宇宙的第一縷光：一部宇宙演變史，也是一部人類科學認知發展史。 從宇宙大爆炸到未來宇宙，科學探索正在改變我們看待世界的方式。（簡體書）

《宇宙的縷光》是義大利航天局前局長羅伯托·巴蒂斯頓的一部重磅作品，從138億年前宇宙的誕生到21世紀、前沿的天體物理、航天科技，一部物理學、天文學、生物學和哲學交織的人類認知發展史。

什麼是時間和空間？它們是如何與大爆炸聯繫在一起的？我們在宇宙中的位置是什麼？我們從哪裡來？未來還有什麼在等著我們？我們是星際還是星際物種？宇宙學目前的界限是什麼？在未來的幾年和幾十年裡，我們的知識將何去何從？從宇宙大爆炸到未來宇宙，科學探索正在改變我們看待世界的方式。

本書作者羅伯托·巴蒂斯頓結合自己多年來的研究成果以及對於宇宙未來和太空經濟的展望，解答諸如生命的起源、能量和暗物質的組成、太陽的誕生和死亡、星際遷移、其他宇宙的存在等棘手問題，帶我們去探究一系列源起、發現和認知的轉變，了解人類是如何改變對事物的認知，又如何實現轉換視角來觀察事物的。他提醒我們，我們所知道的只是我們所有知識的一小部分。文筆優美而浪漫，行文通俗易懂。讓我們踏上旅程，向人類認知的邊界前行，甚至走得更遠一些。

[意]羅伯托·巴蒂斯頓（Roberto Battiston）/著

著名實驗物理學家，義大利特倫托大學物理系教授，義大利航天局前局長，義大利國家核物理研究院粒子天體物理委員會前主席，國際空間站重要專家之一，國際宇航聯合會“名人堂”獎獲得者。他在20世紀80年代參與了中間玻色子的發現。他與諾貝爾獎得主丁肇中合作，於1993年開始探索宇宙射線中的反物質，並發表了500多篇科學論文。他是著名的科普作家，著有《量子力學》《病毒的數學——理解和戰勝大流行的數字》《藝術家和科學家之間的對話》等。2019年12月，他被評為“21世紀為人類做出重要貢獻的科學家”之一。

李禾子/譯

畢業於義大利米蘭理工大學，碩士學位。自幼於義大利學習，具備母語級別的義大利語語言水平，目前主要從事義大利語言學研究，擁有扎實的翻譯理論功底和豐富的翻譯實踐經驗。

譯作有《怎樣讀懂藝術流派》《品鑒藝術浪潮》《19世紀末義大利博物學家被遺忘的故事》《兒童趣味歷史》《義大利史》等。

• 一部宇宙演變史，也是一部人類科學認知發展史

“宇宙的縷光”意味著開端，本書將伴隨讀者去探索一系列的起源，揭秘未知，打開視野；“宇宙的縷光”代表著新事物的橫空出世與未完成形態之間的張力；“宇宙的縷光”更代表著“探索”，它意味著持續面對全新的答案，以及從中衍生出的全新問題。打破認知極限，顛覆認知常識，在無限小和無限大之間開啟一場科學探索之旅吧！

• 世界一流的權威專家，在探索宇宙一線工作多年的思考和領悟

著名實驗物理學家，義大利特倫托大學物理系教授，義大利航天局前局長，義大利國家核物理研究院粒子天體物理委員會前主席，國際空間站重要專家之一、“21世紀為人類做出重要貢獻的科學家”之一——羅伯托·巴蒂斯頓力作。

• 物理小白天文愛好者·科幻迷·宇宙探險家，適合所有人看的一部宇宙探索史。用通俗易懂的語言解答諸如生命的起源、能量和暗物質的組成、太陽的誕生和死亡、星際遷移、其他宇宙的存在等複雜的問題。

