作者：（英）尼尔·德格拉斯·泰森
出版社：未读·北京联合出版公司
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给忙碌者的天体物理学(一本书读懂诺贝尔物理学奖！得到万维钢推荐)试读：
推荐序1
万维钢偶尔仰望星空的时候，你会想到什么呢？你想到了宇宙之博大和个人之渺小、想到了真理、想到了公平和正义吗？如果只想到这些，你就错过了最动人的主题。
现代天体物理学比任何文艺青年所想象的东西都要丰富很多很多倍，也精彩很多很多倍。我们赶上了一个新观测手段层出不穷、宇宙知识爆发式增长的时代。我们今天对宇宙的了解，跟一百年之前，甚至几十年之前都非常不一样。我们已经有很大的把握知道这个宇宙是怎么回事，而你也有权知道。
这本书允许你问这个宇宙是从哪里来的这种大问题，并且提供了相当可靠的答案——而你将会发现，这其实是非常幸运的事情，因为正如泰森所说，宇宙本来没有义务让我们理解。
尼尔·泰森是卡尔·萨根的传人，他是这样一本书最合适的作者。你的阅读历程将伴随着赞叹和思考，你将收获一个宇宙学的视角。
推荐序2
张双南现代社会大家都很忙，但是又都兴趣很广，对天文宇宙的爱好几乎成了“文化人”的标识之一。然而，大部分人在学校都没有学习过天文和天体物理学，面对滚滚而来、整天刷屏的各种天文新发现的报道，很多人虽然常常不明觉厉，但是还是想知道到底是怎么回事，否则就不能愉快地和人谈论各种天文宇宙的最新话题了。系统地上天文课？太忙，没有时间！抽碎片时间系统地读天体物理的书？太折磨人了，实在是看不进去啊！这本书就是大家的福音！仅仅12章、6万字，就把从宇宙诞生到寻找地外家园这些主题都说清楚了，最后还进一步引发人们对人生和宇宙的哲学思考！
既然大家都很忙，那么我推荐两种阅读方式：对像我这样连周末和假期都没有的读者，您可以一次读一章，花15～20分钟，不难吧？对于那些也非常忙，但是偶尔能够有个周末或者假期的读者，我建议您就一口气读完，这样比较过瘾！还等什么？现在就开始读吧！
推荐序3
李淼生活在21世纪开端，有时我们并不知道这个时代有多特殊。但是，只要我回想起青年时代读到的关于天文和宇宙的科普书籍，就发现在短短的三十年中，人类在理解宇宙这件事上走了多么远。
我们现在可以讲述一个几乎完整的关于宇宙的故事，这个故事既宏大又迷人。宇宙开始于一场大爆炸，之后一些元素形成了，一些恒星和星系形成了。星系中不断有新的恒星形成，有超新星爆发，甚至有黑洞互相碰撞。这是一个既神奇又可以理解的宇宙，而我们这些生活在暗淡蓝点一般的地球上的人，看起来是宇宙中的一粒尘埃，却又是能够理解宇宙的一种生命。
我是一口气读完尼尔·德格拉斯·泰森这本精彩的关于宇宙的书的，它本身就是一个童话一般的故事。作者本人就是一位善于在视频中讲述科学故事的人，这一次，我相信你也会一口气读完这个故事。
自序
最近几年，几乎每个星期，都会有一个值得上新闻头条的宇宙新发现。尽管这有可能是媒体把关人对宇宙产生了兴趣，不过这些新闻数量的上升更可能来自公众科学兴趣的真正提升。相关的证据有很多，从受科学启发或包含科学内容的热门电视节目，到由大牌明星主演、著名电影公司和导演拍摄的科幻影片的成功。最近，以重要的科学家为主角的传记电影已经自成流派。科学节、科幻大会和科普纪录片也在世界各地广为流行。
在这类科幻影片中票房颇高的，是由一位著名导演拍摄的，发生在绕着遥远恒星运行的一颗行星上的故事，一位著名女演员扮演的天体生物学家在电影中占据了非常重要的角色。虽然在这个时代，大多数科学分支都有长足发展，但天体物理学一直是其中的翘楚。我想我知道原因：我们每一个人在某个时间都曾仰望夜空，都想知道：这一切意味着什么？它是如何运行的？我在宇宙中处于什么位置？
如果你实在太忙了，没空通过上课、读教科书或看纪录片来理解宇宙，可你仍在寻找对这个领域简短而有意义的介绍，那么我为你提供了这本《给忙碌者的天体物理学》。在这本小书里，你将对推动当代宇宙学的所有主要思想和发现获得基础而连贯的了解。如果我讲得还不错，你就会从人文意义上通晓我的专业领域，那时你可能会渴望进一步深入了解宇宙。宇宙没有义务让你理解。——尼尔·德格拉斯·泰森01 有史以来最伟大的故事世界已经存在很多年了，它一旦被设定了合适的运动，其他的一切都随之而来。——卢克莱修，古罗马哲学家，约公元前50年
起初，将近140亿年前，已知宇宙所有的空间、所有的物质、所有的能量，都包含在一个极小极小的尺度之内，比这句话末尾的句号的一万亿分之一还要小。
那时的温度是如此之高，自然界中描述这个宇宙的四种基础作用力还是统一的。虽然我们依然不知道它是如何出现的，但这个比针尖还要小的宇宙只能膨胀——急速膨胀。我们将其称为大爆炸。
爱因斯坦在1916年发表的广义相对论，为我们提供了关于引力的现代理解，即物质和能量的存在弯曲了围绕它们的空间和时间结构。在20世纪20年代，量子力学被发现，为我们提供了微观世界的现代观念：分子、原子和亚原子粒子。但是这两种对自然界的理解方式在形式上是彼此不相容的，这使得物理学家们开展了一场竞赛，要将微观理论与宏观理论融为一种内在一致的量子引力理论。虽然我们还没有达成目标，但我们知道最大的困难所在。其中之一是在早期宇-43宙的“普朗克时期”。那是大爆炸之后时间间隔从t＝0到t＝10秒-35（1秒的千亿亿亿亿亿分之一），并在宇宙尺度增长到10米（1米的千亿亿亿亿分之一）之前。这些难以想象的小尺度被命名为普朗克时间和普朗克长度，马克斯·普朗克（Max Planck）是德国科学家，他在1900年引入了量子化能量的概念，被誉为“量子力学之父”。
引力和量子力学之间的冲突对当代宇宙没有什么实际的影响。天体物理学家们把广义相对论和量子力学的原理和工具应用于不同种类的问题。但在宇宙开始的时候，也就是普朗克时期，极大也是极小，我们怀疑两者一定曾经有某种强制联姻。唉，然而我们对它们在那个仪式上交换的誓言一无所知，所以没有任何（已知的）物理定律能够描述宇宙在那个时期的行为。
