作者：蒲永平,王海龙
出版社：安徽人民出版社
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天外还有几重天试读：
前言
奥秘是我们身边的更大境界，总是如影随形地陪伴着我们，是我们认识和选择个别事物的先决条件，只要你去发现它，你就会进入一个个新的时空，使你生活在无限的自由天地里。
其实，在一切认知与选择的行动中，我们总是不断地接触到更大的境界，但是这境界却常常保持着奥秘的特点。这奥秘就像太阳一般，在它光照下我们才能看见一切事物，但我们的注意力却不在于阳光。
我们生存世界的奥秘，那简直是无穷无尽，从太空到地球，从宇宙到海洋，真是无奇不有，怪事迭起，奥妙无穷，神秘莫测，许许多多的奥秘简直不可思议，使我们对自己的生命现象和生存环境是捉摸不透。破解这些奥秘，就有助于我们人类社会向更高层次不断迈进。其实，宇宙世界的丰富多彩与无限魅力就在于那许许多多的奥秘，使我们不得不密切关注和发出疑问。我们总是不断地去认识它、探索它。虽然今天科学技术日新月异，达到了很高程度，但对于那些无限奥秘还是难以圆满解答。古今中外许许多多科学先驱不断奋斗，一个个奥秘不断解开，并推进了科学技术大发展，但又发现了许多新的奥秘现象，又不得不向新的问题发起挑战。
宇宙奥秘是无限的，科学探索也是无限的，我们只有不断拓展更加广阔的生存空间，发现更多的丰富宝藏，破解更多的奥秘现象，才能使之造福于我们人类的文明，我们人类社会才能不断获得发展。
为了普及科学知识，激励广大读者认识和探索宇宙世界的无穷奥妙，我们根据中外最新研究成果，特别编辑了本套书。主要包括科技、宇宙、太空、自然、地球、海洋、灾难、动物、植物、古文明等存在奥秘现象、未解之谜和科学探索诸内容，具有很强系统性、科学性、可读性和新奇性。
本套书内容精炼、语言简洁，深入浅出，通俗易懂，图文并茂，形象生动，非常适合广大青少年学生阅读和收藏，其目的是使广大青少年学生在兴味盎然地领略宇宙世界奥秘现象的同时，能够加深思考，启迪智慧，开阔视野，增加知识，能够正确了解和认识各种奥秘现象，激起热爱科学和探索科学的热情，掌握开启科学世界的金钥匙，使我们真正成为世界的主人，成为科学的主人。
上篇 揭开太空的神秘面纱
第一章 太空起源
1.万物伊始，宇宙初成
空间、时间、物质——都是在137亿年前的一个“大爆炸”中诞生的。那时的宇宙是一个无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系，有的只是一团基本粒子，充斥其中。此外，整个宇宙还没有一个针孔大，而且难以置信地热。这个宇宙立刻开始膨胀，从这个出人意料的怪异起点，逐渐扩展，直到演化成我们现在看到的样子。
现代科学还不能描述或解释大爆炸之后10-43秒内发生了什么事情。这个时间间隔：10-43秒，被称为普朗克时间，是以德国科学家麦克斯·卡尔·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了这样一个概念：能量不是连续可变的，而是由具有特定能量的“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大部分物理学的基石，它从最小的尺度上处理宇宙问题，而且被列为20世纪理论科学的两个伟大成就之一。另一个是爱因斯坦的广义相对论，处理极大尺度——天文尺度上的物理学。
尽管在它们各自的领域里这些理论都被实验和观测完美地验证了，但是调和这两个理论的努力却遇到了很大的困难。特别是，它们对时间的处理方法根本不同。在爱因斯坦的理论中，时间是一个维度，是连续的，所以我们从一个时刻平滑地过渡到下一个时刻，而在量子理论中，普朗克时间就代表着一个基本的极限：时间具有一定意义的最小单元，同时这也是在理论上能够测量出的最小时间单元。如果我们制造出最为精确的钟表，会发现它会不规律地从一个普朗克时间跳到下一个普朗克时间。
试图调和这两种截然对立的时间观念是21世纪物理学面临的主要挑战。近年来在“弦理论”和“膜理论”方面进行了这种尝试。就现在来说，量子物理主宰着紧邻大爆炸之后的灼热致密的微小宇宙阶段。我们对宇宙的科学研究就从大爆炸之后10-43秒开始。
大爆炸的概念与直觉相反，我们的常识似乎更易接受一个静态无穷的宇宙观念。但是确有科学理由让人相信大爆炸这个奇异的事件。如果我们接受大爆炸，就有可能看清整个事件的进展过程，从第一个普朗克时间开始，直到我们生活在地球上的现在。
自然界中的力
夸克的这种性质的起因与把夸克约束在一起的力的不同寻常的性质有关。这种力被称为强核力不是无缘无故的，它只在极小的尺度内才占主导地位，所以我们需要使用非常强大的粒子加速器才能使质子分裂。不像我们在大尺度环境中所熟悉的力——例如引力或异性电荷之间的吸引力那样，强力随距离的增加而增加。换句话说，如果我们能够分开两个夸克，会发现分离的距离越大，两者之间拉回的力就越大。最终，当夸克分开到一定程度，造成这种形变所注入的能量是如此之大，以至于能量转化为质量，产生两个新的夸克。这样猛然间我们获得了2对夸克，而不是事先希望的把夸克单独隔离开。这个过程意味着我们在实验中从未产生过独立的夸克。在日常世界中，夸克只作为其他粒子的组分而存在，例如质子和中子中各含有3个夸克。
在刚刚大爆炸后极端高温的宇宙中，夸克具备足够的能量自由地运动。因此，通过理解最大尺度上的宇宙过程，可以增加我们对最小尺度上的粒子的了解。每个粒子在宇宙初期获得的能量比我们在粒子加速器中所能制造的高得多。即使我们建造一个和太阳系一样尺寸的加速器也不可能产生如此巨大的能量。
值得注意的是，当前我们通过粒子物理对微观世界的研究，和通过宇宙学对极大尺度的宏观世界的认识是紧密交织在一起的。为了了解整个宇宙，我们要依靠对于基本粒子的认识，而我们进行此项研究的最好的实验室就是处于萌芽期的宇宙。一个充满了高能基本粒子的炙热空间，是我们想象到的新生宇宙的最早景象。
引力，宇宙的力
通常认为，在天文距离上唯一起作用的力是万有引力。对一个物体，无论是恒星、行星、一个人还是一片云，引力的强度取决于它里面包含多少物质。注意质量和重量是不同的。质量表示存在多少物质，而重量表示由于重力产生的力的大小。所以一个在地球轨道上的宇航员处于失重状态，但并没有失去质量。可以把引力定义为：使质量产生重量的力。例如，月亮是太阳大家庭中较小的一个成员，其引力小到无法保持住大气。地球质量比月球大得多，把物体吸引住的能力也强得多，所以幸运的是它保持了我们呼吸所需的大气层。类似地，早期宇宙中物质密集的区域比稀疏的区域有更大的引力，可以把周围的物质吸引过来，而这又进一步增强了它的引力。所以这一过程一直在加速，就像常说的那样：富者愈富，贫者愈贫。
