第一推动丛书 宇宙系列:宇宙传记 [The Universe：A Biography] 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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编辑推荐

你可以读到科学上几个有趣而又重要的问题：宇宙是如何从一个小火球增长到现在的规模的？它将如何终结？我们又是怎么知道这一切呢？作者把宇宙学用通俗的语言娓娓道来，用令人感兴趣的方式回答了科学上根本性的问题。2018年新版的《第*推动丛书》全新设计了版式和封面，简约个性，提升了阅读体验，让科普给你更多想象。随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。

内容简介

本书作者揭示了宇宙的奥秘，以及更显至关重要的——我们如何才能了解这些奥秘。本书描述了宇宙是如何开始的，早期宇宙是什么样子，它的结构如何发展演进，以及出现了什么物质使其结合在一起。他描述了物质从哪里来，恒星和星系如何形成，以及在我们的太阳系中生命如何产生。此外，在介绍了到目前为止我们对宇宙的认识之后，他进一步展望未来，揭示这一旅程往后会如何继续。宇宙的一生是否会在大收缩或大撕裂时达到高潮，亦或是在我们有机会弄清楚这个问题之前，地球就将受到来自宇宙空间的撞击？

作者简介

约翰·格里宾(John Gribbin)，当今伟大的科普作家，毕业于剑桥大学，专业是天体物理学。目前他是苏塞克斯大学天文学专业的访问学者。他的著作包括《寻找薛定谔的猫》、《星尘》、《科学史》、《深奥的简洁》和《科学家》等。他善于用简单的语言传递复杂的思想。他曾说他写作的目的是与读者分享他对于宇宙陌生性所怀有的好奇。业余时间他还喜欢从事科幻小说创作。他的大部分作品都是在家里后花园里的小棚子下完成的。

译者介绍：

徐彬，吴林

精彩书评

“令人回味无穷……语言清新简洁，堪称典范 ”——《独立报》

“有关这一问题迄今为止我们所能获得的*为清晰的描述。”——《每日电讯报》

“结论惊天动地。”——《星期日先驱》

“英国*好和*多产的科学作家。”——《星期日电讯报》

目录

致谢

前言——为何要为宇宙作传？

1 如何认识我们自以为已经知晓的事物？

2 是否存在万物至理？

3 宇宙从何而来？

4 早期宇宙是如何演进的？

5 可观测宇宙的结构是如何发展演化的？

6 什么使宇宙结合在一起？

7 化学元素从何而来？

8 太阳系从何而来？

9 生命起源自何处？

10 一切将如何结束？

术语表

精彩书摘

第一章　如何认识我们自以为已经知晓的事物？(部分)

