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丹·胡珀

8.5(32人评价)

 

这是一本探索宇宙起源的科普读物，问题很简单——在宇宙初生的那一刹那，究竟发生了什么？

 

科学家在近几十年内已经探明，我们生活的宇宙已经诞生了约138亿年，但对我们的认知来说，仍有一个大问题并没有得到清晰的回答，也是普通人会关心和好奇的——在宇宙大爆炸之后短短的瞬间，到底发生了什么，对此，我们知之甚少。本书聚焦于这个问题，介绍了关于宇宙历史初期的迷人问题，以及其他相关问题，带领我们梳理了科学家的相关探索，是一场有趣的宇宙创世之旅。

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在时间的边缘

大自然为我们呈现的只是九牛之一毛，沧海之一粟。但即使我们无法窥得它的全貌，我也坚信这个全貌是存在的。

——阿尔伯特·爱因斯坦

我们的宇宙大约诞生于138亿年前，那时发生的几乎所有事情对于现在的我们来说仍是未解之谜。我们不知道彼时的物质以何种形式存在，也不知道它们遵循怎样的物理规律。唯一可以确定的是，新生的宇宙与当今世界上的任何事物都几乎没有共同之处。

仅仅在很短的一瞬间（约10^–43秒左右）之后，引力就开始表现出我们今天所熟悉的性质，而其他的几种基本力（电磁力、弱力和强力）在当时仍然与现在所看到的大不相同。

之后发生的事情完全超出了我们的想象。从宇宙大爆炸之后的10^–32秒左右开始，我们的宇宙开始以比之前更快（不只是快了一点点，是快了很多很多）的速率膨胀。这个阶段的膨胀速率实在太快，几乎就在一瞬间，我们的宇宙发生了彻底的改变。在这个被称为宇宙暴胀的时期，宇宙的体积在短短10^–32秒的时间里增长了10⁷⁵倍。在这一膨胀过程中，所有物质以远超光速的速率彼此远离。当暴胀结束时，每一个粒子都成为独立的个体，其周围是一大片向四面八方延展开来的广阔的真空。紧接着——仅仅是很短很短的时间之后——整个宇宙空间中又再次充满了物质和能量。我们的宇宙重获新生，迎来了新的开始。

在万亿分之一秒之后，已知的4种基本力诞生了，并且其性质与今天我们所观察到的极为相似。尽管在这一时期，我们宇宙的温度和密度都在急剧下降，但仍然是高得让人难以想象——宇宙空间中的温度大约是10¹⁵摄氏度。像希格斯玻色子以及顶夸克这样的奇异粒子与电子和光子一样普遍存在，宇宙中的每一个角落都充满了由夸克和胶子构成的稠密等离子体以及多种其他形式的物质和能量。

在宇宙的膨胀又进行了百万分之一秒之后，我们的宇宙冷却到足以让夸克和胶子结合在一起，第一批质子和中子就此诞生。在随后的几分钟内，许多质子和中子聚合到一起，形成了第一批原子核。在这一时期，我们的整个宇宙就像是一颗现代恒星的核心，不过这种情况也没有持续太久。随着宇宙空间的进一步扩张，温度也在持续地下降，这导致宇宙每分钟都在发生着剧烈的变化，但后来就减缓到每小时，乃至每一天。几十万年后，我们的宇宙冷却到只有几千摄氏度。大约就在这个时间段，电子开始与原子核结合，形成了第一批完整的原子。

在引力的影响下，物质团块开始缓慢而平稳地坍缩，这促成了恒星和星系的诞生。根据我们的估算，第一批恒星大约出现在大爆炸之后2亿年，这些早期的恒星比我们今天看到的恒星要大得多，寿命也短得多。直到现在，我们的望远镜才勉强能够捕捉到这些新生恒星的图像。我们的太阳以及太阳系大约诞生于大爆炸后92亿年，在整个宇宙中算是晚辈了。今天，已经138亿岁的宇宙仍然在继续膨胀、冷却并演化。一路走来，宇宙经历了多个时期的岁月洗礼，有着一段波澜壮阔的过去。在遥远的将来，它也必将迎来全新的时代，发生许多我们能够预见或是难以预料的变化，让我们拭目以待。

