惠勒
1 在不同的古代文化中有类似宇宙大爆炸的神话传说。比如，在中国的神话中，创世之初有一个中央大帝叫混沌，还有南北两个大帝分别叫倏和忽。混沌经常款待倏和忽，于是倏和忽为了报答混沌，决定为其凿开七窍，但混沌却死在了这场“手术”中。混沌死之前，还生了一个儿子，名叫盘古，盘古开天辟地，才有了我们这个宇宙。
也就是说，我们的宇宙并不像我们平时抬头看天时那样，安安静静的、一点变化都没有，这些都是假象。真相其实是，宇宙在不停地膨胀。发现宇宙膨胀的那个人，就是上一讲中提到的哈勃。哈勃不仅发现了在我们的银河系之外还有像银河系一样的星系，他还发现，这些星系相互之间的距离越来越远。打个比方，宇宙就像一块被拉伸的橡皮，如果我们在橡皮上画上星系，这些星系之间的距离会随着橡皮的拉伸而变得越来越大。
小朋友们可能会问了：“哪里有虫洞？”事实上，虫洞的整体是无法从外面看到的。回到我们前面说的那张蚂蚁爬行的纸，看看蚂蚁能看到什么。那个二维虫洞是用一个圆柱纸片连接两个圆，在蚂蚁爬上圆柱之前，它看到的是一个圆的一边。而这个浮在黑暗太空中的肥皂泡就是虫洞入口球面的一面，只有当我们跨进这个球面，才会进入虫洞，并通过虫洞跑到遥远的宇宙的另一个地方。大家可能还会说，这个看起来像肥皂泡的东西里面好像还有很多天体。没错，这些天体其实在宇宙的另一端，天体发出的光穿过了虫洞，才会被我们看到。电影里的假想虫洞应该很逼真，因为索恩在听到萨根的建议后确实研究了很多年虫洞，还发表了不少关于虫洞的学术论文。
我们在地球上总是能感受到重力，对吧？我们自身有体重，我们伸手拿一杯水也会感受到它的重量。这些重量是哪里来的呢？其实，早在三百多年前，牛顿爵士就已经知道它们来自地球和这些物体之间的万有引力。牛顿发现，所有物体之间都有万有引力，我们在地球上不会飞走是因为地球的引力，地球绕着太阳转是因为太阳和地球之间的万有引力。那么，星系和星系之间有没有万有引力？当然有。因此，两个星系虽然随着宇宙膨胀变得越来越远，但它们飞离彼此的速度会因为引力而变得越来越小。
现在，天文学家已经发现了很多黑洞，包括可以通过合并发出引力波的黑洞（大约是太阳质量的10倍）、银河系中间的超大黑洞（大约是太阳质量的400万倍），以及某些星系中间的超级黑洞（最大能达到太阳质量的上亿倍）。
在我们的银河系内，平均每隔50年就会出现一颗超新星。超新星有不同种类，像我们说的蟹状星云来自一颗不大不小的恒星爆炸。它的质量比太阳大，爆炸之后会留下一颗密度非常大（不过比黑洞要小很多）的中子星。所以别看中子星的体积很小，有的还不如地球大，但它的质量却比太阳还要大。中子星会转动，会发射无线电波。现在，世界上刚刚出现一个最大的接收宇宙中无线电波的望远镜，就是中国贵州平塘县的射电望远镜，它的直径有500米。人们希望用它来发现银河系外的中子星。
有一种神奇的天体来自恒星爆发，它叫超新星。所谓的超新星，顾名思义就是那些超级亮、新出现的星星。前面我们谈到了一类来自恒星的黑洞，其实就是这种爆发留下来的。人类历史记录的第一颗超新星是中国人发现的。当然，那时人类还不知道宇宙中存在超新星现象，所以中国人就将天上突然出现的很亮的星称为客星，因为它们就像新来的客人。《后汉书》中就记录了一颗客星，出现在公元185年，正是东汉末年。到了宋代，公元1054年，又出现了一颗客星，宋代天文学家杨惟德细致地记录了他的观测。这颗客星同时也被阿拉伯天文学家记录了下来。
第谷的人生经历非常传奇。他有一个亲戚是非常富有的大贵族，却没有自己的孩子。所以在第谷出生前，他的父母就与这个贵族亲戚达成了一个协议，说要把第谷过继给这个亲戚。但第谷出生以后，他的父母又后悔了，不想再把第谷交出去了。但大贵族哪有那么好忽悠？那个贵族亲戚直接派人绑架了第谷，从此以后，第谷就过上了贵族的生活。
