作者：（英）保罗·帕森斯,青年天文教师连线译
出版社：湖南科学技术出版社
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万物的历程试读：
时间轴
时刻=0：大爆炸
宇宙是在密度和温度无穷大的环境下诞生的。在那之前什么都没有，一瞬之间，物质、能量、空间和时间都自发地形成了。没人知道是什么导致了大爆炸，也没人知道大爆炸之前存在着什么。
时刻=0.000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,1秒：普朗克时期（一千亿亿亿亿亿分之一秒）
这时的温度仍然高达1亿亿亿亿度。时间和空间仍然模糊不清且无法区分，在量子物理的定律支配下存在着。
时刻=0.000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,01秒：暴胀（一亿亿亿亿分之一秒）
此时的宇宙经历了一次快速的宇宙学增长，那是指数级的喷薄而出。暴胀不仅解决了宇宙理论的多个问题，还在宇宙大尺度结构中为星系和星系团的形成埋下了种子。
时刻=0.000,001秒：夸克时期（一百万分之一秒）
此时整个宇宙是一片夸克组成的海洋，正是这些微小的粒子组成了质子和中子。
时刻=1秒：强子时期
随着温度降到1万亿度以下时，夸克开始凝聚成质子和中子（统称为强子），这些粒子也是原子的基本组成部分。
时刻=10到1000秒：轻原子核的合成（十到一千秒）
这时候温度下降到了10亿度，质子和中子开始结合在一起，形成了较轻的化学元素原子核，例如氢核、氦核和少量的锂核。
时刻=380,000年以内：辐射时期（三十八万年以内）
尽管原子核此时已经形成，但是宇宙中充斥着炽热且猛烈的辐射，将任何试图结合的原子撕裂开来。
时刻=380,000年：再复合（三十八万年）
宇宙的温度冷却到大约3700摄氏度，电子终于有机会和原子核结合形成了最初的原子。此时的宇宙由物质主宰，而不是辐射。
时刻=380,000年—180,000,000年：黑暗时代（三十八万年到一亿八千万年）
宇宙由物质主宰，但是却没有物质能形成恒星、星系或其他会发光的东西。
时刻=180,000,000年—1,000,000,000年：宇宙的黎明（一亿八千万年到十亿年）
第一批恒星的光芒刺破黑暗——这也被称为“宇宙的黎明”。自此，宇宙黑暗时代落下帷幕。
时刻=1,000,000,000年—10,000,000,000年：结构的形成（十亿年到一百亿年后）
星系、星系团和超星系团都是在大爆炸后约十亿年时形成的。星系聚集形成星系团，星系团汇聚形成超星系团。
时刻=9,200,000,000年：太阳系的诞生（九十二亿年）
一团由氢、氦和几种更重的元素组成的云团绕着银河系转动，它开始在自己的引力下碰撞。最终，云团的核心形成了一颗年轻但炽热的恒星，围绕着它的是一个由冷凝下来的物质和碎片混合组成的圆盘，里面富含岩石、气体和冰块。这就是我们太阳系的形成。
时刻=13,800,000,000年：现在（一百三十八亿年）
如今的宇宙处处繁星璀璨——也就是恒星的时代。天文学家预计，这个星辰闪耀的时期将持续到宇宙存在一百万亿年，在这之后，新恒星的形成将会停止。而那时太阳早已死去。
时刻=100,000,000,000,000年之后：遥远的未来（一百万亿年之后）
超过一百万亿年之后，宇宙的行为基本上是未知的。虽然目前已经有了一些关于宇宙如何演化，以及它将如何最终结束其时代的理论的可能性。
序章
距今约138亿年前的某一天，发生了一件惊天动地的事情：
我们的宇宙诞生了。
物质和能量组成了你现在在世界上能看见的一切——无论是这本书，你呼吸的空气，你身体里的生命物质，还是来自太阳或者遥远恒星的光芒。所有的这一切都是在那个瞬间创造出来的。这些“材料”如今分布在广袤无垠的宇宙中。我们并不知道宇宙确切有多大，但我们能看见的部分就有920亿光年那么大（一光年是指光在一年内传播的距离）。从我们所见最远的物体（那些在遥远处聚集起来形成一定形状的恒星群被称为“星系”）发出的光线，早在134亿年前就开始了自己的宇宙之旅，这甚至比我们的太阳和太阳系形成的时间都早了数十亿年。
在一个晴朗的夜晚眺望星空，你可能会想到这些问题：这所有的一切都是从哪儿来的？宇宙中的物质是怎么聚集形成繁星点点的星系的？浩瀚宇宙的尽头在哪里？我们的宇宙将来还能存在多久？
有史以来，这些问题就一直困扰着我们最伟大的思想家们。迄今为止，我们已经找到了很多答案，而事实和这些答案一样引人注目。
数千年中，我们的宇宙观都是建立在宗教和造物主的观念上的，任何敢于用更加科学的方法挑战这一观念的人都倒了大霉。而最早的世俗宇宙观则一点也不完美。例如，古希腊的哲学家把地球放在了宇宙的中心，太阳、行星和遥远的群星都环绕着地球运转。到了17世纪，因为望远镜的发明，人们对夜空的观测记录开始逐渐积累起来，这些记录则是验证宇宙理论的绝佳证据。与此同时，对整个宇宙进行的研究也成了一门定量的科学，那就是宇宙学。
使用望远镜对外太空的观测限制了正确的宇宙理论的范围，因为任何和观测不符合的理论模型都可以立即被抛弃。特别是在20世纪20年代，天文学家发现宇宙正处在扩张当中。这一发现将当时主流且可行的理论减少到了两种。一种理论认为宇宙有一个特定的起源，那是一种极端高温高密度的状态；而另一种理论则认为宇宙一直就在那里存在着。这两种宇宙可能状态的争论持续了数十年，最终在20世纪60年代得以解决，当时的观测结果表明，宇宙在过去确实存在着更炽热、更致密的阶段。
这意味着宇宙不是从古至今都存在的，而是从远古时期一场混乱的事件中诞生的——这就是众所周知的大爆炸。
就在一瞬间，从一片虚无中（不仅没有物质和能量，就连我们熟悉的时间和空间都不存在），宇宙在爆炸中突然诞生。乔治·勒迈特是比利时的一位天主教神父，也是一位在宇宙大爆炸理论的发展中扮演了重要角色的宇宙学家。他颇有诗意地称大爆炸为“没有昨天的一天”，因为大爆炸本身就是时间的开始。
