宇宙的天体物理学

给忙碌者的宇宙天体物理学

第一章：大爆炸简史

偶尔仰望天空的时候，你会想到什么呢？我们可能会想到宇宙之博大和个人之渺小，想到真理，想到公平和正义。但事实上，现代天体物理学比我们想象的东西要丰富很多倍，也精彩很多倍。

牛顿之前的人一般认为，天上有天上的法则，跟地球上是完全不同的。而牛顿的万有引力定律是历史上第一个宣称不仅仅适用于地球，而且适用于整个宇宙的理论。他的理论还真的解释了天体运行。人们发现，天上和地上在这个定律眼中是平等的。可以想象，对当时的人来说，这是一个多么震撼的知识。这个震撼一直保持到十九世纪。那时候物理学家发现，每个化学元素的光谱都有自己唯一的特征。物理学家随便给一堆气体，他们拿光一照，看看吸收光谱，就能准确判断这里面都有些什么元素。物理学家马上就分析了太阳的光谱。到这时候物理学家才知道，原来太阳里的各种元素基本都是地球上也有的，无非是氢、碳、氧、氮、钙等等。只有一个元素地球上没有，就是“氦”元素。不过元素周期表里已经给它留了位置，而且现在人类也可以在地球上制造氦。

这是人类第一次得知，原来构成太阳的物质不是什么神秘的东西，就是地球上也能找到的普通元素。再分析远处那些星星发光的光谱，结果也都是平常的元素。这是一个非常了不起的发现，科学家并未离开地球，但它让人们知道了，宇宙中的星辰大海跟我们这儿并没有什么不同。光谱的发现，不仅让我们对太阳的了解更深了一层，还开创了整个天体物理学。那么如果真有外星人造访地球，他们乘坐的那个飞碟，也应该是用“普通”元素建造的。而且宇宙其他地方的物理定律也跟我们这里是一样的。

从各民族的创世神话开始，到哥白尼的“日心说”，在到牛顿的“万有引力定律”震惊世界，人们对宇宙的认识不断改进，但某种根本认识从来没有改变，那就是宇宙是静态的、永恒的，在时间上无始无终。在20世纪初，包括爱因斯坦在内的所有人都认为宇宙是静的。

直到1907年，爱因斯坦在广义相对论的研究上取得了重要成果，他发现时间和空间都是可以弯曲的。这有点违背我们的直觉，但爱因斯坦说，牛顿万有引

力定律提出的那种物体与物体之间相互吸引的引力现象，实际上都是物体弯曲时空的表现。他打比喻说，时空就好像一张蹦床的表面，假如我们放一颗球在蹦床上，蹦床就会被压出一个小坑，如果这颗球的周围还有一些其他小的物体，它们就会一起滚到这个小坑里面。总之广义相对论是一种描述引力的理论，它可以用来计算宇宙中一切物体的相互作用，并且比牛顿的引力方程更加精确。于是，爱因斯坦迫不及待地用广义相对论的引力公式去计算宇宙运行的方式，这一算可不得了，计算结果表明宇宙是不稳定的，宇宙中的每一个天体都将最终被拉向其他更大质量的天体，直到它们全部坠入同一个坑内。也就是说，宇宙好像正在自我毁灭。这是一个荒谬的结果，因为我们并没有观测到宇宙正在毁灭的迹象。

宇宙并没有坍缩，那一定还有什么力量在对抗引力，从广义相对论出发，比利时科学家勒迈特发展出一个宇宙创生和膨胀的理论。于是“宇宙正在膨胀”的猜想被提了出来，宇宙膨胀是20世纪最伟大的科学发现之一，并且带来了一个非常惊人的推论：既然宇宙一直在膨胀，那如果我们把时间往前推，宇宙不就比现在小得多吗？根据目前的膨胀率来计算，如果我们往前倒推100至150亿年，那宇宙中所有的物质应当集中在一个点上。这个点密度无穷大，体积无限小，是一个“奇点”，就是宇宙时空的开端。宇宙从这个“奇点”开始发生大爆炸，并一直膨胀，直到变成现在我们看到的宇宙模样。霍金和他的合作伙伴彭罗斯共同证明了，如果广义相对论是对的，那宇宙和时间本身，都一定开始于这个奇点之中，它们是在宇宙大爆炸中诞生的，这就是我们所说的大爆炸理论的起源。