在这些比较致密的区域中也存在局部的密度差异，所以有同类的过程发生。质量越大，引力越强，从周围吸引的物质聚集得越多。使用计算机能够重构当时的情景，从而建立一个比较好的模型来反映早期宇宙是如何演化成现在宇宙的大尺度结构的。
不论这种结构在哪里形成，都必须考虑两种对立的因素：从大爆炸开始的空间的膨胀和引力作用下的局部物质的收缩。一旦天体在形成过程中积累了足够的质量，它就能抵御总体的膨胀而收缩到一起。
一个星系团的始祖最开始时是很小的，其体积随着宇宙的膨胀而增加，并持续地从周围把物质吸纳过来。随着可以积累的物质的耗尽，它增长得越来越慢，直至停止扩张，这个原始的星系群达到了它最大的范围，并有能力凝聚到它最终的大小。引力随距离的增大而变弱，所以在宇宙演化的这个阶段，收缩仅可能发生在很小的尺度上。这样，还仅仅是气体团的原始星系开始形成。
光的产生
在暴胀这一灾变时期后的30万年里没有什么大的变化发生。支配宇宙演化的物理环境几乎保持不变。宇宙成为一个变动不那么剧烈的地方。随着温度的降低，质子和中子的速度也减慢了。但就像我们将要看到的那样，物质和辐射依然混合在一起。从我们的观点看，这一时期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙间的最大差异是，在这极早期阶段，宇宙是完全不透明的。
包括可见光在内的电磁波也可以看成是光子流。光子是一种没有质量的粒子，以每秒30万千米的速度运动。在量子力学（可能是现代科学中经过最好验证的理论）的奇妙世界中，我们不再能够明确地区分“波”和“粒子”，而要接受任何物质都会表现出介于两者之间的“波粒二象性”。就像我们传统上认为是粒子的那些实体——例如电子和质子——一样，光在某些时刻也表现得像一个粒子，叫做“光子”，而在其他时候像一个波。
每个光子都携带一份确定的能量，能量大小由光的颜色决定，所以确实可以说电磁波是一个光子流。现在让我们追踪其中一个光子的轨迹。它可能产生于极早期宇宙中的一次质子和反质子的碰撞。在这种非常密集的环境中，这个光子走不了多远就会碰上一个电子并被吸收掉，而电子则获得了能量。其后，光子可能又被发射出去，但这时和它原来的方向已是毫无关系了。这个过程在不断地重复，其结果是光子在任何方向上都走得很慢。
但是当宇宙在大爆炸后30万年，恰好冷却到3000度时，一个突然的变化发生了。在这个临界时刻之前，电子这种组成普通原子物质的最轻，因而也是运动最快的粒子，运动得太快，以至于较重的原子核无法将其捕获。但到了3000度的温度时，它们就再也无法逃脱原子核的捕捉了，最初的中性原子产生了。从原子的尺度上看，被捕获的电子在一个很远的距离上环绕原子核，但如果与原子间的距离相比，电子离原子核是极近的。这样，新形成的原子之间的空间变得空旷了，光子突然能够不受阻碍地运动很长的距离。换句话说，物质和辐射分离开来，在大爆炸后30万年，宇宙变得透明了。
光的屏障
我们已经知道在微波背景辐射产生之前宇宙是不透明的，光线无法在里面传到远方。就像在地球上没法看到云层里面一样，我们也没法看到这一时刻以前的情况。这个类比不完全准确，因为云朵自身不发光。太阳是一个更好的例子。从外面看，太阳有一个确切的表面：光球，但实际上我们看到的仅仅是物质开始变得透明的那个边界。光球内，气体是如此炽热、明亮和密集，光子无法不受碰撞地穿透出去，就像紧接着大爆炸后的那段时间一样；光球之外，气体变得透明了，光子能够自由地穿越，就像宇宙刚刚变得透明的那一时刻——宇宙微波背景产生的时刻。
要看透云层，我们有一个替代方案：无线电波可以轻易地穿过云层，所以可以得到云层之外或者云朵里面的信息。这种技巧在宇宙微波背景这里不起作用。30万年是对所有电磁辐射的限制，似乎是难以克服的障碍。那么我们怎么能够在前面如此自信地描述在这一时刻之前的那些情况呢？此时我们需要依靠理论。这些理论中有许多曾成功地预言了微波背景辐射是什么样子，这样我们就能够将理论和实际的宇宙微波背景作比较，得出合适的结论。
但更为理想的当然是我们希望能够越过这个障碍看到过去。为了达到这个目标出现了不少想法。比如去探测那些在微波背景辐射时代之前就幸存下来、未曾变化的高能粒子。现在已经开始寻找这种以微小的、几乎无质量的中微子或其他怪异的物质形态出现的粒子。但真正能够探测到并确定其来源的中微子望远镜，还有待建造。
光谱
艾萨克·牛顿爵士首次将一束阳光穿过一只玻璃棱镜，证明了阳光是由从红色（长波长）到紫色（短波长）的各种波长的光线的混合。他把阳光通过小孔和棱镜，射出后形成一条彩色光带，这是首个有意制成的光谱。牛顿并未做进一步的实验，可能因为那时棱镜的玻璃质量欠佳，无疑更为可能的是还有其他的事情正等待他去考虑。下一个真正的进展来自英国科学家W.H.渥拉斯顿。1801年，渥拉斯顿在屏上用一道狭缝代替了小孔，得到了里面横跨着许多暗线的带状太阳光谱。渥拉斯顿认为这些线仅是各种颜色之间的分界，从而与一项重大发现失之交臂。十多年后，德国光学家约瑟夫·夫琅禾费做到了这点。
像渥拉斯顿一样，夫琅禾费获得了太阳光谱。他把暗线描画下来，发现它们的位置和强度是不变的。例如在光谱黄色的部分有两条非常明显的暗线。这些线条是如何形成的？1858年古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生给出了答案，同时奠定了现代光谱学的基础。
就像望远镜收集光线一样，光谱仪把光分解成彩虹样的光谱。观察发光的固体或者液体的光谱，你可以看到彩虹似的连续谱带；而低压气体的光谱却大不一样，与一条彩带不同，只能看到分立的亮线，即发射光谱。基尔霍夫和本生发现，每条谱线都是某种特定元素或者元素组合的标志，而且不会重复。例如钠会产生2条明亮的黄线以及其他亮线。有些元素的光谱比较复杂，比如铁有数千条谱线。而他们伟大的洞察力在于，发现太阳光谱中的暗线和实验室里发光气体光谱中的亮线是一一对应的。现在知道每条谱线都产生于气体原子外层电子某个特定的状态跃迁。如果气体很热，电子的能级降低时就会放出能量，我们就能看到发射线；如果气体较冷并且背景光是像阳光那样的连续谱的话，我们就会看到一条暗线，因为电子在相同的频率上吸收了能量，并跃迁到上面的能级。在太阳光谱黄色部分里的那一对特殊的暗线就是相对较冷的钠蒸汽存在的明确迹象。通过对这些夫琅禾费线的研究，可以得到被称为“反变层”的太阳内层大气中所有气态元素的丰度。
