第一章 神祕宇宙的基本知識
1．世間萬物的形成
空間、時間、物質——都是在137億年前的一個「大爆炸」中誕生的。那時的宇宙是一個無比奇異的地方。那裡還沒有行星、恆星或星系，有的只是一團基本粒子，充斥其中。此外，整個宇宙還沒有一個針孔大，而且難以置信地熱。這個宇宙立刻開始膨脹，從這個出人意料的怪異起點，逐漸擴展，直到演化成我們現在看到的樣子。
現代科學還不能描述或解釋大爆炸之後10~43秒內發生了什麼事情。這個時間間隔：10~43秒，被稱為普朗克時間（Planck time），是以德國科學家馬克斯．卡爾．恩斯特．普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）的名字命名的。普朗克首先引入了這樣一個概念：能量不是連續可變的，而是由具有特定能量的「單位」或者「量子」構成。量子理論是現代大部分物理學的基石，它從最小的單位上處理宇宙問題，而且被列為20世紀理論科學的兩個偉大成就之一。另一個是愛因斯坦的廣義相對論，處理極大單位—天文上的物理學。
儘管在它們各自的領域裡這些理論都被實驗和觀測完美地驗證了，但是調和這兩個理論的努力卻遇到了很大的困難。特別是，它們對時間的處理方法根本不同。在愛因斯坦的理論中，時間是一個維度，是連續的，所以我們從一個時刻平滑地過渡到下一個時刻，而在量子理論中，普朗克時間就代表著一個基本的極限：時間是具有一定意義的最小單位，同時這也是在理論上能夠測量出的最小時間單位。如果我們製造出最為精確的鐘錶，將會發現它會不規律地從一個普朗克時間跳到下一個普朗克時間。
試圖調和這兩種截然對立的時間觀念是21世紀物理學面臨的主要挑戰。近年來，科學家們在「弦理論」和「膜理論」部分進行了這種嘗試。今日，量子物理主宰著緊鄰大爆炸之後的灼熱緻密的微小宇宙階段。我們對宇宙的科學研究就從大爆炸之後10~43秒開始。
大爆炸的概念與直覺相反，我們的常識似乎更易接受一個靜態無窮的宇宙觀念。但是確有科學理由讓人相信大爆炸這個奇異的事件。如果我們接受大爆炸，就有可能看清整個事件的進展過程，從第一個普朗克時間開始，直到我們生活在地球上的現在。
2．時間的開始
讓我們回到緊鄰大爆炸之後宇宙的那個起始點。通常我們腦海中會閃現出這樣一幅場景：在一個廣闊的空間裡，宇宙突然地爆發了，但這是完全錯誤的。大爆炸的真實情景是：空間、物質以及更為關鍵的時間，都是在這裡同時產生的。空間不是從虛無中產生的，在創世之前並沒有虛無。在大爆炸之前時間也還沒有開始，甚至談論大爆炸前的某個時刻也是沒有意義的。即使莎士比亞或愛因斯坦也無法用平常的語言來描繪這一情景，雖然他們擁有非凡的智慧。
這也意味著當我們今天觀察宇宙時，詢問「大爆炸」是在哪裡發生的這個問題是沒有意義的。空間自身也是隨著大爆炸產生的。因此，在大爆炸剛發生後的時刻，我們現在所見的整個宇宙蜷縮在一個極小的區域，比一個原子核還要小。大爆炸發生在每一個地方，這裡沒有「爆心」。
艾雪（Maurits Cornelis Escher）的一幅著名畫作以三維空間的分割對這個理論做了很好的直覺描述。想像你站在任何一個位於網格交叉點的立方體上，每一個接到立方體上的直桿都延伸出去。於是，在你的視野中所有的東西都從你自身延展出去，所以很自然地會感覺到自己正是位於一個特殊的地點：擴展的中心，但隨後你就能意識到無論你位於網格的哪一點，看到的直桿向外擴展的景象都是一樣的，事實上並沒有一個中心。宇宙的情況與此非常類似：每一個星系群看起來都在遠離我們而去。如果有一個觀測者在這些遙遠的星星上觀望我們，他也會看到同樣的景象，也可能同樣地以為自己位於擴張的中心。
另一個經常被提到，而且乍看很有道理的問題是「宇宙有多大？」。這裡我們又遇到了另一個大問題，就是有兩個可能的答案：宇宙是有限的，還是無限的？如果是有限的，那麼它的外面是什麼？實際上這個問題是沒有意義的。因為空間自身僅存在於宇宙之中，所以從字面上來說根本就沒有「宇宙的外面」。另一方面，當我們提到宇宙是無限的時候，實際指的是它的大小是無法限定的。我們無法用日常的語言來解釋「無限」，而且我們知道愛因斯坦也做不到，因為派翠克曾經問過他！
此外，我們要把時間視為坐標中的一維。也就是說，不能簡單地問「宇宙有多大？」，因為答案會隨時間變化。我們可以問「宇宙現在有多大？」，但相對論的其中一個結論就是：定義一個普遍適用於整個宇宙的所謂「現在」的時刻是不可能的。
