The Story of Everything

現(xiàn)在的人們已經(jīng)知道，如果說整個宇宙是一片海灘，那么其中的恒星會多似其中的沙粒，我們的太陽，也不過其中一粒普通的沙子。

但是身處其中一顆沙粒之上的我們，居然能夠描繪出整個海灘的模樣，這對于人類而言簡直是個奇跡。這次就讓我們打開這神奇的畫卷。

1. Copernicus：薄殼天球

這一切都要從哥白尼的日心說開始說起。哥白尼在提出日心說之后，認(rèn)為太陽系以外的天體都位于一個薄殼天球上，這個天球固定且靜止。

2. Thomas Diggers：無盡宇宙

但是1572年出現(xiàn)的一顆超新星（supernova）引起了狄格斯的注意，這個超新星在當(dāng)時的天空中，比金星還亮，甚至白天都可以看見它。但是當(dāng)?shù)腋袼归_始著手研究這顆星星的時候，它卻開始變暗了。

狄格斯的老師認(rèn)為，這可能是星星在運(yùn)動的原因：星星在靠近我們時會變亮，遠(yuǎn)離時變暗。盡管老師的理論并不正確，這卻很好的啟發(fā)了狄格斯。狄格斯在哥白尼的基礎(chǔ)上，提出了自己的想法：恒星分布在一個沒有盡頭的空間里，靜止且無限（Stars are in endless space , static and infinite）。

這時就有了奧伯斯詳謬（Olber’s Paradox）：如果在這個無盡的宇宙中有無數(shù)的恒星，那么為什么晚上會是黑的？（If this infinite universe contained an infinite number of stars, then why was it dark at night?）

要理解奧伯斯詳謬，首先要明確一點(diǎn)：太陽也是恒星（star）。因此，如果在無窮的宇宙中靜止分布有無盡的恒星，那么它們所散發(fā)出的星光，早晚會有一天到達(dá)地球，那么我們的夜晚就應(yīng)當(dāng)亮如白晝，可事實(shí)卻并非如此，所以狄格斯對于宇宙的描述并不完備。

3. William Hershel& Caroline：銀河系示意圖

要想更好的描述宇宙，最簡單直接的辦法時觀察它。

赫謝爾和他妹妹兼助手卡羅琳在牛頓望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，利用不同的金屬組合加強(qiáng)鏡片的反光效果，觀察到了更深的宇宙。他們通過觀察發(fā)現(xiàn)了天王星（Uranus），同時他們嘗試將宇宙所有的星星都標(biāo)繪下來，換言之，給萬物畫一張畫像（try to map all the stars in the universe, draw a picture of everything）。

1785年，赫謝爾發(fā)布了第一幅宇宙的畫像。在我們今天的觀點(diǎn)看來，這是一張以太陽為中心，銀河系的示意圖。不難發(fā)現(xiàn)，這幅圖似乎是有邊緣的，就在他們開始為發(fā)現(xiàn)萬物的邊緣而狂喜時，他們發(fā)現(xiàn)邊緣之外似乎還有其他星系。像我們一樣巨大的星系，它們存在于更深的地方（gigantic galaxies of stars like ours, that actually existed in deep space）。但是由于當(dāng)時對于天體距離缺乏有效的測量手段，他們的想法難以得到證實(shí)。

第一幅宇宙的畫像

4. Friedrich Bessel：恒星視差

貝塞爾利用視差原理，探索出恒星視差測量天體距離的辦法，他用這種方法測定了天鵝座61的距離。

這種測量方法的原理如圖所示，通過地測量球公轉(zhuǎn)直徑兩端的不同兩點(diǎn)觀測同一天體的仰角，結(jié)合地球公轉(zhuǎn)直徑（約3億公里），即可解出天體距離地球的距離。

這種測量方法非常巧妙，讓地球上的人們能夠用筆尺丈量星辰。但是當(dāng)要測量遠(yuǎn)于地球直徑100萬倍的天體時，誤差就會變得非常大，而這只是銀河系的一小部分。人們需要更加精確的測量方法。