如果你看过关于宇宙大爆炸的纪录片，或是听过相关的讲座、读过相关的书籍，那么你很有可能见过与前面那张图相似的时间轴。我们有充分的理由相信，这一时间轴中所描述的大部分事件和时期都确实存在过。我们已经直接观测到了恒星和星系的形成，也已经非常精准地测量了伴随着第一批原子形成释放出的光。我们还确定了我们的宇宙在过去的几十亿年中膨胀的速率，也确定了在大爆炸的高温中形成的各种元素的丰度。综合上述信息来看，这些实证性的证据清楚地表明，宇宙的演化过程与我们通过目前的计算所预测的结果非常接近——至少在大部分历史跨度里是这样。

但事实表明，这一时间轴的绘制不仅由历史中的各项事件如何发展决定，同时也与我们的直接认知相关。那些发生在最遥远的过去，即最接近大爆炸的事件，通常也是我们最不了解的。

对于从大爆炸发生后的几十万年一直到现在的这段时间中发生过的事件，我们已经掌握了丰富的观察和测量数据，这些数据让我们可以自信地说，我们已经对这一部分宇宙史相当熟悉了。如果这一部分的宇宙演化时间表被证明有什么实质性错误的话，那么包括我在内的绝大多数宇宙学家都将会感到震惊，因为能够支撑我们目前对这一段时期的理解的强有力的证据实在是太多了。如果连这都会出错，那就好比是发现美国历史上从没发生过内战，或是发现克里斯托弗·哥伦布其实是在12世纪登陆了威尔士而不是在1492年发现了西印度群岛。尽管时刻意识到自己可能会犯错误是一件好事，但在某些情况下，证据的可信度实在太高，如果事实表明我们彻头彻尾地错了，反倒不合常理。

但回溯更久远的宇宙史的时候，我们的信心就会开始动摇了。在大爆炸后的最初几秒到几十万年之间，我们对于时间轴上绘制的内容也掌握了相当有力的证据。通过观察和测量能够知道，宇宙的膨胀速率以及质量和能量的数量不会与我们计算的结果有太大的出入。尽管如此，这一时期内仍有可能发生过一些我们尚未得知的重要事件。我们所掌握的有关宇宙这最初几十万年的信息尽管意义重大，但也并非详尽无遗。

但是，如果回溯得再久远一点儿——回溯大爆炸发生后最初的那几秒钟内甚至大爆炸后一瞬间发生的事情，我们手中就没有任何可供参考的相关直接观测结果了。我们对于这一时期知之甚少，它至今仍然藏身于难以逾越的能量、距离和时间之后。从许多方面来说，我们对于这段宇宙历史的了解不过是一种基于推断的、有根据的猜测。然而，这段宇宙初生的时间显然是那些最为紧迫且经久不衰的问题的关键，了解这一时期发生了什么对于我们了解宇宙至关重要。

在这本书中，你将得以一瞥宇宙大爆炸发生之后最初的几秒以及更短的时间内发生了什么。在最早期的时代，物质和能量的形式与我们今天在宇宙中看到的这些有天壤之别，并且有可能受到某种我们今天还没发现的力的作用。或许还会有某些关键的事件或是转变已经在当时发生了，但我们目前还对它们一无所知。物质之间可能以某种如今已不复存在的方式相互作用，时间和空间本身可能也与我们今天所看到的样子不同，在这一时间段中几乎所有关于物理学的一切都与我们今天看到的大不一样。

无论从什么角度来看，宇宙学在过去这个世纪都取得了令人瞩目的成就。一百年前，我们对宇宙遥远的过去一无所知，当然也对它的起源一无所知。但是基于爱因斯坦对于时间和空间提出的观点，天文学家发现我们的宇宙正在膨胀。到了20世纪60年代末，我们有了充足的证据可以表明，宇宙在一百多亿年前从被我们称为“大爆炸”的高温、高密度的状态中诞生。人类第一次开始了解宇宙的起源。

从那时起，宇宙学家开始逐渐拼凑出宇宙从诞生之初一直延续至今的历史。过去的几十年来，各种各样的高精度测量方法使我们能以全新的方式和前所未有的细致程度重现宇宙的过去。通过测量宇宙的膨胀速率、第一批原子形成时释放出的光的模式、星系和星系团的空间分布，以及各种化学物质的丰度，我们得以确认，宇宙确实是按照大爆炸理论早先预测的那样膨胀并演化的。我们对宇宙的理解比以往任何时候都要深。

