这里，放射性物质发生衰变和不发生衰变有着同样的概率，因此两者都发生了。就像一个粒子能够同时从金属柱子的左边和右边穿过一样，放射性衰变也同时发生了和没发生，只要没有人在看。我们前面已经说过，大多数时间，缘于各种不明确的原因，这种可能性的叠加不被我们注意到。它们从来没有发生在——或者到达——我们的尺度。然而，在我们这个特别的实验里，我们却通过设计让我们的眼睛能够看到：两种量子可能性（衰变发生或未发生）同时存在并且直接联系到一只猫戏剧性的死亡或存活之上。
那么量子世界的规则怎么说？
它们的说法是：衰变还是未衰变这一事件被直接联系到毒药和猫，只要盒子未被打开，这只猫既没有死去，也没有活着，而是同时存在。
在你打开盒子之前，衰变同时处于发生了和未发生状态，因此毒药已经被释放，也尚未被释放。
所以猫咪死了，却又活着。
死了并且活着。
听到这些，你立刻打开盒子去确认。
猫跳了出来，毫发未伤，依然非常可爱。
盒子底下也没有躺着尸体。
你挠了挠自己的脑袋。
这整个所谓“状态叠加”和“随后量子可能性塌缩”立刻听起来就像一个设计精巧的恶作剧，而不是真实现象。
我们搞错了吗？猫真的曾经有一段时间处于既生又死的状态，还是整个实验就是一个骗局？
让我们看看。
打开盒子意味着你与实验发生了作用，对不对？
啊哈。
所以你的确进行了干扰。你的确观察了。当有人进行了观察，大自然就必须作出选择。
因此，这个选择——也就是塌缩——如果是真实的话，显然已经发生：让猫活了下来①。
但你在打开盒子之前，猫的命运已经决定了吗？还是在你打开盒子之后，极快的瞬间里被决定？
你又回到了最初的问题：塌缩真的发生了吗？
薛定谔在一九三五年设计了这个实验，许多年过去了，没有人能回答这个问题，直到法国物理学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）和美国物理学家大卫·维因兰德（David J.Wineland）成功地设计了一个真正的实验，并且能够在预期发生塌缩的瞬间探测到状态的叠加。
不过，这次他们没有用猫。
他们用的是原子和光。
他们看见量子叠加非常真实；几乎所有量子粒子都能够，也确实同时以不同且互斥的状态存在。今天，这也是工程师们试图建造量子计算机的基本原理。利用量子粒子能够同时以不同状态存在这一能力，能够实现同时“平行”计算的量子计算机的计算能力在原则上能指数级地强大于我们现在所用的经典计算机。阿罗什和维因兰德因此分享了二〇一二年的诺贝尔物理学奖。他们证实了薛定谔的猫真的处于既生又死的状态，在某个时间，两种状态同时存在。
那么这儿的谜团在哪里？
在于是什么东西消失了。
叠加是真实的，好吧。阿罗什和维因兰德证实了这个。我们只能接受。
但是当你打开盒子，当活着的小猫跳出来以及塌缩发生的时候，你没见到的那个可能性去了哪里？既然它在某个阶段显然是真实的，那么那只死猫哪儿去了？
那才是谜团。
许多科学家冥思苦想于这个问题，一些潜在的答案近来开始流行。一些人猜想那些没被观察到的可能性褪色了，就像滴入湖里的一滴墨水，湖就是我们生活其中的世界，就像未被实现的一串可能性在湖中扩散消失，只剩下实现了的那种——包括我们自身也是其中的一部分——被留下。另一些人认为这与我们的意识有关，我们进行实验这一动作本身或者甚至思想本身能够把现实冻结在某一个状态中，因此创造了现实。
然后出现了美国理论物理学家休·艾弗雷特三世（Hugh Everett Ⅲ）。
出生于一九三〇年的艾弗雷特是个非常古怪的人。他极端聪明，同时研究数学、化学和物理学，最后在最有影响力的物理学家之一、美国普林斯顿大学的约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）教授的指导下完成了博士论文。得到博士学位后艾弗雷特立刻就放弃了物理学，主要原因是他显然觉得物理学太过诡异。虽然惠勒教授尽了努力，科学界还是未能认真考虑他学生所提出的想法，这显然也是艾弗雷特放弃的原因之一。在二十一岁时，艾弗雷特离开理论研究，开始为美国军方进行绝密武器研究，最后死于过量的酒精和香烟。他的一生就像一些著名的诗人或画家在早年因其天才而散发光芒，可惜却不为当时的同行尊重一样。艾弗雷特一九五六年发表的博士论文后来成了经典。在他的论文里，他大胆而出色地声称，既然量子理论在非常小的尺度上如此完美，那么到我们日常生活的尺度上，它也应该一路被重视。我们宇宙中的一切都由量子物质构成，因此所有一切都应被看作是一个各种可能性同时存在的巨大量子波。
如果从这个视角看，那么没有什么塌缩发生。所有的可能性都依然存在。
从这个视角看，整个宇宙在每次作出选择时产生了分支，缘于实验或是其他观察。因此应该存在着无法想象之多的许多平行宇宙，其中每一种可能性，每一种可能的后果都以事实存在。
按照艾弗雷特的看法，我们的周围到处都是平行历史。
你站在两部电梯前犹豫要上哪一台，另一个你，在分叉出去的另一个平行宇宙，选了另一台。在又一个平行宇宙中，你撞在了两台电梯中间的墙上。还有一个宇宙中，你走楼梯。因此，所有的可能都被实现了。
在某种意义上，艾弗雷特对于量子物理学的理解在字面上的解释是，如果你能克服自私的障碍，你就永远不需要悲伤。任何时候，位于这里的你遭受什么不快，在无穷多的平行宇宙中无穷多的其他平行的你正因躲开了这个坏消息而满心快活。
艾弗雷特也还依然活在无数个这样的平行宇宙中，甚至还在阅读这本书呢。在某些宇宙中，他会喜欢我对他的描述；在另一些宇宙中，他不会喜欢；在还有一些宇宙中，他自己写了这本书，而且书里薛定谔的猫变成了一只绿色的狗。
按照艾弗雷特的解读，宇宙根本就没有作出任何真正的选择。所有可能的都实现了。
只是你不知道而已。
怪不得他放弃了物理学。
艾弗雷特的理论的确奇怪，但现在却有一些我们当代最伟大的物理学家认真思考他的学说，许多与我们时空起源有关的数学模型使用了他的想法。当然关于艾弗雷特的断言我们没有实验上的证据支持（或反驳），但它的确为为什么我们所生活其中的现实不是量子可能性的叠加提供了颇具吸引力的解释：那些我们没有体验到的可能性都很真实，只是存在于别处。
现在，在你试图习惯这种想法的时候，让我们很快地总结下迄今为止你经历了些什么。
自从你开始自己的旅程以来，你已经分别探访了非常巨大的世界和非常微小的世界。在宇宙王国快速飞行时，你发现了我们宇宙巨大尺度的样貌以及它们如何服从广义相对论的统治。在微观世界，你看到了大自然的量子规则与我们在日常生活中所熟悉的一切如此不同。直到本书这个部分开始之前，在理论和实验中，你所旅行的都是已知的疆域。你看到了在一个二十一世纪初的科学家眼中的宇宙的样子，不管是在哪一个尺度。
在这个部分里，你开始看到这些知识的局限。你看到了不仅广义相对论和量子场理论难以互相交流，还看到了在一些人眼中量子规则看起来没有统治我们日常活动的原因，或许是因为有平行世界的存在。
在本书第七部分，你甚至会看到更诡异的事情。
现在，让我们继续你的头脑练习，离开微小世界，回到爱因斯坦的疆域。他的理论又怎么样了？那里又有什么谜团隐藏着？
真的有吗？
它们也像给量子场理论蒙上灰尘的无限性那么普遍吗？
最后那两个问题的答案都是：是的。
①它也很有可能死去，但快乐的结局总是更受欢迎一点
第4章 暗物质
忘掉猫啊狗啊以及带有另一种现实的平行宇宙。
忘掉量子世界。
忘掉那个缩微版的你。
你现在又回到太空中，变成了纯意识。
你已经看到微观世界充满谜团，现在你想验证一下爱因斯坦的理论是不是普遍适用在所有地方，或者它也有着同样的局限性。
你在太空。地球现在在你身后，你正朝前飞去。你飞过了月球、太阳和我们的恒星邻居们。
直到这儿，爱因斯坦的引力理论依然完美适用。恒星们与行星们按预期运行着。
你飞离银河系，进入星系间空间，然后停了下来。
银河系在你的下面，就在那里。其他星系在远方闪闪发光。含有几千亿颗恒星的巨大旋臂们放射出光亮照耀着黑暗的宇宙背景。
你对引力的知识让你知道，就像围绕着太阳转动的行星一样，星系里转动着的恒星的速度也不会是随机的。转动得太快的恒星将脱离星系的护佑，成为孤独的飘荡者，游荡在星系与星系间的巨大空间里。如果恒星们转得太慢，它们将沿着被其他所有恒星们所造成的时空斜坡滑落，这个斜坡将引领它们滑向星系中心——那个满是恒星的中心突起处，最终被那耐心等待在那里捕食一切的巨大黑洞吞噬或毁灭。如果没有一个正确的速度让自己保持稳定轨道，一颗恒星或者飞出星系，或者注定掉落，就像在大碗中转动的玻璃珠，或者落到碗底，或者飞出碗外。
你记得牛顿的引力理论就恰恰在引力太强时出了问题。在太阳边上，他的方程式需要修正才能解释水星轨道的漂移。爱因斯坦通过革命了我们对于时空的理解而完成了对牛顿理论的修正。现在，一百年之后，轮到爱因斯坦面对尺度的挑战了。在整个星系边上，爱因斯坦的理论表现如何？面对几千亿颗恒星而不是一颗的时候，他那个关于时空弯曲的理论还适用吗？
这就是你现在要验证的。
你拿出秒表，开始给那些在银河系中运动着的恒星们计时。同时调查三千亿颗恒星可不容易，所以你从最外围的那些开始，那颗位于一个巨大旋臂的顶头的恒星，它与我们银河系中心的巨大黑洞人马座A*距离遥远。
你数了十秒钟。
那颗你正计时的恒星移动了二千五百公里。不错。
这相当于围绕银河系中心以就九十万公里/小时的速度旋转。真的不赖。
它邻近的恒星运动速度也一样快。
事实上，任何两颗与我们星系中心距离相同的恒星运动的速度都一样，离中心远的速度慢，而速度最快的那些，如你早先见过的那颗快速运动的S2，则位于很中心的位置。如果你想知道这些位于银河系边缘的恒星们需要多久才能绕银河系一圈，答案是……大概二亿五千万个地球年。真是一个漫长的旅程。银河系很大。太阳（因而地球也一样）位于离中心稍近些的地方，绕中心一圈需要二亿二千五百万年不到一些，这个时间段被称为“星系年”。上一次地球位于现在它在银河系中所在位置的时候，恐龙还有一亿六千万年可以活……用这种术语表述的话，大爆炸发生在六十一个星系年之前，如果我们从今天开始算，再转二十几圈，银河系和仙女座星系将接近到相撞。顺便再说一句，太阳将在随后的几个星系月中爆炸。这样说来，听起来这个危险离我们也实在不算太远……
很好。
至今，一切都好。
看起来爱因斯坦的理论没有什么问题，除了……
除了问题已经出现了。
坦白告诉你，你并不是第一个检查这些恒星以多快的速度绕着我们星系旋转的人。它们的速度很早以前就被了解了，早在二十世纪三十年代早期，荷兰天文学家简恩·奥尔特（Jan Oort）就测量了它们。
但是简恩·奥尔特还更进了一步。
首先，他估计了一下整个银河系可能含有的质量。然后，他检查了他测到的速度是不是符合预期，能够让这些恒星既不飞走又不掉落。
它们不符合。
它们一点都不符合。
你现在就在那里，在银河系之上，你不妨自己算一下。
将每个恒星和尘埃云以及所有属于我们星系的你看得到的物质质量都加起来，你会得到同样无法解释的结论：要稳住银河系里任何一颗恒星按现在的速度运行而不飞走，银河系的质量远远不够。
更糟的是，与牛顿理论与水星轨道的微小差异不同，现在这里的差距可一点都不小。
与你现在见到的质量相比，银河系应该有五倍以上的质量，不然的话，所有的恒星都会飞走。包括太阳。
你肯定漏掉了什么，奥尔特也是。
漏掉的可不是几亿颗恒星和它们的尘云，那样的话，你大概可以责怪自己或奥尔特没有准确地估算整个星系。那倒或许可以接受。但是五倍的差别？怎么回事？再说了，这个奥尔特又是谁？我们可以相信这个家伙吗？
我们能。他可不是一个普普通通的天文学家。事实上，他无与伦比的直觉帮助人类弄明白许多你在本书第一部分穿越太阳系和银河系时所见到的景象。例如，是他发现了太阳不是我们银河系的中心（现在听起来这一点都不稀奇，但在他证明这点之前人们可不这么想）。也是他最早设想在太阳系里存在着一个巨大的彗星库（几百亿亿之多），现在奥尔特云这个彗星库还以他的名字命名，你在穿越太阳系边界进入我们的红矮星邻居比邻星的引力范围之前就曾穿过它。
奥尔特在一九三二年的时候，就已经不是默默无闻的科学家了，为了解释他所能见到的我们整个星系的质量与它的恒星们速度之间所存在的巨大差异，奥尔特作了一个惊人的预言。他认为银河系中充满了一种我们尚不知道的物质。一种至今为止尚未被任何一种手段探测到的物质，不仅在地球上，在其他任何地方都探测不到。因为它不与光相互作用，因此任何人都无法通过收集光线的望远镜看到它们。他称它为“暗物质”。按照奥尔特的说法，暗物质的可见效应只能是非直接的，通过引力显示：暗物质无法被看见，虽然它显然不是普通物质，但它与普通物质一样能让时空弯曲。构成它们的不可能是那些构成我们所知道的一切东西的粒子们，因为如果是那样的话我们就能看到它。
这种发现听起来可能太伟大了——太令人兴奋——以至于不太可能是真的。不管奥尔特曾经多么出色，但没有人永远不会犯错。他或许弄错了呢。为了检验这个结论，你决定看看其他星系，看看它们如何互相转动。瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在奥尔特最初的结论发表之后一年的一九三三年就是这么做的。
如果暗物质是真实存在的，而且它的引力效应不只局限于银河系，而是一样存在于其他星系之内与之间，它就不仅会改变恒星们在星系内的运动，还会改变星系间互相围绕旋转的方式。
所以你盯着它们看，聚精会神。
你分析了这些汇聚了闪亮恒星们的巨大集合体间独特的宇宙舞蹈……你已不再怀疑。
就像兹威基一样，你没有选择，只能承认所有的星系互相围绕旋转的速度实在太快，那些巨量的具有引力吸引效应的暗物质的存在已毋庸置疑。
而且暗物质不是物质。
它也不是反物质。
它也不是其他什么东西。
没有人知道它到底是什么。
从二十世纪三十年代起科学家们进行了许多次其他实验，每次得到的结论都一样。暗物质就在那里。它的确存在着。任何地方只要有物质存在，边上就有暗物质伴随。虽然我竭尽所能，在这整本书中，向你展示任何我想与你分享的关于我们宇宙的一切，但在暗物质这一点上，我不得不承认我无法再带你到更接近的地方了。
为什么？
因为就算是今天，奥尔特大胆猜测的八十多年之后，我们依然对这个暗物质由什么构成一无所知。我们知道它存在。我们知道它在哪里。我们有它在我们整个宇宙的各个星系内部和星系周围分布的地图。我们甚至还有一些严格限制确定它不是什么，但我们对它是什么却依然一无所知。是的，它的存在无可置疑：每一公斤由中子和质子和电子构成的普通物质，都有着五公斤没有人知道到底由什么构成的暗物质伴随。
暗物质。
意料之外的第一号引力谜团。
它可能意味着爱因斯坦的理论不适用于这个尺度，就像牛顿的理论在离太阳太近时不再适用一样。但科学家们也做了许多独立的测量。看起来暗物质的确无处不在，在星系周围，在我们自己的银河系周围以及整个宇宙，而且你看不见它。
看上去我们宇宙所含的不可见部分远远超过了可见部分。
第5章 暗能量
在宇宙黑暗世纪结束之后又经过的各个世代里，发生了许多次星系相撞，整个星系们碰撞后融合在一起。在太空中，暴力事件无处不在。而你现在看到的星系就是这些暴力事件过后的明证。
