◆ 前言 變幻的夜晚
>> 自2013年以來(lái)，歐洲航天局“普朗克”（Planck）衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)支持了膨脹模型的預(yù)測(cè)：我們?cè)谟钪嫔钐幪綔y(cè)到的原子結(jié)構(gòu)——宇宙大爆炸之后38萬(wàn)年發(fā)出的第一縷光線，似乎正是在宇宙暴脹階段量子真空內(nèi)部產(chǎn)生的余波。
◆ 第一章 引力，未知的力量
>> 基本力又稱基本相互作用，一種基本力可以用一個(gè)定律來(lái)描述，該定律在任何時(shí)候、對(duì)于任何空間點(diǎn)都適用；也就是說(shuō)，在整個(gè)宇宙都適用。
>> 從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，基本力是在物質(zhì)的基本組成成分之間起作用：電場(chǎng)力（庫(kù)侖力）同樣也是在兩個(gè)基本電荷之間起作用，比如兩個(gè)電子之間。
◆ 牛頓和月亮的下落
>> 根據(jù)牛頓定律，引力的強(qiáng)度與每個(gè)物體的質(zhì)量成正比，與物體之間的距離的平方成反比。這個(gè)比例常量被稱為“引力常數(shù)”，具有普適性，因?yàn)橐κ腔玖Α獰o(wú)論在任何時(shí)刻、任何地方，常量的值都不變。直到1789年，這個(gè)常量值才被亨利·卡文迪許精確地測(cè)量出來(lái)：G=6.67×10-7牛頓平方米每二次方千克（N·m2·kg-2，見(jiàn)焦點(diǎn)I）。也就是說(shuō)，兩個(gè)質(zhì)量為1噸（1000千克）、相互距離10米的物體之間的引力大小為6.67×10-7牛頓。
◆ 愛(ài)因斯坦與時(shí)空
>> 在伽利略和愛(ài)因斯坦之間，電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及其特性的描述引發(fā)了一場(chǎng)科學(xué)革命。19世紀(jì)末，詹姆斯·麥克斯韋統(tǒng)一描述了電磁現(xiàn)象后，這場(chǎng)革命達(dá)到了頂峰。麥克斯韋用一組方程式總結(jié)了所有已知的電磁現(xiàn)象，而方程組的基本參數(shù)就是光速。
>> 在1881年與1887年之間，阿爾伯特·邁克爾遜與愛(ài)德華·莫雷進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，最后總結(jié)出：在地球上測(cè)出的光速在所有方向上都是一樣的，而地球一直處于運(yùn)動(dòng)中；或者說(shuō)，光速在所有伽利略參考系中保持不變。
>> 光速并不會(huì)與測(cè)量地點(diǎn)的參考系的速度疊加，這一事實(shí)對(duì)時(shí)間和空間的概念造成了始料未及的影響，公眾常識(shí)中對(duì)相對(duì)論及其獨(dú)特性的基本認(rèn)知被顛覆了。
>> 在運(yùn)動(dòng)的參考系中，參考系的長(zhǎng)度收縮與時(shí)間膨脹相吻合。
◆ 愛(ài)因斯坦的電梯
>> 決定了運(yùn)動(dòng)變化（即加速）阻力的質(zhì)量與牛頓萬(wàn)有引力定律中描繪物質(zhì)的量的質(zhì)量，兩者是一樣的。這就是慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量之間的等效原理 。
>> 著名的方程式E=mc2告訴我們，所有的質(zhì)量都是能量。反之，所有能量形式都對(duì)時(shí)空幾何有所影響。
>> 厄缶實(shí)驗(yàn)證實(shí)了兩個(gè)質(zhì)量的一致性：萬(wàn)有引力中的質(zhì)量就是用來(lái)測(cè)量慣性的質(zhì)量。愛(ài)因斯坦借此提出了引力與加速度的等效假設(shè)。
◆ 第二章 廣義相對(duì)論：從引力理論到宇宙理論
>> 愛(ài)因斯坦方程組量化了時(shí)空因質(zhì)量，或更普遍地說(shuō)，因能量的分布所導(dǎo)致的局部時(shí)空彎曲。
◆ 當(dāng)光勾勒出時(shí)空
>> 我們漂浮在一個(gè)脫鉤并開(kāi)始自由落下的電梯里。如果我們輕輕推動(dòng)一個(gè)與自己一起漂浮的球，它將得到一定的速度，而且由于慣性，球會(huì)保持這個(gè)速度。然而，從外邊看來(lái)，球本身正在加速下落。但在電梯參照系里，球的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有變化。正因如此，這類參考系被稱為“慣性參考系”。
