关于本书

《漫步到宇宙尽头（增补版）》/李然

出品人 周源

策划编辑  梅莹 裴启航

设计 刘奕含

校对 高正哲

联系我们 publish@zhihu.com

本电子书版权为北京智者天下科技有限公司所有，未经书面授权，不得在任何地区以任何方式反编译或节录本书内容。

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DNA-BN：ECFD-N000000670027

最后修订：2017 年 05 月 08 日

出版：浙江出版集团数字传媒有限公司

浙江 杭州 体育场路 347 号

互联网出版许可证：新出网证（浙）字 10 号

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网址： www.bookdna.cn  

本书电子版如有错讹，祈识者指正，以便新版修订。

Zhejiang Publishing United Group Media CO., LTD, 2013

No.347 Tiyuchang Road, Hangzhou 310006 P.R.C.

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「一小时」电子书出版序

知乎创始人 周源

感谢你阅读知乎推出的「一小时」系列电子书。

「一小时」系列是什么？

这是一系列短小精炼的电子书。我们邀请了知乎各专业领域的知友在书中分享他们的知识、经验和见解。如果你足够认真，便可以在一个小时内读完一本书。

这里既有日常经济分析，也有人文历史，既有职场经验，也有生活中的科学。这些作者，都是我们精心为你寻找，在各个领域拥有独到见解的专业人士。而我们出版的每一本书，都会解释一个问题，分享一种思路，展开一个视角。

地铁上，入睡前，在这些细碎的时间里，挤出一小时的时间，静下心，读下去。

你很忙，但知识不慌张。

愿你从「一小时」开始，对这个世界，又多了一分认识。

作者序

在成为天文学研究者之前，我就已经是一个重度的幻想作品爱好者。在幻想作品中，主角们很少考虑星际穿越的难度。太空邦德们随时可以发动星舰，穿越时空，拯救另一星球的人民于水火。

媒体往往用大航海时代来类比太空时代。在哥伦布的时代，航海英雄们在仍未确定地球大小的情况下就已经扬帆出海，而太空旅行领域则正好相反。

在过去的五十年里，天文学取得了巨大的进展。人类建造了巨大的望远镜，可以精确测量宇宙中的暗物质分布；甚至可以测定驱动宇宙膨胀的暗能量密度。但人类星际航行的能力却并没有提升太多，相反的，由于航天科学研发经费在苏美争霸结束后被缩减，连载人登月也渐渐成为了昨日传奇。

为什么星际航行如此之难？

是因为宇宙太过广袤。地球和火星的距离，即使在两星球最相近时也是地球直径的 4000 倍以上。而离太阳最近的恒星系比邻星的距离，还要比这大上十几万倍。糟糕的是，人类的飞船速度无法无限加速。

基础物理理论告诉我们，光速——每秒 30 万公里——是宇宙间的速度上限。而根据人类目前的物理理论储备，人类在可见未来所能拥有的最高速星舰，速度不大会超过 0.1 倍的光速（如果核聚变技术完美应用于星舰）。这艘想象中的最快星舰，飞往比邻星仍然需要数十年，而飞往 Kepler-452b 这颗不久前发现的、被称作「最像地球的地外行星」则需要一万多年。

在这本小书中，我收集了一些我自己关于星际航行问题的思考。

第一章主要讨论了宇宙疆域的发现史，希望帮助读者建立一个关于宇宙空间的大图像；第二章则是讨论关于宇宙中暗物质的发现和思考；第三章主要讨论了太阳系的形成和太阳系内航行、殖民的问题，这部分在最近的十年里发展极其迅速，也许在未来的若干年里，很多知识就会再次翻新；而第四章讨论太阳系外的旅途，这部分大量的内容并没有经过实验证实，比如高维生命，事实上已经进入了幻想的领域。

我在行文中尽可能区分现实的物理和幻想内容，还请读者留意。有趣的是，在写作开始时引力波仍然是一个科幻电影中出现的未经证实的概念。但在写作结束的前一天，美国 LIGO 探测器第一次直接探测到了宇宙深处黑洞合并发出的引力波。我们就这样见证着想象成为了现实。

最后，我想感谢知乎出版团队邀请我撰写这本书。写一本和天文有关的书是我多年的愿望。我希望这也能帮助我的家人和朋友更多地了解天文学。限于个人水平，对很多问题的探讨较为肤浅。我在本书最后附上了一个小小的书单，包含了一些更棒的科普书籍，未能从本书中找到答案的朋友可以从那里开始进一步的阅读。

我将这本书献给我的太太，杨洁。希望你能够不打瞌睡地读完它。

第一章 宇宙的边疆

1.1 太阳的疆域

在乘坐飞船离开地球之前，让我们先考察一下宇宙空间的尺度。首先，我们来看看太阳的疆域。

太阳最显赫的臣民是大行星。金、木、水、火、土五颗大行星在夜空中明亮可见；尤其金星，是夜空中仅次于月亮的明亮天体。在人类历史上，不同文明都曾试图根据这 5 颗行星相对恒星背景的运动来揭示自然和人类社会的关系，甚至希望通过这 5 颗星来占卜人类或者国家的未来。

然而第 6 颗大行星——天王星的发现要晚得多。1781 年，英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）用自制的望远镜第一次观察到了这颗行星。最初，它被看做一颗新的彗星。但是，没有人能发现它的彗发和彗尾，这时天文学家们才意识到，这是一颗新的大行星。为了获得皇家天文学家的职位，赫歇尔将新行星命名为他未来的赞助人——英王乔治三世。然而，「乔治星」的名字最终没能在其他国家得以沿用。几经博弈后，天文学家们赞同用「Uranus」——希腊神话中的天空之神为其命名。有趣的是，占星学界也很快接受了这一颗新行星，将其纳入到自己的理论体系中，并采用 ♅ 作为它的符号——仿佛是圆形的球体上托起赫歇尔的首字母 H。

海王星的发现稍晚于天王星。如果说前者的发现归功于威廉·赫歇尔精湛的望远镜制造技艺，海王星的发现则要归功于法国天文学家勒维耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）杰出的数学能力。在发现天王星后，一些数学家和天文学家意识到天王星的轨道似乎受到了另一颗大行星的扰动。勒维耶通过计算得出了这个可能存在的天体的大小、轨道和应该出现的位置。经过再三请求，柏林天文台在他预测的位置发现了这个大行星。勒维耶根据其他行星命名的惯例，用海洋之神 Neptune 的名字将其命名为海王星。

水星、金星、地球和火星一般被称为类地行星。顾名思义，这类行星像地球一样，有坚实的表面和以铁构成的核心。而木星、土星、海王星和天王星体积巨大富含气体，在过去，人们曾笼统地将这四颗行星称作类木行星。然而现在我们已知这些行星可以分为两类：木星和土星这样主要成分是氢氦元素的「气态巨行星」；海王星、天王星这样主要由冰冻的水、氨与甲烷构成的「冰巨星」。

这八大行星是太阳系成员中的巨头。而太阳的全体臣民远不止这些。太阳系最多的天体大概就是小行星（asteroid），大多分布在火星和木星之间，数量以百万计。

为什么众多的小行星分布在小行星带？威廉·赫歇尔和其后的一些科学家曾猜测是太阳系内的一次撞击事件击碎了原本在那里的太阳系第五行星。但近年来，研究发现小行星带所有的质量加起来也只有月球的百分之几。计算机模拟显示，木星和土星的存在使得这里无法形成一颗大行星。

小行星在人类社会的知名度很高，它是唯一可以由发现者享有命名权的自然天体，所以也就出现了姚贝娜星、徐克星以及南京大学星等。但更重要的是，小行星的存在对地球上生命的演化起了决定性的作用：如果不是 6500 万年前的小行星撞击事件，地球可能仍然是恐龙的天下。一般认为，灭绝级小行星撞击地球的频率小于 1 亿年。在未来，小行星可能再次扮演杀手角色导致人类灭绝。要知道，造成当年大灭绝事件的小行星直径可能只有 10 公里。而即使一个直径几十米的小天体撞击地球，也足以让一座现代化城市毁于一旦。虽然现在各国宇航局已经致力于监测轨道可能和地球相遇的小行星，但考虑到小行星的存在数目，目前的监测还远远没有达到令人放心的地步。

彗星同样是太阳系内声名远扬的天体，在历史上却向来是坏运气的代名词。在中国，彗星的出现被认为伴随着战乱。甚至到二十世纪初，人类还是会因为哈雷彗星的彗尾扫过地球而感到恐慌。在电影《彗星到来的那一夜》中，彗星甚至扮演了连接平行世界的角色。但其实彗星本身并不神秘，其主要成分为冰（包括水冰和冻结的气体）和尘埃，天文学家往往用「脏雪球」形容它们。当地球运行过彗星的轨道，从彗星主体上解离下来的碎片穿过大气层便形成了流星雨。

矮行星是另一类有趣的天体。这与冥王星被踢出太阳系颇有渊源。1930 年，人们发现了冥王星，并长期认为它是太阳系外围疆域的守卫者。但从上世纪九十年代起，天文学家就不断地发现冥王星外的天体。直到 2005 年 Eris 的出现，成了压倒冥王星地位的最后一根稻草。2006 年的天文学年会上，天文学家们通过投票的方式为行星颁布了新的定义，规定一个绕太阳运动的天体必须质量大到可以清除轨道上的其他天体才能被称作行星，而冥王星只比它的卫星稍大一点点。天文学家为冥王星这样的天体开辟了一个新的小众分类——矮行星。

那么，太阳系的疆域到底有多大呢？

为了更好地理解，我们可以将太阳系的物理尺度缩小 10 亿倍。在这个缩小的太阳系版图里，人的大小和一个原子差不多，地球比一颗葡萄略小一些，大概有 1.3 厘米；月亮像葡萄籽一样悬挂在 30 厘米之外；太阳是一个直径 1.5 米的火球，离地球 150 米远，步行只需一分钟。从地球步行前往太阳，途中你会经过和地球差不多大小的金星，以及比月球略大一些的水星。坐一站公交车（约 800 米距离）你会看到像柚子大小的木星，再坐一站就到了土星（和苹果差不多大）。天王星和海王星，分别距离太阳 4 站和 6 站公共汽车车程，其大小和柠檬差不多。海王星外是由小天体构成的柯伊伯带，更往外是奥尔特云。抵达奥尔特云的边界需要航行 10000 公里，差不多需要坐飞机飞行 10 小时。而距离太阳最近的比邻星，需要乘飞机 40 小时才能到达（40000 公里外）。

（图 1.1 太阳系的疆域）

1.2 银河系的尺度

哥白尼通过行星的运动，确定了太阳系的中心是太阳而不是地球。但凭借那个时代的天文学观测，他没有办法确定太阳是否是宇宙的中心。望远镜的发明才使得人类终于将智识延伸出太阳系的疆域。

第一个认真致力于研究银河系形态大小的天文学家是我们在上一节提到的威廉·赫歇尔(William Herschel)。赫歇尔出生于德国汉堡的一个音乐家庭，作为一位优秀的管风琴和双簧管演奏家，曾获得了来自 Bath 的乐团 Octagon Chapel 的邀请，成为其常任的管风琴手。

得益于音乐事业上的成功，赫歇尔拥有了富裕的物质生活。夏天是音乐家繁忙的季节，需要应付不同的演出，并且 Bath 访客云集。但到了冬天，这里就变得安静闲逸。赫歇尔有了充足的时间来重拾自己在天文学上的爱好。很快，仅仅阅读科技文献已不能继续满足赫歇尔的野心，他想要亲自观察书中所描述的奇妙夜空。

他需要一个望远镜。

在当时，望远镜已经可以从光学器材商店里买到，只是价格昂贵。而在 Bath 的商店里恰好就有一台。但是赫歇尔并不满足于此。他想要看到别人没有看到过的星空。于是，自己动手制作一台望远镜，成为了唯一的选择。尽管他有一些制作乐器的经历，但是制作光学望远镜是完全不同的事情，这对设计和加工精度有着极高的要求。但如有神助一般，赫歇尔建成了一系列当时世界上最大的反射望远镜。

（图 1.2 赫歇尔建造的最大望远镜）

这样的望远镜使得赫歇尔可以看到前人所未见的景象。他发现了一颗新的大行星——天王星；他和他的妹妹还有儿子建立了史上最大的、至今仍然在使用的星云团全表；他制作了一份双星全表，证明了很大比例的双星不仅仅在视觉上，而且在物理上是相联系的；他发现了红外线的存在……

1785 年，赫歇尔开始测量银河系的形状。在伽利略发现银河其实是密集恒星的集合后，人们意识到银河是一个扁平的系统，恒星密集地分布在一个盘面上。

如何确定银河盘的形状是圆还是扁？

赫歇尔设计了一个很巧妙的方法：记录在银河不同部分的恒星数目。

赫歇尔假设他的望远镜已经可以看到银河的边缘，那么在不同方向上看到的恒星数目应该正比于地球在该方向上距离银河边缘的长度。假如太阳和地球正好处在银河中心，那么在沿着银河的各个方向看到的恒星数目应该都差不多。据他的观测显示，银河的形状是一个椭圆，太阳系并不在银河系中心，但是却也距中心不远。

（图 1.3 赫歇尔的银河系。）

在其后的一百多年里，天文学家一直用同样的办法测量银河系的形态。1922 年，荷兰天文学家雅各布斯·卡普坦进一步完善了赫歇尔的方法，利用更好的观测设备，他测定出银河系的大小是 40,000 光年；同样的，他也认为太阳在银河系中心附近。

我们今天知道，太阳系实际上在银河系的郊区，而不是中心。是什么导致这些可敬的科学家们犯了错误呢？答案是「尘埃消光」。今天的天文学家知道银河系中，尤其是银河盘面上存在着大量细小的尘埃，这些尘埃会散射远处恒星发出的光芒，使得远处的恒星看上去更红，也更暗。尘埃消光使得卡普坦大大低估了银河中心方向的恒星数目，从而得到一个偏小的银河系。

二十世纪初，美国的天文学家哈罗·沙普利(Harlow Shapley)想到了一个聪明的方法。在银河系中，存在着二百多个被称作球状星团的恒星集团。这些星团中的恒星从数万颗到数百万颗不等，沙普利认为这些球状星团应该存在于银河系的各个角落，可以作为银河系形态的参考坐标，如果能够定出每一个球状星团距离地球的位置，人们就可以知道银河系的大小和形状。

那么如何测量球状星团的距离呢？他假定这些星团和其他星团的亮度相同，并把这个亮度定义为本征亮度。另一方面，星团的观测亮度是随着距离的平方降低的。沙普利通过比较这些星团的观测亮度和本征亮度，就可以估计星团的真实距离了。从 1914 年开始，沙普利对银河系中的球状星团进行了大规模的研究。他的测量显示地球到银河中心的距离是银河半径的 2/3。而我们的银河从一端到另一端的距离达到二十万光年。

但是，现代的测量给出的银河系盘尺度大约是 10 万光年，比沙普利的估计稍小些。究其原因，沙普利也同样受困于银河系的尘埃消光。由于尘埃消光的存在，远处的球状星团看起来比实际上更加暗淡，也显得更加遥远。