尽管如此，我们预计在普朗克时期结束时，其他三种自然力仍然统一，引力逐渐分离出来，成为我们目前的理论可以很好地描述的独-35立作用力。随着时间达到10秒，宇宙继续膨胀，稀释了所有曾集中的能量，刚才还保持统一的作用力分裂成“弱电力”和“强核力”。后来弱电力分裂成电磁力和“弱核力”，从而使得我们已经能够认识到的四种作用力显露了出来：决定放射性衰变的弱核力，把原子核束缚起来的强核力，使得分子结合在一起的电磁力，把大团物质聚集在一起的引力。-从宇宙诞生开始，至此过去了万亿分之一秒。-
在那段时间，以亚原子粒子的形式存在的物质，与以光子的形式存在的能量（光子既是粒子又是波）之间的相互作用持续不断。那时的宇宙温度足够高，这些光子会自发地把它们的能量转换为物质-反物质粒子对，紧接着又彼此湮灭，把能量重新转换为光子对。是的，反物质是真实的，我们已经发现了它，这并不是科幻作家的想象。这种能量和物质之间的转换完全遵守爱因斯坦最著名的质能方程：2E=mc，它既可以用来算你的能量“值”多少物质，也能用来算你的2物质“值”多少能量。方程里c是光速的平方，它是个巨大的数字，用它乘以质量，让我们知道在这个“运算”中我们可以获得多么巨大的能量。
在强核力和弱电力分道扬镳之前、之中、之后这段极短的时间里，宇宙变成了由夸克、轻子和它们的反物质兄弟——还有承担它们相互作用力的玻色子——共同组成的一大锅沸汤。这些粒子家族每一类都有好几个变种，但它们都被认为无法再分割成更小或更基本的粒子了。普通的光子是玻色子家族的一员。对于非物理学家来说最熟悉的轻子就是电子，可能还有中微子。至于最熟悉的夸克……好吧，没有你们熟悉的夸克。夸克一共有六种，每一种都被赋予了一个抽象的名称，这些名字不具有真正的语言学、哲学，或教育学的目的，只是为了区别彼此：上夸克和下夸克、奇异夸克和粲夸克、顶夸克和底夸克。
玻色子，顺便说一下，是根据印度科学家萨特延德拉·纳特·玻色而命名的。“轻子”这个词来源于希腊文leptos，意思是“轻”或“小”。然而“夸克”这个名字则有一个颇具文学色彩也更富想象力的起源。物理学家莫瑞·盖尔曼在1964年提出存在夸克，它们是中子和质子的内部成分，他当时认为夸克家族只有三名成员，所以从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》里一句含义出名模糊的句子“向麦克老人三呼夸克”（Three quarks for Muster Mark）借用了夸克（quark）这个词。这些夸克有一个共同的特征：它们的名字都特别简单——这似乎是当化学家、生物学家，特别是地质学家在给他们自己的研究对象命名时无法做到的事情。
夸克是古怪的野兽。它们跟质子和电子有个不同的性质，每个质子拥有+1电荷，电子拥有的电荷为-1，可是夸克具有的电荷为分数——只能是1/3或2/3。而且你永远不可能抓住一个单独的夸克，它总是跟附近的其他夸克抱成团。事实上，你把两个或更多个夸克分开的距离越远，把它们束缚在一起的力量也会随之增强——它们就像是被原子核内的某种橡皮筋拴在一起。夸克被分离得足够远时，橡皮筋2断裂，原本储存的能量会“召唤”质能方程E=mc在橡皮筋两端各产生一个新的夸克，把你又带回到了起点。
在夸克-轻子时代，宇宙是足够致密的，不相连的夸克之间的平均距离，足以与相连夸克之间的距离相比。在这种情况下，相邻夸克之间无法建立明确的忠诚关系，它们在彼此之间自由地移动，尽管总的来说仍然彼此束缚在一起。这种好像夸克汤一样的物质状态，是2002年由纽约长岛布鲁克海文国家实验室的物理学家们发现的。
强有力的理论证据表明，在极早期宇宙中的一段时间，某种作用力分离之时，赋予了宇宙一种非同寻常的不对称性，其中物质粒子的数量略微超过反物质粒子：比例为十亿零一比十亿。即使那时有人的话，也不会注意到夸克和反夸克、电子和反电子（更常用的名字是正电子）、中微子和反中微子在连续创造、湮灭和再制造过程中产生的如此之小的数量差异。一个人有大把机会找一个“反物质人”彼此湮灭，其他的人也都是如此。
但不久之后就不一样了。随着宇宙的不断膨胀并且冷却，宇宙增长到大于我们的太阳系尺度时，温度已经迅速下降到1万亿开尔文[1]以下。-现在，百万分之一秒过去了。-
在这个不温不火的时期，宇宙的温度和密度没有那么高了，不足以“煮”夸克汤了，所以它们都抓住了身边跳舞的伙伴，创造了一个永久性的重粒子新家族，称为强子（hadron，来自希腊文hadros，意思是“厚”）。这种从夸克到强子的转变很快形成了质子和中子，以及其他不为人所熟悉的重粒子，它们都是由各类夸克的彼此组合形成的。在瑞士（我们回到地球上来）欧洲核子研究组织（更广为人知的是其缩写CERN）用一台大型加速器使强子束发生碰撞，试图重新创造这些极端条件。这个世界上最大的机器便被顺理成章地叫作“大型强子对撞机”。
夸克-轻子汤里令人困扰的微小的“物质-反物质不对称性”如今传递到了强子中，但产生了非凡的后果。
随着宇宙继续冷却，可供自发产生基本粒子的能量在减少。在强子时代，环境中的光子因为没有足够的能量，不能再根据质能公式2E=mc来制造夸克-反夸克对。不仅如此，从仍存在的正反物质湮灭中产生的光子，也由于宇宙的不断膨胀而在损失能量，降到了产生强子-反强子对所需的能量门槛之下。每10亿次的粒子湮灭（由此留下10亿个光子）才会有一个强子幸存。那些孤独的幸存者最终将笑到最后：它们是产生星系、恒星、行星和牵牛花的终极物质来源。
如果没有在物质和反物质之间十亿零一与十亿的不平衡，宇宙中的所有物质都将自我湮灭，留下一个由光子组成的宇宙，没有别的——永远是“要有光，就有光”的景象。-现在，一秒钟的时间已经过去了。-
宇宙尺度已经增长到了几光年（1光年是光在1地球年里传播的距离，约10万亿千米），大约相当于从太阳到离它最近的恒星的距离。此时温度为10亿开尔文，仍然是非常之热——仍然能够“煮”电子以及与其对应的正电子，电子-正电子继续玩着跳出来又消失的游戏。但在不断膨胀、不断冷却的宇宙里，它们的日子（说真的，是秒数）已经在倒计时了。夸克的命运，强子的命运，也将成为电子的命运：最终只有十亿分之一幸存下来。其他的电子都和它们的反物质伙伴儿发生湮灭，融入了光子的海洋。