暗物质的质量超过了正常物质的五倍，却不可见，它们的量这么大，它们必定在你眼前的宇宙华尔兹中曾经起过——也依然起着——重要作用。你现在已经知道，这场华尔兹的参与者们，都是穿着由暗物质做成的大衣的恒星集合。
你盯着这些星系越久，就能看到越多的舞者和形状——你能够想象出更多那里的世界，有着与我们完全不同的天空。你突然开始怀疑是不是某些遥远的文明早就找到了你那些问题的答案……等等，那是什么？
一个非常强大的光源掠过你的眼睛。
你盯着夜空想找到它来自何方，但它已经消失不见。
和刚才同样突然，另一道光击中了你，来自另一个非常遥远的地方。
又有一个。
这些光将你从冥想中唤醒，你将注意力集中到似乎是这些光来源的星系上。
不知为什么，你的心脏跳得几乎要蹦出来。你看着它们的光，看着它们退往远处并互相围绕旋转的路径。
那里好像有点不对。
那些发出这些光的星座不应该以这种方式后退。
我们说的不是它们之间互相围绕旋转的运动，而是关于宇宙的膨胀，关于它们如何一起退向远方，就像正烘烤胀起的蛋糕中的罂粟籽。考虑到你对宇宙膨胀的了解，就会发现这些星系的运动不对劲。
这是意料之外的第二号引力谜团。它牵涉到被隐藏的能量远远多于上一章里关于暗物质的例子。
要明白这一点，你需要先知道我们如何估算自己宇宙中的距离。
当你躺在那个小岛海滩上，开始你进入外太空的旅行之前，你是如何判断夜空里的某颗星星离你近，而另一颗离你远的？只看亮度显然是不够的。恒星们个头不同，各种大小都有，因此它们的亮度也有着巨大差别。在地球上看到的一颗明亮的恒星，可能体形巨大而距离遥远，或体积小一些却离得很近。我们显然还需要一些别的手段才行，历史上的科学家们想出了三种不同的方法来估算宇宙距离。
第一种方法适用于各种天体，包括恒星或行星，只要它们离我们不是太远。这是三种方法中最简单的一种，而且依赖常识（这里没有量子效应参合，所以使用常识还是允许的）。想象你坐在行驶于高速路上的车里，透过侧面车窗看向两边的树木。离你车近的树很快经过，而离得远的那些则以慢许多的速度移动。高耸在远处地平线上的山脉看上去就像根本没有动。它们可以被看成是固定的背景。在太空里，我们可以利用同样的原理。当地球绕着太阳转动时，那些离地球近的物体相对于非常远的看上去固定不动的恒星背景有着相当明显的移动。通过测量某一天体因地球围绕太阳运动相对于远处背景所发生的位置变化，科学家们就能估算该天体与地球之间的距离。它所牵涉到的几何学早在二千二百年前的欧几里得就已经知道了。对于短距离的估算——比如，银河系内的距离，它的效果极好。但对于星系间距离的估算，这个方法就显得力不从心。因为星系们离我们实在太远了。位于地球上，绕着太阳旋转的你，冬天与夏天对于天体的视角差别可达三亿公里，但依然不够。星系们都属于固定背景。要猜出它们的位置，你需要第二号戏法，牵涉到一种非常独特的被称为造父变星的恒星。
造父变星是一种非常明亮的恒星，而且它们所发出的光会非常规律地在最亮与最暗之间变化。让人难以相信的是，科学家们找到一种方法能够将这种亮度变化的周期与它们所发出的总光量联系起来。而这个信息就足以告诉科学家们那些恒星离我们有多远：就像号角所发出的声响传到我们耳朵中时会随着它从源头走过的距离增加而变轻，光也一样。我们能够收集到的位于远处的造父变星到达地球的光占其总发光量的比例就告诉了我们它们的距离。幸运的是，宇宙里有许多造父变星。
但这个戏法依然有着自己的局限性：要测量宇宙中最远的距离，单个的造父变星已经不够了，因为就算最强大的望远镜都无法将它们从其所在的恒星群中区分出来。要测量宇宙深处非常遥远的距离，我们还需要第三种戏法。
你或许还记得，在本书的第二部分，美国天文学家埃德温·哈勃所进行的研究。在二十世纪二十年代，哈勃成为第一个注意到宇宙在膨胀、远处的星系都在离我们而去的人。你的一些朋友在地球各地用你买给他们的价值十亿美元的望远镜观察夜空，好心地替你验证了这个结论。
在二十世纪二十年代，哈勃用来自远处星系的造父变星的光线颜色移动来计算它们的速度，而且他还发现它们一心离我们而去的意念强度（速度）与它们离我们的距离成正比：若一个星系离我们的距离是另一个星系离我们距离的两倍，那么前者的退行速度也是后者的两倍。这条定律现在被称为哈勃定律。
第三个戏法就是，当造父变星无法从它们的环境中被分离出来时，我们就反过来使用哈勃定律。通过测量从远处星系们传来的光线颜色变化程度，科学家们就能判断出这些光线在我们的宇宙中膨胀了多久，利用这个信息，也就有可能知道这些星系离我们有多远。
哈勃定律足够简单，而且它与已知现实吻合得很好：空间与时间早在几十亿年前就已变成今天这样，时空的膨胀从一开始就一直进行，并且看起来作为能量被激烈释放（大爆炸）的结果也非常合理，在随后的几十亿年里，宇宙膨胀的速度也已经慢了下来。
在这个相当符合逻辑的系统里，一切都很完美。
除了它不符合你所观察到的事实。
你的眼睛刚才看到的光脉冲就与它不合。它们颜色漂移的程度不符合上面所描述的宏大、漂亮、自洽的图景。有什么地方出了问题，第二号谜团隐隐约约就在这里游荡。
要想搞明白这到底是怎么回事，让我们再去旅行一小会儿，去看看到底是什么引发了那射入你眼中的无比强大的光脉冲。
从银河系上方出发，你飞向一个特别美丽而多彩的漩涡状星系，它离你大约有八十亿光年之远。你穿过那横亘在我们自己的宇宙大家庭银河系与这一个光岛之间无比巨大而且还在不断膨胀中的空间。当你到达它附近时，选择从侧面进入。你飞过属于它的几百万颗恒星，穿过比几千个太阳系的大小合在一起还大的星云，突然，你再次停了下来。
就在你的眼前，不是一个，而是两个闪亮着的天体，吸引了你的注意。它们彼此围绕着转动，非常快，而且不怎么对称。两者中的一个家伙是一颗巨大的红色愤怒火球。另一颗也很亮，但却小了太多太多。它的大小只和地球相仿，却亮得发白。不要被你所看到的大小所迷惑。虽然两者的大小有着巨大不同，但那颗微小的星球才是这里的主宰，而不是那个红巨星。那个小小的白色圆球是在你到达前几亿年就发生爆炸的恒星所留下来的内核遗骸。当一颗恒星死亡时，它将自己的外层朝着各个方向抛入太空，但内核则被压缩变成现在在你眼前发光的新的星体。它的名字叫白矮星。它是一个极为致密和炽热的天体。通常情况下的白矮星需要几千万年时间冷却褪色，最终成为寒冷孤独的太空流浪者。然而，这一颗，却替自己选择了一条完全不同的道路。
给你一个白矮星密度的大致概念吧，让我们用不同的材料做一只棒球。一个普通的棒球，用橡胶、皮革和空气做成，大约重145克。同样的体积，如果材料是铅，这只棒球的重量将是大约2.3公斤。如果使用的是地球上自然存在的最致密元素——锇——这只棒球就又重了一倍：大概4.5公斤。
现在，用来自白矮星的材料做这只棒球，你的棒球将重二百吨。在极端致密的王国中，白矮星排名第三，仅落后于中子星（它被取了这个名字是因为它只含有中子）与黑洞。所以你或许猜测它们都正进行着非常猛烈的核聚变，就像在恒星内核中一样，但事实并非如此，除非它们能够找到办法不停生长。事实上，白矮星只有在它们的质量小于太阳质量的140%的情况下才能保持自己的白矮星身份。
但这颗白矮星有东西“吃”。一颗恒星。一颗红巨星。
那颗红巨星正被活活吃掉，就发生在你眼前。
白矮星巨大的密度带来的强大引力远胜于红巨星自身，这颗恒星注定难逃厄运。它都无法保住自己的外层。在围绕着白矮星转动时，红巨星自己的表面被撕开，形成一长条明亮炽热燃烧着的等离子尾巴，在你眼睁睁的注视下向着它贪婪的舞伴盘旋而去，形成一条闪亮扭曲的宇宙大河蜿蜒流向白矮星的表面，在那里，它被收获并压缩。
这个过程牵涉到巨大的能量。时空本身就能感受到：就像在湖表面互相围绕转动的小船之间产生的水波一样，红巨星与白矮星之间的舞蹈也引起巨大的引力波，在时空这一宇宙构造本身中波动与传播，冲刷着周围的天体，改变着时间与空间①。
你看着那颗体积巨大的恒星越来越多的物质掉落到白矮星的表面，明显感觉到某些不同寻常的事就要发生。你是对的。白矮星的确收获了许多质量，到达了太阳质量的140%，一个质量门槛。越过这个门槛之后，白矮星自己内核的压力突然大到以一种新的剧烈到超乎想象的链式反应，给自己带来了非凡的死亡。一眨眼间，它炸了开来。这种爆炸所发出的亮度超过太阳五十亿倍。真是让人印象深刻的告别演出。
这种爆炸形成了所谓的Ia型超新星。在所有星系中，它所发生的频率都是大概一百年一次。对于我们来说，它们是一种非常方便的工具，因为它们都很相似，甚至一模一样：它们的发生总是在一颗白矮星吞噬另一颗恒星后质量超过了太阳质量的140%，因此它们永远放射出同样亮度的光——五十亿个太阳所发出的光被合并在一个不比我们地球大多少的小点上。它可比造父变星亮多了。这个特点让它们成为照亮我们宇宙最远处的理想的蜡烛，我们可以借此验证哈勃的膨胀定律。
Ia型超新星比其他一切天体都亮许多，因此与造父变星不同，人造的望远镜能将它们从遥远的星系中分离出来。知道了它们真正的亮度，就像利用造父变星的原理一样，科学家们就能推测出它们离我们的距离，以及它们离我们远去的速度。
一九九八年，两组独立的科学家研究了这种遥远的超新星并且发表了他们的研究结果。其中一组由美国天体物理学家萨尔·波尔马特（Saul Perlmutter）带领，另一组由美国天体物理学家布莱恩·施密特（Brian Schmidt）与亚当·里斯（Adam Riess）带领。两组科学家们都发现大约五十亿年前，在经过了大约八十亿年的正常行为之后，宇宙的膨胀开始加速。
科学界被震惊了。
你也应该如此。
不仅仅因为它们出乎意料，而且相反的结论看上去才更合理。
在大尺度上，统治所有一切的是爱因斯坦的广义相对论，爱因斯坦的引力理论与牛顿的理论一样，只允许物体间相互吸引。因此，充满整个宇宙的不管什么物质，无论是普通物质、反物质，还是暗物质，在长期看来，终会让膨胀变慢。而不是加速。
然而波尔马特、施密特和里斯的观测给出了另一种结果，唯一能够让这种矛盾自圆其说的办法只能是引入一种全新的东西来解释这种加速。而且这种东西必须布满整个宇宙。而且它还必须具备一种独特的性质：它必须能够产生类似反引力的作用力，让物质与能量之间互相排斥而非吸引。
因为某种我们尚不知道的原因，这种新的力量在大约五十亿年以前超过了其他所有大尺度力量，而在此之前，它的效应是零。
这种令人迷惑不解的能量被称为“暗能量”，而且有趣的是，为了对应它所被观察到的效应，暗能量应该大量存在。
根据现代推测，事实上，那是一个巨大的能量。
是暗物质的量的三倍之多。
是构成我们的普通物质的量的十五倍。
因为发现了宇宙膨胀在加速而非放慢，波尔马特、施密特和里斯获得了二〇一一年的诺贝尔物理学奖。我们宇宙的整个能量分布不得不被彻底重新估算。今天，依据NASA卫星的估算，我们宇宙的能量构成如下：
暗能量：72%。
暗物质：23%。
我们已知物质（包括光）：4.6%②。
你在自己整个旅程中所看到的一切只占我们整个宇宙所含物质总量的4.6%。其余的都是未知。
与暗物质不同，很久以前，就有人推测了某种类型的暗能量的存在。大约在一百年前，作出这个推测的就是爱因斯坦本人。他甚至称此为他自己“最大的失误”，虽然在今天看来，他的失误在于把这个预测看成失误。
或许你还记得，还是在第二部分里，爱因斯坦不喜欢我们所处的宇宙正在变化、演化这种说法。他更愿意认为时间与空间现在是，以前也曾经是，将来也将一定是他自己所体验到的那样。不幸的是，就是他自己的广义相对论——最初所用的最简单的形式——展现出完全另外一种图像。广义相对论显示时空可以——也的确——发生改变。为了给宇宙不变留出可能，他发现自己能够通过增加一个附加项来修改自己的方程式，那是他的方程式中唯一允许的附加项。在那个时候，这是一个大胆的修改：爱因斯坦的方程式在当时意味着（现在也依然意味着）我们宇宙的局部能量绝对对应于它的局部几何，因此一旦两者中的一项能够改变，另一个也将随之改变。将某种新形式的能量加入到宇宙各处也就意味着改变了宇宙各处的形状和动态。所谓能量，爱因斯坦指的是所有具有引力效应的东西，现在包括物质、光、反物质、暗物质和一切具有正常、恰当的引力吸引行为的其他所有东西。
但爱因斯坦所加入的附加项能够具有两种效应（吸引或排斥），具体表现出哪种效应则取决于它的值。在实体上，它与充满了整个宇宙的能量相对应。他称此为宇宙学常数。
有了它，宇宙能够静态存在，并行为合理，遵循了爱因斯坦的哲学观。
放下心来的爱因斯坦终于能够在晚上睡好觉了。
然而，大约十年之后，哈勃的研究将宇宙的膨胀变成了已被实验证明了的事实。没有所谓静态宇宙。因此爱因斯坦放弃了他的宇宙学常数并称它的被引入为自己最大的失误。
大约又是一百年之后，现在看起来充满讽刺的是，他从纸上擦去的，可能正是理论学家们孜孜以求的、解释人类所发现的最大谜团所必需的工具：驱使宇宙膨胀加速的暗能量。宇宙学常数能带给我们一个处于静态的完全对立面之上的宇宙，这个宇宙正经历着加速了的膨胀，如同观测所证实的那样。它能够解决暗能量问题。剩下的唯一问题就是找到这种能量的来源。我们将在第七部分再来讨论此事。
现在，我希望每个人都能犯爱因斯坦那种失误。
不管最后暗能量是什么东西，它的出现已经改变了我们对宇宙学的看法。在波尔马特、施密特和里斯的发现之前，我们的宇宙被认为有两种可能的未来，具体是哪种取决于它的总体质量。如果含有的物质太多，它的膨胀注定要在某天逆转，引力将占据主导，就像在每两个现在正分开的物体之间挂有非常有力的弹簧。在这种情况下，整个宇宙将会收缩，所有一切都会以所谓“大挤压”结束。它就像大爆炸，只是倒过来，就像你所经历的旅程，是快进，而非回溯。
另一种可能性是没有足够的物质或能量防止一切彼此分离。波尔马特、施密特和里斯所引入的暗能量显示出这或许是更有可能发生的未来。除非某天又有什么出乎意料的事击中了我们的望远镜，不然很有可能这个反引力作用场将确保宇宙的膨胀永无止境，带来非常寒冷的宇宙未来。两种方式（大挤压和冻死）都凄惨无比，我同意。但你将在接下来及最后部分中看到，寒冷而死或许也远远不是结束。
现在，再说一次，还有一种可能就是爱因斯坦的理论在这么大的尺度上不适用。如果是这样，那么我们就不能用他的方程式来推断暗能量的存在。就像在一颗大恒星边上使用牛顿的引力定律会带来错误的轨道一样，爱因斯坦的方程式也很可能在某个状态下飘离现实。到今天为止，更有可能暗能量是真实的，甚至其中还牵涉到量子效应的可能性。对于那些想把非常微小与非常巨大联系在一起的人来说，这是一个非常令人兴奋的前景。
不管怎样，无论它们的本质到底是什么，暗物质与暗能量都至关重要。牛顿的引力理论让我们在太阳周围找到了新的行星。爱因斯坦的引力理论带我们找到了更大的谜团。这些谜团大到包含了我们打开大门进入极大尺度上的现实世界所需要的线索或钥匙。
带着这些发现带给我们的谦逊感，现在是时候去看看为什么广义相对论不可能是适用于一切的理论，为什么它预言了它自己的失败。