如果科学家们声称他们知晓原子内部的情况，或者说他们知晓宇宙产生的最初三分钟内所发生的事情之时，他们的本意是什么呢？他们的意思是，有一个所谓的原子的，或是早期宇宙的，又或者任何使他们感兴趣的东西的“模型”，而且这个模型同他们的实验结果或他们对世界的观察相吻合。这种科学模型和我们通常所说的航模之属不同。飞机模型表现的是真正的飞机，是对实物的物理呈现，但科学模型是一种抽象的想象图景，可以通过一套数学方程式来描述。例如，我们呼吸的空气由原子和分子构成，它们可以用某种模型来描述。在这个模型中，我们把每个粒子都想象成一个具有绝佳弹性的小球（好比撞球），所有小球都既相互碰撞，也会与容器壁撞击，从而不断反弹跳动。
这是一种想象的图景，但仅仅是模型的一半。这些小球运动和相互撞击的方式是通过一套物理定律来描述的，这些物理定律又以数学方程式的形式记录下来，这使其成为一个真正的“科学”模型。在这个问题上，最基本的定律是艾萨克?牛顿（lsaac Newton）在300多年前发现的运动定律。使用这些数学定律，我们就可以计算出当一种气体的体积被压缩到一半时其压强是多少。如果你做个实验，得到的结果与该模型的预测相符合（在这个问题中，压强应当加倍），那么这个模型就是正确的。
当然，这种标准的气体模型将气体描述为相互撞击的小球，与牛顿定律相一致，并能作出正确的预测，对此我们不应感到惊讶。因为，科学家是先做了实验，之后才设计，或者说构造了该模型，以便与实验结果相匹配。接下来的科学步骤就是使用这样一种通过测量得出的模型来预测（进行精确的数学预测）在其他不同的实验中，同样的系统将会出现什么情况。如果该模型在新的环境下做出了“正确的”预测，那么就可以表明这是一个正确的模型；可是，即使预测不准，我们也大可不必将其完全否定，因为它仍然能向我们揭示早先实验中一些有用的东西；当然，无论如何，它的应用是受限的。
其实，所有科学模型的应用范围都是有限制的。没有任何一个模型称得上是“终极真理”。把原子视为具有绝佳弹性小球的模型，对于计算在不同环境下气体压强的变化十分有效。但是如果你想描述原子放射和吸收光线的方式，你则需要另一个模型。这个模型中的原子至少有两个组成部分，一个是位于中央的微小的原子核（出于某种原因，该原子核本身也可以被视为一个具有绝佳弹性的小球），另一部分则是环绕在原子核周围的电子云。科学模型是对现实的表现，但并不是现实本身。无论这些模型多么好用，无论它们在合适的条件下的预测结果多么准确，我们始终还是应当把它们视为现实的近似和想象的辅助手段，而不是终极真理。如果科学家告诉你原子核是由一些称作质子和中子的粒子组成的，实际上他们是说：在某些情况下，从原子核的表现来看，它“似乎”是由质子和中子构成的。优秀的科学家时刻会想到“似乎”二字的存在，而把模型的的确确只看作模型；但平庸的科学家则经常忘记这一关键的差别。平庸的科学家和众多伪科学家还存在另一个误解。此辈常常以为，现今科学家的作用就是做实验，以证明他们模型的精确度越来越高，即其数值在小数点后的数位多多益善。
事实绝非如此！之所以要针对模型所作的未曾验证的预测进行实验，是为了找到这些模型的疏漏之处。一流物理学家总是希望查找到他们模型中的缺陷，因为这样的缺陷——即模型无法准确预测或是无法详加解释说明的情况，可以为我们指明究竟在哪些方面我们需要获得新的认识，同时提供更好的模型，以便取得进展。这方面，一个典型的例子是引力论。从17世纪80年代直到20世纪初，在长达两个多世纪的时间里，艾萨克?牛顿的万有引力定律一直被认为是最深刻的物理学发现。但是，也曾存在过几个似乎很小而牛顿模型又无法解释（或预测）的问题，这包括水星的轨道，以及光线经过太阳发生弯曲的现象。阿尔伯特?爱因斯坦基于广义相对论提出的引力模型，则不仅能解释牛顿的模型所能解释的一切，还能解释上面所说的诸如行星轨道和光线弯曲等微妙的细节问题。在此意义上，爱因斯坦的模型比旧的模型要好，它能作出旧的模型所无法作出的正确预测（尤其是关于宇宙整体的预测）。但是，当我们需要计算探月飞船的轨道时，仅仅用牛顿的模型就足够了。使用广义相对论我们也能进行同样的计算，但那样算起来更麻烦，得到的结果却是一样的，所以，谁愿意费那个事呢？
本书的大部分内容都是关于我们认为我们已知的东西——即到目前为止验证都成立的模型，但同时这些内容又涉及最前沿的科学，这里还有好多实验要做。可以肯定的是，根据进一步的实验，以及对宇宙的观测，这些模型中会有一些需要修正。而且很可能，其中的一些必须全盘抛弃，代之以全新的观察事物的方式。从这一方面看，科学研究和历史学家以及传记作家对待罗伯特?胡克（RobertHooke）的方式倒没有大的不同。近来，对于这位17世纪科学革新的关键人物，历史学家以及传记作家需要改变他们的看法（我们姑且可以看作是修改他们的模型）。之所以这么做，是因为他们找到了一份失踪好几个世纪的关键档案，该档案详细描述了胡克科学生涯中发生的一些大事。发现了新证据，往往要求修正旧观念。
但是，要想描述21世纪科学会朝哪个方向走，我们需要从我们自以为“已知”的事物出发——这些已知的事物就是“模型”，尤其是20世纪所建立的模型。这些模型与实验和观察的结果非常吻合，科学家对于它们非常有信心，就像相信气体小球模型（在其所已知的限制内），或是牛顿引力模型。