◆ 膨脹的宇宙
>> 1929年，哈勃證實(shí)了河外星系以一個(gè)與地球之間的距離成正比的速度——退行速度，不斷遠(yuǎn)離我們。河外星系的退行速度與距離的比值是一個(gè)常數(shù)，人們稱之為“哈勃常數(shù)”。
>> 觀測(cè)者分析物體發(fā)出光線的光譜，如果物體相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，光譜的譜線就會(huì)移動(dòng)。這就是著名的“多普勒-菲佐效應(yīng)”。
>> 哈勃定律：河外星系的退行速度與它和地球之間的距離成正比。
◆ 大爆炸模型
>> 如果逆著時(shí)間回溯，宇宙會(huì)變得越來(lái)越稠密、越來(lái)越熱，直到一個(gè)無(wú)窮大的密度和溫度為止，這就是奇點(diǎn)。
◆ 第三章 觀測(cè)宇宙
>> 可見(jiàn)光的波長(zhǎng)（圖3.1）從紫色光的390納米變化到紅色光的780納米（1納米相當(dāng)于十億分之一米）。
◆ 通往過(guò)去之路
>> 這是一個(gè)螺旋形星系，呈圓盤狀，直徑約為10萬(wàn)光年，厚度約1000光年，中心呈扁球狀體（圖3.2）。太陽(yáng)處在星系的邊緣，距離銀河系中心約2.6萬(wàn)光年，位于銀河系的一個(gè)旋臂——獵戶座旋臂之上。但太陽(yáng)很接近銀河系的赤道面（5光年）。
>> 更古老的星系遠(yuǎn)離我們的速度也更快，它們的光線發(fā)生了紅移，甚至移動(dòng)到了紅外線區(qū)域。然而，這些星系中大部分在照片上呈現(xiàn)淺藍(lán)色。這是因?yàn)樗鼈冸[藏了一個(gè)不斷有新恒星誕生的活躍區(qū)，恒星的誕生產(chǎn)生了可被哈勃望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的紫外線，因此在圖片上呈淺藍(lán)色活躍區(qū)形成于距離我們50億到100億光年的星系里。
◆ 星系、星系團(tuán)、暗物質(zhì)
>> 1933年，弗里茨·茲威基確定了暗物質(zhì)的存在。他在研究后發(fā)座星系團(tuán)，這是一個(gè)距地球3.2億光年，包含了數(shù)千個(gè)已知星系的巨大星系團(tuán)。
>> 茲威基根據(jù)牛頓定律研究星系的運(yùn)動(dòng)力學(xué)，從中得出質(zhì)量的分布情況：所得總質(zhì)量比通過(guò)光度預(yù)測(cè)的光度質(zhì)量大400倍。所謂光度質(zhì)量，指的是天體質(zhì)量與光度的比值，而典型星系的光度質(zhì)量?jī)H為太陽(yáng)的2到10倍。因此，在這個(gè)星系團(tuán)的星系中或者星系之間，應(yīng)該存在不發(fā)光的物質(zhì)。
>> 氣體——由質(zhì)子、中子和電子形成的尋常物質(zhì)，沉入聚集在一起的暗物質(zhì)里（與引力阱里的反應(yīng)一樣），形成了如今可觀測(cè)到的星系和星系團(tuán)。人們還發(fā)現(xiàn)了一些結(jié)構(gòu)如同“墻壁”一樣的薄層，長(zhǎng)5億光年、寬2億光年、厚1500萬(wàn)光年的結(jié)構(gòu)，就與圈住真空的細(xì)絲有關(guān)。
>> 物質(zhì)是如何隨著宇宙演變而逐漸形成的？暗物質(zhì)在引力的作用下落入堆積的物質(zhì)中，這一過(guò)程會(huì)隨著宇宙演變而不斷加速。引力將普通物質(zhì)也吸入引力阱里，然后形成了我們看到的星系。這些星系在最初時(shí)刻是不規(guī)則的，質(zhì)量也不大。通過(guò)“碰撞-并合”過(guò)程，星系的質(zhì)量慢慢變得龐大，形狀也越來(lái)越規(guī)則，直到形成局部宇宙中的大星系?？梢哉f(shuō)，這一結(jié)構(gòu)化過(guò)程不斷發(fā)展、愈加復(fù)雜，伴隨著行星體系的出現(xiàn)，直至生命的誕生——如今，人腦的形成是這一過(guò)程的最后階段。
◆ 復(fù)合與宇宙背景
>> 氫原子由一個(gè)帶負(fù)電荷電子（-e）和一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子（+e）組成，所以氫原子呈中性（-e+e=0）。在原始宇宙的3000開(kāi)爾文高溫之下，電子逃離質(zhì)子，也可以說(shuō)，氫發(fā)生了電離（