不过我们的了解还并不全面。尽管我们已经付出了相当大的努力，但是我们仍然无法解释有关宇宙的一些至关重要的方面——特别是大爆炸之后最初的那几秒钟乃至不到一秒内发生的事情。当谈到宇宙的起源以及初生阶段时，各种各样的疑问依然比比皆是。

其中最著名的谜团也许是暗物质。天文学家和宇宙学家已经非常精确地确定了我们的宇宙中有多少物质，他们还发现有很多物质并不以原子的形式存在。经过数十年的测量和争论，我们现在确信，宇宙中的大多数物质并不是由原子或是其他任何已知物质构成，而是由某种不能辐射、反射或是吸收光的物质构成的，这种物质被称为暗物质。在过去的几十年里，物理学家一直致力于一项雄心勃勃的实验计划，试图揭示这种物质究竟是什么，又是怎样在大爆炸中形成的。尽管物理学家最初对此非常乐观，但是我们现在仍然对暗物质及其性质一问三不知。实验倒是都按照计划完成了，就是没有得出任何结果。暗物质比我们曾经想象的要更为神秘莫测。

即便是“普通”物质的起源也尚存在一些未被摸透的秘密。虽然质子、中子和电子以及它们构成的原子都可以很简单地通过为人们所熟知的过程创造出来，但是这些过程也会创造出等量的更为奇异的粒子，即反物质。当物质粒子和反物质粒子相互接触时，两者都会湮灭。那么为什么我们的宇宙中物质如此之多，而反物质却如此之少呢？或者换句话说，到底为什么会有物质存在呢？如果物质和反物质在大爆炸带来的高温中等量产生（我们目前所知的物理学理论所做出的预测正是如此），那么几乎所有的物质在很久以前就已经全部被毁灭，宇宙中基本不会留下多少原子。然而现在，我们周围到处都是原子。不知怎么的，在宇宙诞生后不到一秒的时间里，产生的物质就比反物质更多了。我们不知道这一事件是如何发生、何时发生的，也不明白其背后的机制，但是早期宇宙中的某些条件就这么莫名其妙地使原子（以及包括生命在内的所有的化学物质）的种子得以在大爆炸的高温之下幸存下来。

再往前回到更为久远的过去，我们就会遇到也许是宇宙所有的奥秘中最有趣的一个事件。为了理解我们所观察到的宇宙，宇宙学家不得不得出这样一个结论：在宇宙形成的最初阶段，它一定经历了一个短暂的超高速膨胀。尽管这一暴胀时期持续的时间大概只有一秒的亿分之一的亿分之一的亿分之一的亿分之一，但它却彻底地改变了我们的宇宙。从各种意义上来说，我们可以把暴胀的结束视作我们所生活的这个宇宙的真正的开端。尽管宇宙学家已经找到了许多令人信服的理由能够证明暴胀确实发生过，但是他们仍然对宇宙早期历史中的这一关键时期知之甚少。

20世纪90年代，宇宙学家开始着手研究另一个雄心勃勃的项目，即测量宇宙近期的膨胀状况，让我们能够确定我们所生存的这个世界的几何形状及其最终的命运。我们期望，通过这个项目，人类第一次能够知道，我们的宇宙到底是会一直继续膨胀下去，还是会最终逆转过来并自我坍缩。这些测量最后取得了成功，并且向我们揭示了一个很少有科学家预料到的事实：我们的宇宙不仅在膨胀，甚至还在加速膨胀。为了解释这一事实，我们不得不得出这样的结论：我们的宇宙中含有大量被称为暗能量的东西，它们填满了所有的空间并将其分离开来。然而，我们为理解这一现象付出了大量努力，最终还是空手而归。我们根本不知道暗能量是什么，也不明白它为什么存在于我们的宇宙中。

以上的每一个谜团和问题都与大爆炸后最初的那段时间息息相关。无论暗物质由什么组成，我们都几乎可以肯定它是在大爆炸后的一瞬间形成的。同样，原子能够存在于我们的世界中，这一简单的事实表明，在宇宙历史中最初的那段时间中一定存在一些我们仍未得知的事件和相互作用。宇宙暴胀也发生在这一时间段，而它与暗能量之间可能存在的某些关联又带来了许多问题。从这些问题以及其他多个方面来看，宇宙中最大的奥秘与其最初的那段时间紧密相连。

