宇宙的形成是我們面對的第 1 道門檻，因為據我們所知，那一刻見證了我們周圍萬物的起源。那一時刻也是萬物歷史的開端（參見門檻 1 概述）。
門檻
成分 ▲
結構 ▲
金鳳花環境 ＝
突現屬性
大爆炸：
宇宙的起源
能量、物質、空間和時間。（宇宙中的萬物!）
能量與物質，處於一種快速擴張的空間-時間連續體之中。
不確定：可能是多重宇宙之中量子的起伏。
有可能創造出萬物。
因此，我們的第一個問題就是：歷史是如何開始的？這或許是我們能夠提出來的最深刻、最重要的問題之一。無論你生活在什麼社會，瞭解這個問題的最佳答案是十分重要的，不管你是否贊同它。
傳統的起源故事
就人類史的大部分內容來說，關於萬物起源的敘述，基本上都取決於富於想像的猜測或直覺，或取決於許多人體驗到的「啟示」——神靈的竊竊私語或內在的「聲音」（參見圖 1.1 和圖 1.2）。不過，宇宙是如何形成的這個問題如此重要，以至於所有社會的人們似乎都會提到它。在提出這個問題之後，人們也就得出了各種各樣的答案。
圖 1.1
一些巖洞壁畫暗示著所有人類社會似乎都會講述的起源故事，這幅畫來自澳大利亞北部阿納姆地（Arnhem Land），描述的是一條「彩虹蛇」
圖 1.2 上帝賦予亞當生命（《創造亞當》），西斯廷教堂，梵蒂岡。
這幅藝術作品表述了西方一個很有影響的起源故事。作品描述上帝正在賦予亞當（即人類）生命
表 1.1 的文字摘自一些傳統起源故事的開頭。儘管彼此存在差異，不過，這些關於萬物起源的敘述，也具有一些重要的共同點。
摘自亞利桑那州東北部霍皮人的起源故事
「第一個世界是 Tokpela（無盡的空間）。據說，一開始只有創世者，即塔洛瓦（Talowa）。剩下的，就是無盡的空間。沒有開始、沒有結束、沒有時間、沒有形狀，也沒有生命。只有一個無垠的空間，它的開始和結束、時間、形狀和生命存在於創世者塔洛瓦的頭腦中。」
摘自盤古傳說的某個版本
「天地混沌如雞子，盤古生其中。萬八千歲，天地開闢，陽清為天，陰濁為地。」
摘自公元前 1200 年前後印度《梨俱吠陀》
「那時既沒有『無』也沒有『有』，
既沒有空界，也沒有空之外的天界。
什麼覆蓋著？在哪兒呢？誰給予庇護？
是無垠而深不可測的水嗎？
那時沒有死，也沒有不死。
既沒有夜的標誌，也沒有晝的標示。
『那』以自己的自然之力無風呼吸，此外沒有任何其他東西。」
（出自《梨俱吠陀》第 10 卷第 129 首《創世頌》，譯文采用復旦大學出版社 2008 年出版的《梨俱吠陀精讀》第 213 頁。——編者注）
摘自索馬裡的伊斯蘭起源故事
「時間之前，有神在。他既不會生，也不會死。若他渴望某物，只需說『在』，於是它就存在了。」
摘自《舊約·創世記》1:1
「起初神創造天地。地是空虛混沌；淵面黑暗；神的靈運行在水面上。」
首先，從局外人的角度看，其他社會的起源故事通常顯得天真和簡單化。它們也缺乏情感力量打動外人。然而，我們不要忘記一點，即在講述這些故事的社會中，這些故事可能具有強大的、幾乎不可思議的力量，就像基督教社會中基督誕生的故事，或者佛教社會中佛陀涅槃或覺悟的故事那樣。
其次，我們所摘錄的文字都是詩性的。無論何時，當人類試圖描繪難以形容的事物時，他們必定會訴諸比喻、故事和寓言，訴諸那些能夠比簡單直接的散文傳達更多內容的表達。因此，僅僅從字面意思來理解起源故事是錯誤的做法，這些故事的講述者可能並非總是把它們當作嚴格的事實。起源故事試圖描述的，乃是言語永遠無法充分表達的事物，用佛教的隱喻來說，就是「指月示人」。請注意這個表述是如何激起好奇心的。它就像宇宙本身一樣神秘，儘管我們能夠瞭解很多事物，但是永遠不可能充分瞭解萬物。這就解釋了為何人們在打算解釋像宇宙起源這類神秘的事物時，他們往往使用複雜的、詩性的和比喻性的語言。
第三，所有這些故事的核心是一個悖論，關於起始（beginnings）的悖論。所有這些故事一開始都打算描述一種時間，那時，我們所知道的一切還不存在。於是，它們解釋一些事情如何從虛無中顯現。許多故事堅持認為一位創世者創造了世界，但總會留下一個惱人的問題：創世者本身是如何被創造出來的？或者更寬泛地說，一些事物如何從虛無中出現？
我們會發現，現代大爆炸宇宙學包含的起源故事（一種對宇宙起源的現代的、科學的解釋）也具備這些特徵。從外部來看，它似乎很瘋狂。它也具有詩性或比喻性特點，因為現代科學在描述難以形容的事物時，也得使用詩性語言。例如，「大爆炸」這個表達就是一種比喻，現代天文學家並不會真正認為宇宙出現時存在一次「大爆炸」。