就在现在，每个质子对应一个电子已经被“冻结”成为现实。随着宇宙继续降温，降到1亿开尔文以下时，质子与质子当然还有中子发生融合形成原子核，孵化出一个婴儿宇宙，其中90%的原子核是氢，10%是氦，还有痕量的氘（重氢）、氚（超重氢）和锂。-从宇宙诞生开始，已经过去了两分钟。-
接下来38万年里，我们的粒子汤里没有发生什么新鲜事。在这漫长的时光里，宇宙温度仍然足够高，高能电子可以自由地在光子之间漫游，就像来回击球一样不断地吸收和发射光子，发生相互作用。
但是，当宇宙温度低于3000开尔文（大约是太阳表面温度的一半）时，这种自由自在就戛然而止了，所有的自由电子都跟原子核发生了结合。它们的联姻留下了无处不在的可见光，不仅为那一刻天空中的所有物质留下了永远的印记，也宣告了原初宇宙粒子和原子的形成过程已经完成。*******
在第一个10亿年里，宇宙继续膨胀并冷却，这时物质因为引力作用聚集成团，形成了我们所称的星系，数量近1000亿。每个星系都含有几千亿颗恒星，恒星核心发生着热核聚变。那些质量超过太阳数十倍的恒星，其核心具有足够高的压力和温度，从而制造了比氢要重的几十种元素，正是基于这些元素，才构成了行星，为生命勃发提供了场所。
如果这些元素停留在它们形成的地方，那它们将毫无用处。不过，大质量恒星会发生不可预料的大爆炸，把元素种类丰富的内核抛撒到整个星系，这种重元素丰度（数量密度）增加的过程，称为增丰。这样的增丰过程持续90亿年之后，在宇宙的一个平凡角落（室女超星系团的外围），一个平凡的星系（银河系）中，一块平凡的区域（猎户旋臂）上，一颗平凡的恒星（太阳）诞生了。
从其中形成太阳的气体云包含了足够多的重元素，凝聚生成了一系列相互绕转的天体，其中包括几颗岩石行星和气态行星、数以万计的小行星和数十亿颗彗星。在最初的几亿年里，在轨道上残留的横冲直撞的大量碎片被吸积到更大的天体上。这是以高速、高能撞击的形式发生的，从而熔化了岩石行星的表面，阻止了复杂分子的形成。
随着在太阳系中留下来的可吸积物质越来越少，行星表面开始冷却。我们称之为地球的这颗行星形成于太阳周围的“金发女孩区域”[2]，这里的海洋主要以液态形式存在。如果地球离太阳更近，海洋就会被蒸发掉；如果地球离得更远，海洋就会结冰。无论哪种情况，我们所知道的生命都不会诞生。
在富含化学物质的液态海洋中，通过一种尚未发现的机制，有机分子转变为可自我复制的生命。在这个原始汤中占主导地位的是简单的厌氧菌——在无氧环境中繁衍的生命，但会排泄出作为副产物的氧气。这些早期的单细胞生命体不知不觉地将地球上富含二氧化碳的大气层转化为富含氧气的环境，使需氧生物体能够出现并主宰海洋和陆地。相同的氧原子通常以氧气（O）的形式成对出现，也能在大2气层高处形成臭氧（O）层，它就像盾牌一样吸收了阳光中大部分3紫外光子，从而保护地球的表面不受其伤害——紫外线能破坏分子结构。我们把令人惊奇的生命多样性归功于地球，当然我们假设在宇宙其他地方也有丰富的碳，也有无数含碳的简单或复杂的分子。毫无疑问：碳基分子的复杂多样要远超其他元素组合出来的分子结构。
但生命是脆弱的。地球偶尔会与个头较大又任性的彗星和小行星相撞，这种事件在历史上很常见，足以毁掉我们的生态系统。仅仅6500万年前（距离我们的时间不到地球历史的2%），一颗百亿吨的小行星撞击了现在墨西哥的尤卡坦半岛，抹杀了超过70%的地球动植物种类——包括所有著名的超级恐龙。这次大灭绝使我们的哺乳动物祖先能够填补新的空缺，而不是继续充当霸王龙的开胃小菜。这些哺乳动物中一个脑袋很大的分支，我们称之为灵长类，其中一个属种（智人）拥有了足够的智慧来发明科学的方法和工具——去推断宇宙的起源和演化。
在这一切之前发生了什么？在开始之前发生了什么？
天体物理学家不知道。或者，我们最有创意的想法在实验科学看来几乎或者完全缺乏基础。一些宗教人士用一种带有正义色彩的断言作为回应，认为这一切必须有某种东西作为启动：一种比其他所有力量都要大的力量，一个一切问题的源头，一个原动力。当然，在这样的人士心目中，某种东西就是上帝。
但是，会不会宇宙是永恒的存在，只是它的状态我们尚未认识到呢——比如，它是一个不断诞生宇宙的多重宇宙？或者，如果宇宙仅仅是从一无所有中冒出来的呢？或者，如果我们所知道和热爱的一切都只是一个具有超级智慧的外星物种为了好玩而做的计算机模拟游戏呢？
这些哲学上有趣的想法通常满足不了任何人。然而，它们总能提醒我们：“不知道”才是科学家的自然心态。那些相信自己无所不知的人，既没有寻找更没有看过宇宙中已知和未知的界限。
我们所知道的是，我们可以毫不犹豫地断言的是，宇宙有一个开始。宇宙在继续演化。而且，是的，我们身体里的每一个原子都可以追溯到宇宙大爆炸，以及50多亿年前发生爆炸的大质量恒星里的核聚变。
我们是获得了生命的星尘，然后被宇宙赋予了发现自我的使命——而我们的旅程才刚刚开始。02 在地如在天
在艾萨克·牛顿爵士写下万有引力定律之前，没有人曾根据任何理由推测出我们身边的物理定律和宇宙中其他地方的是一样的。地球上一直发生的是尘世之事，而天上发生的是天界之事。根据那时基督教的教义，上帝控制诸天，我们卑微凡人的思维无法触及它们。当牛顿提出所有运动都是可理解的、可预测的，从而突破这一哲学障碍时，一些神学家批评他没有留下什么事情给造物主做。牛顿已经想通了，果园里使成熟苹果落下的引力，也同样让被扔出的物体沿着曲线路径运动，还让月亮在轨道上围绕地球转动。牛顿的万有引力定律也同样引导行星、小行星和彗星绕太阳公转，使上千亿颗恒星在银河系内的轨道上转动。