內外雙封，硬殼精裝，精致工藝呈現宇宙的縷光。護封中心圓用五彩激光燙印，代表我們對廣博無垠、斑斕宇宙的探索；一道銀色的弧線，代表著黎明的曙光，我們將繼續前行。內封和腰條用專銀墨在黑卡紙上印刷。

1 越過地平線的光——人類翻越知識地平線的歷史 ............ 001

黎明之下，升起的是我們，而非太陽。科學是如此顛覆我們的視角，引導我們去揭曉那些往往偏離大眾常識的真相。

2 旅伴——巨人肩膀上的巨人 ........................................ 007

在這場試圖尋覓甚至超越知識的極限的旅行中，我們需要明白帶什麼上路，而誰又將與我們同行。

3 宇宙法則——力、時空和質能在此統一 ........................ 011

簡短，並不意味著簡單。它揭露了許多曾被古代思想家們所忽視，但卻對描述我們的宇宙有著非凡意義的驚人特性。

4 認識無知——科學的極限 ........................................... 019

一種科學理論，無論多麼重要多麼具有說服力，都可能被區區一個實驗所駁倒，許多科學家都經歷過此，包括愛因斯坦。

5 房間裡的大象——遺留問題和科學革命 ........................ 025

科學，比想象中更為頻繁地借助於基礎卻難以理解的假設，而人們總是刻意地忽視其中某個嚴重的問題，並總想著早晚會有人來解決它。

6 要有光？——宇宙學說的演變 ..................................... 032

正是科學的飛速進展，讓我們驚奇地發現，我們在尋找知識之鑰的途中所依賴的路燈，點亮的不過是宇宙的一小部分。

7 空間——扭曲的直角坐標系 ........................................ 039

至今絕大部分人依然和牛頓一樣，相信這世上的時間和空間從零開始一路自由延伸至無窮，仿佛打開時空的導航儀便可以直奔大爆炸，跟乘坐飛機去旅行一樣，輕而易舉。

8 地獄十分鐘——大爆炸後的瘋狂十分鐘 ........................ 046

我們要避免將宇宙的誕生，看作是太空中某個遙遠未知點上所綻放的盛大煙火，而我們也絕非像觀看電影那樣在對它進行觀測。

9 曾未有光——不透明的宇宙 ........................................ 059

在曾經的某個瞬間，宇宙可能是不透明的，或者更恰當地說，它被一層光霧所籠罩，也就是說，這世上是沒有光的。

10 宇宙的縷光——蹺蹺板上的恒星 ........................... 063

恒星的一生，維持著引力和與之抗衡、產生大量能量的核聚變反應之間的微妙平衡。失衡死亡，爆炸誕生。它就像搖滾演唱會裡觀眾陸續亮起的手機和打火機那樣，點亮了宇宙。

11 特別的恒星——我們的太陽 ........................................ 068

太陽和太陽系的故事開始於約 45 億年前，迄今為止，太陽轉換了約等於地球質量 100 倍的能量，這一驚人數字也相當於太陽自身質量的 0.03%。

12 太陽系的曙光——從原行星星云到太陽系 ..................... 073

我們似乎總是難以抑制地將這個時間節點上的太陽系認定為與眾不同，並相信它和宇宙的其余部分一樣，是為了我們才從混沌中演化出此刻的秩序。

13 地球與氣候——在宇宙間走鋼絲 .................................. 080

我們的存在，依賴於自然演變的時間節奏緩慢，但人類對氣候造成的影響，卻將這一切無限加速了。

14 生命的曙光——自發還是外來？ .................................. 084

我們從哪裡來？盡管科學家和哲學家們嘗試以多種方式提供了五花八門的答案，但從嚴謹的科學角度上說，我們並未取得顯著的進步。

15 星際移民——星系間的生命遷移 .................................. 091

生命，可能並不需要通過如岩石般巨大的飛船進行星際移動；外星人，也可能只是某種自古與我們共存的特殊生物形態。