>> 光是個(gè)電磁波，被發(fā)出后再被電荷吸收。光會(huì)與帶電物體相互起作用，與中性物體卻不起作用。如此一來(lái)，在宇宙中傳播的所有光都會(huì)忽視中性的氫原子，而與電子和質(zhì)子發(fā)生作用。
>> 宇宙在今天為什么是透明的。除了稠密的天體，宇宙還被中性氫云所占據(jù)，而中性氫云對(duì)光來(lái)說(shuō)是透明的。
>> 溫度3000開(kāi)爾文的時(shí)期之前，那么氫，或更普遍地說(shuō)是所有物質(zhì)，都呈電離態(tài)。那時(shí)，宇宙充滿了所謂“不透光”的電離等離子體。于是，所有產(chǎn)生的光、所有產(chǎn)生的光子都會(huì)被立刻再吸收：光在這樣的介質(zhì)中是不能傳播的。
>> 我們知道，物體的顏色與其反射出的電磁輻射（光）的波長(zhǎng)有關(guān)。在理想情況下，黑體是一個(gè)吸收所有電磁輻射的物體，無(wú)論它們的波長(zhǎng)是多少。
>> 普朗克給出了關(guān)鍵的解釋：輻射的傳播并不是連續(xù)的，而是通過(guò)能量粒子或量子進(jìn)行的。每個(gè)光粒子攜帶與這個(gè)光的頻率成比例的能量，這一比例常數(shù)成為一個(gè)新的基本常數(shù)，稱為“普朗克常數(shù)”（記為h）。
>> 愛(ài)因斯坦才重新提及光的微粒屬性的價(jià)值：普朗克的能量粒子是光子。光既有波的性質(zhì)，也有粒子的性質(zhì)。
>> 人們觀測(cè)到足夠遠(yuǎn)的地方——直至大爆炸之后38萬(wàn)年的宇宙，宇宙進(jìn)入了復(fù)合時(shí)期。此時(shí)，宇宙是一個(gè)溫度為3000開(kāi)爾文的完美黑體。
>> 彭齊亞斯和威爾遜在貝爾實(shí)驗(yàn)室研究一個(gè)新的天線模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)未知的噪聲來(lái)源。
>> 這一輻射的同質(zhì)性和各向同性（即在各個(gè)方向都一樣）特點(diǎn)，最終說(shuō)服科學(xué)界承認(rèn)了它的宇宙性質(zhì)。
>> 這一電磁輻射位于微波區(qū)域，在紅外線和無(wú)線電波之間。這恰恰就是一個(gè)溫度達(dá)3000開(kāi)爾文、光譜移動(dòng)值為1100的黑體的輻射：若用溫度除以1100 （3000÷1100），即得到2.73開(kāi)爾文。1990年，這一結(jié)果被“宇宙背景探測(cè)者”（COBE）衛(wèi)星證實(shí)
>> 這一輻射被稱為“宇宙微波背景輻射”。其光子產(chǎn)生于大爆炸之后38萬(wàn)年，沒(méi)有經(jīng)受干擾就直接到達(dá)了地球，因?yàn)閺膹?fù)合時(shí)期開(kāi)始，宇宙是透明的。
>> 這就是我們談?wù)摗暗谝豢|光”的原因。從前，宇宙阻礙光子的傳播，吸收了所有發(fā)出的光線。原始宇宙被視為一個(gè)不透光、高溫的黑體
>> “宇宙背景探測(cè)者”衛(wèi)星還帶來(lái)了另一個(gè)了不起的結(jié)論：?jiǎn)讨巍に鼓绿刂鞴艿奈⒉钗⒉ㄝ椛溆?jì)（DMR）發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景里的各向異性——由于觀測(cè)方位不同，黑體的溫度有一些很輕微的變化（從1到10000的等級(jí)）。
>> 布萊士·帕斯卡（1623—1662）在他著名的《沉思錄》中精辟地闡述了這一明顯的矛盾：“宇宙囊括了我，并像吞掉一個(gè)點(diǎn)一樣吞沒(méi)了我；但借由思想，我又囊括了宇宙?！?/span>
◆ 第四章 兩個(gè)無(wú)窮：可調(diào)解，不可調(diào)解？
>> 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)高達(dá)1.4萬(wàn)吉電子伏的能量能一直追溯到大爆炸之后10-15秒的宇宙。
◆ 元素合成
>> 在大爆炸之后10秒到20分鐘之間，即能量處于0.01到0.0001吉電子伏之間，或者說(shuō)溫度處于10億到1000萬(wàn)開(kāi)爾文之間的時(shí)候，出現(xiàn)了一個(gè)重要階段——元素的合成階段，更確切地說(shuō)是原子核的合成階段，術(shù)語(yǔ)中稱為“核聚變”。
