯化银的底片上闪烁单色的光芒。群星心有灵犀，褪去色彩。

是这样吗？用一个小小的技巧就能证明恒星不仅仅是底片上的白色光点。许多恒星的确是白色的，但还有红色、橙色、黄色和蓝色的恒星。据说，有些还是绿色或紫色的。而恒星对急躁的眼睛只呈现出白色，是由于发生在我们双眼中的化学事故。

在我们眼睛的视网膜上有两种感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。视锥细胞是颜色的感受器，但是对暗弱的光不敏感。视杆细胞对暗光有着更好的适应力，但它们无法区分颜色。当我们凝望星星的时候，是那些对暗弱光源敏感但色盲的视杆细胞在起着主要的作用，这就是为什么恒星用肉眼看起来大多是白色的。但当我们借助望远镜看向它们，或是花时间认真观测比较明亮的恒星时，它们就会如彩虹般呈现出不同的色彩。

恒星的颜色取决于其表面的温度。从这个角度说，恒星就和其他发出炽热光芒的物体一样。任何物体只要温度高到足以达到白炽状态，就可以发出暗红色的光芒。随着温度继续上升，在短波（蓝色）波段的辐射能量相对长波（红色）波段增加。物体越来越热，它的颜色就从红色，变成橙色、黄色、白色，直到蓝色。当然，恒星的颜色从来都不是纯粹的单色，而是所有波长的辐射的混合，我们双眼对其颜色的感知取决于在它的光谱的某一部分中成为主导的颜色。所以或许我应该说它的颜色从偏红，变成偏橙、偏黄、偏白，最终成为蓝白色。我们的太阳的表面温度大约为5800摄氏度，和所有达到这个温度的白炽物体一样，它会辐射出以黄色为主导的光。所有的孩子都会在画太阳的时候为它涂上黄色的脸庞。太阳的黄色色调在我们看来十分显眼，因为这颗恒星离我们很近，而且非常明亮，所以我们视网膜的视锥细胞可以开始工作，有效地“看见”颜色。但是，如果把太阳放到半人马座α星A，这位同样是黄色的、太阳的同胞兄弟的位置上，那么你只能在漆黑的夜空中看到它化作一个小小的白点。

细心的观测者可以区分出夜空中较明亮的恒星的颜色。我总是指着心宿二，称它为“红星”，或是把织女星叫作“蓝星”。这么说有一点夸大其词。心宿二的分类为红巨星，但用肉眼观测它可能只会呈现出暗淡的橙色。至于织女星，如果它看起来是蓝色的，那么真实的它就只是一颗白色的带点蓝光的星星。就连太阳，尽管孩子们都幻想它有着一张黄色的面庞，可实际上它的脸色要比想象中苍白得多。也许观察恒星真正颜色的最好办法是通过对比。猎户座就提供了生动的示例。参宿七，这颗位于巨人前脚的明星毫无疑问是蓝色的。在猎户举起的手臂上的参宿四是橙色的。通过在两颗星之间来回扫视对比，很容易就能看出它们之间的颜色差别。如果借助双筒望远镜或天文望远镜放大星光的强度，恒星的颜色则更容易被感知。我最喜欢的恒星色彩示例是位于天鹅座鸟喙位置的天鹅座β星。用一台小型设备就可以发现，天鹅座β星是一对双星，其中的一颗成员星呈现金色，而另一颗则是亮蓝色的。一旦你在望远镜中看到了它们真正的光彩，就不会再以为它们只是单调平凡的白色的了。

观测夜空的艺术，50%靠视力，50%靠想象力。没有什么能比群星的色彩更好地阐明这句话的真实意义。19世纪的观测者们似乎有着最佳的观察恒星颜色的运气，这无疑是因为在他们的观测中包含的想象成分要比视觉成分更多。理查德·辛克利·艾伦有本书叫《恒星的名字：它们的传说及含义》，出版于20世纪末。书中形容天鹅座β星为“黄玉色与蓝宝石色”。同样在较大尺寸的望远镜中呈现出双星系统的心宿二，在书中被描绘为“炽红色与翠绿色”。艾伦把其他明亮的恒星描述为樱桃色、玫瑰色、葡萄色和丁香色。读着他的书，你会觉得自己身处他家的后花园，而不是在幽深的夜空下。艾伦对色彩的描述大部分是借用了英国著名天文观测家威廉·亨利·史密斯的语言。这位大师的眼睛能分辨十几种白色的灰度，包括珍珠白、透明白、乳白、银白，以及平凡朴素的纯白。

19世纪最精巧的恒星颜色系统，是俄裔德籍天文学家威廉·斯特鲁维的贡献。斯特鲁维用拉丁语标签为恒星分类，这种文字本身就带有异域情调的光环，让色彩听上去很像热带鸟类的拉丁语名字：醒目的白（egregie albae）、明亮的黄（albaesubflavae）、暗紫（purpureae）、大红（rubrae）、忍冬果蓝（caeruleae）、青霉绿（virides）。有时候，这些基本的描述似乎还不够精确，所以斯特鲁维发明了一组新的术语，比如用olivaceasubrubicunda表示粉红橄榄色。如果给我指出一颗olivaceasubrubicunda的恒星，我需要刺激一下我的想象力才能体会这种艺术。

靠相机和电子设备的武装，现代天文学家可以用客观的数字记录恒星的颜色。猎户座的参宿七的色指数是－0.04，它的光谱类型为B8，这些是完全专业的说法，但业余的观星者只需要一点点想象力就能看到参宿七是蓝色的，而参宿四是橘红色的。史密斯凭着自己的想象水平，甚至可能会看到“苍白玫瑰色”的毕宿五或是“灿烂金黄色”的大角星。艾伦的书中描述三星系统轩辕十四中的那对双星为“红白色和群青色”。没有相机能捕捉到这样的颜色。

※

观星活动，就像拍摄黑白照片，也要求屏蔽对色彩世界的感知。在午夜的天空中没有引人入胜的日落，夜晚的森林里也没有狂躁骚动的或红或金的落叶。业余摄影师叹着气绝望地移开望远镜，但经验老到的观测者会适时抓住暗示，发动想象力丰富自己的调色盘。威廉·亨利·史密斯的眼睛透过望远镜紧盯着恒星，他看见了“番红花色”“西洋李色”“条纹玛瑙红”和“钴蓝色”，这些都是想象力的色卡。史密斯对恒星颜色的描述，让我想起了艺术家瓦西里·康定斯基[25]在他13岁的时候买了第一盒管状颜料的事情。康定斯基告诉我们，用手指最轻柔的力量挤压颜料管，色彩就会像呼吸着的生命一样缓缓流出。有些颜色充满活力、喜气洋洋；有些颜色耽于沉思、如梦似幻；有些颜色自恋张狂；有些颜色撒泼耍赖；有些颜色让人感觉愉悦放松；有些颜色正在悲伤抽泣。康定斯基手中的一些颜色很顽固，另一些却柔软充满弹性。艺术家近乎魔法的关于油画颜料的色彩体验，唤醒了西洋李色和钴蓝色的恒星。

恒星的颜色不能被轻易看见，这可能是恰到好处的安排。正如约翰·巴勒斯所说，如果世界永远以一种赤裸裸的宏伟姿态出现，也许会超出我们的承受能力。但无限的一半仍然是无限。一点点的无限，也是无限的——如果我们能抓住那一点点的话。这里有一条线索，那里有一条线索，巴勒斯说，线索和暗示组成了我们前进的道路。

只有在完全黑暗、完全晴朗的夜晚，才可以仅凭肉眼分辨出猎户座大星云，它看起来就像巨人奥利翁的佩剑上一团模糊的白色光斑。在一台中等尺寸的设备里，这个星云散发着恐怖怪异的绿光，眼睛可以看出它的某种形状——就像一只蜷曲的手臂，而它末端的手掌正在承受烧灼。这个星云进行过长时间曝光的照片显示出正在经历初生痛苦的恒星的复杂细节。它的襁褓是坍缩中的明亮气体形成的旋涡和物质激流；它的摇篮由光年测量，充满了创造的能量。猎户座大星云的颜色在不同照片上的体现也是各有特点的。在柯达400彩色胶片上，猎户座大星云呈现出梅子色和淡紫色、蔚蓝色和奶白色。在埃克塔克罗姆400号彩色反转片上，星云呈现杏黄色和红色，还点缀着深赭色和棕色。在柯达1000底片上，猎户座大星云是深浅不一的紫色，带有玫瑰色的绯红。但所有这些颜色都是只存在于胶片上的人工产物。它们都不是如果我们能接近它，站在它绝妙的光芒里所能亲眼见到的这片星云的真实样子。在我桌上有一张猎户座大星云的照片，用特殊的方法重建了人眼对色彩的敏感度。印刷出来的照片的色彩来自3.9米口径英澳望远镜的三次黑白曝光。每张底片都是感光剂和滤光片联合作用的结果。这些滤光片可以穿越整个视觉的光谱，做出统一响应，再用遮蔽技术来增强星云的结构细节。猎户座大星云至少比我们的太阳系大20000倍，包含了足够多的氢、氦和其他物质，足够形成10000颗像我们的太阳这样的恒星。星云的光芒大部分都来自绿色的双电离氧和深红色的电离氢的α辐射。最近才诞生的炽热的年轻恒星还嵌埋在星云当中，它们的能量激发出了这些气体的光辉。英澳望远镜拍摄的照片显示，这片具有羽毛状气态纤维结构的星云，看起来就像一只正在捕食的凶猛的大鸟。在大鸟扭结的爪子里，紧抓着十几颗光线灼灼的白色恒星。氧元素绿色的光在中等尺寸的望远镜里可以被捕捉到，它与传统柯达胶片上呈现出的红色和蓝色混合成棕色和黄色。在合成后的印刷品中还可以看到橄榄色和卡其色，以及燃烧的篝火般的红色和橙色。这里有令人不安的棕色和灰色，像灰尘和煤渣一样堆积在黑色的空间里。这里有运动和暴力。这个星云似乎充满了可怕的恶毒力量。这不算一张漂亮的图片，这张精心雕琢的照片不是色彩艳丽的10月里美丽的佛蒙特州小村庄药店门前的快照。它是利维坦的脸，将我们拖入深如海底世界的可怕虚空。它是上帝强健的巨手，把我们攥紧在它无限宽阔的拳中。它是力量，就隐藏在无色的黑夜中，就像海浪中的礁石撞破了航船，就像白鲸把所有寻找它的人拖入了黑色的深渊。

※

如果不重读梅尔维尔关于目睹大白鲸的章节，我们就无法结束关于色彩的甜言蜜语的沉思。以实玛利反复为我们指出白色代表的美好与真实。他进行了大量的铺陈列举：雪白色战马，代表恺撒王朝王室的颜色，纯洁的新娘，以及主宰精神的神明的象征。可在见到白鲸的时候，这一切都让他觉得不值一提。他说，白鲸的白色比之前的一切都更让他惊骇。在和白色有关的精神联想中，总缺不了甜美、荣誉和崇高。但在白色中也潜伏着某些难以捉摸的思想，植根在灵魂的最深处。“这些东西比暗示了鲜血的红色更能让人的灵魂感到恐慌。”当它与可怕的事物相叠，以实玛利得出结论，白色让这种恐惧感无边蔓延。

如果人眼的视网膜上只有视杆细胞，且它们同视锥细胞一样对颜色具有敏感度，那么恒星看起来就会闪耀着十月金秋的红色和金色，猎户座大星云就会像猎人膝盖上盛开的赭色和绿色花朵。如果真是这样，我们也许永远不会在天空中寻找神性。那么也许我们的神学就会变得如快照般容易理解；哲学像药店印刷的相片一样浅显；玄学经过美化修饰，变得异常简单。但是夜空，就像亚哈船长的大白鲸一样，在苍白中遮掩自身的浩瀚。“细想一下神秘的宇宙，它虽产生了每一种色泽，产生了伟大的光学原理，可它本身却始终是白色的或者是无色的。如果它对物质起作用而缺乏媒质的话，就会用它自己的空白色泽来渲染一切物体，甚至包括郁金香和玫瑰花在内。把这一切都仔细地想了以后，那么，横在我们面前的这个瘫痪了似的宇宙就是一个麻风病人了。”（以实玛利语）盲目的我们紧盯着那张包裹我们鲜艳璀璨星球的巨大的、不朽的裹尸布。想要找到通往星系的边缘，通往时间的起点的方向的朝圣者，必须放弃白日的舒适色彩，必须在黑白交错的海面上将自己发射进无尽夜空，必须在那无垠的空间中找出群星闪烁着的西洋李色、番红花色、葡萄色和稻草色。这场追寻可能需要超越你我承受能力的勇气，而且有可能，我们会被其吸引，深陷其中，迷恋上这个过程，就像亚哈船长。我们会坠入星海，将追捕的绳索紧紧地绑在所追寻的猎物上。“白鲸就是这白色中最杰出的代表。”以实玛利说，“你们对这种激烈的猎捕可觉得惊讶吗？”

14 昴星团的追随者

谁能说出现在从东方升起的巨大红色恒星的名字？或是那只在去年夏天的夜晚恸哭哀鸣，如同棕色巨蛾一样拍打着翅膀从藏身之处离去的鸟儿的名字？如今，我们没有什么动力去学习事物的名称。我们所理解的唯名主义哲学只是随意专横地给事物贴上标签，名字只是被随意分配的无意义的x。笨拙的小x在教科书中蹒跚而行，承载着全部的知识负担。现在，小x就是东方这颗红色恒星的天体坐标（4h 34.8m R.A.,＋16。28' Dec）。现在，小x就是在夏夜呜咽的夜鹰在博物学上的名称。

梭罗告诉我们，他在学习事物的印第安语名字的时候，开始用新的角度看待它们。当他问缅因州的一位印第安向导那片平静的湖水为什么被称为“Sebamook”的时候，向导回答他：“就好像这里有个地方，那里有个地方。你把另一个地方的水接过来再把这里灌满，水就留在这里，这就叫‘Sebamook’。”梭罗编写了一本印第安语的名词词典，就像缅因州森林的地图一样能给人们提供指导。它就是自然的历史。这些印第安语的名字提醒着梭罗，智慧并不只在我们自己的河渠中流淌。

在我们的自然中没有其他任何一部分像夜空一样蕴含着如此多的信息。夜晚是人类文化历史的宝库。恒星的名字就像是家庭相册中的条目，展示了我们过去的经历和成就。一些恒星的名字是描述恒星特点的形容词，比如：天狼星Sirius，意思是“闪闪发光的”或者“灼热的”。大角星Arcturus的名字来源于它所在的天空中的位置，它离大熊座不太远，所以它的含义是“熊的卫士”。有些恒星的名字指的是它处于星座中的位置：参宿四Betelgeuse源于阿拉伯语，可能意味着猎户的“手”。大部分恒星的名字其实都来自阿拉伯语：天秤座α星氐宿一Zubenelgenubi和天秤座β星氐宿四Zubeneschamali的意思是蝎子（现在这一部分恒星属于天秤座了）“南边的爪子”和“北边的爪子”，这是所有阿拉伯语星座名称中最具异域风情代表性的例子。恒星的名字也经常见于希腊语和拉丁语，老人星Canopus源自希腊语，御夫座α星Capella则是拉丁语。人马座σ星Nunki来自苏美尔语。在西方的星图上，至少有一颗星的名字来自汉语，它是仙后座的Tsih。Nunki的来源可以追溯到史前文明，猎犬座α星常陈一Cor Caroli，它的含义是“查理之心”，据说来源于牛顿的同事爱德蒙·哈雷，以纪念他们的国王查理二世。海豚座的恒星瓠瓜一Sualocin和瓠瓜四Rotanev在皮亚齐于1814年出版《巴勒莫星表》的时候才首次得以在星图上出现，它们的名称来源于皮亚齐助手的名字尼古拉斯·维纳托（Nicolaus Venator）的反写，这种别出心裁的命名方式一度让语源学家们感到非常迷惑不解。

据说，亚当在天堂有给万物起名字的特权。我能想象得出来，他会多么严肃地履行职责。他坐在知识树下想了又想，突然间灵光一现，雀跃而起，低声自言自语道：“柳树。”他想到了“柳树”这个名字。从此，这棵树的名字成为柳树，也只能是柳树。他开始想到“像柳树一样婀娜多姿的夏娃”以及“垂柳”这样的语言，语言在亚当的舌尖迸出火花，火花从这棵树扩散到灌木丛，从灌木丛燃烧到飞鸟，从飞鸟传递到星空。很快，夜晚的一切都被语言的火焰点燃。天狼、卫士、查理之心——群星在我们的智慧中燃烧。

※

那只如同棕色巨蛾般的鸟从藏身处展翅飞出，在夏日的夜晚啼鸣出它自己的名字。它是一只三声夜鹰。此刻正在我的窗外升起的那颗红色恒星是金牛座的毕宿五。让我跟你说一说关于这颗星的故事吧。毕宿五是金牛座最明亮的恒星，因此它获得了金牛座α的命名。在亨利·德雷珀所著星表中它被编为20139号恒星，而在《史密森星表》中它是第94027号。我们可以在夜空中金牛座的脸部位置找到毕星团，毕宿五就居于其中。自古以来，毕宿五就被看作毕星团的统治者，如同蜂巢中的蜂后。但是毕宿五实际上并不属于星团本身——它到我们的距离只有星团中恒星距离的一半。毕宿五的距离已经可以通过三角测距法（所谓的三角视差法）直接测量。利用这种方法，测量者可以通过设置基线并测量角度，来取得星团移动的最远距离峰值。天文学家测量恒星距离的时候，一般都会利用地球围绕太阳运动的轨道的直径作为基线。但是即便有了如此长的基线，这种测量方法也只能对距离最近的一些恒星起作用。毕宿五只是勉强处于三角测距的有效范围内，它离我们68光年远。如果你决定开车前往毕宿五，遵守每小时最高90千米的限速，那么要耗费8亿年才能到达。

毕宿五的光谱类型是K5，这意味着它的表面温度将近4000摄氏度，尽管我们称它为红色恒星（印度人称它为“红鹿”），但实际上它在肉眼中呈现暗淡的橙色。毕宿五是一颗巨星（但不是参宿四或心宿二那样的超巨星），它已经接近自己生命的终点，已经足够膨胀，正在慢慢死去。濒死的恒星通常会有些轻微的变化，它的表面会缓慢地内外脉动，就像疲惫不堪的呼吸，也像由心而生的哀叹。千万年之前，毕宿五还只是一颗中等尺寸的黄色恒星，就和如今我们的太阳一样，或许它也曾恰到好处地照耀温暖了某个行星家族。毕宿五的行星，就算曾经真的存在，现在也早因这颗恒星让人难以想象的高温而被灼成灰烬了。

像其他恒星一样，毕宿五也会在天空不停地移动。只不过这种移动仅凭几个夜晚是不足以观测到的，甚至穷尽人的一生也无法察觉。事实上，它是人类最早发现的有位移轨迹的恒星之一。公元509年3月在雅典记录了一次月亮遮掩毕宿五的现象。那天夜里，月亮直接从地球和这颗恒星之间穿过，短暂阻挡了它的光芒。毕宿五作为一颗稀少的一等亮星，有着足够接近月球表面的运动轨迹，所以这样的现象时常发生。我自己也目睹过几次月掩毕宿五。其中一次，月牙的边缘接近毕宿五，那一瞬间，毕宿五在距离月牙半度的位置闪耀着，然后——咔！——突然消失不见，就像魔术师手中的一枚硬币。牛顿的朋友哈雷意识到，月亮在公元509年的3月不可能遮挡住毕宿五，除非恒星在当时的位置比现在往北偏不到1度。所以他得出结论，这颗恒星一定在天球上改变了自身原本的位置。我们现在把这种恒星在夜空中缓慢滑动的现象称为恒星的自行。在我的星表上写着，毕宿五的自行速度是每年0.2角秒[26]。这就意味着自雅典人记录的那次月掩毕宿五的现象到现在的1500年里，毕宿五移动的距离相当于月亮直径的四分之一。除了这种朝着猎户座方向进行的缓慢横向滑动之外，毕宿五也正在远离我们，这种运动可以通过观测恒星星光的轻微伸长或红化以获得确认。在从雅典发生月掩毕宿五现象到现在的1500年里，这颗恒星与我们之间的距离已经增加了3万亿千米。所以如果以90千米的时速开车前往毕宿五，无论经过几个8亿年也不可能到达。

所以现在我已经对毕宿五标记了x，而这个x脱胎于那些我们自称已经了解的恒星的x。我们已经知道宇宙不是星光熠熠的女神的美丽胴体，或是但丁与比阿特丽斯攀登的多层山峰。它来自积累了足够多的x标记的正确的赤经和赤纬、视差、自行、径向速度、星等和光谱类型，我们发现了星系和类星体的宇宙，光年和无限的宇宙。灵活的小x、空船、变色龙，一直是我们获得知识的工具。

毕宿五是这颗恒星的名字，虽然天文学家在某些必要的场合会把它记录为HD 29139。毕宿五，Aldebaran，意为“追随者”，源自阿拉伯语Al-Dabaran。大多数阿拉伯语的星名都是早期希腊语名称的翻译，但Al-Dabaran这个单词早在人们与古典科学产生任何关联之前就已经在阿拉伯语中被使用了。早先的阿拉伯人用星星来区分季节，让它们为自己在目之所及皆相同的沙漠海域里领航。沙漠中的旅行者与亚历山大的天文学家和数学家一样，都熟知这些星星的名字。

毕宿五“跟随”昴星团，那是金牛座空旷地区暗弱恒星的绿洲。昴星团中的六七颗恒星以裸眼看上去并不非常明亮，但在天空中却是独一无二的。当昴星团出现在东方地平线上方时，可以确定，毕宿五将在一个小时后在同一个地方升起，它会追随着那个闪闪发光的星团穿过整个夜空。

这颗恒星还有一些其他的阿拉伯语名字，可以翻译为“胖骆驼”或“昴星团的司机”。毕宿五的古罗马名字，Palilicium，纪念了牧羊人的特殊神灵，畜牧女神帕勒斯。当牧羊人在夜间照看羊群的时候，他们心中知道这颗恒星正在冉冉升起。托勒密称为“火炬手”，而巴比伦人称它为I-ku-u，意思是“众星的领路者”。而对于大多数现代观察者来说，毕宿五再也无法成为其他的什么东西，它只不过是向猎户座猛冲而去的公牛那双凶戾的红色眼瞳。

追随者、司机、胖骆驼、红眼：这些名字像极光一样照亮天空，它们将众星包裹进智慧的毛毯。诗人里尔克说：“最显著的喜悦，只有在我们从内在改变它的时候才会向我们展现。”里尔克给恒星和星座赋予了自己的名字和生命，将它们从内在改变了。“在那里，看，”他喊道，“骑士、教员，以及被他们称为‘水果花环’的星座。然后，再远一些，往北极方向看：摇篮、道路、燃烧的书、娃娃、窗口。”里尔克声称，“那些生气盎然的、充满生活经验的东西”正在消失，它们被“空洞又无关紧要的”虚假事物排挤。据推测，篡位者是小x，与它的兄弟们列队整齐，一同前进，不可抗拒地渗透到我们熟悉的事物中。

但在这件事上里尔克肯定是错的，因为x本身就是一种有效的改变事物的工具。科学很好地利用了x，就像一头负重的驮兽承载了一项伟大的事业。它带领我们穿过了贝都因人的寒冷沙漠之夜，超越了指向昴星团的肥胖的红色恒星，就像牧羊人在一个比他所能梦见的更宏伟壮丽的宇宙中照看着他的羊群。在科学中，小x是一种装置、一种工具，可以让我们用一系列数学的方式修补无限的宇宙。在这方面它极其有效，因为宇宙的运行方式看上去似乎真的遵循着一套不可思议又卓越非凡的数学方法。因为x的存在，我们生活在一片悬挂着一颗正在以自己的热核光芒膨胀和燃烧的红巨星的夜空下，而不是存在“胖骆驼”或“红鹿”的夜晚。智慧已经流入新的河渠。我会跟随这条河。我会改变那些红色的巨星。我会赋予它们生命。我会让那些巨大的红色恒星属于我自己。

这是一个连续的故事。亚历山大的托勒密称毕宿五为“火炬手”，而罗马人则将这颗明星作为对畜牧女神的纪念。古典科学在罗马沦陷后日渐衰落，天文学和科学在欧洲大面积地消失。但阿拉伯人保留了旧有的传统学识。他们将希腊天文学的遗产翻译成伊斯兰教所使用的语言，并用自己的语言给希腊天文学注入新的知识。欧洲现在留存下来的中世纪及文艺复兴时期的天文学文献，皆源自阿拉伯语。西班牙成为这一传播中最重要的中心，因为阿拉伯和基督教学者自公元711年伊斯兰教征服西班牙以来就大量移居此地，与当地生活进行融合。西班牙的基督徒将10世纪后期的阿拉伯语文本翻译过来，正是从这些文本中我们得知了金牛座中那颗红色恒星的名字，它被翻译成了某种类似拉丁语的语言。那时候，毕宿五在欧洲得以保留它原来的阿拉伯语名称“追随者”，直到1603年，约翰·拜耳在科学革命的精神指引下，系统地用希腊字母对恒星命名，而“追随者”最终成为金牛座α。安妮·坎农和爱德华·皮克林在1918年至1924年编制的《亨利·德雷珀星表》中将毕宿五编为HD 29139，而在1966年问世的《史密森星表》中这颗恒星的编号为SAO 94027。因此，智慧的溪流在这片名为文化的崎岖土地上扭动翻滚。现在，它已经找到了一个又一个河渠，总是向着远方真正的汪洋大海流淌而去。

只要我们关注恒星，将它们命名为“胖骆驼”“金牛座α”“HD 29139”——把它们转化为我们内心的形象，那么夜晚就永远不会空洞，不会让人们无动于衷。我以一种冗长枯燥的方式重复着恒星的名字：毕宿五、五车五、参宿七、参宿四、参宿五、半人马座α星、巴纳德星、沃尔夫359、勃兰德2147星（和潜在的还没有被命名的伴星）。是我们自己，命名它们，凝望它们，让这些恒星成为无形的实体，赋予它们超越视觉的意义。它们依赖着我们，这正如同里尔克所说，我们就是改变群星的人，“我们的整个存在，我们心怀的起伏不定的爱，都是为了能让我们适应这项任务”。

15 夜晚的形状

禅教导我们，所有的事物，无论是有意识的还是无意识的，都在寻找自己的真实本性——佛性。佛祖生活在“无家可归的家”中，唤醒了真实的自我。禅宗有一段有名的公案，叫作《日面佛月面佛》，讲的是日面佛和月面佛同时修行成道，获得因果正身。然而日面佛获得了1800年的寿命，月面佛却只有一个晚上的金身。

我是一个谨慎的夜晚朝圣者，一个在星空下徘徊的流浪者。我对我在宇宙中的家的认识也是短暂且不甚完整的。即便我曾迈入了日面佛的家，但我能停留的时间依然非常短暂。我的追求，收到的回报，仅是微弱的光芒和干涩的啼鸣，是存在于这里或那里的一点点线索和暗示，是脊椎的兴奋。对于“微小的细节”，我会有自己的判断。那么，请给我展示一张月亮的脸，一张血红色的月亮的脸。

1503年5月，克里斯托弗·哥伦布驾驶着两艘来自巴拿马的船第四次试图航行前往新大陆。经过多次试验和冒险，他打算在返回西班牙之前停靠在加勒比海的伊斯帕尼奥拉岛对船只进行改装。暴风雨的打击使行程瘫痪，再加上蚊虫肆虐，这支小舰队被困在了牙买加北部海岸。哥伦布派出12名男子乘坐独木舟向位于东部300千米远的伊斯帕尼奥拉寻求救援，而后的几个月，他带着其余的人等待援兵。为了获得食物，西班牙人与当地印第安人交换了珠子和镜子。终于，当地人厌倦了小饰品，并拒绝为滞留的水手提供食物。哥伦布想到了一个解决问题的办法。他用他手中的一本小册子为自己解了围，这是一本记录了对1504年2月29日晚月食的预测的天文学家雷格蒙塔努斯编写的《星历表》。哥伦布召集了当地酋长一同参加会议，并宣称如果他们不继续供给食物，就会“激怒”月亮。并且，正如他所说，即使月亮升起，也将会是鲜血的颜色。1504年是个闰年，所以那一年的2月有29天。就在2月29日的夜晚，月亮在日落时升起并溜进了地球的阴影中。与其他阴影不同，地球的阴影是红色的。太阳光经过地球弯曲表面周围的大气折射，长波把月亮染成了血的颜色。正如哥伦布和印第安人所看到的那样，地球的红色阴影在满月的脸上穿过，月亮从金色的西班牙钱币多布隆变成了诡异的深红色圆盘。我曾多次观看月食，那场景给人产生的心理印象的确是鬼魅般怪异神秘的。如果我不知道夜晚的地球锥形阴影的原理，我也会觉得自己像牙买加的印第安人一样遭受了“惩罚”。

夜晚有它的形状，是一个锥形。

在雪莱的《解放了的普罗米修斯》一书中，地球说了这样一句话：“我在夜晚的金字塔下旋转，金字塔指向了天堂，那是梦想喜乐的地方。”多年前，当我第一次阅读这句话的时候，我对自己辨别出了心底一直痴迷的东西而感到震惊。我研究过天文学和光学，我了解本影和半影以及物体在不同种类的光线下的投影方式。在我的天文学课程中，我曾经通过绘制三角形来计算太阳、地球和月球的相对尺寸和距离。我猜我一直都知道，地球的阴影是锥形的，是它将黑暗带入太阳照射的空间。但是在读到雪莱的词句之前，我从来没有体会到，夜晚其实是一个从地球延伸出去的高大而黑暗的金字塔。

黑夜就像巫师的帽子，被地球戴在头上。巫师的帽子又尖又长，帽尖遥遥指向太阳的相反方向。“帽檐”的直径为13000千米，紧贴在地球的眉毛上。“帽尖”延伸到离地球140万千米高的顶点。巫师帽子阴影的高度比底部宽100倍，它与地球之间的距离是月球到地球距离的3倍还要多。每当月亮恰好穿过那顶黑暗的帽子，我们就能看到一次月食。

当我看到月食的时候，我想起的是雪莱的文字，而不是天文学的文献。地球弯曲表面的金字塔形阴影笼过月球的整个脸部并描绘出锥形的夜晚。自我读过他的文字，我心中的夜晚就不一样了。现在的夜晚有了具体的形状。这是知道和看见之间的区别。有一个关于某个男人的佛教故事是这么说的：他年轻的时候看到的树木是树木，风是风，月亮是月亮。随着年龄的增长，他开始问自己，为什么树木会像人类一样长大，为什么风从地球的各个角落吹来，为什么月亮会有阴晴圆缺。他对自己的所见全都提出了问题，他将所有的时间都花在追求答案上。过了一段时间之后，树木再次成为树木，风再次成为风，月亮又成为月亮。在我读过雪莱的文字之后，又看到过一次月食。月亮滑入地球的红色阴影。过了一会儿，月亮的脸变化成佛祖那圆形的红润脸颊，在夜晚的金字塔中泰然自若，面目安宁。这一刻，它只是月亮。

地球在它锥形的夜晚之下旋转。地球围绕太阳运行，深红色的阴影帽子追随着它，帽尖始终指向无尽远方。在那黑暗的帽子下，獾在沟渠中徘徊，跟踪着在夜间爬行的蛞蝓和甲虫。蝙蝠拍打着空气，发出只有孩子才能听到的尖锐叫声。橡树林中的猫头鹰对着月亮啼叫。在那黑暗的帽子下，负鼠、狐狸、浣熊、萤火虫、修道院的灯笼，忽明忽暗。在那黑暗的帽子下，幽灵和妖精、梦魇和魅魔、男妖和女妖，甚至连撒旦都开始出没。天文学家摆好了他们的高脚椅，将他们的观星设备指向了长长的帽筒，跟随地球的影子一直上升到宇宙的“生态圈”中。一层一层，一步一步，一排一排，经过幸运群岛，穿过乐土天堂，越过洁净圣域，坠入无际大海。那里有恒星和星系在召唤，而类星体像圣埃尔莫的火焰一样让人惊恐万分。

夜晚是锥形的，因为地球是圆的，而且比太阳还小。希腊人可能是在月食期间观察月球上地球圆形曲线的阴影，才会惊讶地发现原来地球是一个球体。当然，首先他们必须能猜测到是地球的阴影导致了月食，而不是天空中的龙或恶毒的神灵把月亮吞噬了。希腊人非常理性。他们用欧几里得取代了巴尔和宙斯。他们在尘土上画出了圆圈和直线，并从那些结构中发现夜晚的形状是锥形，直尺和指南针是他们的望远镜。但希腊人要想体会到地球是球形的，需要的不仅仅是数学。最终，想象力给予了他们关于地球形状的真相，洞察力的纯粹与专注给予了他们灵感，如同一条直线般直击事实的核心。我有一位朋友，迈克·霍恩，利用这种想象力教授天文学。我常常在星空下和一群学生坐在一起，看着他毫无顾忌又喋喋不休地向大家传达一种感受，描述着地球是个球体这个事实。他伸出长长的胳膊，指向亚洲天幕下地平线上冉冉升起的太阳。他挑起眉毛，踮起脚，聚精会神地注视着地球的曲线，寻找前一天晚上见过的那颗恒星。他抬起双臂，拢出圆形，仿佛想要拥抱地球。当我看着他的时候，发现自己也踮起了脚、挑起了眉毛，就像父母在喂孩子吃饭的时候自己也张开了嘴一样，我在心里也拥抱着这个巨大的、隆起的圆形地球。

所有的行星都戴着夜晚的帽子。恒星附近的每个物体都投射出金字塔形的阴影。如果一名宇航员脚朝向太阳在地球轨道上自由飘浮，那他黑色的巫师帽可以达到30米长。有一个奇妙的巧合，月亮的“帽子”几乎与月球到地球之间的平均距离一样长。如果月球靠近远地点（离地球最远的位置）并且正好从地球和太阳之间穿过，它的阴影顶点就会正好落到地球表面之下。在这种情况下，人们仍然可以看到太阳如一道灿烂的光环围绕着月球，这就是我们所俗称的“日环食”。如果月亮不在远地点，它的阴影就会到达地球表面，当月亮从地球和太阳之间穿过时，它的阴影顶点就会像外科医生的手术刀一样切入地球。那些幸运地生活在手术切口处的人将会亲身体验到大自然最壮观的天文景观之一，即日全食。观看日全食的人站在月夜的尽头，这一瞬间，白天向夜晚借来了黑暗，蝙蝠飞翔，猫头鹰鸣叫，獾从它们的洞穴里向外偷看。

有时，当月亮与地球的距离恰好时，它的阴影会像羽毛尖一样轻柔地刷过地球表面，而日食则处于日环食和日全食之间的临界状态。1984年5月30日的日食就是这样的。月球的阴影投到地球表面时，它与地球间的距离其实非常近，以至于人们几乎可以从地球上跳上它的顶点。黑色羽毛的尖端正好经过新奥尔良、亚特兰大、格林斯伯勒和弗吉尼亚州的彼得堡，然后沿着马里兰州的东岸移到海边。月球上最高的山峰直指太阳的边缘，遮挡住它。但阳光穿过月亮的山谷闪耀出光芒，就像项链上闪闪动人的钻石，就像从破碎的碗口边溢出的光线。在雪莱的诗中，这就是地球所说的全部台词：“我在黑夜的金字塔下转动，这金字塔怀着欢欣高耸入天空，在我醉迷的瞌睡中低吟胜利的欢歌，如同青年躺在美丽的阴影里，做着缱绻的好梦，轻声叹息；如同酒神，快活得发了疯。”月亮回应说：“就像在柔和甜蜜的月食中，当灵魂与灵魂在情人的嘴唇上相遇时。”1984年5月30日，月亮打断了太阳的光，吻得太温柔，甚至没有被感觉到。

※

恒星附近的每一个物体都会拢在一个夜晚的锥形中。而每颗恒星附近的那圈锥形阴影环，都像是指向虚空的荆棘王冠。太阳家族的夜晚是九颗行星、几十颗卫星和一小群小行星的阴影。太阳系空间中的每一粒尘埃都会投射出自己微小的黑暗金字塔。阳光像一颗布满由阴影所凝成的刺的海胆，融进暗夜。地球的夜之圆锥是圣灵带给深层空间和深度时间的礼物。在星球被日光照射的一面，大气将阳光散射到一片朦胧的“蓝色毛毯”中，地球的“蓝色世俗外壳”，威廉·布莱克是这么称呼它的，“物质的硬敷层将我们与永恒分开”。但是，当我们随着自转的地球一同旋转，进入那夜晚的黑暗锥体时，我们终于得以一窥宇宙的面目。几年前，我读过一个科幻故事，关于一颗处于拥有四个太阳的恒星系统中的行星。在这个故事中，两千年来只出现过一次，四个太阳同时消失，天空一片黑暗的情形。当这个奇异的现象发生时，这个星球上的人们第一次看到了夜晚，被它的威严所震撼。

夜晚的金字塔是地球在蓝色盔甲中的狭窄缝隙。布莱克说：“如果我们将知觉之门洗涤至净，万物便会以其无限的原貌出现在我们眼前。人们若将自己封闭起来，便只能从洞穴的狭窄细缝中窥探事物。”[27]蓝色的空气把我们封闭起来。只有通过夜晚的裂缝，我们才能瞥见无限。只有通过夜晚的裂缝，我们才能找到守护我们的日面佛。透过地球的蓝色世俗外壳上的锥形缝隙，我们像皮拉摩斯追求西斯贝一样追寻着无限的奥秘。

16 仲冬夜之梦

今天早上我在黎明前一小时起了床。空气很凉爽，天空无比清澈。我穿过树林，来到那个能提供给我一个高远又清晰的视野的地方，让我的视线可以越过宽广的草地，望向东方的天空。我知道我会看到什么。因为据说今天上午会出现一个非常难得的时机，能在同一片天空下同时看到全部五颗裸眼可视的行星。

南边的高空，火星和土星被安置在心宿二和角宿一之间。火星模仿着心宿二的红润光芒，土星复制了角宿一的洁白光彩。在远处草地的树木之上，金星和木星相依相偎，它们是天空中最明亮的两颗星状体；能看到它们靠得如此相近，就足以让我心甘情愿地早早醒来，赶赴这个安宁之地。我的星历告诉我，海王星和天王星也正在这两颗明亮行星的附近，只有望远镜才能让它们现出真身，而我却没有携带任何观测设备。冥王星也来凑热闹了，可即便有望远镜，我也不大可能看到它。在火星和土星之间，或者说在金星和木星之间，是一弯新月。它缓缓滑动，在我的视线中，慢慢地接近太阳。现在我等待着，注视着那条托载着初升旭日的地平线附近的天空。天空已经变亮了，紫罗兰色、蓝色和粉红色的光线像洋葱皮一样从仍在隐藏着的太阳上一层层剥落。之后，我终于看到了它，那颗小小的水星，在这个全员齐聚的盛宴中只肯羞涩地展露出一丝微芒。它太不显眼了，像一粒细微的尘埃。五颗行星！它们像是黄道上被丝线穿起的玻璃珠。五颗行星、月亮还有两颗灿烂的恒星，沿着黄道带列队成排。

中世纪的天文学家认为，宇宙是一个与地球同心的水晶球体，就像俄罗斯套娃一样层层嵌套。今天早上我看到的场景，很容易让我想到那个闪闪发光的、浩瀚无边的巨大套娃，层层叠叠，从地球往外蔓去。就在我看着天空的时候，首先是月球，正在明显地向东转动。然后是水星，来回往复地调整着与太阳相符合的频率。而后，金星、太阳、火星和木星，按距离的远近排列，直上天穹，每个球体都和着自己独特的圣洁韵律一圈一圈地旋转着。最终，所有这些固定的恒星——心大星和角宿一、天津四、织女星以及牛郎星——闭合在了一起，就像孕育了世间造物的玻璃容器，像占卜师的水晶球。它看上去是一个整洁的宇宙，就像我们孩童时代玩耍的小玻璃球，其中灌入了矿物油和白色薄片。飞快地晃动它一下，玻璃球中的雪花就会落在宁静美丽的场景上：一个小小的伯利恒，孩子们在一座有着白色塔尖的教堂前堆着雪人。

※

今早天空中的月亮刚刚新生4天。“这个旧的月亮消逝得多么慢，她耽延了我的希望。”雅典公爵忒修斯在《仲夏夜之梦》中说道。而后，戏剧开场了。“四个白昼很快地便将成为黑夜，四个黑夜很快地可以在梦中消度过去。”希波吕忒回应道。在莎士比亚的时代，宇宙仍然是一个由同心球体组成的蛋，根据物质的内在价值来分层：中心是笨重的土地，然后是水、空气和火；植物和动物的等级从最低等的地衣到人类依次上升；国民阶级也由农民、士绅、领主到国王逐步提高；从空灵物质的外壳、月亮、太阳再到行星；从天使合唱团、纯洁的灵魂，最后到达上帝的宝座。月球是充斥着改变——欲望、爱情、贪婪、腐败、多变、信任——的陆地世界与在那之上亘古不变的永恒世界的界限。看看月亮是如何阴晴圆缺，看看行星和恒星是如何坚守自己的道路倔强向前。明天、后天和大后天，月亮将会趋向消亡。它会滑过金星和木星身旁，将水星轻轻推到一边，只为了与太阳相见，然后它将在傍晚的天空中重新出现4天，“就像一把银弓，出现在天空”。今天上午行星排成一条线，这现象的壮观与优雅将消失无存。只剩下我们自己，月亮和我。因此我不会再早早起来，我会尽情享用我的晚餐，看着月亮在我身边渐渐变得圆满。

不久前，我读到了梭罗的一篇鲜为人知的关于月光的文章。一篇短小而充满诗意的作品，萦绕着昏暗薄暮与迷蒙烟雾。他的主题是：月光“与我们内在的光芒不相称”。如果整个世界是一座舞台，那么月光足够照亮我们在这个球体上演出的一幕幕喜剧。一夜又一夜，我们目睹着月亮的阴晴圆缺。我们能够在自己的思想里感觉到它的潮起潮落。在无眠的午夜时分，我们能感受到月亮轻柔的引力，从不受日光影响的深深的泥沼中汲取黑暗的思绪。日光的宏伟信心已经一去不复返了。月光下，我们是混乱的元素。世界也处于一片混沌。石头浮到空气中、火堆里、与大地重叠的水域中，空气爆炸成火焰。这个星球上生活着一群傻瓜。蜡烛匠假装自己成了国王。国王像猫一样咆哮。夜晚是一出月亮主持的剧中剧。离开我们的潜意识，《仲夏夜之梦》中的这些角色——木匠、工匠、编织者、修缮者、修补匠和裁缝就进入我们的脑海中，“没有受损，而是无序”。月光足以满足他们放纵狂欢。

※

1609年到1610年的冬天，也许就像伦敦环球剧场的演员在作者出席的情况下演出《仲夏夜之梦》一样，帕多瓦的伽利略将他的新望远镜转向了月球。他看到了（或者至少我们认为他看到了）墨黑的海水和闪耀的土地、海洋和大陆、晨光中膨胀的山峰，还有阴影中消失的山谷。他对月亮和地球的随意比较成为他后来在教会中所遇到的困境的根源。自古希腊时期以来，认为月亮与地球在本质上相同的想法一直是非常危险的，因为这对确定了人类的适当位置的宇宙等级制度而言是具有破坏性的。伽利略并没有因亵渎神明而畏缩。他说，地球“绝不能被排除在众星旋转的舞姿之外。我们将证明地球是一个比月球还要辉煌的、游离的个体，而不是充斥着无趣的垃圾的阴沟”。当伽利略放下他的望远镜时，宇宙的外壳被打破了，嵌套的水晶球碎裂了，宇宙被打开，延伸到无限远的远方。月球不是水晶球，也不是月亮女神戴安娜。月亮是另一个地球。或许，以一种更好的说法，地球是另一个月亮。上面的世界和下面的世界没有区别。大地和天空都受到相同的自然法则的约束，这些法则包含了变的规律，也包含了不变的规律。在伽利略观测了月球之后的一个世纪内，上百名作家想象了人们在月球、其他行星或者另外的太阳系中的行星上居住的场景。地球剧不是由月亮主持的“演出”，而是一幕剧中剧。可能，还会是剧中剧的剧中剧。

不久前，我读到盖伊·奥特威尔关于通过望远镜观测到的新月升起的描述。奥特威尔视野中放大的地平线是14千米外陡峭的山峰。月亮在空中升起，就像一座“山脉中新出现的失去光泽的银色山峰”。从望远镜中看，遥远的地平线上的树木都被放大到月球大小。如果坐在其中一棵树的树枝上，奥特威尔会写下这样的句子（让他的想象力遵从他在望远镜中所看到的事物）：“你在月球表面的广阔沙漠上向下看时会感到眩晕……就像有人在圣彼得大教堂的穹顶上盯着它的地板……你可以将硬币砸到环形山的坑洞里。”

奥特威尔描述的幻象如此令人震撼，如此引人注目，使我决定自己也做一次同样的观测。等待月亮升起没有问题，但寻找合适的地平线就需要花费一些时间。我花了几个月的时间才找到一处天空晴朗的地方，地平线足够遥远。时间是午夜前一个小时，月亮升起时不能是下弦月。我将望远镜指向了月亮会出现的那段地平线，一串山丘穿过黑暗的海湾。当月亮终于现身时，它覆着阴影的一侧首先升起。大约在这一侧升到远处山脊的顶部上方的一分钟之后，我才意识到它的出现。突然之间，山脊黑线上闪烁起光芒，好像在远处的山顶上开始了某种人类活动，例如异教徒的篝火晚会或火把节。而后，稍微弯曲的明暗交界处进入了视野，月亮表面呈现出了其亮面与暗面的分界线。那条线在我的视野中轻轻下垂，用金色光芒填满了我仪器的目镜。这是舞台布景的高潮部分，是适用于歌剧的戏剧技术展示。从地面竖直向上放射出了一排光线——不，不是竖直向上，而是向南倾斜，上升着离南方越来越近。我立刻就看到了月亮的中央高地，即东西两“海”之间的山区。就是那里！……在明暗交界线的凹陷处，在宁静海的东边边缘上。凹陷的边缘是明亮的阳光照射在月球上的巴尔干山脉和高加索山脉的山峰。蒸汽海从地平线离开，壮观的亚平宁山脉进入了视野，它们陡峭的东部侧翼捕捉到了太阳的全部光线。接下来，是一条由环形山列成的线——柏拉图、阿基米德、托勒密、第谷——它们的表面贫瘠枯萎、布满尘灰，自承受创世的暴力以来一直保持着满是疮痍的面目。我的视野已经离开阴影了，转而投向阳光灿烂的东部平原。地形变得不那么清晰了。我认出了巨大的、有着突出的中央峰的哥白尼环形山和年轻的、能放射出射线的开普勒环形山。这是月亮“潮湿”的一面——冷海、澄海、云海、风暴洋、露水湾——其实它们根本不是真正的海洋或海湾，而是尘土飞扬的沙漠，其阴影的形状就像是月亮上长了一张人脸。当月亮的整个圆盘最终从地平线上跳脱出来时，我瞥见了格里马尔迪环形山，它就如同一块黑色的斑点。这个时候正是月球的正午，如果你此时站在这个环形山里，抬头就可以看到太阳高高地悬在你头上。等等，月球上有没有伽利略环形山呢？我不记得了。

整个壮观的“表演”只持续了一分钟。月亮的升起似乎漫长而沉闷，但它在一分钟之内就结束了。望远镜以某种方式放缓了空间中运行的时间。月亮升起后，我把眼睛从望远镜移开，月亮突然缩成一个遥远的光点，时间加快。我想起了菲利普·锡德尼爵士的十四行诗中的一句话：“迈着多么悲伤的步伐，哦，月亮，你爬上天空！多么沉静、多么苍白的面容。”[28]十四行诗的意象与我刚刚所看到的情形并不相符。望远镜发明于锡德尼死后第25年，与他错过了四分之一个世纪。望远镜中的月亮没有悲伤的步伐或苍白的面庞。在我透过望远镜观察月亮升空的那个夜晚，她像神秘美丽的湖中女神从黑暗的水中展露容颜，像被施了魔法的泰坦尼亚从深沉的长眠中复苏而起。高贵、自信、金碧辉煌，让人着迷。

但其实月亮根本没有升起。事实上，月亮真实的空间运动与我所看到的正相反。是地球在运动。是我和地球一起越过地平线朝着月球的方向坠落而去，是我与山坡、望远镜以及远处的山丘一起朝着月球的方向翻滚，朝着早已让我见识过格里马尔迪环形山那温暖地面的新的一天翻滚。我的眼睛被欺骗了，月亮不会升起，而是地球在月球之下转动。不是太阳沿着黄道带旅行，而是地球在巨大的太阳轨道上旋转。宇宙并不像幼虫的水晶裹茧一样包裹着沉睡的地球，而是正如伽利略所猜测的那样，地球是一只长了翅膀的夜行生物。

※

千万年来，月球的碎片一直像雨滴一样往地球上掉落。月球上的每个环形山都是遭受了小行星撞击而飞溅到太空中的月亮陨石留下的痕迹，这些陨石中有一些还溅落到了地球上。事实证明，南极冰盖是一个对飞溅的月球物质非常有效的收集器。从天而降的石头（一些来自月球，一些来自其他地方）落到冰封的陆地的中央高原上，它们被冰雪淹没，最终也成为不断生长的冰盖的一部分。冰从中央高原向外流入海岸，嵌入冰中的大气物质也随之流动。有些地方，冰进入大海会分裂成冰山，大块的南极冰漂浮在温暖的海水中。随着冰山融化，它们随身携带的从天而降的岩石就都沉落到了海底。但在其他某些地方，流动的冰盖会抬高海岸山脉。在这些地区背后的干燥风中，表面的冰会蒸发，这样，大气物质就留在了冰川表面，因此从天空落到冰上的一半大陆岩石都集中在了同一个地方。数百万年的陨石被冰和风聚集在一起，供地质学家收集。在那里，在南极山脉的背风处，地质学家弯腰捡拾着与宇航员从月球上带回来的成分相同的石头，这些岩石在小行星撞击月球表面后飞溅出来，穿越了空旷无垠的宇宙空间，被投掷到40万千米外的人类的控制范围内。它们不是绿色的奶酪，不是水晶，只是普通的岩石。玄武岩，黑色的、有花纹的、斑驳的玄武岩。也许，它们来自梦之湖，像硬币一样落到了地球上。

※

所以伽利略是对的。没有水晶球可以阻碍从天而降的硬币。今天早上我在草地上，乘着一颗行星，绕着轨道与另外八颗行星一起围着一颗黄色的恒星转动。九颗行星在宇宙这块黑色冰面上滑行，其中一颗用手臂挽着月亮。梭罗说，月光的黄昏是心灵天然的栖息地。

“可爱的月亮，我多谢你的灿灿金光。

板着脸孔的夜啊！漆黑的夜啊！

我的灵魂升到天堂。

太阳，收敛起光芒，

月亮，逃离这穹苍。”

17 仁慈、温和的地球

多年前的一个秋天的夜晚，我用望远镜对着天空观测。那时，我惊讶地看到远处有鹅的轮廓从月亮明亮的面孔前划过。在鸟儿向南迁徙的路途中能够恰好目睹它们映在月亮上的身影，似乎是一个非同寻常的巧合。这是夜晚送给我的一份私人礼物。我后来了解到，有组织的业余鸟类学家在无线电跟踪和借助雷达进行观测的技术发明之前，就是通过“观月”活动来研究鸟类的夜间迁徙。看来，我的月球鹅礼物并不是那么特别。

望远镜可以“伸缩”距离。我看到的月光映衬下的鹅离我只有几千米远，是距月亮的十万分之一，但是我强烈地感觉到，我把鸟儿赶到了遥远的外太空，它们扇动着翅膀，穿越了地球与其卫星之间的茫茫星海。为何不呢！安托万·德·圣·埃克苏佩里的小王子就是借助一群野生鸟类的迁徙才能从他的小行星来到地球的。何况，他也不是唯一一个把鸟类作为交通工具的太空旅行者。古代波斯的君主卡维·乌桑将四只老鹰固定在他的宝座上，让他能飞得比天使更高，直到老鹰疲惫不堪，让他“撞”回到了地球上。强大的猎人宁录试图攀爬巴别塔以登上天堂，失败之后他又尝试乘驾一只鸟飞往那里，结果同样没能成功。17世纪，神话屈服于理性和自然科学，但至少，人们依然将鸟类与载人航空旅行的任务联系在一起。弗朗西斯·培根和约翰·威尔金斯等学者甚至还认真讨论过如何利用鸟类协助人类飞行。

弗朗西斯·戈德温[29]在1638年出版的小说《月中人》中，描述了飞禽带着人类飞到了天空的顶点的情节。在戈德温的书中，一位名叫多明戈·冈萨雷斯的西班牙人将自己与一群野天鹅或灰雁绑在一起，借此实现了一次往返于月球的旅行。戈德温非常精通开普勒和伽利略的新物理学，他用这种方式告诉读者，当太空旅程行进到一个与地球相对的特定位置时，地球的引力就不再起作用了，连接旅行者与天鹅的线就会变得松弛。从那一刻起，这些鸟就会像水中的鱼一样移动得毫不费力，不必承受任何来自旅行者的负担。我们可以将太空之中的勇敢的多明戈全身上下各种状态看作一个整体。在离开地球的第12天，飞禽将多明戈放在了一座高高的月球山上，在那里他才开始注意到这新世界中令人难以置信的景象和色彩。不用怀疑，从月亮山上看到的奇迹正是像月球上空悬浮着的装饰物一般的蓝白色地球。至少，多明戈证实了哥白尼的一个关于地球运动的大胆猜想，因为他亲眼看到地球就在他的身下转动。

※

从太空中拍摄到的地球的照片是20世纪最美丽、最诱人的人工作品之一。一旦你看过这样的照片，就不可能认为地球不是一个球体，不是一个被黄色星球捕捉在轨道上的球体，不是一个被拴在巨大椭圆轨道上的、笼罩着斑驳云朵的球体。正如多明戈·冈萨雷斯所看到的那样，这些照片引发了人们对从月球上观望地球的想象。我也会把我自己带向那里，抱着这个目的观察地球。我的桌子上有一张月亮的地图，我在上面选择了一个有利的位置：就在位于宁静海和澄海之间的海峡，海拔3万米高的普林尼乌斯环形山的中央。这是一个舒适的、远离了危海和死湖附近的崎岖高地遮挡的地方。在黎明前最后的黑暗时刻，就让它成为普利纽斯环形山的夜晚吧。我感觉，月球上的日出来得很快。没有开场白，没有热烈的欢迎，没有泛红的黎明来宣示太阳的来临。太阳圆盘的边缘突然出现在地平线上，刀片般的光线割入阴影之中，山峰像灯塔一样燃烧。但对于习惯了地球日出的人来说，或许还有另一种感觉，人们会觉得月球上的日出很慢，慢得像数秒一样。月球自转的速度是地球的三十分之一。月球上的一天相当于地球上的一个月。地球上的日出只需要两分钟，而在月球上，从晨光熹微到整个太阳从某座环形山的边缘上探出身来，需要一个小时。

即使太阳升过头顶，从普林尼乌斯环形山上看到的天空也仍被地球主宰着，从月球看地球，是从地球上看月亮大小的四倍，也是从地球上看太阳大小的四倍。从月球上看，地球是静止的。它在月球天空中的固定位置是月球特殊轨道运动的必然结果。月球每个月自转一圈，而这正是它绕地球运行一周所需的时间。这不是巧合。地球和月球之间的潮汐力将月球拉入同步轨道，使其始终将同一面朝向地球。这种同步行为的另一体现则是地球在月球的天空中一动不动——月球上的观测者看不到地球的升起和降落。以我在普林尼乌斯环形山中央山峰上的所见而言，地球永远都位于月球的天顶附近。月球上的日出时分，地球只有稍微超过一半的部分能够被太阳照射。接受阳光沐浴的半球被涂上绚烂的色彩。我辨别出北极冰盖纯净冰雪的白色和亚洲大陆飞扬尘土的褐色。现在，白昼消逝，黑夜降临。南极洲被折叠在地球南部的曲线下方，澳大利亚隐藏在黑暗中。

太阳脱离环形山的边缘升至天空。它从地平线爬向天顶用了7天的时间。即使太阳高悬空中，天空也是黑色的。在没有空气的月亮上，太阳和星星即刻可见，它们一起爬到地球等待着的地方——它是正午的守护者。当太阳升起，地球会变成一个薄薄的新月形状，像一只疲倦的眼睛慢慢闭上，直到在它的黑夜里化成一个完整的黑眼圈。最后，太阳和地球在天顶附近并肩而立，就像展示在太空黑色衬布上的一枚闪亮的一角硬币和一块大大的英国便士。整个普林尼乌斯环形山都被照亮了。我的山峰如小岛般浮在一汪纯净的光线中。

阴影拉长了。太阳和星星离开地球，栖息在天空的顶点，慢慢滑向普林尼乌斯环形山西侧的边缘。现在，我毫不倦怠地等待着月亮上的日落。梦之湖与宁静海的海湾早已倚靠在黑暗中。位于危海和宁静海之间的高地上的梦沼也已没入夜晚。我的山峰北边和南边的宽广盆地中溢满了阴影。太阳触及环形山的边缘，缓缓下沉到它身后。地平线将太阳一口吞下，世界立刻坠入暗夜之中。

地球上巨大的猫头鹰目不转睛地看守着月球上的夜晚，现在，它能发现这片阴影正在慢慢地扩大。我瞥见地球南方角落里南极冰盖将那新月喂得发胖，也窥见沉睡的大陆醒来，走入白昼之中。带有白云模糊指纹的蓝色太平洋，在阳光中将自己的大部分都转变成了亚洲棕色的土地。之后，澳大利亚、中国、印度、阿拉伯、非洲和欧洲，还有胖胖的蓝色S形的大西洋，它们手拉手排着队从黑暗中走出来。站在船头的南美洲载着北美洲也一起驶入白天。随着普林尼乌斯环形山度过了它的月夜，整个世界再次被日光唤醒。

地球从圆满变得亏缺。猫头鹰慢慢闭上了双眼。夜晚出现在这个星球的西边，我再次看到大陆从白昼滑落到黑暗中。当我们在月球上经历了29.5个地球日，太阳的圆盘会再次出现在环形山的东缘。新的一天开始了。地球，栖息在天空的顶端，像一只站在世界屋脊的猫头鹰，眨了一下眼。

※

有些高等动物在永夜中过着它们自己的生活。海参、鼠尾鳕、鱼和吞鳗栖息在深度超过1200米的海洋深渊，这远远超出了日光能够照射到的距离范围，因此这些生物只能以海水中每日每夜漂落下来的有机物质为食，这些食物来自一颗星的能量，像一场温柔的雨从黑暗中降下。昆虫、蜘蛛、小龙虾和蝾螈都是幽灵般的白色无眼生物，它们生活在幽深洞穴的绝对黑暗之中，所以它们的饮食就只能依靠偶尔经过的过客来获得——蝙蝠、鸟类和老鼠——它们往返于日光之中，留下粪便喂养这些动物。鼹鼠、蟋蟀、蚯蚓和蜈蚣在土壤的微小洞穴中觅食有机残渣。所有这些生物，虽然适应了黑暗，但也都是以能进行光合作用的植物为顶端的食物链的一部分。这条规则有一个例外。最近人们发现了在海底裂谷存在着热液喷口，那里居住着完全隔绝于阳光的动物群落。通过与地球熔化的上地幔接触而被加热的富含矿物质的水，从被拉开的地壳的裂缝中冒出来。从热水中沉淀出来的矿物质构成了宝石般的岩石的内部结构。在绝对的、纯粹的黑夜中，细菌、管虫、巨蛤还有白蟹生存于这些海面数千米之下烟雾弥漫的烟囱中，直接从地球的核心中汲取着能量，以此为食。避光生物是生命故事的倒退。它们是返祖生物，是辍学者，是仍然戴着看得见的过去的徽章的退化的进化者。鼹鼠在用来阻隔土壤的皮肤的不透明的皮瓣后面残留着退化的眼睛。在洞穴中居住的小龙虾已经失去了所有与眼睛有关的痕迹，但依然保留了眼柄。盲目蝾螈头部两侧的色素斑所在的位置正是它们的祖先曾拥有眼睛的位置。这都是逆进化而行的现象。但光明始终代表了未来。我头上的这双眼睛是进化中的增强器，是地球用于自我检验的装置。将我大脑的神经通路进行编码的，是一个悬浮在黑夜中的蓝白色球体的形象，它在自己圆锥形的阴影中旋转，像月亮一样阴晴圆缺。它是一团聚集在铁芯上的顽固尘埃，被海水浸湿，被雾化的挥发物覆盖，被光敏薄膜与发光的有机物质包裹。

从月球上看，地球黑暗的一侧被反射的月光微微照亮。但地球也因自身的暗淡光芒而闪耀：萤火虫，发冷光的毒蕈和闪光鱼，会发光的浮游生物和细菌，微光闪烁的植物和动物，它们辐射出冷调的生物光，结合了氧气的蛋白质产生的光线比任何一颗恒星的光都要精致明亮。远东的某种真菌由于自身的光芒过于闪亮而使人从很远的地方就可以看到它们。“巨口”鲨的嘴唇上排布着数百个微小的光点，像挂在露天市场中的灯泡一样跳动闪烁，从而诱惑浮游生物向它大张着的口中自投罗网。有一些海星一旦受到威胁，就会主动脱落一只发光的手臂以分散攻击者的注意力。东南亚的同步发光萤种群中的雄性萤火虫每天晚上都会聚集在特殊的树上，一起闪烁它们尾部的微弱光芒。一开始各自都非常随意，之后逐渐同步，直到最后整棵树因所有的昆虫步调一致而闪耀，成为雄性昆虫为吸引周围几千米范围内异性而设置的明亮信标。如果地球上所有的光线制造者，不论是微观的还是宏观的，海洋的还是陆地的，都可以像同步发光萤一样以同样的频率闪烁光芒，一起眨眼，那么谁能说，从月球上看地球不会像一股鬼火，一颗生物行星，一盏在夜晚燃烧的南瓜灯，要求被人看到。

※

“我认为，探究上帝的形象和形式，”罗马自然历史学家老普林尼[30]写道，“是人类软弱的标志。无论上帝是什么，无论他在哪里，他都代表着所有的感受、所有的视觉、所有的听觉、所有的生命、所有的思想，所有的这一切都存在于他的自身之中。”老普林尼在其文字中对上帝形象和形式的描述尽可能地小心翼翼，尽量不去限制人们的想象。存在的一切都是他研究的主题。这些感官中没有一种会被忽视。对这个世界的视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉是平等的，都是对地球神性的珍贵启示的一部分。老普林尼将这些神圣的琐事构建成了37卷自然历史文献。第一卷，序言，献给古罗马皇帝提图斯·维斯帕先；第二卷的内容关于世界、元素和天体的形象；第三卷、第四卷、第五卷和第六卷都是对地理现象及知识的记载；第七卷的主要内容在于人类的发明；其余的卷目内容涉猎哺乳动物、鱼类、鸟类、昆虫、植物、药物、矿物质和宝石等领域。在这之中没有被沙海覆盖的绿洲，没有畅游在遥远海域中的鱼，没有洞穴、山泉、鹅卵石或岩石，这些超出了老普林尼的兴趣范围。在老普林尼的《自然史》中，地球在我们面前转动，好像我们正从月亮上看到地球展露出白昼与黑夜、海洋和陆地、沙漠和苔原，大地、水、空气和火焰逐一排列在我们面前那座上升的楼梯上，向月球延伸，向燃着神圣火焰的普林尼乌斯环形山的中央峰顶延伸，这是对平静与安宁的祭献。

如果老普林尼站在以他的名字命名的月球山上，看到地球悬挂在天顶之上，像是一盏悬挂在万神殿黑暗穹顶的明灯——它将在整个月亮日一直悬挂在那里，在夜晚的圆锥形帽子中转动30次，神圣而雄伟——那美妙的景象只会向他证实世界的神性。老普林尼的地球之歌是他《自然史》一书中最美丽的段落之一。“她在我们出生时接受了我们，”他写道，“自我们降生起就滋养着我们，而后也支持着我们；最后，当我们被大自然的其他部分拒绝时，她还能拥抱我们，并用一种特殊的温柔抚慰我们。”大地、水、空气和火，在夜晚发着光；上帝的眼睛盯着圣殿的顶点，警惕而安慰。老普林尼继续道：“倾盆大雨，凝结成冰雹，涌入河道，积淀成为洪流；空气汇集成云层，咆哮着卷动飓风；但还有地球，亲切、温和、包容，一如既往，照顾着凡人的需要。”

18 等待彗星

“向天使赞颂这个世界吧。”诗人赖内·马利亚·里尔克在《杜伊诺哀歌之九》中说，“而非那些不可言说的世界。对他说些重要的吧。”顺其自然吧。当我们希望能够肯定地谈论阿尔法（α）和奥米伽（Ω）的时候，时间已经流逝了。空间和时间的存在已经超出了我们的语言所能表达的范畴。星系从言语的悬崖上坠落。也许，正如里尔克所说，我们在这里只说：房子、桥梁、喷泉、门。这就够了。看，天使说，这是一栋房子。“房子。”我重复着，赞扬着。还有一座桥。“桥。”我说。还有一座喷泉。“喷泉。”和一扇门。“门。”

天使说：“这，是一颗彗星。”

※

1948年，哈雷彗星在它长长的椭圆形轨道上的某个黑色角落里转动，那里甚至远远地超出了海王星轨道的范围。天文学家无法对其进行观测，只能对这颗看不到的彗星进行理论计算与数据记录。从这些资料来看，它倾向于朝向太阳运动，诗人泰德·休斯在诗句中对其进行描述道：“就像在太空薄冰上的溜冰者。”1982年10月，一支由加州理工大学的天文学家组成的团队，使用了安装在帕洛马山上的200英寸（约5米）口径望远镜主焦点上的“广角行星相机电荷耦合器件”，捕捉到了哈雷彗星回归的身影。那时，哈雷彗星离地球16亿千米，正在朝太阳径直飞来。正如我写过的，这颗彗星以全速穿过土星的轨道，但对肉眼而言依然是不可见的，它像幽灵一样出没于小犬座和猎户座之间的黑暗空间中。等到1985年至1986年的冬天，它将在傍晚的天空中甩动它白色的尾巴，向太阳直冲而去，再拖着沉重的身体爬回太阳系边缘的昏暗阁楼。

哈雷彗星每76年回归一次。这次的亮度和上次一样，都略显暗淡。1910年它与地球擦肩而过，向地球人展示了它闪耀璀璨的头部和横扫天际的尾巴的完整轮廓。然而，到了1986年，地球将处于其轨道的错误一侧，让我们看不到彗星的侧面。因此，即便哈雷彗星如约出现，也并不能保证它会重复过去的壮观表演，甚至有可能它那时的明亮程度还比不过近年来观测到的其他彗星。但哈雷彗星的每一次探访都必定引起人们的兴趣。它是唯一一颗绕轨运行周期不足一个世纪的明亮彗星（例如，科胡特克彗星在8万年之内不会再次回归）。牛顿的朋友爱德蒙·哈雷爵士预测了哈雷彗星的再现。哈雷依靠牛顿的万有引力理论，猜测1682年出现过的明亮彗星将在1758年末再次现身。这位天文学家没能活着见证他的预测。在1758年圣诞节那天，当名为约翰·帕利奇的德国农民利用一台小型望远镜重新发现这颗彗星时，牛顿的理论，以及哈雷的预测，都得到了关键性的证实。我们现在知道，哈雷彗星与1066年刺绣在著名的贝叶挂毯上的彗星是同一颗，象征着上帝对威廉征服英格兰的神谕。因此，在君士坦丁堡沦为土耳其人的领地之后不久，当这颗彗星于1456年出现时，欧洲人感到非常害怕。而在218年，它是在罗马皇帝马克里努斯死亡之前现身的“可怕的火焰之星”。如此，已经有学者尝试将哈雷彗星与公元前12世纪的“幽灵”彗星联系起来，更有甚者认为哈雷彗星就是耶稣降生时出现的伯利恒之星。

在牛顿的理论和哈雷的成功预测出现之前，彗星似乎总是在人们意料之外的时刻突然出现，这让它们成为预兆和奇迹的象征。今天，彗星的可精确预测性使它的出现变得更像是为了满足人们的好奇心。马克·吐温出生于1835年哈雷彗星到访的期间。他说他伴着彗星而来，也该伴着彗星离开。结果就在马克·吐温去世的1910年，如他所愿，哈雷彗星真的再次绕过太阳出现在我们的夜空之中。这是一个好故事，这是关于吐温的降生与死亡的故事。毕竟，彗星的降临是出生的好时机，也是死亡的好时机，而76年已经足以成就一段可敬的生命。我的父亲出生在马克·吐温去世那年，也正是哈雷彗星到访的期间。他无法将他的生命跨度与彗星的运行周期相匹配，但是我将在1986年代替他完成这项宿命。当哈雷彗星划破夜空，向太阳直冲而去时，彗星会如过山车一般在椭圆形的轨道上呼啸而过，只散落一片尖叫。

※

首先，我们有科胡特克彗星。1973年3月，在德国汉堡天文台工作的卢波什·科胡特克在相片底片上发现了两颗光芒微弱的彗星。其中一颗彗星处于非常接近太阳的轨道上。因此它似乎注定会非常明亮，也许会像金星那样明亮。这是第一次有潜在的发光彗星在到达近日点之前许久就被发现的事例。不出意外，科胡特克彗星受到社会各界的广泛关注。报纸大肆宣传它即将到来的消息。关于彗星的书籍出现在报刊亭里。唯恐天下不乱的怪人们在公共场所分发有关世界末日的传单。富兰克林铸币厂用纯银制造印有“一生一次”字样的纪念币。最漂亮的邮轮QE2出售“彗星巡航”活动的船票，其中额外包括科学家的演讲和望远镜的使用讲解。每个人似乎都想要采取行动来和这颗彗星沾上些什么关系。毕竟1973年是发生了水门事件和副总统斯皮罗·阿格纽贪污丑闻的一年，民族信心跌落到了最低点。我们会让科胡特克成为一颗美国彗星，而当它出现时将用闪耀的光芒盈满夜空，让人们感到好像走在圣诞节期间布满彩灯的街头一样。彗星光彩照人地到访，头部和尾部就像是留给美国的一个令人眼花缭乱的惊叹号。它可不是那些天文学家每年能发现半打的暗弱小彗星之一，它是能引爆天空烟火的洲际弹道导弹，是圣诞节期间在黄金时段播出的特别节目，是我们的最盛大的橄榄球赛事“超级碗”。

然而，令人费解的是，这颗彗星未能达到预期的亮度。它可能是第一次接近我们的太阳，这是它的处女航，亮度早已被太阳风刮散了。在12月中旬精致的深蓝色曙光中，科胡特克彗星与我们玩起了捉迷藏。我用双筒望远镜追逐它，但也仅仅是瞥见了一眼而已。1月初，科胡特克彗星在太阳旁边安静地滑行，再次现身在傍晚淡粉色的天空中。用双筒望远镜来看，它只是一块模糊不清的光斑，外表酷似仙女星系的双胞胎。随着时间推移，它慢慢攀上西部地平线上那棵松树，在金星与木星交会的时刻缓缓越过这两颗相互依偎的美丽行星的身侧。它继续滑行着，直到这个月快结束的时候，它终于得以与细长的新月在夜空中相会。科胡特克彗星的到访也是一种暗示与象征。出版商和邮轮企业家都很失望。但科胡特克是一颗完美的彗星，如同所有完美的事物一样，它不会如我们所希望的那样，而是以它原本的模样来被我们感知。

※

“……当我说‘我语言的局限，就是我世界的局限’，你笑了。我们整晚都在交谈，用舌头、用指尖、用牙齿。”[31]这是罗伯特·哈斯的诗句。舌头、指尖和牙齿！这是彗星的语言，沉默的夜间低语，讲述着黎明和黄昏。这是以淡淡的光线作为语法的语言，它沿着椭圆轨道滑行，收集引力，在太阳风中飘散。这是爱人间的颔首，是差别细微的语言，延伸着我们的世界。

1976年3月并不像羊羔那样温驯地前来。相反，它如雄狮般狂怒，挟着雪、冰和冰雹席卷而来。而远在狮鬃般厚重云层之外的某个地方，威斯特彗星就存在于那里。这颗彗星是1975年年底由理查德·威斯特在智利制造的相片底板上发现的，当时这颗彗星仍然无法直接以肉眼观测到。从一开始就可以很明显地看出，威斯特彗星要比科胡特克彗星更明亮，甚至也许是20世纪最明亮的彗星之一。但媒体并没有对此进行宣传，社会各界也没有表现出过多的关注。在科胡特克彗星身上吃过亏的企业家们一朝被蛇咬，十年怕井绳。到了3月3日，这颗彗星应该已经越过了太阳，北半球的观察者应该仅凭裸眼就可以目睹它的真容。但是这个星期每天都是阴云密布，随着时间流逝，我们很可能会完全错过这颗彗星。在云层后面，威斯特彗星继续沿着它的抛物线行进，像瞪羚一样轻蔑地晃动它的尾巴，因为它知道它的速度会比狮子还快。

在3月5日的日光中，云层融化了，雪地在阳光下短暂地烧灼。我抬起头，知道威斯特彗星就在那里，它迷失在阳光下，微弱的光芒无法与我们这颗暴怒的恒星相匹敌。之后，再一次地，云加入进来。我等待着，一天、两天、三天，我终于等来一个晴朗的黎明。3月8日早上5点，我在后院架起双筒望远镜。东部只有几缕散乱的云。我扫视地平线，没有彗星。不情愿地，我确定威斯特彗星太过暗弱，甚至可能比科胡特克彗星更暗淡，以至于无法用双筒望远镜观测到。随后，当我即将放弃这次搜寻的时候，视线中一朵小小的云飘向南方。那就是威斯特彗星，它如同一颗一等星闪耀夜空，轻而易举地滑进了肉眼可见的范围中。看上去它确实就是一颗彗星，样子就和在教科书中的照片上呈现的一样。长长的尾巴自地平线起延伸3到4度。这颗彗星比我期盼之中还要明亮得多，它是一个异常美丽的天体。我就站在冰冷的庭院里看着它，直到黎明的粉蓝色辉光淹没了彗星的光芒。

“心灵尽头的棕榈，”华莱士·史蒂文斯的一首诗歌是这样开头的，“超越最后的思想，升起，在青铜色的布景中。”[32]威斯特彗星是心灵尽头的那棵棕榈，是智力不自觉转向的直觉。威斯特彗星，像是转瞬即逝的想法，也像溶解在梦境边缘的黑暗中的善变的想象，巧妙地逃避着，溜过清晨的天空。它是史蒂文斯诗中的黄金鸟，在空间边缘的棕榈枝头纵声歌唱，它的羽毛闪闪发光，火焰从上面垂落下来。

1976年3月12日的夜晚，天气晴朗而寒冷。我知道，在我上床睡觉之后，第二天将会以在黑如石板的地平线上降临的黎明为开端。我也知道这可能是我最后一次看到威斯特彗星的机会，现在，它正从太阳全速出发，追逐着自己长长的尾巴。然而，当闹表响起时，我只是把它关掉，再次进入梦乡。我会为自己的懒惰而后悔。后来我的学生告诉我，那天早晨的彗星比以往任何时候都更明亮，彗尾都更长，在绝佳的晴朗黎明中向着群星延伸，光芒四射，闪烁耀眼。

※

威斯特彗星的回归周期为15000年。它上一次回到这里时，我们的克鲁马努人祖先还蜷缩在洞穴中，躲避着冷峻的冰河时代的威胁。威斯特彗星的轨道到太阳的距离是冥王星的40倍。从它在远地点接近于静止的慵懒状态来看，太阳对它的影响似乎并不比任何其他恒星更加突出。彗星运转到了看不到太阳的遥远极点，只有星光为它照亮。

彗星被称为“肮脏的雪球”，这是一种对大量冷冻水、二氧化碳、氨、甲烷和尘埃的混合物的粗野比喻。组成彗星的物质与组成生命的物质相同。把一个彗星加热，在它附近打燃火花，它就会膨胀起来，表面像蚁冢一样出现许多细小的孔洞。它会用尽生命爬行，直到变得像一只烂瓜。彗星的组成物质和构成我们身体的成分一样，而彗星在地球上空那短暂、可预测的出现则是我们想象力运作的结果。我们将语言扭曲延伸，包围住它。

彗星起源于一个由挥发性物质构成的包围着太阳系的球体云团，即所谓的奥尔特云。在云团的外层有着数十亿颗彗星朝向太阳蓄势待发。一旦某颗彗星进入太阳系内部，开始周期性地沿绕日轨道运行，它最终必将被吹散、蒸发。彗星尾巴的出现意味着彗星的体积正在逐渐减小，因为彗尾是彗星逆着阳光的方向所释放的物质。每次展现出这样的身姿，哈雷彗星都会比之前更加枯萎。但是，还有另外数十亿颗彗星做好了准备，等待着未来的光明之旅。“有一种更高级的神秘感，”D.H.劳伦斯说，“它不会使心灵之花凋零。”[33]更高级的神秘感，还是一个较低级的谜团？语言、土壤、种子中的神秘感，还是甚至现在还在小犬座和猎户座之间的黑暗空间中无形移动的神秘面纱？很快它将经过昴星团。我们等待着哈雷彗星，等待着这个大家伙。它是房子，是桥梁，是喷泉，是门。向天使赞颂这个世界吧，对他说些重要的事吧。舌头、指尖和牙齿。

19 慢慢的黑暗

昨天深夜，我走到位于马萨诸塞州的家附近的奎塞特小溪的木板桥上。天空黑暗又清澈，在这种如此接近大城市的地方，我们几乎看不到比这更加黑暗清澈的夜晚。在桥下流淌着的黑色溪水中，我看到了一道闪烁的光线，它似乎来自溪流深处，就像吉卜赛人的水晶球中跳动的火花。有那么一刻，我在脑海中思考着光线可能的来源——一种能反射光的石英粒子，或许也可能是一种微小的发冷光的植物或动物。然后，突然间，我知道我所看到的是什么了。它是倒映在奎塞特溪水中的五车二，悬挂于当前天顶上的一颗非常明亮的恒星。所以，恒星也在水中流动着。溪流似乎有几光年深。桥下面是另一个宇宙，正在黑暗的水中流淌。在溪流中旋转的星系就像石蚕虫卵。恒星星云与蜻蜓若虫相互做伴。蚊子的幼虫靠吞食新星的尘埃为生。

如此明亮的夜晚！没有月亮，甚至没有行星争抢天空中最微弱的星光。仙女座的恒星仍然悬挂在西边高空。我在群星的模糊斑点中寻找仙女星系——它在《梅西耶星表》中的编号为M31，我只在条件最好的夜晚以肉眼见到过它。我很快就发现了它，就在仙后座恒星奎宿九的北边、王良四的南边。仙女星系，银河系的伴侣，飘浮在星空之外。我所看到的并不是真正的光源，它更像是滴落在玻璃窗上的雨滴。在我看来，今夜是用望远镜观测星系的绝佳机会，即使仅凭裸眼也可以轻而易举地看到伟大的仙女星系——M31。风车星系、三角座星系和位于双鱼座很暗很暗的旋涡星系M74也都在它的附近。大熊座和狮子座在东部升起，几个小时之内，它们就会因为地球的自转而移动到适合观测的位置。我走到学校，打开了天文台圆顶的天窗。

※

“小东西们，再靠近些！”这是西奥多·罗特克的一行诗句，我在这本书中已经不止一次引用过这首诗。在我看来，这句话对夜晚的探索者来说是再合适不过的祈祷语。夜晚所使用的语言，就像伯纳德在弗吉尼亚·伍尔芙的《海浪》中所渴望的那种语言一样，只寥寥几个音节就能表达丰富的含义：“这种语言，就像是情人之间使用的语言，破碎的词语，难以理解的词汇，如同人行道上拖曳的脚步声。”我经常向朋友和学生们展示仙女星系。他们有时会对在望远镜的目镜中看到的朦胧光团表现出失望的惊讶。或许他们对一个叫作“大星系”的物体抱有过多的期待，或者他们可能已经看到经过天文台长时间曝光处理的仙女星系的照片，所以才对“现实生活中”的星系不像10寸照片上显示的那样清晰而感到失望。用望远镜观测深邃的天空意味着聆听遥远的呐喊，那传入耳中的微弱声音，那被数光年的距离压抑、打断，模糊不清的声音，梦中萦绕的声音，耳畔的低语，甜蜜得不知所云。“靠近点儿，你们这些小东西！”我将14英寸星特朗望远镜指向仙女座。

仙女星系是所有旋涡星系中距离我们最近、最明亮的星系，位于银河系之外200万光年的地方。昨晚，在望远镜中，一道达到了2度或3度的暗淡椭圆形光线围绕着明亮的核心划过天空。我很少看到比这个夜晚所展现出的更加壮观的仙女星系。想看到三角座M33螺旋星系就更加困难了。我选择了一个广角低功率的目镜来观测这个微小的星座，对着黑暗的夜空进行细微调整以求尽快找到能宣告这个星系现身的迹象。我花了相当长的时间才找到了我想要的东西，可一旦找到，它就能很容易地保留在我的视野里。三角座星系中可能存在着100亿个太阳，在黑夜中流动着，如同黑色溪水中映出的群星倒影。双鱼座的M74是另一个正面朝向我们的旋涡星系，天文台为它拍摄的照片显示出它的外表看起来就像是两条由明亮恒星组成的旋臂紧紧地环绕在一起。早先的经验告诉我，找到这个独一无二的观测对象将是当夜的一大挑战。我的望远镜从双鱼座主星右更二开始观测，然后将目镜侧向移动，滑进将右更二与白羊座的恒星娄宿一分隔开的黑暗深渊。我相信我看到了M74，它轻声低语，它如此透明，只有照片才能证明它真的存在。

现在我把天文台的圆顶转过来，面对正从东北方升起的北斗七星。一如既往，我轻而易举地找到了M81和M82这两个最显眼的星系。它们是一对发着白光的椭圆形，一个胖，一个瘦。如果想要看到悬于北斗七星的勺柄末端的风车星系M101则需要更多时间，它的光亮对黑暗的削弱几乎是不可察觉的。但是，那夜在猎犬座附近探寻到的涡状星系是我记忆中观测到的状态最好的一次。在望远镜中看起来它的边界清晰而明确，带着一条极细的螺旋状手臂，还有一朵清晰可辨的、挂在它尾巴上向下悬垂的伴星云。我昨晚还看到了其他星系，其他遥远而模糊的光斑，其他比想象中还要多的旋涡星系，其他超出了我的语言和认知的宇宙的暗示。所有的星系，除了离我们最近的那些，都在离我远去。它们在黑暗中奔跑，延伸着逐渐暗淡的光芒，将夜晚染得更黑，将宇宙拉扯得像太妃糖一样薄。宇宙正在扩张！位于猎犬座的涡状星系距离我们有3500万光年，而且还在以每秒550千米的速度远离银河系。今晚，这个星系比昨晚距离我们又远了5000万千米。这是星系规模的微小膨胀，是充满耐心、不可阻挡、最终却会精疲力竭的微小膨胀。

※

现在，天文学家普遍认为宇宙过去与未来的演变是由宇宙大爆炸最初的几个瞬间确定的。是的，莪默·伽亚谟在《鲁拜集》中写道：“云山沧海何年尽，都在鸿蒙纸上书。”[34]140亿年前，一场至关重要的大爆炸造就了今天存在的一切——空间、时间、物质、星系和恒星。从那一刻起，宇宙的命运就已经注定了。然而，天文学家并不确定未来的宇宙那未完成的命运是怎样的。有一种可能性，宇宙将永远地继续膨胀下去，无限地稀释物质和能量的密度，黑暗增加，最终仅剩的一点微弱的光芒也会熄灭。还有另一种可能性，引力作用将减缓并最终阻止目前正在进行的膨胀，将宇宙拉回到一起，回到宇宙初期无限致密的创世火球状态，就像干燥的骨头。干燥的骨头在噪声和骚动中聚集在一起，每一块都与在它之上的新鲜血肉紧密相连。

原则上，应该很容易确定宇宙将终结于永恒的夜晚或是单调的正午，那个时候物质究竟会无限稀疏散布，还是会在宇宙大爆炸的闪光中重生。如果宇宙目前的平均密度大于每立方米空间3个质子，那么引力终将占领上风，宇宙将朝着它最初的样子开始倒退。可是，如果当前宇宙的平均密度小于这个临界值，那么这种膨胀将会永远持续下去。目前我们对宇宙平均密度的估算远低于临界密度。但是这些数值是基于对发光物质的计算结果，即对可见恒星的质量和可见星系中明亮星云的累积的计算。如果不发光物质占宇宙质量的主要部分，那么，平均密度的估计值可能会大得离谱。天文学家们已经开始怀疑宇宙质量的很大一部分实际上可能巧妙地将自己隐藏得严严实实，在和我们玩着捉迷藏的游戏，它们可能存在于黑洞、死星、亚恒星天体或者巨大的中微子中，或许还会隐藏在一些我们无法想象的暗物质中。这个问题尚未解决。死于烈焰或是葬身冰川？光芒炫目或是置身黑暗？震耳轰鸣或是耳畔呜咽？至少现在我们还可以做出选择。让我们首先考虑第二个选项。目前，通过宇宙中物质的扩散，似乎有两个选项更有可能造成宇宙的死亡。星系彼此疾速远离，牵引它们的引力可能太弱，不足以阻止它们慢慢滑入黑暗。涡状星系与银河系的距离将在200亿年后增加一倍。但是地球上的人们不会在星光璀璨的冬夜去寻找那些微弱的光芒。到那时，太阳将因能量耗尽而死去，它会因死亡的阵痛而急剧膨胀，直到成为一颗红巨星。烧焦的地球将被冻结在黑暗中，变成一块躺在围绕着已熄灭的恒星的轨道上的死气沉沉的岩石。在几十万亿年内，星系中的所有恒星都会因耗尽其能量资源而失去生命力。夜晚的灯光将不再闪耀。黑暗的恒星物质组成的星系将冰冷地、幽灵般地在黑暗中旋绕。这个过程将会经历数千万亿年，死亡星系中四处游逛的死星将会相遇，引力不再对它们有任何约束。偶尔，如果相遇的两颗恒星靠得足够接近，造成的碰撞会将其中一颗抛出它原本属于的星系，如此，这个星系将慢慢失去它的成员恒星。星系的蒸发！在一个星系中十之八九的质量都蒸发掉之后，重力将把剩下的所有物质都吸引到一个巨大的中央黑洞中。经过1亿亿年，旋涡星系的世界将被一群超大质量黑洞和无限空间中独立的非发光恒星所取代。再经过数十亿亿亿年，构成死亡恒星物质的质子将开始衰变，流浪的非发光恒星构成的宇宙将瓦解成一种充斥着电子和正电子的稀薄气体，恒星自发地拆解，分散自身的物质。最后，巨大的黑洞将成为星系中仅剩的残留，它们的物质也会通过量子蒸发慢慢流失。再经过1010个年头，宇宙将成为一种弥漫着电子、正电子、中微子和光子的极端扩散的气体，飘散得越来越远。创世的烛火熄灭，灯芯在指尖碾碎，烟尘被风吹散。

上述场景中，宇宙在寒冷和黑暗中迎来结局，其密度接近于零，物质如幽灵般缥缈无踪。但是，如果宇宙中存在足够多的隐藏物质，以至于能提供足够最终将宇宙中的物质重新拉回到一起的引力，那么又会怎样呢？在接下去的1000亿年里，宇宙将继续扩张，但速度会越来越慢，直到最终由于速度的限制而达到平衡状态，就像一个球被抛向空中，然后瞬间停留在它的轨道顶端。当星系一起开始回落时，它们的内部成员将变成死星和超大质量黑洞。一开始，宇宙将缓慢收缩，但速度会逐渐加快。在宇宙最终收紧之前的140亿年，宇宙将回缩到一个能量密度与今天相同的状态。光的光子会从它们的回落中获得能量，宇宙会升温。在危机爆发之前的100万年，高能光子会将星际氢分解为质子和电子。在危机爆发前1年，恒星会分裂并爆炸。大约在同一时间，作为星系坍塌的核心的超大质量的黑洞将开始碰撞合并。它们会吞并散布在周围的弥散物质。多个黑洞最终将合并成一个与宇宙本身共同延伸的黑洞，一个朝着无限密度和无限微小的状态继续收缩的黑洞。整个宇宙收缩到一个针头的大小，收缩到一个大头针的针尖大小，收缩到一个原子的大小。宇宙的收缩没有限制，就像是把恒星和星系从排水管冲走，再把排水管本身也拉扯下去。

现在物理的方程式崩溃了，理论的水晶球暗淡了。也许这就是故事的结局。也许宇宙会从无限密集的状态反弹，开始另一次扩张，另一次大爆炸，伴随着新的恒星、新的星系与新的星夜的出现，重复创世的过程。或者，也许我们的宇宙只是众多宇宙泡泡中的一个，膨胀与爆裂，膨胀与坍塌，存在于无限个泡泡矩阵中的一个泡泡，从时空的组织结构中迸发出来，就好像伴随着咝咝声，香槟冲开软木塞，泡沫四处喷溅。

※

“我站在微火旁

细数缕缕火焰，我看着

光如何在墙上移动。我仍然保持沉默。

我在傍晚的空气中看到，

黑暗如何慢慢降临到我们身上。”

这同样是来自罗特克的诗句，辞藻跳动，正如缕缕火焰。星星倒映在溪水里，星系是望远镜目镜中模糊的光团污迹，阴影映上墙壁。一种轻声细语的语言，就像人行道上拖曳的脚步声，低声耳语。几周前，我在莫尔斯池塘附近的树林里散步。突然间，我被砰砰的声音包围，就好像捏爆米花糖发出的那种声响，就像从晴朗的天空降下冰雹打在树枝上。那是金缕梅，最引人注目的一种树。它的花期在11月，与季节不相符，小小的金色花朵像爆米花一样在灰色树枝上盛放，为阴沉的月份增添了香气和色彩。满地落叶的林地仿佛已经为这个季节画上了句点，但在这里，生命依然鲜活，还在欢快地嘎嘎作响。生命像恒星一样爆炸，黄色的花朵星系般盘旋，无法抑制地展现着蓬勃又旺盛的生命力。

我昨晚在仙女星系和大熊星座的黑暗空间中搜寻到的那些光斑，那些倒映在黑夜的池塘中的星河，并不是如同被遗弃的石头般，了无生气的、被遗忘了的星系。它们肯定会噼里啪啦地蹦蹦跳跳。物质燃烧着生命的火焰，无处不在。星星裹在绿色的光环中闪闪发光。行星喷发出孢子。星系大口呼吸。旋涡星系和风车星系像用来祈祷的转经筒般旋转不停。仙女星系是一艘载着成双成对的各种生物驶向美好夜晚的方舟。宇宙的命运就是生命的命运。

耶和华让以西结剃掉头发，把三分之一扔进火中燃烧，三分之一切割成小段，另外三分之一撒进空中随风飘散。但是他将一小部分的头发绑在了斗篷的下摆上，作为以色列的信念。就这样，三分之一的星系将被火烧掉，三分之一将被切成碎片，另外三分之一将随风飘散。宇宙将终结于烈焰或黑暗。恒星将像火山喷发后的雨水一样蒸腾消散。星系会崩塌扭曲成沉重的死结。而我们只是发丝，被缝在斗篷的下摆。

20 飞鸟与鱼

“羁鸟恋旧林，池鱼思故渊。”生活在4世纪的中国诗人陶渊明离开了城市，隐居于南边荒野中的茅草屋里，屋前桃李满园，屋后榆柳荫盖着房檐。夏天的夜晚，他也许会看到银河从东边的树篱上缓缓升起。树篱背后，在5000亿颗恒星的幽幽光线下，淡白的菊花正在盛放。

陶渊明生于晋朝一个颇有威望的家庭。他的曾祖父做过荆州刺史，被封为长沙郡公，父亲和祖父都是朝廷的官员。陶渊明自己的职业生涯也起步于行政部门的文职工作，但是他很快就厌倦了官僚机构的虚伪和圈套。他向上级汇报工作的时候拒绝系上象征官员身份的腰带，不愿意为了五斗米的俸禄向他人卑躬屈膝。33岁时，陶渊明的生活跌入谷底，他开始寻找心目中的“瓦尔登湖”。像梭罗一样，陶渊明在“人境”建造了自己的“草庐”，车马的喧嚣并没有对他造成困扰。“心远地自偏。”他写道。

陶渊明隐居在长江南岸的庐山，在这个纬度上，仲夏时节，东方的地平线上横陈着银河的银道面。地球向东自转，大地陷入黑夜，云团一般的银河从遥远天际线上渐渐升起。夏天的夜晚，陶渊明可以在他的树篱上看见银河系中心部分最充沛的璀璨星河，从北边的天鹅座，一直延伸到南边的天蝎座。或许，陶渊明的诗中描绘的场景其实来自天上的银河渡口和东方的苍龙星象，他笔下的菊花可能只能盛开在银河的灿烂星光里。

从庐山脚下到瓦尔登湖畔相距将近2万千米，但若利用天上银白色的星河拱桥，只一步就可跨越这段距离。在陶渊明身后1500年，梭罗在夏夜所看到的升起的银河，正如当年陶渊明见到的那样——同样模糊的恒星，同样的星座特征。中国南方荒村的诗人和美国康科德市的自然主义者，在他们共同拥有的银河系中毗邻而居：两颗遥远的心，同一片荒野。地球就是他们的隐居之所，周围环绕着群星的旷野。