大爆炸始于一个炽热且稠密的火球——准确地说是一个由物质、能量、空间和时间纠缠在一起形成的结。它是如何出现的，为何出现，没有人能说得清。许多物理学家坚信答案就埋藏在复杂的量子物理定律之下，正是这些定律塑造了亚原子粒子、微观世界以及它们之间的联系。在这种体系里，粒子会从量子区域中突然出现随后消失，再冒出来，短时间后再消失。因为我们的宇宙在大爆炸时期是如此微小且致密，似乎非常符合量子定律的适用条件，这使得我们有理由假设宇宙是以同样的方式出现的。
然后呢？大多数量子粒子都是从一无所有中诞生，然后在很短时间后完全地消失。粒子从“量子银行”中借走的物质和能量越多，那么必须要在越短的时间内偿还代价，也就是说大质量的粒子很快就消亡了，而小质量的粒子能多存在一会儿。但是如今，宇宙已经走过了上百亿年的历史，而且是如此庞大，而且目前没有显示出任何将要消亡的迹象。令人难以置信的是，这一问题的可能答案是尽管宇宙如此壮丽，但它的总质量实际上是零。这是因为引力场也携带着能量。引力能量实际上是负的，并且在一些宇宙模型中与宇宙的组成是相反的存在，所以两者可以相互抵消。如果事实确实如此，那么我们的宇宙在“量子银行”的信用记录可真是非常良好了，它可以安心自在地存在很长的一段时间。
从宇宙大爆炸早期的混乱旋涡中诞生了物理定律，这些定律束缚着以不同形式存在的能量与质量，以及它们之间的相互作用。这听起来可能有些不可思议，但绝对是真的。更不可思议的是，整个过程本质上来说都是随机的，如果重新运行这个“程序”，你可能会得到一套不同的物理定律。正如我们所见，很可能存在着平行宇宙，在那里有截然不同的物理定律主宰着那个宇宙的运行。这些法则将宇宙的原始成分组合成第一种化学元素，这也是今天你在世界上所看到的一切事物的基础。微小的亚原子粒子被强大的量子力捆绑在一起，形成最简单的元素——氢的原子核。这些氢将融合成下一个元素——氦。
随着宇宙空间的继续膨胀和冷却，组成物质的原子和分子在引力的作用下最终形成了星系、恒星和行星，这些天体组成了如今天文学家们通过望远镜研究的壮美的夜空。最早的星系实际上是在大爆炸高温时被播下的“种子”，在它诞生之初宇宙就在高速膨胀中。由于相同的量子粒子在现实世界中是昙花一现，导致了物质密度的微小变化，所以宇宙快速膨胀而尺寸变得和星系一样大。重力则牵引更多的物质来完成剩下的工作，以便这些“宇宙种子”在不久后成长为巨大的星系。
星系则是一个壮美的宇宙奇观，也被称为“宇宙岛”。每个星系是数千亿恒星的家园，在空旷黑暗的宇宙中旋转。但事实上，我们所能看到的星系只是宇宙中的冰山一角。我们如今能通过望远镜看到的所有明亮的或会发光的物质不计其数，但是看不到的隐形的物质则是它们的五倍，这些物质的正确称呼便是“暗物质”。我们知道它就在那里，因为星系的运动方式和星系中的可见物质（即我们能看到的部分——恒星和发光的气体云）产生的引力不相符合，但到目前为止没人知道暗物质是什么。
星系的直径通常在几十到几十万光年之间，而一光年则是光在一年时间内传播的距离，大致相当于9.5万亿千米。星系也是“社会性动物”，它们会聚集成被称作“星系团”的群体。星系团通常是100—1000个星系的家园，有时甚至可能有横贯几千万光年那么大。星系团也喜欢热闹，确切地说，它们成群结队，形成包含数十个星系团的超星系团，横亘数千万光年，硕大无朋。
即使是如此庞大的超星系团，对宇宙来说也只是沧海一粟。我们可观测到的宇宙（定义为我们使用最强大的望远镜从太空的一侧到相反侧可以看到的最远距离）从它诞生之日起就开始不断扩张。初始生命比亚原子粒子还小的东西，现在大到难以想象，并且是数千亿个星系的家园，其中最遥远的星系是如此遥不可及，以至于它们发出的光已经花费了数十亿年时间才到达我们地球。也就是说我们看到的星系只是它们遥远且昏暗的过往，而其他更远的星系的光尚未到达。可观测的宇宙是令人难以置信的920亿光年。随着遥远的星光到达地球，越来越远的宇宙进入视野，也证实了宇宙确实在变大。这种凝视宇宙历史的能力，使那些研究宇宙宏观行为的宇宙学家得以窥探到：当年灼热而致密的宇宙是如何演化成现在我们观察到的相对平和且宜居的宇宙的。
我们对于引力的认知也表明，目前宇宙表现得并不尽如人意。能够回溯宇宙的时间轴意味着天文学家可以绘制出宇宙膨胀率是如何演变的图表。20世纪90年代末，科学家对宇宙中最遥远，也就是最古老的那一些星系进行了测量，发现我们的宇宙正在加速膨胀中。这令人十分震惊。当我们把一个球抛入空中，它会落回地面是由于地球的引力。同样地，物理学家期待着宇宙中的引力能将空间拉回来，而不是像这样加速增长逐渐消失。这一明显异常现象的原因很快就变得清晰起来，因为即使是暗物质也不是在宇宙中占据主导地位的物质，那里还存在着更强大的物质——暗能量，来自它的引力表现为排斥作用。其实，相对论之父、德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦是第一个提出暗能量存在的人，虽然他给了它一个不同的名字。这是在天文学家们发现宇宙是在加速膨胀之前的事情了，爱因斯坦那时候认为宇宙应该是静态的、不变的，所以他在自己的广义相对论（本质上是引力的理论，但不仅仅如此）中引入一个排斥力来在遥远的地方抵消宇宙的引力，让其保持静止。但在20世纪20年代末期，天文学家发现宇宙确实在扩张时，他不得不承认自己之前的想法是荒谬的。
事实上，我们目前能够理解宇宙的起源和演化，以及我们在宇宙中的位置，这些都是人类智慧力量的明证。从推导出结构合理的理论模型，然后根据观测结果验证之，这种科学的研究方法使得宇宙学家能够了解宇宙的历史，一直追溯到宇宙诞生后最初的几个瞬间。
我们现在知道的宇宙大约有138亿年的历史。目光敏锐的读者可能会想，如果宇宙的年龄是138亿年，那么我们可观测的宇宙怎么可能有上文提到的920亿光年直径呢？换句话说就是，在最远只有138亿光年的情况下，我们怎么可能看见460亿光年外的物体发出的光呢？别着急，我们稍后再谈！
不管你从什么角度去看，138亿年都是一段非常漫长的时光。相比之下，太阳和太阳系的形成大约在46亿年前，地球上的生命出现了40亿年，第一个多细胞生物诞生于17亿年前，现代动物诞生于5.5亿年前。而现代人类物种（智人）在20万年前才在地球表面行走，也就是少得可怜的0.002亿年，或宇宙的年龄的十万分之一。换句话说，如果把宇宙的历史浓缩为一年，那么大爆炸发生在1月1日的零点，今天是12月31日的午夜，人类则在年底前约8分钟时出现，现代科学则是在最后的1.4秒才姗姗到来。我们在日常生活中所熟悉的时间尺度与宇宙的“大时代”相比简直是小巫见大巫。