1.3 银河外世界的发现

天文学家逐渐厘清银河系的疆域，虽然不同研究者分歧巨大，但有一点毋庸置疑，那就是人类当时能够确定距离的所有恒星都在银河系的疆域内。然而，这并未解决天文学家的终极追问——宇宙的边界在何处？是否有其他的恒星世界独立于银河系而存在？

回顾银河外宇宙的探索史，人们绝不会忽略掉 1920 年 4 月 26 日在华盛顿史密森孙国家自然历史博物馆举办的宇宙「大辩论」。这场辩论围绕着银河系的地位和宇宙的大小展开。辩论的一方是活跃的美国威尔逊山天文台科学家哈罗·沙普利（Harlow Shapley)，此时仍然在继续他对银河系模型的研究，他深信银河系就是整个宇宙。辩论的另一方是来自利克天文台的希伯·柯蒂斯（Heber Curtis），是一位更年长的科学家。

整场讨论的焦点在于银河系中被称作星云的奇异天体。这些天体早在十九世纪就受到威廉·赫歇尔(William Herschel)的注意。威廉·赫歇尔以及他的妹妹和他的儿子用两代人的精力在整个夜空中寻找这些天体，编制成包含 2500 个天体的《通用星云团表》。威廉·赫歇尔一度坚信星云也是和银河系一样的巨大恒星系统，只是距离我们太遥远而无法分辨。但是，他随后在一些星云中心分辨出了恒星状的点源，而星云中的云雾结构并不是恒星，这使得他放弃了自己的假设。

到了二十世纪初，人们渐渐意识到，虽然赫歇尔的星云中很多确实是银河系中恒星死亡的遗迹，但另一些星云，呈现出漩涡状的结构，它们仍然有可能是巨大的恒星系统。

1920 年的大辩论就围绕这些漩涡星云展开。

沙普利率先发言，他认为银河系就是整个宇宙，这些漩涡星云完全是由气态的星云物质组成的，它们都在银河系内。对此他提出了三个论据。

（图 1.4 十八世纪天文学家梅西耶对仙女座大星云的素描）

首先，沙普利提醒大家注意漩涡星云在天空中的分布情况。如果漩涡星云和银河系是同等地位的星系，它们应该在宇宙中均匀地分布。在当时，人们发现的漩涡星云分布向银河系的两极呈增加趋势。沙普利认为，银河系的某种性质主导了漩涡星云的分布。这样，漩涡星云理应离银河系并不太远。之后，沙普利引用了 1885 年在仙女座大星云中心爆发的一颗新星的事件。在这次著名的新星爆发事件中，被称作仙女座 S 新星的天体，亮度在短暂的时间里竟然可以与整个星系的亮度相匹敌。沙普利指出，如果认为仙女座大星云是恒星的集合体，那么为何一颗新星的亮度可以和千亿颗恒星的亮度相比？这样的产能率是不可想象的，甚至是荒谬的。所以他认为只有一种可能，即仙女座大星云中并没有太多的恒星，甚至根本没有恒星，漩涡星云只是由所谓的星云物质组成的。最后，沙普利引用了自己的好友，著名的观测天文学家 Adriaan van Maanen 对漩涡星云旋臂旋转速度的观测。沙普利指出，假设漩涡星云和银河系有相同的大小，我们可以估计得到漩涡星云的距离。如果漩涡星云具有观测到的旋转角速度，那么考虑到漩涡星云的巨大距离，它真实的旋转速度将是不可思议的大，以至于星云自身会因为这种旋转而解体。因此，他认为，漩涡星云并没有离我们太远，也并不是很大。

而柯蒂斯反驳了沙普利的观点。首先他指出沙普利对球状星团的测距存在很大的不确定性。在他看来，银河系的大小只有 30000 光年（小了，但也不是太过分）。其次，他认为，漩涡星云的分布特点很可能是由于星际尘埃造成的选择效应；因为银河盘面附近星际尘埃吸收散射了原处漩涡星系的光，使得它们变得很难观测到。（这一观点是正确的，今天被证实了）。

至于仙女座 S 新星，柯蒂斯在理论上讨论了并不能排除一类特殊新星可能达到超乎常人想象的亮度（也是正确的，仙女座大星云 S 新星事实上是一颗超新星，当时的人们还不知道）。柯蒂斯对漩涡星云的光谱观测使得他相信，漩涡星云更像是恒星的集合。

有意思的是，在离开华盛顿的时候，柯蒂斯和沙普利都认为自己赢得了辩论的胜利。但是沙普利和柯蒂斯都不会预料到，不久之后，银河系的地位问题将被一个叫埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的年轻人解决。

1920 年，埃德温·哈勃（Edwin Powell Hubble）是威尔逊山天文台的年轻天文学家。大辩论之后，沙普利赢得了哈佛天文台台长的职务，同时他离开了威尔逊山的 2.5 米望远镜，而哈勃则成为了威尔逊山天文台星云研究的旗手人物。哈勃早已经敏锐地意识到，解决大辩论争议的关键是如何定出所谓「旋涡星云」的位置。而研究的工具事实上已经被沙普利指明了，那就是去寻找旋涡星云中的造父变星，解决世纪争论的只是时间问题。

1923 年，在沙普利仍在和各路人马论战的时候，哈勃观测到了仙女座大星云旋臂上的一颗亮星。一开始，哈勃认为这是一颗新星，但很快的他意识到这就是他长久以来等待的造父变星。利用造父变星的周期——光度关系，哈勃测得仙女座大星云距离地球 100 万光年，这个距离是沙普利银河系模型大小的 3 倍。

哈勃第一个写信通知沙普利，这对他犹如晴天霹雳，击破他宇宙模型的利器正是他自己发展出的武器。在相当一段时间内，沙普利都希望是哈勃犯下了低级错误，但更多的变星在其他的旋涡星云中被发现。最终，星云被证实是和银河系一样巨大的恒星系统，而且数目巨大。

1.4 哈勃定律和膨胀的宇宙

到 1929 年，哈勃和他的助手已经对几十个星系测定了距离。同时，通过观察这些星系的光谱，哈勃惊奇地发现，距离地球越远的星系，正在以越大的速度离我们而去。（星系的距离和速度可以用一个简单的线性关系拟合。这就是著名的哈勃定律。）

为什么会有这样的现象，难道银河系是一个被其他所有星系厌恶的地方，导致所有的星系都在逃离银河系？事实上，一个听起来似乎荒诞的理论，可以更加自然地解释这一观测现象——那就是宇宙空间在膨胀。在牛顿力学绝对坐标体系下，空间的膨胀是无从解释的。但进入二十世纪，爱因斯坦提出了广义相对论。根据广义相对论，空间和物质是相互联系的，空间决定物质如何运动，而物质决定空间如何扭曲。

科学家喜欢用烤面包来比喻宇宙空间的膨胀。我们可以把一块正在烘烤中慢慢膨胀的葡萄干面包看做宇宙空间，把面包中的葡萄干看做星系。葡萄干本身结构很致密，不会随着面包的膨胀而变形。但是由于面包整体长大了，葡萄干相互之间的距离也会慢慢变大。任意两个葡萄干，它们离对方而去的速度正比于它们之间的距离。

（图 1.5 烘焙膨胀的葡萄干面包，左边的面包膨胀后变成了图中右边面包的样子，面包上的两个葡萄干相距越远，在膨胀中远离对方的速度也就越快）

事实上，早在 1917 年，爱因斯坦自己就将相对论理论试用于研究宇宙的动力学行为。他发现，如果假设宇宙中的物质在大尺度上均匀分布（后来被称作宇宙学原理，但那时候观测还远不支持这个猜测，但是爱因斯坦不在乎），那么根据广义相对论，宇宙空间不能够静态稳定，除非人们在方程中引入一个常数因子。这个常数因子后来被人们称为宇宙学常数。但是在几年后，俄国科学家亚历山大·弗里德曼（Friedmann）利用相对论进一步研究了宇宙的动力学行为，他发现很小的扰动就可以使得宇宙偏离稳定状态，对于一个物质均匀各向同性分布的宇宙，膨胀是一个更自然的状态。

有趣的是弗里德曼本职并不是物理学家，而是数学家。他的主要工作是将流体和气体动力学应用到气象学。但是当广义相对论传入苏联后，他很快将之应用于宇宙学领域。弗里德曼关于宇宙膨胀的结论在 1927 年被 Lemaitre 再次独立推导得到。开始爱因斯坦本人并不相信弗里德曼的理论，因为膨胀的宇宙对于他来说太奇怪了。但很快,哈勃定律的发现从观测上为膨胀宇宙提供了证据。膨胀宇宙模型开始流行起来，今天，科学家将膨胀的宇宙称为弗里德曼宇宙。

膨胀的宇宙意味着什么？聪明的读者也许已经想到了。它意味着今天可观测宇宙的年龄是有限的，如果将时间倒流，在诞生的初期，宇宙处于高温、高密度的状态，在那样极端的状态下，不但星系、恒星，连原子、质子甚至更基本的粒子都无法存在。

今天宇宙中跨越几十个量级，各种丰富的结构，都是随着宇宙膨胀、温度降低才演化出来的。这样的演化图景被弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）称作「大爆炸宇宙学（The big bang theory）」。

1.5 宇宙的热历史

按照科学家今天的能力，对宇宙历史回溯是无法达到源头的。因为当宇宙温度达到普朗克温度——大概是1032 度，这个时刻被认为是经典宇宙的开始，也就是研究者所讲的宇宙大爆炸的开端——宇宙是一锅能量汤，不要说原子、分子，连已知最基础的粒子夸克也不能存在。今天我们看到的宇宙中一切的结构，都是宇宙演化的产物。

在大爆炸之后，宇宙空间迅速膨胀，物质密度迅速下降，温度也迅速下降。到宇宙诞生后零点几秒的时候，宇宙温度已经降到了 10Mev 以下（差不多几百亿度量级），质子和中子就开始形成了。所谓氢原子核，其实就是质子。从这个意义上讲，最轻的原子核已经诞生。最开始的时候，质子和中子是可以互相转化的，但是随着温度进一步降低，到 1 秒钟以后，质子和中子的数量比就冻结了，比例是 7：1，质子多，中子少。中子这个东西很麻烦，你放着它不管，它大概 10 分多钟就衰变了，除非你把它结合到原子核里。那么什么时候它可以到原子核里呢？这必须要宇宙温度下降到 10 亿度以下，一个质子和一个中子可以形成氢的同位素——氘。这个时候宇宙的年龄是 100 多秒，比中子的半衰期短得多，所以中子都保全下来了。

氘在核反应链条上是一个中间产物，大量的氘通过不同路径最终形成了氦。到宇宙年龄 3 分钟的时候，几乎所有的中子都到了氦里面。如果记得我们刚才说过宇宙质子和中子的比例是 7：1，那么很容易可以推算出这个时候氢和氦的质量比例是 3：1，也就是宇宙中 75% 是氢，25% 是氦。核反应再往下进行就很麻烦了，因为自然界没有原子量是 5 和 8 的稳定原子。原子量是 6 的稳定原子有一个是锂的同位素，原子量为 6 的锂(6Li)，但是形成 6Li 的反应截面很小。所以下一个能够形成的原子实际上是 7Li。但等 7Li 可以开始形成的时候，宇宙已经非常冷，密度也比较低了，核聚变很难继续进行。所以大爆炸核合成过程最后只形成了非常少量的 7Li。

到宇宙年龄 1 小时的时候，核合成已经完全停止，宇宙中的元素丰度仍然是 75% 的氢，25% 的氦，以及极为少量的锂。更重的元素都是在恒星演化中形成的。

在宇宙诞生一小时以后，原子核形成了。但这个时候，电子的能量还很高，不能和原子核结合形成原子。随着宇宙进一步冷却，到诞生后 37 万年的时候，宇宙温度终于降到了原子形成的温度。所有的电子一下子被原子核俘获了，这个过程被称作「电子复合」。在电子被原子核俘获前，它们可以自由地散射光子，这使得宇宙中所有的光子都走不远，在前进很短的距离后就会被电子散射，偏离航向。直到电子被原子核俘获后，光子才能自由地在宇宙中直线穿行。观测者是通过光子观察宇宙的，这也就是说，在电子复合之前，宇宙是不透明的，在电子复合之后，宇宙才变得透明起来。这个时刻被称作「最后散射时刻」。今天地球上的观测者是通过光线来了解宇宙的；宇宙越远处发出的光线，到达地球的时间也越长。人类看到的远处天体实际上是它过去的样子。理论上我们能够看到的最远处，它发出的光走到地球刚好过去了整个宇宙时间，也就是 137 亿年。但在电子复合之前，宇宙是不透明的，所以「最后散射时刻」发出的光子，实际上成为了我们能够观测到的最远的光子。由于宇宙膨胀，这些光子在传播过程中波长会变得更长，当它们到达地球时，已经变成了微波波段的电磁波。今天我们可以观察到这些光子，它们就是大名鼎鼎的「微波背景辐射」。它们来自宇宙诞生后 37 万年，发出这些光子的地方今天距离我们 470 亿光年。这也就是可观测宇宙的大小。

当宇宙进一步冷却，宇宙中的物质会因为相互之间的引力慢慢聚集成一个个的团块。在这些团块的中心，温度、密度会再一次增大，最后形成宇宙中的第一代恒星。这大概已经到了宇宙诞生后大概 10 亿年。

（图 1.6 宇宙的历史，最左边是宇宙大爆炸的开端）

1.6 有限还是无限

对大爆炸宇宙学的一个常见误解是认为宇宙中所有的物质都来自于一个无穷小的点。换句话说，如果今天的宇宙是无限的，那么即使回退到宇宙初始时刻，宇宙也仍然是无限的。

那么今天的宇宙究竟是有限还是无限呢？在爱因斯坦引力论的框架下，这是一个几何问题，取决于三维空间的弯曲程度。为了简单起见，让我们降低一个维度，考虑二维的情形。

二维的空间也就是曲面。如果曲面的弯曲处处都是正向的，或者用数学的语言说，曲率是正的，那么这个曲面的面积是有限的。球面是一个无界有限的曲面。一只生活在球面上的蚂蚁，一直向前爬，最后还能回到自己出发的地方。如果曲面没有弯曲，那么它就是平面。平面的面积是无穷的，蚂蚁在平面上一直向前，永远也到不了出发的地方。

那么曲面处处反向弯曲是什么样的呢？这种曲面的形状有点像马鞍形（图 1.7 中间的情况）。

现在让我们回到宇宙的情况。我们可以把曲面称作二维的空间，同样的我们可以把空间看做三维的曲面。如果宇宙曲率处处为正，宇宙就是一个闭合的三维曲面，在其他情况下，宇宙空间都是无限的。

宇宙中包含的物质密度决定了宇宙空间的弯曲。宇宙理论可以计算出一个临界密度。这个密度有多大呢？换算成我们熟悉的尺度，大概是每立方米里面有几个氢原子。

只有当宇宙密度等于这个临界密度的时候，宇宙空间才是平坦的。当宇宙密度大于临界密度，宇宙空间是正向弯曲且有限的。在这种情况下，宇宙的膨胀会越来越慢，最终变成收缩。而当宇宙密度等于或小于临界密度（平坦或反向弯曲），宇宙都是无限的，并且会无限膨胀下去。

