【中國直郵】I READING愛閱讀 如何漫遊宇宙大爆炸

簡單易懂講宇宙，一本書讓你讀懂宇宙的起源與演化，每一個人都可以成為宇宙探險家。介於科學與科幻之間，化繁為簡，讓艱難難懂的宇宙學知識變得生動有趣。

產品特色

編輯推薦

簡單易懂講宇宙，一本書讓你讀懂宇宙的起源與演化，每一個人都可以成為宇宙探險家。天文學有句經典名言：「我們都是由星塵構成的。」認識宇宙，就是重新認識自己。

這是一場奇異的、腦洞大開的且充滿科幻色彩的漫遊之旅，一部完整的、精妙的宇宙演化史。本書以簡單易懂的語言、貼近生活的視角，向一般讀者介紹宇宙學知識，並將140億年的宇宙演化歷程化繁為簡，猶如庖丁解牛般細緻入微，讓艱鉅難懂的知識變得鮮活生動起來。

這還是一場重溫宇宙學科學史的漫遊之旅，一部由我們人類所寫的、浪漫的科學史詩。本書作者是個說故事的高手，他選擇繞過一切枯燥成分，用介於科學與科幻之間的敘事手段，化繁為簡，同時賦以宏觀視角，為我們提供了一個新奇而爛漫的閱讀視野。

此外，本書還單獨用一個章節講述了探索宇宙的先驅人物及其重要貢獻，用一個個鮮活的人物角色將宇宙學的發展史完整地串聯起來，給了普通讀者一次非常難得的機會，得以窺見偉大科學發現的誕生過程。這更是科學精神與人文精神的完美結合！我們仰望星空，我們更仰望探索星空的先驅！

內容簡介

宇宙是如何起源的？行星、恆星和星係是如何形成的？宇宙的終極命運是什麼？自古以來，人類就對浩瀚的星空充滿了好奇。如果你也對宇宙的起源和演化很感興趣，那就請前往宇宙大爆炸的現場看看吧，或許你心中所有的疑問都可以在那裡找到答案！因為一切都是從那裡開始的──它創造了整個宇宙，也就是創造了時間和空間！當你旅行到大爆炸時，你不僅是在進行一段穿越時空的旅行，更是在窮盡物理學本身——從極大到極小，從無限長到無限短，以及從我們所知的物質到亞原子粒子、基本力及其他。這是一場奇異的、腦洞大開的且充滿科幻色彩的漫遊之旅，一部完整的、精妙的宇宙演化史。本書以簡單易懂的語言、貼近生活的視角，向一般讀者介紹宇宙學知識，並將140億年的宇宙演化歷程化繁為簡，猶如庖丁解牛般細緻入微，讓艱鉅難懂的知識變得生動有趣。從只有純能量的普朗剋期，到見證暗物質和暗能量的誕生的大統一時期，再到也許是創世史上偉大的表演的暴脹期，物質以“夸克湯”的形式存在的電弱時期，直到宇宙演化的下一個階段──夸克時期、強子期和輕子期，迎來了宇宙史上偉大的戰爭──物質和反物質之間的大決戰。接著是光子時期、複合時期、黑暗時期，後是代恆星被點燃、可見光次照亮整個宇宙的復興時期，恆星和星係就此形成。這還是一場重溫宇宙學科學史的漫遊之旅，一部由我們人類所寫的、浪漫的科學史詩。本書作者是個說故事的高手，他選擇繞過一切枯燥成分，用介於科學與科幻之間的敘事手段，化繁為簡，同時賦以宏觀視角，為我們提供了一個新奇而爛漫的閱讀視野。宇宙究竟有多大？從公元前3世紀利用幾何學來估計地球、月球和太陽之間的距離的古希臘人，到16和17世紀的天文學家喬瓦尼·卡西尼和伽利略，再到18世紀末、19世紀初發現了「宇宙島」星雲並預測了銀河系的終結的赫歇爾，人類對宇宙尺度概念的拓展從來沒有停止過。從伽利略的自由落體實驗到牛頓的水桶實驗，再到愛因斯坦的相對論，一代代物理學巨擘是如何完善描述宇宙的理論體系的？時空的結構是什麼？引力又是如何影響時空的？哈伯是如何透過紅移效應發現宇宙正在加速膨脹的？人們又是如何透過哈伯常數來計算宇宙的年齡的？描述宇宙起源的「大爆炸」與「穩恆態」理論模型的提出背後又有哪些有趣的科學故事？此外，本書還單獨用一個章節講述了探索宇宙的先驅人物及其重要貢獻，用一個個鮮活的人物角色將宇宙學的科學史完整地串聯起來，給了普通讀者一次非常難得的機會，得以窺見偉大科學發現的誕生過程。這堪稱科學精神與人文精神的完美結合！我們仰望星空，我們更仰望探索星空的先驅！