我们也知道现在的宇宙中到底有多少物质（尽管我们尚不清楚是什么组成了物质）。而且除了宇宙诞生后最早期的时刻，我们知道物理定律是如何主导着宇宙的运行。但是，就像我们之后介绍的大爆炸物理学：什么导致了大爆炸以及大爆炸之前可能发生了什么仍然是未解之谜。我们当然也清楚，我们的行星家园——地球，围绕着一颗普通的恒星，在一个普通的星系中旋转，藏在宇宙中一个非常普通的角落。
撇开他在暗能量上犯的错误不谈，阿尔伯特·爱因斯坦为现代宇宙学奠定了基础。他关于引力的理论——广义相对论是这个学科的主要框架。爱因斯坦是我们需要感谢的宇宙学先驱之一，正是他们带领我们认识了宇宙。相对论诞生于20世纪初，其来源是250年前艾萨克·牛顿爵士的思想。1927年，乔治·勒迈特利用广义相对论创立了第一个描述宇宙的数学模型。随后，像斯蒂芬·霍金教授这样富有远见的科学家们采用了这些模型并将其推广到极端环境下，大胆做出新的推论，例如详细描述了宇宙如何从无到有以及早期宇宙的快速扩张如何为星系的形成奠定了种子等。
同样值得我们感谢的还有那些伟大的天文学家们，他们收集的数据可以用来验证宇宙学家设计的最新最疯狂的理论。其中就有：查尔斯·梅西耶，他编制了历史上第一个银河系外天体的星表；埃德温·哈勃和他的助手米尔顿·赫马森发现了宇宙的扩张；阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，这两个射电天文学家首次发现作为宇宙大爆炸余晖的宇宙微波背景辐射，今天仍在宇宙空间产生共鸣，这也是宇宙大爆炸理论强于其他理论的重要依据。近几十年来，由单个天文学家做出贡献的科研模式逐渐被大型国际合作项目所取代，天文学家们经常使用多个望远镜，甚至是特制的航天器来收集大量的高质量数据。这则是发现暗能量的存在，提取宇宙微波背景辐射的精细结构还有微调现代宇宙学图景的依据。
对宇宙历史的研究不可避免地引发了对未来的揣测。如果宇宙学家的理论是可靠的，那么宇宙是不会万世长存的，至少不像我们认为的那样存在。
目前有两种主流的理论描述宇宙最终的命运。第一种认为引力将会让宇宙逐渐停止扩张，并逆转扩张过程，最终导致大爆炸的对立面——大收缩。要做到这一点，宇宙的吸引力必须足够强大，不仅要克服空间的膨胀，还要克服暗能量产生的排斥力。如果宇宙以大收缩结束，那么所有的物质都将被消灭，宇宙肯定会燃烧而不是消失。
相比之下，宇宙的另一种结局更加温和。在这种被称为“热寂”的情况下，宇宙没有足够的重力来停止膨胀，而宇宙空间会继续扩大，直到永远。乍一听，这似乎是个好消息。但是，恒星最终会耗尽燃料并死亡。宇宙的膨胀把我们从大收缩的混乱状态中拯救了出来，但它将空间拉伸得如此稀疏，以至于其他星系会以超过光的速度后退，最终从视野中消失。夜空将一片漆黑，空空如也。剩下的物质逐渐被吸进黑洞里，然后逐渐转化为虚无，而宇宙也温和地走进了那个良夜，进入了漆黑的睡眠状态。
这些主要理论也有些变动。例如一些宇宙学家想知道宇宙是否可能从大收缩中恢复并进入新的扩张阶段，或者它是否已经这样做了，还是说跳出宇宙去看，我们只是处在无尽的扩张收缩轮回中的一部分。也有人在想，“热寂”是不是不会像预测的那样温和，甚至更加极端？事实上，如果暗能量以一种被称为“虚能量”的形式出现，那么在遥远的未来，宇宙将会以不可思议的速度膨胀，甚至撕裂恒星和行星，最终粉碎原子和分子，甚至粉碎宇宙结构本身。其他物理学家想知道我们的宇宙是否只是众多平行宇宙中的一个，而每一个宇宙都与我们的宇宙相似但又略微不同。虽然当自己的宇宙粉碎成碎片的时候说什么安慰的话也没用了，但是如果平行宇宙真的存在，至少我们所熟悉的现实和日常仍在某个地方继续着。
这本书是关于大爆炸理论的故事，从我们宇宙的出生到死亡。你可能已经熟悉了本书所叙述的部分元素，就像宇宙也有自己的起源；我们的宇宙正在扩张中；我们生活在一个被称为“银河系”的星系中，它是宇宙汪洋大海中的一个孤岛；等等。但是如果要真正了解在最初的几个时刻里发生了什么，以及为什么，全面的叙述仍然必不可少。故事的每一个部分都紧密相连，我们必须走完这段旅程的全部路程，才能了解我们的现在和可能的未来。我们将会听到时空可能是二十六维而不是我们所熟知的四维；大爆炸可能是由于我们的宇宙和另一个宇宙之间的巨大碰撞产生的。同样，有关宇宙过去的细节和未来的重要线索，正在以时空涟漪的形式席卷浩瀚苍穹。
在这段旅途中，我们将见证壮观的景色，求解令人困惑的谜题，并讲述一些人类中最聪明的大脑所演绎的令人难以置信的科学推论。
我们将踏上一段你所能想到的最不可思议的旅程：去描绘宇宙的故事，从时间的起源到数十亿年后宇宙的最终消亡——确切地说，那是万物的开始和终结！第一章我们在宇宙中的位置我们是宇宙这个奇迹中最不可思议的一部分。——雷·布拉德伯里
在科学作为一种解释世界的工具出现之前，早期宇宙学主要由宗教思想所驱动。大约在3200年前，生活在当今伊拉克、科威特和沙特阿拉伯的美索不达米亚人相信，他们的神灵马尔杜克把原始母亲提阿马特的身躯劈成两半，一半是地球，另一半则是天穹。
古代中国人认为我们的宇宙诞生于一片混沌的云中，几万年间逐渐结成一个宇宙蛋，从那里诞生出了第一个造物主——盘古。盘古创造了天地，又花了18,000年将天地分开。他死后，尸骨便融入了宇宙中——他的左眼变为太阳，右眼是月亮，头发则化为满天繁星。
一些宗教的宇宙观和现代科学的观点产生了共鸣。例如，佛教徒相信宇宙是永恒的，既无始也无终——而这刚好让人想起现代的宇宙学中的稳态理论，而后者直到20世纪60年代仍然是宇宙大爆炸学说的主要竞争对手。
然而印度教徒信奉的则是循环宇宙论，类似于现代宇宙观中宇宙会交替膨胀和收缩的观点。佛教的观点在宗教中可能比较独一无二，因为佛教的宇宙图景中并未描绘一个万能的造物主。
许多早期宗教，特别是在埃及、古罗马和北美的那些，都十分崇拜太阳。在英国，历史学家们认为巨石阵的巨石纪念碑也许是一种原始的天文台，异教的信徒们可以从那里测量出冬至和夏至的时间。