（图 1.7，正向弯曲（上）、反向弯曲（中）、平坦（下），三种不同的宇宙）

我们生活的宇宙到底是有限还是无限呢？很遗憾，我们还不清楚，因为我们的宇宙密度非常接近临界密度。Planck 卫星观测显示，宇宙在千分之六的精度是平坦的。它要么是差点有限，要么是差点无限。

为什么会这样？现代宇宙学家认为原因是宇宙早期的暴涨。在宇宙的极早期存在一个宇宙急速膨胀的时期，被称作暴涨时期。暴涨期的持续时间非常短（可能只有 10⁻³⁰ 秒）, 但是在这个时间里宇宙增长了 10²⁶ 倍。随后宇宙膨胀的速度开始下降。今天宇宙空间的膨胀速率只有在天文学尺度上才能察觉到：一百万光年的空间，每秒钟只膨胀 20 多公里。

暴涨理论产生了两个很自然的结论：

宇宙是均匀且各项同性的，不存在任何特殊方向或者特殊位置。

宇宙空间是接近平坦的。

为什么会这样呢？举一个不太准确但形象的例子。假设宇宙是一个气球，在暴涨过程中，这个气球被瞬间吹大 10²⁶ 倍。结果是气球上的任何瑕疵，都被抹得很平了，站在气球的任何一个地方都好像站在平地上。

1.7 可观测宇宙

在本章的最后，让我们来探讨一下可观测宇宙大小的问题。

我们要再次强调一个物理学中最基本的结论即光速是恒定的，且是信息传递的快速度。我们在以后的章节中会看到，这个定律是人类星际旅行的最大障碍。在这里，我们只考虑它对于天文观测的影响。

光速有限意味着我们永远不能「实时」观察到宇宙另一处发生的事情。如果一个天体距离我们一光年，我们永远只能看到它一年前的情景。换个角度说，当我们看向宇宙的深处，事实上我们也同时看向宇宙的过去。

而在大爆炸宇宙的框架下，尽管宇宙近乎无限，但可观测的宇宙却是有限的。根据今天测量的宇宙模型参数，宇宙的年龄大约是 137 亿年。换句话说，望远镜接收到的光，最早来自于 137 亿年前。如果有一束光在 137 亿年间完全不受阻挡，沿着空间中的「直线」传播，今天来到我们面前，它就携带着我们所能得到的最远的信息。如果考虑到宇宙膨胀，这束光发出的地方已经离我们 470 亿光年。也就是说，可观测宇宙的极限，按照今天的宇宙尺度计是 470 亿光年。

我们上面假设光的路线完全没有受到阻挡，但在宇宙的早期，宇宙处于高温、高密度状态，大量的自由电子会散射光子，使得光线传播并不有效，并且光线携带的信息在散射过程中也会很快丧失。到宇宙诞生 40 万年后，由于宇宙温度下降，自由电子被原子核俘获，宇宙空间才透明起来。因此，我们能通过光线看到的宇宙，要比 470 亿光年稍微小一些。我们能看到的最早的宇宙，来自宇宙诞生后的 40 万年。

考虑到我们今天在宇宙中所处的位置并没有什么特别，我们应该从各个方向都能够测量到这些来自宇宙早期的光线。这些光今天被称作宇宙微波背景辐射，光子的能量主要处于微波波段（就差不多是微波炉热饭的波段）。这些光子中携带了宇宙平坦程度，宇宙物质密度，暗物质，暗能量总量的信息，是今天宇宙学观测的最重要对象。

（图 1.8 1964 年人类第一次观测到宇宙微波背景辐射所用的望远镜，贝尔实验室的科学家 Penzias 和 Wilson 因此获得 1978 年诺贝尔物理学奖）

既然我们几乎已经看见了宇宙的尽头，那么是不是宇宙中一切的天体我们都找到了呢。答案是否定的。因为如果天体太暗了，我们就看不见了嘛。此外，如果天体太暗，拍不出有用的光谱，我们即使看到了它，也没法知道它的距离。到 2013 年末，经过确认的最远星系是哈勃望远镜 CANDELS 巡天中找到，通过地面的 10 米 Keck 望远镜光谱确认的星系 z8_GND_5296，它的红移是 7.51，距离我们大约是 290 亿光年，对应宇宙大爆炸后 7 亿年。

（图 1.9 哈勃望远镜照片，绿框中是放大后的 z8_GND_5296，它距离我们 290 亿光年）

那么一个普通民用的望远镜能够看到多远呢？在远离城市的郊区，无月的晴朗暗夜里，用一般的 10 厘米级望远镜可以轻松看到梅西耶星表中所有的天体。这里面最远的星系之一 M58, 距离地球约 6800 万光年。

（图 1.10 空间望远镜拍摄到的 M58 星系，普通爱好者可以通过 10 厘米口径的望远镜看到它，但是在这样的望远镜中肉眼观测，只能看到一小块白色光斑）

第二章 黑暗的世界

2.1 暗物质的发现 

1933 年，加州理工大学的瑞士天文学家弗里茨·兹威基（FritzZwicky）在研究星系团时发现了奇怪的现象:星系相互之间的速度似乎太快了。

星系团是星系的集合体，可以包含数百个明亮的星系，这些星系由共同的引力场束缚。兹威基研究的星系团被称作「后发星系团（ComaCluster，图 2.1）」，距离银河系 3 亿光年。

兹威基的同事辛克莱·史密斯（SinclairSmith）用当时世界上最好的望远镜收集了星系团中成员星系的速度。

如果星系团是稳定的系统，那么星系团中星系的速度就不能太大。如果某一个星系的运动速度远远超出了星系团引力所能束缚的范围，那么它就会在很短的时间里逃逸到星系团外。

这和火箭超过第二宇宙速度后，就会逃离地球的引力束缚是一个道理。反过来说，如果天文学家测量星系的运动速度，他们就能推断星系团的总质量，这就好像我们知道太阳系里地球的轨道运动速度和轨道半径，就可以推知太阳的质量。星系的运动速度越快，说明束缚它们的引力场越强大，也就意味着星系团的总质量越大。

兹威基发现，如果星系速度的观测是正确的，那后发星系团的质量未免也太大了些，要比星系团中所有成员星系的质量多出几百倍。这意味着，星系团中大量的物质是没有被观测到的。    

兹威基一生从不缺乏命名新鲜事物的热情和天才，他很快将星系团中隐藏的质量命名为「暗物质」。但由于缺乏其他的独立观测佐证，在之后的 30 年里，暗物质的概念不时被人提起，却又没有人认真对待。    

局面在 1960 年后发生了改变，这一次的证据来自临近宇宙中的旋涡星系。

长缝光谱仪的发展使得天文学家可以获取一个星系在不同半径处的恒星绕星系中心运动的速度，也就是所谓的「星系旋转曲线」。星系中恒星的轨道运动越快，意味着它所在星系的质量越大。

美国卡内基研究所的薇拉·鲁宾（VeraRubin）和肯特·福特（KentFord）在 10 年间系统地调查了近邻星系的旋转曲线，积累了 60 多个样本。他们的研究表明，所有的旋涡星系外围的恒星似乎都转得太快了，如果星系主要的质量来自发光物质，也就是恒星，那么这些星系外围的恒星应该早已超过了逃逸速度。这些旋涡星系中至少应该包含比发光物质多 6 倍的暗物质，才能解释观测中的旋转曲线。    

星系或者星系团中存在大量不发光的物质，虽然有点困扰，但本身并没有什么了不起。我们其实早就知道宇宙有很大一部分质量实际上是很难看到的。

正如我们在上一章讨论的，宇宙中的元素中占质量 3/4 的是氢元素，1/4 是氦元素，都是宇宙大爆炸初期合成的。

天文学家喜欢用气体云来称呼宇宙中物质的弥散聚集体。宇宙中原初生成的氢、氦等物质，由于自身的引力作用，会慢慢聚集在一起形成气体云，并进一步密集，最终塌缩。当气体云中心的密度超过热核反应的临界密度时，恒星就被点亮了。

但恒星远没有用尽宇宙中的氢氦元素，星系中可能存在大量剩余的气体，也许它们的质量足以束缚星系外围的恒星，使得它们老老实实地待在星系中不会逃离。

（图 2.1 斯隆数字巡天拍摄的 Coma 星系团图片。adamblock/mountlemmonskycenter/universityofarizona  ）  

到了 20 世纪 70 年代，星系团的观测有了新的进展。

人们观测到了星系团中的热气体。这些气体的温度非常高，达到了 1000 万摄氏度，这样的热气体可以发出 X-ray 辐射。借助 X-ray 卫星观测，人们就可以估计星系团中气体的质量。通过 X-ray观测，天文学家发现星系团中热气体的质量惊人地达到了恒星质量的 5 倍。但这些新发现的气体并不能为消失的质量负全责。

事实上，热气体的发现反而加剧了质量缺失问题，因为这些气体温度太高了，如果没有强大的引力势阱束缚，这些气体自己就会在很短的时间内从星系团中逃逸殆尽。而束缚这些气体所需要的物质量，又是这些热气体质量的 10 倍左右。

2.2 引力透镜和暗物质 

那么这些看不见的物质是否可能是一些致密的小天体，比如流浪的行星或者是黑洞？

20 世纪 80 年代初，玻丹·帕琴斯基（BohdanPaczyski）和奥洛克（CharlesAlcock）各省建立了搜索银河系内「流浪致密黑暗天体（masscompacthaloobject）」的计划。他们借助的方法是引力透镜。

我自己的职业生涯到目前为止主要就是研究引力透镜造成的多姿多彩的现象，所以请允许我在这里稍微多说两句关于引力透镜的原理。

我们知道，物质的存在会使得时空弯曲。天体发出的光在弯曲的时空中旅行，行走的轨迹也会弯折。这有点像是光在经过透镜后发生偏折，所以天文上把这种现象称作引力透镜。

如果地球上的观测者和他想要观测的遥远的发光天体（比如恒星，或者星系）之间存在另一团物质，那么，观测者收集到的遥远天体的图像就会因为引力透镜现象而发生扭曲。    

引力透镜效应无处不在，但是大多数情况下，这种弯曲非常轻微，观测者看到的天体图像只是微微地受到了扭曲，比如星系的会变得更圆一些（或者更扁一些），有的星系会变得更亮一些，另一些会稍微变暗。

如果仅仅用肉眼是无法分辨这些微小的扭曲的。但这些微小的扭曲是非常有用的，如果正确地分析，我们就可以用这些图像的小扭曲，绘制出观测者和远处天体之间的物质分布情况。       

有极少数的情况，引力透镜效应非常强。例如当作为透镜的天体非常靠近观测者和远处的星系的连线时，远处星系的图像就可能会被剧烈地扭曲，有时候一个星系会产生 5 个不同的图像，有时候星系的图像还会被扭曲成环状(这就是所谓的爱因斯坦环)。    

引力透镜现象在宇宙中变化多端，有各种有趣的观测效应。帕琴斯基和奥洛克想要寻找的「微引力透镜」现象也是引力透镜效应的一种。

如果银河系内存在很多的行星大小的致密不发光天体，如果当观测者观测一颗远处的恒星时，恰好一个这样的黑暗致密天体从视线方向上穿过，它就会短暂地放大远处恒星的亮度，地球上的观测者就会看到远处的恒星的亮度发生一种短暂的变化。    

帕琴斯基和他的同事的搜索确实发现了恒星的光度跳变，但其中大多数的变化来自恒星本身的脉动，或者双星绕转，只有极少数的事件被确认是真正的引力透镜现象，而这些引力透镜现象往往是另一颗恒星造成的，并未来自真正的暗物质天体。

此外，微引力透镜事件的发生率完全不足以解释银河系内看不见的质量。这使得研究者不得不承认，如果银河系内存在暗物质，那么它并不是以一个个致密的小天体的形式存在，而是分布得更加平滑。    

星系团热气体和微引力透镜的搜寻结果暗示，暗物质很可能不是我们已经知道的任何一种物质，并不是原子、分子这些构成我们世界的普通物质，而是另一种不在粒子物理标准模型中的基本粒子，或者用物理学家的语言说「暗物质并不是重子物质」。

这样的暗物质不发出电磁波，也不和（或者说几乎不和）可见物质进行相互作用，所以我们虽然可以观察到它的引力效应，却无法通过望远镜观测到它发出的光。    

暗物质相互间只有引力相互作用，无法通过发射电磁波降低系统的能量，所以，它们会形成一个疏松而巨大的晕，包裹着普通物质构成的星系。我们前面曾经提到过银河系的尺度大约是 80 万光年，而暗物质晕延伸的范围比这大得多。    

当前宇宙学观测中有很多证据支持暗物质并不是普通物质。其中，子弹星系团（bulletcluster）的引力透镜观测是一个最直接的证据。

子弹星系团是两个正在相撞中的星系团。星系团中包含着星系、热气体和暗物质。天文学家可以用引力透镜方法绘制暗物质的空间分布，也可以用 X-ray 卫星观测热气体的空间分布。当两个星系团相撞的时候，一个星系团像子弹一样打入了另一个星系团中。

天文学家发现，在碰撞后，暗物质的位置要比热气体超前了不少。这是因为在星系的碰撞过程中，热气体会因为相互间的压力而减慢速度，但是，由于暗物质不与普通物质发生相互作用，所以以更快的速度穿过了彼此。       

（图 2.2 暗晕和星系团关系示意图。一个星系团中可以包含上百个星系，其中最大的一个被称作中心星系，位于暗晕的中心，其他的星系被称作卫星星系，环绕暗晕中心运动。每一个卫星星系都包裹在一个较小的暗晕中。整个星系团系统被一个巨大的暗晕包裹）   

2.3 暗物质和宇宙的结构  

暗物质是什么样的粒子呢?    

在 20 世纪 70 年代暗物质存在被肯定的时候，科学家们一度认为中微子就是暗物质的真身。因为在大统一理论建立后，物理学家们意识到，理论上中微子可以具有质量。

而 20 世纪 70 年代末的实验测量更是显示中微子质量可能在 30eV ¹左右（中微子的这个质量测量在现在看来显然是不准确的，远远高估了中微子的质量）。如果中微子数密度足够大，就可以作为一种暗物质的候选者。

理论上，中微子这种质量很小的粒子，在宇宙早期具有极高的动能，因此被称作「热暗物质」。但与此相对，理论学家也提出数种「冷暗物质」的候选者。相比热暗物质，冷暗物质粒子的质量要大得多，在宇宙早期的速度非常低。

如何区分这两种不同的暗物质模型?    

研究者需要到宇宙的结构中去寻找答案。我们在上一章提到过，在宇宙大爆炸刚开始时，宇宙处于高温高热的状态，物质密度处处相等，只存在微小的起伏。

随着宇宙膨胀，温度降低，物质之间的引力开始推动宇宙中的结构形成。暗物质的总质量是普通物质的数倍，这些隐藏的质量实际上主导了宇宙中的结构形成。    

那么，热暗物质宇宙中的结构形成是什么样的呢?    