恒星視差原理圖（圖源自網(wǎng)絡(luò)）

5. Henrietta Leavitt：造父變星

在哈佛工作的萊維特提出了她的解決方法。萊維特在給恒星標(biāo)注星等的工作中，發(fā)現(xiàn)了一種造父變星(Cepheid variable stars)的特殊天體，這種天體的亮度和自身閃爍的速度有著緊密關(guān)聯(lián)（their brightness was precisely related to the speed they blinked.）。利用這種特殊的天體，人們可以通過尋找與造父變星等閃爍速度的天體，判斷出其與造父變星絕對星等相同，進(jìn)而對比二者視星等，即計(jì)算出星體的距離。

萊維特這種方法可以測量位于恒星視差測量范圍之外的星體，但是由于她的女性身份，她并不能將她的理論付諸實(shí)踐、

6. Edwin Hubble：宇宙島

這一實(shí)踐將由偉大的天文學(xué)家哈勃來完成。

1923年，哈勃發(fā)現(xiàn)了仙女座（the Andromeda Nebula），并利用其中一顆今天被稱為哈勃造父變星（Hubble Cepheid）的星體測量出了仙女座的距離。測量結(jié)果令人震驚，仙女座筆銀河系最遠(yuǎn)的距離還要遙遠(yuǎn)許多倍?，F(xiàn)代科學(xué)測量告訴我們，仙女座距離我們250萬光年，這意味著我們現(xiàn)在看到仙女座的光，實(shí)際上在人類進(jìn)化之前就已經(jīng)開啟了它的旅程。

仙女座

哈勃向我們展示了銀河系之外更大的宇宙，但是他還是沒有看到宇宙的邊界。對于宇宙究竟多大，我們?nèi)耘f毫無線索。

為了了解萬物的實(shí)質(zhì)，我們需要的不僅僅是觀察，它需要用到數(shù)學(xué)。

從Observation到Mathematics

1. Euclid：歐式幾何

在很久以前，我們所生活的世界就被歐幾里得的《幾何原本》（the Element）所定義，在這一體系下的幾何學(xué)也被成為歐氏幾何學(xué)。歐氏幾何學(xué)認(rèn)為，兩條平行線永遠(yuǎn)不會相交，以及三角形的內(nèi)角和恒為180°。

2. Carl Friedrich Gauss：測量曲面曲率

被稱為“數(shù)學(xué)王子”的高斯，獨(dú)立地提出了不能證明歐氏幾何的平行公設(shè)具有‘物理的’必然性，至少不能用人類的理智給出這種證明。同時他還發(fā)現(xiàn)在球面上的三角形的內(nèi)角和會大于180°，并且給出了在球面上計(jì)算曲率的方法。

非歐三角形

高斯計(jì)算曲率的方法

3. Bernard Rieman：黎曼幾何

高斯對于歐式幾何學(xué)的質(zhì)疑被他的學(xué)生黎曼發(fā)揚(yáng)光大，黎曼開創(chuàng)性的提出，過直線上的一點(diǎn)，一條平行線也作不出來。并由此提出了黎曼幾何，為之后相對論的提出打下了理論基礎(chǔ)。

4. Albert Einstein：廣義相對論

在黎曼幾何的啟發(fā)下，愛因斯坦重新審視了引力，并且指出引力其實(shí)是空間曲率，而在地心引力影響下的自由落體運(yùn)動，也被愛因斯坦描述為“以最簡單的路徑穿越彎曲的空間”。同時他還提出質(zhì)量會彎曲空間的說法：物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運(yùn)動。

但是愛因斯坦仍舊認(rèn)為宇宙是靜止的，為此，他不惜在相對論當(dāng)中引入宇宙常數(shù)（Cosmological Constant）的量來修正自己的公式。

5. Edwin Hubble：紅移

當(dāng)光在傳播過程中，兩個物體同時在靠近，那么最后接收到的光波長被壓縮，頻率升高，譜線因此“變藍(lán)”，此即為“藍(lán)移”（Blue shift）。反之，當(dāng)當(dāng)光在傳播過程中，兩個物體同時在遠(yuǎn)離，那么最后接收到的光波長被拉伸，頻率降低，譜線因此“變紅”，此即為“紅移”（Red shift）

哈勃（沒錯，又是那個哈勃）在觀測來自遙遠(yuǎn)星體的星光時，發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象。這意味著我們具體其他星體的距離正在變遠(yuǎn)，星系之間的空間正在變大（the fabric of the space in between the galaxies, is expanding），換言之，宇宙正在膨脹。