最後，即便現代宇宙學（對宇宙演化的研究）也無法解決起始悖論。儘管宇宙學家通常熱衷於思考大爆炸之前存在什麼，但是，事實上，我們現在根本不清楚宇宙為何從虛無中出現。我們甚至不知道大爆炸之前是否空無一物。一個晚近受到重視的推測認為，此前存在一個宇宙，這個宇宙收縮成為虛無，然後再次爆炸形成一個新的宇宙（參見第 13 章）。另外還有一個現在受到更嚴肅對待的推測，它認為存在一個龐大的多維度的「多元宇宙」（multiverse），在其內部，宇宙不斷出現，每一個都具有明顯的特徵，這樣，我們的宇宙或許只是無數宇宙中的一個。
這個現代起源故事也在一些重要方面與其他起源故事有所不同。首先，它對萬物的起源做出了實事求是的敘述。它渴望人們認真對待它，把它當作對大約 138 億年前真實發生的事情的描述。它完全不是為了彌補無知而做出的詩意嘗試。它宣稱對歷史的開端做了準確的敘述，因為它建立在經歷許多世紀而產生、得到反覆檢驗的眾多證據之上，也建立在嚴謹的、經過仔細檢驗的科學理論之上。它是唯一一個受到全世界科學家認可的起源故事。不過，由於它建立在證據之上，而新的證據又會不斷湧現，因此，這些科學家也很清楚，它的許多細節在未來會發生變化。它不是固定不變的、絕對的故事，也不會宣稱自己是完美的。
大爆炸宇宙學的起源
如果我們瞭解現代大爆炸宇宙學在過去許多世紀的演化，那麼，我們就很容易理解它。世界各地科學家現在都贊同的一些宇宙學觀念，形成於現代歐洲科學革命傳統之中。不過，這些觀念的根源，可以回溯到起源於古代美索不達米亞、埃及、印度、古典希臘和羅馬以及穆斯林世界的數學、科學和宗教思想。現代宇宙學利用了來自非洲-歐亞大陸大多數地區的思想、技術和傳統。
早期宇宙學
在中世紀歐洲，對宇宙起源的解釋主要基於兩大傳統。其一是基督教神學。與猶太教一樣，基督教也是一神論宗教。它承認一位至高無上的上帝的存在，它認為宇宙是上帝的作品。到公元 3 世紀，當基督教在羅馬帝國廣泛傳播的時候，一些基督教神學家試圖確定上帝創世的日期。他們的努力是「科學的」，因為這種努力建立在他們所知道的最權威的書面文獻即《聖經》之上。通過使用這種資料，一些早期基督教學者試圖通過計算《舊約》所記載的世代來推定創世的時刻。這些估算表明，上帝在公元前 4000 年創造了地球和宇宙。這意味著，在羅馬帝國全盛期，宇宙只存在了 4000 多年。（更多內容參見第 2 章的「塑造地球的表面」。）
中世紀基督教宇宙學依據的第二個傳統，乃是羅馬-埃及天文學家、亞歷山大的托勒密（Ptolemy ，大約公元 90－168 年）的作品。托勒密是一位地理學家、數學家和天文學家。他最偉大的天文學著作以希臘語創作，不過，當穆斯林學者將其翻譯成阿拉伯語時，他們把它譯成al-Majisti（「偉大的工作」）。中世紀基督教翻譯者將其譯成《天文學大成》（Almagest），在基督教世界，它是天文學思想和宇宙觀念的基礎（參見圖 1.3）。托勒密拒絕了更早的希臘宇宙模型，那種模型認為，地球和行星圍繞太陽旋轉。相反，托勒密認為，地球是宇宙中心，其他天體都圍繞它旋轉。基督教神學家聲稱，地球是一個有罪的和不完美的地區；不過，在托勒密的模型中，圍繞地球旋轉的是一個完美的區域。天層由一些完美無瑕的、晶瑩剔透的圓圈構成，其中有恆星、太陽、行星和其他天體。這些圓圈以不同速率旋轉，由此解釋了從地球上看到的天體運動。
圖 1.3 托勒密的宇宙。
在中世紀歐洲，大多數學者接受古埃及天文學家托勒密提出的宇宙觀：地球是宇宙的中心，四周是旋轉的載有天體的透明圓圈
在基督教世界，大多數學者接受托勒密模型長達 1500 多年。部分原因在於，它得到天主教會的支持。不過，它也很好地解釋了天體運動。它也十分符合我們的強烈直覺，即地球是靜止不動的。畢竟，如果地球是運動的，你難道不該感覺到這種運動嗎？
科學的挑戰
然而，到了 16 世紀，托勒密的模型在幾個方面受到批評。宗教改革削弱了天主教會的權威。更重要的，乃是托勒密天文學受到科學批判。尼古拉斯·哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473－1543）是波蘭天文學家，他復興了一個古老觀念，即宇宙的中心是太陽而不是地球。他也能夠證明，這個觀念可以解決托勒密體系中一些重大的異常現象。比如說，托勒密天文學對行星的「反向」運動——行星的軌道每年似乎有一點點改變——做出了某種不自然的解釋。哥白尼表明，如果地球與其他行星都繞太陽旋轉，那麼，那種反向運動就是意料之中的事情。此外，德國天文學家約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler，1571－1630）證明，行星的軌道並不是托勒密宇宙學所要求的那種完美圓圈，而是橢圓或受到擠壓的圓圈。