※

“采菊东篱下，悠然见南山。山气日夕佳，飞鸟相与还。”陶渊明如此写道。今天晚上，就在黄昏时分，我看到两只夏天的大鸟——天鹅座和天鹰座——掠过东方的天空，飞了回来。这是我对夏夜星空了解最多的部分。银河中最明亮的那段溪流被一处暗礁分成两股，由北向南流淌着。在温暖的夏夜，我曾经用双筒望远镜和天文望远镜探索银河。我曾全神贯注地凝视天文台为这些在这条光之河中漂流的美丽超凡的天体拍摄的照片，我也曾亲自在夜空中搜寻到它们。夏夜的银河总是拥有精美的礼物。这里有金色和蓝色的天鹅座β双星，在肉眼看来只是一颗单独的白点，但在小望远镜里，它们就会变成两颗尺寸惊人的太阳。它们中的一颗比我们的太阳亮760倍，另一颗亮120倍，分别呈现出蓝宝石和黄玉的颜色。两颗恒星之间的距离可以容纳55个太阳系一字排开。这是天鹅座61，我常在远离城市灯光的夜晚裸眼观测到它。它只是天鹅身体中数十亿颗恒星中毫不起眼的一颗，却也是最著名的那颗——它是贝塞尔在1838年用三角测距法直接测量出距离的第一颗恒星。天鹅座61距离我们11光年远，也就是105万亿千米，是从陶渊明的庐山到梭罗的瓦尔登湖之间的距离的100亿倍。在所有肉眼可见的恒星中，天鹅座61到地球的距离算是第四近，位列半人马座α星、天狼星以及波江座天苑四之后。这里还有面纱星云，纤维状的气体云形成问号的形状，就和萦绕庐山周围的云雾一样精致。有一次，我在爱尔兰一座山的背阴面用功能强大的双筒望远镜成功观测到面纱星云中最明亮的部分，那是一颗爆发后的恒星所吹出的包层。3万年以前，一颗距离我们1500光年的恒星就在这里爆发了。还有狐狸座的哑铃星云，在我8英寸（约20.3厘米）口径的望远镜中，我看到的它就只是一个简单的天体，是一团星尘，像苍穹中一抹用手指擦过的污痕。我还看到了两个精巧的星座，天箭座和海豚座。我认为它们比那些挤在天空另一端，把它们排挤在外的灿烂星座更惹人喜爱。天箭座和海豚座只是很微小的星座，它们所拥有的仅仅是四五颗五等星。它们在夜晚发出最微弱的光线，只有内行鉴赏家才了解它们的存在。今晚我用肉眼和双筒望远镜收集了夏夜的银河带来的礼物。这个区域里群星堆积如山，光芒黏稠淤积，星尘纷扬凌乱。我看到天河中跃动的大鱼拍打着数光年长的尾巴，繁星点缀的大鸟把羽毛藏在了翅膀下。我渴望看到旧林，我期盼天空中存在着故渊。我站在庭院里，整片旷野都是我一个人的。

※

陶渊明不是隐士，也不是修行者。他没穿苦行僧的刚毛衬衫，也没有为逃离这个世界而去南摩尔修行。他在寻找世界。他的乐趣在于自然、诗歌、书籍、美酒和家庭生活。他种植花卉，为东边树篱下盛开的菊花和盛夏时仍然潮湿鲜嫩的生菜而感到自豪。他在播种和耕作的间歇时而静坐阅读，时而弹奏琵琶。一阵温和的雨伴着“甜风”从东方飘来。陶渊明将目光落在水墨画上，欣赏着山峦、海洋、遥远的天际线，还有雾霭弥漫的森林。于是他写道：“欢来苦夕短，已复至天旭！”

今晚微风拂面，我站在门边，用双筒望远镜扫视人马座。我使劲地研究银河系的核心，如果天文学家们是对的，那么黑洞就隐藏在恒星群中。有一次，我在缅因州的一个黑暗的小海湾里游泳，每次我击打海水，都会激起数以百万计的浮游生物发出冷调光芒。甲藻，这种植物在受到刺激时会闪现出微弱的光亮，使得海洋看起来是在光的旋涡中闪烁，如同通过双筒望远镜观测到的人马座一样。我在纵观星座时，把目光锁定在了人马座γ星的北方。这是一个完美的夜晚，即使没有望远镜的辅助，人马座的星云也非常显眼。在我的仪器的视域中是一片大得荒诞的白色星团。它不是花园树篱上的薄雾，它是一个没有尽头的星系世界。一个有着5000亿个拐角的、任由人身牛头怪物弥诺陶洛斯居住在中心的迷宫，人们面对它时只能手足无措。

难怪我们的祖先想象他们在夜空中看到了鸟类和鱼类、天鹅和海豚、老鹰和鲸鱼、小马、水瓶、竖琴，还有狼。人类宣布天上有88个被官方承认的星座——这88个星座正是我们所熟知的世界在夜晚的荒野中的投影。有些星座非常古老，当摩西在燃烧的灌木丛中听到声音时，它们就已经存在了。这88个星座中的48个早在托勒密所著的《天文学大成》中就已有记录。现存最古老的星图是由中国天文学家石申和甘德在公元前4世纪编制的。中国古人不是以现代天文学的眼光来研究星星的。根据小罗伯特·伯纳姆的说法，他们研究夜晚的自然秩序，然后以此为基础来达到稳固其社会秩序以及与个人生活相融合的目的。那么，我怎样才能让自己的生活与人马座星云相融合呢？这里是否存在尺度上的问题？我是否能按照微生物适应鲸鱼食道的方式适应银河系呢？我们曾一度相信银河是天地之间的桥梁，可现在我们不再这样理解它了！在银河系中，可能存在1000亿个地球以及一个荒诞的、无关紧要的天堂。

然而，我是银河的孩子。夜晚是我的母亲，星尘组成了我的身体，我身体里的每一个原子都经过恒星锻造。当宇宙大爆炸时，就已经有鸟儿渴望着栖息在枝头，有鱼儿渴望在池水里畅游。当第一个星系发光时，就已经有物质努力地向意识转化。人马座的星云是燃烧着的灌木丛。如果人马座发出声音，我怎能像傻瓜一样充耳不闻。如果上帝在夜晚的声音是微弱的哭泣，那我会竖起耳朵仔细聆听。只要夜晚的微光不至让我头昏眼花，那么我就会坐在黑暗的山坡上守望。听着，看着，等着。等待，永远等待，为了那“脊柱的兴奋”。

※

“孟夏草木长，绕屋树扶疏。众鸟欣有托，吾亦爱吾庐。”我把陶渊明的诗放在一边，倾听夜晚的声音。蟋蟀和猫头鹰、蝉和东风。我回想起春天里一个月光满溢的夜晚，我听到雄性丘鹬在起飞时热情地扇动三次翅膀，发出奇怪的共振颤动的声响，在飞行到最高处时发出清晰的钟声似的鸣叫。如果天球是个能打开的八音盒，那它的音乐一定就是这样的声音。我只是听到了丘鹬的声音，但没有看到它，至少没有在它在月光下飞行的时候看到它。我有时会羡慕某些夜行动物的夜视能力。狐狸眼睛的光敏性被视网膜后面的反射层增强，这层组织被称为照膜（照膜的反射，会使狐狸的眼睛在汽车大灯的照射下闪烁红光）。猫头鹰拥有巨大的像漏斗一样的眼睛，对夜晚微弱的光线就已经非常敏感，以至于它们需要第三层眼睑来产生一种半透明的遮挡效果以减弱白天炫目的光线对自己造成的影响。如果我拥有狐狸或猫头鹰的夜视能力，我也许就能看清丘鹬在月光下的飞行。但我有我的方法，能够让自己听到从看不到的地方发出的声响。即使是现在，我也能听到晚间蟋蟀和蝉的奏鸣，猫头鹰和风的夜曲，以及来自遥远群星的乐声。我曾经看到一只黄蜂将蝉那已麻痹的身体拖到树上。它试图飞得足够高，能让它将沉重的战利品带回巢穴。有时候我觉得如果我能飞得足够高，就可以回到开始的地方，回到我的旧林，回到我的故渊，回到有绿叶繁茂的枝丫摇曳、繁星从东边树篱上如雾一般升起的田园。我甚至想回到创世之初的奇点，去看看鸟和鱼与星系如何一起被抛进那夜晚的旷野。

※

夏天的夜晚，天蝎座在东南天空中燃烧，位于它中心的是心宿二，这颗红色的恒星灼热得像狐狸的眼睛。威廉·亨利·史密斯称心宿二为“炽热的红色”。对我的眼睛来说它是橙色的。这颗星所在的类别被我们称为红巨星。红巨星是垂死的恒星，它臃肿、稀薄、膨胀。我们的太阳也会在耗尽其所有能量的那天膨胀成一颗红巨星。到那时，地球将被焚毁。桃和李子在枝头枯萎，柳树被烧焦，珍贵的菊花化为灰烬。太阳膨胀，我们的桃花源将被周围的荒野吞没。心宿二是颗超巨星。如果它处于太阳所在的位置，也就是在地球1亿5000万千米以外的地方，那么地球就会被这颗超巨星包裹在体内。

在中国古代，天蝎座附近的区域被称为青龙或东方之龙。伯纳姆谈到中国龙时说：“它不是中世纪基督教神话中吞噬少女的可怕怪兽，它是令人敬畏的力量与大自然的智慧和庄严的化身。”青龙玉器是中国墓葬文化中常见的艺术品，通常以蜿蜒的杆状，或权杖的形式呈现。这种玉器被称为如意，字面意思是“心想事成”。天蝎座弯曲的尾巴钩住银河。中国人幻想青龙现身于天河之上，降落凡间，赐福于那些对它虔诚敬奉的凡人。今晚，在陶渊明仰望青龙的1600年之后，我目睹了天蝎座的升起。巨大的、拥有红色心脏的天蝎座。它就是如意，是东方之龙，代表着“心想事成”。心想事成？这就是对我的祈祷的回答吗？恒星如此巨大，离我们那样遥远，仿佛对人类无关紧要。它们一直坚定地保持着沉默。它们离得太远，无法听到、更无法回应我的祈求。这是一片冷漠的荒野，肆意地吞噬着周围的一切。

我们有一种逃离荒野的寂静与黑暗的倾向。我们把神塑成偶像，挪进城里去，只有在某些庄严肃穆的时刻才接近他们。可当我们置身教堂和寺院时，谁又会听到荒原里的呼声？谁又会听到风吹动芦苇的响声？谁又会看到银河，这条无限深邃而清澈的河流，这条从春天流入海洋、从创世流入时间的河流，从东边树篱的上方升起？我们是“天蝎”尾巴上拂下的星尘。丘鹬在盘旋升空时鸣叫，野鹅用沉重的翅膀拍打空气。夜晚是旧林，夜晚是故渊。心宿二是一盏灯，燃烧着、闪耀着，在光亮中欢欣跃动。

“狗吠深巷中，鸡鸣桑树颠……久在樊笼里，复得返自然。”我读着陶渊明的诗句，想起了罗特克的祷告：“你这小东西，再靠近些！让我，哦，主啊，最后，做一件简单的事。”今晚的星星近得似乎触手可及。夏天的夜晚，银河与庭院相连，好似一排枝繁叶茂的树篱。星云绽放，如娇艳花朵。织女星、大角星和心宿二灯笼般悬于枝头。这就是我所拥抱的夜晚。亲爱的夜晚。

致谢

特别感谢罗伯特·古力特（Robert Goulet）和安妮·卡里格（Anne Carrigg）对本书做出的重要贡献，特别感谢迈克尔·麦柯迪（Michael McCurdy）用精彩的插画为本书增色。普伦蒂斯霍尔出版社（Prentice Hall）的编辑玛丽·凯南（Mary Kennan）是这本书的温柔守护者。同在普伦蒂斯霍尔出版社的埃里克·纽曼（Eric Newman）用他的专业知识和文字技巧为本书润色了文本。爱丽丝·莫罗（Alice Mauro）和哈尔·西格尔（Hal Siegel）将本书组织成精美优雅的形式。最后要特别感谢弗兰克·瑞安（Frank Ryan）和麦克·霍恩（Mike Horne），是他们在这次朝圣之旅即将启程的时候就已经陪伴在侧。

译后记

作为天文学家和科普工作者，很长时间以来，我都有一个想要解决的问题：究竟用什么样的方式写作才能把看似枯燥艰涩的天文学内容写得扣人心弦，又不失科学性？两年前我开始接触非虚构写作与创意写作，希望能借此学习相关知识并提升自己的科学写作水平。

可是，我大量阅读，不断寻找，都没能得到我想要的答案。我读了大量关于非洲某个地区所传播的严重疾病的事例——这本身就事关人的生死，具有天然的话题感；也读到某种海洋生物集体搁浅的报道——我们对生命的同情总是来得猛烈；当然，也读了一些著名成功人士的生活细节——我们需要八卦，这是生活中重要的调味品……

我从来没看到过有人专门讨论如何把银河系与平行宇宙的事情描述得特别优美，直到我读到罗伯特·鲁特（Robert Root）所著的《非虚构作家指南：关于创意非虚构的阅读和写作》一书，书中多次提到天文学家切特·雷莫（Chet Raymo）的作品THE SOUL OF THE NIGHT: An Astronomical Pilgrimage（本书的英文原版）。我十分吃惊，一部专业作家教授写作知识的教科书，竟然大量引用了天文学家的科普小册子作为教学案例，这本小册子到底有什么特别呢？

由此，我对切特·雷莫的著作以及他本人产生了浓厚的兴趣。当时国内还没有引进这本小册子，了解的人也不多，我只好委托在美国读书的朋友帮我带英文版回国。只粗略翻阅，我就再也放不下了。

全书开篇，作者绘声绘色地描述了波士顿大街上的滑板少年撞倒了一个小女孩的事情。有魔力般的语言，将这个原本仅持续了2秒钟的过程延伸到了十几分钟。在滑板撞倒孩子的一瞬间，仿佛一切注意力都被攫取，所有声音都凝固冻结。千钧一发之际，作者却转而开始讲述宇宙中的寂静时空和超新星爆发的遗迹。宇宙运转，被撞飞的孩子正好落地，波士顿大街又重新喧闹起来。

天哪！我从来没有读过以这样的语言写就的天文学内容，我从来没有想过在宇宙真空中声音无法传播的道理还可以这样讲述。

这根本就不是文字，而是活生生的电影，是蒙太奇！每每读到，立刻就可以在我眼前显现出动态的画面。翻译这本书是一种享受，是我当时最大的乐趣。

所以，我积极地推动这本书的引进工作，希望在以最快的速度完成翻译的同时找到愿意将其引进国内的出版者。感谢“未读”的边建强老师慧眼识珠，以迅雷不及掩耳之势，凭借无可争议的竞争力拿下了本书的中译本版权。感谢宁书玉编辑，在本书的润色、校对甚至改译过程中倾尽了心血。

如果说，从无意中遇到这本书，被它震撼，再到翻译它的整个过程，我都是一个人享受着发现好书的乐趣，陶醉在书中的精彩段落，满足于个人的一点点小愿望的话，那么在它即将付梓之时，我必须借这个机会，把我的感受传递给你，希望它也能打动你，打动更多读者。

这本书真正打动我的地方，概括起来说有两点。

第一，作者的语言太过美好。如果不是读到这本书，我可能一直都会觉得关于天文学的科普知识与诗意优美的语言之间毫无联系。我甚至怀疑，如此高层次的文字驾驭能力对于科学表达来说是多此一举的奢侈品。现在，雷莫教授用这本书为我们提供了一个范例，打开了天文学科普的一扇窗。他告诉我们，在阅读——甚至写作与恒星有关的文字时，可以考虑这件事在人类历史上产生的文化符号，也可以借助此时此刻身边的一草一木共同营造出电影场景般的浪漫感；可以让家人在科普作品里登场，也可以在令人目眩的科学知识间大谈诗歌和美术。

第二，作者的学识太过渊博。不，学识可能只是一个不那么重要的角度，更严谨的说法是——作者的文化素养极高。翻译这本书最艰难的部分是处理作者信手拈来的大量现代诗歌，还要将作者随口提及的动植物种类一一核对确认。我从来没有读过其他任何能够涉猎如此宽广的文化领域的天文学科普作品。

通过以上两点，我得到了启发：天文学科普，甚至全部科学门类的科普，其本质绝不仅仅是把一门专业课通俗化这么简单。科普的本质，是文化素养的感染。说得再深一层，科普的本质是人类文化符号的贯穿。这是什么意思呢？

人类文化，本质上就是一个符号系统演化的过程。无论是名人堂还是科技史，留在历史上的只是一个符号，还有关于这个符号的一系列认知。在读者对银河系产生兴趣并逐步理解它之前，读者的心中就已经存在留存于整个人类社会的关于银河系的文化符号与朴素认知。科普的出发点，是对这些文化符号的梳理与唤醒。

这个启发适用于写作，同样也适用于阅读。

高爽
2019年6月18日 北京

[1] 约翰·巴勒斯（John Burroughs，1837—1921），美国博物学家、散文家，美国环保运动中的重要人物。巴勒斯不只是一位科学博物学者，更是一位有责任心记录自己对大自然独特视角的人文博物学者。国会图书馆“美国记忆”项目中的传记作家将约翰·巴勒斯视作继梭罗之后，美国文学的自然散文领域中最重要的实践者。其代表作《醒来的森林》被誉为自然文学中的经典之作。（本书注释均为编者注）

[2] 杰拉尔德·曼利·霍普金斯（Gerard Manley Hopkins，1844—1889），是一名英国诗人、罗马天主教徒及耶稣会神父，其故后在20世纪的声誉，使他成为最负盛名的维多利亚诗人。

[3] 节选自多丽丝·莱辛（Doris Lessing，1919—2013）的科幻小说《希卡斯塔》（Shikasta）。

[4] 节选自华莱士·史蒂文斯（Wallace Stevens，1879—1955）的诗作《不是关于事物的理念而是事物本身》（Not Ideas about the Thing but the Thing Itself）。

[5] 节选自里尔克的诗作《杜伊诺哀歌》。赖内·马利亚·里尔克（Rainer Maria Rilke，1875—1926），奥地利诗人，与叶芝、艾略特一同被誉为欧洲现代最伟大的三位诗人。代表作有《生活与诗歌》《祈祷书》等。

[6] 西奥多·罗特克（Theodore Roethke，1908—1963），美国著名诗人，曾就读于密歇根大学和哈佛大学，毕业后担任过英语教职。他的诗歌优美抒情，具有浓郁的生活气息和深刻的哲理，对植物和花卉的挚爱反映在他的诗歌创作之中。1954年，他的诗集《苏醒》获普利策诗歌奖。

[7] 节选自罗特克的诗歌《在黑暗的时光里》（In a Dark Time）。

[8] 莪默·伽亚谟（Omar Khayyam，1048—1131），波斯诗人、数学家、天文学家、医学家和哲学家，代表作《鲁拜集》。《鲁拜集》内容多感慨人生如寄、盛衰无常，以绝美的纯诗将人生淡淡的悲哀表达得淋漓尽致。诗作融科学家的观点与诗人的灵感于一体，成为文学艺术上的辉煌杰作。

[9] 节选自西尔维娅·普拉斯（Sylvia Plath，1932—1963）的诗歌《月与紫杉》（The Moon and the Yew Tree）。西尔维娅·普拉斯是继艾米莉·狄金森和伊丽莎白·毕肖普之后最重要的美国女诗人。其诗集《普拉斯诗全集》获1982年普利策奖。

[10] 海因里希·奥伯斯（Heinrich Olbers，1758—1840），德国天文学家、医生及物理学家。

[11] 节选自杰拉尔德·曼利·霍普金斯的诗歌《星夜》（The Starlight Night）。

[12] 由于宇宙膨胀，恒星的距离可以比140亿光年更远，但依然有限。

[13] 节选自西尔维娅·普拉斯的诗歌《我是垂直的》（I Am Vertical）。

[14] 典故出自莎士比亚的经典戏剧《暴风雨》（The Tempest）。

[15] 源自中世纪宗教著作《天阶序论》。

[16] 出于费用攀升、缺乏共识等原因，1993年10月美国众议院投票终止了这一项目。

[17] 节选自莎士比亚的戏剧《特洛伊罗斯与克瑞西达》（Troilus and Cressida）。

[18] 拉尔夫·沃尔多·爱默生（Ralph Waldo Emerson，1803—1882），美国思想家、文学家、诗人。确立美国文化精神的代表人物。代表作《论文集》。爱默生与梭罗是友人关系。

[19] 节选自罗特克的诗歌《在夜晚的空气中》（In Evening Air）。

[20] 小罗伯特·伯纳姆（Robert Burnham Junior，1931—1993），美国天文学家，著有《伯纳姆天体手册》。

[21] 人物出自《圣经·旧约·约伯记》。

[22] 哈罗·沙普利（Harlow Shapley，1885—1972），美国天文学家。曾提出银河系的中心不是太阳系，太阳系其实处在银河系的边缘。

[23] 弗隆，英国长度单位，1弗隆等于1/8英里或201.168米。

[24] 节选自约翰·多恩（John Donne，1572—1631）的诗歌《三重傻瓜》（The Triple Fool），引自《英国玄学诗鼻祖约翰·多恩诗集》，傅浩译。

[25] 瓦西里·康定斯基（Wassily Kandinsky，1866—1944），画家和美术理论家。是现代艺术的伟大人物之一，同时也是现代抽象艺术在理论和实践上的奠基人。

[26] 角秒，又称弧秒，是量度角度的单位。

[27] 节选自威廉·布莱克（William Blake，1757—1827）的诗歌《天堂与地狱的婚姻》（The Marriage of Heaven and Hell）。

[28] 节选自菲利普·锡德尼（ Philip Sidney，1554—1586）的诗歌《月啊，迈着多么悲伤的步伐》（With How Sad Steps,O Moon）。

[29] 弗朗西斯·戈德温（Francis Godwin，1562—1633），英国主教、历史学家。他创作了英语文学史上第一个太空遨游故事《月中人》 （Man in the Moon）。这本书毫无科学性可言，但它激起了那个时代的许多人对太空飞行的兴趣，并且在早期的同类作品中最有影响力。

[30] 盖乌斯·普林尼·塞孔都斯（Gaius Plinius Secundus，公元23或24—79），古罗马百科全书式的作家、博物学者，以《自然史》一书留名后世。其外甥为小普林尼。

[31] 节选自罗伯特·哈斯（Robert Hass，1941—　）的诗歌《春天》（Spring）。罗伯特·哈斯，美国诗人，其诗歌《时间与物质》（Time and Materials）于2008年获得普利策奖。

[32] 节选自华莱士·史蒂文斯的诗歌《纯粹的存在》（Of Mere Being）。

[33] 节选自D.H.劳伦斯（David Herbert Lawrence，1885—1930）的小说《查泰莱夫人的情人》（Lady Chatterley's Lover）。

[34] 引自黄克孙译本，台北启明书局，1956年版。

版权信息

给好奇者的暗黑物理学

Les idées noires de la physique

作者：[法] 罗兰·勒乌克（Vincent Bontems） [法] 文森特·博滕斯（Roland Lehoucq）

译者：张芳

出品方：未读·探索家

出版社：北京联合出版公司

目录
版权信息
前言　物理学中的黑概念

Part 1
A　黑色的夜空
膨胀的宇宙

最古老的光是何时发出的？

我们能看到宇宙视界之外的地方吗？

B　为什么夜空是黑色的
星座的黑色盒子

黑的选择

Part 2
A　黑体
黑体之谜

黑体是真实存在的吗？

最冷的黑体

B　黑体辐射
物体的暗黑性

黑射线

Part 3
A　黑洞
黑洞是什么？

在黑洞视界的边缘
在怪物的肠道中
一个不是那么黑的洞……
宇宙旋涡

B　黑洞引力
宇宙坍缩

忧郁的星体

黑洞的光辉

Part 4
A　暗物质
暗物质的发现

星系中的暗物质
星系团中的暗物质
宇宙幻象
宇宙中的暗物质
原始核聚变
一个新的定律？
暗物质的属性可能是什么？

B　 暗物质的炼金术
一种比黑色更黑暗的黑

苦炼
宇宙的阿尼玛
宏观宇宙和微观宇宙的结合

Part 5
A　 暗能量
令人惊奇的观测结果

解释的过剩

B　 暗能量之谜
黑暗的教训

谁会杀死宇宙？

实体的迷幻

不必失望：并非一切都是黑色的！

结语　黑色的统治

返回总目录

前言　物理学中的黑概念

黑暗，构成了一个世界。

——亨利·米修[1]，《杂乱的无限》（L'Infini turbulent）

物理学中有很多与黑暗相关的概念，比如“黑色的夜空”“黑体”“黑洞”“暗物质”“暗能量”，正是黑暗勾起了我们的求知欲。我们两个，一个物理学家，一个哲学家，之所以会合作，是因为科学概念上的“黑”既有教育意义，又发人深思。为什么物理学家认为需要“黑化”这些概念？这个从普通语言中借用的词是什么意思？它对科学语言的制定是无足重轻且无甚影响，还是其中隐约包含着某种隐喻？总之，物理学中的黑概念会因为它们的“黑”而拥有特殊性吗？对于构想出这些黑概念的人来说，“黑”在我们这个时代的科学文化中又意味着什么呢？

尽管笔者非常欣赏安德烈·弗朗坎[2]的黑色幽默代表作《黑思想》，但是我们的书并不会涉及神经衰弱的物理学家们脑中阴郁的反复思考，而是关于“黑化”一些现象而产生的物理概念及其特殊性的反思。这种“黑化”是否意味着这些概念是相关的呢？但至少有一个值得注意的事实存在，而且应该为它写本书，那就是：这些概念都与过去或者现在的重要科学谜团有联系。几百年来，黑色的夜空让天体物理学家们魂牵梦萦；黑体辐射之谜是量子力学的起源；黑洞理论极具特殊性，在人们发现它的效应之前，天体物理学家就已经为之兴奋；暗物质是解决星系和星系团运动异常的假说；而暗能量则可以解释宇宙加速扩张的原因！关于这些黑概念存在进一步思考，然而这些可能和它们的黑化并没有直接关系。

黑，一定是因为光的完全缺失。但是在物理学中，黑却有特殊的意义。黑体并不一定是黑色的，黑洞也与颜色无关：它只是无法被看到。黑被归类为肉眼无法观察到的物理现象，这个特点因现象而异——天空的黑和暗能量的黑不同，但是观察的难度也会严重影响归类的结果。一个概念被定义为黑并不是偶然的。在科学语言中，形容词“黑”上发生了一个被加斯东·巴什拉[3]称为“语义革命”的变化：它的意思改变了。它的原始含义被提纯了，被重新定义了，这样它就只被用来表达物理学家需要它表征的对象属性了。于是，黑不再是一种颜色，而是成了一个单义的科学术语。

其实，这是科学家努力想要达到的结果。

必须承认，由于某个词语在普通语言中已经具有了含义，因此这样的发源总会留下痕迹，它会默默影响科学的表达方式，也会带给这种表达方式一丝隐喻的意味。就好像物理学家关于黑概念的学说都有一个黑色影像的光圈如影随形。在物理学家做论证时，他必须摆脱这些黑色的影像，才能使自己的理论建立在清晰和鲜明的概念与精细的公式和算法上，可是这并不表示这些黑色的影像不存在，它们必定存在于物理学家无尽的遐想中。因此为了理解这些黑概念，不仅需要分析物理学是如何把“黑”这个形容词的字面意思，做了深刻的变化，还要阐释这个既可以表颜色的形容词，又可以用作科学短语的词汇是如何获得这些含义的。每一个黑概念都对应着一个黑色的图像（或影像），就像是通过语言将影子投射在想象中一样。掌握这些黑概念的物理学家可以不去理会这些黑色的图像，但这恰好证明他必须在这些图像干扰科学思维的时候将它们摆脱掉，或者在被它们激发起好奇心时将它们升华。因为我们无法用这些图像来完成推理，但是也无法将思维和图像完全分离。我们不能将二者混淆，也不能将它们错误地融为一体，于是我们决定在这本书中，既从认识论和历史角度分析这些黑概念的科学含义，同时也探索黑色图像的象征意义。

与此同时，我们会继续加斯东·巴什拉的研究。巴什拉是第一个将认识论分析与心理学分析的一种特殊形式相结合，并使用这种分析方法的人。1938年，他出版了两部既不相同又互为补充的著作：《科学精神的形成》和《火的精神分析》（全书名为《火的客观意识的精神分析》）。在《科学精神的形成》中，他解释了科学精神必须首先克服“认识论障碍”，因为它们会妨碍和阻止科学精神对现象进行精密的思考，这些障碍往往只是普通语言所建立起来的想象。在《火的精神分析》中，他研究了一些与火相关的图像来证明它们之间的关联并不是随机的：它们之间的联系方式虽然与逻辑关系完全不同，却是非常精确的。在这位著名先驱的启发下，我们首先要点明物理学中每一个黑概念的含义，以及与这些概念相应的黑色图像的含义，留待读者来判断这些学术上的含义与隐喻的含义是否不可分割、相互补充或者相互交错。但是，在开始从黑色的夜空到暗能量的旅程之前（我们还会谈到黑体、黑洞和暗物质），我们先试着确定一下物理学中“黑”字在研究者脑中的笼统含义，以及“黑”字在诗人和幻想者的脑中会产生什么样的图像。

* * *

为什么物理学会将一些物质看成黑色的呢？为了回答这个问题，我们首先要知道“看”在物理学中是什么意思。长久以来，物理学家不再通过自己的肉眼感觉来观察现象，而是使用工具：从伽利略的天文望远镜到各种显微镜、分光镜，再到最近的粒子加速器。这些探测仪器可以让我们与一些本来无法感知到的现象进行互动。著名的“观察者”就是一个机器。科研人员会首先介入，做出预测，准备实验并校准探测器，在观察之后，说明结果，纠正自己的假说，并得出必要的结论。可是，在观察期间，技术才是最重要的。为了强调技术干预的重要性，巴什拉创造了一个新词——“现象技术”（《新科学精神》，1934年）。这个混合词是将现象与技术联系在了一起，它意味着，从此以后，“现象”的意思发生了变化。它的传统定义是“主动展现给大家看的东西”，而科学现象不是“主动展示”，它是通过实验建立起来的。亚里士多德是绝不会做实验的，因为这是对大自然的侵犯。19世纪，实证主义者们依然将实验作为检验先验现象的衡量标准，然后试图用数学规律对现象进行描述。在当代科学研究中，“新的现象不是简单地被发现，而是被创造，被一点一点建立起来的。”（《研究》，19页）研究者不是观察“事实”，而是根据理论的数学结构，通过使用高精准的技术来创造“效果”。因此，“看”意味着在物理理论的基础上创造现象技术，而这个现象技术（可能）会使一些新的甚至预想不到的现象显现出来。

乍一看，这样的观察方式只适用于粒子物理学这样的实验科学，而不适用于天文学这样的观测科学，因为在观测科学中，我们无法按照自己的意愿创造现象。然而，现象技术不只应用于粒子加速器，也出现在天文观测台。研究者们通过信号来观察宇宙，这些信号有时很微弱，它们的波长不在可见光谱的范围内，甚至是靠光子以外的其他粒子来传播的。研究者的仪器可以让我们看到肉眼不可见的现象。基于抽象的假设和复杂的运算，天文学家制造出一些高端的仪器来搜集隐藏于其他波长中的信息。“看”的含义始终是“与现象进行互动，对这个互动进行测量并从中获得与现象相关的信息”。第一个信息的传播媒介是光，科学家自然而然地在他们的非正式语言中保留了和视觉相关的词汇。然而大部分的时间里，被研究的现象不是与光、声波或中微子相互作用，而是与其他频次的电磁波相互作用。即使光不再参与互动，现象技术也必须能够接收和计量与被观测的系统互动时所产生的信息。

现在，我们已经确定了“看”对于一个物理学家意味着什么，那么我们就能毫不费力地猜出他赋予“黑”的含义：基本上，就是他看不到或者看不清的东西。在物理学中，黑代表抵抗探测的物质，不会和电磁波相互影响的物质，或者该物质与电磁波以某种方式发生互动，而以我们目前拥有的现象技术无法接收到相关信息。黑色天空的谜团已经用它自己的方式提出了疑问：恒星的光本应该从各个方向到达我们的眼中，可我们为什么却感知不到呢？黑体将所有的电磁波吸收却不发出任何反射；黑洞是一个实心的天体，这所有人都知道，它使光线无法逃脱引力的影响（物质自然也一样）；暗物质是一个关于物体质量与光线不会相互影响的假设；最后，暗能量可能是最晦涩的概念：它不仅无法被观察到，而且还可能是对抗万有引力的一个力量来源。

所有这些黑概念，虽然混杂，但从概念层面讲，总和“黑”或“暗”有一些关联：它们被应用在物理学家无法看到的现象上。在这本图文结合的书中，我们要强调指出的是，这些黑概念生发出了一些问题，而这些问题是我们正在试图了解或者还无法弄清楚的。它们的情况难以阐明：这究竟是事实，还是暂时无法证实的理论可能，抑或只是空想？

* * *

除了关于黑概念的认识论分析，我们还将使用“黑暗的精神分析法”。在《火的精神分析》一书中，巴什拉发明了一种新型的、独特的精神分析法。这种方法不是要记录一个静止地搁在沙发上的火焰的秘密，而是要统计火的形象和象征，因为自远古以来，火激发了人类无穷的想象，火的破坏性也阻碍了人类的认知。巴什拉的精神分析法旨在荡涤束缚科学精神的形象。因为火的古老形象并不是客观的。这些形象阻碍了人类对燃烧现象的理解。为了摆脱束缚，科学精神始终需要对抗自身的自然倾向，比如它会把一种物质归于热量，再将热量理解为一种微妙的气体。巴什拉希望将我们的精神从这些给我们造成混乱的形象中解放出来。在这里我们强调，巴什拉的这个计划是有悖传统的，而它很快就会被一些更加精妙、更加形象的分析所取代。因为，这位来自奥布河畔巴尔地区的哲学家最终会被自己所研究的隐喻的魅力深深吸引。他乐此不疲地详尽地描述火焰的形象，宣称要把我们从火奇怪的“复杂”中解放出来。

我们也想本着这样的精神做研究，尽可能使黑色形象的学术特征（目的是让每一个遐想都明确意识到想象对理念的扭曲，即使这想象因理念而生）和自由联想的荒谬特点（目的是让遐想保有自发性。遐想不是理念的仿制品，而是我们的文化共鸣的结果）两者之间达成平衡。

尽管如此，人们可能会考虑“黑”是否契合这个研究。在巴什拉看来，火因其在人类进化中扮演着至关重要的角色，是集体想象中至关重要的元素。那对于“黑”来说，情况相同吗？巴什拉还写过其他一些关于火的诗集，以及关于水、空气、土的作品。他以此证实了一个观点，那就是只有用于炼金术的四种元素（空气、水、火、土）是构成集体想象的最重要物质。然而仔细想来，这个论点是武断的。如果火的形象是从人类能够使用火的那一刻开始根植于集体想象中的，那么在此之前，夜晚的黑暗笼罩了我们那么久，我们又该如何描述这个更加古老、更加强大的形象呢？

巴什拉在他的《水与梦：论物质的想象》中研究了“黑水”的形象，他自己也做出了这样的思考：如果黑水的形象是融合了水和夜晚的形象，那么岂不是应该承认夜晚和水一样，是原始而深刻的想象实体吗？

当我们要对水与夜的结合发表一些见解时，似乎与我们关于物质想象的总的观点相违背……然而，物质的遐想是如此自然，如此不可抗拒，以至于想象通常会接受这个梦幻，这个出现在积极的夜晚、深邃的夜晚、潜进的夜晚、进入各种事物中去的夜晚的梦幻。此时，夜不再是一位蒙着黑纱的女神，也不再是帷幕，遮挡着大地和大海；夜是夜晚，夜是一种实体，夜是夜间的物质。物质的想象控制着夜。正如水是最适合用来混合的实体，夜会深入水里，使湖底失去光泽，会浸润池塘。有时，夜的渗透是如此深入，如此隐秘，以至于在想象中，池塘在白昼依然保留了一点夜间物质，一点实体性的黑暗。（《水与梦》， 137页）

我们接受这个假设：所有的黑色形象都拥有它们各自的特殊性，这个特殊性源自黑概念在想象中的转换，但是这些黑色形象都具有同一个想象元素的性质，即我们称之为“黑暗”的夜晚物质。

由于巴什拉感受到了黑暗元素的丰富和强大，他甚至创立了一个系统研究黑色形象的项目：“如果我们能将所有的黑色形象集中并分类，我们想象可以整理出很好的文学素材……”（《土地与对静息的遐想》，1948年，90页）。他虽然没有完全考虑过将物理学里的黑概念当作遐想的动机，可却注意到了和这些概念相符合的众多黑色形象的特殊性：布满星星的夜空的透明的黑，身体内部的黑，旋涡令人眩晕的黑，炼金术士在黑暗中完成的作品所包含的可变的黑，黑暗中隐藏的神秘的黑。他的这些直觉先于我们的研究，我们发现，在我们始于物理学的遐想和他始于文学素材的遐想之间存在着共鸣。当然，我们不会仅仅局限在这种共鸣中，我们将探索我们的文化带来的所有相关启示。

Part 1

A　黑色的夜空

夜晚，只是对于我们是夜晚，

因为我们的眼睛是黑暗的。

——勒内·巴雅维尔[4]，《月下的哥伦布》（Colomb de la lune）

远离大城市和它的灯光污染，夜晚的天空呈现出深邃的黑色，星星点缀其中。没有人会认为这种说法奇怪：夜晚是黑色的，因为太阳落山了。白天万里无云的天空呈现出蓝色，它的光完全淹没了恒星微弱的光；而到了晚上，地球的大气层便不再呈现这种蓝色。直到发现夜空是黑色的，天文学家约翰尼斯·开普勒（1571—1630）才第一次认识到宇宙学的意义。开普勒支持哥白尼的日心说，和哥白尼一样，他认为宇宙包含了一定数量的恒星。英国天文学家托马斯·迪格斯（1546—1595）也支持哥白尼的理论，但他认为宇宙是无限的，并且恒星是均匀地分布在宇宙中的。开普勒反对这个假设，他说如果是这样，那么亘古以来，宇宙会出现无数颗恒星发射的光芒：我们看到的天空底色应该是无比明亮的！但事实是，我们看到的并非这样，说明宇宙是有限的。

18世纪，英国天文学家埃德蒙·哈雷（1656—1742）和瑞士天文学家让-菲利浦·路易斯·德·舍索（1718—1751）的研究使用了一种更为定量的方式来解决这个问题。1720年，哈雷在假设宇宙是无限的并且恒星在宇宙中均匀分布的前提下，计算了这个无限宇宙中所有恒星发出的亮度。为了完成这个计算，他以观察者的位置为圆点，将空间切割成一系列厚度相同的同心圆。他的计算方法是确定每一个同心圆中恒星呈现的亮度，然后将这些亮度相加得出从地球观察到的亮度的总和。如果我们假设每颗恒星的亮度都相同，那么一个圆的亮度就应该是每颗恒星的亮度乘以圆内恒星的数量。如果恒星是均匀分布在宇宙中的，那么圆中恒星的数量会随着这个圆容积的扩大而增多，圆的容积等于半径的平方乘以固定的圆环厚度。而恒星的亮度会因为它距离的遥远而变得微弱，更确切地说，一颗恒星的亮度会随着这个圆半径平方的增大而减弱。因此，恒星亮度与恒星数量的乘积并不受距离影响：当距离变远，恒星的亮度会减弱，但正是因为距离变远，圆的半径会变大，其中包含的恒星数量也会增加。因此，所有的圆以相同的方式给地球提供光亮，这些光亮的总和是无限的。这就是开普勒天才预设的准确结论。

图1.将宇宙切割成相同厚度的同心圆。每一个圆中恒星的数量会随着圆半径的扩大而增长，尽管随着圆半径的增大恒星的亮度会减弱，但是每一个同心圆发出的总亮度是相同的。如果宇宙是无限的，且恒星均匀地分布其中，那么我们头上穹顶的亮度就是无限的。

为了避免这种致盲的亮度，哈雷认为，在真空状态下，恒星呈现出的亮度与它和地球的距离的平方成反比，因此亮度减弱得更快。随着距离的增大，恒星亮度的衰减更大，哈雷得出的这一结论与观察到的结果相符，同时也保留了无限宇宙的猜想。1743年，路易斯·德·舍索通过假想一个由不透明介质构成的宇宙，从物理学的角度解释了这一结论。我们之所以无法看到距离遥远的恒星的光，是因为我们与它之间隔着不透明介质构成的空间，而光被这个介质吸收了。但是一个世纪之后，英国天文学家约翰·赫歇尔（1792—1871）驳斥了这个论点：星际间的介质吸收了恒星的光，就一定会升温，那么这个介质就会发亮。赫歇尔指出，星际间介质的不透明性如此之弱，以至于天空的背景应该和恒星表面，比如太阳，一样明亮。在这个推理的最后，无限光亮的假想被推翻了，但是在无限宇宙的框架下，夜晚的真实存在依然构成明显的理论矛盾。

1823年，德国医学家、天文学家海因里·奥伯斯（1758—1840）也开始关注夜晚天空的亮度问题。他使用不同的论据，得到了和路易斯·德·舍索相同的结论。在一篇题为“宇宙空间的透明性”的文章中，他写道：“假设在无限宇宙中确实有不止一个太阳存在，并且它们之间的距离几乎相同，或者分布在不同的星系当中，它们的总和是无限的，那么整个天空就应该和太阳一样明亮。设想我们的视线是一条直线，那么从我们的眼睛出发的每一条线都必然会与任何一颗固定的恒星相遇，因此天空中的每一个点都会带给我们恒星的光，也就是太阳的光。”在推理中，奥伯斯强调了一个事实：近地恒星可能会遮住距离遥远的恒星。因此，并不是无数的恒星为夜晚的天空带来光亮，而只是最靠近我们视线的那些。因此，夜空背景的亮度也不是无限的，而是和一颗恒星表面的亮度相同。虽然宇宙是无限的，奥伯斯的论点表明了可见度极限的存在：在这个天际线之上，我们接收不到任何光亮，因为遥远的光源被近地光源遮住了。我们可以和一个在森林里散步的人做类比，森林里的树木也差不多是均匀分布的：无论这个散步的人看向哪个方向，他的视线必然会被树干挡住，无法穿过整片森林。奥伯斯并没有量化这个“障碍物”的距离，即那颗遮挡住我们视线的星球的距离，但是我们可以再次通过将宇宙切分为厚度相同的同心圆的方式，来简单地估算这个距离。我们的视线会接触到一个属于某同心圆的恒星，这个概率等同于这颗恒星的几何截面（圆面面积）与它所属的同心圆的面积之间的比例。考虑到一个同心圆包含的恒星数量，每单位长度的概率等于恒星密度（每单位体积的恒星数量）乘以几何截面的乘积。这个概率的倒数就是我们的视线可以看到的恒星与我们相隔的典型距离。假设恒星的体积和太阳相同，并且它们在空间中分布的密度与可观测到的宇宙中可测物质的平均密度相同。那么这个距离极限大约就是1022光年，虽然很大，但不是无限。最后，宇宙是不是无限的就不重要了，如果它比视线的极限更大，那么天空应该和一颗恒星的表面一样明亮。

这个解法从何而来？令人意外的是，它从诗歌而来！在下一章，文森特将唤起关于夜空的诗意遐想，而在此之前，必须要提到埃德加·爱伦·坡（1809—1849）的作品。1848年，他发表了《尤里卡》，里边有一首讲述他关于宇宙思考的长篇散文诗《关于物质和精神世界的随笔》，在这首诗中，爱伦·坡引用奥伯斯的论点来谈黑色的天空的问题：“如果恒星是连续的无限的，那么天空的背景将会呈现给我们一个不变的明亮，如银河倾泻一般的光亮，只因在这个背景中，没有任何一个点是恒星照耀不到的。”（《尤里卡》，第11章，170—171页）随即，爱伦·坡又给出了结论：“因此，在这种情况下，唯一可以解释我们用望远镜从不同方向只观测到空白的就是，假设这个看不见的背景距离我们异常遥远，以至于那里的光线无法到达我们的眼中。”已知光的传播速度是有限的，确认遥远天体的光亮无法到达我们的视线就是假设它们并不一定是存在的。因此，或许应该将无限的、从任何方向都能看到恒星的宇宙与聚集了光线可以被我们看到、观察到恒星的宇宙区分开来。如果恒星的寿命非常有限，那么布满夜空的发光星体永远无法形成。

在1861年出版的一本书中，德国天文学家约翰·冯·马德勒将爱伦·坡的天才预测形式化了。首先，他重新提及光速的有限性，这是丹麦天文学家奥勒·罗默于1676年在巴黎天文台通过观察木星的卫星运动得出的结论。其次，他认为宇宙的年龄是有限的，就此可得出结论：我们无法看到所有的恒星，只能看到那些与我们的距离低于光在宇宙年龄增长的时间内运动的距离。在那里，会出现一条天际线，天际线以外产生的光都是我们无法看到的。1901年，开尔文勋爵（1824—1907）通过研究恒星发亮的物理学原因估算出了恒星的寿命，从而完成了这一论证。他认为，恒星并不是永恒存在的，也不能永久发光，因为它的能量源是有限的。例如，太阳的唯一能量来源是在自身引力影响下的聚合反应，于是他可以确定跟太阳类似的恒星的寿命：太阳的寿命约是3000万年。但问题是：以查尔斯·达尔文（1809—1882）为代表的地质学家和博物学家测算出地球的寿命要远大于太阳的寿命，这就是一个非常明显的矛盾。为了让太阳能够持续发光，法国物理学家让·佩兰（1870—1942）和英国物理学家亚瑟·爱丁顿（1882—1944）在20世纪20年代初提出了恒星的能量来自原子核的理论。几年之后，德国物理学家汉斯·贝特（1905—2005）发展了这一理论，他描述了在太阳中心发生的热核聚变反应，因为只有太阳中心这一地区的温度和密度足以使反应发生。一颗与太阳体积相同的恒星，其核能量储备足以使它发光近100亿年（体积比太阳大的恒星的寿命比太阳短，因为它的亮度更高，其消耗核能的速度和它的体积的立方成正比）。我们无法看到距离我们超过100亿光年的恒星，因为它们的光还没有传播到我们这里，这就使我们可以看到的恒星数量明显减少。如开尔文勋爵指出的：“如果广袤宇宙中所有的恒星同时发光……能够到达地球的光亮也只能是所有恒星光线中非常微小的一部分。”这就可以解决黑暗夜空的问题了吗？是的！原因是，如果我们假设恒星均匀地分布在宇宙中，所有同心圆可以带给夜晚的天空同样的亮度，当观察半径为100亿（10^10）光年时，奥伯斯通过因式10^22/10^10=10^12计算出的天空的亮度，使得天空由明亮耀眼变成了美丽的黑色。在这一阶段，天空是黑色的，因为我们只能看到离我们足够近的恒星，它们的光传播到我们眼中花费的时间短于它们的寿命。也就是说，由于光速的极限和恒星有限的寿命这两个相互结合的因素，才使我们只能看到无限宇宙的一小部分。一条天际线阻隔了我们对宇宙光线的感知。

膨胀的宇宙

古典物理学的无限和静止宇宙是提出黑色夜空问题的宇宙论前提，这个解释在这个前提下是有效的。但是当今宇宙学模型的背景是膨胀的相对宇宙，在这个框架中，我们的解释依然成立吗？宇宙扩张的第一效应就是会弱化遥远星系的恒星散发的光，实际上就是减少了可直接使用的光源。还要考虑到另一个现象：宇宙的膨胀使来自遥远星系的光线变得发红——这是第二个效应，它是由于光波在膨胀的空间中传播发生扩张导致的。然而，在接收的光子数量相同的情况下，一个天体发出的光线越红，它就显得越昏暗。如果遥远的星系与我们相对静止，那么它们的亮度就相对显得更低。由此得出，距离我们越远的天体，它们的亮度就下降得越快。正因如此，最遥远的星系是很难被观测到的：即便使用最巨大的天文望远镜，对红外光非常敏感的探测器，也需要很长的观察时间来捕捉它们微弱的光。

最后，在目前的宇宙学领域，需要将两个效应结合起来才能解释为什么夜空是黑色的。首先，恒星和聚集了恒星的星系的寿命是有限的，这就限制了宇宙中被发射的光子数量。其次，宇宙的膨胀降低了光子的密度，颜色变红减少了每一个光子的能量。详尽的计算表明，在这两个因素中，第一个因素占主导地位，相对于静态宇宙，宇宙的膨胀最多可以使天空背景的密度降低四分之一。然而值得注意的是，在目前的宇宙学模型背景下，膨胀是加速的，最终星系逃离我们的速度比它们的光传播到我们眼中的速度要快。它们会逐渐离开我们可以观察到的宇宙，然后被我们遗忘。

最古老的光是何时发出的？

黑色夜空的问题让我们开始思考“宇宙视界”的概念。夜晚的天空之所以没有太阳的表面那样明亮，主要是因为宇宙中星体的生命周期有限，我们只能看到其中的极小部分。同样，光速也是有限的，超过宇宙视界这个边界，将不会有任何光传到我们眼中。我们估计，迄今为止可以被观察到的最古老的星系的光，早在太阳和地球形成之前就已经出现了（地球的形成是在45.6亿年前）：它的光偏红的程度说明，它是在132亿年前发出的。

恒星和星系不是宇宙中唯一的光源。如果现在的宇宙是膨胀之后的结构，那么在它的初始阶段，它曾经非常炎热，密度很大，是质子、电子和光子的混合体。光是和物质紧密相关的，自由电子不断发出光，光就会不断地改变方向。一切就像发生在雾中，雾中的水滴会使光线漫射并阻碍光的传播。像在膨胀的气体中一样，宇宙的膨胀会冷却和稀释它包含的物质。在一定的温度下，电子和质子的运动会变得非常微弱，它们相互结合形成了第一批中性氢原子。这个变化彻底改变了宇宙的境况，因为伴随着自由电子的消失，光失去了阻碍，可以自由地以直线形式传播。雾散了，宇宙变得透明起来。

黑夜佯谬具有特殊的重要性，因为光在氢原子形成的时候得到了释放，现在它依然照耀着宇宙。光在一个接近恒星温度的情况下发射出来，为什么我们不能在天空的任何角落都看到它呢？原因非常简单，就是这个原始的光（最初就是可见的光）由于宇宙的膨胀，它的波长增长了。现在它以肉眼看不到的微波形式被人类探测到，这些原始光子的平均能量是可见光能量的千分之一，它们的光通量也比恒星的光通量要弱几千亿倍。这个“化石光线”可以让我们看到宇宙最原始的景象。它似乎是从一个可见的宇宙的边界发出的，一个时空的区域，超出这个区域，任何光线都不能到达我们眼中，因为在此之前物质是黑暗的。我们依然无法了解更加古老的时代，因为有宇宙视界的存在，而根据最近的估计，宇宙视界的光花了近138亿年的时间才传到地球。

我们能看到宇宙视界之外的地方吗？

既然宇宙视界是由光第一次在宇宙中自由传播的时间限定的，那么我们提出是否能看到宇宙视界之外的地方这个问题似乎自相矛盾了。然而，这还是有可能的。为了做到这一点，我们要丰富我们的研究方法，不仅是对光的研究，还要把注意力集中在最容易消失的粒子和中微子上。要了解化石光线的来源，就要追溯到温度高达几千摄氏度的时代。让我们继续这段在远古的旅程，想象一个温度超过100亿摄氏度的宇宙：在这些极端条件下，任何原子结构或者原子核结构都无法存在。宇宙流体是一个由质子和中子构成的混合物，它包含了大量的电子、正电子、中微子、反中微子和光子。其中中子是很特殊的，它是一个不稳定的粒子，在不到一刻钟的时间里，它就可以通过释放电子和反中微子变成质子。中子之所以不会快速消失，是因为质子在高温中可以发生反向变化，它可以通过吸收反中微子或者电子再变成中子。于是中子和质子的数量达成了平衡。

由于宇宙的膨胀，温度下降了。这个温度不足以维持中子和质子之间的平衡，因为中微子不再和物质产生相互作用：它们开始在等离子区中自由传播，等离子区对于中微子来说变得透明。这个情况和光子遇到的情况完全一样，温度下降到一定程度，氢原子产生，光子自由传播。于是中微子能量分布的形式固定了，它们的温度也随着宇宙的膨胀而下降。一种更为古老的中微子的“化石光线”存在下来，估算其温度为1.95开尔文，它见证了宇宙中充满阻光物质时的环境，也就是位于我们之前确定的光线视界之外的时候。

那么，我们可能观察到这些宇宙中微子吗？很遗憾，答案是否定的，因为它们的能量十分微弱，与宇宙微波背景中的光子能量差不多，而且中微子几乎不与物质发生作用：太阳中心核反应释放出了中微子，需要一个超过1光年厚度的铅板才能阻止它们运动，而太阳中微子的能量是宇宙中微子能量的100亿倍。如果在探测中微子方面没有重大进展，我们就没有机会穿透宇宙视界的屏障。如果没有更好的解决方法，我们只能在脑海中让原始宇宙变得透明。

B　为什么夜空是黑色的

我们用蜡烛点亮世界，

一切显得遥远而阴影重重。

——皮埃尔·勒韦迪[5]，《星空》（Ciel étoilé）

在我们将要研究的所有黑之中，夜空的黑看上去是最不奇怪的。当我的朋友罗兰提到夜空的“黑”时，这个形容词的含义在他的笔下似乎没有经历科学语言的语义变形，所有人马上就能明白它的意思。乍一看，这个黑是普通的。当天文学家思考“天空为什么是黑色的”这个问题时，他参照的是关于夜空思考的普遍体验。

但不得不说，这个黑仍然很特殊。它拥有一段完整的历史，并且毫无疑问，它出现在哲学家、诗人和学者的语言中，这赋予它一个确切却自相矛盾的含义。天文学家不会思考为什么豹子和油橄榄是黑色的，这个黑也不是乌鸦羽毛的颜色，也非来自乌木、煤炭或者黑烟。它和导致黑潮的黑色无关，也和“险恶用心”这个短语中包含的关于“黑”的隐喻无关[6]。长久以来，关于天空的沉思将“黑”从这些普通的所指实物中提炼出来。黑并不是从地球发出，笼罩在某一个物体上的色调，而是缺少恒星光照的标记。因此，这里说到的黑只指天空的背景以及巨大的宇宙空间。准确地说，它指的是恒星的光线可以穿越的黑暗。因此，天文学家看到的黑是清晰透明的。黑本身是星际真空的一部分，而它却自相矛盾地证明了宇宙空间透明性的存在，因为这个透明使得恒星的光线可以穿越遥远的距离到达地球。

黑通常具有模棱两可的意味，因此它常被用在隐喻当中，而这个透明的黑是清楚而确定的，它同样具备情感上的共鸣。星空的形象——繁星点点的夜晚——是一个无穷大的形象，是诗人无穷无尽的隐喻，是一个引发所有人遐想的景象。

黑色的透明性：半透明介质

天空的黑色是一个自相矛盾的色彩：它既代表颜色的缺失，也代表可以让光线通过的透明性。远古时代，哲学家们就已经认识到这种模糊的透明的特殊性。亚里士多德（公元前384—前322）首先将它命名为“半透明介质”。

亚里士多德在他的作品《论灵魂》中，就视觉这个主题给出了解释，视觉首先是对色彩的感知，而色彩的传播需要依靠一个可以被染色的介质：半透明介质。在这一过程中，半透明介质变得明亮，并且可以传播色彩：“通过半透明物质，加上一个外来色彩的出现，我看到了原本看不到的东西。”（《论灵魂》第二卷，7页）于是我们认为半透明介质是看不到的，事实上，亚里士多德列举了空气和水这样的透明流体的例子。我们感兴趣的点是，他还指出只有被光线激活的半透明介质，被他称为现行的半透明介质，才是透明的（并且会吸收穿过的光线的色彩），而那些潜在的半透明介质，没有色彩出现的，始终是黑暗的：“只是处于潜在状态的半透明介质依然是黑暗的。” （《论灵魂》第二卷，7页）然而，这种关于潜在半透明介质的黑暗性的说法一定源于对夜空的观察，因为亚里士多德也明确指出：“由于火或某种类似火的物质对地球轨道以外的物体产生作用，半透明介质处于完成状态（也就是说它将自己的力量现实化了），可以说，光线就是半透明介质的颜色。”“地球轨道以外的物体”指的就是天体。这就意味着，夜空的黑暗是潜在的半透明介质导致的。黑色的天空是透明的，因为恒星的光可以穿过它。亚里士多德没有将这个黑色与地球物质的黑色混为一谈。我们可以把问题“为什么天空是黑色的”解读为“为什么夜空的半透明性只能是潜在的”，尽管如此，如亚里士多德学派的信徒所说，我们只能冒着不被理解的危险才能获得这样的精确，因为我们讨论的“半透明介质”这个词在现在的语言中，只有形容词“半透明的”这一种意思。

彩色的夜空

那么，为什么夜空是黑色的？诗人可能会告诉你，夜空在过去并不是黑色的，它曾经是蓝色的。中世纪装饰宗教书籍和文稿的彩图证明了这一点，画家们依然保留着关于“蓝色夜空”的记忆，直到文艺复兴时期，夜空才变成了黑色：“实际上，图像中的夜空通常是蓝色，而不是黑色。中世纪宗教书稿中的彩图和绘画已经说明了这一情况。”（米歇尔·巴斯图罗，《当代色彩辞典》，1992年，135页）事实上，在黑色独自占领夜空之前，黑色与蓝色有一段很长的共存历史。诗人们依然记得：“我们的头顶上是天空，在它美丽的蓝黑色彩上，点缀着点点繁星。”（查理·费尔迪南·雷默兹、艾美·巴驰，《来自沃州的画家》，1911年，289页）

夜空的模糊色彩和半透明介质一样古老而清晰。从诗歌的角度看，夜空是蓝黑色的，是因为古人只用了一个形容词来描写天空中这两种颜色混合的色调。古希腊人称之为“kuanos”，拉丁人将它翻译为“caeruleus”（天空的颜色），法语中有了“céruléen”这个词，就是“天蓝色”的意思。因此这个首先用来形容夜空的颜色就此产生，最终半透明介质也失去了最初的黑暗，成为表达白天天空的颜色。然而，关于夜空颜色的讨论并没有结束。艺术家们深知这一点，并在他们的诗歌或绘画中赋予它颜色。阿瑟·兰波[7]在他美妙的诗歌《醉舟》中赞叹他并未见过的北极光：“我梦见过绿色的夜空，在炫目的白雪中。”之后他又在《彩图集》中描写“十个月的红夜”，很可能参照的就是当太阳永不升起，在天际线出现了恒久的光芒时，从极圈外看到的天空发红的色彩。在夜晚的深处，所有的颜色都可能喷薄而出。

在当代画家中，我最欣赏的是热尔曼·卡米纳德（1973—　），尤其是他的《572星系》，在这部作品中，原始的黑暗中出现了彩色的星云，这些星云交织在一起。面对他的巨幅画作，我们的视线感受到了趋向无限大的相位差：他的画将我们的感觉扩展到了天际。奇怪的力量在气云中发挥着作用，而恒星就在气云中杂乱地产生。通过色彩的层叠和交织，星体之间产生了无法测量的关系，它展现在观察者的眼前，宇宙的狂热景象让观察者目眩。凝视着这些色彩，我仿佛看到了世界的起源，天文望远镜让我们看到了带着“假色彩”的宇宙，看着望远镜里的画面，我惊得目瞪口呆（这些画面是由肉眼无法看到的光线组成的，我们会赋予这些画面一些色彩）。

和天文物理学家一样，卡米纳德用自己想象的工具，在超越普通光谱的频率上探测现实。这些被重新发现的色彩数量巨大，它们在极度黑暗的背景上显得格外突出，其拥有的强大魔力几乎到了可怕的程度……宇宙中一股狂热的力量猛烈地迸发出来，超出了我们承受的基准。银河幕布的美丽激烈地流淌，在超现实主义者眼中，这美丽抽动着；而在古典主义者眼中，这美丽是宁静的、悬置的，它强大的力量将我们个人命运中虚幻的躁动化为乌有。“让我们暂时或者永远忘记自我吧，享受真实的光辉”，这是急速增多的星体传递给我们的消息。

图2.《572星系》，热尔曼·卡米纳德，2011年。2×130×130cm，油画，私人收藏。

星座的黑色盒子

天空的黑暗体现了宇宙无法估算的维度，它让我们感受到地球和恒星之间遥远的距离。这个黑色是夜晚高空的颜色，是宇宙背景的半透明色，而不是覆盖在景象上，让人在道路转弯处摔倒的黑暗。当黑色从天空脱落，它便不再那么纯粹，它最终会减弱，被半明半暗的色彩代替，甚至连空中的云也变得非常厚，云层沉沉，密不透光，无法屈从于天空的黑暗。它们使这黑暗模糊不清，使天文学家无法观察到恒星，使完美的黑色蜕变为简单的暗淡：

一阵风从漆黑的天空降临，像是在原始的混乱中，用一种不为人知、无法名状的材料制作的稠密厚重物搅动起悲哀的波浪，最终露出梦魇般的沉重灰色云层，在整个风景区上方飘浮着。（朱利安·格拉克，《阿尔戈古堡》，1938年，146页）

说到底，只有辽阔的海洋能够汇集夜晚很大一部分的黑暗，而不将这黑暗表现出来。孤独的水手在大海上可以看到反射在海浪上的星座随波荡漾，而这始终是真实光线的反射。

巴什拉在他的著作《空气与梦幻》中，书写了关于星座的诗。他在诗中解释道，只有幻想可以赋予星座生命，因为古代的天文学家将这些发光的点连在一起，勾勒出一些神话人物的轮廓，而事实上，这些发光的点没有任何关联：

在蔚蓝的夜晚这个巨幅图画上，数学家用他们的遐想描绘出图样。星座都是假的，都是美妙的错误！星座将这些完全互不相干的星体连接在同一个图像中。在这些真实的点之间，这些如同孤独的钻石一般的星体之间，关于星座的遐想画出了想象的线条。（巴什拉，《空气与梦幻》，202页）

在恒星和更为遥远的星系之间没有真实的联系。需要多情的遐想才能将空间弥合，让星座穿过无边的黑暗描绘在夜空中。巴什拉想象了一个浪漫的场景来描绘它——一个牧羊人和他的伴侣一起欣赏着夜晚的奇观：

年轻的牧羊人啊，你在梦中用手轻抚的白羊，就在天上呢，它正在无边的夜晚里轻轻地转着！你明天能再看到它吗？把它指给你的女伴看看。你们两个开始画吧，这样就可以认出它，熟悉它。你们两个要相互证明你们看到的是相同的画面，有着相同的向往，你们在同一个夜晚，同样的夜的寂静中，看到了同样的幽灵经过。当梦与梦结合时，生活将变得如此丰富。 （巴什拉，《空气与梦幻》，203页）

然而夜晚的画面，与所有伟大的画面一样，都可能被颠覆。黑色是多情梦想的庇护者，但也是深度焦虑的埋伏者。黑色的夜晚是双重性的，它可以转换成自己的对立面，它既残忍又温柔，时而危险又时而欢快，它可以是闪光梦境的温柔的孕育者，也可以是难以名状的阴森噩梦的制造者。

黑的选择

这个双重性首先关系到梦想的夜晚。为了欣赏真实夜晚的黑，发现它准确的明暗变化，需要在晴朗的天气下，远离城市，抬眼望向这深不可测的天空，这骇人的夜晚，让自己随着它慢慢飘移。有一个著名的佯谬：为了感受黑色的夜晚，需要度过一个不眠之夜，不睡觉，一边凝视天空，一边思考。虽然黑无法从实体上获得无穷的结构，但是它既非中性，也不贫瘠，它无法被我们全然认知。夜晚不可避免地提醒我们意识到个人生命的微不足道。它的黑暗可怕而强烈，如同“缺失”一般。

这个可怕的黑暗侵袭着我们，有时像布莱兹·帕斯卡[8]一样带给我们恐惧，很明显，这是光的缺失，也是爱的缺失。夜晚的天空充满了孤独。没有月亮的夜晚，孤独的重量变得不可承受。在漆黑的夜里，孤独成为绝对，黑暗让人窒息，每一颗恒星都被孤立。它们不计其数，却也成为枉然，它们都是孤独的。面对漆黑的夜晚，就像是面对死亡的画面，体会失去亲人的悲伤。很多诗人将夜晚的黑暗与寂静、寒冷、空虚和其他关于缺失的隐喻做类比。维克多·雨果（1802—1885）描写过对无尽黑夜的极度不安：“他们在哪儿，那些沉没在黑夜里的水手？”（维克多·雨果，《诺克斯海》，1836年）反之，如果月亮在，守护着我们的梦，黑暗会将我们带入一种相较明媚的忧伤中，仿佛它只是一个梦想的盒子，而夜晚是柔和的梦编织成的布。月光是微弱的太阳反射光，它改变了黑暗，而恒星的光却让这黑暗更加强烈。

最终，夜空的黑暗稍微缓和了一些：银河的薄纱横贯苍穹。埃拉托斯特尼[9]说，赫尔墨斯让赫拉克勒斯吮吸赫拉的乳房，这样赫拉克勒斯就可以不死不灭，但是，当赫拉女神发觉后，她拒绝了赫拉克勒斯这个宙斯的私生子，剩余的乳汁从她的嘴里流了出来。后来，其他的神话里讲到，最后赫拉和赫拉克勒斯和解了，赫拉也接受了他。对于天文学家来说，这个乳白色的圆圈勾勒出银河的地图；对于博学的诗人来说，它构成的是一个承诺：具有母性温柔的女神没有完全背弃对无尽的黑暗空间的承诺。

最后，正在思考的人感受到，有一类懦夫在逃避着彻底的黑暗。如雨果所写：“不思考的人生活在盲目中。思考的人活在黑暗里。我们只有黑的选择。”（《威廉·莎士比亚》，第五卷）从某种意义上来说，夜晚必须是黑色的。只有这样，才能在黑暗的最深处安放焦虑或恐惧、平静和冥想，从而忘记每天的烦恼。我们几乎可以从中预言一种道德的必要性。当我们置身黑暗，夜晚让我们不好的一面展现出来，它将我们交付给此刻，让每个人意识到自己是孤独的，让每个人判断自己的行为，发现自己存在的意义：伊曼努尔·康德（1724—1804）在他的《实践理性批判》（1788）中写道：“有两件事让我充满了赞赏和敬佩之情：我头顶的星空和我心中的道德规则。”《实践理性批判》这本书是道德哲学著作的里程碑之一。黑色的天空提醒着我们死亡的不可抗性，它告诉我们如何让生命像恒星一样发光，就是通过自由赋予我们脆弱的生命以意义。如果夜晚没有那么黑暗，我们就失去了一种充满魅力的、深刻的、情感上无法估量的美学体验，也失去了一种基本的存在感。

对于“夜空为什么是黑色的”这个问题，哲学家以一种目的论的方式来回答：“天空是黑色的，是为了让我们看到星星。”这个回答让天文物理学家感到可笑，只能说这样的答案是目的论，属于道德领域。即使黑色的天空让人不安，这种不安也是从属于自我意识的，是一种自由，当世界上所有事情变得不可控甚至让人绝望时，这种关于自由的确定，是我们即使独自面对黑暗也能感受到的极大安慰。这让我们想到一位伟大的思想家在被刺杀之前不久所说过的话：

这个国家病了。暴力摧毁着我们的土地，到处都是混乱，人们陷入困惑。可我确定地知道，只有在漆黑的夜晚，我们才能看到星辰。（马丁· 路德·金，《我已达至峰顶》，1968年）

Part 2

A　黑体

看到外面一片漆黑，我们大可不必成为一道光。

——菲利普·葛洛克[10]，《猫的未来》（L'avenir du Chat）

19世纪末，英国物理学家威廉·汤姆森，也就是著名的开尔文勋爵，认为物理学不会再有什么新发现了，只有两片云遮挡着物理学的天空，其中一朵涉及热物质发出光线的光谱问题。学者们完成了这一现象的数学模式，与低频光的实验曲线合理地一致，接近红光和红外线。而对于高频光（蓝光和紫光）的实验则和该模式出现了严重出入，实验得出的数值比预期的要低得多。事实上，这个问题是真正掀起飓风的根源，因为解答这个问题的必要理论和实验发展促生了量子理论。

让我们从头讲起，故事发生在19世纪末的柏林。这个新帝国的首都接待了一些世界顶级的实验物理学家和理论物理学家。物理学的发展似乎达到了顶峰，当时的物理学有三个基础支柱：力学，包括艾萨克·牛顿（1642—1727）提出的引力学说；以詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831—1879）为主提出的电磁理论；热力学，探讨能量的不同形式以及这些形式交流和转换的方式。在法国物理学家萨迪·卡诺和英国物理学家们关于蒸汽机研究的推动下，热力学得以产生。它建立在两个原则上：

——能量的储存。根据这一原则得出，一个封闭系统内部能量的变化和对外交换的热和功的量是相等的。

——熵的增加。它解释了为什么热量总是从一个热物质向冷物质流动，而从不会出现反向流动。

热力学这个学科分为两个分支。第一个是“现象学”热力学，它主要对产热现象进行宏观描述，而不对它们的属性或微观原因做出判断。第二个是统计热力学，它是在奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（1844—1906）的推动下产生的，这个分支从对一个物质的微观描述出发，通过假设分子或原子的存在（当时分子和原子是同一概念），来理解热的转化。

这一领域的物理学家们关注的一个问题是发热物体所释放的辐射，它会随着温度的升高改变颜色，开始是淡红色，然后变成鲜红色，最后变白，其目的是从发出这一辐射的物质属性出发，详细解释辐射的特征。1859年，德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（1824—1887）通过将热力学第二定律应用在一个热平衡的物体上，就这一主题发表了第一个重要结论。他证明了物体发射率（物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比）与吸收比（被物体吸收的热辐射能与投射到物体上的总热辐射能之比）之间的联系具有普遍的规律：它不受物体的束缚，只和物体的温度有关。这个普遍性赋予了基尔霍夫理论一个根本意义。实际上，这个普遍性意味着一个能够大量吸收一定频率光线的物体也是在这个频率上很好的发射物体，反之亦然。这导致“黑体”概念的产生。基尔霍夫于1862年创造的黑体是一个能够吸收所有光能的理想物体。为了保持平衡，它会辐射出完全等量的光能。黑体提供了物质辐射的理想标准，这些物质或多或少是黑色的，但都不是绝对的黑。

1879年，奥匈帝国（所属的斯洛文尼亚）物理学家约瑟夫·斯特凡（1835—1893）得出了第二个重要的结论。他通过实验确定了黑体每单位面积发出的光通量与其温度的4次方成正比。正是鉴于这一规律，他通过将太阳总辐射量及其假定的表面积相关联，最终确定了太阳的温度（约5500摄氏度）。因为，太阳是一个黑体，虽然这好像和形容词“黑”的普通含义完全不符。正如文森特所说，将太阳与黑体等同是一个极具干扰性的矛盾，因为在人类的想象中，星体的光辉和灰烬、烟灰是完全相反的，但这也是产生巨大矛盾的根源。

黑体之谜

当时，最真实地重现黑体特点的方式是在炉壁上凿一个非常小的洞。从这个洞口射入的辐射光会承受炉内壁的众多漫反射，进去的光线最后在烤炉中被吸收，永远无法放射出去。这个洞和黑体一样具有完全的吸收性。另外，炉内壁在原子的热激发效应下，发射出全频辐射。物理学家们研究了从洞中透出的光线，它是由放射和吸收之间的热平衡产生的。德国物理学家威廉·维恩（1864—1928）通过同样的烤炉实验，根据温度确定了光谱的形式。1893年，维恩迎来了决定性的阶段，他从纯热力学的论据出发，根据光频（ν）和物体温度（T）计算出黑体光谱的普遍形式。这个光谱形式必须是u(ν,T)=ν^3F(ν/T)，其中F是未知函数，只取决于光频与温度之间的关系。在固定温度条件下，将所有频次的基值相加，维恩的公式就可以证明斯特凡的定律从理论上讲是合理的。1896年，维恩又提出了一个特别的函数F，它可以导致一个与高频标准相符的频谱：u(ν,T)=a(ν/c)3/exp(bν/T)，其中a和b是实验中确定的衡量，c是光速。

维恩的一个好朋友，德国物理学家马克斯·普朗克（1858—1947），从1894年起也对黑体问题产生了兴趣，而他的目的有些不同。普朗克对热力学的第二原则非常着迷，他的博士论文就以此为主题，此外，他不承认玻尔兹曼关于原子的假设。通过研究黑体，他希望可以重新认识热力学的不可逆性，而这个不可逆性并不建立在这个假设上。他设想这个不可逆性和物质与辐射之间的互动相关，当时这个互动被假设为连续的，而玻尔兹曼认为这个不可逆性和微观统计效应相关。

从1895年起，普朗克就有了一个想法，将一组理想的共振器（振荡器）放置在具有完全反射内壁的空洞中，这组共振器就可以描述黑体。这些共振器是在电磁场效应下振荡的电偶极子。根据基尔霍夫的结论，由这些共振器发射和扩散的辐射的最终光谱可以让我们发现黑体定律。普朗克选择了这个模式，因为一个共振器导致的电磁波扩散是一个不可逆的过程，哪怕这个共振器是完美的，没有任何的摩擦或阻力。玻尔兹曼批评了这个模式，因为麦克斯韦的电磁公式在时间逆转的情况下是不变的。这些公式在时间上是可逆的，因此它们不会导致不可逆性的出现。两位学者发生了争论，普朗克最后承认玻尔兹曼是对的。玻尔兹曼也提出了一个建设性的意见：为了获得一个不可逆的性能，实验的进行应该像示范包含无序分子的气体演变的不可逆性一样。这就等于给普朗克的模式中加入共振器不规则运动的假设。

普朗克不认为电磁场是导致不可逆性的可能性来源，他将精力放在了热力学上。为了揭示物理学定律的真正原因，维恩的经验公式是不够的。普朗克希望只使用基本原理就可以确定黑体的光谱。他创造了一个新的模式，在这个模式中，电磁辐射的振动和共振器的振动是互不关联的。他从中得出两个结论：在大范围内，系统的演变是不可逆的；辐射最终会变成同质的和各向同性的。他取得了一定进展，却没有达到一个令人满意的模式。

这就是在1900年之前的研究状况，在这一年有两组实验人员研究了在低频转速中的黑体光谱性能。他们得到了相同的结论：在这个频率范围内，维恩的公式是完全错误的，它没有考虑到实验数据。

1900年10月7日，德国物理学家、夏洛特堡帝国理工学院的实验员海因里希·鲁本斯（1865—1922），在普朗克位于柏林郊区的别墅里拜访了他。两位物理学家很自然地谈到了黑体问题，鲁本斯给普朗克描述了他在测量红外光谱的末端方面的最新进展：在这一阶段，能量的密度和温度成正比。在鲁本斯离开后，普朗克马上开始工作，第二天，他寄给鲁本斯一张明信片，向他建议了一个关于黑体光谱的新公式：u(ν,T)=a(ν/c)3/[exp(bν/T)-1]。这个公式遵守在低频辐射中（在红外线中）能量和温度的比例限制，又与关于高频辐射的维恩公式相结合。当晚，鲁本斯和他的同事费尔迪南·库尔鲍姆（1857—1927）又做了一些测定，发现它们在所有频次上都和普朗克的新公式完全相符。几天后，10月19日，普朗克在柏林将这个算法介绍给德国物理学会的同事们。

普朗克如此迅速地获得这个算法，并非偶然，也非灵光一现。在他之前发表的文章中，他就已经得到了几乎所有的数学方法和概念。至于他的新公式，他只是在维恩公式和另一个英国物理学家瑞利男爵约翰·威廉·斯特拉特（1842—1919）的公式之间做了一个插入法。1900年6月，瑞利男爵提出低频光谱的公式：u(ν,T)=8π(ν^2/c^3)kT。然而瑞利男爵的公式也遇到了物理学中反复出现的问题：将所有频次的基值相加，会得到一个无限的总能量。1911年，奥地利物理学家保罗·埃伦费斯特称这个结论为“紫外线灾难”。普朗克在自己的介绍中，完全没有提到这个不足之处，也没有提到瑞利男爵的结论，因为他不接受原子论假设。可是，普朗克对这个结果并不满意，因为他总想从最初的理论推导出它来。1920年，他在颁发诺贝尔物理学奖的演讲中解释道：“即使辐射的公式被证明是完全正确的，它也只能是通过幸运的臆想得出的插值公式，这无法让我满意。从发现这个公式起，我就竭力给它一个真正的物理学的解释，这让我跟随玻尔兹曼的观点，思考概率与熵值之间的关系。”

为了获得他所希望的更为基本的理由，普朗克别无他法，只能借助于玻尔兹曼的统计法，虽然他始终反对原子论假设。他引入了一个理念：共振器的总能量被平分为能量ε，这个能量与它的频次ν成正比（ε=hν）。所以，尽管共振器和辐射拥有持续变化的能量，但它们之间的交换是通过小量化包完成的。在这个公式中，比例因数h是物理学中一个新的常量，它不是被立即当作基础常量的。事实上，普朗克明确拒绝和玻尔兹曼一样以现实的方式来解释这个常量，而玻尔兹曼在假设原子存在的前提下，证明了常量k。尽管如此，在“绝望的行动”中，（普朗克说：“因为我有意识地远离了原始状态。”）他引入了与能量和频次相关的常量并称它为“h”，它是“hilfe”（德语里“ 救命”的意思）的首字母。这让他可以验证自己的公式，并确定了凭经验引入的常量的值：a=8πh和b=h/k。他得到了如下光谱：u(ν,T)=8πh(ν/c)3/[exp(hν/kT)-1]。几周之后，1900年12月14日，普朗克将这个公式呈交给柏林学院。对比普朗克提出的第一个公式，我们会认为他所做的只是一个简单的符号性变化，而事实上，这是一个真正的概念性跳跃。

常量h很快就成了量子物理学的象征，普朗克的研究也促进了量子物理学的发展。1905年，年轻的阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955）撰写了好几篇具有革命性的文章。他的第一篇文章，可以说比普朗克自己都更为认真地研究了普朗克的理论。爱因斯坦认为，光不是一个连续的现象，而是由各种能量粒子传递的，这些能量粒子后来被命名为“光子”。这使他可以合理地解释海因里希·赫兹 （1857—1894）于1887年发现的光电效应。因此在一定环境中，光是一个微粒的结构，而不是波状的结构，从这个意义上讲，光是由一些不可分解的小团组成，这些小团携带的能量与频次相关。这一发现，以及证明原子存在的实验，是20世纪初量子革命的开端。

图3.黑体光谱的形状仅取决于光源的温度。当温度增高，曲线下的面积增大，曲线的最大值向短波方向移动。

因此，解决黑体辐射之谜的方法是一场颠覆几近完美的古典物理学的冒险，而走向了令人惊讶的、意想不到的量子世界。开尔文勋爵认为，这只是一朵很快会被吹散的云彩。普朗克认为，这是一种痴迷，会使他违背自己的信念。爱因斯坦认为，这是用来发现关于光这个最有趣现象的工具，是粒子和波的概念的融合。

黑体是真实存在的吗？

计量学需要一些能够尽可能完全模拟理想黑体发射的设备，理想黑体的发射率要接近1。超黑就是这样一种材料，它是通过化学侵蚀镍磷合金的表面而制成的，并且只能反射0.4％的入射光。另一种解决方案是将碳纳米管垂直排列在硅表面：合成材料可以吸收99％的入射光，从紫外线到红外线。最终萨利纳米系统公司将纳米碳管黑体投入市场，这是一种能够吸收99.8％的入射光的可喷涂颜料。英国艺术家安尼什·卡珀尔（1954—　）是唯一将这种涂料应用在艺术作品中的人。

正如我们关于太阳所说的，一些恒星光谱的连续部分和黑体的光谱几乎一致。然而，在恒星内部产生的放射和吸收的组合作用会在物体表面放射的光谱中，以第一近似的方式，强加一个与不同内部层级关联的黑体的组合。因为较深层级的温度更高，所以它们比较浅层级发出的光更多，但是也被吸收得更多。也正因如此，每个层级的光谱必须乘以吸收率这个权数。所观测到的光谱是所有基值的总和，因此没有任何先验的论据可以证明它和一个黑体光谱是相似的。但是对于太阳来说，我们接收辐射的区域厚度约为500千米，远小于太阳半径（约696000千米）。因此这个光圈的温度相对均匀，这使得黑体光谱和太阳光谱有充分的近似性。于是，我们将一颗恒星的有效温度定义为一个黑体辐射出与恒星等量能量时的温度。那么，太阳的有效温度就是5770开尔文，即5500摄氏度。

最冷的黑体

20世纪60年代中期，两位美国无线电天文学者阿诺·彭齐亚斯（1933—　）和罗伯特·威尔逊（1936—　）发现了一道仿佛来自天空各个方向的辐射。令他们惊讶的是，这道辐射的存在是1948年俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫（1904—1968）所预言过的。考虑到宇宙的扩张，伽莫夫猜测这道辐射一定是在一个比现在密度更大、温度更高的阶段出现的。如果过去宇宙的温度已经达到几千开尔文，那么这个物质就完全被电离了，而光则随即在自由电子上扩散。那时光的传播不是直线形的，而是曲折的。和降压膨胀的气体一样，宇宙的扩张会稀释和冷却宇宙中的物质。当温度降至3000开尔文以下，电子就可以和质子结合，形成第一批中性氢原子。那时宇宙已经存在了38万年。在那一刻，光可以以直线的形式，在变成透明的宇宙里自由传播。通过这样的设想，伽莫夫预测，在宇宙变透明时占据优势的辐射，如今依然充斥在宇宙中。然而，由于宇宙的膨胀、稀释和冷却，这道辐射的能量已经比起初衰弱了。彭齐亚斯和威尔逊发现的这道辐射轻松地证明了这一点，这一发现也让他们获得了诺贝尔物理学奖，因为这一发现有力地证明了宇宙扩张学说。这道原始辐射是由一个温度约为3000开尔文的物体发出的，现在可以通过温度仅为2725开尔文的微波形式感知。它被称为“宇宙微波背景辐射”，几乎和我们的宇宙同样古老，它为我们描绘了宇宙在中性氢原子形成时的化石图景。1992年，COBE卫星（宇宙背景探测者）对宇宙微波背景辐射进行了第一次精确观测，WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）和“普朗克”探测器也分别于2005年和2013年对这道辐射进行了观测。这道辐射的光谱几乎和黑体的光谱完全吻合，最大偏差仅为0.005％。根据定义，这使得宇宙微波背景成为被观测到的最完美和最大的黑体，并且极有可能是最冷的一个。

图4.太阳光谱与温度为5770开尔文的黑体的光谱非常近似。

图5.COBE卫星于1992年获得的宇宙微波背景辐射的光谱。这个光谱和温度为2725开尔文的黑体光谱几乎一致。

B　黑体辐射

不再需要任何颜色，我只想将它染黑。

——滚石乐队[11]，《将它染黑》（Paint it black）

在“黑体”这个科学表达中，形容词“黑”的含义似乎并不成问题：难道它不单纯指物体的颜色吗？实际上，这个黑暗只是用黑色来做个类比。一个物体的颜色是与其表面反射或扩散的波长相符的（颜色也可能与物体的微观结构有关），而光的其他成分则被吸收了。一个白色的物体是反射了所有可见光的波长，而一个黑色的物体则是将这些波长全部吸收了。因此在太阳光下，一个黑色的物体比白色的物体更容易吸收热量。但是这个著名的特性与物理学家所说的黑体特性之间存在着巨大差异。物理学家称之为“黑体”，是因为它会吸收电磁光谱的所有光频，而不仅仅是彩虹上颜色的光频：黑体吸收了整个光谱，其中包括肉眼看不到的紫外线、微波等光频。黑体是完全吸收剂。它的黑暗不再是表面的、根据光照而改变的色调，而是它的本质属性、它的定义所在。这个黑暗中还要加入黑体的另一个特点：为了保持平衡，黑体必须以辐射的形式将它所吸收的光频释放出来。

黑体不再属于有色物体构成的经验论世界，而属于物理理论知识：它是一个近似真实物体特性的模型，而这些真实物体通常是灰色的，也就是说，它们会反射一部分吸收的电磁波。黑体是一种理想物质，它的黑暗是非同寻常的。物理学家创造了一个新词来准确地形容它：blackbody。这个词通过将形容词（black）和名词（body）相结合，把它们从普通语言中剥离出来。我们的语言并不完全适合描述这个事物（或许可以将它翻译为“corps-noir”），除非需要突破普通语言的限制。为了探索这个从黑中想象出的事物，仅仅靠编制直观的隐喻是不够的。我们不应该止步于这种简单的一语双关：我们所说的黑色不是表象的黑。巴什拉对于黑体客观认知的精神分析需要深入研究黑体的物理学特性，也就是它的完全吸收能力和它的辐射的物理学特性。

如罗兰之前提到的，关于黑体的一个比较好的实现就是一个烤炉，从壁上凿一个可以吸收光的小洞。第一部《法兰西学院辞典》（1694）中就有了这个习语：“烤炉中是黑色的。”它指的是内壁覆盖着烟灰的烤炉的黑色，而这与一个关于黑体的相对准确的直觉相一致。烤炉开口内的空荡是将黑体现实化的一个比较完美的方式，但这只是一个近似性的方式，甚至在某些地方会出现错误的图像，如何能通过内壁覆盖着烟灰的烤炉的图像来理解太阳是一个黑体呢？烤炉和太阳的对比，就像是轻轻的灰烬和厚厚的岩浆之间的对比、普通感官和科学思维之间的对比。太阳可以吸收所有辐射并把辐射以热能的形式释放出来。太阳不是黑色的，却是一个黑体。这就是一个普通感官和理性思维之间出现失调的典型例子。

然而，我们确切地知道，当烤炉不是静止的（黑暗的），而是处于开启和运转状态（明亮的）时，我们无法辨识出烤炉里的东西，“和在烤炉中一样黑”这个习语变得很恰当，甚至完全正确。不仅烤炉的亮度让人目眩，烤炉中的物体也像黑体一样运动，也就是说，烤炉的内部会将光线全部吸收和释放，以至于我们无法辨识里面的东西。让·佩兰在他那本有预见力的书《原子》（1913）中是这样解释的：

如果我们从洞口处向里面看，我们在内壁上辨识不出任何细节，我们只能感受到一个光的旋涡，除此我们什么都看不到。假如我们通过一个炽热的熔炉上的小孔来观察里面正在熔化的金属，我们不可能看到熔液的水平面。这说明，不只是在低温下，我们无法辨识烤炉中的物体。（《原子》，151页）

因此，黑体不再是一个漆黑的缝隙，而是一个光明的使人目眩的深渊，一个“光的旋涡”。然而在任何情况中，黑体都会吸收光线，它的特点是它的吸收性和它的不可见性。这个深渊似乎不是一种物质，然而它并不缺少物质，因为必须有一种物质来吸收光，但仿佛黑就是自己的物质组成部分。巴什拉发现，在所有颜色中，黑色是在想象中最重要的，是唯一确实稳定的：“诗人冥想出一切物质的颜色，其中黑色被看作是最稳定的，它否定了所有可以触及光线的实体。”（《土地与对静息的遐想》，1948年，35页）黑色代表着物质性的去除。将这一直觉深化，我们发现，在想象中，黑位于一切事物的核心地带，它象征着物体本质的隐藏，物质的封闭。

物体的暗黑性

然而，物体的不透明性不代表它们对光没有反应。黑体吸收光线，受到这种能量供应的影响，它的温度会升高。这时，它必须通过辐射释放出影响它自身平衡的能量。因此，黑体接收所有的光，它的内部发生了一些变化，然后它将光线以不可见的辐射形式释放出来。它像是一面非常奇怪的镜子，它会将自己接收到的东西进行吸收和转化，然后再把它们释放出来。其他的颜色没有这种暗黑能力，它们只是反射光，是一些表面的能力，缺乏深度的转化。黑体的部分反射遮盖了完美的黑的隐蔽活动。巴什拉强调，这个直觉由来已久。阿那克萨哥拉[12]说过：“与我们眼睛所看到的不同，由水构成的雪是黑色的。”这个直觉建立在想象的、推翻原本价值观的快乐之上。中世纪的人们希望外表雪白的天鹅内里是黑的。很多作家都支持这个辩证的看法，他们热衷于发现隐藏在彩色虚假外表下的隐秘的黑。奶白色就是这个假象的加强版：“如何更好地表达隐秘的黑色，一个虚假的白色物体中隐藏的罪恶……月光下乳白色的水中隐藏着死亡的隐秘黑暗，带着香脂气味的水有墨水的余味，毒药的辛辣。”（《土地与对静息的遐想》，31页）然而，被逐渐消退的颜色背叛的恐惧只是关于暗黑想象的一种特殊色调。黑体在存在与表象之间保持着更为中性却同样矛盾的关系：它拒绝通过光反射的形式显现，又用尽全力向四周放射出光线。

黑射线

诗人亨利·米肖（1899—1984）描绘的一些幻觉现象，如“黑幻觉”，或者某些梦中的妄想，表明了物体的暗黑辐射倾向。哲学家莫里斯·梅洛-庞蒂（1908—1961）在他的著作《知觉现象学》中，用一段非常有趣的文字分析了这种直觉（因为它绝非现象学上的，最终也无法回归到任何真实的知觉上）：

我说我的钢笔是黑色的，在阳光下我看到它是黑色的。但是与从物体中发射出的黑暗能量相比，这个黑并不明显，即便当它被光线覆盖，也只有在精神的黑暗中才能被看到。真实的色彩始终隐藏在表象之下，如同背景始终在图像之下，也就是说，它不会被看到或者被想到，而是一种非感官的存在。（莫里斯·梅洛-庞蒂，《知觉现象学》，1945年，352页）

根据这个奇怪的描述，当黑暗超越感知时，一个确定是黑色的物体必须无声无息地发光。对于一个像梅洛-庞蒂这样严谨的哲学家来说，让自己进入一个这样的猜想，“辐射的黑体”形象必须是非常强大的，并且它的“黑暗力量”必须对一种深刻的无意识的必然性做出反应。于是，一个关于感知的错误现象学成为一个关于黑体的虚构的准确的精神分析：因为是黑色的，它的黑钢笔躲过了光的运动，黑暗扩散开来。想象力开始在光和暗之间进行角色的反转：在我们最可怕的梦魇中，是不是黑暗在扩散，驱赶了光明？这个可怕的幻想在亚历山大·尤杜洛斯基（1929—　）和莫比斯（原名尚·吉罗，1938—2012）共同创作的系列连环漫画L'Incal中被赞赏：在这个漫画中，一个“影子蛋”吞噬了星星，通过星系传播一种奇怪的黑色的黏稠的辐射，一种会让宇宙陷入黑暗的黑潮。

因此，黑体辐射不仅仅对于物理学家来说是一个谜，哲学家也同样试图理解这样一个反自然形象是如何产生、扩大，并且获得了一种精神认知，以致它变得黑暗或者吓人。也许这是一种类似于第一次接受罗夏克墨迹实验时，形成的“黑色撞击”效应？测试看似非常简单，人的主观性以及神经官能都从中反映出来。想象的黑色光线为类似的原因而烦恼：通过侵入精神空间，它迫使意识思考在无意识深渊中来回摆动的无形事物。巴什拉强调，一个懂得使用黑色的隐秘膨胀作用的画家，可以以一种非常节省的方式激发深刻而活跃的情感：“于是，一个深刻而复杂的黑色墨点，当它从深处显现出来，就足以将我们置于黑暗的境地之中。”（《土地与对静息的遐想》，90页）这是我们的语言中一种诱惑而神秘的表达：一个辐射扩散的黑体将我们置于“黑暗的境地之中”。黑色的图像出现在如此多的画家和插画家的作品中（我们会从弗朗西斯科·戈雅联想到雨果、奥迪隆·雷东、弗朗坎等），事实上，它们拥有惊人的灵活性和不可思议的能力，可以展现出被压抑的过去的形象，也可以通过扩张来侵扰我们的精神。这种活力使它们既迷人又危险。它们的力量来自想象中的元素，与火、水、空气和土地一样强大而原始的元素：它们在黑暗中展现出来。黑暗元素是一种运动的物质，一种膨胀的移动力量：“所有的黑暗都是流动的，因此所有的黑暗都是物质的，这也是对夜晚的梦的物质思考。对真正的梦想者来说，一个阴暗的角落就可以召唤出对浩瀚夜晚的所有恐惧。”（《土地与对静息的遐想》，91页）对于黑体来说，这种物力论是准确的：内部的黑暗既有吸收性，也有放射性。它不像普通意义上的黑暗一样与光对立，它会吸收光，消化光，最后霸占光的放射力。

这种辐射不是在物理空间中传播，而是在意识空间传播。从此，黑体的形象不再以其与外部光线的辩证为特征，而是成为穿透内部意识的黑光源。已故的格贝（即乔治·布隆多，1929—2004）用两幅充满讽刺、形而上学的漫画，描绘了这道“黑射线”，当我们的意识从一些偶然的想法中解放出来，我们的意识就会发出这道“黑射线”。这个笑话的精彩结尾（在连环漫画《我在这里做什么？》中）是，人类最伟大的天才设想——黑射线几乎要穿透宇宙的神秘之处，却在最后一刻被一只身上写着“E=MC2”的兔子拦住了去路。爱因斯坦进行了一个聪明的设想，而不是加深自己盲目的直觉。可谁又有勇气在黑暗中走得更远呢？

皮埃尔·苏拉日[13]的绘画演变说明了这种会吞没意识的黑射线的扩张力量。从1954年起，黑色开始侵入画布的表面。虽然画家好像长久以来都想抵抗，尤其是通过刮擦的技术，消除表面上已经侵入的黑暗，还引人猜想它经过的痕迹。但这似乎无法瓦解整个黑的支配作用，它令人不安的辐射可能会带来光的缺失。同其他颜色相比，苏拉日始终把黑暗看作珍贵的光的缺失：“它缺少最浓烈、最强烈的色彩，而这种浓烈和强烈感被赋予了其他颜色，甚至是白色。”（皮埃尔·苏拉日于1963年与皮埃尔·施耐德的谈话）直到1979年，他才完成了自己的第一幅黑色单色画。艺术家皮埃尔·安珂勒维（1939—　）解释说，应该超越将黑暗与光线对立的传统观点：“只要光与暗的对比支配着绘画，即便画布上有黑色的出现，绘画作品中的鲜艳的色彩也会威胁到它，因为此时黑色只有在同光线的比照中才能展现绘画的力量。”（皮埃尔·安珂勒维，《因为》，2009年）对于一些评论家来说，这个改变取决于最终承认黑色是一种颜色的事实，以及黑色不是捕捉光线，而是通过它的质地和光辉来展现自己。然而，这种表面的反射并不能解释黑色对画布空间的决定性的整修。单色画的真实辐射在于黑色那种隐秘的超越，当它侵入整个画布并使形态模糊不清的时候，这种超越就会显露出来。当画家不再惧怕会在这种创作中失去个性时，他画出一些黑色，这些黑色不再面向欣赏者的感知意识，而是面向无意识的黑暗旋涡。为了转换为全黑的光彩，意识必须委身于黑暗的元素，而且要知道，意识与意识的内容，两者的区分会彼此消除。这对于本身就很微妙的哲学直觉来说是一个难以理解的公式。对于一个研究黑体辐射的物理学家来说，它一点也不比计算活动量子的公式简单。