作者簡介

喬爾‧列維(Joel Levy)，一位專門研究科學及科學史的作家和記者。從化學和物理到死亡射線和仿生機器人，他的作品探索了主流思想和奇怪的技術。在華威大學和愛丁堡大學分別獲得分子生物學和心理學學位後，他創作了二十多本書。目前國內已引進出版的圖書包括：《思想實驗：當哲學遇見科學》《DK燒腦思維訓練手冊》《奇妙數學史：從早期的數字概念到混沌理論》《給快節奏時代的簡單心理學》 《霍金簡史》《佛洛伊德口誤：關於心理學你需要知道的一切》等。

目錄

旅程的開端 
你一直想知道但都不敢問的關於亞原子物理的一切 
宇宙匯率 
如何建造一個時間隧道 
時間旅行者的選擇 
選項之一：快子遠距離傳送
  
【發現與歷史】 
事物何以存在？ 
宇宙有多大？ 
宇宙的膨脹 
哈伯常數 
引力基礎課 
牛頓的水桶實驗 
相對論的誕生 
時空的結構 
E=mc2 
穩恆態vs大爆炸 
宇宙學尺度 
宇宙微波背景 
地方土特產：夸克湯 
暗能量和暗物質 
輕元素 
必做之事：一場亞原子粒子的旅行 
改變宇宙的命運 
為什麼不暴增點東西出來呢？
  
【佳參觀時機】 
在這場兩皮秒的旅程中，你能做些什麼？ 
奇點 
普朗剋期 
大統一時期 
暴脹期 
電弱時期 
反物質戰爭 
光子時期 
複合時期 
黑暗時期 
宇宙復興 
恆星和星系形成 

【值得紀念的先驅人物】 
喬治·勒梅特 
阿爾伯特愛因斯坦 
喬治·伽莫夫 
埃德溫·哈伯 
亞歷山大·弗里德曼 
弗雷德·霍伊爾 
維拉·魯賓 
史蒂芬·霍金
  
【太空遠足】 
膜、更高的維度和泡沫宇宙 
重力波衝浪 
尋找類星體 
尋找暗物質 
超星系團謎題 

【天氣和氣候】 
電離輻射風暴 
中微子雨 
熱浪 
 
【時間悖論】 
改變時間軸 
祖父悖論 
限制行動悖論 
本體論悖論 
違反熱力學第二定律 
複製悖論 
過於擁擠 
預防措施 
防止違背因果律的十個方法 
未來：開放、閉合還是平坦 
未來：凍結、坍縮或撕裂 
探測原初重力波 
高能粒子加速器 
量子重力 