文艺复兴期间，随着我们对自然世界的了解逐渐深入，科学思想开始逐渐挑战传统的宗教观念，这也使得科学和宗教之间的关系格外紧张。一些科学家因为他们的观念而受到宗教迫害，另一些则非常狡猾——他们的作品直到死后才被公布。有些人公开表达了自己的宗教信仰，例如英国物理学家艾萨克·牛顿就有很坚定的宗教观念，这对他十分有利。同时牛顿也十分狡猾，从不公开谈及自己的一些激进的想法。
科学和宗教这种尴尬的关系一直持续到今天，强硬的无神论者一直坚信宗教严重阻碍了科学发展，其他人则认为两者可以共存。也许最广为人知的便是倡导物竞天择的进化论（查尔斯·达尔文关于物种是如何进化和适应环境的理论）的支持者和那些相信创造论（天地万物都是造物主创造的说法的现代称呼）的人的争论。而创造论至今仍然是基督教、伊斯兰教和犹太教的很多信徒心中的真理。例如在《圣经·创世纪》中记载的，上帝在六天内创造了宇宙及其中的一切。信仰创造论的人会无视所有的不利证据，例如有些“年轻地球创造论”主义者相信宇宙在10,000年前刚刚诞生，尽管有数不清的确凿证据（来自岩石、冰芯，甚至是迄今存活着的最古老的树木）表明地球的年龄远比10,000年要长，更不用说来自天文学的证据了。正如我们所见，这些天文学的证据告诉我们宇宙在数十亿年前诞生，我们稍后再讨论。
这也就是宗教和科学之间的核心差距。宗教的观念是基于信仰的，而科学的理论必须经过严格的验证。在科学研究中，事实至关重要，无论是对日常经验的简单描述，地质学家收集的岩石证据，天文学家对遥远星系的观测结果，还是造价数十亿美元的粒子加速器从“真实世界的脉络”中获得的实验数据。科学理论试图以一种逻辑的和系统的理论来解释这个世界，其关键在于建立能够经得住事实考验的严谨且迅速地预测——这些事实无论是来自现有的观测结果，将来的观测，还是有可能通过设计和进行实验得到的观测结果。有些时候，现实可能不尽如人意，甚至出乎意料或者挑战我们的先入之见。这使得科学研究道阻且长。如果事实与理论相悖，那么科学家们就会把这个理论扔进垃圾桶，重新回到他们的绘图板——更有可能的是——电脑和笔记本前。
拒绝一个理论也并不是灾难性的，事实上也可能是一件好事。因为这就是科学不断进步的方式。众所周知，地球是球形的而不是平面的；是地球绕着太阳转而不是太阳绕着地球转；而且地球也不只有区区10,000年的历史（我们目前得到的最准确的估计是45.43亿年）。科学家所做的最有分量的事情就是通过观测来证明一个理论的真假。当然了，他们在证实自己的理论是错误的时候往往也是最痛苦的。
我们所知道的第一位科学家是希腊哲学家泰勒斯，他生活在公元前六世纪到七世纪的米利都。泰勒斯至少是有史以来第一个不相信天地万物是由神秘莫测的神灵创造，而是试图把他们对真实世界的观察和现象联系起来的人。他的主要成就是利用几何学的手段测定金字塔的高度，以及用三角定位法确定船只的位置。他还准确预测了公元前585年的日食，并将他的科学知识用于天气预报。
尽管泰勒斯有着开拓性的天赋，但从古希腊开始就流行的宇宙观是天球学说。该学说认为月亮、行星和太阳都镶嵌在一系列层层嵌套并以地球为中心的同心球中，每个球体围绕地球的独特旋转决定了天体可观测到的运动。最外层不停旋转的球体承载着遥远的恒星，这也就解释了夜空中繁星的升起和落下的原因。一幅描绘古希腊宇宙观的插图，摘自德国天文学家彼得·阿皮安1539年出版的《天体物理学》（Cosmographia）一书
我们现在知道这种理论是错得离谱的。现代观测揭示出太阳才是我们太阳系的中心，并且有地球和其他行星围绕着它在轨道上运行。我们的月球围绕着地球旋转，而遥远的恒星独立运转，与太阳系毫无瓜葛。
有趣的是，古希腊人用证据来表明，天体并不严格按照天球理论预测的那样运动。不同的行星有着不同的轨道速度，这意味着当从地球上看时，有的行星似乎在加速或者减速，有时甚至在轨道上反向前进。这种反向前进也叫“逆行”，它与古希腊人认为的行星沿着一个平滑圆形轨道环绕地球运行的观念完全不一致。一位古希腊天文学家——萨摩斯的阿利斯塔克确实发现了这种关系，并且指出行星是围绕着太阳旋转，而不是绕着地球。阿利斯塔克的原作已经遗失了，但阿基米德在他的著作《数沙者》（The Sand Reckoner）中提及了这一理论。
不幸的是，阿利斯塔克的理论被冷落了，而行星的逆行运动也被曲解了。古希腊哲学家托勒密试图用天球理论来解释这个问题，他假设行星并非在各自的球体上占据固定点，而是在它们周围经历小轨道，即所谓的“本轮”。当本轮将行星带往与天球旋转方向相同的方向时，行星似乎在加速，而当旋转方向相反时，它似乎在减速或逆行。托勒密试图通过在行星绕地球的轨道上引入“本轮”来解释希腊天球理论中行星的逆行运动
本轮的概念充其量只是一个已经支离破碎的理论上的补丁，但是它足以确保天球模型一直发展，直到文艺复兴初期为止。正处在这一时期的16世纪初，波兰天文学家尼古拉·哥白尼认识到，如果行星围绕着太阳而不是地球运转，那么它们的运动规律和观测结果就可以解释得通了。这种日心主义的观点成为天文学乃至整个自然科学的一个转折点。
据说在1514年前后，哥白尼首先与他的几个密友分享了他理论的早期手稿。这一理论将成为《天体运行论》（On the Revolutions of the Celestial Spheres）这本名著的中心支柱，哥白尼早在16世纪30年代就完成了这本书，但由于害怕书中否认教条而遭到天主教廷的迫害，直到他死的那一年，即1543年，这本书才得以出版。
尽管哥白尼的“日心说”朝着正确的方向迈进了一大步，但它仍然认为太阳是整个宇宙的中心。1576年，英国天文学家、数学家托马斯·迪格斯提出了一个大胆的假设，他认为宇宙实际上是无边无际的，恒星就像我们的太阳一样均匀分布。1572年，他观测到一颗超新星爆发——这场猛烈的爆炸标志着一颗巨大恒星的死亡，这激发了他重新思考恒星的本质。这一事件和古希腊人对天体的看法截然相反，希腊人认为遥远的恒星是固定不变的。