在大爆炸理论提出之后，科学家们对宇宙时空的观察和研究，开始变得越来越深入。我们怎么才能知道宇宙是不是真的在膨胀呢？新猜想的提出只是科学范式转变的第一步，还需要通过计算证实和决定性证据。这时候美国著名天文学家爱德温·哈勃登场了，人类第一台太空望远镜叫哈勃望远镜，就是以他的名字命名的，而哈勃定律是他一生最大的科学成就。这个定律描述的是，宇宙中，星系离地球的距离和它相对于地球运动的速度之间的比例关系。在宇宙尺度上测量这两个数据可不是一件容易的事，那科学家是怎么测量的呢？

我们先看看如何测量一个星系离地球的距离，这要依靠宇宙中一种很特别的恒星：造父变星。这是一种不稳定的恒星，因为它们处于一种周期性的膨胀和收缩状态，亮度也随之变化，看上去像是在有规律地闪烁。造父变星的闪烁周期和

它的亮度有紧密的关联性，而亮度又与观测距离有紧密的关联。问题一下就变得简单了，当我们想知道一个星系离地球有多远时，只需要找到这个星系中的一颗造父变星，观察它的闪烁周期，我们就知道星系离我们的距离了。造父变星因此被称为“宇宙灯塔”。哈勃正是使用这种方法，测出了许多星系离地球的距离。

接着我们来说第二个数据，如何测量一个星系的速度。我们知道，大部分星系都离地球数百万光年远，测量它们的速度不像交通警察测量一辆车有没有超速那么简单，不过两者的科学原理都是一样的，都用到了“多普勒效应”。什么是多普勒效应呢？当物体在向着观察者运动的同时发出一个波，观察者感觉到的波长比实际的缩短了，并且速度越快，波长就越短；反过来，当物体离开观察者运动时，观察者会感觉波长变长了。因为光也是一种波，测量星系速度的问题也就变得简单了，我们只需要检测遥远星系的光谱，看看它们发出光波的波长，就知道它们的运动状态和速度了。

哈勃测量出星系离地球的距离和速度之后，经过计算，发现这两个数据之间有非常严格的数学关系：离地球越远，那么它远离地球的速度也越快。这说明宇宙确实是越来越大，正是这种膨胀在对抗引力。哈勃定律它不仅证明了宇宙正在膨胀，还说明了如果我们把时间倒退回去，不管处在任何地方，多远的星系都会在同一时间回到同一个点。这不就是大爆炸开始的那个点吗？更进一步的是，通过这个定律，哈勃计算出了宇宙的年龄，原来，我们的宇宙已经137亿岁了。

一个科学理论的修改完善，往往会经过漫长的过程和许多科学家的努力。现在距离科学范式转变的完成还差最后的临门一脚，只要找到最后一个决定性证据，就能完美证明大爆炸理论。

著名的核物理学家乔治·伽莫夫认为，大爆炸刚刚发生时宇宙的温度极高，那时，宇宙中还有一种成分，那就是大量的光，可以说是光的海洋。随着宇宙的膨胀和冷却，大约30万年后，宇宙的温度降到大约3000摄氏度，这时一部分非常微弱的原始光就没有改变地穿过了宇宙。伽莫夫说，这些穿过宇宙的原始的光波辐射，即使是在100多亿年后的今天也不会完全消失，而是在星空深处无处不在。这些原始光波辐射，正是能够证明大爆炸理论的终极王牌，它是大爆炸留下的残余辐射，被称为“宇宙微波背景辐射”。

以前，科学家们并不知道它的存在，因为它非常微弱。在伽莫夫提出理论后

的20年，美国的贝尔实验室制作了一台非常精密的射电天线，用来接收一颗名叫“回声”的卫星发射回来的微弱信号。射电天线想要准确地接收到信号，最关键的就是清除噪音。实验室的两位科学家有轻微的强迫症，他们检测天线的性能，把天线对着天空的各个方向进行测量，结果却发现，不管往哪个方向，射电天线总会接收到一种微波噪音。他们想尽了一切办法，排除周围所有可能存在的无线电干扰，用一年的时间重新检查、布线，但仍然无法消除这个噪音。两位科学家对外公布了他们的观测结果。