>> 通常，物質(zhì)由原子組成，每個(gè)原子由一個(gè)構(gòu)成其主要質(zhì)量的核心原子核（正電荷）和非常輕的電子（負(fù)電荷）組成。原子核本身由質(zhì)子（正電荷）和中子（不帶電）構(gòu)成。最后，質(zhì)子和中子各由3個(gè)夸克構(gòu)成。強(qiáng)核力把質(zhì)子（或中子）內(nèi)部的夸克，以及把原子核內(nèi)部的質(zhì)子與中子聯(lián)結(jié)在一起。電磁力則把電子（負(fù)電荷）與原子核（正電荷）連接在一起。
>> 在原始宇宙里，介入的能量足夠大，能夠打亂原子甚至是原子核的結(jié)構(gòu)：在這一鍋基礎(chǔ)粒子“湯”里有電子、質(zhì)子、中子，甚至夸克。
>> 隨著溫度的降低，質(zhì)子與中子將聚集成一些越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。于是，質(zhì)子與中子聯(lián)合形成了氘核（重氫核），然后，聚集或核聚變的過(guò)程產(chǎn)生了一些越來(lái)越重的原子核。
>> 物理學(xué)家們證實(shí)，這一階段完成之時(shí)，宇宙中8%的原子核是氦-4，約占總質(zhì)量的25%。
>> 更重的元素在恒星內(nèi)核里形成，那里密度更大，氦-4核發(fā)生了三重碰撞，繼而產(chǎn)生了碳——我們還是越過(guò)了瓶頸。
>> 在地球上出現(xiàn)的所有鐵原本都在眾多恒星內(nèi)部合成，之后，在恒星最后的爆炸中被迸發(fā)出去。所有碳也一樣。從這個(gè)意義上講，我們不過(guò)是恒星的塵?！?/span>
>> 標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)粒子6類夸克（u、c、t、d、s、b）和6類輕子（電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子）都是費(fèi)米子；4類玻色子是力的媒介：光子（電磁力）、膠子（強(qiáng)核力）、玻色子W和Z（弱核力）。希格斯粒子的場(chǎng)是唯一的標(biāo)量場(chǎng)。
>> 從20世紀(jì)60年代起，我們知道質(zhì)子和中子由3個(gè)夸克組成。夸克被強(qiáng)核力（強(qiáng)相互作用）“幽禁”在質(zhì)子或中子內(nèi)部，不存在自由狀態(tài)。在20世紀(jì)70年代，相互作用理論誕生了——“量子色動(dòng)力學(xué)”成為基本相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型的支柱之一。根據(jù)這一理論，強(qiáng)核力的介質(zhì)是膠子，膠子與光子相似，也是電磁相互作用的介質(zhì)；夸克通過(guò)交換膠子相互作用；膠子起到約束夸克的作用。通過(guò)相互作用，它們將彼此束縛。
>> 標(biāo)準(zhǔn)模型還有兩個(gè)層面：一是電磁力（電磁相互作用），其介質(zhì)是光子；二是弱核力（弱相互作用），即β射線的來(lái)源，其傳遞介質(zhì)是被稱為W和Z的中間玻色子，后者于1983年由歐洲核子研究組織發(fā)現(xiàn)。
>> 事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)模型實(shí)現(xiàn)了這兩種基本相互作用的統(tǒng)一，
>> 并證實(shí)即使它們大不相同，但其實(shí)都是一個(gè)高能級(jí)的統(tǒng)一力——電弱相互作用在低能級(jí)的兩個(gè)互補(bǔ)形式。
>> 力在物質(zhì)的基本成分之間起作用。構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子有12個(gè)——6個(gè)夸克和6個(gè)稱為輕子的粒子，輕子中最有名的是電子和中微子。需要指出的是，標(biāo)準(zhǔn)模型小心回避第四種已知的基本力，也就是我們關(guān)注的焦點(diǎn)——引力。
◆ 相變
>> 大爆炸之后10-6秒，宇宙從夸克-膠子階段相變到可識(shí)別粒子階段，也就是說(shuō)，夸克聚集形成質(zhì)子和中子。
>> 對(duì)于物理學(xué)家來(lái)講，“場(chǎng)”就是在一部分空間中的一個(gè)物理量數(shù)據(jù)。
