第1章　到底有多少個宇宙

根據「大數據」的資料，進入21世紀以來，人類的高科技成果中，尤其是基礎理論方面的研究，超過60%都與宇宙學有關。對一般人來講，宇宙的深邃、廣闊無垠，充滿了神祕；對科學家而言，宇宙中的高能量、高密度等條件，是地球上所不可能具備的「實驗室」。但是，不管是抱有好奇心的普通人，還是致力於探索的科學家，無論如何，要想認識宇宙，都需要一步步地走。

1.1　感受人類認識宇宙的過程

人類認識宇宙，形狀上的「天圓地方」也好，結構上的大象或者烏龜身負大地也罷，這些基本上都是神話故事，稱不上人類真正科學意義上的認識宇宙。我們這裡要談的人類認識宇宙，是「科學」地認識宇宙，需要從人類認識宇宙所建立的各種模型（理論）出發。

1.1.1　感知世界、探測世界和理論世界

人類認識宇宙，認識周圍的世界，基本上是透過認識三種不同的、漸進互通的世界來完成的。這就是：感知世界、探測世界和理論世界。

1. 感知世界「控制」了我們

感知世界是我們作為生理學意義上的人，憑藉我們的感覺器官所能直接感受到的世界。比如看到、聽到、嗅到、嘗到、觸摸到……以及由它們帶來的相關記憶。我們的思維，大多數時間都沉浸在這個感知世界裡。

現實中，我們好像是在這個感知世界裡生活，然而實際上，我們每天都會多次觸及它的邊界，去連通那更深遠、更廣闊的世界。比如說，朋友打電話來，手機響了，你看到了螢幕提示，接通電話聽到了朋友的聲音，這些都屬於感知世界的一部分。接了電話，如果你是一個愛提問的人，一個充滿好奇心的人，你可能就會想：朋友在目力所不及、聽力所不及的地方，聲音是怎麼透過手裡的這個「金屬盒子」傳送過來的呀？這一想，你就已經進入到探測世界了。

探測世界就是我們不能直接意識到它們的存在，但是可以透過間接方法（也就是利用工具）證實其確實存在的部分。比如傳播手機訊號的電磁波，它們看不見、摸不著、聽不到，但是我們可以利用相應的設備去製造、傳播和接收它們，確認它們的存在。其實正如我們一直生活在感知世界裡一樣，我們也一直生活在探測世界裡。只不過我們並沒有像在意感知世界那樣確切地意識到它的存在。我們的思維都集中在感知世界啦！試想，你在接電話時，頭腦所想的肯定是朋友說的事情，最多再留意一下他的語氣、聲調等用來揣測他的情緒，肯定不會去關心朋友說話的聲音是怎樣傳遞到你的耳朵裡來的之類的問題。

這種對探測世界的不在意，是科學思維和非科學思維之間最大的差別所在。我們之中的大多數人，儘管生活在探測世界之中，但一般還是趨向於將它產生的效果歸入感知世界中，這就會產生很多奇怪的想法和錯覺。我們盯著電腦螢幕，然後進行各種操作，就好像網路真的就在我們面前。真的是嗎？大多數人想想之後就會說，不是的，網際網路是透過各種設備和軟體構成的系統，但是，這些現象確實導致我們產生了「真實」存在的錯覺。其實這種錯覺是構成「系統」的那些「工具」為我們間接造成的。獲知電磁訊號的存在，我們依賴的是探測世界，它們讓我們的感知世界產生了似乎真實的間接感知。同樣的事情也會發生在我們頭頂的天空，抬頭看看那璀璨的夜空，那些星星似乎就是一顆顆鑲嵌在天球上的寶石，它們看上去並不是真的遙不可及。不對，這是你的感知世界。借助於望遠鏡，借助於各種方法、理論，我們才會知道，它們和我們之間的距離差距很大。所以，我們必須真正地進入探測世界，去認識和理解大自然以及宇宙的真實存在。

探測世界具有一種被稱為「使用者親和性（user-friendliness）」的「隱藏」特性。所謂「使用者親和性」，指的是在不需要理解原理的情況下，利用看不見的非實際存在的物體的能力。「使用者親和性」為日常生活帶來了很多便利。但是，我們要想弄清楚這個世界究竟是什麼樣子，要想探測我們眼睛看不見、耳朵聽不到的世界，就需要跨越「使用者親和性」這層障礙，然後才能認識到「舒適圈」之外的精彩世界。