10 当然，如果我们将时间推到原子核合成之前，就有很多不解之谜。例如，为什么宇宙中有粒子，却没有多少反粒子？苏联物理学家萨哈罗夫对此有一些推测，但需要更多的细节和证据。
12 如果暗物质不是黑洞和温度很低的天体，那它到底是什么？多数人认为是一些新粒子，和我们的物质世界中的粒子不怎么发生作用。中国科学家在锦屏山的隧道中进行了探测暗物质的实验，其结果和目前为止国际上其他类似的实验一样，并没有探测到暗物质粒子。
尽管我们很难走出银河系，但是天文学家可以通过望远镜等各种手段来研究各类神奇的天体，包括远在银河系之外的天体。下面我再给大家介绍几种非常神奇的天体。
48岁的狄基很相信勒梅特的宇宙大爆炸，他不仅相信宇宙大爆炸，还相信这场大爆炸遗留下了充满整个宇宙的电磁波噪声，他甚至还做了计算，算出这种噪声的波长大约就是1毫米。那时，只有很小的一个圈子知道宇宙大爆炸理论，在这个小圈子里，充满整个宇宙的电磁波噪声被称为宇宙微波背景辐射。
6 我们一般用宇宙大爆炸来指宇宙开始含有炙热的粒子的阶段。后来，有人问粒子是从哪里来的？为了回答这个问题以及其他问题，美国人古斯提出了暴涨宇宙。也就是说，宇宙大爆炸只适用于暴涨宇宙之后的宇宙发展。在宇宙暴涨那一刻，宇宙的大小差不多有篮球大小，可能小一些，也可能大一些。
20岁的时候，第谷与另一位贵族子弟在别人的婚礼上发生口角，进而引发了一场决斗。第谷在决斗中被人打断了鼻梁，之后就不得不一直戴一个假的金属鼻梁。盛传第谷的假鼻梁很值钱，是用金子或银子做的。但1901年，有人挖出第谷的墓，发现假鼻梁是铜的。这也很合理，因为铜比金银要轻。第谷死于撒不出尿，而这个毛病据说是因为他在参加一个宴会时，不好意思中途离开，就憋尿憋出了膀胱病。他活到55岁，死后开普勒继任了他的职位，同时也获得了第谷生前不愿意给开普勒的行星资料。可以想象，如果第谷活得更长些，开普勒也许就发现不了行星运动的第三定律。什么是开普勒第三定律呢？它说的是行星绕太阳一周的时间与这颗行星和太阳之间的距离有一个固定的关系。这个第三定律是开普勒行星运动三定律中最重要的，因为它直接导致了万有引力的发现。
伽马暴的爆发其实也是巨大的恒星燃烧到最后的结果，有的可能是黑洞和中子星合并的结果。幸好，目前所有探测到的伽马暴都来自银河系之外，离我们非常遥远。此外，伽马暴发出的能量都集中在一个比较窄的圆锥里，就像是手电筒发出的光。所以，伽马暴扫到地球的可能性是微乎其微的。
他们不相信这是真实的信号，就清除了斗形天线上的鸟粪，但奇怪的信号依然存在。他们以为附近有一个发射电磁波的东西。虽然他们是贝尔实验室的工程师，彭齐亚斯还曾在军队做过雷达军官，知道必须排除军方的信号。可是，无论将天线指向天上的哪个角度，在一天的任何时刻，信号都继续存在，而且仍然是噪声形状。他们不得不得出一个匪夷所思的结论：这个信号来自天空的每一个方向。
9 科学家掌握了原子核合成之后的宇宙发展过程，包括宇宙微波背景辐射的来历，很多元素的合成，恒星的形成，星系的形成……其中有很多曲折的历程。在淼叔做研究生的时候，宇宙发展的这些细节还没有出现呢。
当然，由此还不足以推断出这一小团面刚被放进烤箱时就发生了一场大爆炸。要推出宇宙起源于大爆炸还需要别的东西支持，也就是爱因斯坦的广义相对论。我们在下一讲中会谈谈爱因斯坦的故事。现在，我们暂时不会用到他老人家的高深理论；我们只用一个最简单的现象就能解释为什么宇宙起源于一场大爆炸。
可惜，当时很多条件不够，这部电影没有拍成。萨根不甘心，就把电影剧本改编成小说。1981年，一家名叫西蒙·舒斯特的出版社答应出版萨根的小说，还预先付给他200万美元，这打破了当时的预付金纪录。萨根没有让出版社失望，1985年，小说出版了，名叫《超时空接触》，首印就印了26万多册，并且很快卖完了。出版商赶紧加印，在出版后的前两年，《超时空接触》就卖出了170万册。