①顺便告诉你一下，两位美国物理学家拉塞尔·赫尔斯（RusselHulse）与约瑟夫·泰勒（JosephTaylor）在几十年前第一次间接地探测到这种引力波。他们因此获得了一九九三年的诺贝尔物理学奖。这种波或许某一天能让我们超越最后临界散射面，“看到”我们可见宇宙尽头墙外的世界。因为它们不是光波，而是时空的波动，它们可以到处传播，甚至能穿过最致密和厚重的墙壁——一直到大爆炸。引力波望远镜正在建造之中，其目的也正是为了看穿临界最后散射面。
②总数之和并不是100%，因为在所获取的数字中永远有不确定的误差存在。来源：WMAP。
第6章 奇点
还记得量子无限性吗？
记得那些为数无穷大的粒子在量子场的真空中，在所有时间与所有地方到处出现，带给时空的灾难性后果吗？
为了应付它，科学家们不得不将引力关掉，试图把那些无穷大当作不存在。结果得到了一个完美的理论。
现在，忘掉量子之类。
引力自身又是怎么样的呢？我们所知道的物质，在日常生活中每天遇到的经典物质能否在宇宙构造上产生同样效果？它能让时空自己崩塌吗？
答案是绝对能。这次，我们甚至能在天空中直接看到这个结果。
在这里我们可以用这种画面来帮助我们：我们可以想象把许多很重的玻璃珠扔到一片薄薄的橡皮膜上。
因为它们所造成的橡皮膜弯曲，邻近的玻璃珠们应该滚得彼此接近，造成能让橡皮膜变得更弯曲的一堆。随着每一颗新滚下来的玻璃珠加入已经聚成的一堆，橡皮膜的变形就会越来越厉害。
到了某个阶段，或者所有的玻璃珠都掉落在一起，或者剩下的那些玻璃珠离这里过于遥远而不再向这里滚落，这个过程结束。
这里没有什么奇怪之处。
但如果这张橡皮膜就像口香糖那么软，如果它的强度不足以将那堆玻璃珠与自己的张力保持平衡，它就会继续弯曲下去——哪怕没有新的玻璃珠加入——直到断裂。
没有一片橡皮膜能够强大到可以承受任意重量而不断裂。这就出现了密度门槛：将过多的重量置于太软的表面上，重物周围的柔软表面就会变形变形再变形，最后断裂。
现在我们来看看时空又会怎样。
虽然时空不会断裂，但它们对于非常致密物质的反应或许更为剧烈，因为在这里，承受重量的基础不是橡皮，而是时空本身。
时空，不是一块平平的橡皮膜，而是一块具有体积的空间。加上时间。
时空在它所包含的物体周围弯曲和拉伸，不管那种物体是质量还是其他形式的能量。这就是爱因斯坦对此的理解。
不停地将能量（不管是什么形式的）加入到某个空间，就像在橡皮膜的例子里一样，你注定会碰到问题。过了某个门槛，没有什么能够阻止时空的弯曲变得越来越深，即便没有新东西掉进去。
当弯曲变得越来越厉害时，最初形成这种弯曲的不管什么东西都会被进一步挤压，让那里的密度更高，形成一个恶性循环，直到无情地让时空崩塌，这种崩塌蒙上了无限大所带来的灰尘，超出了广义相对论所能应对的范围。这种无限大被称为“奇点”。它们不同于你早些时候看到的量子无限性。它们与量子进程毫无关系。它们出现的原因在于有太多质量或能量，出现在太小的体积里。它们是局部的。它们存在的可能性宣告了爱因斯坦引力理论的失效。
在二十世纪六十年代末、七十年代初，在几乎所有其他人都嗨着，听着迷幻音乐或寻找新的基本粒子的时候，英国数学物理学家罗杰·潘洛斯（Roger Penrose）和英国理论物理学家史蒂芬·霍金在一系列出色的定理中证明：在一个以广义相对论统治的大尺度宇宙中，这种崩塌是必然发生的。通过这些定理，他们显示了爱因斯坦的广义相对论的确非常谦逊，因为它预言了自身的局限与失败之处。
就像牛顿需要一个更大的理论来解释水星轨道的漂移，现在爱因斯坦也需要一个更大的理论，哪怕仅仅是为了解释这些崩塌。
你觉得它们会发生在哪里呢？它们真的能在大自然中被找到吗？或者仅仅是些理论上的设想？
它们是真实的，我觉得你应该知道到哪里去寻找它们。
这种奇点中的一个，可说是所有奇点之母，位于我们宇宙的过去，当我们整个宇宙的能量都被限制在一个极小的空间中的时候。
从某种意义上说，我们的宇宙就是从这样一个奇点中诞生，因此它发生在时间与空间还不是今天这个样子的时候。
另一个奇点位于遍布我们宇宙的每一个黑洞深处。
同许多人可能的想象相反，黑洞是“空洞”的反面：它们因某种灾难性的塌缩而产生，太多质量被挤压到太小的体积之中。你接下来就会知道，巨大的恒星死亡就可能引发这个过程。
自从潘洛斯–霍金定理发表后，就有了一个问题一直折磨并激励许多聪明的脑袋，这个问题就是：既然奇点显然发生于自然之中，我们又怎么能把握在该奇点出现之前所发生的事？我们又怎么可能思考某个时间与空间都已经失去意义的地方？又有什么理论能被用来考察那些灾难性的塌缩？
一个同时统治极大和极小的理论。
因为黑洞与我们宇宙的开端都具有将巨大数量的物质和能量禁锢于一个非常小的空间里这个特点，因此解答这一现象的理论也应该混合了引力和量子进程。
不管那个能够比爱因斯坦更好地解释我们宇宙的理论是什么样子，它肯定需要包含时空引力的量子方面。
潘洛斯与霍金证明了爱因斯坦的引力理论有着深层局限性，无法解释我们宇宙中的一切，不管是过去，还是现在：在我们到达时空开始之前就失效了，在我们能够探寻今天的黑洞深处的秘密之时也同样失效。
说了这么多，有些人可能认为难以找到引力的量子理论的错全在爱因斯坦的宝贝——引力理论上。但你已经看到事实并非如此，量子视角中的世界也一样有问题。
然而，不管多么困难，你将要试着将两种理论混合在一起，因为现在你就要出发去探索黑洞了。
第7章 灰色就是新的黑
仔细想想，你觉得一切都很正常。
你现在不再是空灵的，无法透视自己，你的手臂、腿和身体各个部位对于要求它们动作的指令都能作出正常反应。你有着血肉骨头，心脏跳动如常，是一个活生生的正常人。你头颈上的一点点痛感更证实了这一点：你就像回到了地球上一样，虽然自己还是在外太空。你的机器人导游，带着它小小的黄色外壳和传递粒子的管子，就在你身边，就像你自己一样具体真实。
你环顾四周。
未来机场已经不见了。你什么都不认识，但你猜自己肯定位于某个星系中，接近它的中心。几十亿几十亿的恒星们闪耀着，一如往常，到处都是。除了你面前，一块黑暗的时空中没有任何恒星。
当你随着机器人一同移动时，你意识到黑暗的区域相对于恒星背景移动着。
所以它很近。
一片虚空挂在宇宙中，隐藏着一种黑暗的危险，威胁着所有一切。
你知道那是什么。
它非常巨大，大概是我们太阳质量的一百亿倍。但这个黑洞与你在银河系中央见过的那个一点都不像。它的周围没有一圈燃烧的光焰围绕。周围也没有恒星掉落其中。这个黑洞已经吞噬并消化了所有曾经存在于它周围的恒星们。以及几乎所有残骸。现在，它的周围已经干干净净。除了偶尔因发生在远方某处的变道而陷入厄运光临此处的石头，周围已经没有什么能被它吞噬的东西了。说来正巧，现在就有几块这样的石块正往这里飞来。
“哪怕这里只有一点点量子引力存在的迹象，我们都不会让它躲过我们的火眼金睛。”你的机器人伙伴宣称。
“会有危险吗？”你问道。
“当然啦，这可是黑洞。”
你再次看向黑洞，将它与你在本书开始时遇见的那个比较起来。这个黑洞的两极处没有光线射出。只有一个看上去呈圆盘状扁平的黑色虚空挂在那里。你正沿着它在时空中造成的斜坡盘旋而下。远处掠过它边缘的恒星们看上去都有些变形，都不在哪怕不到一秒之前它们所在的位置上。刚才它们看起来还是一个光点，现在已成为装饰这个黑暗圆盘边缘的细细亮线。然后，它们消失了，似乎被黑暗的虚空吞噬，突然又在另一边再次出现——变形的过程再次发生，但却是以相反的顺序，直到它们又变成远处闪亮的光点。
看起来，这个黑洞让光线变了形，这个洞显然从内向外延伸，就像一口黑暗深井，而它的边缘如同一块变形的透镜。
机器人还在你的身边，你们还在盘旋向下滑去。你离那个黑洞其实还有相当距离，但你已经感觉到毁灭的气息，你突然希望不管那个机器人想向你展现什么，最好快一点，能让你在太迟之前离开这个可怕的地方——不管这个“太迟”是什么意思。
“快看你的左边。”你的机器人在片刻沉默之后说道。
你转过身去，看到一块岩石正直直地冲向黑洞。它是一颗像大山那样大小的小行星，不停地旋转着。它以惊人的速度掠过你的身边，大概离你有一百公里远。
你将自己的目光锁定在它暗银色的表面，这是黑洞黑色圆盘背景中唯一移动的天体。
这块岩石在你眼中的大小随着它的飞离而迅速变小。现在它大概是离你一臂之远的桃子那么大，现在又变成了同样远近的变了形的坚果那么大，突然，你的盘旋而下把你带到了黑洞的另外一边，出现了两幅石块的画面。一幅在你左边，另一幅在你右边。黑暗空洞边缘的时空变形似乎能让光线通过不同的路径到达你的眼睛……
“那块岩石很快就要掉穿过去了。”机器人说道，几乎带着遗憾。
“掉穿过去？”你问道，觉得自己更担心了。“'掉穿过去’是什么意思？穿过什么？”
“穿过地平线。”
“什么？”
“黑洞地平线。过了那个界限就再也回不来了。你会看见的，也有可能你看不到。从来没有人或机器来到过离黑洞这么近的地方，更不要说在黑洞里面了。有一个理论告诉我们在这里应该会发生什么，但有可能它是错的。穿过地平线之后，我们就到了已知科学的疆界之外。”
“或许我们不应该走到那么近的地方去。”你建议道。
“或许我们应该那么做，”你的机器人伙伴回答道，“这就是研究，我们应该承受一些已经被考虑到的风险。”
“那我们又能在哪里找到地平线呢？”
“所有地方。”
机器人将它的抛物管左右移动，来回指向黑洞边缘两个相对的方向，指向那块石头的两个图像及其当中。
你的目光不断地从一个图像移到另一个，等着它们继续掉落，消失在地平线后，进入黑洞。但等你又绕着黑洞转了一整圈之后，那个坚果大小银褐色的小行星依然漂浮在黑暗的空洞里。奇怪啊，与上一次你位于它上面的时候相比，它看起来一点都没有改变，实际上，看上去它已不再移动，甚至不再转动了。
“它没掉下去！”你叫道，放下心来，或许你也逃脱了被今天这个黑洞撕得粉碎的命运。
“它已经掉下去了，”机器人纠正道，“它已经不在那里了。”
“真有趣。”
“它消失了。”机器人依然坚持，“留下的只是它的影像。那是时空变形的结果。我们的时间，你的时间与我的时间，与石块上的时间不同步。小行星已经穿过地平线了，而它的影像还留在地平线上。就是这样。”
你正在消化机器人的话，又一个天体越过你飞去，进入空洞：这次是一颗闪闪发光的石头。它看上去就像一块巨大的钻石——实际上它就是钻石。有些恒星死亡后，能留下月球般大小的钻石。
在你看着它跌落时，你又绕着黑洞转了一圈，意识到自己离黑洞比刚才近了好多，而且速度也快了好多。你转了一圈又一圈，那颗小行星留下的好几个影像边上又出现了钻石的影像，看起来就像冰冻在一个超现实的黑暗背景之上，而且正变得越来越变形。你所能看见的其他东西也一样。
不管你的眼睛告诉你什么，机器人显然又对了：小行星与钻石都已经绝对回不来了。黑洞吞噬了它们之后又变大了一些，至少它的地平线变大了。
“这就是你要我看的吗？”你问机器人，“那个空洞在吞吃了东西之后长大了？”
“黑洞一点都不空。”机器人回答道，像是在暗示什么。
事实上，黑洞是空洞的极端反面：它们诞生于过小的空间里，却聚集了过多的物质与能量。需要巨大的能量才能创造出黑洞。就我们现在所知，只有最为巨大的那些闪亮的恒星死亡时，才能释放出足够的能量将自己的内核压缩成黑洞。
在你早先的旅程中，你已见识过白矮星，白矮星们也是被相同的压缩过程创造出来的——但没有黑洞那么极端。所有这些恒星塌缩后的残留物都很厉害，但黑洞超过了它们所有。既然我们已经到了这里，在你向着黑洞无情坠落的下面几圈时间里，让我告诉你黑洞之所以显得那么可怕和神秘的另一个原因。
如果你坐在我们宇宙中的任何一个天体上，不管是一块岩石、行星还是恒星，你都能发出光信号来告知自己的位置。但你所在的天体越致密，它周围时空的坡度就越陡，你也需要越多的能量来使你的光信号越过这个陡坡。就像那只大碗一样，碗越深，你就需要将你的玻璃珠速度加到越高才能让它一路滚上去，翻过碗边。坐在行星、恒星或白矮星上，依次你需要越来越多的能量来让你的信号逃脱它们的吸引到达外太空而不会掉回来。
黑洞就更糟了。它们所含的物质与能量如此之多，所产生的时空坡度如此之陡，能让所有不小心离它们太近的东西注定掉入，无法逃脱。按照广义相对论，在我们的宇宙中，没有任何东西拥有能够逃脱黑洞引力陷阱的能量。甚至光也不行。那个一旦进入就无法回头，同时也就是没有任何东西能够出来的点——黑洞的地平线——就在那块石头与钻石看起来被冻结的影像那里，从外面能够清楚地看见。
黑暗在你眼前越变越大，就像一张张得大大的嘴，准备将你整个吞噬。
那遍布各处的遥远星星们，现在看起来已经完全不同。你似乎有了一种幻觉，觉得你眼前看到的实际上是你背后的景象……回头四顾之后，你意识到这不是你的幻觉，而是真的这样。那些在你身后闪耀着的星星所发射的光线，以光速高速飞来，穿过你，并沿着黑洞所产生的时空陡坡穿行。那些从黑洞这个庞然大物左边穿过的光线又从右边绕了回来，就像过山车一样在黑洞后面调了个头。这些光线又再次射向了你，进入你的眼睛。看往前方，你实际看到的却是后面的景象……
在你现在所处的地方，只需要往前看，你就能够看见整个宇宙。
随着你进一步盘旋下降，一切都变得更加让人困惑。
石头与钻石的影像现在又开始移动了：当你接近它们的时候，你的时间流速与它们的时间流速也变得越来越接近，它们突然完全消失不见了。
你刚看见它们穿过了地平线，虽然按照它们的钟表，这件事发生在几个小时之前。
在你身边，机器人转了个身，它的投掷管子现在正指向外太空。
你也慢慢转过身去，害怕又会看到什么可怕的景象。
你所看到的一切已经远远超出了你的想象。
所有的星星，一秒钟以前看起来还是静止的，现在却都移动了起来。正常情况下终其人类一生都看不到它们的移动，现在却明显地呈现在你眼前。从离你最近的到最遥远的，它们都在时间与空间中高速移动。它们中的一些移动速度如此之快，甚至在你的视网膜上留下了一道尾迹，在宇宙留在你眼睛中的印迹里划出一条条稍纵即逝的光迹。就像你早先高速旅行那会儿以越来越接近光速的速度穿行在宇宙中时看到了一个宇航员的一生，以及她孩子甚至孩子的孩子的一生在你眼前飞速掠过，与你的时间相比，她们的时间被加速。那个时候，你的时间与她们的时间流速不同是因为你的速度。这次，一切都缘于引力，缘于黑洞的存在给它自身周围的时空造成的弯曲。在这里，黑洞周围，你的时间流逝得比其他所有地方都慢。你看到了宇宙的未来在你面前展开，这就是空间与时间统一在一起，成为时空后在实际上所产生的效应。
“我们穿过地平线了吗？”你突然担心起来，“我们真的注定将永远坠落吗？”
机器人转过身来，面对着你，你吃惊地觉察到它的抛掷管变宽了，实际上，现在它看起来一点都不像是用来抛掷粒子的，而更像是用来发送保龄球的……
“我们还没有穿越地平线，没有，”它回答道，“但你马上就会了。”
如果你还不知道发生了什么的话，你会说自己在机器人的声音里听出了一丝高兴。但在你作出反应之前，它已经向你的胸口发射了一颗重重的保龄球。你无处躲避，除了伸手抓住向你飞来的球之外别无选择。刹那间，它的速度把你向下推去，朝向那吞噬一切的黑暗巨口……
你大叫起来，拼命想要抓住些什么阻止你坠落，但周围没有任何东西能被你抓住。