術語表
  
索引 
 
圖片版權

前言

你是不是正在尋找一個令人一生難忘的假期？那麼，給你一個包含所有已知時間的假期呢？請前往宇宙大爆炸的現場看看吧，一切都是從那裡開始的——它創造了整個宇宙！前往時間和空間的誕生之地，自然危險重重，充滿困苦，但是這本友好的漫遊指南會隨時待命，為你旅行中的每一步提供貼身幫助。這本必不可少的手冊將會為你說明：你應該在什麼時候看什麼；需要採取什麼措施來避免自己的身體被完全分解為原子塵埃；以及應該如何大限度地從窮盡宇宙的生命也只能享受一次的旅程中獲取新知和感悟，從你需要了解的科學發現到產生它們的歷史環境，可謂無所不包。你要美美地享受假期，步都是要先到達目的地。但是，大爆炸是「何時」而不是「何地」——因此，到達那裡需要一種非傳統的思維和堅定的信念。物理學定律可能會讓人們實現時間旅行，不過也可能不會，而現有的具備理論可行性的交通方式往好裡說，也要動用整個宇宙的能量，而且極其致命。時間箭頭在傳統的物理學中，時間有一個單一的、不可逆轉的方向，那就是從過去指向現在，再到未來。有時這被稱為“時間箭頭”。決定時間方向的力量之一是熵（entropy），這是一個豐富而含糊的概念，被定義為無序、隨機或不能做功的能量。物理定律表明，熵總是增加的。例如，熵增意味著破碎的玻璃不能自動重新拼接。時間維度然而，愛因斯坦意識到，時間並不是的。相反，對於不同的觀測者來說，時間流逝的速度不同。在相對論（relativity）的概念中，時間被視為與長度、高度、深度並存的另一個維度，這四個維度共同組成了一個可以扭曲、變形的結構（被稱為「時空」）。這種對時間的思考方式提出了一種有趣的可能性，即時空可以被扭曲，這樣我們就可以在第四個維度（時間）中旅行， 正如我們在其他三個維度中所做的那樣。讓我們一起扭曲時空吧！扭曲時空並不容易，它需要巨大的質量或能量（相對論告訴我們，質量和能量可以相互轉換）。為了開啟前往大爆炸的一生難忘的假期，你可能想要考慮「曲速引擎」這個選擇，包括蟲洞（wormhole）和宇宙圓柱體。快子遠距離傳送（tachyonic teleportation）為我們提供了另一種到達早期宇宙的途徑，用這種方法就不用把現存的宇宙搭進去。只不過從你的角度來看，在這個過程中你可能會難逃一死。我們將在接下來的幾頁中看一看每一種選擇。但是，首先我們需要繞過亞原子物理（subatomic physics）這個奇異的世界。

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【當地土特產： 夸克湯】
沒有品嚐過當地美食，你怎麼可能對度假目的地有真正的了解呢？地方土特產可以讓你體驗到純粹的異國文化的味道，因為它是由「風土」的特色成分彙編而成的。

極早期宇宙（一直到大爆炸後大約10-10 秒）的招牌菜是一種被稱為「夸克湯」（只不過以前你接觸過的文章可能直譯為「夸克—膠子等離子體」）的美味。

完美的液體
夸克湯是一種由自由的夸克和膠子組成的超緻密、超高溫的物質，它們被粉碎成一種完美的液體，並由諸如暗物質（dark matter）和正電子等奇異粒子進行調味。

夸克是一種基本粒子，也是構成普通物質的小單元。夸克之間透過一種叫作膠子的粒子牢牢結合在一起，三個夸克可以構成一個質子或一個中子（它們是構成原子核的亞原子粒子）。雖然早期宇宙的直徑不到幾千米，但它的溫度是如此之高（超過1016K），以至於質子和中子都無法形成，因為巨大的能量隨時會將它們粉碎。物質以夸克湯的形式存在，物質可以轉化成能量（以光子的形式），能量也可以轉化成物質，這是一個動態的轉化過程。

通常物理學家將等離子體描述成一種氣體，但是在粒子對撞機實驗中，重金屬離子以接近光速的速度相撞，結果表明夸克—膠子等離子體就像一種“完美的液體”，這就是「夸克湯」這個名字的靈感來源。