16 关于黑洞，我们不得不提霍金。霍金的最大物理学贡献是指出黑洞有温度，但非常低。所以，霍金在有生之年，也很难看到自己的理论被实验证实。
但宇宙大爆炸这个故事并没有被天文学家当真事看待，因为它还缺乏直接证据。一直拖到勒梅特发明“原始原子”这个词之后的三十多年，宇宙大爆炸才被大家接受。这是为什么呢？下面我们就说说这个故事。
我们先讲一个故事。萨根在更早的时候发表过一篇科幻小说，关于虫洞最早的想法是那时就有的。作为天文学家，萨根一直对外星人感兴趣，不仅研究如何在太空中搜索外星人，还想拍一部电影，讲一个寻找外星人的女科学家的故事，当然这个故事是萨根自己编出来的。1979年，他和好莱坞合作拍了这部片子。在拍摄期间，萨根想到一个故事情节：女主角从地球上跑出去了，跑到远离银河系的一个地方。但是那时他并不知道人类如何才能迅速跑出银河系，于是就想出了虫洞这个主意。什么是虫洞呢？建议小朋友们拿一张纸，在纸的两头用笔各画一个小圆。比方说，两个小圆在纸上的距离有20厘米，一只蚂蚁的爬行速度是每秒1厘米，那么这只蚂蚁要花20秒钟从一个小圆爬到另一个小圆。这只蚂蚁无论如何也不可能在一秒钟内就从一个小圆爬到另一个小圆。
2 当然，不论是中国古代神话，还是希腊古代神话和埃及古代神话，都是为了解释天地宇宙的起源而想象出来的，与现代宇宙学不同。这从一点就可以看出：在很多神话中，天与地占有同样重要的位置。今天我们知道，大地只是地球，地球是宇宙中很小的一部分。
第谷
17 如果黑洞很小，比如只有百分之一克那么重，我们就可能在天空中看到黑洞突然爆发，这是霍金的贡献。但是，我们还无法想象这么小的黑洞是怎么来的。
故事的主角彭齐亚斯和威尔逊是两位美国人。彭齐亚斯出生的那一年，比勒梅特想出宇宙大爆炸还晚了一年。这两个幸运的人在1964年遇到了天上掉馅饼的好事，说明“机会总是青睐有准备的人”的说法根本不值得信赖。这句话应该改成“机会其实是死老鼠，有时会碰上瞎猫”。他们遇到了百年难得一见的大发现，并在十四年后获得了诺贝尔物理学奖。
关于霍伊尔，我们还可以讲讲他的其他事迹。尽管他创办了剑桥大学天文研究所，但在五十多岁的时候，他与剑桥大学的领导不和，就离开了剑桥大学，去当一个独立科学家。这种行为如今非常罕见。今天，我们经常能看到不属于任何单位的文学家，但几乎看不到没有单位的科学家。霍伊尔也是一个文学家，除了写点科普，还写科幻小说和电影剧本，一共写了十多部。他最有名的科幻小说叫《黑云压境》，讲述了一个星云来到太阳系的故事。后来人们发现，这个星云具有智慧，人类根本无法伤害它。这种具备高级智慧并试图和人类对话的东西，很容易让人想到一部叫《星际迷航》的电影，以及科幻作家刘慈欣的科幻小说《诗云》。
宇宙微波背景辐射很难用其他的宇宙学理论解释，因此从20世纪60年代开始，大家渐渐相信我们的宇宙真的来自一场大爆炸。后来，科学家又找到了更多关于大爆炸的证据。现在，大家早已放弃了勒梅特“原始原子”的说法，而叫“宇宙大爆炸”。美剧《生活大爆炸》的原名就是“宇宙大爆炸”，可见这个名字多么深入人心。
索恩是惠勒的学生，曾在美国发起探测引力波的实验。2015年，当这个实验终于探测到黑洞合并发出的引力波时，索恩早已退休，但他却因电影《星际穿越》出名了。他是这部电影的编剧之一，也是这部电影的科学顾问，现在，他在美国的知名度大增，主要是因为这部电影。至于引力波的发现，可能会让他获得诺贝尔奖，但不会让他更有名了。
4 正文中提到的阿尔法是著名物理学家伽莫夫的学生。伽莫夫研究原子核，他最先想到，如果勒梅特的宇宙大爆炸理论是对的，那么在大爆炸的最初时期，原子核是不存在的，只存在组成原子核的核子。当温度稍稍降低后，核子才会形成比较轻的原子核，例如氦和锂。