談論具有有限大小的宇宙會立即使人聯想到「邊界」。如果我們走得夠遠，會撞到一面牆嗎？答案是否定的。宇宙具有數學家們所說的「有限而無界」的性質。一個恰當的比喻是一隻在圓球上漫步的螞蟻。如果牠在這個彎曲的表面上一直朝著同一方向前進，永遠也不會遇到障礙，能夠遊蕩無窮的距離。所以雖然球的尺寸是有限的，但螞蟻察覺不出來。同樣地，如果我們登上一艘無比先進的太空沿著直線航行，我們也永遠不可能到達宇宙的邊界，但這並不意味著宇宙是無限的。隨後我們還會介紹空間也可以被視為是彎曲的。
讓我們把自己限定在能夠做出科學回答的問題上，即能夠透過和觀測結果對比來回答的問題。我們可以確定地說：可觀測的宇宙（顧名思義，即發出的光線有可能到達地球的那部分宇宙）在尺寸上是有限的。因為目前最接近的估計是宇宙的年齡為137億年，如此可觀測宇宙的邊緣（從那裡發出的光剛剛到達我們）離地球有137億光年遠，而且還在以每年1光年的速度擴展。實際上後面還要談到為什麼我們永遠不可能看到這麼遠。宇宙一定比我們能看到的要大，這是我們能夠肯定的全部答案。
3．宇宙的範圍
描述一個目標在離我們137億光年之外當然很準確，但我們能真正地去理解宇宙的這種單位嗎？我們很容易感受例如從倫敦到紐約的距離，甚至從地球到月球的距離（約38萬公里），這幾乎是10倍於地球上的環境。有很多人在一生中曾經搭乘飛機飛行過比這還長的距離，事實上，有些航空公司會給予那些乘坐航班累計超過160萬公里的乘客某種優惠。但你如何去想像1.5億公里——從地球到太陽的距離？當我們考慮最近的恆星，離我們4.2光年（約40萬億公里）時，這個距離是很難想像的。而星系更遙遠得多。銀河系最近的鄰居仙女座星系距離我們有200萬光年之遠。
另一個極端，想像一個原子的大小同樣地困難，任何普通的顯微鏡都無法看到單獨的原子。有這樣一種說法：從量級上看，人正處於從原子到恆星的尺度範圍中間。有趣的是，這也正是物理規律最為複雜的地方。在原子世界，我們應用量子物理學；在宇宙範圍，應用相對論。在這兩個極端之間，我們對如何調和這些理論的困惑暴露無遺。牛津科學家羅傑．潘洛斯（Sir Roger Penrose）堅定地寫下了他的信念：我們對基本物理原理所缺失的理解力，也是我們對人類意識所缺失的理解力。當我們思考所謂的人擇原理，總結來說就是宇宙的演化必然保證我們能夠存在並認識它時，這個觀點尤為重要。
另一個有用的問題是，宇宙中有多少原子？科學家估計的總數高達1079個原子，即1後面跟著79個0。
傳統上我們把原子看成由三類比較基本的粒子組成：質子（帶單位正電荷），中子（不帶電）和質量小得多的電子（帶單位負電荷）。順帶一提，在原子層次精確定義什麼是電荷遠非那麼簡單。可以把電荷看作是粒子的屬性之一，就像大小和質量一樣。電荷總是以固定的粒度出現，我們稱之為單位電荷。
根據經典模型，原子就像一個小型太陽系，電子環繞中央的原子核旋轉，由質子和中子組成的複合的原子核帶有正電荷，並且和環繞的電子的總負電荷正好抵消。在我們的太陽系中，行星被引力保持在環繞太陽的軌道上；在原子中，是帶負電荷的電子和帶正電荷的原子核之間的電磁吸引力使得電子環繞原子核旋轉。
過去，我們注意到這個簡潔的模型可以解釋很多基本的化學現象，比如，為什麼原子的外層電子容易參與化學反應：因為它們離核較遠，吸引力的約束較小。所以最簡單的原子──氫原子，只有由一個質子構成的原子核和一個電子組成，整個原子是電中性的：正1加負1等於零。所有原子都具有相同數目的電子和質子。每種元素內這種粒子的數量是唯一的，稱為原子序數。比如氦原子有2個質子和2個電子，所以它的原子序數是2。而碳原子的序數是6。重元素含有數目眾多的電子和質子。地球上最重的自然元素—鈾的原子序數是92。
在20世紀早期，把質子和中子看成實心顆粒的觀點甚為流行。但這個觀點到了現代已經被動搖了。面對很多甚小系統的奇怪行為時，把它們視為由波動而非顆粒構成能夠更精確地進行解釋。這個理論叫做波粒二象性。此外，實驗顯示，電子看起來確實是不可分割，而質子和中子事實上並不是最基本的。它們能被分解成更小的顆粒，叫夸克。夸克現在被認為是最基本的單位。沒有人看過夸克，但我們知道它們一定存在，因為在粒子加速器中檢測到了。人們建造了粒子加速器，以不可思議的高速度把質子打碎，從而探測到夸克。在這些實驗中質子似乎破碎了，所以科學家斷定質子不是最基本的。自然界不喜歡形單影隻的夸克，所以它總是成雙或成三地出現。
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