16 其他太陽，其他世界——銀河系外的行星 ..................... 100

我們再也沒有理由將地球視作一顆典型行星了，因為在觀測了成千上萬個案例後，我們發現，許多行星都具有自己鮮明的特色。

17 他們在哪裡——零或無窮的外星人 .............................. 110

外星人可能已經數次造訪過地球，但如果這可能性真的如此之高，那為什麼我們一直無法驗證外星生物的存在？

18 宇宙的黑暗面——那些不發光的存在 ........................... 114

宇宙的大部分竟然暗黑且無法洞察，但如果想想在夜班飛機上看到的景色，就會明白這件事並不奇特。因為我們所能辨別的，只有光所點亮的那部分。

19 宇宙結構——規範宇宙的力 ........................................ 122

盡管基本力的強度和覆蓋範圍天差地別，但正是歸功於它們，物質才能井然有序地分布於宇宙的各個尺度。

20 黑洞——引力主宰 ..................................................... 128

當天體質量足夠大，極其微弱的引力將表現出與其不匹配的貪婪，支配著任何試圖反抗它的因素。此刻，引力才展現出它那不可戰勝的強大，甚至連光都無法逃脫。

21 新天文學——捕獲引力波 ........................................... 138

引力波幫助我們觀測宇宙中以黑洞和中子星為主的黑暗部分，並使我們有機會深入研究各種僅持續幾秒或幾分鐘的現象，這為天文學翻開了一個全新篇章。

22 接近無限大——宇宙的尺寸 ........................................ 150

可觀測宇宙的半徑遠遠大於宇宙年齡和光速的乘積。從人類尺度出發，以米作單位，需要經過 27 個數量級單位，才能轉換至人類可抵達的距離。

23 接近無限小——原子和亞原子的微觀世界 ..................... 155

這是一個肉眼無法看見的、由量子力學所統治的世界，我們只能通過粒子加速器觀測。大部分發現都真正意義上讓人驚喜，而每一次，我們都以為探索到了盡頭。

24 大科學——無法預見的發明發現 .................................. 165

科學，和所有其他文化形式一樣，是社會在其組成人數達到某個臨界值後所發展出來的活動。它與日常生存無關，但從長遠來看，卻提供了乍看之下並不明顯的好處。

25 宇宙實驗室——來自宇宙的信使 .................................. 174

我們可以將宇宙看作一個巨大的實驗室：在這裡，物質和能量，以在地球上無法企及的時間、空間及能量尺度，持續進行著形色各異的實驗。

26 一顆特別的粒子——粒子量杯 ..................................... 179

希格斯場就像一個玻璃杯，可以倒進不同數量的液體，杯中液體的高度，也就是不同粒子的質量，都是觀測數據（形成於宇宙誕生的初時刻），且理論無法預測。

27 反物質——神秘的消失 ............................................... 183

一顆能量為負的粒子並不是那麼容易被人們所接受，而且這樣一顆粒子將無法遏制地喪失正能量。它竟然是熵減的，相當於一顆在時間上倒退的粒子。

28 搜尋太空反物質——前沿科學 ..................................... 190

正如卡爾 · 薩根所言：“非凡的結論需要佐以非凡的證據。”這就是為什麼，接下來您所看到的這些事件尚未在任何科學期刊上發表。

29 新的地球，新的曙光——在火星上度過余生 ................. 199

今天，富可敵國的私人企業家參與進空間探測領域，他們渴望將自己依賴新興經濟的全球企業所積累的財富，投入到太空探索中去。傳奇的 SpaceX 創始人埃隆 · 馬斯克的目標很明確，那就是在火星上度過余生。

