宇宙进化史

前言

序章宇宙学概论

第一章粒子时代转瞬即逝的简单体

第二章星系时代物质结构的层级

第三章恒星时代锻造元素的熔炉

第四章行星时代生命的栖息地

第五章化学物质时代物质加能量

第六章生物学时代复杂性持续

第七章文化时代从智力到技术

后记一个全新的时代

前言

在意识启蒙之初，我们的祖先，无论男女，便都认识到了两种事物的存在一是他们自身，二是他们周围的环境。他们开始思考自己究竟是谁、来自何处。他们还渴望了解夜空中那点点的星光、四周的植物、动物、空气、陆地和海洋，并且开始思索自身的来源和归宿。但是在几千年前，这些基本的思考都被摆在了次要的位置，因为当时最为重要的谜团似乎已被解开，答案是：地球是整个宇宙的恒久不变的中心。毕竟，太阳、月亮以及所有恒星看起来的确都是在围绕着地球运转。在所知有限的情况下，人们便会很自然地认为自身和自身的家园具有特殊的地位。从这种“中心感”当中，他们能获得一种安全、至少是满足的感觉人们相信，宇宙的起源、发展以及命运是由某种超越自然的事物所控制的。

我们的祖先做了许多深入、细致的思考，但是他们所做的也仅限于此。那个时期是逻辑思考的巅峰时期，而经验实证的地位则要低得多。不过，他们所做的努力，依旧启动了神话、宗教、哲学领域的发展。直到几百年前，地球中心论的地位及人们对超自然力的信仰终于有了些许动摇。在文艺复兴时期，人们开始带着更具批判性的眼光来看待自身及宇宙，并且意识到，单单就自然中的问题进行思考是不够的，他们还需要对自然做出观察。于是，实验成为人们探寻过程中的中心环节。任何观点都必须在经过实验测试，得到数据证实后，才能被视为有效；而那些未能得到实验证明的观点则会遭到淘汰。“科学方法”由此诞生它是有史以来，促进自然科学发展的最为有力的工具，而现代科学时代也在此时拉开了序幕。

今天，科学方法已然成为全世界所有自然科学家手中的工具。一般来说，科学方法包括以下步骤：首先，对研究对象进行观察，搜集数据；接着提出观点，对数据进行解释；最后通过客观实验来证明该观点是否正确。已被实验证实的观点在经过筛选、收集之后，将会被传播出去；而那些未能得到实验证实的观点则被淘汰这有点类似于本书将提到的那些演化过程中的事件。就这样，通过对各种观点的不断选择和修改，科学家们才得以将真理和谬误区分开来，我们也才得以汲取到更为准确的、对现实世界的描述。当然，这并不是说科学一定可以揭示出真理无论这真理是什么科学只是帮助我们一步步地接近真理。

尽管我们一直强调客观性，但在某些情况下，客观性却阻碍了现代科学的发展。因为，科学工作者通常都具有强烈的热情和个人价值感，但是，在长时间的反复观察中，客观性会渐渐地凸现出来，并将控制我们，最终使得结论完全不为任何实验者、机构或任何一种文化的观点所影响。正如理性的调查方法能够帮助我们描述自然现象一样，科学方法能够帮助我们达到一个对于宇宙的本质、内容及运转的较为客观的共识。

今天的我们仍旧在循着先辈们的路径向前探索，也仍旧在问着同样基本的问题：我们究竟是谁？我们从何而来？万事万物又从何而来？所幸，在现代科技的惠泽下，今天的探询工作有了许多精妙的工具，我们可以借助天文望远镜来更好地观察恒星和星系构成的宏观宇宙，可以通过显微镜来看清细胞和分子组成的微观世界，还能够利用离子加速器来探索原子核及夸克构成的次原子领域。有了无人驾驶的宇航船，我们便能采集到从地球上无法观察到的信息；有了功能强大的计算机，我们便能有条不紊地处理庞大的数据流、有待确认的观点以及各种科学实验。

……

令人欣慰的是，我在《宇宙开端》一书中所提出的“变化无处不在”的观点至今并没有发生多少改变。要说有什么改变，那就是如今的宇宙演变学受到了非平衡热动力学的极大推动，这是一门前沿性学科，描述能量流在开放的复杂结构内的运动这些复杂结构可能是星系、恒星、行星或生命。可以肯定地说，我们在二十多年前搭建的那个骨架上增添了不少新鲜肌肉。为了使本书趋于完美，我们做了大量的修改、更新、和扩充工作。在保留原著的讨论范畴、时间顺序以及通俗易懂的文字风格的前提下，我做了如下改动：