>> 波，其實(shí)就是一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的場(chǎng)。一個(gè)時(shí)空區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的電磁場(chǎng)在所有時(shí)刻的數(shù)據(jù)，最終展現(xiàn)出來(lái)就是電磁波。因此，波是一個(gè)時(shí)空中的場(chǎng)
>> 電磁波，尤其是光，可以被視為光子的重疊。因此，時(shí)空?qǐng)雠c粒子之間存在二重性。這就是為什么相對(duì)論量子力學(xué)也被稱為“場(chǎng)的量子理論”。
>> 所謂“二重性”是指，根據(jù)物理學(xué)情景，唯一的“希格斯”實(shí)體以場(chǎng)或粒子的形式出現(xiàn)，就如同“光”以“場(chǎng)-波”或光子的形式出現(xiàn)一樣。
>> 希格斯場(chǎng)在所有時(shí)空都有一個(gè)恒定的值。
◆ 量子真空與希格斯場(chǎng)
>> 希格斯場(chǎng)，其主要作用是與其他場(chǎng)或粒子耦合。
>> 在標(biāo)準(zhǔn)模型中，一個(gè)粒子的慣性質(zhì)量不但與量子真空中的希格斯場(chǎng)值（所有粒子的場(chǎng)值都一樣）成正比，同時(shí)也和粒子與希格斯場(chǎng)的相互作用的強(qiáng)度也成正比。這種相互作用稱為粒子與希格斯粒子的耦合，也是希格斯粒子的特性。頂夸克是不是比電子重600萬(wàn)倍呢？這是因?yàn)閮煞N粒子與希格斯粒子的耦合強(qiáng)度相差600萬(wàn)倍。
>> 弱核力的媒介——玻色子W和Z與希格斯的耦合給了它們質(zhì)量，也賦予了一些專屬于弱核力的特性。
>> 當(dāng)溫度更高時(shí)（即在更早時(shí)期），電磁力和弱核力變成了唯一的、統(tǒng)一的力——電弱相互作用
◆ 普朗克尺度與量子引力：連接無(wú)窮大與無(wú)窮?。?/span>
>> 依據(jù)伽利略的例子，我們可以確定量子引力的能量尺度，這其中用到了代表引力的引力常數(shù)G、代表量子物理的普朗克常數(shù)h和代表相對(duì)論的光速c。這三個(gè)常量很容易組成一個(gè)擁有能量量綱的新尺度，單位平方米千克每二次方秒（m2·kg·s-2），這就是“普朗克能量”，相當(dāng)于約1019吉電子伏。
>> 這三個(gè)基本常數(shù)的另一個(gè)以“米”為單位的組合，即“普朗克長(zhǎng)度”，相當(dāng)于約10-35米——這是一個(gè)極小的距離，展示出人們心中的“無(wú)窮小”概念。最后一個(gè)組合以秒為單位，稱為“普朗克時(shí)間”，即10-43秒。
>> 光子是光線的粒子，引力子就是引力的粒子。同樣，強(qiáng)核力是以膠子為介質(zhì)，而弱核力以玻色子W和Z為介質(zhì)。
>> 從這些基礎(chǔ)介質(zhì)粒子的角度來(lái)看，力的逐步統(tǒng)一首先是在光子、玻色子W和Z的層面上，即電弱相互作用的統(tǒng)一；然后加入膠子，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱相互作用的大統(tǒng)一；最后，為了實(shí)現(xiàn)引力與量子理論的終極統(tǒng)一，還需加入引力子的假設(shè)。
◆ 帕斯卡的“兩個(gè)無(wú)窮”
>> 在1609年，伽利略設(shè)計(jì)出復(fù)合式顯微鏡Occhiolino。這是顯微鏡的前身，由一個(gè)凸面透鏡和一個(gè)凹面透鏡構(gòu)成。
>> “我不僅想描述可視的宇宙，還想在原子這個(gè)縮影內(nèi)看到自然的廣袤。我想在其中看到宇宙的無(wú)垠，萬(wàn)物各有蒼穹、植物、土地，與可見(jiàn)世界有著相同比例。”帕斯卡告誡眾人：“萬(wàn)物皆有因也有果，間接或直接地從旁受助，也對(duì)外施援。一個(gè)自然而無(wú)法感知的紐帶把所有事物維系在一起，把最遠(yuǎn)、最不同的事物聯(lián)系起來(lái)。我堅(jiān)信，不了解全部就不可能了解部分，同樣，不了解部分也無(wú)法掌握全部?！?/span>