不是别的，正是这种物理定律的普适性驱使着科学发现。引力只是一个开端。想象一下19世纪天文学家们用实验室里的棱镜去观察太阳光，看到棱镜将光束分解成光谱时的那种激动。光谱不仅是美丽的，而且含有发光对象的大量信息，包括其温度和成分。通过光谱里的亮线或暗线可以揭示物质元素的存在。让人们高兴和惊奇的是，太阳物质的化学特征和实验室物质的特征是一样的。棱镜不再是化学家的专用工具，它证明，虽然太阳的大小、质量、温度、位置和外观与地球并不相同，不过两者都含有同样的物质：氢、碳、氧、氮、钙、铁等。但比两者的共享成分清单更重要的是，科学家们认识到在太阳上形成这些光谱特征的物理学定律，跟在1.5亿千米之外的地球上起作用的定律是一样的。
这种普适性的概念被成功地逆向运用，而且成果丰硕。对太阳光谱的进一步分析揭示了太阳光谱中存在一种元素，其特征在地球上没有已知的对应物。作为来自太阳的新物质，它被赋予了一个从希腊文helios（太阳）拼出的名字，这就是氦（Helium），后来这种元素才在实验室里被发现。因此，氦成为元素周期表里第一个也是唯一在地球以外被发现的元素。
OK，物理定律在太阳系中有效，但它们在银河系中还有效吗？整个宇宙呢？穿越时空呢？一步一步地，物理定律接受了检验。附近的恒星被证明也由我们熟悉的物质构成。遥远的双星在相互绕转的轨道上，似乎也知道牛顿引力定律的一切。同理，两个星系组成的系统也是如此。
就像地质学家可以把沉积的地层作为地球历史事件的时间线，我们在太空中看到的距离越远，我们看到过去的时间就越长。宇宙中最遥远天体的光谱显示了与我们在近处空间和时间里看到的相同的化学特征。实际上，在过去重元素比较少——它们主要是在后来几代爆炸的恒星里制造出来的——但描述原子和分子是如何产生这些光谱特征的定律是原封不动的。特别是，有一个被称为“精细结构常数”的物理量——它控制着每个元素的基本光谱特征，必定是在数十亿年间保持不变的。
当然，并非宇宙中所有事物和现象在地球上都有对应物。你可能从来没有穿越过一团温度百万开尔文的发光等离子体，而且我敢打赌，你从来没有在街上迎面遇到过一个黑洞。重要的是描述它们的物理定律具有普适性。当光谱分析被第一次应用于恒星际星云发出的光时，再一次，在光谱当中发现的一个特征并没有在地球上找到对应物。当时元素周期表明显没有给这个新元素留下合适的位置。作为回应，天体物理学家们发明了（nebulium）这个名字占位，直到他们能够弄清楚到底发生了什么。事实证明，在太空中，气态星云是如此之稀薄，以至于原子在没有碰撞的情况下可以跑很远。在这些条件下，电子可以做到在地球实验室中原子内从未见过的一些事情。只是普通氧元素在星云环境里表现出的非同反响的特征而已，在地球实验室环境下通常是不可能发生的。
这一物理定律的普适性告诉我们，如果我们降落在另一个拥有繁荣文明的外星球上，它们将按照我们在地球这里发现和检验过的同样的定律运行——即使外星人怀有不同的社会和政治信仰。此外，如果你想和外星人交谈，你可以肯定他们不会说英语、法语，甚至中文。你也不知道跟他们握手——如果他们伸出的肢体确实是一只手——会被视为战争还是和平行为。你最大的希望是找到一种使用科学语言进行交流的方法。
这种尝试被用在了20世纪70年代的先驱者10号和11号、旅行者1号和2号上。这四艘航天器当时都带上了足够的能量（核动力电池），希望在巨行星引力弹弓效应的帮助下，最终彻底逃离太阳系。
先驱者号上带了一张蚀刻金盘，用科学象形图显示了我们太阳系的布局、我们在银河系的位置，以及氢原子的结构。旅行者号更进一步，还携带一张包含来自地球母亲的不同声音的金质唱片，包括人类心跳、鲸“歌”和来自世界各地的音乐精选，包括贝多芬和摇滚明星查克·贝里（Chuck Berry）的作品。虽然这种信息适合人类聆听，但现在还不清楚外星人的耳朵是否会知道他们在听什么——首先要假设他们有耳朵。我最喜欢的桥段是，在旅行者号发射后不久，在美国国家广播公司（NBC）的《星期六夜现场》滑稽短剧中，他们出示了发现宇宙飞船的外星人的回信，信纸上只写着“再多发点查克·莓果[3]”。
科学的繁荣不仅在于物理定律的普适性，也体现在物理常数的存在和持久性上。万有引力常量，经常被科学家亲切地称为“大G”（big G），它就为牛顿的引力方程提供了引力常量大小的测量值。这个量已经默默地接受了亿万年物转星移的检验。如果你做相关计算，你可以确定恒星发光和大G的关系非常紧密。换言之，如果大G在过去稍稍有所不同，那么太阳能量输出的变化就会比任何生物、气候或地质记录显示的变化要大得多。
这就是我们宇宙的统一性。*******
在所有的常量中，光速是最著名的。不管你走得多快，你永远也不会超过一束光。为什么不行呢？从来没有任何实验曾显示任何形式的物体达到过光速。经过无数次检验的物理学定律预测并解释了这一事实。我知道这听起来显得很保守。过去一些最低级的科学断言低估了发明家和工程师的聪明才智，比如“我们永远不会飞起来”“飞行将永远不具有商业可行性”“我们永远无法分裂原子”“我们永远无法打破音障”“我们永远到不了月球”。但它们的共同点是，没有既定的物理定律支持这些说法。“我们永远不会超越一束光”这一说法是一个性质完全不同的预测。它遵循了基本的、经过时间考验的物理原则。未来的星际旅行者将有理由读到这样的路标：光速：这不只是一个好主意，更是定律。
不同于在地球上被抓住违法超速才会被开罚单，物理定律相比于法律的好处是，它们不需要执法机构来维护，因为你根本无法违反它，虽然我曾经有一件极客范儿T恤衫上写着“服从引力”（OBEY GRAVITY）。
所有的测量都表明已知的基本常数以及引用它们的物理定律，既不依赖时间，也不依赖位置。它们是真正的恒定和统一的。*******
许多自然现象表现为多种物理定律在起作用。这一事实常常使分析复杂化，在大多数情况下，需要高性能的计算机来算出正在发生什么，并跟踪重要参数。当舒梅克-利维9号彗星在1994年7月高速冲进木星浓厚的大气层然后爆炸时，对这场爆炸制作的最精确的计算机模型结合了各种物理定律：流体力学、热力学、运动学和万有引力定律。气候和天气代表了另一方面的例子——复杂（和极难预言的）现象。但是约束它们的基本定律仍然在起作用。木星大红斑是已经肆虐了至少350年的强气旋，驱动它的是与地球上和太阳系其他地方产生风暴的相同的物理过程。