苏联天体物理学家雅可夫·泽尔多维奇（YakovBorisovichZel’dovich，也是俄罗斯原子弹之父）指出，在热暗物质主导的宇宙中，热暗物质的动能可以在小尺度上抵抗引力的压迫。在这样的宇宙中，首先形成的是巨大的薄饼状结构，之后「薄饼」会沿一个方向塌缩，变成巨大的丝状结构。这些巨大的结构由于引力的不稳定性，会从内部碎裂成更小尺度的结构。

相对地，在冷暗物质主导的宇宙中，首先形成的是小质量的团块。不同的团块通过合并长大。这种结构形成模式被称作「等级成团」，和热暗物质自上而下的碎裂式结构形成截然不同。    

宇宙的大尺度结构究竟是什么样子的?    

这需要通过观测来证实。

1977 年，哈佛-史密松森天文中心的年轻科学家马克·戴维斯（MarcDavis）和他的三位同事开展了一项伟大的星系观测计划，称为 CFA 巡天计划。

这个项目对整个天空 2400 个星系的红移进行了精确测量。第一期巡天在 1982 年完成，观测到的星系中最暗的比人类肉眼极限还要暗上两步千多倍。将这些星系画在一张图上，人们可以粗略地画出宇宙的一个切片的三维地图。这个切片的纵深将达到前所未有的 200 兆秒差距，或者说是 6 亿光年的距离。海量的图像对天文学家来说是一笔巨大的财富。戴维斯说：「CFA 巡天带来了人类历史上前所未有的图像。」    

在以往的研究中，因为不知道星系的距离，人们习惯将观测到的星系位置画在二维的天球坐标系中。也就是说，人们看到的是星系在垂直视线的表面上的投影。在这样的图中，星系分布看起来没有什么特别的规律，而这和当时的天文理论并无冲突。    

CFA 巡天带来了新的可能性。哈佛-史密松森天文中心的科学家的玛格丽特·盖勒（MargaretGeller）和她的两位同事采取了新的绘图方法。

她们增加了距离这一新的维度，立体地呈现了星系在一个 6 度厚、跨度 130 度的宇宙切片中的分布。

在这张粗糙的宇宙地图上，星系并不是均匀分布的，而是很明显地聚集在巨大的纤维结构上，而纤维结构又似乎附着在巨大的泡状空洞结构上。盖勒和她的同事们很清楚如何令人印象深刻，她们甚至制作了一部一分钟电影。电影用立体效果显示了星系在宇宙中的分布。她们让这个小小的宇宙切片缓慢地沿某个轴转动，观众似乎是在世界的边缘向里看，巨大的「泡泡」和纤维结构令他们屏住呼吸、激动不已。    

巨大的「长城」是否宣告了「热暗物质」的胜利?

很多科学家已经这么认为了，只是需要证据支持。然而「长城」和「空洞」这样的复杂结构的性质难以通过传统的解析方法精确计算和描述。

戴维斯和他的合作者西蒙·怀特（SimonWhite）以及卡洛斯·弗兰克（CarlosFrenk）打算利用计算机来解决问题。他们采用了一种被称作「N 体数值模拟」的数值计算方法，顾名思义，N 体数值模拟跟踪一大群虚拟粒子随时间的演化，每个虚拟粒子代表宇宙中的一团物质，粒子相互间由引力作用联系。

在计算开始的时候，粒子近乎均匀地分部在虚拟空间的各处，随着时间的演化，在引力的拉扯中聚集成结构。这类似于在计算机里建立一个小宇宙。如果采用了正确的模型，当计算结束的时候，虚拟粒子空间结构应该能很好地和真实宇宙的结构对应。    

即使使用计算机，N 体数值模拟依然是非常复杂的课题。戴维斯等人很长一段时间无法写出能够完美运算的程序，正当三个天文学家头痛的时候，转机突现。

戴维斯和怀特认识的一位英国理论物理学家——乔治·埃弗斯塔修（GeorgeEfstathiou）改造了用于凝聚态物理的计算机程序，使其可以用于解决引力作用下的 N 体演化问题。经过沟通，四位科学家决定用这套程序来解决宇宙结构形成问题。    

在这个特殊的时间点，热暗物质（或者中微子）看上去太像是一切问题的答案，然而结果却出乎科学家们意料。    

「长城」和「空洞」状的结构确实形成了，但在这个宇宙中产生了太多的大尺度结构和巨型空洞。同时，因为热暗物质的动能太高，相对小尺度的结构——星系级别的暗晕，却无法在模拟中生成。如果一定要通过调节计算参数使得星系的暗晕形成，那么虚拟的宇宙中星系的密集程度将远远超过观测所见。「也许我们应该试试冷暗物质模型，虽然也许它也无法解决问题。」卡洛斯提议。    

神奇的事情发生了，在计算机模拟的冷暗物质宇宙中，星系尺度的暗物质晕率先形成，星系团级别的暗晕、「空洞」「长城」也都随着时间演化显现出来。这一次，科学家找到了正确的道路。在假设宇宙空间平坦的数值模拟中，计算出的大尺度结构看起来和星系巡天观测十分相似。    

数值模拟的结果发表在 1983 年到 1988 年的一系列文章中。DEFW（上述四位科学家的名字首字母缩写）四人组干脆利落地解决了冷暗物质与热暗物质之争论，展示了在暗物质主导下的结构形成图景。

在此之后，计算机 N 体数值模拟成了研究宇宙演化问题的标准理论工具。因为对宇宙结构演化理论的巨大贡献，DEFW 四人组平分了 2011 年度的 Gruber 宇宙学奖（50 万美元）。

2.4 宇宙中的小结构

新的问题仍然在不断浮现。

例如，根据银河系的动力学观测，天文学家们推算，银河系所在的暗晕大约是 10,000 亿太阳质量。1993 年考夫曼等人详细研究了星系的形成历史，发现在这样的暗晕（其中包含银河系这样大的星系）中，应该至少存在 100 个质量大于 100 万太阳质量的卫星星系。可实际上，我们却只在银河系中观测到了十多个这样的卫星星系。

在随后的一系列研究中，科学家们都得到了类似的结论。1999 年，美国新墨西哥大学的阿纳托利·科里平（AnatolyKlypin）更是直接在文章标题中诘问「丢失的星系到哪儿去了?」这样的诘问中隐含着潜台词：大多数科学家相信冷暗物质模型并没有错误，问题在于我们对星系形成过程不够了解。

暗物质的结构形成仅仅由引力相互作用推动，比较容易用计算机数值模拟研究。但星系形成过程比暗物质晕的形成过程复杂得多，包含恒星形成、气体冷却、超新星爆发、星系中心超级黑洞吸积物质反馈等一系列物理机制。

这些过程很难在数值模拟中精确计算。科学家目前仍只能用一些经验规律，或者引入简单的假设来计算这些过程的影响。而这些气体物理过程对于子暗晕结构和卫星星系形成的影响也并未完全被搞清楚。    

例如宇宙紫外背景光子的存在可能会使得小暗晕中的恒星形成被抑制。另外，超新星爆发则可能会把相当质量的气体推出暗晕的核心区域，从而使得暗晕的物质分布发生改变，变得更容易被潮汐作用打散。种种的物理机制都可能是造成「星系丢失」的真正原因。    

而且，也有少数人怀疑，也许宇宙中确实没有形成那些小暗晕。冷暗物质最主要的候选者被称作「弱相互作用大质量粒子（WImP）」，原则上，这样的粒子会和普通物质有极其微弱的碰撞。

高能物理学家建造了很多大型的探测器来探寻这样的粒子，这些暗物质探测器通常采用液态惰性元素作为探测核心。如果暗物质粒子和惰性元素发生碰撞，就会使后者高速反冲，发出辉光。探测器收集这些光子，就可以推断暗物质粒子的质量。这种碰撞的预期概率非常低，如果探测器建在地面，探测器就会严重受到宇宙线中高能粒子的影响，所以科学家们把探测器深埋在地下，让大地挡住高能宇宙线的千军万马，以便提高探测器的灵敏度。然而，直到目前为止，人们还没有发现任何 WImP 粒子的迹象。    

目前，直接的探测结果还远不足以排除冷暗物质模型。但部分科学家开始思考，是否暗物质有其他的可能性。

理论上，有一些暗物质粒子的候选者——比如惰性中微子，可能具有不那么「冷」的特性。这样的暗物质粒子在宇宙早期具有一定的动能，抑制小质量暗晕的形成，但又不至于破坏星系形成的大图像。这样的暗物质被称作「温暗物质」。

温暗物质宇宙中的结构形成，在大尺度上和冷暗物质宇宙并无明显差异，但在小尺度上却能自然地解释很多观测现象。例如，温暗物质宇宙中形成的小质量子结构数目会明显少于冷暗物质宇宙，这也可能是「丢失星系问题」的真正答案。    

冷暗物质和温暗物质，究竟是哪一种构成了我们的宇宙？要回答这个问题，天文学家需要真正去探测、确定小质量的暗物质晕。

我和卡洛斯·弗兰克、肖恩·科尔（ShaunCole）、高亮、王乔等人于 2015 年也曾提出一个区分冷暗物质和温暗物质的方法。

我们希望利用引力透镜观测来解决问题。如果小暗晕存在，它们会造成爱因斯坦环图像的扭曲，如果研究者收集足够多的高分辨率的爱因斯坦环图像，就可能找到足够数目的小暗晕。

我们发现，测定的关键是要探测 1000 万太阳质量的暗晕，这个数目大概是银河系暗晕质量的十万分之一。如果能够找到足够多这样的暗晕，最有希望的一些温暗物质模型的生存空间将会变得极为狭窄，反之，冷暗物质模型就面临被排除的危险。利用 VLBI 射电干涉阵列，在未来的几年内，引力透镜专家们将具备探测这些小质量暗晕的能力。    

无论如何，天文学家们正走在解开暗物质谜团的路上。在 2016 年年初举办的「暗物质最小尺度问题」研讨会上，卡洛斯说：「现在我们需要解决的问题已经很清晰，我将为第一个找到并测定 1000 万个太阳质量暗晕的人买一瓶红酒。」 

（图 2.3 冷暗物质宇宙（左）和温暗物质宇宙（右）数值模拟中形成的暗晕。可以看到温暗物质数值模拟中小的暗物质团块的数目明显减少。boseetal.2016,mnras,455,318）

第三章 探索太阳系

3.1 太阳系的形成

太阳系何时诞生？

恒星演化理论告诉我们大约是在 47 亿年以前，这和太阳系内最老的岩石年龄相同。和其他恒星一样，太阳形成在银河系的气体云中。

这些气体云主要的成分都是宇宙大爆炸核合成时形成的，也就是说有四分之三的质量都由氢元素构成，剩下的四分之一主要是氦元素。但太阳已经不是宇宙中第一代恒星，所以形成太阳的气体云中还含有极少量的重元素。由于气体云的主要成分是氢，而大量氢元素以氢分子的形式存在，因此人们也把这些气体云团称作氢分子云。氢分子云团会因为自身的引力作用坍缩，附近的超新星爆发带来的冲击波可能会引发塌缩的过程。气体云在塌缩前往往有一些旋转。因为角动量守恒，气体云在塌缩的过程中会旋转得越来越快。由于其旋转离心力可以抵御一部分的重力，这使得气体云在垂直旋转面的方向率先坍塌，形成一个盘状结构。在气体盘的中心，会形成一个高温且大质量的核球——被称作「原恒星」。原恒星的引力会使得物质进一步的向中心坍塌，它核心的温度和压力会变得越来越高。最终，高温高压的核心发生氢的核聚变。核聚变会产生巨大的热量，不但足以抵御物质的进一步塌缩，还会产生高能的太阳风，横扫整个气体盘，将物质向外推出，而留在气体盘中心的，是一颗稳定的火球，这就是太阳。

太阳的质量占据了整个太阳系质量的 99.8% 以上，但剩下的残余物质仍然足以形成行星。

最初，这些颗粒非常细小，主要通过碰撞的方式和其他的颗粒融合，电磁相互作用是粘合这些小颗粒的胶水。一般认为，1mm 大小的颗粒会迅速合并成长，最后形成被称作星子（planetesimal）的较大岩石核。这些岩石核大小在 1-100 公里，可以看作是行星的幼年阶段。

当固体岩块长到星子大小，就可以有效地通过引力相互作用吸引其他颗粒、石块和气体；同样的，碰撞也帮助星子迅速成长。星子进一步成长，可以长到火星大小，在这个过程中，碰撞和放射性元素的辐射会融化星体，较重的元素会沉淀到核心，形成一个铁核。这个时候的星体被称作 Planetary embryons，大小大致在月球到火星尺度。 

这些 Planetary embaryos 会进一步合并，最终形成类地行星（水星、金星、地球、火星）。这一步的合并占到了类地行星形成时间的 90% 以上，大约需要 1 亿年。

在太阳系中，类地行星都位于靠近太阳的地方，这可能是因为太阳的光和热使得水蒸气、甲烷这些易于挥发的气体无法在内太阳系（太阳中心向外四倍日地距离的范围）聚集。因此在内太阳系凝聚的行星都是由重元素构成的。因为重元素的质量有限，类地行星无法成长得太大，引力也不足以大量吸积氢氦这样更轻的元素。

但在距离太阳三倍日地距离的地方，来自太阳的光热渐弱，水冰可以存留。这里被研究人员称作「雪线」。气态行星一般被认为形成在雪线之外，它们和类地行星一样需要先形成一个岩石的核心，但身处雪线之外使得它们可以获得更多的物质，成长得更大。当气态巨星的种子的质量到达 10 倍地球质量，它就可以非常有效地吸引更轻但却含量更丰富的氢、氦元素并进一步迅速成长。但是，请记住太阳形成的时候已经用光了 90% 的物质，剩下的物质总量也是有限的，所以太阳系只能形成有限的气态巨行星。这可能是土星质量小于木星的原因——率先形成的木星已经用掉了太多的原料。而天王星和海王星形成时，太阳系剩下的氢、氦元素就更少了，更不用说太阳风还在把这不多的氢、氦继续吹向远方。这也许是为什么天王星和海王星主要由冰而不是由气体构成。

太阳是一颗普通的恒星，但太阳系是不是也很普通呢？这仍然是一个未解之谜。在过去的 10 年里，人类发现了大量的地外行星系统。我们可以确信，恒星拥有行星并不是宇宙中的新鲜事。但我们当前的观测能力仍然有限，并不能穷尽另一颗恒星的所有行星。我们仍然不知道，像太阳系这样拥有 8 颗大行星的系统是否罕见。而这是未来地外行星研究最重要的问题。