被称作夫琅禾费线的这些暗线还可以提供运动的信息，继而间接地告诉我们天体的距离。注意一下救护车鸣笛的声音。与静止时相比，当汽车朝我们开来时，每秒钟内有更多数量的声波进入耳朵，其效果是波长变短了，所以声调听上去越来越高；而当汽车经过后驶离我们时，每秒钟进入耳朵的声波数减少，波长增大，所以音调变低。奥地利科学家多普勒首先对这种现象做出了解释，后来这种现象被称为“多普勒效应”。对光来说也存在同样的现象。对于一个正在靠近的源，波长的缩短令光线变蓝；对于正在退行的源，光线变红。这种颜色变化极其微弱，难于察觉。但是会在夫琅禾费线中有所反映。如果所有的谱线都向红端，即长波长端移动，那么光源就正在远离我们。红移越大，退行速度就越大。
现在回到太阳光谱。太阳的明亮表面，即光球，产生连续光谱。其上的是一层压力低得多的大气（色球层），所以预计应该产生发射光谱。事情也确实如此，然而在一个明亮的彩虹背景的映衬下，这些谱线被“反转”了，看上去不是亮的，而是暗的。但是它们的位置和强度不受影响。日光光谱黄色部分的两条暗线对应着钠的发射线，所以我们断定太阳上存在钠。
2.全面的认识“宇宙”
宇宙的诞生
广阔宇宙从何而来，这是一个从古至今都吸引人研究的问题。远古时期，我国就流传着盘古开天辟地的故事；西方则创造了一个“上帝”。《圣经》中是这样记载的，上帝用说话的方式要来了天地万物、光明和黑暗。因为在古代的时候，人们一遇到解释不了的一些奇怪自然现象的时候，可能就会编出一些神话用事，借助神灵的威力，这一点也是能够理解的。
时间过去了几千年，历史前进到了现在，关于宇宙的模型也有了好几个蕴藏着科学内涵的说法，其中影响最大的就是“大爆炸宇宙学”，它也可以解释许多的观测事实。这个理论的内涵就是，认为“我们的宇宙”——“观测到的宇宙”曾经有过一段从热到冷的演化史。在这一段时间里，宇宙体系在持续膨胀着，物质密度也可能会从密到疏进行演化。事实上，这一由热至冷、由密至疏的过程就像一次庞大规模的爆炸。
它的具体操作过程，能够这样来理解：宇宙早期，如同一个“原始火球”，它具有100亿度以上的高温和很大的密度。就是由于高温，“原始火球”非常不稳定，大概是在200亿年前，它爆炸了，于是整个体系迅速膨胀着。宇宙之中实际上充满了中子、质子、电子、光子和中微子等这些基本形态的物质。膨胀始终在继续，但温度能够快速地降下来。
只要短短几分钟，温度就可以下降10亿度左右，这时中子就会失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么和质子结合成重氢、氦等元素，宇宙中的化学元素就是从此时开始形成的；等温度下降至1OO万度后，早期形成化学元素的过程暂时结束；降至几千度时，爆炸产生的强烈辐射继续衰退，宇宙间遍布气态物质。最后，气体慢慢凝聚成气云，接着演化成各不相同的恒星体系，直到我们今天看到的宇宙。
在现实中，有人模仿按比例尺画地图的样子，把过去的近200亿年的宇宙演化历程浓缩到一年中，得出一个非常直观和有趣的“宇宙日历”：1月10日，大爆炸，宇宙诞生；5月1日，浩瀚的银河系诞生；9月9日，太阳系问世；9月14日，地球形成。9月24日，地球上原始生命出现；11月12日，绿色植物破土而出；12月26日，更高级的哺乳动物来到了这个世界。12月31日0时22分30秒，原始人类站在地球上；23分46秒，北京猿人开始用火；23分59秒，中国历史延续到春秋……宋代；24分，全球进入了迄今仍在继续的现代化社会……从上述列表中我们能够看出；人类历史其实就是宇宙岁月中非常短暂的一瞬间。
宇宙的形成果真是这样的吗？现在，没有人能够给出肯定的答复，可是比起其他宇宙模型的观点来，大爆炸宇宙学是的确可以很好地解释人们知道的神奇的宇宙现象，以下我们就来看看这些事实：据现在观测到的宇宙间所有的天体年龄都没有发现超过或者等于200亿年的，原因就是它们都诞生在宇宙温度快速下降之后，太阳只不过是50亿年前的产物。
相关观测还发现，很多星系的光谱事实上都有“红移”现象。天文学家们了解，若发光体朝着离开我们的方向运动之时，人们接收到的光谱线就会移到红色的这一端。星系光谱的红移也就意味着它们是在远离我们而去，或者说它们正在退行。所谓退行，其实就是说明宇宙正在膨胀，这就像一个气球上的各点，在吹气球的时候各点的距离会因气球胀大而增大是一个道理。在1929年的时候，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble，1889～1953）了解到星系退行的速度和离人类的距离是成正比的，也就是说距离越远，退行速度也越快。人们把这个规律称作“哈勃定律”。
而第三个事实就是，天文学家们得出结论，在各不相同的天体上，氦的含量都很大，比例也差不多一样，大概占30%。如果单靠恒星本身的核反应机制是不足以说明为什么会有这么多氦的，而“大爆炸”早期的高温，却可以很好地解释这一点。
另外一点，大爆炸理论的提出人之一，原苏联科学家伽莫夫（1909～1968）曾经预言，今天的宇宙很冷，只有绝对温度几度。在1965年的时候，这个预言被证明了，美国的科学家发现了漫布于整个空间的“微波背景辐射”，它的温度大概是3K，它们研究得出的这个结果在定性上和定量上都和大爆炸宇宙理论相符合。
但是，大爆炸理论也是有局限性的，宇宙中还有很多疑问解答不了。如，让天文学家们着迷了17年之久的宇宙膨胀。这种“砰”然一声后的自我膨胀将会有一个什么结果呢？是膨胀到一定程度时，天体间的引力使它停止，然后收缩、升温又回到“原始火球”，再爆炸？还是出现一个在扩张和崩溃之间实现临界平衡的宇宙？或者最终导致一个具有“负曲线”和无限未来的宇宙呢？又如，上面理论的提出和观测到的事实都是建立在“我们看到的宇宙”，也就是“总星系”中的，这就是所谓狭义的宇宙，是“我们的宇宙”。除此之外，那个更为广阔的空间又是何种模样？这又是一个疑问了。
时间的开始
让我们回到紧邻大爆炸之后宇宙的那个起始点。通常我们脑海中会闪现出这样一幅场景：在一个广阔的空间里宇宙突然地爆发了，但这是完全错误的。大爆炸的真实情景是：空间、物质以及更为关键的时间，都是在这里同时产生的。空间不是从虚无中产生的，在创世之前并没有虚无。在大爆炸之前时间也还没有开始，甚至谈论大爆炸前的某个时刻也是没有意义的。即使莎士比亚或者爱因斯坦也无法用通常的语言来描绘这一情景，虽然他们拥有非凡的智慧。