很快，熟悉宇宙学研究进展的科学家就对这个发现给出了正确的解释：这个消除不了的微波噪音，就是宇宙大爆炸的残留辐射，是科学家们苦苦寻找的宇宙背景微波辐射！大爆炸理论的终极证据，就这样在无意之间找到了。两位科学家彭齐亚斯和威尔逊凭借坚忍不拔的毅力和丰富的经验，当然还有一丝运气，找到了这个证据，两位科学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。微波背景辐射的发现和确认也让人们相信，大爆炸是能描述宇宙起源和演化的最好理论，这个范式终于确立。

宇宙学还在继续发展，探测宇宙的技术还在不断进步，像被称为“中国天眼”的 FAST 超大型射电望远镜等观测设备日益成熟，这些技术的进步让宇宙大爆炸学说不断发展。现在，科学家们可以更精确地测量大爆炸模型中的各种参数，发现了很多意想不到的结果，比如说，宇宙的膨胀正在加速。而现在科学家们还在努力研究，究竟是什么在让宇宙加速膨胀。有一种观点认为，加速膨胀的“推手”就是暗能量。这是一种充斥太空的、具有斥力效果的能量。宇宙越膨胀，空间越大，暗能量就越多，斥力就越大，所以宇宙就在加速膨胀。那么宇宙的命运究竟会怎样呢？也许科学的发展会给我们意想不到的答案，也许科学范式转变的道路永远没有终点。

第二章：宇宙的奇迹

我们这个宇宙起源于137亿年以前的一次“大爆炸”。我们已知的物理定律只能从宇宙起源10^(-43)秒之后开始起作用——这就是所谓的“普朗克时间”，人类已知的最小时间存在。物理学一共有四种基本相互作用，也可以叫四种基本力：引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。在普朗克时间之前，四种相互作用是统一在一起的，描述那样的状态需要把广义相对论和量子力学统一在一起，而这个工具现在人类还没掌握。

从10^(-43)秒开始，引力就脱离出来，单独起作用了。那时候宇宙还是个直径为十的负三十五次方米的小点，但温度无比的高。到10^(-35)秒的时候，强相互作用和弱电相互作用分开了。到稍微更晚的时候，弱相互作用和电磁相互作用分开了。到一万亿分之一秒的时候，宇宙里有了粒子——夸克和电子已经出现了。这时候宇宙里有夸克和电子，还有反夸克和反电子。物理学家知道，在当时那个高温条件下，夸克和电子都可以自由行动，宇宙就好像是一锅夸克轻子粥。这锅粥里的主要活动是正反物质的产生和湮灭。夸克和反夸克，电子和反电子一旦相遇就会湮灭并且释放两个极高能量的光子，而在这个时候宇宙的高温之下，光子又会再产生正反夸克和电子。一个正电子刚刚产生之后，又马上跟另外一个电子相遇，又继续湮灭成光。

这是一个非常有意思的机制。如果正反物质总是成对产生、成对消失，那为什么我们现在的宇宙里都是正物质，而没有反物质呢？目前科学家还回答不了。出于某种还不为物理学家完全理解的原因，每十亿对夸克和反夸克湮灭，会留下一个正夸克作为幸存者——我们今天的世界，都是这样的幸存者组成的。这些幸存者实在太幸运了，打个比方，如果每个人都是早期宇宙中的一个正夸克，这就等于说今天活着的全体中国人中，只有一个人能幸存。等时间推进到百万分之一秒的时候，整个宇宙已经膨胀到像太阳系这么大了，温度进一步下降，夸克们被三个一组束缚在一起，形成“重子”——也就是质子和中子。但与此同时，质子和反质子，中子和反中子之间也要不停地发生碰撞湮灭变成光子，光子再生成正和反的质子和中子。正物质的质子和中子的幸存率，也是十亿分之一。到一秒的时候，宇宙已经膨胀到几光年这么大了，这时候宇宙的温度也更低。更低的温度使得质子和中子被结合在一起形成原子核，其中90%是氢原子核，剩下的10%是

