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宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第1部分
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《宇宙之书——从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙》作者：约翰·D。 巴罗 李剑龙 译
编辑推荐
这是一部宇宙学发展史，诉说了从亚里士多德、托勒密、哥白尼到爱因斯坦，从古至今，人们对于我们所在宇宙的无尽探索。
这是宇宙学现代理论的全面介绍，梳理了人们从爱因斯坦场方程中得到出的种种奇异的宇宙。
这是宇宙学前沿进展的通俗介绍，多重宇宙论将颠覆我们对于宇宙的传统认知。
内容简介
头上的星空，自古以来就激发着人类无尽的好奇和想象。为了解释我们所见的宇宙，从亚里士多德、托勒密、哥白尼、牛顿、康德到爱因斯坦，再到现代学者对爱因斯坦宇宙学方程组的艰难求解，人们提出了各式各样的理论，描述了种种面貌不一的宇宙。而在最新的多重宇宙论中，可能的宇宙不只限于理论，而是真实的存在，数量更数不胜数，其中的自然法则可能各不相同。身为知名的宇宙学家和科普作家，作者将在这本《宇宙之书：从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙》中带领我们回顾历史，追踪现代天文学的前沿进展，纵览“奇异得超乎我们想象”的万千宇宙。
作者简介
约翰·D。 巴罗（John D。Barrow），生于1952年，英国剑桥大学应用数学与理论物理学系教授，研究领域涉及宇宙学、天体物理、引力理论、天体粒子物理等，发表有四百多篇学术论文。1986，他和弗兰克·梯普勒合著的《人择宇宙原理》（TheAnthropic CosmologicalPrinciple）成为该主题的经典著作。他见证了宇宙学自20世纪70年代末以来的进展，目前正活跃于宇宙学的前沿领域。他也是位知名科普作家，至今已出版二十多本数学、物理学、天文学方面的科普著作，包括《读心术的把戏》、《艺术宇宙》、《无限大的秘密》、《无之书》、《宇宙的起源》、《大自然的常数》、《不论》、《天空中的圆周率》等。2002年3月，由他编剧的话剧《无限》（Infinities）在米兰首演，广受好评，并荣获了当年意大利戏剧界最高荣誉“乌布奖”（PremioUbu）的“年度最佳剧目奖”。译者简介李剑龙，浙江大学理论物理学博士，“科学松鼠会”成员，与一群年轻人一起利用业余时间致力于“让科学流行起来”的愿景。
第1章
在正确的时间和地点
我知道这一切只是存在于我们的大脑中，但大脑是很厉害的。
——科林·科特里尔（英国作家）＇1＇
二人行
如果一个年轻人说他想研究宇宙学，我总是会觉得吃惊；我认为宇宙学是一种可遇而不可求的东西。
——威廉·H。麦克里（1904～1999，英国天文学家）＇2＇