【暗能量和暗物質】
早期宇宙中普遍存在的產物可能也是人們所知少、難發現的。到目前為止，你所能看到的物質和能量只佔整個宇宙物質和能量總量的5%。

宇宙微波輻射和新誕生的星系，夸克—膠子等離子體和電子—正電子湮滅：所有這些壯觀的現像都只是宇宙極小的一部分。其餘部分是看不見的，也無法偵測到：那我們是怎麼知道它們就在那裡的呢？

缺失的拼板
引力是宇宙偉大的組織原則，它主宰著恆星系統、星系和星系團的運動和形式。

然而，當天文學家觀測我們的星系和其他星系時，發現有些事情是講不通的。處於旋渦星系外側的恆星，本來應該比處於中心位置的恆星的移動速度更慢，但根據我們對可見物質的觀測，實際上它們的移動速度差不多是一樣的。

這意味著星系的外圍一定存在大量的物質，就像是光暈一樣圍繞著星系。但不論是什麼物質，它似乎不與電磁力或普通物質［物理學家稱之為重子物質（baryonic matter）］發生相互作用，因此天文學家無法探測到它們－這就是「暗物質」這個名字的由來。同樣地，星系團的運動形式也只能用存在一些可以對其施加引力影響的不可見物質來解釋。

大進擊
哈伯對遙遠星系紅移效應的觀測揭示了宇宙正在膨脹，並由此引出了宇宙暴脹理論。引力的影響應該會使膨脹速度變慢，但令天文學家驚訝的是，宇宙實際上正在加速膨脹。

一定有某種神秘的力量在給宇宙膨脹加速，而且這種力量似乎變得越來越強。有一種假說認為，宇宙真空中的量子漲落產生了一種排斥力，但由於沒有人知道它是什麼，科學家們就把它稱之為「暗能量（dark energy）」。

也許這些黑暗的東西不尋常的特徵就是它們的數量。為了解釋星系的旋轉速度和宇宙的加速膨脹，我們估計宇宙中大約68%是暗能量，27%是暗物質，只有5%是我們可以觀測和了解的東西。

【喬治·勒梅特】
個提出大爆炸理論的人是比利時神父、物理學家喬治·勒梅特（1894—1966）。他參加了世界大戰，並被授予比利時英勇十字勳章。戰爭結束後，勒梅特決定先學習數學，再學習以擔任神職工作。他在1923年被授予了聖職後去了英國，師從物理學家和天文學家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington，1882—1944）。在美國待了一段時間後，他又回到了比利時，並在天主教魯汶大學任職。

1927年，他在研究了愛因斯坦場方程式後，獨立於亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，1888—1925），發現了一組指向宇宙膨脹的解，與埃德溫·哈伯報告的觀測結果相吻合；他甚至對後來被稱為哈伯常數的東西給出了個定義和估計值。勒梅特在一份名不見經傳的比利時學術期刊上以法語發表了一篇論文：《將銀河系外星雲的徑向速度考慮在內，均質的宇宙質量不變，半徑不斷增加》。這篇論文在當時並沒有引起太多注意，然而論文的結論意義非凡：宇宙的膨脹意味著空間和時間是存在的起點。當時能認識到勒梅特的工作的重要性的人寥寥無幾，這其中就包括愛因斯坦本人。據說，愛因斯坦曾在1927年告訴這位比利時神父：“你的數學計算無懈可擊，但是物理學方面的觀點真是糟透了。”

1931年，勒梅特發表了論文的英文版，在這之後他的理論變得廣為人知。在英文版論文中，他提出宇宙起源於一個「原初超級原子」的理論，即「宇宙蛋（Cosmic Egg）」假說，而不是「大爆炸」模型。勒梅特稱，宇宙蛋“在創世的那一刻爆炸”，時間和空間的開端是“沒有昨天的現在”。此時，哈伯已經公佈了他的發現。經過長達十年的觀測，他發現星系的紅移程度與距離我們的遠近成正比，這證實了勒梅特的理論。

