宇宙史话：人类如何认识宇宙的故事（科学原点丛书）

　　《宇宙史话：人类如何认识宇宙的故事/科学原点丛书》蕴含着两个互相独立又错综交合的历史故事。其一是作为客观世界的宇宙，它有一个时间上的起点，有自己的演化历史，经历了大爆炸、暴胀、膨胀及加速膨胀等过程。其二是人类通过几百年的仰望星空，几代天文学家、物理学家的不懈努力，最终认识宇宙的结构及变迁的经过。在这之后的历史中，不仅有哥白尼、伽利略、爱因斯坦、哈勃等耳熟能详的明星，更有诸如弗里德曼、勒维特、勒梅特、伽莫夫、胡马森、兹威基、霍伊尔等许多被忽略的角色。他们独特的背景、性格、经历构成了人类认识宇宙的历史。

程鹗，1984毕业于北京大学物理系。1990年在美国宾夕法尼亚州州立大学获得物理博士学位。从事6年博士后研究后于1996年离开学术界转为软件开发。现已离职，以个人兴趣进行科普、历史方面通俗写作。已出版《捕捉引力波背后的故事》。

一本人人都能看懂的宇宙史话
一本像小说一样好看的宇宙探索史
一部关于宇宙的史诗，恢宏！大气！
一场人类群星的思维盛宴

40 年前的 1980 年，美国天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）出版了一本面向大众的科普书籍《宇宙》（Cosmos）。在为美国公共电视台同期制作的电视片中，萨根站在惊涛拍岸的海边，充满诗意地讲解我们对身边的世界乃至宇宙的认知。他指出：“宇宙就在我们之中。我们是由星星的材料构成。我们是宇宙认识自己的途径。”（The cosmos is within us. We are made of star-stuff. We are a way for the universe to know itself.）

他的书和电视节目在全世界流行，脍炙人口。

在那个年代，宇宙的大爆炸起源已经是科学界的共识。他的读者、观众也对这个名词并不陌生。大爆炸理论不仅描述了宇宙的初始和演化，也精准地解释宇宙中化学元素的来源。它们有的诞生在宇宙之初，有的产生于恒星内部的热核反应，有的则是中子星碰撞的炼狱般压力下的产物。大约 45 亿年前，来自宇宙各个角落、有着不同年龄和经历的原子聚集在一起，形成了地球。再 10 亿年后，它们组合、演化出越来越复杂的生命体，直至人类的出现。

因此，如萨根的叙述，“我们 DNA 中的氮、牙齿中的钙、血液中的铁，我们的苹果派中的碳，都来自恒星的内核”。组成我们身躯的每一个原子都来自那浩瀚的广宇、深邃的远古。宇宙就是这样存在于我们的血肉肌肤之中。我们与宇宙密不可分。

但作为智慧生物的人类并不只是原子的特定组合。人类凭借自主的意识仰望星空。从原始朴素的神灵崇拜到严谨精确的逻辑推理，逐渐地认识宇宙的客观存在，并在这个过程中探索自身的意义。

或者，如萨根所言，那也许正是宇宙在通过我们认识自己。

2016 年 2 月，探测引力波获得成功的新闻轰动全球，将天文学、宇宙学再次推到大众关注的前台。在那波热潮中，我写作了《捕捉引力波背后的故事》，由科学出版社在 2019 年 7 月出版。

然而，引力波故事固然跌宕起伏、引人入胜，它还只是如同引力波本身一样的“涟漪”。在那背后，还有着更多的惊涛骇浪。那便是人类对整个宇宙的认知过程，一个更为波澜壮阔、惊心动魄的故事。

在引力波的故事完成之后，我在 2019 年元旦开始写作这个新故事，以“宇宙膨胀背后的故事”为题在科学网博客页连载，直到 2020 年 4 月底完成。在清华大学出版社胡洪涛编辑和王华编辑的支持下，这个系列现在作为《宇宙史话：人类如何认识宇宙的故事》成书出版。

相比于网络的连载版，本书在内容上保持原貌，只做了少量文字修改。显著不同的是这本书里包括了参考文献，并标明几乎所有内容的来源出处。有心的读者可以按图索骥，做更深一步的探索。

我依据的参考文献基本上都是英文的书籍、论文以及报刊文章等。书中涉及的人物姓名、专业名词以及一些关键性的论文题目、直接引语等以括号或脚注的形式提供了相应的英语表达以供读者参考。它们的原文并不一定都是英语，但为便利起见一概以英语标识。