>> 我們已經(jīng)觸及量子引力范疇，但還沒(méi)有一個(gè)令人滿意的完整理論，即一個(gè)能夠與廣義相對(duì)論（描述了引力）和場(chǎng)的量子理論（描述其他基本力）天衣無(wú)縫地統(tǒng)一起來(lái)的理論。換句話說(shuō)，我們目前掌握的理論對(duì)于高于普朗克能量的能量形式來(lái)講都是無(wú)效的。從時(shí)間角度看，奇點(diǎn)時(shí)刻的時(shí)間小于普朗克時(shí)間（10-43秒）。
>> 弦理論最令人吃驚的地方是，在量子級(jí)別上的內(nèi)部嚴(yán)密性讓空間維度明顯超過(guò)了四維。這意味著，當(dāng)我們接近弦的能量級(jí)別時(shí)（離大爆炸很近），會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的空間維度！
>> 物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，還有一個(gè)違背大眾常識(shí)的事實(shí)：物體基本上由真空構(gòu)成，物質(zhì)僅聚集在原子核周圍；與原子本身的大小相比，原子核的尺度非常小。
◆ 視界問(wèn)題
>> “視界”是宇宙學(xué)的核心概念，也是相對(duì)論的焦點(diǎn)。視界與因果性原理密切相關(guān)。根據(jù)因果性原理，原因先于結(jié)果。
◆ 開(kāi)放、閉合、平坦？
>> 對(duì)于我們這個(gè)同質(zhì)、同性的宇宙而言，宇宙平均能量密度與空間曲率之間存在一個(gè)非常簡(jiǎn)單的關(guān)系：如果能量密度與一個(gè)臨界密度相同，空間是平坦的；如果能量密度高于這個(gè)值，空間是閉合的；如果能量密度低于這個(gè)值，空間是開(kāi)放的?，F(xiàn)今所知的臨界密度是10-26千克每立方米——算不上大數(shù)字，但要記住，這是全宇宙的平均能量密度。我們銀河系的密度最大。
>> 能量密度在大統(tǒng)一時(shí)期應(yīng)該為1 - 10-58，當(dāng)時(shí)的能量應(yīng)該在1016吉電子伏級(jí)別。
◆ 測(cè)量宇宙的燭光
>> 白矮星只有在質(zhì)量小于約1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)才是穩(wěn)定的，這就是印度天體物理學(xué)家錢德拉塞卡所確定的極限。
>> 氫譜線來(lái)自II型超新星，絕對(duì)不是I型超新星；而I型超新星則具有中間元素的譜線，如硅（Ia型）。人們由此推斷出剛剛發(fā)現(xiàn)的超新星的類型。
◆ 暗能量，只是一句漂亮話？
>> 宇宙能量的測(cè)算證實(shí)，20世紀(jì)90年代所有已知的能量形式，尤其是以物質(zhì)形式出現(xiàn)的能量（質(zhì)量的能量），最多相當(dāng)于平坦宇宙所需能量的30%。既然平坦宇宙已被證實(shí)，一個(gè)新的能量形式應(yīng)該占據(jù)了總能量剩余的70%！
>> 暗能量與暗物質(zhì)一起構(gòu)成了95%的宇宙成分。
>> 在20世紀(jì)20年代，數(shù)學(xué)家西奧多·卡魯扎和物理學(xué)家?jiàn)W斯卡·克萊恩為實(shí)現(xiàn)引力和電磁學(xué)的統(tǒng)一，提議創(chuàng)立五維相對(duì)論——四維空間和一維時(shí)間。從此，統(tǒng)一成了可能。
>> 我們看到，輻射是原始宇宙時(shí)期占據(jù)主導(dǎo)地位的能量形式，之后，恰巧在復(fù)合時(shí)期之前，物質(zhì)質(zhì)量才占了上風(fēng)。這是因?yàn)椋煌问降哪芰侩S著溫度變化而出現(xiàn)一些不同的表現(xiàn)：各種能量都存在，但在不同時(shí)期，某一種能量會(huì)占上風(fēng)
◆ “存在”問(wèn)題
>> 真空能量密度應(yīng)該能根據(jù)量子引力能級(jí)——“普朗克等級(jí)”來(lái)表達(dá)，計(jì)算得到的值為1094千克每立方米，竟然比測(cè)量值大了120個(gè)數(shù)量級(jí)，即10-26千克每立方米的10120倍！
>> 這一結(jié)果撕開(kāi)了一道理論的鴻溝，至今依然橫梗在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間：使用當(dāng)前的理論，我們搞錯(cuò)了120個(gè)數(shù)量級(jí)。如果想證實(shí)暗能量來(lái)自真空能量，我們必須填補(bǔ)這條鴻溝。