3.2 人类钟爱火星

在太空探索事业上，人类的探测器只能到达太阳系的边缘。也就是说，在可见的未来，人类只能在太阳系内寻找殖民地。

这个殖民地应该建立在什么地方？大多数人也许会投票给火星。平心而论，火星远不如地球舒适。火星的平均温度只有零下 63 度，和地球的极地类似。更要命的是大气主要由二氧化碳构成，只有不到 0.4% 的氧气。土壤中富含高氯酸盐，杀死一切你能想到的植物。大气压不到地球的百分之一，人不穿增压服会丧命。而且火星的磁场很弱，这使得高能太阳风离子和宇宙线可以直接轰击大气层。由于火星的大气远比地球稀薄，高能粒子有相当部分可以抵达地面，对地面的宇航员造成伤害。

但相比起太阳系的其他地方，火星已经是一片乐土。火星外围的木星，土星都是气态巨星，连个落脚的地面都不存在。而更远的天王星、海王星离太阳实在太远，整个世界处于冰冻的状态。

其他的两颗类地行星处在地球轨道以内，拜太阳所赐，水星几乎没有大气层，白天在太阳直射下温度高达 420 摄氏度，晚上由于没有储热能力，温度可以下降到零下 180 度。金星倒是有一个大气层，但这个大气层过于稠密，地表气压达到了地球的 92 倍。更糟糕的是，金星浓密的大气层充满了二氧化碳，带来了强烈的温室效应，以至于金星白天的温度还要超过水星。这样一比较，火星虽然不好，但至少还有改造的前途。

从好的地方想，至少火星可以建造一个小型的封闭式殖民地。温度虽然零下 70 度，但也不过就和地球南极类似。殖民地封闭后，大气压过低就不是困扰。而氧气可以从火星大气中提取，水可以从土壤中获得，净化后就可以用来饮用、种植植物。火星的重力只有地球的三分之一，这使得建造工作能够轻松不少。火星上人类甚至不用调节自己的生活作息习惯，实行 8 小时工作制，因为火星的自转周期和地球非常接近，大约 24 小时多一点。相比之下，金星的一天可是有 5832 个小时呢。

3.3 火星上的水

水对地球生命至关重要。生命最先在海洋中孕育，水又是大多数生物最主要的组成部分，但地球上的水从何处来？

太阳系中其实并不缺少水。彗星，那些拖着长尾的旅行者实际上由大量的水冰和尘埃构成。人们一般认为，正是这些彗星带来了地球上的海洋。

需要多少彗星？按照今天的观测，地球海洋的形成大概需要消耗上千颗 30 公里左右的彗星。在今天的太阳系里，彗星碰撞几率不能满足这样的要求。但是在地球远古的幼年时期，太阳系是一个远比今天危险的地方。在大约 41 亿年前，彗星和内太阳系行星的撞击非常频繁，也正是在同一个时间里，月球背对地球的那一面被撞出了密布的环形山。

彗星不只是撞击地球，也同样撞击其他的类地行星，比如火星和金星。为什么火星和金星没有海洋呢？一般认为金星在历史上确实曾经和地球相似，有着液态水构成的海洋。但是金星的温室效应非常严重，过高的地表温度使得水完全被蒸发到大气中。在大气中的水进一步被太阳紫外线解离为氢离子和氧离子。在高温下，氢气会迅速从大气层中逃逸。更糟糕的是，金星几乎没有磁场，太阳风中携带的高能离子会直接和大气层接触，将氢离子和氧离子更快地带出大气层。相比之下，地球磁场却可以很大程度上保护大气中的水分不被太阳风剥离。

火星上也可能在远古存在海洋和湿润的大气。但是火星的质量只有地球的十分之一，无法维持地球这样稠密的大气。今天火星表面的大气压只有地球海平面大气压的千分之六。低压下火星表面的水要么迅速蒸发，要么冻结成冰，无法以液态长时间存在。但火星平均温度只有零下 63 度，低温有助于火星保持水冰。在地球上用望远镜观察火星，可以看到火星的两极被白色的「冰原」覆盖。火星轨道探测器发现，极地冰原表面是冻结的二氧化碳，也就是「干冰」。

随着火星夏季温度升高，干冰会升华，这带来「冰原」面积的剧烈变化。升华的二氧化碳气体会在两极形成 400 公里每小时的飓风。同时探测器发现在二氧化碳冰原下方储藏着巨量的水冰，深度可达数英里厚。这些冰的总量相当于地球上格林兰岛冰层体积的 30%。好奇号火星车也发现，火星的土壤中有 1.5% - 3% 的水。

火星上的水还不止如此。1971 年，水手九号飞抵火星带来了火星地面的清晰照片。研究者很快发现，火星的地质运动痕迹比想象中的丰富。水手九号和之后的火星探测器让人们发现了大量类似冲击平原、三角洲、河谷一样的地形。有研究者认为，火星早期的地质活动可能远比今天剧烈，大量的火山喷发给大气中充入了大量的二氧化碳和水蒸气。这些气体会带来剧烈的温室效应，使得火星早期的温度远比今天高，可以保持液态的地表水，甚至是海洋。但今天火星表面还有液态水吗？

似乎液态水不太可能存在，因为火星的气压太低，水在火星的温度范围内要么冻结成冰，要么迅速升华。但实际情况出乎我们的预料。

2011 年，NASA 发布了一系列由火星勘测轨道飞行器拍摄的图片。图片显示火星在南半球中低纬度地区的一些斜坡上有明显季节性变化的暗纹。科学家将其命名为「季节性斜坡纹线」（recurring slope lineae）。这些纹线表明火星上存在着某种可以蒸发的液体。在这样的纬度上，火星的温度在夏季可以达到零下二十度左右。根据地球上的经验，液态水是不可能存在于这样的低温下的。但这些水中溶解有大量的盐类，它们使得水的结冰温度大幅度地降低。也就是说，火星表面可能季节性地存在着「卤水」。

2015 年 9 月，NASA 进一步发布了火星存在液态水的「铁证」。研究人员通过光谱分析发现，「季节性斜坡纹线」生长的地区存在着水合盐。而这些盐类的分布和纹线的宽度强相关，只有在纹线最宽的地方才可能探测到这些水合盐的存在。这极大地暗示了这些季节性变化的纹线可能正是由水在夏季的融化流动造成。

这些水中可能存在生物吗？答案并不明确。我们已经知道的是这些液态水中将溶解着高氯酸盐，这对绝大多数生物都是严酷的挑战。但不管怎么说，火星上确实存在着大量的水，这将是未来火星殖民地的重要资源。

（图 3.1 火星上的山坡。狭窄的暗条纹可能是由季节性的水流形成的）

3.4 在火星上种土豆

史密斯把麦粒接过来，仔细看了一下，发现麦粒是完整的，一点也没有损伤，于是就对水手严肃而平静地说道：「潘克洛夫，你知道一粒小麦能结多少穗子吗？」

「我想也就是一个吧！」水手听了这个问题觉得很奇怪。

「十个，潘克洛夫！你还知道一个麦穗能结多少粒麦吗？」

「不，这我可不知道。」

「大概八十粒！」赛勒斯-史密斯说。「所以，要是我们把这粒小麦种下去，第一次可以收到八百粒；再把它们种下去，第二次就能有六十四万粒；第三次就有五亿一千二百万粒；第四次就有四千亿粒以上！比例数字就是这样。」

史密斯的伙伴们默默地听着，这些数目使他们惊讶，然而却是实在情况。

——儒勒·凡尔纳《神秘岛》

儒勒·凡尔纳的小说《神秘岛》中，工程师塞勒斯·史密斯和他的同伴们被偏离航向的热气球送到了远离人类世界的火山岛上。利用科学知识，工程师指导他的伙伴们将蛮荒之地变为世外桃源。在上面的一段对话中，工程师向朋友们普及了指数增长的力量。在故事中，他们最终用一颗麦种在三年间产出了足以磨出大量面粉的麦子。

在电影《火星救援》中，被扔在火星上的宇航员马克·沃特尼的处境比工程师史密斯更糟糕一些。沃特尼手上只有土豆（好在他是个植物学家），而火星的平均温度是零下 63 度，使得任何作物都无法在火星的露天环境中生长。沃特尼必须造出一个适宜种植的温室，而且土豆也必须种在含有水分的土壤中。要知道太空任务一般不会携带大量的水，因为事实上人类只是利用水来完成体内循环和代谢，而水循环装置会回收人类「排出」体外的水分并净化，以便重新利用。但为了种土豆，他不得不通过燃烧火箭燃料的方式来获得水。火箭燃料中含有大量氢元素，在氧气中燃烧后就会产生水。可是氧气从何而来呢？答案是火星大气。火星大气含有的氧气很少，不到总量的 1%，但火星大气中大量的二氧化碳可以成为氧气的来源。

目前，美国宇航局正在开展一项名为 MOXIE 的研究，计划在 2020 年将氧气合成机部署到火星上。这种氧气合成机可以收集火星大气中的二氧化碳，并将其电解为氧气和一氧化碳。一氧化碳被排出到火星大气中，氧气就可以供宇航员使用了。我们可以合理地认为沃特尼携带了这样一部氧气合成器。这样，他就拥有了大量的水，并且永远不必为消耗了氧气而犯愁。

但只有水是不能种出土豆的，沃特尼还需要肥料，以及含有微生物的土壤。电影中，沃特尼拥有一些从地球带来的土壤，但数量上远不够种植土豆，所以他需要将地球土壤和火星土壤掺杂在一起。这样做有一个潜在的危险——火星的土壤中可能会含有杀死植物的毒素，比如已经在火星上发现的高氯酸盐。所以也许沃特尼需要设计一个清洗流程来去除火星土壤中的有害物质。也许他已经做了，只是观众不需要在电影中看到这些相对枯燥的细节。

需要注意到，由于栖息舱的面积不足，土豆种植的速率受到了限制，沃特尼永远无法像林肯岛的工程师一样不断扩大种植，即使没有发生电影中的爆炸事故，沃特尼种植的土豆也不足以让他在火星上一直生活下去，只能将他的生存时间延长。

要想在火星上殖民，人类需要建立大型的封闭殖民地。1982 年，一个名叫「协作者」（Synergist）的组织开始筹划在地球上建造一个大型的封闭基地，用以实验火星殖民的可靠性。在亿万富翁艾德·巴斯的支持下，协作者组织建立了「生命圈二号」——这是一个全封闭式的生态实验基地。它被称作「二号」，是因为地球被研究者们看做是「生命圈一号」。在计划中，生命圈二号包含了沙漠、雨林等多种地球生态类型，种植了包括木瓜、红薯在内的各种作物。生命圈完全与外界隔离，氧气、水循环、食物生产都完全由圈内设施完成。

1991 年，8 名志愿者被媒体如同英雄般欢送进入生命圈二号，开始为期两年的实验。但是仅仅在第 10 天，Jane Poynter——一位志愿者——就把自己的一根手指断在了打谷机里，而不得不暂时离开生命圈二号进行治疗。随后的实验中，各种预料之外的问题接连发生。

水池中的鱼因为过量养殖而死亡，蟑螂和蚂蚁大量繁殖，而用来传授花粉的蜜蜂却濒临灭绝。由于室内温度和湿度过高，雨林类植物很快击败了其他的对手疯长起来。第一年 8 位实验者没能种出足够的粮食，以至于他们的体重都出现了明显的下降，但好在第二年他们多产出了一吨粮食，才恢复了正常体重。实验过程中遇到的最严重挑战是氧气的丢失。

在生命圈二号中，虽然种植了大量的植物，但氧气含量并不如想象中的稳定，而是逐渐减少，以至于在 1993 年，人们不得不向生命圈中注入额外的氧气以保证实验者的安全。在很长一段时间里，缺氧的原因都无法查明。人们怀疑是肥料中的微生物分解了丢失的氧气，但是却无法解释为什么二氧化碳含量虽然急剧波动却并没有上升。直到后来才弄清楚，原来是内墙的混凝土和二氧化碳发生反应，从而消耗掉了多余的二氧化碳。

在 1995 年第一期实验结束时，媒体和出资方都对实验的结果感到灰心丧气。第二期实验在开始后不久就被迫终止，艾德收回了自己的物业，并将其租给了哥伦比亚大学。然而，今天看来，「生命圈二号」并非完全失败。它确实教给了我们很多知识。首先，生态系统是非常复杂而多变的，即使精心设计平衡也很容易在大环境（比如温度）的变化下迅速被打破。其次，生命圈二号的氧气缺失说明了地层物质和大气复杂的相互作用，这是人们在之前忽视的。

总之，在火星上维持少数人数周的生命也许并不困难，但要想让一群人移民到火星上自给自足，科学家仍然有很长的路要走。

（图 3.2 生命圈（biosphere 2）二号外观）

3.5 飞往火星

在火星上建立一个小型的殖民地，最大问题在于如何将需要的材料运往火星。在太空歌剧式的科幻电影中，宇航员总是可以像启动跑车一样发动飞船，奔赴宇宙的遥远角落。但在现实中，太空任务并不是随时待命，触动按键便可以发射。在《火星救援》这样的硬科幻电影中，你会发现发射太空探测飞船需要预留足够的时间进行各项检测，此外还需要等待「发射窗口」，也就是最适合发射飞船的时间段。

地球和火星分别以不同的速度绕太阳做圆周运动。飞船需要找到一条合适的运动轨道，从地球轨道转移到火星轨道上去。霍曼转移轨道是火星任务最常用的，如图 3.3 所示，停泊在地球轨道上的飞船，本来和地球一起在圆轨道上运动。在 A 点，飞船点火加速，在短时间提速后，按照牛顿运动定律，飞船的轨道会从绿色的圆形轨道，变成黄色的椭圆形轨道。经过一段时间的航行后，飞船抵达了黄色轨道的远日点 B，这一点恰好在火星绕太阳运动的圆轨道上。在这里飞船会再次加速，加速后飞船可以保持在红色的圆形轨道上。这就是当前火星任务所普遍利用的霍曼转移轨道。

（图 3.3 霍曼转移轨道图示）

利用霍曼转移轨道，飞船从地球飞到火星的时间是 8.5 个月。这个时间看起来并不很长，但聪明的读者已经发现了，如果最大程度地节省时间和燃料，我们会希望当飞船抵达火星轨道 B 点时，火星也正好运动到 B 点。这样飞船可以顺势和火星会合。而这就要求在飞船发射的时点，地球和火星处于特定的相对位置。对于火星的霍曼转移轨道来说，这样的相对位置每 780 天会出现一次。如果错过了这一窗口，对飞船需要的推进能力要求就会大幅上升，而随着推进需求的提高，飞船需要携带的燃料几乎是呈指数增长。一般情况下，如果错过了发射窗口，探测计划可能会被大幅延迟。比如 2015 年 12 月，因为飞船搭载的地震测量仪制造发生问题，美国就不得不取消了定于 2016 年 3 月窗口发射的洞察号。

在《火星救援》中，为了及时给火星上的沃特尼送上补给，NASA 不得不在非窗口时期发射火箭。在原著中，他们先是征用了土星计划的火箭，但不幸的是，由于检测时间不足，火箭的缺陷导致了发射失败。在这个时候，中国的太阳神助推器成了 NASA 唯一的希望。在原著中，太阳神飞船需要把携带着沉重防热罩的卫星送入金星和水星之间的轨道，这样的推力也足以将相对轻便的生活补给送往火星。