近年来，科学家建造了新的天文台，进行了新的实验，试图揭开迄今为止仍然隐藏在我们视野之外的宇宙初生时刻的神秘面纱。尽管我们开展了一系列出色的观察和测量，但从许多方面来看，我们甚至比20年前更困惑了。随着我们的宇宙学测量越来越精确，上述那些零星的问题不仅没有被顺利解决，反而愈演愈烈，甚至带来了一些新的问题。近年来，似乎我们对宇宙研究得越多，我们对它的了解就越少。

粒子物理学家和宇宙学家对粒子加速器（如位于日内瓦的大型强子对撞机）寄予了极大的希望和信心，这些大型设备受到的关注度或许超过了其他任何实验或观测计划。这些不可思议的机器将粒子束——通常是质子或电子——加速到尽可能高的速度，然后使这些粒子束相互碰撞。质子在大型强子对撞机中碰撞时，会产生许多不同种类的物质，包括所有已知的粒子种类，从电子和光子到希格斯玻色子和顶夸克。在早期的宇宙中，这些粒子的相互作用使得整个宇宙空间中充满大量的亚原子粒子。所有的粒子都在不断地与其他粒子发生相互作用，不断地产生和消失。通过在大型强子对撞机中研究这些过程，我们不仅了解了物质和能量在我们今天所生活的这个世界中的性质是怎样的，还了解了它们在大爆炸后一分、一秒、百万分之一秒甚至万亿分之一秒内的性质。

有很多人认为，这一全新的大型强子对撞机将会让我们对宇宙及其起源的认识产生质的飞跃，从而解决许多令人困惑的问题。但是自大型强子对撞机从2010年开始运行以来，它的实验结果在很多方面让我们更加困惑了。除了希格斯玻色子以外，这台仪器还没有发现任何新粒子或是我们预想中的其他现象。宇宙学家在大型强子对撞机问世之前面临的问题依然存在。我们曾经设想的许多解决办法实际上根本无法解决问题。

以暗物质为例，在过去的数年到数十年间，物理学家进行了一系列实验，但实验结果却一一排除了先前我们对于这一物质（或是这类物质）可能由什么组成的大部分最有希望的假设。暗物质不仅没有现出真身，而且让我们更加迷惑了。根据这些结论，宇宙学家不得不放弃他们运用起来最为得心应手的理论，转而寻找一些激进的新想法，来解决关于暗物质可能是什么，以及它们在大爆炸后最初的那段时间如何形成等问题。

我时常从这一角度出发，思考目前宇宙学的发展现状。我们已经拥有了一个优美而又成功的理论，但近来我们在解释宇宙中许多最为显著的特征时常常遇到困难，甚至彻底失败。从原子的起源和宇宙暴胀的奥秘，到暗物质和暗能量的性质，显然，我们在理解宇宙及其起源的方式上缺少关键的元素。

现在我们做一个小结。毫无疑问，我们在了解宇宙及其起源这一问题上已经取得了极大的进展。但尽管如此，不可否认的是，我们仍然面临着许多艰巨的挑战和棘手的问题。也许这只是一些细枝末节的问题，在未来几年中我们会通过新的实验和观测很好地解决它们。但是最近这段时间，我逐渐开始思考，这些问题或许不仅仅是一些零碎的细节，而是某些更深层次的问题的表象，这些深层问题与我们观察世界的方式有关。

在这本书中，我将带你游览宇宙的初生时刻。我们将从爱因斯坦对于空间和时间的本质的革命性观点开始，看看我们是怎样从这些想法推知宇宙发端于如今被我们称为宇宙大爆炸的高温、高密度的状态的。我将尽我所能，解释我们如何利用从望远镜到粒子加速器的各种工具来了解宇宙的早期历史。在那之后，我们会将讨论重心再次转到那些有关宇宙初生时刻的问题上。为何我们的宇宙中，物质如此之多而反物质如此之少？暗物质是如何形成的？我们的宇宙似乎经历过一场短暂的超高速膨胀，但这为什么会发生，又是如何发展的？它与我们的宇宙现在再一次加速膨胀有关吗？

时间与空间的世界

神秘感是我们所能体验的最美好的事物，它是所有真正的艺术和科学的源泉。如果一个人无法体会到神秘感，不再因好奇而探寻，不再因惊叹而驻足，那么他和一个死人也没什么两样了——他什么都看不见。