小朋友们肯定听说过黑洞。黑洞是一种最为神奇的天体。爱因斯坦的广义相对论是允许黑洞存在的。但爱因斯坦对这种想法深恶痛绝，一直到他去世的那一年，即1955年，人们也没办法说服他。原因是这样的，假如一颗恒星或者别的天体变成黑洞，它的万有引力就会变得特别大，从而导致它内部所有的东西都跑到一个地方，就连时间也会在那个地方消失——这很神奇、很难想象吧？小朋友们可能会问：“时间消失了是什么意思？”其实科学家也没有弄清楚，只能用很复杂的数学来描述它。如果非要用比喻来解释时间消失，就是任何时钟都不动了；不仅任何时钟都不动了，在时间消失的时候，根本就不存在时钟了。由于这个原因，爱因斯坦根本无法想象有这样的天体存在。
霍伊尔觉得他们的想法很好，就跑到英国的一家电台去做宣传。他管这个想法叫稳恒态宇宙，因为宇宙虽然也在膨胀，但从过去、现在和未来看上去一模一样。他还很鄙视勒梅特、伽莫夫和阿尔法的“原始原子”的想法，就发明了“宇宙大爆炸”这个名字来嘲笑它。当然，后来有越来越多的证据证明宇宙大爆炸是对的，而稳恒态宇宙是错的。不过霍伊尔也是一个很了不起的天文学家，他创建了剑桥大学天文研究所。
5 伽莫夫和学生阿尔法一起写了一篇论文，谈元素在宇宙中是怎么合成的。伽莫夫这个人擅长恶搞，将当时并没有和他们一起研究宇宙的贝塔也加进了论文作者名单中，于是，这篇论文的作者就是：阿尔法、贝塔、伽马（伽莫夫）。
3 根据大爆炸理论，宇宙在开始的时候由一团很热的粒子组成，温度比太阳中心的温度还要高很多。时间越向前推，温度越高，甚至不会有上界。当然，事实不是这样，因为当温度高到一定程度，我们使用的物理学定律就失效了。由于这个极高的温度的确定和普朗克有关，因此它叫普朗克温度，大约是一亿亿亿亿摄氏度。
13 过去一段时间，中国学术界在争论到底是否要建造大型粒子对撞机。建造大型粒子对撞机的目的之一是探测暗物质粒子，但这种尝试有点危险，因为暗物质粒子与粒子之间的作用很可能比我们想象的还要弱很多，这样就不会在粒子对撞机上出现。
霍金
勒梅特这个人放在今天就是一个典型的跨界人物，也就是说他喜欢学习研究很多不同方面的事物。其实，在他那个时代，这样的人有很多，只不过他跨得有点与众不同。他比爱因斯坦小15岁，按今天的话来说，是个90后，不过是早一百年的90后。17岁那年，他进了比利时鲁汶天主教大学，学习建筑工程。20岁时，他中断大学学业，去参加了第一次世界大战，担任炮兵军官，并于战争结束后拿到了棕榈勋章。战后他决定学习数学和物理，同时为成为天主教神父做准备。他跟当时比利时的一个很有名的数学家学习数学，26岁时靠一篇数学论文获得了博士学位。过了三年，他才成了神父，可见，神学对他来说或许比数学更难。成为神父的同一年，他还去了英国剑桥大学学习天文。在小朋友们的眼里，他算不算一个典型的学霸？
其实，这张图中间是两个黑洞，每个黑洞都带着一个发光的盘。为什么要展示两个黑洞呢？因为在2015年，惠勒的学生索恩发起的一个超大规模实验发现了两个黑洞合并发出的引力波。惠勒是一个传奇人物，他的学生索恩也同样传奇。
哈勃是个勤勤恳恳的天文学家，每天用望远镜看星象，并把看到的现象记录下来。但最早从哈勃的记录中发现宇宙在变化的并不是哈勃本人，而是一个比利时的研究神学的天文学家勒梅特。勒梅特不仅第一个发现了宇宙在膨胀，他还由此推测，宇宙在很多年前应该起源于一场大爆炸。他给这个大爆炸起了一个十分有趣的名字：原始原子。
15 淼叔提出过一个与众不同的暗能量理论，叫全息暗能量。在这个理论中，暗能量密度是随着时间变化的。淼叔并不指望在有生之年得到实验的支持，但是能够在有生之年将自己的观点写进一部科普著作是一件荣幸的事情。
我们还没有提到过著名天文学家第谷，这个人在科学史上的地位很高，主要是因为他详细地观测了太阳系中几个行星的轨道，让后来的开普勒总结出了关于行星运动的三大规律，更让牛顿发现了万有引力。其实，第谷还在1572年看到了一颗超新星。1572年11月11日，他在仙后座方向看到了一颗很亮的新的恒星，就对这颗星进行了长时间的观测，直到它1574年3月变暗到看不见为止。第谷长达16个月的观察和记载在学术界产生了很大的影响，因为那时的西方人普遍认为，在行星之上，天空中所有物体都是永恒不变的。通过对这颗超新星的观测，第谷证明了这种说法是错误的。