.完全删除了原书中讨论科学理论的部分，用最新的理论代替它们，通过最新的科学发现，来更好地解释宇宙演变历程。

.解释重要观点时，在原书中铅笔草图的基础上，增加了两百多张照片，以便为这些观点提供更多客观证据。

.重新组织了原书中讨论化学及生物演变的部分，扩大了这些部分的篇幅，并加入了最新的科学发现。

.增加了关键词索引，以帮助读者更好地探索这一范围广、跨学科、涉及多个科学领域的学科。

为了本书中所探讨的宇宙演变历程清晰易读，我没有引用当下任何专家的观点，若是引用现阶段在该领域进行研究的学者们的观点，本书一直强调的概念清晰度将受到影响。毕竟，比起通过引用各位学者的观点来增加本书的权威性，描绘出本学科的总体结构更为重要。我们姑且可以说，本书中的所有叙述，是建立在人类各个科学领域的科学家们获得的成果上的，这些成果为我横跨各个领域撰写本书提供了很大的帮助。

许多同仁曾给予我帮助，让我得以对本书主要的论题形成更好的看法，并且搜集到更多有关宇宙演变的细节材料。他们中间有几位甚至影响到了我以何种方式教授、写作、研究这一概括性极高的学科。我尤其要感谢乔治.菲尔德教授及已故的哈洛.沙普莱教授，他们都是哈佛大学天文台的主任我要感谢菲尔德教授在25年前，在我的职业生涯开始时，邀请我一同研究这门跨学科的科目；我要感谢沙普莱教授在半个多世纪之前，富有启发性地开辟了一条跨学科教学及研究的道路(即他所说的宇宙图像学)。我还要感谢我的妻子罗拉，是她徒手绘制了本书中的所有插图，将艺术都引入深思的美感与科学的精确性完美地结合在一起。需要感谢的还有迈克尔.哈斯克尔、罗宾.史密斯、弗雷德.斯皮尔以及一位不知名的修改者，他写出了一份详细的读书笔记，改进了本书的内容及写作风格。特别需要感谢的，是上一批选择了我的宇宙演变课程的将近4000名学生，他们坚持着该学科的唯一前提永远保持好奇心，让我在思考这一新世纪的主要世界观并形成自己的创见时受益匪浅。

后记

宇宙进化的剧情是由人类来讲述的，它是一个漫长、壮观的故事，一部包含着讲述者本人的进化史诗，它被分成7个主要的时代，但是这样一个长篇的故事并不是刻在某山顶的石板上，传递到人类手中的，而是在科学研究者们不断的探索当中渐渐露出眉目的，这个故事在今天已经变得颇为明了，但是随着我们对宇宙的了解不断增多，它必然会不断地被修改完善。

我们是宇宙的孩子，这并不是什么新鲜的观点，它也许与最早的智人对自身存在的思考一样古老，而贯穿宇宙进化史的变化观也算不上新鲜想法，它一直潜伏在各个时代中，当然也贯穿了我们排列在时间轴上的各个宇宙进化阶段。变化永不消失、永不间断的观点正是这种变化带来了万事万物的产生在几千年前就已经存在于人类的头脑中。

随着我们步入新世纪，我们如今可以开始科学地明确一些主要的天文学和生物化学问题，事实上，这些问题也是一些变化，通过它们我们便能更好地理解宇宙作为万物之源的身份。我们的科学研究方法其实具有学科交叉的性质，它几乎同时涉及了各所大学里能够找到的所有课程。同时这一点也是非常重要的我们已经可以利用实验或观察证据来证明本书中所描绘的许多事件，当然，这场漫长的宇宙进化史还将不断继续下去。

宇宙进化史是一种总结性的假设，它试图将或大或小、或远或近、处于过去和现在的一切统统集合起来，成为一个统一的整体。虽然其中存在一些非同寻常的细节，但是，关于万物存在的总思想框架，包括从射线到物质到生命的复杂性升高过程，都是合理易懂的。

让我们再次将视野放到最大，来看一看宇宙的总体面貌。在宇宙的最早时期当中，射线主宰着物质。在射线时代，强烈的光线是至高无上的统治者。那时的任何物质都是以四处分散的基本粒子的形式存在的，这些粒子被淹没在由刺眼射线组成的海洋当中。大量的放射能使得宇宙成为一个巨大明亮的火球，在这个火球当中，没有原子、恒星以及任何其他具有规则结构的物质。

随着宇宙不断扩张，它的温度和密度都自然地下降着。由射线转化而成的物质开始渐渐地聚合形成原子，最后变成一团团的原子群。宇宙诞生几千个世纪之后，物质开始结合，这是一场极为重要的变化。随着具有规则结构的物质渐渐占据主导地位，宇宙也完成了它历史上的第一次重大过渡。这场变革意义深远，是宇宙进化图景中不可或缺的一部分。

物质时代开始之后，物质便开始主宰着射线，此时，即便在射线依旧存在时，物质也控制着宇宙中的大部分事件。从此之后，物质便一直控制着射线，依次成功地形成了星系、恒星、行星和生命。这些无数的结构进化的方式、它们是如何由不断变化的环境中所发生的偶然波动引起的，都不是什么神秘莫测的问题，因为，我们已经差不多了解了这些过程。