——阿尔伯特·爱因斯坦

我们的宇宙是如何诞生的？它年轻的时候是什么样子？它会随着时间的推移发生哪些改变和演化？它在未来会变成什么样？这些都是宇宙学的核心问题。

在今天，我们对宇宙及其历史的了解已经达到相当的高度，这使人很难想象仅仅在一个多世纪以前，还没有什么人把“宇宙学”当作一门科学来研究。在20世纪的头几十年里，如果有谁对宇宙的起源或是宇宙悠久的历史抱有好奇，那他只能去寻求神学家的帮助，因为当时的科学界对此一无所知且宣称根本无从知晓。当时许多人认为，科学永远也无法解答这些问题，但是在今天，任何一个理性的人都不会抱有这样的想法。

在过去的一个世纪中，无数物理学家和天文学家的科研成果令我们得以对宇宙138亿年的历史建立起详细的认知：它始于一种被称为“大爆炸”的炽热致密的状态，亚原子粒子、原子核、原子也随之产生，它们构成了我们今天的世界。现代宇宙学家已经了解了星系、恒星以及行星形成的方式和原因，并且也能以很大的把握描述大爆炸发生几秒之后的宇宙的模样。如今的我们与漫漫历史长河中其他任何人都不同的是，在仰望夜空时我们知道自己看到的究竟是什么。尽管宇宙中仍存在许多未知，但是我们对宇宙的历史以及它为何呈现出今天的模样已经有了很深的了解。在人类历史中的绝大多数时间里，能够有这样的认知都是不可思议的，然而现在世界上任何一个能够接触到互联网的人都能不受限制地了解这一类信息。

是什么让我们结束了对宇宙起源的无知，并开始建立对宇宙本质和发展历史的科学认知的？这在一定程度上可以归因于技术的进步。一个多世纪以前的望远镜根本无法捕捉后来的宇宙学所观测的对象，而一些其他的关键性工具，如粒子加速器，当时也都还没有被发明出来。但是还有一些其他的原因，一些更为本质的原因，令当时的人们无法揭示宇宙的秘密。事实上，在20世纪初，物理学家对能量、质量、空间和时间的基本性质的了解尚不足够，无法推测我们的宇宙可能会如何改变和演化，或是它是如何诞生的。在我们开始回答甚至开始提出关于宇宙起源的问题之前，我们需要一个新的、更为强大的理论基础。这个我们苦苦等待的东西，就是爱因斯坦的相对论。

在200多年的时间里，我们对于物质世界的理解都建立在艾萨克·牛顿的成果和思想之上。从1687年牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》出版到20世纪初，物理学家在包括热、电、磁和光学在内的诸多领域都取得了进展，不过他们研究这些现象的方式基本上都局限于牛顿的世界观。牛顿关于运动、力和动量的观点成功地应用于一个又一个问题，这些物理学原理似乎能够解释无穷无尽的问题。当时的新一代科学家在解决新问题时，对于宇宙的基本认知仍然与牛顿在很久之前所建立的保持一致。

哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）有过一个著名的论断：科学的进步并不是渐进式的稳步发展，而是以一种被称为“范式转换”的方式发生戏剧性的变化。在这些剧变发生的过程中，不是新的事实被引入科学界这么简单，而是一种全新的世界观从天而降，彻底摧毁关于某一问题已有的思考方式。对于那些固守旧观念的人来说，范式转换可能会难以理解，甚至显得极为荒谬。例如，在20世纪20年代之前的几百年中，物理学家一直在为光到底是由波组成还是由粒子组成的问题争论不休。这两种说法在牛顿的世界观之下都具有可能性，但是他们怎么也无法想象，光能以粒子的形式（光子）出现，同时每个光子都是独立的波。在当时的范式之下，波是许多对象的集合。从单个物体既是粒子又是波这一可能的结果可以推导出许多奇特的、反常识的结论，而在今天被我们称为量子力学的范式转换发生之前，这些结论都是无法想象的。光到底是由粒子组成还是由波组成？答案是二者皆非，同时又二者皆是。从旧观念的角度来看，新的范式看起来可能会显得荒谬绝伦，这让我想起鲍勃·迪伦的那句歌词：“太阳不是黄色的，它是一只鸡。”为了理解它，你必须先忘记一些字词在已有认知中的含义，然后建立一套全新的框架来理解这一新范式所涉及的观点。