8 暴涨宇宙可以用来解释我们宇宙中各种壮美结构的起源，这些结构包括恒星、星系以及更大的结构。但现在还没有支持暴涨宇宙最可靠的证据。物理学家还在紧张地为证明暴涨宇宙做实验。
索恩之所以能进入电影圈，得益于他的老朋友萨根，也就是我们在第一讲的最后提到的那个人。据索恩自己讲，1980年，萨根邀请他去参加萨根自己制作的纪录片《宇宙》的首映，同时还建议他和一位名叫琳达的女人一起去。当然，萨根的意思是介绍单身汉索恩认识一下琳达，也许他们将来会在一起。那一次，索恩距离电影圈还很遥远，不懂规矩，在大家都穿正装的情况下穿了一件浅蓝色燕尾服。不过，他就此认识了琳达，而琳达正好是电影圈里的人。尽管后来他们没有在一起，却一直是很好的朋友。
18 尽管如此，霍金的想法揭示了物理学中的一个大难题，就是黑洞的信息丢失问题。黑洞含有信息吗？如果有，到底是怎么回事？
彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙中有无线电信号的消息传到他耳朵里的时候，他正和自己手下的一些人忙于设计实验，寻找这种噪声呢。听到这个消息时，他对手下说：“我们被别人抢先了。”有准备的人没有做出实际发现，而无准备的彭齐亚斯和威尔逊则根本不知道他们发现了什么。霍姆德尔镇和普林斯顿的两拨人跑到一起开了个会，得出结论说彭齐亚斯和威尔逊发现的就是微波背景辐射。他们决定让狄基团队写一篇关于霍姆德尔镇发现的就是宇宙微波背景辐射的论文，而让彭齐亚斯和威尔逊写一篇介绍实验发现的论文。两篇论文一前一后地发表在1965年的《天体物理杂志》上，狄基团队的论文放在前面。但是，诺贝尔物理学奖后来却只给了彭齐亚斯和威尔逊。
前面我们谈了黑洞和超新星，它们都能发出巨大的能量。不过在这些天体之外，还有一种能量更大的天体，那就是伽马暴。
我们已经知道了宇宙一望无际，至少包含2000亿个星系，每个星系又含有1000亿颗以上的恒星。在20世纪，天文学家通过测量遥远天体的距离，才发现我们的宇宙居然这么大。更加开脑洞的发现是，这么大的宇宙居然来自一场大爆炸。
如果要写小说，我们可以这么写：“1964年，新泽西州五月的一个早晨，阳光照在霍姆德尔镇巨大的圆形草坪上，也照在一个以45度角仰望蓝天的仪器上，巨大的斗形喇叭口上，一堆堆鸽粪清晰可见。这一天，31岁的彭齐亚斯同往常一样，吃了早餐就来到辐射计边上的小木屋，检查辐射计在昨天累计的信号。在打印机打出的条状记录纸上，他惊讶地看到满满的都是噪声信号。稍后，比他年轻三岁的威尔逊也到了，彭齐亚斯将记录带递给威尔逊，威尔逊看后也无语了半天。”
他们确实发现了噪声信号，这是一种叫无线电的电磁波，也就是我们平时看电视接收到的那种波。电磁波就像水波一样，有波峰和波谷，两个相邻波峰之间的距离叫波长。彭齐亚斯和威尔逊看到的电磁波噪声的波长大约是1毫米。什么叫噪声呢？我们平时说话的声音不是噪声，大街上乱七八糟的声音是噪声。电磁波虽然不是声音，但同样有乱七八糟的信号，所以也叫噪声。
现在，让我们想象这张纸被放大了很多倍，变成像银河系一样大，但圆柱的长度还是保持不变。连接小圆的圆柱以及两个小圆本身，就组成了能够连接两个本来距离遥远的地方的虫洞了。当然，这是萨根设想的虫洞的二维版本，因为纸片是二维的。他脑中的虫洞是这种二维虫洞在我们真实世界中的版本。