>> 弦理論選擇了“人擇原理”——正是大自然的常數(shù)值，才讓觀察自然的觀測(cè)者能夠存在于世。
◆ 第七章 黑暗的教訓(xùn)： 黑洞
>> 太陽(yáng)（質(zhì)量為2×1030千克）的史瓦西半徑為3千米
>> 在18世紀(jì)末，米歇爾及后來(lái)的拉普拉斯指出了引力一個(gè)令人震驚的特性：如果質(zhì)量為M的天體足夠致密，其半徑甚至小于2GM/c2（其中G是牛頓常數(shù)，c是光速），那么光的“微?！本筒荒芴用撛撎祗w的表面。
>> 史瓦西在廣義相對(duì)論的框架下重新發(fā)現(xiàn)了相同的距離尺度：如果天體的半徑小于史瓦西半徑2GM/c2，天體發(fā)射的光線就會(huì)被圈禁。
◆ 恒星之死
>> 恒星的演變動(dòng)力是兩個(gè)相反的作用力：引力致使恒星坍縮，核力輻射出的熱量讓恒星膨脹。
>> 1971年，第一個(gè)黑洞候選者被確認(rèn)了身份。人們通過(guò)觀測(cè)X射線，發(fā)現(xiàn)天鵝座X-1雙星系統(tǒng)的兩個(gè)天體之一就是黑洞。從雙星系統(tǒng)的另一個(gè)天體——伴星中奪來(lái)的物質(zhì)落入黑洞的視界上，發(fā)出了X射線。之后，人們確認(rèn)這個(gè)致密天體的質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的6倍——這對(duì)于中子星而言太重了，因此，人們認(rèn)定這個(gè)天體就是黑洞。
◆ 令人困惑的黑洞
>> 來(lái)自粒子流的光被稱為“γ射線暴”；爆發(fā)足夠明亮，在地球上肉眼可見(jiàn)，但亮度隨著時(shí)間快速減弱。
>> 1967年，美國(guó)“船帆座”（Vela）號(hào)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了γ射線暴。
◆ 宇宙的引力實(shí)驗(yàn)室
>> 從本質(zhì)上，受引力支配的物體僅被三種物理量定義：質(zhì)量、角動(dòng)量（考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)）、電荷。
>> 值得一提的是，這樣的物體與基礎(chǔ)粒子性質(zhì)相同，基礎(chǔ)粒子也有三個(gè)基本物理量：質(zhì)量、內(nèi)稟或自旋角動(dòng)量、電荷。
>> 在通常含義中，信息可以分割為基礎(chǔ)信息，比如計(jì)算機(jī)程序中0和1的序列。對(duì)黑洞來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)信息就是基礎(chǔ)粒子的速度與位置；而基礎(chǔ)粒子的基本量是質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷。黑洞是儲(chǔ)存信息的巨大容器，所有經(jīng)過(guò)視界的信息都被留在黑洞中，我們甚至可以假設(shè)，黑洞的視界布滿了信息。
>> 視界有兩個(gè)特性，與觀測(cè)者緊密相關(guān)的特性以及時(shí)空特性，這是引力視界所特有的。
>> 視界也以某種方式與“無(wú)窮”達(dá)成了和解。在古代，視界代表了圓形天空與廣袤大地之間的界限。視界在一個(gè)無(wú)限大的空間里限定了一個(gè)有限的區(qū)域，這是它的意義所在：當(dāng)我們留在視界這一邊，不必計(jì)較“有限”還是“無(wú)限”的問(wèn)題。
◆ 第八章 引力波登場(chǎng)
>> 與引力有關(guān)的波被稱為“引力波”，源于大量物質(zhì)的快速運(yùn)動(dòng)。
>> 引力波是曲率的波動(dòng)。
>> 引力是一種十分微弱的力，所以，引力波在大距離上（能一直達(dá)到全部可測(cè)宇宙的范圍）傳播時(shí)幾乎沒(méi)有變形，傳播途中遇到的物質(zhì)幾乎干擾不到它們。
◆ 光速傳播
>> 開(kāi)普勒定律根據(jù)雙星系統(tǒng)的相同質(zhì)量M和軌道半徑R，給出了旋轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算方法：運(yùn)行頻率的平方與質(zhì)量成正比，與軌道半徑的立方成反比，其比例系數(shù)包括引力常數(shù)。
>> 在更原始的時(shí)期，產(chǎn)生引力波的事件對(duì)應(yīng)著一個(gè)更狹窄的視界、更微弱的波長(zhǎng)和更高的頻率。