最後，意大利學者伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564－1642）終結了天上地下截然有別的觀念。伽利略是最早通過望遠鏡觀察天空的天文學家之一。這樣，他就能夠指出，太陽的表面根本就不是完美無瑕的，而是帶有一些黑點，而木星有著自己的衛星。這兩個事實都與托勒密模型相悖。伽利略還解釋了我們為何不能感覺到地球運動。他指出，如果地球上所有事物都向著一個方向運動，我們就覺得它像沒有運動一樣。如果你坐在飛機上，然後將一顆球拋向空中，它不會以每小時 800 千米的速度射向後方；而是落到你手中，因為你們共享著飛機的向前運動。因此，儘管地球以每小時 112000 千米的速度在太空運動，我們卻感覺不到它在動。
臨近 17 世紀末期，英國物理學家和數學家艾薩克·牛頓（Isaac Newton，1642－1727）表明，理解宇宙根本就不需要托勒密那種複雜的、虛構的天體體系。相反，人們只需要依據少數簡單方程式，就能夠解釋天上和地上物體的運動，不管是行星運動還是蘋果落地。他指出，宇宙間存在一種普遍的力，他稱之為引力。這種力將所有實物彼此拉近，它的強度與物體的質量成正比，與它們之間的距離成反比。在所有的科學成就之中，牛頓運動法則是最偉大的成就之一，它們提供了極其簡單的方式解釋一切運動。許多人認為，這些法則似乎是理解宇宙的關鍵。
到 1700 年，很少有科學家把托勒密的宇宙模型當回事。他們都承認，地球繞太陽旋轉。他們也相信，整個宇宙可以用牛頓闡述的那種簡單科學法則來解釋。
繪製宇宙地圖
現在宇宙學家面臨著新的挑戰。更好地理解宇宙意味著需要繪製宇宙地圖。你能夠像地理學家開始繪製地球那樣繪製宇宙嗎？要做到這一點，就得確定恆星的確切位置和運動。這項工作並不容易。直到 19 世紀，宇宙學家才開發出更可靠的手段來測量地球到附近恆星的距離，以及探索它們在太空的運動。關於宇宙及其起源的現代思想，就來自繪製宇宙地圖的這種努力。下面我們會交替討論恆星的位置及其運動這兩個問題。
如何知道地球到恆星的距離呢？這值得你在某個夜晚出門仰望星空，並且看看你是否能做到這一點。它是一個微妙而複雜的問題。理論上說，古希臘人已經知道該如何做。你可以使用視差（parallax）：觀察者位置的移動導致兩個固定物體之間關係的明顯變化（參見圖 1.4）。
圖 1.4 視差是如何運作的，展示可以進行三角學計算的三角形。
視差取決於如下事實，即當你移動時，中間位置的物體（比如一顆附近的恆星）似乎在更遠物體（比如更遙遠的恆星或星系）的背景下移動。從理論上來說，我們可以確定移動的範圍，然後利用三角學（注意圖中的三角形）計算出附近恆星離我們的真實距離。實際上，即便最近恆星的運動也非常小，因此，19 世紀之前，我們根本無法使用這種方法確定地球到附近恆星的距離
為了更好地瞭解視差是如何運作的，可以將一根手指頭放在眼前靠近鼻子的位置。先不要移動手指頭，只是來回擺動頭部。這種情況下，你的手指頭似乎在移動；它移動的距離取決於它與眼睛的距離。（讓手指頭遠離鼻子，然後擺動你的頭來檢測一下。）希臘人意識到，這條簡單原則使得人們能夠測量地球到最近恆星的距離。當地球每年繞太陽旋轉時（記住，一些古希臘天文學家接受了太陽中心的宇宙模型），一些最近的恆星肯定會在更遙遠恆星的背景下運動，就好像你在搖動頭部時，手指頭的運動那樣。通過測量較近恆星在較遠恆星的背景下移動了多遠，並且通過使用初等三角學（結合對地球軌道的尺寸、地球到太陽之距離的大致估算），你就能夠估算出這些恆星有多遠。
希臘人持有正確的觀念。不幸的是，即便最近的恆星都非常遙遠，你根本無法以肉眼觀察到任何運動。直到 19 世紀中期，探測和測量一些最近恆星位置發生微小變化的精密望遠鏡和測量儀器才被研製出來。不過，這些儀器足以讓天文學家估算一些恆星離我們的距離。當這麼做的時候，他們意識到，宇宙比他們大多數人曾經認為的要大許多。我們現在知道，即使最近的恆星，即比鄰星，也有 4 光年之遙，40 萬億千米之遙。如果乘坐商業噴氣式飛機以每小時 880 千米速度前往那裡的話，也得花上大約 500 萬年。記住，還有幾千億顆恆星在更遙遠的地方，比鄰星是離我們最近的；用天文學術語來說，比鄰星是我們的鄰居。