这也意味着当我们今天考察宇宙时，询问“大爆炸”是在哪里发生的这个问题是没有意义的。空间自身也是随着大爆炸产生的。因此，在大爆炸刚发生后的时刻，我们现在所见的整个宇宙蜷缩在一个极小的区域，比一个原子核还要小。大爆炸发生在每一个地方，这里没有“爆心”。
对这点的一个很好的直观描述是埃舍尔的一幅着名画作，虽然它的名称比较乏味：三维空间的分割。想象你站在任何一个位于网格交叉点的立方体上，每一个接到立方体上的直杆都延伸出去。在你的视野中所有的东西都从你这里延展出去，所以很自然地会首先感觉到自己正是位于一个特殊的地点：扩展的中心，但随后你就能意识到无论你位于网格的哪一点，看到的直杆向外扩展的景象都是一样的，事实上并没有一个中心。宇宙的情况与此非常类似：每一个星系群看起来都在远离我们而去。如果有一个观测者在这些遥远的星星上回望我们，他也会看到同样的景象，也可能同样地以为自己位于扩张的中心。
另一个经常被提到，而且乍看起来很有道理的问题是“宇宙有多大”。这里我们又遇到了一个大问题，就是有两类可能的答案：宇宙是有限的，还是无限的？如果是有限的，那么它的外面是什么？实际上这个问题是没有意义的。因为空间自身仅存在于宇宙之中，所以从字面上来说根本就没有“宇宙的外面”。另一方面，当我们提到宇宙是无限的时候，实际指的是它的大小是无法限定的。我们无法用日常的语言来解释“无限”，而且我们知道爱因斯坦也做不到——因为帕特里克曾经问过他！
还需要记住，我们要把时间看作是坐标中的一维。也就是说，不能简单地问“宇宙有多大”，因为答案会随时间变化。我们可以问“宇宙现在有多大”，但随后我们会看到，相对论的一个结果就是不可能定义一个普遍适用于整个宇宙的叫做“现在”的时刻。
谈论具有有限大小的宇宙立即会使人联想到边界。如果我们走得足够远，会撞到一堵砖墙吗？答案是否定的。宇宙具有数学家们所说的“有限而无界”的性质。一个有用的类比是一只在圆球上漫步的蚂蚁。要是它在这个弯曲的表面上一直朝着一个方向前行，就永远也不会遇到障碍，能够游荡无穷的距离。所以虽然球的尺寸是有限的，但蚂蚁觉察不出来。类似地，如果我们登上一艘无比先进的飞船沿着直线航行，我们也永远不可能到达宇宙的边界，但这并不意味着宇宙是无限的。随后我们还会看到空间也可以被看作是弯曲的。
让我们把自己限定在能够做出科学回答的问题上，即能够通过和观测结果对比来回答的问题。我们可以确定地说可观测的宇宙（顾名思义，即发出的光线有可能到达我们的那部分宇宙）在尺寸上是有限的。因为我们目前最好的估计是宇宙的年龄为137亿年，这样可观测宇宙的边缘（从那里发出的光刚刚到达我们）离我们有137亿光年远，而且还在以每年1光年的速度扩展。实际上后面还要谈到为什么我们永远不可能看到这么远。宇宙一定比我们能看到的要大，这是我们能够确定回答的全部。
宇宙的尺度
说一个目标在离我们137亿光年之外当然很准确，但我们能真正地去理解宇宙的这种尺度吗？我们很容易感受例如从伦敦到纽约的距离，甚至从地球到月球的距离（约38万千米），这几乎是10倍于地球上的环境。有很多人在他们的一生中曾经乘飞机飞行过比这还长的距离，事实上有些航空公司会给予那些乘坐航班累计超过160万千米的乘客以某种特权。但你如何去想象1.5亿千米——从地球到太阳的距离？当我们考虑最近的恒星，离我们4.2光年（约40万亿千米）时，这个距离是很难想象的。而星系更遥远得多。银河系最近的邻居仙女座星系距离我们有200万光年之远。
在尺度的另一个极端，想象一个原子的大小同样地困难，任何普通的显微镜都无法看到单独的原子。有这样一种说法：从量级上看，人正处于从原子到恒星的尺度范围的中间。有趣的是，这也正是物理规律最为复杂的地方。在原子世界，我们应用量子物理学；在宇宙尺度，应用相对论。在这两个极端之间，我们对如何调和这些理论的困惑暴露无遗。牛津科学家罗杰·彭罗斯坚定地写下了他的信念：我们对基本物理原理所缺失的理解力，也是我们对人类意识所缺失的理解力。当我们思考所谓的人择原理——归纳起来就是宇宙的演化必然保证我们能够存在并认识它——时，这个观点尤为重要。
另一个有用的问题是，宇宙中有多少原子？一种估计给出的总数高达1079个原子，即1后面跟着79个0。
传统上我们把原子看成由三类比较基本的粒子组成：质子（带单位正电荷），中子（不带电）和质量小得多的电子（带单位负电荷）。顺带说一下，在原子层次精确定义什么是电荷远非那么简单。可以把电荷看作是粒子的属性之一，就像大小和质量一样。电荷总是以固定的粒度出现，我们称之为单位电荷。
根据经典模型，原子就像一个小型太阳系，电子环绕中央的原子核旋转，由质子和中子组成的复合的原子核带有正电荷，并且和环绕的电子的总负电荷严格抵消。在我们的太阳系中，行星被引力保持在环绕太阳的轨道上；在原子中，是带负电荷的电子和带正电荷的原子核之间的电磁吸引力使得电子环绕原子核旋转。
过去，我们注意到这个简洁的模型可以解释很多基本的化学现象，比如，为什么原子的外层电子容易参与化学反应：因为它们离核较远，吸引力的约束较小。所以最简单的原子——氢原子，只有由一个质子构成的原子核和一个电子组成，整个原子是电中性的：正1加负1等于零。所有原子都具有相同数目的电子和质子。每种元素内这种粒子的数量是唯一的，称为原子序数。比如氦原子有2个质子和2个电子，所以它的原子序数是2。而碳原子的序数是6。重元素含有数目众多的电子和质子。地球上最重的自然元素——铀的原子序数是92。
在20世纪早期，把质子和中子看成坚实颗粒的观点甚为流行。但这个图景今天已经变得不那么清晰了。面对很多甚小系统的奇怪行为时，把它们看作由波动而非颗粒构成能够更好地进行解释。这个理论叫做波粒二象性。此外实验显示，电子看起来确实是不可分割，而质子和中子事实上并不是最基本的。它们能被分解成更小的颗粒，叫夸克。夸克现在被认为是最基本的。没有人曾经看到过夸克，但我们知道它们一定存在，因为在粒子加速器中检测到了。人们建造了粒子加速器，以不可思议的高速度把质子打碎，从而探测到夸克。在这些实验中质子似乎破碎了，所以科学家断定质子不是最基本的。自然界不喜欢形单影只的夸克，所以它总是成双或成三地出现。
宇宙的同谋论