另一类普遍真理是守恒定律，其中某些测量量在任何情况下都保持不变。最重要的三个是质量和能量的守恒、线性动量和角动量的守恒，以及电荷的守恒。这些定律的证据既存在于地球上，也存在于我们已经想到和看到的任何地方——从粒子物理微观领域到宇宙大尺度结构这样的宇观结构。
尽管有这么多引以为傲的成果，但我们对宇宙的了解也不是完美无缺的。我们无法看到、触摸或感受到我们在宇宙中测量到的85%的引力来源。神秘的暗物质，除了它对我们可见物质的引力，仍未被真正探测到，它可能是由我们尚未发现或识别的奇异粒子组成。然而，少数天体物理学家并不同意，而且认为并不存在暗物质——你只需要修改牛顿万有引力定律，他们认为简单地在方程中加入一些成分，一切都会解决的。
也许有一天我们会知道，牛顿的万有引力定律确实需要调整。那没关系，这事儿已经发生过一次了。爱因斯坦在1916年发表的广义相对论在某种方式上扩展了牛顿的引力定律，从而使之也适用于极大质量的物体。牛顿本人的万有引力定律在这个扩展后的领域中失效了，这是他当时所不知道的领域。我们由此得到的教训是，我们对定律的信心，取决于测试和验证条件的范围。适用的范围越广，定律在描述宇宙时就越有说服力和解释力。对于日常所见的一般引力条件，牛顿定律是很有效的。它在1969年把我们带到月球上，并安全地返回地球。对于黑洞和宇宙大尺度结构，我们需要广义相对论。如果你把低质量和低速度代入爱因斯坦的方程式，它们实际上（或者更确切地说是在数学上）又变成了牛顿方程——在我们对已有定律的持续理解中，我们对物理定律普适性的信心又进一步增强了。*******
对科学家来说，物理定律的普适性使宇宙成为一个出奇简单的所在。相比之下，人性——心理的领域——是无限而不可捉摸的。在美国，地方学校的董事会就在课堂上讲授的科目进行投票。在某些情况下，选票是根据文化、政治或宗教潮流的一时冲动而投下的。在世界各地，不同的信仰体系会导致政治上的差异，而这些分歧并非总能和平解决。物理定律的力量和美在于它们无处不在，无论你是否选择相信它们。
换句话说，除了物理定律之外，其他的都只是个人观点。
不是科学家们不争论。我们也争论，有很多争论。但当我们这样做时，我们通常表达的是一些最前沿的观点，这些观点通常涉及对不充分数据的解读。无论何时何地，只要讨论中能够援引物理定律，那么这时的辩论保证是简短的：不对，你关于永动机的想法永远无效，它违反了久经考验的热力学定律；不行，你无法建造时间机器让你回到你出生之前杀死你的母亲，这违反因果律；如果不违反动量定律，无论是否坐在莲花台上，你都不能无缘无故地悬浮在地面之上[4]。
在某些情况下，关于物理定律的知识可以让你有信心面对粗暴无礼的人。几年前，我在加州帕萨迪纳（加州理工学院所在地）一家甜品店要了一杯热可可，当然是加掼奶油的。当可可送到餐桌上来时，我却看不到奶油的痕迹。当我告诉服务员我的可可没加奶油时，他一口咬定我看不到是因为奶油沉到了杯底。但是，掼奶油的密度很低，会漂浮在人们喝的所有饮料之上。所以我给侍者两个可能的解释：要么有人忘了给我的热可可加掼奶油，要么是在他的餐馆里有另外一套物理学普适定律。他不服气，挑衅地拿来了一块掼奶油，以证明他的断言。结果奶油上下摇晃了几下，就上升到可可上面，稳稳地漂浮着。
你还需要什么更好的证据来证明物理定律的普适性吗？03 要有光
大爆炸之后，宇宙的主要议程是膨胀，原本在空间中集聚的能量被不断稀释。随着时间的推移，宇宙变得越来越大、温度越来越低、亮度越来越暗。此时物质和能量以一种不透明汤的形式共存，其中电子不断与无处不在的光子发生散射。
38万年里，事情一直这样进行着。
在这个宇宙早期时代，光子运动不了多远就会撞到电子。在那时候，如果你的任务是看到广袤的宇宙，你根本就看不到。你会发现任何光子都在碰到你1纳秒或1皮秒之前就被电子撞飞了[5]。因为携带信息的光子到达你的眼睛之前走过的最大距离极其之短，你往任何方向看去，整个宇宙都只是一团不透明的浓雾。太阳和其他恒星内部也是如此。
随着温度的下降，粒子的移动速度越来越慢。就在那时，当宇宙的温度第一次降到炽热的3000开尔文以下时，电子的速度就会减慢，刚好可以被路过的质子捕获，从而将完整的原子带入这个世界。这使以前被骚扰的光子获得自由，得以在没有间断的路径上穿越宇宙。
这个“宇宙背景”是热烈耀眼的早期宇宙残余光的化身，而宇宙背景的温度，可以从主要的光子在哪一个光谱波段推断出来。随着宇宙继续冷却，在光谱的可见光部分的光子，因为宇宙不断膨胀而逐渐失去能量，变成了红外光子。虽然那些可见光光子变得越来越弱，但仍然以光子的形式存在。
在光谱中，红外光之下是什么波段呢？从光子获得自由以来到现在，宇宙尺度已经膨胀了1000倍，因此，宇宙背景也相应地冷却到当时温度的1/1000。所有可见光光子已经降至那个时代能量的1/1000。它们现在是微波，因此我们现在给它取了一个名号叫作“宇宙微波背景”（cosmic microwave background，简写为CMB）。它将在微波波段保持500亿年，那之后的天体物理学家们将会叫它为“宇宙射电波背景”（cosmic radiowave background）。
当物体被加热时，它会在光谱的所有波段都辐射光，但这种辐射总会在某个特定能段处产生峰值。对于仍然使用发光金属丝的家用电灯，灯泡发光的峰值在红外线波段。人眼并不能看见红外线，而只有感受到落在皮肤上的热量时，我们的感官才能觉察到它。所以，这份最大的能量辐射恰恰是白炽灯泡作为可见光光源的低效之处。先进照明技术带来的LED革命创造了纯净的可见光，而不在看不见的波段部分浪费电力。这就是为什么你可以在灯泡包装上看到似乎疯狂的句子“7瓦LED相当于60瓦白炽灯”。