老绅士沿街走来，跟往常一样——一身标志性的、有些凌乱的波西米亚风格。这个在美国大街上慢慢走着的欧洲人，神色黯淡，目光深邃，却不太在意自己要去哪儿。周围有很多购物的顾客和逆流而来的迟到学生，他在其中礼貌地穿行时，总是引起当地人的注目。似乎每个人都知道他是谁，他却避开人们的目光。今天，他有了一个新同伴，身材高挑，体格健壮，衣着略显寒酸也不太整洁，但不是老绅士那种样子。一路上他们都在讨论着，走着聊着，毫不在意身旁商店的橱窗。老绅士一边倾听着，一边若有所思，有时眉头微微一皱；他年轻的同伴则在情绪高昂地推销着自己的观点，滔滔不绝，时不时地用力比划着。两个人都操着一口不太地道的英语，而且口音也不一样，听得出融会了各地特色。过马路时他们停了下来，在路肩附近等了一会儿，让车辆行人先过去。交通灯一变，他们继续过马路，没说话，同时都注意着交通灯、声响和周围的一举一动。突然，有了新状况。高个子开口说了些什么，手激动了起来。这时交通又恢复了运行，老人却没动，定在原地，无视眼前车流和匆匆行人。同伴的那番话已经完全吸引住了他的思绪。车流从两旁轰隆隆穿过，两人便孤零零地待在路中间，像个人肉做的安全岛。老人陷入了沉思，而年轻人则不断重复着自己的观点。最后，他们又回到了身旁川流不息的现实中，都忘了刚才打算去哪儿，老人静静地领着年轻人回到人行道上（就是一分钟前他们待过的地方），然后朝着他们来的方向，继续走着聊着，完全沉浸在对这个新观点的讨论中。
两个人一直在讨论的内容是宇宙。＇3＇地点是在美国新泽西州的普林斯顿，时间则是第二次世界大战期间。年轻人叫乔治·伽莫夫（1904～1968），被朋友们唤作“吉吉”，是个流亡到美国的苏联人。年长的那个人就是阿尔伯特·爱因斯坦。在过去三十多年的努力中，爱因斯坦为我们展示了如何用简单的数学来理解整个宇宙的行为。伽莫夫则发现，宇宙必然拥有一个与现在大不相同的过去。让他们定在路中间的是伽莫夫的提议，即物理规律能够描述某些东西从虚无中创造出来。这可以是一颗恒星，但也可以是一个宇宙。
有趣的宇宙
历史就是那些本可避免的事情的总和。
——康拉德·阿登纳（1876～1967，联邦德国首任总理）
宇宙到底是什么？它从哪儿来？将向哪儿去？这些问题看似简单，却又是史上最深刻的一类问题。随着知识面的不同，我们口中的“宇宙”的含义也千变万化。＇4＇它不就是你能在空间中看到的一切吗——精确地说，也许再加上周围的空间？或者是一切有形的存在？当你列举出所有的事物，要把“一切”都囊括时，你会开始琢磨那些被物理学家称为“自然定律”的“东西”和其他一些诸如时间和空间之类的无形之物。尽管看不见摸不着，但你可以体会到它们的作用，它们看起来很重要，看起来是存在的（有点儿像足球比赛规则），所以我们最好也把它们列进去。那么要不要考虑过去和未来呢？仅仅局限于目前所存在的事物似乎有些狭隘。如果我们把过去曾存在的一切都当作宇宙的一部分，那为什么不把未来的也加上呢？最后我们得到的似乎是这样的定义，宇宙就是曾经存在、现在存在以及将要存在的一切。
若是我们再钻一下牛角尖儿，还可以把宇宙看得更恢弘一点，不仅包括可以存在的一切，还包括可能存在的、但还未发现的一切——最后，甚至还要包括不可能存在的一切。一些中世纪的哲学家＇5＇曾被这种完备性吸引住了，试图把这所有的一切列出一个过去、现在及未来可能存在或不可能存在的万物清单。本来已经问题成堆，这么做无异于雪上加霜。但是最近，现代宇宙学的研究中又出现了这种做法，尽管面貌有点不同。现代宇宙学不只研究我们宇宙的结构和历史，还关心别的可能存在的宇宙。我们的宇宙有大量特殊的、匪夷所思（至少对我们来说）的性质，这让我们不禁想估量一下，如果宇宙不是这样又会如何。这意味着我们不得不学会造出“别的”宇宙的例子，以便进行对比。
现代宇宙学就是这么回事。它可不仅仅只是试图尽可能完善、精确地描述我们的宇宙，它还试图将这种描述置于更广阔的种种可能性的语境当中。它在诘问，“为什么”我们的宇宙是这样而不是那样。当然，最终我们也许会发现，除了所看到的之外，再没有别的可能存在的宇宙（有着与我们设想中不同的结构、物质组成、物理规律和年龄，等等）。一直以来，宇宙学家们等待着甚至是盼望着这样的事情发生。然而最近的潮流却反其道而行之，使我们不得不面对种类繁多的可能的宇宙，并且它们都符合自然定律。更有甚者，这些别的宇宙也许并不仅仅限于一种可能性，它们也许能够像我们所谓的通常事物那样存在，就像此时此地的你和我一样。