让我们暂时回到现在。想象两个从地球上看去处于相反方向上的距离我们90亿光年的星系，它们之间的距离是180亿光年。泛泛而言，在最大的尺度上，它们身处的宇宙区域看起来是一样的。其中一个可能位于星系团的中心深处，就像我们附近的室女座星系团，另一个可能孤立得多；但是在第一个星系团附近会有孤立的星系，而在第二个星系的附近则不可避免地存在着星系团。所以每个区域都有相同比例的相同类型的星系，而且本地的温度也是一样的。
这就产生出一个被称为“宇宙同谋”的问题。宇宙年龄目前最好的估计是137亿年，不到180亿年，所以光还没有足够的时间从一个星系传到另一个星系。而根据相对论，光是宇宙中最快的东西。如果连光都没有时间穿过两个区域中间的空间，其他任何事情也不可能发生，没有任何东西能够从一个区域传递到另一个，所以两个区域之间的任何差异都无法消除。但是，无论我们朝哪个方向看，宇宙似乎都一样，有同样类型的星系，几乎按照一样的模式分布，好像它们曾经互相商量过一样。这个事实变得令人不解，被称作“宇宙同谋”。
为什么这会成为一个问题？难道宇宙在各个方向上看起来一样不是很自然的事情吗？也许有某个现在还不为人所知的规律在支配大爆炸的物理变化，保证只有几乎是均匀的宇宙才能产生。但是现在我们还没发现有任何物理理论能够预言这一现象的迹象，所以至少需要考虑如下的可能，就是宇宙诞生之时不同区域之间可能存在巨大的温度差异，比如在早期宇宙中，一半的温度可能是另一半温度的两倍。那么这样如何产生我们现在观察到的宇宙的均匀性呢？热量没有时间流动到宇宙中冷的部分，甚至没有时间在两个区域之间以光速发送一个消息。在这种环境下，原始的不平衡不可能被修正；而实际上，这些互相远离毫无关联的区域却是非常相似的。
我们的两个星系现在是互相远离。但是宇宙在非常年轻时要小得多，而在两边的物体有可能互相接触从而交换热量，达到今日所见的均匀性。现在的问题是，这个早期阶段的宇宙到底有多大？出乎意料地，答案相当简单。
到目前为止我们只讨论过一种能够在天文距离上起作用的力，就是万有引力。它本质上是一种把物体拉到一起的吸引力。引力本身会减缓膨胀的速度。我们可以尝试从现在反推出宇宙的大小随时间是如何变化的，而我们发现宇宙同谋的问题一直到早期宇宙都存在。换句话说，宇宙从来没有小到过能够让光从一侧运动到另一侧的程度。所以从来没有小到能够使得温度差被平坦掉的程度。这个推论是建立在引力是唯一影响膨胀速度的力的基础上的，所以如果我们要解决同谋问题，就必须放弃这个观点。
宇宙的多维性
宇宙空间究竟有几维？
神秘的宇宙和人类的经验世界如此不同，我们所能感受的三维世界也许只是宇宙中多维空间的一个小岛。近日，东京大学上演了一场爆棚演讲。主讲人哈佛大学理论物理学教授丽萨·兰道尔的到场，让所有听众躁动起来——不仅因为她的美貌，更因为她给人们呈现了一个超乎想象的多维世界。
第五维空间在哪里？
哈佛大学理论物理学教授丽萨·兰道尔，是近年来理论物理学界的佼佼者。1999年，她和同事拉曼·桑卓姆发表了轰动一时的两篇论文，至今，这两篇论文的引用率在理论物理学界仍排名第一。根据论文建立的模型，她假设了宇宙中存在着超越我们所处的四维（长、宽、高组成的三维空间+时间）时空之外的第五维或更多维的宇宙空间。这一理论也恰好解释了，困扰科学界多年的引力相比其他3个基本力羸弱不堪的原因。
科学家发现，宇宙基本由4种力相互作用而成。它们是引力、电磁力、强力和弱力。引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间存在引力；电磁力是由粒子的电荷产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸；强力主要是把夸克结合在一起的力；弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。（注：人们普遍认为，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子由电子、质子、中子等基本粒子组成，而基本粒子则由更基本的亚粒子组成。这种亚粒子也就是人们常说的“夸克”。）
令人不可思议的是，这4种基本力的相对强度以及作用范围都有巨大区别。从相对强度上来说，假定以电磁力为一个单位强度，则强力要比这个单位大100倍，弱力只有这个单位的1/1000，引力小到几乎可以忽略不计：在微观世界中，它只有电磁力的1/1040（10的40次方）！从范围上看，引力主要体现在宏观世界，其他3种基本力主要在微观世界起作用。
也许你并不觉得引力微不足道，至少当我们从高处坠落时，那可不是闹着玩的。但是同电磁力比起来，它的确相当“虚弱”，比如，整个地球产生的引力作用在一根针上，只不过是让它在桌子上安静地躺着，我们拿起一小块磁铁便能将它轻松吸起。奇特的是，引力在宇宙中却能左右巨大星系的运转。
对此，兰道尔的理论模型给出了解释：“我们假设引力存在于与我们所处的三维时空不同的另一张膜上，而引力膜和我们所在的膜之间，被第五维空间或更多维空间隔开。其他3种基本力被限制在我们的膜上，而引力则在宇宙中均匀分布。对我们这样的三维空间来说，它的强大力量从宇宙中多维空间中‘泄漏’出来后被大大弱化了。”
若果真如此，那么五维或多维空间究竟在哪儿？它们又如何不同于我们的三维空间世界？
为什么会有多维空间？
事实上，是否存在多维空间的猜想，早在1920年就被爱因斯坦的“粉丝”德国数学家卡鲁扎提出过，后来经过瑞典理论物理学家克莱茵的改进，成为“第五维度”的思想，并被后人统称为卡鲁扎-克莱恩理论（或KK理论）。遗憾的是，这个理论最终未能自圆其说，只能不了了之。
后来，相对论和量子理论——这两大现代物理理论基石相继诞生，有趣的是，二者之间不能通用且充满矛盾。
爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论，他认为空间是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就发生了弯曲凹陷。这就像在一条绷紧的床单上放一个保龄球，床单马上就凹陷下去，而所谓的引力就是通过这样的空间弯曲而体现的。为什么地球会绕着太阳运行？因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”。而如果物体质量太小，空间弯曲几乎为零，也就感受不到引力的作用。因此，人和人之间，甚至建筑物等普通物体之间的引力作用可以忽略不计。