氦原子核，其他元素极少，都可以忽略不计。这个时候，光子温度只够它产生正电子和反电子，但是电子和反电子之间也在不停地发生湮灭—同样的道理，因为十亿分之一的幸存率，最后剩下的全是电子。

等到宇宙年龄是三十八万年的时候，温度低到让所有电子都被原子核捕获，就形成了氢原子和氦原子。那更重一些的原子是怎么生成的呢？要想将氢、氦变成各种各样更重的原子，需要不同温度的致密环境。这里要提到一个叫“恒星坩锅”的概念，简单说就是一颗恒星，比如太阳，进入晚年后，会因为燃料耗尽而降温压缩，而压缩又会使得恒星再次加热，这种反复的过程会提供不同的致密环境，导致更多的核反应。各种不同的恒星就像不同的高压锅，为各种各样重原子的生成提供了极端环境。比如碳原子，就是由氦原子通过复杂的反应生成的。

到十亿年的时候，这些原子在引力的作用下结合在一起，就会变成恒星，然后这些恒星又会组成星系。那个时候，我们已经有了一千亿个星系，每个星系里面会有几千亿颗恒星。其中有些比太阳大十倍的恒星，在高温高压之下，可以生产一些更重的元素。这些恒星最后会爆炸，重元素被传播出来，散布在整个宇宙之中。正因为这样，今天我们才会有这些重元素，否则宇宙中就几乎全是氢和氦。又过了九十亿年，在宇宙中某个不起眼的地方产生了一个不起眼的恒星，它的名字叫太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体，这些气体在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。其中某一颗行星，距离太阳不远不近，正好允许液态水的存在，它就是地球。此后又经过无数机缘巧合，地球上有了生命，生命经过漫长的演化，最后终于有了你我。

有个著名的说法，说我们每一个人都是一亿分之一的幸运者。这因为当初精子和卵子结合，是每一亿个精子中只有一个，最终能进入卵子形成受精卵，在这场竞争中，我们每个人都打败了一亿个精子。你觉得很幸运吗？但是你想想宇宙的起源，我们的幸运度其实比这要厉害得多。构成你身体的、周围环境的每一个原子，都是这么幸运。每一个原子身上的每一个质子、中子、电子，都是正反物质湮灭之后，十亿分之一的幸存者。我们能有今天难道不是奇迹吗？

第三章：暗物质和暗能量

我们讲了关于这个宇宙中，物理学家知道的事情。下面我们看看物理学家也有不知道的事，比如说暗物质和暗能量。物理学家发现了暗物质，但还没有完全弄清楚暗物质是怎么工作的。

要讲暗物质，我们首先得知道暗物质是什么东西吧？科学家用一个很简单的说法就讲清楚了，她说“暗”的反面是什么？是“光”，所以暗物质就是站在光的对立面的一种东西，它是既不吸收光也不反射光的物质。当然，这个光不仅仅是指可见光，而是指所有频段的光，就是各种电磁波。用更学术的话来说，暗物质就是不能通过电磁波的观测来进行研究，也不和电磁力产生作用的物质。

但如果不假设暗物质存在，我们的太阳就会飞走，甚至飞出银河系。这是怎么回事呢？我们这就得从荷兰天文学家简·奥尔特说起，在奥尔特那个年代，人们已经知道恒星虽然名字里有个“恒”字，但它们也是会运动的，比如太阳就会绕着银河系的中心做公转运动。既然运动就会有速度，如果速度太快，恒星就会被甩出去，成为在各个星系间流浪的星球，而如果运动的速度太慢，它们就会沿着时空的斜坡滑落，滑向星系的中心，而恒星运动的速度主要和星系的质量有关。有一天，奥尔特突发奇想，他想测算一下银河系的质量和恒星运动的速度是不是相匹配，银河系的质量能不能刚好让恒星既不飞走又不滑落？

这一测算就出大事儿了！岂止是不匹配，简直差了十万八千里。计算出来的银河系的质量至少要比实际测量的结果多5倍，它提供的引力才能维持恒星的运动轨道。奥尔特反复检查自己测算的结果，发现真的没算错，怎么会差了这么多？于是，他只好假设银河系内还存在着一些我们完全看不见的东西，这些东西比普通物质多得多，正是这些东西提供的质量维持着星系的运行。