當然，放棄輕鬆感知事物所帶來的舒適感，聽起來可能會讓人覺得不太舒服。但是，人類所具有的好奇心，總是能讓我們對那些隱藏的事物，對那些我們無法直接看見的世界趨之若鶩。而且，人類思維最強大的力量之一就存在於探測世界中，比起手機、網路等為我們帶來的便利，也許我們更想知道在它們背後真正在發生著什麼——無線電波在空氣中是如何傳播的？嘴和聲帶是如何發出聲音的？聲音是怎樣承載著電磁波傳播的？耳朵又是怎麼能聽得到聲音的？等等。

想了解手機、網路的功能和如何使用它們並不難，有使用說明書，有懂得操作的人為我們示範。可是，我們周圍的世界，那些樹木、雲朵、颱風和火山有說明書嗎？對大部分人來說，只存在於頭腦中的宇宙能有人模擬演示它的運行嗎？那麼，我們又怎麼得知它們是如何「運轉」的呢？知道了它們的運轉方式後，我們又如何探知和預言它們今後的發展呢？這些，正是科學以及科學家努力的方向。

2. 想像力是人類最可貴的存在

試圖去了解、認識、利用並推測我們周圍的世界，是人類的本能，是人類發展的必然。這種了解，一部分是由我們感知和探測到的事物組成的——僅僅是一部分而已，剩下的部分就是人類智力的集合，即理論。這個由智力創造的理論世界，就是我們所說的三類世界中的最後一類。理論世界將感知世界和探測世界編織在一起，構成了一個清晰的圖像。它能夠為我們全面地、系統性地解釋事物是如何運作的，以及為什麼會發生；更重要的是它可以作為我們科學探索的新起點，去創建新思想和新的知識架構。

因此，科學的發展透過理論、探測和感知形成了一個循環。理論能指導探測和感知，感知會對探測結果提出質疑，探測結果可能對理論提出挑戰。這個動態的過程是科學最重要的組成部分，同時也是一般大眾最不了解、最容易忽視的部分。人們經常談論理論，學生們學習的知識大部分也是以理論（定理、定律、原理等）形式出現，觀測和探測有時候也會在討論科學問題時被提及，但是，並沒有被重視。真正的動力，也就是真正讓科學成為科學的動力，是這三類世界的彼此一致，也就是它們之間是如何連通，如何影響，怎樣逐步昇華的。而這些正是普羅大眾所不知道的。由此產生了各種玄妙的說法，還有對科學和科學家的盲目崇拜，而忽略掉了科學探索的艱辛和努力的過程。這並不是因為科學家想要讓自己的工作保持神祕，而是因為有很多層面都是科學研究中難以解釋的。或者說，在一般大眾和科學家之間有著若干「鴻溝」，或者是交流障礙。這樣的情形對科學家、對一般大眾，甚至於對科學本身都造成了一定的損害。

學校、社會，教師、家長和科普工作者都在為越過這些「鴻溝」架設橋梁，在使用各式各樣的語言和方式去為一般大眾克服所謂交流的障礙。那麼，我們為什麼要花時間在這些「鴻溝」上架橋呢？為什麼我們（包括科學家）不能簡單地捨棄可探測的世界和理論世界，而僅僅生活在一個我們看得見、嘗得到、摸得著的，真實的、可感知的世界呢？看看兩個名人給我們的答案——

科學有很多令人著迷之處。我們只是對想要了解的真相進行了小小的投資，就有大量的猜想作為回報。

——馬克．吐溫



我是依靠想像力任意創作的藝術家。想像力比知識更重要。知識是有限的，而想像力則可以環繞世界。

——阿爾伯特．愛因斯坦

馬克．吐溫當然是一位富有敏銳洞察力的幽默大師，他能將「令人不舒服」的想法具體地化為諷刺的語言。他認為科學家應該跟著事實走，而不是杜撰奇異的理論和痴迷於瘋狂的推測。愛因斯坦的觀點好像與馬克．吐溫的觀點相反。愛因斯坦認為，天馬行空的想像力比與真相相關的知識更重要。但是，知識與想像力之間的鴻溝，本身就是一個錯覺，它們之間更像是有一條逐級上升、直到天際的階梯連接著，就看你有沒有本領走上去。前面的兩位，他們一位是作家，一位是科學家。似乎一位正徘徊在階梯的底端，而另一位似乎已經在大眾所不能及的雲端。作家認為，真相是想像的基礎；科學家則認為，想像會揭示真相。

我們姑且先「淺顯地」理解馬克．吐溫的評價，這也代表了一大批沒有真正經過科學教育、科學實驗的社會人群。這些人由於生活和理解的局限，更願意簡單地去進入生活，去理解世界。為什麼在科學研究中我們不能僅遵從事實呢？對於這一群人，他們可能會這樣提問。