但相对论的空间几何形状变化，解释不了其他3种基本力——电磁力、强力和弱力的作用原理。在微观世界里，空间根本就不是平滑的，无数的粒子在永不停息地剧烈运动，可见，广义相对论的平滑空间前提在这里讲不通。
而量子理论却能解释这3种力的行为：量子理论认为，宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成，而力则是由粒子的交换而来的。但粒子交换也不能解释引力现象，因为在微观世界里，粒子的自身质量不仅小到几乎没有，还总在杂乱无章地运动，它们之间的引力又从何谈起呢？
相对论和量子理论的尖锐矛盾，使科学家不得不另辟蹊径。上世纪60年代，一个崭新的理论——超弦理论出现了。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，这根细细的线被科学家形象地称为“弦”。依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同振动模式，弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。振动较剧烈的粒子质量较大，振动较轻柔的粒子质量较小。而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。不过，弦的运动是十分复杂的，以至于三维空间已经无法容纳它的运动模式。
在今天的超弦理论中，科学家已经计算出十维空间结构（还有些方法甚至计算出了二十六维）。而空间的维数越高，越能容纳更多的运动形式。由此，宇宙的时空维数是高维的，三维空间仅仅是一种最简单的情形。
三维以上的空间是隐匿的？
如果真有十维空间，我们为什么只能察觉到三个维度呢？除了时间维度之外，另外六个又在哪里？
一些科学家认为：计算出来的空间维度不一定和经验维度相同。或许另外六个维度的空间以某种方式隐匿起来，人在日常生活中难以察觉。记得获得1979年诺贝尔物理学奖的美国物理学家格拉肖曾抱怨过：“我总是被那些搞超弦理论的人打扰，因为他们从不谈一些和真实世界有关的事。”
对这个问题，兰道尔倒是泰然处之，她最近提出了一个“放松原则”：想太多不如什么都不想！“看看我们的宇宙，它一路走来，始终如一。当宇宙处于大爆炸前的初始状态时，存在多少维度都有可能。大爆炸发生后，宇宙在不断地膨胀，它会自然而然地、随时充填需要的维度，直到稳定下来。”根据兰道尔的计算，在宇宙膨胀过程中，三维和七维的宇宙处于相对稳定的状态。因此，“宇宙在演化过程中，自然会呈现出稳定的三维和七维形式。三维空间存在的范围是最大的，这也就是为什么我们只能察觉到今天这个三维空间构成的世界。”
当然，“如果这还满足不了你的好奇心，你也可以把多维宇宙想像成一次买房的经历。当你选择房子的时候，你不仅会看房子的空间大小，还要看它的结构、质量、地理位置、升值潜力等各种因素，这些因素就好比宇宙的其他空间形式。”
3.正确认识宇宙的膨胀
宇宙大爆炸说
在现实中，人们是依据什么推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢？这主要就是依赖天文学的观测与研究。我们的太阳不过是银河系中的一两千亿个恒星中的一个。就如我们银河系同类的恒星系——数不计数的河外星系。在观测的过程中，我们发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，距离我们越遥远的星系，飞离的速度也就越快，所以就形成了现在膨胀的宇宙。
针对这一点，人们开始思考，假如把这些向四面八方远离中的星系运动反过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是否在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？以后，人们接着又观测到了布满宇宙的微波背景辐射，这说明大概在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波尽管是微弱的但的确是有的。这一发现对宇宙大爆炸论是个重要的支持。
对于现代宇宙学来说，宇宙大爆炸论是它的重要流派，它可以很到位地解释宇宙中的某些基本问题。尽管宇宙大爆炸理论在20世纪40年代才提出，但是20年代以来就有了萌芽。在20年代的时候，很多天文学者都观测到一个现象，不少河外星系的光谱线和地球上同种元素的光谱线对比，都会有不同地波长变化，也就是红移现象。
直到1929年，美国的天文学家哈勃发表结论总结：星系谱线红移星与星系和地球之间的距离成正比的规律。在他的这一理论中，他指出：假如认为谱线红移是多普勒效应的结果，那么就表示河外星系都在离开我们向远方行走，并且距离越远的星系飞离我们的速度越快。总结来说，这就像是一幅宇宙膨胀的图像。
时间来到了1932年，勒梅特第一次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍苏联著名天体物理学家伽莫夫首次把广义相对论加入到宇宙理论中，他提出了热大爆炸宇宙学模型：最开始的时候，宇宙源自高温、高密度的原始物质，刚开始的温度甚至达到几十亿度，但随后温度开始持续下降，于是宇宙就开始膨胀。
就宇宙的形成来说，大爆炸理论是其中比较有影响力的一种说法，这一理论起源于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，不过始终都少为人知。直至40年代伽莫夫等人又郑重地提出了宇宙大爆炸理论。这个理论的观点是，宇宙在远古时期曾处于一种超高温和超密度的状态，人们将这个状态形象地称之为“原始火球”。
这里所说的“原始火球”实际只是一个非常小的点，如今的宇宙也一直在继续膨胀，也就是无限大，也许在宇宙爆炸的能量散发至最大限度之时，它就会变成一个原始火焰也就是无限小的点以后，火球爆炸，宇宙就持续膨胀，物质密度惭渐变稀，温度也逐渐降低，直到现在的状态。从这一理论中，就能够说明河外天体的谱线红移现象，同时还可能圆满地解释多数天体物理学问题。在50年代初期，很多人才开始广泛关注这一理论。