你还在继续掉落中。机器人已经移开了。
你的一秒钟是机器人的一分钟。
现在已经一小时了。
现在一天了。
现在一年了。
机器人已经退回很远处，你眼前的世界已经过去了几百万年。有些恒星已经爆炸，另一些新的恒星诞生。你看到了一切。
现在已经过去了几十亿年时间。另一个星系与你现在所在的星系融合在一起。
机器人已经离开了你的视野。只剩下你自己。
你恐慌起来。
你已经穿过了黑洞地平线。惊吓中，你目瞪口呆地看着外面世界发生在未来的一切。你沉浸在恐惧之中，无法集中思想，你还在往下跌落，脚朝下，眼睛紧盯着上空，看着宇宙向你展示未来，消失在未知虚空的深渊中，奇点就躺在这个深渊的底部。
现在，你转过身来紧盯着它，进入黑洞那神秘的核心，那个虚空的对立面，那个创造了这一片毫无道理的现实的物质，应该就在这荒谬地方中的某处。
你无比惊讶，因为你什么都看不见。甚至你自己的身体。没有脚，没有鼻子，甚至连自己的手都看不见了。
或许从上面还有一些来自外面的光线可以照射到你，但没有任何光线从下面照上来，任何方向都没有，不管离你多近。光已经没有足够的能量这么做了。你已经穿过了黑洞地平线，注定将永远跌向那个由许多塌缩了的恒星内核无休止的爆炸掉落并重新聚合起来的物体表面，它们将时空延伸到无法承受的程度，带来没有人知道的后果。
事实上，如果你真的身处那里，你早就死了，因为如果连光都无法完成从你的脚尖到眼睛这一短短距离的旅程，你的血液就更没有可能攀上你正沿着滑落的时空斜坡到达你的大脑了。
不过既然我们还有许多有趣的东西没看，你就依然活着吧。
你实在不愿意盯着这无底的黑暗，决定要再次转过身来，透过现在已经离你非常遥远的黑洞地平线看看依然向下向你飞来的宇宙图像。但是你做不到。任何牵涉到让你身体的任何部分向上动作，朝向“上方”——外面——的努力都被禁止，因为它需要连光都不具备的能量。
所有向上的运动都被禁止。
就在你想象是否还有什么比这更糟糕的时候，潮汐力开始让你的身体发痛。黑洞中那个看不见的存在物所产生的引力现在开始以不同的力拖拽你的身体，脚上受到的力开始明显大于手臂与头部。黑洞的引力正在拉伸你的身体，你将成为被拉细的意大利通心粉。
就算那个奸诈叛徒机器人给你装备了能够被人类发明出来的最强大的火箭推进器，也改变不了你的命运。
无论这个引擎多么强大，如果你想从黑洞地平线之内向上移动，都会感觉自己就像是沿着光滑而不停延伸着的时空基质上用力，在一台永远超过你奔跑速度的跑步机上跑动，而且超过的速度差别不是一点点，你不可避免地被拽向后面。
按照潘洛斯与霍金的说法，你被位于你下面某处的时空奇点拉住，这个奇点永远无法从外面看到。没有光线能够逃离地平线，奇点就躲在地平线之后。在这里，时间与空间的概念都已经失效，就像大爆炸前的某个时间一样。没有谁能够进入奇点的心脏后再回来告诉我们他看到了什么。这样的地方，看起来盖在它们身上的屏障必然永远不会被揭开。
按照广义相对论，不管是你还是那些属于你的原子，都永远无法离开那里。
真是一个让人悲伤的想法，特别是现在你已被完全撕开，成为一条由曾经是你身体一部分的所有粒子们所形成的长长纤维。
的确是一个悲伤的想法，但是在这里，广义相对论未必可信。
因为我们必须记得广义相对论并不是关于量子场的理论。
这个想法一出现，希望就立刻回到你心中，你将自己变成缩微版。
然后开始等待。
一开始，什么都没有发生。
然后，难以置信地，你看到构成你自己的所有基本粒子消失不见了。
或者，更准确的说法是，它们都跃迁了。
事实上，是量子跃迁。
现在，它们都已离开了。
它们离开了黑洞，幸运的是，它们组装成了一个缩微版的你。
机器人就在那里等着你。
此时此刻，很自然，你想一脚踢飞那个机器人，试图掰断它的那根向你射击把你推入黑洞地平线的金属管，但你还没来得及动手，机器人又用它的金属嗓音说道：
“我已经在这里等了你大概一百亿年。很高兴你还认得我。”
突然之间，你失去了报仇的愿望。而且，现在还有更重要的事等着你去思考。其中一个重要的事实是，你刚才所经历的正是引力与量子场互相作用的实例。
在你周围，那些恒星们又开始以让人难以觉察的速度慢慢移动。从你跨越（对不起，被推过）黑洞地平线后到现在，真的过去了一百亿年。你看着那悬在太空中的黑色空间，你刚从那里奇迹般地逃脱。第一眼看去，它看起来似乎没有什么变化，但现在你已知道要寻找什么。就像面纱被揭开，你的确能够看见了。粒子们正从黑洞中逃脱，从那里离开，辐射出去，那个黑暗的怪兽就像在蒸发中。
你意识到或许它一直如此，只是你先前不曾注意。但这怎么可能？
就像理查德·费曼曾经说过，只有一个人能给出多个不同理由来解释某现象为什么会发生的时候，他才真正了解了这个现象。
你与机器人接着观看粒子们如何奔腾着离开黑洞进入太空吧，让我来告诉你黑洞为什么会发生粒子泄漏的四个原因，它们都与你已经见过的那个过程有关联。
第一个原因最简单。
你知道，量子粒子能够从产生它们的场中借到能量。它们在黑洞地平线之内也同样如此。拥有了这种借来的能量，它们可以在一小段时间里比光走得更快。时间不长，但足以通过量子跃迁跳出黑洞的不归区域。这就是你在缩微版状态时所经历的。这是量子进程。
所有试图对你经历的事所作的解释本质上都是量子的，所以它们都带着通常的谨慎对待的警告，如同你在量子世界中所见到的那么多诡异景象一样，听起来就像是天方夜谭。
第二个原因也不例外：你可以说所有掉入黑洞地平线的粒子们也没有掉入。掉入了，也没有掉入。在所有可能发生的路径中它们（理解为波）可以选择掉入，也可以选择没有掉入，而且大多数途径是没有掉入，因为黑洞外面的空间大于黑洞内的。令人惊奇的是，这个经过深思熟虑的想法，在描述黑洞的蒸发方面与上述第一种原因异曲同工，给出了同样的结果。
第三种原因如下：因为地平线将空间分成不同的两部分，黑洞内的真空与黑洞外的不一样，因此某种形式的真空作用力——卡西米尔效应，应该将地平线向里推，让黑洞变小并蒸发。这种解释又一次奇迹般地给出了同样的结果。
我在这里给出的第四个也是最后一个原因是，在所有黑洞地平线附近都会生成粒子–反粒子对，反粒子掉入黑洞的可能性比粒子掉入的可能性大，就像我们身边的反粒子的数目大大小于粒子一样。穿越了地平线的反粒子被黑洞禁锢，肯定会与已被禁锢在那里的粒子发生湮灭，让它们两个粒子同时消失，只剩下一个粒子留在黑洞外面：那颗早先与反粒子一同被创造出来的粒子，而它那掉入黑洞的反粒子伙伴已经与黑洞中的一颗与自己相同的粒子发生湮灭。再一次，这种原因也给出同样的结果。
这些都是你以前见到过的量子效应，只是现在它们发生在黑洞附近。而且它们都带来了相同的结果：黑洞在蒸发。有物质从它们内部泄漏出来。
现在你能看见黑洞发光，因而意识到黑洞这个持续几个宇宙世代吞噬整颗恒星的宇宙巨兽不再是黑的，而是灰色的。而且在收缩。
甚至还有一个更让人惊讶的事实，一个黑洞射出的粒子越多，它就变得越热，而随着黑洞变得越热，它射出的粒子又会越多。这又是一个恶性循环，将导致黑洞不可避免地死亡。
一个黑洞的死亡。
黑洞会死亡？虽然听起来难以置信，但你正注视着的黑洞的确正在收缩，并释放出一些辐射。通过吞噬整个世界而储存在里面的时空能量现在正被还给太空，一个粒子一个粒子地，就好像是放射性衰变，黑洞就像是为了降解一切而生，为了给粒子们一个新的机会……
自然界中所有的量子场，都被我们宇宙中最强大的引力源所激发，都开始利用这飞来横财给自己补充能量。当黑洞变得越来越热时，至今还一直休眠着的基本粒子们开始苏醒并飞离黑洞。你看着它们发生。黑洞越小，量子场的能量被激发得越强，粒子以越高的能量飞出黑洞。引力能量再一次被转化成物质与光。
你看着这一切展现在你眼前，你意识到它与地球上的法则完全相反：在地球上一杯热水蒸发时不会越变越热。通常，它会变冷。如果不是这样，那么把热咖啡放在桌上不管不顾就会引发灾难性的后果。晚间新闻的头条将满是“又一杯咖啡引燃了桌子，烧着了整座房子。记得一定要将你的热饮料放入恰当的垃圾桶中”。
黑洞显然不同于咖啡，它们蒸发得越多，收缩得越小，会变得越热。没有谁知道这个过程的终点是什么。黑洞会伴随着一个最后的爆炸消失吗？还是会带有某种特性的微小诡异的残骸剩下来？要找到这个问题的答案，我们需要找到是什么规律统治着藏身于黑洞最深处的奇点。从一九七五年起，科学家们就在寻找这种规律。
就在那年，英国理论物理学家史蒂芬·霍金在纸上发现了黑洞会蒸发。
最开始，他都不敢相信他自己的计算。光线看起来正从原本应该不会有光离开的地方辐射出来。他再次重复了自己的计算。又重复一次。再一次看到光与粒子能够找到逃逸黑洞的途径。他在《自然》杂志上发表了自己的发现，一下子在世界范围内声名鹊起，甚至超出了学术界。量子效应让黑洞蒸发。掉入其中的一切未必永远被禁锢其中。它能逃出来，虽然不是通过你所知的途径。黑洞能够蒸发，就像具有温度一样。这种温度在今天被称为霍金温度。
你看着黑洞将自己最后的能量辐射出来，意识到你现在所看到的正是最大与最小世界确实发生的互相交流，当然它们的交流本来就应该是期待之中的。黑洞辐射是人类至今为止获得的，或许能够证明自然界在大与小的世界发生交流这方面能被理论认识的唯一证据。至今为止，这是显示量子引力理论可能存在的唯一暗示。其他任何理论挑战必须都要解释并预言霍金温度，以及黑洞蒸发——直到黑洞的死亡。
“黑洞会死亡？”你大声说，无法相信。
“如同宇宙中所有的一切一样。”机器人回答说。
但在二十世纪七十年代末期，霍金的发现也带来一个非常奇怪和相当令人不安的结论。利用他的温度公式，以及他所发现的黑洞辐射，霍金试图了解黑洞一开始是怎么产生的。为了让问题简单化，他从一个已经完全形成的黑洞开始，往里面扔入各种材料，看看它们会受到黑洞辐射的什么影响。让人惊讶的是，没有差别。黑洞所发出的辐射中没有任何显示被吞噬的是什么物质的信息，除了它们的质量。从他自己所见来看，黑洞活生生地剥夺了一切它们所吞噬物质的所有特征信息，除了质量。不管穿过黑洞地平线的是几个人类，一些书本，一块岩石还是一块钻石，如果它们最初质量恰好一样，以后被蒸发出来时会变得完全一样。在霍金的理论里，人类、书本与石头在黑洞眼中都一样。对于我们所有人来说，黑洞只在乎我们的质量，其他都无关紧要，对于有些人来说，这种过于简化或许只是有些令人沮丧，但对于科学家们来说，却是一种哲学上的灾难。
在霍金的发现之前，所有人都认为黑洞会永久吞噬跨过它地平线的一切，并不停长大。这并没有什么问题，所有掉进黑洞的东西并未丢失。它们只是被储存在地平线之后，难以（实际上是不可能，但这不要紧）从外面回收而已。
但现在黑洞能够蒸发，而且剥夺了其中一切物质的信息，我们就面对一个麻烦的结果：事物开始从现实中消失了。霍金辐射①与进入的物质无关，这些黑暗的巨兽成为我们宇宙的记忆流失处。等到黑洞将它们的过往蒸发完毕，它们所储存的一切不再是难以或无法回收，而是根本就不再存在于任何地方。完全消失了。科学在寻求一个全面的理论，一个能够用一个方程式解释所有一切的理论，但这种努力得到的第一个结果居然具有如此爆炸性，颠覆了整个科学。科学既然永远没有办法重获这些在黑洞中失去的过去，那么有一天能够描述和理解我们宇宙整个过去的希望应该被放弃。霍金辐射敲响的不是量子物理学或广义相对论的丧钟，而是试图通过物理学来了解我们整个宇宙从哪里来这一希望的丧钟。这个问题有个专门的名字：黑洞信息悖论。
今天，物理学家们对于当年霍金用来得出他著名结论的方法已经相当熟悉。四十年后，当霍金邀请我与他一起继续研究这个问题的时候，这个问题依然被层层迷雾所包裹。但现在似乎有些线索显示可能存在解决这个问题的途径，如果将我们对于量子世界的了解应用在黑洞本身，那么黑洞可以在那里，同时又不在那里……这些想法会将科学家们引向何处，将是本书下一部分，也就是最后一部分所要讨论的内容。
然而现在，在我们尚未明了到底是多少个十亿年之后的将来，你突然记起了机器人在看到你终于出现在黑洞外面时隐隐露出的喜悦之情。那个时候你有没有想过为什么它会对你依然认得出它这件事感到如此高兴？
你觉得它是真心的，不是吗？但未必如此，现在你知道原因了：机器人并不肯定你能记得任何往事。它不知道黑洞会不会将你的身体和意识中所储存的信息抹得一干二净。既然你认得出它，一见到它就想把它撕成碎片，它知道了答案……
它知道了你真的拥有记忆，在你身上那些信息并未丢失，虽然你完全不记得自己是如何退回到黑洞地平线之外的。
你记得自己变成一组基本粒子。然后就出来了。
在这中间，发生了量子跃迁，或者别的什么。
要弄明白整个过程的准确细节，本身就是一个较好的量子引力理论所需要解决的问题。因为这就是你很快就要再次探索寻访的内容，让我在这里再次强调我在本书这一部分一开始就说过的事实：你现在进入的是一个纯理论的世界。暗物质从来没有在实验室中被创建出来，暗能量也一样，还包括黑洞：它们的蒸发至今尚未被任何实验证明，不管是直接的还是间接的。不然霍金就早已获得诺贝尔奖了。
一个原因是，探测黑洞蒸发非常困难。
有多难？
我们来看看。
以太阳为例。
要将太阳变成黑洞，你需要将它挤压在一个直径六公里的球状空间里。这大概是伦敦大小的三分之二。②宇宙中的大多数黑洞都诞生于巨大恒星的死亡，因此它们的大小可能略大于此（太阳并不算巨大的恒星）。现在，再让我们假设一个这样“太阳质量”的黑洞已经吞噬了周围的一切，现在安静地漂流在某处，远离其他一切。它的辐射温度，也就是霍金温度，应该比绝对零度高千万分之一度（绝对零度是-273.15°C）。
千万分之一度实在不算多。测量这个温度本身就是一种挑战，但这还不是最大的问题。大问题是它远远低于浸没了我们可见宇宙一切地方的宇宙微波背景辐射高出的2.7度。其结果就是，太阳质量的黑洞现在看上去并没有蒸发。事实上，直到今天为止，它们从来看不出蒸发，因为它们正在也一直被大爆炸时期所残留的背景余热所掩盖，甚至它们还从这余热中吸收能量。
因为黑洞越大，其温度越低，对于那些位于宇宙中大多数星系中心的那些更大的，具有超级质量的巨兽，这个问题变得更为困难。因为它们的霍金温度比太阳质量的黑洞更低，更不要说它们周围还围绕着掉入其中的物质所产生的巨大而极热的光环。
霍金想要拿到诺贝尔奖，答案可能隐藏在非常微小的世界里，因为微小的黑洞应该非常热。
不幸的是，还有一个问题：科学家们相当确信自己见到过巨大的黑洞，但他们从来没有见过任何微小的黑洞。先不去管它。让我们假设这种微小黑洞的确存在，它们能在实际中给我们提供任何信息吗？
要搞明白这一点，先让我介绍一个小小的插曲，关于我早先所提到过的那道普朗克墙，看看那道墙到底有什么奥秘。
在二十世纪早期，人类历史上最令人印象深刻的科学家之一建立了我们今天所称的量子物理学。与爱因斯坦一样，他是德国人，叫马克斯·普朗克（Max Planck）。他在一九一八年获得了诺贝尔物理学奖。