地点很重要
他［雅各］做梦，看哪，一个梯子立在地上，梯子的顶端直伸到天；看哪，上帝的使者在梯子上，上去下来。
——《旧约·创世记》＇6＇
人们谈论宇宙的历史已有几千年。当然，那是他们认识的宇宙，可别跟我们的混为一谈。对很多人来说，宇宙只不过是他们所能到达的最远的地方，或者是用肉眼就能看到的繁星点缀的夜空。大多数古代文化都试着为他们看到的世间万物找一个说法或编一个故事，无论是在天上、地下还是海里。＇7＇他们之所以描绘这种宏大图景，并不是因为对宇宙学有兴趣，而是为了说服自己或是他人相信事物都有其存在的意义，同时他们本身也是意义的一部分。如果承认真实世界的一部分是人类无法定义、无法掌控的，那么就会带来一种危险的不确定性。这也就是为什么在古代神话里，宇宙的本质看起来总是那么圆满（万物各有其位，各安其位）的原因。没有“大概”，没有注意事项，没有不一定，没有进一步探索的可能性。这些说法真的就是“万有理论”，只不过它们跟科学沾不上一点边。
图1。1 地球的自转轴，一端是北极，一端是南极，并且与地球公转轨道平面的垂线相差23。5度
生于何时、身在地球何处，会影响你对宇宙的认识。如果你住在赤道附近，那么每天晚上恒星的运动就一目了然。它们初升，高高挂起，在你的头顶彻夜闪耀，徐徐下落直到没入另一侧地平线。夜复一夜，你就像是天体运动的中心。可如果你离热带很远，天空看起来就大不一样了。夜里有的星星东升西落，越过你的头顶，而后又回到地平线的怀抱。另外一些星星则从不落下，总是挂在地平线之上。它们似乎在围绕空中的一个大圆心转圈，就像被钉在了一个绕轴转动的轮子上。这必然会引起你的好奇心，群星围绕的那一点究竟有什么特别的呢？为了解释这些夜夜旋转的群星，北半球的居民们创造了许多关于那个天空大路标的传说和神话。
世界各地的星空之所以呈现出如此的差异，是因为地球的自转轴是倾斜的（图 1。1）。当地球绕太阳公转时，贯穿南北两极＇8＇的地球自转轴并不垂直于其公转轨道，而是倾斜了大约23。5度。这造成了不少显著的影响，四季变化就是这么来的。假如没有这个倾角，就不会有每年的四季变化；假如倾角过大，季节的更替就会剧烈得多。不过，即使你完全不知道地球在绕太阳公转，也不知道自转倾角，但只要每晚观察一下星空，这个倾角让不同纬度下的天空呈现出了不同的模样。
图 1。2 生活在北纬 L度的天文学家所看到的星空。无论何时，他们都只能看到半个星空。有些星星，例如靠近北天极的拱极星永远不会落入地平线。而另外一些星星，例如南天极周围的拱极星，永远都不会从地平线上升起，所以北纬L度的天文学家就没法看见
如果我们把南北两极的连线延长到太空中，所指示的方向我们就称之为南天极和北天极。当地球自西向东自转时，夜晚静止的恒星看起来就像在沿着相反的方向扫过天空。如果白天也能看见它们的话，地球每完成一次自转，它们也就在天空中画完了一个大圆圈。尽管如此，天上的圆圈并不是全部都看得见，因为圆的一部分可能在地平线以下。图1。2显示了北半球北纬L度的人们在晴朗的夜晚所能观察的景象。＇9＇
地平线把每个观察者的天空分成两半，任何时候都只能看到地平线之上的天空。在北纬L度的地方会看到北天极位于地平线之上L度，而南天极在地平线之下 L度。地球自转使得天空像是在自东向西地围绕着北天极转动。于是我们看到星星从东方的地平线出现，渐渐升起，到达各自的最高位置，或者叫“天顶”，然后落向西方的地平线。＇10＇