后来一名叫作弗里茨·兹威基的科学家做了相似的工作，兹威基估算了后发座星系团内部大概有多少星系，这些星系总共有多大的质量，同时能提供多大的引力。他发现这个引力根本支撑不了外面星系旋转的速度。那么高的速度，那几个星系都应该被甩出去才对。他提出，星系团内部必定还有一些我们看不到的物质，提供了额外的引力。此后天文学家们陆续考察了别的星系团，结果每个星系团都有同样的现象。

物理学家把提供多余引力的东西，称为“暗物质”。计算表明，在整个宇宙

的构成中，暗物质占26.8%，是普通物质的5倍。这就是说，你的房间里遍布着一种特殊粒子构成的气体，或者说，你可以把它想象成气体。这种粒子可能比质子、中子都大很多，也很重。可是你摸不着它、看不到它，就算用上各种先进仪器，也完全感受不到它的存在。你任凭它在你的身体中穿来穿去。目前所有的仪器都测不到暗物质，物理学家知道的四种相互作用，暗物质很可能除了引力之外，其他三种，它都是不参与的。

对于暗物质的本质，至今都还没有定论。有些理论认为，暗物质是一种“弱相互作用的大质量粒子”，还有人认为暗物质其实就是普通天体，只是我们没有足够的光去发现它们。这个问题世界各国都在积极地进行研究，比如我们国家就发射了暗物质探测卫星“悟空”号。相信在未来，暗物质到底是什么？这个问题一定能够得出答案。

就算到了今天，宇宙大爆炸理论早已被物理学家广泛接受了，可是有些民间哲学家一说起宇宙来还是那两句话，就是“在空间上无边无际、在时间上无始无终”。我们传统想象中的宇宙是无限大的，曾经存在过无穷长的时间，并且将永久地存在下去。但是现在所有证据都表明，宇宙绝对不是一个永恒不变的样子。宇宙有个开始，而且还会有个终结。

如果你觉得这不好接受，那你不是唯一持这个观点的人，因为当年，连爱因斯坦都认为宇宙应该是静态的。在广义相对论的引力场方程中有个希腊字母Λ，被称为宇宙常数，而它所在的那一项本来是没有的。最开始，爱因斯坦用没有宇宙常数Λ的场方程对整个宇宙求解，发现这样得出的宇宙会膨胀。他觉得这肯定不对，宇宙应该是静止的，这才加入了宇宙常数这一项。在数学上，有没有这一项，引力的性质都一样。宇宙常数仅仅是为了让宇宙不膨胀而存在，所以被称为“宇宙常数”。

到了1929年，美国天文学家哈勃迎来了一个改变世界观的时刻。当时哈勃对银河系以外那些广阔空间中的星系，做了一个系统性的观测。他发现所有远方的星系，都在离我们而去，就是说宇宙仍在膨胀。而且通过精准测量各个星系光谱红移的程度，哈勃还发现，这些星系离我们而去的速度，和它们到我们的距离成正比。

不过，在爱因斯坦去世的43年后，天文学家的世界观又改变了一次。我们

知道，物理定律的要求是，任何东西的移动速度都不能超过光速。但是请注意，这说的是物体在空间中的移动，可不是空间本身的移动。事实上，宇宙膨胀的速度可以超过光速。在大爆炸刚开始的时候，早期的宇宙的膨胀速度到处都超过光速。而在现在，那些距离我们特别特别遥远的星系，离我们而去的速度也是超光速的。

这就意味着，这个宇宙里存在的很多星系，因为它们距离我们太远，膨胀的速度超过光速，我们不可能看到它们。不管它们那里发生什么，我们都无法知道。难道说，我们将孤独地跟可见的这些星系生活在这里吗？答案是，也不一定。别忘了在引力作用下，星系之间还有个互相吸引的作用，这也是一个把空间往回拉的力量。