从他自己的发现中，普朗克了解到在宇宙中存在着一个尺度门槛，低于这个门槛，量子效应将不能被忽略。而比这个门槛大的物体，一切都显得正常。对于它们，牛顿所理解的自然规则都能够适用，它们的一切行为都与我们日常生活经验相符合。但将那个物体压缩得越来越小时，牛顿的描述开始失效。让我再说一遍，牛顿找到一种方式，能够在我们所熟悉的日常生活尺度上描述我们的世界。它符合我们的常识。对于非常巨大和高能的世界，爱因斯坦的理论占据了主导地位。而对于很小的世界，是普朗克理论的天下，那就是量子世界。自然界中有一个常数告诉我们大概在什么尺度上，量子效应开始出现。它被称为普朗克常数。
普朗克常数与另两个常数一起构成了自然界普遍适用的基石，一个是光速，另一个是引力常数，引力常数告诉我们物质之间如何通过引力互相吸引。
一天，普朗克开始摆弄这些常数，他用它们构建出三样东西。第一个是质量单位，另一个是长度单位，再有一个是时间单位。
质量单位是二十一微克，也就是一克的一百万分之二十一。它被称为普朗克质量。
长度单位是一米的一万亿亿亿亿分之一。它被称为普朗克长度。
时间单位是一秒的一百亿亿亿亿亿分之一。它被称为普朗克时间。
它们对应的是什么？
它们对应的是门槛，只要尺度低于这些门槛，引力与量子物理学就无法脱离对方单独适用。它们是我们需要量子引力理论来解释世界的门槛，虽然有时候量子引力效应在尚未到达这些门槛的物体上就已经显现出来。
在现实中，它们又意味着什么呢？
它意味着普朗克尺度给出了最小黑洞的尺寸极限。
所以我们今天的科学所能想象的最小黑洞的质量大约为二十一微克。听起来很有趣，我们的意识还是能够把握和想象这个质量的，它听起来没有那么出奇。但要将它挤压到那么小的时空体积中——一个直径为一个普朗克长度的球体——就显得巨大了。这样一个黑洞的蒸发时间是……一百亿亿亿亿亿分之一秒，一个普朗克时间。
就算我们能够测量这么微小尺度的物体在这么短暂的时间内所发生的事，我们还需要创造出一个普朗克质量的黑洞来研究它。但以我们现在的技术，一个强大到能通过高速粒子互相撞击而产生这样的黑洞的粒子加速器得有我们整个星系这么大。毫无疑问，这已经远远超出了我们的能力，而且我怀疑谁会有兴趣兴建这样的机器（大概除了霍金，显而易见的原因）。外太空或许能给我们带来慰藉，当它们辐射出自己最后的能量时，这种微小的黑洞或许能被探测到。但除非一些目前尚不明了的现象能恰巧告诉我们朝哪个方向看，看什么，不然那个能够直接观测到这种现象的人将需要无与伦比的运气。
但是没有人怀疑霍金辐射的存在性。这意味着一个全新的现实在下面某处躲藏着：一个含有时间与空间本身的量子现实。
你现在就将看到，因为这些，今天还健在的最出色的科学家们的脑中逐渐浮现出关于我们宇宙的最不同寻常的图景。
①霍金辐射是指黑洞蒸发时逃逸离开黑洞的情况。
②如果你想知道，如果不是把太阳，而是把我们的行星地球变成黑洞，你需要将它的所有内容（也包括你自己）压缩到一颗圣女果（小番茄）大小。
第七部分迈向已知世界之外的第一步
第1章 回到起点
你已经亲眼见证，我们的可见宇宙并非无限；而地球，更确切地说，你自己就是你可见宇宙的中心。这是一个实用上的事实，关键词是“可见”：从各个方向传来的光，带着遥远过去的信息到达你的眼睛，而每个方向都一样，使你的宇宙环境呈现球形。这并不意味着整个宇宙就是球状的，它只表示你所能看到的部分是球状的。今天你所能看到的最古老的光来自临界最后散射面，可见宇宙尽头的那道墙，出发于大约一百三十八亿年以前，当宇宙足够冷却、开始变得透明的时候。最后散射发生时的宇宙被普遍认为已经有了大约三十八万年历史，温度高达3000°C。在此之后，它膨胀并冷却，在此之前，它更小，更热。
因此，可见宇宙是一个以地球为中心的球体，一个包含着所有能到达我们的过往的球体。我们的可见宇宙就像一个巨大的洋葱，有着由世代构成的层次，最外面的一层，我们可见过去的边缘，也就是能被观察到的最早历史时期，展现的是我们宇宙的光线第一次摆脱物质的束缚，能够自由移动的时刻。你到过那里，看见过它。你甚至还曾经穿过这个表面。但那里还有一些非常奇特的东西。那些非常非常奇特的东西，那个时候你可能没有注意到。
你还记得那些接受了你价值十几亿美元的望远镜资助的朋友们在观察夜空时发现，不管在哪个方向，哪块夜空，充满我们宇宙的辐射基本上可以说都完全相同吗？这种辐射——宇宙微波背景辐射，是大爆炸理论的坚定支持者。它是证明我们的宇宙历史上曾经更小更热的铁证。但不管是你还是你的朋友都没有注意到这种辐射如此均匀，对于我们宇宙膨胀的模型来说，不应该如此单调不变。你现在会看到，正是这种极度均匀让科学家们引入了宇宙暴胀期这一概念，这个时期处于大爆炸发生之前——甚至就是它，在三十八万年前，宇宙尚未变得透明的时候触发了大爆炸。
你马上就要看到，这铺平了一条道路，将我们引向一种可能性——我们的宇宙有过不止一个，而是无穷多个大爆炸。
让邻居们在晚上熄掉所有灯光，你坐在阳台椅子上观察天空。虽然那些光过于黯淡，你的眼睛无法辨别，但来自宇宙最深处和宇宙微波背景辐射的光线的确进入了你的眼睛。如果用恰当的设备观察足够长的时间，你的辐射地图将显示宇宙中几乎所有背景都具有-270.42°C的温度，比绝对零度高2.73度。现在，带上你的阳台椅子，去地球的另外一边，与你原先所在地方完全相对的地点，也就是所谓地球上的“对地”。如果你是在英国某地进行的初始观察，你现在就应该在太平洋中间某地，周围没有灯光。你坐在自己的阳台椅上，下面是漂流艇，你再次凝视星空，收集那些在宇宙中旅行了一百三十八亿年最后进入你眼睛的光线。
还是-270.42°C。
完全一样的温度。宇宙微波背景辐射。
但绝对没有理由到处一样啊。事实上，这种可能性应该完全不存在吧？
到达位于英国的你眼中的宇宙微波背景辐射来自可见宇宙的一边，而到达位于太平洋中的你眼中的宇宙微波背景辐射则来自可见宇宙的完全相反的另一边。这两边的光源如此遥远（一百三十八亿光年的两倍距离！），除非有些什么奇怪的事情发生在中间某个阶段，不然在我们宇宙的整个历史过程中，它们应该不可能相互接触。
所以它们不应该有着同样的温度。
要意识到这有多么奇怪，不妨拿着一杯热咖啡走进自己的起居室。
首先，除非你住在火炉里，一般情况下，你起居室的温度应该比你的热咖啡冷，但只要你等足够久，你的咖啡与房间的温度应该变得相同，也就是说，两者都到达一个平衡温度。你肯定早就注意到了这一点，自从你开始阅读这本书以来，咖啡总是因为变得太凉而不再可口。
现在将你的咖啡杯放进冰箱，关上冰箱门。过一阵后，又会到达一个新的平衡温度。一个更低的温度。
带着你的饮料旅行到某个炎热的沙漠，又会带来新的平衡温度。这次是更高的温度。
所有这一切听起来都很正常。没什么奇怪的。
现在，再给你自己倒一杯热咖啡，将它放回你的起居室。它最后达到的温度与放在某日本品牌冰箱里的咖啡一样的可能性应该很小。
两个从来没有接触过，现在也并不接触，甚至互相都不知道对方存在的物体或地点没有任何理由到达同样的温度。这听起来是个很合理的假设，不是吗？这么合理的假设在外太空应该也可以适用吧。
要让位于完全相反方向的“对地”位置的夜空在分别存在了一百三十八亿年之后都具有完全一样的-270.42°C，它们必定在过去某个阶段，通过某种方式互相接触。考虑到宇宙的年龄和它们的膨胀速度，它们之间如此遥远的距离应该确保了它们没有任何方式能够互相接触甚至交流。除非有些非常非常诡异的事发生。
有些东西，比如说，能以比光速更快的速度运动。
不幸的是，作为信号（意为无论是什么形式，携带信息由一个地方到另一个地方）来说，这不可能。我们这里谈论的不是量子进程，因此，不管这些信号是什么，它们都不可能获得比光更快的速度。那是被禁止的现实。
但是，宇宙微波背景辐射温度就在那里，所有地方都完全一样，绝对不可能只是巧合。怎么会呢？
可能是时空——宇宙本身——成长得比光速还快，在过去的某个阶段。
这就是你逆着时间回溯到热大爆炸发生之前时所看到的现象，就在你进入那个被称为“暴胀期”的时候，在那时，宇宙中充满了暴胀场。
早期宇宙有一个暴胀时期的想法被以现代的形式提出是在二十世纪八十年代。提出这一观点的是美国理论物理学家阿兰·古斯（Alan Guth），俄罗斯宇宙学家阿列克谢·斯塔罗宾斯基（Alexei Starobinsky）及美籍俄裔理论物理学家安德烈·林德（Andrei Linde）。其基本想法是，很久以前，甚至物质、光和其他我们所知道的所有东西都尚未形成时，在可见宇宙之外，大爆炸之前，存在着一种场，充满了整个宇宙，带着互相排斥与引力相反的作用力。那个场非常强大，它引发了一段极为剧烈的膨胀期，那次膨胀将早期宇宙的不同部分以远远高于光速的速度炸开，所以今天看起来距离非常遥远，过去绝对不应该有接触的地方，实际上曾经紧贴在一起。①
这就是暴胀场的来源。
但这是真的吗？我们能够像在所有其他量子场的例子中那样，探测到它的基本粒子吗？
如果它真的出现过，那么它的大多数粒子很早之前就已消失了（用来引发大爆炸），但它不应该完全消失。无论如何，暴胀场应该依然存在，充满了整个宇宙，以自己最低的能量态——真空状态——蛰伏着，没有足够的能量，它不会被激发到足以产生并向我们展示它的粒子的高度。
暴胀子是我们给这种粒子起的名字，不过至今尚未被发现。尽管如此，许多科学家们相信某种暴胀现象以及它们所对应的暴胀场与曾经发生过的历史非常接近，也因为我个人很喜欢这个想法，就让我们认真考虑一下这个想法吧，并且看看如果这的确是真的，那么包含这种场的宇宙应该是个什么样子。
首先，暴胀场非常擅长于将我们可见宇宙的不同部分以非常快的速度相互分开，它们从此就再也没有互相接触——而且很可能将来也不会——虽然在过去它们曾经接触过。
然后发生了大爆炸，它带来的所有新的场、粒子和作用力携带者都在正在消退的暴胀场中产生，而暴胀场则慢慢沉寂下来。
我们宇宙的膨胀开始了。正常速度的膨胀，而不是超级快的那种暴胀。
暴胀场并未完全消失，引发大爆炸耗尽了它所含的太多能量，它已无法再对所有东西产生任何影响，直到……八十亿年之后。
大爆炸之后八十亿年，我们宇宙稳定膨胀之后八十亿年，暴胀场所产生的物质已经足够稀释，沉寂中的暴胀场再次醒来，带来了极大的效应：它对抗引力的作用引发了宇宙膨胀的加速。
一九九八年对于这种加速的实验验证让波尔马特、施密特与里斯获得了二〇一一年度的诺贝尔物理学奖。
当然，对于在大爆炸前的暴胀期将宇宙中的一切炸开时，暴胀场对我们宇宙现在行为的影响完全无法与之相比。但依然，它或许还是影响了等在我们未来的现实。
从地球上看到的相反方向的对地宇宙，现在看起来已经过于遥远，无法交流，但在大爆炸之前，两者就在一起。因此，对地的夜空有了看上去相同的理由，它们也的确相同。
现在，我们引入的这个全新的场——暴胀场，只是为了找到一个摆脱谜团的道路而创造出来的聪明戏法，以解释地球上相反方向的对地夜空为什么具有完全相同的温度，还是暴胀真的发生过？我们有没有可能证实这件事？
难以置信地，答案是肯定的。
①顺便提一下，这与爱因斯坦对于任何东西都不能以超过光速运动这一限制并不矛盾，因为在这里，发生膨胀的是时空本身，而不是在时空中运动的信号的速度。两个物体以超过光速的速度互相远离将永远，也从来不会被观察到。
第2章 许多大爆炸
前些日子，你做过一个关于猫的实验。薛定谔的猫。它背后的想法是找到一个戏法能将微观世界的量子行为引入宏观世界，变成可被观察的现实。对于暴胀我们也能用同样的原理。而且这次不需要猫。
按时间顺序排列，暴胀时期发生在大爆炸之前。暴胀场将曾经非常微小的宇宙在一个短到无法想象的时间里变到非常巨大。①暴胀场和它的基本粒子（暴胀子）随后通过E=mc2的比例衰变为纯能量，释放出非常巨大的能量，整个宇宙变得难以置信的炽热。这就是我们所理解的大爆炸开始时的情境。暴胀场的物质变成了能量，将后来构成我们今天一切事物的各种场激发出来。
在暴胀时期，宇宙膨胀的速度如此巨大，以至于所有可能（因此也就必然）发生的量子起伏都被冻结，一个接一个的。更令人惊奇的是，这些被冻结了的起伏直到今天依然能被科学家们从他们日益精确了解的宇宙微波背景辐射中分辨出来。
暴胀能够预测出遍布宇宙的背景辐射为什么难以置信地能以均匀这一方式呈现。但那只是我们当初引入暴胀的原因之一。它并不完全只是一个预测。
它还表明在这个均匀的辐射背景之上应该印着一些量子起伏的印记，以微小的温度差异方式表现。这种差异被称为“各向异性”。
当时这并不是一个已知的事实，但是随后这种起伏被确认了。美国天体物理学家乔治·斯穆特（George F.Smoot）和约翰·马瑟因（John C.Mather）因实证发现了宇宙微波背景辐射的极其一致性和各向异性而获得了二〇〇六年的诺贝尔物理学奖。
这种温度在两个地方相差约一摄氏度的千分之一，但的确有差别。这种差别甚至被认为是后来引发了恒星与星系形成的原因。
如果没有差别，整个宇宙将到处一片均匀，恒星将永远无法诞生。
因为有了这些起伏，我们幼年宇宙中的一处便与另一处有了微小的差异，引力让这些差异越变越大，这些差异被不停放大的结果就是，恒星以及构成我们宇宙的一切结构的诞生。
现在，暴胀同样将极小与极大混合在一起，从我们宇宙演化非常早期的量子起伏，直到我们今天所见的宇宙结构的诞生，它一直就是这样。它甚至还提示了那些神秘的暗能量可能是什么，因为这些反引力可能来自暴胀场所遗留下来的真空能量。
暴胀能够解释宇宙中尚无解释的许多现象。因此许多科学家们都很认真地考虑这个理论，它也的确值得这样。既然我们已经说到这些，我前面也提到过这个画面也会带来令人困惑的结果，下面就让我们来看看。
就我们今天的理解，暴胀场不会一直保持平静。它不是那种“一次性”的场，不会只在我们宇宙诞生时出现一次。事实上，它应该不止一次地触发了宇宙大爆炸，而且是许多次，无限多次。
与所有量子场一样，暴胀场同样会发生量子起伏，使自己能够在局部上从真空态跳跃到其他状态。通常情况下，在你至今已经看到过的所有场的例子里，这个过程的结果是粒子从一个地方跳跃到另一个地方，或者无中生有地被创造出来。在暴胀场中，意味着它能自发创造一个小规模的宇宙。或者两个。或者许多。在所有地方。我所说的所有地方真的是我们宇宙空间里的任何地点，虽然它所涉及的时间尺度可能（也可能不是）非常巨大。这个过程被称为永久暴胀。它永远不会停止。早已存在的宇宙中又出现了新的宇宙气泡，在那里，暴胀场的真空量子跃迁到了另一个状态，另一种真空。它们就像一滴油滴在了一个大湖的表面。它们变大，再变大，还变大……然后在这正在变大的油滴中又出现了一个新的油滴。
气泡宇宙中的气泡宇宙，里面还有气泡宇宙。
这是多重宇宙的又一个例子，但它不同于你以前曾经见过的那种多重宇宙类型②。在这种图景下，你我或许就生活在一个气泡宇宙之中，而在我们这个气泡宇宙中，在我们的时空里，未来某个遥远的瞬间，会有新的气泡宇宙出现，就如我们自己的这个宇宙或许就是出现在另一个宇宙中的某个气泡，那个宇宙比我们的更大，或许已经有些损坏，或者空洞化了。我们可见宇宙在未来潜在的冰冷死亡或许正是一个新的气泡宇宙诞生与成长所需的模具……
好吧。
