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大家都喜欢看星星吧？尤其是在晴朗又凉爽的夏夜，在仰望满天的繁星时，你脑海里想的是什么呢？

你有没有想过，我们所在的宇宙，这个看上去无边无际的巨大空间到底是什么？它是怎么来的？我们又是一种怎样的存在？

其实，古时候的人就已经在思考这些问题了：古印度人认为宇宙是由大象驮着的半球，而大象又站在一个巨大的乌龟之上；

古埃及人则认为宇宙像一个巨大的房子，山峰撑起了黑色的天花板，星星像灯一样悬挂在世界的穹顶，而我们都是这座大房子里的小小居民。

中国的古人又是怎么想呢？老子的弟子

文子

这么描述我们的宇宙：

往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。什么意思呢？宇是空间，宙是时间，宇宙，就是时间和空间复合而成的东西。

在上面这些描述里，还是我们中国人对宇宙的认识最深刻。现代科学表明，宇宙正如文子说的那样，是一个既有空间，又有时间的复合物。宇宙具体是怎么来的，它里面都有什么，估计文子也不知道。

为了解答这些问题，今天路上读书给大家带来的这本好书——《极简宇宙史》从宏观到微观，一点一点地深入探索宇宙的本质。

1. 一场穿越宇宙尽头的旅行

我们的宇宙之旅就从脚下的这颗星球——地球开始。地球位于太阳系，绕着一颗叫做“太阳”的恒星旋转。每绕一圈，耗时一年。

由于旋转轨道是椭圆形，在这一年当中，地球离太阳的距离多少有些不同，到达地球上的太阳辐射量也不一样，四季由此产生。冬去春来，周而复始，地球上的生命就这样一天一天地不断演化。

在离我们不远的地方，有一颗更小的星星，“月球”绕着地球旋转。它是一颗卫星，半径不到地球的三分之一，而且是个荒凉的世界，没有水，没有生命，当然也不会有郁郁葱葱的植被。

月球是从哪儿来的呢？大约四十亿年前，地球刚诞生不久，就遭遇了一场“车祸”，跟另一颗行星相撞，被硬生生地扯下了一大块，最终形成了月球。

和冷冰冰的月球不同，地球的能量来源——太阳，则是另一番景象。

这个离我们1.5亿公里的庞大星球像一个燃烧着的巨大火炉，火炉里的燃料就是我们经常说的核能——在太阳中心超过一千六百万摄氏度的高温下，氢原子和氦原子不断聚变生成更重的物质，同时释放出巨大的能量。在这个过程中，向外扩张的能量与向内压缩的引力平衡，让太阳能够维持固定的大小。

可是，终有一天，这个大火炉的燃料会耗尽。到那时，太阳会向内坍缩，变得更紧密，直到再次发生核聚变。只不过，这次聚变不在内核，而是在离太阳表面更近的地方。能量向外扩张的力将会超过引力，使得太阳体积不断膨胀，最后“轰”的一声，炸成无数的星尘。

如果那时候人类还生活在地球上，肯定会被巨大的能量瞬间蒸发。科学家们预测它会发生在五十亿年之后。

假如太阳真的爆炸，不只是地球，围绕太阳旋转的其他七颗行星，同样会遭遇灭顶之灾。如果想躲开这场灾难，我们恐怕要逃得再远点才行。往哪儿去呢？至少要跑出太阳系。

出了太阳系，我们就来到了银河系。银河系是一个非常庞大的星系集团，里面有三千亿颗恒星，而我们赖以生存的大火炉“太阳”，只是其中不起眼的一颗罢了。至于地球，就像是沙滩上一粒小小的沙子。而如此庞大的银河系，也仅仅是宇宙的一小部分而已。

那么，宇宙到底有多大呢？假设你拥有长生不老的本事，搭上一辆有无限燃料的飞船，从地球出发朝着一个方向一直飞，希望到达宇宙的尽头。要完成这个目标，需要多长时间呢？答案是，

一百三十八亿光年。

这一路上，你先是会飞出银河系，遇到我们的邻居

仙女座星系

，实际上，银河系和

仙女座星系

绕着对方转动，而且越来越接近。继续往外飞，你会遇到无数和银河系规模相仿的星系，它们彼此纠缠，构成一个个巨大的星系团，你还会看到黑洞、超新星，此起彼伏，这时候，你离地球已经一百亿光年了。

突然，眼前的景象开始变得不同，前面的星系越来越稀薄，恒星越来越少，再往前的地方，好像已经没有光了。你飞着飞着，突然“嘭”的一声，飞船似乎撞上了一堵墙，这时候，你已经飞了一百三十八亿光年。