图6. “黑射线”，摘自格贝连环漫画《我在这里做什么？》巴黎，达戈出版社，1983年，50—51页。

潜意识的黑暗意识

1894年，就在马克斯·普朗克发现“黑体辐射不连续”的这一年，保罗·瓦勒里[14]撰写了《列奥纳多·达·芬奇的方法引论》。在这本略显年轻气盛的书中，他企图把自己放在天才列奥纳多·达·芬奇（1452—1519）的位置上。25年后，他又添加了一些不那么狂妄却同样深刻的评论。他最初那种想要揭开达·芬奇作品的设计之谜的想法，被试图澄清赋予这些作品意义的非个人意识的愿望所取代。他认为，意识之谜绝对是一个“黑体”。因为意识是吸收一切的东西，却不能显现自己的光。意识是意向性的，引用让-保罗·萨特（1905—1980）的话说，它属于“意识的东西”：我们只有通过意识才能和事物有精神接触，但同时意识也与这些事物存在距离；因此，它总是能够将自己与自己所照亮的东西区分开来，而无法照亮自己。自我意识与意识不可能同时发生又相互区分。仿佛有一种“注意量子”，将意识与意识的内容分开，不可解决的不连续性。因而，意识可以带给我们一切，却不包括意识本身：“这不再是一个吸收一切却什么都不给予的黑体。”（《列奥纳多·达·芬奇的方法引论》，102页）

为了掌握意识本身的概念，瓦勒里在冥想中进行了一种类似被现象学家埃德蒙德·胡塞尔（1859—1938）称为“悬置”的活动，即中止自然的现实主义行为。意识必须要停止对意识之外存在的依赖，才能确定意识的组成部分。胡塞尔和笛卡尔一样，都开始去除自己意识中世俗的内容。通过剥离所有的内容，意识发现自己的意向性结构，也就是说，它只是思想内容（“思想”）和物体目的（“思维”）之间的关联。瓦勒里没有关注这一点，而是完成了一个“悬置”来揭示意向性结构。最终，意识作为必要存在，只包括“两个本质上未知的主题：自我和X”（《列奥纳多·达·芬奇的方法引论》，102页）。同时，他发现了他的意识的“裸体”，这是世界和他的身体之间脆弱的接触面。将注意力转向意识本身，转向意识构成的黑体，他发现，栖身于意识的黑体通过意识来显现：

存在无法自我欣赏，只能欣赏对面的景象。然而，存在感到自己构成了整个夜晚，这个喘息的、被定了方向的夜晚。所有完整的夜晚，狂热的夜晚，静谧有序的夜晚，都是由一些自我约束或自我压抑的有机体组成；夜晚充斥着黑暗，而在这黑暗中，身体器官按照自己的属性，跳动着，呼吸着，发热着，守卫着，在自己的位置上完成着自己的职责。（《列奥纳多·达·芬奇的方法引论》，105页）

换言之，无法看到真相的意识不会凭空消失，它明白为什么自己既不在意识之内也不在意识之外。它是一个透明介质：在作为外部世界意识的同时，它意识到使意识产生的身体的无意识存在。瓦勒里的自我意识并不像现象学家胡塞尔的那样理想化：意识知道自己是身体与世界的连接点。它可以暂时接受自己无法看到真相，失去知觉，让自己的目标消散在模糊的黑暗中，从而回到身体与意识之间隐秘的、原始的模糊之中。在日常生活中，这是每个人都记得的童年经历（长大后的情欲体验）：当我们陷入黑暗，意识不再飘浮在我们的身体之上，不再被束缚着，而是成为身体本身，成为恐惧，成为欲望。也许直觉会回溯到更久远的时候，回到在母亲腹中的时空，回到最初的黑暗的温暖中。

无论如何，关于黑体辐射的想象实验的深层含义似乎是要激起一个矛盾的自我意识：它没有在事物的意识中忘记自我，而是成为意识本身，因为它无法分辨任何东西，于是它在成为别的事物的意识之前，意识到了一个黑体的辐射。苏拉日的作品《黑色之外》（Outrenoir）利用的就是观看者的无意识，让观看者停留在这幅作品前，任自己被带入黑暗之中。在观看者与黑暗的交流中，在陷入黑暗的感官愉悦中，在黑色辐射带来的温暖中，意识与源自无意识深处的黑暗力量达成了新的平衡。让-克洛德·菲力和约翰·克莱德·费罗通过自反而有趣的展示（反复展示），正确使用单色画将两个黑体和画布展现在观众眼前。

Part 3

A　黑洞

黑洞既不是洞，也不是黑色的，它的边缘是灰色的。

——米歇尔·卡斯[15]，《光明中的黑洞》（Les Trous noirs en pleine lumière）

1783年，英国物理学家、天文学家，可敬的约翰·米契尔（1724—1793）给皇家学会写了一封信。他在信中提出了一个质量大到光线无法透出的星体的存在。他还假想了一个定位这种星体的探测原理：“如果某个发光体围绕它们旋转，我们根据这些旋转体的运动，就有一定的可能性推断出被作为旋转中心的物体的存在……”1796年，皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（1749—1827）在他的《宇宙系统论》中独立地做出了相同的猜想：“一个与地球密度相同、直径比太阳大250倍的发光星体，由于它本身的引力，它的任何光线都不能传到我们眼中。”而他的这个理论和他的前辈的理论一样，并没有获得认同，因为在同时，英国物理学家托马斯·杨（1773—1829）和法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳（1788—1827）进行了光的干扰实验，这些实验证明光是一种没有重量的波，因此不受引力影响。然而，在18世纪末被命名为“封闭星体”的这个概念，在20世纪有了“黑洞”这个新名字，并且随之名声大振。

黑洞是什么？

我们都知道，一个被抛向高空的球在达到最大高度后会最终落地，抛球的力气越大，球的高度就越高。这是地球重力的一个表现，因为地球的重力会将所有的东西向地心拉去。球的高度会随着初始速度的平方增加：抛球的速度快两倍，球的高度就是原来的四倍。如果抛球的速度足够快，超过每秒11.2千米（约每小时4万千米），球就不会再落到地球上，而是会彻底摆脱地球的引力。只有行星际探测器的发射器才能达到这个足以摆脱地球引力的速度，让我们可以看到我们身处的太阳系。这个逃逸速度与行星的质量和半径的商的平方根成正比，一个比地球大4倍或小4倍的行星的逃逸速度会是地球的两倍。光的速度约为每秒30万千米，拉普拉斯算出，为了让光线无法逃逸，一个与地球密度相同的恒星的半径应是太阳半径的250倍。显然，拉普拉斯公式只适用于经典物理学中的物质抛射体，不能先验地适用于粒子，即光子，质量为零的光线。

关于引力对光产生影响的缜密研究必须在爱因斯坦于1915年发表的广义相对论的框架内进行。这个理论指出，引力的作用实际上是时空的几何表现，它本身是建立在物质和能量分配之上的，时空因它而变形、弯曲了。自由运动的粒子必须沿着新几何中较短的线，也就是短程线来运动。因此，与经典理论相反，光虽然没有质量，但也会受引力影响，或者更准确地说，是受时空的弯曲影响，它的轨迹在一个巨大的物体附近会偏转。英国天文学家亚瑟·爱丁顿（1882—1944）在1919年的日全食期间首次验证了这一效应。在日全食期间观测到的接近太阳方向的恒星的位置与在一段时间后测量到的这颗恒星的位置之间存在着微小差异，这和爱因斯坦的计算完全相符。这是对于他的万有引力新理论的一个有力证明。今天我们知道，爱丁顿使用的实验器具太不精确了，以至于这个观察结果并不是真正有说服力的，但是，除了这个幸运的巧合之外，科学家又多次重复了这个实验，都明确证实了爱因斯坦的预言。

如果时空的弯曲会影响光线，那么在广义相对论的框架下，我们就有可能再次计算在何种条件下，星体能够限制光线的逃逸。爱因斯坦的理论证实了一个临界半径的存在，当星体的半径小于临界半径时，光线就无法从星体中逃逸。让我们出乎意料的是，计算这个临界半径的公式与由经典理论推导出的拉普拉斯公式完全相同。这个临界半径被命名为史瓦西半径，以纪念在1915年计算出这个半径的德国物理学家卡尔·史瓦西（1873—1916），这个半径和物体的质量成正比，例如，根据史瓦西的公式，要将太阳转化为黑洞，必须将它的全部质量压缩成一个半径仅为3千米的球体！

在光线和物质无法逃逸的区域外有一个球形的表面，我们称之为黑洞的“视界”（horizon）。它是一个几何表面，不是真实物体，我们赋予它这个名称是因为它和地球的“地平面”类似，都是视线范围的边界。如果说地球上的地平面位置取决于观察者的位置，那与之相反，黑洞的视界是绝对的。它是时空的边界，与观察者的位置无关，并且会将所有的事件分为两类：在视界面之外，通过光信号我们可以在任意大的距离之间进行联系，这就是我们居住的普通宇宙；在视界面之内，由于光线要向中心聚集，因此它们无法在任意两点之间自由移动，联系受到了严格的限制。例如，物质和辐射可以从外部区域传到内部区域，却无法从内向外传播。这甚至证明了“黑洞”这个在1967年由美国理论学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（1911—2008）提出的术语，因为在当时这只是一个理论上的可能。惠勒是一个充满想象力，并且对最大胆的猜测也抱有开放精神的理论学家。除了“黑洞”，他还普及了很多极为新颖的概念，比如“多重世界”“虫洞”“时光倒流的粒子”，以及物质与信息之间的平行论。这些概念往往只是人们想象出的观点，但是能证明黑洞这个著名理论存在的证据出现在1971年：天体物理学家们探测到了天鹅座χ-1，这个二元系统的特征表明它是由一个黑洞和一颗巨大恒星组成的。此后，在我们身处的星系中又发现了大约20个黑洞，其中最大的一个——其质量达到了400万个太阳质量——就隐藏在银河系的中心。正如文森特在下一章中所指出的那样，有一个黑洞存在于银河系中心，这冲击着我们的想象力，但黑洞本身并不是邪恶的，恰恰相反，它有利于银河系的稳定和发展演化。2002年，我们通过观测银河系中心附近的恒星轨道，发现了黑洞的存在。2022年，视界面望远镜项目将通过结合分布在地球整个表面上的无线电望远镜的数据，来制作这个中心黑洞视界附近的图像。目前的观测还显示，在一些活动星系的中心，如M87星系，存在着一个超大质量的黑洞，其质量可以轻松超过10亿个太阳质量！

如果说黑洞确实存在，仍然需要提出一个能够解释黑洞形成的机制。恒星的黑洞——其质量至少是几个太阳质量——是由于一颗大质量恒星（约为10个太阳质量以上）的中心引力坍缩而形成的。事实上，当恒星达到硅的热核燃烧阶段时，其结实的内核的质量会增加，直到变得不稳定。恒星的内核坍缩并产生一个中子恒星，而恒星的外壳则被一个名叫“超新星”的巨大爆炸吹散。1939年，美国物理学家罗伯特·奥本海默（1904—1967）指出，如果中子恒星的质量超过3个太阳质量（兰道-奥本海默-沃尔科夫极限），星体自身的引力绝对强过所有其他的相互作用，黑洞便形成了。自此，黑洞成为宇宙大爆炸的一部分，尽管长久以来，天体物理学家的工作仅限于通过观察来探测黑洞存在的间接影响。而这一情况在2015年10月发生了变化，因为美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了引力波。物理学家们在所记录的振动中看到了关于一个巨大振荡的证据。在13亿光年外，有两个黑洞，质量分别是36和29个太阳质量，它们以每秒250转的速度围绕共同的重心旋转，最终合并为一个唯一的、巨大的、质量为62个太阳质量的黑洞。3倍于太阳质量的质量差已经以引力波的形式被放射掉了。

在黑洞视界的边缘

黑洞真的是通常描绘中的宇宙怪物吗？不是的！在距黑洞的距离超过黑洞的史瓦西半径时，时空与同质量的正常星体的时空是无法区分的。因此，将太阳转化为黑洞，对行星的运动没有任何影响，而将黑洞想象成一种可以在所经之处吞噬一切的宇宙吸尘器，至少也是一种夸张。只有在黑洞视界这个界面附近，才会出现黑洞特有的时空变形。

我们在黑洞视界的附近会感受到什么？一种对脚和头的奇怪而强烈的拉伸感。你的身体有一定的空间延伸，它的不同部位探索着不同曲度的区域，这些不同曲度被解释为引力场的差异。我们也会在地球表面体验到这种潮汐力，我们可以很容易地观察到这个壮观的结果：由于太阳和月亮的相互作用，就有了海水的潮起潮落。在经典物理学中，重力的强度取决于物体之间的距离。因此，地球上靠近月球的区域比位于对跖点的区域更容易受到月亮的吸引，在地球的参照系中，这会引起海水的明显变化。我们的脚，因为比我们的头要更接近地球的中心，也更受地球的吸引；从我们的角度来看，这个吸引力是一个拉伸的力量，在地球表面，这个力量的强度非常微弱，不到你体重的百万分之一。在黑洞视界的附近，你的头部感受到的引力和脚部受到的引力之间的差异要明显得多。对于质量为10个太阳质量的黑洞来说，你感受到的牵引力就好像是你被吊起来，巴黎地区的人挂在你的脚踝上一样！而奇怪的是，黑洞的质量越小，这个效果反而越强。这个明显的矛盾有一个简单的解释：潮汐力的强度与造成潮汐力的星体密度成正比。由于黑洞的半径与其质量成正比，所以它的密度（与质量除以半径立方的商成正比）随着其质量平方的倒数而减小。因此，一个质量为100万个太阳质量的黑洞产生的潮汐力比一个质量为10个太阳质量的黑洞产生的潮汐力小100亿倍。所以，我们可以出入超大质量黑洞的边缘：“巨人”黑洞的巨大质量使得电影《星际穿越》的主人公能够进入黑洞之中。

由于黑洞存在而引起的时空扭曲还有另一个影响：当我们向远处的观察者发射时钟信号时，在观察者看来，时钟信号的频率仿佛变弱了。因此观察者会觉得靠近黑洞的时钟比自己的时钟要慢。时钟频率的下降也可以表现为发射光的频率下降：光线比发射时显得更红。

现在，如果你决定穿越这个视界面，并将你这一壮举的图像寄给你的同事，会发生什么事呢？对你来说，在这个穿越的过程中，不会有什么特别的事情发生：黑洞的边界并没有神奇之处。相反，身处视界之外的你的朋友永远看不到你穿过这个界面！随着你逐渐接近这个界面，放映的影片似乎变慢了，因为接收两个连续图像间隔的时间越来越长。时间膨胀的原理就是，几乎相同的图像彼此相连，达到的视觉效果就是你被凝固在你穿越视界面时的位置上。而且，由于光线的变红和强度的降低，接收到的图像很快变得太弱而无法被接收。对于位置遥远的观众来说，在黑洞内部发生的这一部分旅程都是缺失的。在穿越视界面时传输的图像只能在无限的时间之后才能被接收到，而之后的图像将永远无法穿越黑洞视界。

在怪物的肠道中

在黑洞的中心有一个时空曲率趋于无穷的区域，因为整个质量汇聚于此。 关于这个“奇点”的描述是一个真正的、依然悬而未决的理论难题，因为这个描述必须考虑到不包括在广义相对论中的量子效应。尽管如此，由于这个奇点不会影响到黑洞视界以外的时空，因此即便我们无法正确地描述它，我们从视界的这一边看到的黑洞的景象却是毋庸置疑的。从理论的角度看，在黑洞的中心只有一个黑暗的区域。

我们还是要探索一下奇点周围的区域。这个区域可以说是一种运动：它不仅处于运动之中，而且由于它的几何形状向中心倒塌，它还会促使所有位于这一区域中的物体运动起来。结果就是：在黑洞的内部物体无法静止不动，并且出现的运动轨迹必然集中在星体的中心，也就是说，我们可以将一个黑洞的内部描述为一个“翻转的”世界或时空。在通常的时空中，我们可以向任何空间方向移动。而时间的移动则只能是由过去向未来：这是一个定向坐标。而在黑洞中，角色发生了反转：黑洞中心的距离成了定向坐标。在测量中，空间代替时间成为一种“必然”，所有的物质都不可避免地发现自己与中心之间的距离缩短。这一情况让我们回忆起克里斯托弗·普里斯特（1943—　）的科幻小说《倒立的世界》的开头：“我的年纪已经达到了一千千米。”但是请注意，改变黑洞内的时间坐标的状态不能让我们就此回到过去和改变因果关系！其实，时间坐标不再代表一个物理上的时间。在这个环境中唯一能够保持一个方向的时间就是固有时间，这个时间是由一个和你一起向黑洞中心自由下落的时钟测算出来的。在黑洞里，固有时间只取决于距离坐标，当距离变短时，固有时间增长。因此，就像在黑洞外一样，一个自由下落的旅行者的固有时间继续向未来流逝。一个明显的区别仍然是，这个未来有一个计划好的结尾：奇点位于黑洞的中心，奇点之上不再有未来。有限的固有时间的间隔出现在穿越视界面的时刻和旅行者聚集在中心奇点的时刻之间。这个间隔的时间越长，黑洞就越大。对于一个质量为10个太阳质量的黑洞来说，这个时间间隔只有千分之一秒，但是对于一个超大质量的黑洞来说，比如那些位于星系中心的黑洞，这个探测的时间可以持续一个小时。

一个不是那么黑的洞……

在20世纪70年代，英国物理学家史蒂芬·霍金（1942—2018）就黑洞问题确定了一个基本的却出乎意料的结果。通过应用量子物理的规律，他指出黑洞可以放射光线，甚至是放射物质！这个结果似乎与黑洞的定义本身互相矛盾。为了理解这种奇怪辐射的原因，首先要记住在当代量子物理学中，波和粒子的概念都消失了。它们被“场”所代替了，这些物理概念能够描述所有可能的物质状态，无论涉及的粒子数量和能量如何。在这一理论框架中，真空的定义不再是当一切都被剔除时所剩下的东西，而是能量非常小却不为零的场的状态。并且，在微观世界里并不存在绝对的静止，一个系统的能量在微观世界中持续波动。

在真空状态下，这些波动表现为所谓的“虚拟”微粒的短暂出现，这些微粒会从真空中浮现，前提是它们可以迅速回到真空当中。在无限小的情况下，可以说是有可能借用一定数量的任意能量，也就是可能违反质能守恒定律，前提是能够很快偿还这些能量，尽管我们无法直接观察到，这些转瞬即逝的虚拟微粒可以与真实的粒子进行相反的作用，比如改变它们表面的电荷。

如果说能量的守恒被暂时打破，电荷的守恒却始终保持着：虚拟微粒总是以粒子-反粒子的形式成对出现。当成对的虚拟微粒在黑洞视界附近变成有形物质时，这就与我们的主题有关了。成对的虚拟微粒中的一个可能掉入黑洞当中，另一个则逃离到了无穷远。在一个遥远的观察者看来，这似乎是一个粒子从无到有的自动物化。当然，这些被发射的粒子（基本上是光子、电子和反电子、中微子和反中微子）并不都具有相同的能量。霍金指出，光子的能量分布与黑体发出的辐射光的分布具有相同的形状！因此，他能够给予黑洞一个和黑体温度类似的量值，并指出这个量值和黑洞的质量成反比。实际上，一个质量为几个太阳质量的黑洞的温度为十亿分之一开尔文，但是一个质量只有十亿吨的小黑洞发出的辐射热量约为1000亿开尔文。如我们之前所说，从黑洞外的角度看，仿佛质能是凭空产生的。事实上，辐射产生的质能都源自一部分黑洞质量的转换。因此随着辐射的产生，黑洞的质量和尺寸会缩小，天体物理学家称之为“黑洞蒸发”。这是一个发散的过程，因为当质量减小时温度升高，辐射的能量也不断升高，于是会加速黑洞质量的减小。最终，当辐射能量达到很高时，我们就说黑洞“蒸发”了。

一些物理学家已经有了将微型黑洞辐射应用为能源的设想。只需把微型黑洞安置好，如放在轨道上，并通过定期增补物质来弥补质量的损失以阻止辐散。结果表明，一个史瓦西黑洞的能量生产率最高可以达到5.7%，而一个快速旋转的黑洞的能量生产率可以上升到42%，这两种情况都比热核聚变获得的0.7%的生产率高得多。在科幻小说家查尔斯·谢菲尔德（1935—2002）的作品《麦克安德鲁的编年史》中，作者恰好描写了一位通过从黑洞中汲取神奇能量、创造出第一艘星际推进飞船的物理学家。

宇宙旋涡

和行星以及恒星一样，黑洞也可以旋转。然而情况有所不同，因为一个旋转的黑洞不会像陀螺一样在一个静止的外部空间中转动。黑洞以一种旋涡式的不可抵抗的运动驱动着它周围的时空。一艘运动中的飞船会在它附近的区域里发现什么呢？

为了理解这一点，让我们继续与清空浴缸的水时看到的旋涡来做类比。在这种情况中，水在做一个螺旋运动，这个螺旋运动可以分解为一个围绕出水口的圆周运动和一个朝向出水口下方的径向运动。现在让我们想象有一艘船行驶在湖面上，而湖底有一个类似清空浴缸时的那种旋涡，这艘船行驶到了旋涡附近。船的发动机可以让船的最高时速达到20千米。在远离旋涡的地方，水面依然比较平静，显然船长可以任意航行，因为有发动机的动力，尽管有水的驱动力导致船发生缓慢的偏移，他依然可以校正航向。因此船长不用抛锚就可以控制自己的船和湖岸的距离，他可以让船靠近或者远离旋涡，甚至可以逆水流方向航行。当靠近旋涡的中心时，船只最终会进入一个区域，在这个区域里水流旋转流动的速度和船的最高时速相等。在这个临界距离以下，即使船的行驶方向是旋涡的相反方向，即使发动机全速运行，船也无法保持固定的位置。它无法抗拒地被推向旋涡的旋转方向。操纵船只的可能性降低，船只可能的行驶方向也不再是任意的：船只只能向前移动，旋涡旋转得越快，船只在区域中就越受限制。舵手可以熟练地摆脱这一尴尬情况，他要把油门全开，根据一个外向的螺旋轨迹正确地定位航向，并将船只引向远离旋涡中心的方向。如果船只冒险地去靠近旋涡中心，那么在一个时刻，水流的径向速度会达到每小时20千米，这就是船只的极限速度。这是真正的麻烦开始的时候：掌控船只航向的可能性变得非常低，于是船只别无选择，只能被拉拽到旋涡中心……

图7.飞船在旋转的黑洞周围的运动：无论航向和飞船速度如何，一秒之后，它必然会进入航向圈中。(© Jean-Pierre Luminet)

在旋转的黑洞周围，情况是类似的。一艘接近黑洞旋涡的飞船也要承受黑洞旋转导致的时空驱动力。这个运动在一个被称作“静态极限”的曲面里成为一种必然。在这个区域内，即使宇宙飞船的速度可以达到光速，它也无法与遥远的恒星保持相对静止！当我们继续接近黑洞时，我们会再看到之前所说的黑洞视界，它是黑洞的真正边界，是一个任何物质都无法逃脱的界限。一个旋转黑洞的视界完全被包含在静态边界内。对于一个旋转的黑洞来说，在静态极限处，时间仿佛“冻结”，发射的辐射被接收时伴随着无限的红移。但是物质和辐射最终会被限制在黑洞的表面。位于静态极限和视界之间的时空区域被称为能层[16]，因为它的属性可以让我们从中提取出能量。

英国物理学家罗杰·彭罗斯（1931— ）想象了下面这个巧妙的机制：在一个远离黑洞静态极限的位置上，我们朝能层方向抛射一个物体。这个抛射物的设计使得它可以在操作者设定的时间分成两部分。如果我们认真挑选初始轨迹，那么其中一部分最终将被黑洞捕获，而另一部分则会穿过能层并被收回。彭罗斯证明，抛射物这样被发出，可以使得被收回的那部分的能量大于初始抛射物的能量。这就使得被黑洞捕获的那部分在落入黑洞时，运动的轨迹是与一个黑洞旋转方向相反的螺旋轨迹。逃脱黑洞的那部分所收回的能量来自哪里呢？来自黑洞！对于黑洞来说，这个操作最终导致的结果就是质量增加，以及旋转能量下降。因此，旋转的黑洞起到的是一个巨大的能量储备的作用，如果我们足够熟练就可以从中获取能量……

我们可以理解，黑洞的惊人属性自然成了科幻作家最常用的主题之一。这些可以扰乱周围时空的迷人星体，常常被用作通往其他宇宙的“大门”，仿佛我们身处的宇宙还不够大！因此在电视剧《巴比伦5号》中，太空旅行是通过人造黑洞完成的。作家丹·西蒙斯（1948— ）在他的小说《伊利昂》和《奥林帕斯》中赋予了莫拉维克人通过黑洞之间的桥梁在太阳系中移动的能力。类似的构思还出现在弗雷德里克·波尔（1919—2013）的《大门》和卡尔·萨根（1934—1996）的《接触》中，后者在1997年被改编成电影。黑洞经历了很多：这个概念从空想的思辨变成了天文学的现实状态，它的独特属性又使它成为科幻小说的中心主题。

B　黑洞引力

在那里，我们可以长久地沐浴黑暗……

——夏尔·波德莱尔[17]，《世界以外的任何所在》

正如罗兰所解释的那样，“黑洞”是一颗巨大的、密度极高的恒星，因此光线无法从中逃脱。夜晚的天空净化了大地的黑色，黑体的黑色超越了色彩的光谱，而黑洞则又超越了另一个黑暗的关卡，黑色具有一个巨大的引力。所有的光不仅不能驱散这种黑暗，甚至无法从中逃脱。形容词“黑”经历了这样的强化，它也不再只满足于站在光亮的对立面，它对光产生了威胁。它表示的不再是面对光线时的躲避，而是一个会吞噬光线的黑洞……如巴斯卡·基亚所写：“一个黑洞的引力胃口之大可以与光速匹敌。”（《评判的批评》，2015年，92页）在广义相对论的框架下，这意味着黑洞的质量可以将时空扭曲成一口无底的深井：一切都可能掉入这个深井中，再也无法浮现。这是极度的内爆。因为这颗星体已经发生了崩溃，它被称作“洞”。因为它会吸收物质和光，它被称为“黑”。然而，这两个词的隐喻性功能并不太完全。

将宇宙中物质的最密集集合称为“洞”，是不是有些自相矛盾？通常洞是空的，而不是装满东西的。罗兰说过，黑并不是绝对的：所有的黑洞的边缘处都是有点发灰的……然而，我们的遐想必须从探索“黑”这个形容词的含义开始，探索的方式是从关于黑洞的理想判断中而非现实的边缘处获得灵感。从理论上讲，黑洞的黑暗是如此强烈，以至于它会吸收光线，让光线无法离开。这个黑暗被转化为想象，它拥有一个与黑体膨胀截然相反的动力。黑洞以它不可逾越的引力将所有的时空集中在一个奇点上，并禁止了一切与外部的交流。它成了一个湮灭的象征。

宇宙坍缩

人类的意识水平已经不足以让我们理解这种不可抗拒的黑暗吸引力的想象意义，必须上升到真正的宇宙意识水平：黑洞的产生源自最庞大的恒星的死亡。作为时空的奇点，黑洞代表了一个宇宙级创伤。在它的黑暗中，有某一种东西在影响宇宙的结构和节奏，并且损伤了新柏拉图主义者口中的“世界的灵魂”。这个创伤带来了永恒的哀悼：黑洞象征的是对光的不可逆的捕捉，尽管人们认为光是不可捉摸的，实质上光是自由的，并且是永存的。在宇宙的生命中，发生了一些不可逆转的事件和难以逾越的灾难。

我们常把黑洞想象成可以吸入周围物体的虹吸洞道。仿佛整个宇宙必须吸收一切。然而在黑洞视界以外，任何与外界的交流都无法实现，黑洞对空间的扭曲和对其他物体的扭曲无异。黑洞的不可抗拒的命运只会威胁光和物质的存在，而这些存在会冒险地穿过一道命运的视界面：潮汐效应的强度会将光和物质无限拉伸，然后将它们合并到黑洞的质量以及巨大的密度当中。黑洞不会试图遗漏我们，它孤独地延伸着，与世隔绝。远离“静态表面”之上的物质继续着它们平凡的生活，而靠近“静态表面”的物质，即便它们抵抗着这个吸引力，也会有一种自此陷入崩溃轨道的感觉。它们也知道自己除了任由自己被带走之外无计可施。

因此，黑洞是宇宙坍缩最强有力的证明：没有任何东西可以缓解这种灾难，因为一切太靠近它的物质最终都会被吸入。空间和时间的结构似乎在躲避那些任由自己被吸入的物质。它们没有力气移动或升起。当宇宙的主体部分在静止的坍塌中崩溃时，宇宙变暗了。这黑色的吸引力是巨大的、无法比拟的。这里要考虑到某个可怕的事情，在我们身处的银河系中心，有一个同样非常黑暗的、贪婪的和沉重的存在。隐藏在黑体中心的黑暗抵挡了光线，可这黑暗并不阴沉，甚至还包含着一些温暖。而在黑洞中，黑暗带着一种负面的含义，获得了一种令人担忧的积聚动力。关于空气的想象，巴什拉强调解脱和上升的遐想与堕入罪恶的黑暗深处之间的对立。黑暗将我们吸入旋涡，在深渊的底部等待着我们。一切行将结束的梦中的坠落都完结在黑暗的中心：“好像深渊的黑暗可以擦除一切，仿佛最后坠落的只有一种颜色：黑色。”（《土地与意志的遐想》，400页）在黑洞的召唤下，我们的脑中充满了学术上的遐想，我们的遐想围绕着这无法抵挡的“深渊的黑暗”的语义世界，屈服于这种颜色魅力的人肯定会有一个不幸的命运。巴什拉用一些造成凄凉回响的词语完成了他对隐秘夜空的再现：“它是坠落旋涡的时空。更远处，在一个完成的坠落中，诗人将会看到黑色。于是‘黑与空’紧密地结合在一起。坠落完成，死亡开始。”（《土地与意志的遐想》，402页）“死亡开始”，这是多么非比寻常的用语啊！它与天体物理学家那个同样令人回味的用语完美契合：“跨越事件视界”。它没有回来，只剩下黑色星体无法逃避的吸引力。这是对浪漫主义诗人所颂扬的不可避免的毁灭的一种迷恋。

忧郁的星体

为了准确说明一个如此可怕的黑色的色彩差异，我们想起了那个经常出现在浪漫主义诗歌和版画中的“黑色的太阳”。没有人能比维克多·雨果更好地描写它了：

在那里，一切都浮现并消失在昏暗的沉船中；

在这个旋涡里，没有边界，没有气窗，没有墙壁，

灰烬不断地从这些曾经存活过的东西上倾泻下来；

当我们的眼睛敢于向下看时，我们看到了底部，

超越了生命、气息和噪声，

夜晚从可怕的黑色太阳中蔓延出来！

（维克多·雨果，“影子的嘴说的话”，《沉思集》第六卷，26页）

每一句诗句都仿佛预示了这场罗兰邀请我们参与的危险旅程：一旦我们离黑暗的星体太近，就会被捕获；一旦我们被捕获，就不可能抓住任何东西；一切都被拉入黑暗的中心，毁灭我们所有希望的黑色的太阳就在那里。

这颗令人忧郁的星体已经出现在了德国画家阿尔布雷希特·丢勒（1471—1528）的绝妙版画《忧郁I》（1514）中。画面展现了一个拥有天使翅膀的美丽女人，周围围绕着权力、财富和知识的象征物。然而她对这些并不在意，而陷在某一种病态的思想中，她的表情中沉思多于忧伤。在她的身边，一只狗打着盹，一个小天使像是很无聊。在夜晚的天空中，一个小恶魔展开忧郁的旗帜，在一颗似乎吸收了所有光线而并没有发光的星体之下扬扬自得地飞翔。积聚的力量占了上风：如精神集中在阴暗的反思上一样，光芒凝结在一颗黑色的星体上。

法国诗人热拉尔·德·内瓦尔（1808—1855）先于天体物理学将一颗恒星的死亡归因于这颗黑暗星体的诞生，这颗黑暗星体使他的诗歌充满悲伤：“我唯一的恒星死了， 还有我布满星星的鲁特琴，带来那忧郁的黑色太阳。”（《被剥夺者》，1854年）他忧伤的梦最终将他推向了自杀。今天，查尔斯·伯恩斯（1955—　）创作了美丽却让人不安的漫画《黑洞》，它重现了这个浪漫命运的神话：一种奇怪的疾病导致处于青春期的青少年发生可怕的突变。黑洞象征着一代人生活的痛苦，危险性欲的烦扰以及厌世的年轻人对死亡的迷恋。黑洞可能是卡尔·古斯塔夫·荣格[18]眼中对人的个性的最高考验：意识到失败是可能发生的，甚至是不可避免的。

忧郁的浪漫神话还取决于这样一种观念，即创造者的个性将灵感的天赋与一种不可抗拒的忧郁结合起来，当这种忧郁诞生于对人类状况清楚的注视时，它就会更加难以抗拒。这个思想并不新奇。自从希波克拉底医学描述了黑胆的特性——这一疾病的产生是由于黑胆汁过量，像是一种严肃而认真的幽默，哲学家和医生们便不再揣测天才和忧郁之间的神秘联系。长久以来被认为是亚里士多德所著的小专论《问题×××》中强调天才中有大量的癫痫病患者，这种高级的疾病被认为是由于黑胆汁分泌过多导致的。年代离我们更近一些的艾萨克·牛顿爵士，他提出的万有引力定律使我们可以设想一个“封闭星体”的存在，光线无法从这个星体中逃逸，这是关于相对论中黑洞的经典预言，而牛顿本人不就是癫痫病患者嘛！

当然，这只是迷信和无稽之谈。发现遮光效应的约翰·米契尔和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯，提出广义相对论的爱因斯坦，推测出黑洞存在的卡尔·史瓦西（其姓氏的含义为“黑色的盾牌”），以及赋予这个宇宙奇点一个令人不安的名字“黑洞”的约翰·惠勒，他们并不是癫痫病患者。一个学术性的遐想不会沉溺于星体对天才性格的影响上。相反，我们也不会轻易从集体的想象中剔除模糊的直觉，因为一种过于强大的智慧会将这种直觉不可避免地引向一些可怕的发现。关于黑的传奇引人入胜，它拥有一种难以抵抗的诱惑力：既然蠢货是幸福的，那么智者和学者不是应该生而忧郁吗？他们的思想是如此深沉，以至于让他们心情抑郁。

因此，我们终于自发地产生怀疑，一切最辉煌的最受人尊敬的生命里都隐藏着一种深不可测的忧伤。然而，一个黑洞被间接检测出来，如同一种阴郁的疯狂躲藏在冷酷的智慧之外。为了证明黑洞的存在，我们必须观察其他星体的旋转，因为如果没有黑洞存在，其他星体就是围绕这样一个虚空旋转，就好像我们看到一些人没有缘由地小心翼翼地做着重复的手势。当遥远的辐射在通过一片明显空白的空间区域后，并传送一幅失真的图像时，当一个乍一看似乎严谨的推理将现实歪曲到无法辨认的地步时，我们可以猜测到一个巨大的凹陷的存在，它改变了我们对空间和时间的感知。如果说银白色的星系是围绕着同样的旋涡旋转，难道不可怕吗？当想到一些恒星在发出过量的光芒后，最后走向崩溃，那些原本由它们发散给宇宙的光线被囚禁了起来，难道不让人感到失望吗？这种失望会让我们忘记在我们之外还有一个世界存在。

如果说黑洞是一个让伟大的精神永远沉没并且无法重新显现的深渊，那么它是一个阴森的象征。然而，将黑洞理解为关于宇宙坍缩的比喻，还是某种意义上的缩小。因为我们要再提一次，一个巨大而美丽的图像，一个真实的、被赋予真正心理活力的图像，总是具有双重性的。

黑洞的光辉

因此，法国古文字学家米歇尔·帕斯图罗（1947—　）在他关于黑色的历史中（《黑色的历史》，2008年）提到，起初，在印欧语系的语言中，有两个不同的形容词来指示黑色。拉丁语中有两个词：一个是“ater”，指的是没有光泽的黑色，这个颜色肮脏而丑陋，后来在法语中变成形容词“atroce”（恶劣的）以及后缀“-âtre”（用来构成一些贬义的、令人忧郁的颜色，比如“bleuâtre”——近蓝色的，“verdâtre”——近绿色的，等等）；另一个是“niger”，指的是美丽的发光的黑色，所有关于黑人特点的词语都由此而来（这表明这种肤色在变成种族主义的偏见之前，是一种令人艳羡的美丽色彩）。孕育出盎格鲁-撒克逊语言的语系中也包含两个形容词：一个是“swarz”，用来描写没有光泽的、坏的黑色，后来演变成德语中的“schwarz”；另一个是“blaek”，用来描写发光的、好的黑色，后来演变为英语里的“black”。这样的区别是由光泽度来区分的，这让我们回想起，在先人的眼中，如果要从视觉上区分物体，发光度是一个比着色度更密切相关的标准。这也说明，黑色的符号体系始终是两极化的，具有双重性。

就关于黑洞的想象而言，这意味着它并不是要体现对光的哀悼这个唯一的负面价值。黑洞仿佛是一个死亡的星体，因为我们设想它暗淡而无生气；而当我们把它想象成一个明亮而活跃的星体，它就变得令人兴奋，甚至有时很积极。我们假想一个正在自转的黑洞图像，随着它的吸积作用，它的光盘会变亮，而它周围的恒星由于惯性抵挡着它巨大的吸引力，甚至整个星系都在它周围旋转。是黑洞确保了银河系的内聚力，是一个黑暗的中心保持了恒星的聚集。我们同样会想到黑洞的“头发”和“蒸发”，史蒂芬·霍金将这种辐射现象与黑体辐射做类比，以缓和处于暗淡中的黑暗并找寻到能量（通过成对的虚拟粒子-反粒子形式的真空波动）。但是，除了这些严肃的天体物理学概念之外，让我们冒险进入丰富的科幻小说之中（罗兰就是一个狂热的科幻小说爱好者），去发现这些星体的黑暗所带来的非常积极的价值。

有一种科幻类型被称作“硬科学”，查尔斯·谢菲尔德是一个“硬科学”科幻的伟大作家，他在作品《麦克安德鲁的编年史》中假想，如果人类从迷你黑洞的旋转中获得一种几乎取之不尽的能源，会发生什么事情。他认为这是将自己推向太空的合适的能源。闪亮的旋转的黑洞成为人类将自己从本星球、太阳系以及银河系中解放出来的方式。

再想象一下，黑洞可以成为我们逃离世界，像夏尔·波德莱尔梦想的一样去到“世界以外的任何地方”的方法。发光的黑洞形象颠覆了关于囚禁光线的想象：黑洞的吸引力，撕裂了时间和空间的跨度，成为想象中能够逃跑的机会。在1979年上映的电影《黑洞》里，一艘宇宙飞船被吸入黑洞中。这艘飞船没有像预料的那样脱离并消减到等离子体状态，而是通过空间和时间被投射出来，黑洞成了一扇闪光的宇宙大门。这种思想在电影《接触》（1997）和更近一些的《星际穿越》（2014）中都有呈现。我们可以从中看出电影编剧对于科学信息的匮乏，甚至有关于“洞”这个词的文字游戏，将“洞”当作了秘密通道，但实际上是灵感来自“硬科学”的科幻，或者它至少足够靠近一些物理学理论家的思辨。

1935年，爱因斯坦和纳森·罗森（1909—1995）发现，通过广义相对论方程得出的一些解法可以让时空的一个区域与另一个区域相连。我们将这些宇宙奇点命名为“爱因斯坦-罗森桥”。20世纪60年代，惠勒通过把这些奇点与蚯蚓在地上挖的洞做类比，将其命名为“虫洞”。它们是时间和空间之间的捷径，一边连接着吸收物质和光线的黑洞，一边连接着“白洞”，也就是物质和光线发射出来的地方。惠勒也确定了它们的不稳定性。1988年，美国物理学家基普·索恩（1940—　）和迈克尔·莫里斯指出，从理论上讲，如果被吸收的一部分物质质量为负，则可以稳定虫洞。那么虫洞是可以被穿越的吗？在我们的认知中，宇宙中并不存在负质量的物质（我们也从来没有发现过白洞）。然而，对于人的想象力（包括天体物理学家的想象力）来说，通过对称图像来平衡一个具有强烈感的图像总能给心灵带来乐趣：白洞之于黑洞，就如同密道之于监牢一样。

这就是为什么说黑洞不仅仅是一个有吸引力且我们无法逃脱的重要星体。当它鼓励想象力超越界限，逃离原本的世界时，它也包含着丰富的形式。坍缩只是太过迟缓的图像造成的倾斜线。一个有创造力的想象力，甚至是像伟大的理论物理学家或最好的“硬科幻”作者的天才想象力，反而会从中发现一种刺激物，将自己从空间和时间中解放出来。

Part 4

A　暗物质

当秘密非常巧妙的时候，它们就隐藏在光明中。

——让·季奥诺[19]，《恩尼蒙德和其他人》（Ennemonde et autres caractères）

事实上，我们发现一颗星体不是通过直接观察它的光，而是通过计算。1844年，德国天文学家弗里德里希·贝塞尔（1784—1846）指出，天狼星自身运动的异常是因为有一颗我们看不到的伴侣星体的存在；18年后，天文望远镜有了很大的改进，我们发现天狼星旁有一颗白矮星。1846年，天文学家奥本·勒维耶（1811—1877）和约翰·亚当斯（1819—1892）指出天王星的运动异常——似乎违背了牛顿的万有引力定律——是因为一颗不知名的行星导致的；天文学家约翰·伽勒（1812—1910）根据勒维耶的计算结果，在只比计算出的位置低1°的地方发现了一颗行星——后来被命名为海王星。1932年，荷兰天文学家扬·奥尔特（1900—1992）试图通过研究太阳附近恒星的速度分布来确定太阳附近的银河引力场，他得出的结论是，要解释恒星的运动，普通物质仅仅占了所需物质数量的一半。同时，美籍瑞士天文学家弗里茨·兹威基（1898—1974）研究了星系在北天星座后发座（象征物为埃及王后伯伦尼斯二世的头发）星系团中速度的分布。他于1933年指出，用来解释测得的速度所需的质量是星系团质量的十倍。“缺失质量”的难解之谜就此产生，这个难题在近50年的时间内一直没有解开。由于大量的数据表明，宇宙质量的绝大部分是很小或者不明亮的，因此无法被直接观察到，这一问题又重新回到科学家的研究当中。此外，这种暗物质似乎出现在很多不同大小的范围内：它分布在整个星系的范围内，也同样在星系团的范围内，乃至在整个可观测宇宙的范围内。

暗物质的发现

一个跟我们身处的银河系类似的螺旋形星系包含了近2000亿颗恒星，它们聚集在一个直径约为10万光年、厚度约为1000光年、中部凸起的圆盘上（光年是指光以每秒30万千米的速度运动一年经过的距离，约为9.46兆千米）。恒星之间有高温密集的气体，这些气体构成了促使新恒星产生的星际介质。这个由恒星和气体构成的圆盘的动力来源于星系旋转产生的离心力与这个物质圆盘自身引力之间的制衡。大多数恒星的轨道可以被大致分解为在圆盘平面上的旋转运动和垂直于该平面的振荡运动。这个振荡对物质的局部密度非常敏感，物质的引力吸引的作用是一种回动力，与弹簧的回动力相似。扬·奥尔特的方法建立在关于垂直于圆盘平面的振荡分析之上，他由此推导出了圆盘的引力场，从而推断出其质量分布，然后只需将这个质量分布与针对恒星的普查结果得出的质量分布进行比较。为了解释局部的运动，扬·奥尔特认为所需的物质密度必须是他所观察到的物质密度的两倍。如今，得益于依巴谷卫星的天体测量观测，关于银河系盘面的暗物质问题似乎已经得到了解决。依巴谷卫星提供了一个由约12万颗恒星组成的更为公平的、准确的、完整的实验采样，这是扬·奥尔特所没有的。最后，圆盘的动态密度与观测到的恒星密度相符，似乎圆盘中并不需要有暗物质的存在。2013年12月发射的盖亚天体测量卫星正在进行同样的研究，但它的研究样本中包含的恒星数量是依巴谷卫星的8000倍。另外，对恒星动力学的理解始终建立在整个星系的范围上，这个范围比其唯一的恒星圆盘要宽广得多。

星系中的暗物质

美国天文学家薇拉·鲁宾（1928—2016）是第一个通过光谱学来研究螺旋星系旋转的科学家。通过观测圆盘上恒星光线的多普勒频移，可以根据距离星系中心的长度测算出圆盘的转速。这个方法只能达到星系光线的边缘，而这个边缘距离星系中心还有好几万光年。但是通过无线电波对中性氢原子组成的星际云进行观察，可以将距离推进两倍。根据距离星系中心的长度测算出旋转速度，我们就有可能推算出整个圆盘的引力场及其质量分布。然后，我们可以将这个结果与对恒星亮度的限定值进行比较，随着与星系中心的距离变远，这个亮度依照指数曲线减小，大部分质量应该位于靠近中心的区域。如果这个假设是正确的，那么旋转速度在远离星系中心时会先增长，然后在距离更远时，速度迅速下降。但是观察到的结果却非常不同：圆盘的旋转速度在远离中心时首先会增长，之后速度并没有降低，而是基本保持恒定。这表明，大量的物质是位于低光或不相关的区域内，以及圆盘之外。对数以千计星系的系统研究表明，这种异常是普遍的：要解释几乎所有螺旋星系的动力，都需要过量的“暗”物质，即事实上隐形的物质。解释这种异常的一个方法是，设想有一个形如球面的巨大光环，其宽度为恒星圆盘的十到二十倍。然而，为了探测到更远处的引力势能，我们必须对更远处的物体进行观测，如球状星团或卫星星系，以及银河系中的两个麦哲伦星云。银河系光环的宽度大约延伸到了几十万光年，这个光环占据了我们与距离银河系最近的仙女座星系之间空间的很大一部分，并且仙女座星系本身也有自己的光环。如果是这样的话，在一个聚集了几百甚至几千个星系、半径为几千万光年的星团里，会发生什么呢？

图8.通过直接测量得到的星系旋转曲线与通过从发光物质（恒星和气体）分布推导出的旋转曲线是不同的。这一发现是暗物质假说的起源。

星系团中的暗物质

弗里茨·兹威基在观测到后发座星团中的动力异常后，首先提出了关于星系团中有暗物质存在的猜想。如果我们把一个数量大于发光物质的隐形暗物质考虑进去，这个异常就会消失。兹威基最初的结论是基于维里定理——一个经典力学的结论。维里定理指出，在一个处于动力平衡的自引力体系中，势能的绝对值是动能的两倍。根据两个测出的量，即由光谱测定出构成星团的星系的平均速度和星团的大小，我们可以应用维里定理估计出星团的质量。现在已经证实，即便考虑到由旋转曲线研究推导出的暗物质，用于结合大星团所需的质量也远大于各星系的质量总和。

然而，维里定理的方法并不是完全确定的。首先，我们必须确保对星团中的星系进行正确的计数，避免将星系团以外的星系计算进来，也不能遗漏光度很低的星系。其次，星团并不总是处于动力平衡状态——而这是维里定理的应用条件，这个平衡时间有可能超过宇宙的年龄。最后，我们看到的星团与事实是有出入的，因为所有的距离和速度都是根据其在我们视线上的投影测量出来的。但是，通过X射线对星团的观察证实了这些得到的结果，这要归功于一些专用卫星的利用，如ROSAT卫星（ROSAT是德国伦琴卫星的首字母缩写）、XMM-牛顿卫星（XMM是X射线多镜面的缩写）以及Chandra卫星（这个名字是为了纪念诺贝尔物理学奖获得者苏布拉马尼安·钱德拉塞卡，1910—1995）。在这个发光的范围内，星团的强烈放射来自一个温度高达100万摄氏度以上的超热气体，在这个气体中聚集了星团中的星系。对星系间气体X射线发射的分析使我们可以同时确定星团和气体的总质量。所有这些信息表明，恒星只占星团动力所需总质量的2％～4％，热气则仅占12％～16％。这意味着，如果要解释星团动力，这里还缺少80％～86％的质量。近期的一个方法证实了这些结果，这个方法旨在分析位于星团外的星系发出的光的引力畸变。

宇宙幻象

自1986年以来，众多的星系团图像展现了变形的星系。最壮观的图像展示出一些巨大的发光弧，这些结构被认为是位于星团后面的星系的变形图像。爱因斯坦的广义相对论预测这是一个“引力透镜”效应。如我们之前所见，广义相对论将时空描述为一个由于物质存在导致变形的弹性网络。光是沿着弯曲时空的较短路线（短程线）运动的，因此光的运动轨迹会由于物质的出现产生偏差。与玻璃透镜导致的光线偏移类似，质量起到了“引力透镜”的作用。

我们根据引力透镜对观察到的发光弧做出了解释，对变形图像的光谱分析可以证实这一解释。实际上，由于宇宙膨胀，一个遥远物体发出的光会发生红移。形变源的红移总是高于干扰星团的红移，并将形变源置于星团之后。比发光弧更常见的是小弧，小弧是星系背景的小图像，由于星团场的影响发生轻微的扭曲。这些畸变的分布、方向和强度使我们非常准确地、可能略带些模糊地重新构成导致畸变出现的星团质量分布。所有这些研究的结果都是质量的增大，它以一种完全独立的方式证实了速度分布研究和X射线发射的研究结果。

宇宙中的暗物质

引力透镜的研究方法可以应用到整个天空。遥远星系和地球之间存在的物质会导致遥远星系的光线发生偏离，我们所接收到的图像会发生轻微变形，这些图像可以让我们重新构成宇宙范围内的质量分布。1996年，法国天文物理学家雅尼克·梅里耶（1958—　）和他的团队着手测定整个宇宙中的暗物质数量，并画出暗物质在星系团之间的分布图。2012年年初，爱丁堡大学的苏格兰天文学家凯瑟琳·海曼斯和不列颠哥伦比亚大学的法国天文学家卢德维奇·范瓦尔贝克领导的团队推进了这一进程。他们选取了前所未有的宇宙范围，并成功地绘制出其中的暗物质。为了勾勒出暗物质的轮廓，他们研究了位于天空四个不同区域的1000万个遥远星系发出的光的畸变。欧洲航天局正在进行的欧几里得天文任务，旨在测定宇宙中暗物质的分布情况，以及自宇宙大爆炸以来这一分布的演变方式。

图9.引力透镜效应。一个星系的质量会使遥远的类星体的光线发生偏转。位于地球上的观察者看到的光线图像是多重且扭曲的。

整个宇宙中充满了宇宙微波背景辐射，关于这一辐射的研究使得我们可以确定宇宙的总成分。我们还记得，在2725开尔文的均匀温度下，这道古老的辐射是以黑体辐射的形式被观察到的。但温度微小的不均匀性就会体现出原始物质（未来星系的起源）中密度的不均匀性。在宇宙学标准模型的框架下，对这些不均匀性的统计研究使我们可以估算出宇宙中物质和能量的密度。结果令人惊讶：宇宙中物质的密度比普通物质的密度高出5倍（26.8％ vs 4.9％），而且，总密度受制于迄今未被探测出的能量元素（68.3％ vs 31.7%，参见关于暗能量的下一章）。

原始核聚变

另一种观点认为，有一种未知的物质存在。如果我们回到过去，回到宇宙微波背景发射之前，宇宙经历了一个温度高达100亿摄氏度的阶段。由于温度过高，核的强烈相互作用无法确保核心的稳定。因此宇宙流体由核子（质子和中子）的混合物组成，其中有大量的电子、光子和中微子。中微子的作用非常重要：核子不断吸收和放射中微子，它们将质子转换为中子，将中子转换为质子，以达到二者之间的平衡。

由于宇宙的膨胀，温度下降，中微子不再与核子产生相互作用，从而打破了之前的平衡。中子是一个不稳定的粒子，在不到十五分钟的时间内，它就会分裂成一个质子、一个电子和一个中微子。保存中子的唯一方法是将其与质子结合以形成氘原子核。这是核聚变产生氦-4原子核、氦-3原子核和锂-7原子核的第一步。三分钟后，宇宙膨胀导致的冷却终结了这个最初的核作用。原子核中中子的比例是多少呢？这个答案取决于宇宙中包含的物质数量。如果其中核子的数量非常少，质子和中子之间的相撞就很少，产生的氘也会很少，大部分中子会被分解。如果是这样的话，与氢相比，氦-4产生的比例很小。相反，如果宇宙中有大量的核子、质子与中子频繁相撞，核反应有多剧烈，氦-4产生的比例就有多大。而且，物质的总量会影响到膨胀的速度，从而影响到原始核聚变持续的时间：短暂的核聚变持续时间将会对应少量的合成元素。因此，测定出目前氦-4比例的原始基值，我们可以估计出宇宙中由质子和中子（也叫重子物质）形成的物质的数量。我们所发现的值为4.9％，这就证实了，可观测的宇宙中大部分物质不是以发光的形式出现的，气体和恒星只占普通物质的0.5％。

一个新的定律？

然而，暗物质之外的其他假设可以用来解释观测到的动力异常。我们现在要做的不是假设一个新的实体——如暗物质——的存在，保证物理定律不变（“本体论”的方法），而是可以通过修正这些定律来减少理论与发现之间的差距（“立法”的方法）。因此我们认为，修改理论框架是一个可取的方法，也就是说，可以引入一个引力以外的力量，或者对引力法则提出疑问。1983年以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（1946—　）提出的“修正牛顿动力学”理论（也称MOND理论，Modified Newtonien Dynamics的缩写词），就是对万有引力定律提出了疑问。他假设在出现微弱的加速度的情况下，万有引力会遵从修正后的定律。这个提法很好地解释了星系内的旋转速度，但MOND理论仅在这个范围内成立。MOND理论被用于描述星系团，尤其是Boulet星团（船底座）的结构，也需要提出一种非重子的物质形式。很多精准的测试限定了新的万有引力定律的使用范围，这些测试也是广义相对论在太阳系中所用过的。另外，关于万有引力的实验是在大范围内进行的，科学家们巧妙地将相关数据与引力透镜、星系团以及星系速度结合起来。他们得出的结果几乎完全排除了一些替代理论。只有引出暗物质的模式是有成果的：这个模式给出了最简单的解释，但同时引出了一个神秘的物理学实体。

暗物质的属性可能是什么？

如果说只有通过暗物质的引力作用我们才能发现它，那么它是由什么构成的？答案很简单：或者是一种已知物质的不发光形式（“重子”物质），或者是物质的未知形式（“非重子”物质），这种未知形式最终会比我们已知的形式更为普遍。那么，它以何种形式存在呢？答案很多。

气体和尘埃通常可以通过它们的发射线或吸收线检测到，因此从这个意义上讲，它们并不是真正的暗的。它们在银河系星盘中存在的数量相对较大，在银河系中，气体质量大约只有10%到15%的恒星质量。但是气体和尘埃的质量仍然不足以解释星系的旋转曲线，光环不可能完全由辐射气体构成：它的平衡温度接近100万摄氏度，这个温度会导致X射线的辐射比我们所观察到的要强得多。一方面，我们对原子氢进行了深入研究，它的数量显然并不够充足；另一方面，分子氢的含量几乎不受限制，但分子氢是不能被直接检测到的。

中子星和黑洞也有可能是暗物质。在宇宙形成之初，第一批超大质量的恒星可能会在自己最终崩塌时创造出大量的中子星和黑洞。为了使90％的重子最终到达中子星或黑洞中，质量较小的恒星（太阳质量的1/2到1/4）的数量必须非常小。问题在于：银河系星盘上70%的恒星都是这样质量的恒星，它们的质量不到太阳的一半。而超大质量恒星在成为中子星或黑洞前，就发生了爆炸，成了超新星，它们的大部分质量在星际间飘散，于是星际间充满了爆炸中产生的重核，如铁。宇宙中重核的数量比我们已知的数量大得多。最后，黑洞接受的星际气体，由于在坠落期间其温度剧烈增高，也必须以能够被探测到的红外线形式进行放射。我们没有探测到任何这种形式的红外过量现象。

还有其他种类的不明亮物体，如褐矮星。这些恒星质量较小，不到太阳质量的8%，过低的质量使它们无法产生热核聚变反应，白矮星也由于体积过小而无法发出明亮的光。它们是类太阳恒星进化的产物。而中子星是超大质量恒星死亡后留下的星体，它们是完全不发光的。

中子星、黑洞、白矮星和褐矮星统称为晕族大质量致密天体，也就是MACHO（Massive Compact Halo Objects）。这些天体的数量足以解释星系中的巨大光环吗？ EROS计划（Expérience pour la Recherche d'Objets Sombres，寻找暗天体实验）旨在回答这个问题，每天晚上都有一台望远镜在测定麦哲伦星云（银河系的两个小卫星星系）中数百万颗恒星的亮度。由于银河系光环中的一颗暗星体从已知恒星的运动轨迹上经过时，会导致光线在短时间内扩大，我们需要探测出这个短时间内的增长量。另外，还有一个引力透镜效应。我们经过十年的追踪研究确定，银河系的黑暗光环并不是主要由暗星体组成的，重子暗物质的属性问题始终是一个谜。

此后，天文物理学家大多承认非重子暗物质的存在。他们将希望寄托在中微子这个与物质相互作用非常微弱的粒子上。中微子的质量虽然不为零，但也不足以解释非重子暗物质。我们至多可以认为，中微子对宇宙物质平衡做出的贡献与恒星相当。除了中微子外，粒子物理学还无法确定地知道有哪种粒子可以与非重子暗物质相对应。然而，新的理论发展拓宽了粒子物理标准模式的领域，预测了新粒子的存在，而这些新粒子很有可能是暗物质的组成部分，它们的通用名称是WIMP（Weakly Interactive Massive Particles，大质量弱相互作用粒子），它们是一类大质量的、稳定的粒子，与物质的相互作用很弱。新粒子中最轻的是“超中性子”，它可能就属于WIMP粒子。物理学家们希望能够在大型加速器中检测到它们，如位于日内瓦的CERN大型强子对撞机。他们还试图通过安装在数百米岩石或南极冰层下的探测器来发现它们的存在，这可以对WIMP粒子起到保护作用，避免它们受到其他类型的粒子的影响，以便探测出暗物质粒子与机器中原子的罕见相互作用。这些实验是很困难的，因为它们要面对很多的干扰源。一些实验团队宣称观察到了暗物质的信号，但其他实验团队则宣布这些发现无效。目前，这个问题依然没有答案。未来几年，情况或许会变得明朗，因为实验人员在不断地提升探测仪器的灵敏度。如果在研究人员的努力下，这项研究依然没有成果，那么暗物质的理论肯定很难成立。无论如何，在探究暗物质的起源方面，天文物理学家已经用一种外来的物质填满了整个宇宙，关于这种外来物质的探索很可能是21世纪最伟大的科学冒险之一。

B　 暗物质的炼金术

现代诗人重新发现了炼金术士关于黑色的古老遐想，炼金术士们在寻找一种比黑色更黑暗的黑（Nigrum nigrius nigro）。

——加斯东·巴什拉， 《土地与对静息的遐想》

20世纪30年代，瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹威基在后发座的一个星团中发现一些星系的相对速度异常地高。他得出结论，如果这些速度能由引力效应来解释的话，就意味着存在一个质量，它远远大于已经被观测到的物质质量。他的同事们没有被这个结论说服，而是产生了怀疑，甚至剥夺了他检验假设所需的观察时间。兹威基是一个脾气暴躁的人，他因为失去了观察时间而感到痛苦，于是他对同事们使用一些恶意的讽刺。渐渐地，他感到自己被完全孤立，有些人开始到处传播一些关于黑的传说，认为是他性格中“孤狼”的那一面使他被排斥。无论如何，由于大家不愿意听从他的假设，天文学和物理学的发展停滞了40年。而关于暗物质的起源问题，好像就存在着某种我们不愿意看到的东西。

如今，这个借口似乎已被推翻：形容词“暗”和“物质”配合使用，总是意味着发现这种神秘物质的困难甚至是不可能的，但是这种晦涩往往也会对科学研究起到激励作用。几乎所有的天文物理学家都相信暗物质的存在，即便他们并没有亲眼看到过。因此，黑色成了这个假设实体的一部分。因为这种物质是“暗的”，是未知的，所以这个外来的物质激发了科学家们的想象力。它的黑暗意味着通过常规手段无法探测到它的存在，但是这种束手无策不再被解释为暗物质可能不存在的指征。与此相反，它的黑暗反而让这些看似疯狂的理论思辨显得合理！暗物质是所有天文物理学家和粒子物理学家共同寻找的隐藏物质。

一种比黑色更黑暗的黑

为了研究暗物质的假想共振，我们将使用一种神秘艺术的形象以及一种隐藏真相表达的话语资源：秘术语料库。天体物理学与炼金术之间的这种亲密关系，并不意味着古老的炼金术士的研究与当代科学家的研究有丝毫联系。我们是基于想象中的事物提出的这个方法，因为关于秘术的文字勾勒出无数与物质、神秘和黑暗相关的形象，这些文字通常用来描写被炼金术士称作“暗物质”的东西，而它们的另一个名字则更加被人熟知：“苦炼”（或称深渊）。因此，我们将研究的是，暗物质的炼金术形象在接触到关于暗物质的天体物理学假说时，是如何被唤醒并转化的，以及作为回报，它是如何对暗物质进行“上色”的。

和天文物理学家们研究的暗物质一样，炼金术士的暗物质首先是与星体的光相对的：它就像是一个阳光永远无法照到的阴影。德国炼金术士米夏埃尔·迈尔（1569—1622）用一种非常神秘的方式，将这个神秘的阴影与天文艺术联系起来：“在天文学中，阴影的作用非常重要，如果没有阴影，关于这门科学的研究将很难完成。”（《逃跑的阿塔兰塔》，1618年，189页）他的论说从物体投射的影子讲起：“太阳不能穿透密实的物体，因此所有的影子都与事物是相对应的；阴影自然比事物要低等，但是天文学家依然会频繁地使用阴影来做研究，因为它为他们的研究提供了许多便利。”（《逃跑的阿塔兰塔》，1618年，189页）在这些充满奥秘的文本中，我们很难跟上作者的思维，但是似乎在迈尔看来，天文学家对阴影的使用是证明暗物质——这个隐藏在物体内部的阴影存在的有力论据。

巴什拉很喜欢阅读有关炼金术的文章。在讲黑体时，我们已经看到他同样关注隐藏在物质内的黑暗幻象。他特别赞赏这个有悖常理的空想：本质的黑可以隐藏在外部的黑之下。在想象中寻找隐藏的黑，需要我们到达黑的最佳藏身之处的中心，才能发现“在黯淡的黑暗中产生的猛烈的黑，创造着深渊色彩的物质的黑”（《土地与对静息的遐想》，35页）。

兹威基认为，我们对一些星系预计的速度和我们所观测到的速度之间存在差距，这个差距本应促使他的同事们考虑这个引出质量缺失假说的异常。如果我们始终处于广义相对论的理论框架下，要解释观测到的速度，实际上需要承认我们已知的物质只是宇宙质量的一小部分。当然，兹威基没有完全受限于这个本体论的假设（通过创造新的物质），如罗兰之前解释过的，他可以修正万有引力定律。这种“立法式”的解决方法尤其受到MOND理论拥护者的支持。如果我们对牛顿第二运动定律进行修正（牛顿第二运动定律确定了力的作用与惯性和加速度相关），说暗物质不存在，这并不是真实现象，而只是由标准理论的不足之处导致的阴影，但是，我们已经在炼金术士关于暗物质的思辨中发现了这种本体论的犹疑。迈尔认为，暗物质是存在的，但它不是普通物质，它只是一个阴影，因此与宇宙中可以被观测到的物质相比，它是一种类似于非物质的存在：“阴影是非常有用的东西，即使它更类似于非物质。哲学家们眼中的阴影就是这样的，是一种比黑色更黑暗的黑。”（《土地与对静息的遐想》，35页）于是暗物质的黑有了一个想象中的特殊性：它是“Nigrum nigrius nigro”，一种比黑色更黑暗的黑。

天体物理学家的暗物质中包含“noire”（黑色的），因为电磁波无法探测到它。我们知道物理学中的黑知识，总的来说，代表着我们无法观察到的东西。然而，与之前物理学赋予黑色的定义相比，我们应该强调：我们无法看到黑洞，但是当它与光相遇，二者就会发生相互作用，黑洞会吸收光线。相反，暗物质绝对不会与相遇的光线发生相互作用，它既不会吸收光，也不会放射光。它只有通过万有引力的形式才会与光和普通物质发生相互作用。因此，暗物质中黑的含义超越了物理学中黑的普通定义，它是一种“比黑色更黑暗的黑”。我们甚至会质疑，“黑色的”这个形容词是否还能恰当地表达一种隐形的、不可触摸的、透明的物质。黑色表达的是一个决绝的隐藏，可奇怪的是，它并不会让我们产生怀疑，反而让我们更坚信它的存在。在我们的想象中，黑色的东西是坚定可靠的。

通过特例假设（甚至在严格的实证主义者看来，是一种形而上学），暗物质源自一种物质化。缺失的质量首先是科学模式中的一个问题、一种异常。如果我们按照英语“dark matter”的说法将暗物质直译为“matière sombre”（昏暗的物质），那只是一个未定的解决方法，但是暗物质不只是一个简单的假设：它在一些科学的论说中获得了不容置疑的真实身份。当我们将暗物质“绘制”出来时，一些人会把它们呈现为对现实的间接观察，而事实上，当我们为了解释观察到的事物而提出假设，这种“绘制”只是严格地通过数字模拟的方式将暗物质呈现出来。因为它被称为“物质”以及“黑的”，于是缺失的质量在想象中也是一种确定的存在。

科学家们假定一些没有被观察到的物质是存在的，这并没有什么值得不满。面对与理论预言之间巨大的差异，科学家们只能在两个非常冒险的解决方法中做出选择：修改理论，或者在现有的理论框架下创造一种新事物。目前我们还无法知道这两种策略哪个更好。然而，不容置疑的是，“黑色的”这个称号在这里并不是中性的：它促使我们做出估计而不是产生疑问。黑暗结合了两种相反的想象动力：它强化了我们对于暗物质存在的信念，同时它又暗示暗物质是遥不可及的。这种比黑色更黑暗的黑是不是一个神秘人诈死的特点呢？还是这只是它蜕变过程中一个暂时的状态呢？

苦炼

在炼金术中，黑化或苦炼只是一个阶段。在它之前是白色的作品，然后是红色的作品，最后会成就一个被寄予希望的伟大作品。在古埃及，俄耳甫斯教和基督教的圣像中，死亡之后伴随着复活，炼金术士们在获取关于物质的准确知识前，会将黑暗的这个步骤看作一个有害的但是必不可少的阶段：“这个物质，黑色的或者被染黑的，是开启一切的钥匙……这个黑暗指示了真正的操作方式，因为这个物质在变化，它被自然中真正的腐败所腐蚀，而从这腐败中会产生一种新的物质。”（贝尔纳·勒特里维桑，《被遗弃的话语》，15世纪初，428页）作为通向最灿烂的华美之物的钥匙，假设暗物质要被很好地保护起来，似乎也很自然。发现暗物质秘密的兴奋之情是非常具有启发性的，将我们的想象再发散一些，似乎天体物理学家在对魔法石的寻求中，与炼金术士达成了一致，这种一致不表现在他们的调查手段上，而是他们都对自己研究的事物有一种迷恋：他们的黑暗物质都是极为重要并且是隐藏的。难道不是因为它很重要所以才隐藏起来的吗？

炼金术士认为，黑暗物质与土星有着紧密的联系，土星是一个将行星与光圈、古罗马时间之神和铅叠加在一起的象征。土星是黑暗物质之“父”，它将黑暗物质保护和隐藏起来，它将黑暗物质制造为一个拒光的，仿佛是封闭起来的神秘物质：

土星的愿望是将这个金色的孩子包围在自己的身体里，不是以灰色的形式，而是用一种黑暗的光辉……土星用自己黑色的外套将他遮盖……它用触及了死亡当中最高级别物质的自由欲望（金体）组成它的本质；然而它并不是死亡，而是一种代表了天上神圣物质的隐藏。（雅各·波墨，《事物的标记》，1621年，29页）

通过烧烤或溶解在酸中得到的黑暗产物是毫无价值的，但是同粪便相比又弥足珍贵，因为这是创造出可以变铅为金的魔法石这个伟大工作的第一阶段。同样，暗物质在开始时也只是用来解释一个令人费解的异常的一个方法，但是它成了天文物理学的一个圣杯，能够解释清楚它的属性的人就向理解宇宙，以及获得诺贝尔奖，前进了一大步。

宇宙的阿尼玛[20]

对于承认暗物质存在的人来说，这确实是一个拂去面纱却并未完全展现的新宇宙：宇宙中的物质比我们所看到的要多得多！因此，普通物质只是真实存在物质的九牛一毛而已。这种理论视角的翻转可以与无意识生命的心理分析发现相比：我们意识到的存在只是在我们精神中出现的一小部分，我们所做的很多事情都无法由我们的思考和有意识的决定来解释。卡尔·荣格的服从精神分析坚持认为，只有当我们能够接受自己真实性格中被压抑的阴影部分，以及不安和危险的那些方面时，我们才会意识到自己的真实性格。荣格将我们心理中的这一方面称为阿尼玛，一个阴暗的隐藏的灵魂，与阿尼玛斯[21]不同，它是我们个性中被接纳、有价值且积极的那一面。

虽然阿尼玛是人类心理中被动而阴暗的那一部分，但它却是最重要的。如果我们做一个类比，那么，暗物质就是宇宙中的阿尼玛。

荣格在炼金术士的书中找到了很多这种心理基本二元性的表现形式，通常表现为雌雄同体。炼金术士的文字和版画中充斥着这样的原型，对于精神分析学家来说，它们是非常宝贵的材料。炼金术并没有真正被实验所限制，它用各种符号进行着游戏，在这个程度上，它可以自由地将集体无意识的原型投射在炼金术的“物质”上。然而，就暗物质的属性而言，天体物理学中也缺少实验的参照点。它发现了一块处女地，这是最具思辨性的粒子物理学所乐见的。事实上，为了弥补巨大的质量差异，天体物理学家首先寄希望于他们所称的“昏暗的物质”上，也就是很难被发现的传统物质，比如白矮星、褐矮星和黑洞。通过这些词组我们发现，这些星体赋予了暗物质一点色彩。但是这并不够，还差得远呢。于是他们呼吁粒子物理理论学家们发明各种各样的外来物质，也就是说，与已知的物质不同，却可以合理地存在于一些理论框架下。于是宏观宇宙和微观宇宙之间建立起了联系。

宏观宇宙和微观宇宙的结合

因此，会出现“冷的”暗物质（其速度低于光速），是由大质量粒子所组成的，但由于这些粒子与其他物质相互作用非常少，因此到目前为止还没有被探测到。同时，也会出现“热的”暗物质（其速度接近光速），已知的三种中微子是它的组成部分。最后，还会有“温暖的”暗物质，它的主要组成部分是第四种中微子，“无效”中微子（我们称之为无效，是因为它不会与物质产生相互作用，并且无法被探测到）。另外，一些炼金术士也会拿他们关于古代原子论中暗物质的猜测做比照：“因为你肯定会很快看到所有如煤炭般的黑色，以及你的化合物中所有成分都会变成原子，你就为此感到欢欣吧。”（乔治·斯塔基，《通过国王封闭宫殿的开放入口》，1645年，672页）这些原子是德谟克利特原子、伊壁鸠鲁原子和鲁克丽丝原子。它们只在形而上学中存在。

对于天体物理学家来说，寻求与物理学的另一个分支达成一致的唯一途径就是进步，可以先验地说，这个方法意味着新的约束。然而，关于暗物质属性假设的增多也带来了麻烦。继续做一个不太礼貌的类比，我们可以猜测粒子物理学家被迫创造出太多的外来粒子，以填补天文物理学家的缺失质量，这种方式就和炼金术士赋予黑暗物质很多名字和符号一样，他们这样做只是为了掩盖这些物质在自然界中不存在并且在他们鼓吹的炼金过程中也无法产生的事实。于是黑暗产物也被称为“黑色的树脂”“燃烧的盐”“熔化的铅”“不洁的黄铜”“氧化的镁”“让的乌鸦”“西方”“黑暗”“霉斑”“死亡”“水星的腐化”，或者是“哈迪斯冥王”。不言而喻，当树脂、盐、铅、黄铜、水星或者氧化镁的首字母都大写后成为术语，这些术语的含义就和它们原来所指的普通事物不一样了。

“乌鸦的头”也是一个经常出现的词组：似乎在“腐化”过程的一个阶段，蒸馏瓶中所含物质的一部分必然会挥发成一种黑色蒸气；因为乌鸦是“黑色的鸟”，所以这种物质被命名为“乌鸦的头”……尽管如此，这个名字也和神话有关：乌鸦也是一种与柯罗诺斯有关的鸟，柯罗诺斯是古希腊人的时间之神，与拉丁人的农神相对应，也类似于斯堪的纳维亚人的生命、死亡、战争和魔法之神奥丁，伴随他的是两只分别象征思想和记忆的乌鸦。词汇的丰富性和符号的连贯性掩盖了物质参照的空洞。每一个炼金术士都无法解释清楚他所说的是什么，诚如沉迷于炼金术研究内容的专家所说，一个炼金术士只要能够清楚地表达自己，他便不再配得上炼金术士这个头衔。从本质上讲，炼金术是一种隐藏自己假装知道的秘密的艺术。

天体物理学家和粒子物理学家在寻求宏观质量和微观世界变化之间的结合时，透明度在其中发挥了作用。他们对暗物质的探寻同样是不确定的，粒子加速器有效地取代了蒸馏器，但有时实验也会失败。因此冷的暗物质应该由“对称”粒子组成，也就是说，我们会给每一个玻色子对应一个费米子，反之亦然。这些新的粒子迄今为止从未被观察到，尽管“超对称性”已经预测出它们的存在——“超对称性”是粒子物理学家通用的标准模型的扩展。可是截至目前，欧洲核子研究中心（CERN）使用大型强子对撞机（LHC）依然没有发现它们，于是一些理论家认为这个理论可能是“死了”。

热的暗物质是由已知存在的粒子——中微子组成的，但是它们的数量和质量只能解决一小部分缺失质量的问题。至于构成温的暗物质的无效中微子，只有在转化为另一种中微子时才会与物质发生相互作用，因此我们无法直接观察到它。核电站的中微子流量有轻微的不足，只有这一点可以证明它的存在。但是由于这种温的暗物质数量很少，也不足以解释巨大的缺失质量。暗物质当然是解决缺失质量问题的一个方法，但是这个方法本身就是有问题的：它是用黑暗来解释黑暗的，即“obscurium per obscurius”。

在这个关于暗物质的遐想结束时，天体物理学家们的黑概念已经变成了一个奇怪的、让人联想到炼金术妄想的黑色形象。我们不要忘记，如果说炼金术中黑暗的作品会让我们想起天体物理学中暗物质的隐秘图像，这是因为科学概念的作用恰恰是要隐藏这些图像。如果我们拿科学的不确定性与炼金术的幻想做比照，则必然招致科学家以及神秘的“炼金术士”的反对。目前，虽然在物理学家们的努力下，我们依然无法看到暗物质，但是这并不意味着我们提出的是一个错误的假设。虽然炼金术确实与科学无关，但其对于一些符号的思考可能创造出一种智慧的形式。

然而，在认识论专家和精神分析学家看来，暗物质似乎是一种仓促而可疑的实体，他们认为，最好继续讨论“缺失的质量”问题，并且记住这是一个公开的问题。然而，MOND作为另一个重要理论也会带来一些困难，而对物理定律进行修正是一个不容轻视的选择。

至于探寻暗物质的精神观点，我们要知道，炼金术不只是一个江湖骗子和投机取巧的黄金商人的技艺。在荣格看来，这也是一种传教式的话语，让人们可以在自我与心灵的无意识倾向中达到契合，来理解自己生命的成熟过程。如玛格丽特·尤瑟纳尔（1903—1987）在她优美的小说《苦炼》的标题中表达的那样：“我们依然在讨论，这种表达方式是否适用于对物质本身的大胆实验，还是说它代表一种将思想从常规和偏见中解放出来的精神测试。”这里有一个美好的用语——“将思想从常规和偏见中解放出来”，这应该是思想在黑暗中摸索前进时的指引线吧。

Part 5

A　 暗能量

它如夜晚、如真空般黑暗。

它像是一张底片。

——约瑟夫·布罗茨基[22]，《山丘》（Collines）

宇宙学旨在构建一个对可观测宇宙的严密的描述，这个可观测宇宙也就是所有可以通过光与我们进行相互作用的东西。它是一个以我们为圆心的球体的内部，它的半径约为450亿光年，包含数千亿个星系。为了描述这个我们观察到的整体，宇宙学构建了一个模型，一个基于目前关于地球以及我们对宇宙观测的实验所验证出的物理规律和知识的理想化描述。当代宇宙学模式有一个更加大众化也更为人所熟知的名字是“大爆炸模式”，这个模式建立在阿尔伯特·爱因斯坦在一个世纪以前提出的广义相对论的基础上。在这个模式中，万有引力是以几何学的方式、用弯曲的时空来描述的。具体来说，虽然自由落体运动在牛顿理论中被解释为万有引力，但在爱因斯坦理论中，它被理解为弯曲时空中较短的路径。时空的几何形状确定了物质的运动轨迹，反过来，物质的内容造成了时空的变形。广义相对论方程将时空的几何形状和物质内容密切联系在一起。只有通过一个双重假设才能求解这些高度复杂的方程式：宇宙的几何和物理特性，在一个特定的时刻，在所有的点以及点周围的所有方向上都是相同的。换言之，宇宙是同一的、各向同性的。1915年，爱因斯坦引入了“哥白尼理论”，之后俄罗斯天文学家亚历山大·弗里德曼（1888—1925）和比利时天文学家乔治·勒梅特（1894—1966）分别于1922年和1927年引入了这个理论，“哥白尼理论”将我们引向了简单的宇宙学模式：在任何时刻，空间的几何学特点，尤其是它的曲率，在所有的点和方向上都是相同的。然而，曲率会随着时间而变化，这给这些模式带来了意想不到的动态特征：空间可以膨胀。1917年，爱因斯坦正是基于他的广义相对论框架构建了第一个宇宙学模式。他深信宇宙是静止而永恒的，但他又发现通过他的方程式最终会得出一些动态的解决方案。为了得到一个与他的哲学信念相一致的解决方案，他不得不将一个常数引入他的方程中，这个常数是唯一被核准的，名为“宇宙常数”。

几年之后，在1929年，人们证实了大范围距离的宇宙动力学。

美国天文学家爱德温·哈勃（1889—1953）观察到，来自遥远星系的光的频率会发生红移。这个现象是多普勒效应造成的：当发射机与接收机之间的距离变大，声音或电磁信号的波长会发生伸展。爱德温·哈勃在可见的逃逸速度和星系距离之间建立了一种比例关系，即“哈勃定律”。在广义相对论的框架下，哈勃的发现可以被认为是宇宙膨胀的结果：空间发生了伸展，于是我们感觉星系之间的距离变大了。哈勃定律的比例系数被称为“哈勃常数”，这个常数量化了宇宙的扩张速度，其精确程度可以达到1％：约为每秒21.3千米比100万光年。根据哥白尼原理，现在一个从另一星系观察宇宙的观察者将获得相同的结果，特别是他会测算出与哈勃常数相同的值。然而，这个宇宙学原理并不意味着过去观测到这个常数的人现在会得到相同的结果，因为哈勃常数会随着时间发生变化。

爱因斯坦只在20世纪30年代初承认了宇宙膨胀的现实，因为这是他的理论结论，但同时也否定了他的宇宙常数。于是，宇宙常数失去了原本存在的理由，并被动态宇宙模式所替代。虽然爱因斯坦抛弃了宇宙常数，它却吸引了其他天体物理学家的注意，因为它可以解决宇宙年龄的问题。当时，没有参照宇宙常数的模式计算出的宇宙年龄约为20亿年，而通过地球化学测量法推导出的地球年龄为45亿年。在勒梅特关于宇宙学解决方法的系统研究中，他注意到宇宙常数可以暂时地“冻结”宇宙扩张，从而校准宇宙的年龄，以便严密地进行时期观察。在之后的几十年里，关于宇宙常数的讨论仍在继续。宇宙学家遇到的问题是尺寸。宇宙的年龄是通过估计哈勃常数和可观测宇宙的物质内容来确定的。不幸的是，哈勃常数的测量值和物质内容的清查会根据观察结果发生变化，这使得宇宙年龄的问题也瞬息万变。自那之后，宇宙学家开始做一个系统的清查，目的是对宇宙的每一个组成部分进行编目和“称量”，最新的数据来源于大型星系目录，以及主要由欧洲的普朗克卫星发回的对宇宙微波背景的观测结果。

令人惊奇的观测结果

20世纪90年代末，有两支团队已经开始测量过去宇宙扩张的速度，这两支团队分别由来自加州伯克利大学的索尔·珀尔马特，以及来自澳大利亚堪培拉大学的布赖恩·施密特和来自伯克利大学的亚当·里斯领导。为此，他们观测到远在数十亿光年外的超新星（SNIa）的光通量。这些恒星的爆炸非常有趣，因为它们的最大亮度是可重现的。因此，对它们的可见的光通量的测量等于测算爆炸时发射的光子所经过的距离——这个距离取决于宇宙的几何形状和内容。对这些遥远的SNIa的观测显示，在仅由物质构成的宇宙中，它们可见的光通量比预期的要弱得多。这些超新星的光所经过的距离也比预期的要远——宇宙膨胀的速度似乎加快了。发起这些研究的人因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。由于结果出人意料，研究人员开展了关于遥远的SNIa的新研究，其中包括对超新星遗留物的探测调查（SNLS）。从2003年到2008年，通过直径为3.6米的加拿大-法国-夏威夷望远镜，SNLS发现了数百个河外SNIa，而之前的观测数据则约为50个。科学家们为此做出了巨大的努力，因为SNIa很少见：对于一个类似于银河系的螺旋星系来说，几乎一个世纪才会有一次爆炸。在清查结束时，SNLS已经掌握了约500个SNIa，这些超新星采集自过去20亿至80亿年内的宇宙。这些测量表明，在仅包含物质的宇宙中，来自遥远的SNIa的光通量被证实的确低于预计通量。它们与宇宙处于加速膨胀的假设相符。

对于研究者来说，我们必须承认一种能够加速膨胀的能量成分的存在，它既不是物质也不是辐射。爱因斯坦的广义相对论方程中可能包含这样的一个成分，作为属于平等的“物质含量”方面的附加术语。这个未知的能量成分被称为“暗能量”。事实上，爱因斯坦已经在他的方程中引入了与暗能量相对应的数学术语，以便使这些方程获得静态的解法，这是伟大的物理学家赋予这些解法的特权。于是这个数学术语被指定为“宇宙常数”，它作为方程式中与“几何”相关的部分出现，并被解释为时空的一个属性。但讽刺的是，在哈勃发现宇宙扩张之后，它马上就被抛弃了，而宇宙的加速扩张则需要重新引入宇宙常数这个概念。因为只需调整宇宙常数的数值就可以解释宇宙的加速扩张。

解释的过剩

从物质的角度讲，暗能量是什么呢？它在爱因斯坦的方程式中的出现，可能意味着一个新的物理元素的介入，其属性与普通物质非常不同。例如，随着时间的推移，暗能量的密度保持恒定，而普通物质的密度则会由于宇宙膨胀引起的稀释而降低。由于暗能量的密度不变，宇宙的体积因为宇宙的膨胀而扩大，所以它必须不断地被创造出来。它还具有另一个奇怪的属性：和普通物质不同，它的压力是负的，与能量密度完全相反：它加快了膨胀的速度，而不是使膨胀缓慢发生。

由于宇宙学的观察，我们才能估计暗能量的密度。它的密度非常小：为了给100瓦灯泡供电10秒，我们需要收集10立方千米体积内包含的能量！然而，它却是宇宙构成的大部分内容：它的密度约占宇宙内容的68％，而物质只占32％（暗物质占27％，普通物质占5％）。这意思就是，宇宙中95％的组成内容是当前物理理论所未知的成分。标准的宇宙学模式对可观测宇宙进行了很好的描述。然而，物理学家依然需要更多关于这些被认为可以解释观察结果的实体的描述，他们甚至认为这个模式还有存疑之处。

从这些特性的推论中，物理学家已经想象出暗能量的可能属性。第一种可能性出现在量子场论的框架内，量子场论通过结合场的概念（如电磁场）以及量子物理学的规则来描述粒子及其相互作用。于是一个粒子被描述为一个量子，也就是其与相关场的基本激发。同样，真空被定义为能量最小的场，其能量不必一定为零。真空便不再是我们消除了物质和光线、时间和空间所呈现的状态，而是场的状态的一个特殊结构，也就是包含0个粒子且能量最低的结构。根据德国物理学家维尔纳·海森堡（1901—1976）提出的不确定性关系，这个特殊状态可以像其他状态一样是波动的。这些波动会产生所谓的零点能量，可以简称为真空能量。

在这个现代的观点中，真空，也就是量子场的最低能量状态，包含两个部分：真空能量，以及一个由场之间相互作用产生的势能。这个势能与温度有密不可分的关系，因此它可能随时间的流逝而变化，而这只是因为宇宙在扩张时会发生稀释和冷却。有趣的是，真空对于所有处于统一直线运动中的观察者来说，其出现的方式是完全相同的。这个对称性源自爱因斯坦的相对论原理，它意味着自身与负压有关，并且它的能量密度是恒定的。因此，真空能量与暗能量完全相同。所以，真空能量是宇宙能量的密度的一部分，可以使宇宙迅速扩张。真空能量和暗能量只能是同一个实体。可惜的是，科学家计算出真空能量的密度值比暗能量的密度值高120个数量级！在物理学研究中，预测和观察结果之间从来没有过如此大的差距。

在发现宇宙加速膨胀之前，在科学家们倾向于认为宇宙常数为零的时代，真空能量的问题就已经被提出来了。因此，我们计算出的真空能量密度必须为零，而这与我们之前提到的估计是矛盾的。解决这个矛盾的一种方法是在量子场理论中引入一个“超对称性”。量子场理论规定，标准模式中的每个基本粒子，如夸克或电子，都有一个“超对称伙伴”。这些成对的粒子具有相同的质量，不同的自旋，它们对真空能量的分摊额会相互抵消。因此，不必进行人为的调整，真空的能量就为零。不幸的是，宇宙似乎不是超对称的，因为，以电子为例，它就没有相同质量的超对称伙伴。如果超对称性是相关联的，它就必定会被打破，那么超对称伙伴的质量会比预期的要高。然而，即使在这种情况下，真空能量的密度值仍然比暗能量的宇宙学测定值高60个数量级。

其他物理学家设想出了可以造成宇宙加速膨胀的替代物质内容，人们将这些内容统称为“第五元素”。例如，一个标量场（自旋为零的场）的存在可能导致宇宙膨胀的加速，第五元素模式和观察结果是兼容的。然而，第五元素的短时演变与暗能量稍有不同，因为它不具备相同的状态参量。因此，我们试图以更高的精确度来测算这个参量，它等于能量密度和压力之间的比率（在所选单位内，这个比率是没有维数的）。对于暗能量来说，它等于-1，对于第五元素模式而言，它则不等于这个数值。于是相关的能量密度不再是恒定的，而是会随着宇宙的发展发生变化。这正是宇宙学家想要强调的时间变化。

之前提到的模式假定广义相对论可以正确地描述宇宙范围内的万有引力。但事实也许并非如此。物理学家经常遇到对引力的观测结果与被认为造成该结果的物理元素之间不协调的情况。对于这种情况的解决方法就是，探测出新的物体或者修改引力理论。因此，得益于天文学家奥本·勒维耶的计算，我们发现了海王星，勒维耶曾经通过假设海王星的存在来解释天王星运动轨迹的异常。这一点我们在介绍暗物质的章节中曾经提到过。勒维耶试图用同样的方法来解释水星近日点一百年一次的前进现象。但是他并没有成功。在他死后，这个轨道的异常被一种新的引力理论所解释—爱因斯坦的广义相对论。当代宇宙学面临着类似的困境：我们是否应该通过引入新的黑暗物理元素（暗物质和暗能量）来确保万有引力定律的正确？或者我们应当试图修正万有引力定律来解释这些观察结果？

有一种关于修正万有引力定律的方式是，假定我们的四维空间还拥有一个补充的维度，一个伸展向无限的第五维度，只有引力子——驱动引力相互作用的粒子——才能在这个补充的维度中传播。由于如光子这样的其他粒子无法进入这个补充维度，因此我们通常的测量无法涉及它，但它可以通过自己对引力的影响显现出来。宇宙学的影响是非常重要的。在小范围内，引力子逃逸的可能性很小，广义相对论的方程式正确地描述了万有引力。在更大范围内，一定数量的引力子逃逸到第五维度，广义相对论的方程式不再匹配。如果我们假设广义相对论是有效的，那么大范围内的物质的引力效应是被高估的，这个引力效应给人的印象是宇宙的膨胀速度在加快。这个模式得到了众多宇宙学家的响应，但它却带来了很多理论和实验上的难题。我们要强调的是，在远距离修改广义相对论，同时又要承认该理论在普通范围和太阳系范围内的精准测试，是非常困难的。

我们也设想过抛弃宇宙学原理。如果对宇宙微波辐射的观察结果倾向于证明宇宙实际上是各向同性的，那么大范围内的同质性仍然值得讨论。由超新星运动的同质性推导出来的膨胀加速，可能是由局部非同质性引起的。因此，我们不应该将宇宙学重新建立在弗里德曼-勒梅特的空间，而应该建立在托尔曼-邦迪的空间上，因为这个空间的主要特征是拥有一个在围绕中心的空间中发生变化的曲率，这个中心在宇宙中占据特殊位置。这些都是尚未被充分利用且仍然处于分散状态的猜想。

以上我们未能列举全部关于解释宇宙膨胀加速的方法，这说明对这个现象制定出一个物理理论是非常困难的。目前，尽管暗能量是最为天体物理学家所接受的假设，但我们之前所提及的方法都没有得到一致通过。关于解释宇宙加速膨胀的问题催生了许多研究，这些研究有助于我们更好地理解标准宇宙学模式。未来我们将得到的数据，尤其是来自欧洲Euclid卫星计划等主要观测计划的数据，应该会让我们排除掉一些无效的研究方法，帮助我们更好地理解暗能量的奥秘，以及极大范围内万有引力的特性。迄今为止，造成宇宙膨胀加速的原因仍然是一个悬而未决的问题。

B　 暗能量之谜

哲学家对事物的内在属性和原因有着模糊而不确定的猜测，他就像“一个盲人在黑暗的房间里寻找一只并不在房间内的黑猫”。

——威廉·詹姆斯[23]，《一些哲学问题》（Quelques problèmes de philosophie）

巴什拉认为，一个将自己的遐想扩展到宇宙空间的梦想家，自然会进入宁静从容的状态：“在关于宇宙的遐想中，有一条中轴线，沿着它，感性的宇宙转化为美丽的宇宙。”（《梦想的诗学》，1960年，157页）是这样一个和谐平衡和永恒稳定的梦想激发了爱因斯坦关于宇宙常数的灵感吗？它不是应该可以抵消万有引力的影响并防止宇宙崩溃的吗？通过给宇宙几何学增加一个术语，爱因斯坦认为他保证了一个同质和静态的状态，也就是巴什拉所说的“安宁”：“安宁是存在本身，它属于这个世界，属于它的梦想者。”（《梦想的诗学》，149页）在宇宙中，存在两种对称的威胁：消失和无限扩张。通过宇宙常数，爱因斯坦已经确定了这两者之间脆弱的平衡点。但是这个梦想破碎了。天文学家通过观察发现，两者间的天平在向宇宙扩张的方向倾斜，然后，更令人惊讶的是，天平转向了一个我们意想不到的方向：膨胀加速。于是这个谜团的颜色，自然变成了暗能量的黑色。

爱因斯坦说，我的方程式像是“一座建筑物，它的一边由精细的大理石构成（方程的第一端边），另一边则由劣质的木材搭建（方程的第二端边）”（《物理学与现实》，1936年，370页）。大理石代表着几何学，以及时空的曲度，而劣质的木材则是宇宙物质内容的象征。然而在希腊语中，木头是hylé，它也表示所有的物质。爱因斯坦所说的木头使我们想起了被柏拉图学派的哲学家们称为“第一物质”的东西，它是所有事物的没有区分的底物，是一种没有自己特点的、无形的、混乱的、模糊的物质。

几十年来，科学家们一直忠实于这块坚定的大理石，他们已经满足于宇宙常数以及它的几何非实体性。然后，有一天，也可能是一个夜晚，他们厌倦了扭曲时空的网格，他们穿过了代数的卢比孔河[24]。他们用自己的方法将hylé变成了一种可塑的材料，他们重新开启了丰富的本体论的潘多拉魔盒。于是，一个梦幻般的、令人不安的想象的力量被释放了，这个想象是关于最后一个也是最强大的黑色形象—黑暗。

只需进行简单的数学操作——通过将一个代数术语换到等式的另一边来改变它的符号——就可以让它的含义完全改变。这是一种在数学中很常见的实验，通过对一个方程的术语进行盲目操作来获得进展。安德鲁·怀尔斯（1953—　）在他1996年的一次访谈中解释道，数学研究就像是在一个黑暗的房间中摸索着探测：“你走进一间房间，你处于黑暗中，完全的黑暗，你偶尔会撞到家具，然后，渐渐地，你知道家具的位置了，最后在大约六个月后，你找到了灯的开关。” 另一位伟大的数学家将它比作探索被黑色面纱覆盖着的景观：“这个黑色时期标志着一个数学家踏入未知领域的第一步，这通常是周期的第一阶段。在黑色之后，出现了一道小小的微弱光芒，这让我们觉得某件事情即将发生。”（赛德里克·维拉尼，《有生命的定理》，264页）数学家非常清楚如何驯服黑暗。只有当他在黑暗中停留的时间过长，他担心在夜晚错过了一个岔路口，或是冒险走上了一条什么都没有的路的时候，他才会预感到有问题。当所涉及的不再是纯粹的数学时，在物理学上呈现出来的也将完全不同。因为即使在最理论化的物理学中，针对符号的某一项操作也会导致难以理解的形而上学的结果。于是，将方程式中的一个端边转换到另一个端边，可以将宇宙常数转化为一种神秘的暗能量，反之亦然。