在本书快结束时进行的弦理论游历中，我们将再次看到这些有趣的泡泡宇宙。现在，这种永久暴胀或许（完全有理由）让你觉得疯狂（至少我有这种感觉，但我颇喜欢这种感觉），不过，与你们将要见到的弦理论相比，这些都是小儿科，到了那里，没有什么能让你感到稍微正常，真的……你甚至可以将你刚见过的这个泡泡宇宙当作你最后旅程的引子。在去那里之前，在回到我们可见宇宙并寻找那些著名的弦到底隐藏在哪里，它们到底是什么，对我们的现实有什么影响之前，让我们看看能否以我们已经学到的知识看看暴胀之外的东西。
对于那些想知道“宇宙是如何开始的”的人，永久暴胀理论听起来并不会让他们满意，因为不存在真正的开始，它只是泡泡，从一开始就这样，始终如此。
但或许还有其他可能性。
在这里，我无法将它们全部列出，我只提其中一个。
历史上的最早一个。
①如果你真的对数字非常感兴趣，宇宙暴胀据信发生于大约0.000000000000000000000000000000000001秒（1036秒）之内或者在空间与时间诞生后的大概0.00000000000000000000000000000001秒（1032秒）。在这段时间内，暴胀场让整个宇宙变大了1000000000000000000000000000（1026）倍。
②第一种宇宙含有我们宇宙中的一切，加上那些我们无法观测的部分，而第二种则是艾弗雷特以“多重世界”的方式对量子机制所作出的解释。这里是第三种类型：宇宙之中诞生出的新宇宙。
第3章 宇宙无疆
暴胀期发生在大爆炸之前。
在永久暴胀理论里，无穷多个宇宙曾经、正在并且将要形成，从过去到未来，一直如此，我们所在的宇宙只是碰巧成为我们的宇宙。现在，就让我们只考虑一个宇宙，只有一个“开端”（不管这个开端所指的到底是什么意思），只考虑一个暴胀期。
让我们回溯时间，从大爆炸开始。
那就是大爆炸：嘭！
在此之前是暴胀。从后往前看，它是一种急剧的塌缩。
接下来，我们撞到了一个难题。
普朗克墙，或者普朗克时期，空间与时间不再具有意义的时刻与位置。
普朗克墙位于最后临界散射面大约三十八万年前的位置，如果我们能够这样猜测的话，我们把这个时间称为一个普朗克时间，在此之后我们可以定义为时间的零起点①。但我们没法那么猜，我们没办法从我们自己的宇宙中到达时间的零起点。我们没法讨论一个时间尚未存在时的时间或地点。对于普朗克时期“之前”与“之外”的讨论是没有意义的。我们真的需要量子引力学的帮助，我们需要用那些我们尚未知晓的新概念将时间与空间以某种量子取代。这是一个艰难的任务，类似于寻找我们自身现实存在的初始条件。虽然困难，但不是不可能。史蒂芬·霍金在大约三十年前试图着手解决的就是这个问题。他是这么做的第一人。下面就是他所做的工作。
设想一个宇宙，处于非常年轻的状态，非常微小的你身处其中。在这个宇宙中，时间与空间刚刚开始具有意义。它还非常微小，比普朗克尺度大一些，但没大多少。你就在这个宇宙之中，你也非常微小。
你几乎什么都看不到。
任何发生在比普朗克长度还要小的尺度范围内的事物都处于时间和空间之外，因此也隐藏在你的视线之外。
你就在那里，微小再微小，身处一个无比年轻的宇宙，并且两眼一抹黑……但是等等……这是不是有点像以前你曾经遇到过的情境？
当你造访量子世界时，你不是切换到了瑜伽模式，闭上双眼，目的是不与任何东西产生互动，然后了解到了隐藏在你视力之外的事物吗？在探测原子的内部，猜想那里发生什么情况时，你确实必须进入你的瑜伽模式。为了理解你所发现的东西，你懂得了在量子世界，无论是大自然还是自然界里的一只猫，只要不去加以观察，就同时存在着所有的量子可能性。
但这次，情况更不同。
隐藏起来或者不可见的不是猫或某个粒子，而是我们整个宇宙的过去，它被一道墙所隐藏，这道墙标记了我们所理解的时间与空间的诞生。这道墙——普朗克墙，现在将你紧紧包围，在它之外，你无法去感知。
按照量子规则，普朗克墙因此隐藏着所有量子可能性的重叠。
什么的可能性？你可能会疑惑。
对，关于过去的可能性。
这个年轻的宇宙整个儿被隐藏在普朗克墙之外无法被看到，因此这个宇宙本身就必须遵循量子世界的一条基本原则：只要没有人观察，所有的可能性都会——也的确——发生。
霍金将这个规则运用到处于非常早期的宇宙上。
但他无法以我们所熟悉并日常利用时间的方式来使用时间。没有人能够在普朗克尺度之外使用时间。所以，他将时间转化为另一种东西，一种更能操控的概念，称为“假想时间”。利用这个概念，他又考虑了宇宙所有可能的各种历史，所有我们无法从宇宙内部观察到的宇宙历史。
他是在二十世纪八十年代想到这个方法的。
他想出了一种应对量子黑洞的办法。他知道那些黑洞是灰色的，它们辐射出粒子。他知道量子引力一定存在。而他的思维现在已经超越到了大爆炸之后。
霍金与他的同事，来自美国加州大学圣塔芭芭拉分校的美国理论物理学家詹姆斯·哈妥（James Hartle）一起，写下一个方程式，永远改变了宇宙在人类头脑中的图像，至少我确信如此。
霍金与哈妥假设，引导我们现在这个宇宙出现之前的所有宇宙都是从“无”（真正的空，数学上的“无”）中形成的，这一切都发生在某个有限的假想时间之前。
他们考虑了具有那个性质的所有宇宙。
他们观察它们。
有好多。
然后他们将量子世界的基本原则置于这些宇宙之上：并非挑出其中的一个让它随后演化出我们现在的现实，而是将它们全部放入模型。写在纸上，这意味着他们用“加号”将这些宇宙加到一起，他们认为这些宇宙之和就是我们所在的宇宙被外部看到的样子——如果有人能够从外面，也就是在普朗克墙之外看的话。他们的数学方程式今天被称为哈妥–霍金宇宙波函数，它的初始条件，就是那个认为所有应该被考虑到的可能宇宙就是那些无中生有出现的所有宇宙的假设，被称为“无边界猜想”。
作为一个年轻的宇宙，我们的宇宙，及其所有可能状态，在他们的眼中，没有开端。
然后它演变成了我们的宇宙，在有限的假想时间之后，当时间和空间开始有了意义之时。
这究竟意味着什么在这里并不重要。
疯狂的是他们做到了。
他们写出了整个宇宙在数学上的初始条件。他们从数学上解决了我们的宇宙如何从一无所有中出现。
现在让我小心谨慎地泼一些凉水：这并不代表故事的结束。不幸的是，在哈妥与霍金所创建的数学框架中进行任何计算几乎都十分困难（如果不说不可能的话）。
尽管如此，凭借写出这些方程式，他们已然成为人类历史上给出数学方程式以描述我们宇宙的现实存在的起源及随后演化的第一人。
人类历史上一个了不起的里程碑。
人类在试图揭示自然规律的道路上已经走了几千年。
我们对于这些规律的认知从那时到现在已经有了很大的变化和提高。
一百年前，爱因斯坦提出了思考引力的一个新视角，我们知道不仅在我们脚下挖掘地球的考古工作能告诉我们历史，观察星空也一样能找出我们宇宙的过去。几乎就在同样的时期，许多科学家开始发现那些不可思议的量子理论统治着我们的微观世界。
然后，三十年前，借着自己发现的黑洞蒸发理论的鼓舞，霍金和哈妥又大胆地猜想并提出了描述所有一切起源的数学方程式。
或许，未来会证明他们的洞见有着深层的错误，当然，对于所有超前于实验的理论，实验最终都会给出它的局限，但这并不重要。重要的是，关于我们宇宙起源的问题进入了一个全新的时代，在这个时代中，这个问题至少能够通过数学物理的方式来探讨研究。
然而，霍金关于利用不同的（假想的）时间来考虑所有可能宇宙的想法并非凭空产生。它来自二十世纪一些最聪明的头脑之中，例如保罗·狄拉克和理查德·费曼，是他们提出了开创性的想法，并在此之上建立了我们整个现代量子场理论。
这个场景下的可见宇宙依然是一个半径大约为一百三十八亿光年的球体。它也是我们可以观测到的最大范围。而且，再一次，仔细想来非常有趣，当我们收集来自外太空的光线与信号，当这些光来自越来越远、越来越大的空间之外时，我们所看到的不仅是很久以前，更是宇宙很小体积的时候。
我们的祖先们并不知道这些。
你马上也会看到，相反的一面也同样正确。
你现在将要再次出发去非常小的世界，但这次你将比以前走得更远。在那里，你将发现一扇通往全新现实的窗户，那是一个比你能够想象的大得多的现实世界。比那些永久暴胀所产生的泡泡外的泡泡外的泡泡还大。
在宏大之中，你找到了微小。
在微小之中，现在你将找到宏大。
但你要去哪里寻找？
①如果你已经忘记，但愿意再听一遍的话，普朗克时间不是很长：一百亿亿亿亿亿分之一秒。
第4章 一片尚未被探索的现实
正如你现在所知道的，我们整个可见宇宙是一个半径为一百三十八光年的球体。在这么巨大的尺度上，我们所注意到的第一个图景是沐浴在气体与暗物质，以及更本质的各种量子场之中的巨大纤维状星系群。在那么远的地方我们无法直接看到它们，但它们能被感受到。它们是构成我们可见宇宙的物质。它们是希格斯场，希格斯场让所有能够拥有质量的东西拥有了质量。它们是暴胀场或者说暗能量，抵消了引力的作用，让宇宙膨胀发生得越来越快。
还有引力本身，将所有一切都拉得与其他一切更近。
你就在外面，看着这一切，现在你开始放大。
现在你已经能够看到星系，以及它们所包含的几千亿颗恒星。在它们的中心，质量巨大的黑洞喷射出你所能看到的最高能量的光线与质量。你看到了暗物质的存在。你看到这些暗物质防止了星系因自身的转动而将自己撕得四分五裂。
继续放大。
现在你已到达了恒星的尺度，那些巨大的火球包含着炽热的等离子体，发射出光芒，我们人类就是依靠这种光芒来探索遥远的宇宙。
接下来看到的是行星，这些球状世界体积过于渺小，无法成为恒星。
比行星更小的是小行星、彗星以及我们星球上一百公里厚的大气层之下所存在的各种生命。
然后是微生物、细胞、分子、原子、电子与光子、质子与中子、夸克与胶子。
再放大。
你已回到了量子场的世界。
在这里，引力已被各种量子作用力所盖过。
你接着放大，然后停了下来。
你还记得量子场的问题出在哪里吗？你还记得重正化——那个被量子理论物理学家用来消除纠缠他们的无穷大的戏法吗？你还记得以看待量子场的方式看待引力所带来的完全失败吗（因为那个在量子场的例子里大获成功的手法在这里无论如何都无法消除无穷大，因此令时空在任何一点都发生崩塌）？我们现在需要找出一种方法来消除这个无穷大。在这一幕的背后，你将看到我在上一章结尾处提起的那扇通往一个巨大全新现实的窗户。你现在很快就要穿过这扇窗户了。但首先我们需要去除这些讨厌的无穷大。
我们应该如何完成这个任务呢？让我们来看看，对于时空我们到底了解些什么。我们知道二十一世纪初对它的描述有着自己的极限。在非常大的世界里，这个极限发生在大爆炸之前的某处，在暴胀期之外，宇宙处于普朗克时期的地方。就空间和时间来说，这个极限位于我们现在所在的一百三十八亿光年之外。
在非常微小的世界里面，同样的极限依旧存在。发生在所有地方。
对着任何东西不停放大，或早或晚，你会到达普朗克尺度。
除非有什么东西阻止你到达那里。
因为霍金对于黑洞的研究，我们已经知道就算引力也无法逃脱量子效应，这种量子引力的确存在，虽然我们尚未了解在它统治的世界里这到底意味着什么。
在非常巨大的尺度与非常微小的尺度上，都存在着我们探索的极限，这个极限来自普朗克尺度。
在实验室中，有任何实验曾经到达过这种大小、能量或时间极限吗？
没有。至今一个都没有。那个极限实在太微小、实在太高能、实在太高速了。直到今天，这不仅是理论上的极限，更糟糕的是，这同时还是实际上的极限，因为没有人事实上能到达这个极限。
为什么？
因为在这过程中会产生一个普朗克尺度微小的黑洞，我在本书上一部分的最后已经提到过。为了探索黑洞之外的现实，我们需要输入更多能量，更多波长越来越窄的光，希望从中反射回来什么东西进入我们的眼睛，向我们揭示它所隐藏的秘密，但这不会发生。黑洞将会吞噬这些光，让自己变得更大，将量子引力隐藏得更深。换句话说，按现代知识和技术，普朗克尺度之外的世界是无法探测的。
那我们还有什么可做的？
我们可以试图变得更聪明一些。
比如，我们可以假设任何东西都无法阻止量子引力（或其他什么新的物理学）在到达普朗克尺度之前一直发挥作用。
我们有最现代最强大的粒子加速器，对天空观察能加以最好的利用，理论物理学家们颇有信心地说，从最宏大的尺度到最微小的尺度，他们已经了解了自然界。在那里，所有的量子场都融合成一个，那是一个大统一场的尺度。到达这个尺度所需要的能量大概是普朗克能量的百分之一。显然，这依然是一个很大的能量。它所对应的温度大约是十万亿亿亿度。但它并不是普朗克极限。
现在，你大概依然记得能量与体积是相关的：波的能量越高，相邻两个波峰之间的距离就越短。因此，普朗克能量的百分之一的确对应于一个很微小的世界，只是普朗克长度的一百倍。
这就意味着我们现在有一个尚未被认识的现实世界，它的尺度是从一百个普朗克长度到一个普朗克长度之间。①
从实验上说，没有人知道在那里会有什么发生。
当理论物理学家面对实验空白时，我们不妨这样想象一下他的感受：假如你的视力只有一米的分辨率，想象一下你看到的这个世界会是什么样子。通常情况下，你能以相当高的分辨率观察世界，你可以看到比人类头发丝还细很多的物体，但现在你却无法分辨任何尺寸小于一米的物体。你在观察周围环境时将无法看到任何细节。你甚至无法看到身边的婴儿。直到孩子们长到一米高，他们才突然出现在你面前……
我并没有说可能有某个婴儿身高不足一百个普朗克长度，但我们的确无法知道自然会把什么东西隐藏在那个尺度里。而且我们的现实正根植于非常微小世界的某个地方。因为这是构建我们世界的本质所在，也是构建我们自己的本质所在。因为至今没有实验探索到这个尺度，很可能在到达普朗克尺度之前，那里的时间与空间就开始与我们日常所感知的时间与空间产生不同。同样可能的是，正因为如此，引力、物质和光的本质在那里就已发生变化，甚至是非常巨大的变化。
比如，很可能它们都融合成一个概念。
到现在为止，你看到的大多是已知的知识。
然后，你看到了这些已知的知识所产生的问题。
你现在将要远远地超越这些已知。
我们将假设这些都是真实的，这样你才能穿越这个旅程，但你要记住，接下来的这一切都还只是纯理论。
这依然是我们这个时代一些最聪明的人通过几十年的努力所带给你的图景。
①二〇一五年六月，位于日内瓦附近的大型强子对撞机达到的能量刷新了所有的纪录，让我们的认知几乎提高了一倍。但我们还得等上一两年，才有可能确认是不是真的有突破。
第5章 一个关于弦的理论
你的机器人同伴现在呈现出一个剪影，身后是奇怪的蓝色电光薄雾，看上去就像是它内部的电子被激发，从它体内的电路板中向外扩散。你们俩现在一起漂浮在外太空里，周围是遥远的星系，就在那个你从完全消失的命运中逃脱的黑洞边上。
你已经看到了所能看到的一切。
你曾经乘坐过飞得非常快的飞机。
你见过量子场的真空波动并熟悉了物质与光。
你还看见恒星爆炸产生新的世界，以及白矮星和黑洞的形成，随后你还看到了黑洞的蒸发，暗示着一种尚未被我们知晓的量子引力理论的存在。
“现在让我们探索更远的地方。”机器人说道。
话音未落，你俩同时开始变小。你看到微粒们从身边飞过。光射过你的身体。你看到所有已知场的真空正发生着波动起伏，而你还在继续变小。你正处于大统一尺度，在这里所有三种量子场被认为以相同的方式行事。你还在变小，已经远远小过了那个曾经缩微版的你的大小。你需要把自己周围的物件放大一千亿亿亿倍才能得到大概人类一根头发丝的宽度。在这里，一开始你什么都看不见。然后，你看见了。
