宇宙的构造

20世纪上半叶，爱因斯坦用相对论描述了空间和时间的运作方式，而玻尔和他年轻的门徒们则用一系列方程捕捉到了物质奇怪的量子特性。20世纪下半叶，物理学家们在此基础上，把这两个新理论广泛应用在了自然界的各个领域：从宏观世界的宇宙构造，到微观世界的基本粒子。这节课我先讲宇宙的构造，下节课再说基本粒子。

这节课主要由简单的图示组成。这是因为在实验、测量、计算和严格的推导之前，科学首先是视觉活动。科学思想得益于以新的方式“看”事物的能力。下面我会试着带大家体验一番这样的视觉之旅。

下面这幅图反映了几千年来人们对宇宙构造的认识：地在下，天在上。

第一次伟大的科学革命是2600年前由阿那克西曼德（Anaximander）发起的，他想弄明白为什么太阳、月亮和星辰都围着我们转。于是宇宙变成了下面这幅图的样子：

现在天空不仅在地面的上方，还把地球包围了起来，而地球是一块飘浮在空中、不会坠落的大石头。很快就有人——或许是巴门尼德（Parmenides），或者毕达哥拉斯（Pythagoras）——意识到，对一块飞在空中的土地而言，最合理的形状就是球形，因为球体在各个方向上都是相等的。亚里士多德用很多具有说服力的科学论述证明了地球是圆的，天空环绕着大地，星辰在天空中运行。结果宇宙变成了这样：

这是亚里士多德在他的著作《论天》中描述的宇宙，这张图也代表了从地中海文明时期到中世纪结束之前，人们对宇宙的认知。但丁和莎士比亚在学校里学的就是这样的宇宙图。

下一个对宇宙认知的飞跃是由哥白尼完成的，后来的“科学大革命”也由此开启。其实，哥白尼的宇宙观和亚里士多德的并没有多大区别。

但它们之间确实存在一个关键的不同，哥白尼重

拾了一个古老的观点。他深思熟虑后指出，处在那些行星运动中心的不是我们的地球，而是太阳。我们的地球只是那些行星中的一员，一边高速自转，一边绕着太阳旋转。

我们的知识持续增长，借助不断改进的科学仪器，我们很快知道，太阳系只是不计其数的星系中的一个，而我们的太阳也只是众多恒星中普普通通的一颗，是浩瀚银河系星云中的沧海一粟而已。

但是在20世纪30年代，天文学家们对星云（恒星之间近乎白色的云团）进行精确的测量后发现，银河系本身也只是众多星系间浩瀚星云中的一粒尘埃。这些星系一直蔓延到我们最强大的天文望远镜也看不到的地方。世界现在成了一片均匀的、没有尽头的疆域。下面的图像不是画出来的，而是太空轨道上的哈勃望远镜拍到的一张照片。它向我们展示了最强大的望远镜可以看到的宇宙最深处。如果用肉眼看的话，将会是漆黑夜空中极其微小的一片。通过哈勃望远镜我们却可以看到无数遥远的光点。图中的每一个黑点都是一个星系，其中有上千亿个如太阳般的恒星。近几年我们发现，绝大多数这样的恒星周围都有行星环绕。所以在宇宙中还存在着不计其数的像地球一样的行星。无论望向夜空的哪个方向，我们都会看到这样的画面：

这片均匀无边的宇宙并不像看上去那么简单。就像我在第一节课中解释过的那样，空间不是一马平川，而是弯曲的。宇宙布满了星系，所以我们想象它的纹理会像海浪一样起伏，激烈处还会产生黑洞空穴。我们再看一幅绘制的图片，看看被这些巨浪搅动的宇宙是什么样子。

我们今天终于知道，这个布满星系、富有弹性的浩瀚宇宙是大约150亿年前由一个极热极密的小星云演化而来的。为了表现这一点，我们不再需要画出宇宙的样子，而应画出宇宙的整个历史，如下图所示：

宇宙诞生的时候就像一个小球，大爆炸后一直膨胀到它现在的规模。这就是我们现在对宇宙最大程度的了解了。

还有别的什么吗？宇宙爆炸之前还有什么东西存在吗？或许还有。我们在两课之后再讲吧。那么还有没有与我们类似或者完全不同的宇宙呢？这我们还无从知晓。