1998年的时候，有两组天文学家，想测量一下现在宇宙的膨胀速度已经减慢到了什么程度。他们有一些特别好的观测目标，叫“Ⅰa型超新星”。最初这是一种双星系统，其中一颗星是白矮星。白矮星不断吸收临近这颗星的质量，等到自己的质量增长到相当于我们的太阳质量的1.44倍的时候，它就会突然爆发，变成超新星。这种超新星的引爆质量永远一样，它的亮度也永远一样。这样天文学家就可以把Ⅰa型超新星当成标度尺来用。他们一看它到达地球的亮度，就能精确知道它们距离地球有多远。

但是观测结果让天文学家惊掉了下巴。用超新星亮度算的实际距离，比用宇宙膨胀历史算的距离远了15%。这就意味着，宇宙膨胀不但没有减速，而且还在加速。这个发现实在毁三观，但是经过科学家的检验，确认无疑，最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。物理学家就只好再把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中去，只不过这回它的数值得改，变成让宇宙加速膨胀。

那之前的问题就又回来了，宇宙常数到底有什么物理意义呢？物理学家现在解释不了，只好沿袭“暗物质”的命名传统，称之为“暗能量”。暗能量提供了一种真空中的斥力，但是它到底是什么样的物理机制，我们完全不知道。

第四章：万物理论

从牛顿开始，尤其是在爱因斯坦之后，物理学家们一直想找到一个可以描述一切的统一理论，来解释各种物质和各种力的运行方式。这种理论，就叫做万物理论，它就是我们认识世界的终极模型。

我们知道，这个世界是由物质组成的，而在不同的物质之间，有着各种相互作用，这种作用物理学家就用“力”来表示。不过长期以来，人们只知道两种“力”的存在，就是我们在中学里学到的两种。一种是万有引力，任何两个有质量的物体之间，都存在着相互吸引的万有引力。还有一种就是电磁力，它和引力有点不一样，不但会吸引，还会排斥。你肯定知道磁铁之间同性相斥，异性相吸，这中间就是电磁力的作用。

不过20世纪以来，物理学家发现了“原子”的存在，这就为我们认识世界打开了一扇新的大门。但物理学家发现了一个很奇怪的现象，我们在高中物理课上也都学过，原子核是由质子和中子组成的，其中中子不带电，质子带正电。但你有没有想过，电磁力是同性相斥啊。那为什么那么多的带着正电的质子，都挤在原子核里面，却没因为电磁力互相排斥而弹开呢？这里肯定有一种全新的，我们不知道的力，它比电磁力还要强。只有这样，才能把很多同样带正电的质子，强行聚集在原子核里面。这种比电磁力还要强的力，科学家就给它起了一个名字，叫作“强相互作用力”，简称“强力”。

发现强力之后不久，人们很快就又发现了另一种力。它的强度比电磁力要弱，大家就顺理成章地给它起名叫作“弱相互作用力”，也就是弱力。弱力有什么作用？科学家发现，它是造成原子产生放射性的原因。比方说，居里夫人发现的那个放射性元素镭，它的原子核会不断放射出射线，然后裂变成其他元素的原子。太阳之所以能够稳定地持续燃烧，为地球的生命提供源源不断的能量，也主要依赖于弱力的作用。

现代物理学有两大基本支柱理论，一个是相对论，一个是量子力学。相对论主要管宏观上的物理现象，比如天体之间的引力等等。量子力学主要管微观层面的物理现象，比如粒子的运动等等。如果存在一套万物理论的话，那它还要把这两套理论结合起来。

物理学家认为，各种基本粒子，它们实际上都可以用同一个理论框架去描述，

这个理论框架叫作“规范场”。最先提出规范场的是一个叫作魏尔的德国数学家。他发现给规范场理论设定某一种参数，它就可以描述麦克斯韦的电磁场。

然后到了1954年，杨振宁和他的学生米尔斯做出了一个更加重要的贡献。他们发现，把规范场的那个初始设定参数改成另外一种，这个理论同样可以用来描述弱力！他们提出的理论叫作杨-米尔斯理论，是近代物理学最重要的成就之一。然后在杨振宁后面，发现了夸克的盖尔曼又推进了一步，如果把杨-米尔斯理论的参数再扩展一下，规范场理论还可以用来描述强力！

