张天蓉，女，科普作家。美国得州奥斯汀大学理论物理博士。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、飞秒激光、激光探测晶体性质、高频及微波通讯、EDA集成电路软件等。发表专业论文三十余篇。2012年开始，出版了一系列科普著作，其文风深入浅出，趣味盎然，亦保持科学的严谨性，深得读者喜爱。代表书籍有：《蝴蝶效应之谜：走近分形与混沌》《世纪幽灵：走近量子纠缠》《上帝如何设计世界：爱因斯坦的困惑》《爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事》等。

人类对宇宙的想象始于神话而不限于神话。如今，广义相对论和大量的天文观测资料，已经构成现代宇宙学理论及实验的牢固基石。特别是根据现代科学技术发展出来并先后发射运行的天文探测卫星：COBE、WMAP、普朗克卫星等，使人类对宇宙奥秘的探索手段如虎添翼。人类观测宇宙的眼界大开。如果我们“巡天遥看”，已经远远不是“一千河”的境界，而是已经有了上千亿个“河外星系”供我们观测研究。中国这方面的发展也指日可待，2015年底，中国成功地发射了一颗暗物质粒子探测卫星“悟空”，便是一个例证。那么，如此浩瀚的茫茫宇宙，遵循怎样的运动规律？宇宙如何随时间演化？宇宙之未来与人类有何关系？本书之目的便是以通俗的语言，向大众介绍现代高科技探测手段背后的科学知识，为读者解读若干“宇宙之谜”。

从太阳系开始，在第一章中介绍了行星、恒星、星系等天体物理的一些基本知识。第二章介绍牛顿的宇宙图景。第三章介绍无穷的概念引起的数学和物理中的佯谬，激发读者对物理理论的哲学思考。第四章则用*少的篇幅让读者认识两个相对论的基本思想。第五章的目的是使读者更深刻地理解2016年初探测到的引力波。作者从天文学中的距离测量谈起，使读者了解天文学中测量技术之困难，然后，介绍引力波强度之微弱，进一步将它的各种性质与电磁波相比较，使大家认识到探测引力波的困难和重大意义。第六章则对黑洞的基本物理性质及分类进行探讨。第七章到第九章，将对现代宇宙学标准模型的基本原理、数学基础、大爆炸理论、重要结论和疑难、暗物质暗能量、宇宙未来等有趣的问题略作探讨。第十章简单介绍作为标准模型补充的宇宙早期暴胀理论。

宇宙，它为何如此，它为何存在？宇宙有开端吗？如果有的话，在此之先发生过什么？宇宙从何处来，又往何处去？——霍金

宇宙*令人费解的地方是她竟然可以被理解，试图预言宇宙和自然会发生什么则是可望而不可及的事情。——爱因斯坦

这是一本用生动有趣的语言，由浅入深地揭开宇宙之迷的科普读物，关心和热爱宇宙学的读者阅读本书是一种陶冶身心和精神饱餐！热切地希望读者能够喜欢该书。

——著名天文学家 李宗伟

重点强调科学精神和科学方法，启发人们思考宇宙间的“大问题”，满足各个年龄阶层人们的好奇心，吸引年轻人踏进科学的大门。——果壳网读者 yangsir

宇宙到底有多大，长什么样子？宇宙是否也有生有死，有开始有结束？宇宙的本质是什么？一场关于宇宙的过去、现在和未来的物理学发现之旅。——知乎读者 Kings

　1、永恒而稳定的宇宙图景

远古时候的人,对宇宙只能想象,谈不上“研究”,只有当越来越多的星球、星系、星系团被我们观测到之后,才有可能在大尺度的范围内来观测和研究宇宙应该呈现的面貌,这便是宇宙学的目的。

宇宙学有两个基本假设,我们称之为宇宙学原理,指的是在大尺度的观测下,宇宙是均匀和各向同性的。也就是说,就大尺度而言,你在宇宙中的任何位置,朝任何方向看,都应该是一样的。

宇宙学原理只在“大尺度观测”下才成立。何谓大尺度? 打个日常生活中的比方,如果我们从“大尺度”的角度来观察一杯牛奶,看起来是一杯均匀和各向同性的白色液体。但是,如果从微观角度看,便有所不同了,其中有各种各样的分子和原子,分布很不均匀,各向异性。 如果设想有一种微观世界的极小生物(只能假想,细菌也比它大多了),生活在这杯牛奶中某个原子的电子上,犹如我们人类生活在地球上。 原子核就是它们的“太阳”。一开始,这种生物只知道它们能够观察到的原子世界,即它们的“太阳系”。 细菌朝四面八方观察,显然不是各向同性的,因为一边有太阳,一边没太阳。后来,细菌们跳出了太阳系,看到了原子之外原来还有巨大的分子,它们所在的原子不过是大分子中的一个极小部分。再后来,它们又认识到它们的“牛奶”世界中还有其他各种各样的分子: 水分子、蛋白分子、脂肪分子、糖分子等。