有两类恒星没有这样每夜上升下落。在北天极附近L度的圆盘范围内，恒星能在天空中绕一个完整的圆，从不会消失在地平线以下。如果夜空足够暗又没有云，它们就一直看得见。＇11＇对于目前的欧洲天文观测者来说，这个范围包括大熊座和仙后座的恒星。另一方面，对于图中北半球的天文观测者来说，在南天极附近相同范围内的恒星是永远也看不到的。在他们眼中，这些恒星从来没有从地平线上升起过。＇12＇这就是为什么地处北半球的欧洲永远也看不到南十字星座。①至关重要的是，随着观察者所处纬度不同，这些永远可见和永不可见的星空区域的大小也会变化。当你远离热带，纬度渐渐变高时，这些区域的范围也在扩大。图1。3显示了地球上三个不同纬度地区的观察者所看到的星空。
① 南十字星座是全天88个星座中最小的一个，每年4、5月间我国北纬20度以南地区的地平线附近可以短暂地看到。澳大利亚、新西兰、巴西等国的国旗上也有南十字星座。——译者注
赤道的纬度是 0度，所以夜晚的星空之中不存在永远可见或永不可见的区域。赤道上的天文观测者可以瞥见天上每一颗亮星，不过实际上，两个天极会被地平线附近的尘霾所掩盖。群星升起，上升到各自在天空的最高点。每一颗恒星升起后，运动方向都保持不变，于是可以成为整个夜里户外旅行者和航海者们的绝佳导航灯塔。几乎没有一点儿侧向偏差，天空看起来非常简洁、非常对称。观察者们会觉得自己处在一个拱形天幕中心的正下方，一目了然的运动像是专为他们而设计的。他们犹如宇宙的中心。
图1。3 人们所生活的纬度不同，看到的星空也不同：（a）在赤道看到的星空，（b）在英国巨石阵看到的星空，（c）在北极看到的星空。产生这种差异的原因是，群星围绕的天极所处的位置不同
图1。4 这张照片经过了对北天极方向的长时间曝光，北天极正好在树顶上，处于图片的中心，周围是群星的运动轨迹
北极是另一种极端情况。那里的纬度是90度，天上的恒星既不会升起也不会落下。它们会绕着天空不断转圈。北天极就在头顶，被群星环绕着。那就像是宇宙的焦点，而我们正好位于它的下方。
在一些没那么偏北的地方，例如北纬51度的不列颠远古巨石阵，情况就介于两个极端之间。北天极附近51度范围内的恒星的运动轨迹围着北天极形成了完整的同心圆。其他的恒星则从地平线升起，到达天顶，而后落下。天空呈严重地一边倒的态势。恒星们升起落下，各走各的轨道。最醒目的是，盘旋在极点周围的恒星都围着它转，好似宇宙大转盘的轴心（图 1。4）。对那些不懂天文学，也不知道地球在转动的观察者们来说，天上似乎存在一个特殊的位置。
这就是为什么关于天空的神话和宇宙的本质，不同地区有不同说法的原因。在远离赤道的斯堪的纳维亚和西伯利亚，我们能找到关于天空大圆圈的传说：众神就住在大磨盘的中心。最靠近天空大圆圈中心的那颗星有着非同寻常的地位，它领导着宇宙大帝宝座周围的群星阵列。＇13＇
在这里我们不打算追溯这些神话。我们只是想强调，当人们受到地域局限的时候，想要提出一种解释宇宙的图景是多么艰难。如果不了解星空，不清楚地球的转动和方向，你会不知不觉地蒙上强烈的偏见。
即使最灿烂的早期文明，当它开始观察天空时，也不免受到了地域局限性的影响。我们被限制在一颗行星上，同别的行星一起绕恒星转动。如今我们知道除了太阳系有行星之外，有数百颗遥远的恒星也有围绕自己的行星（目前是五百多颗①）。熟悉了这些�
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