相对论的兴起是一次彻头彻尾的范式转换，也是科学史上最为重大的转变之一。在爱因斯坦之前，物理学家只能通过牛顿力学的框架来思考他们所处的世界，这种长期存在的世界观的强大说服力虽然毋庸置疑，但它在实际应用中确实也存在局限，比如，它并没有提供能够解决宇宙学问题的方法。空间的大小和形状是如何随时间而改变的？空间或时间是如何开始的？这些问题从牛顿力学的角度来看都是毫无意义的，在这个理论体系中根本没有宇宙学的立足之地。

爱因斯坦提出相对论，推翻了物理学家之前已有的诸多认知。当一切尘埃落定之后，牛顿物理学被一种完全不同的东西取代了：这是一个美妙的、全新的框架，我们可以用它来重新认识我们的世界，以及其中的物理定律。毫不夸张地说，几乎我们所知的有关空间和时间的一切都可以归功于阿尔伯特·爱因斯坦。

对生活在这样一个世界中的我们来说，空间和时间是一个事物存在的核心。从空间上看，我们考察的对象都具有一定的空间范围（长、宽、高）以及在空间中的位置。从时间上看，我们眼中的事件总是在某一时刻发生。事物的改变只能体现为在空间中随着时间的流逝和移动，或是在不同的时间点上呈现出不同的状态。时间和空间是我们这个世界的本质，它们构成了我们想象的基础。

婴儿时期，对几何图形（线、边、形）的认知能力是我们神经发育过程中发展出的第一批能力。囿于生物硬件的限制，人类往往只能想象出基于这些概念的现实。事物的存在似乎在隐约中依赖着空间和时间的存在。如果没有这些概念，我们的想象力就会变得局限而无力。对我们人类而言，某种东西的存在就是它在空间和时间中的存在。

物理学一直以空间和时间的概念为基础，这也没什么好奇怪的。从亚里士多德、伽利略或牛顿的观点来看，物理学定律归根结底就是确定物体在空间中的位置如何随时间变化的规律。物理学定律就是运动定律。没有空间和时间，我们就无法谈论什么是运动，什么是物体间的接近和远离。如果没有时间这一概念，我们也无法谈论正在发生的事。哪怕是能量这一概念，也是建立在空间和时间之上的，因为能量归根结底还是运动或潜在的运动。如果没有时间和空间，就没有会发生变化的事物，而没有变化，就无法构想出值得思考的实体。没有时间，就没有事件发生；没有空间，就没有物体存在。

在我们的日常生活中，空间是相对来说更好理解的——高中学的几何几乎涵盖了我们需要理解的一切。时间则要抽象一些，但我们仍然能够以一种相对直接的方式感知到它。然而，在过去的一个世纪里，物理学家已经认识到，空间和时间并不是那么简单和直接的。与亚里士多德、伽利略和牛顿不同的是，我们现在知道，空间和时间会发生变化，并且可以被塑造、拉伸和变形。空间和时间可以膨胀、收缩、缠绕、扭曲、断裂、扩展，甚至开始和停止。牛顿或伽利略可能完全无法想象，这一系列动词竟然可以应用于空间或时间。但宇宙学这门学科正是建立在空间和时间具有这些动态和生动的特性的基础之上。

想象这样的场景：你行走在一片广袤而平凡的场地上，牛顿的车就停在前面（你可以从引擎盖上苹果形状的标志认出这是他的车），车钥匙也在车上。你坐进车里，打着了火，向前开了1英里（1英里约为1.6千米），然后向右转90°，再开1英里，以此类推，直到你走过的路径画出一个完整的正方形。这时你下车后可以看到，地上有你上车前留下的脚印。如你所料，你又回到了起点。

牛顿这辆车就代表了我们的直觉。它在数学家和物理学家所说的欧几里得空间中运动。以古希腊哲学家欧几里得的名字命名的欧几里得空间遵循五条基本规则，也被称为公理或公设。这些公设中包含一些看起来毫无争议的描述。例如空间中的任意两点可用直线相连；凡是直角都相等；对于任意直线，都有且仅有一条与之平行的直线通过空间中的任意一点。最后这条公设意味着，平行线不会相交。你很有可能在高中的几何课上学习过这些不容置疑的公设。它们看起来显然成立，我们无法想象它们中的任何一个可能会是错误的。这样一来，牛顿的那辆车确实也只能回到原点。