測量更遙遠的恆星需要使用不同的技術。其中之一由美國天文學家亨利埃塔·萊維特（Henrietta Leavitt，1868－1921）開發。19 世紀末期，她研究了一種特殊的恆星，它的亮度似乎呈現週期性變化。這種恆星就是造父變星（Cepheid variables，又譯仙王星座的變光星），它們最早被發現於仙王座（Cepheus）星群，故得此名。萊維特意識到，它們亮度的變化速度取決於它們的大小，這意味著，我們可以計算出它們的大小。因為恆星的尺寸與它們的亮度密切聯繫在一起，這也意味著我們可以估算它們真實的（「固有的」）亮度——也就是說，當你近距離觀察時，它們到底有多亮。通過從地球上來計算它們的亮度，我們也就能夠估計出它們有多遠，因為一顆恆星的光抵達另一個遙遠的天體時，隨著光線在更廣闊空間的傳播，光的總量會以一種數學方式減少。萊維特認識到，通過這種間接方式，我們就可以估算出造父變星的真實距離。
埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）——我們後面還會討論他——於 1924 年指出，一些造父變星位於我們的星系（銀河系）之外。這第一次證明宇宙中還存在許多其他不同星系，這也再次表明，宇宙比大多數天文學家所認為的要大得多。
天文學家也想知道恆星和星系是否在太空中運動。引人注目的是，從事這種工作的技術在 19 世紀出現了。這些技術最終會帶來更重大的發現。
19 世紀早期，德國一位玻璃製造者約瑟夫·馮·弗勞恩霍夫（Joseph von Fraunhofer，1787－1826）發明了一種被稱為分光鏡的裝置。觀察者通過分光鏡（或光譜儀）就能夠把來自恆星的光分成不同頻率。簡單的玻璃稜鏡所做的是同一件事情。它們將光分成不同頻率，也就是我們看到的不同顏色，這也解釋了稜鏡為何看上去似乎創造了人工彩虹，從一端的紅色（頻率較低）到另一端的藍色（頻率較高）。不過，弗勞恩霍夫從他的分光鏡所創造的光譜（「光線彩虹」）中看到了某種奇特的事物。他發現了能量減弱的暗線，即現在所說的吸收線（absorption lines，參見圖 1.5）。實驗室的實驗表明，這些暗線的存在，要歸因於一些具體的元素，這些元素往往會吸收不同頻率的光能。如果你知道那些頻率，那麼，經由吸收線，你就可以得知發射這些光的恆星內部含有哪些元素。稍後，當天文學家開始探究恆星的形成及其所含物質時，上述看法被證明是至關重要的。
圖 1.5 多普勒效應與吸收線。
吸收線，即恆星光線之光譜上的暗線，體現了特定頻率上特定元素的存在。不過，吸收線通常會稍微偏移它們的預期位置（即它們的頻率）。這要歸因於多普勒效應。來自恆星的光波要麼擴散，要麼收縮，因為它不是離我們遠去（當頻率紅移時），就是向我們移動（當頻率藍移時）。通過使用這種方法，哈勃發現宇宙中所有遙遠的物體似乎都在離我們而去，離得越遠，它們離開的速度就越快
19 世紀末，亞利桑那州弗拉格斯塔夫市洛厄爾天文台（Lowell observatory）的維斯托·斯裡弗（Vesto Slipher）發現了吸收線的另一個奇異特徵。在遙遠天體的光譜中，吸收線似乎偏離了它們的預期位置。因此，代表氫元素的吸收線可能是藍移的（在光譜線上移向更高頻率的藍端）或紅移的（移向低頻率的紅端）。斯裡弗認為，這種移動是恆星向我們移動（藍移）或遠離我們（紅移）造成的。它們是由多普勒效應（Doppler effect）引起的，這種效應似乎也引起警笛的聲音在向我們移動時頻率上升，在遠離我們時頻率降低。這種效應產生的原因在於一個事實，即當發出聲音的物體向我們移動時，我們感覺聲波正在聚集起來，當它遠離我們而去時，聲波似乎擴散開了。如果斯裡弗是正確的（我們現在知道他是正確的），那麼，我們就可以確定遙遠的物體（比如遙遠的星系）是向我們移動還是離我們遠去。我們甚至能夠計算出它們運動的速度有多快。這是一個非凡的技術成就。
我們較詳細地討論了測量恆星距離和運動的技術，因為它們為現代大爆炸宇宙學奠定了基礎。
大爆炸宇宙學
20 世紀 20 年代，美國天文學家埃德溫·哈勃（1889－1953）對那些發現進行了綜合。哈勃在加州帕薩迪納威爾遜山天文台工作，那裡有一架當時世界上最大的望遠鏡之一。他利用我們前面所說的技術來繪製宇宙全景，由此得到的圖景完全出乎人們意料。第一個奇特之處在於，宇宙似乎是不穩定的。宇宙中大多數遙遠的天體似發生紅移（red-shifted）。換句話說，它們似乎正在遠離地球而去。這一點是人們沒有料到的，因為自牛頓生活時代以來，大多數天文學家認為宇宙是穩定的。哈勃把對這些天體的運動評估和它們的距離估算結合在一起，發現了更加不同尋常的現象：天體離得越遠，紅移就越大；換言之，天體似乎在以更快速度遠離我們（參見圖 1.6）。