霍曼转移轨道是人类探索行星最节省燃料的运动方式之一。但是如果要探索太阳系外围的行星，比如木星或者土星，即使利用霍曼转移轨道，需要的燃料量也仍是异常巨大的。在这个时候，人们就需要借助自然的力量——引力弹弓来进行飞行器的加速。

3.6 引力弹弓

太空中没有空气，太空飞船需要从尾部喷出工质气体，才能获得加速的推力。想要获得更高的速度，飞船就需要携带更多的燃料。可是为了将这些燃料送入太空，飞船就又需要注入更多的燃料。因此，如果仅仅靠飞船自己的推进能力，探索太阳系外围的行星至今仍将是未实现的梦想。推力不够怎么办，科学家的应对方法是找个「朋友」拉一把。

在太阳系里，行星和大卫星都在以很高的速度做轨道运动。如果飞船飞行的途中遇到这些质量庞大的天体，就会被它们的引力「拽」上一下，这会帮助飞船增加飞行速度，也可以帮助飞船用很少的燃料就改变飞行方向。

（图 3.4 引力弹弓图示）

假设飞船以速度 v 迎面向行星飞来，在经过引力弹弓效应后，飞船的飞行方向完全改变，速度增加了 2U。这很像是迎着火车前进的方向扔一个棒球，在碰撞后，棒球完全被反弹回来，并且从火车身上获得了新的动能。在引力弹弓变轨过程中，行星将动能传递给了飞船，并且改变了飞船的速度和方向，在弹射过程中，飞船越靠近行星，获得的加速度就越大。但是如果太过于贴近行星，飞船又可能受到行星大气（如果有的话）的影响。

因为飞船的质量远远小于行星的质量，因此行星的运动状态几乎不会发生转变。但是如果我们真的对一个行星反复发射飞船，那么经过数兆次相会后，行星的轨道也会发生显著的改变。

在现实中，飞船借助的引力弹弓效应远不如图 3.4 般极端。有的时候，飞船需要获得一个很高的加速度，而有的时候，转向则相对重要。图 3.5 展示了探测土星的卡西尼号的航行路线。卡西尼先后借助金星、地球和木星变轨，但可以看到每次变轨都比较温和。这是因为金星和地球的引力都比较弱，因此不能提供很强的「弹力」。木星的引力倒是很强，可是这时候飞船已经离目的地比较近了，过强的加速和变向反而会妨碍飞船抵达土星。

（图 3.5 卡西尼号航行路线图）

从图 3.5 中很容易会发现，引力弹弓效应有着较多的限制，如果想要获得最佳的航行速度，需要精确的计算，对施加「弹射」的行星的相对位置也有着很高的要求。有的太空计划需要漫长的等待，才能获得最有利的发射窗口。例如，探索太阳系边疆的旅行者一号发射时采取的路线，要到二十二世纪才能再次利用。

在电影《星际穿越》中，穿越过虫洞的库珀一行，在探索米勒星球（有着巨浪的星球）和曼恩星球（冰冻世界）的时候，也是借助引力弹弓效应来完成飞船的加速和减速。和太阳系内情形不同的是，在巨型黑洞卡冈都亚周围，不同轨道上的星球速度相差巨大。按照《星际穿越》的科学设定，飞船永恒号最初停驻在五倍黑洞半径的轨道上，这里的轨道速度是光速的三分之一。之后，库珀和阿梅丽娅·布兰德需要驾驶小型飞船巡逻者号飞往米勒星球，而那里的轨道速度高达光速的一半。巡逻者号的推进器显然不足以承担如此巨大的速度改变，因此借助引力弹弓是唯一的方法。

《星际穿越》中，在巨型黑洞卡冈都亚（一亿太阳质量）周围，存在着大量的中等质量黑洞（10000 倍太阳质量），它们强大的引力可以轻松地将飞船加速，送入目标轨道。但导演诺兰害怕不同的黑洞分类会把观众搞糊涂，因此将引力弹射天体改成了中子星。但中子星弹射会造成潜在的灾难。因为当天体质量变小，飞船要获得同样的加速就必须靠中子星非常的近，在那样的距离下，中子星的引力潮汐拉扯将变得非常强大。月球对地球的引力潮汐作用造成了潮涨潮落。在非常靠近中子星的地方，潮汐拉扯会轻易地将飞船解体。

3.7 更快的星舰

在《星际穿越》电影中，库珀一行乘坐人类最先进的飞船永恒号，仍然花费了两年时间才到达土星附近的虫洞。利用人类现在掌握的推进技术，人类很难将自己加速到和光速相比拟的程度。

但一些概念性的研究表明，深度挖掘现有的理论，仍然有可能制造出将飞船加速到 1/10 光速的发动机。《星际穿越》的科学顾问基普·索恩在电影的科学解读本中就提到了数种概念上可行的星际旅行方式 。

前文提到，传统飞船的前进方式，是通过向反方向喷射出物质，而获得前进的推力。在喷射同样质量的物质下，喷射速度越快，飞船获得的推力也就越大，这意味着如果飞船发动机能够越高效地产生能量，就可以获得越大的推力。根据人类现在掌握的理论，能量效率最高的产生方式是正反物质湮灭，这种方式可以实现质量到能量 100% 的转化，但是反物质的制造非常困难，大量反物质的储存更加困难。一不小心，太空飞船就会变成太空炸弹。

核聚变产能效率比正反物质湮灭低十几倍，当两个氘（氢的同位素）原子聚变成为一个氦原子，这两个氘原子静止质量的 6.4% 会转化成能量。如果这些能量都用于加速氦原子，并使其从飞船尾部喷出，那么这个氦元子的速度可能达到光速的 1/10。也就是说，如果飞船携带燃料的质量占到飞船质量的一半，在最理想的情况下，飞船可以被加速到 1/10 光速。在实际情况下，能量的转换不可避免会有各种损耗，但将飞船加速到光速的 1/10 仍然是理论上可行的。目前人类掌握的核聚变技术还比较粗糙，主要的经验在于制造氢弹，考虑使用这种能源，前提是我们可以制造出足够坚固的飞船。

这种航行的方法最早由弗里曼·戴森和泰德·泰勒于上世纪五十年代提出，在他们宏伟的蓝图中，太空飞船实际上是被一系列氢弹「炸飞」的。这种飞船不适合来运送小型飞船飞往地球轨道，因为小飞船会被氢弹迅速加速，巨大的加速度可能将人压成肉饼。因此，飞船必须被建造得非常巨大，而这对于火星探索甚至更远的星际飞行恰好合适，可以运送长途星际旅行所需要的巨大生活舱和各种生命维持系统。只要带上 1000 颗核弹，人们就可以将一艘 4000 吨的飞船送到火星。核弹提供的推力非常强劲，人们甚至可以不选择霍曼转移轨道。

当然由核能供应能量的飞船也可以不这么暴力。如果能够控制核反应发生的速率，人们也可以制造加速度可控的飞船。美国宇航局事实上在上世纪六十年代实验过由核裂变反应堆作为能源的火箭发动机，项目代号 NERVA。在这种设计中，核反应产生的热量被用来加热作为工质的液态氢到 2000 摄氏度，并使其从飞船尾部喷射出去。这一项目进展得很顺利，但是在七十年代初由于预算问题被取消。NERVA 的设计本质上还是传统火箭，只是利用核能加热了用来推进的工质。理论上，人们可以用可控核聚变作为飞船的推进能源，并用聚变产生的废气（氢、氘和氦的混合气体）来推进。

所有这些核能飞船计划仍然处于半科幻阶段。戴森自己预期，在二十二世纪末期，人类也许可以将「氢弹飞船」这项技术应用在太空飞船上。但这需要人类在材料科学上取得巨大的进展，能够制造出足以承受氢弹爆炸，并过滤高能粒子辐射保护航天员的太空船。对于核能飞船的另一点担忧是，它们携带的能量如此巨大，可能对地球造成实际的威胁。想象一下轨道上停泊着一艘或更多的「氢弹飞船」，每艘飞船上的「燃料」都足以导致地球毁灭，人类真的能安心吗？

另一个更加有趣也更加奇幻的设想是光帆。这个方法由物理学家罗伯特·福沃德在 1962 年提出。在这个方法中，飞船并不自己携带燃料，而是携带一张巨大的光帆，坐落在月球基地的激光阵列，负责发出高能激光，聚焦在光帆上。理论上，利用这项技术，飞船可以在 80 年内到达比邻星，最高速度可以达到光速的五分之一。然而，这个大开脑洞的技术，对工程建设的要求也是天马行空的。

福沃德想象，在太空飞船出发的时候，它会带上一张 100 公里直径的大帆，而月球上的激光阵列每秒能耗将达到 2014 年美国全年用电量的两倍，这些光需要通过一个 1000 公里直径的菲涅尔透镜聚焦到光帆上。福沃德认为这项技术可能在二十二世纪末实现，但我对此深感疑虑。

即使人类可以将飞船瞬间加速到极端接近光速，抵达离太阳最近的恒星、比邻星，仍然需要 4.2 年的时间。而飞船仍然需要近万年才能旅行到银河系的中心。但有趣的是，根据相对论原理，人类在飞船上的时间流逝将会变得非常慢。在地球上的人类看来，飞船经过了千万年才飞到银河系中心，但对飞船上的宇航员来说，也许只过去了区区数天。在极端接近光速的情况下，宇航员甚至可以在自己的有生之年飞出银河系去探索更广阔的宇宙，旅行到空间和时间的尽头。但当他们停下的时候，地球上的人类却可能早已灭绝了。

光速的限制、宇宙的广阔和人身的易朽，使得太阳系外的太空殖民成为了几乎不可能的事情。在阿瑟·克拉克的科幻小说《童年的终结》中，为了突破这样的矛盾，使人类的后代最终摆脱了肉身，成为纯粹的精神进入了更广阔的宇宙。而在电影《星际穿越》中，连接时空的虫洞为人类提供了另外一种可能。关于虫洞，我们将在下一章继续讨论。

第四章 太阳系以外的世界

4.1 搜索太阳系以外的世界

宇宙中似乎不应该缺少适于人类生存的地方。地球不过是太阳疆域中微不足道的一员。而太阳也不过是银河系数百亿颗恒星中普通的一颗。如果银河系十分之一的恒星中存在行星，又如果十分之一的行星类似地球，那么星河中就有 10 亿个适宜移民的新家园。

然而，要找到这些行星非常困难。地球的直径只有太阳的百分之一，体积是太阳的万分之一。寻找其他恒星周围的地球，就好像在遥远的地方观察灯塔光下的一只飞虫。 

最早用于寻找地外行星的方法是多普勒频移方法。所谓多普勒频移是说恒星发出光的频率会因为恒星相对观测者运动而发生改变。当一颗恒星向我们移动的时候，我们会看到恒星的光变得蓝一些；当它远离我们的时候，恒星的光会稍稍变红。如果一颗恒星和一颗行星组成一个双星系统，它们都会绕着共同的质量中心运动。远处的观测者观察恒星，就会发现它的颜色有周期性的改变。用这种方法，人们还可以估计行星的质量。行星的质量越大，恒星的多普勒频移就越明显。历史上便是利用多普勒频移法寻找到第一颗地外行星的。有趣的是这个地外行星并不是绕着一颗正常的恒星转动，它的主星是一颗死亡的恒星——一颗白矮星。

（图 4.1 多普勒探测方法。行星（绿色）和恒星（黄色）相互绕转。当行星沿轨道远离观测者，恒星就会朝向观测者运动，光谱向蓝端（短波长）移动。反之，恒星光谱向红端（长波长）移动）

另一个广泛应用的地外行星搜寻办法被称作「掩星法」。让我们回到飞虫和灯塔的比喻。飞虫飞过灯塔，将会极其轻微地遮挡光线，远处的观察者如果能够记录这种轻微的亮度变化，就有可能探知飞虫的存在。

掩星法最初由一位神经外科医生弗兰克·罗森布拉特提出。美国的天文学家比尔·博鲁茨基（Bill Borucki）受到启发，将其改进为一种真正可以实践的观测方法。有意思的是，观测掩星的过程研究者还可以分析这些地外行星大气的成分。如果一颗地外行星的大气中有水分，当它移动到恒星前方的时候，它大气中的水分就可以吸收恒星在特定波段发出的光。通过分析恒星的光谱在掩食前后的变化，研究者就可以推断是否有水汽存在于行星大气中。

但是掩食方法对测量精度的要求极高，人们必须利用大气层外的空间望远镜完成这项任务。2009 年升空的 Kepler 卫星执行的就是这样艰巨的任务，它可以探测到地外恒星系中由于行星遮挡而造成的恒星光度万分之一的改变。Kepler 卫星发射后指向天鹅座方向。它同时记录了 17 万颗恒星的光度变化，并从中选择出 4000 颗地外行星候选者供地面更大的望远镜跟踪验证。Kepler 卫星完全革新了我们对于地外行星的认识。

在 Kepler 卫星之前，人们找到的地外行星大多数是和木星质量相当甚至更大的行星。而 Kepler 发现了大量的小质量行星，使得与地球尺寸相差无几行星的数量增长了 5 倍，证明了地球在统计上并不是稀缺天体。2015 年，NASA 宣布发现了一颗「和地球最相似的行星（ has the closest match of planet characteristics to Earth）」，编号 Kepler-425b。

事实上这个编号 Kepler-425b 的地外行星比地球大 60%，质量是地球的 5 倍左右，并不是已知行星中和地球最类似的。但是它所绕转的恒星和太阳质量类似，更重要的是，它存在于这颗「太阳」的适居带上——轨道在这样区域的行星，温度适宜，可能存在液态的水。事实上，这颗行星可能有着和地球一样的温度。在过去，研究者已经发现了数颗地外行星大气中确实存在水分的证据，但是这些地外行星质量至少和海王星相当。在 NASA 发布的这颗「最相似」地球的行星上是否存在水呢？这将是未来最有趣的研究课题。

（图 4.2 Kepler 卫星找到的不同大小太阳系外行星的数目（截止 2015 年 7 月 23 日）。从左到右依次为「地球大小」「超级地球」「海王星大小」「木星大小」「更大的行星」）

（图 4.3  Kepler 卫星找到的宜居带系外行星。每排最左边是该系统恒星的类型。第一排是在类似太阳恒星周围找到的宜居带类似地球行星。Kepler 只找到了一颗这样的行星：Kepler-452b）

4.2 地外文明

好吧，我们确实找到了一些地外宜居星球。运气好的话，我们还可以在其中一些类似地球的星球的大气中发现水蒸气的存在。但那又如何，人们常常会问：地外的生命形式一定会依赖于水吗？地外生命一定是碳基的吗？甚至地外文明一定存在于星球上吗？通常的回答是「不知道」。

人类对生命至今没有很好的理解。甚至连我们自身的起源仍然是一个谜团：地球生命的种子是由彗星带来的，还是在自身环境中诞生出的？如果我们在火星上发现生命，比较火星生命和地球生命的结构也许就能帮助我们揭开出生之谜。但即使如此，我们还是很难在地外行星上确定生命存在，因为它们距离我们太远了。一个更难回答的问题是太阳系外是否存在着智能生物，或者说存在着文明社会。从实践上看，探索地外文明似乎还更容易一些。尤其是科技发达的高级地外文明，它们应该留下更重的痕迹。