到了60年代，科学家彭齐亚斯和威尔逊又找到了宇宙大爆炸理论的最新的证据，他们了解到了宇宙背景辐射，此后他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，据此为宇宙大爆炸理论找到了关键的依据。两位科学家在测定银晕气体射电强度时，在大约7.35cm波长处，意外地探测到一个微波噪声。并且无论天线转到什么，不管白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声在什么时候都能保持稳定。大约相当于三K摄氏度的黑体发出的辐射。这个意外发现使天文学家们格外激动，这跟他们的预料：当年宇宙大爆炸后，到现在一定会留下点什么，每一个阶段的平衡状态，都必须有一个相应的等效温度，作为时间前进的声响。这两位科学家最后也凭借这一点斩获1978年的诺贝尔物理学奖。
可以说，在科学家霍金身上，20世纪科学的智慧和毅力得淋漓尽致的体现。他对于宇宙起源后10～43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释：宇宙的起源，最早是比原子更小的奇点，然后就是大爆炸。在大爆炸之后聚集的能量形成了一些基本粒子，这种粒子在强大的能量的作用下，慢慢形成了宇宙中的各种物质。
至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。但是，现代的宇宙大爆炸理论依然缺乏大量实验的支持，并且我们还不知道宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。
宇宙的疯狂暴胀
现在流行的解决方案在一定程度上增加了大爆炸理论的复杂度。大多数宇宙学家们现在相信曾有一个异常短暂的快速膨胀期，称为暴胀。在大爆炸后10-35秒到10-32秒之间，宇宙扩展了几十亿倍。在暴胀阶段的最后，膨胀回到了一个比较稳定的速度，和今天观测到的一致。
如果没有暴胀时期，我们所看到的宇宙中相对侧的区域就既没有时间来交换热量，也没有可能达到充分的平衡。假设的这种快速膨胀使我们能够认为宇宙开始时要小得多，从而可以在加速膨胀开始之前达到温度均衡。剩余的少量不均匀性被尺度上的巨大增加所消除。这个迷人的快速暴胀带来的一个结果就是我们所观测到的区域只是整个宇宙的极小的一部分。即，我们只能观察到实际上是我们周围局部的一点变化，而这注定是非常有限的。用一个日常的比喻，我们知道地球从珠穆朗玛峰峰顶到最深的海沟的底部有很大的高度变化。暴胀的等价效果就是把你脚尖下的一小块地方扩展到整个地球这么大，或者等效地把我们缩小到比最小的病毒还小很多的地步，那么在我们能够到达和探索的范围里，高度的变化将是微乎其微的。对于宇宙中的温度起伏，暴胀也带来了同样的效果。
但是为什么在婴儿期宇宙膨胀速度会如此突然地急剧增加？看起来需要引入一种新型的力，它和引力起的作用相反，来对这种巨大的加速负责。科学家已经开始研究这种力应该具备什么样的属性，但还没有得出明确的结论。就我们所知，暴胀发生前的宇宙环境并没有任何特别之处，故而这种加速力的突然出现和消失显得多少有些随意。但是它的存在确实使我们能够处理宇宙同谋的问题。
引入暴胀之后还能为我们解决哪些问题呢？暴胀还能解释我们今天观察到的宇宙中的另两种现象。没有暴胀，那么这两种现象根本无从解释。首先，根据粒子物理的标准理论，一种被称作“磁单极子”的粒子应该能够偶尔被探测到。但实际上，我们从未探测到磁单极子。这无疑需要某种解释。暴胀理论使我们能够争辩，因为这种粒子分布得太稀疏了，所以探测不到并不令人惊讶。比如，为了辩论我们假设在大爆炸中产生了100万亿个这种粒子，那么我们会感到奇怪为什么一个都没有发现。但是如果同样数目的粒子被散布在比暴胀之前大几十亿倍的宇宙中，那么在我们可观测的宇宙范围内找不到这种粒子就很有可能了。暴胀的力度是如此之大，就在它起作用的短暂时间里，它所产生的宇宙也比传统大爆炸理论所预计的大了不知道多少倍。暴胀为这些失踪的粒子提供了一个解释：它们被过度稀释了。
宇宙膨胀越大越冷
在第一个普朗克时间之后，微小而炽热的宇宙不可思议地开始膨胀，也开始逐渐冷却下来。宇宙是一个沸腾的夸克的海洋，每个夸克携带着巨大的能量以极高的速度在运动，结果是当时没有我们现在看到的这些原子和分子的形态，因为这些复杂的结构是不可能抵御极高温度的分裂力的。夸克的能量太高，无法被捕获和限制在质子和中子内。事实上在宇宙的婴儿期，夸克可以自由飞驰直到与一个邻居相撞。除了夸克，这种早期的亚原子粒子的浆汁中还含有反夸克——除了带有相反的电荷，和夸克完全相同。现在人们相信每种粒子都有对应的反粒子，除了所带电荷外其他特性完全一致。电子对应的反物质粒子是正电子，带有正电荷，其他方面和电子相同。在科幻小说里反物质的概念很常见，它们是无数极为先进的星际飞船发动机的基础，所有这些都来自一个实验事实：当一个粒子和对应的反粒子相撞时，两个粒子都会湮灭，同时释放出巨大的能量。如果在原始宇宙中一个夸克与一个反夸克相遇，它们就会消失，同时发出辐射闪光。反向的进程也会发生，足够高能的辐射（当然是在宇宙演化的早期阶段的能量水平）可以同时产生一对粒子，包含粒子和它的反粒子。这个时期的宇宙充满了辐射，辐射产生粒子对，粒子又极快地在互相碰撞中湮灭，并把能量转移回背景辐射。
贯穿整个时期，宇宙持续地膨胀和冷却。经过第一个1微秒（仅仅10万亿亿亿亿个普朗克时间），当温度降低到约10万亿度的临界值以下时，夸克的运动速度降低到能够被它们之间的相互引力（强力）所捕获的程度。三个一组夸克聚集到一起形成了我们熟悉的质子和中子，总称重子；而反夸克聚集成反质子和反中子，总称反重子。如果重子和反重子的数量是相等的，那么极有可能它们之间的碰撞会使得重子全部湮灭。而当宇宙膨胀时，辐射的能量被稀释，不再能够产生新的粒子，这样宇宙中的物质就不可能留存到现在。
仅仅由于从一开始就存在的一点微弱的不平衡挽救了物质，使得我们今天得以存在，使我们能够在这里思考很久以前发生过什么。出于我们至今尚未知晓的原因，每十亿个反重子会对应十亿零一个重子，所以在最初的混战结束后，几乎所有的反重子都消失了，留下的残余的质子和中子形成了今天的原子核。
平坦宇宙
看似荒唐的暴胀观点的第三根支柱，可能也是最有说服力的一个，涉及宇宙的几何学。大多数人都很熟悉我们在学校可能还有点不情愿学习的欧几里得几何学，我们被告知三角形内角和等于180度。但事情并不总是这样。比如想象画一条线，从北极出发沿格林尼治子午线到赤道，再沿赤道向东转过90度，最后沿子午线穿过俄罗斯回到北极完成一个三角形。那么我们就经过了2个90度的转角，90+90=180度。而我们还需要加上两条子午线之间的那个顶角。欧几里得几何学仅适用于平面。
