宇宙之美:从大爆炸到大坍缩,跨越200亿年的宇宙编年史

一部集合人类已知宇宙知识的野心之作

200个里程碑讲述宇宙从诞生到终结的宏大史诗

200幅美到窒息的天文照片和艺术作品

法国原子能和替代能源委员会、法国国家科学研究中心专家撰写

欧洲核子研究中心（CERN）、欧洲空间局（ESA）、美国国家航空航天局（NASA）、德国马克斯普朗克学会、欧洲南方天文台（ESO）、哈勃望远镜精选计划等供图

1. 从138亿年前已证实的“大爆炸”开始，到77.6亿年后可能的“大坍缩”为止，讲述人类现阶段所知道的“宇宙全史”！

2. 沿着时间轴漫步，领略人类认识宇宙的回肠荡气的曲折故事；了解古希腊、中国、阿拉伯、玛雅、伊斯兰、近代欧洲等文明对于天文学的各自贡献

3. 高度简练的话语呈现每一次思想碰撞或重大发现，配以色彩绚丽、引人遐想的图片，包含天文台观测整个宇宙时捕捉到的新图像、试图揭开宇宙谜团的科学家的肖像、艺术家创作的宇宙幻想作品。

4. 本书涉及天文学术语均使用中国天文学会天文学名词审定委员会、全国科学技术名词审定委员会天文学名词审定委员会审定名词，书后索引可作为天文学学习的入门小词典。

5. 全四色彩印200余大画幅高清图片，铜版纸印刷，原书1：1大小精装，值得珍藏

星系的颜色从哪里来？我们一定要担心宇宙射线吗？太阳将所归何处？存在其他的宇宙吗？为什么只有我们的宇宙演进化出了智慧生命？为什么夜晚的天空是黑的？有限的生命怎样捕捉无限的概念呢？人类是否已准备好遇见其他非人类的生命形态？

我们所知道的，宇宙中可能发生过的，正在发生的，即将发生的一切，尽在此书。此书新版（原书第3版）添加了新的发现，如超大陆拉尼亚凯亚本超星系团、跟踪“菲莱”号探测器降落到丘留莫夫－格拉西缅科彗星上的挫折、激光干涉引力波天文台（LIGO）和eLisa探测器发现引力波……从大爆炸开始，到多重宇宙的假设和希格斯玻色子发现，本身用高度简练的话语呈现每一次思想碰撞或重大发现，每个主题均配以一副色彩绚丽、引人遐想的图片。

读这本书，就像沿着时间行走，一路你会见到令人惊愕的绚烂星空奇景、揭开宇宙神秘面纱甚至献出生命的科学家肖像、世界各地人类探索广袤星空留下的伟大遗迹，以及艺术家创作的宇宙幻想作品。