所以你看，这个理论框架非常神奇，只要设定不同的参数，它就恰好能够对应自然界的三种不同的力。简单而言，这是一套通用的规则，只要设定不同的初始参数，这套规则就可以对应于各种不同的对象。在电弱统一理论的基础上，人们把三种不同的参数联合起来，得到了一个可以同时描述三种力的模型，叫作“粒子标准模型”，这是现代物理学最辉煌的成就之一。

这个模型可以精准地预言，在我们的宇宙里，一共存在着61种基本粒子，以及这些基本粒子构成的物质，还有电磁力、强核力、弱核力三种基本力。它们的所有行为，都跟标准模型的预测几乎完全相符。而且这套理论跟量子力学和狭义相对论都兼容，可以说是目前精度最高、最成功的理论。

但问题是，标准模型并不是万物理论。刚才说了，自然界有四种基本力，但标准模型只能涵盖三种，不能涵盖引力。因此也不能把描述引力的广义相对论和量子力学结合起来，也就算不上是一套万物理论。

有科学家提出了一种全新的模型，叫弦理论。主流的“标准模型理论”认为：物质是由各种点一样的粒子构成的。但在弦理论的模型中，这些粒子，压根就不是点，而是一根根震动的弦，只是这些弦特别特别短，所以看起来就像是一个个点。这些弦具有不同的震动方式，也就对应着不同性质的粒子。

我们可以把弦理论中的“弦”想象成乐器的弦：通过不同的弹奏力度，可以让同样的弦产生不同的振动，发出不同的声音。弦理论里的弦也是这样，虽然所有的弦都是一样的，但这些弦有不同的振动模式，所以可以产生不同的粒子。比如说，如果弦的振幅大，波长小，那产生粒子携带的能量就高。

科学家通过数学推导发现，弦理论中的宇宙应该有10个空间维度和1个时间维度，一共11维。10个空间维中，有3个维度是展开的，也就是我们所感受

到的三维世界，而其余的7个维度是蜷曲起来的，目前还观测不到。如果我们离得远一点观察一根水管，会认为这根水管是一维的，蚂蚁只能进行一维运动。但如果我们凑近了看，就会发现水管还是有粗细的，蚂蚁不光可以顺着水管的方向爬，它也可以在水管上转圈爬。转圈的那个方向，也是一个维度。我们的宇宙就像这根水管，有些维度是展开的，有些维度是蜷曲的。

弦理论这个模型，可以消除广义相对论和量子力学之间的冲突，因此有可能把二者结合起来。但弦理论同样不是一个万物理论，因为随着研究的深入，科学家们发现了一个问题：就是至少有 5 种不同的弦理论都同时成立，这是怎么回事呢？

讲到这里，不得不提到霍金心中的万物理论，也就是M 理论了。科学家们认为，这5种弦理论，虽然表面上看起来好像没有联系，但本质上其实都是等效的，或者说，它们都是同一个基本理论的不同方面。这个基本理论，就是M 理论。M 理论在不同的情形下会有不同的表现，因此产生了5种弦理论。这个道理，就好像是冰和水，虽然看起来一个是固体一个是液体，但在本质上其实都是同一个东西，只是在不同情况下表现出不同的样子罢了。

在霍金看来，M 理论，就是目前最接近万物理论的模型，也是唯一具备成为万物理论潜力的模型。当然了，霍金也承认，人类对于M 理论的了解还很少，在没有弄清理论细节之前，我们还不能宣称M 理论就是人类认知世界的最终模型。霍金用了一个很精巧的比喻，来描述了目前M 理论的发展状况。在他看来，M 理论就好像是一张拼图，我们目前发现的几种弦理论，就像是把这个拼图的边缘部分给拼了起来。但问题是，这块拼图的中央，还留着一个巨大的空洞，我们还不知道它的核心区域到底藏着怎样的秘密。

讲到这里，人类认识世界的终极模型是什么样，你就已经明白了。万物理论必须能够描述四种基本的自然力，还要把量子力学和相对论结合起来。目前看来，唯一具有成为万物理论潜力的，就是M 理论。在M理论中，宇宙的基本构成并不是粒子，而是一根根震动的弦，宇宙时空也不是 4 维，而是 11 维。一旦M 理论被证实，在霍金看来，如果M理论这样的理论模型能被观测所证实，那将是人类理想的重大胜利，也将再一次颠覆我们对客观实在的认知。我们也就可以说，人类终于找到了宇宙背后的“大设计”。