这些模型像牛顿模型一样，能近乎完美地描述已知可应用的特定范围内这个物理的宇宙。同样重要的是，我们如同了解牛顿模型一样了解这些模型应用的限度何在。
物理学家喜欢将这些成功地描述世界（或世界的某些具体特征）的学说称作“标准”模型。气体小球模型（也称作气体动力学说，因为它的内容是关于运动的粒子）就是一种标准模型。但是，如果物理学家谈起那个特定的标准模型，他们指的是20世纪伟大的科学成就之一。该模型描述了亚原子粒子运动特征和它们之间的力。而且重要的是，这一模型的构建始于20世纪20年代，当时丹?尼尔斯?玻尔（DaneNielsBohr）提出了一种新的原子模型。在拙作《寻找薛定谔的猫》一书中，我详细描述了量子物理学的历史发展，此处就不赘述了。不过，粒子物理学标准模型完全基于量子物理学，因此这里还是有必要简要回顾一下。乍一看，一些读者可能觉得这里的内容有些熟悉。但是，希望大家能耐心读下去，因为我希望我这里所讲的事情和大家认为自己所熟悉的版本会有所不同。
物理学这一新的科学领域最早的发现是由德国科学家马克斯?普朗克（MaxPlanck）在20世纪初作出的。普朗克发现，要想解释炽热物体为何会发光，只能将光看作是通过一个个的团块发出的，这种小能量团块称作“量子”。当时，科学家一般将光看成一种波或电磁振动，因为许多实验观测的结果和光的水波模型所作的预测较为吻合。起初，普朗克本人和其同时代的人都未曾想到过光会以一个个能量团块的形式存在，只是想到物质属性——即原子——只能以确定的量被放射或吸收。你可以拿滴水的水龙头作一个类比。水以水滴形式从水龙头滴落的现象，并不表明水槽中的水也只能以独立的水滴形式存在。1905年，阿尔伯特?爱因斯坦是现代科学史上第一个认真考虑光是否能以微小的光粒子（即光子）形式存在的人，而且在接下来的十来年里，他一直属于少数派。不过，一些实验结果表明，光的特性确实能和粒子模型的预测吻合起来。因此，光的粒子模型应该也是有效模型！从未有过任何实验能证明光同时具有波粒二重性。但是，根据实验性质不同，光的特性却能和这两种模型中任何一种预测保持一致。
理清这一点很有必要，因为这充分说明了科学模型的局限性。我们不能说（或认为）光是波，或是粒子。我们只能说，在适当的条件下，光表现得似乎是波，或似乎是粒子——正如在某些情况下，原子表现得似乎是坚实的小球，而在另外一些情况下它似乎是周围包裹着电子云的原子核。这并不自相矛盾。此处的局限在于我们所建立的模型以及人类想像力的限制，因为我们试图描述的事物，和我们的感官所体验到的完全不同。当我们在想象光何以具有波粒二重性时所感到的困惑，也颇有几分像美国物理学家理查德?费曼的话所表述的那样，是“试图用熟悉方式看待光的难以抑制却又徒劳无益的意愿的反映”。光实际上是一种可以用数学方程式有效表述的量子现象，只不过用我们头脑中的通常观念无法窥探其庐山真面目罢了。整个量子世界便是如此。尼尔斯?玻尔（NielsBohr）对物理学的首个重大贡献就是将量子物理数学整合成原子模型，而不在意这一模型能否为通常观念所理解。
20世纪之初，科学家们已然知晓地球万物皆由原子构成，每种原子构成各自的化学元素——氧原子、金原子、氢原子，如此等等。他们还知晓原子也并非如先前所认为的那样是不可分割的，在适当的环境下，其中称为电子的部分是可以被分离出来的。那时，人们倾向于将电子模型表述为微小粒子，而且实验也显示，电子的确表现得像微小粒子。玻尔解开的谜题是，光是以何种方式被个别不同种类的原子所放射（吸收）的。相比于普朗克对不同原子所构成的发光体发出的光所进行的研究，他的研究更加精细了。可见光的光谱涵盖了彩虹的所有颜色（彩虹实际上就是一种光谱）。然而，如果将一种纯净的化学元素在火焰中加热，它便会辐射出非常准确的波长（或称之为色彩），在光谱中产生一条光带。以钠为例，其辐射的色彩就是彩虹中处于橘黄色的部分。而且，每种化学元素（即每种原子）各自产生出与众不同的光带，像指纹和条码一样独一无二。彩虹的多姿多彩正是因为阳光是由不同种类原子所放射出的不同波长色光组成的缘故。通常，各种色光混杂在一起会呈现出白色光，但是，正如牛顿用棱镜片所做的研究那样，当阳光经过雨滴的折射，这些颜色便被分离出来。
因为光是能量的一种形式，所以由原子放出的光中的能量必须来源于原子（能量不可能凭空生成，这是物理学最基本的定律，尽管我们以后将会看到，即便是这条定律也存在其局限性）。玻尔意识到，能量来源于原子外部电子的重排。电子携带负电荷，而原子核携带正电荷，因而电子受到原子核的吸引，正如地球上的物体被引力吸引一样。假如你搬动一件重物上楼，你就必须做功（加入能量）才能移动这一重物远离地心。假如你将其从楼上窗户抛下，能量就被释放了，先是转化为下落物体的动能，然后落地时化为热能，使撞击点的地表轻微升温，因为原子和分子会因撞击而轻微地震荡四散。玻尔提出，如果原子外部的电子朝向原子核运动，靠近原子核，就会释放出能量（比如光）。如果较接近原子核的电子吸收了能量（或许是从光中，或者因为原子受热），它会向原子核外围跃动。但是，能量为何总要以某种确定的波长，以确定的量释放或者吸收呢？