30 航空曙光——從飛機到太空飛機 .................................. 217

位於美國加利福尼亞州莫哈韋沙漠的航天發射中心，一個航天學界的傳奇之地。在這裡，在這些位於機場跑道附近的小房子裡，誕生了許多航天界前沿的創新。

31 相鄰星球的曙光——衝出太陽系 .................................. 224

我們真正應該改變的是離開的方法，畢竟，能夠將物體加速至與光速相近的，就是光本身！

32 衛星越來越多，越來越小——小衛星風潮 ..................... 230

近 20 年，科技在電子元件小型化和節能化方面顯著進步。每個人口袋裡都攜帶著的手機，就和一顆衛星相差無幾，一切功能都被集中在了這小巧的體積上。

33 未來的曙光——去向何方 ........................................... 239

我們認識到，宇宙和它那無限的空間其實並不奇特：或許真正怪異的，是有意識對它們進行觀測的——我們。

 鳴謝 ..................................................................... 249

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越過地平線的光

人類翻越知識地平線的歷史

拂曉［alba（義大利語）］。一個被詩人所歌頌的奇妙時刻，一個劃分了先後概念的密集瞬間，黑暗與光明由此分離。太陽抵達之前所綻放的束微光—長久以來，拂曉一直被如此想象、傳頌著。那是在我們的地球直面太陽之前提早到達的漫射光。無論是童年時期令我們驚嘆的次晨曦，還是從海面甲板上觀察到無數次的曙光，或是國際空間站（ISS）舷窗中因軌道速度而得以欣賞到的每天 18 次黎明，抑或是小王子那個日出日落隨心而定的小星球所帶來的想象—拂曉時分，將靜止與運動微妙融合。如同蕩到點的秋千和不經意間抵達個陡峭下坡的過山車，“拂曉”也意味著即將到來的未知前方。

然而我們都知道，事物的本質與其表象不盡相同。黎明的曙光看起來是在朝著我們奔來，但其實是我們隨著地球轉動向光而行。升起的是我們，而不是太陽，是我們終於潛行至這顆恒星的光錐之下，從地球每晚為自己投下的陰影中走出。同理，科學也是如此顛覆我們的視角，引導著我們去揭曉那些往往偏離大眾常識的真相。

若拂曉意味著開端，那麼，希望本書能伴隨各位前去探索一系列的起源，揭秘未知，打開視野。我們將從這段旅程中知曉人類對事物的理解如何改變，如何從另一個角度對事物進行觀察。

科學渴望突破已知的極限，一如探險家尋覓新大陸。科學探索不僅向著空間也向著時間延伸，旨在了解事物本質，探明規律法則，調查前因後果。正是得益於科學，近幾個世紀以來，我們對世界的看法和對自身在宇宙中的定位，產生了翻天覆地的改變，開拓了前所未有的領域。這是一次巨大的努力，不僅凝結了杰出人才的智能與奉獻，也囊括了大半個科學界的辛勞付出。這場付出帶來了令人驚喜的成果，意義非凡：我們的思想，在無數次嘗試和錯誤之後，終於一步一個腳印地從流傳千年的迷信和極具欺騙性的表象直覺中解脫。這來之不易的知識曙光，在新的探索發現基礎上，將邁過人類那些被理性思維和實驗驗證所超越的腐朽理念。

本書將伴隨讀者進行一場旅行，試圖尋覓甚至超越知識的極限：我們將在宏大和微小的尺度裡探秘宇宙，走近時間的起點，眺望遙遠的未來。我們將就此探問，生命是否來自遠方，又是否能夠在未來宇宙探索中繼續它的旅程。