作为曾经发光极亮东西的残余物，CMB的光谱形状符合我们对正在冷却的发光体的预期：尽管它的峰值在光谱某个波段，但在光谱其他部分仍有辐射。在这种情况下，除了峰值处的微波，CMB也发射一些射电波和越来越少的微量高能光子。
在20世纪中期，宇宙学这个分支还没有多少数据。在数据稀少的地方，充满智慧和希望的相互竞争的理念就会蓬勃发展。20世纪40年代，俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）和同事们预测了CMB的存在。这些想法的基础来自比利时物理学家兼牧师乔治·勒梅特（Georges Lemaître）在1927年的工作，他被公认为“大爆炸宇宙学理论之父”。但正是美国物理学家拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）在1948年首次估计了宇宙背景温度应该是多少。他们的计算基于三个基础：（1）爱因斯坦在1916年发表的广义相对论；（2）埃德温·哈勃在1929年发现的宇宙膨胀；（3）此前在实验室里以及在“二战”期间制造原子弹的曼哈顿计划发展出来的原子物理学。
赫尔曼和阿尔弗当时计算和提出的宇宙温度为5K。嗯，现在看来这明显是错误的。这些微波的精确测量温度是2.725K，有时写为2.7K，如果你不乐意写小数，把宇宙的温度四舍五入写成3K也可以。
让我们暂停片刻。赫尔曼和阿尔弗把从实验室里刚刚得到的原子物理学，应用于早期宇宙中的假想环境当中。由此，他们向后推演数十亿年，计算出宇宙今天应该是什么温度。他们的预测与正确答案相差很小，这是人类洞察力的惊人胜利——他们原本的计算结果可能会误差十倍百倍，甚至预测到根本不存在的东西。在评论这一壮举时，美国天体物理学家J.理查德·戈特（J. Richard Gott）指出：“预测宇宙背景的存在，然后得到的温度误差在两倍以内，就像预测一个直径15米的飞碟将降落在白宫草坪上，实际是来了一个8米的。”*******
第一次对宇宙微波背景的直接探测是在1964年，由贝尔电话实验室研究部门的美国物理学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）无意中进行的。在20世纪60年代，每个人都知道微波，但几乎没有人拥有探测它们的技术。贝尔实验室是通信行业的先驱，它为这个目的研制了一种结实的喇叭形天线。
但首先，如果你要发送或接收信号，你不希望有太多的干扰源。彭齐亚斯和威尔逊试图测量干扰他们接收机的背景微波，从而利用这个光谱波段进行干净无噪声的通信。他们不是宇宙学家。他们是建造微波接收机的技术奇才，他们也不知道伽莫夫、赫尔曼和阿尔弗的预测。
彭齐亚斯和威尔逊显然不是在寻找宇宙微波背景，他们只是试图为美国电话电报公司打开一个新的通信渠道。
彭齐亚斯和威尔逊进行了实验，并从他们的数据中减去所有他们可以识别的、来自地球和宇宙的已知干扰源，但其中一部分信号总是存在，而他们就是找不到消除它的方法。最后，他们检查了喇叭形天线的内部，看到有鸽子在那里筑巢。
因此，他们担心“一种白色的介电物质”（鸽子粪便）可能是与此信号有关，因为无论探测器指向何方，他们总能检测到它。在清洗了“介电物质”后，干扰略有下降，但残留的信号仍然存在。他们在1965年发表的论文就是关于这种无法解释的“多余的天线温度”。
与此同时，由罗伯特·狄克（Robert Dicke）率领的普林斯顿大学一组物理学家正在建造专门用于寻找CMB的探测器。但是他们没有贝尔实验室的资源，所以他们的工作慢了点。当狄克和他同事们听说彭齐亚斯和威尔逊的工作时，普林斯顿团队完全了解他们观察到的多余的天线温度是什么。一切都吻合，特别是温度本身，以及信号来自天空的各个方向。
1978年，彭齐亚斯和威尔逊因为他们的发现获得了诺贝尔奖。2006年，美国天体物理学家约翰·C. 马瑟（John C. Mather）和乔治·F. 斯穆特（George F. Smoot）又因为在更宽的光谱范围之上观测到了CMB，把宇宙学从聪明的、不成熟且尚未经受检验的想法，带入到精确的实验科学范畴而分享了诺贝尔奖。*******
因为光从宇宙遥远的地方到达我们这里需要时间，如果我们向太空深处眺望，实际上是在从时间上往回看。因此，如果我们的目光能够看到很远很远某个星系的智慧生物正在测量宇宙背景辐射的温度，那么他们得到的读数应该远高于2.7K，因为他们是生活在一个更年轻、更小，也比我们更热的宇宙。
实际上，你可以实测来检验这个假设。分子氰（一种碳氮化合物，分子式为CN，曾经用作处决杀人犯的毒气）暴露在微波下会被激发。如果过去微波比我们现在的CMB更热，它们就会使这种分子激发到更高能量。在大爆炸模型中，遥远的年轻星系中的氰，与我们银河系里的相比，沐浴在更温暖的宇宙背景中。这正是我们所观察到的。
这种情况是编造不出来的。
为什么这些事情如此有趣？宇宙直到大爆炸后38万年都是不透明的，所以即使你一直坐在前排中央座位上，你也不可能看到物质的形成。你不可能看到星系团和宇宙巨洞从哪里开始形成。只有当作为信息载体的光子开始能够在整个宇宙中畅通无阻地旅行，我们才能够看见宇宙发生的某些事情。
每个光子跨越宇宙之旅开始的地方，是撞击到曾经阻碍它的最后一个电子之处——这被称为“最后散射点”。随着越来越多的光子逃离碰撞，它们形成了一个不断膨胀的“最后散射面”，深度约12万光年。这个面也是宇宙中所有原子诞生之处：电子与原子核结合，释放出的能量以光子的形式奔向浩渺的红色远方。
此时，宇宙中的一些区域已经开始通过它们的引力相互吸引，聚集成团。与其他那些尚未开始聚集的区域相比，光子通过与这些区域中的电子最后散射，从而使得区域温度相对略低。在物质积聚的地方，引力增强，使得越来越多的物质聚集起来。这些区域成为形成未来超星系团的种子，而其他区域则相对较空。