可是，我们生活的世界并不是一张纸片。纸片是二维的，扁平的，而我们的世界是三维的，有三个独立的方向，比纸片多了一维。三维虫洞很难想象，但也可以借助几何学来想象。萨根把这个想法告诉了在加州理工学院工作的索恩，问他爱因斯坦的广义相对论是否可以容纳虫洞。索恩很快做了计算，发现不行，因为构造一个虫洞需要负能量！但我们的世界中所有的能量都是正的，并不存在负能量。于是他就跟萨根讲，这个想法不行，不能用在电影里。但萨根是个天文学家，对世界上各种可能出现的东西态度更加开放，就不理索恩，在剧本里写了一个可以制造虫洞的机器。
索恩曾经和著名宇宙学家霍金打赌。索恩说我们迟早会在宇宙中找到黑洞，霍金说肯定找不到。后来，当然是霍金输了。据霍金说，他之所以愿意打这个赌，是因为他稳赚不赔。因为霍金研究了大半辈子黑洞，非常希望别人能找到它。如果他打赌输了，心里还是会很高兴，因为终于找到黑洞了；如果他打赌赢了，尽管会对找不到黑洞感到失望，但毕竟可以用赢得赌局来作为补偿。
今天，大家相信宇宙起源于137亿年前的一场大爆炸，在最初的三分钟里合成了最简单的元素——氢和氦。这个故事还能解释为什么恒星里有大约四分之三是氢，只有四分之一是氦。当然，除了氢和氦，恒星里也有一点其他元素，霍伊尔就是最早解释这些其他元素来源的人。
现在，将纸折叠一下，让两个小圆相对。我们再用纸做一个圆柱，用圆柱连接原来纸上的两个小圆，如下图所示。如果这个圆柱足够短，短到不到一厘米，蚂蚁当然就可以在一秒之内从一个小圆爬到另一个小圆了。
萨根去世的一年后，也就是1997年，好莱坞终于拍出了精彩的电影，名字也叫《超时空接触》。在电影中，我们可以看到那台制造虫洞的机器，也可以看到女天文学家如何穿越虫洞，但电影并没有展示虫洞的外观。到了2014年，萨根的老朋友索恩的电影《星际穿越》也上映了，里面真的出现了虫洞在我们人类眼里的外观，看起来像一个浮在黑暗太空中的一个很大的肥皂泡。
霍姆德尔镇至今一直以它是发现宇宙微波背景辐射的地点为荣。这不奇怪，因为它毕竟只是一个人口不足两万人的小镇。同样值得骄傲的是，贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利也是在这个小镇发明了晶体管。我们在《给孩子讲量子力学》中已经讲过晶体管的故事了。
我们的宇宙非常神奇，不仅有数不胜数的恒星和星系，还有很多神奇的天体。接下来，我和大家谈谈这些奇妙的天体。
总结一下，在这一讲中我们讲到了宇宙诞生于137亿年前的一场大爆炸。我们的宇宙不是静止不变的，它的年龄也是有限的。在整个宇宙中，存在着大量有趣的天体，例如黑洞、超新星和伽马暴，也许还有一些我们尚未发现的。人类在过去50年中对宇宙的认识发生了很大的变化，在未来的50年中还会发生更大的变化。
与第谷相比，开普勒的人生就凄惨多了。开普勒出身贫寒，一直都没什么钱。第谷死后，开普勒接替他成为神圣罗马帝国的皇家数学家。这听起来还挺高大上的，但事实远没有想象中那么美好。由于不像第谷那样在上流社会拥有广泛的人脉，开普勒只能拿到第谷一半的薪水，而且还常常被欠薪。开普勒结过两次婚，一共有过12个小孩，但大多数都因为贫穷而早早夭折。在1630年，开普勒被拖欠了好几个月的薪水，家里实在穷得揭不开锅了。无奈之下，他只好做了一次长途旅行，跑到当时正在举行帝国会议的雷根斯堡，去找皇帝鲁道夫二世讨薪水。结果不幸的是，开普勒刚到那里就得了一场大病，薪水没有讨到，反而把自己的性命赔了进去。开普勒的苦难并没有到此结束。他死后被葬在了一所教堂，但后来发生的一场延续三十年的战争，把那所教堂、包括开普勒的坟墓都夷为了平地。不过开普勒也有一座永远无法被摧毁的纪念碑，它就矗立在人们的心里。由于对天文学的伟大贡献，开普勒被后世尊称为“天上的立法者”。
开普勒
这个发现很快传到新泽西州的普林斯顿大学，它离彭齐亚斯和威尔逊住的霍姆德尔镇只有几公里。非常有意思的是，彭齐亚斯和威尔逊用的狄基辐射计是普林斯顿大学一位教授发明的，他的名字就是狄基。