迪格斯提出的“恒星与地球的距离不同”的观点在17世纪初期因意大利思想家伽利略·伽利莱的参与而显得更有分量了。在伽利略的一生中，他对数学、物理学、工程学和天文学做出了开创性的贡献。1609年，他了解到一群荷兰眼镜商在前一年发明了折射望远镜，这是一种使用一对玻璃镜片放大远处物体的成像设备。伽利略带着好奇并立即发现了折射望远镜对天文学的潜在好处，他开始着手构建自己的版本，他的第一台望远镜只有三倍的放大倍数，但这足以改变他对天空的看法，更不用说当时人类对天空的理解了。
就在迪格斯最初提出恒星在太空中分布的观点半个世纪后，伽利略发现用望远镜眯着眼睛看比用肉眼看能看到更多的恒星。虽然他所看到的一些新发现的恒星本质上来说必然是更暗的，但是其绝对数量意味着有些恒星必须看起来更暗，因为它们离得很远。换句话说，恒星不都像天球理论规定的那样离我们一样远。
伽利略的工作没有止步于此。第二年，他把望远镜对准金星，他发现金星也有月相，而且很像月球的月相（有满月、新月、凸月等）。月球之所以有不同相位是因为它在绕地球的轨道上运行时被太阳从不同的方向照射。在天球理论中，金星必须始终位于地球和太阳之间的位置——这意味着我们只能以朔月和蛾眉月的相位看到它。然而，伽利略发现了金星完整的相位，这也支持了两颗恒星都围绕着太阳运行的观点。
伽利略在他1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（Dialogue Concerning the Two Chief World Systems: Ptolemaic and Copernican）一书中提出了这些结论。在这部著作里，他公开承认了对哥白尼理论的信仰，而这也最终导致了他的毁灭（看来哥白尼在死前不发表“日心说”的决定是正确的）。1633年，伽利略被天主教宗教法庭以异端罪审判，并被判有罪。他的作品后来被禁止出版，伽利略也在他生命的最后几年被软禁起来。据报道，他没有遭受酷刑，也没有惨死，这是因为他的科学成就为他赢得了有权势的盟友。伽利略最后于1642年自然死亡。
但是他的见解则流传千古。1750年，英国天文学家托马斯·赖特以伽利略的另一项发现为基础，提出了自己的成果。伽利略发现那条在黑暗晴朗的夜晚横跨苍穹，散发着白色光芒的条带——银河，实际上是由一大群恒星组成的。赖特在他的《宇宙的原始理论或新假设》（An Original Theory or NewHypothesis of the Universe）一书中提出，银河系是一个恒星组成的盘，而我们的太阳和太阳系就嵌在这个盘中。赖特并没有像迪格斯所提出的那样，认为恒星在整个星罗棋布的宇宙中自由地游弋，而是构想出恒星聚集在众多的宇宙岛屿中，每个岛屿都像银河一样——这一结构后来被称为“星系”。赖特断言，我们在银河系中看到的，是用我们的内部视角所观察到的自己星系的边缘平面。
就在这时，教会反对“日心说”的立场已经开始减弱，众多行星围绕着太阳运转作为太阳系的真正本质开始逐渐被大众接受。1755年，德国哲学家伊曼纽尔·康德提出，我们星系的圆盘——赖特将其定义为这样的圆盘——可能是在旋转的，恒星由于引力而保持在围绕星系的轨道上，就像它把行星固定在围绕太阳的轨道上一样。事实上，牛顿引力定律（参见第二章）要求恒星必须绕轨道运行，否则它们就会向着星系中心快速坠落。
研究彗星的天文学家发现了银河系外确实存在天体的证据。这些是大块的冰和土，现在已知是太阳和行星形成时遗留下来的，游荡在太阳系的外围。说这些生活在我们广袤宇宙门阶的一系列天体会让我们对整个宇宙的理解产生突破似乎有点奇怪，但是当彗星靠近太阳时，它的表面蒸发成一团蒸气和其他气体，这些气体反射太阳光，在夜空中形成一片模糊的发光区域。彗星猎手在天空中搜寻这些团状的光点，它们与恒星锐利的光芒截然不同。因为彗星是太阳系的一部分，像行星一样围绕太阳运转，所以当它们沿着自己的轨道移动时，它们的位置会随着时间的推移而发生显著的变化。当彗星的轨道把它带到离太阳更近的地方时，热量增加了它表面沸腾气体的量，使它变亮。
但至少，彗星不是一成不变的。在18世纪晚期，一些天文学家开始发现类似于彗星的微弱的模糊物体，但它们似乎没有移动或变化亮度。这些令人困惑的物体被称为“nebulae”，随后被改成了“nebula”，这个拉丁词的意思是“云”，这也就是我们所谓的星云的由来。法国的彗星猎手查尔斯·梅西耶和他的助手皮埃尔·梅尚共同绘制了这些星云第一个系统化的列表。所谓的“梅西耶星表”的初始版本于1774年出版，其包含103个梅西耶天体，按照它们的特征被命名为“M+编号”。如今，这个列表中的天体已经增加到了110个，它在天文爱好者之间被认为是能在一个晚上的观测中成功找到所有天体的重要荣誉徽章（这项壮举被称为“梅西耶马拉松”）。但时间回到18世纪晚期，那时的人们仍然困惑：它们到底是什么？
回答这个问题花了将近50年的时间，还涉及一个叫作光谱学的新兴实验科学领域——将白光分解成它的颜色光谱，并且测量每种颜色的亮度。当我们看到彩虹时，它的每种颜色都是由特定波长范围的光构成的。例如，红光的波长集中在七亿分之一毫米（700nm），而彩虹另一段的紫光则要短得多，约为四亿分之一毫米（400nm）。光束通过两种不同介质（如彩虹中的空气和水滴）的路径会根据波长发生一定程度的弯曲，这种现象称为折射，光束通过折射后分解为光谱。短波长（如紫色）弯曲得最多，而长波长（如红色）弯曲得最少，这使得一束平行的白光按照其组成颜色呈扇形散开。
伟大的物理学家艾萨克·牛顿爵士（我们将在下一章详细介绍他）在17世纪70年代证明，一束白光通过玻璃棱镜的折射可以分解成光谱（见上图）。英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿改进了牛顿的实验装置，通过透镜将光谱聚焦到大屏幕上。1802年，沃拉斯顿用太阳光做了这个实验，他发现产生的光谱亮度并不均匀，而是被暗带所打断——这些暗带本质上是光谱中缺少的波长。巴伐利亚物理学家约瑟夫·冯·夫琅禾费对这些光带进行了进一步的研究，他发现并记录了其中近600条光带，这些至今仍被称为“夫琅禾费线”。