“暗能量”是对dark energy这个短语最常见的一个译法，这个短语是德雷甘·亨特和迈克尔·特纳于1998年提出的，用来表示宇宙膨胀加速的可能原因。在法语里，形容词“黑暗的”和“能量”并列使用，与我们之前研究的案例相比，这个形容词包含着创新的意义。它不仅仅指探测的难度，还指出了我们对所说现象属性的无知：在暗能量的作用下，我们真正陷入了黑暗之中。以至于为了确定这个现象的属性，去参照与这种“能量”截然相反的东西，即与万有引力相反的斥力。于是“黑色”具有了一种前所未有的含义，它既是隐喻性的——表示认知的缺乏，也是思辨性的——表示纯粹否定定义的黑暗。哲学家和神学家知道这个短语，它通过列举自己不是什么来定义一个形而上学的实体——它是负面本体论的修辞。在承认理性已经达到极限，以及理性会出现无法表达或出现错觉的情况之前，这个方法一直被认为是最后的手段。

所以，能量的黑暗是神秘的。它标志着意义的反转：暗能量是与引力相反的能量。它的消极性使得它在某种意义上类似于黑弥撒的黑暗，黑弥撒是邪恶的仪式，其中使用的祝圣象征被认为是一种用来乞求魔鬼的亵渎和颠覆。这个黑暗的关联，理性的人对此嗤之以鼻：暗能量与巫术中使用的邪恶图像毫无联系……我们确定吗？

黑暗的教训

我们所讨论的能量仍然具有令人生畏的控制力：相较于其他宇宙力量，它逐渐占据上风，并迫使物质在无限延伸的宇宙中被稀释。从长远来看，星系间的距离是如此遥远，以至于它们将像孤岛一样漂浮在无边的黑暗海洋中。我们不再可能知道其他世界的存在，因为它们被推到视界以外的空间，甚至关于宇宙的概念已经消失或只是一个神话。这些黑暗的梦纠缠着被拖入关于暗能量的想象旋涡的人。它把整个宇宙都推向末日的黑暗。黑暗象征着宇宙的夜晚，一切未区分的、恐怖的事物。以米尔恰·伊利亚德（1907—1986）为代表研究这些象征的专家表示，黑暗不是具有完全否定意义的，它们具有潜在性和丰富的根源。《圣经》上讲，上帝是从原始的黑暗中、在孤独和混乱中、在混沌中创造了世界。但是这里说的黑暗出现在世界之前。相反，暗能量就像一台黑暗的发动机，开始时它的影响无关紧要，但随着时间的推移，它的影响力不断攀升。我们所说的黑暗并不是指对原始黑暗的想象，而是对最后的黑暗的想象。伊利亚德在关于“古老宗教中黑暗的象征主义”的研究中强调了这个极性：黑暗象征着一切先于存在出现的东西，它象征着无尽的虚无——它们类似于原始的混乱，在这混乱中任何形式都无法被分辨，在这个存在的前个体阶段，任何存在的结构尚未出现——但它们也象征着世界湮灭之后的一切，当个体重归枯燥的空洞，与虚无无异时，黑暗在个体消失之后仍然存在。受到暗能量影响的黑暗属于最终的消极的一面。如果它们不是“乌有”，它们仍然象征着存在的不可能性和世界末日。

谁会杀死宇宙？

和巴什拉一样，伊利亚德拿黑暗的流动和水的流动性做比照：世界的坚固程度并不比一颗孤独的水滴更高，接下来，很可能就会蒸发不见。此外，神话对创造世界的描述，就像一座由水构成的岛屿的出现，注定像未来的亚特兰蒂斯一样重新回到水元素中。亚洲、大洋洲和美洲印第安人的宇宙起源说用一些类似于饕餮的形象来描写黑暗向光明转变的过程：饕餮是一种黑色的怪物，阳光或一个发光的孩子从怪兽的嘴中逃脱出来。然而，这个噩梦一定会在我们生命结束时再次来到我们身边，古老的宗教会赋予这个中止我们生命循环的黑色怪物一个名字。但是，在末日的最后，那个将整个世界吞噬在自己黑暗的口中的怪物，我们又应该怎么称呼它呢？在某种程度上，宇宙学家已经开始了针对黑暗的征程，因为他们想要解开这个谜团。只是看到宇宙正在死亡对他们来说是不够的，他们想要知道是谁杀了它。正因如此，他们对暗能量的探寻让我们想到了黑小说当中的某个情节。

“黑小说”这个词组代表了两种不同的文学种类：一种是出现于18世纪英格兰的哥特小说（代表作家有霍勒斯·沃波尔、玛丽·雪莱等），在这种小说中会突然出现一些可怕的生物；另一种是“一战”后美国的侦探小说（代表作家有达希尔·哈米特、雷蒙德·钱德勒等），其中叙述了“辣手神探”浑水摸鱼式的调查。事实证明，对暗能量的探寻使我们想到黑暗的两种形式之间的结合——梦幻和罪恶的结合。

研究宇宙膨胀加速的物理原因，有时会让我们想起一个包含很多叫不出名字的怪物的恐怖故事。大量的假设会带来一个奇怪的本体论：一些理论家提出了“幽灵能量”的概念，这个能量有一种奇怪的特性，在宇宙膨胀期间它的密度会增加，就好像随着恐怖故事的发展，阴影会变得更厚一样。其他天体物理学家之所以给出“第五元素”这个命名，是因为它与四种已知形式的物质能量截然不同（重子物质、光子、中微子和暗物质），这样的命名方式与恩培多克勒和古代炼金术士将以太看作不同于火、水、空气和土地的第五元素的方式类似，但是如果物理学家对恩培多克勒的宇宙起源说有更多的敬意，他们应该将它称为“仇恨”，因为这是分离一切事物的力量的名称：“仇恨所引发的斥力会将每个人分别带走。”（《斯特拉斯堡誓言》）当量子真空的能量被用来解释暗能量时，它通过将广义相对论和量子力学进行融合，建立起微观宇宙和宏观宇宙之间的联系。另外，暗能量会让我们想起“力量阴暗的一面”。还有其他一些更加“骇人听闻”的假设，但没有一个令人满意。尽管有很多线索，但关于暗能量本质的研究却令人沮丧和不知所措。

因此需要提到的是，美国的黑小说，属于“黑色系列”的小说，也不同于经典的解密小说，因为它无法保证有一个美好的结局。更糟糕的是，甚至无法保证谜题在最后被解开了。有时主人公失去幻想，跟踪失败，让罪犯逃走……悬念达到了顶点。我们对暗能量的遐想可能会变成对一种难以捉摸的存在的追寻。但是我们不应该这么快就丧失信心。在想象中，我们的调查几乎不用关心隐藏在黑暗中的事物是否存在。我们只要相信它们在就可以了。因此，我们要找到一个假想的事物，它就是我们要寻找的罪魁祸首：一个黑色的、强大的、不吉利的事物，是它导致了世界的黑暗，它还能让光明化为乌有。

众所周知，北欧神话的特点是总会以一场巨大的战斗收尾，最后几乎所有的神、巨人和男人都会死亡，这被称为诸神黄昏。战斗之前有三个没有太阳的冬天。第一次提到这个世界末日是在《诗体埃达》（13世纪）中：芬里厄狼以及它的儿子哈提和斯库尔分别吞噬了星星、太阳和月亮，让世界陷入黑暗。因此，芬里厄狼是理想的嫌疑犯。当它被北欧诸神收养时，它还只是一只小小的狼崽，然后它开始迅速地长大。当北欧诸神得知它会毁灭神族时，他们认为要锁住它，他们使用的链条是黑暗精灵用一些不再存在的物质制成的（猫的脚步声、女性的胡须、山的根、鱼的气息等）。被主人欺骗，被捆绑到时间的尽头，我想我们可以理解芬里厄狼为什么会积累一股可怕的报仇欲望。杀死奥丁，吞噬星斗的芬里厄狼是理想的罪犯。

但是这里有几个细节不太说得过去……首先，芬里厄狼不是黑色的，它是灰色的。如果说黑色是北欧众神中某一个人物的特点，那么它应该属于夜晚女神诺特——巨人纳尔弗的女儿。她乘着一匹黑马拉着的二轮车遨游天空，在她之后，她的儿子白昼之神达古给大地披上玫瑰色的光辉。她一点也不像罪犯。因为这黑暗在北欧人看来与邪恶无关，如我们之前所说，奥丁的两只乌鸦就是黑色的。其次，《诗体埃达》中攻击芬里厄狼的证词并不是非常可信。它是很晚才被一位冰岛的牧师撰写出的，此时多神教在面对基督教的挑战时已经失去了自己的阵地，里吉斯·博耶认为这个作者怀有偏见，他难道不是要摧毁所有的异教神，以表示旧信仰的时代已经结束了吗？他难道不是因为受到《圣约翰启示录》的启发吗？所有这些都表明，芬里厄狼的罪行可能已经被完全夸大了。

换句话说，这可能是一个诽谤性的谴责。要解决这个疑问，应该决定宣告芬里厄狼无罪。

那其他的嫌疑人都有谁呢？在埃及诸神中，巨蛇阿波菲斯是黑色的，是在一天结束时吞噬太阳的躁乱化身。它应该去承认被指控的罪行，因为它非常想要吞噬太阳。但是所有的证词都描写到，太阳神拉在赛特的协助下，将巨蛇打得落花流水，它最后甚至被猫女神芭斯特切成碎片。总之，它尽可以自吹自擂，每次它都会遭到重击，只有在日全食期间才能短暂地占据上风。然而，埃及神话给出的线索并不止于此，因为人们可能会有疑问，阿波菲斯是否只是用来转移我们对另一个更强大的神的怀疑，真正的罪魁祸首难道不是赛特吗？他有一张黑色的嘴；据说他是“力量之主”；他娶了死亡女神奈芙蒂斯；他杀了自己的兄弟欧西里斯，并把他的手下驱赶到世界的各个角落；他还娶了狩猎女神阿娜特和爱的女神阿斯塔蒂；他还迫害他的侄子荷鲁斯；还有传说讲到，阿波菲斯不是他的敌人，而是他的伙伴！赛特这个阴谋家让大家相信，他要对抗黑暗的力量，并将攻击阿波菲斯的行动推给太阳神拉，于是他秘密地策划了黑暗战胜太阳之光的最终胜利。

赛特是如何回应这个指责的呢？首先，他不是黑色的创造物：我们称他为“红色之神”。其次，他有很多美德的表现：对拉美西斯皇室来说，他是一种残酷的却非常积极的力量。最后，他声称是因为这种以貌取人使他受到不公正的对待：他是外族人和红发人的神，他掌管着沙漠的干旱和贫困、雷声和闪电，以及一切打破了既定的秩序和受到迫害的东西。他是双性的神，是长着豺的头的神，是未被赏识的神。总之，他打乱了所有这些线索，由于缺乏证据，我们也只得宣布他无罪。

下一个要传唤的嫌疑人是古希腊神话中的黑夜女神倪克斯，她就住在案发现场——“东方的边界”，世界的尽头。但她有一个不在场的证据（她经常旅行），并且她没有力量获取众星的权力。事实上，神话中的任何造物都是没有力量的（或者应该说是抵消的力量，因为我们要体现的是反重力）。再多的寻找也是徒劳，我们无法在神话中找到一个能够象征最终黑暗的有力形象。

实体的迷幻

让我们回到出发点：对能量的拟人化是不是一个错误的路径呢？是否不知名的宇宙常数才是真正的罪魁祸首？一旦宇宙常数的数值发生变化，它就会加快宇宙的缺失。可是它太抽象了，没有物质的相关性，这打消了我们的疑虑。只要它始终属于爱因斯坦方程式中的几何部分，斥力的来源就是宇宙本身的内在结构：这意味着它就是如此，我们并不知道其原因。这就是为什么它没有给假想的投影留下太多空间。因为我们很难幻想宇宙视界之外的东西。

在我们的认知中，只有一种空想可以在宇宙视界之外冒险，那就是新柏拉图学派的空想。这个空想是令人起敬的、复杂的、思辨的，它塑造了自己的概念来驯服无限的扩张力量，并像爱因斯坦为永恒宇宙设定极限一样。然而，它像新的起点一样适应着我们追寻暗能量的宇宙学遐想，因为随它而来的是关于“流射”的记述。在歪曲某些规律的情况下，流射可以提供一种想象的叙述，这个叙述能够紧跟宇宙学的发展，或者回归到宇宙学。但是你必须知道：将新柏拉图学派提升到第一个原理是很困难的，并且关于流射的叙述与科学模式一样抽象。

普罗提诺（205—270）、普罗克洛（412—485）和达马修斯（460—537）等人创立了新柏拉图学派的“空想”。这些哲学家是这样进行思考的：要解释某一个事物，即解释为什么事情是这样的，必须找到其中的原理。但是我们只能在更高的现实等级中找到这个原理。这种自下而上的方法创造了“实体”的等级制度，这些实体都是更低等级的现实的原理。在普通语言中，动词“实体化”是将一个动作名词化（例如，当我们说“喝的和吃的”[25]），但是在哲学语言中它具有贬义的意味，特别是自从康德强调“仅仅因为从逻辑上需要某个事物来证明另一个事物的存在，就假定这个事物是存在的”，这样的实体化是不合理的。

康德认为，每当我们将假设的必要性转向对实体的确定性时都会发生误解。例如，当一些天体物理学家把暗能量看作是观察到的现实时，它就被实体化了，而事实上它只是一个解释扩张加速的假说。

如果现在实体的概念会引发认识论的一些怀疑，那么古老的新柏拉图学派的形而上学毫无保留地表现出它对逻辑和目的论的信赖，而目的论就是为了解释一个事物的存在而假定另一个事物的存在。因此，为了解释自然生物的形式，就要假设它们拥有“灵魂”，一个赋予它们生命的本源。再比如，星体运动的圆形轨迹服从于与它们静止的代蒙[26]相符合的愿望（因为圆周运动是最接近静止的运动）。心灵，也就是所有灵魂构成的整体，是我们在上升过程中发现的第一个实体。并且在所有的灵魂中，最高级和最重要的当然是“世界魂”，它可以调节整个宇宙的呼吸节奏。然而，如果没有更高级的、永恒的并且完全清晰可知的实体来确保时间变化中它们身份的统一，人们就不会理解灵魂在时间和空间中如何起作用。第二个实体是超越了时间和空间的上帝（希腊语中称为逻各斯），它将所有心智的存在汇集在一起，而这些存在中最重要的不是神，而是数字。其中最基础的是“一”，因为它统一了所有数字和所有其他的存在（从专业性的角度来讲，存在着两个“一”：一个是“统一”，通过不断的求和来产生其他数字；另一个是真正意义上的“第一”，它让所有数字拥有自身的单位数，比如，五个这样的单位数就是一个数字，也就是5）。

看到这里，你是不是觉得有些复杂和抽象，甚至还有些晦涩难懂？普罗提诺的推理并不止于此：所有的存在构成了上帝的实体，但是上帝又是如何保持他的统一性呢？当然不是通过我们刚提到的“一”，因为它只是一种本质。即使它是所有数字中最重要的[27]，它也无法从上帝那里独立出来以适用于一切。在新柏拉图学派的思想中，存在一种尊重，这种尊重针对的是逻辑的严谨性、定义以及避免集合理论内部发生矛盾问题的层级区别：“一”不可能成为它所在集合的统一原则，就像数学中没有“所有集合的集合”一样。存在之所以不能构成它的统一性，是因为在存在之前有一个非常重要的实体，这个实体是所有存在的来源，也是所有存在统一性的原因。通过这个基础原则，我们甚至不能说它是（或者不是），因为这会误解它的属性，并且把它描述为一个存在。普罗提诺将最高级的实体称为“太一”，因为它赋予了上帝统一性，并且它身上不存在任何存在或灵魂多样性的痕迹。

至此，上升的过程完成了，关于流射的故事就可以开始了：“太一”流射出上帝。然后（但是这里并不是按照时间的顺序来排列，因为此时时间还不存在），上帝有着内部的“行列”，创造出连续的数字，然后创造出所有的存在，直到他产生了关于灵魂的想法并让灵魂充分流露，于是他创造出一个时间中的现实：心灵。心灵是所有灵魂的整体，在时间和空间中赋予自然以生命，而自然则赋予物质以生命，但心灵本身不再是任何事物的起源。因此，围绕着我们的物质的东西，是最后的、最低的现实，而这些现实再向下，会碰到最低的底限，也就是“第一物质”，它是一种没有任何特性的无形物质，因为它只是所有形式的消极容器，除此之外几乎什么都不是。

关于流射的故事具有很强的逻辑严密性，它将造物神的所有独断的干预全部排除在外。“太一”对于任何神灵来说都是最高级的实体：它是所有人类尊奉的神的起源（这些神都只是一种存在）。关于宇宙常数的想象，无论对于神正论还是对于宇宙起源说来讲，都可能是新柏拉图式的。但它可能是一种颠倒的、曲解的新柏拉图主义，黑色的新柏拉图主义……因为黑暗属于无形物质，不属于“太一”，而从隐喻的角度看，“太一”比其他一切感性的事物都要更接近光的无法触及的美。普罗提诺拒绝将一股能够打破宇宙永恒和谐的力量实体化。他可能会坚定地与爱因斯坦站在一起，要建立一个静态的、永恒的美丽宇宙。暗能量的斥力推翻了流散的动力，抛弃了流散的动力，也超越了限制。普罗提诺关于流射的叙述并不能抵挡加速扩张中宇宙常数的翻倒。

然而，新柏拉图学派的形而上学依然有应对的方法。它可以向上追溯到一个可以超越所有限制的起源。在普罗克洛的《神学要旨》中，最高级的实体被称为“无限的力量”（apeiron dynamis）。其中apeiron意味着“无限的”，无限让我们想到了暗能量的扩张力量。但是让我们困惑的是，普罗克洛还将apeiron dynamis称为“第一物质”，而它没有结构和同一性。因此，力量有两种“无限的”物质：抑或是一种绝对的超力量，可以流散出所有的存在；抑或相反，是一种绝对的消极性，丧失了所有的性质。这个体系被挤压在来自上方的无限力量与来自下方的无限力量之间。当然，宇宙的永恒不受质疑，但是在这种极性中，我们难道找不到一个和暗能量相匹配的形象吗？在当今的宇宙学中，我们的研究从一个无限的力量到另一个无限的力量，从“大爆炸”到化为灰烬的宇宙。暗能量的形象是颠倒的流散，变为退化。

如果我们有了这样的想法，恐怕就停不下来了。因为无限力量的巨大差异不是新柏拉图主义中最后的黑暗形象。达马修斯达到了提问的最高形式，只有他敢于提出这个问题：“起源的起源是什么？”他将逻辑推理推向了极限，甚至可能超过了极限，换来的是巨大的难解之谜。用米歇尔·德菲斯（1070—1140）的话说，它“像墨一样黑”。事实上，达马修斯仍在理性的范围内做推理，他创造了如纯酒精一般绝对的、令人晕眩的形而上学，也就是黑色的形而上学。

他断言，宇宙，作为事物的“一切”，一定是有起源的，而这个起源不属于“一切”。那么，它是什么呢？这很难说，因为我们能够想到的都一定是属于“一切”的某种东西。但至少，我们可以说它不是什么（这里是否定的本体论的修辞）：这个起源不是自然，不是心灵，不是上帝，因为它们都是“一切”的一部分。它也不是“一切”本身，因为显然我们无法是自己的起源。它甚至不是普罗提诺眼中的“太一”，虽然 “太一”由于其单一性，是最接近的。它之所以不是“太一”，是因为“太一”与它所赋予统一性的东西不同，所以它的定义是通过它与“一切”的关系来确定的。甚至普罗克洛的无限力量也是通过它与自身之外的东西，也就是极限，来确定的。而我们要找的是一个绝对的起源。

必须承认，所有这些否定与绝对起源的本质都没有关系。达马修斯认为这样很好。因为归根结底，当我们对绝对的追寻行将结束时，在我们眼前的一定是无法形容并且不可知的事物。我们要接受的是，思想会消失，会堕入深渊，会陷入“乌有”。“太一”是一个美丽的、简单的、纯化了的概念，但是真正的绝对必须摆脱所有的感知，即使是最崇高的思辨。然而，除了虚无，还有什么能摆脱所有的思想呢？有两种形式的“乌有”：一种是高于“太一”的“乌有”，另一种是低于物质的“乌有”。达马修斯延续了普罗克洛的解决方法：虚无比无限更使形而上学无所适从。人们也能感到，他的话语近乎黑暗中和沉默中的神秘的崩溃。仿佛这最后一位新柏拉图主义者，冒着极大的风险，使用最后的自卫手段，完成了他关于千年的形而上学的最后探索，之后这个空想就会回归沉默，被名为“自我的起因”的造物神的宗教而摧毁——柏拉图学园屈服于庸俗宗教的迫害，这些宗教几乎不受逻辑限制或严密思辨的约束。这可能是我们应该从中吸取的教训：过度地寻找绝对的形象，我们可能会通向虚无，而错过了一种并非难以捉摸的思想和知识。

不必失望：并非一切都是黑色的！

在电影《穷途末路》中，珍·茜宝问让-保罗·贝尔蒙多：“在悲伤和虚无之间，我选择悲伤（此处引用自威廉·福克纳的《野棕榈》），你呢，你会怎么选？” 这个问题象征着想象精神分析师在面对暗能量之谜时的困境：他要么开始对难以捉摸的怪物进行绝望的追寻，要么继续寻找难以接近的起源直到虚无。在这部黑白电影中，男主人公选择了虚无，因为在他看来，悲伤似乎是愚蠢的妥协（这也预示了他悲惨的、“可憎的”结局）。

我们难道不能摆脱这个困境吗？我们难道不能摆脱黑色形象的束缚吗？在这个抉择中存在着某种过于阴暗的东西，我们会毫不迟疑地接受它。此外，一些天文学家和天文物理学家发现了第三种途径：如果我们放弃宇宙中物质均匀分布的假设，那么我们可以用透镜效应，即光学意义上的“像差”来解释膨胀的加速。法国物理学家洛朗·诺塔尔（1952—　）提出的相对论理论不必假设暗能量的存在就可以解决这个谜题。于是，我们不再需要寻找罪魁祸首了。宇宙找回了一点自己的色彩。诗人雅克·利达（1929—　）在他的一首美妙的科学诗歌的末尾写道：

然后呢？宇宙逃亡了吗？

它在躲什么？会逃去哪里？

怎样的永恒的祸患？怎样的胜利的结果？

坚定地说，它就在这儿，法则以外。

暗能量，应该被染成粉色。

结语　黑色的统治

在我们对黑概念研究的最后，我们学到了什么？首先，好像这个对话让这些论说更加清楚明白。哲学家的关注点在于形而上的，甚至是陈旧的顾虑，或者在于艺术和思想史中出现的一些细微差异，并提醒物理学家在翻译概念时对于词汇的选用要格外谨慎，同时纠正那些有悖严格推理的含糊表达，或者要求我们更加勇敢、更有诗意地了解科学思想的独特之处。哲学家将关于起因的认知编制为隐喻，物理学家觉得哲学家的建议非常有必要。

我们惊讶于概念和图像之间的各种回响，它们的衔接中没有绝对的规则。将它们写在一起，我们发现了一种距离的艺术。只有这个既凭直觉的又能精确计算差距的研究才能使科学与想象之间的类比产生共鸣以及不协调。这个差距是可变的：认识论的线和“精神分析”的线很少是平行的，它们更像是欧几里得的短程线；它们会在接近自己的目标时发生扭曲；通常情况下，它们会伸展、延伸；有时它们交织在共同的惊叹中，或是讽刺般地出现分歧。然而，这些纵横交错并不是任意的。这个对话开启了一种写作，在我们看来，这种写作超出了普通的模式练习。

黑色的渐变表现出一种渐进，这种渐进具有一个意义：从我们所熟悉的夜空的黑色到最神秘的黑色，能够解释宇宙膨胀加速的未知能量的黑色，对黑概念的回顾是一段历史性的旅程。这个回顾告诉我们关于给它命名的科学实践的演变（我们也可以说是关于给它“定性”，因为它是一个形容词）。与我们有时所听到的相反，科学语言独立于普通语言之外，是建立在惯例的基础上的，这一事实并不意味着这些概念是中立的，或是对于理解这些概念来说是微不足道的。相反，对这些词语的选择非常重要，是科学工作不可或缺的部分。同样明显的是，这些关于命名的实践在科学史中发生了相当大的变化，特别是近几十年来的加速发展。与此同时，关于它们的不可改变性也出现了深刻的改变。

对夜空的黑色的解释是一个可能早就引起古代天文学家猜测的问题。在过去的几个世纪中，这个谜题的答案随着知识和技术进步的节奏发生了变化。“黑色夜空的问题”这个短语本身是比较近期才出现的，这个叫法已经失去了神秘的色彩。然而，在日常观察的显而易见以及对普通语言的借用背后隐藏着一个棘手的问题，以及对一个透明黑色的单一定义。这是关于意义缓慢的历史积淀的例子。

“黑体”这个短语经历的情况则不同，它体现了一个完全不同的时间性。1860年，古斯塔夫·基尔霍夫在有了关于“黑体”的认知的同时就创造了这个短语。他用一种类比的手法将研究对象命名为“黑体”：一个完全是黑色的物体是一个理想的吸收体（因此也是理想的发射体）。于是它从根本上改变了这个形容词的意义，来满足科学语言的精确性要求。这个黑色的产生是瞬间的，并与它表明的理论模式紧密联系在一起。因此，它也与它提出的问题相联系，并且在不到半个世纪的时间里，就引起了一场科学革命，也就是量子力学，一场近年来为大众所熟知的思想认知的巨大震荡。通过研究它与当代艺术带来的冲击之间的共鸣，我们想要强调指出这场发生在20世纪的思想变化的突然加速。

“黑洞”这个词的出现和传播标志着一个命名实践的变化、一个创新。这个概念的由来相对比较古老，很长一段时间以来，人们关注的只是封闭的恒星，后来是“史瓦西天体”。事实上，它甚至只在科学界的很小的范围内引起过讨论。尽管这个封闭的星体拥有着古老的魅力，但它并没有引起大众的兴趣。“黑洞”这个词，很难确定是谁第一个使用它的。但是在1967年，约翰·惠勒选择用它来重新命名这个之前就存在的思想，他刻意进行了一个秘密的营销操作：一种语义设计。他创造了一种旨在强调一个概念的表达方式，他从概念的理论意义出发，同时利用了虚构的突出性。这个方法获得了奇迹般的成功：他的同事们将注意力集中在了黑洞上，科幻小说中出现了黑洞的主题，日常语言和普通文化也出现黑洞的渗透。

由于20世纪下半叶科学研究成为一个竞争激烈的领域，这种有效的语言设计的方法成为一种战略的必要性：只有一个巨大的发现是不够的，还要给这个发现取一个引人关注的名字，来保证它在研究领域，甚至研究领域之外的影响。从这个角度来看，我们必须分析著名的暗物质和暗能量的出现。

通过这些著名的概念，我们在命名方法的演变中闯过了一个难关：我们要做的不再是尽快地利用一个发现，而是提前利用一个假设所带来的收益，即未来发现的成功前景。因此这个表达有助于为学界带来一个并不一定被所有人接受的想法：一些科学家将这些与黑有关的概念描述成现实，它们的黑只是意味着这些物质无法被观察到而已；而另一些科学家将这些概念看作思考的气泡，在面对它们时始终保持谨慎的态度。记者肖恩·卡里尼基曾说：“在科学世界中有一种有趣的用法，当你无法解释或描述某个东西时，在常用的单词之前加‘黑’或‘暗’，就成为一种完全正确的表达。”（《技术解密》，2012年6月20日）下面这幅漫画揭示了目前研究中过度的竞争所造成的问题：它会导致对命名仓促的、具有欺骗性的一种使用，而不是对概念的含义做耐心而忠实的解释。

图10.比尔·沃特森，《永远的卡尔文和霍布斯，第四册，1992—1995》，安德鲁斯·麦克米尔出版社，2012年，49页（第二条）。

我们可以举出关于这种偏差的其他例子，只限于关于黑概念的例子：形容词“黑色的”特别适合这些炫耀语义设计的做法，这可能体现了社会的一种需求。过去，黑色并不像现在这般有吸引力，即便它指的是想象中的一个迷人的元素，它在过去总带着一些与不良思想相关的联想。在文化中，黑色曾是被谴责的对象。而在现代，黑色成为主宰，黑色被高估，被过度使用，这尤其表现在服装设计中：“设计当中的黑色既不是几个世纪前的王族的豪华的黑色，也不是大工业城市里肮脏的悲惨的黑色，它是一种既朴素又精致，既高雅又实用，既欢乐又明亮的黑色，总之它是一种现代黑色。黑色是时髦的、有创造性的、严肃的，并且具有主导地位的。”（巴斯图罗，《黑色》，189页）黑色既象征着美丽与高雅，又象征着端正和朴素。

我们要强调关于术语“暗物质”和“暗能量”的一个更令人不安的事实：在法语中，这两个术语并不存在。在英语——这个在科学讨论中占据主要地位的语言里，形容词“黑色的”（black）并不适用于这些概念：盎格鲁-撒克逊人更愿意研究的是“昏暗的物质”（dark matter）和“昏暗的能量”（dark energy），德语也是如此：dunkle materie，dunkle energie。对于一位意大利研究者来说，他研究的是“模糊的物质”（materia oscura）和“模糊的能量”（energia oscura）。因此法语的语言特殊性显而易见：法语是唯一将这些概念“黑化”的。为了完全正确地表达，这些术语有时与“昏暗的物质”和“昏暗的能量”共存。因此我们有时通过“昏暗的物质”这种表达来描述那种难以被探测但被猜想为传统属性的物质，“暗物质”这个表达则用于描述完全外来的物质。然而，基本上还是与“黑暗”有关的术语在很大程度上占据着主导地位，似乎坚持使用包含“昏暗的”术语的研究人员正是对这些概念持怀疑态度的那部分人。

这增加了我们思考在科学语言中黑色所传达的想象内涵的兴趣。黑概念的吸引力并不是某种偶然，而是这些思想会将黑色形象激发出来。将一个思想概念界定为“昏暗的”或“模糊的”，是为了明确指出探测的困难，同时也强调了我们为描绘这种现象特征所面对的理论尴尬。从这个意义上讲，加上“dark”这个形容词的确可以使这些思想更准确，因为这个形容词会让我们提高警惕。在莎士比亚的语言中，或者在我们的语言中，某种昏暗的东西，从喻义上讲，就是难以理解的东西，甚至是灾难性的东西（一个黑暗的故事）。由于这层含义，暗物质或暗能量似乎是一些有风险的不太明显的假设，我们无法对此表示毫无困惑或者怀疑的赞同。通过将“dark”翻译为“黑”，讲法语的研究人员已经深刻地改变了这个名称的含义。他们把它变得更极端，并利用了法语中“黑色”这个词的象征意义。

黑的，就绝对是昏暗的，是无法探测的。通过把昏暗变成黑暗的绝对化，新的命名排除了一切与昏暗的图像相关的内涵，也就是说，它隐藏在面对这些思想时势必会产生的疑虑的迹象。物质的黑暗和暗能量的黑暗象征着一切被果断隐藏的事物，自相矛盾的是，这个黑色没有质疑这些假设，而是让我们更坚信它们的存在。在我们的想象中，黑色的存在比昏暗的存在更多。“实体化”创造了暗物质和暗能量，通过这种方式，缺失的质量和宇宙常数成为不容置疑的物质现实。于是科学家们给自己的思想套上了黑色的衣服，他们冒着一个风险，即他们可能会成功，也可能让黑色具有了另一种传统的价值，那便是丧服：“我们这个时代的人们穿的黑衣服是一个可怕的象征……人类的理性推翻了所有幻想，也给自己穿上了丧服。”（阿尔弗雷德·德·缪塞，《世纪之子的忏悔》，1836年）

无论科学的进步给这些问题以怎样的回答，我们都相信历史认识论和精神分析理论提出的两个观点是相关的、互补的。它们让我们可以在面对复杂而棘手、困难而尖锐的问题时向后退一步，这些问题也总会牵扯到推理的严密性和不可避免的感性投入。将我们吸引到黑概念当中的，以及让这些黑概念弥足珍贵的，是代数和实验结构以及潜在丰富的想象符号所表征的错综复杂，正是这种错综复杂让它们如此富有魅力。因此我们需要更多的努力，使它们远离障碍，开展一个调整研究工作，并用一种批判和善意的眼光来看待它们。

[1] 亨利·米修（Henri Michaux，1899—1984），法国诗人、画家。其诗歌直接呈现个体的潜意识与神话原型，语言不再是表达或修饰的工具，而成为映射另一种维度存在的镜子。——译注（如无特殊标注，文中注释皆为译注。）

[2] 安德烈·弗朗坎（André Franquin，1924—1997），比利时著名漫画家。其代表作《黑思想》是一部黑色幽默连环画集。书中探究了抑郁和恐怖的幻想，并且图都是用黑白两色所画。

[3] 加斯东·巴什拉（Gaston Bachelard，1884—1962），法国哲学家、科学家、诗人，代表作《梦想的诗学》《火的精神分析》《科学精神的形成》等。

[4] 勒内·巴雅维尔（René Barjavel，1911—1985），也译作赫内·巴赫札维勒。法国作家、记者、评论家，是首位提出时间旅行中祖父悖论的科幻作家。代表作有《冰人》《不小心的旅行者》等。

[5] 皮埃尔·勒韦迪（Pierre Reverdy，1889—1960），法国著名诗人、超现实主义诗歌的先驱之一。代表作有《椭圆形天窗》《屋顶上的石板》等。

[6] “险恶用心”法语译文为noirs desseins，直译为黑色的企图。

[7] 阿瑟·兰波（Jean Nicolas Arthur Rimbaud，1854—1891），19世纪法国著名诗人。早期象征主义诗歌的代表之一，开启了超现实主义诗歌流派。

[8] 布莱兹·帕斯卡（Blaise Pascal，1623—1662），法国数学家、物理学家、宗教哲学家。

[9] 埃拉托斯特尼（Eratosthenes，公元前276—前194），古希腊数学家、地理学家、历史学家、诗人、天文学家。他是最早有文字记载的计算出地球周长的人。

[10] 菲利普·葛洛克（Philippe Geluck，1954— ），比利时漫画家，代表作《猫》。

[11] 滚石乐队，一支来自英国的摇滚乐队，成立于1962年，自成立以来一直延续着传统蓝调摇滚的路线。

[12] 阿那克萨哥拉（Anaxagoras，公元前500—前428），古希腊哲学家，原子唯物论的思想先驱。

[13] 皮埃尔·苏拉日（Pierre Soulages，1919— ），法国当代知名艺术家，作品善用黑色。

[14] 保罗·瓦勒里（Paul Valéry，1871—1945），法国诗人、散文家和哲学家。

[15] 米歇尔·卡斯（Michel Cassé，1943—　），法国天体物理学家、作家和诗人。主攻核合成和量子力学。

[16] 法语为“ergosphère”，这个词来自希腊语的“ergos”，意为工作。

[17] 夏尔·波德莱尔（Charles Baudelaire，1821—1867），法国19世纪最著名的现代派诗人，象征派诗歌先驱，代表作《恶之花》。

[18] 卡尔·古斯塔夫·荣格（Carl Gustav Jung ，1875—1961），瑞士心理学家，分析心理学的创始人。

[19] 让·季奥诺（Jean Giono，1895—1970），法国作家，代表作《屋顶上的轻骑兵》《种树的男人》。

[20] Anima，也称女性意象，指男人潜意识中的女性性格，只有一个。

[21] Animus，也称男性意象，指女人潜意识中的男性性格，可有多个。

[22] 约瑟夫·布罗茨基（Joseph Brodsky，1940—1996），俄裔美国诗人、散文家，诺贝尔文学奖获得者。代表作有《韵文与诗》《山丘》《诗集》。

[23] 威廉·詹姆斯（William James，1842—1910），美国心理学之父，美国本土第一位哲学家和心理学家。代表作《心理学原理》。

[24] 法语为franchir le Rubicon，卢比孔河位于意大利北部。公元前49年恺撒曾越过此河，同罗马执政官庞培决战。因此这里的意思是绝对采取果敢的行动，破釜沉舟。

[25] 法语中在表示喝和吃的动词boire和manger之前加上定冠词le，就将这两个动词名词化了。

[26] 希腊语daimon，在古希腊神话中它是一种介于神与人之间的精灵或妖魔。它们不具备人的外貌，而是一种善恶并存的超自然存在。

[27] 原文中使用的是拉丁片语primus inter pares，字面意思为“同僚中的首席”。

版权信息

140亿年宇宙演化全史

Origins Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution

作者：[美]尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson） [美]唐纳德·戈德史密斯（Donald Goldsmith）

译者：阳曦

审校：郑捷

出品方：未读·探索家

出版社：北京联合出版公司

目录
版权信息
前言 思考科学的起源和起源的科学
序曲 有史以来最伟大的故事

卷一 宇宙的起源
第一章 开始的开始

第二章 反物质的重要性
第三章 要有光
第四章 要有暗
第五章 要有更多暗
第六章 一个宇宙还是多个宇宙

卷二 星系和宇宙结构的起源
第七章 发现星系

第八章 结构的起源

卷三 恒星的起源
第九章 尘归尘

第十章 元素动物园

卷四 行星的起源
第十一章 行星的青春年代

第十二章 行星之间

第十三章 无数个世界：太阳系外的行星

卷五 生命的起源
第十四章 宇宙中的生命

第十五章 地球生命起源
第十六章 在太阳系中寻找生命
第十七章 在银河系中寻找生命

尾声 在宇宙中寻找我们自己
致谢
术语表
返回总目录

献给仰望星空的人

和那些还不知道为什么应该仰望星空的人

前言 思考科学的起源和起源的科学

科学知识的一些新综合学科正在不断发展壮大。近年来，天体物理学已经不再是宇宙起源相关问题唯一的答案来源。随着天体化学、天体生物学、天体粒子物理学等新兴学科的涌现，天体物理学家发现，学科的交叉与融合能为他们带来莫大的益处。我们到底从哪里来？要回答这一问题，我们需要调用多门学科的知识，研究者审视宇宙运作机制的视角也会因此达到前所未有的广度和深度。

在本书中，我们向读者介绍了这些新的综合学科；由此，我们不仅讨论了宇宙的起源，还谈到了最大的物质结构的起源、点亮宇宙的恒星的起源、生命摇篮行星的起源，以及生命在某颗或多颗行星上的起源。

人类对起源问题特别感兴趣，这背后既有理性方面的原因，也有情感方面的原因。若是不知道某样东西的来源，我们很难理解它的本质，而在我们听说过的所有故事中，那些讲述“我们从哪里来”的故事总能引起我们最深的共鸣。

演化将自我中心的思考方式刻进了我们的骨头里，再加上百万年来在地球上的生活经验，在重述大多数起源故事的时候，我们自然会特别注意与自己息息相关的事件和现象。但是，对宇宙的认识越深入，我们就越清楚地发现：我们生活的星球不过是宇宙中的一粒尘埃。整个宇宙有数百亿个星系，银河系只是其中之一，我们的地球所围绕运行的太阳，也只是银河系边缘一颗再普通不过的恒星。我们在宇宙中的卑微地位激发了人类天性中强烈的防御机制。很多人不知不觉变成了动画片里的那种角色。他们仰望灿烂的星空，然后告诉同伴：“当我看着这些星星的时候，它们的微不足道令我感慨。”

纵观历史，不同的文化各有自己的创世神话。这些故事解释了宇宙的力量如何塑造我们的命运，这有助于我们对抗自感卑微的痛苦心理。虽然这些起源故事通常有一个宏大的开篇，但故事的情节很快就会转移到地面上；宇宙和宇宙中所有物质的诞生、地球生命的起源等常被一笔带过，接下来的长篇大论只讲述人类历史的种种细节和社会冲突，仿佛整个世界是以我们为中心创造出来的。

几乎所有的创世神话都有一个默认的前提：宇宙的运行有其基本规则。而这些规则，至少从理论上说，会在我们对周围世界的审慎观察中显露。古希腊哲学家甚至将这样的前提升华到了崇高的地步，他们坚称，我们人类有能力感知自然运作的机制，透过现象看到事物的本质，并从中提炼出主宰万事万物的基本真理。他们还坚称，揭开这样的真理非常困难——这倒是可以理解的。早在2300年前，希腊哲学家柏拉图就将求知者比作洞穴里的囚徒，他们看不到背后的东西，只能靠洞壁上的投影来推测真理的面貌。这个著名的比喻深刻地反映了人类的无知。

柏拉图的比喻不仅精妙地总结了人类为理解宇宙付出的努力，还强调了这一点：我们天生容易相信某些能被我们模糊感觉到的神秘实体在主宰着宇宙，我们最多只能学到一部分属于它们的知识。从柏拉图到释迦牟尼，从假想的宇宙创造者到电影《黑客帝国》里的“矩阵”，人们总是深深相信，宇宙由某种更高级的力量主宰着，真正的主宰者可以一眼看穿表象，看透万物的本质。

从500年前开始，一种理解自然的新方法渐渐成形。新技术和新技术带来的发现孕育了新的态度，今天的我们称之为“科学”。纸质书在欧洲的流通，加上水路和陆路交通的改善，让人与人的交流和沟通变得更加快捷高效，所以人们才能以远超往昔的速度学习别人的理论，彼此砥砺切磋。从16世纪到17世纪，高效的讨论催生了一种获取知识的新方法，它的核心原则在于，要想最有效地理解宇宙，首先人们必须仔细观测，然后尝试提出一些基本的通用理论，试着解释这一系列的观测结果。

另一个概念也促成了科学的诞生。科学依赖于有理有据的怀疑精神，也就是说，科学总是需要人们有条理地提出质疑。很少有人愿意质疑自己的结论，所以要鼓励科学的怀疑精神，我们必须奖励那些敢于质疑他人的人。这种做法或许有悖人性——不是因为它号召大家质疑别人的想法，而是因为，只要你能证明另一位科学家的结论错了，你就能得到鼓励和奖赏。对其他科学家来说，这位纠正了同行错误的人，或者以严密的理由对同行的结论提出质疑的人，他做的事情十分高尚，就像禅宗大师用一记耳光唤醒了在冥想中走火入魔的新手，只不过这些互相纠正的科学家通常是平等的，这里没有师徒。通过奖赏发现他人错误的科学家——人类天性如此，挑别人的错比挑自己的错简单得多——科学家群体建立了一套能够自我纠正的强大系统。科学家不会放过证伪同行理论的机会，却也支持彼此为拓展人类知识所做出的尝试，他们由此创造出了用于理解自然最有效、最高效的工具。科学因此成为一种共同追求，然而科学家绝不是一个惺惺相惜、互吹互擂的团体，他们也不应该是。

和人类发展过程中的所有尝试一样，科学方法在实际运作中也没有理论上那么顺畅。并不是所有科学家都会充分地怀疑同行。总有人希望在位高权重的科学家面前多露露脸，有时候也有人会被知识以外的因素左右，这都会影响科学的自我纠正能力。不过从长期来看，错误早晚会得到纠正，因为总有别的科学家会发现它，为了自己的职业前途着想，他们肯定会对此大肆宣扬。只有那些经受了其他科学家的质疑和攻击仍屹立不倒的结论才有资格成为科学“定律”，人们会将它们纳入对现实的有效描述。不过科学家深知，也许未来某天我们又会发现，这些定律其实是某个更宏大、更深刻的真理的一部分。

不过，证明彼此的谬误并不是科学家的主要工作。用略微不同的观测结果来验证种种不完善的假设，这才是他们花费大部分精力去做的正经事。然而每隔一段时间，某个重要理论就会出现一个意义重大的新观点，或者突然冒出来一整套新的观测结果，科学家又会提出一系列新假设来解释这些结果（这种情况在技术进步的年代更常见）。在某个伟大的时刻，某个新解释（或许还有新的观测结果）彻底改变了我们对自然的看法，这样的事情不绝于史，未来也必将再次发生。科学的进步由两类人推动：那些设法获取更好的数据，并根据数据小心推理的人，还有那些冒着极高的风险挑战已被广泛接受的结论的人——当然，一旦成功，他们也将得到极高的收益。

怀疑主义是科学精神的核心，但人类的心智天生倾向于逃避冲突，蜷缩在看似永恒的真理带来的安全幻境中。如果科学的方法不过是对宇宙的另一种诠释，那它永远不会激起太大的波澜，但科学之所以能够大获成功，是因为它真的管用。如果你乘坐一架根据科学规则（这些规则经受了数不清的试图证明其谬误的考验）制造的飞机，那么你安全到达目的地的概率远大于乘坐基于吠陀占星术规则制造的飞机。

纵观近代史，看到科学成功地解释了自然现象，人们的反应不外乎四种。首先，一小部分人真心实意地认为科学是我们理解自然的最好办法，他们不打算寻求其他诠释宇宙的方式。第二种人比第一种人多得多，他们对待科学的策略是无视，这些人觉得科学无趣、晦涩或者不符合人类天性［这些人看起电视来如饥似渴，他们从不会停下来思考，电视的图像和声音来自何方，更不会想到“魔法”（magic）和“机器”（machine）这两个词系出同源］。第三种人也是少数派，他们意识到了科学与自己珍视的信念之间的冲突，所以他们积极地想要证伪那些冒犯或触怒自己的科学结论。不过这样的人对科学基本一窍不通，不信的话，你可以问他们：“你觉得什么样的证据才能让你相信自己是错的？”1611年，面对现代科学结出的第一批硕果，诗人约翰·多恩（John Donne）写下了一首《世界的剖析：第一周年》（The Anatomy of the World: The First Anniversary）来表达自己的震撼。直到21世纪的今天，这些反科学分子还能体会到多恩当时的感受：

而新的哲学令人生疑，

火元素已被扑灭，

太阳迷失了，大地也不见踪影，谁的智慧

也无法带领他去找到它们。

有人直率地承认，这个世界完蛋了，

在行星中，在苍穹中，

他们正在探寻那么多新的东西；他们看到，这个（世界）

再次崩塌成原子。

万物粉碎，所有连贯性消失……

第四种人倒是为数不少，他们一方面接受科学对自然的解释，但从另一方面来说，他们依然相信，宇宙的主宰是一种我们无法完全理解的超自然的存在。哲学家巴鲁赫·斯宾诺莎（Baruch Spinoza）搭建了自然与超自然之间最强有力的桥梁，他拒绝承认自然和神有界限，并坚持认为宇宙既是自然的，也是神性的。其他传统宗教的徒子徒孙倒是常常强调二者之间的分野，他们更愿意从心理上划分自然和超自然掌管的领域，通过这种方法来调和二者。

无论属于哪个阵营，至少谁也不会怀疑，现在是我们学习宇宙新知识的大好时机。那么我们不妨踏上探索宇宙起源的冒险征途，像侦探一样根据现场留下的证据来推测犯罪事实。我们邀请你一起寻找宇宙的线索——探索这些线索隐藏的意义——或许我们终将发现，宇宙的一部分如何演化成了我们自己。

序曲 有史以来最伟大的故事

这个世界业已运转多年，所有动作早已设定妥当。

从那以后，一切如常运转。

——卢克莱修（Lucretius）

大约140亿年前，在那时间的开端，已知宇宙中所有的空间、物质和能量都挤在针尖大的一个小点里。然后宇宙突然变得灼热滚烫，描述宇宙的基本力开始浮现，那是一种单一的力。宇宙温度高达10^30摄氏度，这时候它刚刚诞生了10-43秒。在这样的时刻，我们所有关于物质和空间的理论都失去了意义。在这个统一的力场里，能量激荡，黑洞诞生然后消失，随后再次成形。在这样极端的条件下，根据公认的物理学推论，时间和空间的结构发生了严重的弯曲，时空咕噜噜地形成了多孔的海绵状结构。在这个阶段，谁也分不清哪些现象遵循阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论（现代引力理论），哪些又符合量子理论（对微观物质的描述）。

随着宇宙继续膨胀冷却，引力开始和其他力分离。又过了没多久，强核力和电弱力分道扬镳，与此同时，海量的能量向外释放，宇宙的体积也因此在极短的时间内膨胀了10^50倍。这个被称为“暴胀时期”（epoch of inflation）的阶段抹平了宇宙中的物质和能量，从此以后，宇宙相邻部分的密度差降低到了十万分之一以下。

接下来，宇宙的膨胀进入了经过实验室验证的物理学范畴。宇宙的温度依然很高，足以让光子自发地将能量转化为物质-反物质粒子对，紧接着这样的粒子对又会彼此湮灭，将能量返还给光子。出于某些未知的原因，之前基本力分离的时候，物质和反物质的对称性被“打破”了，结果宇宙中的物质比反物质多出来了一点。这样轻微的不平衡对宇宙未来的演化至关重要：每诞生10亿个反物质粒子，相应地就会出现10亿零1个物质粒子。

随着宇宙进一步冷却，电弱力又分裂成了电磁力和弱核力，我们熟悉的四种基本力就此成形。这一大锅“光子汤”的能量继续降低，现在，光子不能继续自发生成物质-反物质粒子对了，残存的粒子对迅速湮灭，最后留下一个这样的宇宙：每10亿个光子产生1个普通的物质粒子——没有反物质。如果没有这种不平衡的情况，那么持续膨胀的宇宙里除了光以外不会有其他任何东西，更别提什么天体物理学家了。在大约3分钟的时间里，物质粒子变成了质子和中子，大量质子和中子又进一步结合成最简单的原子核。与此同时，自由运动的电子让光子不停地来回散射，创造出一大锅不透明的物质和能量汤。

等到宇宙的温度降低到几千K（开氏度）以下（这还是比鼓风炉热得多），某些运动速度太慢的自由电子开始被流动的原子核捕获，形成氢、氦、锂的完整原子，这是三种最轻的元素。现在宇宙（第一次）变成了透明的，可见光和我们今天观察到的宇宙微波背景辐射（它们也是自由飞翔的光子）开始展露身形。创世之初的10亿年里，宇宙继续膨胀冷却，物质在引力作用下聚集形成星系。仅仅在我们可见的宇宙范围内，就有1000亿个星系聚集成形，每个星系都包含着几千亿颗恒星，热核反应就发生在恒星核内部。如果一颗恒星的质量能达到太阳的10倍左右，那么它的压力和温度就足以达到临界值，恒星核内就会开始生成数十种比氢更重的元素，其中包括组成行星和生命的关键元素。很长一段时间里，这些元素都会被困在恒星内部，无法发挥作用。不过，等到大质量恒星死亡以后，富含各种化学元素的恒星核物质就会通过爆炸散落到整个星系中。

经历了七八十亿年的富集以后，在宇宙某个普通角落（室女座超星系团边缘）的普通星系（银河系）的普通区域（猎户座旋臂）里，一颗普通的恒星（太阳）诞生了。孕育太阳的气团中含有丰富的重元素，足以形成几颗行星、几千颗小行星和几十亿颗彗星。在这个行星系形成的过程中，围绕太阳旋转的“母亲气团”开始分离出一团团密集的物质。几亿年的时光里，彗星和其他碎片常常高速撞击这些岩石行星崎岖的表面，留下沸腾的岩坑。随着太阳系中的自由物质不断减少，行星表面开始冷却，被我们称为地球的行星就这样诞生了，它所在的轨道正好可以允许大气层内存在液态的海洋。如果地球轨道离太阳更近一些，海洋就会被蒸发，而要是地球轨道离太阳再远一些，海洋就会结冰。无论是哪种情况，地球上都不可能演化出我们今天所知的生命。

在化学元素丰富的海洋里，出于某种我们尚不清楚的机制，刚刚出现的简单厌氧菌不知不觉地将地球上富含二氧化碳的大气转化成了氧气含量充足的空气，需氧生物开始形成、演化，最终统治了海洋和陆地。氧原子通常成对组成分子（氧气，O_2），不过在上层大气中，它们也会形成包含3个原子的分子（臭氧，O_3）；臭氧能保护地球表面免遭紫外线光子的侵扰，这种微粒可能造成分子级的破坏。

生命之所以如此丰富多彩，是因为宇宙中富含碳元素，碳元素能组成的分子多不胜数，其中有简单的也有复杂的；碳基分子的种类比其他所有分子加起来还多。但生命又是脆弱的。地球经常遭到太阳系成形时期残余下来的大块天体的撞击，这本是司空见惯的事情，不过在生命诞生以后，地球上的生态系统却会因为这样的撞击而迎来浩劫。远的不说，就在6500万年前（如果地球是一位百岁老人，那么这件事距离现在还不足两年），一颗10万亿吨重的小行星击中了如今的尤卡坦半岛，地球上超过70%的陆生动植物群落就此灭绝，其中包括那个年代的陆地霸主——恐龙。这场生态灾难也带来了一个契机，体形更小、生存能力更强的哺乳动物很快填补了生态链的新空白。而在这些哺乳动物中，脑袋特别大的灵长目最终演化出了一个特殊的物种——智人（Homo sapiens）——极高的智力水平让他们得以发明科学的方法和工具，进而发展出天体物理学，最终开始探索宇宙的起源和演化。

是的，这个宇宙的确有一个起点。是的，这个宇宙还在不断演化。是的，我们体内的每一个原子都可以追溯到大爆炸的那一刻，它们在大质量恒星的热核熔炉之中诞生。我们不光生活在这个宇宙中，我们还是这个宇宙的一部分，是它孕育了我们。你甚至可以说，虽然我们的地球不过是宇宙中一个小小的角落，但就是在这里，宇宙赋予了我们力量，让我们去探索它的起源和奥秘。现在，我们才刚刚开始。

卷一

宇宙的起源

第一章 开始的开始

开始的开始，就有物理。“物理”描述的是物质、能量、空间和时间的行为。在那恢宏的宇宙舞台上，这些角色的互动创造了所有的生物学和化学现象。物理定律也因此成了我们这些凡人所熟悉的一切基本事物的源泉和根基。科学家在解释天文现象时用到的物理定律来自物理学中尺度较大的那个部分，我们称之为“天体物理学”。

无论在哪个科研领域，最前沿的发现都需要我们在极端环境中观测现象及其条件，物理学尤其如此。某些环境的极端性体现在物质方面，比如说在黑洞附近，引力会严重扭曲周围的时空连续性；另一些环境的极端性则体现在能量方面，例如，恒星核心1500万摄氏度的高温环境中会产生自发的热核聚变反应。宇宙诞生之初那几个短暂的瞬间凝聚了我们能想象到的所有高温、高密度的极端条件。要理解这几个瞬间分别发生了什么事情，我们需要借助人类进入20世纪以后发现的一些物理定律。物理学的这部分内容被学界定义为“现代物理学”，以区别于此前的“经典物理学”。

经典物理的一大特征在于，如果你停下来仔细思考，你会发现它阐述的事件、定律和预测都很有道理。物理学家在普通的建筑物里利用普通的实验室设备发现并验证了这些经典的规则。直到今天，我们还在高中物理课堂上学习经典物理学描述下的引力、运动、电磁，以及热能。经典物理学定律揭示了自然世界背后的规律，并由此推动了工业革命。这门学科以前几代人根本无法想象的方式彻底改变了我们的社会和文化，直到现在，经典物理学仍是我们理解日常经验世界的核心工具。

与此相对，现代物理学看起来就显得很不合理，因为它描述的现象都发生在人类感官无法触及的遥远领域里。这其实是件好事。正因如此，我们才能高高兴兴地生活在熟悉的日常世界里，完全不受极端条件下的“怪异物理”影响。一个普通的早晨，你起床，在屋子里转两圈，吃点东西，然后走出家门；到了黄昏时分，你挚爱的人肯定希望回到家里的你和早上出门时一模一样，全须全尾。我们不妨想象一下，如果你来到办公室，走进一间温度极高的会议室，准备参加上午10点的一场重要会议，就在这时候，你突然失去了所有电子，甚至更严重，组成你身体的原子突然纷飞四散，这可就糟了。或者，你坐在办公室里，借着头顶那盏75瓦台灯的光线打算干点活，突然有人打开了一盏500瓦的灯，于是你的身体开始在几堵墙壁之间弹来弹去，最后像恶作剧玩偶盒里的玩偶一样从窗户飞了出去。又或者，你下班后去看相扑比赛，结果只看到两位体形近乎圆球的选手相互碰撞并消失，他们自然而然地变成了两束光，从相反方向离开房间——看到这一幕，你感觉如何？又或者，你在回家的路上挑了一条不太挤的路，结果一幢黑漆漆的大楼先是把你的脚吸了进去，然后又把你的身体拉伸成了一根“面条”；你艰难地穿过一个洞口，身体被压成一张薄片，从此以后，再也没有人见过你或者听到你的消息。

如果这些场景真的出现在我们的日常生活中，我们或许会觉得现代物理其实没有那么奇怪；有了日常的生活经验打底，我们就能顺理成章地理解相对论和量子力学的基础知识，而我们的爱人恐怕永远不会放我们出门去上班了。但在宇宙诞生之初的那几分钟里，这样的事情随时随地都在发生。要尽可能地猜想并真正理解当时发生的事情，我们别无选择，只能建立一套全新的反直觉的“常识”体系，来解释极端温度、密度和压力环境下物质的行为，以及这些行为背后的物理规则。

我们必须进入E=mc^2的世界。

1905年，爱因斯坦首次发表了这个著名公式的一个版本。正是在这一年，他那篇影响深远的论文《论动体的电动力学》（Zur Elektrodynamik bewegter Körper）发表在杰出的德国物理杂志《物理年鉴》（Annalen der Physik）上。虽然这篇论文以“电动力学”为题，但它最出名的内容却是爱因斯坦的狭义相对论，这套理论引入的概念永远地改变了时间和空间的概念。同一年晚些时候，年仅26岁的瑞士伯尔尼专利审查员爱因斯坦在同一家杂志上发表了另一篇简短（只有两页半）的论文《物体的惯性依赖于它的运动成分吗？》（Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?）。正是在这篇文章中，爱因斯坦提出了那个著名的公式。你不必花费时间去查找这篇文章，或是设计实验来验证爱因斯坦的理论，我们可以直接告诉你，这个问题的答案是肯定的。正如爱因斯坦在论文中所说：

如果某个物体以辐射的形式释放能量E，那么它的质量将减少E/c^2……质量衡量的是物体包含的能量；如果能量发生了变化（E），那么质量也会发生相应的变化。

爱因斯坦不太确定自己的理论一定就是对的，所以他也提出了建议：

利用某些所含能量高度可变的物体（例如，镭盐），我们或许可以通过试验来验证这套理论，这并不是不可能的事情。

于是你得到了这个方程。这是任何条件下物质与能量相互转化的代数秘诀，E=mc^2——能量等于质量乘以光速的平方。质能方程是一件超级强大的计算工具，它极大地拓展了我们对宇宙的认知和理解，无论是对眼前这个世界，还是对可以追溯到宇宙诞生之初那亿万分之一秒的碎片时间。有了这个等式，你就能算出一颗恒星能产生多少辐射能，或者你兜里的硬币能转化成多少有用的能量。

光子是我们最熟悉的能量形式。光无所不在，只是我们常常意识不到它的存在。光子没有大小，不可分割，它可能是可见光的一部分，也可能来自其他形式的电磁辐射。我们每个人时时刻刻都沐浴在光子的海洋中。从太阳、月亮到满天的星辰，从你家的炉子、枝形吊灯再到夜灯，从遍布全球的数以百计的广播电视站点到数不清的手机和雷达发射塔，光子的来源丰富多彩。那么，我们在日常生活中为什么看不到物质和能量相互转化呢？如果以公式E=mc^2来衡量，普通光子的能量根本不足以形成质量最小的亚原子粒子。这些光子蕴含的能量太少了，所以它们不可能转化成别的东西，只能继续过现在这样相对平静的简单生活。

你想看看E=mc^2真正发挥威力吗？那不妨从高能γ（伽马）射线光子开始——它蕴含的能量至少是可见光光子的20万倍。在这种射线的照射下，你很快就会死于癌症。不过在此之前，你会看到γ射线光子所到之处，一对对电子凭空出现，其中一个由物质构成，另一个由反物质构成（这只是宇宙中无数动态粒子-反粒子对中的一组而已）。你还会看到，物质-反物质组成的电子对彼此碰撞、湮灭，再次产生γ射线光子。要是将这些光子的能量再提高2000倍，这么强大的γ射线说不定能把某位对辐射特别敏感的人变成绿巨人。根据公式E=mc^2，拥有这么多能量的光子对可以创造出中子、质子和它们的反物质伙伴，这些粒子的质量差不多是电子的2000倍。高能光子不算常见，不过在宇宙中的某些“熔炉”里，你的确能看到它们的身影。以γ射线为例，几十亿摄氏度的环境基本都能产生这种射线。

从宇宙学的层面上说，粒子和能量包之间的相互转换至关重要。目前，在我们这个不断膨胀的宇宙中，科学家测量无处不在的微波光子，得到的温度只有微不足道的2.73K（开氏温标下的温度没有负数，粒子在0K时能量最低，室温大约是295K，水的沸点是373K）。和可见光的光子一样，微波光子温度太低，所以它根本不可能通过E=mc^2转化为其他粒子。换句话说，任何已知粒子都没有这么小的质量，所以能量极低的微波光子没有出路，只能维持现状。无线电波、红外线、可见光、紫外线和X射线光子的处境也相差无几。简单地说，光子的能量强度至少要超过γ射线才有可能转化为物质。不过，昨天的宇宙比今天的更小一点，也更热一点；前天的宇宙又更小、更热。如果我们把时钟往回多拨一些，比如拨到137亿年前——在大爆炸之后那锅原始汤里，整个宇宙的温度还很高，从天体物理学意义上说，每个角落都充满了γ射线。

理解从大爆炸到今天这段漫长的历史中空间、时间、物质和能量的运动，是人类的终极科学追求之一。要为那最初的时刻（那时候的宇宙比之后的任何时刻都更小、更热）发生的所有事件建立一套完整的解释，你必须找到一种方法来让四种已知的基本力（引力、电磁力、强核力和弱核力）进行互动，将它们统一。除此以外，你还得设法调和目前互不相容的两个物理学分支：量子力学和广义相对论。

20世纪中叶，量子力学和电磁学成功联姻，得到鼓励的物理学家很快开始尝试将量子力学和广义相对论撮合成统一的量子引力论。到目前为止，他们所有的尝试都以失败告终，不过我们已经找到了难点所在，那就是所谓的“普朗克时期”（Planck era）。这个时期指的是从宇宙诞生到10-43秒的阶段。信息传播的速度永远不可能超过光速，即299792千米/秒，所以在普朗克时期，假设有一位观察者位于宇宙中的任意一点，那么他最多只能看到周围约3×10-35米范围内发生的事情。这个短得不可思议的时间和距离得名于德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）。1900年，普朗克首次提出了“量子化能量”的概念，他也因此成了公认的量子力学之父。

不过我们也不用担心，虽然量子力学和相对论无法统一，但我们的生活一如往常。量子力学和引力的分歧不会对我们现在的宇宙产生任何实质性的影响。现在的天体物理学家分别采用广义相对论和量子力学的原理和工具来处理两类完全不同的问题。不过在最初的普朗克时期，大就是小，所以我们必须想个法子强行把这两套理论糅合到一起。令人悲伤的是，我们一直找不到缔结这段婚姻所需的誓言，目前任何（已知）物理定律都无法准确描述最初那短暂的蜜月期内，膨胀的宇宙迫使极大和极小分道扬镳之前发生的事情。

普朗克时期快要结束的时候，引力从其他基本力中分离出来，拥有了能被现有理论很好地描述的全新独立身份。随着宇宙的年龄跨过10-35秒，它继续膨胀冷却，曾经统一的基本力也进一步拆分成了电弱力和强核力。又过了一段时间，电弱力又拆分成电磁力和弱核力，我们熟悉的四种基本力就此成形——弱核力控制辐射衰变，强核力将每个原子核内部的粒子结合在一起，电磁力让原子凝聚成分子，引力又将大量物质凝聚在一起。等到宇宙迈过第一个10-12秒，分化后的力和其他关键因素已经赋予了宇宙一些基本的性质，每种性质都值得专门用一本书来介绍。

宇宙迈过第一个10-12秒的时候，物质和能量的相互作用仍在进行。在强核力和电弱力分离前后的短暂时间里，宇宙是夸克、轻子、它们的反物质兄弟，以及玻色子（正是由于玻色子的存在，以上所有粒子才会产生互动）组成的沸腾之海。据我们目前所知，这些粒子都不可能再切割成更小、更基本的东西。它们都是基本粒子，每个基本粒子家族有好几位成员。比如说，包括可见光粒子在内的光子就属于玻色子家族。普通人最熟悉的轻子大概是电子，可能还有中微子，而我们最熟悉的夸克……呃，没有我们熟悉的夸克，因为日常生活中的夸克通常紧紧地结合在一起，形成质子和中子之类的粒子。每种夸克都有一个抽象的名字，从修辞、哲学或教育角度来说，这些名字没有任何实际意义，它们唯一的作用就是区分不同的夸克。六种夸克分别被命名为：上、下、奇、粲、顶和底。

顺便说一下，玻色子得名于印度物理学家萨特延德拉·玻色（Satyendranath Bose）。“轻子”（lepton）这个词来自希腊词语“leptos”，意思是“轻”或者“小”。而“夸克”（quark）这个名字的历史渊源更为久远，也更富想象力。1964年，美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）首次提出了夸克的存在，当时他认为，夸克家族只有三位成员；这种粒子的名字来自詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的作品《芬尼根的守灵夜》（Finnegans Wake）中一句晦涩的台词：“向麦克老大三呼夸克！”夸克至少有一个优势：所有夸克的名字都很简单——对化学家、生物学家和地质学家来说，这简直是个无法实现的成就。

夸克十分古怪。不同于拥有一个正电荷的质子或者拥有一个负电荷的电子，夸克拥有的电荷数以1/3为基本单位。你永远不会找到单独出现的夸克，极端情况除外。夸克总是和一个或者两个同伴紧紧地结合在一起。事实上，如果你试图分开结合在一起的两个（或者更多）夸克，那么它们之间的结合力反而会变强——就好像某种亚原子核橡皮筋把它们绑到了一起。不过，如果你把这几个夸克分得足够远，橡皮筋就会断裂。根据公式E=mc^2，橡皮筋储存的能量会在两头分别创造一个新的夸克，于是你又回到了故事的起点。

宇宙诞生的第一个10-12秒被称为“夸克-轻子时期”，这个时期的宇宙非常稠密，独立夸克之间的平均间隙很小，和结合在一起的夸克几乎没有区别。在这种情况下，相邻的夸克根本不可能建立一对一的清白关系，所以实际上，它们完全是自由的。2002年，长岛布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratories）的一个物理学家团队首次通过实验探究了物质的这种状态，它被形象地命名为“夸克汤”。

无论是基于理论还是基于观测结果，我们都会发现，在宇宙极早期的某个时间段里（可能就是某种基本力和其他力分离的时候），宇宙出现了明显的不对称，物质粒子的数量比反物质粒子多了十亿分之一。这个微妙的变化为今天的我们提供了存在的基础。在宇宙早期那锅翻滚的粒子汤里，夸克和反夸克、电子和反电子（它更广为人知的名字是“正电子”）、中微子和反中微子不断地诞生、湮灭，然后再次诞生，你很难注意到物质和反物质数量的细微差别。在这个时期，多余的家伙——多出来的那一点点物质——有足够的机会找到携手共赴湮灭的伙伴，其他粒子也一样。

但好景不长。随着宇宙继续膨胀冷却，它的温度很快降低到1万亿K以下。现在，大爆炸刚刚过去了10-6秒，但这个温吞吞的宇宙已经失去了烹饪夸克汤所需的温度和密度环境。所有夸克迅速抓住身边的舞伴，建立矢志不渝的重粒子（强子，hadron，来自希腊语“hadros”，意思是“厚重”）的家庭。夸克转化成强子，这一过程在极短的时间内制造出了质子、中子和其他一些我们不那么熟悉的重粒子，每种强子都代表着夸克的不同组合。现在，强子也继承了夸克-轻子汤中物质与反物质的不对称性，这个现象带来了惊人的结果。

随着宇宙不断冷却，可用于自发创造粒子的能量稳步下降。到了强子时期，光子已经无法继续激发质能转换反应，制造出夸克-反夸克对，因为它们的能量不能满足粒子对的质量需求。此外，在这个不断膨胀的宇宙里，残存的湮灭反应释放的光子还在继续损失能量，最终它们的能量降到了创造强子-反强子对所需的阈值以下。每10亿次湮灭会产生10亿个光子，只有1个强子会幸存下来，成为早期宇宙物质-反物质不对称性留下的哑巴证人。这些孤独的强子最终将享受到身为物质的最大乐趣：它们将创造出星系、恒星、行星和人类。

如果没有物质和反物质粒子这十亿分之一的细微不对称，宇宙中的所有物质（除了我们目前尚不清楚其具体成分的暗物质以外）都将在大爆炸之后的一秒内彻底湮灭，我们（如果我们还有机会存在的话）只能看到光子，除此以外别无他物——简直就是终极版的“要有光”。

这时，宇宙的时钟刚刚走过第1秒。

10亿K的宇宙依然滚烫，足以继续维持电子和正电子（反电子）诞生-湮灭的无限循环。但这个宇宙还在继续膨胀、冷却，它们的好日子没几天了，或者更确切地说，没几秒了。现在，电子和正电子也遭遇了和强子一样的命运：它们彼此湮灭，每10亿对电子-正电子中只有1个电子幸存下来，在物质与反物质的自杀盛宴中，这个孤独的电子是唯一的幸存者。其他电子和正电子通过湮灭融入宇宙，形成了更广阔的光子之海。

随着电子-正电子的湮灭时期逐渐落幕，宇宙“凝结”成了实体，每个电子都有单个对应的质子。宇宙还在继续冷却，它的温度降到了100万K以下，质子开始和其他质子或中子聚合形成原子核；在这个时期，宇宙中90%的原子核都是氢，剩下的10%是氦，还有极少量的氘、氚和锂原子核。

此时，大爆炸已经过去了2分钟。

从这时候开始，直到38万年以后，氢原子核、氦原子核、电子和光子组成的粒子汤才会再次发生巨变。在这几十万年里，宇宙的温度依然很高，足以允许电子在光子之间自由运动，互相碰撞。

很快我们就将在第三章中看到，随着宇宙的温度降到3000K（相当于太阳表面温度的一半）以下，这样的自由戛然而止。大约在这个时期，所有电子都被纳入原子核周围的轨道，原子就此成形。电子和原子核结合生成的原子沐浴在无处不在的可见光粒子中，粒子和原子就这样形成了原始的宇宙。

随着宇宙继续膨胀，宇宙中的光子也在继续损失能量。无论今天的天体物理学家望向哪里，他们都会发现微波光子在宇宙中留下的2.73K的温度指纹，这意味着自宇宙诞生以来，光子的能量衰减至0.1%。光子在天空中的分布——来自不同方向能量的确切数量——仍遵循原子形成之前宇宙中物质分布的规律。通过研究这些分布模式，天体物理学家知道了很多事情，包括宇宙的年龄和形状。虽然事到如今，原子已经成了宇宙日常生活的一部分，但爱因斯坦的质能方程还有许多用处，比如说，它可以应用于粒子加速器，这种设备内部的能量场会定期创造出物质-反物质粒子对；质能方程还适用于太阳核心，那里每秒都有440万吨物质被转化为能量，其他所有恒星的核心也会发生类似的事情。

E=mc^2还适用于黑洞附近，也就是事件视界边缘。黑洞有可能消耗自身大得惊人的引力能，创造出粒子-反粒子对。1975年，英国宇宙学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）首次描述了这样的盛宴，根据这一机制，黑洞的质量可能会慢慢蒸发殆尽。换句话说，黑洞并不是真的漆黑一片。这一现象名叫“霍金辐射”（Hawking radiation），它提醒我们，爱因斯坦的著名方程仍拥有惊人的生命力。

但在这场宇宙盛宴开场之前，又发生过什么？大爆炸之前的世界是什么样子？

天体物理学家回答不了这个问题。或者应该说，虽然提出了许多创意十足的想法，但我们几乎找不到任何实际的证据。不过各种宗教信仰倒是喜欢扬扬得意地宣称，开始的开始，肯定有什么事情触动了大爆炸的开关，某种至高无上的强大力量是世间一切的源泉，这就是所谓的第一推动力。当然，在笃信宗教的人眼里，这样的存在非上帝莫属。每位笃信者心目中的上帝各不相同，但他们无一例外地担起了“发球”的重任。

不过，如果宇宙一直存在，无所谓开始，只是现在的我们还无法描述它当时的状态或条件（举个例子，如果多重宇宙是真的，我们如今称之为宇宙的所有东西其实不过是泡沫之海中微不足道的一个泡泡），那又怎样？或者，如果宇宙和粒子一样，就是从无到有地突然冒了出来呢？

这样的反驳满足不了任何人，但它却能提醒我们，正是因为深知人类的无知，从事研究的科学家才能心平气和地面对不断拓展的知识疆界。那些坚信自己无所不知的人不会刻意去寻找，更不会在无意中发现宇宙中已知和未知的边界。这里隐藏着一个十分有趣的分野。如果有人问你：“大爆炸之前的宇宙是什么样子？”那么“宇宙始终都在”绝不是个值得称赞的答案。但是对很多宗教人士来说，如果有人问：“上帝诞生之前的世界是什么样子？”“上帝始终都在”却是一个令人愉悦的自然而然的回答。

无论你拥有何种身份，探查事物的源头和机制总会触发你的热情，仿佛弄清原因就能让你对后来发生的事情产生某种亲近感，甚至掌控感。所以，生活中的道理也同样适用于宇宙：明白我们从哪里来，这件事情的重要性绝不亚于知道我们要往哪里去。

第二章 反物质的重要性

粒子物理学家是物理学界“最古怪但也最有趣术语大赛”的常胜将军。除了这个领域以外，你还能上哪儿去找“一个带负电的μ子和一个μ中微子交换了一个中性向量玻色子”或者“一个奇夸克和一个粲夸克交换了结合的胶子”这种描述？除了数不清的名字特别奇怪的粒子以外，粒子物理学家还得对付反粒子构成的平行宇宙，我们把这些粒子统称为“反物质”。作为科幻故事里的常客，反物质真实地存在于我们的宇宙中。和你想的一样，反物质的确会尽可能地寻找机会接触正常物质，然后一起湮灭。

反粒子和粒子之间的关系有一种别样的浪漫。它们共同诞生于纯能量中，最后又通过湮灭将彼此的质量重新化作能量。1932年，美国物理学家卡尔·戴维·安德森（Carl David Anderson）发现了反电子，这种带正电的反物质粒子对应的是带负电的电子。从那以后，粒子物理学家在世界各地的粒子加速器里制造出了各种各样的反粒子，但是直到最近，他们才利用反粒子获得了完整的反原子。从1996年开始，在瓦尔特·厄莱尔特（Walter Oelert）的领导下，德国于利希核物理研究所的一个国际团队经过多年努力终于创造出了反氢原子，在这个反原子内部，一个反电子愉快地绕着一个反质子旋转。为了制造出这些反原子，物理学家使用了位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所（European Organization for Nuclear Research，这个机构更广为人知的称号是它的法语名称缩写，CERN）的巨型粒子加速器，这台设备为粒子物理学的发展做出了诸多重要贡献。

这些物理学家用一种简单的方式创造原子：他们制造出了一大堆反电子和一大堆反质子，然后将这些反粒子放到合适的温度和密度环境下，等待它们自行组成原子。厄莱尔特的团队在第一轮实验中就制造出了9个反氢原子。不过在这个正常物质占据绝对统治地位的世界里，反物质原子的生命十分短暂。这批反原子甚至没有活过40纳秒（1纳秒=10-9秒）就和正常原子一起湮灭了。

反电子的发现是理论物理最伟大的成就之一，因为就在几年前，生于英国的物理学家保罗·A. M.狄拉克（Paul A. M. Dirac）刚刚预测了它的存在。

为了描述最小尺度的物质（原子和亚原子粒子），20世纪20年代，物理学家发展出了一门新的分支来解释这些粒子的实验结果。利用新建立的理论（现在我们称之为“量子力学”），狄拉克根据他的方程的第二个解提出了一个假设：来自“另一边”的幽灵电子可能会以普通电子的面目突然出现在我们的世界里，从而在负能量的海洋中留下一个缺口，或者说一个洞。虽然狄拉克试图通过这种方式来解释质子，但其他物理学家却提出，这个洞可能会表现为一个带正电的反电子，由于它携带正电荷，现在我们更喜欢叫它“正电子”。正电子的发现证实了狄拉克的基本观点，也为反物质奠定了和物质一样值得尊重的地位。

拥有两个解的方程并不罕见。举个最简单的例子：哪个数的平方等于9？是3还是-3？当然，这两个答案都对，因为3乘以3等于9，-3乘以-3也等于9。物理学家无法保证某个方程的所有解都能与现实世界中的事件对应起来，但如果某个物理现象的数学模型正确无误，那么琢磨方程总比琢磨整个宇宙简单，而且同样有用。就像狄拉克和反物质的故事一样，方程的多个解常常带来各种各样的预测。如果这些预测被证明是错误的，那么人们就会抛弃相应的理论。但无论最后得到什么样的结果，数学模型总能确保你得出的结论既拥有逻辑上的合理性又具备内在的一致性。

亚原子粒子拥有多种可测量的特性，其中最重要的是它的质量和电荷数。某种粒子和它的反粒子通常拥有相同的质量，除此以外，它们的所有特性总是截然相反。比如说，正电子的质量和电子一样，但正电子携带一个单位的正电荷，而电子携带一个单位的负电荷。与此类似，反质子携带的电荷也正好和质子相反。

不管你信不信，不带电的中子也有对应的反粒子。它名叫——你猜猜看？——反中子。反中子和中子携带的电荷正好相反，我们可以称它携带“-0”电荷。这不是抬杠，我们之所以这么说，根本原因在于中子是由3个携带不完整电荷的粒子（夸克）组成的。构成中子的3个夸克携带的电荷数分别是-1/3、-1/3和2/3，而反中子内部的3个夸克携带的电荷数则是1/3、1/3和-2/3。每组夸克的总电荷数都是零，但它们各自携带的电荷却是相反的。

反物质可能突然凭空出现。如果γ射线光子拥有足够的能量，它们就能自行转化成电子-正电子对，通过这种方式，γ射线拥有的海量能量变成了微不足道的一点点物质，这个过程满足爱因斯坦的著名方程E=mc^2。

根据狄拉克最初的解释，γ射线光子会将电子从负能量的领域中激发出来，由此创造出一个普通的电子和一个电子洞。这个过程反过来也成立。如果一个粒子和一个反粒子发生碰撞，它们会互相湮灭，填满这个洞，同时释放出γ射线。你千万记得小心避开γ射线。

如果你在家里不小心捣鼓出了一团反粒子，那可真是骑虎难下了。很快你就将面临仓储的难题，也许你准备了保鲜盒或者购物袋之类的容器，但不管它是纸质的还是塑料的，反粒子都会和它发生湮灭。更聪明的做法是利用强磁场来束缚带电反粒子，强大的磁场“墙壁”虽然看不见也摸不着，却能牢牢地将反粒子锁起来。将反粒子存放在这样的真空磁场里，你就不用担心它会和普通物质一起湮灭了。这样的“磁瓶”也适合存放其他可能损伤容器的材料，譬如（受控）核聚变实验中的灼热气体。要是你创造出了完整的反原子，那么仓储问题的难度还会再上一个台阶，因为和原子一样，反原子通常无法被磁壁束缚。最明智的做法或许是将你的正电子和反质子分别存放在单独的磁瓶里，等到有需要的时候再把它们混合起来。

要创造出反物质，你需要的能量至少应该相当于它与物质湮灭时释放出来的能量。如果没有在发射前准备好一整箱反物质燃料，反物质引擎就一定会在运转中缓慢地从你的飞船中汲取能量。原版的《星际迷航》剧集和电影也许体现了这个事实，不过要是我记得没错的话，柯克船长总是要求反物质引擎“加大点马力”，而斯科提永远操着一口苏格兰腔回答：“引擎无法承受。”

虽然物理学家认为氢原子和反氢原子的运动规律应该完全一致，但他们尚未通过实验证明这一预测，主要是因为保存反氢原子实在太难。这些反原子几乎一诞生就会立刻与质子和电子发生湮灭。科学家非常希望证实，反氢原子内部正电子和反质子的运动完全遵循量子力学定律，反原子的引力也和普通原子一模一样。不过，我们也许应该思考一个更深的问题：既然普通原子产生的是引力，那么反原子会不会产生反引力（斥力）？现有理论推出的结论倾向于后者，但如果最终事实证明前者才是正确的，那么我们又将得到许多关于自然的新洞见。从原子层面上说，任何两个粒子之间的引力都非常非常小。决定这些微小粒子如何运动的主要因素不是引力，而是电磁力与核力，因为这两者都比引力强得多。要验证反引力的性质，你需要足够多的反原子来组成宏观的反物体，这样你才能测量它们的集合特性，然后与普通物质进行比较。如果我们能用反物质制造一套台球（当然，还有台球桌和台球杆），那么这场“反台球”游戏和普通的台球游戏有何区别？反8号球坠入角落球袋的方式是否和普通的8号球完全相同？反行星围绕反恒星公转的方式是否和普通行星围绕普通恒星的公转方式完全一致？

根据朴素的哲学和现代物理学的种种预测，最合理的假设或许应该是，反物质在宏观层面上的性质和普通物质完全一致——引力相同、碰撞相同、光相同，以此类推。糟糕的是，这意味着如果一个反星系正在冲向我们的银河系，那么我们不会发现它和其他正常星系有任何不同之处，等到我们终于反应过来，那就干什么都来不及了。但如此可怕的命运在今天的宇宙中应该非常罕见，因为某颗反恒星与正常恒星碰撞湮灭必然会爆发出海量的γ射线，物质与反物质掀起的能量巨浪将迅速传遍整个宇宙。如果两颗质量和太阳相仿的恒星（每颗恒星分别拥有10^57个粒子）在我们的星系中发生碰撞，那么在它们湮灭的那一刻，那颗璀璨天体爆发的能量将超过1亿个星系中所有恒星释放的能量总和，我们的世界也将在这个瞬间彻底蒸发。我们还没有找到任何可以证明宇宙中的确发生过此类事件的有力证据。我们只能推测，大爆炸之初的那几分钟结束之后，普通物质就成了宇宙主要的组成部分。所以，踏上星际旅途的时候，物质与反物质的碰撞大概不是你最需要担心的安全问题。

不过，现在的宇宙不平衡得令人担忧。我们原本以为粒子和反粒子是成对地被创造出来的，结果现在，我们却看到了一个以普通粒子为主的宇宙，反粒子的缺失仿佛根本无关紧要。这会不会是因为，宇宙中有一部分反物质被装在小袋子里藏了起来？这会不会是因为宇宙诞生之初，某个物理定律遭到了破坏（或者出于某种未知的物理机制），永远地打破了物质和反物质之间的平衡？我们或许永远都找不到这些问题的答案，不过至少在今天，如果你家院子里突然冒出来一个外星人，如果他友好地向你伸出了附肢，那你千万不要表现得过于热情，最好先朝他扔一个8号球。如果附肢碰到球就发生了爆炸，那么这位外星人没准是反物质组成的（我们暂且不必考虑这位不速之客和他的伙伴会对你的“欢迎仪式”作何反应，也不要琢磨爆炸对你有何影响）。如果什么都没有发生，那你就能放心大胆地带着这位新朋友去见领导了。

第三章 要有光

大爆炸之后的0.01秒内，宇宙的温度之高，超乎我们的想象，这个璀璨至极的世界最重要的任务是不断膨胀。每时每刻，宇宙都在不停地变大，越来越多的空间从虚无变为真实的存在（这或许很难想象，不过在这个问题上，事实胜于常识）。在膨胀的过程中，宇宙也在不断冷却、变暗。几十万年里，物质和能量彼此交缠，搅成了一锅浓汤，飞速运动的电子与光子不断发生碰撞，使光子向着四面八方散射。

在这个阶段，看遍整个宇宙恐怕是个不可能完成的任务。光子在进入你眼睛之前的几纳秒内，就会被你面前的电子弹开。无论望向哪里，你只能看到一片模糊的光雾，半透明的红白色强光弥漫在你周围，亮度堪比太阳表面。

光子携带的能量随着宇宙的膨胀不断下降。直到年轻的宇宙迈过38万岁的门槛，它的温度降到了3000K以下，质子和氦原子核终于能够永久性地捕获电子，原子就此诞生。在此之前，每个光子携带的能量都足以击碎新形成的原子，但是此时，得益于宇宙的膨胀，光子失去了这样的能力。捣乱的自由电子变少了，光子才能在空间中飞驰，不必担心撞上什么东西。在这个阶段，宇宙变得透明起来，浓雾散去，遍布宇宙的背景可见光获得了自由。

这些残余的背景光一直存留到了今天，它们来自炽热混沌的早期宇宙。无处不在的光子拥有波和粒子的双重性质。光子的波长等于两个相邻波峰之间的距离——你可以用尺子来测量这段距离，如果你能抓到光子的话。真空中的所有光子以相同的速度运动，即299792千米/秒，我们顺理成章地称之为光速。光子的波长越短，每秒经过特定点的波峰数量就越多。正是出于这个原因，光子的波长越短，单位时间传播的波的数量就越多，光的频率也越高，每秒经过特定点的波的数量也越多。光子的频率直接影响它的能量：频率越高的光子携带的能量越多。

在宇宙冷却的过程中，光子因为宇宙膨胀而损失了能量。从γ射线和X射线中诞生的光子一步步变成了紫外线光子、可见光光子，乃至红外线光子。随着波长的增长，光子的温度变得越来越低，携带的能量也越来越少，但它的基本性质始终不曾改变。在大爆炸137亿年后的今天，宇宙背景光子的频率已经降低到了微波的范围内，所以天体物理学家才叫它“宇宙微波背景辐射”，不过更具前瞻性的名字应该是“宇宙背景辐射”（Cosmic Background Radiation，CBR）。从现在开始，再过1000亿年，等到宇宙进一步膨胀冷却，未来的天体物理学家或许会认为CBR应该叫作“宇宙无线电波背景辐射”。

随着宇宙不断膨胀变大，它的温度也直线下降。这是由物理定律决定的。宇宙中不同区域之间的距离变得越来越远，CBR光子的波长必然随之变大。时间和空间的构造像弹性纤维一样拉长了宇宙中的光波。由于光子的能量和它的波长成反比，自由光子的波长每增加一倍，它的能量就会降低一半。

任何高于绝对零度的物体都会向外辐射全波长谱系的各种光子，但这样的辐射存在峰值。家用普通电灯泡输出的光子能量峰值落在红外线范围内，所以你才会觉得灯光照得你的皮肤暖烘烘的。当然，灯泡也会释放出足量的可见光，不然我们就不会买它了。因此，你的眼睛和皮肤都能感受到台灯的辐射。

宇宙背景辐射的输出峰值波长大约是1毫米，正好落在微波范围内。步话机里咝咝的静电音就来自无所不在的微波，CBR贡献了其中的一部分，其余的“噪声”则来自太阳、手机、警用测速雷达等干扰源。除了峰值的微波辐射以外，CBR还包含了少量的无线电波（所以它会干扰地球上的无线电信号）和极微量的频率高于微波的光子。

20世纪40年代，生于乌克兰的美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）和他的同事预测了CBR的存在。1948年，他们在一篇论文中运用当时已知的物理定律分析了早期宇宙的古怪状况。他们的基础观点来自比利时天文学家兼耶稣会牧师乔治·爱德华·勒梅特（Georges Edouard Lemaître）于1927年发表的一篇论文，现在勒梅特已经成了举世公认的“大爆炸理论之父”。不过，首次预测宇宙背景温度的科学家不是伽莫夫，而是两位曾经跟他合作过的美国物理学家：拉尔文·阿尔菲（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）。

阿尔菲、伽莫夫和赫尔曼提出了一个假说（今天的我们可能觉得这个想法相当简单，因为学界已经得出了定论）：昨天的时空构造比今天的更小。根据物理学的基本规律，更小就意味着更热，所以物理学家回望宇宙的开端，推演出了我们刚才描述的那个时期。当时的宇宙过于炽热，以至于所有原子核都孤零零地暴露在外，因为光子的碰撞解放了所有电子，让它们在空间中自由游荡。阿尔菲和赫尔曼提出，在这种情况下，光子不可能像今天一样在宇宙中自由穿行。如今的光子之所以能够畅行无阻，是因为宇宙的温度降低到了一定程度，电子能够在原子核周围的轨道上安定下来。完整的原子诞生以后，光才能在宇宙中自由穿行。

早期宇宙的温度一定比现在高得多。虽然这个决定性的观点是伽莫夫提出的，但阿尔菲和赫尔曼却首次算出了早期宇宙温度残留至今的余韵：5K。其实他们算错了，现在CBR的确切温度是2.73K。但无论如何，这三位科学家成功推演出了早期的宇宙面貌，虽然那段历史早已湮没在时空的长河中，但这仍是科学史上最伟大的成就之一。根据在实验室里总结出的最基本的原子物理法则，他们推演出了人类有史以来研究过的尺度最大的对象（我们这个宇宙的温度史），这绝对是个颠覆性的成果。普林斯顿大学的天体物理学家J.理查德·戈特三世（J. Richard Gott III）在《爱因斯坦宇宙中的时间旅行》（Time Travel in Einstein's Universe）一文中盛赞了这一发现：“预测宇宙背景辐射的存在并准确计算出它的温度，误差在两倍以内，这是个了不起的成就。这相当于预测一艘直径15米的飞碟将降落在白宫的草坪上，结果我们看到了一艘直径8米的飞碟缓缓落地。”

伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼做出这些预测的时候，物理学家还没确定宇宙是怎么诞生的。1948年，也就是阿尔菲和赫尔曼的论文问世的同一年，在英国发表的两篇论文提出了一套恒稳态理论，其中一篇论文由数学家赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）和天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）共同撰写，另一篇论文的作者则是宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）。根据恒稳态理论，宇宙在膨胀过程中将始终保持不变——简洁是这套假说最诱人的特质。但是，既然宇宙不断膨胀，稳定态宇宙的温度和密度又始终保持一致，那么按照邦迪、戈尔德和霍伊尔的设想，物质必须以恰到好处的频率持续地凭空出现在这个宇宙中，这样宇宙才能在膨胀的同时维持它的密度不变。与此相对，大爆炸理论（弗雷德·霍伊尔轻蔑地给它起了这个名字）则要求所有物质瞬间同时出现，某些人认为这套假说更对胃口。请注意，恒稳态理论将宇宙起源的时间推向了无限远处——对那些不愿意应对这个棘手问题的人来说，这真是方便极了。

宇宙背景辐射的预测就像一支拉满弦的利箭，它的箭头对准了恒稳态理论的要害。CBR的存在将清晰地证明，昔日的宇宙和我们今天看到的很不一样——它比现在小得多，也热得多。因此，关于CBR的第一批直接观测结果给恒稳态理论的棺材钉下了第一颗钉子（但弗雷德·霍伊尔从不曾完全接受这样的现实：CBR推翻了他优雅的理论。终其一生，他一直试图为这种辐射寻找其他解释）。1964年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在新泽西州美利山（Murray Hill）的贝尔电话实验室（简称“贝尔实验室”）偶然发现了CBR的存在。1978年，他们的勤奋和幸运得到了奖励，彭齐亚斯和威尔逊荣获诺贝尔物理学奖。

彭齐亚斯和威尔逊是怎么拿到诺贝尔奖的呢？20世纪60年代初，物理学家已经知道了微波的存在，但谁也无法准确探测微波波段的微弱信号。那时候的无线通信设备（例如，接收器、探测器和发送器）主要针对波长更长的无线电波。要捕捉微波，科学家需要能对波长更短的波进行探测的探测器和灵敏的天线。贝尔实验室就有一套这样的设备，这台巨大的喇叭状天线能专门捕捉微波，而且性能和普通设备一样好。

发送或接收信号的时候，你肯定不希望受到其他信号的干扰。彭齐亚斯和威尔逊试图为贝尔实验室开辟一个新的通信频道，他们希望确定这些信号会遭受多少“背景”干扰，无论这些干扰是来自地面、太阳、银河系中心，还是其他地方。为了确定探测微波信号的难度，他们开始进行一些标准测量。当时他们完全不知道，这些看似普通的测量将产生多么重大的影响。虽然彭齐亚斯和威尔逊都有天文学的背景，但他们不是宇宙学家，而是研究微波的技术派物理学家。对于伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼做出的预测，他们根本一无所知。寻找宇宙微波背景辐射绝对不是他们的目标。

就这样，他们开始了实验。校正数据的时候，两位科学家排除了一切已知的干扰源，但最后他们发现，信号中的背景噪声还是没有消失，他们完全想不出摆脱它的办法。地平线上的每个方向似乎都有噪声，而且不随时间变化。最后，他们决定检查一下大喇叭内部，结果发现鸽子在天线里面筑了巢，鸽巢附近沾满了白色的绝缘物质（鸽粪）。当时的彭齐亚斯和威尔逊肯定陷入了绝望——难道信号里的背景噪声来自鸽粪？他们清理了天线，噪声的确减弱了一点，但还是没有消失。1965年，他们在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）上发表了一篇论文，提到了这种无法解释的“多余的天线温度”；这两位物理学家全然不知，世纪性的天文发现就悬在他们的指尖。

彭齐亚斯和威尔逊在清理鸟粪的时候，普林斯顿大学的一群物理学家正在罗伯特·H.迪克（Robert H. Dicke）的带领下修建一台探测器，这台探测器将专门用来寻找伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼预测的CBR。这些教授没有贝尔实验室充足的资源，所以他们的工作进展得很慢。彭齐亚斯和威尔逊的观测结果传到迪克团队耳朵里的那一刻，这群物理学家立即明白，他们晚了一步。他们当然知道所谓的“多余的天线温度”到底是什么。观测结果完全符合理论假说：温度符合预测，来自任何方向的信号强度完全相同，而且它不受时间影响，这意味着地球自转或者地球在绕日公转轨道上的位置都与它无关。

但我们为什么会接受这套解释呢？理由非常充分。光子从遥远的宇宙深处传到我们这里需要时间，所以当我们将目光投向深邃的宇宙，看到的景象必然来自过去。这意味着如果有另一群智慧生物定居在某个遥远的星系里，他们测量宇宙背景辐射的时间比我们早得多，那么他们测出的温度必然高于2.73K，因为在那个时候，宇宙比现在更年轻、更小也更热。