黑洞虽然不发光，但能吸引它附近的物质；这些物质在掉进黑洞之前，要么飞快地向黑洞跑去，要么拼命绕着黑洞转，这样就会发光了。其实，多数黑洞外面都会有一圈发光的物质，叫作吸积盘，这些物质是被黑洞引力吸引而堆积在那里的。我们都知道，一个天体外面如果有一个盘，这个盘就会绕着天体转，比如土星外面的那个环，以及我们人类发射的大量卫星。如果不转的话，它就会被天体的万有引力吸得掉下来。下面就是一个黑洞吸积盘的示意图。
后来我们为什么认定1054年的那颗客星是超新星，也就是一颗恒星爆炸的结果呢？这就要说到美丽的蟹状星云，右页的图就是它的照片。蟹状星云很早就被人们看到了，但直到20世纪初，天文学家在对比不同时期的蟹状星云的照片时，才发现它在不断变大，也就是说，这块星云正以一定的速度向外膨胀。由此可以推断，900多年前蟹状星云应该是一颗恒星的大小；正好，1054年古人在同样的位置记录了客星。
14 当然，我们需要保持开放的心态，如果有条件，就要探索未知。目前，宇宙中最大的未知就是暗物质，以及下一讲中将要解释的暗能量。
勒梅特推测，既然速度在将来会变小，那么过去的速度就会比现在大。他用爱因斯坦的广义相对论一算就得出结论，宇宙在开始的时候像一个小原子，就像烤箱中一个小得看不见的面团，嘭的一下被烤炸了。他将这个事情告诉爱因斯坦，爱因斯坦根本不信。
说起“宇宙大爆炸”这个名字，我们不得不提一下英国天文学家弗雷德·霍伊尔，因为这个名字是他发明的。1948年，美国物理学家伽莫夫和他的学生阿尔法一起计算了宇宙大爆炸所导致的微波背景辐射。霍伊尔从来都不相信宇宙大爆炸，看到伽莫夫的论文就火了。一天，他找来两位朋友，去一家小酒馆喝点酒，顺便为宇宙的起源操操心。小朋友们记得，我们前面说过，勒梅特和哈勃发现了宇宙在膨胀，但既要解释宇宙膨胀又要避免宇宙大爆炸可不是一件简单的事。为什么呢？大家想想，在万有引力的作用下，宇宙膨胀会越来越慢，这意味着宇宙在过去膨胀得更快，而那时的宇宙也更小，这让勒梅特得出宇宙在很早的时候一定是个很小很小的火球的结论。霍伊尔和另外两个人——汤米·戈尔德和赫尔曼·邦迪，在酒店喝酒，大概喝多了，灵感就来了。他们合计一下，觉得要避免宇宙大爆炸，就得让宇宙不断在空间中无中生有地产生物质，这样宇宙膨胀的速度就不会变化。
2005年，琳达产生了拍一部科幻电影的想法，想把虫洞放进去，这个想法持续了9年，终于实现了，这部电影就是《星际穿越》。聪明的小朋友马上会说：“我听说过虫洞，可是虫洞到底是什么呢？”
什么是伽马暴呢？我们在《给孩子讲量子力学》中提到过伽马射线，它是一种能量很高的光子。所谓的伽马暴，就是一种能释放出大量伽马射线的天体爆发现象。它的爆发时间可以很短，短到只有百分之一秒，也可以很长，长到超过几小时。伽马暴发射出来的能量有多大呢？这么说吧。如果我们的银河系内有伽马暴出现，而且它发射的能量正好对准地球，那地球上的所有生命都会被毁灭。小朋友们应该还记得，银河系的直径有10万光年。隔着这么远的距离，依然能毁灭地球，大家可以想象伽马暴到底有多可怕。甚至有人猜测，地球历史上的某些生物大灭绝事件就是由银河系内的伽马暴所导致的。关于生物大灭绝，我们会在第四讲中详细说明。
19 也许，黑洞的信息问题和另外一个终极问题有关：虽然我们了解了宇宙大爆炸以及暴涨宇宙，但是，暴涨宇宙又是怎么来的？
不过科幻电影毕竟是电影，天文学家至今还没有在宇宙中找到虫洞。天文学家的确找到了很多黑洞，因为构造黑洞只需要正能量，而且正是过于强大的正能量才将巨大的恒星压垮，形成了黑洞。而虫洞需要负能量，未来人类会找到或者制造出负能量吗？很多物理学家对此不抱任何幻想。但是，如果没有虫洞，人类真的很难走出银河系。
有趣的是，伽马暴其实并不是由天文学家发现的。20世纪60年代，美国和苏联之间的竞赛很激烈，不仅体现在航天方面，也体现在核武器竞赛方面。为了探测苏联人有没有偷偷地试爆核弹，美国在60年代发射了12颗贝拉卫星，这些卫星可以探测到核弹爆炸之后发射的伽马射线。结果，贝拉卫星探测到了大量来自宇宙深处的伽马射线。观测表明，这些射线都来自固定的方向，所以只可能是某个天体发射出来的。伽马暴就这么阴差阳错地被这些军事卫星给发现了。