当你详细地绘制宇宙微波背景时，你会发现它不是完全平滑的。与平均值相比，有些斑点略热，有些斑点则稍冷。通过研究CMB温度各处的差异——也就是说，通过研究最后散射面中的模式——我们可以推断出在早期宇宙中物质的结构和成分。为了弄清星系、星系团和超星系团是如何产生的，CMB是我们最好的探针，它是信息丰富的时间胶囊，使天体物理学家能够反过来重建宇宙的历史。研究它的模式某种程度上就像在做宇宙“颅相学”，因为我们现在就在分析婴儿宇宙的头骨上的“凸起”。
当受到其他各种观测资料的限制时，CMB能够使你解码宇宙各种基本性质的信息。比较冷热区域的大小和温度分布，你可以推断出当时的引力强弱，以及物质积累的速度有多快，同时让你推断出宇宙中存在多少普通物质、暗物质和暗能量。从这里，就可以直接判断宇宙是否会永远膨胀。*******
普通物质就是构成我们自身的物质。它有引力，能与光相互作用。暗物质是一种神秘物质，它具有引力，但不以任何已知方式与光发生相互作用。暗能量是在宇宙真空中存在的神秘压力，它的作用方向与引力相反，迫使宇宙膨胀速度比没有它时变得更快。
宇宙“颅相学”检验让我们知道宇宙是如何演化的，但宇宙大部分是由那些我们一无所知的东西组成的。尽管今天我们还有大量的未知领域，但跟以往不同的是，宇宙学还是有可靠的科学依据的，因为CMB揭示了宇宙早期曾经走过的那扇门。在那个时间点上发生了有趣的物理过程，我们已经了解了在光子获得自由之前和之后的宇宙状况。
宇宙微波背景这个简单的发现，使宇宙学超越了神话猜想。而且正是对宇宙微波背景准确而详细的测量使宇宙学变成了现代科学。宇宙学家们相当自负，如果你的工作是推断“是什么让宇宙得以存在”，你怎么会不自负呢？但如果没有数据，他们的解释只是假设。现在，每一次新的观察，每一点数据，都挥舞着一把双刃剑：它使宇宙学得以在享有其他科学成果的基础之上蓬勃发展，但它也会筛选在数据缺乏时期提出来的学说，指出哪些是对的，哪些是错的。
任何学科只有经历了这个过程，才会发展成熟。04 在星系之间
在宇宙组成的宏大统计中，星系显然是被计算在内的。最新的估计表明，可观测宇宙中可能包含1000亿个星系。明亮美丽，密布繁星，星系装饰着黑暗的虚空，如夜间广袤国土上的城市。但太空的空究竟有多空？（城市之间的乡野有多空旷？）仅仅因为星系光彩夺目，就让我们相信其他的东西都不重要吗？不然。宇宙星系之间仍然可能隐藏着难以探测的东西。也许那些东西比星系本身更有趣，或者对宇宙演化来说比星系更为重要。
我们自己的旋涡星系——银河系，在地球上抬眼望去，形状就像泼洒在夜空中的牛奶。事实上，银河系（galaxy）这个词便来源于希腊文“奶水状的”（galaxias）。离我们最近的一对星系邻居（有60万光年远），形状都是既小又不规则。费迪南德·麦哲伦在1519年那次著名的环球航行的船长日志里记录下了这两个天体。为了纪念这位探险家，我们称它们为大、小麦哲伦星云，它们主要是在南半球可看见，就像是繁星密布的天空上的一对云斑。比我们银河系要大的最近的星系位于200万光年之外，比构成仙女座的那些恒星距离要更远。这个旋涡星系在历史上被称为仙女大星云，在某种程度上说是银河系的一个更大、更明亮的孪生兄弟。请注意，以上每个星系的英文名称，最初都没有指出其中存在恒星：银河、麦哲伦星云、仙女大星云。这三个名字都来自望远镜发明之前，那时我们还未能分辨出来它们是由恒星组成的。*******
如第9章我们将要详述的，如果不是受益于那些在多个光谱波段运行的望远镜，我们可能仍然会宣称星系之间的太空里空无一物。在现代探测器和现代理论的帮助下，我们探索了我们的宇宙乡村，揭示了各种难以捉摸的东西：矮星系、速逃星（迅速离开恒星诞生区的年轻恒星）、即将爆炸的速逃星、温度高达百万开尔文发射X射线的气体、暗物质、微弱的蓝色星系、无处不在的气体云、超高能带电粒子，以及神秘的量子真空能。有了这样一个列表，人们可以说，宇宙中所有的乐趣都发生在星系之间，而不是它们的内部。
在所有曾被可靠地调查过的空间区域里，矮星系的数量要比大星系多得多，比例超过10比1。在20世纪80年代初，我写的第一篇关于宇宙的文章名为《银河系和七个小矮人》，指的是银河系附近矮小的家庭成员。从那时起，本地矮星系的总数已经从七个增加到了几十个。虽然正统的星系含有数千亿颗恒星，但矮星系里恒星数量少到只有100万，也就是说它们被探测到的难度要大十万倍。这也就难怪它们仍然陆续在我们的眼皮底下被不断发现。
不再产生恒星的矮星系图像看起来像是烦人的微小污迹。那些仍在形成恒星的矮星系都是不规则形状的，坦率地说，看起来很对不起观众。矮星系有三个特点让你很难注意到它们：它们很小，所以当壮观的旋涡星系争夺你的注意力时，它们很容易被忽略；它们很暗，因此在许多星系巡天中由于在预期光度水平之下而被忽略；它们内部的恒星密度很低，所以与地球夜间大气层和其他周围的发光源相比，它们对比度很差。这一切都是真的。但是，由于矮星系的数量远超过“正常”星系，也许我们关于“正常”的定义需要修正。
你会发现大多数（已知的）矮星系游荡在更大的星系附近，就像卫星一样绕着大星系转。两个麦哲伦星云是银河系的矮星系家族的一部分。但卫星星系的命运可能是相当危险的。大多数计算机模型显示，它们的轨道会逐渐衰减，最终导致不幸的矮星系被撕裂，然后被主星系吃掉。在过去的十亿年中，银河系至少参与了一次这类“同类相食”行为，当它吃下了那个矮星系的时候，被消解的残骸可以被看成是在轨道上绕银河系中心旋转的一股恒星流，即位于人马座远方的群星。该系统被称为人马矮星系，但可能更应该称之为银河系的一顿“午餐”。
在星系团的高密度环境中，两个或两个以上的大星系经常发生碰撞，留下的是一场大混乱：旋涡结构被扭曲到无法识别，由于气体云的猛烈碰撞而新爆发出许多恒星形成区，还有刚刚逃离了两个星系引力的成千上万的星星四处散落。一些恒星重新组合成可以称为矮星系的斑点。其他恒星仍在漂流。大约10%的大星系都显示存在与另一大星系的引力碰撞的证据——在星系团中这一比例可能会高出5倍。