在长途跋涉之后，你终于到达了宇宙的尽头——确切地说，是我们能够观测到的宇宙尽头。这堵连光都无法透过的墙，被科学家们称为“临界最后散射面”。

其实，在这堵墙之外，还有更大的世界等着你去探索。不过现在，咱们先来说说这堵墙是怎么回事。

2. 正在膨胀的宇宙

我们刚才说过，到达宇宙的尽头要花上一百三十八亿光年，在这个可见宇宙的边缘，是一堵连光都没法穿过的“墙”。不难看出，光跟宇宙的关系非常密切。没错，光正是我们观测宇宙的重要工具。

每一束从宇宙中射到地球上的光，都携带着大量信息。在人类无法到达的星际空间，光就像是我们的眼睛。通过分析光线，我们就可以推测它在千里迢迢到达地球的过程中，曾经跟什么物质发生过作用，从而了解在我们目光难以到达的宇宙深处，正在发生着什么。

大家知道，光携带着巨大的能量。对于原子周围的电子来说，这些能量特别有吸引力。在光穿越宇宙的过程中，会跟各种物质发生作用，这些物质的电子就会从光那里“偷走”一些能量。等光风尘仆仆来到地球的时候，它的能量已经被洗劫得差不多了。

不过，每种原子的电子很专一，只喜欢某一种能量，也就是某一种颜色的光，因此，通过比较分析光线中缺失了哪些能量，就能知道它遭受过哪些原子的“抢劫”，也就是我们跟光源之间隔着哪些物质，这种方法叫做光谱分析。

这样一来，我们看看遥远的星系，就能知道它们由什么构成。可是很快，天文学家们发现了一个问题：从恒星传来的光线的确缺失了一些能量，但它们和我们知道的元素对不上。在地球上，喜欢蓝色光线的元素，好像在另一个星系更喜欢绿色；而原本更喜欢绿色的元素，似乎又更爱黄色。也就是说，光谱中所有的颜色都在往红光的那头偏移。

为什么会这样呢？如果光源本身没变，元素也没变，那问题只可能出现在一个环节：在光线传播的过程中，穿过的介质发生了变化。打个比方，这就有点像给吉他调音，当你把琴弦旋紧，弹出的声调就更高；相反，放松琴弦，声调就会变低。

同样道理，光谱向能量较低的红色偏移，相当于光线的“声调”降低了，换句话说，宇宙的“琴弦”被放松了。这意味着什么呢？宇宙并不是静止的，而是在不断变大，也就是说，宇宙在膨胀。

那么，这个膨胀是什么时候开始的呢？在一百三十八亿年前。

现在大家应该知道，为什么在宇宙的尽头，你的星际飞船会撞上一堵不透光的墙了吧？因为在宇宙初期，物质很致密，光没办法前进，直到一百三十八亿年前，宇宙经历了一次大爆炸，开始膨胀，变得疏松，光才得以通过，到达宇宙各处。所以，这堵墙以外的地方，就是宇宙黑暗时代的残余，是光没有到达的地方。

虽然宇宙在不断膨胀，但星球之间还是互相吸引，这引力又是从哪儿来的呢？

3. 从万有引力到广义相对论

我们在谈宇宙的时候，首先要达成一个共识，那就是在这个宇宙中，存在着一系列的规律，无论在哪个星球上，都能用这些规律来预测宇宙万物的变化。否则的话，人类至今对宇宙的探索就毫无意义。

虽然我们认可规律的存在，但并不意味着有一个放之四海而皆准的理论。在物理学中，任何理论都有一定的适用范围，就连那个叫做“万有引力”的定律也不例外。在过去的几百年间，牛顿从苹果落地悟出的理论曾被奉为力学领域的至高法典，天文学家们也深信不疑。直到有一天，科学家在测量水星运行轨道的时候，发现它跟用牛顿公式算出来的不完全一样，角度就差那么一丁点儿。

怎么会这样呢？这小小的误差是怎么来的呢？直到1727年牛顿去世，他也没找到答案。直到一百八十八年后，一位名不见经传的小公务员提出了一个奇怪的新想法，他就是爱因斯坦。

爱因斯坦指出，牛顿力学的局限性在于它没法被用来解释质量较大物体的运动规律。用它来研究大象、蓝鲸，甚至是高山大石都没问题，但如果研究的对象有一整个星球那么大，牛顿定律就不再适用了。

为什么呢？核心原因就在于引力。

在牛顿创造的“经典力学”世界中，物质因为有质量而彼此吸引，引力随质量和距离的变化有所不同。至于为什么会这样，牛顿并没说清楚。相反，在爱因斯坦的理论中，他清晰地展现了引力的作用方式。

爱因斯坦认为，我们的时空像一张绷紧的橡皮薄膜，把有质量的物体放在上面，会导致薄膜凹陷，凹得越厉害，就相当于引力越大。在宇宙这张橡皮薄膜上，行星和恒星就像质量不同的球体。大球产生的凹陷会改变小球的运动轨迹，让它更靠近自己，而大球又会被更大的球以同样的方式“俘获”。