用上面的比喻可以说明天文学和宇宙学研究对象的区别。微小细菌的“天文学”研究的是氢原子、水分子等各种原子和分子; 而它们的“宇宙学”研究些什么呢? 那是它们“跳”出它们的小世界之后,把这杯牛奶作为一个“整体”来研究,这杯牛奶的重量、颜色、密度、流动性等等。 也许还可以研究这杯奶的来源: 在母牛的身体内是如何分泌、产生出来的? 所以,所谓大尺度,研究的就是这些只与整体有关,不管分子、原子细节的性质。

我们将要介绍的宇宙学研究也是这样,不像天文学那样研究个别的、具体的恒星、星系或星系群。我们需要“跳”出地球,“跳”出银河系,站在更高处,将宇宙作为一个整体“系统”来看待,研究宇宙的质量密度、膨胀速度、有限还是无限、演化过程、从何而来、将来的命运等。

在天文学家眼中,一个星系是千万颗恒星的集合,而在宇宙学家眼中,一个星系只是他所研究的对象中的一个“点”。

在宇宙的大尺度上,引力起着重要的作用。物理学引力理论中有牛顿万有引力和广义相对论两个里程碑,分别对应于两种不同的宇宙图景和宇宙学: 牛顿的宇宙模型,以及现代物理中以大爆炸学说为代表的宇宙标准模型。

虽然牛顿理论可以当作广义相对论在弱引力场和低速条件下的近似,但就其物理思想而言,牛顿理论有两个根本的局限性。一是认为时间和空间是绝对的,始终保持相似和不变,与其中物质的运动状态无关。因而,牛顿的宇宙图景只能是永恒的、稳定的、无限大的。二是牛顿理论中的“力”,是一种瞬时超距作用,光速是无限大,但这点与实验事实相矛盾。牛顿理论中的万有引力也是瞬时传播,没有引力场的概念,引力作用传递不需要时间。从牛顿引力定律则不可能预言引力波。其次,牛顿宇宙图景需要的宇宙无限的假设,与牛顿理论之间存在着无法克服的内在逻辑矛盾,引起不少难以解释的佯谬。 牛顿引力理论是弱引力条件下的理论,对于强引力场和大尺度作用范围是不适用的,很多时候,对宇宙时空的理解都涉及到无穷大和无穷小的问题。矛盾和佯谬恰恰就由此产生。

那么,宇宙时空到底是有限还是无限的? 物质是否可以“无限”地分下去? 这些概念是否只是无限逼近的一个理论极限? 其实,天文学、宇宙学、物理学研究的历史中,存在很多著名的疑问和佯谬,佯谬实质上就是科学家们提出的疑难问题。 不断地发现、提出、研究、直至*终解决悖论佯谬,这就是科学研究的过程。 科学中的悖论、佯谬是科学发展的产物,预示我们的认识即将进入一个新的阶段,上升到新水平。牛顿宇宙学和现代宇宙学都遵循均匀各向同性的宇宙学原理。

牛顿理论认为宇宙和时间空间都是静态和无限的,时间就是放在某处的一个绝对准确、均匀无限地流逝下去的“钟”,空间则像是一个巨大无比的有标准刻度的框架,物质分布在框架上。 这种静态无限的传统宇宙观,初看起来简单明了,似乎容易被人接受,但却产生了不少佯谬,比如暗夜佯谬(也叫光度佯谬)、引力佯谬,以及与热力学相关的热寂说佯谬等。

2. 夜空为什么黑暗

夜空为什么是黑暗的? 这问题听起来太幼稚了,像是一个学龄前小孩向父母提的问题。 其实不然,这是物理学中一个著名的佯谬:暗夜佯谬。

为什么天空在白天看起来是明亮的,夜晚看起来是黑暗的? 表面上的道理人人都懂,不就是因为地球的自转,使得太阳东升西落,昼夜交替而造成的吗。当然,从物理的角度来看,大气的作用也不能忽略。 如果没有大气,天空背景本来就是黑暗的,白天也一样,太阳不过只是黑暗背景中一个特别明亮的光球而已,宇宙飞船中的航天员在太空中看到的景象就是如此。

因为有了大气,地球上才有了白天黑夜。白天,也就是当我们所在的位置对着太阳的时候,太阳光受到空气分子和大气尘埃的多次散射,使得我们看向天空中的任何一个方向,都会有光线进入眼睛,所以我们感觉天空是亮的。夜晚到了,地球把它的“脸”转了一个180度,使我们背朝太阳,我们所在的地球上的“那个点”正好躲到了背对太阳的地球阴影里面,大气中不再有太阳的散射光芒,天空看起来是黑暗的。

我们可以用如上方式向孩子们解释夜空为何黑暗。 但是,有一位叫奥伯斯的人不同意这种说法。 奥伯斯是德国天文学家(olbers,1758—1840)年,他在1823年发表了一篇文章,针对与上面类似的解释,奥伯斯说:

“不对,晚上虽然没有太阳,但还有其他的恒星啊!”