◆ 多大的探測(cè)器？
>> 為了測(cè)量引力波，探測(cè)器應(yīng)該能測(cè)量位于相關(guān)波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)（至少不能小太多）距離上的兩個(gè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。波長(zhǎng)是通過(guò)波的頻率與速度算得的，更精確地講，是通過(guò)光速（千米每秒）除以頻率（赫茲）計(jì)算出來(lái)的。
>> 中子星雙星系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波頻率達(dá)上百赫茲，因此波長(zhǎng)在300000/100數(shù)量級(jí)，也就是3000千米。
>> 一個(gè)超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，引力波頻率是10-4至10-2赫茲，波長(zhǎng)超過(guò)了3000萬(wàn)千米。
◆ 13億年前
>> 兩個(gè)黑洞，其各自的質(zhì)量大約是30倍的太陽(yáng)質(zhì)量。
>> 13億年后，確切地說(shuō)是世界時(shí)間2015年9月14日9時(shí)50分45秒，時(shí)空的彎曲到達(dá)了地球。
>> 一項(xiàng)更精確的分析確定了兩個(gè)黑洞各自的質(zhì)量，分別為29倍和33倍太陽(yáng)質(zhì)量，而最終的黑洞有62倍太陽(yáng)質(zhì)量。你可以做下加法29+33=62+3，結(jié)果少了3倍太陽(yáng)質(zhì)量。這意味著在數(shù)個(gè)0.1秒中，雙星系統(tǒng)以引力波的形式輻射出的質(zhì)量能量達(dá)到了近1050瓦特！超過(guò)了整個(gè)可觀測(cè)宇宙中所有天體在同一時(shí)間里以光能形式輻射出的全部能量。
>> 從觀測(cè)信號(hào)的振幅推出從信號(hào)到源的距離，即13億光年或410兆秒差距。這個(gè)數(shù)字高于最初預(yù)測(cè)的200兆秒差距。原因很簡(jiǎn)單：雙星系統(tǒng)的質(zhì)量比預(yù)期大了許多——這是兩個(gè)約30倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞而不是1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星，因此波源能量更大。
>> 我們不得不停下來(lái)贊嘆一番：在20世紀(jì)初，一位物理學(xué)家僅憑極其有限的引力實(shí)驗(yàn)，以及全靠大腦想出來(lái)的思想實(shí)驗(yàn)，就能提出一個(gè)直到今天才能在極端條件下被證實(shí)的理論，而他甚至沒(méi)能設(shè)想到這些極端條件。
◆ 空間天線可探測(cè)的科學(xué)
>> 特別是，空間天線的好處之一是其頻率范圍與已知波源——毫秒脈沖星的頻率范圍一致，恰是這一波源證實(shí)了引力波的存在。
◆ 當(dāng)宇宙仍然不透光的時(shí)候……
>> 引力波的另一個(gè)用處，是能直接提供與復(fù)合時(shí)期之前的歷史有關(guān)的信息。
>> 在原始宇宙的相變過(guò)程中，真空改變了性質(zhì)和能量。一個(gè)新的真空，帶著更少的能量與更大的穩(wěn)定性，逐漸發(fā)展起來(lái)，類似水中的氣體。新真空中的氣泡在舊真空中發(fā)展起來(lái)。它們逐漸變大，相互之間開(kāi)始碰撞，產(chǎn)生了渦旋。正是這些氣泡的對(duì)撞及渦旋現(xiàn)象產(chǎn)生了引力波。
◆ 原始引力波與宇宙暴脹
>> 探測(cè)來(lái)自暴脹時(shí)期的原始引力波的方法之一，就是利用引力波與宇宙微波背景的光子之間的相互作用。這一相互作用讓宇宙微波背景光線發(fā)生了偏振。
>> 在今天或者未來(lái)，人們探索宇宙微波背景的最終目的就是確認(rèn)其中是否存在偏振。在大爆炸之后10-38秒產(chǎn)生的引力波將是一道穿過(guò)暗墻的神奇通道，而這堵暗墻早在復(fù)合時(shí)期之前就出現(xiàn)在我們面前。
2019.4.15
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