右图是青年霍金，那时他因病刚刚坐上轮椅。据说，霍金的第一任太太有四分之一的华人血统。霍金的故事现在家喻户晓，我们就不谈了。我给大家讲讲索恩的故事。
右边就是这两人当时使用的巨大仪器，科学家管它叫狄基辐射计。大家可以看到这台仪器有多大，因为彭齐亚斯和威尔逊就站在下面。
1927年他发现宇宙膨胀时，已经33岁了。这个年纪在当时不算特别年轻，因为爱因斯坦做出好几个重大发现的时候才26岁，但是，在今天的科学界，33岁是个很小的年纪，好多人才刚刚在大学里任教。可惜的是，他将宇宙膨胀这个了不起的发现发表在比利时一家很不出名的刊物上了，导致后人误以为哈勃才是第一个发现宇宙膨胀的人，还将一个定律安在哈勃头上。但爱因斯坦知道勒梅特发现了宇宙膨胀，因为他们在这一年碰面了，不过，爱因斯坦当时根本不相信宇宙是膨胀的，他和其他人一样，相信宇宙就像我们仰望天空时看到的那样，是静止的。他对勒梅特说了一句著名的话：“你的计算是正确的，可你的物理是恶毒的。”这句话真的很恶毒。过了五年，他俩在比利时又遇上了，这个时候，勒梅特不仅认为宇宙在膨胀，还发明了宇宙大爆炸理论，这下彻底得罪了爱因斯坦。但勒梅特一点也没有灰心，1935年，他趁着爱因斯坦去美国巡回演讲时，找了个理由陪同爱因斯坦，不停地给爱因斯坦讲他的宇宙大爆炸。到了最后，爱因斯坦终于相信了，并且鼓掌说：“这是我听到的最美妙、最让人满意的宇宙创生故事”。
黑洞还有一个特点，就是在黑洞的最外层，引力大到连光都跑不出来，这正是这种神奇的天体被叫作黑洞的原因。这个名字是由美国物理学家惠勒在1969年提出的。从那以后，人们才开始相信黑洞真的存在，并且推测，如果一颗恒星的质量是太阳的8倍，它燃烧到最后一定会变成黑洞。
延伸阅读
右边这张艺术照片模拟了科幻电影《星际穿越》中名叫卡冈都亚的黑洞，这颗黑洞有一亿倍的太阳那么重。它当然是电影导演诺兰和电影编剧之一兼科学顾问索恩想象出来的，艺术照片也是通过电脑特效制作出来的，但十分逼真。
7 暴涨宇宙是怎么回事呢？是这样的，宇宙在空空的、没有粒子的时候，经过了一段十分短暂的迅速膨胀期，从一个微观的宇宙膨胀到一个篮球的大小，且是一种巨大但不是粒子的能量使宇宙迅速膨胀。物理学家对这种能量有好多种猜测，但并不确定。在迅速膨胀结束后，驱动宇宙暴涨的能量变成了粒子。
彭齐亚斯后来成了一个科学与技术团队的老板，甚至还跑去经商。从1998年开始，他成了世界最大风险投资公司之一的恩颐投资的合伙人，那时他65岁，刚从贝尔实验室退休。可见，科学家要去赚钱，什么时候开始都不晚。
聪明的小朋友会问：“为什么根据宇宙在膨胀就能推论出宇宙起源于大爆炸呢？”我们前面用一块被拉伸的橡皮来比喻宇宙膨胀，但这个比喻还不够好。这里有一个更好的比喻：将宇宙想象成一个在烤箱中的巨大的面包，随着加热，这块面包变得越来越大，因此，在过去的某个时刻，这块膨胀的面包一定是一小团面。
刚才我们说过，超新星在银河系内平均每50年才爆发一次，但是，如果我们把望远镜指向银河系外，能看到的超新星就多得多了。一般来说，业余的天文爱好者以及专业的天文学家一年能发现好几百颗。
当然，银河系内伽马暴的爆发导致了地球上的生物大灭绝只是一种猜测，但也有这种可能。所有的伽马暴都只能出现在星系早期的历史中；由于我们的银河系已存在了好几十亿年，它就不会再出现伽马暴了。为什么有这种猜测呢？因为目前看到的所有伽马暴都离我们很遥远，这意味着当我们发现它们的时候，距离它们的爆发时间已经过去了好几亿年。
11 另外，早在20世纪30年代，美国天文学家茨维基就觉得星系中存在暗物质。现在，暗物质的存在被主流天文学家接受。大家一致认为暗物质不会是黑洞和温度很低的天体。