在这样坑坑洼洼的宇宙中，每个星球都会受到各种时空弯曲的影响，最终在一个平衡的地方开始往复运动，这就是星球的“轨道”。这个揭示了引力本质的理论，就是大名鼎鼎的“

广义相对论”。

大家已经了解了我们的宇宙空间，了解了那堵矗立于宇宙尽头的墙，也了解了引力的作用方式。还差点什么呢？那就是构成宇宙的另一个重要元素：

时间。

4. 以接近光的速度体验时空

我们已经知道，宇宙正在不断膨胀。当然了，在这个世界上，宇宙并不是唯一一个不断变化和发展的东西。你看，我们每个人也都是从牙牙学语的婴儿长成如今的样子，这中间消耗了什么？答案当然是——时间。

大家可能觉得，不管其他东西怎么变都好，时间总是永恒的。然而实际上，就连时间也不是一成不变，为什么这么说呢？

古代神话故事中有这样的说法，“天上一天，地上一年”。那么在现实世界中，有没有可能改变时间的流速呢？

很简单，你只要能让自己加速就行。

根据爱因斯坦的预测，时间并非以相同的速度流逝，而是跟物体之间的相对速度有关。根据两个物体之间的相对速度，能算出他们时间上的差异，这个理论叫做“狭义相对论”。物体运动的速度越快，时间走得越慢。

假如能以光速99.995%的速度运动，那么你六个月的时间，将会等同于地球上其他人的五十多年。

也就是说，在极速之下，时间会变慢，科学家们把这个现象叫做“时间膨胀”，运动速度越快，时间膨胀就越明显。不过，速度改变的不只有时间，还有空间。

狭义相对论还有一个推论：时间膨胀，长度就会收缩。这又是什么意思呢？

假设你真的登上了那艘接近光速的飞船，踏上了外太空旅行。你兴致勃勃地把飞船加速到光速的99.995%，向着远方的行星进发。突然，你发现了一个令人震惊的现象：你跟目的地之间的距离好像一下子缩短了不少，遥远的星系突然近了好多。

这也太奇怪了吧？你左看看右看看，试着在太空中寻找一个参照物，结果发现周围都没有变化，唯独你前进方向的距离缩短了。那换个方向试试吧，于是你把方向盘一转，朝另一颗星球前进。飞船开始加速后，你发现新的目的地又变近了，而曾经的目标显得那么遥远。这时候，你瞥了一眼飞船上的计数器，发现了一个惊人的巧合：你跟目的地之间距离缩短的倍数，恰好是你的时间比地球时间减慢的倍数。

为什么会这样呢？原来，是因为这样一个规律：

没有任何具有质量的物体能达到光速。

假如我们的飞船在太空以87%的光速前进，也就是每秒二十六万公里。此时我们的一秒钟相当于地球的两秒钟，如果地球上有个人观察飞船，他会看见我们移动了五十二万公里，比我们实际走过的距离多了一倍，这样一来，对我们来说，飞船一秒钟就走了五十二万公里，这显然超过了光速的每秒三十万公里。

摄影师 @尼脑子瓦特啦

自然法则当然不会允许这样的速度存在，那怎么办呢？只有缩短我们的距离感才行。于是，地球人看到的一公里，在我们眼里就变成了半公里。这样一来，不管是谁在看，都不会有物体超过光速运行。

虽然说不能超过光速，那么我们有没有办法达到光速呢？

5. 能不能再快一点

在接近光速运动的时候，时间会变慢，距离会缩短。好奇的你可能会问，我们能不能继续加速，达到跟光一样的速度呢？

我们再回到飞船上，你猛踩了一脚油门，发动机轰鸣作响，可仪表盘上的速度指针却没有变化。这时你灵机一闪，想到了一个好点子。在出发之前，你往口袋里装了一个苹果，该它发挥作用了。

你心里想，如果飞船已经非常接近光速，那只要给苹果一点加速度，按理说它就能超越光速。于是你掏出苹果，用力向前投去，你满怀期待地看着前方，却发现苹果依然粘在手上，无论你怎么使劲儿，都扔不出去。

要说苹果真有什么变化，那就是，它变得越来越重了。不只苹果，你自己也在越变越重。不论怎么加大飞船的马力，都没法达到光速，反而质量越来越大。没错，这就是著名的爱因斯坦质能方程e=mc2。

在感受了“时间膨胀”和“距离缩短”之后，我们终于遭遇了极速运动时第三个不可思议的效应，速度越快，质量越大。

在这个宇宙，能够达到光速的只有没有质量的物体，比如光子。所以很遗憾，不管我们多努力，都不可能达到光的速度，这也意味着我们的时间总是在流逝。但光不一样，在它的参考系中，时间是静止的。

也就是说，一束来自远古时期的光跟现代的光没什么区别，几十亿光年外的恒星光芒穿越时空照射到我们身上，也不会受到时间的侵袭。现在，大家知道为什么我们能从光身上读到那么多信息了吧。

编辑|凉山

排版|凉山

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