这个大胆的猜想能被证实吗？当然。我们发现，一种名叫“氰”的碳氮化合物——它最广为人知的用途是给杀人犯执行死刑——一旦暴露在微波中就会被激发。如果某种微波的温度高于现在的CBR，那么氰分子被激发的程度也会略高于CBR。因此，氰可以充当宇宙的温度计。当我们观测那些更遥远也更年轻的星系时，我们应该发现，那里的氰沐浴在比银河系CBR温度更高的宇宙背景辐射中。换句话说，那些星系应该比我们的银河系更有活力。事实也的确如此。来自远方星系的氰的光谱表明，那里的微波温度的确符合我们对更早期宇宙的推想。

这些事可做不了假。

对天体物理学家来说，CBR的意义绝不仅仅是为宇宙的灼热过往和大爆炸理论提供了最直接的证据，他们还发现，组成CBR的光子承载着宇宙变得透明之前和之后的大量细节信息。我们注意到，直到大爆炸大约38万年之后，宇宙仍是不透明的，所以就算你坐在第一排正中间，你也不可能亲眼见证物质的形成。你根本不可能看到星系团聚集成形的过程。在任何地方的任何人能看到任何值得一看的东西之前，光子就获得了在宇宙中畅通无阻的能力。每个光子都会在某个合适的时机遭遇与电子的最后一次碰撞，从此踏上跨越宇宙的漫长旅途。随着越来越多的光子摆脱电子的干扰（这得多谢电子和原子核一起形成了原子），它们形成了一层不断膨胀的光子壳，天体物理学家称之为“最后的散射面”（the surface of last scatter）。这层光子壳大约花费了10万年时间才逐渐成形，与宇宙中所有原子的诞生完全同步。

这个时候，宇宙中很多地方的物质已经开始聚集。物质聚集得越多，产生的引力就越强，这又进一步吸引了更多物质。这些物质富集的区域为超星系团的形成播下了种子，与此同时，其他区域相对比较空旷。物质聚集区的引力场越来越强，一些光子正好在这样的区域内经历了与电子的最后一次碰撞，那么这些光子离开这片区域的时候，引力场会剥夺它们的一小部分能量，从而使它们跌落到略微冷一点的谱系中。

宇宙中的确有某些地方的CBR比平均温度高一点点或者低一点点，但波动极小。这些热点和冷点标出了宇宙中最古老的结构，也就是物质最初聚集的地方。我们之所以知道物质今天的模样，是因为我们能看到星系、星系团和超星系团。为了弄清这些系统是如何形成的，我们开始深入研究宇宙背景辐射，这些来自遥远过去的不可思议的遗迹迄今仍充斥着整个宇宙。对CBR“图案”的研究构成了“宇宙颅相学”：我们摸索青年宇宙“颅骨”上的凹凸，反推它在婴儿期的行为，预测它在成年后的未来。

结合对地球和深空的其他观测结果，天文学家可以根据CBR确定宇宙的各种基本特性。比如说，我们可以比较热区和冷区的尺寸及温度分布，由此推测早期宇宙的引力强度，进而判断物质聚集的速度。接下来，我们还能推测宇宙中普通物质、暗物质和暗能量的比例（分别是4%、23%和73%）。知道了这些基本信息，“宇宙是否会永远膨胀下去”“宇宙的膨胀是否会随时间流逝而变慢或者变快”这些问题就简单多了。

我们每个人都是由普通物质组成的，普通物质既能产生引力，又能吸收、释放光，还能和光发生其他形式的互动。正如我们在第四章中即将看到的，暗物质是一种性质未知的存在，它能产生引力，却不会以任何已知的方式与光互动。我们会在第五章中介绍暗能量，它加快了宇宙膨胀的速度，如果没有暗能量，宇宙就不会膨胀得这么快。现在，借助宇宙颅相学，宇宙学家对早期宇宙已经有所了解，但对于现在的宇宙和过去的宇宙，我们一直不清楚其中的主要成分到底是什么。

尽管有那么多未知的谜团，但今天的宇宙学家已经得到了一件前所未有的强大工具。CBR承载着我们都曾经通过的那扇大门留下的印记。

100多亿年来，宇宙一直在不断地膨胀，最初我们通过对遥远星系的观测得出了这个结论，宇宙微波背景辐射的发现验证了这一点，由此提升了宇宙学的准确性。CBR的精准确保了宇宙学在实验科学领域的地位。起初，科学家利用气球搭载的设备和南极的一台望远镜探测天空中的小块区域，由此绘制了这张地图的初稿；后来他们又通过一颗名为“威尔金森微波各向异性探测器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）的卫星扫描整个天空，补完了整张地图。2003年，WMAP输出了第一批观测结果；在我们的宇宙学故事讲完之前，这颗卫星还将为我们提供更多信息。

宇宙学家总是那么自负，不然他们又怎么能大胆推测宇宙是如何诞生的呢？但宇宙学已经走入了基于观测的新纪元，现在他们或许需要改改脾气，变得谦逊一点。每一个新的观测结果，每一组新的数据都可能对你的理论产生影响。一方面，观测为宇宙学奠定了坚实的基础，在其他很多科学领域里，这样的基础完全是默认的，因为它们早就形成了成熟的实验室观测体系；另一方面，理论家曾在缺乏观测手段的年代凭空提出了大量不着边际的假说，新的数据必然会肯定其中的一部分，打破另外一部分。

科学的硕果离不开准确数据的浇灌。现在，宇宙学正在成为一门准确的科学。

第四章 要有暗

引力是自然界里我们最熟悉的力，它同时造就了自然界里最容易理解和最让人费解的现象。千年来最睿智、最具影响力的科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）认识到，引力神秘的“远距离作用”来自每一点物质的天然效应，任意两个物体之间的引力都能用一个简单的代数方程来描述。20世纪最睿智、最具影响力的科学家爱因斯坦又进一步发现，我们可以将引力的远距离作用更准确地描述为物质和能量的任意组合造成的时空构造弯曲。爱因斯坦证明，牛顿理论需要做出一定的修正才能准确描述引力，在这个过程中，他预测了光线行经大质量物体时弯曲的程度。虽然爱因斯坦的方程看起来比牛顿的花哨，但它们完全符合我们所认知并热爱的物质的实际行为，包括我们能够看到、触碰、感觉、偶尔还会品尝的所有物质。

我们不知道下一个天才会是谁，但半个多世纪以来，我们一直在等待某个人来告诉我们，为什么我们在宇宙中测量到的引力大部分来自那些看不见、摸不着、无法触碰，更无从品尝的存在。也许这些多余引力的来源根本不是物质，而是另一些抽象的东西。无论如何，现在我们还全无头绪。星系的引力会影响它们的近邻，1933年，天文学家在测量某些星系的速度时首次发现了“消失的质量”。1937年，曾先后在保加利亚、瑞士和美国居住的天体物理学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）全面分析了这个谜团，但直到今天，我们在这个问题上仍然没有任何进展。兹威基在加州理工学院（California Institute of Technology）工作了40多年，这位科学家提出的宇宙学理论五花八门、丰富多彩，同样令人印象深刻的还有他挑衅同事的非凡能力。

兹威基研究的是一个巨型星系团内的星系运动，这些天体来自后发座（Coma Berenices，这个名字的意思是“贝蕾妮丝的头发”，贝蕾妮丝是埃及古代的一位王后），远离银河系的本地恒星。后发座星系团地处偏远，星系众多，它与地球的距离大约是3亿光年。数千个星系就像围绕蜂巢打转的蜂群一样绕着星系团中心旋转，运动方向各不相同。兹威基从中挑出了几十个星系，通过它们的运动来研究凝聚整个星系团的引力，结果发现，这些星系的平均速度大得惊人。引力越大，受其作用的天体运动速度也越快，因此兹威基推测，后发座星系团的质量一定非常非常大。如果把这些星系的估计质量全都加起来，后发座就会成为宇宙中最大、最重的星系团。即便如此，这个星系团中可见物质的质量也无法支撑这么快的星系运动速度。似乎有一部分物质凭空消失了。

如果你假设这个星系团并未处于某种奇怪的膨胀或坍缩状态，那么你可以用牛顿引力定律算出这些星系理应拥有的典型平均速度。你需要的数据只有两组：星系团的尺寸，以及你估计的星系团总质量。星系与星系团中心之间的距离各不相同，星系团的总质量产生的影响也不一样，由此我们可以算出各星系的运动速度：如果星系的运动速度太慢，它就会坠入星系团中心，要是速度太快，它就会彻底脱离这个星系团。

牛顿曾用同样的方法根据各个行星与太阳之间的距离计算太阳系里每颗行星在绕日轨道上的公转速度。这些速度完全符合各个行星所在的引力环境。如果太阳突然变得更重，地球和太阳系里的所有天体都必须加快速度才能停留在目前的轨道上。但是，如果天体的公转速度太快，太阳的引力就不足以维持它们目前的轨道。要是地球的轨道速度增加到目前的两倍，我们这颗行星就将达到“逃逸速度”，然后（正如你猜到的那样）它会逃离太阳系。同样的道理也适用于比地球大得多的天体，例如，我们的银河系。银河系内某颗恒星运行的轨道由本星系其他所有恒星的引力共同决定，以此类推，星系团中的每个星系也会受到其他所有星系引力的影响。正如爱因斯坦在纪念牛顿的诗句（它的德语原文比译文更有震撼力）中写到的：

天上的星星告诉我们

大师的思想何等触手可及

每颗星星都遵循牛顿的数学

在轨道上默然运行

如果我们像20世纪30年代的兹威基一样仔细审视后发座星系团，我们会发现，它内部的所有星系运行的速度都超过了这个星系团的逃逸速度。但我们在计算逃逸速度时依据的星系团总质量，是将它拥有的所有星系质量一个个加起来得出的结果，而每个星系的质量又是根据它的亮度估计出来的。如果我们没算错的话，这个星系团应该迅速分崩离析，只余下些许痕迹供人缅怀它蜂巢般拥挤的过往，这个过程只需要几亿年到10亿年。但后发座星系团的寿命已经超过了100亿年，几乎和宇宙本身一样古老。这就是天文学上存在时间最长的谜团。

兹威基发现这个谜团之后的几十年里，天文学家又在其他星系团中观察到了同样的现象。所以，我们不能怪后发座太奇怪。那么我们该责怪谁呢？牛顿吗？那可不行，250年来，牛顿的理论经受了无数考验仍屹立不倒。那怪爱因斯坦？也不行。星系团的引力并没有强到必须全面动用爱因斯坦相对论的程度，兹威基开展研究的时候，这套理论才诞生了20多年。将后发座星系团凝聚在一起的力量也许真的来自“消失的质量”，只不过我们看不到它们，也不知道它们的性质。有一段时间，天文学家将“消失的质量”重新命名为“消失的光”，因为这些质量是从多余的引力反推出来的。现在，天文学家更准确地估计了星系团的质量，于是他们提出了“暗物质”这个新词儿，不过更准确的描述或许应该是“暗引力”。

暗物质问题看不见的头颅再次浮出水面。1976年，华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution of Washington）的天体物理学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）在旋涡星系中也发现了“消失的质量”引发的异常。鲁宾研究的是恒星围绕自己所在的星系中心旋转的速度，刚开始她观察到的现象完全符合预想：在每个星系可见的星系盘内，远离星系中心的恒星运动速度大于更内侧的恒星。外侧恒星与星系中心之间的物质（恒星和气体）更多，所以它们需要转得更快才能留在轨道上。但是，在明亮的星系盘之外，我们仍能找到一些孤立的气体云和少量亮星，鲁宾利用这些天体来跟踪星系“外部”的引力场。虽然这些区域内没有能够增加星系总质量的可见物质，但她发现，“虚无村”里的这些天体运动速度还是很快——它们的速度本应随着距离的增加而下降。

这些广袤的真空区域是每个星系里都会有的荒野，其中包含的可见物质太少，根本无法支撑零星天体的飞速运动。鲁宾提出了一个合理的假设：旋涡星系边缘黑暗的偏远区域里一定存在某种形式的暗物质。事实上，这些暗物质形成的暗晕包围着整个星系。

暗晕问题就在我们的鼻子底下，我们的银河系里就有暗晕。可见天体质量与系统总质量之间总是存在偏差，几乎每一个星系和星系团都逃不掉这个问题，只是两个质量之间的比例系数差别巨大，有的只有2或3，有的可以达到几百。整个宇宙的平均系数大约是6。也就是说，宇宙中暗物质的质量是可见物质的6倍左右。

近25年来，进一步的研究告诉我们，这些暗物质的成分不可能是不发光的普通物质。科学家之所以得出这个结论，是因为他们几乎可以排除已知的任何候选者，这就像警察筛查嫌犯。这些不发光的物质会不会藏在黑洞里？不可能，要是真有这么多黑洞，它们的引力必然影响周围的恒星，那我们早就发现不对劲了。它们会不会是看不见的云？也不可能，云团会吸收后面的恒星发出的光，或者以其他方式与这些光互动，但真正的暗物质却不会。它们会不会是恒星之间（或者星系之间）的行星、小行星、彗星或者其他不发光的天体？我们很难相信宇宙中行星的质量能达到恒星的6倍，这意味着每颗恒星将对应6000颗木星，甚至200万颗地球。在我们的太阳系里，太阳以外的其他所有东西的质量加起来也只有太阳的0.2%。

因此，我们只能推测，暗物质不可能简单地由某些正好不发光的物质组成。恰恰相反，它完全是另一种存在。暗物质产生的引力和普通物质完全相同，但除此以外，我们几乎意识不到它的存在。当然，这个问题陷入死胡同的深层原因在于，我们根本不知道暗物质到底是什么。探测暗物质之所以这么难，很大程度上是因为我们完全不了解它的性质，那么问题来了：既然所有物质都有质量，所有质量都会产生引力，那么反过来说，引力就一定来自物质吗？我们并不知道。暗物质指的是某种拥有引力但性质不明的物质，但也许这里根本就不存在什么物质，它就是一种我们完全不了解的引力。

要研究暗物质，我们不能光是假设它存在，然后就把它丢到一边。现在，天体物理学家正在试图弄明白，这些东西聚集在宇宙中的哪些地方。如果暗物质只存在于星系团边缘，那么星系的运动速度应该完全不受它的影响，因为星系运动的速度和轨道完全取决于其轨道内侧的引力源。如果暗物质只存在于星系团中心，那么（距离中心由近到远的）星系的运动速度应该只受分布于它们的轨道之间的普通物质的影响。但实际的观测结果却告诉我们，星系团内绕轨运行的星系所占据的空间里到处都有暗物质。事实上，普通物质和暗物质的位置有松散的重叠。几年前，美国天体物理学家J.安东尼·泰森（J. Anthony Tyson，他是本书一位作者的“托尼堂哥”，但两人实际上并不是亲戚）带领的团队（当时他们在贝尔实验室工作，现在转移到了加州大学戴维斯分校）首次描绘了巨型星系团内部及周围的暗物质引力分布详图。大星系所在的区域暗物质密集度很高，反之，没有可见星系的区域暗物质很稀少。

暗物质和普通物质的矛盾在某些环境里并不突出，但在某些环境里却特别扎眼，总的来说，这样的矛盾在大型天文系统中表现得最为明显，譬如星系和星系团。对于那些最小的天体（例如，卫星和行星）来说，暗物质和普通物质的矛盾根本就不存在。举个例子：我们脚下踩着的这颗星球足以解释地球表面的引力，所以要是你体重超标，千万别怪到暗物质头上。暗物质也不会影响月球绕地球运行的轨道，或者行星绕太阳的运动。但要解释恒星围绕星系中心的运动，我们就得祭出暗物质这面大旗了。

星系尺度的引力会不会遵循另一套物理规则？很可能不是这样。可能性更大的是，暗物质由一些我们尚不清楚其性质的东西组成，它们的分布比普通物质更加分散，否则我们会发现，每六片暗物质里就有一片上面粘着一团普通物质。据我们目前所知，事实并非如此。

有时候，天体物理学家会甘冒天下之大不韪，提出一些耸人听闻的观点，比如：我们知道和热爱的所有物质，包括恒星、行星和生命其实只是宇宙汪洋中漂浮的片片浮标，真正组成这片海洋的是一些虚无缥缈的东西。

但是，万一这个结论完全错了呢？在无路可走的情况下，一些科学家开始质疑其他试图理解宇宙的同行提出的假说所依据的基本物理定律，这是可以理解的。他们这么做也不算错。

20世纪80年代初，以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的以色列物理学家莫德采·米尔格若姆（Mordehai Milgrom）提出，我们应该对牛顿引力定律做出修改，现在这套理论被称为MOND（MOdified Newtonian Dynamics，修正版牛顿力学）。标准牛顿力学完全适用于星系以下的尺度。米尔格若姆提出，描述引力在星系和星系团尺度上的影响时，牛顿需要一些帮助，因为单个的恒星和星系团相距遥远，它们作用于彼此的引力相对较小。米尔格若姆为牛顿方程添加了一个条件，专门用于修正天文尺度下的引力效应。虽然米尔格若姆提出的MOND只是一个计算工具，但他也没有排除这样的可能性：说不定他的理论真的可以解释新的自然现象。

MOND的成功相当有限。这套理论的确可以解释很多旋涡星系外围孤立天体的运动，但它带来的问题比答案还多。MOND无法可靠预测更复杂系统的动力学特性，例如，它无法解释双星系或多系统的运动。此外，WMAP卫星于2003年绘制的宇宙背景辐射详图带来了新的契机，现在宇宙学家可以单独测量暗物质对早期宇宙的影响。他们得出的结果完全符合基于传统引力理论的连续宇宙模型，MOND因此失去了很多支持者。

宇宙的历史长达140亿年，在最初50万年的短暂时光里，宇宙中的物质已经开始聚集成团，其中一些后来发展成了星系团和超星系团。但宇宙一直都在膨胀，接下来的50万年里，它的尺寸将增加一倍。所以宇宙中的两种效应互相竞争：引力努力将物质聚集成团，但膨胀却总是试图撕碎这些团块。算一算你就会发现，普通物质的引力根本不可能打赢这场战争。它需要暗物质的帮助，如果没有暗物质，我们（确切地说，我们根本不会存在）将生活在一个极度松散的宇宙中：没有星系团、没有星系、没有恒星、没有行星，更没有人类。我们需要多少来自暗物质的引力？答案是：普通物质提供的引力的6倍。这样的分析彻底堵死了MOND对牛顿定律的小小修正。分析结果没有告诉我们暗物质到底是什么，只是证明了暗物质的影响真实存在——无论你怎么生拉硬拽，这份功劳也没法归到普通物质头上。

暗物质在宇宙中还扮演着另一个关键的角色。为了致敬暗物质为我们做的一切，我们不妨沿着时间的河流上溯到大爆炸之后的那几分钟，那时候的宇宙依然灼热致密，足以将氢原子核（质子）聚合在一起。早期宇宙的坩埚将氢锻造成了氦，以及极少量的锂和更少量的氘（一种比较重的氢原子核，由一个质子和一个中子构成）。这些原子核混合在一起，形成了大爆炸在宇宙中留下的另一枚指纹，凭借这些遗迹，我们得以重构宇宙诞生之初那几分钟的情景。创造这枚指纹的第一推动力是强核力——这种力将原子核中的质子和中子结合在一起——而不是引力，引力过于微弱，只有等万亿数量级的粒子聚集在一起之后，我们才能真正看到引力的效果。

等温度降到某个阈值以下，遍及宇宙的聚变已经将氦原子核和氢原子核的比例提高到了1∶10。这个大坩埚还将大约千分之一的普通物质锻造成了锂原子核，另有十万分之二的物质变成了氘。如果暗物质的成分不是某种无法产生任何互动的存在，而是不发光的普通物质，并且可以享受到聚变带来的好处，那么考虑到这些不发光的物质包含的粒子数量是普通物质的6倍，在那个局促狭小的早期宇宙中，大量不发光物质一定会大幅提高氢原子核的聚变率，最后生成的氦必然远远超过我们如今观测到的结果，宇宙诞生的过程也将发生巨变。

氦是一种顽强的原子核，它相对容易生成，但要让它聚合形成其他原子核却非常困难。恒星核内的聚变反应会不断地将氢制造成氦，与此同时，进一步的核聚变破坏的氦原子核数量相对少得多，所以我们或许可以认为，哪怕是在宇宙中那些氦原子核最稀少的地方，这种元素的数量也不会少于宇宙诞生之初的那几分钟。当然，就算恒星在消耗原料时极度克制，在它所属的星系内，氦元素在所有原子中的占比也有10%，我们从大爆炸献给宇宙的生日套餐中恰好可以推算出这个数字——只要当时那些暗物质不参与创造原子核的聚变反应。

所以，暗物质是我们的朋友。但天体物理学家在计算的时候必须以自己完全不理解的概念为基础，他们对此感觉不适也是可以理解的，虽然他们并不是第一次陷入这样的境地。早在19世纪，天体物理学家就测量了太阳的能量输出，那时候他们并不知道这些能量来自热核聚变，当时量子力学还没出现，关于微观物质的各种深刻洞见更是连影子都还没有，“聚变”这个概念根本就不存在。

不屈不挠的怀疑主义者或许会将今天的暗物质比作早已被证伪的“以太”。很长一段时间里，人们普遍认为，光在没有重量的透明以太中传播。物理学家觉得以太必然存在，虽然没有任何证据能证明这套假说，但它依然流行了几个世纪，直到1887年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）在克利夫兰做了那个著名的实验。既然光是一种波，那它就应该需要某种传播媒介，就像声音需要空气作为传播媒介。不过后来我们发现，光在宇宙的真空中也可以高高兴兴地奔跑，不需要任何媒介的支持。声波实际上来自空气的振动，光波却和它不一样，光单靠自己就能传播。

但我们对暗物质的无知和对以太的无知有着本质的区别。以太不过是一个占位符，我们用它来填充尚不完善的理论，但暗物质不是虚无缥缈的假说，我们实实在在地观测到了它的引力对可见物质的影响。暗物质不是凭空创造的概念，而是我们基于观测结果做出的推测。暗物质和我们已经发现的100多颗系外行星一样真实——这些太阳系外行星发现的关键就是它们的引力对其宿主恒星造成的影响。最坏的结果无非就是物理学家（或者其他智者）最终发现，暗物质的成分根本就不是物质，而是别的东西，实际上他们也没有排除这样的可能性。暗物质会不会是另一个维度的力在宇宙中的投影？会不会是某个平行宇宙和我们的宇宙发生了交叉？然而，这些可能性不会改变暗物质引力在理论方程中的地位，我们正在利用这些方程理解宇宙的形成和演化。

一些顽固不化的怀疑主义者可能会宣称“眼见为实”。眼见为实的生活哲学的确适用于很多地方，机械工程学领域用得上，钓鱼和约会的时候也用得上。显然，密苏里州的居民也深信这套哲学，但它真的不够科学。“眼见”绝不是科学的全部，科学的核心是测量——最好的测量工具不是你的眼睛，因为眼睛必然受到脑子的影响：你会先入为主，会做事后诸葛亮，会有未经其他数据验证的猜想，还有林林总总的偏见。

75年来，地球上的我们一直试图直接探测暗物质，对研究者来说，这就像某种形式的墨迹测验。有的粒子物理学家认为，暗物质的基本成分肯定是某些我们尚未发现的幽灵粒子，它通过引力和物质互动，除此以外它和物质或者光不会有任何相互作用，就算有也非常微弱。这个说法听起来有点疯狂，但类似的事情早有先例。比如说，我们早就知道中微子的存在，但它和普通物质以及光的相互作用都极其微弱。日核制造的每一个氦原子核都伴随着两个中微子，来自太阳的中微子以接近光速的速度在宇宙的真空中飞驰，然后畅通无阻地穿过地球，就像幽灵一样。想一想吧：无论是白天还是晚上，每一秒都有1000亿个来自太阳的中微子悄无声息地穿过你身上的每一平方厘米。

但捕捉中微子并非完全不可能。在极为罕见的情况下，中微子会通过天然的弱核力与物质互动。能捕捉到一个粒子，你自然就能探测它。我们不妨将行踪飘忽的中微子比作隐身人——同样的比喻也适合暗物质。“他”能穿过墙壁和门，就像“他”根本不存在一样。不过，既然隐身人拥有这样的能力，那“他”为什么没有穿过地板掉进地下室呢？

如果我们能制造出足够灵敏的探测器，粒子物理学家猜想的暗物质粒子或许就会通过类似的互动显露真容。它们也可能通过强核力、弱核力、电磁力以外的某种未知的力展示自己的存在。这三种已知的力（再加上引力）主宰着已知的所有粒子之间的互动。所以，我们的选择十分清晰。暗物质粒子一定在等待我们去发现，具体的方法无非两种：（1）发现并掌握一种或者一系列全新的力，它能和暗物质粒子产生互动；（2）继续提高测量的灵敏度，因为暗物质粒子青睐的可能还是我们熟知的这几种力，只是它们之间的作用非常非常微弱。

MOND理论的支持者在墨迹测试中没有看到全新的粒子。他们认为需要修正的是引力，而不是粒子，所以他们决定修正牛顿力学——虽然这个大胆的尝试似乎已经失败了，但毫无疑问，支持这条道路的先驱试图改变的是我们对引力的看法，而不是亚原子的人口普查数据。

还有一些物理学家追求的是万有理论（Theories Of Everything，TOE）。根据这套理论的一个衍生版本，我们的宇宙附近存在一个平行宇宙，我们只能通过引力与它互动。你永远不会接触到平行宇宙里的物质，但你可能会感受到它的拉力，这些力能够渗入我们这个宇宙的空间维度。想象一下，我们的宇宙有一个幽灵般的同伴，它只能通过引力彰显自己的存在。这听起来相当新奇，简直不可思议，但想一想人类第一次听说地球绕太阳旋转时的情况，还有人类第一次听说太阳系在宇宙中并不孤独时的情况，你或许就不会这么大惊小怪了。

暗物质的影响真实存在。我们只是不知道暗物质到底是什么。它似乎不受强核力的影响，因此它无法形成原子核。我们也没有发现它受弱核力影响，所以它的行踪比中微子更难捉摸。它看起来也不会受电磁力影响，所以它不能制造分子，也不能吸收、释放、反射或者散射光。然而它却能产生引力，由此影响普通物质。事情就是这样。经过了这么多年的摸索，天体物理学家还是不知道，暗物质除了产生引力以外还能干什么。

宇宙背景辐射详图告诉我们，在宇宙诞生之初的那38万年里，暗物质必然已经存在。时至今日，我们依然需要银河系和星系团里的暗物质，否则我们就无法解释这些系统内部天体的运动。不过，从目前的情况来看，我们对暗物质的无知并未影响天体物理学前进的脚步。在探索宇宙的道路上，暗物质就像一位古怪的朋友，我们带着它一路前行，在需要它的时候恳求它为我们扶危解困。

我们希望，在不久的将来，我们可以逐渐学会利用暗物质——只要我们能搞清楚它的成分到底是什么。想象一下，暗物质可以帮助我们造出看不见的玩具、能够彼此穿透的车辆，或者超级隐形飞机。科学史上从来不乏起初看似莫名的发现，到头来总有聪明人会想出办法来利用这些知识，造福自己或者地球上的其他生灵。

第五章 要有更多暗

现在我们知道，宇宙中光与暗并存。所有我们熟悉的天体都沐浴在光中，无论是组成星系的数以十亿计的恒星，还是行星和更小的宇宙碎片。恒星以外的天体或许不会产生可见光，但它们的确会释放出其他形式的电磁辐射，例如红外线或无线电波。

目前我们发现，神秘的暗物质隐藏在宇宙的未知世界中，我们只能通过其引力对可见物质的影响感受到它的存在，对它的组成和性质一无所知。暗物质中有一小部分可能只是看不见的普通物质，但它们不会产生任何可探测的辐射。不过，正如我们在第四章中介绍的，绝大部分暗物质的成分必然不是普通物质，目前我们对其性质几乎一无所知，我们只知道暗物质有作用于可见物质的引力。

除了暗物质以外，宇宙中还隐藏着截然不同的另一种存在。它不存在于任何形式的物质内部，只存在于空间之中。我们将这个概念以及它蕴含的惊人结果归功于当之无愧的现代宇宙学之父——爱因斯坦。

第一次世界大战期间，改进款的新型机枪在柏林以西几百千米外的战场上对数万士兵大开杀戒，与此同时，爱因斯坦坐在德国首都的办公室里思考宇宙。战争伊始，爱因斯坦和一位同行一起发起了反战请愿，除了他们自己以外，他们还说服了另外两个人在请愿书上签名。这一举动破坏了爱因斯坦和其他科学家的关系，也彻底摧毁了这位同行的职业前途，因为当时大多数德国科学家都签了支持开战的请愿书。但爱因斯坦的人格魅力和科学声望让他能够继续在同侪面前保持尊严。他仍在努力寻找能够准确描述宇宙的方程。

战争还没结束，爱因斯坦就获得了成功——这可能是他职业生涯中最辉煌的一页。1915年11月，爱因斯坦提出了广义相对论，这套理论描述了空间和物质如何互动：物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何移动。牛顿认为引力是一种神秘的“远距离作用”，但爱因斯坦认为，引力来自空间构造的扭曲，它就发生在我们的眼皮子底下。举个例子：太阳会在空间中造出某种扭曲的“酒窝”，离太阳越近的地方，这种扭曲效应就表现得越明显。行星会不由自主地滚向酒窝深处，但在惯性的作用下，它们并未一路下坠，而是绕着公转轨道运动，在空间中与这个酒窝保持大体恒定的距离。爱因斯坦的理论公开发表后几周，物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）从可怕的德国军旅生活中暂时抽身出来（在军中染上的恶疾没过多久就夺去了他的生命），利用爱因斯坦的理论推出了一个奇妙的现象：强引力物体会在空间中创造一个“奇点”。奇点周围的空间会将这个物体完全包裹起来，包括光在内的任何东西都无法穿透这层铁幕。这样的物体就是我们今天所说的黑洞。

在广义相对论的引导下，爱因斯坦找到了他苦苦寻觅的关键方程，这个方程将宇宙中的物体及其整体行为联系到了一起。爱因斯坦独坐在办公室里研究这个方程，在脑子里构建各种各样的宇宙模型，当时他几乎发现了宇宙正在膨胀，但直到十几年后，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的观测结果才真正揭开了宇宙的这个秘密。

根据爱因斯坦的基本方程，在一个物质大致均匀分布的宇宙中，空间不可能是“静态”的。宇宙不可能“静静待在原地”，虽然我们的直觉和一个时期内的天文观测结果都指向这个结论。作为一个整体，空间必然有所动作，要么一直膨胀，要么一直坍缩。空间类似吹胀或者泄气的气球，它绝不是一个大小恒定的气球。

这让爱因斯坦深感忧虑。有一段时间，就连这位藐视权威、从不惮于质疑传统物理理论的勇士也觉得自己可能走得太远了。没有任何天文观测结果能证明宇宙正在膨胀，因为当时天文学家只记录近处的恒星运动，从未测量过如今我们称之为星系的那些遥远天体和地球之间的距离。爱因斯坦并没有对外公布宇宙膨胀或坍缩的计算结果，他回过头审视自己的方程，试图另辟蹊径，将宇宙“固定”下来。

很快他就找到了一条路。爱因斯坦的基本方程里有一个具体数值未知的常数，它代表真空中每立方厘米空间包含的能量。当时谁也无法确定这个常数的值，所以最开始，爱因斯坦将它设定为0。他在另一篇科学论文中提出，如果这个常数（后来的宇宙学家将它命名为“宇宙常数”，cosmological constant）有一个特定的值，那么空间也可能是静态的。这样一来，他的理论和观测结果之间的冲突消弭于无形，爱因斯坦也能安心相信自己的方程了。

但麻烦接踵而至。1922年，一位名叫亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）的俄国数学家证明了爱因斯坦的静态宇宙必然是不稳定的，就像架在支点上的铅笔，最轻微的涟漪或扰动都会导致空间膨胀或坍缩。刚开始，爱因斯坦宣称弗里德曼肯定弄错了，不过后来，他发表文章收回了这一指控，并肯定了弗里德曼的计算结果。对这位伟大的科学家来说，如此大方的举动绝不鲜见。20世纪20年代末，哈勃发现宇宙的确在膨胀，爱因斯坦愉快地接受了他的结论。根据伽莫夫的回忆，爱因斯坦毫不讳言宇宙常数是他犯下的“最大的错误”。虽然少数几位宇宙学家还在顽固地试图利用非零（但不是爱因斯坦使用过的1）的宇宙常数来解释某些令人困惑的观测结果，但他们的理论后来都被证伪了：宇宙其实根本不需要这个常数，对于这样的结果，全世界科学家不无解脱地叹了口气。

当时他们的确这样以为。不过到了20世纪末，宇宙论的故事再起波澜，1998年，人们惊讶地发现，宇宙常数的值真的不是0。看似空旷的空间中包含着能量，我们称之为“暗能量”，这种能量非同寻常的特质决定了整个宇宙的未来。

要理解（甚至相信）这套匪夷所思的理论，我们必须回顾哈勃发现宇宙膨胀之后宇宙学家思考的关键问题。爱因斯坦的基本方程允许空间曲率存在，用数学语言来描述，就是空间曲率可能是正值，也可能是0或者负值。零曲率对应的是“平坦空间”，也就是我们凭直觉认定的宇宙面貌：绝对的平面朝所有方向无限延展，就像一块无限大的黑板。与此相对，曲率为正的空间像个球面，我们可以通过第三个维度看到二维空间的弯曲。请务必注意球体的中心，无论二维空间是膨胀还是收缩，球心始终保持静止，它存在于第三个维度中，不会出现在代表所有空间的二维面上。

任何曲率为正的表面所包含的区域都是有限的，与之类似，正曲率空间包含的体积同样有限。在一个曲率为正的宇宙里，从地球出发，只要走得够远，你总能回到起点，就像麦哲伦的环球航行一样。但负曲率空间却能无限延展，虽然它并不平坦。负曲率二维空间就像一个无限大的马鞍表面：它在一个方向（从前到后）“向上”弯曲，而在另一个方向（从左到右）“向下”弯曲。

如果宇宙常数等于0，那么我们只需要两个参数就能描述宇宙的所有特性。其中一个参数名叫“哈勃常数”（Hubble constant），它描述的是目前宇宙膨胀的速度；另一个参数描述的则是空间的曲率。20世纪下半叶，几乎所有宇宙学家都相信宇宙常数的值为0，那么他们的第一要务自然是测量宇宙膨胀的速度和空间的曲率。

只要能准确测量遥远天体远离我们的速度，我们就能算出这两个常数。哈勃常数等于天体远离地球的速度除以它和我们之间的距离（离我们越远的星系“后退”的速度越快），这个常数的值非常非常小，所以只有在观测那些非常遥远的天体时，我们才能发现空间的弯曲。天文学家在观测那些距离银河系数十亿光年的天体时，他们实际上也在回望宇宙的往昔。他们看到的不是宇宙的现在，而是那个离大爆炸更近的年代。通过观测距离银河系50亿光年甚至更远的星系，宇宙学家重新构建了这个膨胀的宇宙的历史。重要的是，他们能够看到宇宙膨胀的速度如何随时间而变化——这是确定空间曲率的关键。至少从理论上说，这是一种有效的办法，因为空间弯曲的程度会让过去几十亿年宇宙膨胀的速度发生微妙的变化。

然而在实践层面上，天体物理学家还是解决不了这个问题，因为他们无法准确估计那些几十亿光年外的星系与地球之间的距离。不过他们的箭囊里还有另一支利箭。如果能够测量宇宙中所有物质的平均密度（平均每立方厘米的空间中有多少克物质），他们就能把这个数拿来与“临界密度”（critical density，出自爱因斯坦的宇宙方程）进行比较。临界密度描述的是维持零曲率空间所需的确切宇宙密度值。如果宇宙的实际密度高于这个值，那么空间曲率为正。在这种情况下，假设宇宙常数为0，那么我们的宇宙最终会停止膨胀，转而开始坍缩。但是，如果宇宙的实际密度等于或低于临界密度，那么宇宙就将永远膨胀下去。要是实际密度正好等于临界密度，那么空间曲率为0；要是实际密度小于临界密度，空间曲率就成了负数。

到20世纪90年代中期，宇宙学家发现，就算把目前（通过对可见物质产生的引力）探测到的所有暗物质都算进来，宇宙中的物质密度也只有临界值的四分之一左右。这个结果不算出乎意料，它意味着宇宙永远不可能停止膨胀，而且我们生活其中的空间必然拥有一个负的曲率。但理论派宇宙学家却深受伤害，因为他们一直坚信，空间曲率一定是0。

他们的信念来自宇宙的“暴胀模型”（inflationary model），它（毫不令人意外地）诞生于一个消费者价格指数急剧上涨的年代。1979年，加州斯坦福直线加速器中心的物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）提出，在宇宙诞生的极早期，它经历过一个急速膨胀的阶段——物质远离彼此的速度越来越快，甚至远超光速。然而根据爱因斯坦的狭义相对论，光速不是宇宙中所有物体运动速度的上限吗？其实这个说法不完全准确。爱因斯坦理论中的光速上限只适用于物体在空间中的运动，但无法限制空间本身的膨胀。在大爆炸之后10-37秒到10-34秒的“暴胀时期”，整个宇宙的膨胀系数大约是1050。

是什么造成了这样的暴胀？古斯提出，所有空间一定经历了某种“相变”，这一过程类似液态水在短时间内冻结成冰。苏联、英国和美国的同行对古斯的假说做出了一些关键的修正，从此以后，这套假说大行其道，在之后的20年里，它一直是主流的极早期宇宙理论模型。

暴胀理论为何如此诱人？因为暴胀时期的存在很好地解释了宇宙为什么是各向同性的：我们能看到的所有东西（以及其他很多东西）都由一小块空间膨胀生成，这块原生空间的固有特性也因此变成了全宇宙共同的特征。暴胀理论还有其他一些深受宇宙学家青睐的优点，我们现在暂不赘述；最重要的是，暴胀模型提出了一个直接的、可验证的预测：宇宙中的空间应该是平坦的，它的曲率既不是正数也不是负数，恰恰就是零，这完全符合我们的直觉。

根据这一理论，宇宙的平坦性源自暴胀时期的急速膨胀。我们不妨想象一下，你站在一个气球表面，让这个气球膨胀很多很多倍——1后面的0多得数不清。经历了这样的膨胀，气球表面你能看到的部分肯定会平得像煎饼一样。宇宙中的空间也遵循同样的原理——如果暴胀模型真的能描述现实中的宇宙的话。

刚才我们说过，要获得平坦的空间，宇宙中的物质必须达到临界密度，但现在我们计算的物质密度加起来也只能达到这个值的四分之一左右。20世纪80年代到90年代，很多理论派宇宙学家坚信，暴胀模型不可能出错，因此他们需要新的数据来弥合宇宙“质量差”，填平我们实际计算的物质总密度（它意味着空间曲率为负）和临界密度（平坦宇宙所需的必要条件）之间的鸿沟。这样的信念推动他们坚定地继续前行，尽管观测派宇宙学家总是嘲笑他们对理论分析的盲从。然后，嘲笑声突然消失了。

1998年，两个相互竞争的天文学家团队宣布了一些新的观测结果，这些数据意味着宇宙常数的值不是0——当然，也不是爱因斯坦为了获得静态宇宙而采用的那个值，而是完全不同的另一个数，这意味着宇宙将以越来越快的速度永远膨胀下去。

如果这些数据仅仅是理论家构建另一套宇宙模型的工具，那它恐怕不会引发太多关注。但事实上，新数据来自声誉卓著的专家对真实宇宙的观测，这就完全是另一回事了。尽管如此，这些惊世骇俗的数据仍引发了诸多质疑，这两组天文学家狐疑地审视竞争对手的一切可疑举动，结果却发现，他们完全认同这些数据及其解释。新的观测结果不仅暗示宇宙常数的值绝不是0，还赋予了它一个能让空间变得平坦的值。

宇宙常数让空间变平是什么意思？那岂不是像《爱丽丝漫游奇境》里的红桃皇后说的那样，我们每个人在早餐前都要相信六件不可能的事情？不过，要是再想深一层，你或许会认同这个结果。如果看似空无一物的空间中蕴藏着能量，那么根据爱因斯坦那个著名的方程E=mc^2，这些能量必然对宇宙的总质量做出贡献。一定值的能量等同于一定值的质量，只是需要根据质能方程除以一个光速的平方。这样一来，宇宙的平均密度就应该等于物质贡献的密度加上能量贡献的密度。

与临界密度对比的时候，我们必须采用这个新的总密度。如果二者相等，空间就必然是平的。暴胀模型对平坦宇宙的预测由此得到了满足，它可不在乎空间的总密度到底是来自物质、能量，还是二者之和。

证明宇宙常数非零进而引出暗能量的关键证据来自天文学家对一种特定类型的爆炸恒星（或者说超新星）的观测，这些恒星在惊天动地的爆炸中完成了死亡的华丽谢幕。这种类型的超新星被命名为“Ia型超新星”，或者“SN Ia”，以区别于其他类型的超新星。一般来说，巨型恒星燃烧殆尽，无法通过任何形式的核聚变继续产生能量的时候，恒星核就会坍缩，制造出超新星。但Ia型超新星的原型却是双星系统中的白矮星。如果两颗恒星诞生的位置靠得太近，那么它们一生都会在同一条公转轨道上绕着这个系统共同的质心旋转。如果其中一颗恒星的质量比另一颗大，它在壮年期的运行速度就会比另一颗恒星快，接下来，它通常会失去外面的数层气体，暴露出来的恒星核就是萎缩简并的“白矮星”。白矮星的尺寸不会超过地球，但它包含的质量却和太阳相当。物理学家之所以会说白矮星内部的物质处于“简并态”，是因为它的密度极高（相当于铁或者金的数十万倍），量子力学效应作用于宏观物质，白矮星不会被自身的巨大引力压垮。

共同轨道上的伴星日渐衰老，白矮星会不断吸收它的逃逸气体。这些材料的氢含量相对较高，日积月累，白矮星的密度和温度也会稳定增长。最后，等温度升高到1000万摄氏度，整颗白矮星就会再次被核聚变点燃，这样的爆炸——原理类似氢弹，但爆炸强度是氢弹的几万亿倍——会将白矮星彻底撕碎，形成Ia型超新星。

Ia型超新星是天文学家的好帮手，因为它拥有两种不同的特质。首先，它会制造出宇宙中最璀璨的超新星爆炸，这样的光芒跨越数十亿光年的距离仍清晰可见。其次，白矮星的质量有天然的上限，大约是太阳质量的1.4倍。只要堆积在白矮星表面的物质使得整个天体的总质量达到了这个上限，猛烈的核聚变就会撕裂白矮星——这样的爆炸在宇宙中遍地开花，爆炸的天体其质量和成分都一模一样。因此，这种类型的所有超新星对外输出的峰值能量几乎完全相同，亮度达到峰值以后，它们消失的速度也相差无几。

Ia型超新星的这些特性为天文学家提供了亮度极高、易于辨认的“标准烛光”，即无论出现在哪里能量输出峰值都保持不变的天体。当然，这些超新星与地球的距离会影响我们观测到的亮度。如果两个相距遥远的星系里各有一颗Ia型超新星，那么它们到地球的距离完全相同，我们才能观测到同样的最大亮度。如果其中一颗超新星与地球的距离是另一颗的两倍，那么在我们眼中，它的最大亮度只有另一颗的四分之一，因为我们观测到的天体亮度与距离的平方成反比。

基于天文学家对每颗Ia型超新星光谱的深入研究，一旦他们学会了如何识别这种超新星，那无异于握住了一把准确测量距离的金钥匙。只要能（通过其他方式）确定最近的那些Ia型超新星与地球之间的距离，他们就能估算这种类型的其他超新星离我们到底有多远，只需要简单地比较远近超新星的亮度。

整个20世纪90年代，哈佛大学和加州大学伯克利分校的两组超新星专家都在优化这种测量技术。根据超新星的光谱暴露的细节，他们想出了一些办法来补偿不同的Ia型超新星之间细微但确实存在的差异。要利用这把新铸的钥匙来测量遥远的超新星离我们有多远，研究者需要一台能以极高的精确度观测远方星系的望远镜，于是他们的目光落到了哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）上，1993年，这台望远镜通过翻修校正了形状错误引起的主镜片误差。超新星专家利用地面望远镜找到了数十亿光年外的几十颗超新星，然后再通过哈勃望远镜深入研究这些新发现的超新星。遗憾的是，他们只能争取到哈勃望远镜的一小部分观测时间。

20世纪90年代末，两个超新星观测团队的竞争进入了白热化阶段，双方都想抢在对方前面绘制出扩充版的新“哈勃图”（Hubble diagram），在宇宙学研究领域，这张图是确定星系距离及其后退速度的关键所在。天体物理学家利用多普勒效应（详见第十三章）来计算星系的后退速度，我们观测到的星系颜色取决于它的后退速度。

每个星系与地球之间的距离和它的后退速度最终会化作哈勃图上的一个点。对于相对较近的星系来说，这些点迈着整齐划一的步伐稳定上扬，如果某个星系和地球的距离是另一个星系的两倍，那么它后退的速度也是后者的两倍。星系距离与后退速度之间直接的比例关系体现在哈勃定律（Hubble's law）的代数表达式中，这个简单的方程描述了宇宙的基本行为：v=H_0×d。其中v代表星系的后退速度，d代表星系与我们之间的距离，H_0则是一个通用常数，我们称之为“哈勃常数”。在任意给定的时间点，整个宇宙的哈勃常数都恒定一致。无论外星观测者出现在宇宙中的什么地方，只要他们研究的是大爆炸140亿年后的这个宇宙，那么他们观测到的星系后退速度必然符合哈勃定律，他们算出的哈勃常数的值也必然和我们的一样，只不过他们大概会给这个常数起个别的名字。这样的“宇宙民主主义”是整个现代宇宙学暗含的假设，但我们无法证明宇宙真的这么民主。也许在我们看不见的星空深处，宇宙的行为和我们现在观测到的完全不同。不过宇宙学家断然否认了这样的可能性，他们认为，至少我们能观测到的宇宙都遵循同样的规则。在这种情况下，v=H_0×d 就是全宇宙通用的定律。

但是，随着时间的流逝，哈勃常数的值可能发生变化，事实也的确如此。纳入了数十亿光年外遥远星系的改进版新哈勃图不仅能告诉我们哈勃常数H_0（代表星系距离与后退速度的点在哈勃图上连成一条直线，哈勃常数的值就是这条直线的斜率）现在的值，还能揭示宇宙目前的膨胀速度与数十亿年前有何区别。后面这个值来自哈勃图最上方的那些点，它们代表着我们能观测到的最遥远的星系。因此，包含了数十亿光年外那些星系的新版哈勃图将揭示宇宙膨胀的历史，告诉我们宇宙膨胀的速度发生了怎样的改变。

为了达成这个目标，天体物理学界为这两支相互竞争的超新星观测团队投入了海量资源。1998年2月，他们首次发布的观测结果彻底推翻了学界广泛接受的宇宙模型，由此激起了任何一个团队都无法承受的怀疑浪潮。由于两个团队主要的怀疑目标都是对方，所以双方都在殚精竭虑地给对方的数据和解释挑错。等到这两组科学家终于放下偏见承认对手的确无懈可击时，宇宙学界也别无选择，只能不太情愿地接受来自太空边疆的最新消息。

这些新消息到底是什么？其实很简单：那些最遥远的Ia型超新星比我们预想的更暗一点。这意味着那些超新星与地球的距离比我们预想的更远，也就是说，某种力量让宇宙膨胀的速度变快了一点。这样超出常规的膨胀来自何方？唯一的嫌犯就是潜伏在真空中的“暗能量”——这些能量的存在赋予了宇宙常数一个非零的值。通过测量那些遥远超新星的亮度与理论值之间的偏差，两组天文学家看到了宇宙的形状和命运。

两组超新星专家达成了共识：宇宙的确是平的。要理解这个问题，我们就得讲点儿高深的东西了。如果宇宙常数非零，那么要描述这个宇宙，我们需要第三个数。现在我们需要给哈勃常数（它的现值记作H_0）和物质平均密度（如果宇宙常数为0，那么单凭这一个参数就能决定空间曲率）都加上暗能量提供的等效质量——根据爱因斯坦方程E=mc^2，我们必须考虑暗能量的等效质量（m），因为它拥有能量（E）。宇宙学家将物质密度记为ΩM，暗能量密度记为ΩΛ，Ω则是宇宙密度与临界密度的比值。ΩM代表宇宙中所有物质的平均密度与临界密度之比，而ΩΛ代表暗能量提供的等效密度与临界密度之比。Λ在这里代表宇宙常数。平坦宇宙的空间曲率为零，ΩM与ΩΛ之和恒定为1，因为宇宙的总密度（真正的物质密度与暗能量提供的等效物质密度之和）正好等于临界密度。

对遥远Ia型超新星的观测结果衡量的是ΩM与ΩΛ之间的差值。物质会拖慢宇宙的膨胀，因为引力总是倾向于将所有东西拉到一块儿。物质的密度越大，这种“拖后腿”的效应就越明显。但暗能量的表现却完全不同。普通物质互相拉扯，拖慢了宇宙膨胀的步伐，但暗能量却拥有一种古怪的特性：它会促使空间扩张，从而加快宇宙的膨胀速度。随着空间的膨胀，更多暗能量凭空出现，这个膨胀的宇宙就像终极版的免费午餐。新的暗能量又会进一步加速宇宙的膨胀，所以随着时间的流逝，免费的午餐变得越来越大。ΩΛ的值衡量的是宇宙常数的大小，它也代表着暗能量促使宇宙膨胀的力量量级。天文学家测量了星系距离与后退速度之间的关系，由此确定了聚拢一切的引力与推开一切的暗能量之间这场“拔河比赛”的结果。他们的测量结果表明，ΩΛ－ΩM = 0.46，误差正负0.03。由于天文学家早已算出，ΩM的值大约是0.25，那么ΩM的值大约就是0.71。这样一来，ΩΛ与ΩM之和达到了0.96，差不多正好符合暴胀模型的预测。近年来的新成果又进一步提高了这两个值的精确度，现在它们的和更接近1了。

虽然两组相互竞争的超新星专家达成了共识，但一部分宇宙学家仍有疑虑。科学家抛弃终身信念这种事儿肯定不是天天都有，他们曾经坚信宇宙常数应该是零，可现在的观测结果却强塞给了他们另一个截然不同的结论：暗能量充斥着每立方厘米的真空。不过，在消化了一颗卫星提供的新的观测数据以后，所有的怀疑者几乎都打消了疑虑。这颗重要的卫星就是我们在第三章中介绍过的WMAP，它的设计运转目标是以前所未有的精确度观测宇宙背景辐射。2002年，WMAP开始输出有用的观测结果，到2003年年初，宇宙学家已经利用它积累的有效数据绘制出了整个天空的地图，根据这张图，我们确定了宇宙背景辐射主要处于微波频段。虽然以前的观测结果得出的基本论断和这幅新图差别不大，但当时他们观测的要么只是一小片天空，要么没有这么详细精准。WMAP的全天地图是天文学家测量宇宙的最高成就，它确定了宇宙背景辐射那些最重要的性质。

这幅地图最令人震惊也最重要的特性在于，它几乎完全是平滑的，天文学家之前的局部观测也得出了同样的结论，包括利用气球搭载的仪器测得的数据和WMAP的前身COBE（COsmic Background Explorer，宇宙背景探测者）卫星的观测结果。来自所有方向的宇宙背景辐射不存在可测量的强度差异，我们将测量精确度提高到千分之一，才会发现以某个特定方向为中心的辐射强度比其他地方略高，与此同时，来自相反方向的辐射强度略低于平均水平。这样的差异源于我们的银河系相对于周围星系的运动。在多普勒效应的作用下，我们测得的“迎面而来”的辐射会比其他方向的略强一点，但这并不是因为这个方向的辐射真的更强，而是因为我们和这个方向的宇宙背景辐射（CBR）相向而行，这样的运动导致我们探测到的光子能量增强了一点。

一旦修正了多普勒效应的影响，我们就会发现，宇宙背景辐射非常平滑，除非我们再将测量精确度提高到十万分之一。在这样的精确度下，平滑的宇宙背景辐射地图终于出现了一点起伏。我们发现，来自某些位置的CBR比其他地方偏强或者偏弱了一点点。如前所述，这样细微的辐射强度差异意味着，在大爆炸38万年后的那个时刻，与整个宇宙的平均值相比，某些位置的物质更热、更密集一点，或者更冷、更稀疏一点。COBE卫星首先发现了这样的差异；气球搭载的仪器和南极观测站又进一步提高了观测数据的精确度；直到最后，WMAP卫星提供了更精确的全天观测数据，宇宙学家借此绘出了宇宙背景辐射强度的详细地图，它的角分辨率达到了前所未有的1度左右。

COBE和WMAP在平滑的宇宙背景辐射中发现的轻微起伏激起了宇宙学家的兴趣，但它的意义绝不仅限于此。首先，它让我们得以一窥宇宙背景辐射停止与物质互动那一刻的宇宙结构。当时物质密度略高于平均水平的区域赢得了进一步收缩的先机，它的引力成功吸引了更多物质。因此，这幅描绘各个方向CBR强度的新地图最重要的意义在于，它验证了宇宙学家提出的理论：我们如今看到的宇宙疏密不一，不同的区域聚集的物质数量差别巨大，这样的差异在大爆炸后的几十万年里就埋下了种子。

除此以外，宇宙学家还能利用宇宙背景辐射观测的新结果来研究另一个更基本的宇宙特性：透过CBR强度地图，我们甚至能看到空间本身的曲率，因为弯曲的空间会影响从中经过的辐射。举个例子，如果空间曲率为正，那么在观测宇宙背景辐射的时候，我们就像是站在北极的观测者，沿着地球表面向南眺望，试图研究来自赤道附近的辐射。由于所有经线都向着北极点汇集，我们观测到的辐射源会比平面上的略宽一点。

要理解空间曲率如何影响宇宙背景辐射的特征角度尺寸，我们不妨想象一下，这些辐射终于停止与物质互动那一刻的情景。宇宙学家可以算出当时宇宙中可能存在的不平滑区域的最大尺寸：它的跨度应该等于当时的宇宙年龄乘以光速，也就是38万光年左右。这个值代表着粒子有能力影响彼此、制造起伏的最大距离。如果超出这个距离，粒子的“消息”根本来不及传过去，所以远方的起伏自然和它无关。

那么时至今日，这些最大的不平滑区域在天空中占据的角度到底有多大呢？这取决于空间的曲率，我们可以通过ΩM与ΩΛ之和来确定这个值。二者之和越接近1，空间曲率就越接近0，我们在CBR中看到的不平滑区域占据的角度也就越大。两个Ω值之和是决定空间曲率的唯一参数，因为这两种类型的密度影响空间曲率的方式完全相同。超新星观测测量的是ΩM与ΩΛ之差，而宇宙背景辐射观测直接测量了ΩM与ΩΛ之和。

WMAP提供的数据表明，CBR中最大的不平滑区域占据的角度大约是1度，这意味着ΩM与ΩΛ之和大约等于1.02，误差正负0.02。因此，考虑到实验精确度误差，我们或许可以认为ΩM +ΩΛ = 1，这意味着空间是平坦的。通过对遥远的Ia型超新星的观测，我们知道了ΩΛ－ΩM = 0.46。两个方程联立，最终我们发现ΩM = 0.27，ΩΛ = 0.73，当然，这两个值都有微小的误差。如前所述，这就是目前天体物理学家为这两个宇宙参数估测的最精确的值，这两个数告诉我们，物质包括普通物质和暗物质，两者对宇宙整体能量密度的贡献占27%，暗能量贡献了剩下的73%（如果你更喜欢用能量的等价物——物质——来表达的话，根据质能方程，我们也可以说，暗能量提供了73%的宇宙质量）。

很久以前，宇宙学家就知道，如果宇宙常数不是0，那么随着时间的流逝，物质和暗能量的力量对比必然发生巨大的变化。从另一方面来说，平坦的宇宙将永远保持平坦，从大爆炸开始直到无限远的未来。在一个平坦的宇宙中，ΩM与ΩΛ之和永远等于1，如果其中一个数发生变化，另一个数必然随之改变。

在大爆炸之后短暂的时期内，暗能量几乎不会对宇宙产生任何影响。和后面的年代相比，当时存在的空间过于狭窄，ΩΛ的值只比0高一点点，ΩM的值也只比1小一点点。在那个遥远的年代，宇宙的行为和宇宙常数为0时的情况几乎没有区别。但是，随着时间的流逝，ΩM的值稳步下降，ΩΛ的值也随之增长，二者之和始终为1。直到千亿年后的某一天，ΩM的值最终将无限趋近于0，ΩΛ的值也无限趋近于1。因此，在这个宇宙常数非零的平坦宇宙中，物质和暗能量将经历此消彼长的变化：最开始暗能量几乎不起作用；然后是“现在”这个阶段，ΩM与ΩΛ的值大体相当；直到遥远的未来，宇宙空间中的物质越来越稀薄，ΩM无限趋近于0，但两个Ω值之和永远等于1。

现在，根据我们对星系团的观测，ΩM的值大约是0.25。与此同时，CBR和远方的超新星也告诉我们，这个值大约是0.27。考虑到实验精确度误差，这两个值基本是一回事。如果我们生活的宇宙真的拥有一个非零的宇宙常数，如果这个宇宙常数真的（和物质一起）创造出了暴胀模型所预测的平坦宇宙，那么这个宇宙常数的值必然导致ΩΛ的值超过0.7、达到ΩM的2.5倍左右。换句话说，要让ΩM与ΩΛ之和等于1，现在一大半的担子必然落到ΩΛ头上。这意味着我们早已度过了物质和暗能量势均力敌（二者各占50%），共同维持宇宙平坦的年代。

在不到10年的时间里，Ia型超新星观测和宇宙背景辐射观测双管齐下，暗能量也从爱因斯坦的狂想变成了客观存在的物理现实。除非能证明这些观测结果不准确、解读有误或者干脆就是错的，否则我们必须接受这个结果：我们的宇宙永远不会坍缩，也不会循环。摆在我们面前的未来冷酷而荒芜：千亿年后，等到大多数恒星燃烧殆尽，除了最近的那些星系以外，所有事物都会消失在我们的视野尽头。

等到那时候，银河系将与邻近的星系合为一体，产生一个巨型星系。我们的夜空中只剩下绕轨运行的恒星（包括死去的和活着的），除此以外别无他物，未来的天体物理学家只能看到一个蛮荒的宇宙。没有星系可供他们追踪宇宙膨胀，最终他们将和爱因斯坦一样得出错误的结论：我们生活在一个静态的宇宙中。在宇宙常数和暗能量的推动下，宇宙的演化最终会导致我们再也无法测量这两个参数，甚至无法想象它们的存在。

所以，尽情享受宇宙学吧，趁我们还有机会。

第六章 一个宇宙还是多个宇宙

1998年年初，来自超新星的观测结果震撼了整个宇宙学界，这些数据表明，我们生活在一个膨胀的宇宙中，而且它膨胀的速度还在不断增长。不久后，对宇宙背景辐射的详细观测又进一步确认了宇宙加速膨胀的事实。时至今日，为了弄清宇宙加速膨胀背后蕴含的意味，宇宙学家已经奋斗了好些年。两个重要的问题深深折磨着他们，同时也照亮了他们的梦想：是什么让宇宙加速膨胀？为什么宇宙膨胀的加速度正好是我们现在测量到的这个值？

对于第一个问题，最简单的解释就是把宇宙加速膨胀归因为暗能量的存在和非零的宇宙常数。这个加速度的值直接取决于每立方厘米内包含的暗能量：暗能量越多，它产生的加速度就越大。因此，只要宇宙学家能弄清暗能量来自何方，以及它的数量为什么正好是我们今天测量到的这个值，他们就可以宣布自己解开了宇宙的基本秘密——宇宙的“免费午餐”到底是什么。真空中的这些能量持续不断地促使宇宙越来越快地膨胀，在那遥远的未来，近乎无限的空间中将充斥着近乎无限的暗能量，物质的密度则稀释到了几近于无。

暗能量到底来自哪里？宇宙学家可以从粒子物理学的幽深世界里找到答案：如果我们认可目前的量子力学对物质和能量的描述，那么暗能量必然来自真空中的某些事件。量子力学是粒子物理学的根基，它提出的假设常常精确契合来自亚微观世界的观测结果，所以它获得了物理学家的广泛认同。根据量子力学的一部分理论，我们所谓的“真空”中其实充斥着“虚粒子”（virtual particle），这些小家伙的状态在存在与不存在之间频繁切换，所以我们永远不可能直接锁定它们，只能观察到它们产生的效果。那些喜欢创造物理术语的家伙给虚粒子持续不断的出现和消失起了个名字，叫作“真空的量子涨落”（quantum fluctuations of the vacuum），它将能量赋予了真空。此外，量子物理学家还能相对比较轻松地计算每立方厘米的真空中包含的能量。如果将量子力学直接应用于所谓的“真空”，我们就会发现，量子涨落必然创造出暗能量。从这个角度来说，关于暗能量的最大问题或许应该是：宇宙学家为什么花了这么长时间才意识到这种能量必然存在？

不幸的是，根据实际情况的细节，这个问题又变了副模样，我们现在要问：粒子物理学家为什么错得这么离谱？他们算出的每立方厘米真空包含的暗能量的值大约比我们根据超新星和宇宙背景辐射实际观测值得出的结果大120个数量级。对于那些特别遥远的天文环境，如果理论计算值和实际观测值的差距在10倍以内，我们就认为这样的结果可以接受，哪怕只是暂时的，但再乐观的人也无法欣然接受120个数量级的差距。如果真空中包含的暗能量真有粒子物理学家算出来的那么多，那么宇宙早就膨胀到了不知道多大，我们也不用为这个问题头疼了，因为在这么多暗能量的作用下，只需要一点点时间，物质密度就会被稀释到超乎想象的地步。理论和观测结果的确达成了共识：真空中应该包含着暗能量，但这些能量到底有多少，理论值和观测值却差了十万八千里。这么巨大的数量级差异在地球上根本找不到类比，哪怕到宇宙去找也很困难。我们已知的最遥远的星系与地球之间的距离差不多比质子的尺寸大40个数量级，虽然这个数大得超乎想象，但宇宙常数理论值和实际值之间相差的倍数相当于这个数的立方。

很久以前，粒子物理学家和宇宙学家就知道，量子力学预测的宇宙常数值大得令人无法接受。但那时候他们以为宇宙常数的值是0，所以他们希望未来能发现某些新的解释，让理论公式中的正负条件相互抵消，从而巧妙地消灭这个问题。他们曾经利用类似的手法解决了另一个问题：虚粒子为可见粒子贡献了多少能量？现在，既然宇宙常数非零，找到抵消条件的希望也变得渺茫起来。如果真的存在这样的抵消条件，它必须通过某种方式近乎彻底地抵消我们如今算出来的这个大得恐怖的数值。可是现在，宇宙学家完全无法解释宇宙常数的理论值为什么这么大，在这种情况下，他们只能继续和粒子物理学家合作，根据宇宙常数的实际观测值来构建暗能量在宇宙中的产生机制。

杰出的宇宙学家和粒子物理学家一直致力于解释目前的观测值，但还没有任何人获得成功。这个问题点燃了理论界的战火和愤怒，因为这些理论家深知，要是有人能解释自然界到底通过什么方式把宇宙塑造成了我们今天看到的样子，那他一定会获得诺贝尔奖，更别提还有发现带来的无穷乐趣。不过除此之外，常常引发争议的还有另一个亟待解释的问题：我们通过等价质量测得的暗能量总值为什么和宇宙中物质贡献的能量总值大体相当？

我们可以换个说法，用代表物质密度和暗能量等价质量密度的两个Ω值来重新表述这个问题：为什么ΩM和ΩΛ的值大体相当，而不是其中一个数远大于另一个数？在大爆炸之后的第一个10亿年里，ΩM几乎完全等于1，而ΩΛ约等于0。最开始，ΩM的值是ΩΛ的几百万倍，然后变成了几千倍、几百倍。时至今日，在这个ΩM = 0.27、ΩΛ = 0.73的宇宙中，这两个值的数量级完全一样，而且ΩΛ的值明显大于ΩM。而在遥远的未来，到了500亿年以后，ΩΛ的值将变成ΩM的几百倍，然后是几千倍、几百万倍，直至几十亿倍。只有在大爆炸之后30亿年到500亿年的这段时间里，这两个值才会大体相等。

30亿年到500亿年的时间跨度这么漫长，现在我们正好处于这个阶段，这难道有什么不对吗？但从天文学的角度来说，几百亿年的时间其实非常短暂。天文学家通常采用对数来划分时间阶段，每个阶段的时间跨度相差10倍。最开始，宇宙的年龄达到了某个值，下一个阶段，它的年龄会增长10倍，再下一个阶段，再增长10倍，以此类推，直到永远，每一个阶段与上一个阶段的时间跨度各有10倍的差距。比如说，大爆炸之后，我们从量子力学允许的最小的时间跨度开始计时，那么第一个时间节点是宇宙诞生后10-43秒。每年大约有3000万（3×10^7）秒，那么从大爆炸之后的10-43秒到30亿年，我们大约需要乘以60个10。相比之下，从30亿年到500亿年只需要乘以1个10，在整个宇宙的漫长历史中，只有在这一个短暂的时期内，ΩM和ΩΛ的值大体相当。在此之后，无数个10将引导宇宙走向无限远的未来。所以如果采用对数纪年，我们就会发现，我们正好生活在这个ΩM和ΩΛ的值大体相当的年代，这样的可能性其实非常渺茫。美国的宇宙学带头人迈克尔·特纳（Michael Turner）将这个难解的谜题——我们为什么发现自己生活在这个ΩM和ΩΛ的值大体相当的时期——命名为“南茜·克里根问题”（Nancy Kerrigan problem），因为这位奥运滑冰运动员曾在遭受竞争对手的男友袭击后问道：“为什么是我？为什么是现在？”

尽管宇宙学家无法算出接近观测值的宇宙常数，但他们的确为克里根问题提供了一个答案，不过对于这个答案蕴含的意味和它的重要性，学界莫衷一是。有人真心欢迎它，有人只是勉强接受，有人仍在犹豫，还有人对它不屑一顾。这个解释将宇宙常数的值与客观的事实联系到了一起：我们生活在一个普通星系内绕着一颗普通恒星公转的行星上。根据这套理论，正是因为我们存在，所以那些描述宇宙的参数，尤其是宇宙常数，必然拥有一个允许我们存在的值。

我们不妨想象一下，如果宇宙常数的值比现在大得多，那会发生什么。如果暗能量的总量比现在大得多，那么只需要再过几百万年（而不是500亿年），ΩΛ的值就将远远超过ΩM。到那个时候，在那个暗能量加速效应占据主导地位的宇宙中，物质将飞速扩散，任何星系、恒星和行星都无法成形。假设从物质团首次成形到生命起源至少需要10亿年时间，那么我们就会得出这样的结论：我们的存在将宇宙常数的值限制在了0到现值的几倍之间，同时排除了任何更高的值存在的可能性。

如果我们和很多宇宙学家一样相信，我们称之为宇宙的所有事物都属于一个大得多的“多重宇宙”，那么这套理论的吸引力就会变得更强。多重宇宙包含了无数个互不影响的宇宙。根据多重宇宙的概念，事件的所有状态都嵌在更高的维度中，所以我们这个宇宙中的空间完全不可能接触到其他宇宙。由于多重宇宙的假设从理论上排除了各个宇宙发生互动的可能性，我们显然无从验证它的真实性，自然也就不可能去证明它——除非有哪个更聪明的天才能想出办法来测试多重宇宙模型。在多重宇宙的世界里，新宇宙的诞生完全是随机的，它有可能膨胀到无限大，即便如此也绝不会干扰其他无数个宇宙。

多重宇宙中的每一个新宇宙都拥有自己的物理规则和宇宙参数，其中包括那些能够决定宇宙常数值的参数。其他很多宇宙的宇宙常数比我们的大得多，它们会加速膨胀到近乎0密度的状态，这样的宇宙对生命当然很不友好。多重宇宙中只有一小部分（可能近乎无穷小）宇宙能提供允许生命存活的条件，因为只有这些宇宙的参数能让物质聚集生成星系、恒星和行星，并允许这些天体存在数十亿年。

这种解释宇宙常数值的方法被宇宙学家命名为“人择原理”（anthropic principle），不过更恰当的名字或许应该是“人择方法”。这种解释宇宙学关键问题的方法具有很强的感染力：人们要么爱它，要么恨它，很少有人保持中立。和其他很多有趣的想法一样，人择方法可以方便地应用于各种神学和目的论的宏伟精神框架。某些笃信宗教的原教旨主义者发现，人择方法完全可以支持他们的信仰，因为它赋予了人类最核心的角色：如果没有观察者，宇宙——至少是我们所知的这个宇宙——将不可能存在。所以，这个一切都刚刚好的世界一定是某种更高级的力量为我们创造出来的。反对者会提出，这违背了人择方法的真意；从神学层面上说，如果这位上帝真的存在，那他必定是最浪费的造物主，因为他创造了数不清的宇宙，但生命却只能诞生在其中一个宇宙的一小片区域里。我们不如跳过“人择方法”，继续相信那些以人类为中心的更古老的创世神话。

从另一方面来说，如果你和斯宾诺莎一样相信上帝存在于一切事物之中，那你肯定无法抗拒这个拥有无数宇宙的多重宇宙。和大部分最前沿的科学理论一样，多重宇宙的概念和人择方法能够做出各种各样的解释，轻而易举地满足不同信仰系统的需求。目前来看，很多宇宙学家发现，多重宇宙能够游刃有余地包容任何信仰系统，而且不会与之发生任何实质性的联系。剑桥大学天文系的霍金和前辈牛顿一样坐拥卢卡斯教授席位，他认为人择方法完美地解决了克里根问题。斯蒂芬·温伯格（Stephen Weinberg）曾因量子物理学方面的洞见荣获诺贝尔奖，他不喜欢人择方法，但他也赞同这个假设，因为除此以外找不到其他更合理的解释，至少目前如此。

也许历史最终会告诉我们，现在的宇宙学家完全搞错了重点，因为我们现在拥有的知识根本不足以探讨这个问题。温伯格喜欢拿约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）的事迹来类比：开普勒穷尽毕生精力，试图解释太阳为什么拥有六颗行星（当时的天文学家都这样以为），以及这些行星为什么会沿着现在的轨道运转。然而直到400年后的今天，天文学家对行星的起源依然所知甚少，所以我们到现在还没弄清太阳系内行星的确切数量以及它们的轨道。按照开普勒的假设，行星公转轨道围绕太阳依次排列，五个大小不一的正多面体完美地嵌在两条相邻的轨道之间。现在我们倒是知道，这套假设毫无道理，因为多面体的嵌套并不完美，而且（更重要的是）我们找不到任何理由来解释行星轨道为什么会遵循这样的规则。我们的后代或许会认为，今天的宇宙学家就像开普勒一样，鲁莽地试图用少得可怜的知识来解释复杂神秘的宇宙，这样的努力注定徒劳无功。

并不是所有人都喜欢人择方法。有的宇宙学家谴责说，人择方法是一种失败主义论调，它无视历史（物理学家经过长期的努力，最终成功解释了曾经神秘的现象，这样的例子不绝于史，人择方法实质上否认了这些成功的案例），而且非常危险，因为人择方法蕴含着这样的意味：我们的宇宙是由某种有智慧的存在设计出来的。除此以外，按照这套假设，我们生活在一个包含了无数宇宙的多重宇宙中，但哪怕从理论上说，我们也不可能接触其他宇宙，很多宇宙学家根本不能接受将这样的假设作为整个宇宙学的根基。

关于人择原理的争辩让我们清晰地看到，宝贵的怀疑主义为我们理解宇宙的科学方法奠定了根基。某个理论或许特别吸引某位科学家，尤其是提出这套理论的科学家本人，不过与此同时，另一位科学家可能觉得这套理论荒谬透顶，或者根本就是错的。争论的正反双方都明白，能为大部分观测数据找到最完美解释的理论才拥有最强大的生命力（正如一位著名科学家说过的那样，要对那些能解释所有数据的理论保持警惕，因为到头来它往往会被证伪）。

人择原理之争短期内恐怕还无法平息，但在不远的未来，学界必然会继续提出其他更多假设，试图解释我们在宇宙中观察到的现象。比如，普林斯顿大学的保罗·斯泰恩哈特（Paul Steinhardt）与剑桥大学的尼尔·特（Neil Turok）共同提出了宇宙的“火劫模型”（ekpyrotic model）——他们真该好好学学怎么起名。这套模型的灵感来自粒子物理学中的弦论（string theory），斯泰恩哈特认为宇宙一共拥有十一个维度，其中大部分维度处于“折叠态”，这有点像卷起来的袜子，所以它们在宇宙中占据的空间近乎无穷小。某些额外的维度拥有实在的尺寸和大小，只是无法被我们感知，因为我们仍被困在熟悉的四个维度中。如果我们将宇宙中的所有空间想象成一张无限薄的平面（这个模型将空间的三个维度压缩成了两个），同时存在另一张与它平行的平面，那么这两张平面可能会互相靠近，然后发生碰撞，大爆炸就是碰撞的结果。接下来，两张平面弹开，每张平面的历史沿着我们熟悉的脉络展开，星系和恒星就此诞生。最终这两张平面会停止反向运动，重新开始靠近彼此，引起下一次碰撞和大爆炸。在这个模型中，宇宙的演化就是一段段以千亿年为单位的循环历史，每次循环至少在大体上保持一致。“ekpyrotic”这个词语在希腊语中的意思是“烈火”（或许你更熟悉的是另一个词：“纵火”，pyromaniac），“火劫宇宙”通过这种玄奥的方式告诉所有人，我们所知的宇宙诞生于一场大火之中。

无论是从感情上说还是从理性上说，宇宙的火劫模型都很有吸引力，但这仍不足以说服斯泰恩哈特的很多宇宙学家同侪，至少现在还不能。不过，就算火劫模型最终被证伪，有朝一日，也许某个和火劫模型一样含糊暧昧的理论会帮助宇宙学家达成夙愿，完美地解释神秘莫测的暗能量。如果有人能够抛开“世上有无限多个宇宙，我们恰好幸运地生活在其中一个宇宙里”这套说法，为现在的宇宙常数提供一个无懈可击的解释，那么就连最顽固的人择方法支持者也不会固执己见，抗拒这样的新理论。正如R.克朗布（R. Crumb）创造的一位卡通角色说过的那样：“我们生活的世界多么精彩，多么奇怪呀！哇！”

卷二

星系和宇宙结构的起源

第七章 发现星系

两个半世纪以前，那时候英国天文学家威廉·赫歇尔爵士（Sir William Herschel）还没有制造出全世界第一台真正的大型望远镜，人类所知的宇宙只有恒星、太阳、月亮、行星、木星和土星的几颗卫星、几个模糊的天体，以及在夜空中绘出一条牛奶路的那个星系。事实上，“星系”（galaxy）这个词来自希腊语“galaktos”，意思是“牛奶”。天空中还有一些模糊的天体，它们的学名叫作“星云”（nebula），这个词来自拉丁语里的“云”——这些形状模糊的天体包括金牛座的蟹状星云（Crab nebula）和仙女座的仙女座星云（Andromeda nebula）。

赫歇尔的望远镜直径约为1.22米，在它建成的1789年，这样的尺寸堪称石破天惊。支撑望远镜、帮助它调整方向的桁架结构复杂，因此这套设备看起来十分笨重，不过，当这台望远镜的镜头指向天空，赫歇尔清晰地看到了组成银河的无数颗恒星。利用这台望远镜和其他更轻巧的小望远镜，赫歇尔和妹妹卡罗琳（Caroline）共同编制了第一份详细的北半球“深空”星云目录。赫歇尔的儿子约翰爵士延续了家族传统，为父亲和姑妈编制的北半球天体目录增补了一些内容。他还在非洲最南端的好望角待了很长一段时间，为南半球可见的大约1700个模糊天体编制了目录。1864年，约翰爵士将已知的所有深空天体汇总到一起，编撰了一份《星云和星团总表》（A General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars），这份表单共有5000多个条目。

尽管当时的天文学家收集了这么多数据，但谁也不知道这些星云到底是什么，它们离地球有多远，各个星云之间又有何差别。无论如何，1864年版的总表给了天文学家一个机会，现在他们可以根据形态或者应该说形状对星云进行分类。根据“所见即所名”的棒球裁判传统（赫歇尔编撰总表的时候，这项运动正好进入了全盛时代），天文学家将旋涡状的星云命名为“旋涡星云”（spiral nebula），大体呈椭圆形的自然是“椭圆星云”（elliptical nebula），那些形状不规则——既不是旋涡也不是椭圆——的星云则被命名为“不规则星云”（irregular nebula）。有的星云看起来又小又圆，跟望远镜里的行星差不多，所以它们就成了“行星状星云”（planetary nebula）——多年来这个名字一直困扰着天文学的初学者。

在天文学历史上的大部分时间里，天文学家一直非常直白，他们描述事物的方式和植物学者差不多。天文学家在不断增补的星图中寻找相似的模式，然后利用这些模式对天体进行分类。这样的研究方式十分合理。大部分人从孩提时起就会自发地根据物品的外观和形状来排列它们。但“所见即所名”的方法能做的也只有这么多了。由于夜空中这些模糊天体的大小看起来都差不多，赫歇尔家族一直以为，所有星云和地球之间的距离也都差不多。所以对他们来说，使用同样的方式来归类所有星云是一种公平无私的好办法。

问题在于，后来我们发现，“所有星云和地球的距离大体相当”的假设其实大错特错。大自然总是那么神秘莫测，甚至有些鬼鬼祟祟。某些被赫歇尔家族归类为星云的天体和地球的距离并不比恒星更远，它们其实比较小（如果万亿千米级的尺寸也算“比较小”的话）。其他一些星云的距离要远得多，既然所有星云的大小看起来都差不多，那么距离较远的星云实际尺寸必然远大于那些相对较近的“同类”。

我们可以从中学到一课：不要轻信事物的表象，你应该做的是深入追问它到底是什么。幸运的是，到了19世纪末，科技的发展赋予了天文学家新的工具，现在他们能做的就不仅仅是归类宇宙中的事物了。这样的改变促成了天体物理学的诞生，物理规则在天文学领域找到了用武之地。

就在赫歇尔推出星云总表的年代，研究星云的天文学家得到了一件新的科学设备：光谱仪（spectroscope）。光谱仪的唯一用途是将光分解成多种颜色组成的光谱。这些颜色和颜色蕴含的特征不仅能揭示光源化学成分的大量细节，根据多普勒效应，它还能告诉我们，这个光源到底是在接近还是在远离地球。

光谱仪揭示了一个惊人的事实：差不多所有旋涡星云（这种星云几乎主宰了银河以外的天空）都在以极高的速度远离地球。与此相对，所有行星状星云和大部分不规则星云的运动速度相对较慢——其中一部分离我们越来越近，另一部分渐行渐远。难道银河中心发生了一场大爆炸，但是只有旋涡星云飞了出去？如果真是这样，那为什么没有任何旋涡星云坠落下来？或者我们正好在一个特殊的时间点目睹了这场悲剧？尽管摄影术的进步带来了显影速度更快的感光剂，让天文学家得以测量那些越来越暗淡的星云光谱，但这并未阻止大批旋涡星云离去的步伐，这些问题依然没有答案。

天文学和其他科学领域的绝大部分进步是由新技术推动的。随着20世纪20年代的到来，另一台关键设备粉墨登场：加州帕萨迪纳附近的威尔逊山天文台竖起了直径2.54米的胡克望远镜。1923年，美国天文学家哈勃利用这台当时世界上最大的望远镜在仙女座星云中找到了一种特殊的恒星：造父变星（Cepheid variable star）。变星的亮度会依照已知的模式发生变化；造父变星的名字来自它的原型，仙王座（Cepheus）恒星造父一，这种星星亮度极高，哪怕距离遥远仍清晰可见。变星的亮度依照可识别的模式循环变化，所以只要坚持不懈、细心观察，天文学家必然会发现越来越多的变星。哈勃在银河里找到了几颗造父变星，他估算了这些星星和地球之间的距离，但让他深感震惊的是，仙女座星云的那颗造父变星比他之前发现的这些暗得多。

对于这样的亮度差异，最合理的解释是，这颗新的造父变星和它所在的仙女座星云与地球之间的距离比银河里的造父变星远得多。哈勃意识到，如果事实果真如此，那么仙女座星云离地球一定非常非常远，它根本不可能位于仙女座，甚至不在银河里——所以它和其他旋涡星云姊妹也不可能被银河“泼洒”出去。

这个发现蕴含的意味简直令人窒息。哈勃的发现告诉我们，旋涡星云是独立、完整的恒星系统，它的尺寸和它包含的恒星数量应该跟我们的银河差不多。用哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）的话来说，哈勃发现了我们的银河系以外必然存在几十个“宇宙岛”（island universe），要知道，仙女座星云不过是我们熟知的众多旋涡星云之中的一个。事实上，仙女座星云根本就不是星云，而是一个星系。

到了1936年，天文学家已经利用胡克望远镜和其他大型望远镜找到了大量宇宙岛，并为它们拍摄了照片，于是哈勃决定尝试一下形态学。他对星系类型的分析基于一个未经验证的假设：不同形状的星系实际上处于生命中不同的发展阶段。在1936年出版的著作《星云世界》（Realm of the Nebulae）中，哈勃将不同类型的星系排列成了一支音叉的形状，音叉的柄代表椭圆星系，形状最圆的那些星系位于叉柄最远端，相对较扁的星系放在两个分叉的交会处附近。普通的旋涡星系顺着其中一条分叉向外延伸：离叉柄最近的星系旋臂收得最紧，越往前走，旋涡星系的旋臂就越松散。另一条分叉由那些中心区域有一根“直棒”的旋涡星系组成，它们也按照从紧到松的顺序向外排列。

按照哈勃的预想，星系在诞生之初都是近圆的椭圆形，随着时间的流逝，它会变得越来越扁，最终呈现出旋涡结构，这个旋涡还会变得越来越松散。这真是个巧妙而美丽的想法，甚至说得上优雅，只是完全不对。首先，这幅“音叉图”排除了所有不规则星系；其次，天体物理学家后来发现，每个星系中最古老的恒星年龄都差不多，这意味着在宇宙的历史中，所有星系诞生于同一个年代。

接下来的30年里（第二次世界大战拖慢了研究的步伐），天文学家一直按照哈勃的思路观测、归类星系，这幅音叉图将所有星系分成了三类：椭圆星系、旋涡星系和棒旋星系，不规则星系被归类为一个独立的子集，因为这些星系的形状太奇怪，音叉图上根本没有它们的身影。椭圆星系看起来似乎大同小异，就像罗纳德·里根（Ronald Reagan）眼中的加州红杉一样。这些星系之所以如此相似，是因为它们既没有旋涡星系和棒旋星系特征明显的旋臂，也没有孕育新恒星的星际气体和尘埃形成的巨大云团。这些星系内部的造星运动早在几十亿年前就已结束，只剩下一簇簇球状或椭球状的星团。和最大的旋涡星系一样，最大的椭圆星系包含了几千亿颗甚至更多的恒星，星系直径长达几十万光年。除了专业的天文学家以外，椭圆星系如梦似幻的图案和复杂的造星历史很难引发人们的赞叹，原因非常合理，至少和旋涡星系相比，椭圆星系的形状过于简单，造星过程也非常直白：它们尽己所能地将气体和尘埃转化成恒星，直至无以为继。

让人愉快的是，旋涡星系和棒旋星系带来了椭圆星系缺乏的视觉奇观，这些星系的形状和我们的银河系非常相似。如果我们能将相机送到银河系中心圆盘上方或下方几十万光年以外，它拍下的照片必将深深搅动我们的心灵和头脑，这张照片上的图像其实就和我们现在看到的旋涡星系差不多。今天，我们觉得这个目标依然十分遥远，因为人类发射的飞得最远的太空探测器才刚刚走过了这个距离的十亿分之一；就算我们能制造出以光速航行的探测器，人类也要等到很久以后（这个时间跨度远远超过有记载的人类历史）才能看到这张照片。而在目前，天文学家只能继续从银河系内部测绘我们的星系，透过树木般林立的恒星和星系描摹这片森林的轮廓。他们的努力让现在的我们知道了，银河系的形状和我们的近邻——仙女座那个巨大的旋涡星系——差不多。仙女座大约位于240万光年以外，这个距离不远不近，观测起来十分方便，这位邻居为我们提供了旋涡星系基本结构模式的大量信息，也让我们看到了各种各样的恒星和它们的演化历程。仙女座星系的所有恒星与我们之间的距离都差不多（大概只有几个百分点的出入），所以天文学家知道，我们观察到的这些恒星的明亮程度和它们自身的亮度直接相关，而恒星的亮度又和它们每秒释放的能量成正比。这条规则无法应用于银河系内的天体，但在观测其他星系的时候，这条规则大大降低了天文学家研究恒星演化、得出关键结论的难度。仙女座星系边缘有两个绕着主星系旋转的椭圆状卫星星系，它们各自包含的恒星数量只有主星系的百分之几，这两个星系同样为我们提供了关于恒星生命和椭圆星系结构的重要信息。晴朗的夜晚，远离城市灯光的观察者如果知道该往哪儿看，而且眼神足够锐利，那他或许能在天空中看到仙女座星系模糊的轮廓——这是人类裸眼可见的最遥远的天体，落入我们眼中的星光开启这段旅途的时候，人类的祖先还在非洲的峡谷里游荡，寻找根茎和浆果。

和银河系一样，在哈勃的音叉图上，仙女座星系也落在一条分叉的中间位置，因为它的旋臂既不算太紧，也不算太松。如果将星系比作动物园里的动物，那么我们可以把所有椭圆星系关进同一个笼子，但灿烂的旋涡星系却要占据好几间兽舍。如果将一张哈勃望远镜拍摄的这些美丽动物，尤其是（相对于那些更近的星系而言）距离我们1000万～2000万光年的那些星系的图片放到你眼前，那就无异于开启了一个充满无限可能性的奇观世界。它们的结构如此复杂，距离地球上的生活如此遥远，要是没有足够的心理准备，你会头晕目眩，或者你的大脑会启动防御机制，悄悄提醒它的主人，千万不要过度沉迷，这些东西既不能瘦大腿也没法治愈骨折。

作为星系家族的孤儿，不规则星系的数量大约占据了所有星系的10%，其余的份额由椭圆星系和旋涡星系瓜分，旋涡星系分到的那块要大得多。与椭圆星系相反，不规则星系的气体和尘埃含量通常高于旋涡星系，这为造星运动提供了最活跃的温床。银河系拥有两个不规则的大型卫星星系，它们的名字特别令人困惑：这两个星系分别被命名为“大麦哲伦云”（Large Magellanic Cloud，LMC）和“小麦哲伦云”（Small Magellanic Cloud，SMC）。它们之所以叫这个名字，因为这两个星系的发现者是1520年麦哲伦环球航行船队中的水手，刚开始，他们还以为这些星星是天空中的云团。学界之所以将这份荣耀归功于麦哲伦的远航，是因为大小麦哲伦云的位置离南天极（地球南极正上方的点）太近，生活在北半球人口密集区（包括欧洲和美国大部分地区）的观测者永远不可能看到它出现在地平线上方。虽然大小麦哲伦云的规模远远不及包含了几千亿颗恒星的银河系和其他大型星系，但它们各自拥有几十亿颗恒星，内部也有大片的造星区域，其中最值得注意的是大麦哲伦云内的“蜘蛛星云”（Tarantula nebula）。近300年来最近、最明亮的超新星也出现在这个星系中，它被命名为“超新星1987A”。这场爆炸发生的时间必然是公元前16万年前后，因为它的光芒在1987年传到了地球。

20世纪60年代以前，天文学家一直满足于这套分类系统，几乎所有星系都被他们划分成了旋涡星系、棒旋星系、椭圆星系或者不规则星系。从他们的角度来说，这么做也没错，因为超过99%的星系都能纳入这套体系（既然“不规则星系”都堂而皇之地占据了一个分类，那么这个结果也没什么奇怪的）。可是就在这10年里，一位名叫霍尔顿·阿尔普（Halton Arp）的美国天文学家发出了不和谐的声音，哈勃音叉图和不规则星系共同构建的简单分类体系遭到了挑战。秉持着“将疲惫穷苦的大众都交给我”的精神，阿尔普用世界上最大的望远镜——加州圣迭戈附近帕洛马山天文台的海尔望远镜（Hale Telescope）——拍摄了338个形状非常奇特的星系。阿尔普于1966年出版的《特殊星系图集》（Atlas of Peculiar Galaxies）是一座真正的科研宝库，它让我们看到了宇宙中各种各样“搞砸了”的情况。虽然在所有的星系中，这些“特殊星系”——形状奇怪得连“不规则”都不足以形容的星系——所占的比例极低，但它们却揭示了一些重要的信息，我们从中看到了出错的星系可能变成什么样子。比如说，后来我们发现，阿尔普图集中的很多特殊星系实际上是两个曾经彼此独立的星系碰撞融合留下的残骸。这意味着“特殊星系”根本就不是新的星系种类，就像撞坏了的雷克萨斯不是新款汽车。

要追踪这样的碰撞是怎么发生的，光靠笔和纸肯定远远不够。因为两个星系中的每一颗恒星都有自己的引力，这些力会同时影响两个系统中的其他所有恒星。简单地说，你需要一台计算机。星系碰撞是一场绵延几亿年的盛大演出。利用计算机模拟两个星系的碰撞，你可以随心所欲地选择开始和暂停的时间，在1000万年、5000万年和1亿年的节点上分别拍摄快照。每个时间节点的场景都不太一样。翻开阿尔普的图集，你会发现这个“星系”处于碰撞早期，另一个处于晚期，这两个星系发生了侧面碰撞，那两个是迎头相撞。

虽然天文学家在20世纪60年代初就完成了最早的计算机模拟，而且早在20世纪40年代，瑞典天文学家埃里克·霍姆伯格（Erik Holmberg）就想出了一个好主意，他利用光模拟引力，在桌子上摆出了星系碰撞模型，不过直到1972年，双双任教于麻省理工学院的阿拉尔·图默（Alar Toomre）和朱利·图默（Juri Toomre）兄弟才首次描绘了两个旋涡星系“故意一股脑儿”撞到一起的辉煌画卷。根据图默模型，撕裂星系的罪魁祸首是潮汐力，也就是不同位置的引力差。两个星系彼此靠近的时候，星系边缘引力迅速增长，等到它们擦肩而过或者穿过彼此时，这股力量会拉长、扭曲整个星系，阿尔普那本《特殊星系图集》中的大部分特殊星系都是这样形成的。

除此以外，计算机模拟还能通过什么方式帮助我们理解星系呢？哈勃的音叉图将“普通”旋涡星系和中间有一根密集“短棒”的旋涡星系分成了两类。模拟程序表明，这根短棒可能只是一种暂时的现象，而不是区分不同星系种类的标志性特征。现在你看到的“短棒”可能再过1亿年就会消失。但我们无法在现实世界中观察那么长时间，只能利用计算机将1亿年的时间压缩到几分钟内，通过这种方式观察跨越漫长时间尺度的奇景。

阿尔普的特殊星系只是冰山一角，20世纪60年代，天文学家开始探索各种看起来不像星系的奇怪系统，直到几十年后，他们才摸到了一点门路。走进这个突然出现的星系动物园之前，我们必须重拾之前被打断的宇宙演化故事，审视所有星系，包括正常星系、近乎正常的星系、不规则星系、特殊星系和怪得令人震惊的奇异星系——的起源，弄清它们到底是怎样诞生的，而我们又是多么幸运：我们生活的世界位于一个巨型旋涡星系的远郊，距离星系中心约30000光年，往外再走20000光年就是模糊弥散的星系边缘，这样的位置相对比较清静，所以我们才能从容地观察这个宇宙。承蒙旋涡星系的基本规则关照，我们的太阳诞生于气体的云团中，它沿着一条近乎圆形的轨道围绕银河系中心旋转，公转周期大约是2.4亿年（这个时间跨度有时候也叫“宇宙年”，cosmic year）。时至今日，我们的太阳大概已经转了20圈，接下来的日子里，它大概还能再转上20圈左右。在这段时间里，我们不妨先看看星系来自何方。

第八章 结构的起源

回顾宇宙中物质演化的历史，沿着140亿年的长河向上回溯，我们很快就会发现一种亟待解释的趋势：无论在宇宙中的什么地方，物质总会孜孜不倦地自我组织，形成结构。大爆炸之后的宇宙几乎完全是均匀的，然后物质开始聚集生成大大小小的团块，制造出巨大的星系团和超星系团、星系团内部的独立星系、组成每个星系的几十亿颗恒星，很可能还包括许多恒星公转轨道上那些小得多的天体：行星及其卫星、小行星和彗星。

要理解如今组成可见宇宙的这些天体源自何方，我们必须弄清一个问题：是什么样的机制将宇宙中弥散的物质凝聚成了高度结构化的元件？要完整描述宇宙中的结构是如何出现的，我们必须将现实的两个方面融合到一起，不过对于这个问题，目前我们仍力有未逮。正如前几章中介绍的，我们必须将量子力学（它描述的是分子、原子及其成分粒子的行为）和广义相对论（它描述的是极大量的物质和空间如何相互影响）融会贯通。

第一个尝试用一套理论同时描述亚原子微观世界和天文尺度宏观世界的科学家是爱因斯坦。如今的科学家继承了前人的宏志，尽管他们的努力收效甚微，但在“大统一理论”（grand unification）完成之前，他们必将不屈不挠地奋斗下去。在那么多令人困扰的未知中，现代宇宙学家最烦恼的问题只有一个：他们无法建立一套理论，将量子力学和广义相对论融合到一起。与此同时，这两个看似风马牛不相及的物理学分支——它们分别描述极大和极小两个相距遥远的世界——似乎完全不在乎我们的无知，它们在同一个宇宙中和谐共存，各自做出了不少成就，仿佛是在嘲笑我们试图将它们融为一体的努力。一个拥有一千亿颗恒星的星系显然不会在意自己内部构成行星系统和气体云的原子和分子遵循怎样的物理规则。那些被我们命名为星系团和超星系团的更大的物质团块更不在乎这事儿，它们自己就是由几百甚至几千个星系组成的。但如果没有早期宇宙中微不可察的量子涨落，宇宙中这些最宏大的结构根本不可能存在。要理解这些结构是怎么诞生的，我们必须尽可能地克服自己的无知，在量子力学主宰的微观世界（结构起源的关键就藏在这里）和广义相对论统治的天文世界（量子力学在这么宏大的尺度上不起作用）之间架起一座桥梁。

为了达到这个目标，我们必须设法解释大爆炸之后那个近乎完全均匀的宇宙如何演化出了今天我们看到的各种结构。任何试图解释结构起源的理论必须契合宇宙现在的状态。即便是这个最简单的任务也难倒了不少天文学家和宇宙学家，好在我们已经摆脱了那些错误的开头和谬误（至少我们热切地希望如此），走上了一条正确描述宇宙的光明大道。