一直到19世纪，欧几里得的公设都被普遍认为是不言自明、不容置疑的。以在认识论方面的研究（即关于我们如何确定某件事是否正确的研究）而闻名的德国哲学家伊曼纽尔·康德甚至认为，即使不能研究或观察世界，我们也可以只通过纯粹的思考和理性来提出空间和时间的概念。换句话说，他认为欧几里得几何是唯一符合逻辑的选择，或者至少是人类能够将空间概念化的唯一方式。

然而，到了19世纪上半叶，数学家已经开始将他们的想象力拓展到欧几里得体系之外。特别是其中的一些数学家，包括亚诺什·鲍耶（Janos Bolyai）、尼古拉斯·伊万诺维奇·罗巴切夫斯基（Nikolai Ivanovich Lobachevsky）以及伯恩哈德·黎曼（Bernhard Riemann）等，他们在否认欧几里得第五条公设（即有关平行线的公设）的基础上，成功建立了自洽的几何体系。在这些新的“双曲”几何以及“椭圆”几何中，两条平行线不必保持平行。与欧氏几何不同的是，在这些几何体系中，两条直线可能在空间某一点处相互平行，但沿着直线走下去，二者可能交汇，也有可能分离。在这些几何体系中，三角形的内角和可能大于或小于180°，圆周率也不一定是π。在这些非欧几里得体系中，有很多地方与你在高中学过的几何知识并不相同。

但是，数学家写出一个怪异的几何体系并不意味着它在物理上也有意义。当然，事实表明，数学在帮助我们理解物理世界这方面十分有用，但并不是所有数学上的可能性都会在自然世界中存在对应。我们可以通过理性想象出一个有着一些奇怪的几何规则的世界，但这并不意味着我们的世界就会遵循这些奇怪的规则。数学家只是根据逻辑推理成功地证明，欧几里得的第五条公设并不非得是正确的，而在我们的物理世界中是否果真如此，这还是一个悬而未决的问题。

一些数学家和物理学家被这些奇特的新几何体系吸引了眼球，开始思考它们是否与物理世界有所关联。尽管偶尔会有一些有趣的发现，但大多数物理学家并没有把这些独特的几何体系当一回事——直到阿尔伯特·爱因斯坦将其作为广义相对论的核心。

请再一次想象那个场景：你行走在一片广袤而平凡的场地上，走向一辆车。这回引擎盖上可没有苹果标志了，这不是牛顿那辆车。你有一个感觉，驾驶这辆车的体验将会非同寻常。坐到驾驶座上时，你注意到车上有一个长相奇怪的乘客，你很担心他手里的烟斗会点着他那一头又长又乱的头发。他带着浓重的德国口音对你说：“欢迎坐上我的车，咱们开车兜兜风去吧。”

就像之前开着牛顿那辆车一样，你开始绕着一个正方形行驶，每当里程表显示已经走了1英里了，你就转个弯。然而，因为身边坐了个陌生人，你有些紧张，所以不知不觉地越开越快。当开完这4英里之后，你下了车，惊奇地发现自己并没有回到起点。你一度认为这辆车的里程表一定是坏了，但是车里那个人却拍着胸脯跟你保证他的车运转良好。“我的车绝对没有问题，”他自信地说，“或许是因为你现在身处的这个世界并不像你想象的那样简单。”

当你开着爱因斯坦的车靠近一个含有大量的质量或是其他能量的物体（比如一颗恒星或行星）时，事情就更加不对劲了。在这种能量存在的情况下，尽管你原本试图沿着一条直线行驶，但是最终你会发现自己行进的路线不可避免地向大质量物质偏折过去。不知为何，空间的形状被扭曲了。

要想理解为什么会发生这样的事，我们需要回想一下欧几里得的第五条公设：对于任意直线，都有且仅有一条与之平行的直线通过空间中的任意一点。在爱因斯坦的杰作——广义相对论的几何框架内不存在这条公理。但除去这条公理之后，你会发现直线的概念与你脑海中的印象大不相同。可能你会觉得一条直线在空间中划出一道弧线这个概念有些奇怪，但是定义直线的方式不止一种。一种说法是，如果一条线是连接着空间中两点的最短路径，它就是直线。在欧几里得空间中，任意两点间最短的路径就是一条简单直观的直线。但是，在质量或能量使某一片区域的空间变形之后，这些点之间的最短路径在我们眼中就不再是直线了。爱因斯坦告诉我们，空间中的直线会因为质量或能量的存在而弯曲。