圖 1.6 哈勃關於遙遠星系的距離和運動圖表。
哈勃使用加州帕薩迪納威爾遜山天文台的望遠鏡研究遙遠的星系。他發現，天體離我們越遠，它似乎更快地離我們遠去。這是一項重要發現，證明我們的宇宙正在擴張
這意味著什麼呢？這意味著，當在非常大的尺度上觀察時，宇宙不同部分似乎正在彼此分離。我們現在知道，引力強大到足以將不同星系團匯聚在一起。就包括銀河系和仙女座星系在內的星系團來說，確實如此，因此，仙女座星系沒有離我們遠去。不過，哈勃觀測的天體更加遙遠，在這種更大規模上，星系團彼此之間的距離似乎越來越遠。這表明宇宙似乎正在擴張。宇宙各部分就好像手榴彈爆炸產生的碎片一樣。
沒有天文學家曾預想到這些。哈勃的結果深深震驚了愛因斯坦——他的相對論要比哈勃公佈的觀測結果早幾年發表——愛因斯坦一度認為，事情肯定出錯了。愛因斯坦為了迴避不穩定宇宙的可能性，甚至修改了自己的理論，宣稱存在一種平衡引力的新類型的力。（他後來接受了哈勃的結論，聲稱迴避它是自己犯下的最大錯誤之一。奇怪的是，最近的發現或許一定程度上證明愛因斯坦是對的，我們後面會看到，他的權宜之計似乎指向了我們現在所說的暗物質這種新的力。暗物質是一種能量，它似乎在分裂空間，它也瀰漫在整個宇宙。）
托勒密的宇宙是微小而穩定的，牛頓的宇宙是龐大和穩定的，而哈勃所描繪的宇宙是十分不穩定的。哈勃的宇宙最初極小，然後不斷膨脹，直到它變得非常巨大。不過，我們現在知道，它並沒有真正膨脹成為一切事物，儘管它在膨脹的同時創造了時空維度。這就讓我們很難想像它的形態。千萬不要認為宇宙存在一個核心或邊緣。它根本就沒有，就好像地球表面沒有中心和邊緣一樣。
哈勃對宇宙做出現實的描述了嗎？或者他的結論只不過是一種光學幻覺？最初，沒有人能夠給出確定的回答。不過，如果他的描述是現實的，那麼，它對我們理解宇宙的歷史有著重要影響。1927 年，比利時天文學家、天主教教士喬治·勒梅特（Georges Lemaitre，1894－1966）指出，如果宇宙正在擴張，那麼，這意味著它有歷史。宇宙學不是對宇宙的靜態描述；它是一門歷史性學科，就像人類史那樣。他進一步指出，我們還可以就那種歷史的形態表達一些重要看法。如果宇宙正在擴張，那它過去肯定比現在小很多。在某個遙遠的過去時刻，宇宙中的一切事物都被壓縮在原子大小的空間中。勒梅特稱之為原始原子（primeval atom）。
在天文學家看來，這絕對是一個令人震驚的結論。勒梅特描述了宇宙如何發端於無法想像的一小束能量。如果宇宙的確在膨脹，那麼他無疑是正確的。
儘管哈勃的研究為現代大爆炸宇宙學奠定了基礎，不過，直到幾十年之後，大多數天文學家才接受他的觀點。部分原因在於，他的結論初看上去肯定是瘋狂的。事實上，英國天文學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle，1915－2001）於 1950 年不懷好意地將那種觀點描述為大爆炸。霍伊爾從來沒有接受大爆炸宇宙學，他只是在一次電台採訪中諷刺性地使用了「大爆炸」這個術語。
一開始，很少有天文學家瞭解哈勃的發現所包含的內容。早期宇宙是什麼樣的？20 世紀 40 年代，為建造原子武器而進行的研究，導致逐漸對基本粒子的本質以及它們在極端壓力和高溫下的活動產生了一些新想法。如果哈勃和勒梅特的模型是對的，那麼，那種環境在宇宙歷史上肯定早就存在過。
大型強子對撞機
今天，宇宙學家在研究宇宙起源時，使用龐大而昂貴的機器在極端高溫下將粒子搗碎，進而觀察它們的構成成分。大型強子對撞機（the Large Hadron Collider，簡稱 LHC；參見圖 1.7）位於日內瓦機場下面的環形隧道內，在那裡，粒子被猛烈地搗碎，這樣，科學家實際上在重新創造類似於宇宙誕生第一秒時的環境。這有點類似於把兩輛法拉利一起搗碎來觀察它們的構成！正因此科學才會令人興奮！事實上，2012 年 7 月 4 日，參與 LHC 工作的科學家宣稱，他們發現了一種粒子即著名的「希格斯玻色子」存在的證據。這種粒子解釋了為何所有物質都有質量。英國物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）在 1964 年率先提出這種粒子的存在，稍後，其他一些物理學家也表達了這種看法。世界上確實存在一種與希格斯的創造性觀念相一致的粒子，這項發現被認為是現代科學重大轉折點之一。