1930 年，英国剑桥大学物理学家詹姆斯·金斯（James Jeans）出版《神秘的宇宙》（The Mysterious Universe），是当时最畅销的普及型科学读物。那时候没有电视，他的影响力自然不及半个世纪后的萨根。但金斯频频在英国广播公司（BBC）制作科普节目，也曾轰动一时。

金斯描述的宇宙充满了神秘。那时的天文学家还在激烈地辩论宇宙的大小、银河的地位。他们还没有了解到宇宙的膨胀和大爆炸。他们有着太多的没有答案的疑问、无法解释的现象。作为科学家的金斯头脑清醒地指出：天文学所提出的诸多问题，需要从物理学中寻求答案。

当萨根在 1980 年再度面向大众解释宇宙时，他自豪地宣布“在宇宙以及人类在宇宙中的地位问题上，我们已经做出了最令人惊奇而又意想不到的发现”。

这本书所讲述的，就是这一系列发现背后的故事。

在这个进程中，人类经历了远古的神话、古希腊的哲学、文艺复兴的启蒙和现代科学的诞生、技术的飞跃。故事中的角色五彩缤纷，有欧洲的贵族、哈佛的“后宫”、世界大战中的官兵、工业革命的暴发户、天主教牧师……他们的共同之处是与金斯一样，相信破解宇宙之谜的钥匙不在神学、哲学，而在科学、物理学。

这个故事的主角也因此是一代又一代的天文学家、物理学家，包括在宇宙模型上一错再错的爱因斯坦。他们中的一些成为众望所归的名家乃至闻名遐迩的明星。更多的却依然默默无闻甚至被历史忽略、遗忘。但正是他们的青春奉献和不懈努力才有了我们今天对宇宙的认识和理解。

即使是萨根，他在 1980 年时也不知道宇宙的膨胀在加速，不知道在他所描述的浩瀚宇宙之外——抑或之内——还有一个更深邃、更神秘，由暗物质、暗能量组成的未知宇宙。但他与金斯同样清楚地知道，对于宇宙我们还有着太多的疑问，只有持之以恒的科学研究才能逐步找到答案。

书中的故事只能“终止”于 21 世纪初。但书中仍然健在的人物以及他们的后继者依然面临着众多的未知与神秘。他们在孜孜不倦地寻求着新的发现和下一个答案。

就在本书写作期间，诺贝尔物理学奖颇为罕见地连续两年颁发给天文学、宇宙学领域的成果。2019 年获奖者中的皮布尔斯是本书的主要角色之一。2020年的获奖者中的彭罗斯也在书中有过惊鸿一瞥。

他们的故事，宇宙——我们——的故事都还远远没有结束。

By 作者 程鹗

第1章 爱因斯坦无中生有的宇宙常数 // 1

第2章 寻觅宇宙的中心 // 10

第3章 坐井观天看银河 // 19

第4章 察“颜”观色识星移 // 28

第5章 挑战爱因斯坦的宇宙 // 36

第6章 “后宫”中丈量宇宙 // 44

第7章 20世纪初的宇宙大辩论 // 55

第8章 哈勃打开的宇宙新视界 // 64

第9章 一个牧师的宇宙观 // 72

第10章 哈勃的“新”发现 // 80

第11章 爱因斯坦错在哪里？ // 88

第12章 勒梅特的“宇宙蛋” // 97

第13章 宇宙万物始于“伊伦” // 104

第14章 宇宙的年龄 // 114

第15章 宇宙大爆炸的余波 // 123

第16章 于最细微处见宇宙 // 132

第17章 大爆炸之后的困惑 // 140

第18章 磁单极之谜 // 149

第19章 暴胀的宇宙 // 157

第20章 泡泡中的宇宙 // 168

第21章 在大尺度上探求宇宙微妙细节 // 177

第22章 涡旋星云中的秘密 // 185

第23章 揭开宇宙的黑暗一面 // 196

第24章 胆小鬼和猛男 // 205

第25章 新生宇宙的第一张照片 // 215

第26章 爱因斯坦又错了吗？ // 225

第27章 宇宙距离阶梯之超新星 // 234

第28章 角逐遥远的超新星 // 246

第29章 宇宙的膨胀在加速 // 257

第30章 称量星系的体重 // 269

第31章 神秘可测的浩瀚宇宙 // 279

第32章 我思，故我在……这个宇宙 // 289

第33章 宇宙之有生于无 // 299

第34章 天若有情天亦老 // 309

参考文献 // 319

索引 // 325