根据牛顿运动定律，在没有任何外力影响的情况下，物体将保持原本的速度和方向沿直线运动。在爱因斯坦的眼中，这依然正确，只是他对直线的定义与牛顿不同。当质量或其他能量扭曲了周围空间的形状时，该空间内的直线就会变成曲线。当你驾驶爱因斯坦那辆车靠近一个能够扭曲空间的物体时，你的轨迹就会朝向该物体的方向弯曲，好像你被拉向它一样。这种空间和时间的扭曲就像是受到了引力的作用。事实上，这还真是引力的作用。

爱因斯坦通过这种联系向我们阐明，引力不仅仅是一种力，它还是空间和时间在几何上的表现。质量及其他形式的能量的存在改变了我们所生活的世界的形状，使之弯折和扭曲。在这种扭曲之下，物体的运动方式与人们长期以来运用牛顿的理论所预测出的结果相差无几。爱因斯坦所描述的空间和时间在质量和能量作用下的弯折或扭曲，实际上就是几百年来被简单地描述为引力的现象。

1915年，爱因斯坦完成了他的杰作——广义相对论。爱因斯坦提出引力现象不仅是一种力的作用，同时也是几何的结果，以此推翻了数百年来已被建立的物理学体系。尽管有不少物理学家都对这一理论的博大精深及其数学上的优雅大加赞赏，但它最大的优点在于它是正确的。我的意思是，这一理论的预测与实际观测结果非常吻合。迄今为止，我们还没有发现任何与广义相对论的预测相冲突的实验或观测结果。也许有一天我们也会发现爱因斯坦的理论无法解释的现象，但是目前还没有。

在大多数情况下，爱因斯坦的理论预测的物体的运动方式与牛顿的引力理论预测的结果几乎完全相同。这当然是个好消息，因为牛顿的理论同样准确地预测了许多事实。不过，也有例外。比如，根据牛顿的引力理论预测出的水星运行轨道，就与天文学家实际观测到的结果略有不同。牛顿的预测出了点儿差错，但是根据广义相对论可以得出正确的预测。爱因斯坦的理论还正确地预测了光在经过大质量物体时会如何偏转——这在1919年的一次日食观测中首次得到了证实。近年来，科学家在许多高精度测量中也发现了广义相对论的影响。如果不考虑广义相对论的影响，那么全球定位系统（GPS）也将无法正常工作。GPS卫星必须把时间的精度控制在20纳秒以内才能保证正常工作。但是根据广义相对论，由于地球引力大小以及空间曲率的差异，太空中时间流逝的速度与地球表面并不相同。如果不考虑广义相对论，那么GPS将很难将某一位置的精度控制在一千米以内，更不用说我们已经习以为常的以米为单位的精度了。

为了运用爱因斯坦的理论做出正确的预测，我们必须解出所谓的爱因斯坦场方程。尽管这些方程极难处理，但它们在理念上却相当简单。这些方程的核心是将两个概念联系到一起：空间中的能量分布，以及空间和时间的几何结构。如果已知二者中的一个，那么至少理论上就能够求得另一个。

所以，如果已知质量及其他能量在空间中的分布情况，我们就能够运用爱因斯坦方程来确定空间的几何结构。根据这一几何结构，我们可以计算出物体在其中如何运动。如果空间平直（即曲率为零），物体做直线运动时的运动轨迹与我们脑海中的直线相同。但是在大量能量附近，空间和时间是弯曲的，此时直线运动的轨迹就会变成曲线或其他非直线的路径。地球之所以沿着椭圆轨道绕太阳运动，并不是因为受引力作用，而是因为以太阳质量的形式存在的能量改变了整个太阳系的空间几何结构，地球只是沿着一条最直接的轨道运行，而这条轨道恰好是椭圆形的。能量的存在扭曲了它周围的空间和时间。这样来看，引力根本不是一种力，而是空间和时间的几何结构的直接体现。

爱因斯坦在1915年发表广义相对论时，似乎并没有想到它能应用于宇宙学。据我们所知，他没预料到这一理论会告诉我们有关宇宙的过去、未来以及起源的事情。但是这个理论中的方程却可以用来预测在质量和其他能量的影响下，空间和时间如何发生改变。这意味着，如果有谁知道我们宇宙中的所有成分，那么他就可以通过这些方程来确定我们宇宙的几何结构，并预测宇宙将如何随着时间的推移而发生变化。

在短短几年的时间里，