在科學研究中，我們會面對兩類事實，一類直接來自於我們的感覺（感知世界），另一類則來自於實驗儀器的測量結果（探測世界）。植物學家去數豆莢中豌豆的數目，這個數目就是感知世界的一部分。當微生物學家用顯微鏡去測量細菌的長度時，這就屬於探測世界的一部分。我們抬頭看天上的星星，有的亮、有的暗，這是感知世界；用望遠鏡加上光度計去測量每顆星的發光強度（數值），這就屬於探測世界。如果你只滿足於感知世界，那麼，對於豆莢裡的豌豆就只能停留在去數它們的個數了，至於為什麼它們有的大、有的小。有的飽滿、有的乾癟，感知（感覺）世界是無法告訴你的。而透過細節的觀測（利用顯微鏡）可以讓你看到它們結構的差異（缺陷所在）。這就是探測世界為我們帶來的好處。同樣的，望遠鏡、光度計也會告訴你天上的星星到底為什麼有的亮、有的暗。

探測世界為我們帶來的（新）東西，讓我們激動不已。但是，也會讓我們感到茫然和不安，我們怎麼知道顯微鏡顯示的究竟是什麼東西？我們又怎能確定這些東西和我們的感知世界所感覺的東西是一回事呢？天上的星星我們怎樣去判斷它們的亮度？它們為什麼能發光？望遠鏡看到的是什麼？光度計接收的又是什麼？難道我們不需要一些解釋儀器如何工作的理論嗎？於是理論建立起來了，可以驗證實驗。但是我們還需要不斷地改進、進步，不然，我們就會陷進「探測驗證了理論的正確性，理論解釋了探測的正確性」的循環論證謬誤。所以，在我們理清了感知世界、探測世界、理論世界的連繫之後，我們還不能滿足，還是要不斷地進行新的科學研究，提升我們認識世界的能力。

人類好奇的天性和不斷進取的精神，不允許我們只滿足於知道事物、世界的表面現象。就像是一個喜歡「小道消息」、「流言蜚語」，「愛管閒事」的「迷妹迷弟」一樣，科學家是大自然的「粉絲」。他們經過了嚴格的訓練、具有專業的能力和探索世界的方式，去探索未知並得出結論，用這些專業的東西來確保已知的資料得到證實，這就是科學，是一種專業的「愛管閒事」。也可以順便就把科學家稱為「愛管閒事的人」。科學家嚴謹地運用並檢驗理論，利用可靠的儀器設備來探測未知世界。有了科學儀器，人類就可以有效地進入探測世界。透過合適的設備和軟體，我們不但深入到了雙手無法觸及的世界，踏進了雙腳無法到達的領域，甚至能探測到思維之外的幻想世界。但是，作為一個可靠的連結，我們必須通曉這些儀器的工作原理，知道這些工具是如何進行工作的，更重要的是，清楚它們必須在什麼情況下測量，得到的結果才是真實可信的。

顯微鏡和望遠鏡都是突破了人類先天不足的測量儀器（工具）。那麼顯微鏡究竟是什麼？生物學家為什麼要用顯微鏡？望遠鏡是利用鏡頭組合來觀測遙遠物體的儀器，都是什麼樣的鏡頭組合在一起？天文學家都是怎樣操作望遠鏡的？閱讀一下顯微鏡和望遠鏡的說明書，諮詢一下生物學家和天文學家，我們就明白：相比於某些哺乳類動物（比如老鷹），人類的眼睛實在是太「低能」了，小於肉眼分辨極限（眼睛的空間分辨能力）的物體，在沒有儀器幫助的情況下，我們對它們根本就無從下手（研究），是無能為力的；同樣，對於遙遠的天體，我們只能透過接收它們發出的電磁輻射來了解、研究它們，眼睛的視野和收集光線的能力都遠遠不夠。我們拿數據說話，我們眼睛的「光圈」——瞳孔，撐到最大也就是0.8cm，而一臺普通的24cm口徑的望遠鏡就是人眼聚光能力的900倍。

接收不到（或不夠）天體發出的輻射，我們就沒有任何能夠用來研究它們的資料、證據，這個很好理解；那麼，我們為什麼一定要看到那些細小的細胞和微生物呢？我們知道，所有生物都是由細胞構成的，了解細胞的結構和功能，我們就能對生物的組成方式、功能原理有基礎的認識，從而做到「知其然更知其所以然」。所以，顯微鏡幫助我們認識到了生物體的細節；望遠鏡為我們接收了更多、更廣泛的電磁輻射，使得我們有機會全面可靠地進入探測世界。