在现代宇宙学历史上的大部分时间里，天体物理学家一直假设，宇宙中的物质均匀分布且各向同性。在一个物质均匀分布的宇宙中，每个方向看起来和其他方向没什么两样，就像一杯搅匀的牛奶。各向同性意味着宇宙从任何方向看起来都是一样的，无论观察者位于时空中的哪个位置。这两个描述看起来似乎是一回事，但事实并非如此。比如说，地球上的经线就不是均匀分布的，因为它们在某些地方的距离较近，某些地方距离较远；不过有两个地方的经线各向同性，那就是所有经线汇集的南北极点。无论你是站在这个世界的“顶端”还是“底部”，不管你怎么左右转头，你看到的经线格栅总是一样的。我们可以再举一个更贴近物理的例子，想象一下，你站在一座完美的圆锥形山峰峰顶，这座山峰是天地间的唯一物体，那么在这个点上，无论你望向哪边，眼前的地球总是一模一样。如果你正好生活在一块箭靶的正中央，或者你是一只蜘蛛，待在自己织成的完美的圆网中央，那么也会发生同样的事情。在上面这几个例子里，你看到的世界各向同性，但绝不均匀。

如果想找均匀但并非各向同性的例子，不妨看看砖墙。如果瓦工遵循传统的交叠砌墙方式，而且所有砖块都是完全相同的矩形，那么对于相邻的几块砖头和填充在砖头之间的灰浆来说，这堵墙就是均匀的。但要是你从不同的方向观察，灰浆线条的排列却不一样，所以它不是各向同性的。

有趣的是（对于那些趣味比较特别的人来说），数学分析的结果告诉我们，要让宇宙看起来均匀，那它必然处处各向同性。根据另一条数学形式的定理，只要空间中存在三个能观察到各向同性的点，那它必然处处各向同性。我真不明白为什么有人觉得数学是无聊乏味的空想！

从审美角度来说，宇宙学家很愿意相信空间中的物质均匀分布且各向同性，他们甚至将这个假设当成了宇宙学的基本原则，我们或许可以称之为“平庸原则”（principle of mediocrity）：宇宙中的某个地方有什么理由比另一个地方更有趣？但如果从较小的尺度来观察，我们很容易发现，这套理论很难站得住脚。我们生活于其上的这颗固体行星平均物质密度大约是5.5克/立方厘米，作为一颗典型的恒星，我们的太阳平均密度大约是1.4克/立方厘米，但太阳和地球之间的行星际空间平均密度却小得多——大约比这两个数小21个数量级。宇宙中占地最广袤的星系际空间，平均每10立方米内连一个原子都没有，它的物质密度比行星际空间还要小9个数量级。这足以让大多数人相信，物质的富集只是宇宙中的偶然现象。

随着天体物理学家的视野不断拓展，他们清晰地看到，像我们的银河系这样由无数恒星组成的星系飘浮在近乎真空的恒星际空间中。这些星系还会聚集形成星系团，这无疑打破了宇宙均匀且各向同性的假设。不过还有一线希望：如果把观察可见物质的尺度再放大一些，也许天体物理学家最终会发现，这些星系团在宇宙中均匀分布且各向同性。要让某个特定的空间区域看起来均匀分布、各向同性，那它一定得够大，这样一来，任何结构（或者没有结构）看起来都不会显得突兀。如果用我们挖的西瓜球来类比的话，均匀分布且各向同性意味着这个空间中任何一处的任何性质都和平均性质十分相似，就像你挖出来的西瓜球只要大小差不多，看起来都一样。要是宇宙的左半边和右半边看起来不一样，那就很尴尬了。

要看到一个均匀分布且各向同性的宇宙，我们需要将观察的尺度放到多大？地球的直径是0.04光秒，海王星的公转轨道直径约8光时，银河系内的恒星组成了一个直径约10万光年的扁平圆盘，而银河系所在的室女座超星系团绵延6000万光年。这么说来，能让我们观察到均匀分布、各向同性的宇宙尺度必然大于室女座超星系团。天体物理学家在研究空间星系分布的时候发现，哪怕从1亿光年的尺度上看，星系就像相互交缠的薄片和细丝，它们之间仍有相对空旷的宽阔沟壑。这个尺度上的星系分布一点也不均匀，也谈不上什么各向同性，它更像一块松软的海绵。

不过，后来天体物理学家画出了更大的地图，在这张地图上，他们终于找到了梦寐以求的均匀和各向同性。他们发现，如果将“西瓜球”的尺寸放大到3亿光年，那么每个大小相似的宇宙西瓜球看起来的确差不多，他们苦苦追寻的宇宙美学标准终于得到了满足。不过，当然，在更小的尺度上，物质只会自顾自地聚集成团，根本不管什么均匀或者各向同性。

300年前，牛顿也思考过物质是如何形成结构的。以牛顿的聪明才智，他自然很容易接受宇宙均匀分布且各向同性的概念，不过紧接着他又想到了一个普通人很难意识到的问题：宇宙中的物质自发形成了各种结构，但它们为什么没有全部聚在一起，形成一个超大质量的团块呢？牛顿提出，我们并未观察到这样的“超大物质团”，所以宇宙必然是无限的。1692年，在一封写给剑桥大学三一学院院长理查德·宾利（Richard Bentley）的信里，牛顿提出：

如果宇宙中的所有物质均匀分布，每个粒子的固有引力无差别地作用于其他所有粒子，假如这个物质均匀分布的空间是有限的，那么在引力的作用下，有限空间以外的物质必然会受到其内部物质的吸引。出于这个原因，外部的所有物质最终必然坠入有限空间，与其内部的物质结合在一起，形成一个巨大的物质球。但是，如果物质均匀分布在一个无限的空间中，那它永远无法凝聚成一整个大团，而是这里聚成一小团，那里聚成一小团，由此产生无限多个大型物质团块；这些物质团块散落在无限的空间中，彼此相距遥远。

牛顿提出，这个无限的宇宙必然是静态的，它既不会膨胀，也不会收缩。在这个宇宙中，让天体“凝聚”成形的驱动力来自引力——任何有质量的物体作用于其他所有物体的吸力。引力是创造结构的核心因素，牛顿的这一论断直到今天仍真实有效，只是如今的宇宙学家面临的问题比牛顿时代的更棘手。我们无缘消受静态宇宙带来的种种好处，今天的我们必须承认这样的事实：尽管引力赋予了物质收拢聚集的趋势，然而自大爆炸以来，宇宙一直在持续膨胀。天体结构如何克服这样的膨胀聚集成形？考虑到大爆炸之后的一小段时间里，也就是天体结构开始形成的那个年代，宇宙膨胀的速度比现在快得多，这个问题就更难回答了。乍看之下，要让弥散的气体凝聚形成巨大的天体，我们似乎不能再依靠引力，就像你没法用铲子清除晒谷场上的跳蚤一样。但事实上，引力仍是促使天体结构成形的核心因素。

早期宇宙膨胀的速度极快，如果当时的宇宙在所有尺度上严格遵守均匀且各向同性的规则，那引力根本没有获胜的机会，今天的宇宙中也不会有星系、恒星、行星和人类，只有均匀散落的原子——这个无聊的宇宙既没有观察者，也没有可供观察的物体。但如今我们看到的宇宙充满乐趣、激动人心，它之所以会存在，唯一的原因是在大爆炸之后那短暂的关键时期内，宇宙并不是均匀分布、各向同性的，这道“前菜”为后来物质和能量的聚集埋下了伏笔。如果没有这样的开篇，引力根本无法抗拒宇宙的急速膨胀，物质也不会聚集形成今天我们熟悉的天体结构。

空间的不均匀和各向异性为宇宙中的所有结构播下了种子，为什么会出现这样的偏差呢？答案藏在量子力学的世界里，要是我们想追寻自己到底来自何方，那就必须踏入这个牛顿不曾想见的神秘领域。量子力学告诉我们，从最小的尺度上看，物质的分布不可能保持均匀和各向同性。恰恰相反，随着物质被拆分成一团团不断消失然后重生的颤抖的粒子，每一刻都有不同数量的粒子消失或重现，物质的分布也将出现随机的涨落。在任意给定的时刻，总会有某个空间区域内的粒子数量略高于其他区域，因此它的物质密度也略大一点。世间的所有事物都诞生于这个反直觉的狂想之中。密度略大的区域有机会吸引略多一点的粒子，随着时间的流逝，宇宙中密度相对较高的区域开始形成结构。

回顾大爆炸之后、结构形成之初的早期宇宙，我们需要重点关注两个时期，其中一个是“暴胀时期”，也就是宇宙急速膨胀的阶段，另一个是“退耦时期”（time of decoupling），这个阶段大约发生在大爆炸之后38万年，从此以后，宇宙背景辐射不再与物质发生互动。

暴胀时期持续的时间是大爆炸之后10-37秒到10-33秒。在这段相对比较短暂的时间里，时空构造膨胀的速度比光还快，短短的10-33秒内，宇宙的尺寸就从质子的1/10^20膨胀到了10厘米左右。是的，可观测的宇宙曾经只有一个西柚那么大。那宇宙为什么会膨胀？宇宙学家认为核心原因在于“相变”（phase transition），它在宇宙背景辐射中留下了可观测的特殊痕迹。

相变不仅仅存在于宇宙学领域，同样的变化常常发生在你的家里。我们会把水冻成冰块，烧开水的时候也会产生蒸汽。如果在糖水里放一根线，糖霜就会沿着这根线凝结。潮湿黏稠的面糊可以烤成蛋糕。这类变化有相似的规律可循。无论如何，相变前后的物质看起来总是很不一样。根据宇宙的膨胀模型，大爆炸之后的一小段时间里，充斥宇宙的能量场经历了某种相变。类似的相变一共发生过好几次，我们现在讨论的这一次相变不仅促成了早期宇宙的急速膨胀，还赋予了宇宙高低密度区域交错分布的特殊涨落模式。接下来，这样的涨落凝固成了膨胀的空间构造，为星系的形成提供了一幅蓝图。威廉·吉尔伯特（William Gilbert）和阿瑟·萨利文（Arthur Sullivan）创作的歌剧《天皇》中有位名叫浦巴的人物，他曾骄傲地宣称，他的血统可以追溯到“最古老的原子球”；与此类似，我们也可以说，我们和宇宙中的所有结构都起源于暴胀时期亚原子核尺度的涨落。

我们能找到什么证据来支持这个大胆的假设？天体物理学家不可能真正看到宇宙诞生之初那0.000000000000000000000000000000000001秒内到底发生了什么事情，所以他们只好退而求其次，利用科学的逻辑将这个早期阶段与我们能观察到的年代联系起来。如果暴胀理论正确无误，而量子力学告诉我们，均匀且各向同性的流体内部必然存在细微的差别，所以暴胀时期的宇宙必然存在最初的涨落，因此空间中有可能出现物质和能量相对比较密集或稀疏的区域。宇宙背景辐射就像舞台的前景，它是我们这个时代与早期宇宙之间的屏障与纽带。如果婴儿期的宇宙真的存在这样的起伏和波动，那么我们应该能在宇宙背景辐射中找到相应的痕迹。

正如我们已经看到的，宇宙背景辐射由大爆炸之后最初的那几分钟产生的光子组成。在宇宙历史的早期阶段，这些光子与物质相互作用，以极高的能量将任何有机会形成的原子撞得粉碎，所以任何原子都无法存留太长时间。但宇宙的持续膨胀剥夺了这些光子的能量，所以到了退耦时期，光子的能量已经不足以阻止电子绕着质子和氦原子核旋转。从大爆炸之后38万年的这个阶段开始，原子存留下来（除非遭到附近恒星辐射之类的破坏），能量越来越弱的光子继续在宇宙中游荡，由此形成了宇宙背景辐射，即CBR。

因此，CBR携带着历史的印记，那是退耦时期的宇宙留下的快照。天体物理学家已经学会了审视这帧快照的方法，而且他们的观测精确度还在不断提高。首先，CBR的存在表明，我们对宇宙历史的基本理解是正确的。其次，几十年来，天体物理学家测量宇宙背景辐射的能力越来越强，气球和卫星搭载的精密设备帮助他们绘出了一幅CBR地图，从中我们可以看到各向异性带来的微小偏差。这幅地图提供了一份历史记录，曾经尺度极小的涨落在暴胀时期之后的几十万年里随着宇宙的膨胀变得越来越大，接下来的几十亿年里，它又慢慢发展成了宇宙中大尺度的物质分布。

这是一个了不起的成就：CBR让我们得以测绘早已消失的早期宇宙留下的印记，也让我们在天空中找到了那些密度略高于平均值的区域，后来那些区域发展成了星系团和超星系团。密度略高于平均值的区域留下的光子也比低密度区域多一些。能量的损失导致光子无法继续干扰新形成的原子，宇宙也随之变得透明，每个光子从此踏上了远离出生地的旅途。从我们现在所在的区域附近出发的光子奔向四面八方，时至今日，它们已经走过了140亿光年的距离，宇宙的彼端，另一个遥远的文明或许正在测量这些CBR，而“他们的”光子又成了我们观察到的CBR的一部分，它们诉说着很久很久以前、很远很远的地方发生的故事，那时候，宇宙中的结构刚刚开始形成。

1965年，天体物理学家首次探测到了宇宙背景辐射，接下来的几十年里，他们一直在寻找CBR中的波动和起伏。从验证理论的角度来说，他们迫切地希望找到这样的起伏，因为要是CBR在十万分之一的尺度上不存在起伏，那他们构建的结构起源模型就彻底失去了依据。如果在CBR中找不到这些种子，我们就无法解释自己为什么存在。不过令人欣慰的是，空间的各向异性正如人们期望的那样显露了真容。将仪器的测量精确度提高到预想的等级以后，宇宙学家几乎立即就找到了期盼已久的证据；首先完成这一壮举的是1992年的COBE卫星，接下来，我们在第三章中介绍过的气球和WMAP卫星搭载的精确度更高的仪器进一步验证了这一结果。组成CBR的微波光子数量在不同的位置有细微的差异，WMAP以极高的精确度将它描绘下来，这就是大爆炸后38万年的宇宙涨落留下的证据。这样的涨落与CBR的平均温度通常只有微小的差异，所以寻找它们就像是在方圆1.6千米的池塘中寻找一滴密度略低于平均值的油花。这样的各向异性非常微弱，但它却是一切的开始。

在WMAP绘制的宇宙背景辐射地图上，那些较大的热点意味着这些区域的引力将克服膨胀宇宙的弥散趋势，聚拢足够的物质，最终形成超星系团。时至今日，这些区域已经发展成了包含1000个星系的庞大结构，其中每个星系各自拥有1000万亿颗恒星。如果算上暗物质，这样的星系团质量差不多相当于10^16个太阳。与此相反，较大的冷点意味着这些区域无法抵抗宇宙的膨胀，它们最终会发展成近乎真空的巨大结构，天体物理学家称之为“空洞”（void），它的范围由周围非空洞的区域界定。所以，天空中那些薄片或细丝状的星系不光会彼此交缠，形成星系团，还会形成“墙壁”和其他几何图形，在宇宙中圈出一块块空白的区域。

当然，成熟的星系并不是从密度略高于平均值的物质中突然冒出来的。从大爆炸后38万年到2亿年，物质不断聚集，但最早的恒星仍未诞生，宇宙中没有任何东西能发光。在这个黑暗的年代，整个宇宙里只有最初的那几分钟创造出来的东西——氢和氦，以及痕量的锂。除此以外，没有任何更重的元素，碳、氮、氧、钠、钙和其他更重的原子都不存在，能够吸收光的常见原子和分子还没有诞生。今天的宇宙中已经有了这些原子和分子，新形成的恒星发出的光会对它们产生压力，推开海量的气体，不然的话，这些气体就会坠向恒星。这样的“驱逐”效果将新生恒星的最大质量限制在了太阳质量的100倍以内。但在第一批恒星刚刚诞生的那个年代，由于宇宙中没有能够吸收光的原子和分子，坠向恒星的气体基本就是氢和氦，这两种元素几乎无法阻挡恒星对外释放的光，所以更重的恒星才得以形成，它们的质量可达太阳质量的几百倍，甚至几千倍。

大质量恒星的生命就像在快车道上奔跑，质量最大的恒星生命节律也最快。它们以惊人的速度将自身的物质转化为能量，制造出海量重元素，最后迅速在爆炸中死亡。这些恒星的预期寿命只有几百万年，还不到太阳寿命的千分之一。今天的我们并不指望能在宇宙中找到这些来自宇宙早期的超大质量恒星，因为它们早已燃烧殆尽。时至今日，更重的元素遍布宇宙，这种超大质量恒星根本没有机会聚集成形。事实上，我们从未观察到任何一颗这样的巨型恒星。但我们认为，正是这些恒星为宇宙创造出了第一批如今的我们熟悉的元素，其中包括碳、氧、氮、硅和铁。你可以说这是施肥，也可以说它是污染，但这些生命的种子的确始于早已消失的第一代大质量恒星。

退耦阶段之后最初的几十亿年里，几乎所有尺度的物质都在引力的作用下聚集成团，引力造成的坍缩也成了家常便饭。超大质量黑洞的形成就是引力自然作用造成的结果之一，每个超大质量黑洞的质量都有太阳的几百万倍，甚至几十亿倍。这样的黑洞尺寸差不多相当于海王星的公转轨道，它会严重破坏周围的环境。坠向黑洞的气体云有加速的趋势，但它们的速度却提不起来，因为前面挡道的东西太多了。所以这些气体只好冲撞、摩擦路径上的所有物质，最终形成一个奔向黑洞的巨型旋涡。在它们永远消失之前，气体云超热物质内部的碰撞会向外辐射海量能量，亮度相当于太阳的几十亿倍，但这一切都发生在相当于太阳系大小的空间范围内。海量的物质和辐射向外喷射，在气体云旋涡的上方和下方形成绵延几十万光年的喷射流，能量在这条隧道内左冲右突，朝着四面八方逃窜。等到这团气体坠入黑洞，另一个旋涡早已形成，这个系统的亮度有起有落，忽明忽暗，每一次变化间隔几个小时，也可能是几天或者几周。如果旋涡的喷射流正好对准了你的方向，和侧面的观察者相比，你会觉得它看起来更亮，而且更加变化多端。从安全的远处眺望，黑洞和坠落物质共同组成的奇观比我们今天看到的星系小得多，却亮得多。这就是“类星体”（quasar），我们刚才描述的正是它的诞生过程。

20世纪60年代初，人类第一次发现了类星体。当时天文学家刚刚开始给望远镜配备对不可见波段辐射（例如，无线电波和X射线）特别敏感的传感器。有了新的设备，来自不可见波段的电磁辐射也被纳入了天文学家为星系绘制的肖像。与此同时，摄影技术的发展再次促进了显影剂的改进，两相结合之下，一批新的天体结构开始从宇宙深处显露真容。照片上最亮的那些天体看起来似乎只是简单的恒星，但它们会释放大量无线电波，这一点和恒星很不一样。确切地说，这些天体或许应该叫作“类恒星无线电波源”（quasistellar radio source）——这个称呼很快被简化成了“类星体”。比无线电波更令人瞩目的是这些天体的距离：整体而言，类星体是宇宙中已知的距离我们最远的天体。类星体这么小，离地球又这么远，但我们依然能看到它发出的光，这意味着它必然是一种全新的天体。它们到底有多小？不会比太阳系更大。那又有多亮呢？就连那些最暗的类星体也比普通的星系更亮。

截至20世纪70年代初，天体物理学家一直认为，超大质量黑洞是类星体的动力之源，被黑洞引力吞噬的物质会发出璀璨的光芒。黑洞模型可以解释类星体的小尺寸和亮度，却不会透露黑洞的“食物”来源。直到20世纪80年代初，天体物理学家才开始研究类星体所在的环境，因为这种天体的中心区域实在太亮，我们很难观测它周围相对暗得多的其他东西。不过，随着新技术的发展，我们设法屏蔽了类星体中心区域的强光，天体物理学家终于有机会研究某些比较暗的类星体周围的东西了。随着探测方式和技术的进一步改进，每颗类星体周围的环境逐渐显现，我们甚至从中看到了旋涡结构。最后我们发现，类星体其实不是什么新天体，而是一种新的星系核（galactic nucleus）。

1990年4月，有史以来最昂贵的天文设备——哈勃太空望远镜——由美国国家航空航天局（NASA）发射升空。这台望远镜的尺寸和灰狗公司的大巴差不多，它能摆脱大气层的干扰，根据地面发射的指令在轨道上观测太空。宇航员给哈勃太空望远镜安装了修正主镜片制造缺陷的辅助镜片以后，它开始帮助我们探测普通星系内部从未有人触及的区域，包括星系中心。于是我们发现，星系中心的恒星运动速度快得不可思议，单靠附近其他恒星的引力（根据恒星发出的可见光，我们可以推算它的引力）根本无法解释。强引力、小区域……那一定是个黑洞。我们在几十个星系的核心区域相继发现了速度快得令人生疑的恒星。事实上，哈勃太空望远镜能够清晰拍摄到的所有星系中心都存在这样的现象。

现在看来，每个巨型星系中央很可能都有一个超大质量黑洞，这个黑洞也许是吸引其他物质聚集成团的引力之种，又或者在稍晚的阶段，它促成了星系外围区域的物质向中央汇集。但并非所有星系都是年轻的类星体。

中央存在黑洞的普通星系名单不断增长，研究者开始产生了新的疑问：是否存在非类星体的超大质量黑洞？或者周围没有星系的类星体？他们不由得勾画出了一幅新的图景，在这幅图景中，某些星系是从类星体开始的。类星体实际上只是普通星系可见的璀璨核心，要成为类星体，这个系统需要的不仅是饥饿的巨型黑洞，还有向内坠落的充足气体。等到这个超大质量黑洞吞噬了势力范围内的所有食物，只剩下那些够不着的恒星和气体在安全距离以外绕着它旋转，到了这个阶段，类星体就会熄灭。然后你会看到一个温驯的星系，它中央的黑洞暂时陷入了沉睡。

天文学家已经发现了其他新的结构类型，它们的性质介于类星体和普通星系之间，具体取决于超大质量黑洞的“恶劣行为”。有时候，坠入星系中央黑洞的物质洪流速度稳定缓慢，只是偶尔有点波动。这样的星系核依然活跃，但相对比较温和。这些年来，我们发现的温和星系类型越来越多：LINER（Low-Ionization Nuclear Emission-line Region，低电离星系核）星系、赛弗特星系（Seyfert galaxy）、N型星系（N galaxy），还有耀变体（blazar）。这些天体结构被统称为“AGN”（“活跃星系核”的英文缩写）。类星体都出现在遥远的宇宙深处，但AGN和我们的距离有远有近。这意味着AGN反映了星系的各种“不端行为”。年代久远的类星体会吞噬周围的所有食物，所以我们只能在宇宙深处看到古老的类星体留下的残影。与此相对，AGN的胃口要小得多，所以哪怕已经过去了几十亿年，部分类星体周围还有食物可供它们消耗。

单靠AGN的可见形态来分类显然不够完善，所以天体物理学家在归类AGN的时候依据的是全波段的电磁辐射。从20世纪90年代中期到末期，研究者证明了星系的黑洞模型，他们还发现，要归类AGN动物园的大部分成员，其实只需要测量几个参数：天体结构中央的黑洞质量，黑洞“进食”的速度，以及我们相对于该结构吸积盘（accretion disk）和喷射流的观测角度。举个例子，如果我们观察的方向恰好“正对枪口”，也就是说，完全正对超大质量黑洞附近的喷射流，那么我们看到的天体结构要比侧面其他角度的观察者亮得多。这三个参数的差别可以解释天体物理学家观察到的几乎所有星系核形态，于是他们欣喜地发现，星系核的类型其实没有我们想象的那么多。借助这个机会，他们也进一步理解了星系的形成和演化。星系核的千差万别——形状、尺寸、亮度和颜色——最后都能归结到寥寥几个参数头上，这是20世纪末天体物理学最不为人知的伟大成就。它花费了无数研究者多年的精力和大量望远镜时间，虽然晚间新闻不会报道这种事情，但它的确是个了不起的成就。

但是，我们不能就此认为超大质量黑洞能够解释一切。虽然单个黑洞的质量可能是太阳的几百万倍甚至几十亿倍，但与其宿主星系相比，它的质量又显得微不足道。一般而言，大型星系中央黑洞的质量远远不到星系总质量的1%。如果我们想解释暗物质，或者宇宙中其他看不见的引力源，这些黑洞的影响小得几乎可以忽略不计。但要是仔细算算这些黑洞产生的能量（将黑洞释放的能量视作其构造的一部分），我们就会发现，星系形成的能量主要来自黑洞。与黑洞的能量相比，星系中所有绕轨运行的恒星和气体云拥有的能量都显得微不足道。要是没有埋藏在星系中央的超大质量黑洞，我们今天看到的星系可能根本不会有机会形成。每个星系中央给曾经闪亮但如今已经看不见的黑洞提供了一条隐藏的线索，它或许可以解释，物质如何聚集形成一个亿万恒星围绕普通核心公转的复杂系统。

要为星系形成建立一个更普适的模型，我们需要的不光是超大质量黑洞的引力，还得用引力来解释其他更传统的天文结构。星系中数以十亿计的恒星从何而来？幕后的操纵者依然是引力，在引力的作用下，一团气体云就能孕育几十万颗恒星。星系中的大部分恒星诞生于相对松散的“星协”（association）之中。相对密集的新生恒星则会形成可辨认的“星团”（star cluster），星团内部的所有恒星围绕星团核心公转，每颗恒星在宇宙中运转的舞步由同一星团内其他所有恒星的引力共同决定，这些星团本身又会在远离中央黑洞毁灭力量的安全轨道上围绕星系中心运行。

星团内部的恒星运行速度各异，有的恒星运动速度极快，甚至可能脱离这个系统。有时候真的会发生这样的事情：运动速度过快的恒星挣脱了星团引力的束缚，在星系中自由穿行。这些自由游荡的恒星，加上包含了数十万颗恒星的“球状星团”（globular star cluster），它们和其他一些恒星共同组成了星系外围的球状光晕。星系晕（galaxy halo）是宇宙中最古老的可见天体，它的主要成员是曾经耀眼但已经变得暗淡的短命恒星，这些恒星的年龄和星系本身相当。

最后坍缩（因此也最后形成恒星）的是聚集在星系盘（galactic plane）上的气体和尘埃。椭圆星系没有星系盘，它的所有气体已经全部形成了恒星。但旋涡星系内的物质呈扁平状分布，每个旋涡星系都拥有一个中央星系盘，最年轻、最明亮的恒星就诞生在这里，围绕星系核心运行的疏密不一的气体孕育了它们。就像热棉花糖只要相互触碰就会粘在一起，旋涡星系中所有未曾参与星团形成的气体都会坠向星系盘，这些气体粘在星系盘上形成一个物质盘，这个物质盘会慢慢孕育出恒星。从过去的亿万年直至未来的亿万年，旋涡星系不断孕育出一代又一代的恒星，每一代恒星的重元素含量都高于上一代。随着恒星慢慢衰老，这些重元素（天体物理学家所说的“重元素”指的是所有比氦更重的元素）又会融入向外逃逸的气流，或者成为大质量恒星爆炸（超新星）的残骸，最终散落到恒星际空间中。重元素的存在改变了星系，以及整个宇宙的化学环境，为我们所知的生命提供了舒适的温床。

我们刚才概括介绍了旋涡星系形成的典型过程，这样的演化大戏在宇宙中上演了数百亿次，由此产生了形态各异的天体结构：有聚集在一起的星系团，也有细丝状或者薄片状的星系。

对我们来说，眺望宇宙深处就等于眺望宇宙的往昔，所以我们不仅能观察星系现在的模样，还能窥探它们亿万年前的样子——只要把目光放远一点就好。但在实际的观测中，要妥善运用这项理论，我们还得克服一个障碍：几十亿光年外的星系看起来又小又暗，就连最优秀的望远镜也很难描摹它们的轮廓。不过无论如何，这些年来，天体物理学家依然在这方面取得了极大的进展。其中一个突破来自1995年，时任约翰·霍普金斯大学空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute）所长的罗伯特·威廉姆斯（Robert Williams）将哈勃望远镜对准北斗七星附近的一个方向，观测了整整10天。我们之所以将这个突破完全归功于威廉姆斯，是因为负责筛选观测申请的哈勃望远镜时间分配委员会认为，威廉姆斯选择的这个区域空旷无趣，完全没有观察的价值。哈勃望远镜的日程排得很紧，既然没有任何项目能够直接从中受益，那就不值得为这个区域安排那么长的时间。但幸运的是，作为空间望远镜研究所的所长，威廉姆斯有权安排哈勃望远镜的一小部分观测时间（“所长的自由支配时间”），借着这个小小的特权，他最终拍下了“哈勃深空场”（Hubble Deep Field），它成了有史以来最著名的天文照片之一。

这10天的观测正好发生在1995年美国政府关门期间，截至目前，“哈勃深空场”是天文学历史上人们研究得最深入、最完备的一张照片。这张照片仿佛是从时间长河里撷取的一个纵截面，深空场中与银河系距离不一的星系和类星系天体发出的光分别来自不同的宇宙年代。比如说，我们可以从这张照片中同时看到13亿年前、36亿年前、57亿年前和82亿年前的天体，每个天体各自所属的年代取决于它和我们之间的距离。这张照片提供的数据宝库造福了数以百计的天文学家，借助“哈勃深空场”提供的新信息，他们得以深入理解星系如何随时间演化，刚刚形成的星系是什么样子。1998年，哈勃望远镜再次花费10天时间，拍摄了与第一次观测方向完全相反的南半球另一片天空，这张照片被命名为“哈勃南天深空场”（Hubble Deep Field South）。把两张照片放在一起进行比较，天文学家确认了第一张照片没有什么异常的地方（比如说，如果两张照片完全一样，或者完全不一样，那有人可能就会觉得是魔鬼在作祟），也进一步完善了不同星系如何形成的理论。经过一次成功的维修以后，哈勃望远镜装上了更好（更灵敏）的探测器，2004年，空间望远镜研究所又迫不及待地拍摄了第三张照片：“哈勃超深空场”（Hubble Ultra Deep Field），这是当时人们拍摄的最遥远的宇宙影像。

遗憾的是，就连哈勃望远镜也拍不到星系形成最早期的影像，这不光是因为那些天体距离遥远，更重要的是，在宇宙膨胀的作用下，来自那些天体的辐射已经转移到了电磁波谱的红外区域，超出了哈勃望远镜的探测范围。想要观测那些最遥远的星系，天文学家只能等待哈勃的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）——设计制造完毕，发射升空并成功运转（这台望远镜的得名于阿波罗年代的NASA局长，这样的做法其实相当鸡贼，他们为望远镜选择了一位官员而非著名科学家的名字，确保望远镜计划不会被取消——现在，取消计划就相当于抹杀了一位重要官员的遗泽）。

JWST的镜头比哈勃的还大，它将在太空中展开形成一个巨大的反射面，仿佛一朵错综复杂的机械花朵。如果不把反射面折叠起来的话，我们的火箭根本装不下它。新的空间望远镜将配备一套比哈勃先进得多的设备，要知道，哈勃望远镜设计于20世纪60年代，建造于20世纪70年代，最后于1990年发射升空，在20世纪90年代，这台望远镜经历了一次重要的升级，但它仍然缺乏一些非常基本的功能，譬如探测红外辐射。2003年发射的斯皮策红外望远镜（Spitzer InfraRed Telescope Facility，SIRTF）可以弥补哈勃望远镜的部分不足，SIRTF围绕太阳公转，它和地球之间的距离比哈勃望远镜远得多，这是为了避开我们的行星产生的大量红外干扰。出于同样的原因，JWST多半也会选择远离地球的运转轨道，因此我们不可能像现在维修哈勃一样为它提供维护服务——NASA最好一次搞定所有事情。如果新的望远镜能在2011年按计划升空，它将为我们拍下更壮丽的宇宙照片，包括100亿光年外的星系影像，它们比“哈勃深空场”中的那些星系更接近起源时期。[1]新的空间望远镜必将带来大量新数据，配合老式地面设备提供的信息，天文学家又有不少东西可以研究了。

未来充满无限可能，但天体物理学家过去30年来的成就也不容忽视，观测宇宙的新设备帮助他们完成了这些了不起的发现。卡尔·萨根（Carl Sagan）总喜欢说，要是连宇宙的伟业都无法让你驻足惊叹，那你肯定是个木头人。得益于观测技术的进步，现在的我们比萨根更了解星系起源的瑰丽历程：小于质子尺度的物质和能量分布的量子涨落最终孕育出了绵延3000万光年的超星系团。从混沌到宇宙，这样的因果关系影响着无比广阔的时空。正如微观的DNA链条决定了宏观物种的身份和特性，宇宙如今的模样和特性也来自最早期的构造涟漪，它穿越时间和空间，一直存留到了今天。无论是抬头、低头，还是反躬内省，我们都能感受到它的存在。

卷三

恒星的起源

第九章 尘归尘

远离城市灯光，仰望澄净夜空，你立即就会发现一条横跨天际的朦胧光带，上面还点缀着一块块漆黑的斑点。天空中这条乳白色的光带名叫“银河”，它的光来自宇宙中的亿万恒星和气态星云。透过双筒望远镜或者后院里的天文望远镜仔细观察，你会发现银河中那些黑暗无趣的区域的确漆黑一片，没什么可看的，但若是将镜头转向那些明亮的区域，你会发现乳白色的光晕化作了数不清的恒星和星云。

1610年，伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）在威尼斯出版了一本题为《星际信使》（Sidereus Nuncius）的小书，在这本书中，他第一次描绘了自己透过望远镜看到的天空，包括银河内的一片片光斑。伽利略将自己观察天空的设备称为“窥天镜”，因为当时“望远镜”（telescope，希腊语中这个词的意思是“远眺者”）这个词还不存在；他情不自禁地写道：

在窥天镜的帮助下，我们可以清晰地观察银河；亲眼看到的事实足以粉碎哲学家持续数代的争执，我们也将从此摆脱言辞上的交锋。银河不过是成团分布的无数恒星。无论将窥天镜指向哪个方向，你都会立即看到数不清的恒星，其中很多星星看起来又大又亮，但那些小星星才真的深不可测。

伽利略笔下的“无数恒星”描绘的显然是银河系中恒星最密集的区域，天文学家重点关注的也是这些区域。谁会对那些根本没有可见恒星的暗区感兴趣呢？银河内的暗区很可能是宇宙中的洞，通往后方无垠的空旷空间。

直到300年后，人们才发现，银河中的黑斑其实根本就不是什么洞，而是密集的气体和尘埃组成的云团，它们遮住了远方的星星，但孕育恒星的温床就藏在这些云团深处。美国天文学家乔治·卡里·康斯托克（George Cary Comstock）提出过一个问题：远方的恒星为什么看起来那么暗？单靠距离完全无法解释它们损失的光芒。顺着康斯托克的思路，1909年，荷兰天文学家雅各布斯·科内利乌斯·卡普坦（Jacobus Cornelius Kapteyn）揪出了背后的元凶。在两篇题目均为《论太空光线吸收》（On the Absorption of Light in Space）的论文中，卡普坦列出证据，提出了自己的设想：那些黑暗的云团（“恒星际介质”）不仅会遮蔽恒星的光芒，还会选择性吸收恒星光谱中不同波长的光线。在可见光的频率范围内，它们吸收、散射（从而削弱）的紫色光比红色光多得多。这样的选择性吸收最终会导致紫光的损失远大于红光，所以远方的恒星看起来比近处的更红。光在传播过程中穿过的星际介质越多，紫光的损失越大，星光变红的现象也越明显。

普通的氢气和氦气（它们是宇宙云团的主要成分）不会导致星光变红。但其他很多原子组成的分子却会产生这种效果——尤其是那些包含碳和硅的分子。有的恒星际微粒个头太大，不太适合再用分子来称呼，所以我们只好叫它“尘埃”；每个星际尘埃微粒都由数十万甚至数百万个原子组成。大多数人印象中的“尘埃”是家庭环境中的灰尘，但很少有人知道，封闭房屋里的灰尘主要是死亡脱落的人类皮肤细胞，如果你家养了不止一只哺乳动物的话，那就还有宠物皮屑。据我们所知，宇宙尘埃里完全没有人类上皮细胞，不过，恒星际尘埃的确包含大量复杂分子，它们发射的光子主要集中在红外和微波频段。直到20世纪60年代，天体物理学家才算有了称手的微波望远镜，而精密的红外望远镜直到20世纪70年代才出现。有了新的观测设备，他们开始深入探查恒星际物质确切的化学成分。接下来的几十年里，在这些新技术的帮助下，天体物理学家逐渐揭开了恒星诞生的复杂迷人图景。

气体云团并不是时时刻刻都在制造恒星，更常见的是，云团完全不知道自己下一步该何去何从。其实天体物理学家也不知道。我们知道的是，星际云团总是“倾向于”在自身引力作用下坍塌，制造出一颗或者多颗恒星，但云团的旋转及其内部动荡的气体运动却会破坏这一趋势。你在高中化学课上学过的气体压强会阻碍云团的坍塌。除此以外，磁场也会穿透云团，阻碍其内部带电自由粒子的运动，抵消引力带来的坍塌趋势。这个思想实验最可怕的地方在于，如果我们不是提前知道了恒星必然存在，那么来自第一线的观测结果将提供非常充分的理由，证明恒星根本不可能诞生。

银河系之所以叫银河系，是因为这个星系中恒星最密集的区域横跨天际，仿佛一条微微发光的带子；银河系内的几千亿颗恒星和巨型气体云一起围绕着银河中心旋转。恒星看起来只是一个个直径仅有几光秒的微小斑点，它们漂浮在近乎真空的宇宙之海上，偶尔彼此擦肩而过，就像夜晚的航船。从另一方面来说，气体云的尺度比恒星大得多，它们通常绵延几百光年，每一团气体云包含的质量都相当于100万个太阳。这些巨型云团在天穹中踽踽前行时常常发生摩擦，双方包含的气体和尘埃也会因此产生互动。有时候两朵云团会聚成一团，有时候它们又会互相冲撞，撕碎对方。互动的结果取决于双方的相对速度和碰撞角度。

如果云团的温度足够低（大约低于100K），那么哪怕发生了碰撞，它内部的原子也会紧紧粘在一起，而不是像温度较高时那样四下飞散。这样的化学变化会产生深远的影响。发光的微粒（现在每个微粒中包含着几十个原子），开始来回散射可见光，所以云团后方的星光衰减得厉害。等到这些微粒终于发育成熟，每个尘埃微粒将包含几十亿个原子。处于“红巨星”阶段的衰老恒星也会制造出类似的尘埃微粒，并将它们轻轻吹向恒星际空间。由几十亿个原子组成的尘埃微粒不再像“年轻时”那样散射云团背后的可见星光。恰恰相反，它们开始吸收光子，然后将这些能量以红外辐射的形式重新释放出来，这种射线能够轻而易举地穿透云团。在这个过程中，光子的压力传递给了吸收它的分子，从而对云团产生了一个与光源方向相反的作用力。现在，云团与星光融为了一体。

引力让云团的密度不断增大，直到最后发生坍塌，恒星就此诞生。在这个过程中，云团内部的每个区域都将不遗余力地拉拢其他区域。比起冰冷的气体来，灼热气体抵抗压缩和坍塌的能力更强，所以我们现在面临的情况有些古怪：我们必须先让云团冷却下来，然后它才能产生足够的热量，制造出恒星。换句话说，要制造出核心温度高达1000万摄氏度（这是启动核聚变反应的必要条件）的恒星，云团必须尽可能地冷却下来。只有在几十K的极端低温环境中，云团才有可能坍塌，从而孕育出一颗恒星。

气体云坍塌变成新恒星，这个过程到底是怎么发生的？天体物理学家也只有一个模糊的概念。他们当然希望创建一个满足物理定律、囊括云团内部和外部所有影响条件的计算机模型，利用它来追踪大型星际云团内部的动力学变化，研究相关化学反应，但直到目前，我们仍无法完成这样的目标。更困难的地方在于，初始云团的尺寸比我们试图创造的恒星大几十亿倍，反过来说，最终诞生的恒星平均密度是初始云团的千万兆倍。这样一来，在原来的尺度下至关重要的一些因素可能变得无足轻重。

无论如何，根据我们在宇宙中观察到的现象，我们可以很有把握地说，在恒星际云团最黑暗、最致密的最深处，温度低于10K的区域中，引力的确有可能轻松克服磁场和其他阻碍因素，导致气团坍塌。这样的坍塌会使气团蕴含的引力势能转化为热，在这个过程中，坍塌区域（它们很快就会变成新生恒星的核心）内部的温度迅速上升，撕裂附近的所有尘埃微粒。气团坍塌核心区域的温度最终会达到1000万K以上的临界值。

在这个温度下，部分质子（它们其实就是被剥夺了所有外层电子的赤裸氢原子）的运动速度足以克服它们彼此之间的斥力。这样的高速运动让质子彼此靠近到了能让“强核力”发挥作用的程度。强核力只有在极短的距离上才能起效，正是这种力将每一个原子核内部的质子和中子凝聚在一起。质子的热核聚变会产生氦原子核——之所以叫“热核聚变”，是因为这种反应在温度极高的环境中才能发生，它会将多个微粒凝聚成一个原子核，每个氦原子核的质量都比参与反应的微粒总质量轻一点。根据爱因斯坦那个著名的方程，聚变过程中消失的质量转化成了能量。质量中蕴含的能量（它总是等于质量乘以光速的平方）可以转化为其他形式，例如，核聚变反应产生的高速运动粒子携带的额外动能（运动的能量）。

核聚变制造出的新能量不断向外扩散，被加热的气体开始发光。聚变释放的能量将气体加热到几千摄氏度的高温，接下来，这些曾被紧锁在原子核内部的能量通过恒星表面以光子的形式散入宇宙空间。虽然这片弥漫着灼热气体的区域仍蜷缩在巨型星际云团的子宫里，但我们或许可以向整个银河系宣布：一颗恒星诞生了。

天文学家知道，恒星的质量悬殊，从太阳的1/10到近100倍不等。出于一些我们尚不理解的原因，一个巨型气体云团能够孕育出不止一个冷囊，这些冷囊常常同时坍塌，由此制造出或大或小的恒星。不过从统计学的角度来说，小恒星的数量更多：每颗大质量恒星背后都有1000颗小质量恒星。事实上，初始气团内的气体只有一小部分参与了恒星的孕育，所以要解释恒星的形成，我们面临一个经典问题：星际气体云形成恒星的过程为什么总是大同小异？答案可能藏在新生恒星释放的辐射之中，这些辐射往往会抑制恒星的进一步形成。

我们可以轻松解释恒星的质量下限。如果坍缩冷囊中的气体质量小于太阳质量的1/10左右，那它蕴含的引力势能就无法将核心温度提升到氢核聚变所需的1000万摄氏度以上。在这种情况下，气团无法孕育核聚变恒星；取而代之，我们将看到一颗有缺陷的准恒星，天文学家称之为“棕矮星”。棕矮星自身无法制造能量，气团坍塌产生的少许热量的确会让它发光，但接下来它的亮度会稳定衰减。棕矮星的气态外层温度很低，所以在普通恒星灼热的大气中难觅踪影的很多大分子得以幸存下来。棕矮星的亮度很低，所以我们很难探测到它的存在，为了寻找棕矮星，天体物理学家不得不采用一些平常用于探测行星的复杂办法，比如，搜寻这些天体发出的微弱红外线。直到最近几年，天文学家才发现了能分成多个类别的大量棕矮星。

我们也可以轻松确定恒星形成的质量上限。如果一颗恒星的质量超过太阳的100倍左右，它就会显得太亮。换句话说，以可见光、红外线和紫外线的形式向外释放的能量太多。外部的气体和尘埃一旦靠近就会被星光的强大压力推走。恒星释放的光子也会推挤云团内部的尘埃微粒，于是这些微粒就会携带着气体离开恒星。在这种情况下，星光不可逆地化作了尘埃。辐射造成的压力如此有效，所以晦暗模糊的云团中只有极少数的大质量恒星能够发出足以驱散几乎所有恒星际物质的耀眼光芒，让整个银河系看到数十颗甚至数百颗全新的恒星。

你应该仰望过天空中的猎户座星云，组成猎人腰带的3颗亮星下方就有这么一片孕育恒星的温床，它大约位于猎人那柄晦暗的佩剑中间。这片星云已经孕育了数以千计的恒星，未来还将有数千颗恒星在这里诞生；很快它们就将形成一个巨型恒星团，随着星云渐渐散去，恒星团将变得越来越清晰。大部分新恒星组成的“猎户四边形星团”正忙着在自己诞生的星云中央吹出一个大洞。通过哈勃望远镜拍摄的照片，我们单单在这片区域里就发现了几百颗新恒星，这些婴儿恒星依偎在尘埃和来自星云的其他分子组成的盘状结构中，每个盘状结构都孕育着一个行星系。

直到银河系形成100亿年后的今天，我们的星系里还有很多地方仍在孕育恒星。虽然对银河系这样的巨型星系来说，大规模孕育恒星的阶段早已结束，但幸运的是，从现在到几十亿年后的将来，我们仍能看到新的恒星不断诞生。人类的幸运之处在于，我们有能力研究恒星的形成过程和刚刚诞生的新恒星，追寻冰冷的气体和尘埃慢慢发育为成熟恒星的完整故事。

恒星的年龄有多大？这些星星可不会把自己的岁数写在袖口上，但光谱会透露它们的年龄。天体物理学家可以通过多种方式判断恒星的年龄，但光谱分析法提供的证据最为可靠。每种颜色——我们观察到的每一种频率和波长的光波——都会讲述一个关于物质和星光的故事，比如，特定物质如何制造出特定颜色的光，或者物质如何影响离开恒星的光，又或者在星光进入我们的眼睛之前，宇宙中的物质对它做了点儿什么。将星光和实验室里的光谱进行严格的比对之后，物理学家确定了不同类型的原子和分子影响可见光颜色的多种方式。利用这方面的丰富知识，他们可以根据恒星光谱的观测结果推测影响特定恒星星光的原子和分子数量，以及这些微粒的温度、压力和密度。多年来，天体物理学家反复比对实验室光谱和恒星的光谱，还在实验室里深入研究了各种原子和分子的光谱，现在他们学会了解读天体的光谱。星光就像天体的指纹，它会告诉我们恒星外层的物理条件，这里是星光进入太空的直接通路。除此以外，天体物理学家还可以根据我们观察到的星光，判断飘浮在温度远低于恒星表面的恒星际空间中的原子和分子对光谱产生的可能影响，进而推测恒星际物质的成分、温度、密度和压力。

在光谱分析的领域中，每种原子或分子都有自己的故事。比如说，如果我们在星光光谱中观察到了任何分子的特征谱线，这就意味着该恒星外层温度必然低于3000摄氏度。如果温度高于这个值，快速运动的分子就会在碰撞中崩裂形成独立原子。将这样的分析手段应用于多种不同的环境，天体物理学家就能描绘出一幅近乎完整的恒星大气特性图景。辛勤的天体物理学家对自己热爱的恒星光谱了如指掌，甚至超过了他们对自己家人的了解。这可能影响他们的人际关系，但他们的工作的确增进了人类对宇宙的了解。

在所有的自然元素——能在恒星光谱中创造出特定谱线的各种原子——中，天体物理学家主要利用一种来确定年轻恒星的年龄，它就是周期表中排行第三的锂元素。有的人可能对锂相当熟悉，因为它是一些抗抑郁药的活性成分。锂在元素周期表里正好排在氢和氦后面，但这两种元素的名气比锂大得多，因为它们在宇宙中的丰度远高于锂。宇宙诞生之初的几分钟里，大量氢元素聚变形成氦核，形成更重原子核的氢相对来说要少得多。因此，锂是一种相当罕见的元素，它在天体物理学家的心目中之所以地位特殊，是因为恒星几乎不会制造锂，只会摧毁它。宇宙中的锂一直在稳定减少，因为在每一颗恒星内部，摧毁锂的核聚变反应都比制造锂的反应更活跃。如果你想弄点儿锂，最好现在就下手。

对天体物理学家来说，这个简单的事实让锂成了判断恒星年龄的实用工具。所有新生恒星的锂含量都完全相同，那是在宇宙诞生之初那半个小时和大爆炸留下的遗泽。这个比例到底是多少呢？大约1000亿个原子核里就有1个锂原子核。新生恒星含有这么“丰富”的锂，但恒星核内的核反应会缓慢地消耗锂原子核，所以它的浓度会稳步下降。恒星内层和外层的物质不断混合、交换，所以等到几千年后，我们就能通过恒星外层的情况推测恒星核内曾经发生的事情。

因此，天体物理学家寻找新生恒星时总是遵循一条简单的规则：锂浓度越高的恒星就越年轻。仔细研究恒星的光谱，天体物理学家可以确定该恒星包含的锂原子核与（比如说）氢原子核的数量比，接下来，他们可以根据图表查出锂浓度对应的恒星年龄。利用这种方法，天体物理学家能够颇有把握地找出星团中最年轻的恒星，进而根据锂的浓度推测每颗恒星的年龄。由于恒星会不断摧毁锂，随着恒星年龄的增长，它的锂浓度会一直降低，直至于无，所以这种方法只适用于年龄不超过几亿岁的恒星。不过在研究年轻恒星时，利用锂来判断年龄的方法非常好用。天文学家研究了猎户座星云里24颗质量与太阳相当的年轻恒星，发现它们的年龄范围是100万岁到1000万岁。未来的天体物理学家或许能够准确分辨更年轻的恒星，不过现在，100万岁差不多就是我们辨认恒星年龄时的极限了。

除了驱散孕育自己的气体“茧壳”以外，在很长的一段时间里，新生的恒星团不会带来任何麻烦，它们静静地将恒星核内的氢聚合成氦，同时不断摧毁锂原子核。但世事无常，几百万年的漫长时间里，恒星团附近不断掠过的巨型云团带来的引力扰动会导致大部分准星团“蒸发”，而它的成员会散落到星系里，成为无数恒星中的一颗。

太阳形成约50亿年后，它的兄弟姊妹都已消失。但银河系和其他星系里总有一些质量特别小的恒星，它们消耗燃料的速度极慢，这样的恒星近乎永生。中等质量的恒星（例如，我们的太阳）最终会变成红巨星，在走向死亡的过程中，它们的外层大气会扩张到原来的数百倍。扩散后的稀薄大气飘向宇宙空间，暴露出此前100亿年里一直为恒星提供能源的燃尽的恒星核。从太阳系附近掠过的云团会带走散佚的气体，这些气体又会投入下一轮的恒星形成过程中。

尽管大质量恒星十分罕见，但演化的所有王牌都捏在它们手里。大质量赋予了这些恒星最高的亮度，某些大质量恒星比太阳亮100万倍。它们消耗核燃料的速度比小质量恒星快得多，所以它们的寿命比其他任何恒星都短：大质量恒星可能只能活几百万年，甚至更短。大质量恒星内部持续的热核聚变依次制造出越来越重的几十种元素，从氢到氦，然后是碳、氮、氧、氖、镁、硅、钙，直到铁为止。垂死的大质量恒星最后爆发的烈焰足以短暂地照亮整个星系，天体物理学家称之为“超新星爆发”。超新星爆发看起来有点像我们在第五章中提到过的Ia型超新星，但二者背后的机制完全不同。灼热的烈焰熔炼出更多的元素，爆炸的能量将所有元素撒向整个星系，附近的气团被狂风吹出一个个大洞，超新星带来的原材料弥漫在气团内部，开始形成新的尘埃微粒。超声速爆炸激波掠过恒星际云团，对气体和尘埃产生巨大的压力，这可能会创造出恒星成形所需的高密度囊袋。

除了氢和氦以外的其他所有元素是超新星送给宇宙的大礼——行星、原生生物和人类都是由这些元素组成的。我们脚下的地球是数十亿年前无数恒星爆炸的产物，在那个遥远的年代，我们的太阳和整个太阳系都还没有诞生，它们的雏形仍包裹在一片昏暗的星际云团中——这片云团正是之前的大质量恒星爆发后留下的富含化学元素的余烬。

氦之后的所有元素都诞生于恒星内部，我们是怎么发现这一点的呢？本书作者认为，20世纪最被低估的科学发现是，科学家认识到，超新星爆发——大质量恒星辉煌的死亡——为宇宙带来了丰富的重元素。1957年，这个被埋没的珍贵观点发表在美国期刊《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）上一篇题为《恒星内的元素合成》（The Synthesis of the Elements in Stars）的冗长论文里，论文作者是E.玛格丽特·伯比奇（E. Margaret Burbidge）、杰弗里·R.伯比奇（Geoffrey R. Burbidge）、威廉·福勒（William Fowler）和弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）。在这篇论文中，四位科学家建立了一个理论计算框架，融会贯通了40年来其他科学家在两个重要议题上的思考成果：恒星能量的来源和化学元素的嬗变。

宇宙核化学向来是个麻烦的领域，这门学科研究的是核聚变如何制造、摧毁各种原子核。这个领域的关键问题包括：各种元素在不同的温度和压强下作何表现？它会聚变还是裂变？聚变或裂变的难度有多大？这个过程是会释放新的动能还是会吸收已有动能？周期表中的各种元素发生的反应有何不同？

对你来说，元素周期表意味着什么？如果你和以前的大部分学生一样，那你应该记得科学教室墙上挂的巨幅表格，神秘的方格子里晦涩难懂的字母和符号喃喃讲述着青春期年轻人完全不感兴趣的老掉牙的实验室故事。不过对那些深谙其中奥秘的人来说，这张表格讲述着宇宙中元素诞生的无数惊心动魄的故事。周期表按照原子核内质子数升序列出了宇宙中的所有已知元素。最轻的两种元素是氢和氦，它们的每个原子核分别包含了一个或两个质子。正如1957年那篇论文的四位作者所说，在适当的温度、密度和压力条件下，恒星能利用氢和氦创造出周期表中的其他所有元素。

核化学深入讨论的正是这个创造过程和其他摧毁（而非创造）原子核的互动反应，科学家利用“碰撞截面”，通过计算确定两个粒子必须接近到何种程度才可能发生明显互动。物理学家可以轻松算出水泥搅拌车或者拖在平板卡车后面沿街行驶的活动房屋的碰撞截面，但要分析神出鬼没的亚原子微粒的行为，那就完全是另一回事了。物理学家必须详细了解碰撞截面，才能预测核反应的速率和路径。截面表里小小的不确定性常常带来谬以千里的结果。这种模拟计算的困难之处有点像是拿一座城市的地铁路线图去另一座城市的地铁系统里找路：你的基本理论完全正确，但魔鬼藏在细节里。

尽管20世纪上半叶的科学家并不知道准确的碰撞面积，但长久以来他们一直怀疑，如果宇宙中的确存在奇异的核过程，那它很可能发生在恒星中央。1920年，英国理论天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）发表了一篇题为《恒星内部结构》（The Internal Constitution of the Stars）的论文，他在这篇文章中提出，英格兰的卡文迪许实验室（当时最先进的核物理研究所）很可能并不是宇宙中唯一能将某些元素转化为其他元素的地方：

但是，这样的嬗变是否真的有可能发生？对于这样的事情，我们很难给出肯定的回答，但恐怕更难否认……在太阳内部重现卡文迪许实验室的成就或许不算太难。恒星就像坩埚，星云里丰富的氢原子在恒星内部合成更复杂的元素，我认为这个想法十分有趣。

爱丁顿的论文为四位科学家后来的详细研究提供了一个引子，几年后问世的量子力学又让我们得以深入理解原子和原子核的物理机制。接下来，爱丁顿开始描绘恒星通过热核聚变，以氢为原料生成氦和其他更重元素，同时向外释放能量的过程。以我们今天的眼光去看，他的描述准确得惊人：

我们不能狭隘地认为，氢生成氦的过程就是（恒星内部）唯一的供能反应，虽然乍看之下，进一步生成其他元素的过程释放的能量比第一步少得多，有时候甚至还会吸收能量。我们或许可以这样描述恒星的地位：所有元素的原子实际上都是聚合在一起的氢原子，而且它们很可能是由多个氢原子一次性形成的。恒星内部似乎就是发生这种变化的理想地点。

任何元素嬗变模型都必须解释一个现象：无论是在地球上还是在宇宙中的其他地方，我们为什么会发现这么多五花八门的元素。要完成这个任务，物理学家必须弄清恒星将一种元素转化为另一种元素，同时产生能量的基本过程。到了1931年，量子力学理论已经发展得比较完善（尽管当时我们还没发现中子），英国天体物理学家罗伯特·徳艾斯科特·阿特金森（Robert d'Escourt Atkinson）发表了一篇系统性论文，一言以蔽之，这篇论文提出了一套“恒星能量及元素的合成理论……恒星内部较轻的元素循序渐进地合成其他各种化学元素，每一步都有新的质子和电子融入其中”。

同一年，美国核物理学家威廉·D.哈金斯（William D. Harkins）在一篇论文中提出：“原子量（每个原子核内的质子数和中子数之和）较小的元素丰度大于那些更重的元素，平均来说，原子序数（每个原子核包含的质子数量）为偶数的元素丰度差不多10倍于那些原子量近似，但原子序数为奇数的元素。”哈金斯猜测，某些元素的丰度之所以相对较高，很可能是因为它们来自核聚变过程而非燃烧之类的化学过程，而且重元素一定是由轻元素合成的。

复杂的恒星核聚变过程可以从根本上解释宇宙中许多元素的来源，尤其是那些由前一种元素加上两个质子和两个中子（一个氦核）生成的元素，也就是哈金斯描述的丰度相对较高的“原子序数为偶数”的元素。但这套理论仍无法解释其他很多元素的存在及其丰度。所以宇宙中一定存在其他的元素形成机制。

1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）在卡文迪许实验室工作时发现了中子，爱丁顿不可能想到，这种微粒在核聚变过程中扮演着至关重要的角色。组装质子是件难事，因为和所有电性相同的微粒一样，质子天然互相排斥。要将质子熔炼到一起，你必须让它们靠得足够近（通常需要高温、高压和高密度条件），强核力才能战胜质子之间的斥力，将它们融为一体。但不带电的中子不会对其他微粒产生斥力，所以它可以大摇大摆地闯进别人的原子核里，在强核力作用下与已经组装完毕的其他微粒融合到一起。这个过程不会创造出新的元素，因为原子核内的质子数才是区分不同元素的标志。给原子核添加一个中子，我们得到的是初始元素的“同位素”，它和初始原子核只有非常细微的差别，因为它携带的总电荷并未发生改变。对某些元素来说，新俘获的中子会让原子核变得不稳定。在这种情况下，被俘获的中子会自发地转化成一个质子（它会继续停留在原子核内）和一个电子（它会立即逃逸出去）。通过这种方式，质子可以披着中子的外衣毫不费力地溜进原子核里，就像希腊士兵藏在木马里攻陷特洛伊城。

如果中子束始终保持较高的强度，那么在进入原子核的第一个中子发生衰变之前，原子核能够吸收多个中子。很多元素就是通过这样的“快中子俘获过程”创造出来的，它不同于我们刚才介绍的慢中子俘获过程——在这种情况下，原子核要等到俘获的前一个中子衰变后才会吸收下一个中子。

快中子俘获过程和慢中子俘获过程都能辅助形成大量新元素，为传统的热核聚变拾遗补漏。除此以外，自然界中还有一部分元素来自其他几种过程，比如，高能光子（γ射线）会轰击重原子，将后者撞成碎片，从而产生新的元素。

我们或许可以说，每颗恒星的生命都源自其内部制造、释放能量的过程，这样的过程帮助恒星克服引力作用，维持自身存在，尽管这样的描述大大简化了大质量恒星的生命周期。如果没有热核聚变产生的能量，球状的气态恒星必将被自己的重量压垮。恒星核内氢原子核（质子）耗尽的衰老恒星注定会迎来这样的结局。正如我们之前提到的，大质量恒星将自己内部的氢转化为氦以后，还会进一步将氦转化为碳，然后碳变成氧，氧变成氖，如此循序渐进，直至最后生成铁。在这个环环相扣的聚变过程中，每往前多走一步，恒星都需要达到更高的温度才能克服原子核内质子的天然斥力。幸运的是，这些反应都是自发进行的，因为在每一个中间阶段走向尾声的时候，恒星的能量来源都会暂时枯竭，导致恒星中央区域收缩、温度上升，由此引发聚变的下一环。但世事无常，恒星最终会遇上一个大问题：铁的聚变不会释放能量，反而会吸收能量。对恒星来说，这真是个坏消息，它不能继续从核聚变的帽子里掏出新的能量释放过程来对抗引力了。于是恒星会突然坍缩，迫使自己内部的温度急速上升，接踵而来的爆炸会将整颗恒星炸得粉碎。

每一次超新星爆炸的过程中，质子、中子和能量都会以多种方式创造元素。在1957年的那篇论文里，四位作者结合多种因素——（1）久经考验的量子力学原理；（2）爆炸的物理规则；（3）最新的碰撞截面；（4）元素嬗变的各种过程；（5）恒星演化的基本理论——最终得出结论，宇宙中比氢和氦更重的所有元素都源自超新星爆发。

重元素来自大质量恒星，而超新星爆发将这些元素撒遍宇宙，于是四人组顺理成章地解开了另一个问题：我们在恒星核里熔炼出比氢和氦更重的元素以后，还得设法将所有元素散播到恒星际空间中，这些原材料才有可能形成我们这个有树袋熊的世界，超新星爆发完成的正是这项任务。四位科学家将我们对恒星核聚变过程的理解和宇宙中看得见的元素诞生过程融合到了一起。几十年来，他们的结论历经考验仍屹立不倒，时至今日，四人组的这篇论文已经成了我们理解宇宙机制的一块里程碑。

是的，地球和地球上的所有生命都来自星尘，但宇宙化学领域还有很多未解之谜，其中一个有趣的谜题与锝有关。1937年，人类在地球上的实验室里创造出了第一种人造元素锝（锝的英文名是Technetium，前缀tech来自希腊语中的technetos，意思是“人造的”）；我们还没有在地球上发现天然锝，但天文学家已经在银河系内极少数红巨星的大气层里找到了这种稀有元素。红巨星中存在锝倒是不足为奇，但考虑到锝会衰变成其他元素，而且它的半衰期只有200万年，远低于这些恒星的预期寿命，这件事就显得有些古怪了。为了解开这个谜题，天体物理学家提出了种种稀奇古怪的解释，但目前还没有哪种解释能得到学界的公认。

虽然这种化学性质特殊的红巨星为数不多，但也足以吸引一群天体物理学家（主要是光谱学家）专门研究这个主题，他们甚至为此创办了一份报纸：《化学性质特殊的红巨星新闻通讯》（Newsletter of Chemically Peculiar Red Giant Stars）。当然，这份报纸不会出现在普通的书报摊上，它主要刊登该领域的会议新闻和最新研究进展。对感兴趣的科学家来说，这些未解的化学谜题吸引力不亚于黑洞、类星体和早期宇宙。但你在其他地方很难读到这方面的内容。为什么呢？因为一般来说，媒体会替你决定哪些主题值得一看，哪些不值得。显然，对它们来说，地球和你身体里的每一种元素来自宇宙中的什么地方，这类问题完全不值得关注。

现在，你有机会反抗当代社会强加给你的预判。我们不妨在元素周期表中漫步一番，时不时停下脚步，关注各种元素最有趣的故事，畅想宇宙如何利用大爆炸产生的氢和氦制造出其他所有元素。

第十章 元素动物园

过去200年来，化学家和物理学家怀着满腔爱意编制了元素周期表，这份表格形象地体现了宇宙中已知（和未来某天有可能发现的）所有元素的基本行为和性质。从这个意义上说，我们应该将元素周期表视为一个文化符号，它象征着我们的社会整理、组织知识的能力。周期表的存在证明了人类科学事业是一项国际性的探险之旅，我们绝不会躲在实验室里故步自封，科学家探索的脚步必将踏遍宇宙，从粒子加速器到时空的边疆。

尽管我们已经给予了元素周期表足够的重视，但它仍时时为我们带来惊喜。周期表中的某些元素常有出人意料的一面，就连成年的科学家也不免为之震惊，它们就像苏斯博士[2]笔下的珍奇异兽，悠游自在地生活在一座特殊的动物园里。比如说，钠是一种足以置人于死地的活泼金属，你可以用一把黄油刀轻松将它切开，而纯氯是一种气味糟糕的致命气体，但将钠和氯结合到一起，我们就得到了氯化钠，这种无害的化合物对生命至关重要，它有一个更广为人知的名字：食盐。还有氢和氧，无论是在地球上还是在宇宙中，这两种元素都大量存在。氢是一种爆炸性气体，氧能为燃烧提供关键的助力，但这两种元素组成的水却能灭火。

周期表中各种元素之间可能发生的化学交互作用无穷无尽，在这间小小的奇迹商店里，我们挑出了宇宙中最重要的那些元素，它让我们能够以天体物理学家的视角重新审视元素周期表。我们应该抓住这个机会，在这张表格中自在遨游，欣赏这个小世界的独特风景和奇异特性。

根据元素周期表的基本规则，自然界的每种元素都有独一无二的“原子序数”，即该元素每个原子核内的质子（携带正电荷）数量。与质子数量相同的电子（携带负电荷）绕着原子核旋转，它们共同组成了电中性的完整原子。特定元素的多种同位素拥有相同的质子数和电子数，但它们的中子数各不相同。

氢元素的每个原子核内只有一个质子，作为最轻、最简单的元素，它诞生于大爆炸后的最初几分钟。目前我们在自然界中一共发现了94种元素，氢原子占据了人体总原子数的2/3，而宇宙中90%以上的原子都是氢原子，包括太阳和太阳系的各大行星。木星是太阳系内最大的行星，木星核内的氢承受着外层物质的巨大压力，所以它表现出来的性质更像是电磁传导性能优异的金属而非气体，正是这些氢原子造就了木星的强大磁场。1766年，英国化学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）在用水（H_2O，“氢”的英语单词hydrogene在希腊语中的意思是“形成水”，其中“gen”这个后缀代表“起源”）做实验的时候发现了氢，对天文学家来说，卡文迪许最重要的成就是，他首次测量了牛顿引力方程中的重力常数G，进而准确算出了地球质量。无论是白天还是夜晚，在温度高达1500万摄氏度的太阳核心里，每一秒都有45亿吨高速运动的氢原子核（质子）融合形成氦原子核。在这个聚变过程中，大约1%的质量会转化为能量，剩余99%的质量则以氦的形式继续存在。

氦是宇宙中第二丰富的元素，但在地球上，它只存在于地下的少量孔洞中。大部分人只知道氦气是一种有趣的恶作剧道具：氦气的密度低于普通空气，所以当你吸入氦气的时候，它会改变气管的振动频率，让你说话的声音变得像米老鼠一样。宇宙中氦的含量相当于（除了氢以外）其他所有元素之和的4倍。大爆炸宇宙学有一个基本预测：整个宇宙中氦原子的占比不低于8%，它们源自大爆炸之后那团均匀的原初火球。由于恒星内部的热核氢聚变还在继续制造额外的氦，所以宇宙中某些区域的氦含量会高于最初的8%，但是，正如大爆炸模型所预测的，截至目前，我们还没有在银河系或者其他任何星系中发现氦含量低于8%的地方。

1868年，天体物理学家观察日全食时的太阳光谱，发现了太阳中的氦，差不多30年后，他们才成功发现并分离出了地球上的氦。既然最初发现的氦来自太阳，所以科学家顺理成章地将希腊太阳神赫利厄斯（Helios）的名字赋予了这种未知的物质。氦气能提供的浮力相当于氢气的92%，而且它不像氢气那样容易爆炸，所以绝不会引发德国兴登堡号空难那样的悲剧。于是梅西百货选择了用氦气来充填感恩节游行的巨型气球，这家著名百货公司也因此成了仅次于美国军方的全球第二大氦气消耗者。

锂是宇宙中第三简单的元素，它的每个原子核里有3个质子。与氢和氦一样，锂也诞生于大爆炸之后不久，和氦不一样的是，时至今日，恒星内部的核反应还会不断生成氦，但这些反应却只会摧毁锂。早期宇宙中的锂丰度相对较低（总含量不超过0.0001%），所以宇宙中任何区域或天体内的锂含量都应该不高于这个值。截至目前，我们的确没有找到锂含量高于这个上限的星系，现实与大爆炸理论最初半小时的元素形成模型达成了完美的契合。氦含量下限和锂含量上限为我们提供了验证大爆炸宇宙学理论的双重约束条件。类似的验证条件还有一个，即宇宙中氘核（它由一个质子和一个中子组成）与普通氢核的相对比例。大爆炸之后最初几分钟的聚变会同时生成这两种原子核，但简单的氢核（它只有一个质子）比氘核多得多。根据天文学家对宇宙的观察，大爆炸理论的这个预测也得到了证实。

和锂一样，周期表里接下来的两种元素铍和硼（每个原子核内分别有4个和5个质子）主要来自早期宇宙的热核聚变，它们在宇宙中的丰度相对较低。氢和氦之后这三种最轻的元素在地球上都很稀少，对于不小心吃下了锂、铍或者硼的动物来说，这可真是个坏消息，因为整个地球生命的演化过程基本彻底绕过了这三种元素。但有趣的是，一定剂量的锂的确能缓解某些精神疾病。

6号元素碳在元素周期表中大放光彩。每个碳原子的原子核内有6个质子，包含碳的分子比不包含碳的所有分子加起来还多。碳核在宇宙中广泛存在——恒星核会制造出大量碳原子核，奔涌的能量将这些碳送往恒星表面，再撒向整个银河系——再加上碳元素的化学性质十分活泼，很容易跟其他元素结合形成分子，所以碳是化学领域最基本的元素之一，它为生命的多样性做出了不可磨灭的贡献。除了碳以外，8号元素氧（每个原子核内有8个质子）也是一种高丰度活泼元素，衰老的恒星和爆发的超新星都会制造、散播氧元素。对我们所知的所有生命来说，氧和碳都是不可或缺的基本物质。与这两种元素类似，制造、散播7号元素氮的过程在宇宙中也很常见。

除了我们熟知的生命形式以外，还有其他形式的生命吗？会不会存在一些完全基于另一种元素的生命，比如14号元素硅？元素周期表中硅的位置在碳的正下方，这意味着（看看，对于那些知晓元素周期表秘密的人来说，这张表格是多么有用啊）硅能够取代碳的位置，生成结构类似的化合物。但是，我们希望证明碳的性质比硅优秀，不光是因为宇宙中碳的丰度是硅的10倍，还因为与碳形成的化学键相比，硅形成的化学键要么太强，要么太弱。尤其是考虑到，硅和氧的化合物是坚硬的岩石，所以硅基复杂分子缺乏碳基分子的韧性，难以承担演化带来的生存压力。但这些事实无法改变科幻作家对硅的偏爱，他们不断发挥想象力，从天体生物学的各种角度揣想，我们第一次看到的外星生命到底会是什么样子。

除了充当食盐中的活性成分以外，11号元素钠（每个原子核内有11个质子）还会发光——很多市政路灯里都充填着灼热的钠蒸汽。比起传统的白炽灯，钠灯亮度高、寿命长、能耗低。钠灯分为两种，普通的高压钠灯的光是黄白色的，比较罕见的低压钠灯发出的是橙光。人们发现，尽管光污染深深困扰着天文学家，但低压钠灯带来的危害相对较小，因为它发出的光频段较窄，科学家在处理望远镜数据的时候可以比较轻松地消除它带来的干扰。目前，天文台和城镇已经摸索出了一种合作模式。比如，作为基特峰国家天文台附近最大的城市，亚利桑那州图森市与当地天文学家达成协议，将城市里所有路灯都换成了低压钠灯。由于低压钠灯的发光效率更高，这一举措也为城市节约了能源。

13号元素铝（每个原子核拥有13个质子）在地壳中的占比接近10%，但古人对这种元素几乎一无所知，直到我们的爷爷那一辈，铝还是件稀罕物，因为它通常以化合物的形式存在。1827年，人类第一次分离、鉴别了铝；直到20世纪60年代末，铝才真正进入千家万户，厨房里的马口铁罐头和锡箔纷纷换成了铝罐和铝箔。抛光的铝可以近乎完美地反射可见光，所以今天的天文学家几乎给所有望远镜的镜片都镀了一层薄薄的铝膜。

虽然钛（每个原子核内有22个质子）的密度只比铝高70%，但它的强度是后者的两倍以上。较高的强度和相对较轻的重量让钛——地壳中丰度排名第九的元素——成了现代工业的宠儿，很多地方都离不开这种坚固的轻质金属，譬如军用飞机上的零部件。

宇宙中很多地方的氧原子都比碳原子多。恒星内部的每个碳原子都会和氧原子牢牢地结合在一起，形成一氧化碳或二氧化碳；多余的氧原子会和其他元素结合，譬如钛。科学家在红巨星的光谱里观察到了二氧化钛（TiO_2分子）的特征谱线，其实地球上也有这样的星光：星光红蓝宝石的放射状星芒都来自晶体内包含的二氧化钛杂质，氧化铝杂质又为这些宝石增添了额外的色彩。此外，粉刷天文台穹顶的白色涂料里也有二氧化钛，这种化合物能够有效地反射红外线，从而在白天显著降低穹顶内的温度。等到夜晚降临，穹顶打开，望远镜附近的空气温度就能迅速下降到接近环境温度，从而减少大气折射带来的干扰，进入望远镜的星光和其他天体的光芒也会变得更锐利、更清晰。“钛”的英文名“Titanium”来自希腊神话中的泰坦巨人，虽然这个名字和宇宙没有直接的关系，但土星最大的卫星也叫泰坦。

碳可能是生命领域最重要的元素，但从很多角度来说，宇宙中最重要的元素应该是26号元素铁。大质量恒星在自己的核心中熔炼元素，按照周期表的顺序制造出越来越大的原子核，从氦到碳，再到氧和氖，直到铁为止。铁原子核拥有26个质子和至少等量的中子，质子和中子依照量子力学原理相互作用，造就了铁元素的独特性质：铁原子核内的粒子（质子或中子）拥有最高的核结合能。这背后蕴藏着一个简单的事实：如果你想分裂铁原子核（物理学家称之为“裂变”），那么你必须为它们提供额外的能量。从另一个方面来说，如果你想让铁原子核融合在一起（这个过程叫作“聚变”），它们也得吸收能量。因此，铁原子核的聚变和裂变都需要吸收能量，但对其他元素来说，需要吸收能量的过程只有一种，要么是裂变，要么是聚变。

不过，恒星都忙着利用质能方程E=mc^2将质量转化为能量，它们必须依靠这个过程来抵抗引力才不会坍缩。所以从本质上说，恒星在自己的核心内聚合原子核的时候，它需要的是释放能量的聚变过程。等到大质量恒星将核心内的大部分原子核聚合成铁以后，通过热核聚变获得能量的路就走到了头，因为铁的聚变是一个消耗能量的过程。失去了热核聚变提供的能量，恒星核会在自身引力作用下坍缩，然后迅速反弹，由此引发一场惊天动地的爆炸，我们称之为超新星爆发。比10亿颗太阳还亮的光芒将持续照耀一周以上。超新星爆发之所以会出现，完全是因为铁原子核的独特性质——无论是聚变还是裂变它都无法向外释放能量。

刚才我们依次介绍了氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、铝、钛和铁，它们是组成宇宙和地球生命的关键元素。

不过，为了一窥宇宙的复杂之处，我们不妨再看看周期表中某些不那么显眼的成员。你或许从不曾拥有过这些元素，但科学家发现，它们不光能满足探索者的好奇心，还能在某些特殊环境中发挥巨大的作用。比如说，我们可以看看柔软的金属元素镓（每个原子核拥有31个质子）。镓的熔点极低，你只需要把它握在手里，它就会化为液体。除了充当客厅魔术道具以外，镓还能与氯结合形成氯化镓，这种化合物结构类似食盐（氯化钠），它能帮助天体物理学家探测来自太阳核心的中微子。为了捕捉神秘的中微子，天体物理学家将100吨氯化镓液体装在一个大桶里，然后将这个桶安置在地底深处（这是为了隔绝其他穿透力更弱的粒子），仔细观察中微子与镓原子核是否发生了碰撞，中微子的撞击会将镓原子核变成拥有32个质子的锗原子核。每个转化成锗的镓原子核都会释放出X射线光子，通过这种方式，科学家能够探测中微子与原子核发生的每一次碰撞。这种氯化镓“中微子探测器”帮助天体物理学家解决了所谓的“太阳中微子问题”：以前他们用别的中微子探测器测出的中微子数量总是远小于理论预测值，但换了氯化镓以后，这个问题就迎刃而解了。

锝（原子序数43）元素的原子核拥有放射性，它早晚会衰变成其他元素的原子核，但这个过程可能只需要片刻时间，也可能需要几百万年。不出所料的是，我们在地球上并未发现天然锝，只能利用粒子加速器人工制造这种元素。出于一些我们尚未完全理解的原因，锝存在于某些红巨星的大气层内。正如我们在上一章中提到的，锝的存在本来不足为奇，但考虑到锝的半衰期只有200万年，比这些恒星的寿命短得多，这事儿就显得有些古怪了。这些锝不可能从恒星诞生之初就已经存在，因为如果真是这样的话，现在它们早就衰变得一点儿不剩了。目前天体物理学家也不知道恒星核内有什么机制能制造出锝，并将它输送到能被我们观察到的恒星表面上，这个费解的谜题引来了许多异想天开的解释，但目前还没有哪种解释能得到学界的广泛认可。

锇、铂和铱是周期表中密度最大的三种元素。0.056立方米的铱（原子序数77）重量相当于一辆别克轿车，所以铱很适合用来做镇纸，它的重量足以对抗办公室里的任何风扇或者透窗而来的微风。除此以外，铱还为科学界提供了最著名的“冒烟手枪”。全球各地富含铱的地层组成了著名的“白垩纪-古近纪界线”，它形成于6500万年前，大部分生物学家相信，正是在这段时间里，所有体形大于面包盒的陆地动物（包括富有传奇色彩的恐龙）走向了灭绝。地球表面上的铱十分罕见，但某些金属小行星铱的丰度却是地球的10倍之多。不管你觉得恐龙灭绝的原因是什么，一颗直径16千米的杀手小行星的确能够掀起满天碎片，遮蔽全球阳光，它激起的尘埃要到几个月后才会慢慢散去——这套理论现在大受欢迎。

1952年11月，第一次氢弹试验在太平洋地区进行，后来物理学家在爆炸产生的碎片中发现了一种未知的元素，为了纪念爱因斯坦，他们将这种新元素命名为锿，不知爱因斯坦对此有何感想，或许这种元素该叫“末日审判”才更合适。

氦的名字来自太阳，除此以外，周期表中还有10种元素的名字来自绕太阳运行的天体：

磷，这个词在希腊语中的意思是“光的承载者”，古代人曾以此称呼金星，因为它总是出现在日出前的天空中。

硒的名字来自希腊语“selene”，意思是“月亮”。硒总是和碲伴生，而后者的名字来自地球的拉丁名“tellus”。

1801年1月1日，也就是19世纪的第一天，意大利天文学家朱塞普·皮亚齐（Giuseppe Piazzi）在火星和木星轨道之间大得令人生疑的间隙中发现了一颗新行星。遵照天文学界以罗马神祇命名行星的传统，皮亚齐以丰收女神之名将这颗行星命名为“谷神星”（Ceres），我们早餐吃的“麦片”英语词根也来自这个名字。皮亚齐的发现令科学界欣喜不已，所以科学家将他们发现的下一种元素命名为铈。两年后，又有人在这片区域内发现了另一颗绕太阳公转的行星，以罗马智慧女神之名，这颗新行星被命名为“智神星”（Pallas）；此后人们发现的第一种元素被命名为钯。接下来的几十年里，人们在同一片区域里又发现了几十颗类似的行星，但它们的体积都比已知最小的行星还要小得多，于是这场命名的盛宴终于走向了尾声。太阳系的房地产总平图上多出了一块全新的区域，这里的住客都是形状古怪的小块岩石和金属。原来谷神星和智神星都不是真正的行星，而是直径仅有几百千米的小行星，它们都位于小行星带。现在我们知道，小行星带有几百万个这样的天体，目前天文学家已经完成分类命名的小行星多达15000颗——比周期表里的元素种类多得多。

金属汞在室温下呈黏稠液态，它的名字来自罗马的飞毛腿信使之神。水星的名字也源于同一位神祇，它是整个太阳系内公转速度最快的行星。

钍的名字来自北欧神话中挥舞着锤子的雷神索尔，他对应的是罗马神话中掌管闪电的朱庇特（木星）。真正令人惊异的是，通过哈勃太空望远镜近期拍摄的木星极地照片，我们的确在这颗行星翻滚的云层里发现了闪电的痕迹。

虽然土星深受人们喜爱，却没有任何一种元素以它命名，而天王星、海王星和冥王星却在周期表里找到了各自的代言人。1789年发现的元素铀就是以天王星的名字命名的，8年前赫歇尔刚刚发现这颗行星。铀的所有同位素都不稳定，它们会缓慢地自发衰变成更轻的元素，同时向外释放能量。如果你能设法加速铀原子核的衰变速率，引发“链式反应”，那么你就掌握了制造炸弹的钥匙。1945年，美国在战场上引爆了第一颗铀弹（它更广为人知的名字是“原子弹”），日本城市广岛在爆炸中化为火海。每个铀原子核包含92个质子，所以铀是自然界中最大、最重的元素，不过我们也在铀矿中发现了痕量更大、更重的元素。

和天王星一样，海王星也拥有自己的代表元素。铀的命名距离天王星的发现只有8年，但人们直到1940年才在伯克利回旋粒子加速器里找到了镎，这时候距离德国天文学家约翰·伽勒（John Galle）发现海王星已经过去了94年。海王星被发现之前，法国数学家约瑟夫·勒维耶（Joseph Le Verrier）已经算出了这颗行星在天空中的位置，天王星的轨道存在某些奇怪的特性，勒维耶认为，这是因为它受到了更远行星的影响。后来伽勒发现的海王星实际位置几乎完全符合勒维耶的预测。太阳系里的海王星紧挨着天王星，元素周期表里的镎也紧挨着铀。

粒子物理学家利用伯克利回旋加速器制造出了超过半打自然界中并不存在的元素，其中包括钚，这种元素得名于冥王星，它在周期表中的位置在镎的后面。1930年，年轻的天文学家克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）在亚利桑那洛厄尔天文台拍摄的照片上发现了冥王星。和129年前皮亚齐发现谷神星时一样，人们为此激动不已。冥王星是美国人发现的第一颗行星，由于缺乏准确的观测数据，当时人们普遍认为这颗行星的尺寸和质量应该与天王星、海王星相当。随着观测技术的不断进步，我们估算出的冥王星的尺寸越来越小。直到20世纪70年代末，探索外太阳系的旅行者号任务期间，人类对冥王星尺寸的认知才算稳定下来。现在我们知道，冰冷刺骨的冥王星是太阳系内最小的一颗行星[3]，它的尺寸甚至比不上太阳系内最大的六颗卫星。与最初发现谷神星时一样，天文学家后来在同一片区域内发现了数以百计的其他天体；对于冥王星来说，外太阳系与它运行轨道相似的天体也不止一颗。它们的存在揭露了此前一直未被发现的小型冰冷天体的大本营，如今我们称之为“彗星的柯伊伯带”。纯粹主义者或许会提出，和谷神星、智神星一样，冥王星进入元素周期表也是一个误会。

和铀原子核一样，钍原子核也具有放射性。广岛核爆三天后，美国在日本长崎投放的另一颗原子弹迅速地结束了第二次世界大战，这颗炸弹包含的活性成分正是钍。由于钍能以稳定的速度持续产生温和的能量，科学家可以利用少量钍驱动放射性同位素热电发生器（英文缩写为RTG），为飞往外太阳系的飞船提供电力。因为外太阳系的阳光非常稀薄，太阳能电池板完全无法发挥作用。1磅钍能产生1000万度热能，足够让一幢房子里的电灯亮上1100年——一个人每天消耗的能量和一幢房子的电灯耗能差不多，如果不考虑身体老化，这么多能源足够让你活上1100年。1977年发射的两艘旅行者号飞船已经飞到了冥王星轨道以外，直到现在，它们仍在利用钍产生的能量向地球发送信息。其中一艘旅行者号飞船正在离开太阳释放的带电粒子形成的“气泡”，准备进入真正的恒星际空间，现在它和我们之间的距离差不多相当于地日距离的100倍。

所以，我们的太空之旅结束于化学元素周期表，结束于太阳系边缘。不知道为什么，很多人不喜欢化学，这或许可以解释多年来人们为什么锲而不舍地试图摆脱食物中的各种化学物，也许只是因为那些晦涩难懂的化学名称听起来太危险。但是，我们不应该因此而责怪化学家，更不该怪罪化学物。从个人层面上说，你应该对化学物深感亲切，因为无论是你深爱的星星还是你最亲密的挚友，宇宙中的一切都是由化学物质组成的。

卷四

行星的起源

第十一章 行星的青春年代

探索宇宙历史的过程中，我们不断发现，很多秘密都隐藏在各种各样的起源故事里——无论是宇宙本身的起源，还是宇宙中那些庞大结构（星系和星系团）的起源，或者照亮了整个宇宙的恒星的起源。每个起源故事都至关重要，它不光解释了看似无形无质的宇宙如何形成各种天体的复杂组合，还决定了大爆炸140亿年后的今天，生活在地球上的我们为什么会出这个问题：这一切是怎么发生的？

起源故事之所以如此神秘，很大程度上是因为在物质刚刚开始组织起来形成恒星、星系等独立单元的“黑暗年代”，大部分物质几乎完全不产生可探测的辐射。那个黑暗年代留下的痕迹少得可怜，我们只能凭借这些细微的线索摸索早期阶段的物质如何组织成形。这意味着我们很大程度上只能利用自己构建的理论来解释物质的行为，却很难通过观测数据来验证这些理论。

说到行星的起源，迷雾变得更加浓重。我们不光缺乏行星成形初期关键的观测数据，甚至连相对可靠的行星成形理论都还没有建立。不过还好，近年来，我们发现一个问题所指的范围正在变得越来越宽广：行星到底由什么组成？在20世纪大部分的时间里，关于这个问题的讨论主要围绕太阳系内的各大行星展开，但在20世纪和21世纪之交的几年里，天体物理学家在相对较近的恒星周围发现了超过100颗“系外”行星，由此积累了关于行星早期历史的大量数据，其中一些数据或许可以帮助我们弄清楚，这些黑暗致密的小天体到底是如何随着赋予它们光明和生命的恒星一起形成的。

现在天体物理学家或许得到了更多数据，但对于这个问题的准确答案，他们还是和以前一样摸不着头脑。事实上，系外行星的发现带来的问题比答案还多，许多系外行星的公转轨道迥异于太阳系内的行星，行星形成的故事离结束似乎还很遥远。如果非要简单总结一下的话，我们可以说，虽然我们还无法解释行星是如何从气体和尘埃中开始成形的，但要回答另一个问题却相对比较容易：行星开始成形以后，最初的小天体是如何在相对较短的时间内变得越来越大的。

行星成形的初始驱动来自何方，这的确是个棘手的问题。作为这个领域的世界级专家，普林斯顿大学的斯科特·特里梅因（Scott Tremaine）半开玩笑地提出了一套“特里梅因行星成形定律”。特里梅因的第一定律阐述如下：“关于系外行星的所有理论预测都是错的”，第二定律则是：“关于行星成形最可靠的预测是它不可能发生”。特里梅因的玩笑凸显了一个绕不开的事实：行星的确存在，虽然我们完全无法解释这个天文之谜。

200多年前，为了解释太阳和太阳系的行星如何形成，伊曼努尔·康德提出了“星云假说”，根据他的理论，正在成形的恒星周围裹着一层旋转的气体和尘埃，后来这些物质逐渐凝聚成块，变成行星。宽泛地说，现代天文学行星形成理论的基础正是康德的假说，这套理论战胜了20世纪上半叶盛行一时的观点（太阳系的行星源自另一颗近距离掠过太阳的恒星），成了学界主流。按照后面这套理论设想的场景，在引力的撕扯下，两颗恒星都失去了一部分质量，这些气体离开恒星后有一部分冷却下来，凝聚形成行星。这套假说是英国著名天体物理学家詹姆斯·金斯（James Jeans）提出的，它的缺陷（或者说优点，具体取决于你个人的倾向）在于，如果这套假说成立，那么行星系应该非常罕见，因为在整个星系的生命周期中，两颗恒星近距离擦肩而过的机会可能只有寥寥几次。后来天文学家通过计算发现，被引力撕扯离开恒星的所有气体几乎都会蒸发，而不会凝聚，于是他们立即抛弃了金斯的假说，转而回头拥抱康德的理论。按照康德的设想，很多恒星都有自己的行星。

现在，天体物理学家有充分的证据证明，气体尘埃云里的恒星并不是一颗接一颗诞生的，而是千万颗恒星同时成形，一片尘埃云最终孕育的恒星可能多达100万颗。猎户座星云就是这样一个孕育恒星的巨大温床，它也是离太阳系最近的造星区域。在几百万年的时间里，这片区域将孕育数十万颗新恒星，这些星星会将星云中残存的大部分气体和尘埃吹向太空，所以几十万代之后的天文学家可能会观察到，这些年轻的恒星离开了孕育它们的茧壳，释放出灿烂的光芒。

现在的天体物理学家利用无线电望远镜来测绘年轻恒星周围的低温气体和尘埃。他们的观测结果表明，空间中运行的年轻恒星通常不是完全赤裸的，这些星体周围常常包裹着厚厚一层尺寸和太阳系相仿的旋转物质盘，这些物质的主要成分是氢（和其他丰度较低的气体），气团中散布着大量尘埃微粒。在这里，“尘埃”指的是数百万个原子组成的微粒簇，它们的尺寸比英文里的句号还要小得多。很多尘埃微粒的主要成分是碳原子，它们组合在一起形成了石墨（也就是铅笔里的“铅”）；其余成分包括硅和氧的原子混合物——从本质上说，这就是裹着细小石砾的冰晶。

恒星际空间中这些尘埃的形成也有一套复杂详细的理论，我们在此不加赘述，你只需要知道宇宙中充满尘埃就够了。尘埃形成的先决条件是数以百万计的原子富集在一起，考虑到恒星际空间中极低的物质密度，这样的过程最有可能发生在恒星大气层外温度相对较低的区域，因为恒星会将自身的材料温柔地吹向宇宙空间。

恒星际尘埃微粒的形成为行星的诞生奠定了至关重要的第一步。这样的描述不光适用于地球这样的固态行星，也同样适合气态巨行星，例如，太阳系里的木星和土星。虽然这些行星的主要成分是氢和氦，但天体物理学家根据它们的内部结构和质量计算得出结论：这些气态巨行星必然拥有固态的内核。比如说，木星的总质量是地球的318倍，其中木星核的质量相当于地球的几十倍。而土星的质量是地球的95倍，它的固态内核质量是地球的一二十倍。而对于太阳系内较小的气态行星天王星和海王星来说，它们的固态内核占比反而相对较高。这两颗行星的质量分别是地球的15倍和17倍，其行星核可能占据了总质量的一半以上。

对于这四颗气态行星，或许还有我们新近发现的所有气态行星来说，行星核在它们的形成过程中发挥着至关重要的作用：首先成形的必然是行星核，然后固态的行星核才开始吸引气体。因此，任何行星的形成都是从一大块固态物质开始的。在太阳系的所有行星中，木星的固态行星核尺寸最大，土星其次，然后是海王星和天王星，地球位列第五名，巧的是，地球的完整尺寸在太阳系中的排名也是第五。要解释行星形成的历史，我们必须回答一个基本问题：大自然是如何将尘埃凝聚成直径数千千米的物质团的？

这个问题的答案分成已知的和未知的两个部分，其中未知的那部分不出所料和起源问题有关。只要空间中已经形成了直径约800米的物体（天文学家称之为“微行星”），它就能产生足够强的引力，成功吸引周围的其他物质。多个微行星相互吸引构成行星核，最终形成成熟行星，短短几百万年内，小镇大小的物质团就会变成一个全新的世界，它的外面可能有一层薄薄的大气（例如金星、地球和火星），也可能裹着一层厚重的氢气和氦气（例如太阳系的4颗气态巨行星，这几颗行星与太阳之间的距离足够远，所以它们能聚集大量氢气和氦气）。天体物理学家借助一系列易于理解的计算机模型就能模拟从微行星到成熟行星的整个“发育”过程，包括种种细节，但根据现有模型，最终生成的内层行星总是尺寸较小的致密岩石行星，而外层行星则是稀薄的气态巨行星（当然，行星核并不是气态的）。在这个过程中，在其他更大天体的引力作用下，很多微行星会和它们形成的较大的天体一起彻底离开太阳系。

计算机程序可以完美地模拟从微行星到成熟行星的过程，但最初那个微行星又是怎么来的呢？最优秀的天体物理学家穷尽所有的物理学和计算机知识也无法构建出一个合理的模型。引力无法造就微行星，因为小物体之间微弱的引力无法有效地将它们凝聚在一起。尘埃形成微行星的理论假设倒是有两个，但都让人不甚满意。其中一个模型提出，微行星由尘埃微粒碰撞粘连堆积而成。从理论上说，这似乎站得住脚，因为大部分尘埃微粒一旦相遇的确会发生粘连。正是出于这个原因，你家沙发下面的灰尘总会聚集成团。稍微发挥一点想象力，你完全可以在脑子里模拟太阳周围的巨型尘埃团从椅子那么大慢慢长到房子那么大，然后是街区那么大，要不了多久它就会发展成微行星，到了这个阶段，引力就会真正开始发挥作用。

糟糕的是，微行星这么大的“尘埃团”需要的成形时间十分漫长。科学家检测了最古老的陨石中不稳定放射元素的原子核，结果发现，整个太阳系的形成花费的时间绝不超过几千万年，甚至可能比这还要短得多。太阳系内的行星差不多有45.5亿岁，所以行星成形花费的时间只有其总寿命的1%，甚至更少。但从尘埃到微行星的堆积过程需要耗费的时间比几千万年长得多，除非天体物理学家漏掉了这个过程中的某些关键因素，否则我们完全无法解释二者之间的巨大出入。