但直到19世纪60年代，德国化学家罗伯特·本生和古斯塔夫·基希霍夫才最终揭开了它们的本质。通过研究火焰在灼烧各种化学元素和化合物时产生的光，他们注意到每种物质都在光谱中引入了不同的光带模式——一些是暗的，但也有一些是亮的。他们的推论是：特定的物质吸收，并且以特定的波长重新发出光。所以如果你观察火焰的光谱，然后燃烧一种物质，这种物质在x波长处吸收光子，在y波长处放出光子，你会看到所观察到的光谱在x波长处得到一条暗带，在y波长处得到一条亮带。
因此，太阳光谱中夫琅禾费线的真实性质变得清晰起来——它们是一种化学指纹，能准确地告诉天文学家与我们相伴的太阳是由什么组成的。事实上，化学元素氦最初是在1868年被发现的，当时它是太阳光谱中一条未知的亮黄色线。因此，它以希腊单词“helios”命名，意为“太阳”。氦直到1895年才在地球上被发现，这使得它的存在成为光谱学的第一个成功预言。
光谱学之所以有效，是因为它是量子力学这门复杂科学的分支，我们将在第六章中更详细地讨论量子力学。但其基本要点如下：所有的化学元素都是由叫作原子的基本构件组成的。原子由一个占据中心的原子核组成，由叫作质子的带正电的亚原子粒子和叫作中子的不带23正电的粒子组成，这两者质量大致相同（大约6×10个质子或中子的[1]质量加起来才能达到一克）。如果没有中子作为间隔，大原子中质子之间的静电斥力会导致原子核分崩离析。原子核周围环绕着一团带负电荷的粒子，称为电子。原子核中电子的数量通常和质子的数量差不多，每个电子的重量是质子的1/1750。
电子的主要特征是它的能量。举例来说，一个网球从球场的一端飞到另一端，因为它在运动所以具有能量，而且运动得越快能量越多。网球所允许具有的能量状态被称为“连续态”，因为它们可以取任何值——我可以比上次更用力地击球，它就会有更多的能量，额外的那一点点能量是没有限制的。在发现量子力学之前（有时也被称为“经典物理学”）盛行的原子图景中，电子也可以拥有它喜欢的任何能量——就像网球一样，它的能量状态是连续的。然而在量子世界中，电子并不享有同样的自由。量子理论的核心原则之一是能量只能以离散的团块形式出现，即量子，这意味着只有特定的能量状态或电子的能级才可以存在。
这也就是光谱学的关键。因为当光被物质吸收时，实际上发生的是它的能量被原子中的电子吸收。光失去的能量提高了原子中电子的能量。但是由于量子力学的约束，电子只能吸收与它们的两个能级之间的间隙相匹配的能量。因为光的能量是由它的波长唯一决定的，所以物质在特定能量下吸收光的净效应是在光谱中相应的波长上产生一个暗带。同样地，电子可以从较高的能级降至较低的能级，并发射出特定波长的光，再次对应于所涉及的两个能级之间的能量差。这就是在光谱中会出现明亮条带的原因。
每一种独特的化学物质都有一个独特的电子结构，这也意味着它也有自己独特的明亮发射线和黑暗吸收线图案，我们可以通过燃烧蜡烛在其火焰中检测出这些谱线，或者在像太阳这种恒星的火焰中检测。
以氢为例。它是最简单的化学元素，有一个原子核，由没有中子的质子构成，一个电子在环绕着它。氢的特征是有三组明亮的发射线，分别是赖曼线系、巴耳末线系和帕邢线系。对应于电子在不同对能级之间下降，它们分别对应着电子从不同的能级向下跃迁。赖曼、巴耳末、帕邢线系是氢原子中的电子以不同的能级组合向下跃迁而形成的明亮谱线
19世纪末20世纪初，光谱学帮助天文学家彻底变革了宇宙学。首先，它揭示了梅西耶星表中那些神秘星云的真面目。在19世纪60年代，天文学家将星云发出的光分解成组成它的颜色，并研究由此产生的光谱。他们发现：其中一些具有和灼热的氢气相匹配的简单谱线，说明那里除了星际气体构成的云朵以外没什么东西了；而另一些则类似于更为复杂的星光光谱。大约三分之二的星云属于后一类，这意味着它们必须是恒星群。许多这类“星云”还表现出复杂的旋涡结构，因此当时被称为“螺旋星云”。
通常情况下，科学的答案会带来更多的问题，而现在最大的谜团是“螺旋星云”是在我们的银河系内部还是外部。当时的人们在这一点上并未达成共识。一些天文学家注意到，并在我们银河系圆盘的平面上发现了更多的星云——这表明它们在某种程度上与星系有关，因此应该是位于附近。
其他人则观测到“螺旋星云”中的一些恒星偶尔会发生一种被称为“新星”的爆发。新星的有用之处在于它们或多或少都有相同的固有亮度——天文学家称之为标准烛光。这意味着它们可以用来测量距离。仔细看一根标准亮度的蜡烛，它会显得很亮。从远处看，它会显得暗淡得多。这是因为光在以光源为中心的球体中扩散。当你离光源越远，恒星发出的光所覆盖的球体就越大，这意味着进入你眼睛的光所占的比例就越小——这也就使恒星看起来更暗。如果你能测量它有多暗，你就能准确地推断出它离我们有多远。
1917年，在当时被称为“螺旋星云”的仙女星系中，天文学家发现了四颗非常暗淡（因此非常遥远）的新星。这些新星太微弱了，天文学家就此推算仙女星系距离地球有一千万光年之远。大约在同一时间，美国天文学家哈洛·沙普利使用另一种恒星——天琴座RR型变星作为标准烛光，测量了银河系圆盘的大小，发现其直径只有几十万光年。
19世纪90年代，美国天文学家爱德华·皮克林发现了第一颗天琴座RR型变星（也就是“天琴座RR”这颗恒星）。由于这类恒星的温度比太阳略高，且亮度周期性地波动，所以被称为变星。这种现象被认为是由恒星的物理脉动引起的——它像一颗跳动的心脏一样在扩张和收缩。随着星体的收缩，它变得更加致密和不透明，使得光和辐射热更难逃逸。这就降低了亮度，升高了温度，导致恒星膨胀，密度减小，变得不透明，允许更多的光和热逃逸，使得星体更亮但更冷，因此它又开始收缩，如此循环往复。
还有一点是，天琴座RR型变星完成一次亮度变化所需要的时间通过一个数学公式与它的平均固有亮度联系起来。沙普利在球状星团中发现有天琴座RR型变星的存在，球状星团是环绕着银河系运动的紧密结合的恒星群。通过记录恒星亮度的波动，然后将其与测量到的亮度进行比较，他可以计算出它与我们之间的距离。而且沙普利知道球状星团就恰好在银河系的边缘外，所以这个计算也就给出了银河系实际大小的估计值，或者说给出了大小的上限。
30万光年的估计值与今天大家普遍接受的约10万光年的估计值大致相同。令沙普利恼火的是，他实际上认为“螺旋星云”存在于银河系内部，而把他的发现与仙女星系中发现的新星结合起来，似乎支持了完全相反的结论——“螺旋星云”是一种遥远的天体，远在我们银河系的边界之外。