第五章：这个宇宙根本没有义务让你理解

前面讲了这么多知识，那么它们到底有什么用呢？物理学家泰森说，天体物理学给我们的是一个“宇宙学视角”。所谓视角，就是看问题的角度和方法。那宇宙学视角意味着什么呢？最根本的一点，就是这个世界不是因为你而存在的。而要得出这个结论，我们就要从地球说起。

地球在太阳系中占据了一个绝佳位置，这让我们深感庆幸。一个行星要想适合生命存在，就必须得有液态水。这就意味着你的温度不能太冷也不能太热，所以你的轨道距离恒星不能太近也不能太远，而地球正好处在这样一个轨道上。地球的大小和密度也合适。如果太大，过高的重力就不允许大型动物出现，如果太小，什么东西都太轻了也不行。

像这样难得的行星，天文学家称之为“类地行星”。宇宙中能有多少类地行星呢？我们知道，仅仅是一个银河系里就有千亿颗，甚至可能万亿颗恒星。而天文学家估计，只是在银河系中，类地行星就至少四百亿颗。在太阳系里，地球的确是非常特殊，而人类这个高等生物的出现也的确是难能可贵。可是放眼宇宙，甚至仅仅是放眼银河系，我们似乎一点儿都不特殊。这个宇宙不可能是为了我们而存在的。

所以我们现在有一个矛盾：考虑到生命、甚至组成生命的每个粒子出现的概率之小，我们应该觉得自己特别幸运；可是考虑到宇宙之大，我们又觉得自己特别渺小。那从宇宙学的视角，到底让人何以自处呢？如果你了解生物学，你大概不会认为人是地球的主宰者，你会认为人只是地球生物的一个成员。论数量，细菌比人多得多；论智力，人跟黑猩猩的基因只差了几个百分点而已。如果这么小的基因差异都能导致这么大的智力差距，那如果真有一种什么外星人，他们在基因上就比我们高级很多，那在他们眼里我们人类又算什么呢？

我们生命最关键的四个元素，氢、氧、碳和氮，遍布于整个宇宙。这些元素都不是本地生产的，它们来自早期的宇宙，它们产生于某个大质量恒星，是恒星爆炸才使得它们在宇宙中传播开来。距离我们几十亿光年远的地方可能就有个外星人，你跟他永远都不可能见面。但是他身上的某个氧原子，和你身上的某个氧原子，是几十亿年以前在同一颗恒星上制造出来的。宇宙非常非常大，但哪怕再遥远，我们每个人跟每个人都有联系。

宇宙学视角的另一个重要意义，就是让我们谦卑一点。如果我们观察小孩就会发现，小孩总是把身边一点小事儿当成天大的事儿。比如玩具坏了，小孩就哭闹，膝盖擦破一点皮，小孩就大喊大叫。他们以为自己是世界的中心，因为他们经验太少，不知道世界上有比眼前的事儿，大得多的事儿。

那我们作为大人，是不是也有同样幼稚的想法呢？我们是不是也会不自觉地认为世界应该绕着自己转呢？别人跟你信仰不同，你就要打击别人；别人跟你政治观点不一样，你就想控制别人。而如果你有宇宙学视角，你可能会觉得人跟人的区别不但不是坏事，反而还值得珍视。

探索宇宙可能会给我们带来一些实际的物质好处，也可能纯粹是因为探索宇宙很有趣。但是泰森说，探索宇宙还有一个功能，就是让我们保持把眼光放远的态度。如果你只看自己这一亩三分地，你慢慢总会认为世界就应该绕着你转，你一定会变得无知和自大。愿意向外探索，实在是事关谦卑的美德。

我们可以想象一下，如果微波背景辐射在今天测不到，如果物理定律和物质在别处跟在我们这里不一样，如果元素光谱并没有那么简洁漂亮的性质，那我们就不可能理解这个宇宙。所以泰森有句名言：“这个宇宙根本没有义务让你理解。”好在我们这个宇宙没有义务让我们理解，它现在还充满未知。