1960 年弗里曼·戴森（对，就是在上一章想要用氢弹发动飞船的「疯子」）在《自然》杂志上刊文，讨论了高等发达的地外文明。他认为这样的文明遇到的瓶颈有两个：能源上的限制就是恒星的总功率，材料上的极限则是恒星系里的物质总量。足够发达的地外文明，最佳的利用能量方式是围绕恒星尽可能地建立太空站。这些太空站以分形方式分布，几乎完全吸收恒星发出的能量。戴森计算了建造这样庞大规模的太空站所需要的物质量，差不多和木星的总质量相等，这要求地外文明有办法拆解另一个行星，并且利用其所有的物质。

戴森并不是想要鼓励地球人向这个方向努力。他事实上是提出了一种搜索地外文明的手段。因为如果一颗恒星的光被完全吸收利用，部分能量最终还是会以热量的形式耗散掉，这些能量会以红外辐射的方式散发出来。戴森提议人们去观测一颗光学上暗淡，但红外辐射异常明亮的天体。这样被人造空间站密不透风包围的恒星之后被称作「戴森球」。

戴森球存在吗？2015 年，美国宾西法尼亚州立大学的 Jason Wright 等人发表文章提出在 Kepler 发现的地外行星中，有一颗具有奇异的光变曲线，可能就是由巨大人工空间建筑物遮挡造成的。这篇文章很快引爆了舆论关注，但后续的观测并没有看到这个地外行星有红外波段的异常，也没有发现电磁波段传出信号。

然而，电磁波是一个更加实际的搜索地外文明的方法。假设某个地外文明发展到电气革命之后阶段，它们就有能力向外发出电磁波。如果我们能够接收到这个电磁波，就能联系上地外文明。上世纪六十年代贝尔女士在射电波段发现了强劲的周期性信号。媒体一度将其称之为外星「小绿人」的信号。但最终这个信号被证明来源于脉冲星。

到了七十年代，NASA 召集了包括德雷克在内的一批科学家研究了搜寻地外文明（SETI）的可行性。这次研究最终出台了一个名为 「Cyclops」的计划，这个项目计划建造 1500 面天线搜索地外文明，预期耗资 100 亿美元。巨大的投入和不可预知的前景使得 NASA 最终将 SETI 相关计划几乎彻底从预算中砍掉。SETI 的搜索工作在八十年代以后逐渐转入民间。今天仍然有包括「凤凰计划」在内的一批射电望远镜将寻找外星人电磁信号作为主要目标。一些巨型望远镜，如波多黎各的 300 米口径 Arecibo，也将自己的巡天数据提供给致力于搜索外星文明的研究者使用。但是，至今人们没有发现任何迹象。

理论上说，探测到地外文明的成功率取决于三个因素：地外适合生命生存行星的数量，地外文明的存续时间以及我们自己的探测能力。我们最清楚的是自己的能力，中国即将建成的 FAST 五百米口径射电望远镜将是历史上最大的无线电接收器，有能力搜索几十光年以内的地外文明信号；地外适宜生存行星的数目现在仍然不清楚，在早期的研究中，大量发现的行星是气体巨星。研究者一度对适合生存的地外行星的数量比较悲观，但近几年 Kepler 卫星极大地改变了这一认识。在 Kepler 监视的恒星中，有六分之一的恒星都有一颗地球大小的行星。这些观测证明了地球这样的行星是可以很容易在恒星系统中形成的。目前研究者正着力于在 Kepler 找到的地外行星大气中寻找水的迹象，这将帮助我们进一步确定适宜生命存在行星的比例。

（图 4.4 如果地球的历史是二十四小时）

最后，最不确定的就是文明存续的时间。如果将地球诞生到今天的时间缩短为一天，生命诞生大概是凌晨 4 点发生的，有性繁殖生物出现在下午 6 点，恐龙在晚上 11 点登上历史舞台，但不久就将世界交给了哺乳类动物。而人类文明在这个世界上只不过出现了不到一分二十秒，而这一分钟里的大部分时间人类都生活在科学落后的时代，没有能力发射电磁信号。地球上的文明就是如此短暂的存在。我们不知道地球是否是宇宙中的特例，也许正如科幻小说《三体》中描述的，文明的速率极大地依赖于生物自身的结构。

1964 年，苏联天文学家尼克洛·卡达尔发表了一篇为高级文明评级的标准：一类文明，有能力控制自己所在行星的全部资源；二类文明，有能力利用整个恒星的能量；三类文明，能够控制这个星系的全部资源和能量。美国天文学家卡尔·萨根后来用公式将不同文明等级和其所消耗的能量联系起来。

在这个公式里，1.0 级文明所利用的能量差不多是太阳辐射到地球上的总能量。人类文明现在所能够利用的能量只是这个能量的千分之几。按照卡尔·萨根的公式计算，人类文明大概只有 0.7 级。要想达到 1.0 级，人类必须打通可控核聚变这条技术道路。然而所谓 1.0 级文明是不但能够制造这么多的能量，还必须能够妥善应用。在利用能量的过程中，不可避免地会产生热。一个直接的难题是将如何管理多余的热量。按照查尔斯·阿德勒在《巫师、外星人和星舰》一书中的估计，如果产生相当于 1.0 级文明的能量，其散发的热量会使地球升温八十多度。这将使得地球成为一个不适宜生存的地方。一旦人类有了 1.0 级文明的能量，建造巨型星舰就不再存在能源上的障碍。那时，人类的足迹将遍布太阳系。

文明如果继续发展，也许就会脱离行星，进入空间。我们前文提到的能够建造戴森球的文明实际上已经有能力利用整个恒星产生的能量。所以他们已近接近 2.0 级文明的水平。如果人类在太阳系附近发现一个戴森球，也许还是不要去联系它比较好，以免遭受「黑暗森林」的打击。

超过二级的文明即使在科幻电影中也非常少见。一个主要的原因是，以人类目前的文明等级很难想象一个二级以上的文明该如何利用能源。星球大战第七部《原力觉醒》中，反派势力第一军团（first order）可以通过弑星者基地（starkiller base）在很短时间内吸取整颗恒星的能源。第一军团只需要数年时间就可以建成一个弑星者基地，我们可以认为第一军团勉强超过了第二类文明的标准，开始迈向第三类文明（虽然他们并不文明）。但遗憾的是他们显然没有想出炸掉一颗星球以外的其他方法来使用能量。如果第一军团中确实有真正的科学家，也许他们应该多思考一下如何去建立一个超级空间粒子加速来探索统一宇宙四种力的终极理论。以地球人的技术，这样的加速器尺度会超过太阳系上千倍。但对于超过二级的文明来说，这样的加速器是非常值得建造的，这将帮助它们最终理解宇宙终极的物理规律，像《星际穿越》中的「它们」一样，进行穿越时空的旅行。

4.3 黑洞和虫洞

现在来简单谈谈高级文明可能的星际穿越方式。让我们先从黑洞说起。

恒星的一生是热能和引力能抗争的过程。在大部分时间里，恒星核心处发生的核聚变反应可以释放大量的热能，抵御自身的引力。但当核反应停止后，引力就开始占据优势，压缩自身。这个过程被称作塌缩。当太阳的核反应熄灭，其自身引力会将太阳的残骸压缩到地球大小，变成一颗白矮星。此时的「太阳」密度比地球大 100 万倍，依靠电子简并压抵抗自身引力，保持稳定。更大的恒星死亡会变成一颗中子星，由中子简并压抵御自身引力。但当一颗恒星的质量远大于太阳时，它的寿命会变得非常短暂，死亡后它的自身引力非常的强大，无论是电子简并压还是中子简并压都不足以抵抗其身的引力。这样的恒星死亡后可能会变成一颗黑洞。

人们往往将黑洞想象成无比威力的引力深渊，甚至连光线也无法逃离其吸引。但事实上，站在远处，黑洞的引力和同等质量的恒星并没有差别。黑洞的真正特别之处在于它可以剧烈扭曲自身附近的时空。

研究者用「事件视界」来描述黑洞的半径。在事件视界之内，空间被如此剧烈地扭曲，以至于没有任何东西可以逃离黑洞。同样被弯曲的还有时间。靠近黑洞视界，时间的流逝会显著变慢。在视界之内，时间被极度弯曲，时间开始变得像是一个空间的维度。在视界内部，时间的流逝方向指向奇点。这就是为什么一切物体一旦进入黑洞就无法逃离，只能落向奇点的原因——因为那里是未来。

星系中存在百亿颗恒星，虽然只有很小的一部分质量大到足以在死亡后塌缩为黑洞，但计算总数仍然惊人。研究者估计银河系中大概存在着 1 亿个恒星级别的黑洞，它们的质量在 3-30 个太阳质量之间。银河系的中心还存在着一个巨大的黑洞，质量达到 100 万太阳质量。如此巨型的黑洞是无法通过恒星演化形成的。

今天的观测显示，可能大多数的星系中心都存在着这样的一个巨型的黑洞。星系演化模型认为这些巨型黑洞由宇宙早期 100-1000 太阳质量的中心黑洞种子通过互相合并，吸积气体慢慢演化而来。而这些黑洞最早的种子可能是宇宙第一批恒星死亡后的残骸。

没有人能够真正看到黑洞，因为光无法从黑洞周围逃逸。但是我们还是可以想办法发现黑洞。比如，黑洞可以通过 X-ray 观测寻找。虽然黑洞视界内部的光无法逃逸，但是当物质落向黑洞时，其巨大的引力势能会转化为热能并通过辐射向外传播。这些辐射在 X-ray 波段非常明亮，常常被作为寻找黑洞的指针。再比如，很多黑洞和恒星相互绕转，构成双星系统。研究者可以测量恒星的运动，从而推测另一颗黑暗天体的质量。用这种方法找到的最著名的黑洞是天鹅座 X-1。著名物理学家霍金和基普·索恩曾经争论这颗天体是否为黑洞，并定下赌约。最终，坚信黑洞存在的基普·索恩获胜。因为在后续的观测中，根据它伴星的运动，研究者推断这颗黑暗天体的质量达到了 15 倍太阳质量。在这样的质量下，这颗致密天体必然无法抵御自身引力，一定早已塌缩成为黑洞。

关于黑洞的种种知识，我推荐读者们去阅读基普·索恩教授撰写的科普读物《黑洞和时空弯曲》。基普·索恩师出名门，其博士导师是二十世纪物理大家约翰·惠勒。惠勒是量子力学大师波尔的徒弟，美国两弹计划的重要参与者，在量子力学、黑洞和致密天体物理、引力论等方面均做出重要贡献。惠勒和霍金的老师席尔玛以善于授徒并称于世。诺贝尔奖得主理查德·费恩曼（因对量子电动力学的贡献获得诺贝尔奖）就是惠勒的学生。基普·索恩一生的研究同样集中在引力论和量子引力论领域，尤其在黑洞领域贡献良多。他曾是加州理工大学历史上最年轻的教授，同时他还是世界上最重要的引力波探测计划 LIGO 的奠基人和早期领导者。

随着好莱坞科幻影片《星际穿越》的大热，作为其科学顾问和创意人的基普·索恩也为人熟知。在这部电影里，基普·索恩终于如愿以偿地将自己毕生最爱的黑洞「正确」地搬上了大银幕。在电影中，库珀和阿梅莉亚前去探索的三颗行星就环绕在一颗巨型的黑洞周围，而这个黑洞在另一个星系中心。黑洞的名字「卡刚都亚」来自于《巨人传》中巨人的名讳，它的质量也不负其名，设定中比银河系中心黑洞还要重一百倍，达到一亿太阳质量。

现实中，这样的黑洞周围可能存在适合生存的行星吗？

大概很难，因为巨型黑洞吸积物质产生的高能射线对任何生命都是致命的。在《星际穿越》的科学设定集中，卡刚都亚被设定为极其不活跃的黑洞，几乎没有任何质量增长。

基普·索恩研究生涯中另一个奔放的猜想是时空旅行。这个思想实验可以回溯到 1985 年，著名天文学家卡尔·萨根请求索恩帮助审阅《超时空接触》的书稿。萨根希望通过一个黑洞将女主角传送到遥远的织女星。索恩短暂思考后就明白这是不可能的，因为黑洞的中心是引力的奇点，落入黑洞只会将女主角撕碎。但索恩并没有就此回复萨根这个否定的答案，而是开始思考利用另一类奇异引力天体——虫洞，进行超空间旅行的可能性。

从数学上看，虫洞是爱因斯坦引力方程的一些有特殊性质的解，它可以从高维空间连接我们所在空间的两处。惠勒将这些解命名为虫洞，因为它们就好像是苹果上被虫蛀出的通道。本来只能在苹果表面爬行的虫子，可以通过虫洞穿越三维空间，到达苹果的另一端。然而虫洞的问题在于它会在创生后迅速塌毁、消失，因此难以利用。在一次度假的途中，索恩想出了解决的方案——如果在虫洞中注入奇异物质，即负能量的物质，就可以保持虫洞稳定张开。

虫洞就此进入了科幻世界，成为了太空歌剧舞台上超空间旅行的标准配置。在《星际穿越》中，虫洞扮演了空间隧道的角色，将卡刚都亚和土星附近的时空直接连通。可是如何才能制造虫洞呢？即使是基普·索恩也没有想到好的方法，只能交出一个不算完美的方案：在空间的亚微观尺度上可能存在着由量子泡沫连接成的虫洞网络，高级文明可以找到合适的虫洞，注入奇异物质（或者加上高维立场）使其稳定，并利用它们。

这种旅行方式真的能够实现吗？基普·索恩教授在《星际穿越》科学设定书中表示，他自己反正是不太确定。

（图 4.5 不同天体对空间的扭曲程度的图示。 左侧从上到下分别为太阳、白矮星、中子星。右边为黑洞周围的空间。黑洞的最深处是奇点。在本图中，为了清晰起见，绘图者绘制的是二维空间在三维中的弯曲，在真实情况中，我们生活的空间是三维的，并在四维的超体 (bulk)中弯曲）

（图 4.6 虫洞的图示，蓝色的膜代表我们生活的三维宇宙膜。正常情况下，我们只能沿着膜的表面移动。但虫洞可以在高维空间连接膜上的两点，为旅行者开通一条捷径）

除了作为星际旅行的快速通道，虫洞也可能被构造成时间机器。如果虫洞的一端在地球，另一端开在黑洞附近，按照爱因斯坦的引力理论，离黑洞近的地方时间流逝得比地球上的时间更慢。当引力造成的两地时间差超过从地球旅行到黑洞的时间差，人们就可以通过先从正常路径旅行到黑洞，再从虫洞穿越回地球的方式回到地球的过去。这种构想由基普·索恩提出，但他随即意识到这样的时间机器可能极其不稳定，很难真的存在于宇宙中。为什么说「可能」？因为霍金证明了虫洞作为时间机器的稳定性问题是属于量子引力领域的问题。而对后者，人们仍然知之甚少。