儘管如此，勒梅特的論文還是引起了軒然大波。其中一些人認為，他的宗教信仰才是他推進這個理論的真正動機，而該理論在創世的故事中給上帝留出了可供發揮的空間。 1931年5月，勒梅特在《自然》雜誌上發表了一篇文章，以回應對他的研究工作的一些異議。請注意！他是用「世界」這個字來表示「宇宙」的：

「如果世界是從一個量子開始的，那麼時間和空間的概念在一開始的那個點上就完全沒有任何意義；只有當初的量子分裂出足夠的數量後，它們才開始有意義。如果這個說法是正確的，那麼世界的開端就在時間和空間的開端之前一點點。

他的想法很快就開始獲得認可。 1933年，勒梅特陪同愛因斯坦在美國加州舉辦巡迴講座。據說，在一次研討會上聽了勒梅特對這一理論的闡述之後，愛因斯坦宣稱：「這是我聽過美的、令人滿意的對創世的解釋。」不過，人們對愛因斯坦史丹的這一評價也是有爭議的。

【重力波衝浪】
在早期宇宙，水上運動實在算不上一個選擇，因為那時氧元素還沒有被製造出來，排除了水存在的可能性——但是夥計，誰也沒說你不能在波上沖浪啊！

愛因斯坦將宇宙看作由時空布料構成的“床單”，這一新視角帶來的結論是，這塊布料的扭曲變形就像質量集中造成的那樣，可以在時空中產生波。想像一下，將一個保齡球從半空中投到一張彈跳床上：波會持續地從撞擊點向外擴散，就像池塘表面被扔進去了一顆鵝卵石那樣。

這些在時空中傳播的波叫作重力波（gravitational wave）。支持大爆炸暴脹模型的重要證據之一，就是偵測到這些極度微弱但波長極高的重力波。這種引力波的波長預計可達10億光年。實際上，這些重力波本身太微弱了，無法被直接觀測到，但是在不久的將來，對宇宙微波背景的高解析度測繪可能會揭露這些波的印記。重力波的波長和產生重力波的物體的大小是相稱的，而我們目前所預期的引力波，在宇宙中並沒有能產生這種波長的物體。說得過去的解釋就是，它們是由早期宇宙的暴脹所產生的。暴脹造成的時空急速膨脹以及現在宇宙的持續膨脹將這些引力波拉長，但在初的10-36秒內這種波動是非常劇烈的，那些尋求刺激的衝浪愛好者估計會很喜歡！

【未來：凍結、坍縮還是撕裂】
既然宇宙學家們現在已經知道了暗能量有多麼重要，而且很明顯，它將決定宇宙的命運。宇宙的終極命運將有三種可能的結局，這取決於暗能量在未來會發生什麼。不幸的是，因為沒有人知道暗能量是什麼，所以我們無法確定哪個結局才是對的。

大凍結
如果暗能量一直保持不變，而宇宙繼續加速膨脹，那麼物質將會變得越來越分散，直到變成薄霧。熵持續增加，恆星將會死亡；而因為物質太稀薄，新的恆星將無法繼續形成。終整個宇宙將冷卻到接近零度。因此，這種結局被稱為「大凍結（Big Freeze）」。

大坍縮
然而，如果暗能量不是恆定的，那麼未來它就有可能發生逆轉，成為讓宇宙收縮的引力，並使宇宙坍縮為一個點——這就是「大坍縮」。這種結局可能會導致另一場“大爆炸”，那樣的話，宇宙將永遠處於這二者的振盪之中。

大撕裂
如果未來這種由暗能量產生的、讓宇宙膨脹的斥力增大了，那麼總有一天它將會變得比引力更強大。在這種情況下，星系、恆星以及我們的星球終都將被撕裂——這就是「大撕裂（Big Rip）」。暗能量甚至還可以克服作用於強子之間的強核力，導致原子被撕裂。終導致「大撕裂」的結局。

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