電磁輻射從微觀角度的解釋來說，就是電子在繞原子核外軌道上不同能級之間的躍遷，低能級躍升到高能級需要吸收外界的能量，反之則會放出能量並以電磁輻射的形式輸出。能級之間的差值越大，放出（吸收）的能量越多，輻射出的電磁輻射頻率越高、波長越短，單個光子的能量越強。

描述和研究電磁輻射一般我們是利用電磁波譜。振盪頻率最高的是γ（伽馬）射線，也就是說其單個光子所攜帶的能量最多。接下來是X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波。

人類只有看到可見光的能力，而大部分天體是可以在多個波段發出電磁輻射的。比如，著名的梅西耶天體「蟹狀星雲（M1）」，它的輻射幾乎涵蓋了整個電磁波譜範圍。你可能會問，既然我們人類只能看見可見光，那除去可見光之外的電磁輻射，對我們研究天體有什麼用呢？這樣說吧，如果讓你了解一個人，你只知道他的身高、體貌，你能懂得他的性格嗎？他做事的習慣又如何？如果你要與他一起工作或者生活，那你是不是對他的了解越多、越全面越好呀！好啦，與天文學家一起工作和生活的，就是那些遙遠的天體。就拿我們這本書來說吧，所涉獵的天體——黑洞、中子星、γ射線暴等，在可見光頻段是看不到它們的，所以，要利用專門的儀器，要合理有效地讓儀器帶我們進入它們的探測世界。

明白了（人類）自身的局限性和探測儀器的益處之後，我們就會有了解探測世界（真實性）的需求，因為我們只能間接得知這些事實。在成為理論之前，我們可能想要儘量與事實保持一致。可是，有兩個原因妨礙了我們。一是，探測器中各種各樣的瑕疵（如顯微鏡載玻片上的雜質或者望遠鏡鏡片的球面像差）會導致我們接收到的訊息失真。用科學術語來說，探測器所探測到的既有訊號又有雜訊。為了準確測量，我們首先必須弄清楚產生雜訊的原因，然後作相應的修正。這就需要有相應的理論來解釋探測器是如何工作的。二是，即便用最好的儀器或探測器，我們也只能測量我們想要理解的那部分資訊。儀器的局限性和自然規律之間，我們能弄清楚的非常有限。對於遙遠的天體，這種限制尤其明顯。例如，目前我們只能確定太陽系中其他行星的存在，但還無法確切地知道它們的表面，甚至內部究竟是什麼狀態，因為我們沒有確實可靠的探測手段。

第1章　到底有多少個宇宙

根據「大數據」的資料，進入21世紀以來，人類的高科技成果中，尤其是基礎理論方面的研究，超過60%都與宇宙學有關。對一般人來講，宇宙的深邃、廣闊無垠，充滿了神祕；對科學家而言，宇宙中的高能量、高密度等條件，是地球上所不可能具備的「實驗室」。但是，不管是抱有好奇心的普通人，還是致力於探索的科學家，無論如何，要想認識宇宙，都需要一步步地走。

1.1　感受人類認識宇宙的過程

人類認識宇宙，形狀上的「天圓地方」也好，結構上的大象或者烏龜身負大地也罷，這些基本上都是神話故事，稱不上人類真正科...

前言

又能「看見」黑洞了！一時間似乎全世界都開始關心天文學了。其實，是真的能看見了嗎？從某種意義上說，天文學家早在1980年代，就已經「看見」黑洞了。當然，他們是在無線電波段，利用電波望遠鏡探測到黑洞的高能粒子輻射，並成像的。

寫這一本書之前，思考、醞釀了很久。主要是因為，單單地去寫黑洞，那只能是像那些連「科普」都談不上的，只是吸引人注意的大眾式的簡介。作為天文學的普及讀物，肯定是不夠格的；且讀完這樣的書籍，讀者依然還是一頭霧水。這本書最後用了不少的篇幅，向大家介紹人類認識宇宙的歷程。透過介紹地球從「平的」到「球形」，人類是怎樣逐漸明瞭太陽的能量來源的，五大行星都是怎樣命名的等等。讓讀者明白，以前我們不知道的，為什麼現在知道了；以前我們看不見的，為什麼現在看見了！

本書也只是把重點放在讓讀者明白：什麼是黑洞？它真的「看不見」嗎？黑洞是怎樣形成的？黑洞對周邊的天體都會產生什麼影響？如果某一天地球附近真的「飄來」了一個黑洞，我們能怎麼辦？我們要做的，起碼是要了解和認識它們；至於它真的來了，還是那句話——天塌了，有個子高的人頂著。