我們將借此了解那些曾經在宇宙探索之旅中助我們一臂之力的科研技術，同時我們也將介紹幾個揭秘了宇宙法則的科研實驗。

宇宙不會輕易揭示其奧秘。恰恰相反，它迫使渴求答案的尋訪者踏上一條艱險異常的道路。不僅如此，在這場障礙重重的探索中，通常的敵人正是我們自己。人類這樣一個非凡的物種，擁有著不知疲倦的好奇心和無可比擬的探索欲，在物質世界和精神世界裡開疆辟土；與此同時，人類又是根深蒂固的保守主義者，全副武裝時刻戒備，將每種文化維持在現狀—我們總是迫不及待地，將求知的荊棘之路上所遇見的任意停靠點判定為確切的終點。科學進程重要的轉折點之一是哥白尼革命，它將地球從自古流傳的宇宙中心寶座拉下—事實上早在亞裡士多德的年代就已經出現了各種反對聲音—由此開始了一次全新的宇宙定位，並被沿用至今。我們在這一幻象中沉溺了千年，始終堅信自己是宇宙的中心，享受著這個特意為我們而創造的、獨一無二的世界：日月星辰圍繞我們旋轉，臣服於人類這樣一個奇妙卻又並不完美的創造物。

讓我們回想一下，早在公元前 3 世紀，薩摩斯島的天文學家阿裡斯塔克（Aristarchus）就已經提出太陽相對於地球運動的軸心地位，但未能鞏固其論點，也正是因此而被忽視了近 20 個世紀。從中得以一窺我們自以為是的宇宙中心地位是如何建立起知識探索中難以逾越的壁壘之一的—唯有將其打破，才真正標志著我們跨越了古代文明，邁向現代文明。

在破壞了托勒玫體系的美洲大發現幾年之後，地球仍然頑固地堅守在宇宙中心：在它周圍旋轉著行星、太陽和恒星天球。直到 1609 年，偉大的伽利略才通過觀測證實了哥白尼假說，在開普勒定律和牛頓原理之間建立起了一座真正的橋梁，由此開始逐步拆除我們錯誤安置的人造基石。不過即使是偉大的哥白尼革命，也曾被當時年代的偏見所禁錮：當時人們普遍相信世界的不變性，無論是凡間或是異界。簡而言之，當時的我們仍沉浸在一種人類中心主義的視角之中，並借此將身處的世界認定為旅程終點和安穩現世。

此後，一系列轟動的創新科研成果為人類的認知帶來了全新突破，將我們從各類迷信中解放。從 19 世紀下半葉達爾文的物種進化理論，到 20 世紀初魏格納的板塊構造理論，直至 20 世紀前半葉哈勃的宇宙學，我們開始逐漸理解進化演變的節奏—無論是與自身相同的生物，還是曾因相對人類而言改變速度過於緩慢而被我們輕易視為靜態的非生物。

今天我們已經知曉人類所生活的宇宙時刻處於變化之中：它在百億年間不停地發展演變，其中的生命與無生命元素皆在不斷進化和變異。它的故事如同一本書，其中許多章節尚待寫就，而已經完成的部分則仍未被徹底參透。正如伽利略所言，只有熟知其所使用的數學符號和語言，我們才能真正理解這本書。在這個故事裡，人類和地球的章節恐怕只占據了一個微不足道的篇幅—盡管這一切在我們自己眼裡多麼意義非凡。

宇宙探索充滿了嘗試、緊張、期待、疑惑，以及令人激動的成功—這些探索掀起了名為“無知”的面紗，打開了更為廣闊的求知道路，並不時引發無法預知的結果。另一方面，物理、生物、太空探索、現代信息技術的使用及研究等領域所帶來的科研革命，以愈發緊迫的節奏持續為我們拓寬著視野：現在我們每天都能獲知重要的科研進展與成果，那來自全世界數十萬研究人員的勞動結晶。也許未來某一天，會有人指出當今科學的局限與不足，但這正是進步的基礎。顯然我們正處於一個振奮人心的時代，無數知識的地平線正被我們急速翻越。

如果拂曉代表著新事物的橫空出世與未完成形態之間的張力，那麼我覺得，這似乎是對“探索”一詞極好的隱喻—它意味著持續面對全新的答案，以及從中衍生出的全新問題：我們對宇宙的理解也因此不斷更新，陸續迎接著更為廣泛的疑惑和難題。