BBC宇宙入门：怎样看待这个世界

第一章

如何构建一个宇宙

想象一下，如果你能构建自己的宇宙。在过去，对那些认为是上帝创造了宇宙的人来说，光是这种念头都近乎是一种冒犯，或觉得这是荒唐可笑的。但在今天，尽管听起来不可思议，科学家们不仅仅在考虑构建一个宇宙，而且实际上已经开始着手行动了。超级计算机已经构建了一个充满数十亿个星系的虚拟宇宙，并且精确到每一个天体的物理参数。法国和瑞士边境的地底深处有一台机器已经轰然启动，它会释放出自大爆炸以来宇宙中从未有过的温度和力量，我们对宇宙 的理解也会被带到一个新的高度。

你很可能会问，为什么有人会不厌其烦地花钱去构建一个宇宙。一个简单直接的回答是: 他们想知道宇宙是如何形成的。我们无法让时间倒回，去看宇宙是怎样开始的，所以自己试着“做”一个宇宙看上去更可行。只要方法和原料合适，应该就能“做”出一个宇宙——就和我们现在的这个几乎一样。

几个世纪以来，人类一直都在仰望星空，思索宇宙起源的奥秘，也为此提出了不少假说。而理解宇宙的科学就叫作“宇宙学”。一开始这只是一门理论性的边缘学科，不为多数科学家所看重。但近来，宇宙学已经转变为一门实验科学，通过运用世界上最复杂的机器，开展着整个科学领域中一些规模最大、最昂贵的研究。

虽然我们现在使用高能物理仪器来探索宇宙，可是 20 世纪 20 年代开启的现代宇宙学的大发现却是通过一系列简单的望远镜观测完成的。那是物理学史上一个振奋人心的时代，科学界都在研读两篇文章——德裔天才科学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在 1905 年和 1915 年发表的两篇关于相对论的论文。其中第二篇引入了“时空”（spacetime）的概念，并提 供了一种认识引力的全新思路。自艾萨克·牛顿时代以来，人们一直认为引力是一种吸引力—— 一种将两个有质量的物体相互拉近的神秘力量。我们能待在地球表面，地球能沿着轨道绕太阳运行全是引力的功劳。尽管牛顿为我们描述了引力，并给了我们一些方便的数学工具，可关于引力还是有两大谜团无法解释。

第一就是，如果引力无处不在，就会把万事万物都拉向彼此，那为什么宇宙没有坍缩成一堆呢？1692 年，一位叫理查德·本特利（Richard Bentley）的英国牧师写信给牛顿指出了这一点，并表明没有发现恒星相撞的证据。牛顿必须想点办法。他有一个选择，可以声称宇宙是无限大的，由此可以推断出物体在每个方向都会均等地受到引力的作用，故而能保持稳定。可是牛顿不喜欢无限宇宙的概念，相反，他实际上编造了一个借口，说一切都是为了达到完美的平衡而建立起来的。

牛顿引力理论的第二个缺陷就是他无法解释引力是如何起作用的。引力是如何以看不见的方式，在超远的距离上，甚至从宇宙的一边到另一边，都能起作用的呢？看起来就好像变魔术一般。而爱因斯坦成功地用一种全新的方式诠释了引力，既可以解释苹果落地，也可以解释行星绕太阳公转。通过把空间（我们所生活的这个三维世界）与时间结合起来，爱因斯坦最终把引力解释为巨大的物体扭曲了我们所熟知的时空而发生的情景。令人惊奇的是，这的确在某处发生了，时空扭曲可以影响到遥远的天体。不妨想象一下两个人躺在柔软的床上，较重的那个人会产生一个凹陷，如果这个凹陷足够大，体重轻的人甚至会滚进去。爱因斯坦的“时空”就是一张床垫。

相对论的胜利

之前也有不少理论家提出过有关宇宙的假说，但爱因斯坦的不同之处在于，他的假说是可以被验证的。例如，他预言非常巨大的物体，比如太阳，会极大地扭曲时空，当光经过这样的物体时，就会发生弯曲。1919 年，英国天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）观测到从遥远的恒星发出的光经过太阳时的确发生了弯曲，从而证实了爱因斯坦理论的正确性。其实这样的验证是很难做到的，通常在白天你只能看到太阳，而看不到其他恒星。所以爱丁顿利用了一次罕见的日全食的机会，同时观测到了太阳和其他恒星。果然，太阳周围的恒星似乎在天空中发生了轻微的移动，显然是太阳的引力使光线弯曲了。这是第一个证实了爱因斯坦理论的实验，但绝非最后一个。事实上，在爱因斯坦的理论轰动世界后的 100 年间，检验他的理论一直都是推动实验宇宙学发展的因素之一。在 20 世纪 20 年代，爱因斯坦已经是一个家喻户晓的大科学家了。但是，另一颗新星即将登场，他的发现不仅会震动全世界，还会让爱因斯坦承认自己所犯下的最大错误。他就是美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）。

宇宙的尺度

威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）位于美国加利福尼亚州南部帕萨迪纳附近的威尔逊山，海拔 1 742 米，云朵都无法遮蔽它的视野，这里也因此成为伟大的 2.5 米胡克望远镜的理想观测之地。胡克望远镜在 1917—1948 年是世界上最大的望远镜。 

内容简介：

《BBC宇宙入门：怎样看待这个世界》是BBC与英国开放大学联合打造的面向大众的天文科普作品，并作为英国开放大学的网络公开课。它涵盖了宇宙的各个主题，包括宇宙生灭、天文观测、太空探索、高能事件、地外生命等等，同时也梳理了人类认识和探索宇宙的历程。

作者深入科研一线，实地探访了大型强子对撞机、阿特拉斯探测器、室女座干涉仪、甚大望远镜等大型科学仪器，以及超广角寻找行星、搜寻地外文明等科研项目，还拜访了包括诺贝尔奖得主在内的多位一线科学家，为我们带来了前沿的研究成果。

书中精选了大量的科学照片，穿插了诸多详实的档案资料，还以手绘图的形式，展示了多种科研仪器的结构组成。针对一些深奥的科学原理，以台球、冰壶等为道具，进行了简单直观的实验演示。

完整的知识体系、严谨的科学逻辑、生动的阅读体验，《BBC宇宙入门：怎样看待这个世界》能够帮助读者打开视界，快速构建对宇宙的认知，是适合所有人的宇宙通识课。