前言/序言

为何要为宇宙作传？

　　30多年前，当我开始写科普读物的时候，在我看来，我面对的是明确的事实，就像牛顿定律、大陆在地球表面漂移、恒星通过内核深处的核聚变过程释放能量等如此种种的科学现象一样。后来，当我越来越多地转向科学史与传记，发现科学探索都必然在一定程度上具有主观性，而且可以从多种角度进行阐释，这引起了我的兴趣。我们不可能写出惟一正确的科学史（或其他任何“史”），因为我们并不拥有所有的事实；我们必须通过猜测填补空缺，即使这种填充是在进行了深入研究，并且充分利用我们拥有的所有事实的基础上作出的。同样，也不可能写出关于某个人的惟一正确的传记（即使那人现在还活着），因为人的记忆总会出现差错和遗漏。再后来，我认识到，在尝试撰写宇宙的历史或传记的时候，也会受到同样的限制。虽然我们知道自大爆炸发生以来关于宇宙的许多演进历程，而且在某些情况下还相当精确，但是这些知识中总是存在空缺，此时就必须通过猜测来弄明白期间发生了什么。所以，对于宇宙，永远不会有单一而明确的历史或传记，而只会有不同的，或多或少带有主观性的关于其历史的阐释。
　　这使我想到，我可以使用传记的手法，写下宇宙的起源、演变和它未来可能的命运。我可以提出有关这一主题的基本问题，尽自己所能回答它们，并在空缺的地方基于我的学识进行猜测。宇宙是如何开始的？构成我们的物质粒子从何而来？星系从何而来？恒星和行星是如何形成的？生命是如何开始的？对这些问题，我们只有临时的答案（有些比其他更“临时”）——但是在接下来的十年内，这些答案都有可能随着科技的进步得到显著的改善。我们所拥有的临时答案，已经比没有答案要好得多了；此外，这些答案是如何获得的，本身就是值得讨论的话题，而且它们有可能在未来的十年里成为报纸的头条消息。
　　当我在写自16世纪以来的科学史的时候，我用的是与本书不同的传记方法，关注的是科学家个人的生活和成就。本书写作之初，我也曾打算使用那种方法，希望通过关注个人的贡献，使大家了解现在的科学研究的方式。但是现在的科学家进行科研的方法已经完全不同了。我拜访的科学家越多，就越是意识到，仅仅在我个人的一生中，科学研究就已经发生了极大的变化。如今，物理学中，单个的科学家一般都关注相对较小的问题，而且是在相当大的工作团队中做研究，因此往往很难确定个人具体的贡献，也很难说少了哪个人或换上别人某个科研项目就不会成功。整体已经大于各部分之和，这就是如今物理学界的现状，它告诉了我们周围的宇宙为何是如此的形态。这个故事最吸引人的地方，就是生命起源之谜现在完全属于物理学的范畴（而且它已经不像以前那么神秘了）。
　　只有在抛开个人的贡献，学会总揽全局之后，这一成就的真正规模和意义才变得那么明显。这将是一个有趣的科学传记，但它是关于宇宙本身的传记，而不是关于探索宇宙目前余下的奥秘的人的传记。由于宇宙的生命还远远没有结束，我选择的时间段是自宇宙初始之时，即众所周知的大约140亿年前发生大爆炸之时，到地球上生命开始出现，即距离大爆炸100亿年后。此外，我也忍不住要一窥未来，看看地球以及整个宇宙有何种命运，这一话题想必是我们星球上的居民都关心的。
　　这个故事的轮廓，其中的一部分此前也已经勾画过，但是21世纪科学的特点在于，它已经为当初的轮廓填充上了精确的内容（有些还随时在发生显著的变化），确定宇宙的状态的关键数字，已经精确到了百分之几，甚至是百分之一。同时，宇宙理论的全景中，有一部分显示出已经达到了惊人的精度，例如，在实验室测量到的中子的属性（原子核的一个组成部分）与大爆炸中发生的事件，以及现在在恒星中发现的氦的数量都密切相关。反过来，恒星中氦的量，影响到了我们大家身体中的化学元素的生产，并且与生命的起源产生了联系。这是我将本书称作“传记”而非“历史”的另一个原因。它涉及生命的起源，并回答了我们自身起源的根本问题——虽然在最初的章节里这并非那么明显。
　　这本书是宇宙的一种传记，而非惟一正确的宇宙传记。但尽管它在一定程度上包含假想的成分，但我希望大家不要将其看作完全是我个人的幻想而弃之不顾。书中的事实远超过假想。像所有优秀的传记作者一样，在描述关于宇宙的这一新的认识，并探讨我们在其中所处的位置之前，我需要先叙述一下物理学家对宇宙的运行方式确切了解些什么，并强调一下我们认为自己“了解”的，以及我们“以为”自己了解的之间所存在的区别。
　　约翰?格里宾
2006年5月

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