作為「資深」的天文愛好者，深深地明白，宇宙中那各式各樣的星雲，才是產生那些奇奇怪怪的天體的「母源」。所以，第3章我們談論所謂的「幸運星」，為大家介紹恆星、星系是怎樣形成的。重點就是告訴大家，它們都是星雲團凝聚的結果。

至於「幸運星」，宇宙無奇不有，無所不包。越了解宇宙，你就會越「幸運」；越認識宇宙，也就能越早遇到屬於你的「幸運星」。

是知識為你帶來「幸運」；是書籍為你帶來知識；是宇宙為你帶來認識世界的能量；「知識」就是你的「幸運星」！

我在高中教授天文學的相關課程已經差不多20年了，最讓我難忘的一件事就是，有一次上課前，我照例提前15分鐘到教室，一進門就看見第一排已經坐了一個男孩子。他見我拿著《天文知識基礎》的課本，就走了過來，直接和我握手（還是雙手那種）……說實話，當時我有點愣住了！除了科普講座、演講外，很少在上課時被這樣問候呀。接著，他對我說：「我是一個天文愛好者，一直很期待能上這堂課。」還沒等我回答，他接著又說：「老師，我可是帶著很多的問號來上你的課的！」我馬上就回答他：「上完我的課，你會帶著更多的問號離開的……」這一次輪到他愣住了。我把他拉到黑板前，在黑板上畫了一個圓，然後在圓周上畫了若干個問號，對他說：「我們做個比喻吧，這個圓的裡面代表我們（你）已經知道的天文學知識，而圓的外面，更廣闊的區域代表了我們（你）未知的天文學知識。兩者交界的地方就是圓周，意味著你只是一知半解的知識，需要進一步學習、理解。我們在圓周上打上問號，代表著我們的疑問所在。因為你只有對問題或現象略知一二，才有可能（有資格）提出問題，打上那些問號呀！根本不懂的知識，你根本就不知道如何提問題，哪來的問號？」他似乎明白了點什麼，我接著又在圓圈外面畫了一個更大的圓，對他說：「課程結束時，圓裡裝的東西是不是變多啦？圓周長是不是變長了？你是不是會帶著更多的問號，離開這個課堂呀？」

這本書是想向你介紹人類認識宇宙的過程，但是，漫長的人類「宇宙史」是我們一生一世也講不完的，所以，我們為你抓住宇宙中最吸引人注意的東西：「吞噬」物質的黑洞、宇宙「燈塔」脈衝星、擁有超級「能量包」的吸積盤、噴流，當然還有創造宇宙萬物的星雲、星團、星際物質。

前言

又能「看見」黑洞了！一時間似乎全世界都開始關心天文學了。其實，是真的能看見了嗎？從某種意義上說，天文學家早在1980年代，就已經「看見」黑洞了。當然，他們是在無線電波段，利用電波望遠鏡探測到黑洞的高能粒子輻射，並成像的。

寫這一本書之前，思考、醞釀了很久。主要是因為，單單地去寫黑洞，那只能是像那些連「科普」都談不上的，只是吸引人注意的大眾式的簡介。作為天文學的普及讀物，肯定是不夠格的；且讀完這樣的書籍，讀者依然還是一頭霧水。這本書最後用了不少的篇幅，向大家介紹人類認識宇宙的歷程。透過介紹地球從...

前言

第1章　到底有多少個宇宙
　　1.1　感受人類認識宇宙的過程
　　1.2　宇宙理論都是怎樣產生的
　　1.3　大霹靂

第2章　「黑洞」不是說好了看不見嗎
　　2.1　我們是怎麼「看見」的
　　2.2　黑洞面面觀
　　2.3　找尋黑洞

第3章　星雲
　　3.1　20世紀天文學的四大發現
　　3.2　宇宙的「基本元素」
　　3.3　到底是什麼樣的宇宙

前言

第1章　到底有多少個宇宙
　　1.1　感受人類認識宇宙的過程
　　1.2　宇宙理論都是怎樣產生的
　　1.3　大霹靂

第2章　「黑洞」不是說好了看不見嗎
　　2.1　我們是怎麼「看見」的
　　2.2　黑洞面面觀
　　2.3　找尋黑洞

第3章　星雲
　　3.1　20世紀天文學的四大發現
　　3.2　宇宙的「基本元素」
　　3.3　到底是什麼樣的宇宙