在你面前，有些什么东西。一根弦。一根并不由任何东西形成的弦，构成它的甚至不是时间或空间。当你看着它时，你甚至有一种感觉，觉得在你目光下扭动的这个东西似乎取代了时间与空间这两个概念。
你还没有到达普朗克尺度，你也到不了。在你现在所进入的理论世界里，与你可能的想法相反，那个你曾经确信存在的普朗克尺度根本不存在。但这并不意味着你前面所看到的东西都是错的。它表示的是，在这里，你所熟悉并使用的概念都不再可靠，除了量子理论；但量子理论在这里被用于弦上，而非粒子上。
那个在你眼前扭动的东西或许就是宇宙中最基本的元素。它是量子弦。
有了它的存在，你或许能够解释你之前看到的一切现象，包括引力。包括你所在的整个宇宙的存在。
那个量子弦就在你的眼前，正在振动。量子化的。你无法真正确认它的边缘，但你知道它们的存在，虽然所有关于这个弦的一切都以非常非常快的速度运动着。
它很美，以一种轻快的能量振动着，你感到自己被它吸引。难以抑制地，你伸出手去，捡起了它，就像它就是一根吉他弦。
虽然这根弦并不由任何东西构成，但你看到其中包含着许多种振动，互相堆积叠加，就像乐器上的和弦。在真正的吉他上，最粗的那根弦给出了基调，其他的弦给出了更高的泛音或和弦。当你在这里看着弦时，它就像是一根吉他弦的模糊影像……但又不是吉他弦本身。这是一根没有任何实体的弦，或者如果你愿意的话，可以称它为量子弦，却又能够振动。记得当“量子”一词出现在一个普通名词之前，它所暗示的就是这个普通名词所表示的东西在“量子”之后已经面目全非。在这里，“量子弦”也已经完全不是普通的弦了。弦的振动产生的不是声音，而是光。一颗光子。电磁作用力的携带者。
你前面见过的所有量子粒子，那些构成你身体和宇宙中所有物质的粒子，都能用这些弦的振动来表示……
这时，你右边有些东西引起了你的注意，你转过自己那比微小还要微小的脑袋，看到了另一根弦，一根与原先那根不一样的弦。这次的弦不再像一根吉他弦，而是一个闭合的环。它也在振动。也是量子化的。但它的基本振动所对应的不是光子，而是引力子，引力的携带者。它就是量子化的引力。这个环，闭合的弦，告诉你正在引力的量子理论里穿行。将它置于任何地方，它的振动都会产生与引力完全相同的效应。弄乱了量子引力理论的无穷大不见了。永远消失了。因为你摆脱了事件的时间与空间的概念。在一个光滑连续的时空概念中，考虑点状的微粒们，你很容易就会联想到某个具体的时空点让它们碰撞。在量子场理论中，虽然它本质上相当怪异，但在考虑粒子们相互作用时，依然会说发生在时空上的某个特殊位置。而在弦理论中，就不再如此。在弦理论中，粒子就是弦的振动。弦的振动就是粒子。在它们整个长度与时间中，它们是散发开的。当它们互相作用时，并不发生在某个特定的地点或特定的时间。相互作用发生在整个弦上。这样你就移除了你先前碰到的那许多无穷大。
这个环，这根闭合的弦，含着引力，它就是引力。因为你又有了能释放光子的开放的弦，这两种弦就统一了引力与电磁力……于是量子弦不只是一种量子引力理论。量子引力理论“仅仅”是解决引力问题，以量子的方式。它可不管别的什么量子场。但你在这里看到的量子弦却不同。
那么其他的场会怎样呢？
这里弦能够成为统一一切的理论吗？将引力和所有我们知道的量子场整合在一起？
为此，它们还得对物质作出解释。
物质在哪里？你没有看到任何物质。为什么这些弦如此特殊？它们存在的诡异之处何在？为什么理论家对弦如此着迷？
你完全有理由这么想。虽然借助你所看到的那两根弦（一根闭合，一根开放），你已经能够解释很多现象，但很多并不是全部。“我们继续前进吧。”机器人说道，于是你俩又进一步收缩。
与你相比，那根开放的弦现在已经变得巨大无比，你仔细看着它，发现与你看到它的第一眼相比，又有了更多细节。你接下来所要做的，没有一个由物质构成的人类能够做到，但现在，你能够做到。记住这一点：要想超越已知领域，就意味着总有一些东西需要被放弃。在这里，你需要放弃的是你所在宇宙的特殊性，也就是你或许认为你所在宇宙独一无二的这种想法。但还不止这些。
从牛顿到爱因斯坦，你放弃了宇宙是静态的和一成不变的，以及引力是一种作用力的想法，你不得不引进时空这一概念，三维空间与一维时间交织在一起，成为四维的时空这一单一概念，而且时空自身还在质量与能量周围变形。从牛顿到量子物理学，你不得不放弃粒子是一个固定的点，你必须引入波、场、不确定性以及不同历史这些概念。现在，从引力理论、量子场理论到弦理论，你必须将所有一切基本概念转化成由闭合的或开放的弦所构成的理论。
如果只是这样就简单了，可惜并不止这些。你在这里不得不放弃的是现实只有四维的观念。弦无法存在于一个只有四维的时空之中。它们需要更多空间。它们生活在一个十维宇宙中。
当你随着机器人向弦靠近时，你开始看到在你所认为的被包含在我们宇宙中的每一点，还有另外六个全新的空间维度，每个都含着它们自己的世界。就是从这些微小的额外维度中，产生了构成我们自身的各种物质。
如果我们世界的四维已经让你难以想象，更不要说十维了。不过不用担心。你只要知道它们从我们所熟悉的三维世界的上下、左右和前后的三个方向之外还向着不同的方向延伸就行了。它们过于微小，所以在真实生活中你无法感觉到它们的存在，也无法沿着这些新的方向移动。但现在机器人与你已经缩得足够小，所以你们可以。
它们看起来是怎样的？
这个问题无法回答。它们有那么多！有那么多可能性来综合多余的维度以构成一根弦……有那么多方式来将多余的维度包裹弦自身，每一种不同的包裹都产生一种不同的现实……理论物理学家们甚至猜测到底有多少种可能，他们得到的数字是大约：100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 ,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 种不同的可能性。每种可能性都有对应于一种宇宙的可能，虽然那种宇宙未必会与我们的宇宙相似。
非常非常多的可能性。一个“1”后面跟着五百个零的数字。而你与我出生于其中的那一个宇宙或许只是这么多可能宇宙中的一个，或者是其中许多个中的一个。现在还没有人知道。甚至有可能所有这些可能的宇宙在某个阶段都的确存在，就在你不久前刚了解到的因永久暴胀而产生的那些泡泡宇宙之中。但在这么多可能的宇宙中，只有少数几个所遵循的自然规则与你所熟悉的我们宇宙的规则相同。你能够成为你自己，作为人类存在，这个宇宙必须选中一组特殊维度的组合，否则它的自然规则将无法允许我们存在。这种选择是如何发生的？依然没有人知道，只知道这种选择必然已经发生，否则你就不会存在此处，存在我们的宇宙之中。这种选择的论点被称为人择原理。它阐述的是在那些难以想象之多的可能存在的宇宙之中，我们只需要考虑与我们人类存在相容的那些，因为只有那些宇宙的存在才确保了我们人类的存在，让我们能够谈论这些宇宙，否则从人类的角度而言，一切都无从谈起。这是一个好主意。而且更好的是，并非所有的维度都必然微小，这些额外维度中的一个或几个可能很大。
“跟我来。”机器人说道，用它的粒子发射管示意你跟上，“我们或许永远都不会再看到这些。”
最最不可思议的事发生了。
从一开始，你就被告知自己无法从宇宙之外来看我们所在的宇宙。那种所谓对于宇宙边缘、边界之类的讨论没有意义。根据定义，宇宙就是一切存在，讨论从上面或下面观察宇宙是什么样子是完全没有意义的。但是现在，你的机器人将你带到了宇宙之外。现在看起来，它的边缘的确存在。但它们并不存在于你的感官通常能够感知的那些维度之中。
你已在宇宙之外。
你看见了一切。
你的整个宇宙。
从另一个维度上。你还看到了那些开放的弦，那些像鞋带似的弦，它们的振动产生了光，现在它们正以许多不同的方式振动着，振动的方式取决于被隐藏的维度所伸展的不同方向。你还看到这些开放的弦的一端都连在你的宇宙上，那个你刚刚离开的宇宙，而那些闭合的弦，那些环，以引力方式振动的弦，则能够自由出入你的宇宙，从宇宙中离开……
这时候你感觉到身后有些什么事情发生，你转过身去，倒吸一口气。
那里有着另外一个宇宙。
那个宇宙与你的，我们的，那个你刚离开的宇宙平行。你还看见那些环状的弦从一个宇宙移动到另一个宇宙，显然两者之间可以通过引力存在交流。这是第四种平行宇宙，四种类型里最令人印象深刻的一种。这种宇宙被称为“膜”，与薄膜相似但并不仅仅是薄薄的一层，也并不只是二维实体。你所看到的就是这样一个膜，另一个宇宙，但或许还有很多。它们也可能有不同的维度。当研究它们的数学物理学家们改变这些宇宙之间的相互作用时，它们之间还能互相转换，就像弦本身一样变化。它们既可以是各自独立的实体，又能被看成同一现实的不同表现，就像是从不同视角看到的同一个现实。而所有这一切又可能是另一个更大现实的一个表象，虽然我们不知道这个“现实”表示的到底是什么意思。出色的阿根廷理论物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）和他领导下的一些科学家们甚至还显示所有这一切都能够不依靠引力而被解释，在他的理论里，每一个宇宙都能通过描述它在某处边界上的行为而得到表述……
你在宇宙之外，真相正向你展现。
周围还有其他许多东西，到处都是，各自有着不同的维度。有些宇宙的维度非常微小，那里的弦们包裹着自身，蜷缩其间，这些弦的振动所产生的光与物质无法离开它们所在的膜，它们的宇宙，你的宇宙。它们的末端可以在你生活的维度中自由移动，但却无法离开。
从你所在的地方，你看着那些闭合的环状弦从一个膜移到另一个膜，你意识到一些能量或许能够离开你所在的宇宙。你甚至能够看到你觉得是黑洞的东西通过扭曲变形的时空管道将两个邻近的膜连在一起，两个宇宙的引力将它们互相吸引在一起，你突然怀疑，是不是有可能，在另外的膜中，有可能也有人类生活……黑洞会不会就是连接你们两个世界的通道？那个你尚未到达的奇点是不是通向另一个现实？我们的膜，我们的时空的诞生，是不是可能与在此之前存在的其他膜之间的碰撞有关？暗物质和暗能量的源头是不是也在这个场景之中？
你再次将目光转向你刚离开的宇宙，突然之间，感觉就像时间的流逝发生了变化，你看到了新的暴胀所产生的泡泡充满了你的那个宇宙，在你的那个膜中到处出现，在曾经是你的世界中扩散，就如同一滴油滴到了池塘的表面。
“我们应该回去了！”你大声叫道。
但只有你自己。
机器人早已消失不见。
你滑入离你最近的膜，希望它就是你刚才离开的那个。
你开始变大。
其他膜又变得无法看见了，那些或许构成了我们现实的弦们从远处消失。
夸克与胶子现在围绕在你身边，接下来是质子和电子，原子。分子。尘埃。沙粒。海洋。
你睁开眼睛。
自己依然躺在你那小岛的沙滩上。
那个你开始自己奇妙旅程的起点。
星星们还在头上闪烁。
温柔的海风给你送来阵阵奇异的花香。
你的朋友们围绕在你身边。
他们微笑着。
“他醒过来了！”有人说道，“给他倒杯酒！”
你坐了起来，疑惑不解。
酒送到你的手边。
你拧了自己一下，感觉到疼痛。
你喝了口酒。
你看着海洋、树木和星辰。
形状。
夜空中似乎出现了各种形状。一些人的脸。
牛顿、麦克斯韦尔、爱因斯坦、普朗克、薛定谔、狄拉克、费曼、霍金、霍夫特、温伯格、马尔达西那、威滕。
还有不计其数的其他人的脸。
他们都在微笑着，看着你。
你想与他们交谈，但他们却转过头去，注视着浩瀚宇宙。
然后他们突然消失，变成星辰。
然后星星们也消失了，海洋也随之不见。
你眨了眨眼。
你又回到家中，躺在自己的沙发上。
你的窗户正打开着。
你坐了起来，环顾四周。
你的咖啡还在那里，在桌上。
你再次拧了自己一下，依然感到疼痛。
你喝了口咖啡，想让自己清醒过来。
你的咖啡与你房间的温度已经达到了平衡。
你将口里的咖啡吐出。
“我……我很好。”你大声说着，但还是伸手抓过电话打给你的姨妈，只是想确认一下。
然后，你又眨了眨眼睛。
后记
自有人类历史开始，哲学家们——现在还包括理论物理学家们——就一直试图在自己头脑中绘出世界。为了揭示规则，那些自然界的规则，那些对于我们每个人都明白无误地展现其存在的自然规则（虽然描述这些规则的语言在相当长的时间内都不为人类所知），他们将自己投入到那些事实上哪怕通过实验都无法到达的场景中。这种体验被称为想象实验，那些纯粹通过思想进行的实验。
在这本书中，你所体验的就是一系列这样的想象实验。它们让你神游今天已知的宇宙，探索未知的尽头。
薛定谔通过这种想象实验向我们显示那些奇怪的量子规则也能够出现在宏观日常世界中。他带给了我们一只既没有死去也没有活着，而且在死去的同时又是活着的猫。听起来的确很诡异，但现在已经证明他是正确的。
爱因斯坦也同样利用了许多想象实验。他想象了如果将光速作为一个不可超越的限速，现实世界将如何呈现。为了回答这个问题，他在想象中坐上一个光子，坐在光子上观察世界，结果就是他的狭义相对论。就是这个理论告诉你如果你乘坐的飞机飞得那么快，你的确会降落在四百年后的未来。这也被证明是正确的。
直觉——虽然它未必建立在得以让我们人类这一物种存活至今的常识之上，但也是在最近一个多世纪里推动众多新发现的重要力量。就像爱因斯坦的名言：想象力比知识更重要。
你在海岛沙滩上醒来时所看到在星空中的所有面容，都是那些过去及现在的巨人们。显然，我们无法将所有这些人一一列出，因为这样的人实在太多，但就是他们，曾经也正在让我们能够更好、更深入地了解我们所在的世界，片刻不停地丰富我们的知识，他们的贡献将在史册中永远流传。是他们创造了我们人类的故事。他们一页又一页地写出了我们今天所知道的智慧之书。他们中的大多数并不为普通大众所知，但他们的重要性无可否认。
然而，提及你当初为什么开始这次旅行，或许你已经意识到自己并没有找到将地球从太阳未来的爆炸中拯救出来的办法。你甚至没有找到一个方法让我们的地球免受在太阳爆炸之前就可能遇到的各种大灾难。但你的确找到了最有可能确保我们这个物种生存的工具：我们的大脑。我们的意识。我们的想象力。科学。
你已经看到我们的宇宙中存在着无数其他行星，或许有一天，它们之中会有能够欢迎我们的家园。
凭借今天的知识，我们还不能在人的一生中，甚至花一千辈子的时间内从宇宙的一个地方旅行到另一个地方，你只能在自己的想象中完成这样的旅行。但就在几代人之前，从欧洲到澳大利亚的旅行还需要花费几个月的时间，现在，同样的旅程只需要飞行几小时。我们不知道明天的技术会带给我们什么可能。我们也不知道广义相对论在明天会带给我们什么新东西，但到今天为止，如我前面讲过，它已经带给我们GPS。只是GPS而已。明天，或许它能让我们找到时空中的捷径，即所谓虫洞，它或许能够将两个距离遥远的地方连接起来，而无需穿越分隔两地的巨大距离。
至今为止，我们人类已经成功地旅行到了云层之上，甚至到了月球，我们也已将机器人送去太阳系的边缘。而你，通过一系列想象实验，已经旅行到了我们能够看见的疆界之外，更不要说人类真正踏足的地方。你已亲眼见到了我们至今对于宇宙所有已知和未知的领域。因为这些思想的旅行，你已经在整体上获得了直到二十一世纪初为止理论物理学的所有知识。