一口气读完或者随心慢慢欣赏，去品读、去探寻宇宙的奥秘吧！

雅克•保罗（Jacques Paul），法国原子能和替代能源委员会（CEA）、萨克莱核研究中心（CENS）科学顾问。

让-吕克•罗贝尔-艾斯尔（Jean-Luc Robert-Esil），法国国家科学研究院（CNRS）、巴黎第七大学粒子天体物理与宇宙学实验室研究工程师。

“人类的知识如何得以展现在美仑美奂的世界中呈现，这本书就是明证。它的美丝毫没有消减它的知识深度。”——《人道报》（L’humanité）

“读这本书，就像沿着时间行走，一路上有让人惊愕的天空、刻画了天空的科学家的肖像，还有梦想天空的艺术家的作品。”——《东部共和报》（L’Est）

“……这本书可以不断激起读者的兴趣，尤其是每一页上的‘相关内容’会邀请读者阅读与此主题相关的文章……”——科学深处（A fond la science）

前 言

多重宇宙

宇宙初期

大爆炸

奥伯斯佯谬

量子引力

普朗克期

暴 胀

暗物质粒子

原始汤

重子物质

氦

氘

宇宙微波背景

黑暗时期

大尺度结构

第一代恒星

化石恒星

γ射线暴

遥远的星系

最古老的星系团

梅西耶13星团的形成

已有星系的宇宙

年轻宇宙的温度

恒星形成的巅峰时期

基本常数

星系盘

银河系

宇宙岛

肉眼可见的爆发现象

本超星系团拉尼亚凯亚

本星系群内的碰撞

暗能量

太阳系的诞生

太阳的诞生

核 能

行星的形成

小行星带

月 球

土星环

奥尔特云

重轰击

海卫一

奧林帕斯山

埃奇沃思-柯伊伯带

生命起源

不可见物质

大氧化事件

星系团

天然核反应堆

雪球地球

大熊座

下落不明的质量

星 族

双黑洞

M32的潜入

极端粒子

宇宙膨胀

小行星撞击

火星上的火山喷发

蓝色恒星团

撞击月球

现在的宇宙

撞击地球

星爆星暴熄灭

宇宙线

活动星系核

哈雷彗星

褐矮星

吞噬恒星的黑洞

行走在地球

一颗脉冲星的疯狂移动

中微子

激 波

磁 星

更新世的撞击

比光快？

反物质

超大质量黑洞

爆前超新星

黑洞双星

爆发中的海山二

超新星

脉冲星

礁湖星云

古代天文研究

历 法

巨石阵

斐斯托斯圆盘

古埃及天文学

观测数据归档

雅各布量天尺

泰勒斯定理

阿那克西曼德和世界模型

球体的和谐

大千世界

阿那克萨哥拉原子论

日心说

阿卡德米

亚里士多德的《论天》

地月距离及地日距离

埃拉托斯特尼测量地球尺寸

交食理论

岁 差

星 盘

安提基特拉机械

凯撒彗星

托勒密的《天文学大成》

希帕提娅之死

中国星表

星 座

玛雅历法

伊斯兰天文学

新 星

巴约挂毯

东方三博士来朝

接近无限

意大利透视法

近代天文研究

多重宇宙

多重宇宙是所有可能存在的宇宙的假设性总和，其中各宇宙有其自身的物理定律。出于偶然，一些宇宙的物理常数之间的关系刚好有利于生命诞生。人类所处的宇宙便是其中之一。

多重宇宙由美国哲学家与心理学先驱威廉•詹姆斯（William James）于 1895 年提出。这一术语的出现，首先带来的是20世纪科幻小说的繁荣，其后才高调进入科学领域，成为理论物理学的前沿。

事实上，只要空间无限，那么在可观测的宇宙之外，应该存在无数肉眼与仪器观测不到的实体。多重宇宙的概念基于已证实的物理理论（广义相对论），而另一种正统理论（量子力学）认为不同宇宙的存在是可能的，在不同宇宙中任一量子物体的所有状态应均可实现，由此同样可推出多重宇宙这一假设。

依据理论物理学中最迷人的观点，多重宇宙应是一种量子泡沫，其中的每个气泡将发展成一个宇宙。在能量涨落的影响下，量子气泡将经过膨胀阶段，最终诞生拥有其自身物理定律的宇宙。这种猜测无法得到验证，因此确切而言并非科学的研究方法，但它却高明地解决了物理学中最恼人的问题：为何万有引力常数、电子质量等基本常数会出现调整，促使我们的宇宙演化出智慧生命？确实，如果一个宇宙的形成是多重宇宙中的一个普通事件，那么我们身处的宇宙拥有孕育智慧生命的基本常数也就无甚稀奇了。

相关内容：大爆炸（14页），暴胀（22页），基本常数（58页）

对于某些物理学家而言，多重宇宙概念的计算机模拟图表现为泡沫，其中每个气泡都将发展成一个宇宙。在能量涨落的影响下，量子气泡将经过膨胀阶段，最终诞生拥有其自身物理定律的宇宙。

大爆炸前

大爆炸

根据爱因斯坦的广义相对论，科学家可构建出完整的宇宙模型。这一模型中，宇宙由一个已观测证实的致密炽热的太初状态演变而来。大爆炸这一理论框架获得了几乎整个科学界的支持（尽管其命名并不恰当）。

根据阿尔伯特•爱因斯坦于 1915 年提出的广义相对论，天体物理学家试图将宇宙作为物理系统进行建模。1924 年，亚历山大•弗里德曼（Alexandre Friedmann）为此提出了膨胀宇宙模型。1927 年，天主教牧师乔治•勒梅特（Georges Lemaître）提出旋涡星云1退离地球的现象由宇宙膨胀造成，得出了与弗里德曼相同的结论。1929 年，埃德温•哈勃（Edwin Hubble）观测到了旋涡星云退行现象。

一个膨胀着的宇宙意味着有一个开端。为描述这一开端，勒梅特于20 世纪 30 年代做出猜测：物质、空间、时间均源自独特的“原始原子”。“原始原子”即为后世称为“大爆炸”理论的原型。1949 年，天体物理学家弗雷德•霍伊尔（Fred Hoyle）首次提出“大爆炸”（Big Bang）一词。弗雷德 •霍伊尔是静态宇宙模型的支持者，认为宇宙无始无终，因而创造出该词以调侃大爆炸模型，而“大爆炸”此后成了天文学词汇中的“明星”。但这一术语并不恰当：大爆炸并没有向四周投射物质，填满最初空无一物的空间。真实情况是空间本身随时间推移发生膨胀，同时拉大膨胀中形成的物体相互间的距离。