那么，以前的宇宙一定比現(xiàn)在小，那么在宇宙生命開始時，會向現(xiàn)在宇宙的每個角落發(fā)出光，只要能觀測到這些光，就能看到宇宙“嬰兒時期”的樣子。隨著時間的推進(jìn)，那些最早的光，現(xiàn)在已經(jīng)變成了宇宙里面的微波，當(dāng)我們看見電視機(jī)里的雪花時，里面就有宇宙誕生時的微波。換言之，我們可以在電視里聽到宇宙孩提時期的啼哭。

回到之前的奧伯斯詳謬，如果身處一個靜止的宇宙中，我們確實(shí)可以得到亮如白晝的夜空，可是我們處在一個不斷膨脹的宇宙中。從大爆炸到現(xiàn)在也不過137億年，這也就意味著，我們所能看到的星空，最多也就只有137億光年遠(yuǎn)，這個范圍被稱為可觀測宇宙（Observable Universe），在這個范圍之外的星體，它們發(fā)出的光，窮極一生也無法到達(dá)地球，我們也就永遠(yuǎn)無法在夜晚看到它們的星光。

更令人悲傷的是，隨著宇宙的不斷膨脹，我們的可觀測宇宙范圍會不斷變小，在1千億年后的地球，如果我們還有子孫后代，如果他們也會在夜晚觀看星星，它們所能看到的宇宙，不過一個銀河系一樣大。

The story of Nothing 人類在很早之前就開始思考虛無（Nothingness）是否有其意義，中國的莊子曾指出“天下萬物生于有，有生于無?！钡谖鞣?，同時期占主導(dǎo)地位的是希臘哲學(xué)家亞里士多德。

1. Aristotle：自然討厭虛無

亞里士多德認(rèn)為：自然討厭真空，我們無法在自然界中得到真正的真空，一旦將一個東西移走，必然會有其他的物質(zhì)重新充滿它原先所在的空間。

2. Evangelista Torricelli：水銀柱中的虛無

但是托里拆利的水銀柱實(shí)驗(yàn)，成功的在水銀柱中制造了一段真空，同時也證明了大氣是有質(zhì)量的，其對于水的壓強(qiáng)和剩余水銀柱對于水的壓強(qiáng)相等，托里拆利也因此成為第一個測定大氣壓強(qiáng)的人。

托里拆利指出：“我們生活在空氣海洋的底部。”（We live at the bottom of an ocean of air.）

3. Blaise Pascal：虛無無處不在

帕斯卡（就是那個活成壓強(qiáng)單位的男人）在托里拆利實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們將兩個相同的實(shí)驗(yàn)裝置分別置于塔頂和塔底時，二者所顯現(xiàn)的水銀柱高度并不一致：越高的地方水銀柱越短。這也就意味著更高的地方有著更小的大氣壓，更高的地方，空氣越少。

在這一實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時也是哲學(xué)家的帕斯卡指出：在更高的地方，可能完全沒有空氣存在，是一片虛無。虛無無處不在，我們的地球不過是漂浮在無盡虛空中的一粒塵沙（Nothing is everywhere. Our earth is merely a thing speck of dust floating, through a vast expanse of an utterly silent, in hospitable void.）。

進(jìn)而，帕斯卡指出，自然并不討厭真空，真空是自然的默認(rèn)狀態(tài)?？墒钱?dāng)時人們所不能理解的是，真空中的鬧鐘，它發(fā)出的聲音不能被我們所聽見，但是它的圖像我們卻能夠正?？匆姟蛟S真空中并不是虛無，里面還有一種能夠傳遞光的介質(zhì)，這種介質(zhì)被當(dāng)時的科學(xué)家們稱為以太（Ether）。但是，沒有任何證據(jù)能夠直接證明以太的存在，同時也沒有任何證據(jù)能夠證明以太不存在。

4. Albert Michelson& Edward Morley：以太并不存在

為了證明以太的存在，曾經(jīng)精確測定光速的邁克爾遜，和莫雷設(shè)計(jì)了當(dāng)時世界上最為精密的實(shí)驗(yàn)。

邁克爾遜認(rèn)為，既然以太無處不在，那么我們地球運(yùn)動的過程中，必然會產(chǎn)生以太風(fēng)——就像我們開車時，空氣會形成風(fēng)一樣，如果以太真的存在，那么這種以太風(fēng)就會對光的運(yùn)動產(chǎn)生影響。表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，就是調(diào)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)儀器方向前后，光的干涉條紋應(yīng)該是不一樣的。