1919年至1924年，美国天文学家埃德温·哈勃进行了决定性的观测，彻底解决了这个问题。他的名字将很快成为观测宇宙学领域的传奇。
哈勃1889年出生于美国密苏里州的马什菲尔德市。1906年，在父亲的要求下他考入芝加哥大学，主修法律，尽管他真正热爱的是自然科学——尤其是天文学。毕业后，他继续在牛津大学学习法律，在那里他还对拳击产生了兴趣——他在拳击方面表现出色（甚至有机会成为职业拳手，但他拒绝了）。1913年，哈勃的父亲去世，这成为他生命中的一个转折点。他立即返回美国照顾家人，靠教书挣钱。然而，他始终没有丢失对天文学的热爱。1914年，他在芝加哥大学的叶凯士天文台攻读博士学位，1917年完成学业。同年，由于美国加入第一次世界大战，哈勃的学术生涯被搁置，他加入第86步兵师服役，晋升为中校。幸运的是，他于1919年回国，并在加利福尼亚州的威尔逊山天文台找到了一份工作，与美国著名天文学家乔治·埃勒里·海耳共事。正是在这里，哈勃改变了我们对宇宙的理解。
哈勃当时使用的是威尔逊山的2.5米胡克望远镜，此处的2.5米是指望远镜主镜的直径（直径越大，它能观测到的天体越暗），胡克望远镜在1949年之前一直是世界上最大的望远镜。今天，最大的望远镜都有大约10米宽的镜面，并且人们正在计划建造10倍于这个尺寸的地面望远镜！哈勃把胡克望远镜对准仙女座星云和其他星云，就像沙普利所做的那样，寻找变星。
哈勃所寻找的是一种不同类型的变星，叫作造父变星。这些巨大的蓝色恒星的亮度变化更慢，与天琴座RR型变星的几小时周期相比，它们的脉动周期最长可达60天。对宇宙学来说至关重要的是，造父变星的亮度也更高——这使得它们在星系之间的巨大距离间隔上都能被观测到。造父变星的名字来源于造父一（仙王座δ，Cepheid），它是这类天体中第一个被发现的，它于1784年由英国业余天文学家约翰·古德里克发现。
与天琴座RR型变星一样，有一个公式将造父变星的脉动周期与其亮度联系起来。1908年，美国天文学家亨丽埃塔·斯旺·勒维特研究了数千颗恒星随时间积累的测光数据，发现了这一现象。造父变星所谓的周光关系后来被证明对宇宙学而言意义非凡，以至于一些人认为勒维特应该因为她的贡献而获得诺贝尔奖——但不幸的是，她在1921年死于癌症，当时人们还没有认识到它的真正价值，而诺贝尔奖也从来没有在候选者死后颁发过。
造父变星给哈勃提供了一种直接测量地球到这些“星云”距离的方法。他的观测证明，正如新星所暗示的那样，它们距离我们有几十万光年之远，远在银河系之外。他的结论是：螺旋星云是恒星组成的“宇宙岛屿”，它们很像银河系，但相距数百万光年。这些太空中的岛屿后来被称为“星系”，这是希腊语中“银河”的意思。
哈勃并不是那时唯一研究螺旋星云的人。从1912年到1925年，在亚利桑那州罗威尔天文台工作的美国天文学家维斯托·斯里弗，研究了星系的光谱包括亮带、暗带和一些我们之前提及的更复杂的谱线，这些都是由不同的化学成分发射和吸收光而产生的。当然，斯里弗也观察到了他期待已久的那些谱线，它们产生自构成“星云”的恒星。但是有一点不对劲。这些谱线并不在它们应该出现的波长，除了斯里弗研究的三个“星云”外，其他所有目标的谱线都移到了光谱的红色端（波长变长了）。
星光的这种效应现在已经为众人所知。它是由一种叫作“多普勒效应”的现象引起的，这种现象是在1842年由奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒发现的。他最初的发现解释了为什么远离你的声源发出的声波的音调听起来比静止时的要低沉。当你听到救护车的警报声时，你可能已经体验了多普勒效应，当救护车经过你身旁时，警报声会明显地由高到低地失真。当救护车离开时，它的运动会将警报器发出的声波拉长——因此，在发出每一个声波所需的时间内，救护车就会移动一小段距离，使它们的波长变长。救护车开得越快，这种效应就越明显。
多普勒的发现也同样适用于移动的光源，这使远离地球运动的恒星发出的光波变得更红。1868年，英国天文学家威廉·哈金斯是第一位通过仔细测量红移效应（即光谱中的谱线移动的距离）来确定恒星衰退速度的人，然后他应用多普勒公式测量了光谱中的线移动了多远。多普勒效应。左边的图像显示了源自固定源的声波。在第二幅图像中，声源在移动——把它后面的声波拉伸成更长的波长，把前面的声波压缩成更短的波长
哈勃发现螺旋星云的光谱也发生了类似的变化。星云中恒星发出的光被拉长，并向可见光光谱的低频——也就是红端移动，究其原因是星云正在远离我们。事实上，正如我们将要看到的，宇宙红移甚至比多普勒效应更为极端，因为不仅光源在高速移动，而且在光的传播过程中，空间也在不断扩大——这两种效应的叠加把光拉长，使之进一步变红。
斯里弗在星系发出的光中观测到的红移的大小是巨大的，这意味[2]着，就拿仙女星系来说，它正在以每秒300千米的速度（67万英里每小时）远离银河系。这十分令人困惑。当天文学家们刚发现宇宙中有几十个像我们星系一样的其他星系时，他们就发现几乎所有这些星系都在以惊人的速度远离我们。
埃德温·哈勃就是在试图解释这个难题的过程中取得了突破性进展，也正是因为他的这个成就让“哈勃”这个名字妇孺皆知。他与助手米尔顿·赫马森合作，利用造父变星法获得了斯里弗观测过的星云的距离数据（由于哈勃的早期工作，我们现在知道这些星云本身就是星系）。到了1929年，这对搭档得出了这样的结论：星系的红移，也就是每个星系远离地球的速度，随着它们离我们距离的增加而增加。此外，天文学家们推导出了一个数学关系，这个关系后来被称为“哈勃定律”，即一个星系退行的速度是由它的距离乘以一个被称为“哈勃常数”的数字得出的。他们得出的常数的第一个值是160千米每秒每百万光年（尽管现代测量告诉我们，这个值超出了很多）。
哈勃和赫马森已经证明了托马斯·赖特对我们在宇宙中的位置的描述是正确的。我们的银河系是更加广袤的宇宙中的一个由恒星组成的星系，它是几乎数不尽的相似“岛屿”中的一个，这些“岛屿”点缀着黑暗幽邃的深空。但他们做的远远不止这些。所有的星系都被发现正在从我们所在的宇宙一隅急速远离，这一事实并非巧合，而且这一现象肯定不是全能的上帝将我们置于某种宇宙中心的标志。哈勃和赫马森实际上已经发现我们的宇宙正在膨胀——尽管要解释确切的原因还需要物理学上的一场革命。