大爆炸一词如今用于指代一个被普遍接受的宇宙学理论，因为它解释了三类确凿的观测结果：

• 距离观测者越远的星系，看起来远离观测者的速度越快。这一现象说明，初期的宇宙更为致密高温。

• 宇宙中所有区域的氦元素比例相同。这一现象说明，宇宙初期密度与温度应相当高，从而促成氦元素的合成。

• 微波波段中探测出的宇宙背景辐射同样证明初期的宇宙致密高温。

基于上述三大观测结果形成的宇宙大爆炸理论，包括了物理定律的普适性，并承认在大尺度上宇宙是各向同性的。

相关内容：氦（30页），宇宙微波背景（34页），宇宙膨胀（120 页）

天体物理学家普遍接受了宇宙诞生于大爆炸这一惊人事件的观点，继而将宇宙神话与许多古老文化重新联系起来，如《希伯来圣经》（Hebrew Bible）文化，其第一卷《创世记》（Genesis）从上帝分开白昼和黑夜开始，描述了天地的创造。这一场景就是米开朗琪罗（Michelangelo）于1508 ～ 1512年在西斯廷礼拜堂天花板上所绘壁画九个中心场面之首的《神分光暗》（God divides light from darkness ）。

大爆炸 -138亿年

前 言

可怜的人类，犹如婴儿，蜷缩一角，迷失在巨大的宇宙摇篮中，努力探索着自己小小世界的边际。不触及宇宙边缘，人类永远不会停下探索的脚步！天文学已超出了一门科学的意义，它还代表了我们与宇宙这个万物之源、人类诞生之所的基因联系。有朝一日，当太阳变得过于炎热、地球不再宜居之时，人类将再次深入宇宙，寻找栖身之地。

人类意识到自我与世界之后，便将目光投向天空。50 年前，一名年轻的苏联空军飞行员就乘坐装备并不先进的宇宙飞船进入太空，实现了伊卡洛斯（Icarus）古老的梦想。但若要进一步迈向天空，唯有求助天文学。为了促进天文学的发展，科学家使用各种具备强大识别能力的电子眼探索太空，如伯纳德 •勒博弈尔 •丰特奈尔（Bernard Le Bovier de Fontenelle）所说，宇宙 “如同剧院里上演的一场大戏”。

我们心怀喜悦，撰写本书，为的是与读者分享这笔无与伦比的天文学财富。本书也完全可以命名为《美丽的宇宙》，因为天文观测为我们提供了无数美到窒息的图像，人们有时候禁不住思忖，究竟哪位现代艺术大师能有如此手笔！在欣赏图像之美的同时，我们还应向所有醉心于观测太空秀美绝伦景象的男士和女士致敬。正是这些科学工作者和艺术家的努力，我们如今才得以一窥宇宙大戏的幕后究竟……

自本书初版面世以来，人类关于宇宙的认识仍在不断拓展。在这一新版（原书第3版）中，我们以时间为序列出200 个主题，从已证实的宇宙起源（大爆炸）直至宇宙可能的结局（大坍缩），全面梳理了宇宙的历史。读者在本书中可以看到天文台观测整个宇宙时捕捉到的新图像、试图揭开宇宙谜团的科学家的肖像，还可以欣赏到艺术家创作的宇宙幻想作品……我们希望能够把本书描绘成一幅新印象派（Neo-impressionism）画作，逐步为读者揭开宇宙最神秘的一面。

本书每个主题页面均采用双年表：左下角为以大爆炸为起点纪年的事件日期；右下角为公历纪元的事件日期，公元前发生的事件标注为负数。但是，请读者注意，因为阿尔伯特•爱因斯坦（Albert Einstein）提出光总是以恒定的速度传播，否定了 19世纪科学家提出的绝对时间，同时性的概念被限制于同一参考系内发生的单独事件，所以，本书所采用的年表仅适用于地球，而非绝对时间观。倘若本书有幸在宇宙其他地方发表，则应采用另一年表。

本书中某些事件因在宇宙层面具有意义而收录，如宇宙形成之初或宇宙可能结局中的事件。其他某些事件则更契合太阳系的具体情况，如从太阳形成直至其必然结局。此外，本书中的许多事件发生于人类历史这个短暂的时期内，尤其是近 4个世纪以来，重大发现发生的频率越来越高。

事实上，直至17世纪晚期，彼时自信而强悍的欧洲人方才勉强把星象学与天文学区分开来，并开始接受宇宙极有可能是无止境的，甚至其中存在无数与地球相似的世界的概念。更令人惊讶的是，19世纪的大多数学者仍然认为人类所处的银河系就是整个宇宙。而仅仅在20年前，人类对宇宙加速膨胀及其主导因素暗能量仍然一无所知。然而，如今所有的科学家都确信宇宙的四分之三都由仍然神秘的暗能量构成。

最后，我们简要解释本书在科学与历史上所做的内容选择。有些内容体现的是所谓的“普遍共识”；有些则是本书作者在权衡多个解释或假说后的选择结果，这些解释或假说有时可能同样有理有据。读者可从书末参考文献中了解本书某些内容在选择上的科学依据。

致 谢

由衷感谢安妮•布吉尼翁（Anne Bourguignon）、本杰明•佩莱（Benjamin Peylet）、凡妮莎•伯内什（Vanessa Beunèche）对本书一如既往的支持，并提出合理建议。感谢马鲁西来•昂列（Maroussia Henriet）为本书复杂的插图付出的不懈努力与高效工作。