没有什么能够停下时间的脚步，宇宙的进化历程正是沿着时间的流逝而展开的。时间在140亿年前在一场巨大的爆炸中产生，而宇宙的不断扩张则是时间的主要特征，时间是永远处于运动中的它是一个新柏拉图式的推动者，它决定了万物的秩序、塑造了万物的形状、赋予了自然复杂性，最起码对于那些处于宇宙中的某处，正不断地朝着无规律状态发展的系统来说是这样。我们可以从已有的数据看到，一段内容丰富的自然历史正在渐渐地揭开面纱。

……

本书中讲述的是一段整体性极高的宇宙历史，处于任何一种文化当中的人都可以理解并接受的一段历史这段历史从大爆炸一直说到人类本身，描述了不断旋转的壮观星系和明亮耀眼的恒星，描述了嗡嗡作响的蜜蜂和红木树，描述了一个正渐渐意识到自身存在的宇宙。同时，它也是一个有关人类自身的故事有关人的起源、人的存在以及人的命运。

在这个过程中，有感知的生命发现了一种意义，发现了他们与宇宙进化之间的联系，发现了潜藏在宇宙进化当中的动力。这些生命体已经意识到，如今组成世界的这些物质都来自无数恒星的诞生和死亡。我们自身也是由诞生在许多代恒星内核中的元素组成的，这许多代的恒星经历了长达几十亿年的漫长进化而这种进化仅仅是靠宇宙的不断扩张来推动的。除此之外，我们已经拥有了足够的智慧，来思考赋予我们生命的无数物质和变化，我们所发现的结果便是，我们不仅仅是宇宙中的产物，不仅仅是宇宙中的一种生命形式。我们是宇宙的一个组成因素是一些有生命和文化的，能够研究自身的宇宙产物。

宇宙的进化并不枯燥，也决不恐怖，它是一个温和、包容的过程，在它的邀请下，我们享用着我们的宇宙馈赠，以便更加充分地利用我们人类的潜能，去更加深入地探索更多的自然奥秘，以启发处于广袤无序的宇宙中，位于地球上的人类本身。

只要人类继续去寻求新的知识，只要人类有足够的智慧继续生存下去，最重要的，只要人类一直保持好奇心，那么很可能人类有一天可以进化到足够控制物质的地步，就好像早期宇宙中物质可以主宰射线那样。确实是这样，宇宙中某些地方的密度并不仅仅是由物质和能量决定的，同时也是由出现在那里的生命决定的。如果在地球之外的星球上存在生命体的话，那么我们将与我们的星系邻居一起，获得对宇宙中大部分能源的控制权，将这些能源化为己用，以确保我们种族的延绵不绝。

随着我们迈入新千年，这段自成一体的连贯的宇宙进化史一部壮丽辉煌的史诗将把地球上所有的公民都装载进去，让他们也参与其中，去书写一段全新的传奇，而不仅仅是扮演着看客的角色。也许，人类确实正在变得更有智慧、更有道德、更加人性化i也许，人类正在走向一场道德进化，这场道德进化是否属于必然发生的事件，这一点颇受争议，但是它能够帮助我们去应对将要在时间轴上遇到的各种挑战。

“我们是卵石的弟兄，云朵的表亲。”

哈洛.夏普利，20世纪美国天文学家

　　本书讲述了很多关于宇宙进化的重要课题从宇宙的形成到物质；从银河系、星系、重物质到太阳、地球；从生命、复杂的生命到社会。它传递了关于这些领域很多有价值的信息，同时也为我们显示了简单的系统是如何转变成为更加复杂的系统的。《宇宙简史》还提供了一个震撼的视角：在这里你可以看到不同的变化是如何通过难以想象的空间和时间跨度，以及通过需要和机遇的结合演化生成银河系、星系、地球以及我们人类自身。　　我们周围的一切空气、陆地、海洋和星星是如何起源的？物质的有序性、结构、组成来源于哪里？这些问题正是埃里克.简森(经典著作《宇宙的黎明》的作者)所研究的科学范围，是他在辉煌的迷人的宇宙探索中提出的问题。在介绍关于宇宙起源新的发现和一些有争议的理论时，简森提供了一种富有创造性和综合性的方式。他带领我们走过了宇宙进化中的7个时代从没有固定形状的射线时代到人类文明的起源。在这个历程里，他把宇宙进化中最微观以及最宏观的方面展示出来，也包括了它们之间最复杂的相互作用。　　利用最近在天文物理学和生物化学研究方面的突破，简森论述了当代科学的观点：所有的物体之间是有着内在联系的一一从夸克、类星到微生物以及人类的精神。所有的自然科学领域的研究者开始透过物体的结构来确认它们之间内在的联系从一种震撼的、包容的视角来研究宇宙中物体的组成、结构和功能。【作者简介】　　埃里克.简森塔夫斯大学物理学、天文学和教育学教授，领导怀特中心从事科学教育工作。他也是《宇宙的黎明》《物质和生命的起源》《宇宙进化》《自然界复杂性的增加》等一系列著作的作者。