圖 1.7 大型強子對撞機，歐洲核子研究組織。
大型強子對撞機是迄今為止設計出來的最龐大、最昂貴的科學實驗。它由日內瓦機場下面一條巨大隧道構成，亞原子粒子在那裡以接近光速的速度被擊碎，以便發現它們的構成。這好像將汽車一起搗碎以觀察它們的內部構成，不過，這是我們用來確定宇宙構成基本成分的本質的唯一方式。白圈標出了 LHC 的位置。前面是日內瓦機場。紅線標示的是瑞士和法國之間的邊界
20 世紀 40 年代，一些科學家，包括弗雷德·霍伊爾和俄裔美國物理學家喬治·加莫夫（George Gamow，1904－1968）在內，以哈勃的結論為前提，開始探究早期宇宙的面貌以及它是如何活動的。引人注目的是，他們發現建構一種合理的故事是可能的。事實證明，此後幾十年，我們可以非常詳盡地解釋宇宙從其誕生到現在的各個不同階段。
大爆炸宇宙學講述的萬物起源
我們無從知曉宇宙誕生之前存在什麼。因為完全沒有證據，因此，也不可能就宇宙出現之際表達任何科學的意見。事實上，「之前」這個想法可能是毫無意義的，時間本身或許也是在大爆炸中與空間、物質和能量一起被創造出來的。天文學家將來可能會找到一種方式來處理這個終極問題，不過，當下大爆炸宇宙學並不打算解釋宇宙出現的那一時刻。然而，在宇宙出現之後一秒鐘內一個極小的時間裡，大爆炸宇宙學能夠講述一個詳細的故事，該故事基於大量證據之上。下面對這個故事的某些部分做一個簡潔的、非技術性的敘述。
大約 138 億年之前，某種事物出現了，它似乎開始創造空間、時間、物質和能量（物質是由具有質量、佔據空間的實體構成；能量是由移動和形塑物質的力構成）。太空一開始可能不會比一個原子更大。它也不可思議的熾熱。這一點並不奇怪。畢竟，這個原子大小的空間包含了今天宇宙中所有能量。它的溫度如此之高，以至於物質和能量可以相互轉化。能量不斷聚集形成物質粒子，它們也不斷地再次轉變成能量。愛因斯坦的相對論證明，物質和能量實際上是同一種物質的不同形式；寬泛而言，我們可以將物質視作靜止的能量。在極端高溫下，比如一顆氫彈內部或恆星中心，物質能夠再次轉化為能量。因此，在最初的時候，宇宙是由某種能量和物質湯構成。不過，當它膨脹時，就會迅速冷卻下來。當它冷卻時，這種湯就開始分化為不同的力和不同的物質。科學家將這些變化稱為相變（phase changes）。這有點類似於蒸氣冷卻時的情形；在大約 100 攝氏度時，蒸汽突然發生一種相變，即轉變為液態水。
在某一個時刻（宇宙出現之後 1/1027秒），早期宇宙極速擴張。在這種「膨脹」——天文學家的稱呼——結束之際，宇宙很可能與今天宇宙中一個星系的大小相當。
在一秒鐘的極小一部分時間內，作為相變的結果，四種基本的能量形式得以出現。它們是引力、電磁力以及「強」核力和「弱」核力。（後面再討論引力和電磁力；我們很熟悉這兩種力，它們在我們的故事中扮演了重要角色。我們不會花很多時間討論其他兩種力。它們活動的範圍甚至小於一個原子，它們有助於控制原子以及質子和電子之類的亞原子粒子的活動。因此，對它們感興趣的主要是核物理學家。）除了這四種力之外，物質的基本成分也出現了，包括暗物質（我們真的不瞭解它）和我們由以構成的物質，即原子物質（atomic matter）。
在最初的 20 分鐘時間裡，物質和能量開始呈現出更穩定的形式。質子——氫原子的帶正電荷的原子核——已經出現，大約 25% 的質子發生核聚變，並且與中子（它們與質子的質量相同，但不帶電）結合形成氦原子核。數量極少的質子聚變形成鋰原子核，不過，由於宇宙冷卻的速度太快，以至於無法發生更多聚變。物質現在以一種等離子（plasma）的形式存在，那是一種熾熱的、氣體般的狀態，在那種狀態下，質子和電子（帶負電荷）還沒有結合在原子中。今天，相同的狀況（等離子）也存在於恆星的核心。由於質子和電子帶有電荷，因此，宇宙中大多數原子物質發出電流的辟啪聲，也不斷受到強烈的電磁能的撞擊。質子——我們可以把它們視為電磁能的小型儲藏所——肯定會與這些帶電荷的粒子相互作用。
等離子幾乎存在了 38 萬年（這大約是人類在地球上生活時間的兩倍）。於是，宇宙大爆炸 38 萬年之後，出現了一種重要的新變相。當宇宙溫度冷卻到接近我們太陽的表面溫度時，光子開始喪失能量，亞原子粒子的活動不再那麼猛烈。最終，在一個溫度更低的、更柔和的宇宙中，帶正電的質子和帶負電的電子之間的電荷非常強大，足以把它們結合在一起。突然間，一個臨界溫度值被跨越，宇宙中質子和電子結合起來形成呈電中性的原子（因為質子和電子的相反電荷相互抵消）。這樣，整個宇宙似乎一下子喪失了它的電荷。電荷網絡－－電磁輻射出現的地方——消失了，光子現在可以在宇宙中自由運動。