有这么多的混乱，有多少星系残骸渗入了星系际空间，特别是在星系团之内？没有人确切知道。测量是非常困难的，因为孤立的恒星太暗无法单独探测到。我们必须依靠探测所有恒星的星光联合形成的微光才能发现它们。事实上，对星系团的观测发现了存在于星系之间的这类光晕，这表明在那些星系之间可能有许多无家可归的流浪恒星，而且可能与星系本身的恒星数量一样多。
为这项讨论增添新料的是，我们发现了（并不是刻意寻找的）有超过一打超新星爆炸是远离我们曾推测的“宿主”星系的。在普通星系中，对于每颗以这种方式爆炸的恒星来说，都相应有10万到100万颗恒星不是如此表现的，所以孤立的超新星可能暴露了一大类尚未被发现的恒星。超新星是把自己炸成碎片的恒星，在这个过程中，它们的光度暂时（超过几周时间里）会增加10亿倍，使它们在整个宇宙中都可见。虽然十几个无家可归的超新星是一个相对较小的数字，但可能尚待发现的还有很多，因为大多数超新星搜索系统监测的是已知星系，而不是太空里的空旷之地。*******
对于星系团来说，包含的内容还不止它们的成员星系和那些任性的流浪恒星。灵敏的X射线望远镜的测量结果显示，星系团之内的空间充满了温度高达数千万开尔文的气体。这种气体是如此炽热，以至于它们发出了强烈的X射线。富含气体的星系在运动中通过这种介质之后，自身拥有的气体被剥离，迫使它们丧失产生新恒星的能力。这可以解释X射线望远镜的观测结果。但是当你计算这种被加热的气体呈现的总质量时，它超过了大多数星系团中全部星系质量总和的十倍之多。更糟糕的是，星系团里暗物质泛滥成灾，暗物质的质量碰巧又比星系团自身的其他一切质量大十倍！换言之，如果望远镜观测到的是质量而不是光，那么我们所珍视的团内星系就会表现为在巨大的引力球中微不足道的亮点。
在太空其他地方，在星系团之外，有一大类星系在很久以前就兴旺了。正如之前指出的，观看宇宙类似于地质学家查看纵深的沉积地层，展现在视野中的是岩石形成历史。宇宙中的距离是如此之大，以至于光到达我们经历的时间可以是几百万甚至数十亿年。当宇宙是它的当前年龄的一半时，一类非常蓝且非常暗淡的中等尺度星系繁荣起来。我们能看到它们。它们的光从很久以前传来，代表了非常非常遥远的星系。它们的蓝色光辉来自刚形成的大质量、高温度、高亮度、短寿命的恒星。那些星系之所以暗淡微弱，不仅因为它们距离遥远，而且因为它们内部明亮恒星的密度很稀薄。就像曾经存在又消失的恐龙，留下了鸟类作为它们仅有的现代后裔，那些微弱的蓝色星系已经不复存在，但据推测在今天的宇宙中仍有类似的天体。它们的那些恒星都燃烧完了吗？它们是否已成为散落在整个宇宙中的无形尸体？它们演化成了我们今天熟悉的矮星系了吗？还是它们都被更大的星系吃掉了？我们不知道。但它们在宇宙历史的时间线上的位置是确定的。
既然大星系之间还有这么多东西，我们就会想，其中一些肯定会挡住我们看向宇宙更远处的视线。这是一个关于宇宙中最遥远天体的问题，比如类星体。类星体是超级明亮的星系核，它的光在到达我们的望远镜之前一般已经在太空中穿行了数十亿年。作为非常遥远的光源，它们是探测类星体与我们之间是否存在中间天体的理想实验品。
果然，当你把类星体的光分解成它的成分颜色，揭示出光谱，就会发现，这里面充满了星系际气体云存在的证据。每一个已知的类星体，无论它在天空的什么位置被发现，都显示了散落在漫长时空里的几十个孤立氢云的特征。这种独特的星系际天体类型是在20世纪80年代首次被确认的，并且至今仍是天体物理学研究的活跃领域。它们从哪里来？它们包含多少质量？
已知的每个类星体都揭示了这些氢云的特征，所以我们得出结论，氢云在宇宙中无处不在。而且，正如所料，类星体越远，光谱中就会出现更多的氢云。一些探测到的氢云（少于百分之一）只是我们的视线经过的普通旋涡星系或不规则星系中所含的气体。当然，你会料到至少有一些类星体会位于那些太遥远而无法探测到的普通星系的后面，但其余的吸收体明确无误地是又一类宇宙天体。
同时，类星体的光通常经过的太空区域也包含巨大的引力源，会对类星体的形象造成灾难性破坏。这些引力源往往很难被发现，因为它们可能是普通物质组成的，只是太暗也太遥远了，不过它们也可能是暗物质区域，比如位于星系团中心和周围的那些。无论是哪种情况，哪里有质量，哪里就有引力。根据爱因斯坦的广义相对论，有引力的地方就有弯曲的空间。空间弯曲的地方，就类似玻璃透镜，会改变穿过其中的光的路径。事实上，遥远的类星体或整个星系都能够被那些碰巧位于地球望远镜视线上的天体形成“透镜效应”。根据那些“透镜”本身的质量和视线方向上的几何形状不同，透镜效应可以放大、扭曲，甚至将背景光源分成多个图像，就像玩哈哈镜一样。
宇宙中（已知）最遥远的天体之一不是类星体，而是一个普通的星系，它微弱的光被相关的引力透镜显著地放大了。我们今后可能需要依靠这些“星系际望远镜”来观测普通望远镜无法触及的地方，从而发现宇宙中更加遥远的天体。*******
星系际空间虽然是很吸引人的所在，但是如果你选择去那里，那对你的健康而言是非常危险的。让我们忽略因为你温暖的身体试图与3K的宇宙温度达到平衡而把你冻死的事实，让我们忽略由于缺乏大气压力会导致你窒息、血细胞爆裂的事实。这些都是很普通的危险。从非寻常角度来说，星系际空间经常被超级高能、超高速的带电亚原子粒子穿透。我们称它们为宇宙射线。其中最高能粒子携带的能量是世界上最大的粒子加速器所能产生能量的1亿倍。它们的起源仍然是一个谜，但这些带电粒子的大部分是质子，即氢的原子核，并以99.9999999999999999999%的光速移动。值得注意的是，这些亚原子粒子单个个体携带的能量就足够从球场中任何地方把高尔夫球打进洞中。
也许，星系之间（也包括之中）的真空里最奇异的事情是，它是虚粒子的沸腾海洋——无法探测的物质和反物质对突然出现又消失。这一奇特的量子物理学预言被称为“真空能量”，它表现为向外的压力，作用与引力相反，在完全没有物质的情况下也依然蓬勃发展。正在加速的宇宙（暗能量能力的展现），可能就是被这种真空能量驱动的。
是的，星系际空间是，并且将永远是个热闹的所在。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]