幸运的是，其中一场革命刚刚发生。-27-27[1] 质子的质量是1.6726×10千克，中子的质量是1.6748×10千克，大约是一个相对质量数。——译者注[2] 英制单位。——译者注第二章理论之中的理论在所有的坠落事故中，73%都与重力相关。——戴夫·巴里
物理学，究其本质，就是对自然界存在的四种基本作用力的研究，即：引力，把有质量的物体相互吸引在一起的作用力；电磁力，电荷与磁场的相互作用力；以及在原子核内部聚集的强弱核力，它们把原子核内的粒子结合在一起，控制亚原子现象，如放射性。
我们的宇宙起源、演化和最终消亡的故事，在很大程度上只受其中一种力量的支配，那就是引力。正如其名所示，核力的范围远不足以影响宇宙的大尺度行为，因为它被限制在原子核内。那么电磁力呢？它也差得远了，仍然不足以把自己的影响传过空旷的宇宙（而电磁力导致的辐射就是另一回事了，因为那是截然不同的东西——晴朗无云的夜空中，遥远的恒星和星系发出的光也不过是一小团电磁波）。
然而引力的作用距离比其他力大得多了。任何质量和能量的集合体都能产生引力。引力使我们停留在地球表面：它把月球锁定在绕地球运行的轨道上，又把地球锁定在绕太阳运行的轨道上。引力的影响不仅止步于此。它承载着太阳和我们的太阳系，以及银河系中其他所有2500亿颗恒星，还有它们围绕着银河系中心旋转着的巨大轨道。它控制着星系在浩瀚的空间中如何进行相对运动。引力是把我们的宇宙黏合在一起的黏合剂。
古希腊人是第一次去认真思考“重物为什么会下落”这个问题的人类。公元前4世纪，希腊哲学家亚里士多德就在思考这个问题。不幸的是他的想法有点偏离了主题，他认为一些“接地气”的物质，例如石头、一部分木头，会试图回到它们的归宿，比如地球。而另一些“炽热”的东西，例如火焰则会向上移动到它们所属的地方：古希腊的宇宙观认为地球外面包裹着火球。
公元6世纪，印度数学家、天文学家瓦拉哈米希拉可能是第一个提出宇宙力概念的人。宇宙力使物体粘在地面上，并使行星保持在围绕地球运行的轨道上。当然，后一种说法是不正确的——我们今天知道，行星围绕太阳运转而不是地球，但古希腊和印度的哲学家都相信地心说。
直到16世纪晚期，思想家们才开始理解引力的真正本质及其在宇宙中的角色。正是在这个时候，伽利略提出了他的自由落体定律，即在重力场中，从同一高度同时释放两个质量不同的物体，它们将以相同的速度下落，并在完全相同的时间后落到地面。
据说，故事是这样的：伽利略从比萨斜塔的顶端扔下两个质量不同的球，并证明它们同时到达了塔底。大多数科学史学家现在一致认为，这个特殊的实验可能从未发生过——尽管伽利略确实进行过小规模的研究，测量了不同质量的球沿倾斜表面滚下的速度。但无论伽利略采用何种方法，他的结论都是准确无误的——物体下落的速度是相同的，与它们的质量无关。从那以后，这个结论被验证过很多次，最引人注目的可能是1971年“阿波罗15”号宇航员大卫·斯科特的一次演示实验。斯科特同时将一把锤子和一根羽毛扔向月球表面，观察到它们整齐划一地落到月球表面的风化层。在地球或者其他有浓密大气的行星上做同样的实验是行不通的，因为空气阻力大大减缓了羽毛的下降。伽利略定律基本上是说重力和加速度是等效的。
接下来登场的是地球上有史以来最伟大的科学家之一——艾萨克·牛顿。1642年圣诞节，牛顿出生在英格兰林肯郡的一个小村庄伍尔斯索普庄园。1661年，牛顿在学校表现优异，被剑桥大学三一学院录取，学习数学和“自然哲学”（现在这个词已经基本不存在了，意思是“物理学”）。1669年，他获得了提拔，成为剑桥大学的卢卡斯数学教授，斯蒂芬·霍金也曾担任过这一职位。
牛顿的科学发现是多方面的，包括证明白光可以分解成像彩虹一样的光谱，也就是白光由不同颜色组成（这也就是光谱学的关键，我们在最后一章详细讨论），对微积分发展的贡献（一个强大的分析总和及变化率的数学工具），并设计建造了世界上第一个反射式望远镜（反射式望远镜主要使用曲面镜聚光，而不是透镜）。一个非常不可[1]信的民间故事还说，牛顿发明了猫瓣门，这样他的猫就可以自由地来来去去，而不会干扰到这位伟人的光学实验。
毫无疑问，牛顿最伟大的成就是1687年出版的《自然哲学的数学原理》（Mathematical Principles of Natural Philosophy）一书。通常被简称为《原理》（Principia）的它成书于1684年至1686年间的一段紧张时期，主要内容是牛顿受到了与天文学家埃德蒙·哈雷（哈雷彗星的发现者）对话的启发。早在1684年，哈雷就向牛顿转述了他和英国科学家罗伯特·胡克之前的讨论，胡克声称他已经构建了一个能正确解释观察到的行星运动的数学模型，这个模型假定行星在一个平方反比定律的作用力束缚下绕着太阳运动。这意味着一个力随着距离变远，以距离的平方分之一变弱。举个例子，如果把你和太阳之间的距离增加一倍，那么平方反比定律就会使作用在你身上的太阳引力减小到原来的1/2平方倍，也就是1/4。
牛顿回答说他自己已经做了这个计算，但声称不知道把手稿放哪儿去了。他花了几个月的时间才找到这份手稿，但在同年的11月，牛顿向哈雷递交了一篇论文，详细阐述了平方反比力如何直接导致开普勒行星运动三定律的完整数学推导。德国数学家约翰内斯·开普勒根据丹麦著名天文学家第谷·布拉赫收集到的观测数据推导出了这些定律。这是三个数学表述的集合，为太阳系行星的运动提供了一个在当时看来异常精准的模型。但是这些定律纯粹是经验性的（人为用来解释观测结果的），在物理学中根本没有数学基础去支撑。这三个定律发表于17世纪早期，它们指出：1. 这些行星沿着椭圆形轨道围绕太阳运行，太阳位于其中一个焦点上。圆只是两个焦点在中心重合的特殊情况。你可以用钉子敲进木板画一个圆：在钉子和铅笔上缠绕上绳子，在保持绳子紧绷的同时移动铅笔，画出来的就是一个圆。但是如果你现在把两颗钉子敲进木板上再重复一遍，得到的结果就是一个以两颗
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