然而，你在这次旅途中所学到的有些东西或许有一天会被证明是错误的。暗物质、暗能量、平行宇宙与现实都只是一些理论想法，或许有一天这些都会被最终放弃，但无论如何，它们是我们现在最强大的思想。它们反映了今天我们人类如何努力理解我们所处的宇宙。几个世纪之后，这所有的一切，或许被否定，或许被接受，现在的我们无法知道。但我们既然生活在今天，就意味着我们被今天这些无比美妙的想法所围绕。
因此，在你开始自己寻找真理之前，让我们再次总结一下你所见到的东西，再加上一点点新的。
你已经知道，牛顿并没有发现自然的终极理论，我在本书早先所鼓吹的那个所谓能够解释万事万物的终极理论至今依然未被阐明，虽然弦理论或许能够成为这种理论的一个有力候选者。牛顿的理论甚至无法解释水星轨道的奇怪变化，更不用说时空的膨胀了。因此，在某种意义上说，他的理论是错误的。然而，他的理论依然伟大，甚至可以被称为是完美的理论：我们知道它的适用范围，我们也知道它在哪里、为什么会失败。大致上我们可以在所有我们人类大脑所能掌握的尺度上使用他的理论：在非常巨大和非常微小之间，以及不是非常高速，所涉及的能量也并非非常剧烈的场合。我们日常所经历的世界，我们的进化允许我们的感官所感知的世界，都在牛顿理论有效的范围之内。我们的常识都根植于这个世界。但在这个世界之外，还有着其他现实存在。有着那些非常快速、非常微小、非常巨大或非常高能的世界存在。在这些超越了我们日常生活经验的世界里，牛顿的理论就不再适用，我们的感官也毫无用处，但尽管如此，人类还是令人吃惊地揭示了统治那些我们所看不到的世界的自然规则。量子场理论适用于非常微小的世界，广义相对论则统治着非常巨大和能量非常密集的世界。①在这两者之间，牛顿才是王者。当牛顿的理论不再适用时，奇怪的新现象就会出现，暗示着在我们现实世界疆域之外还存在着另外一些全新而神秘的现实世界。
量子场理论与广义相对论都开阔了我们的眼界和思想，将一个远比我们祖先所能想象的广阔得多的宇宙呈现在我们的面前，但是，这两大理论也都有着自己的局限性。然而，与牛顿的理论不同的是，到现在为止还没有人肯定地知道这些理论的局限之外是什么。通过这本书，你已浏览了这些无比成功的理论，在旅程的最后阶段，你还试图朝这些理论的局限之外迈出犹疑却又是尝试性的大胆一步。你进入了一个由弦和膜作为基本构成的宇宙，一个由多重现实与可能性所构成的宇宙。在这个与我们自己的完全不同的宇宙中，量子真空呈现出完全新奇而诡异的规则。
爱因斯坦眼光的卓越之处在于他看出了引力的本质并非牛顿所设想的那样，他证明了引力实际上是时空的弯曲与倾斜。引力、质量与能量都以非常直接的方式联系在一起：我们的宇宙有着一个基本构造，即时空，它被其所包含并位于其中的物质所影响，产生变形与弯曲。这些时空的弯曲对于周围物体与光所产生的影响就是我们所体会并感知到的引力。这就是广义相对论。它已经有一百多年了。要了解宇宙在某颗恒星周围的局部形状，了解它的引力如何影响了周围的环境，我们只需要知道那颗恒星所含有的能量就行了。从德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）开始，许多科学家做过这样的计算。
一九一五年，爱因斯坦发表他理论的同一年——那时全世界没有几个人搞得明白这个广义相对论意味着什么——史瓦西算出了一颗恒星外时空的精确形状。当时只有四十三岁的史瓦西是在第一次世界大战与俄国军队作战的前线上完成这些计算的。几个月后他就死于在前线染上的疾病。战争让太多的人失去生命，其中就包括许多像史瓦西那样原本可以帮助我们更好更快地认识这个世界的人。
有了史瓦西的工作，大家才能够猜测物体与光在恒星周围应该如何运动。它给出了水星的正确轨道，并显示光线本身也会被太阳弯曲。到了一九一九年，一个由英国天文学家亚瑟·爱丁顿爵士（Arthur Eddington）带领的考察团探测到了这个以前从未被注意到的现象。那年日全食时所摄下的照片显示靠近太阳的恒星们似乎没有在它们原本该在的位置上。相反，它们都精确地位于爱因斯坦的理论在考虑了它们所发出的光线被太阳周围变了形的时空所弯曲后预言它们应该出现的位置上。光线本身也受引力的影响。
史瓦西去世后不久，同样的计算被用在更大的天体——星系之上，预言了下述现象的存在：远处的宇宙中间将因弯曲的光线而出现奇特的宇宙海市蜃楼。这是因为更远处的星系之光在向我们地球旅行时被路途中所遇到的巨大天体所弯曲。因此，我们周围的星系就像巨大的宇宙透镜，让我们能够看到原本位于它们之后的物体，让我们在观察我们宇宙历史时看得更远、更深。这样宇宙级别的透镜和海市蜃楼在爱因斯坦的研究成果发表六十年后的一九七九年被观测到。而现在，我们的望远镜所拍摄的几乎每张宇宙深处的照片上都有它们的踪迹。顺带说下，它们显示了爱因斯坦对于引力的几何解释不仅适用于太阳周围，也同样适用于整个外太空。
广义相对论给了我们一个全新的宇宙图景。
你，我，所有人和所有事物，我们都被现在到达我们这里的信息所包围，这些信息来自过去，它们在现在，在此时此刻到达了我们身边。我们坐在我们可见现实的中心，这个现实中的所有一切都遵循爱因斯坦的规则，除了黑洞。同样的原则适用于我们对物质与光的理解：统治整个可见宇宙的规则与统治我们身边宇宙这一小块地方的规则完全一样。构成我们的物质，从我们皮肤上反射出来的光子，它们都遵循同样的量子规则，在我们的可见宇宙之中无处不是如此。
将遥远之处的规则与我们邻近处的规则相统一带给我们的是，我们发现自己的宇宙具有历史，大爆炸就在它的历史之中，宇宙那早已消散的历史时期依然能够从闪烁在我们头顶的星辰中读出，直到那没有光能够透过的时代。在我们宇宙过去的某个时刻，某个地方，宇宙的时空变得足够大，令光能够在其中自由穿行，这个时刻和地点，我们称之为临界最后散射面。当如今已经消散的那一时刻来临时，宇宙的温度高达3000°C。那个时刻之前，我们的宇宙不透光，那个时刻之后，宇宙变得透明。那时的辐射一直残存到今天，依然以一定的温度存在，被称为宇宙微波背景辐射。其中包含了我们宇宙过去存在的印迹。
关于那个时刻之前，我们对于夜空的观察只能向我们提供间接证据来猜测过去发生了什么。或许有一天我们能够利用不依赖于光信号的探测器，比如依靠引力波，那样的话我们将能够直接接收来自更远更早时空的信号，但我们现在还没到达那个目标。在此之前，我们只能试图重建我们的宇宙被禁锢在一个极端微小的体积中时曾经普遍存在的条件，来尝试了解当时所发生的事。
自从二十世纪七十年代以来，粒子加速器就已在这个领域里大显身手。它们给我们赖以探索粒子与光的理论带来前所未有的巨大自信。量子场理论给了我们一个能够用来了解宇宙的现在与过去由什么构成的切实图景，直到据信时间与空间以我们所认识的方式出现之后的一千亿亿亿分之一秒，爱因斯坦的广义相对论则预言了时空的这种诞生过程的存在。
也是自从二十世纪七十年代之后，我们知道了广义相对论的局限，知道它所能达成的目标并非永无止境。在那里——它失效的地方，我们需要一种全新的理论，一种关于引力量子化的理论，甚至更多。那个理论到底是什么，我们今天还不了解。②但我们的确知道这种理论一定存在。这也是黑洞蒸发给我们的提示。
当你缩小自身试图寻找那个新理论可能的藏身之地时，你进入了一个完全不同的现实之中，一个由弦和膜以及其他维度所构成的现实世界。这是迈向弦理论的第一步，弦理论目前或许可算是有可能成为量子引力理论，或那种可能统治一切的理论的几个候选者中最流行的一个，虽然它还缺少一个能被实验证实的预言。
在这些关于弦与膜的理论（有时被称为M理论）中，你的机器人伙伴结束了它作为你穿行在时空之内与时空之外的导游任务，因为你现在所进入的地方就算是人类目前所发明的最强大的计算机也无法计算。只有人类的思想能够到达那里。在那里，你终于能够自由理解你生活其中的世界。
我们几乎毫不怀疑未来会有更多的发现，既包括理论上的，也包括实验上的，它们将会把人类的知识推进得更远，打开通往全新宇宙图景的窗户，那些宇宙图景会比今天所有人最大胆的想象更令人难以置信。到那个时候，广义相对论和量子场理论也会与牛顿的理论一样成为完美理论，因为那时候我们会知道它们在哪里失效，以及为什么会失效，它们会被那些新理论所取代。然而现在，它们都只是表现出与当年牛顿理论表现出的同样意义上的错误。
正是有了这些错误，我们才能瞥见未知。
没有牛顿，没有可被我们用以对比的事物，我们甚至不会注意到水星轨道的细微漂移。
没有水星轨道运动的实际情况与牛顿理论对其预言之间的差异，没有那些牛顿理论无法解释当物体以极高速运动时所发生的状况，我们就无法得到爱因斯坦对于宇宙构造与其内容物之间相互作用的真知灼见。
没有爱因斯坦的方程式，我们就会与祖先们一样，对我们的宇宙具有历史这一事实一无所知。我们就无法建立模型解释我们的宇宙在整体上如何运行。
没有这个模型，你就无法发现暗物质。同样也无法发现暗能量。
为了找到正确，我们需要错误，这样我们才能向前进步。
下一次当你仰望星空，我希望你能够记起这个宇宙是多么的神奇、广袤和美丽。在探索不为人知的美与神秘的同时，正因为我们不断充实自己的知识，放飞想象，才有可能为人类找到一条长久生存下去的道路。
① 两大理论都适用于非常高速的世界。
②这样的理论甚至可能有许多个，而非只有一个。
致谢
写书不是一件容易的事。写书还是一个非常自我的过程，虽然很少有人想到，但事实的确如此。
我要衷心感谢劳伦——我心里闪亮星尘中美丽的奇迹——没有劳伦一如既往的支持和鼓励，我将无法完成这本书的写作。
不过写书是一回事，出版又是一回事。我要向许多人一一表示感谢。
感谢Smart Quill Editorial的菲利帕·多诺曼。她在读了我提交的那份简陋的项目建议书（写一本有关宇宙从大爆炸之前到今天的很好读的科普书）之后，非但没有把它悄悄扔进垃圾桶，反而把我介绍给了最好的出版代理商。
感谢Greene&Heaton文学社的安东尼·陶平。他是我见过的最好的出版商。他应该也是作品或者作者最想结识的好朋友。
感谢乔恩·巴特勒。我觉得，这本书的成功大部分要归功于他。感谢他给予我的创意、灵感、平和、深刻，以及更重要的理解。很高兴我们之间还有一些悬而未决的理论问题有待讨论，我希望在讨论时我们身边堆满了啤酒。
感谢Greene&Heaton文学社的凯特·里佐。这本书将要在世界各地发行，感谢她为此出力。
麦克米伦的每个人既聪明又热情。感谢罗宾·哈维、尼古拉斯·布莱克和威尔·阿特金斯，没有他们的付出，这本书不会这么好读，我也不会像今天这么引以为豪。
在我能够把这本书送给我以前的上司史蒂芬·霍金之前，我必须确保书中不存在任何错误。为此，我邀请了许多科学界的朋友，请他们帮忙审读书稿，他们慷慨地付出了宝贵的时间。这些朋友是：剑桥大学理论物理系教授戴维·唐，牛津大学数学物理教授杰姆斯·斯帕克，美国凯斯西储大学物理系助理教授安德鲁·托利，西班牙巴塞罗那大学宇宙科学研究所Ramon YCajal研究员克里斯蒂亚诺·杰曼尼。非常感谢他们。
不用说，如果书中还有什么错误，那么责任完全归咎于我。
我想把这本书送给史蒂芬·霍金，借此表达我对他的无限感激：感谢您把我引入了奇妙无穷的理论物理学天地。我所学到的关于我们现实世界的一切，都是从您身上学来的：您教会我如何思考我们这个美丽的世界，正是因为有像您这样的人，这个世界才会变得更加美好。
译后记
说实话，我一直觉得译后记这种东西就像盲肠，完全没有用处。
想象起来，它可能有的作用大概是介绍本书如何了不起，但您连译后记都已经愿意读一遍了，这本书的好应该可以想见，您对它的喜欢似乎也不需要我来告诉您了吧？再说了，书都是我译的，王婆还能说自家的瓜不好吗？
译后记的另一个作用大概是说书是好书，但鉴于作者与译者水平，难免有疏漏，望慧眼如炬的读者原谅之类。话当然没错，事实也一定如此，但这于实际并无什么帮助。毕竟，本书只是一本趣味小书，并非学术论文，没有必要事事较真。如果你读来尚觉有趣，那一定是原作者写得好，译者不敢贪功；若有概念错误，肯定是译者的错，毕竟译者于理论物理学是个完完全全的门外汉；若是连有趣都谈不上，那更是译者文笔拙劣之故，至少译者读原文时，还是觉得妙趣横生的，译成中文后干巴无聊，端端是译者的责任，推诿不掉的。
译后记还有一个可能的作用，大多是说译者与作者有什么亲密或熟悉的关系，又或者是在某种机缘下得见这本宝书，若不将其译成中文，介绍给潜在的数亿中文读者，必是文化界或知识界的重大损失。但译者脸皮再厚，也想不出和作者有任何八杆子打得着的关系，译者甚至都不是学物理学的，上次听物理课，还是在二十多年前的大学基础物理学课堂上；至于这本书，果然算写得有趣，让译者在翻译过程中毫无无聊之感，但想想如果错过这本书绝对不会对你的生活和事业带来任何不利影响。如果你是搞理论物理专业的，你应该早对这些概念了如指掌，如果你不是学这个专业的，这本书大概也不够让你成为一个物理学家，甚至找到一个与物理学研究相关的职位。
这本书甚至还有两种可能的危险：如果你是学生，正纠结学文还是学理，学理论还是学应用，本书所展现的理论物理学之美或许会对你产生一些影响。但你需要记得隐藏在这层美丽面纱下的残酷事实：科学之路是艰苦的，书中也反复提到，每个成功的物理学家以及每一次激动人心的发现背后是更多不为人知的默默无名的科学家以及沉闷无聊而且完全失败的实验和演算。搞科学的人（包括译者的许多朋友）有一种普遍认知，如果这些声名显赫名利双收的科学明星们愿意将他们的才智与刻苦，还有那些给他们带来成功所必不可少的些许运气用在其他任何一个商业领域，都能获得更大更令人羡慕的成就，他们唯一失去的就是那种揭开自然之谜时的兴奋。你愿不愿意为这种短暂的兴奋付出一生的代价，这是你在投身科学界前应该仔细思考的事。本来这并不是一个太大的问题，但译者以为，这本书的作者将理论物理学描述得太美太好，让这种科学的诱惑性变得危险起来，所以在这里做一个善意的提醒。
另一种危险是，宇宙如此之大，粒子又如此之小，仔细想想这些概念和它们所含的意义，会让某些人（包括译者在内），在人生观世界观上发生一些微妙的变化。在宇宙尺度上，一切以光年、亿年为单位，人类的一切，更不要说个人的努力和活动，究竟有多少意义？当你面对宇宙这个尺度思考时，或许会变得消极起来，至少在物质追求上。而在另一个意义上，正是蕴含在这物理学和宇宙学本质里的宏大让我们的生命变得更可贵，我们又应该如何行动，才能不辜负在这个宇宙里自己独特而奇妙的生命。译者从来不是心灵鸡汤的拥趸，但在翻译本书面对浩瀚宇宙时，发现究竟是向下沉沦还是向上飞升，全在自我一念之间。
当然，从宇宙的尺度上说，这样一本书，又算得了什么，对译者来说，翻译完成两个月后，编辑让我写篇译后记，译者在翻译当时尚觉强烈的感受现在就已开始变得模糊了，书都如此，何况译后记了。所以就让译者就此打住，结束这篇不像译后记的译后记。
童文煦
2015年11月
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