于是他和莫雷完成了物理史上“最成功的失敗”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，無論邁克爾遜和莫雷怎么調(diào)節(jié)儀器方向，其得到的都是同樣的結(jié)果。這也就意味著，以太風(fēng)并不存在。

5. Einstein：虛無之處無物

愛因斯坦在1906年開創(chuàng)性地指出：光的傳播并不需要介質(zhì)，因此真空重新被認(rèn)定是虛空（There is nothing in the empty.）。

6. Heisenberg：測不準(zhǔn)原理

隨著工業(yè)的發(fā)展，真空在各個領(lǐng)域都有了廣泛使用：電燈泡中使用真空，使得燈絲能夠持久發(fā)光而不必?fù)?dān)心被氧化；以真空管為原理的二極管和三極管，遍布在現(xiàn)代電氣的每個角落。

與此同時，人們對微觀世界的認(rèn)知也更加深入：

1895年，真空X射線被發(fā)現(xiàn)；

1896年，電子第一次被發(fā)現(xiàn)并定義；

1909年，盧瑟福（Ernest Rutherford）揭示了原子的奇妙結(jié)構(gòu)。

但是海森堡測不準(zhǔn)原理告訴我們，我們無法同時確切的得到一個微觀粒子的位置和速度。他在另一個角度告訴我們，自然是基于其不確定性的（Nature is based on uncertainty.）。

理解這一點(diǎn)比較難，片中用了相同大小的照片和錄像來告訴我們，當(dāng)我們得到粒子的確切位置時，對于其運(yùn)動的描述就是不準(zhǔn)確的。

位置和速度難以兩全

這其實(shí)也就暗示了，真空可能是“有生命的”（the vacuum is alive）。

7. Paul Dirac：負(fù)電子

時間來到1928年，當(dāng)時人們用于描述世界的兩項(xiàng)前沿科學(xué)：愛因斯坦的相對論和普朗克（Plank）的量子力學(xué)并不相容。在二者交會的地方，也就是速度接近于光速，但又渺小似粒子的情況下，物理規(guī)律是怎樣的，沒有人能夠給出確切的回答。

而狄拉克的狄拉克方程則完美解決了這個問題，這個方程的簡潔程度，堪比莎士比亞的十四行詩。連狄拉克本人也坦言：“這個方程比我本人還要聰明?！保═he equation was actually smarter than me.）

通過這個方程，狄拉克預(yù)測了反電子的存在，并且大膽預(yù)測反物質(zhì)的存在。他認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)和與之對應(yīng)的反物質(zhì)相遇時，它們會湮滅并釋放能量，而真空中，其實(shí)充斥著粒子與反粒子的誕生與湮滅。

8. Willis Lamb：量子漲落

假如真空中充斥著粒子與反粒子的誕生與湮滅，那么只要在其中加入幾個原子，通過觀測其中電子是否存在能量波動，就可以判斷出真空中的狀況是否真如狄拉克所預(yù)測的那樣。

蘭姆通過實(shí)驗(yàn)證明，原子中的電子能量會發(fā)生自發(fā)變化，這證明了真空中確實(shí)存在短暫的能量波動，這種能量波動被稱為量子漲落（quantum fluctuation）。

Everything and Nothing

在上編中已經(jīng)提及，我們的宇宙正在膨脹，那么宇宙最開始一定是比現(xiàn)在要小得多的；而我們現(xiàn)在有知道，在真空中存在無數(shù)的量子漲落，那我們是否可以得出這樣的結(jié)論：萬物源自虛無（Everything comes from nothing.）。

在宇宙誕生之初，無數(shù)的量子漲落間，一些粒子，無意中在湮滅中得以幸免，并且經(jīng)過大爆炸，留存至今，成為了構(gòu)成我們今天世界的物質(zhì)。而那些湮滅的物質(zhì)，釋放出了宇宙中最早的輻射。這些輻射，現(xiàn)在仍舊能夠被我們觀測到。

在我們被吞沒的虛無和無限之間有著深刻的聯(lián)系。（There is a profound connection between the nothingness and the infinite in which we are engulfed.）