4.4 高维世界

我们提到黑洞的引力会剧烈扭曲其附近的空间。如果将空间想象成一张橡皮膜，被黑洞扭曲后的空间就有点像是橡皮膜上放了一块重物的样子。在现实生活中，橡皮膜是在三维的空间中弯曲。那么黑洞附近的空间是向哪里弯曲呢？弯曲的空间似乎自然地要求存在额外的维度。理论物理学家们有时会将我们所在的三维时空称作世界膜，它镶嵌在一个更高维度的超体（bulk）中。

人类是三维的生物，很难在直觉上理解四维空间的样子。但我们可以从低维度世界的现象中获取一定的经验。想象一下，一个生活在二维世界的二维人，在她/他的经验中，世界只有前后和左右两个维度。如果一个三维的球体，正好穿过这个二维的世界，二维人会在她/他的世界里看到一个圆。她/他可以围着圆走一周，测量这个圆的周长，但是她/他却无法直观感知球体的体积。在球体穿过二维平面的整个过程中，二维人会看到一个圆出现、变大，再次变小，最后消失。通过类比，我们可以想象一个四维的球体穿越过三维空间的情景——我们会看见一个三维的球体出现、变大，再次变小直到消失。

然而当我们说到「看到」的时候，实际上并不严谨。理论物理学家相信我们所在世界膜中的核力，弱相互作用力和电磁力都不能够离开三维空间进入高维。在三维空间，当我们用一束光（也就是电磁波）照射物体，我们可以通过反射的电磁波看到这个物体。但是四维世界的物体既不能反射电磁波，也不会发射电磁波，我们根本无法看见它。唯一被认为能够和在高维度空间物体相互作用的力是引力。当一个四维的物体穿过我们的世界时，我们只能通过它的引力效应感知到它。在电影《星际穿越》中，库珀和布兰德教授领导的 NASA 团队都注意到了各种引力异常现象，这就是高维文明在帮助地球人的过程中引起的引力效应。

然而更高的维度和前三个维度有很大的不同。在我们的三维世界里，引力定律是平方反比率。距离太阳是地球两倍远的星球，感受到的太阳引力只有地球的四分之一。然而如果世界有第四个平直的维度，那么引力场的强度就会随半径的三次方下降。如果真是这样，木星、土星都无法被太阳的引力束缚，而是会逃逸出太阳系。人类对太阳系的观测，已经充分证明了引力随距离的平方反比关系。因此，新的维度不能随意添加。

但理论物理学家相信高维度空间确实存在，只不过它们在微观尺度上卷曲，而这种卷曲可以避免引力场过快发散的问题。事实上，弦论研究者认为宇宙可以存在 11 个维度，我们生活三维空间加一维时间中，其他的七个维度都卷曲得很小。在《星际穿越》的科学设定中考虑了各种可能的超体构成方式，但是为了不让观众们犯晕，这些高维空间的卷曲并没有在银幕上表现出来。

谈到高维文明，在电影《星际穿越》中，库珀和阿梅莉亚将其称作「它们（they）」。「它们」从未在电影中正面出现，但是「它们」移动了虫洞，使得地球人类前往围绕黑洞卡刚都亚的行星。为什么它们要帮助人类，电影中的库珀猜测「它们」实际上就是未来的我们。在未来某个时间，人类文明高度发达，最终进入了高维空间。阿梅莉亚则猜测，在高维空间中「它们」不但可以在空间维度上移动，还可以在时间维度上自由移动：「他们是五维的生命。对他们来说，时间也许只是另一个物理存在的纬度。对他们来说, 过去也许只是一个他们能够跋涉进入的峡谷，而未来是一座他们可以攀登上的山峰。」从阿梅莉亚的这段台词来看，即使「它们」是人类未来的发展阶段，但也已经在身体构造上（如果它们还有身体）和人类完全不同。而在电影中，它们之所以不能和人类直接交流，也许是因为进入四维空间后，它们不再能控制三维空间中的力场，除了引力。所以它们只能让库珀去完成传递信息的使命。当库珀掉入卡刚都亚的黑洞之后，就进入了高维文明制作的超立方体。超立方体像观光缆车一样，带着库珀回到了过去。但库珀不能直接和年轻的墨菲直接交流，只能用引力传递信号。库珀学会了用引力去扰动墨菲手表的时间线，这个引力信号转化成了手表时间的扰动。

这样的时间旅行是可能的吗？基普·索恩教授认为这可以算是一个合理的想象。

4.5 电影和现实中的引力波探测

在《星际穿越》中，布兰德教授在土星附近发现了虫洞。这是拉撒路计划实现的前提。事实上，那个虫洞非常小，如果不是事先知道，从地球上将很难发现。电影中并没有提及布兰德教授是如何找到它的，但在科学设定书中，索恩教授认为布兰德教授的信息来源是引力波。

在《星际穿越》的科学设定中，布兰德教授在某一天突然从 LIGO（ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）的探测数据中发现了强烈的引力波信号，而这个信号居然来自土星方向。这个引力波并不是虫洞产生的。按照基普·索恩的设定，这个引力波信号实际上来自于虫洞另外一端相互紧密绕转的中子星和黑洞，它们的引力波部分地通过虫洞传播到了地球。

（图 4.7 双黑洞系统发射引力波的艺术示意图，网格的扭曲代表了空间受到引力波的扭曲）

什么是引力波？当两个天体互相绕转的时候，它们的引力对空间的扭曲是随时间变化的。如果有人在水池中央搅动水面，水面的变化会以波动的形式传向四方。类似的，相互绕转天体造成的空间变化也会向各个方向传播开来。这种由引力场变化造成的空间波动就是引力波。引力波是爱因斯坦相对论理论的重要预言。但在相对论发现后 100 年间，引力波都没有被直接探测到。

1974 年，美国麻省大学阿莫斯特分校的教授泰勒和他的学生罗素利用位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜第一次发现了一对互相绕转的脉冲星。在经过了长达 30 年的监视后，泰勒发现这两个双星的距离竟然在逐渐缩短。为什么？泰勒想到了引力波。

就好像电磁波会携带电磁能，引力波也携带着能量。绕转的双星不断发射引力波，会使得它们自己的引力势能减少，从而越靠越近。泰勒观测到的双星距离缩短速率和广义相对论预言精确地符合（精度好于 1%）。泰勒和罗素的发现被认为是引力波存在的重要证据，他们因此获得了 1993 年的诺贝尔物理学奖。

我们可能直接探测到引力波吗？在写作这本小书的最后阶段（2016 年 2 月），LIGO 引力波探测器确实第一次探测到了引力波。整个科学界为之轰动，因为爱因斯坦理论的最后一块拼图被完善了。

这次观测到的引力波事件，是由一个 36 太阳质量和一个 29 太阳质量的黑洞合并发出的。合并后的黑洞质量是 62 太阳质量，说明有 3 个太阳质量的能量以引力波的形式放出（误差 0.5 太阳质量）。探测的统计显著度是 5.1 个 sigma，按照物理学界惯例，可以被称作发现。统计上讲，这个显著度意味着 203000 年才会产生一次由噪声造成的误判。

这个引力波源，远在银河系之外，距离我们差不多是 13 亿光年外（红移 0.09）。比较一下的话，这个距离差不多是我们到最近星系团室女团距离的二十多倍，是银河系大小的 16000 倍。

整个引力波观测过程 0.4 秒，其中双黑洞合并的一瞬间只有 0.05 秒（图 4.8）。双黑洞合并几乎在一瞬间就将 3 太阳质量等效的能量以引力波形式发射出去，功率顶峰高达 200 太阳质量/秒。什么意思呢，这是全宇宙恒星功率和的 50 倍。所以虽然我们看不见，甚至很难感觉到，但是引力波确实是宇宙中强大的能量事件。

（图 4.8 上半张图的上半部分是黑洞合并的过程。绕转，渐进，合并产生变形的黑洞，最后黑洞形变消失。下半部的红色震荡曲线显示了相应的 LIGO 观测信号。下半张图黑线显示了双黑洞间距的变化（看图右边 y 坐标），合并前双黑洞相距 5Rs。绿线是双黑洞相对速度变化，信号开始被观测到时是 0.3 倍光速，到合并前已经到了 0.6 倍光速）

LIGO 是如何直接探测到引力波的呢？引力波本质上是空间的形变在传播。如果引力波传到地球，我们会在一个方向上被拉伸，在另一个方向上被挤压。LIGO 计划就是要测量这种效应。LIGO 有两条长臂，相互垂直。每条臂长达 4 公里。LIGO 的长臂实际上是高度真空的长管。在每条长臂的两段悬挂着直径 34 厘米的反射镜，LIGO 探测器利用激光干涉，不间断地测量每对反射镜之间的距离。当引力波传过探测器时，人们会探测到这两对反射镜之间的距离呈现此消彼长式的周期变化。LIGO 探测器一共建成了两座，分别位于美国的华盛顿州和路易斯安那州，两地相距 3000 公里。当引力波以光速传播，因此如果一束可探测的引力波扫过地球，两座 LIGO 探测器探测到信号的时间将有 10 毫秒量级的时间差。精确测量这个时间差可以帮助研究者确定引力波发出的方向。

但是引力波是非常微弱的，因为相比其他三种力（强力、弱力、电磁力），引力的强度是最弱的。LIGO 希望探测到的典型事件是双黑洞合并。如果两个 10 太阳质量的双黑洞合并，其发出的引力波扫过 LIGO 四公里的长臂，造成的改变只有 10-18 米量级。也就是说，在 4 公里的长度上，引力波造成的长度改变只有质子直径的千分之一。

2002 年，LIGO 建成并开始运行，在其后的 10 年间，LIGO 没有探测到一起确定的引力波事件。当时，一些科学家相信引力波信号已经存在于观测数据中，只是研究者尚无力将其从噪声中分离。2015 年 9 月开始，LIGO 的升级版本 Advanced LIGO 开始运行，并于 2016 年 1 月结束了第一阶段的运行。Advanced LIGO 的探测灵敏度超过 LIGO 十倍。LIGO 的最初设计是希望探测到室女星系团内（也就是银河系所在的星系团，大约 5000 万光年内）的双中子星。而 Advanced LIGO 有能力观测到 10 亿光年内的双中子星引力波。如果引力源是即将合并的双黑洞，Advanced LIGO 的探测范围可以达到 50 亿光年。升级版的 LIGO 可探测事例的几率超过 LIGO 最初版 3000 倍。

研究者正在计划将引力波探测器搬到空间中，以使得引力波探测器可以极大地扩展臂长，从而探测到波长更长的引力波（低频引力波）。地面的引力波探测器只能够探测到非常接近的双星系统，而空间项目可以大大弥补这一不足。eLISA 项目计划将三个探测器升入太空。它们将成等边三角形状，两两相距 100万 公里，不断地利用激光干涉测量彼此间的距离。中国中山大学计划中的天琴项目也致力于制造类似的探测设备。但是在电影《星际穿越》中，由于植物枯萎病在地球的蔓延，人类的科研经费已经被削减得所剩无几。但好在布兰德教授还有 LIGO，他最终捕获到了虫洞的出现。

（图 4.9 LIGO 探测器，可以看到其相互垂直的双臂，每条臂长四公里。图片来自 LIGO 官方网站）

在现实世界中，引力波探测也遭遇同样的问题。eLISA 的原版 LISA 项目事实上比 eLISA 更加强大，探测臂长达 5 百万公里，由美国航天局和欧洲航天局共同建造。但是 2011 年由于财政预算被奥巴马政府缩减，NASA 退出了 LISA 的建造。这造成了项目的大幅缩水。引力波在过去的十年间探测困难使得相关项目在各种预算竞争中处于不利地位。Advanced LIGO 的成功将对其他的引力波的项目（如空间项目 eLISA，中国的天琴计划，Pulsar timing array）注入一剂强心针。

引力波的探测将大大加强我们对于引力的理解。不同于其他三种力可以在实验室中进行研究，对引力的研究非常困难。在我们日常接触的大多数领域，广义相对论效应并不明显。我们至今只能通过天体运动、光线弯折等有限的方法研究引力。而这些方法仍然只能探测较弱的引力场，远远触及不到黑洞视界附近最为扭曲的空间。而引力波探测将打开一扇新的窗子，帮助人们了解空间最扭曲部分的动态变化——这种动态过程被基普·索恩称作几何动力学过程——使人们以前所未有的精度理解广义相对论（或者证伪它）。

引力波是否有希望帮助我们理解量子引力理论？可能很难。研究者证明如果可以随意操纵引力波强度，高级文明可以操纵引力波内爆造出裸奇点²，并揭示量子引力的最终奥秘。但从第一次探测到引力波信号，到这一宏伟目标的实现，仍有巨大的差距。

《星际穿越》上映的时候，引力波又何尝不是一个尚存在于科幻与科学边缘的概念？但如今，我们历史性地看到了一个科幻电影中的想象变成坚实的科学事实。

4.6 延伸阅读

在这本小小的电子书中，我们简要地探索了宇宙的各种奇妙物理现象。但限于篇幅，很多问题只能点到为止。在下面，我列出了写作本书时参考的部分有趣的读物。如果读者对于宇宙、太阳系和星际旅行有更多的兴趣，不妨按图索骥。

星云世界的水手 http://book.douban.com/subject/1044773/

星际穿越 http://book.douban.com/subject/26413155/

宇宙的世纪 http://book.douban.com/subject/4723774/

物理宇宙学讲义 http://book.douban.com/subject/1133950/

宇宙 http://book.douban.com/subject/1072767/

谁得到了爱因斯坦的办公室 http://book.douban.com/subject/7067456/

巫师，外星人和星舰 http://book.douban.com/subject/26320244/

火星救援 http://book.douban.com/subject/26586492/

黑洞与时间弯曲 http://book.douban.com/subject/1120886/

Discoverers of the Universe: William and Caroline Herschel

作者说

我是李然，知乎 ID：狐狸先生，博士毕业于北京大学天文系，现在是中国科学院国家天文台的副研究员，算是一个职业天文学研究者。

我的研究兴趣在引力透镜和宇宙学，日常工作是分析夜空中星系图像在引力作用下的扭曲。扭曲的光线为我们揭开了宇宙的黑暗面——暗物质世界。

在业余的时间，我是一个重度的幻想文学爱好者，喜欢在书房柔软的靠椅上神游各种奇异的世界，如果你也被宇宙的神奇所吸引，欢迎来知乎与我交流，我的知乎主页是 https://www.zhihu.com/people/mrfoxlr。

注释

1. eV:电子伏特，是一个能量单位，一个质子的质量是 938meV，也就是 938兆电子伏特。

2. 奇点是黑洞的中心，广义相对论预言这里密度无穷大，体积无限小。这里的物理现象由量子引力定律主导，它是广义相对论和量子力学预言冲突的地方。如果要解开广义相对论和量子力学结合之谜，人类需要观察奇点。但奇点总是藏在黑洞的视界里，人们无法观察到。德克萨斯大学的马修 · 肖普图博士曾用计算机模拟证明，如果高级文明可以任意操纵引力波，他们可以造出一个能够观察到的「裸奇点」。但这种设想远远超出人类今天的科技水平