另一套假说则提出，可能有某种巨型旋涡将数万亿尘埃微粒卷到一起，在短时间内将它们挤成了一大块致密天体。形成太阳和行星的收缩气体和尘埃云显然都在旋转，所以这些巨大的气团很快就从椭圆形变成了盘状，正在形成的太阳位于盘状结构中央，它是一个密度相对较高的收缩球体，周围环绕着一层扁平的盘状物质。现在，太阳系的所有行星几乎都在同一个平面上按照同样的方向公转，这正是因为最初形成微行星和行星的物质都分布在扁平的盘状结构中。按照天体物理学家的设想，这个旋转的盘子里开始出现涟漪般的“不稳定”结构，密度较大和较小的区域交替排列。密度较大的区域会逐渐吸引结构内的气态材料和飘浮在气体中的尘埃，只需要几千年时间，这些不稳定结构就会变成旋转的巨大旋涡，它会将大量尘埃集中到相对较小的区域中。

微行星形成的旋涡模型看起来似乎很合理，但它还是无法彻底征服那些一心想弄清行星起源的人。经过仔细的检验，我们发现这套模型更符合木星核和土星核的情况，但不适合解释天王星和海王星的形成。“不稳定结构”的存在是旋涡模型成立的前提，但天文学家却无法证明这一点，而我们必须克制自己，不要盲目下结论。直到现在，太阳系内仍存在大量小行星和彗星，它们的尺寸和成分都类似原始的微行星，这或许可以证明，几十亿年前的原始行星的确是由数百万个微行星聚集形成的。因此，我们不妨把微行星的形成看作某种我们还不能完全理解的客观现象，它弥合了知识领域中的一个巨大缺口，让我们得以静下心来，欣赏微行星碰撞引发的一系列激动人心的后果。

在旋涡模型的框架下，我们很容易想象，太阳周围的气体和尘埃聚集形成几万亿个微行星，这些天体彼此碰撞，形成更大的物质团，最终创造出太阳系的4颗内侧行星和另外4颗气态巨行星的内核。别忘了还有围绕行星旋转的卫星。除了最内侧的水星和金星，太阳系的所有行星都拥有卫星。个头大的卫星直径长达几百到几千千米，这些天体看起来非常符合我们刚才提出的模型，因为它们也是由碰撞的微行星堆积形成的。卫星的个头达到我们如今看到的尺寸以后，堆积的脚步就会放慢许多，毫无疑问，这是因为（我们认为）到了这个阶段，大部分微行星都会被卫星附近的行星吸引过去，因为后者的引力更大。火星和木星轨道之间的数十万颗小行星或许正是这样形成的。最大的小行星直径长达几百千米，很可能来自微行星的碰撞；然而不远处的巨行星木星产生的引力干扰了小行星的进一步成长，阻止了它们继续长大。最小的小行星直径不到1.6千米，我们或许可以将它当成微行星的典型样本。这些天体诞生于尘埃之中，却从未和其他微行星发生碰撞，这可能同样因为木星的引力干扰。

对于围绕巨行星运行的那些卫星来说，这套模型非常合理。太阳系的四颗巨行星都拥有一系列大小悬殊的卫星，其中最大的卫星个头堪比水星，而最小的卫星直径不到1.6千米，它可能也是一颗原始的微行星，因为从未发生碰撞所以一直没有长大。在这四颗行星拥有的所有卫星中，几乎所有大型卫星都在近乎同一个平面上沿相同方向公转。你很容易想到，太阳系内的所有行星也在同一个平面上沿相同方向绕太阳公转，二者之间的相似之处可以顺理成章地解释为：每颗行星周围都有一团旋转的气体尘埃云，物质块就诞生在这里。新生成的物质块不断变大，成为微行星，最终再形成卫星。

太阳系所有的内侧行星中，只有地球拥有体积较大的卫星。水星和金星没有卫星，火星的两颗卫星福波斯和得摩斯形状酷似土豆，直径只有若干千米，因此它们很可能代表着微行星刚刚开始碰撞形成天体的阶段。某些理论认为，这些卫星起源于小行星带，它们之所以会绕着火星公转，是因为火星的引力使得这两颗曾经的小行星脱离了自己的初始轨道。

我们的月亮直径超过了3000千米，在太阳系的所有卫星中，比月球尺寸更大的只有土卫六、木卫三、海卫一和木卫四（木卫一、木卫二的尺寸和月球大致相当）。月球会不会也是微行星碰撞的产物，就像太阳系的四颗内侧行星一样？

这个假设看起来颇有道理，但来自月球的岩石样本却讲述了另一个故事。30多年前的阿波罗任务从月球取回了一批岩石样本，我们分析了这些样本的化学成分，最终得出了两个结论，它们分别代表着月球两种可能的起源。一方面，月球岩石的成分与地球上的十分相似，所以这两颗天体不可能毫无关系，另一方面，月岩和地球岩石也存在微妙的区别，这足以证明组成月球的物质并非全部来自地球。既然月球并不是和地球全然无关，但也不是完全来自地球，那它到底是怎么形成的呢？

这个难题的答案乍看之下有些惊人，它基于一个曾经非常流行的假说：在太阳系早期的一次剧烈撞击中，太平洋海盆的一大块物质材料离开地球进入太空，最终形成了月球。学界目前的主流观点认为，月球的确来自某个巨型天体与地球的碰撞，但由于撞击地球的天体实在太大（尺寸和火星相仿），所以它的一部分材料自然而然地与地球上飞出的碎片融为了一体。被撞入太空的大部分材料很可能早已离开了地球轨道，但剩余的部分仍足以形成我们熟悉的月球，所以这颗卫星既拥有来自地球的材料，又蕴含一部分外来物质。这一切都发生在45亿年前，也就是行星最初开始成形的那1亿年里。

在那遥远的过去，如果真的有一颗火星大小的天体撞击过地球，那它后来去哪儿了？它不太可能在冲击力作用下完全崩裂，变成我们观察不到的细小碎片：在内太阳系内，最先进的望远镜足以分辨微行星大小的物质块。为了寻找这颗远古天体的下落，我们看到了早期太阳系的另一副面貌：在那个混乱的年代里，太阳系内时时刻刻都在发生大量剧烈的碰撞。微行星能够堆积形成火星大小的天体，这样的天体却不一定能长期维持下去。它不光会撞击地球，碰撞后产生的大块碎片还将不断冲击地球和其他内侧行星，除此以外，这些碎片还会彼此碰撞，或者撞击月球（一旦月球开始成形）。换句话说，太阳系诞生之初的几亿年里，碰撞恐怖主义横扫内太阳系，巨型天体的碎片不断撞击正在成形的行星，最终这些碎片也变成了行星的一部分。撞击地球的巨型天体不过是这场炮弹雨中个头特别大的一个，在那个混乱暴力的灭世年代，无数微行星和更大的天体撞击地球及其相邻行星，最终和它们融为一体。

从另一个角度来说，这场险象环生的“炮弹雨”代表着行星形成过程的最后一个阶段。太阳系的雏形从那片混乱中脱颖而出，直到40亿年后的今天，它的模样仍未发生太大的改变：一颗普通恒星周围环绕着八颗行星（再加上冰冷的冥王星，它其实更像一颗巨大的彗星而非行星）、几十万颗小行星、几万亿颗流星体（每天撞击地球的这种小碎片多达几千块）和几万亿颗彗星——这些脏雪球诞生在比地日距离远十几倍的地方。别忘了，除了个别例外，长期来看，太阳系所有行星的卫星运行轨道都很稳定，从46亿年前它们诞生时起就几乎没有变过。我们不妨近距离观察一下那些围绕太阳公转的太空碎片，对地球这样的世界来说，小小的太空碎片既是生命的使者，又是死神的镰刀。

第十二章 行星之间

远远望去，我们的太阳系显得十分空旷。如果沿着海王星轨道画一个球，那么太阳和太阳系内所有行星及其卫星加起来的体积也只比球体总体积的万亿分之一多一点点。当然，这个描述隐含的前提是行星际空间真的空无一物。但要是近距离观察，我们会发现行星之间的太空中充满了各种各样的岩石、石砾、冰球、尘埃、带电粒子束和人造探测器。除此以外，行星际空间中还弥漫着强大的引力场和磁场，虽然你看不见这些力场，但它们仍会影响周围的物体。对于那些想在太阳系范围内旅行的人来说，这些小物体和力场带来的威胁的确不容忽视。最大的太空碎片甚至可能威胁地球上的生命，因为它们撞向地球的速度高达每秒几千米，而且这样的撞击不算罕见。

行星际空间并不空旷，以30千米/秒的速度绕太阳旋转的地球每天都会遭受数百吨太空碎片的洗礼，其中大部分碎片比沙子还小。几乎所有太空碎片都会在地球的上层大气中燃烧殆尽，它们携带大量能量闯入大气层，挡在它前面的任何粒子都会被蒸发。正是因为厚厚的“气毯”保护了大气层内的世界，人类这个脆弱的物种才有机会发展壮大。如果碎片的个头更大一点，比如说，和高尔夫球的尺寸差不多，那它会在摩擦中迅速升温，但碎片内部各处的温度并不均匀，所以在蒸发前它通常会崩裂形成大量小碎片。更大的碎片表面会被烧焦，但最终会坠落在地面上——至少有一部分会。你或许会认为，既然地球已经围绕太阳转了46万亿圈，那它应该已经“清空”了公转轨道上的所有碎片。事实并非如此，不过地球的努力颇有成效：以前的情况比现在还要糟得多。太阳和太阳系内的行星形成之后的第一个5亿年里，大量太空垃圾雨点般坠落到地球上，冲击带来的能量让地球大气层变得灼热滚烫，地面上更是干净得毫无生命迹象。

确切地说，某块太空垃圾扮演的角色十分关键：它的撞击促成了月球的诞生。科学家分析了阿波罗号带回地面的月球岩石样本，结果发现，月球上的铁和其他重元素都十分稀少，这意味着组成月球的很可能是地球上铁含量相对较低的地壳和地幔材料：一颗火星大小的原行星飞速掠过地球，将地面上的这些物质“舀”了出去。这次邂逅产生的一部分轨道飘浮物聚集起来，形成了我们可爱的低密度卫星。45亿年前，除了月球形成这一重大事件以外，初具雏形的地球、其他行星和太阳系内的其他大型天体都经历了太空碎片的“弹雨”洗礼。密集的撞击在天体表面留下了相似的损伤，直到今天，没有空气、未经侵蚀的月球和水星表面仍保留着这个时期留下的大部分陨石坑。

除了太阳系形成时残余的飘浮物以外，行星际空间中还飘浮着火星和月球（很可能也包括地球）被高能碎片撞击后产生的大大小小的石块。科学家利用计算机模拟了流星撞击地面的过程，结果发现，撞击点附近飞溅的石块完全有可能达到逃逸速度，一举摆脱地球引力的束缚。根据我们在地球上发现的火星陨石，科学家推算，每年都有大约1000吨火星岩石坠落到地球上。坠向地球的月球碎片可能也有这么多，所以要收集月岩样本，我们不必专程前往月球。几十块月球岩石早已抵达了地球，虽然这些样本并不是我们自己挑选的，而且在阿波罗计划那个年代，我们还不知道这件事。

如果火星上曾经存在生命——几十亿年前，液态水曾在火星表面自由流淌，那时候的火星可能存在生命——那么毫无疑问，藏在岩石角落和缝隙（尤其是裂缝）里的细菌完全有可能和陨石一起坠落到地球上。我们知道，某些种类的细菌能在冬眠状态下存活很长一段时间，前往地球的旅途中高剂量的太阳电离辐射也很难伤害它们。陨石在太空中传播细菌，这既不是疯狂的妄想也不是纯属虚构的科幻概念，而是完全有可能存在的客观事实，它甚至有一个响亮的名字：泛种论（panspermia）。如果火星真的先于地球孕育出了生命，如果简单的生命的确搭乘陨石从火星来到了地球，那么我们也许都是火星人的后代。如果事实果真如此，我们似乎就不必担心宇航员在火星上打喷嚏可能污染外星环境。不过，就算人类真的都是火星人，我们也很关注生命是如何从火星来到地球的，所以尽量减少人类活动对火星的污染依然十分重要。

太阳系内大部分小行星都分布在“小行星带”里，这个扁平区域位于火星和木星轨道之间。按照传统，小行星的发现者拥有该天体的命名权。艺术家笔下的小行星带往往是太阳系中飘浮着大量岩石的平面区域，不过，虽然小行星带的宽度绵延数百万千米，但这些天体的质量加起来也不超过月球质量的5%，而月球的质量只有地球的1%多一点点。乍看之下，小行星似乎微不足道，但事实上，对地球来说，这些小家伙宛如一柄始终悬在头顶的达摩克利斯之剑。不断积累的轨道扰动造就了一批“致命小行星”，它们的数量可能多达几千颗。这些小行星长椭圆形的轨道可能和地球轨道发生交叉，由此带来了碰撞的隐患。只需要粗略计算一下，你就会发现，未来几亿年里，公转轨道与地球轨道交叉的大部分小行星最终都会撞向地球，如果小行星的直径超过1.6千米，那么它携带的能量足以摧毁地球生态系统，毁灭陆地上的所有物种。这真是太糟糕了。

与此同时，小行星并不是唯一有可能威胁地球生命的太空物体。荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort）首次发现，冰冷的恒星际空间深处，来自太阳系形成早期阶段的大量冰冻残骸仍在围绕太阳公转，它们的轨道半径远大于任何行星。几万亿颗彗星组成的“奥尔特云”一直绵延到了太阳与最近一颗恒星的中点附近，这远远超出了太阳系本身的尺寸。

与奥尔特同时代的荷裔美籍天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Kuiper）提出，有一部分冰冷的彗星来自最初孕育行星的物质盘，如今这些彗星的轨道半径比海王星大得多，却比奥尔特云里的彗星小得多。天文学家将这类彗星所在的区域命名为“柯伊伯带”，这片孕育彗星的环状区域始于海王星轨道外侧，一直延伸到海日距离的几倍以外，冥王星就位于柯伊伯带内。柯伊伯带中最遥远的天体名叫“赛德娜”，这是一位因纽特女神的名字。它的直径相当于冥王星的2/3。由于附近没有大质量的行星干扰，柯伊伯带大部分彗星的轨道都能稳定地维持几十亿年。和小行星带的情况一样，柯伊伯带里也有一些彗星的公转轨道可能与其他行星发生交叉。比如，冥王星（我们可以把它看作一颗特别大的彗星）及其小兄弟（天文学家称之为“冥族小天体”）的公转轨道就和海王星的轨道发生了交叉。柯伊伯带的其他天体偶尔也会离开正常的远轨道，一头扎进内太阳系，和其他行星轨道发生交叉，哈雷彗星就是一个最著名的例子。

奥尔特云的彗星公转周期都很长，甚至远远超过人类寿命。和柯伊伯带的彗星不一样，奥尔特云彗星可能会从任何角度、任何方向大量进入内太阳系。过去30年里最明亮的彗星百武二号（1996）就来自奥尔特云，这颗彗星高悬在太阳系轨道平面上方，我们有生之年恐怕都看不到它重返地球。

如果我们的眼睛能看到磁场，木星看起来应该比天空中的满月还要大10倍。造访木星的飞船必须有能力抵抗强磁场的影响。1831年，英国化学家兼物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现，如果用一根电线切割磁场，电线两头就会产生电势差。因此，太空中高速运动的金属探测器内部可能产生感应电流，这些电流会和行星的磁场互动，从而干扰探测器的运动。这种效应或许可以解释两艘先驱者号飞船离开太阳系后速度为什么会莫名其妙地变慢。先驱者10号和先躯者11号都发射于20世纪70年代，目前它们在太空中飞行的距离比动态模型的预测结果短得多。科学家构建模型时已经考虑了飞船飞行路径上的太空尘埃和燃料箱泄漏的影响，所以要进一步解释先驱者号的神秘减速，太阳带来的磁场干扰或许是最值得分析的原因。

随着探测技术的进步，我们发现的天然卫星越来越多，再加上不断升空的行星探测器，统计卫星数目几乎变成了一个不可能的任务。这会儿，整个太阳系的卫星数量说不定就翻了一番。现在天文学家更感兴趣的是，这些卫星里到底哪颗更值得我们造访，或者更有研究价值。从某种角度来说，人类对卫星的兴趣远大于行星。比如说，火星的两颗卫星福波斯和得摩斯就曾出现在乔纳森·斯威夫特（Jonathan Swift）的经典作品《格列佛游记》（1726）里。当然，它们在小说里的名字和现在不一样，因为直到这部小说问世后100多年，人们才发现了这两颗卫星。斯威夫特当然不是先知，他只是觉得地球的卫星太少，木星的卫星（当时已知四颗）又太多，所以他给火星安排了一个介于二者之间的卫星数量。

月球的直径相当于太阳的1/400，但地月距离差不多也是地日距离的1/400，所以对地球上的我们来说，天空中的太阳和月亮看起来大小差不多。这样的巧合在太阳系中独一无二，也正是出于这个原因，地球成了太阳系中唯一能拍摄到日全食照片的地方。地球还锁定了月球的旋转周期，所以这颗卫星的自转周期和它绕地球公转的周期完全相同。这是因为地球引力作用于月球内部密度较大的区域，使这一面始终朝向地球。木星的四颗大卫星和月球的情况完全一样，这些被锁定的卫星朝向母行星的始终是同一面。

木星的卫星系统让天文学家大跌眼镜。木卫一是离木星最近的大卫星，来自木星和其他大卫星的引力牢牢锁住了它的方向，由此产生的潮汐作用和内应力甚至熔化了木卫一（它的尺寸和我们的月亮差不多）表面的部分岩石，所以这颗卫星是太阳系内火山活动最活跃的天体。木星的第二大卫星木卫二蕴藏着丰富的水，同样在潮汐作用和内应力的影响下，木卫二内部的热量融化了地面冰层，所以这颗卫星封冻的冰盖下涌动着液态的海洋。

仔细审视天卫五（天王星的卫星之一）的地表照片，你会看到崎岖的皱褶和起伏，就像这颗可怜的卫星曾经被炸成碎片又胡乱拼起来了一样。天卫五的地貌为何如此奇特，这仍是一个未解之谜，不过这个谜题背后的原因可能非常简单，比如，它可能源自不均匀的冰盖上涌。

冥王星孤独的卫星卡戎[4]尺寸很大，而且它和冥王星的距离也很近，所以这两颗天体实际上处于互相锁定的状态——它们的自转周期都等于其绕共同质心公转的周期。太阳系内的行星以罗马神祇为名（比如，木星名叫“朱庇特”而非“宙斯”），为了方便起见，卫星的名字来自代表母行星的那位神祇生命中的重要角色，但角色的名字遵从希腊神话。由于这些经典神祇的社交生活相当复杂，所以我们完全不必担心名字不够用。

赫歇尔发现了一颗裸眼看不见的行星，当时他准备以一位国王的名字来命名它，希望能借此获得对方的支持。如果威廉爵士的计划成功了，那么现在太阳系里的行星名单应该是这样的：水星、金星、地球、火星、木星、土星、乔治。幸运的是，清醒的头脑最终占据了上风，所以几年后，这颗新行星还是获得了一位经典神祇的名字：乌拉瑞斯（天王星）。但赫歇尔用威廉·莎士比亚（William Shakespeare）剧作和亚历山大·蒲柏（Alexander Pope）长诗《夺发记》中的人物来命名天王星卫星的传统一直保留到了今天。所以在天王星的17颗卫星中，我们看到了阿里尔、科迪莉亚、苔丝狄蒙娜、朱丽叶、奧菲莉娅、波西亚、普克、昂布雷尔的名字，还有1997年才发现的两颗新卫星，它们分别叫作卡利班和希克拉库斯。

太阳表面每秒大约损失2亿吨物质（相当于亚马孙盆地的总流量），这些物质通过高能带电粒子组成的“太阳风”向外释放。以1609千米/秒的速度穿过行星际空间的粒子束常常受到行星磁场的干扰，于是它打着旋儿奔向行星的南北磁极，继而与大气层中的气体分子发生碰撞，产生绚烂的极光。哈勃太空望远镜已经观察到了土星和木星极点附近的极光。而地球南北极不时亮起的极光就像是在提醒我们，拥有保护性的大气层是一件多么幸福的事情。

从理论上说，地球大气层延伸的范围远大于我们通常的认知。“近地轨道”上运行的卫星距离地面的高度为161～644千米，它们的公转周期约为90分钟。虽然在离地这么远的地方，人类根本无法呼吸，但这里的确存在少量大气分子，这些分子足以慢慢耗尽卫星的动能。为了抵抗这种阻力，卫星需要间歇点火才能停留在近地轨道上，而不是坠向地球，最终在大气层中烧毁。要定义地球大气层的边界，最合理的做法是寻找大气层分子密度等于行星际空间气体分子密度的界限。按照这个定义，地球大气层厚达几千千米。通信卫星的轨道高达37015千米（相当于地月距离的1/10），所以它能将新闻和视频传遍全球，完全不受大气层的影响。在这么高的轨道上，卫星不光摆脱了大气层的阻力，它们的公转周期也变成了24小时，因为它们离地球的距离更远，受到的引力也更小。既然这些卫星的公转周期等于地球的自转周期，所以它们看起来像是“悬停”在赤道上方的某个位置，所以这种卫星很适合充当地面信号的中继站。

根据牛顿引力定律，你和某颗行星的距离越远，它对你产生的引力就越小，但引力永远不会降低到零，而且只要物体的质量够大，那么哪怕隔着遥远的距离它也能产生强大的引力。因此，拥有强大引力场的木星阻挡了可能肆虐内太阳系的许多彗星。对地球来说，木星就像一面引力盾牌，正是由于木星的存在，地球才获得了相对较长（5000万〜1亿年）的平静时光。如果没有木星的保护，地球上的复杂生命将面临更险恶的生存环境，它们随时可能因为一场毁灭性的撞击而彻底灭绝。

我们向太空发射的几乎每一枚探测器都利用了行星的引力场。比如说，2004年年底抵达土星的探测器卡西尼号发射于1997年10月15日，它一共利用了四次引力加速，其中两次来自金星，一次来自地球（返回飞越），还有一次来自木星。探测器利用引力弹弓从一颗行星飞往另一颗行星的操作十分常见，就像连续碰撞的桌球一样。如果不是这样的话，我们的小探测器根本无法获得足以抵达目的地的速度和能量。

现在，地球上的人需要对太阳系中的行星际碎片负责。2000年11月，戴维·莱维和卡洛琳·休梅克发现的一颗主带小行星1994KA被命名为“13123泰森”。这是一份有趣的荣誉，无须为此烦恼。正如我们之前说过的，很多小行星的名字都十分相似，比如，乔迪、哈里特、托马斯，顶着这几个名字的小行星简直数不胜数，除此以外，还有很多小行星被命名为梅林、詹姆斯·邦德，或者圣诞老人。目前我们已经测明轨道（天文学家基于轨道数据给小行星编号、命名）的小行星已经超过了20000颗，也许地球上的名字很快就不够用了。不过，无论名字够不够用，属于你的那块太空碎片其实并不孤独，广袤的行星际空间中还飘浮着其他很多以现实或虚拟人物命名的碎片，想到这里，你总会觉得有些安慰。

在我们最后一次观测的时候，小行星“13123泰森”还没有一头撞向地球，所以它既不是灭绝生命的刽子手，也不是地球生命的源头。

第十三章 无数个世界：太阳系外的行星

上帝存在于无数个世界之中，

但我们只能在自己的世界里追寻他的影踪。

他的目光能穿透一切，

看见组成宇宙的一个又一个世界。

看星系如何形成，

观察别处的行星如何围绕别的太阳旋转，

每颗恒星如何哺育自己的子民，

或许这将告诉我们，

上帝为何将我们塑造成今天的模样。

——亚历山大·蒲柏，《人论》（1755）

近500年前，尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）重新提起了古希腊天文学家阿里斯塔克斯（Aristarchus）首创的一套假说。哥白尼公然宣称，地球绝不是整个宇宙的中心，而只是围绕太阳旋转的一系列行星之中的一颗。

大部分人完全无法接受这一事实，他们从内心深处坚信，地球是绝对静止的中心，天空中的所有物体都围绕地球旋转，但长期以来，天文学家提供了大量富有说服力的证据，足以证明哥白尼所说的才是我们这个宇宙的真相。只要承认了地球只是太阳系内的行星之一，那么我们立即可以得出一个推论：宇宙中应该存在其他类似地球的行星，那些行星上可能也有居民，他们和我们一样工作、娱乐、做梦、制订计划、幻想未来。

几百年来，天文学家通过望远镜观察了成千上万颗恒星，却无法确定这些恒星是否拥有自己的行星。不过他们至少确定了一点：太阳的确是一颗颇具代表性的恒星，银河系里和太阳差不多的恒星数不胜数。既然太阳拥有一个行星系，那么其他恒星没道理都是孤家寡人，而且它们的行星完全有可能孕育出各种各样的生命形式。1600年，焦尔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno）正是因为公开表达这一观点而冒犯了教皇的权威，最终被烧死在火刑柱上。今天的游客可以穿过罗马鲜花广场露天咖啡馆拥挤的人群，走到广场中央，驻足瞻仰布鲁诺的雕像，思考思想的力量如何战胜那些企图压制它的势力。

布鲁诺的命运让我们看到，人类是多么热衷于想象其他世界的生命。若非如此，布鲁诺想必能够安然活到耄耋之年，NASA恐怕也不会陷入资金短缺的窘境。纵观历史，人类从未停止过想象其他世界的生命，直到今天，NASA仍在努力搜寻太阳系内的其他行星，希望发现生命的蛛丝马迹。不过，我们寻找地外生命的努力始终面临一个极大的障碍：太阳系的其他行星似乎都不太适合生命存活。

虽然再严苛的环境也不能完全抹杀生命存在的可能性，但我们对火星、金星、木星及其大型卫星的初步探查却没发现任何生命的迹象。更糟糕的是，我们发现了数不清的证据，足以证明这些星球的环境极端恶劣，完全不利于生命存活——至少不利于我们所知的生命存活。当然，要得出确切的结论，我们还需要做进一步的调查。幸运的是，这方面的工作正在进行中，尤其是寻找火星生命的工作。虽然目前看来，太阳系内存在地外生命的可能性十分小，但善于变通的人们早已将目光投向太阳系外的浩渺宇宙，在那个广阔的世界里，还有很多行星正围绕着别的恒星旋转。

1995年前，我们对系外行星的认知几乎完全出于想象。除了少数几颗围绕爆炸恒星残骸运行的尺寸和地球相仿的太空碎片（我们几乎可以肯定，这些碎片形成于超新星爆炸之后，所以很难被视作正常的行星）以外，天体物理学家连一颗“系外行星”（围绕除太阳以外的其他恒星旋转的行星）都没发现。不过到了1995年年底，人类终于发现了第一颗系外行星，几个月后又找到了4颗，接下来，我们发现系外行星的速度越来越快，如同开闸后的洪水般势不可当。时至今日，系外行星数量已经远远超过了太阳系内的行星——目前，已经有4000多颗系外行星得到证认，而且可以肯定，未来几年内这个数字还将不断增长。

要描述这些新发现的世界，进而分析地外生命存在的可能性，首先我们必须面对一个难以置信的事实：尽管天体物理学家坚称他们不光知道这些行星的存在，还能推算它们的质量、与母恒星的距离、公转周期甚至公转轨道的形状，但从来没有任何一个人真正看到过地外行星的模样，也没有人拍到过它们的照片。

既然天体物理学家连见都没见过系外行星，他们又怎么知道它的那么多数据？对于那些研究星光的人来说，这个问题很好回答。观察星光的专家可以将星光分解成光谱，然后比较成千上万颗恒星的光谱，根据不同颜色的相对强度分辨各种类型的恒星。很久很久以前，这些天体物理学家只能通过照片研究恒星光谱。时至今日，他们的设备已经换成了能够精确记录各种颜色星光强度的高精确度数字仪器。虽然这些恒星远在数万亿千米之外，但天体物理学家对它们的基本特性了如指掌。只需要测量星光光谱，如今的天体物理学家就能轻松确定哪些恒星的性质最接近太阳，哪些恒星比太阳更热、更亮，又有哪些恒星比太阳更冷、更暗。

而且他们能做的还不止这些。熟悉了各种恒星光谱中的颜色分布规律以后，天体物理学家就能从常规光谱中快速辨认出一些熟悉的模式，比如说，某种颜色的光比平时少了一些，甚至完全消失了。他们常常在星光中发现这样的模式，除此以外，他们还会发现某颗恒星的整个光谱朝红端或者蓝端偏移了一点，因此他们常用的指标也得做出相应的调整。

科学家用波长来定义颜色，波长测量的是振动光波连续两个波峰之间的距离。事实上，特定波长的光对应的就是眼睛看到（大脑感知到）的颜色，只不过这种描述方式更精确一点。如果天体物理学家在数千种颜色组成的光谱中发现了某种熟悉的模式，比如说，某些光线的波长比平时长了1%，那么他们会立即得出结论：恒星颜色之所以会发生变化，是因为受到了多普勒效应的影响，这种效应描述的是正在接近或远离我们的物体发生的波长（频率）变化。举个例子，如果某件物体正在靠近我们，或者我们正在靠近它，那么我们探测到的这件物体发出的所有光波都比静止时短；如果这件物体正在离我们远去，或者我们正在离它远去，那我们观察到的波长会比静止时长。运动光源相对于静止状态的波长（频率）变化幅度取决于它和观察者之间的相对运动速度。如果运动速度远小于光速，那么光波波长变化的百分比（我们称之为“多普勒效应”）等于光源与观察者的相对速度与光速之比。

20世纪90年代，为了更精确地测量星光的多普勒频移，美国和瑞士的两个科学家团队做出了大量努力。他们这样做，不仅是为了满足科学家对精准的不懈追求，更重要的是，他们有一个明确的目标：通过研究恒星的星光确认行星是否存在。

我们为什么要用这么迂回的方法来寻找系外行星？因为截至目前，要找到太阳系外的行星，这是唯一的办法。以太阳系为例，我们不难发现，相对于恒星之间的漫长距离而言，恒星与围绕它旋转的行星之间的距离短得可以忽略不计。最近的恒星与我们之间的距离相当于太阳与其最内侧行星——水星——距离的50万倍。就连冥王星到太阳的距离也只相当于太阳到半人马座阿尔法星（它是离我们最近的恒星）距离的1/5000。从天文学的角度来说，恒星与行星之间的距离实在太短，而且行星都很暗，它们只能反射恒星的光芒，所以我们几乎不可能真正“看见”太阳系外的任何一颗行星。举个例子，假设围绕半人马座阿尔法星旋转的某颗行星上有一位天体物理学家，他将望远镜对准太阳的方向，试图寻找太阳系内最大的行星——木星。考虑到太阳与木星间的距离相当于太阳与半人马座阿尔法星距离的1/50000，而木星的亮度只有太阳的十亿分之一，对这位天体物理学家来说，在太阳旁边寻找木星的难度不亚于迎着探照灯的光芒寻找一只萤火虫。未来某天，我们或许能解决这个难题，但以目前的技术水平而言，直接观测系外行星完全是个不可能的任务。[5]

多普勒效应为我们提供了一条捷径。通过对恒星的深入研究，我们可以仔细测量星光的每一丝变化，这意味着该恒星接近或远离我们的速度发生了改变。如果这样的变化是周期性的——速度差先逐渐变大，达到一个最大值，然后减小到一个最小值，接下来再次增长到同一个最大值，以相同的时间间隔如此不断循环——那么我们就能得出一个合理的推论：这颗恒星必然围绕着空间中的某点旋转。

主宰恒星舞步的力量来自何方？根据我们现有的知识，唯一的答案是引力。毫无疑问，按照行星的定义，它的质量远小于恒星，所以它产生的引力也很小。因此，当行星的引力作用于质量远大于它的恒星，恒星的速度只会发生很小的变化。比如说，木星造成的太阳速度变化值大约是12.2米/秒，比一位世界级的短跑运动员快一点点。木星以12年为周期围绕太阳公转，如果观测者正好位于公转轨道的同一个平面上，那么他应该能测出阳光在木星影响下产生的多普勒频移。在一段特定的时间里，太阳相对于这位观察者的速度每秒会增加12.2米；等到6年以后，这位观察者又会发现，太阳的速度比平常慢了12.2米/秒。在整个循环周期内，太阳与观察者之间的相对速度会从极大值平稳过渡到极小值，然后再从极小值增长到极大值。经过数十年的观察，这位天体物理学家顺理成章地得出结论：太阳拥有一颗公转周期为12年的行星，它让太阳的运转轨道和运动速度发生了细微的变化。太阳轨道与木星轨道半径之比相当于二者质量的反比。太阳的质量是木星的1000倍，所以木星围绕二者共同质心旋转的轨道半径是太阳轨道半径的1000倍，挪动太阳比挪动木星难1000倍。

当然，太阳拥有好几颗行星，每颗行星的引力都会对太阳产生一定的影响。因此，太阳最终的运动轨迹由所有行星共同确定，而每颗行星的公转周期各不相同。作为太阳系内最大、最重的行星，木星作用于太阳的引力也最强，所以在这套复杂系统中，主宰太阳舞步的力量主要来自木星。

天体物理学家通过观察恒星的舞步寻找系外行星，他们知道，如果那颗系外行星的质量或者公转半径和我们的木星差不多，那么要找到它的踪迹，我们测量速度差的精确度至少要达到12.2米/秒。以地球标准而言，这个速度似乎不算慢，但放到天文尺度上看，这个值相当于光速的百万分之一，要知道，恒星与我们的相对速度通常是这个数的几千倍。因此，要测出百万分之一光速的速度差引起的多普勒频移，天体物理学家测量波长（对应星光颜色）的精确度也必须达到百万分之一。

精确测量星光的意义不仅仅在于寻找行星。首先，通过这样的观测，天文学家确定了恒星速度的变化周期，这实际上等同于相应行星的公转周期。既然恒星的舞步按照特定周期不断循环，那么隶属于它的行星必然遵循同样的公转周期，只不过后者的轨道半径比前者大得多。于是我们顺理成章地算出了行星与恒星之间的距离。牛顿早已证明，绕恒星公转的天体与恒星的距离越近，它的轨道周期就越短，反之则越长，所以根据行星的公转轨道周期，我们可以轻松算出它与恒星之间的平均距离。比如说，如果太阳系内某颗行星的公转周期是1年，那么它与太阳之间的距离必然等于地日距离，而12年的公转周期对应的轨道半径是地日距离的5.2倍，木星就在这条轨道上运动。所以，采用这种观测方法的研究团队不仅可以对外宣布他们发现了一颗行星，还能算出这颗行星的公转周期及其与恒星之间的平均距离。

除此以外，他们还能进一步推测这颗行星其他信息。既然行星与恒星之间的距离是一个确定的值，那么行星作用于恒星的引力直接取决于它自身的质量。越重的行星产生的引力越大，影响恒星舞步的能力也越强。经过多年的仔细观察与推演，科学家制定了一份行星特征表格，只要知道了行星与恒星之间的距离，研究团队就能根据这份表格推测行星的质量。

不过，通过恒星的舞步来确定行星的质量，这种办法也有局限。研究天空中舞动的恒星时，天文学家无从得知我们与行星轨道平面之间的位置关系，也许我们正好位于这颗行星的轨道平面上，或者正好垂直于轨道平面（在这种情况下，我们测得的恒星速度差应该是零），又或者（最常见的情况）我们的位置与轨道平面既不平行也不垂直，而是成一个夹角。在行星的引力作用下，行星与恒星的轨道平面完全重合。因此，要测得恒星轨道速度的完整值，我们观测恒星的视线必须落在这个轨道平面上。要进一步理解这一点，你不妨设想自己站在棒球场上，如果投手掷出的棒球正迎面向你飞来或者飞速离你而去，那么你当然可以测量它的飞行速度，但要是棒球从你的视野中横掠而过，那就完全是另一回事了。如果你是一名球探，那么你最好去本垒后面找个位置坐下，因为在这个方向上，你的视线正好迎着棒球的飞行方向。要是你站在一垒线或者三垒线旁边，那么投手掷出的球就会从你眼前横着掠过去，棒球在你视线方向上的速度分量约等于零。

多普勒效应体现的只是恒星接近或远离我们的速度，无法测量垂直于视线方向的速度分量，所以一般来说，我们无从得知自己观测恒星的视线与恒星轨道平面之间的夹角到底有多大。这意味着我们算出的系外行星质量只是一个下限，要让它等于实际值，除非我们能证明自己的视线正好落在恒星的轨道平面上。平均而言，系外行星的质量是这个下限的两倍，但我们无从得知哪些系外行星更重一点，哪些又更轻一点。

除了推算行星的公转周期、轨道半径和质量下限以外，利用多普勒效应研究恒星舞步的天体物理学家还完成了另一个任务：他们确定了行星公转轨道的形状。有的系外行星公转轨道近乎正圆形，就像太阳系里的金星和海王星一样，但也有一些系外行星轨道呈明显的长椭圆形，类似水星、火星和冥王星，这样的行星近日点和远日点相距遥远。由于行星离恒星越近，它的运转速度就越快，所以在这段时间里，恒星自身的速度也会发生较大的改变。如果天文学家观测到某颗恒星在整个周期中的速度差始终保持恒定，那么引发这种变化的行星必然绕着一条近乎圆形的轨道运动。反过来说，如果恒星速度差时大时小，那么对应的行星轨道一定不是正圆形的，通过测量恒星速度差在整个周期中的变化，天文学家可以确定行星轨道的扁度。

研究系外行星的天体物理学家仔细观察天空中的星光，然后根据观测到的数据进行合理的推测，最终他们可以确定任何一颗系外行星的4个关键参数：轨道周期、与恒星的平均距离、质量下限以及轨道扁度。他们捕捉来自数万亿千米外的星光，以1%的精确度测量星光的颜色，试图利用这种方法在天空中寻找地球的堂亲——虽然他们尚未达成目标，但也获得了不小的成就。

不过还有一个问题。我们发现的很多系外行星公转轨道半径都比太阳系的行星小得多。考虑到目前已知的所有系外行星的质量都和木星（这颗气态巨行星的轨道半径相当于地日距离的5倍以上）差不多，这个问题就显得更严重了。我们不妨花点时间审视一下这桩怪事，再来看看天体物理学家的解释。

利用恒星舞步寻找系外行星的时候，我们必须记住，这种方法存在天然的偏差。首先，离恒星较近的行星公转周期必然比远处的行星短。由于天体物理学家观察宇宙的时间十分有限，所以他们率先发现的肯定是那些公转周期更短（比如6个月）的行星，而不是远处的大周期（比如12年）行星。无论行星的公转周期是长还是短，天体物理学家都至少需要观察几个周期，才能确定恒星的运行速度的确存在一个可重复的变化模式。因此，要寻找那些公转周期与木星相当（12年）的行星，他们可能得花上大半辈子。

其次，近处的行星作用于母恒星的引力也强于远处的兄弟姊妹。更强的引力造成的速度变化更大，恒星光谱产生的多普勒频移更明显，探测起来也更方便，所以那些近距离内层行星更容易引起我们的注意。不过，无论这些系外行星与恒星的距离是远还是近，我们利用多普勒频移算出的行星质量都和木星差不多（相当于地球质量的318倍）。质量远小于这个值的行星对恒星速度的影响太小，我们现在的技术根本探测不到。

基于上述原因，我们发现的第一批系外行星与恒星的距离都很近，质量也都和木星差不多，这件事也不足为奇了。真正让人惊讶的是，这些系外行星与恒星的距离实在近得离谱——我们熟悉的系内行星围绕太阳公转的周期通常是几个月到几年，但系外行星的公转周期常常只有短短几天。截至目前，天体物理学家已经发现了十多颗公转周期小于一周的行星，其中最快的一颗行星公转周期只有两天半多一点。这颗名叫HD73256 b的行星围绕一颗类似太阳的恒星旋转，它的质量至少相当于木星质量的1.9倍，公转轨道呈长椭圆形，平均轨道半径只有地日距离的3.7%。换句话说，这颗巨行星的质量是地球的600倍以上，但它的轨道半径还不到水星的1/10。

水星由岩石和金属组成，这颗行星朝向太阳的那面温度高达几百摄氏度。与此相对，木星和太阳系的其他巨行星（土星、天王星和海王星）都是巨型“气球”，这几颗行星的固态内核在总质量中的占比极小。按照现有的任何一种行星构造理论，质量与木星相当的行星都不可能是水星、金星和地球这样的固态行星，因为构成行星雏形的原始云团包含的物质太少，不足以固化形成质量相当于地球几十倍的行星。在这个伟大的侦探故事中，只需要再向前迈出一步，我们就会得出结论：迄今为止，天文学家发现的所有系外行星（它们的质量与木星相当）必然都是气态巨行星。

这个令人震惊的结论立即带来了两个问题：这些类似木星的行星为什么会在这么近的轨道上运行？它们的气体为什么没被恒星的热量蒸发？第二个问题的答案相对简单：这些行星的质量很大，所以哪怕在高温环境中，它自身的引力也足以克服气体原子和分子向外逃逸的趋势。不过，在最极端的条件下，虽然引力占据了上风，但这样的优势非常微弱，只要行星轨道再向内收缩一点，它们的气体就真的会被恒星的热量蒸发。

要回答第一个问题，我们必须厘清行星形成的基本逻辑。正如我们在第十一章中看到的，为了理解太阳系的行星形成过程，理论家付出了极大的努力。他们认为，系内行星诞生于一片煎饼状的气体尘埃云里，小物质块慢慢堆积形成更大的物质块，这就是行星的雏形。在这个围绕太阳旋转的扁平物质团里，独立的物质块先是随机出现，新形成的物质团密度高于平均值，所以接下来它们开始吸引其他微粒。在这个过程的最终阶段，地球和其他固态行星都经受了最后一批大物质块的密集撞击洗礼。

随着行星系逐渐凝聚成形，太阳开始释放光芒，蒸发周围最轻的元素（氢和氦），所以太阳系最内侧的4颗行星（水星、金星、地球和火星）几乎完全由更重的元素组成，包括碳、氧、硅、铝和铁。与此相对，在地日距离5～30倍的这个区域里，物质块的温度相对较低，大部分氢元素和氦元素得以保留下来。这两种最轻的元素也是丰度最高的元素，所以4颗气态巨行星的质量都比地球大得多。

冥王星与岩石质的内层行星和气态的外层行星都不一样，它其实更像彗星。冥王星由岩石和冰组成，目前还没有任何一艘飞船造访过这颗天体。[6]彗星的直径通常只有8～80千米，但冥王星直径长达3219千米，它算是早期太阳系里名列前茅的庞然大物。冥王星的寿命和最古老的陨石相仿，陨石是掉落到地面上的太空岩石、金属碎片或者岩石与金属的混合物，有经验的人能分辨花园里的普通石块和陨石。

所以行星的雏形很可能就是类似彗星和陨石的结构，气态巨行星利用固态内核吸引大量气体，维持自身形态。利用放射性测年法，科学家发现，最古老的陨石已经有45.5亿年历史，比月球（42亿年）和地球（40亿年出头）上最古老的岩石还要老得多。因此，太阳系大约诞生于45.5亿年前，在那个遥远的创世年代，太阳系的行星自然而然地分成了两组：相对较小的固态内层行星和个头和质量都大得多的气态巨行星。4颗内层行星与太阳之间的距离相当于地日距离的0.37〜1.52倍。与此同时，4颗巨行星与太阳之间的距离要远得多，相当于地日距离的5.2〜30倍，所以它们才能长到那么大。

回顾太阳系行星的形成过程，再看看我们现在发现的系外行星，目前的局面着实令人尴尬：为什么有这么多质量与木星相当的天体运行在半径比水星还要小得多的轨道上？的确，我们发现的第一批系外行星与恒星之间的距离都近得离谱，太阳系倒更像是个例外。要知道，理论家以太阳系为蓝本建立行星系标准模型的时候，他们根本不知道其他行星系到底长什么样。不过，近处的行星的确更容易被发现，理解了这一偏见以后，科学家恢复了一点信心。没过多久他们就开始有意识地拉长观察周期，采用高精确度测量设备，试图寻找与恒星距离更远的气态巨行星。

时至今日，如果把我们发现的系外行星按照轨道半径从小到大的顺序排列起来，这份名单的最上方仍然是我们之前提到过的那颗公转周期只有两天半的行星，接下来我们跳过中间的上百个条目，直接去看最后一名：这颗行星围绕“巨蟹座55”恒星旋转，它的质量至少是木星的4倍，公转周期长达13.7年。根据这颗行星的轨道周期，天体物理学家计算得出，它与恒星的距离相当于地日距离的5.9倍，或者木日距离的1.14倍。这是我们发现的第一颗轨道半径超过木日距离的系外行星，它所在的行星系看起来似乎和我们的太阳系差不多，至少二者的恒星和最大的行星都十分相似。

但事实并非如此。这颗围绕巨蟹座55旋转、轨道半径相当于5.9倍地日距离的行星其实并不是那个行星系的第一颗行星，而是第三颗行星。现在，天文学家已经积累了足够的数据，解释多普勒频移的技艺也越来越高超，所以他们可以根据恒星的舞步反推出两颗甚至更多行星的影响。每颗行星都会对恒星施加一定程度的影响，其循环周期等于行星围绕恒星公转的周期。只要观察的时间够长，计算机的功能够强大，行星猎手就能透过恒星的复杂舞步看到背后那一个个独立的世界。比如，巨蟹座55是一颗中等亮度的恒星，天体物理学家已经发现，它拥有两颗距离较近的行星，其公转周期分别是42天和89天，质量下限分别相当于木星的0.84倍和0.21倍，其中质量“只有”木星0.21倍（相当于67个地球）的那颗行星是当时人类探测到的最轻的系外行星。不过时至今日，系外行星的质量下限已经降低到了地球质量的35倍——还是比地球大得多。所以我们不必着急，未来很长一段时间里，天文学家恐怕都很难找到真正和地球条件相仿的系外行星。

围绕巨蟹座55运行的这颗行星的确引人注目，即便如此，我们也不能忘了刚才的问题：为什么有这么多质量与木星相仿的系外行星运行在半径远小于水星的轨道上？专家会告诉你，如果某颗恒星的条件与太阳相仿，那么在它周围3～4倍地日距离的范围内，根本不可能形成木星那么大的行星。假如系外行星也满足这一点，那么它们必然是在成熟以后才移动到离恒星更近的轨道上的。若事实果真如此，那我们要面对3个棘手的问题：

（1）什么力量将成形后的行星推到了离恒星更近的轨道上？

（2）为什么这些行星不会继续靠近恒星，直至最后烧毁？

（3）为什么那么多行星系里都发生了这样的事情，但我们的太阳系却没有？

在系外行星发现浪潮的刺激下，渊博的科学家找到了这些问题的答案。目前最受学界认可的专业意见可以总结如下：

第一，行星之所以会发生迁移，是因为气态巨行星形成以后，海量的剩余物质仍在它的轨道内侧围绕恒星旋转。大型行星的引力会将这些物质逐渐转移到外层轨道上，与此同时，受反作用力的影响，行星自身会慢慢朝着内层轨道运动。

第二，等到这些行星移动到比初始位置近得多的轨道上，来自恒星的潮汐力就会锁定它们的位置。太阳和月球的潮汐力会掀起地球上的潮水，恒星的潮汐力也会改变系外行星的自转周期，使其等于公转周期，就像地球和月球的情况一样。除此以外，潮汐力还会阻止行星继续靠近恒星，不过这种现象背后的天文学原理过于复杂，我们在此不加赘述。

第三，行星系内的碎片是多还是少可能完全取决于运气。有的行星系就是残留了大量碎片，最终导致行星迁移，就像我们观察到的那些系外行星，而有的行星系碎片相对较少，所以行星都停留在自己的初始位置上，例如我们的太阳系。对于巨蟹座55来说，也许它的三颗行星都向内发生过明显的迁移，最外侧的行星与恒星的初始距离其实是现在的好几倍，又或者这个行星系内碎片的分布情况比较特殊，最终前两颗行星向内发生了明显的迁移，但第三颗行星一直停留在自己的初始轨道上。

要解释恒星周围行星系成形的具体过程，天体物理学家还有很多工作要做。与此同时，系外行星猎人还在孜孜不倦地寻找地球的堂亲，它的尺寸、质量与轨道半径应该都和地球相仿。如果真的找到了这样一颗行星，他们希望能对它进行精确的测量，以确定这颗行星是否拥有类似的球的大气层和海洋，甚至拥有生命——哪怕隔着几十光年的距离。

天体物理学家深知，要实现这个梦想，他们必须将设备送到大气层外的地球轨道上，这样才能避开干扰，得到更精确的测量数据。NASA的开普勒计划就是这样一项实验，它的目标是观察我们周围的数十万颗恒星，捕捉地球尺寸的行星掠过恒星表面时引发的星光微妙变化（大约万分之一）。这种测量方法对角度的要求极为苛刻，我们的视线必须和被观察行星的轨道平面几乎完全平行。不过，在这种情况下，行星引发恒星星光变化的周期等于行星的公转周期，有了这个数据，我们就能算出行星与恒星之间的距离，进而根据星光的变化规律确定行星尺寸。

不过，要想获得行星本身的更多物理参数，我们必须直接研究行星的照片，分析行星的反射光谱。NASA和ESA（欧洲空间局，简称“欧空局”）正在执行这方面的计划，希望在未来20年内实现这一目标。如果我们真的能找到一颗类似的球的系外行星，哪怕在另一颗比太阳亮得多的恒星旁边，它只是一个微不足道的暗淡蓝点，这也足以激励下一代的诗人、物理学家和政治家。我们可以分析这颗行星的反射光，确定它的大气层中是否含有氧气（生命存在的迹象之一），甚至确定那里是否同时含有氧气和甲烷（生命大概率存在的证据），这样的壮举足以让区区凡人飞升成为吟游诗人代代传唱的英雄。正如F.斯科特·菲茨杰拉德（F. Scott Fitzgerald）在《了不起的盖茨比》中所说的，我们即将面对的是与人类创造奇迹的能力同样伟大的一些东西。本书的最后几章介绍的正是这方面的内容，如果你梦想在宇宙中的其他地方发现生命，那就请继续读下去吧。

卷五

生命的起源

第十四章 宇宙中的生命

追寻起源的征途不出所料地将我们引向了一个最根本也最具争议性的最大谜团：生命的起源，尤其是未来某天可能与我们建立联系的地外生命的起源。数百年来，人类从未停止过猜测，我们和宇宙中的其他智慧生命将如何邂逅，如何做出一些必将载入史册的哪怕是最简单的交流。要解开这个谜题，最关键的线索或许就藏在宇宙的起源蓝图之中，它囊括了地球的起源、太阳系行星家族的起源、为生命提供能量的恒星的起源、宇宙中结构的起源，还有宇宙本身的起源和演化。

如果我们能够仔细审视这张蓝图，它将引领我们走遍整个宇宙，从最宏观的天文现象到最微不足道的细微波澜，从浩瀚无垠的空间到各种生命滋生演化的一个个具体地点。如果我们能将不同环境孕育出的不同生命形式放到一起比较，那么我们或许可以从中总结出生命诞生的规律，包括一般情况和特例。今天的我们知道的生命形式只有一种，那就是地球上的生命。地球上的所有生命拥有同样的起源，而且它们都基于DNA分子完成繁殖。这一事实局限了我们对生命的认识：既然我们只见过这一种生命形式，那要普查整个宇宙的所有生命，我们又该从何处入手？除非未来某天，我们在地球以外的地方发现了其他形式的生命，由此扩展了对生命的认识，这样的普查才有可能完成。

事情还可能发展得更糟。我们对地球生命的演化史的确已经有了一定的了解，而且从中归纳出了一些普遍规律，按照我们的设想，这些规律应该适用于宇宙中的所有生命。所以我们可以根据这些规律在宇宙中寻找满足（或者曾经满足）生命基本需求的环境。无论我们如何努力去想象地球以外的生命，最终都难免落入这种以人类为中心的思维窠臼，我们天生倾向于相信，地外生命形式必然类似我们自己。地球生命的演化史和个人的亲身体验局限了我们的视野，实际上我们根本无从想象生活在其他世界中的截然不同的生命形式。只有熟知地球生命多样性的生物学家才能自信地推测地外生命可能的模样，它们的奇怪程度完全超出了普通人类想象的极限。

也许未来某天——或许是明年，或许是下个世纪，或许是更久之后——我们会发现地球以外的生命，或者收集到足够多的数据，证明如今某些科学家提出的观点：地球上的生命是银河系中独一无二的特殊现象。但是现在，我们拥有的信息实在太少，所以一切皆有可能：也许我们会在太阳系内的某几颗天体上发现生命，这意味着银河系内拥有生命的行星系可能有几十亿个；也许我们最终确定，地球是太阳系内唯一拥有生命的天体，至于围绕其他恒星旋转的行星上有没有生命，这个问题只能留给时间来回答；又或者我们慢慢发现，无论望向多远的地方，我们都看不到生命的任何迹象。寻找地外生命的过程和其他任何努力一样，正面的结果总能助长积极的情绪，而不利的消息常常造成意志的消沉。关于地外生命是否存在的问题，最新的进展应该算是正面的。我们发现太阳附近的很多恒星都拥有自己的行星，所以在我们的银河系里，生命或许并不鲜见。无论如何，要准确回答这个问题，我们还有很多工作要做。如果我们最终发现，虽然行星的数量众多，但它们都无法提供适合生命存活的条件，那么地球或许真的是宇宙中唯一有生命的地方。

谈到地外生命，科学家常常援引美国天文学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）在20世纪60年代初提出的德雷克方程。这个方程提供了一个颇为灵活的概念，而不是言之凿凿地宣称物理宇宙一定如何运转。我们一直试图估算银河系中可能存在智慧生命的星球数量，德雷克将已知和未知的信息有效地综合起来，把这个问题转化成了一系列量化参数的组合，每个参数分别代表智慧生命发展所需的一个必要条件。这些参数包括：（1）银河系中寿命长得足以让围绕它旋转的行星发展出生命的恒星数量；（2）每颗恒星平均拥有的行星数量；（3）客观条件适合生命存活的行星在所有行星中的占比；（4）宜居行星真正发展出生命的概率；（5）宜居行星的生命演化出文明的概率，按照天文学家的定义，“文明”至少应该具备和我们交流的能力。将这5个参数相乘，我们就能算出银河系中至少出现过文明的行星数量。而要算出最后的答案——在任意给定的时间段内（譬如现在），银河系中存在的文明数量——我们必须将刚才的计算结果再乘以第六个也是最后一个参数：文明的平均寿命与银河系总寿命（约100亿年）的比值。

要确定德雷克方程中各个参数的具体数值，我们必须综合运用天文学、生物学和社会学等各方面的知识。目前我们已经比较准确地估算出了前两个参数的值，第三个参数也有了一些眉目。从另一个方面来说，要估算第四个参数和第五个参数，我们必须先找到银河系内的其他生命形式，并对它们进行深入的研究。但现在我们完全没有这方面的数据，所以专家也只能和门外汉一样瞎蒙。比如说，如果一颗行星具备维持生命的基本条件，那么它真正孕育出生命的概率有多大呢？要回答这个问题，最科学的方法应该是在几十亿年的时间内持续观察多颗宜居行星，看看其中有多少行星能孕育出生命。同样，要估算银河系中文明的平均寿命，首先我们得有足够多的文明样本，然后还得连续观察几十亿年。

既然如此，这岂非不可能完成的任务？未来很长一段时间里，我们恐怕都无法算出德雷克方程的精确解，除非我们邂逅的某个地外文明早已解决了这个难题，没准我们的文明就是他们采集的数据样本之一。但无论如何，德雷克方程提供了一个行之有效的思路，让我们能以科学的方法估算目前银河系中可能存在的文明数量。方程中的6个参数都将直接影响计算结果，所以我们必须将这些参数连乘，才能得出最后的结论。举个例子，你原本假设每三颗宜居行星中有一颗能够真正发展出生命，但后来却发现这个比例实际上应该是1/30，那么就算你的其他参数都正确无误，但最后你算出的文明数量也是实际值的10倍。

目前我们能够相对比较准确地估算德雷克方程的前三个参数，根据这些数据进行的初步计算表明，银河系中可能存在生命的行星多达数十亿颗。（谨慎起见，我们将寻找地外生命的范围局限在银河系以内，因为其他星系的文明恐怕很难和我们建立联系。）如果你愿意的话，你可以和朋友、家人、同事认真讨论一下德雷克方程后面三个参数的值，算出你心目中银河系拥有的技术文明数量。比如说，如果你相信大部分宜居行星都能发展出生命，而且这些生命基本都能演化出文明，那么你可以得出结论：银河系中曾经发展出文明的行星多达数十亿颗。反过来说，如果你觉得宜居行星孕育生命的概率只有几千分之一，而这些生命发展出文明的概率也不高于千分之一，那么根据你的设想，银河系中拥有过文明的行星就只有几千颗，而不是几十亿颗。不同的人算出的答案可能相差好几个数量级，我们举的这两个例子还不算极端。这是否意味着德雷克方程根本就不是什么科学，而是天马行空的妄想？事实并非如此。之所以会出现这样的局面，只是因为我们手里的数据太少，而这个问题又太复杂。

估算德雷克方程后三个参数的困难之处在于，以点代面难免失之偏颇——我们现在甚至连点都没有。比如说，我们连自己的文明能延续多久都不知道，又该怎么去估算银河系内文明的平均寿命呢？既然如此，我们是否应该彻底放弃估算这些数字呢？但这样一来，我们就只能停留在无知的迷雾中，也无从享受推测的乐趣。既然现在我们完全没有这方面的数据，那么在做推测的时候，我们最好保守一点：最安全的策略应该是假设我们在银河系中并不特殊（虽然这一点也可能错得离谱）。天体物理学家以哥白尼之名将这样的策略命名为“哥白尼原则”，16世纪中期，正是这位科学家将太阳放到了我们这个行星系的中央，后来人们发现，事实的确如此。虽然早在公元前3世纪，希腊哲学家阿里斯塔克斯就提出过日心说，但直到哥白尼的年代，大部分人仍然相信地球才是宇宙的中心。在罗马天主教会的支持下，亚里士多德和托勒密建立的地心说大行其道，地球是所有造物的中心，大多数欧洲人对此深信不疑。从神创论的角度来说，地心说俨然已是先验的真理。直到今天，仍有不少人坚信地球是宇宙的中心，因为他们感觉不到地球的运动，而且天空中的所有星星看起来的确都在围绕地球旋转。

虽然谁也无法确保哥白尼原则就一定适用于所有科学领域，但它的确有效平衡了我们总是觉得自己比较特殊的思维定式。更重要的是，截至目前，哥白尼原则成功帮助我们解决了许多难题，几乎从无败绩：地球并不是太阳系的中心，太阳系也不是银河系的中心，银河系更不是宇宙中心。如果你相信边缘才是最特殊的位置，那我们也不在任何结构的边缘。因此，最明智的做法应该是假设地球上的生命也同样遵循哥白尼原则。如果事实果真如此，地球生命的起源、组成和结构又将为我们寻找宇宙中的其他生命提供什么线索呢？

要回答这个问题，我们必须深入理解一系列生物学知识。长期的观察帮助我们积累了许多生物学数据，地球生命的多样性常常令我们惊叹不已，生物学家对此感触最多。仅仅在地球这一颗行星上就有无数种生命形式，其中包括真菌、甲虫、海绵、水母、蛇、秃鹫和巨杉。如果将这七种生物按照体形从小到大的顺序排列起来，你很难相信它们来自同一个宇宙，更别说同一个星球。如果一个人从来没见过蛇，你该如何向他描述这种生物？“你一定得相信我，我刚才在地球上看到了这样一种生物，它会用红外探测器跟踪猎物，哪怕猎物比它的头大5倍，它也能将对方活生生地吞下去，它没有手臂也没有腿，确切地说，没有任何附肢，但它能在水平地面上快速游动，和你走路一样快！”

和多姿多彩的地球比，好莱坞编剧对地外生命的幻想简直贫瘠得令人汗颜。当然，编剧或许可以责怪公众的庸俗口味，大家就爱看似曾相识的外星侵略者和怪物，而不是完全陌生的地外生命。除了《幽浮魔点》（1958）和斯坦利·库布里克（Stanley Kubrick）作品《2001：太空漫游》（1968）里那几个出色的地外生命形象以外，好莱坞塑造的外星人看起来总是和人类差不多。无论这些外星人长得有多丑（或者多可爱），他们几乎都拥有两只眼睛、一个鼻子、一个嘴巴、两个耳朵、一个头、一个脖子、一副肩膀、手臂、双手、手指、躯干、双腿、双脚，而且他们都会走路。从解剖学的角度来看，这些生物本质上和人类并无区别，虽然从理论上说，他们应该生活在其他行星上，演化路径也完全不同于地球生命。这简直是对哥白尼原则最粗暴的践踏。

研究地外生命可能形式的太空生物学是科学界推测色彩最浓郁的学科，但太空生物学家可以颇为自信地说，地外生命（无论是智慧生命还是非智慧生命）看起来至少应该和地球上的某些生命一样奇特，甚至更加奇特。寻找地外生命的时候，我们必须努力摆脱好莱坞深植于大众头脑中的偏见。要做到这一点并不容易，却非常重要，如果你真的想从科学的角度计算地外生命存在的可能性，而不是单纯从感情上期盼未来某天在宇宙中邂逅能与我们平静交谈的智慧生命。

第十五章 地球生命起源

要在宇宙中寻找生命，首先我们必须回答一个基本问题：什么是生命？太空生物学家会诚实地告诉你，这个问题其实并没有简单、权威的答案。“看到你就知道了”，这样的说法也没什么意义。无论采用什么标准来区分地球上的生命和非生命，你总能找到一些不符合定义的特例。某些（或者说全部）生命会生长、活动、衰败，但很多看起来一点也不像生命的物体也会表现出类似的行为。生命会繁殖？火也会。生命会演化产生新的形式？水溶液里的某些晶体也会。对于自然界的某些造物来说，只要一看到它，你就会不假思索地将它归类为生命——谁会怀疑三文鱼或者鹰不是生命呢？但如果你对地球生命的多样性有所了解，那么你不得不承认，对于很多生物来说，你得拥有专业的知识，而且足够幸运，才能发现它们的确是活的。

由于篇幅有限，我们只能给生命下一个粗略而实用的定义：能够繁殖、演化的物体都可归类为生命。如果某类物体仅仅拥有繁殖能力，我们还不能说它是活的。随着时间的推移，它们必须演化出新的形式，我们才能称之为生命。根据这个定义，如果被研究的物体只有一个，那么我们无从判断它到底是不是生命；我们必须查验同类物体的一系列个体，跟踪观察它们随时间流逝产生的变化，才能得出最后的结论。这样定义生命可能过于苛刻，但它至少很适合我们目前的情况。

通过观察地球上各式各样的生命，生物学家总结出了地球生命的一个共性。他们发现，地球上的所有生物主要都由四种化学元素组成：氢、氧、碳和氮。在任何一种生物的个体体内，其他所有元素加起来所占的比例也不到1%。除了四大元素以外，生物体内还有少量的磷，对大多数生物来说，这也是一种至关重要的关键元素。另外，还有更少量的硫、钠、镁、氯、钾、钙和铁。

但我们是否可以就此认为，宇宙中的其他生命形式也具有同样的特性？这时候就该祭出哥白尼原则了。地球生命体内含量最高的这四种元素在整个宇宙中的丰度都能排进前六名之列，由于位居前六的另外两种元素——氦和氖——几乎不与其他任何元素发生反应，所以我们可以说，地球生命由宇宙中最丰富、化学性质最活跃的元素组成。人类对其他世界的生命做出了五花八门的预测，其中最可靠的一条或许是：组成地外生命的基本元素应该和地球上的差不多。如果地球生命的主要成分是四种非常罕见的元素，例如，铌、铋、镓和钚，那么我们有充分的理由怀疑，地球生命在宇宙中必然有其特殊之处。但事实上，地球生命的化学成分非常合理，所以我们乐观地认为，宇宙中的其他某些地方很可能也存在别的生命。

地球生命的成分与哥白尼原则的契合之处还不止这一点。如果我们生活的行星主要由氢、氧、碳和氮组成，那么生命的主要成分也是这四种元素就完全是件顺理成章的事情，但事实上，地球的主要成分是氧、铁、硅和镁，而且最外层的地壳主要由氧、硅、铝和铁组成，对比一下组成生命的四大基本元素，我们发现这两组元素的交集只有一个：氧。我们将目光投向几乎完全由氢和氧组成的海洋，惊讶地发现，（除了氢和氧以外）海水中最常见的元素是氯、钠、硫、钙和钾，生命的另外两大基本元素碳和氮都不在此列。所以总的来说，地球生命的化学成分更类似恒星，而不是地球本身。生命的化学成分比地球本身更符合宇宙中的一般情况——对于执着于追寻地外生命的人来说，这是个良好的开端。

初步建立了“宇宙中组成生命的原材料并不鲜见”的观念以后，接下来你或许会问：如果有合适的环境和能源（比如附近有一颗恒星），这些原材料组合形成生命的概率有多高呢？等到未来某天，人类对太阳系内可能存在生命的天体进行详尽的调查以后，我们或许可以比较准确地回答这个问题。不过现在，既然手头没有这方面的数据，我们只能通过其他迂回的方式找出一个近似的答案，然后继续追问：地球上的生命是怎么诞生的？

地球生命的起源仍是一个谜团。我们之所以对生命的起源所知甚少，很大程度上是因为这些事发生在几十亿年前，存留至今的线索几近于无。地球历史上40亿年之前的化石记录和地质记录完全是一片空白，但大多数古生物学家（研究远古生命的专家）相信，地球生命诞生于46亿年前到40亿年前，也就是太阳和它的行星诞生之初的这前6亿年里。

我们之所以缺乏40亿年前的地质数据，是因为地壳运动抹除了当时的记录，这样的运动通常被称为“大陆漂移说”，但更科学的叫法应该是“板块构造论”。来自地球内部的热能推动地壳板块不断滑动、碰撞、彼此重叠。板块的构造运动将曾经存在于地面上的所有东西缓慢地埋进地底。所以我们很难找到寿命超过20亿年的岩石，就连最古老的岩石也只有38亿岁。基于这一点，你很容易就能得出一个合理的推测：最原始的生命不太可能留下化石证据，我们几乎不可能在地球上找到最初一二十亿年的生命留下的可靠记录。目前我们发现的地球生命最古老的确切证据“只能”追溯到27亿年前，但有间接证据表明，在此之前，生命至少已经存在了10亿年。

大多数古生物学家相信，地球生命的历史至少有30亿年，甚至可能超过40亿年。也就是说，在地球形成之后的前6亿年里，生命已经开始出现。这个结论基于一个原始生命体的合理假设。近30亿年前，大量氧气开始出现在地球的大气层内。我们之所以知道这件事，线索完全来自地质记录而非化石证据：氧气会加剧富铁岩石的锈蚀，制造出漂亮的红色石头，亚利桑那州的大峡谷就是个典型的例子。来自前富氧时代的岩石绝不会是这种颜色，也不会留下其他与富氧大气有关的任何线索。

大气的富氧化是地球经历过的最严重的污染。除了加速铁的氧化以外，氧气还会和其他很多简单分子结合，严重破坏原始生命的食物来源。所以，大量氧气出现在地球的大气层中，这意味着生命要么适应这一变化，要么去死。如果直到这时候，地球上的生命还没有出现的话，它以后也永远不会出现了，因为此后诞生的原始生命都将面临饿死的危险，富氧环境会让它们的食物氧化变质。很多生物通过演化适应了氧气带来的污染，如今呼吸氧气的动物都能证明这一点。除此以外，你也可以选择尽量避开氧气。直到今天，所有动物（包括我们自己）的胃里还栖居着数十亿微生物，它们在胃部的酸性环境中活得很好，但只要暴露在空气中就会死亡。

地球大气层中（相对）丰富的氧气来自何方？这些氧气主要来自漂浮在海面上的微生物，它们的光合作用会释放氧气。还有一小部分氧气的生成与生命全然无关，因为阳光中的紫外线会分解海面上的部分水分子，将氢原子和氧原子释放到空气中。如果某颗行星地表有大量的水，那么在光线的照射下，行星大气层中的氧含量必将缓慢上升，只是这个过程可能需要几亿年甚至几十亿年。大气中的氧气也可能阻碍生命的出现，因为这种活泼元素会氧化一切能维持生命的营养物质。氧气会扼杀生命！这个论断听起来违反常识，但放到宇宙的尺度上却很准确：生命只能诞生于行星历史的早期阶段，否则大气层中越来越多的氧气将彻底扼杀生命出现的可能性。

出于某种奇怪的巧合，地球历史中缺乏地质记录的那个时期不仅仅是生命的起源年代，同时也是所谓的“大轰炸”时期。地球诞生之初的这几亿年的确意义重大，在这几亿年里，地球表面的每一寸土地都承受着太空碎片的持续轰击，亚利桑那州巴林杰陨石坑这种规模的撞击每个世纪都会发生好几次，每隔几千年，还有更大的碎片（直径长达几千米）坠落到地球上。每次剧烈撞击都会彻底重塑冲击点周围的地形，所以经历了数十万次撞击之后，整个地球表面早已面目全非。

这些撞击又将如何影响生命的起源呢？生物学家告诉我们，地球生命的出现和灭绝都和陨石有关，这样的事情可能发生过很多次。大轰炸阶段坠落到地球上的碎片主要来自彗星，从本质上说，这种天体其实就是夹杂着小石砾和灰尘的大雪球。彗星的“雪”里既有水凝成的冰也有二氧化碳凝成的干冰；除了雪、沙砾、富含矿物质和金属的岩石以外，最初几亿年里密集撞击地球的彗星碎片里还包含着各种各样的小分子，例如，甲烷、氨、甲醇、氰化氢和甲醛。这些分子再加上水、一氧化碳和二氧化碳，它们共同为生命提供了原材料。这几种分子都由氢、碳、氮和氧组成，而且它们都是构建复杂分子的基础结构。

因此，彗星的撞击为地球提供了海洋里的一部分水和生命起源的原材料。甚至生命本身也可能随着彗星来到了地球上，不过也有人提出，彗星的温度实在太低（通常是零下几百华氏度），很难孕育出真正复杂的分子。虽然我们无法确定是否真有生命搭乘彗星来到了地球，但可以肯定的是，在那个大轰炸年代，彗星在地球上散播生命之种的同时也可能毁灭已经出现的生命。最原始的生命形式可能反复在地球上诞生过很多次，每次它们都能存活、繁衍几十万年甚至几百万年，直到一块特别大的太空碎片撞向地球，抹除所有生命。过了一段时间以后，生命又会再次诞生，再次灭亡，如此周而复始，不断循环。

我们之所以能肯定，地球生命经历过不止一次诞生和灭亡，主要是因为两个事实。首先，地球生命诞生的时间很早，绝对不超过地球寿命的前1/3。既然10亿年的时间足以孕育出生命，那么生命起源实际需要的时间说不定比这还要短得多，可能不超过几百万年，或者不超过几千万年。其次，我们知道，大型太空碎片的撞击摧毁地球上的大部分生命，这样的浩劫每隔几千万年就会发生一次，其中最著名的白垩纪——第三纪大灭绝发生在6500万年前，除了鸟类祖先以外的所有恐龙都死于非命，和它们一起走向灭绝的还有其他无数物种。但在地球历史上，白垩纪——第三纪大灭绝并不是最可怕的浩劫，发生在2.52亿年前的二叠纪——三叠纪大灭绝摧毁了地球上近90%的海洋物种和70%的陆地脊椎动物，地面上几乎只有真菌幸存了下来。

白垩纪——第三纪大灭绝和二叠纪——三叠纪大灭绝的源头都是某颗直径长达两三千米的巨型太空碎片。地质学家已经在尤卡坦半岛北部及其附近的海床上找到了6500万年前的一个巨型陨石坑，正好对应白垩纪——第三纪大灭绝发生的年代。澳大利亚西北海岸外有一个二叠纪——三叠纪大灭绝年代留下的更大的陨石坑，但引发那次灭绝的可能不仅仅是陨石撞击，还有其他一些因素，譬如火山爆发。其实白垩纪——第三纪恐龙灭绝这一个例子就足以提醒我们，彗星或小行星的撞击将对生命造成多大的破坏。而大轰炸年代的地球必然经历过不止一次这样的撞击，冲向地球的太空碎片直径可能长达80千米、160千米，甚至402千米。这样的撞击必然会清空地球上的生命，它们要么彻底灭绝，要么只有一小部分存活下来；这样的巨型太空碎片造访地球的概率肯定比现在直径16千米的天体冲向地球的概率还高。现有的天文学、生物学、化学和地质学知识告诉我们，早期地球具备制造生命的必要条件，但外部的宇宙环境随时可能抹除刚刚萌芽的生命。在任何一颗恒星及其行星形成之初，造星过程残余的碎片都将密集撞击刚刚成形的星球，甚至可能抹除这些行星上的所有生命。

40多亿年前，太阳系形成过程中残余下来的大部分碎片要么已经撞向了行星，要么进入了公转轨道，不再横冲直撞。因此，地球周围的宇宙环境逐渐平静下来，我们迎来了如今的安乐时光。在这个阶段，可能每隔几百万年才会有一颗大得足以威胁全球生命的天体撞向地球。抬头看看天空中的圆月，你就能体会到，从那遥远的过去到现在，陨石撞击带来的威胁已经减少了几个数量级。月亮上那张“人脸”实际上是广阔的熔岩平原，它来自40亿年前大轰炸时代末期的一次剧烈撞击。这座直径长达88.5千米的环形山名叫“第谷坑”，造就这个巨坑的天体撞击月球的时间比地球上的恐龙灭绝略晚一点，虽然它的撞击力度略逊于地球上的那一次，但也足够引人注目。

地球上的生命是否早在40亿年前就已诞生，而且有一部分生命熬过了大轰炸时期的密集撞击？又或者在大轰炸时代结束后的静谧期，生命才开始萌芽？这个问题我们现在还无法回答。除此以外还有一种可能：地外天体为我们的星球带来了生命的种子，或许是在大轰炸期间，或许是在那之后不久。如果在那个天外火雨不断的年代，生命的确曾经反复出现、灭绝，那么我们或许可以合理地期待，宇宙中与地球相似的其他行星上，同样的过程也可能反复发生。但从另一个方面来说，如果地球上的生命只出现过一次，无论是土生土长还是来自地球以外，那么这个过程可能完全出于幸运。

无论地球上的生命只诞生过一次还是很多次，我们都无法回答一个关键问题：生命到底是怎么形成的？长久以来，人们提出过许多天马行空的猜测。要是谁能解开这个谜题，他必将获得丰厚的回报。从亚当的肋骨到弗兰肯斯坦博士创造的怪物，人们总是倾向于认为，某种神秘的“生命冲力”将鲜活的气息赋予了无生命的物质。

科学家试图深入探查，通过实验和化石记录研究生命与非生命之间的藩篱到底是什么，大自然又是如何打破这一藩篱的。早期人们认为，生命起源于池塘或潮池中的简单分子，它们会相互作用，创造出更复杂的分子。1859年，查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的惊世之作《物种起源》出版，在这本书中，达尔文提出，曾经出现在地球上的所有生命可能全都源自某种原始的生命形式。两年后，他在给朋友约瑟夫·胡克（Joseph Hooker）的一封信中写道：

人们常说，创造生命的所有条件现在我们一个都不缺，甚至从来就没缺过。但是（噢，这真是个沉重的但是）我们完全可以设想某个温暖的小池塘里什么都有（包括氨、磷盐、光、热、电，等等），蛋白质分子已经成形，并为下一步更复杂的变化做好了准备，如果这一切发生在今时今日，这些物质很快就会被“吃掉”，所以现在的情况和前生命时代很不一样。

换句话说，生命的起源需要两个条件：第一，新陈代谢所需的基本化合物必须大量存在，甚至有所冗余；第二，以这些化合物为食的造物还没有出现（其实还有第三个条件：大气层中的氧气相对比较稀薄，所以它们不会与这些简单化合物结合，破坏原始生命的口粮，我们之前讨论过这一点）。

从科学的角度来说，最成功的实验莫过于现实中的演化。1953年，为了验证达尔文“生命起源于池塘或潮池之中”的观点，斯坦利·米勒（Stanley Miller）做了一个著名的实验：他在实验室中重现了早期地球的水池环境，当然，具体的条件主要出自他的设想，而且经过了高度简化。当时米勒还是芝加哥大学的一名研究生，他的老师是诺贝尔奖得主哈罗德·尤里（Harold Urey）。米勒和尤里将水装入烧瓶，然后在水面上方灌注水蒸气、氢气、氨和甲烷组成的混合气体；接下来他们从下方加热烧瓶，迫使烧瓶内的部分物质蒸发，再通过一根玻璃管将混合蒸汽导入另一个烧瓶；在第二个烧瓶中，他们用电火花模拟闪电的效果，最后再将混合蒸汽重新导入第一个烧瓶，完成一次循环。这个过程循环重复了几天，而不是现实中的几千年。没过多久，米勒和尤里就发现，烧瓶底部的水中充满了“有机黏性物质”，这是多种复杂分子组成的混合物，其中包括各种各样的糖和两种最简单的氨基酸（丙氨酸和鸟嘌呤）。

蛋白质分子本质上是20种氨基酸排列组合形成的不同结构，所以米勒-尤里实验揭示了一个惊人的结果：最简单的分子在极短的时间内就能生成氨基酸分子，而后者是构建所有生命体的基本单元。除了氨基酸以外，这个实验还制造出了另一些相当复杂的分子，人们称之为核苷酸，它是组成DNA（携带生物遗传信息的巨型分子）的关键结构元素。不过，要在实验室里真正制造出生命，我们还有很长的路要走。就算我们能人工制造出全部20种氨基酸，从氨基酸到生命仍有一条鸿沟。科学家在一些保存得最完好的古老陨石中发现了氨基酸分子，人们相信，这些陨石诞生于太阳系生命的早期，也就是说，它们的寿命长达46亿年，而且这些石头自形成以来几乎一直保持原状。所以，我们或许可以得出结论：制造氨基酸的自然过程在各种条件下都有可能发生。但从另一个方面来说，我们通过实验得出的结果也没什么奇怪的：生物体内的简单分子在多种条件下都能快速形成，但生命本身却不行。最关键的问题依然悬而未决：哪怕一切条件都已准备就绪，一系列的分子到底如何演变成生命？

早期地球孕育生命的时间绝不是短短几周，而是几百万年甚至几千万年，因此米勒和尤里的实验结果似乎足以支持生命起源的潮池模型。但时至今日，大部分试图追寻生命起源的科学家认为，当时的技术水平极大地限制了米勒和尤里的实验。他们之所以改变态度，倒不是对实验结果有所怀疑，而是因为他们认识到，这个实验背后的基本假说可能存在天然的缺陷。要理解这个缺陷，我们必须先看看现代生物学如何描述最古老的生命形式。

演化生物学的基础是各种生物DNA和RNA分子的相同和不同之处，这些分子携带的信息控制着生物的生理机能和繁殖过程。通过研究这些巨型复杂分子，生物学家描绘了一幅生命的“演化树”，你可以通过这棵大树直观地看到不同形式的生命在演化中的“距离”，两个物种演化距离的远近完全取决于它们的DNA和RNA分子有多大区别。

生物学家曾经将“界”定义为生物分类法中层级最高的类别，现在他们发现，生命之树有三个主要的分支（三个“域”）：古菌、细菌和真核生物。真核生物包括所有拥有清晰细胞核的独立细胞，细胞核内的遗传物质主导着细胞的繁殖。正是因为真核生物拥有这样的特性，所以它比另外两个域的生命体更复杂，事实上，普通人熟悉的所有生命几乎都属于这个分支。因此，我们或许可以顺理成章地得出结论：真核生物出现的时间应该比古菌和细菌更晚。又因为细菌的出现远远晚于古菌的出现（原因十分简单：细菌的DNA和RNA更复杂），所以我们几乎可以肯定，正如它们的名字所暗示的那样，古菌代表着最古老的生命形式。接下来我们要说的可能会吓你一跳：不同于细菌和真核生物，古菌主要由“极端微生物”组成，它们喜欢极端的环境——接近或超过沸点的水、强酸，或者普通生命根本无法存活的其他环境（当然，如果这些极端微生物拥有自己的生物学家，它们会觉得自己才是“正常”生物，而在室温下繁荣滋长的其他生命体才是“极端生物”）。对生命之树最新的研究表明，生命是从极端微生物开始的，后来它们才演化成了能在所谓的“正常”条件下获益的生命形式。

既然如此，达尔文的“温暖小池塘”和米勒-尤里在实验室里制造的潮池自然不是极端生物的理想栖息地。干燥与湿润交替循环的温和周期无从谈起，生命的起点很可能藏在喷涌的热泉附近，滚烫的泉水可能含酸。

在过去几十年里，海洋学家真的找到了这样的地方，而且发现了生活在那里的奇怪生命。1977年，两位海洋学家乘坐一艘深海潜水器找到了第一处深海热泉，它藏在加拉帕戈斯群岛附近的太平洋海底，离平静的海面足有2.4千米。热泉附近的地壳就像厨房里的高压锅，将极高的压强锁在“锅盖”里，所以“锅子”里的水被加热到了100摄氏度以上，却不会沸腾。接下来，锅盖突然开一条缝，高压过热泉水立即从地壳下方喷涌到冰冷的海床上。

深海热泉喷出的过热泉水中溶解的矿物质会迅速冷却凝结，在喷孔周围形成多孔的巨型岩石“烟囱”，这些烟囱的内部滚烫，外层与海水接触的地方却很凉。温差悬殊的环境中生活着无数从未见过阳光的生命，它们不需要太阳的热量，却需要海水中溶解的氧，追根溯源，这些氧也来自海面附近能够进行光合作用的生物。生活在极端环境中的这些虫子靠地热为生，而地热有一部分来自地球形成过程的余温，还有一部分则来自不稳定同位素（例如，半衰期为几百万年的铝﹣26和半衰期长达十数亿年的钾﹣40）持续衰变产生的辐射能。

海洋学家在阳光根本无法抵达的深海热泉附近发现了和成人身高一样长的巨型管虫，除此以外还有大群细菌和其他小型生物。就像植物从阳光中汲取能量完成光合作用一样，深海热泉附近的生物靠“化学合成作用”制造能量，这些能量归根结底来自地热。

化学合成到底是怎么发生的呢？深海热泉喷出的热水中富含硫-氢化合物和铁-氢化合物。喷口附近的细菌会将这两种化合物与水分子中的氢原子和氧原子结合起来，再加上海水中溶解的二氧化碳提供的碳分子和氧分子，制造出更大的碳水化合物分子。这样看来，深海细菌的行为和它地面上的表亲十分相似，后者也会利用碳、氧和氢制造碳水化合物。有的微生物会从阳光中汲取能量，制造碳水化合物，而有的微生物制造碳水化合物的能量来自海床上的化学反应。深海热泉附近的其他生物以这些细菌制造的碳水化合物为食，就像地面上的植食动物和肉食动物一样。

不过，深海热泉附近的化学反应制造出来的产品不仅仅是碳水化合物分子。要知道，碳水化合物里没有铁原子和硫原子，这些多余的原子会形成另一些化合物，其中最引人注目的是硫化铁晶体，俗称“傻子金”，古希腊人称之为“火石”，因为用它使劲撞击其他石头就会产生火花。作为地球上储量最丰富的含硫矿石，硫化铁可能在生命起源的过程中扮演着重要的角色，因为它促成了碳水化合物分子的形成。这套假说是由德国专利律师兼业余生物学家根特·维奇特萧瑟（Günter Wächtershäuser）提出的，繁重的工作并未磨灭他对生物学的兴趣，正如专利审查员的本职工作也不能阻止爱因斯坦研究物理学。（爱因斯坦拥有物理学的高级学位，但维奇特萧瑟的生物学和化学知识完全是自学的。）

1994年，维奇特萧瑟提出，地球诞生之初，从深海热泉中喷涌而出的铁和硫自然生成的硫化铁晶体可能为富含碳的分子提供易于富集的表面，来自附近喷口的碳分子很容易在这里堆积起来。和池塘（或潮池）起源假说一样，维奇特萧瑟也无法清晰描述基本的分子如何形成生物，但他坚信深海的高温环境对生命起源做出了不可替代的贡献，或许我们最终会发现，他的思路没错。维奇特萧瑟认为，最早的复杂生命分子正是在高度有序的硫化铁晶体表面形成的，面对科学会议上的批评者，他发出了掷地有声的宣言：“有人说生命的起源是从无序中产生秩序，但我要说的是，秩序来自秩序本身！”这句德国色彩浓郁的口号赢得了不少拥护，但只有时间才能最终证明真理。

所以，生命起源的基本模型有这么多种，到底哪种才是对的呢？地球生命到底是源自海边的潮池，还是海床上的过热喷泉呢？目前看来，这两种假说的胜算基本五五开。研究生命起源的专家还不能完全接受“生命诞生于高温环境中”的说法，因为目前我们判断不同物种在演化树上位置的方法仍有争议。另外，我们通过计算机程序追溯古老RNA分子（DNA的近亲，它在演化中出现的时间显然早于DNA）中不同种类的化合物，结果发现，偏爱高温的化合物出现的时候，生命已经走过了一段温度相对较低的时期。

因此，哪怕是目前最前沿的研究也无法确切回答生命起源的问题，这样的情况在科学领域其实相当常见。虽然我们可以推算出地球生命诞生的大致时间，却无从得知这一伟大事件发生的地点和具体的过程。最近，古生物学家给地球生命神秘的祖先起了个名字：LUCA，这个英文缩写的意思是“所有地球生命最后一个共同的祖先”（瞧瞧科学家脑子里地球本位的思想是多么根深蒂固，这个缩写中的U代表的是“宇宙”，如果非要较真的话，既然是地球生命共同的祖先，它的英文缩写应该是LECA，因为E才是“地球”的缩写）。目前，给这些祖先（拥有相同基因的一系列原始生物）起名字主要是为了提醒我们自己，要真正解开生命起源之谜，我们还有很长的路要走。

我们想弄清自己来自何方，这绝不仅仅是为了满足天然的好奇心。无论是在地球上还是在宇宙中的其他地方，起源不同的生命诞生、演化和生存的路径各不相同。比如说，地球的海床或许提供了这颗星球上最稳定的生态环境。哪怕有一颗巨型小行星撞击地球，抹除了地面上的所有生命，海底的极端微生物也很可能完全不受影响，继续快快乐乐地生活下去。甚至存在这样的可能性：每次大灭绝之后，海底微生物都会慢慢演化出新的生命形式，重新填满地面上的空间。就算太阳突然消失，地球开始在宇宙中流浪，这样的变化恐怕也很难登上极端微生物的报纸头条，因为它几乎不会影响深海热泉附近的生活。不过，在未来50亿年内，太阳将变成一颗红巨星，它的体积也将飞速膨胀，填满整个内太阳系。与此同时，地球的海洋将彻底蒸发，就连地球本身也会蒸发一部分。一旦事情发展到这个地步，地球上的任何生命恐怕都无法置身事外。

既然地球上的极端微生物如此常见，我们不禁要问：太阳系形成期间，那些未能进入稳定公转轨道、最终离开了太阳系的行星和微行星深处是否也可能隐藏着生命？这些天体的“地”热能足以维持几十亿年。推而广之，其他太阳系形成过程中也有数不清的行星被推出了恒星的引力范围，它们是否也携带生命？也许恒星际空间中充满生命，它们的诞生和演化过程都发生在那些没有恒星的流浪行星深处。认识到极端微生物的重要性之前，天体物理学家曾经认为每颗恒星周围都有一个“宜居带”，在这个范围内，行星上的水或者其他物质才能维持液态，分子才能漂浮其中，彼此接触，制造出更复杂的分子。但时至今日，我们必须修正这样的观念，除了恒星周围正好能接受适量星光的整齐区域以外，生命可能栖居在宇宙中的任何地方，它们维持活力依靠的可能不是星光带来的能量，而是附近的放射性岩石产生的热能。所以，三只小熊的农舍或许并不是童话故事里唯一的舒适家园。所有人，甚至包括三只小猪的居所里都可能摆着一碗不烫也不凉的食物。

也许我们最终会证明，这个充满希望甚至颇有先见之明的童话正好描绘了宇宙的现实。生命绝不稀缺，它可能和行星本身一样普遍。这一切都等待我们去发现。

第十六章 在太阳系中寻找生命

地外生命存在的可能性创造了一些全新的职业，虽然目前寥寥无几，但这些职业的从业者人数随时可能出现爆发式增长。“太空生物学家”或者“天体生物学家”研究的是地外生命，无论它们以什么样的形式出现。目前，除了猜测地外生命的模样以外，太空生物学家只能模拟地外环境，然后要么将地球生命形式暴露在这样的环境中，看看它们能否在不熟悉的严酷条件下幸存，要么将无生命的混合物分子放入模拟环境中，沿着米勒-尤里实验或维奇特萧瑟的研究路线探索生命的起源。他们结合猜测与实验，得出了几个公认的结论，这些结论符合宇宙中的实际情况，因而产生了相当重大的影响。现在，太空生物学家相信，宇宙中的生命需要下列条件：

（1）能量源；

（2）某种有潜力构建复杂结构的原子；

（3）能让分子漂浮其中并发生互动的液态溶剂；

（4）长得足以容许生命诞生、演化的时间。

在这些条件当中，条件（1）和条件（4）很容易满足。宇宙中的每颗恒星都是一个能量源，除了前1%质量最大的恒星以外，其他所有恒星都已经存在了几亿年甚至几十亿年。比如，过去50亿年来，太阳一直照耀着地球，稳定地为我们提供光和热，而且这样的状况还将维持50亿年。现在我们发现，生命能在完全没有阳光的条件下存活，它们生存所需的能量可以来自地热和化学反应。地热能部分来自钾、钍、铀等化学元素的放射性同位素，它们的半衰期以10亿年为单位，可以和太阳之类的恒星媲美。

地球上的生命满足条件（2），我们依赖的基本原子是碳。每个碳原子能与1个、2个、3个或4个原子结合，这样的特性让它成为我们所知的所有生命结构中最关键的元素。每个氢原子只能与一个原子结合，每个氧原子能结合的原子也只有一个或者两个。由于每个碳原子最多能结合4个原子，它们构成了生命体内几乎所有分子（除了最简单的那些以外）的“脊梁”，其中包括蛋白质和糖。

碳元素构造复杂分子的能力让它与氢、氧和氮一起成了地球生命体内含量最高的四种元素之一。我们已经看到，虽然地壳内含量最高的四种元素与生命体内含量最高的四种元素只有一个是相同的，但宇宙中丰度最高的六种元素囊括了地球生命赖以为生的四大元素，除此以外还有氦和氖。这个事实支持了“地球生命起源于恒星”的假说，我们至少起源于成分类似恒星的天体。无论如何，碳元素在地球表面的含量并不高，但在生命体内却非常丰富，这充分说明，碳在生命结构形成的过程中扮演着至关重要的角色。

对宇宙中的其他生命来说，碳元素也同样不可或缺吗？科幻小说中常常出现以硅为基本构造元素的外星生命，这是否符合宇宙的实际情况？和碳一样，每个硅原子能够结合的最大原子数也是4个，但从化学角度来说，硅键比碳键强得多，所以它不太可能取代碳，成为构造复杂分子的基本元素。碳与其他原子结合形成的化学键相对比较弱，碳-氧键、碳-氢键和碳-碳键都很容易被破坏，所以以碳为基础的分子才能通过碰撞和互动形成新的结构，对任何形式的生命来说，这都是新陈代谢活动的重要组成部分。反过来说，硅和其他很多原子形成的化学键太强，尤其是硅-氧键。地壳的主要成分是硅酸盐，它的主要化学成分就是硅和氧，这两种元素结合形成的强大化学键足以维持上百万年，因此它们很难和其他物质发生反应，形成新的分子。

硅原子和碳原子与其他原子结合的方式差别太大，这个事实清晰地告诉我们，大部分（如果不是全部的话）地外生命应该和我们一样，靠碳（而不是硅）原子来构建最基本的分子结构。除了碳和硅以外，只有少数几种罕见元素的原子能跟4个原子结合，但它们在宇宙中的丰度远低于碳和硅。纯粹从数学角度来说，锗之类的元素（就像地球生命体内的碳一样）成为生命基石的可能性非常非常小。

条件（3）强调的是所有生命形式都需要能让分子漂浮其中并互动的某种液态溶剂。“溶剂”这个词本身就隐含着“让其他分子漂浮其中并互动”的意思，这样的混合物化学家称之为“溶液”。液体能够容纳高浓度的分子，却不会过于严格地限制这些分子的运动。固体会将原子和分子牢牢锁在原地。确切地说，固体内部的原子和分子也能彼此碰撞、互动，但这个过程进行的速度比在液体内部慢得多。气体内部分子的自由度比液体大，它们在碰撞互动时受到的阻碍也更小，但美中不足的是，气体内部的分子发生碰撞和互动的频率远低于液体内部，因为液体的密度通常是气体的1000倍以上。正如安德鲁·马维尔（Andrew Marvell）在诗中所写，“如果有足够多的世界和足够长的时间”，生命起源于气体的概率可能远大于液体。但现实中的宇宙只有140亿岁，所以太空生物学家觉得，我们不太可能找到起源于气体的生命。他们认为，所有地外生命都和地球生命一样由液态的小囊（细胞）组成，各种不同的分子在小囊内部碰撞产生复杂的化学变化，由此生成新的分子。

孕育生命的液体就一定是水吗？我们生活在一颗水量丰沛的行星上，海洋覆盖了地表接近3/4的面积，这在太阳系中堪称独一无二，哪怕放到整个银河系中恐怕也不太常见。水分子由宇宙中丰度最高的两种元素组成，彗星、流星体、太阳系的大部分行星及其卫星都有至少一定量的水。但太阳系中的液态水仅存在于地球和木星最大的卫星木卫二的冰盖之下，目前科学家认为，整个木卫二表面都被海洋覆盖，但这毕竟只是一种推测，并未得到最终确认。还有其他什么化合物能像海洋或池塘一样提供理想的条件，让分子碰撞、互动，最终孕育出生命吗？能在比较宽泛的温度范围内保持液态的常见化合物有3种：氨、乙烷和甲醇。氨分子由3个氢原子和1个氮原子组成，乙烷分子由2个氢原子和6个碳原子组成，而甲醇分子包含了4个氢原子、1个碳原子和1个氧原子。思考地外生命问题的时候，我们完全可以合理地推测，氨、乙烷或甲醇可能是某些生命的源头，就像地球上的水一样，它们为分子提供了走向辉煌的基础介质。太阳系的四颗巨行星拥有海量的氨，还有相对较少的甲醇和乙烷，而土星最大的卫星土卫六封冻的地表上可能存在液态的乙烷湖。

