汪洁，科普作家，第八届文津奖获奖图书得主，著有《时间的形状》《外星人防御计划》等。全国各科技馆及大、中、小学人气嘉宾，知名电台节目《科学有故事》主播，在喜马拉雅、蜻蜓、网易云音乐、凤凰FM等电台订阅听众超过15万，全平台累计播放量超过1000万次。 

从托勒密到哈勃，从大地的形状到宇宙的尺度，本书用讲故事的方式历数人类在天文上的重大发现。

今天，在微观上，我们已经可以探测到100亿亿分之一米大小的尺度；在宏观上，已经拍到了距离我们132亿光年的天体图像。人类已经对自己身处的这个宇宙有了一个基本的认识：地球只不过是太阳系中一颗普通的行星，而太阳系也不过是银河系中普通的一个恒星系，而银河系也不过是本星系群中的一个普通的涡旋星系，而本星系群又不过是宇宙中无数个星系群中的普通一员。我们这个宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸，它不但在膨胀，而且在加速膨胀。这些我们已知的天文知识的来源都有着不平凡的经历，一代又一代的天文学家们耗费了毕生的心血，把人类对这个世界和宇宙的认识提升到了一个又一个新的高度。

跟随作者，我们将回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。

宇宙不可理解之处在于它竟然是可解的，这大概就是人类思维上的至高享受了。当我们仰望星空，看到的既是浩茫的空间，也是深远的时间，天上的星星发出的光芒跨越了漫长的时空到达地球，我们看到的，其实是宇宙的历史。

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3，这是一部人类探索天文的历史，更是一部人类理性崛起的历史。跟随本书，你将回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。

一谈到宇宙诞生于一场大爆炸，多数人头脑中的景象是这样的：在无边无际的黑暗中，突然，一个光点像焰火一样炸出来，无比绚丽。大多数关于宇宙的纪录片都是这样拍的，但实际上，这个场景是错误的。这无法怪导演，换了我也只能这样拍，因为正确的图像是无法用影像准确描述出来的。真正的情况是：在创世的那一刻，没有黑暗，没有空间，甚至没有时间，没有就是没有。整个宇宙，也就是你脑子中想象出来的一切有形的东西，都包含在一个原子大小的尺度内，当一切都炸开之后，才产生了空间和时间。好吧，我承认我以上说的一切都令人相当费解，至少是难以想象，我再用下面一个类比的方法，帮助你理解宇宙诞生时的空间。

现在，让我们做一个疯狂的假想：如果我们回到?138?亿年前，那时候的宇宙只有一个牢房那么大，20?平米左右，那么，当你身处这个宇宙中时，你会看到什么？你会看到，如果朝前面看，自己的背影就在几米开外的前方；朝后看，另一个自己就在几米开外的后方，与你做着同样的动作，再朝上朝下看，都能看到一样的自己。当你朝前面跑时，前方的自己也开始跑，只用了几步你又跑到了自己出发的位置，不管你朝任何一个方向跑，都会回到原点。这是一个无限循环的三维空间，你根本不可能“出去”，因为根本没有“外面”，整个宇宙就在你眼中，这就是“有限无界”的宇宙观。听上去有点儿恐怖，这样的牢房就是真正无法越狱的完美牢房。现在，请把这样一个有限无界的宇宙不断地在你的脑海中缩小再缩小，一直缩小到只有一个原子大小。注意，没有“外面”，也没有黑暗，空间和时间都禁锢在这个“宇宙”中。然后上帝说“要有光”，于是，这个宇宙开始急速膨胀，这就是“宇宙大爆炸”理论。

请注意，我刚才的那个牢房的比喻是针对宇宙刚刚诞生的时刻。那么，我们今天的宇宙在经历了?138?亿年的膨胀后，是否依然是一个巨大的恐怖牢房呢？如果我们朝一个方向一直飞一直飞，最后会不会回到原地呢？虽然还没有定论，但是越来越多的宇宙学家认为，我们今天的宇宙是一个无限大的宇宙，我们永远也无法飞回到原地，这个观点得到了理论和观测的有力支持。这个话题在后面还会详谈，这里先放一放。

自从这个宇宙微波背景辐射被探测到后，一大批科学家都兴奋地投入到这个领域中。相比考古学家来说，宇宙学家是无比幸福的，为什么这么说呢？因为考古学家在研究远古时代的地球时，面对的都是经过了成千上亿年时间洗礼的遗迹，他们只能通过残留下来的点点蛛丝马迹，艰难地还原当时的现场。可是宇宙学家，自从发现了微波背景辐射后，就相当于找到了宇宙诞生时刻的光子，这些光子跨越了?100?多亿年的漫漫时空，来到地球。当研究宇宙的微波背景光子时，也就是在端详宇宙大约?138?亿年前的模样。于是，全世界投入了大量的人力物力，建造出一个又一个精密无比的天文仪器。在随后的十几年里，对宇宙微波背景辐射的研究是整个宇宙学乃至天文学最热门的一个领域。但是随着测量数据越来越精确，许多大爆炸的支持者却变得越来越坐立不安，因为一个幽灵从这些测量数据中慢慢地浮现出来，这个幽灵是什么呢？

从宇宙背景辐射的探测数据中，他们发现整个空间中的辐射是完全均匀的，无论把天线指向哪里，辐射的温度都是?2.725K?左右。也就是说，宇宙“大火球”的温度极为惊人地均匀一致，用专业点的术语讲，就是宇宙在?10-5?量级上都表现出完美的各向同性。