某个物理系的学生则说: “大多数恒星离我们地球太远了,以至于看不见它们。 因为恒星照到地球上的光度与距离平方成反比而衰减。”

然而,奥伯斯说:“看不见个别的星球,不等于看不见它们相加合成的效果。 所有恒星的光相加起来,也有可能被看到啊。”

的确如此,许多肉眼看不见的遥远恒星发出的光线合成后,可以达到被看见的效果。 比如说,我们肉眼可以看见仙女星系,但实际上这个星系中任何一颗恒星的亮度都没有达到能被肉眼看见的程度。整个仙女星系能够被看见,是其中所有恒星发出的光线合成的结果。

另外,当我们抬头仰望银河的时候,看到的也是模模糊糊地一片的白色,那也是许多星光相加的效果,用肉眼很难将它们分辨成一颗一颗单独的星星。

于是,这位学生表示同意地说: “对,相加的效果可能使得星系能够被观测到,但仍然不够照亮夜空……”奥伯斯: “但你忘了,星球数目有无限多啊!”

至此,物理系学生暂时无语,他在思考奥伯斯提及的“星球无限多”的问题。

那时候是牛顿的新物理学当道的年代,实际上布鲁诺很早就大胆预言了宇宙无限,康德后来也提出过空间中存在无数星系的想法,一个动态而无限的宇宙图景,使当时初见雏形的宇宙论走向科学。 并且,无限宇宙的图景是与牛顿力学的绝对时空观念相符合的。 比如说,牛顿第一定律认为不受外力作用、具有初速度的物体将作匀速直线运动,而这种运动只在无限的宇宙时空中才能实现。此外,从牛顿的万有引力定律,任何两个物体间的引力与距离平方成反比,当它们相距无穷远时引力为零,这点暗含着宇宙是无穷大、边界条件为零的假设。

因此,学生思索一阵之后说: “无限的宇宙中星球数目的确是无限多,那又怎么样呢?”

奥伯斯笑了: “那我们就来作一个中学生都能懂的计算,算算这无穷多个星球的光传到地球上造成的相加效果有多大……”

奥伯斯认为,如果宇宙是无穷大、各向同性、星体均匀分布的,就会得到夜晚的天空也应该明亮的结论。（未完）

引言　宇宙深处泛涟漪———从引力波谈宇宙学/ / 1

Chapter 1　去宇宙逍遥/ / 8

1. 从地球出发/ / 9

2. 太阳的生命周期/ / 16

3. 群星灿烂也不灿烂/ / 22

4. 钱德拉塞卡极限/ / 28

5. 天上有个好莱坞/ / 34

6. 河外星系知多少/ / 43

Chapter 2　牛顿的宇宙/ / 50

1. 永恒而稳定的宇宙图景/ / 51

2. 夜空为什么黑暗/ / 54

3. 引力佯缪/ / 61

4. 热寂说佯谬/ / 64

Chapter 3　有关无限的数学悖论/ / 68

1. 悖论、佯谬知多少？ / / 69

2. 芝诺带你走向无穷小/ / 74

3. 希尔伯特旅馆悖论/ / 77

4. 缸中之脑/ / 82

5. 无限猴子定理/ / 87

Chapter 4　学点相对论/ / 89

1. 狭义相对论/ / 90

2. 广义相对论/ / 95

3. 引力场方程/ / 98

4. 相对论的实验验证和应用/ / 101

5. 不同的内蕴几何/ / 104

Chapter 5　探测引力波/ / 107

1. 宇宙学中的基本测量/ / 108

2. 探测引力波——时空的涟漪/ / 112

3. 电磁波和引力波/ / 115

4. 引力波速度为何等于光速/ / 123

5. 韦伯——探测引力波的先驱/ / 126

Chapter 6　黑洞物理/ / 132

1. 史瓦西解和黑洞/ / 134

2. 黑洞无毛/ / 137

3. 霍金辐射/ / 141

4. 宇宙中的恒星黑洞/ / 144

5. 超大黑洞和极小黑洞/ / 147

6. 双黑洞和引力波/ / 150

Chapter 7　哈勃定律/ / 156

1. 欲上九霄揽银河，浩瀚星海任遨游/ / 157

2. 光——探索宇宙的利器/ / 163

3. 膨胀的宇宙/ / 171

4. 超光速的困惑/ / 177

5. 宇宙的形状/ / 183

Chapter 8　大爆炸模型/ / 190

1. 为宇宙膨胀建造模型/ / 191

2. 浑沌开窍宇宙诞生/ / 196

3. 霍伊尔的坚持/ / 201

4. 微观世界的秘密/ / 204

5. 从夸克到宇宙/ / 209

6. 宇宙如何演化/ / 214

7. 探寻宇宙的第一束光/ / 223

8. 隐藏宇宙奥秘的古老之光/ / 230

Chapter 9　大爆炸的迷团和疑难/ / 237

1. 对大爆炸的误解/ / 238

2. 视界疑难/ / 245

3. 平坦性疑难/ / 251

4. 磁单极子疑难/ / 258

5. 上穷碧落下黄泉，暗物诡异不露面/ / 263

6. 宇宙常数解疑难，捕风捉影论真空/ / 268

Chapter 10　暴胀的宇宙/ / 274

1. 超级暴胀补缺陷/ / 275

2. 对称破缺，真空相变/ / 280

3. 平行宇宙似科幻/ / 284

参考文献/ / 288