20 世紀 40 年代晚期，喬治·加莫夫指出，在這個故事中的那一刻，當光子脫離物質之際，肯定存在一種巨大的能量閃爍，或許我們現在還可以探測到那一閃爍。然而，當時大多數宇宙學家似乎並沒有認真探尋古代那次能量閃爍的殘留物，這表明他們對大爆炸觀念持懷疑態度。
支持大爆炸宇宙學的更多證據
直到 20 世紀 60 年代早期，宇宙起源於一次大爆炸的觀念依舊只不過是一種令人感興趣的假說而已。（假說是指尚未獲得足夠多的證據從而沒有得到廣泛接受的科學思想。理論則相反，是指具有大量證據足以使其得到普遍接受的科學思想。）大多數天文學家懷疑它是對過去發生之事的真實描述。另一個假說，即當時著名的穩態理論（steady state theory）——之所以稱之為理論是因為它為時人廣泛接受——在 20 世紀 20 年代被首次提出，後來被不斷修正和改善。它得到許多人的支持，其中包括弗雷德·霍伊爾，他終其一生都是大爆炸宇宙學的批評者。穩態理論宣稱，儘管宇宙一直在擴展，不過，新物質和能量不斷產生的速度抵消了擴展的速度。因此，依照穩態理論，最終的結果就是，從宏觀來看，宇宙看起來始終跟今天的宇宙沒什麼兩樣。
這兩種假說都宣稱對哈勃發現的紅移做出了解釋，那麼，我們如何檢測它們呢？哪一種是正確的？
1964 年，答案突然出現了。天文學家阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias，生於 1933 年）與羅伯特·威爾遜（Robert Wilson，生於 1936 年）在新澤西貝爾電話實驗室工作，他們正努力為衛星傳輸建造一種超敏感的接收器（參見圖 1.8）。為了改善設計的號角式天線，他們試圖消除所有的背景信號。他們發現了一種微小的、持續存在的以及均勻的背景噪音，並且根本無法清除它。很顯然，這種噪音存在於天線指向的任何方向，因此，它似乎並非來自太空中某個特定天體。他們一開始懷疑自己的裝備出現了問題，一度將天線上的鴿子糞便清理一番，以防鳥糞散發的微小熱量是噪音的來源。最後，他們與附近普林斯頓大學物理學教授羅伯特·迪克（Robert Dicke，1916－1997）取得聯繫。迪克很清楚那些預測，即大爆炸釋放出了巨大能量，而且他當時正在設計一種能夠探測這種背景能量的射電望遠鏡。他馬上斷定，彭齊亞斯和威爾遜檢測到了加莫夫和其他人預測到的古老能量的片羽吉光。
圖 1.8 宇宙背景輻射。
彭齊亞斯和威爾遜於 1964 年率先用來探測宇宙背景輻射的無線電探測器
彭齊亞斯和威爾遜發現了一種極其微弱的信號，它的能級相當於零下 270 攝氏度，只稍稍高於絕對零度（即零下 273 攝氏度，是可能存在的最低溫度）。這非常接近加莫夫和迪克等宇宙學家預測到的能級。最引人注目的，乃是背景輻射的均勻性。它來自宇宙四面八方。簡而言之，即便這種信號很微弱，但是它所體現的是龐大的能量，它似乎在每一個地方都具有幾乎相同的密度。穩態理論無法解釋這種宇宙背景輻射（CBR）的來源。不過，如前所述，宇宙大爆炸理論已經預測到了它。
所有科學假說最有效的檢驗之一，就是奇怪的預測變成了事實。這也解釋了一個現象，即宇宙背景輻射被發現以來，大多數宇宙學家和天文學家最終都承認大爆炸理論對宇宙起源做出了正確敘述。因此，我們現在也可以將大爆炸稱為一種確定的理論，把穩態理論視為一種假說。另外，自從被發現以後，宇宙背景輻射就得到密切研究，因為它能夠就它發射之際（大爆炸發生約 38 萬年之後）宇宙的本質向我們提供很多信息。
支持大爆炸宇宙學的進一步證據
儘管宇宙背景輻射和紅移可能是支持大爆炸宇宙學的最有效證據，不過，還存在其他許多有力證據。我們下面只討論三種比較重要的證據，它們都相對容易理解。
首先，宇宙中似乎不存在超過 130 億年的物體。我們在本章後面會瞭解到，天文學家現在很好地瞭解了恆星從幼年演進到老年再到塌縮的全過程。這表明，就好像根據一個人的姿勢、膚色以及活動，我們就能夠大致猜出年齡一樣，天文學家通過測量一顆恆星的溫度、化學成分和質量，就能夠估算出其年齡。這些計算並不容易，不過，它們都沒有表明有哪顆恆星比 130 億年更古老。如果宇宙有幾千億年古老，或者如果它是無限古老的（穩定理論這麼認為），那麼，不存在更古老的恆星（指超出 130 億年）就顯得有點不可思議了。如果大爆炸理論是正確的，那麼，這種年齡分佈正好是我們所預期的。