你可能会奇怪了，这听上去应该是很正常啊，如果不均匀我才会觉得奇怪呢，怎么宇宙大火球温度均匀一致反而成了一个幽灵、一个谜题呢？

是这样的，按照广义相对论的计算，在宇宙诞生的那一刻，宇宙空间膨胀的速度是如此之快，以至于其中不同区域相互远离的速度超过了光速（别问我是怎么计算出来的，那个太难懂了，一大堆的微分方程组，我哪里看得懂。总之你跟我一样，知道结论就可以了）。等等，相对论不是说光速是速度极限吗？怎么你这里说超过了光速？这里其实有一个广泛的误解：相对论所说的光速极限是指的信息和能量的传递速度无法突破光速（可以参看拙作《时间的形状—相对论史话》），而空间的膨胀本质上是一种视运动，其速度是完全可以超过光速的。换句话说，星系与星系之间的相对退行速度是不受任何速度限制的，因为这种速度并没有信息和能量的传递，所以完全合法。

这样一来，问题就出来了。我们想象一下，宇宙在诞生的时候，“砰”的一声炸得四分五裂，但是由于空间的膨胀速度超过光速，也就是意味着每一个碎块与碎块之间的分离速度超过了光速，那么这些碎块与碎块之间绝对不可能发生任何能量交互，也不可能发生热量的传导，但是最终的结果，却是所有的碎块温度全部惊人地一致。这就好像夜空中炸开了一朵焰火，但是焰火每一颗火星的温度都极为精准地完全一致。这个情况与当时理论计算的结果产生了严重的矛盾，宇宙学家们将这个谜题称之为“视界问题”。

这个谜题不但困扰着当时无数的物理学家和宇宙学家，也困扰着在美国斯坦福直线加速器中心工作的理论物理学家阿兰·古思（Alan Guth，1947?年-）。不过这个古思是个牛人，他在?1979?年首次提出了一个理论，后来又经过另外几个科学家的关键改进，成功地解决了困扰学界多年的视界问题，并且被物理学界广泛接受，这就是大名鼎鼎的“暴胀理论”。暴胀理论也是严格地依据广义相对论计算得出的。大家知道广义相对论是非常难解的一组偏微分方程组，弗里德曼他们搞出的大爆炸宇宙模型也可以称为弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克解，是广义相对论方程的一个精确解。古思他们就在原来的这个解的基础上，利用广义相对论的某些特性，如排斥性引力、量子场等（我又是看书又是看维基百科，但自己看得也是一知半解），经过更加精密的计算，修正了原有的大爆炸理论，搞出了一个暴胀理论。这个理论其实非常复杂，也涉及到众多概念和计算，但是我还是可以试着用一种概括的方式跟大家概述一下：

视界问题之所以会折磨原有的标准大爆炸模型，是因为空间的不同区域分离得太快，不足以建立起热平衡。暴胀理论则减慢了在宇宙最最初期时刻的膨胀速度，使宇宙大火球有足够的时间建立相同的温度。在完成了这个热平衡后，宇宙经历了一次短暂的爆发性的膨胀，而且越来越快，以对早期的缓慢膨胀做出补偿，这就是暴胀这个词的由来。这个理论的核心内容是说，宇宙空间在迅速远离之前就已经建立了共同的温度。

那么这个暴胀的速度是多快呢？古思他们的计算表明，在?10-35秒到?10-33?秒之间，也就是十亿亿亿亿分之一秒的时间内，宇宙的尺度突然增大了?1026?倍，也就是一百亿亿亿倍。这是个什么概念？我简单做了一个计算，相当于一粒尘埃瞬间膨胀成?10?个银河系这么大。这里插一句题外话，我在写这段的时候，查阅暴胀理论的相关资料，我头很大。因为，在《万物简史》这本书中，说的是宇宙在暴胀期间膨胀了?1040?倍，而百度百科的暴胀理论词条中则更夸张，是?1078?倍。一开始，我也搞不清楚到底谁对谁错，于是我自己动手做了下计算，普朗克尺度大约是?10-35?米的量级，所谓普朗克尺度就是理论上的最小尺度，就像绝对零度那样，不可能再有比这更小的尺度了。而目前普遍认为的可观宇宙的大小是直径?930?亿光年，相当于?1026?米的量级，也就是说即便是从最小暴胀到最大，也就是?1061倍。百度百科的数据显然荒谬得很，而《万物简史》的那个数据也看着不像，因为我粗略计算一下，1040?相当于一粒尘埃膨胀到现在整个可观宇宙的大小。最后我采信的数据是维基百科的数据，也就是1026?倍，我根据这个数据计算，差不多就是一粒灰尘膨胀到?10?个银河系的尺度。这种规模的膨胀是我们这些凡夫俗子穷尽一切想象力也无法真正理解的。

前言　科学精神比科学知识更重要／001

一　大地的形状／007

二　日月星辰的变化／014

三　古代天文学之大成／022

四　中国古代天文学思想／030

五　哥白尼单挑托勒密／037

六　天空立法者开普勒／047

七　伽利略的证明／058

八　牛顿的天体力学／067

九　恒星不恒／075

十　天文学第一问题／083

十一　失踪的行星／088

十二　初窥银河／093

十三　银河系揭秘／102

十四　宇宙的尺度／109

十五　膨胀中的宇宙／114

十六　大爆炸／119

十七　星际有机分子／132

十八　类星体／135

十九　脉冲星／138

二十　哈勃的宇宙／141

二十一　暗物质／147

二十二　暗能量／153

二十三　宇宙有限还是无限／163

二十四　最后的问题／167

二十五　探索永无止尽／189

后记／199