而宇宙中的几何学又会是一种什么样的形式呢？事情要复杂得多，因为我们面对的是一个四维空间（三个熟知的空间坐标，加上时间），而非一个二维的表面。让我们考虑最大的尺度，而忽略物质造成的局部畸变。宇宙有无数种可能的几何学，而我们的宇宙似乎精心地选择了一个特殊的类型。观测表明（见第三章中宇宙微波背景辐射），我们生活在一个平坦的宇宙中，在这里，欧几里得几何学即使在最大的尺度上也成立。为什么事情会这样？要达到一个平坦的宇宙，宇宙中必须具有确切数量的物质，差异仅在几个原子之间。换句话说，要是我们的宇宙中少了或多了几个原子，那么它的几何特性就会变得远非平坦。
重申一下，我们所掌握的观测事实，固然可以归因于支配大爆炸自身的早期物理学的某些特殊性质，而暴胀理论指出了另一条途径，并获得了更加令人满意的解释。它们之间的分歧在于暴胀可以得出一个比简单大爆炸大得多的宇宙。
下面通过一个三维情形的类比来帮助我们理解四维空间。任何一个站在保龄球上的人，当他掉下来时马上就会意识到这是一个球面。那么对于一个很大的球，比如我们幸福地生活其上的地球，又会如何呢。即便不是一目了然，我们也很容易发现自己是站在一个曲面上。超出我们印象的是，远在古希腊时期人们就已经知道地球是个球体，他们甚至还成功地测量出了它的直径。而看到一艘船消失在地平线下提醒人们地球表面是弯曲的。现在想象我们正在一个比地球大上万亿倍的球面上，那么所有的实验都会显示这是一个真正的平面。球面的曲率是如此之小，根本测量不出来。出行的船只似乎永远也走不到地平线下。
宇宙暴胀之后
经过暴胀之后的宇宙就像上面最后的球面一样，因为它膨胀到了如此巨大的地步，我们所能观察到的宇宙仅仅是整体的极其微小的一部分，所以只能够测量出它的局部性质。因此可以得出这样的结论，即我们看到的宇宙是平坦的。在这个巨大的宇宙中我们无法获知自己观测范围之外的几何学是什么样子的。不管在宇宙中可能存在多少种几何学，暴胀说明了为什么我们看到的宇宙是平坦的。
上面的三个问题被暴胀设想利落地解决了，其代价是引入了一个我们知之甚少的、神秘的、暂时的加速，也许当我们对大爆炸本身有了更为深入的了解之后会有其他的答案，但在目前阶段暴胀不失为一个很好的解释。
在暴胀之后，宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却。大爆炸后3秒，温度降低到约10亿开。宇宙中3/4的物质是氢，其余几乎都是氦。氦原子有2个电子，环绕着由2个质子和2个中子组成的原子核。
大爆炸理论预言每有10个质子，即10个氢原子核，就会相应地产生1个氦原子核。现在氢和氦的比例依然是10比1。这可能是对大爆炸理论最为简明有力的验证。恒星将氢转化为氦，所以我们可以预料氦的比例会有所提高。如果我们在宇宙某处发现了一个孤立的物体，其中氦的含量比预计的低，那就必须开始彻底地重新考虑我们的理论。到目前为止还没有发现这种情形。
所以我们是否相信大爆炸？它的主要竞争对手——稳恒态理论看上去已经寿终正寝了。现在，大爆炸占据了舞台。必须记住，理论是无法证明的。我们只能够尽力使其与所有的已知事实相符。带有暴胀的大爆炸理论看起来满足这个要求。但是，任何时候都有可能冒出新的发现，使我们看到原有理论的致命裂痕。不过在一个新的牛顿或者另一个爱因斯坦变出另一套更好的理论之前，我们还要和大爆炸待在一起。
大爆炸的回声
电子捕获进程对于宇宙的温度相当敏感，一旦温度降低到上述临界值之下，捕获过程就以惊人的速度发生。由于暴胀的原因，宇宙温度在整个空间范围内几乎完全一样，这意味着这一过程几乎在整个宇宙内同时发生，其结果是光线可以不受阻碍地穿越宇宙，使我们在134亿年后仍然能够看到这幅我们宇宙演化的特殊时刻的快照。这种观察过去某个特定时刻的景象的能力是天文学所独有的。通常当我们试图观察比较遥远的宇宙区域时，视线会被邻近的星系所遮挡，它们发出的光线还是比较近期的。宇宙变得透明这个不可思议的事件现在可以不受遮挡地观测到，我们称之为宇宙微波背景，或CMB。
无论有意无意，我们的很多读者都曾亲身感受过这种伴随大爆炸的“大火球”熄灭时的微弱回声。把电视天线拔掉或者调谐到没有频道的地方，你会看到黑白的天电干扰。这种干扰中的1%来自宇宙微波背景。在它最初发出134亿年后，仍能干扰你的电视图像。
现在，这种微波辐射的频率等效为一个平均温度仅比绝对零度高2.7K的发射机。如果这个辐射真是大爆炸自己的回声，那为什么会如此之冷？其原因是很直接的。这些辐射在发出时，宇宙的温度是3000度，在它传向我们的过程中，它所穿过的空间一直在膨胀，使得光的波长越来越长，于是表观温度越来越低。这是我们首次遇到这种叫做红移的现象，它具有极端的重要性。
宇宙微波背景的发现为大爆炸理论的若干预言提供了强有力的支持。例如，发出的辐射与一个黑体的特征相符合。黑体是一个假设能吸收所有进入它的辐射的物体，如果被加热，则它的辐射能谱中任意频率上的强度只取决于它的温度。在实际应用中，我们可以据此得知发射体的性质。例如，它应该与外界的影响相隔绝。在大爆炸和30万年后的透明期之间的那个炽热、高密度和不透明的宇宙正是这样的一个发射体。理论和观测结果之间符合得是如此之好，在大多数数据曲线上，表示预测值的线宽要大于测量的不确定量。这在科学上是很少见的情况，在观测天文学中更是独一无二。
最初，辐射似乎是绝对均匀的，与方向无关。即使把我们自己的星系所发出的微波辐射造成的前景辉光减去，在宇宙微波背景上较亮的天区看上去也和其他部分几无二致。但我们今日看到的宇宙却是明显“结块”的。星系组成星系团，星系团又构成超星系团，而它们之间隔着巨大的距离。这些地方正由诸如英澳2度视场巡天计划和斯隆（Sloan）巡天计划进行详尽的检查，而且已经延伸到距离地球10亿光年之遥的地方。无论从这些观测结果中我们绘制出怎样的宇宙画像，毋庸置疑的是它绝不是均匀的，所以很清楚有什么地方搞错了。在看上去均匀的早期宇宙里，一定隐藏着生成我们今天看到的不均匀结构的原因。
宇宙背景辐射是当今天体物理学最集中研究的对象，它还能告诉我们很多东西。它标志着宇宙中最早结构的景象。最近对于宇宙微波背景更为细致的研究揭示出小于万分之一度的温度起伏。这个差异很微小，但正是形成我们今天看到的周围结构的起因。通过温度来测量
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