哪种分子最有可能成为孕育生命的基础溶剂？这个问题背后蕴含着生命的另一个基本要求：这种物质必须保持液态。我们并不指望南极的冰盖或者富含水蒸气的云团能孕育出生命，因为只有液态溶剂才能让分子充分互动。在地球表面的大气压下，水能在0〜100摄氏度的范围内保持液态。我们刚才介绍的三种替代溶剂保持液态的温度范围都比水小得多，比如，氨在-78摄氏度结冰，在-33摄氏度蒸发。因此，氨不可能孕育地球上的生命，只有在平均温度比我们低75摄氏度的另一个世界中，氨才有可能成为生命的温床，反过来说，在那样的环境下，水不可能成为生命之源。

我们在化学课上学过，水是实至名归的“万能溶剂”，与此同时，它能在相当宽泛的温度范围内保持液态，但这并不是它最重要的特性。这种化合物最重要的特性在于，大部分物质，包括水在内都会热胀冷缩，但如果将水冷却到4摄氏度以下，它的体积反而会膨胀。随着温度不断逼近0摄氏度，水的密度会显著降低；降到0摄氏度那一刻，水会变成密度更小的冰。冰漂浮在水面上，对水里的鱼儿来说，这可真是个好消息。冬天气温降到冰点以下的时候，4摄氏度的水会沉到底部，因为它的密度大于上方温度更低的水，与此同时，水面上会逐渐形成一层浮冰，冰又会进一步隔绝外部的低温。

如果水没有4摄氏度以下“热缩冷胀”的奇妙特性，冬天的池塘和湖泊都将从下往上而不是从上往下结冰。试想一下，如果低温下的水和世间万物一样热胀冷缩，那么一旦外界气温降到冰点以下，池塘表层的水就会冷却下来，沉到底部，与此同时，池底温度较高的水会被挤到上面来。这样的对流会让水温迅速降到0摄氏度以下，池塘表面开始封冻。接下来，密度更大的固态冰会沉到池底。就算一个冬天的低温不足以让整个池塘彻底结冰，池底的寒冰也很难融化，年复一年，这个过程不断重复，冻结的冰块也越来越多。在这样一个世界里，冰钓运动必将无以为继，因为所有的鱼都会被冻死。可怜的冰钓者会发现，如果湖面上的冰硬得足以承受踩踏，那么整个湖泊肯定已经冻透了。北极旅行者也不再需要破冰船——要么整个北冰洋都结了冰，破冰船根本没用，要么所有冰都沉在海底，海面仍能正常通航。冬天在湖面上溜冰的时候，你也完全不必担心掉进冰洞里。在这个奇怪的世界里，冰块和冰山会沉到水底，所以1912年4月的泰坦尼克号会喷着蒸汽安全地驶入纽约港，就像广告里吹嘘的那样，这艘船的确永不沉没。

从另一个方面来说，我们也可能陷入了“中纬度偏见”。地球上的大部分海洋根本没有封冻的危险，无论是从上到下还是从下到上。如果冰会沉到水底（而不是浮在水面上），那么北冰洋、五大湖和波罗的海或许会凝固，导致欧洲和美国深受其害，巴西和印度的势力趁机扩张，但地球上的生命可能依然欣欣向荣，丝毫不受影响。

我们不妨暂且假设，相比三位主要的竞争者（氨、乙烷和甲醇），水的确拥有极大的优势，所以大部分（如果不是全部的话）地外生命必须依赖于这种溶剂，就像地球生命一样。以此为前提，再考虑到生命原材料的丰富程度，碳原子的多少，以及生命诞生、演化需要的时间长度，最后我们会发现，至少在太阳系内部，“哪里有生命”这个古老的问题完全可以重新表述为：哪里有水？

单从表面上看，太阳系里的很多地方干枯荒凉，你或许会觉得，虽然水在地球上储量颇丰，但在整个行星系里却不算常见。但事实上，截至目前，在所有由三个原子构成的分子中，水是丰度最高的一种，这很大程度上是因为组成水的两种元素——氢和氧——在整个宇宙的丰度排名中分别位居第一和第三。这意味着我们根本不必问为什么某些天体上有水，而应该问为什么不是所有行星上都存在大量的水。

地球上的海洋来自哪里？月球上保存完好的环形山告诉我们，这颗星球一直在不断经受太空碎片的撞击。所以我们完全可以合理地推测，地球也经历过无数次撞击。的确，地球的尺寸更大，引力更强，所以我们的行星遭受撞击的次数和撞击碎片的尺寸都理应大于月球，这样的撞击自地球诞生之时就开始了，直到现在仍未停歇。归根结底，地球不是突然凭空出现的一个完美球体，它是从孕育太阳和其他行星的那一大团致密气体云中慢慢生长出来的。在这个过程中，地球的体积之所以会不断变大，早期靠的是吸收大量的固体小颗粒，后来则主要依赖富含矿物质的小行星和高含水量彗星的不断撞击。地球到底经历过多少次撞击？我们有理由相信，海洋中所有的水都来自彗星。当然，这套假说仍面临很多不确定性和争议。比如说，哈雷彗星上的水，氘（这是氢的一种同位素，它的原子核包含了一个额外的中子）含量远高于地球。如果地球上的水真的来自彗星，那么在太阳系形成之初撞击地球的彗星，其化学成分必然迥异于今天的彗星，或者至少迥异于以哈雷彗星为代表的这一类天体。

无论如何，考虑到就连火山喷发也能为大气层补充水蒸气，我们真的不愁如何解释地表水的来源。

如果你想找个没有空气也没有水的地方，那么不妨先看看月球。月球的大气压强几乎为零，白天长度相当于地球上的两周，这样的环境能够迅速蒸发所有水分。月球之夜同样长达两周，气温可能降到-250摄氏度以下，足以冻结万物。因此，造访月球的阿波罗号宇航员需要携带旅途中所需的所有水和空气（以及空调）。

不过，考虑到地球上有这么多水，附近的月球却一点儿水都没有，这事儿就显得很奇怪了。月球表面的水之所以比地球上的更容易蒸发，原因之一很可能是月球的引力比地球小得多。不过，未来的登月任务也许不一定需要携带水，或者人工制造水。月球探测器克莱门汀号（它搭载的设备能够探测恒星际高速粒子撞击氢原子产生的中子）的观测结果印证了人们长久以来的猜测：月球南北极的环形山下方可能埋藏着冻结的冰。月球每年都要经受一定次数的太空碎片撞击，这些碎片中总会有几颗体积较大的富含水的彗星。这些彗星到底有多大呢？要知道，太阳系里的很多彗星融化后足以填满伊利湖。

月球白天的温度高达120摄氏度，我们不能指望新形成的湖泊在这样的环境中幸存，但要是某颗彗星恰好砸到了月球两极附近某个很深的环形山底部（或者自己撞出了一座很深的极地环形山），那么它携带的水可能会在黑暗中保存下来，因为月球上“没有阳光照耀”的地方只有极地附近的深环形山（如果你认为月球上存在“永远黑暗”的一面，那你大概是被流行文化误导了，平克·弗洛伊德1973年的专辑《月之暗面》也起了不好的作用）。渴望阳光的南北极居民深知，无论什么季节、什么时间，这些地方的太阳永远不会升到天顶。现在不妨想象一下，如果你住在月球极地附近的环形山底部，那么太阳哪怕升到最高，也不一定能照射到环形山内部。月球上也没有散射阳光的空气，所以你将永远生活在没有阳光的黑暗之中。

不过，就算是在冰冷的黑暗中，冰也会缓慢蒸发。只要看看长假之后冰箱里的冰格，你就会发现，冰块的尺寸比你出门前小多了。但是，如果冰和大量固体微粒充分混合在一起（就像彗星一样），那么它将在月球极地深深的环形山底部留存数十亿年。如果未来我们选择在这些湖泊附近修建月球前哨站，那必将获得莫大的好处。除了直接融化、过滤冰块获得饮用水以外，我们还能利用这些冰制造氢气和氧气，然后将氢气和一部分氧气混合起来作为火箭燃料，剩下的氧气可供人类呼吸。除此以外，执行任务之余，宇航员没准还能去滑滑冰。

虽然金星的尺寸和质量都和地球差不多，但我们这颗姊妹星球拥有一些不同于太阳系其他行星的特性，其中特别值得注意的是，金星厚重致密的大气层反射率极高，它主要由二氧化碳组成，这使得金星的地表气压比地球高100倍以上。除了已经适应了海底高压的底栖生物以外，地球上的所有生命都无法在金星的大气环境中生存。但金星最独特的地方在于，这颗行星地表的环形山形成时间相对较晚，而且年龄都差不多。乍看之下，这个描述似乎没什么问题，但细究之下你会发现，这意味着金星在不久前经历过一次全球浩劫，这场浩劫抹去了以前的撞击留下的所有痕迹，所以后来新形成的环形山年龄都差不多，我们也无法通过环形山的地质情况判断行星地貌形成的年代。这样的结果可能源自某种强侵蚀性的天气现象（例如，全球性的洪水），也可能源于全球范围的地质活动，例如，熔岩流会将金星地表变成热爱开车的美国人梦寐以求的样子——整个星球表面都平坦光滑得像铺装路面一样。无论重置金星环形山时钟的事件是什么，它一定突然停了下来。但有一个重要的问题依然悬而未决：金星的水去了哪里？如果这颗行星真的出现过全球性洪水，那么这些水去哪儿了？这些水渗入了地下，还是蒸发到了大气层中？又或者所谓的“洪水”根本不是水，而是另一种常见物质？就算洪水纯属子虚乌有，就像它的姊妹星球地球一样，金星上也应该有彗星带来的大量水。那么这些水到底去哪儿了？

答案似乎应该是，由于金星变得太热（这又得归咎于它的大气层），所有水都已蒸发殆尽。虽然二氧化碳分子能允许可见光通过，但它却能有效截留红外辐射。因此，阳光能穿透金星大气层，但由于大气反射的存在，最终只有一小部分阳光能够抵达地表。这些阳光会加热金星表面，让地面释放出红外线，这部分辐射又会被大气中的二氧化碳分子吸收，金星底层大气和地表都会因此而升温。这种截留红外辐射的现象被科学家命名为“温室效应”，因为温室的玻璃窗也能容许阳光通过，但会锁住部分红外线。和金星一样，地球大气也有温室效应，这会对很多生命产生巨大的影响。科学家估计，与没有大气层的情况相比，温室效应导致地球气温升高了7摄氏度。地球温室效应主要源自大气层中的水和二氧化碳。不过地球大气层中二氧化碳的浓度只有金星的万分之一，所以相对来说，我们体验到的温室效应要温和得多。但是，化石燃料的过度使用使得大气层中的二氧化碳不断增加，所以地球的温室效应正在不断加剧，我们无意中做了一个全球性实验，让大家目睹了大气层截留的额外热量会造成哪些恶劣影响。金星大气的温室效应完全源自二氧化碳，它让这颗行星的温度上升了几十摄氏度，所以金星表面热得像火炉一样，温度高达500摄氏度，这让金星成了太阳系的所有行星中最热的那一颗。

金星为何走到了这样可悲的境地？科学家用“失控的温室效应”这个术语准确地描述了金星大气截留红外辐射，导致温度上升、液态水蒸发的过程。蒸发到大气中的水又会进一步截留红外线，加剧温室效应，从而导致更多水蒸发到大气层中，形成恶性循环。而在金星大气层顶部附近，阳光中的紫外线会将水分子分解成氢原子和氧原子。由于气温过高，氢原子会从大气层中逃逸，更重的氧原子则与其他原子结合，但没了氢原子，它永远不会再次生成水。随着时间的流逝，金星地表附近的所有水都会慢慢进入大气层，最终永远地离开这颗星球。

地球上也会发生类似的过程，只是速度慢得多，因为我们这里的气温远低于金星。如今地球表面的绝大部分面积被海水覆盖，但这些海都不算深，所有水加起来也只占地球总质量的1/5000左右。即便如此，海水的总质量也达到了惊人的1.5×10^18吨，其中2%的海水时时处于冻结状态。如果地球也和金星一样出现了“失控的温室效应”，那么我们的大气将截留更多太阳能，导致气温升高，海水持续沸腾，水分迅速蒸发到大气层中。这样的局面真是糟糕透顶。地球上的动植物显然都会因此灭绝，有一种死法相当惨烈：随着水蒸气越来越多，地球大气层的密度可能增加到原来的300倍，我们会被自己呼吸的空气压碎、烤熟。

我们对行星的迷恋（与无知）绝不仅限于金星。看到火星地表蜿蜒绵长的干涸河床、广阔的冲积平原、星罗棋布的三角洲、密如蛛网的支流遗迹，以及河水侵蚀形成的峡谷，我们可以肯定，这颗星球表面必然曾经存在流动的水，那时的火星宛如一座原始的伊甸园。除了地球以外，如果说太阳系里还有一个地方曾经拥有丰沛的水源，那只能是火星。不过，出于一些我们并不清楚的原因，今天的火星地表早已干涸。仔细审视地球的兄弟姊妹之后，我们不得不回过头来，以全新的视角看待自己的母星：如今地表充沛的液态水其实珍贵而脆弱，随时都可能消失。

20世纪初，美国著名天文学家帕西瓦尔·洛威尔（Percival Lowell）通过望远镜看到了火星地表纵横的“运河”，于是他提出了一个大胆的设想：那是足智多谋的火星人在聚居地附近建立的水利系统，目的是将火星极地冰冠的水引到人口更密集的中纬度地区。为了解释自己的这套假说，洛威尔想象了一个水源几近枯竭的垂死文明，那情景就像凤凰城的居民突然发现科罗拉多河也有干涸的一天。1909年，洛威尔发表了一篇周密详尽却充满误导的论文，在这篇题为《作为生命居所的火星》（Mars as the Abode of Life)的文章中，他沉痛悼念了自己想象中濒临灭亡的火星文明。

的确，按照目前火星的干涸情况，这颗星球的地表根本无法支持生命存活。就算现在火星地表还有残存的生命，时间也会缓慢但坚定地将它们彻底清除。随着生命最后的余烬随风而去，这颗星球将成为太空中一个死寂的世界，它的生命演化之路走到了尽头。

不过洛威尔至少说对了一件事。如果火星地表真的曾经存在需要水的文明（或者生命），那它必定已经灭亡，因为在火星历史上某个未知的时间段，出于某些未知的原因，那颗星球的地表水全都干涸了，于是生命必然陷入洛威尔描述的窘境，只不过这一切都发生在遥远的过去，而不是现在。几十亿年前的火星地表曾有丰沛的活水流淌，后来这些水都去了哪里？对行星地质学家来说，这仍是个未解之谜。时至今日，火星极地冰盖里还残余着一些水冰，不过这些冰盖主要由二氧化碳（“干冰”）组成；除此以外，火星大气层中也有微量水蒸气。目前据我们所知，火星上只有极地冰冠还保留着数量可观的水，但这么少的水量完全不符合几十亿年前丰沛的流水在火星地表留下的古老地质记录。

古代火星地表的水要么蒸发到了太空中，要么流进了地底，深藏在这颗行星表面之下的永冻层里。有什么证据能支持这个猜测吗？与小型环形山相比，我们更容易在火星地表的大型环形山边缘找到湿润泥土向外飞溅然后干涸结块的痕迹。如果火星永冻层埋在地底深处，那么只有极强的撞击才有可能触及这样的深度。撞击释放的能量会在接触的瞬间融化地底冰层，导致液态水向上溢出。拥有这种淤泥溅射痕迹的环形山在寒冷的极地区域更为常见——根据我们的预想，这些区域的永冻层应该离地表更近。科学家乐观地估计，如果火星地下永冻层的冰全部融化，那么这些水足以在火星地表形成覆盖全球的深达几十米的海洋。若要全面探查现在的火星是否拥有生命（或者寻找生命曾经存在的化石证据），我们必须调查很多地方，尤其是地表之下的阴暗角落。要想寻找火星生命，我们首先需要回答一个重要的问题：现在火星上有液态水吗？

我们可以从物理学中找到一部分答案。火星表面不可能存在液态水，因为那里的大气压还不到地球表面的百分之一，这样的环境不允许液态水的存在。登山爱好者都知道，气压越低，水的蒸发温度越低。比如，惠特尼山山顶的气压只有海平面的一半，水的沸点也从100摄氏度变成了75摄氏度，而珠穆朗玛峰峰顶气压只有海平面的1/4，这里的水只需要加热到50摄氏度就会沸腾。离地32千米的高空气压只有纽约人行道的1%，所以水的沸点也只有5摄氏度左右。如果再往上走几千米，液态水就会在0摄氏度沸腾，它一旦暴露在空气中就会立即蒸发。科学家用“升华”这个术语来形容物质从固态直接变成气态（跳过了液态）的过程。我们从小就听说过“升华”这个词，卖冰激凌的小贩打开“魔法门”，你看到的不光是美味的冰激凌，还有一块块用来保持低温的“干”冰。比起我们熟悉的普通水冰，干冰更适合保护冰激凌，因为它会从固态直接升华成气态，所以箱子里不会残留任何难以打扫的液体。某个老旧的侦探故事里有这么个情节：一个男人踩在干冰制成的蛋糕上，将自己的脖子套进了绞索，随着干冰慢慢升华，绳子越来越紧，男人一命呜呼，侦探完全不知道他是怎么把自己吊死的（除非他们仔细分析室内的大气成分）。

火星表面的水也会像地球上的二氧化碳一样升华。虽然火星的夏天也有气温超过0摄氏度的时候，但那颗行星表面根本不可能存在液态水。我们一直认为这样的环境完全不可能孕育生命，直到我们突然意识到，液态水可能存在于火星地下。未来，致力于寻找古代（甚至现代）生命的火星任务将选择适合钻探的区域，我们将深入火星地表之下，寻找能够孕育生命的流淌的灵丹。

虽然在某些人眼里，水是万能的灵丹妙药，但对那些不懂化学的人来说，水却是避之唯恐不及的致命毒素。1997年，爱达荷州鹰岩初中一位14岁的学生内森·佐纳（Nathan Zohner）做了一个后来闻名世界（或者说闻名科普界）的实验，试图借此证明大众的反技术情绪和对化学的恐惧。佐纳邀请人们签署一份呼吁政府严格控制或者彻底禁止使用一氧化二氢的请愿书。他列出了这种无色无味物质的一部分恶劣性质：

·它是酸雨的主要成分；

·它会缓慢溶解接触到的几乎所有物质；

·不慎吸入这种物质可能致命；

·气态一氧化二氢可能导致严重灼伤；

·它存在于末期癌症患者的肿瘤组织中。

根据佐纳的实验结果，50个人里有43个人同意在请愿书上签名，还有6个人举棋不定，只有1个人强烈支持这种分子，拒绝签名。是的，86%的路人投票同意彻底清除环境中的一氧化二氢（H_2O）。

也许火星上的水就是这样消失的。

纵观金星、地球和火星，我们看到了将水（或者其他溶剂）作为生命之源可能带来的回报和问题。寻找液态水的时候，天文学家最先考虑的是那些距离母恒星不远不近，温度环境能够容许液态水存在的行星，所以我们看到了一个“金发姑娘和三只熊”的故事。

40多亿年前，太阳系已经初步成形。金星的位置离太阳太近，强大的太阳能蒸发了这颗行星表面可能存在的所有水。而火星的位置离太阳太远，所以这颗行星上的水冻成了永不融化的冰。只有地球与太阳的距离不远不近，刚好能容许液态水存在，所以这颗行星的表面成了孕育生命的天堂。太阳周围能容许液态水存在的区域被称为“宜居带”。

金发姑娘也喜欢“刚刚好”的东西。三只熊的小屋里摆着三碗粥，其中一碗太烫，一碗太凉，只有第三碗不烫也不凉，刚好合适，所以她喝掉了这碗粥。小屋楼上还有三张床，其中一张太硬，一张太软，只有第三张不软不硬刚刚好，所以金发姑娘躺在这张床上睡着了。三只熊回到家里，发现桌上的粥少了一碗，床上却多了个姑娘。（这个故事的结局我已经忘了，但我没想明白的是：作为食物链顶端的肉食动物，三只熊怎么没把金发姑娘吃掉呢？）

从宜居的角度来说，金星、地球和火星就像这个故事里的三碗粥和三张床，只是实际情况比童话复杂得多。40亿年前，富含水的彗星与富含矿物质的小行星仍在不断撞击行星表面，只是频率已经降低了很多。在这个宇宙尺度的碰撞游戏中，有的行星从自己形成的位置向内移动了一点，而另一些行星被推到了更远的轨道上。这几十颗行星有一部分移动到了不稳定的轨道上，最终撞向了太阳或者木星，还有一部分行星被撞得离开了太阳系。最终只有几颗行星“刚好”幸存下来，接下来的几十亿年里，它们一直围绕太阳运行。

地球公转轨道与太阳的平均距离是14967万千米。在这样的距离上，地球只能受到二十亿分之一的太阳辐射。假如地球能够吸收照射而来的所有太阳能，那我们这颗星球的平均温度应该是280K左右。正常大气压下，水的冰点是273K，沸点是373K，所以在这个距离上，地球上几乎所有的水都能愉快地保持液态。

不过先别急。讨论科学的时候，答案正确不代表原因也正确。事实上，地球只能吸收2/3的太阳能，剩余的能量都被地表（尤其是海面）和云层反射到了太空中。如果反射充分起到作用，地球的平均气温将下降到255K左右，比水的冰点还低。但我们都知道，地球的实际温度肯定高于冰点，这背后肯定藏着某种升温机制。

再等等。所有恒星演化理论都告诉我们，40亿年前，生命在地球这锅原始汤里刚刚开始成形的时候，太阳的亮度只有现在的1/3，那么当时地球的平均温度应该更低。不过这可能只是因为，在那遥远的过去，地球和太阳的距离比现在更近。只是在大轰炸阶段结束后，出于某种未知的机制，地球从一条稳定轨道进入了另一条更远的稳定轨道。或者，古代地球大气层的温室效应比现在强。我们无法确定到底发生了什么，但我们的确知道，按照我们最初的设想，宜居带与生命之间的关系其实没有那么密切，因为简单的宜居带模型根本无法解释地球历史，更重要的是，要让水或者其他基本溶剂保持液态，不一定需要恒星提供的热量。

利用宜居带寻找生命的方法存在很强的局限性，我们的太阳系里就有两个很好的例子。这两个天体中有一个位于所谓的宜居带以外，也就是说，单靠太阳提供的热量根本无法让这颗天体上的水保持液态，它也从来不曾拥有过覆盖全球的液态海洋。而另一颗天体温度实在太低，根本不可能容许液态水存在，在这样的环境中，孕育生命的溶剂可能不是水，而是一种对我们来说有毒的液体。不久前，我们的自动探测器近距离观测了这两颗天体，现在我们就来看看木卫二和土卫六的情况吧。

木卫二“欧罗巴”的尺寸和我们的月球差不多，这颗卫星表面有交叉的裂缝，而且这些裂缝还会在几周或者几个月内发生变化。对地质学家和行星学家来说，这样的现象意味着木卫二的表面几乎完全由水冰组成，换句话说，这颗卫星外面包裹着一层冰盖，就像地球上的南极洲一样，而且冰层表面的裂缝和沟壑还会不断变化。这个事实指向了一个令人震惊的结论：木卫二的冰盖实际上漂浮在覆盖全球的洋面上。多亏了旅行者号和伽利略号飞船发回的数据，科学家发现了木卫二冰层下的液态水，这才让他们观察到的现象有了合理的解释。这颗卫星表面变化的沟壑遍布全球，所以我们或许可以得出结论：木卫二的冰层下方必然存在覆盖全球的海洋。

这种液体到底是什么？它为什么能保持液态？令人惊讶的是，对于这两个问题，行星学家已经得出了两个颇为可靠的结论：首先，木卫二上的液体应该是水；其次，这些水之所以能维持液态，是因为巨行星木星引发的潮汐效应。宇宙中水分子的丰度大于氨、乙烷和甲醇，所以木卫二冰层下方的液体很可能是水，而且冰层的存在往往意味着附近还有别的水。但是，如果只考虑太阳带来的热量，木星附近的平均温度应该只有120K（-150摄氏度），在这样的环境中，水怎么可能维持液态呢？木卫二内部之所以比较温暖，是因为当木卫二与邻近天体的相对位置不断变化时，木星和附近另外两颗大型卫星（木卫一和木卫三）产生的潮汐力会不断揉搓弯折这颗卫星内部的岩石，由此产生大量的热。无论何时，木卫一和木卫二朝向木星的那一面受到的引力都大于背面，引力的细微差别必然会拉长两颗固态卫星的横向轴径。不过，在公转过程中，卫星与木星的距离会发生变化，木星造成的潮汐效应（卫星正面和背面产生引力差）也会随之改变，使得已经变扁的卫星再次发生微妙的形变。这样的形变又会让卫星内部的温度升高。我们都知道，壁球或回力网球来回撞击（从而形变）的次数越多，它的温度就会变得越高。与此类似，任何持续承受内部压力的系统都会升温。

如果单靠太阳获取热量，木卫一肯定是个冰冷死寂的世界，但事实上，内部压力却让它成了整个太阳系里地质活动最活跃的天体——火山喷发、地面破裂和板块漂移在这儿都是家常便饭。有人认为现在的木卫一就像刚刚成形时冒着热气的地球。木卫一内部的温度极高，所以这里的火山才会不断将带着地狱气息的硫化物和含钠化合物喷到几千米的高空中。事实上，木卫一根本无法容许液态水存在，因为它的温度实在太高。木卫二的潮汐弯折效应就没有木卫一这么明显，因为它距离木星更远，内部升温过程更温和，但也不容小觑。除此以外，木卫二遍布全球的冰盖仿佛罩在洋面上的“高压锅盖”，一方面它阻止了液态水蒸发到空气中，另一方面它又让这些水在亿万年的时间里始终维持液态，不会冻结。据我们目前所知，自木卫二诞生以来，液态水和上方的冰盖就已存在。木卫二的海洋温度接近冰点，但始终保持液态，这样的局面已经维持了45亿年。

因此，木卫二遍布全球的海洋是太空生物学家心目中最重要的调查目标。谁也不知道这颗卫星的冰盖有多厚，可能只有几米，也可能超过0.8千米。考虑到地球海洋中生活着丰富多彩的生命，木卫二可能是我们在太阳系寻找地外生命时的最佳目的地。想想看吧：我们可以在木卫二上冰钓！事实上，加州喷气推进实验室的工程师和科学家已经有了这样的构想：向木卫二发射一枚太空探测器，让它在这颗卫星表面着陆，然后在冰层上找（凿）一个洞，把水下摄像机放进冰洞里，我们没准就能看见在海水中悠游或者在海底爬行的原始生命。

是的，我们所期待的地外生命相当“原始”，因为它们身边可供利用的能量实在太少。无论如何，我们已经在华盛顿州厚度超过1.6千米的玄武岩层下方发现了大量靠地热生存的微生物，这意味着有朝一日，我们或许真的能在木卫二的海洋中找到迥异于地球生命的地外生物。但有一个问题仍悬而未决：这些生物有资格被称作“木卫二人”吗？

火星和木卫二是太阳系内最有可能存在地外生命的两颗天体。第三名与太阳之间的距离相当于木日距离的两倍。土星拥有一颗巨型卫星：土卫六“泰坦”。它和木星最大的卫星木卫三“盖尼米德”在太阳系的所有卫星中位居前二。土卫六的尺寸相当于月球的一半，它拥有厚厚的大气层，这是无可比拟的优势。（水星的尺寸略大于土卫六，但它和太阳之间的距离要近得多，所以水星表面的气体很容易蒸发。）不同于火星和金星，土卫六的大气层主要由氮分子组成，这一点和地球十分相似，而且这颗卫星的大气层比火星的厚几十倍。透明的氮气中飘浮着大量的气溶胶微粒，这层永不消散的迷雾隔绝了我们凝望这颗星球的视线。因此，关于土卫六是否存在生命的问题，我们只能放飞想象，大胆猜测。我们通过地表反射的无线电波（它能穿透土卫六的大气层和气溶胶）测量了这颗卫星的温度，结果发现，土卫六的地表温度约为94K（-179摄氏度），远低于水的冰点，却能容许液态乙烷存在，这种化合物由碳原子和氢原子组成，它是一种重要的石油精炼产物。几十年来，在太空生物学家的想象中，土卫六表面的乙烷湖中漂浮着无数生命，它们悠游自在地进食、相遇、繁殖。

21世纪进入第一个10年，最新的探索终于打破了天马行空的幻想。1997年10月，NASA与欧空局合作研发的卡西尼-惠更斯号土星探测器发射升空。这艘飞船先后借助金星（两次）、地球（一次）和木星（一次）的重力助推，花费了将近7年时间，终于抵达了土星附近。接下来，飞船再次点燃火箭，进入绕土星公转的轨道。

按照科学家最初的规划，惠更斯号探测器应于2004年年底与卡西尼号飞船分离，然后穿过土卫六不透明的云层，降落在这颗卫星的表面上。快速降落的过程中，隔热罩会保护惠更斯号，防止探测器与上层大气摩擦产生的高温损伤设备，进入下层大气以后，它会展开一系列降落伞，借助浮力减速着陆。惠更斯号搭载的6台仪器能测量土卫六大气层的温度、密度和化学成分，并通过卡西尼号飞船向地球发送照片。在此之前，我们只能静静等待这些数据和照片，惠更斯号将掀开土卫六的面纱，揭示这颗卫星厚重云层之下的秘密。[7]我们不太可能直接看到这颗遥远卫星上的生命（即使它们真的存在），但我们可以根据探测器发回的数据和照片判断那里是否适合生命繁衍生息，比如，我们可以看看地表有没有满是液态的湖泊和池塘。我们至少可以心怀期待：也许土卫六上有地球上没有的分子，这将为我们提供研究太阳系及地球生命起源的全新视角。

如果说水是生命之源，那么寻找地面生命的时候，我们是不是只需要关注那些拥有固态表面因而能够让水体成规模积聚的行星和卫星呢？答案是不一定。水分子和其他几种易于孕育生命的化合物（例如，氨、乙烷和甲醇）也常常存在于冰冷的恒星际气团中。在低温高密度的特殊条件下，借助附近恒星提供的能量，水分子可能被大量转化并导入增强高密度微波束中。这种现象背后的原子物理学原理类似可见光凝聚形成激光。不过在这种情况下，最终产生的不是激光，而是激微波，或者微波激射束。事实上，水不仅广泛存在于宇宙中，有时候还会聚集成束，向你迎面喷来。恒星际云团孕育生命的最大障碍不是缺乏原材料，而是云团内部的物质密度极低，这大大降低了微粒碰撞、互动的概率。如果说在地球这样的行星上，生命可能需要几百万年时间才会慢慢萌芽，那么在密度远低于地球的恒星际云团中，同样的过程可能需要耗费几万亿年——这比宇宙的寿命还要长得多。

在太阳系内寻找生命的过程中，我们似乎也完成了对宇宙起源基本问题的探索。但是，在结束这个主题之前，我们不妨想想未来会迎来的另一个重要的起源：我们与其他文明接触的起源。这是天文领域最引人遐思的主题，也是我们梳理宇宙学相关知识的最好线索。既然我们对其他星球上的生命起源已经有了一些了解，那么现在，我们不妨看看，人类有多大的概率在宇宙中找到有能力与我们交谈的生命。

第十七章 在银河系中寻找生命

我们已经看到，火星、木卫二和土卫六是太阳系内最可能找到地外生命迹象的天体，无论是活的生物还是化石遗迹。到目前为止，这三颗天体最可能拥有水或其他能容许分子碰撞、互动，进而孕育出生命的液态溶剂。

太阳系内可能存在池塘或湖泊的天体似乎只有这三个，所以大部分太空生物学家认为，如果我们真能在太阳系内找到原始生命，那恐怕只能指望这三个地方。悲观主义者更是合情合理地提出，就算这三颗天体中的某一颗或者几颗的确拥有适合生命存活的条件，未来的探索也很可能证明，这些地方根本就没有生命。无论结果如何，针对火星、木卫二和土卫六的探索必将为我们在宇宙中寻找生命提供极具价值的数据和经验。乐观主义者和悲观主义者至少已经达成了一个共识：要想找到高等生命——比简单的单细胞生物（这是地球上最早出现的生命，直到今天，单细胞生物仍是地球生命的主要组成部分）更复杂的生命——我们必须将目光投向太阳系以外，投向那些围绕其他恒星运行的行星。

很久很久以前，我们只能臆测这些行星的存在。但现在我们已经找到了上百颗系外行星，从本质上说，它们都类似太阳系里的木星和土星，所以我们或许可以颇有把握地预测，随着观测手段的进步，我们早晚会找到类似地球的行星。在20世纪最后的几年里，我们似乎发现了一些强有力的证据，足以证明宇宙中遍布宜居行星。因此，德雷克方程中的前两个项（它们共同确定了恒星周围寿命达到几十亿年以上的行星数量）应该对应相当大的数字，不过，接下来的两个项描述的是宜居行星在所有行星中的比例，以及宜居行星真正孕育出生命的概率，系外行星的发现似乎完全无助于确定这两个值，所以我们只能粗略地估计一下。德雷克方程的最后两项描述的是地外生命演化出智慧文明的概率和银河系中智慧文明的平均寿命，如果说方程中间两个项的值我们可以粗略估计，那最后这两个项我们只能猜测。

推测德雷克方程前五个项的数值时，我们可以将太阳系和人类文明作为典型参照物，不过在这个过程中，我们必须时刻牢记哥白尼原则，杜绝以特例自居的心理。但面对方程的最后一个项，即文明拥有发送恒星际信号的技术能力以后的平均寿命，哪怕以地球为参考，我们也根本无法给出确切的答案，因为谁也不知道人类文明能存在多久。近100年前，能够跨越海洋发送信号的无线电发报机问世，我们拥有了发送恒星际信号的能力。但谁也无法预见我们的文明能够继续存在百年、千年还是百万年，因为我们的能力根本不足以做出这样的预判，而且有很多迹象表明，人类文明的寿命可能不会太长。

即便知道了人类文明的寿命，我们还将面临另一个问题：我们的文明就一定能代表银河系中的普遍情况吗？所以，虽然德雷克方程的最后一个项也将直接影响计算结果，但我们还是只能把它当成未知数。从乐观的角度来看，如果大部分行星系至少拥有一个适合生命存活的天体，并且这些宜居行星有相当高的概率（比如1/10）孕育出生命，而这些生命又有极高的概率（仍然是1/10）发展出文明，那么在银河系的1000亿颗恒星中，至少有10亿颗行星可能孕育文明。当然，我们之所以能得出一个这么大的数字，是因为银河系恒星众多，其中大部分类似太阳。要想看到悲观的计算结果，我们只需要把每种情况发生的概率下调到1/10000，可能存在文明的行星数量就会锐减到原来的1/1000000，也就是说，从10亿颗直接变为1000颗。

这两个数字无疑相差云泥。假设拥有恒星际通信能力的文明平均寿命是10000年（大约相当于银河系总寿命的百万分之一），那么从乐观的角度来看，既然在某个历史阶段可能孕育文明的行星多达10亿颗，那么银河系里应该随时都有大约1000个欣欣向荣的文明。但从悲观的角度来看，任意时刻银河系内只有0.001个文明，如果事实的确如此，那么人类文明显然是个远高于平均值的例外，而且我们必将孤独。

哪种猜测更接近事实呢？从科学的角度来说，实验证据胜于一切。要想确定任意时刻银河系内文明的平均数量，最好的办法是数一数现在银河系里到底有多少个文明。要完成这个任务，最直接的办法当然是全面普查整个银河系，就像电视剧《星际迷航》里的船员最喜欢干的那样：记录我们遇到的每一个文明，对它进行分类和编号——如果我们真能遇到地外文明的话（要是银河系里一个外星文明都没有，那就太无聊了，所以电视剧绝不会采用这样的设定）。不幸的是，这样的调查远超我们如今的技术水平和经费预算。

此外，调查整个银河系可能需要花费几百万年时间，甚至更久。假设某个以星际探索为主题的电视节目严格按照现实来拍摄，那么屏幕上的船员恐怕一整集都在抱怨，因为他们已经在太空中飞了很远很远，但到达目的地仍遥遥无期。“我们已经把船上的所有杂志都读了一遍，”某位船员或许会说，“我们都受够了彼此，尤其是你，船长大人，你简直就是大家的眼中钉、肉中刺。”然后你将看到，几名船员对着自己不停地唱歌，还有一些船员陷入了自我的疯狂世界，紧接着一个长镜头会告诉你，银河系中恒星之间的距离比太阳系内部行星间的距离要远几百万倍。

你可能觉得几百万倍已经很夸张了，但这只是最近的邻居与太阳之间的距离，恒星之间的距离如此遥远，就连光都要耗费几年时间才能从这一颗到达那一颗。周游整个银河系需要的时间当然长得多。恒星际飞船如何跨越这么漫长的距离？对于这个问题，好莱坞电影要么彻底回避（1956年和1978年的《天外魔花》），要么假设火箭技术或者物理学的进步帮助我们解决了这个难题（1977年的《星球大战》），又或者利用一些有趣的办法，例如，把宇航员冻起来，帮助船员度过漫长的旅程（1968年的《人猿星球》）。

这些方法各有好处，有的还能带来一些颇有创意的可能性。比如说，目前火箭的速度只能达到光速的万分之一左右，根据我们现有的物理学知识，这个速度还有很大的提升空间。不过，就算飞船能够达到光速，要抵达最近的恒星也需要好几年时间，横穿银河系更是需要近一千个世纪。把宇航员冻起来似乎是个好办法，但考虑到恒星际旅行时间漫长，只要地球上的出资人还没被冻起来，他们肯定不愿意痛快掏钱。人类能够集中注意力的时间如此短暂，到目前为止，要与地外文明——如果他们真的存在的话——建立联系，最好的办法似乎还是乖乖待在地球上，等着他们来联系我们。这种方法没什么成本，而且能够提供我们的社会极度渴求的即时回报。

问题只有一个：他们为什么要联系我们呢？我们的星球有何吸引地外文明的独特之处？在这个问题上，人类总是一厢情愿地无视哥白尼原则。随便找个人问问，地球上有什么值得外星人注意的地方，你很可能会收获一个恶狠狠的白眼。几乎所有人都坚信，只要有外星人存在，他们肯定会造访地球，这样的信念与很大一部分宗教教条基于同一个不言自明的前提：我们的星球和我们这个物种是宇宙中的奇迹。哪怕地球只是银河系边缘微不足道的一粒尘埃，我们也注定会吸引全宇宙的注意力——从天文学的角度来说，这事儿怎么看都不合情理。

人们之所以会得出这个狂妄的结论，是因为地球上的我们观察宇宙时看到的现象与实际情况截然相反：对地球上的观察者来说，行星是主宰天空的庞然大物，恒星才是天幕中微不足道的渺小光点，这更符合人们的日常经验。我们和其他所有生物一样生存繁衍，这似乎和周围的宇宙全然无关。银河系的天体虽多，但真正能够影响我们生活的只有太阳和月亮，而且后者的影响力远不及前者。这两颗天体按照严格的规律运行，几乎彻底融入了以地球为基础的舞台背景。我们人类的意识形成于地球之上，基于地球的事物和事件，我们理所当然地认为，地球才是重要的中央舞台，邂逅地外生命不过是遥远背景里微不足道的支线情节。我们的错误在于，设想这类支线情节的时候，我们仍认为自己才是事件的中心。

这样的观念早已扎根在我们的脑海深处，哪怕我们有意识地摈除这样的想法，也很难彻底摆脱它带来的影响。运用哥白尼原则的时候，我们必须时刻警惕大脑中属于爬行动物的部分发出的呢喃，不能理所当然地把自己当成宇宙中心。

回过头审视天外来客造访地球的报告时，我们还需要留意人类思维的另一个陷阱，它和反哥白尼原则的偏见一样普遍，一样富有自我欺骗性：人类过于相信自己的记忆，有时甚至不惜扭曲现实。我们之所以会表现出这样的倾向，背后的原因和人类认为地球是宇宙中心一样，都是出于生存需求。记忆记录的是我们感知到的东西，要想总结经验以备将来之需，我们必须关注记忆。

但是现在，我们已经有了比记忆更可靠的手段，对重要公共事件的记录不必再依赖个人的记忆。国会辩论和法律以文字的形式记录在案，犯罪现场有录像为证，犯罪活动也可能留下录音证据。我们发现，要永久性地记录发生过的事件，这些媒介比我们自己的大脑更好用。但凡事皆有例外。在法律实践中，目击证言仍被视为是准确的（至少是有效的）证据。我们保留了这一做法，尽管众多试验证明，哪怕当事人刻意用心去记，也很可能无法准确记忆完整的事件，尤其是在异常的刺激条件下，而重要的事件通常伴有这样的特征。法律系统接受目击证言的传统源远流长，不仅仅因为目击证言更容易激起人们的情感共鸣，更重要的是，它往往是唯一的直接证据。无论如何，每当有人在法庭上斩钉截铁地表示“就是这个人举着手枪”的时候，我们必须牢记，有很多案例的目击证人打心底里相信拿枪的就是那个人，但事实却并非如此。

分析不明飞行物（UFO）目击报告的时候，如果你时刻牢记以上事实，那你很快就会发现许多可疑的地方。UFO的定义决定了它总是出现得非常突然，所以目击者往往在平时很少注意的天幕中突然看到它的踪迹，周围还夹杂着大量熟悉或不熟悉的背景物体，而且UFO通常很快就会消失，所以目击者必须迅速做出判断。除此以外，目击者通常坚信自己看到了十分了不得的东西，这简直就是催生记忆谬误的教科书式范例。

除了目击者报告以外，我们还能通过什么途径获得更可靠的UFO数据呢？20世纪50年代，时任美国空军UFO领衔顾问的天体物理学家J.艾伦·海尼克（J. Allen Hynek）总是随身携带迷你相机，他坚持认为，如果看到UFO，他就能用相机及时记录科学证据，因为他知道目击证言并不可靠。糟糕的是，随着技术的进步，伪造的图片和视频足以乱真，所以我们也不能完全相信UFO的图像证据。事实上，考虑到人类记忆的脆弱程度和骗术大师的高超技艺，我们根本不能指望通过某种简单的方式准确分辨真假UFO目击记录。

当我们将目光转向更富时代气息的“UFO绑架”现象，人类扭曲事实的倾向变得更加明显。虽然我们难以统计准确的数字，但近年来，数以万计的人相信自己曾被带上外星飞船并被迫接受检查，而且这些检查往往令人羞耻。从平静客观的角度来说，单凭这样的描述我们就能判断，当事人陈述的根本不是事实。对于这样的事情，直接运用奥卡姆剃刀法则——“最简单的解释就是真相”——我们就能得出结论：所谓的绑架纯属虚构。因为当事人陈述的绑架事件几乎都发生在夜间，而且大部分当事人在事件发生时处于睡眠状态，所以最可靠的解释是，他们处于半睡半醒的状态。很多人在这种状态下会出现幻听和幻视，有时候还会做“清醒梦”，做梦的人觉得自己有意识，却动弹不得。这些感受能骗过大脑的过滤系统，与真实的记忆混淆在一起，所以当事人坚信自己真的经历过梦中的事情。

如果UFO绑架事件并非出自人们的想象，而是真的发生过，这意味着天外来客的确对地球情有独钟。外星人常常造访地球，所以才有数以千计的人遭到绑架（虽然时间很短），而且经受了详细的检查。（如果这些外星人真想研究什么的话，他们难道不应该早就完成任务了吗？就算他们对人体解剖学特别感兴趣，难道就不能弄几具尸体好好研究一番？）某些故事里还有外星人从被绑架者身上提取有用物质的情节，他们将自己的种子送入女性受害者体内，或者修改被绑架者的思维模式，以逃避追查。（他们就不能直接抹除被绑架者的记忆吗？）哪怕这些故事荒诞不经，我们也不能轻易对它们嗤之以鼻，因为谁也不能排除这样的可能：也许这些漏洞百出的故事都是外星人编出来的，目的是麻痹人类，赋予我们虚幻的安全感，好为他们后面的邪恶计划或者征服宇宙的宏图争取时间。不过，理性分析的能力和清醒的判断力足以帮助我们得出结论：这些绑架故事真实发生过的概率非常非常低。

UFO的支持者和怀疑者似乎都不得不接受我们的结论。如果地外文明真的造访过地球，那他们肯定知道，我们有能力在全球范围内传播信息和娱乐素材——就算有时候你真的很难分清哪些数据是有用的信息，哪些是花边新闻。如果外星访客有意使用这些设施，那他们必将得到最高的礼遇。只要他们愿意，官方机构会立即满足他们的要求（不过想想看吧，他们或许根本不需要地球人的批准），只需要一分钟，他们就能向全世界昭示自己的到来。既然谁也没在电视上见过外星人，那么他们要么根本没来过地球，要么不愿意露面——他们“害羞”。第二种解释又带来了一个有趣的难题：如果外星访客决定藏匿行踪，而且他们的技术水平比我们高得多（毕竟他们有能力跨越漫长的恒星际空间来到地球），那他们的计划怎么总是出纰漏呢？既然外星人不想露面，我们又怎么可能得到那么多证据（目击证言、麦田怪圈、古代宇航员修建的金字塔，还有绑架事件的记忆）？他们一定在玩弄我们可怜的大脑，享受猫和老鼠的游戏。他们很可能还在暗中操纵我们的领袖，这也是政界和娱乐界挥之不去的一团疑云。

UFO现象揭示了人类意识中非常重要的一面。尽管我们坚信地球是造物的中心，头顶的繁星不过是点缀我们这个世界的背景（事实正好相反），但我们仍保持着与宇宙建立联系的强烈愿望，因此，我们才会深信天外来客造访地球的报告，从本质上说，这和古人相信仁慈的神为地球送来闪电和使者如出一辙。我们之所以会养成这样的态度，追根溯源，是因为在历史上极为漫长的一段时间里，对人类来说，头顶的天空和脚下的大地泾渭分明，星星永恒闪耀，但永远无法触及，它们怎么可能都是一回事呢？根据这些事物的不同，我们总结出了地上之物与天上之物的区别，凡俗与神圣之别，自然与超自然之别。为了在现实的这两面之间架起一座精神的桥梁，人类付出了很多努力。但现代科学告诉我们，人类其实都是星尘，这无异于彻底粉碎了我们的精神寄托，直到今天，我们仍无意识地试图找回那个完整的精神世界。对人类来说，UFO是来自“另一面”的新的信使，全知的外星访客映照出我们的无知，尽管真相就摆在眼前，我们仍视而不见。经典电影《地球停转之日》（1951）成功地捕捉了人类的这种倾向，在这部电影里，智慧远胜于我们的外星访客来到地球，只为了警告我们，无休止的暴力行为可能最终导致人类灭亡。

我们对宇宙的感受天生具有黑暗的一面，所以我们常常将自己对陌生人的情绪投射到外星访客身上。很多UFO报告中都有这样的描述：“我听到外面有奇怪的声音，所以我抓起步枪出去查看。”电影里的外星人也常常被描绘成有敌意的形象，从冷战时期的史诗之作《飞碟入侵地球》（在这部电影里，军队根本没问外星飞船的来意就毫不犹豫地开了火）到21世纪初的《天兆》（这部电影里的英雄热爱和平，所以没带步枪，但他竟然靠着一支棒球棍赶走了拥有跨越恒星际空间能力的外星人）都是这样。

我们之所以很难将UFO报告当成天外访客造访地球的可靠证据，最重要的原因在于地球的平凡地位和恒星之间的漫长距离。当然，这两个原因都无法一锤定音地彻底否认外星访客的存在，但它们的确是相当有力的反面证据。既然地球不是那么富有魅力，那么要想找到地外文明，我们是不是必须等到人类有能力抵达其他行星系的那一天？

不一定。如果银河系内外存在其他文明，那么要和他们取得联系，最科学的办法是尽量利用自然的力量。根据这一原则，我们或许可以将“人类对什么样的地外文明最感兴趣”（答案：有血有肉的访客）这个问题换成：从科学的角度说，最有可能和地外文明取得联系的方式是什么？考虑到恒星之间的漫长距离，答案自然应该是——利用现有的速度最快、价格最低的通信方式，因为对银河系中的其他文明来说，它可能同样廉价且高效。

最快、最廉价的恒星际通信方式是电磁辐射，地球上的远距离通信几乎全靠这种媒介。无线电波让我们能以光速在全球范围内传输文字和图片，这为人类社会带来了翻天覆地的变化。这些信息传递的速度如此之快，如果我们将数据发往离地37015千米高的同步卫星，利用它作为中继将数据传到地球的另一面，那么单边通信延时还不到1秒。

由于恒星之间距离漫长，延时也会相应地增加，这样的事情在所难免。如果我们打算向半人马座阿尔法星发送一条信息，那么单边通信需要4.4年。假如地球发出的信息能在20年内抵达几百颗恒星，或者围绕这些恒星运行的行星，那么发出信息以后，我们需要等上40年才能得到回复。当然，得到回复的前提是这些恒星附近的确存在文明，而且他们对无线电的运用水平至少和我们相当。

我们之所以没有采取这种办法来搜寻地外文明，最根本的原因不在于这个设想本身，而在于我们自己的态度。既然我们有可能永远得不到回复，那么40年的等待时间就显得太长了，不过，要是40年前我们发出了信息，那么现在我们没准已经对周围能够熟练运用无线电的文明有所了解了。这方面唯一算得上正经的尝试出现在20世纪70年代，为了庆祝波多黎各阿雷西博附近的无线电望远镜成功升级，天文学家利用它向M13星系团的方向发送了一条持续几分钟的信息。这个星系团远在25000光年以外，就算我们能等到对面的回复，那也是很久很久以后的事情了，所以这一尝试更像象征性的演示，而不是真正的实践。如果你觉得人类不愿对外发送无线电波是出于谨慎（面对未知的领域，谨慎总是好的），那不妨想想第二次世界大战之后广播和电视的飞速发展，还有强大的雷达波束技术，这些早已让一批批球壳状的无线电波发送到了太空中。这些信号以光速在宇宙中传播，《蜜月期》和《我爱露西》[8]那个年代的“信息”已经拂过了数千颗恒星，《天堂执法者》和《霹雳娇娃》也覆盖了几百颗恒星。如果其他文明真能从背景噪声中过滤出来自地球的电视节目（传到那些恒星的时候，这些信号的强度应该和太阳系内包括太阳在内的天体发出的辐射差不多），那么这或许可以解释我们为何迄今为止没有得到邻居的音信，他们或许觉得我们的节目骇人听闻，或者过于精彩，所以他们选择沉默。

也许明天我们就将收到一条满载有趣信息和评论的消息。这是电磁辐射通信的最大魅力所在。它非常便宜（向太空中发射50年电视节目需要的成本比不上一次太空任务），而且是即时的——假设我们真能收到另一个文明发来的信息，并且正确理解它的含义。人们之所以对此寄予厚望，原因和大众痴迷UFO如出一辙，只是在这种情况下，我们讨论的是能被记录下来再加以验证的真实信息。

搜寻地外文明计划（SETI）的重点在于寻找无线电信号，不过光波信号也是一种不容忽视的替代通信手段。虽然来自另一个文明的光波必须克服大量自然光源的干扰，但激光束能将光波凝聚成单色或者单频率的电磁波——不同广播站和电视台发射的无线电波正是靠着这样的手段来区分彼此的。如果只考虑无线电波，那么SETI成功的希望在于巡天天线，接收器会记录天线探测到的信息，强大的计算机会分析接收器记录的信号，寻找非自然的痕迹。有两种基本的可能：（1）我们也许会偶然收到其他文明无意中泄漏到太空中的通信信号，就像我们自己发射的广播电视信号一样；（2）我们也可能收到专门发送的信号，旨在吸引未知的天外文明。

前一种可能性实现的难度显然更大。信号束的能量集中于某个特定方向，如果你正好就在这个方向上，那么你很容易探测到它；另一方面，无意中泄漏的信号在各个方向上基本平均分布，所以向外传播一定距离以后，它的强度就会变得远低于成束的信号。此外，从理论上说，信号束中应该包含一些引导信息，以指导接收者解码信号，但无意泄漏到太空中的信号不会有这样的“使用说明”。几十年前，人类文明就有大量信号泄漏到太空中，除此以外，我们还向某个特定方向专门发送过一段长达几分钟的信号束。如果宇宙中的文明真的十分罕见，那我们应该把关注的重点放到无意泄漏的信号上，而不是指望正好碰上一段目标明确的信号束。

随着计算机系统、天线和接收器技术的不断进步，SETI计划的支持者开始监听宇宙，希望找到其他文明存在的证据。但谁也无法保证我们一定就能听到什么东西，所以这方面的活动募资十分困难。20世纪90年代初，美国国会为SETI计划提供了一年的资助，但头脑冷静的政客不久后就叫停了这个计划。现在，SETI计划相当依赖数以百万计的普通民众，人们从网站上（setiathome.sl.berkeley.edu）下载屏保，通过这种方式将自己的计算机闲时资源贡献出来，帮助科学家分析天线收到的太空信号。还有一些资金来自富裕的个人，其中最值得一提的有微软公司联合创始人保罗·艾伦（Paul Allen）和已故的伯纳德·奥利弗（Bernard Oliver），这位惠普公司的杰出工程师是SETI的终生支持者。奥利弗花费了多年时间思考SETI的基本问题，地外文明发送信息可能使用的频率数以10亿计，怎么筛选信号才最高效？奥利弗试图解决的正是这个难题。我们将无线电波谱分成相对较宽的频段，所以电视和广播信号能使用的频率只有几百种。但从原则上说，外星信号的频率可能非常非常窄，所以SETI天线的“刻度盘”可能需要几十亿个刻度。强大的计算机系统是SETI的核心要素，它能同时分析上亿种频率的信号。但从另一个方面来说，直到现在，科学家仍未找到可能来自其他文明的任何无线电信号。

50多年前，意大利天才科学家恩里科·费米（Enrico Fermi，他可能是最后一位兼修理论和实验的伟大物理学家）与同事共进午餐时讨论了一番地外生命的问题。他们达成了一个共识：作为生命的居所，地球并无特殊之处。几位科学家由此得出结论：银河系中的生命应该相当常见。“既然如此，”费米问道，“那么这些生命在哪儿呢？”几十年来，这个疑问一直没有得到很好的解答。

费米的意思是说，既然我们的星系中应该存在大量先进的技术文明，那么时至今日，我们至少应该通过无线电或激光信号和某个文明取得过联系，甚至有过面对面的接触。就算大部分文明都很短命（正如我们自己的文明可能面临的命运），大量文明的存在也意味着至少有一部分文明能够存活足够长的时间——足以开展搜索其他文明的工作。某些相对长寿的文明可能对搜寻“外星人”不感兴趣，但总会有文明感兴趣的。所以，既然我们现在还没有看到科学上站得住脚的外星人造访记录，也没有收到来自天外文明的任何确凿的信号，那么这个事实或许可以证明，我们大大高估了银河系孕育文明的概率。

费米的观点自有其道理。时间每走过一天，“我们必将孤独”的论点就多得到一份支持。但仔细审视真实的数据，你会发现这方面的证据还不够有力。假设银河系内随时都有几千个文明，那么相邻文明的平均距离应该是几千光年，差不多相当于相邻恒星距离的1000倍。如果这些文明中有一个或者几个能够存在几百万年，那么时至今日，他们应该已经向我们发出了信号，或者我们应该已经监听到了他们无意中泄漏的信号。但是，如果任何文明都无法维持这么长时间，那么要想找到银河系里的邻居，我们必须付出更多努力，因为除了我们之外，主动在银河系中寻找兄弟姊妹的文明可能一个都没有，他们泄漏的广播信号可能太微弱，无法被我们的天线捕获。

这样一来，我们又回到了熟悉的境地之中，仿佛永远都在等待某件可能根本不会发生的事情。人类历史上最重要的消息也许明天就会传来，也许明年会传来，也许永远不会传来。所以我们不妨敞开怀抱，走向下一个黎明，拥抱周围充满能量和秘密的闪耀宇宙。

尾声 在宇宙中寻找我们自己

带着自己的五感，人类开始探索周围的宇宙，并将这场冒险命名为科学。

——埃德温·P.哈勃，1948

人类感觉的敏锐程度和适应范围都出色得令人震惊。我们的耳朵既能捕捉航天飞机发射时的轰鸣，又能分辨房间角落一只蚊子的嗡嗡声。触觉让你能够感知保龄球砸中脚趾的冲击，又能察觉一只重量仅有1毫克的虫子正在爬过你的手臂。有人喜欢大嚼哈瓦那辣椒，而有人敏感的舌头能识别出浓度仅有百万分之几的食物香精。我们的眼睛既能适应阳光下明亮的沙地，又能毫不费力地透过黑暗看到几百英尺外一根刚刚点燃的火柴。人类的眼睛不光能看到房间对面的东西，还能遥望宇宙深处。如果没有视觉，天文学将永远不可能诞生，我们也永远不可能拥有测量宇宙的能力。

所有感觉综合在一起，赋予了我们分析周围环境的能力，比如，我们可以分析现在是白天还是夜晚，或者眼前这头动物是不是打算吃掉你。但很少有人知道，感觉为我们提供的只是了解物理世界的一扇小窗，直到最近几百年，人类才开始意识到这个问题。

有人吹嘘自己拥有第六感，也就是说，他擅长感知或者“看见”别人察觉不到的事情。占卜者、读心者和神秘主义者最爱吹嘘这种神秘的力量。他们通过这种方式潜移默化地影响他人。从本质上说，通灵学这门可疑的生意之所以有利可图，是因为人们相信，至少有一部分人真的拥有这方面的能力。

与此相对，现代科学运用的“感觉”多达几十种。但科学家不会将它们描述为某种神秘的力量，只是这些专门的硬件能将超出人类感知范围的“感觉”转化成能被我们固有的五感能够感知的表格、数据、图标或图像。

说到这里，我得向哈勃道个歉。我们在本章开头引用了他的名言，虽然这句话凄美而富有诗意，但更符合事实的描述应该是：

带着自己的五感，以及望远镜、显微镜、质谱仪、地震仪、磁力计、粒子探测器、加速器和记录整个电磁波谱辐射的设备，我们开始探索周围的宇宙，并将这场冒险命名为科学。

想想看，要是人类天生拥有频率可调的高精确度眼球，那么我们眼中的世界将变得多么丰富，我们发现宇宙基本特性的脚步又将加快多少。向上拨动无线电波谱的“旋钮”，你会发现除了某些特定的方向以外，白日的天空跟夜晚一样漆黑，银河系中心成了天空中最亮的一个点，就连人马座的几颗主序星也遮不住它耀眼的光芒。但调到微波波段，你会看到整个天空都闪烁着极早期宇宙留下的共振，自大爆炸后38万年开始，这道光墙就迎面向我们行来，直至今日。调到X射线波段，你会立即看到黑洞的位置，物质打着旋儿坠向深渊。调到伽马射线波段，你将看到遍布宇宙、位置随机的壮丽爆炸，频率约为每天一次。这样的爆炸会加热周围的物质，制造出X射线、红外线和可见光。

如果我们天生自带磁力计，那么人类永远不会发明罗盘，因为谁也用不着它。只需要将你体内的磁力计调到平行于地球磁场线的方向，你就会看到磁北极像童话里的奥兹国一样浮现在地平线上。如果人类的视网膜自带频谱分析仪，那我们就不必费劲研究大气成分。只需要看一眼，我们就知道空气中的氧够不够人类呼吸。除此以外，早在几千年前我们就会知道，银河系内恒星和星云包含的化学元素和地球上的一模一样。

如果我们生来拥有敏感的大眼睛和内置的多普勒运动探测器，那么早在穴居人的时代，我们就该发现整个宇宙在膨胀，所有遥远的星系都在逐渐离我们远去。

如果我们双眼的分辨率堪比高性能显微镜，那谁也不会觉得瘟疫和其他疾病是上天的惩罚。你将亲眼看到致病的细菌和病毒钻进你的食物，或者溜进皮肤上的开放伤口。只需要做几个简单的实验，你就能轻松分辨哪些微生物是好的，哪些是坏的。我们很可能在几百年前就找到了术后感染的罪魁祸首，早早地解决了这个难题。

如果人体能探测高能粒子，那么我们应该远远地就能感觉到放射性物质的存在。盖革计数器将沦为废品。你甚至能看到氡气透过地下室的地板渗进你家，而不必花钱雇人来检查。

从出生开始，每个人都在不断磨砺自己的五感，有了这个过程，成年人才能形成“正常”的世界观，并以此为基础来判断我们遇到的事件或现象是否“合理”。但问题在于，过去一个世纪几乎没有以人类直接感觉为基础的重要科学发现。重要的发现都来自超越感官的数学方法和硬件。这个简单的事实很好地解释了对普通人来说，相对论、粒子物理学和十一维弦论为什么都显得荒诞不经、毫无道理。这份清单上还有黑洞、虫洞和大爆炸。事实上，就连科学家都觉得这些概念有些荒谬，但是后来，对宇宙的长期观察从技术上证明了它们的合理性。于是我们最终建立了更新、更高等级的“超常识”，这赋予了科学家新的创造性思维方式，所以他们才能更好地理解那些陌生的新世界，例如原子的微观王国和令人费解的高维空间。关于量子力学的创建，20世纪的德国物理学家普朗克也有同感：“现代物理学最大的意义在于，它揭示了超越我们日常感知的另一部分的现实；这部分现实也存在问题和冲突，对我们来说，它们的价值甚至超过了这个世界上最富饶的经验宝藏。”

每一种新的观测手段都将为我们打开一扇观察宇宙的新窗，新的探测器又将为越来越长的“非生理感觉清单”增添新的一笔。一次次的进步不断地将我们送上理解宇宙的新高度，仿佛我们正在演化成为某种超感知的存在。有了这些人造“感官”，在解密宇宙的过程中，我们对自身的认知又将取得怎样的突破？我们之所以执着于这个问题，不仅仅是出于简单的好奇心，更是为了探索我们这个物种在整个宇宙中的位置。其实这个问题并不新颖，这是个十分古老的问题，纵观历史，来自不同文化的思想者多多少少都琢磨过这方面的事情。下面这段诗句很好地总结了我们目前的发现：

我们将不停止探索

而我们一切探索的终点

将是到达我们出发的地方

并且是生平第一遭知道这地方……

——T.S.艾略特，1942[9]

致谢

感谢普林斯顿大学的罗伯特·卢普顿（Robert Lupton）反复阅读本书手稿，帮助我们用文字准确地表达想要表达的东西。他在天体物理学和英语上的造诣为这本书提供了极大的帮助，如果没有他，我们完全无法想象这本书能达到如今的水平。我们同样感谢芝加哥费米研究所的西恩·卡罗尔（Sean Carroll）、夏威夷大学的托拜厄斯·欧文（Tobias Owen）、美国自然历史博物馆的史蒂文·索特尔（Steven Soter）、加州大学圣迭戈分校的拉里·斯夸尔（Larry Squire）、普林斯顿大学的迈克尔·斯特劳斯（Michael Strauss）和美国公共广播公司“新星”系列的制作人汤姆·利文森（Tom Levenson），感谢你们为本书提供关键的修改建议。

感谢格纳经纪公司的贝琪·勒纳（Betsy Lerner），自始至终，你一直都对这个项目充满信心。在你眼里，我们这本手稿不仅仅是一本普通的小书，它还承载着我们对宇宙最深的热忱，值得分享给尽可能多的读者。

本书卷二的大部分内容及卷一、卷三中的部分内容曾由尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson，后文简称NDT）以短文的形式首次发表于《自然历史》（Natural History）杂志。为此，他深深感谢该杂志主编彼得·布劳恩（Peter Brown）和资深编辑阿维斯·朗（Avis Lang），他们是泰森写作道路上的牧者。

作者非常感谢斯隆基金会（Sloan Foundation）在本书筹备和撰写过程中提供的帮助。我们对该组织为此类科普项目提供的支持深表敬意。

尼尔·德格拉斯·泰森，纽约市

唐纳德·戈德史密斯，伯克利，加州

2004年6月

术语表

热力学温标：又称绝对温标或开尔文温标，简称开氏温标，得名于物理学家开尔文，单位为开尔文（K），水的冰点和沸点分别是273.16K和373.16K。0K代表绝对零度，即理论上能达到的最低温度。

加速度：物体运动速率或方向（或二者）的变化。

堆积：物质汇集在某物体表面上。

吸积盘：围绕大质量天体（尤其是黑洞）做轨道运动，并沿螺旋轨迹缓慢向内坠落的物质。

活动星系核（AGN）：这个天文学术语描述的是比普通星系中央区域亮几千倍、几万倍甚至几十万倍的特殊星系核。AGN和类星体系出同源，但根据我们的观察，AGN和地球之间的距离通常比类星体更近，所以它们在自身生命周期中所处的阶段应该晚于后者。

氨基酸：一类相对较小的分子，由13～27个碳原子、氮原子、氢原子、氧原子和硫原子组成，这些分子可以首尾相连形成长链蛋白质分子。

仙女座星系：离银河系最近的大型旋涡星系，距离我们大约240万光年。

反物质：物质的互补形态，构成反物质的反粒子质量与普通粒子完全相同，但电性正好相反。

反粒子：普通物质粒子的互补形态。

视亮度：观察者看到的天体亮度。天体的视亮度由它自身的亮度和它与观察者之间的距离共同决定。

古菌：代表生命的三个域之一，人们认为古菌是地球上最古老的生命形式。所有古菌都是单细胞嗜热生物（它们能在超过50摄氏度甚至70摄氏度的环境中繁荣生长）。

小行星：绕太阳公转的一类天体，主要由岩石（或者岩石和金属的混合物）构成。大部分小行星位于火星和木星之间的小行星带，直径从100米到1000千米不等。性质类似小行星但尺寸更小的天体被称为“流星体”。

天文学家：研究宇宙的人。这个词在过去较为常用，那时候我们还没有总结归纳出各种天体的特征光谱。

天体物理学家：利用我们已知的所有物理学定律研究宇宙的人。“天文学家”的现代称呼。

原子：呈电中性的元素最小单元。原子由原子核和核外电子组成，其中原子核包含一个以上的质子和零个以上的中子，核外电子的数量等于原子核携带的正电荷数，这个数字决定了原子的化学性质。

细菌：地球生命的三个域之一，它的正式名称是“原核生物”。所有细菌都是单细胞生物，它们没有包含遗传物质的边界清晰的细胞核。

棒旋星系：中央区域的恒星和气体比较密集，形成了拉长棒状结构的特殊旋涡星系。

大爆炸：对宇宙起源的科学描述。按照大爆炸假说，大约140亿年前，一场惊天动地的爆炸创造了所有的空间和物质。今天的宇宙仍在继续朝着所有方向膨胀，这是大爆炸留下的余韵。

黑洞：引力极强的天体，在黑洞中心附近一定的范围内，任何物体，包括光线，都无法逃脱它的引力，这个范围被称为黑洞半径。

黑洞半径：质量为太阳的M倍的黑洞，其史瓦西半径约为3M千米，这个范围又被称为黑洞的“事件视界”。

蓝移：趋向于高频短波的偏移，通常源自多普勒效应。

棕矮星：成分类似恒星，但质量不足以在核心区域引发核聚变（从而形成恒星）的天体。

碳水化合物：仅由碳、氢和氧这三种元素组成的一类分子。碳水化合物分子内部氢原子的数量通常是氧原子的两倍。

碳：碳元素的每个原子核拥有6个质子，它的几种同位素分别包含了6个、7个或8个中子。

二氧化碳：每个CO_2分子由1个碳原子和2个氧原子组成。

卡西尼-惠更斯号：1997年，这艘飞船从地球发射升空，2004年7月，它到达了土星。此后，卡西尼号轨道器探测了土星及其卫星，释放出去的惠更斯号探测器则降落在土星最大卫星——土卫六——的表面上。

摄氏温标：瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯于1742年引入了这套以他的名字命名的温标。摄氏温标下，水的冰点和沸点分别是0摄氏度和100摄氏度。

催化剂：加快或减缓特定原子或分子之间反应速率的物质，但它自身并不参与化学反应。

细胞：所有地球生命形式共有的结构和功能单元。

染色体：一个DNA分子加上与该分子相连的蛋白质。遗传信息储存在染色体内部名为“基因”的亚单元之中，细胞复制过程中，染色体能将这些信息传递下去。

文明：按照SETI的定义，一个群体至少应该拥有不弱于我们的恒星际通信能力，才能被称为“文明”。

宇宙背景探测者（COBE）卫星：1989年发射的一颗卫星，它观测了宇宙背景辐射，并且首次发现了天空中不同方向上宇宙背景辐射的细微差异。

彗星：太阳系原始物质形成的碎片，通常是一个由冰、岩石、尘埃和冻结的二氧化碳（干冰）组成的“脏雪球”。

星座：我们在地球上观察到的距离较近的一组恒星，通常以动物、行星、科学设备或神话人物为名，直接以形状特征为名的星座非常罕见，天空中共有88个星座。

宇宙背景辐射（CBR）：诞生于大爆炸之后不久的无处不在的光子海洋，直到今天，它仍充满整个宇宙，目前CBR的特征温度是2.73K。

宇宙常数：爱因斯坦在描述宇宙整体行为的方程中引入的一个常数，它代表的是每立方厘米看似空旷的空间中包含的暗能量。

宇宙学家：专门研究宇宙起源及大尺度结构的天体物理学家。

宇宙学：将宇宙作为整体来研究其结构及演化过程的学科。

暗能量：现有的任何手段都探测不到的隐形能量，它的值由宇宙常数决定。暗能量是宇宙膨胀的原因。

暗物质：不与电磁辐射相互作用的物质形态，我们只能通过暗物质作用于可见物质的引力反推出它的存在。

去耦：宇宙历史上光子的能量首次降到阈值以下，从此以后再也无法与原子产生互动的时期。在这个阶段，原子第一次得以成形，不再被光子击碎。

脱氧核糖核酸（DNA）：一种复杂的长链分子，由两股螺旋组成，长链上数以千计的小分子彼此交缠，紧紧相依。DNA分子分裂复制时会沿着长度方向解开螺旋，每一对交缠的小分子都会分开。分裂之后的两个半个DNA分子都会组织周围环境中的小分子，形成一个和原始分子一模一样的新分子。

多普勒效应：如果光源正沿着观察者视线的方向靠近或远离，观察者看到的光子频率、波长和能量都会发生变化，这就是多普勒效应。任何一种波都可能出现多普勒效应，具体取决于波源和观察者之间沿视线方向的相对运动。

多普勒频移：多普勒效应造成的频率、波长和能量的变化。

双螺旋：DNA分子的基本结构形状。

德雷克方程：美国天文学家弗兰克·德雷克首次提出的这个方程综合描述了我们估计的目前或任意给定时刻银河系中拥有恒星际通信能力的文明数量。

干冰：冻结的二氧化碳。

尘埃云：温度低得足以允许原子结合形成分子的恒星际空间中的气体云，很多分子会自发组合起来，形成包含上百万个原子的尘埃微粒。

动力学：研究物体互动产生的力和运动的学科。研究太阳系和宇宙的动力学通常被称为“天体力学”。

监听：试图捕捉地外文明无意中泄漏的无线电信号，借此证明其存在的技术。

偏心率：衡量椭圆扁度的参数，偏心率等于椭圆两个焦点之间的距离与其长轴之比。

蚀：某个天体被另一个天体部分或完全遮挡的现象，在观察者看来，被“蚀”的天体仿佛躲到了另一个天体后面。

电荷：基本粒子的固有特性，电荷可能是正的，可能是负的，也可能是零。在电磁力的作用下，携带不同电荷的粒子会互相吸引，携带相同电荷的则会互相排斥。

电磁力：四种基本力之一，作用于带电粒子，与粒子之间的距离成反比。研究表明，电磁力和弱核力实际上是同一种电弱力的不同表现形式。

电磁辐射：光源释放的携带能量的光子洪流。

电子：携带一个负电荷的基本粒子，原子内部的电子绕原子核旋转。

电弱力：电磁力和弱核力的统一形式。在相对较低的能量下，这两种力的表现形式很不一样，但在高能状态下（例如，宇宙诞生之初的阶段），这两种力又会合二为一。

元素：物质的基本成分，以原子核包含的质子数为基本分类特征。宇宙中所有普通物质由92种元素组成，从最小的氢原子（原子核内只有1个质子）到最大的自然元素铀（原子核内有92个质子）。比铀更重的元素只能在实验室里合成。

基本粒子：自然界的基本微粒，通常无法再分割成更小的粒子。质子和中子通常被视为基本粒子，虽然这两种微粒分别由3个名叫“夸克”的粒子组成。

椭圆：一条封闭曲线，椭圆曲线上任意一点到其内部两个固定点（焦点）的距离之和永远相等。

椭圆星系：恒星呈椭圆状分布的星系，几乎不包含星际气体或尘埃，它的二维投影看起来很像一个椭圆。

能量：做功的能力；物理学意义上的“功”定义为作用于特定距离的一定量的力。

质量能：等同于特定质量的能量，其值等于质量乘以光速的平方。

酶：一种分子，可能是蛋白质或RNA，它可以帮助分子发生特定形式的互动，加快分子特定反应的速度，因此，酶是一种催化剂。

逃逸速度：足以让抛射物或飞船克服引力，不再落回原地的最小速度。

真核生物：地球生命的三个域之一。真核生物可能是单细胞生物，也可能是多细胞生物，它们共同的特征在于，我们在它们体内能够找到边界清晰的细胞核。

木卫二：木星的四颗大型卫星之一，最显著的特征是覆盖全球的冰层。

事件视界：黑洞半径的带有诗意的另一个名字，定义为黑洞中心附近任何事物都无法逃逸的范围。越过事件视界的任何事物都不可能逃脱黑洞的引力。因此，我们或许可以认为，事件视界就是黑洞的“边缘”。

演化：生物学意义上的演化指的是自然选择的过程，在特定的环境条件下，同一类生物（物种）的后代会随着时间的推移产生变化，最终它们的结构和外形都会变得大相径庭；从广义上说，事物缓慢变化成另一种形式或状态的过程都叫“演化”。

系外行星：绕太阳以外的其他恒星旋转的行星。

极端微生物：能在高温（通常是70～100摄氏度）环境中繁荣滋长的生物。

裂变：较大的原子核分裂成两个以上较小原子核的过程。大于铁的原子核裂变时会释放能量。目前人类的所有核电厂都靠裂变（又叫“核裂变”）提供能量。

力：广义的力指的是能够制造物理变化的举动；作用于物体的力倾向于改变物体在作用方向上的速度。

化石：古生物留下的残骸或痕迹。

频率：对光子来说，频率指的是光波每秒振荡的次数。

聚变：较小的原子核聚合形成较大原子核的过程。小于铁的原子核聚变时会释放能量。聚变为全世界的核武器和宇宙中的所有恒星提供了主要的能量来源。聚变又叫“核聚变”或“热核聚变”。

星系：从几百万颗到几千亿颗不等的一大群恒星相互吸引形成的结构，星系中通常还有大量的气体和尘埃。

星系团：多个星系组成的大团，通常包含气体、尘埃和大量暗物质，这些在共同的引力作用下聚集在一起，形成星系团。

伽利略号：1990年，NASA向木星发射的飞船。伽利略号于1995年12月抵达木星，并向木星大气层发射了一枚探测器；接下来的几年里，这艘飞船一直绕着这颗巨行星公转，为木星及其卫星拍摄照片。

伽马射线：能量和频率最高、波长最短的电磁辐射。

基因：染色体上由基因编码定义的特殊片段，基因决定了特定氨基酸链的结构。

基因编码：DNA或RNA分子内部的“字母”组合，每个基因编码都代表一种特定的氨基酸，它由三个连续的小分子组成，这些小分子也是构成DNA分子交缠双螺旋的基本单元。

基因组：某个生命体所有基因的集合。

广义相对论：爱因斯坦于1915年提出的理论，广义相对论是狭义相对论的自然扩展，它适用于有加速度的参照系。这种现代的引力理论成功地解释了牛顿引力理论无法解释的大量实验结果。广义相对论的基本前提是“等效性原理”，比如说，飞船里的人无法分辨自己乘坐的飞船是在空间中加速前进还是在引力场（其引力能够产生同样的加速度）中保持静止。这个简单但基本的原则彻底颠覆了我们对引力的理解。根据爱因斯坦的理论，引力根本不是传统意义上的“力”，而是有质量的物体附近的空间弯曲。物体的运动完全取决于它的速度与空间弯曲的程度。虽然这种反直觉的说法听起来十分怪异，但广义相对论能够解释人类有史以来研究过的引力系统已知的所有行为，而且它预言了大量更加反直觉的现象，后来的实验相继验证了这些预言。比如说，爱因斯坦预测强引力场会弯曲空间，使光线发生明显的弯曲；后来我们发现，经过太阳边缘的星光（日全食为我们提供了最理想的观测机会）的确会发生弯曲，而且偏移量完全符合爱因斯坦的预测。广义相对论最成功的应用或许在于，它成功描述了我们这个膨胀的宇宙的现实：在数千亿个星系共同的引力作用下，宇宙中的所有空间实际上都是弯曲的。广义相对论还做出了一个十分重要但尚未得到验证的预测，那就是“引力子”的存在——这种携带引力的微粒能在引力场中产生突变，就像超新星爆炸时一样。

巨行星：尺寸和成分类似木星、土星、天王星或海王星的行星。巨行星由固态的岩石内核和冰组成，外面包裹着厚重的气体层，这些气体的成分主要是氢和氦。巨行星的质量范围从地球的十多倍到几百倍不等。

引力：四种基本力之一，永远相互吸引。任意两个物体之间的引力与其质量之积成正比，与二者之间距离的平方成反比。

引力透镜：天体释放的强大引力能够弯曲附近的光线，聚焦形成一个更明亮的虚像。如果没有引力透镜，观察者不可能看到这么亮的图像。

引力辐射（引力波）：引力辐射和电磁辐射不一样，但它们同样以光速传播，大质量物体高速擦肩而过时会产生大量引力波。

温室效应：行星大气层截留红外辐射的效应，它会使行星表面和正上方的温度升高。

宜居带：恒星周围能允许一种或多种溶剂以液态形式存在的范围，实际上是一个内外边界分明的环状球壳。

晕：星系最外层的区域。星系晕占据的体积远大于可见的星系本体，星系中的大部分暗物质都存在于这个区域。

氦：宇宙中第二轻的元素，丰度也位居第二。氦原子核拥有2个质子，以及1～2中子。恒星的能量就来自氢原子核（质子）聚变形成氦原子核的过程。

赫兹：频率单位，定义为1秒内振动的次数。

哈勃常数：出现在哈勃定律中的常数，描述星系的距离及其退行速度的关系。

哈勃定律：该定律描述我们今天观察到的宇宙膨胀，根据哈勃定律，遥远恒星的退行速度等于它和银河系之间的距离乘以一个常数。

哈勃太空望远镜：1991年发射的太空望远镜，它成功拍摄了大量天体的可见光高清照片，因为这台望远镜身在太空中，所以它能摆脱地球大气层不可避免的干扰和吸收效应，自由地观察宇宙。

氢：宇宙中最轻、丰度最高的元素，每个氢原子的原子核只有1个质子，但中子数可能是0，也可能是1或者2。

红外线：波长大于可见光、频率小于可见光的光子组成的电磁辐射。

初始奇点：宇宙膨胀（“大爆炸”）开始的那一刻。

内层行星：太阳系内的水星、金星、地球和火星，内层行星体积小、密度大，而且主要由岩石组成。

恒星际云团：恒星际空间中密度远大于平均值的区域，直径通常绵延几十光年，物质密度从每立方厘米十个原子到几百万个分子不等。

恒星际尘埃：每个尘埃微粒由上百万个原子组成，这些微粒很可能是从红巨星极其稀薄的大气层喷射到恒星际空间中的。

恒星际气体：星系中不属于任何恒星的气体。

离子：失去了一个或多个电子的原子。

离子化：剥夺原子的一个或多个电子，使之变成离子的过程。

不规则星系：形状不规则的星系，也就是说，它既不像旋涡（碟状）又不像椭圆。

同位素：特定元素的原子核，所有同位素包含的质子数完全一样，但中子数不尽相同。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）：计划于21世纪初投入使用的太空望远镜，它将成为哈勃太空望远镜的继任者。JWST的镜头更大，携带的设备也更先进。

动能：物体由于运动而具有的能量，定义为物体质量的0.5倍乘以速度的平方。因此，如果两个物体运动速度相同，那么质量大的物体（譬如一辆卡车）拥有的动能必然大于质量小的物体（譬如一辆自行车）。

柯伊伯带：距离太阳从40天文单位（冥王星与太阳的平均距离）到几百天文单位之间的环状区域，里面充满了太阳原行星盘残留下来的碎片。冥王星是柯伊伯带最大的天体之一。

大麦哲伦云：银河系两个不规则卫星星系中较大的那个。

纬度：地球上的纬度是一套标示南北方向的坐标系，赤道的纬度为0°，南北极则分别是南纬90°和北纬90°。

光年：光或者其他形式的电磁辐射1年行经的距离，约等于10万亿千米。

本星系团：银河系附近的几十个星系。本星系团包括大小麦哲伦云和仙女座星系。

对数尺度：记录一整张纸都写不下的大数字的一种方式。用数学术语来说，对数尺度呈指数增长（1，10，100，1000，10000）而非算术增长（1，2，3，4，5）。

经度：地球上的经度是一套标示东西方向的坐标系，人为定义的“本初子午线”是一条经由英国格林尼治天文台，贯穿南北极的大圆。从本初子午线出发，东经180°至西经180°囊括覆盖了整个地球表面。

亮度：天体每秒释放的所有形式的电磁辐射的总能量。

质量：度量物体物质内容的物理量。请勿将质量与重量混淆，后者衡量的是物体受到的引力。

大灭绝：地球生命史上的重大事件，有时候由剧烈的撞击引发，导致地球上相当一部分生物物种在极短的地质时间内彻底灭绝。

新陈代谢：生命体所有化学过程的统称，定义为生物利用能量的速度。新陈代谢率高的动物必须更频繁地摄取能量（食物）才能维持生命。

流星：流星体穿过地球大气层时摩擦生热留下的明亮轨迹。

流星雨：地球在短时间内遭遇轨道上的大量流星体造成的现象，表现为天空中特定角度突然出现大量流星。

陨石：经过与地球大气层的摩擦仍残存下来的流星体。

流星体：太阳公转轨道上由岩石和/或金属组成的天体，体积小于小行星。一部分流星体是太阳系形成过程留下的残骸，还有一部分是太阳系内的天体互相碰撞产生的碎片。

银河系：包含了太阳和另外大约3000亿颗恒星的星系。除了恒星以外，银河系里还有恒星际气体、尘埃和大量暗物质。

模型：思维概念，通常由纸笔或高速计算机辅助创建，代表现实的简化，让科学家得以将某种条件下最重要的过程单独提取出来加以分析理解。

修正版牛顿力学（MOND）：以色列物理学家莫德采·米尔格若姆提出的一种变体引力理论。

分子：两个以上原子组成的稳定结合。

突变：生物DNA产生的能被后代继承的变化。

星云：弥散的气体和尘埃，通常会被内部新形成的高亮度恒星点亮。

中微子：一种质量远小于电子的电中性基本粒子，由弱核力主宰的基本粒子反应是创造或吸收中微子的主要过程。

中子：一种电中性的基本粒子，组成原子核的两种基本成分之一。

中子星：超新星爆炸核心留下的微型残骸（直径小于32千米）。中子星几乎完全由中子组成，所以它的密度极大，16立方厘米的空间中包含的物质足以填满2000艘远洋轮船。

氮：每个原子核拥有7个质子的元素，氮同位素的原子核可能包含6个、7个、8个、9个或10个中子。大部分氮原子核拥有7个中子。

核聚变：两个原子核在强核力的作用下融为一体。原子核必须靠近到小于质子尺寸的距离才有可能发生聚变。

核苷酸：DNA和RNA内部交缠的分子。DNA的四种核苷酸分别是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。RNA内部没有胸腺嘧啶，由尿嘧啶取而代之。

奥尔特云：绕太阳公转的几十亿甚至几万亿颗彗星，最早诞生于原太阳刚刚开始凝聚成形的时期。奥尔特云内部几乎所有彗星的公转轨道半径都比地球轨道半径大几千倍甚至几万倍。

有机物：由碳原子充当重要结构元素的化合物，碳基分子，与生命有关。

氧化：与氧原子结合。暴露在地球大气中的金属生锈就是最典型的氧化过程。

氧：每个原子核包含8个质子的元素，氧同位素的原子核分别拥有7个、8个、9个、10个、11个或12个中子。大部分氧原子核拥有8个中子，质子数和中子数正好相等。

臭氧：由3个氧原子组成的分子，存在于地球大气层高处，能够帮助地球隔绝紫外线。

泛种论：认为生命可能从某地传往别处的假说，比如说，泛种论认为生命可以在太阳系内的行星间传播。

光子：一种没有质量的电中性基本粒子，能够携带能量。光子束组成的电磁辐射在空间中以299792千米/秒的速度传播。

光合作用：利用可见光或紫外线，以二氧化碳和水为原料制造碳水化合物分子的过程。地球上的大部分生物利用水（H_2O）进行光合作用，但也有一部分生物能用硫化氢（H_2S）取代水，完成光合作用。

行星：绕恒星公转，尺寸不小于冥王星的非恒星天体。冥王星曾是太阳系内最小的行星，但现在我们认为，柯伊伯带的这颗天体实在太小，不能被归类为行星。

小行星体：尺寸远小于行星的天体，可以通过无数次互相撞击形成行星。

板块构造：地球（及其他相似行星）地壳板块的缓慢运动。

原始大气：一颗行星最初的大气层。

原核生物：生命的三个域之一，见“细菌”。

蛋白质：由一条或多条氨基酸链组成的长链分子。

质子：一种带正电的基本粒子，存在于所有原子的原子核内。原子的化学性质由核内质子数决定。

质子循环：三种核聚变反应组成的循环链，大部分恒星通过这个循环过程将质子转化为氦原子核，同时将质能转化为动能。

原行星：处于形成最后阶段的行星。

原行星盘：正在成形的恒星周围的气体和尘埃组成的碟状结构，原行星盘可能孕育出独立的行星。

原恒星：正在形成的恒星。一大团气体尘埃云在自身引力作用下收缩凝聚，形成恒星的雏形。

脉冲星：向外有规律地释放无线电光子脉冲（通常还有能量更高的光子）的天体。快速旋转的中子星周围存在高强度磁场，带电粒子被磁场加速，从而形成脉冲。

量子力学：描述微观尺度下粒子行为的学科，原子结构、原子之间的互动、原子与光子的互动，以及原子核的行为都属于量子力学的研究范围。

类星体（类星射电源）：外观类似恒星，但光谱呈明显红移（因为它们和银河系之间的距离十分遥远）的天体。

无线电：波长最长、频率最低的光子。

放射性衰变：特定类型的原子核自发转化为其他原子核的过程。

红巨星：度过了主序阶段，核心开始收缩，同时外层膨胀的恒星。恒星核收缩会加快核聚变的速度，提高恒星的亮度，恒星外层将得到更多的能量，从而开始膨胀。

红移：物体光谱趋向于低频长波的偏移，通常由多普勒效应导致。

分辨率：相机、望远镜和显微镜等光学设备捕捉细节的能力。更大的镜头或者镜片通常能带来更高的分辨率，但大气带来的干扰可能让你事倍功半。

核糖核酸（RNA）：一种复杂的大分子，其基本成分和DNA相同。RNA承担着活细胞的许多重邀功能，包括将DNA携带的遗传信息传递到蛋白质合成的地点。

卫星：围绕质量和尺寸都远大于自身的天体公转的相对较小的天体。更准确地说，两个天体围绕它们共同的质心公转，其轨道半径与天体自身质量成反比。

自身引力：物体内部某部分承受的来自其他所有部分的引力。

小麦哲伦云：银河系两个不规则卫星星系中的一个。

太阳系：太阳及围绕它公转的天体，包括行星及其卫星、小行星、流星体、彗星和行星际尘埃。

太阳风：太阳向外释放的粒子，主要是光子和电子。太阳最外层一刻不停地释放太阳风，但太阳耀斑爆发期间的太阳风最为剧烈。

溶剂：能溶解其他物质的液体。溶剂能容许原子和分子漂浮其中，发生互动。

时空统一论：空间和时间的数学统一体，这套理论认为时间和空间完全等效。狭义相对论告诉我们，时空统一论是对自然最准确的描述。所有事件都能用时间和空间坐标来描述，二者之间的差异完全不影响最终表达的结果。

狭义相对论：1905年由爱因斯坦首次提出，这套理论为我们提供了理解空间、时间和运动的全新角度。狭义相对论基于两条“相对性原则”：（1）光速在任何参照系下始终保持恒定；（2）所有静止或匀速运动的参照系都遵循同样的物理定律。后来，这套理论又扩展到了拥有加速度的参照系下，我们称之为“广义相对论”。爱因斯坦提出的这两条相对性原则完全符合实验结果，以此为基础，他预测了一系列很不寻常的概念，其中包括：

·不存在绝对同步的事件。某个观察者眼中同时发生的两件事在另一个观察者看来可能存在时间差。

·你运动的速度越快，你相对于观察者的时间就流逝得越慢。

·你运动的速度越快，你的质量就会变得更大，飞船发动机加速也越来越困难。

·你运动的速度越快，你的飞船就会变得越短——所有物体都会沿着运动的方向缩短。

·光速下的时间会完全停止，你的长度会变成零，质量则变成无穷大。由于存在这样的局限，爱因斯坦得出结论：你永远不可能达到光速。

>爱因斯坦的这些预测都得到了实验的精准验证。最完美的例子就是粒子的“半衰期”。经过一段特定长度的时间以后，半数粒子将衰变成另一种粒子。不过，如果将这些粒子放进加速器里，让它们以接近光速的速度运动，它们的半衰期应该会变长，具体数字取决于狭义相对论的计算结果。而且粒子速度越快，加速就越困难，因为它们的有效质量会不断变大。

物种：特定种类的生物，同物种的所有成员拥有相似的解剖学特征，能够交配繁殖。

谱系（光谱）：以频率或波长为尺度描述光子的分布，通常以图像的形式表现特定频率或波长的光子数量。

球体：表面上的每一点与中心距离完全相等的唯一一种立体形态。

旋臂：旋涡星系盘内的螺旋状结构，由最年轻、最炽热、最明亮的恒星勾画出的旋臂的轮廓，点缀其间的是孕育这些恒星的巨型气体尘埃云。

旋涡星系：以恒星、气体和尘埃组成的扁平碟状结构为特征的星系，星系盘内有旋臂。

恒星：大量气体在自身引力作用下聚集形成的天体，恒星中心区域的核聚变反应将质能转化为动能，释放出的热量加热整颗恒星，使恒星表面发光。

星团：同时诞生于同一地点的一组恒星，在相互引力的作用下，星团能维持几十亿年。

强核力：四种基本力之一，永远相互吸引。强核力将核子（质子和中子）结合在一起形成原子核，但它的作用尺度大约只有10-13厘米。

升华：物质从固态直接转变为气态（跳过液态阶段）的过程。

次毫米波：频率和波长介于无线电波和红外线之间的电磁辐射。

超大质量黑洞：质量超过太阳100倍的黑洞。

超新星：核聚变阶段结束后发生爆炸的恒星。爆发的超新星会在短短几周内释放出耀眼的光芒，向外输出的能量堪比整个星系。恒星际空间中比氢和氦更重的元素都来自超新星爆发。

望远镜：天文学家为光谱的每一个部分都设计了专门的望远镜和探测器。某些频率的光根本无法到达地球表面，要想观察宇宙中众多天体释放的伽马射线、X射线、紫外线和红外线，这些望远镜必须安置在地球上空的轨道上才能避开大气层的干扰。这些望远镜的设计各不相同，但它们都遵循三个共同的基本原则：（1）它们捕捉光子；（2）它们聚焦光子；（3）它们能用某种探测器记录光子。

温度：度量一组粒子随机运动平均动能的物理量。绝对（开氏）温标下，气体的温度与气体微粒的平均动能成正比。

热能：物体（无论是固体、液体还是气体）由于原子或分子的振动而拥有的固有能量。

热核过程：高温下与原子核行为有关的所有过程。

热核聚变：核聚变的别称，有时候简称为“聚变”。

嗜热生物：能在接近水的沸点的高温下繁荣滋长的生物。

潮汐：附近的天体作用于可变形物体的引力造成的起伏。天体与可变形物体各个部分的距离并不相同，所以这些部分受到的引力也不完全一样。

不明飞行物（UFO）：出现在地球天空中的难以找到合理解释的飞行物。UFO的流行证明了科学界的无知或者目击者的无知。

紫外辐射：频率和波长介于可见光和X射线之间的光子。

宇宙：通常用于描述存在的一切事物。不过根据现代的理论，我们称之为“宇宙”的这一切可能不过是一个更大的“超宇宙”或者“多宇宙”的一部分。

病毒：核酸和蛋白质分子组成的混合体，只能通过另一种生物的“宿主”细胞完成繁殖。

可见光：频率和波长能被人类双眼感知到的光子，介于红外辐射和紫外辐射之间。

旅行者号：NASA的两艘飞船，分别叫作旅行者1号和旅行者2号。两艘旅行者号飞船于1978年从地球发射升空，几年后它们先后经过了木星和土星；接下来，旅行者2号于1986年与天王星交会，1989年抵达海王星。

波长：连续两个波峰或波谷之间的距离。对光子来说，波长相当于一个光子一次振荡行经的距离。

弱核力：四种基本力之一，只能作用于距离小于10-13厘米的基本粒子。特定基本粒子的衰变就是弱核力造成的。近期研究表明，弱核力和电磁力实际上是同一种电弱力的不同表现形式。

白矮星：将氦聚合为碳原子核的恒星核心。白矮星由碳原子核和电子组成，直径极小（尺寸约等于地球），密度极高（大约相当于水的100万倍）。

威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）：这颗发射于2001年的卫星旨在研究宇宙背景辐射，它的测量精确度比COBE卫星高得多。

X射线：频率大于紫外线但小于伽马射线的光子。

[1] 由于预算严重超支，JWST的发射时间已经推迟到了2021年。——译者注

[2] Dr.Seuss，美国著名儿童绘本作家。——译者注

[3] 2006年，国际天文联合会将冥王星从行星序列排除，将它归为矮行星。——译者注

[4] 截至2012年，天文学家已经发现了冥王星的五颗卫星，但冥卫一卡戎仍是其中最大的一颗。——译者注

[5] 2014年，欧洲南方天文台（ESO）已经实现对系外行星的直接成像观测。——校者注

[6] 2018年，旅行者1号对冥王星进行了飞掠探测。——校者注

[7] 惠更斯号探测器已于2005年1月15日降落在土卫六表面，并成功完成观测任务。——译者注

[8] 均为20世纪50年代美国的著名电视剧。——译者注

[9] 艾略特的这段诗出自《小吉丁》（Little Gidding）第五节，此处采用汤永宽译本。——译者注