其次，與穩態假說不同，大爆炸理論暗示著宇宙具有自身的歷史。因此，就像人類社會那樣，它會隨著時間的推移而發生變化。我們認為 1 萬年之前的人類社會與今天人類社會完全不同（到底有多麼不同，可以參見第 4 章），同理，宇宙學家認為，100 億年之前的宇宙與現在的宇宙也是完全不一樣的。他們所發現的，就是這一點。最強大的現代望遠鏡能夠探測距離地球幾十億光年的天體（1 光年是指光在一年時間裡走過的距離，大約為 9.6 萬億千米）。在這麼做的時候，它們事實上是在觀測幾十億年之前的天體，因為天體發射出來的光需要經過幾十億年才能夠到達地球。強大的望遠鏡就像時光穿越者，其中一些強大的望遠鏡能夠向我們展示大爆炸之後不久的真實宇宙。這些望遠鏡表明，早期宇宙確實與現在宇宙完全不同。它非常擁擠，包含了今天宇宙中極其罕見的類星射電源（即 Quasar，「quasi-sterllar radio source」的縮寫，當恆星被吸進似乎處於所有星系核心的巨大黑洞時，它就形成了）。這種研究支持了大爆炸宇宙學的結論，即宇宙像人類社會那樣，具有隨時間推移而發生變化的歷史，同時駁斥了穩態假說的結論，即宇宙在過去一直沒什麼變化。
第三，大爆炸理論的早期理論家認為，當宇宙在最初幾秒鐘快速冷卻時，短暫的時間只允許最簡單的化學元素的原子核形成。最簡單的元素是氫（其中心有一個質子以及一個圍繞它旋轉的電子）和氦（有兩個質子和兩個電子）。從氫到鈾（92 個質子和 92 個電子）的化學元素，其原子核都有特定數量的質子。因此，大於氫或氦的元素想要形成的話，原子核必須聚合在一起，以便形成帶有更多質子的更大原子核。這就需要極端高溫來克服質子之間的相互排斥力，因為它們都帶有正電荷，然而，當最初的原子形成之際，沒有哪個地方的溫度高到足以做到這一點。這意味著，大部分宇宙是由氫原子和氦原子構成。這本身就是一個出乎意料的預測，因為氫原子和氦原子在地球表面比較罕見。不過，當天文學家使用光譜儀觀測恆星內部和恆星之間的空間存在何種元素時，他們發現，宇宙中 75% 的原子物質由氫原子組成，剩下的大部分由氦原子構成。由此可見，大爆炸宇宙學再次提出了一個最終成為事實的奇怪預測。
大爆炸宇宙學存在的問題
今天，大多數天文學家和宇宙學家都承認，大爆炸理論對宇宙的起源做出了合理而正確的敘述。不過，它遠非完美。其中最突出的異常現象之一，即不久的將來很可能得到修正的異常現象，就是暗物質和暗能量的存在。如前所述，這些是我們能夠探測到的、但迄今為止還無法理解的物質和能量形式。
天文學家首先意識到，當研究星系中恆星的運動時，實際存在的物質遠遠超出我們所能看到的。通過使用引力法則，我們就可以估算恆星以多快速度繞龐大的星系旋轉。恆星的實際運動表明，宇宙中存在的質量可能是天文學家探測到的質量的 20 倍。其中一些質量由暗物質構成。另外，到 20 世紀 90 年代晚期，越來越明顯的是，宇宙正在加速擴張，大多數宇宙學家相信，這種加速的動力是一種新形式的能量，即暗能量（dark energy），它是一種反引力，將事物分離開而不是把它們吸引到一起。
暗能量大約占宇宙總質量的 70%，它與空間的總量聯繫在一起，因此，這種能量的重要性隨著宇宙擴張而增加。事實上，宇宙擴張的速度似乎在加快，這要歸因於越來越強大的暗能量，這種情況發生在大爆炸 90 億年之後，也即地球形成之際。宇宙質量的另外 25% 是暗物質。剩下 4%~5% 由原子物質構成。大多數原子物質是以氫和氦的形式存在，其中只有大約 1%~2% 是由從碳到鈾等較重化學元素構成。甚至大多數原子物質都是不可見的，由此可見，我們真正能夠探測到的，是宇宙中不到 1% 的物質。我們並不真正瞭解宇宙中絕大多數物質和能量，這個事實讓許多天文學家深感不安。在暗物質和暗能量的本質得到說明之前，這個疑問會一直困擾整個大爆炸理論。
不過，天文學家和宇宙學家顯得很樂觀，他們相信，大型強子對撞機（LHC）這種實驗或許很快就會提供一些答案。我們前面已經瞭解到，LHC 已經發現了希格斯玻色子。當它開始以更高的能級活動時，許多人希望它能夠發現其他形式的、有助於解釋暗物質和暗能量構成的能量和物質。那將是物理學家或宇宙學家激動人心的時刻。
儘管存在這些困難，不過，當前並不存在真正能夠與大爆炸宇宙學相媲美的理論，它成功地解釋了與宇宙相關的大量問題。針對「宇宙是如何開始的」這一基本問題，大爆炸理論提供了迄今為止最權威、最具說服力的答案。