开始之前：写给读者

一天的工作结束时，我们很多人都会到外面待上一会儿。也许是走去车站，也许是出门倒垃圾，也许是在等一个班次开始。有时，并没有特意去想，我们就抬起了头。那里有月亮，或者一颗明亮的星星，运气好的夜晚，还能看见满天繁星。而在那样安静的片刻里，一个古老的问题有时会重新浮上心头：这一切究竟从何而来？

这本书想用温和的方式回答这个问题，每晚讲一点。它讲述的是宇宙如何开始的故事，按照人们今天的理解：宇宙曾经极其炽热、极其致密；大约138亿年来，它一直在膨胀、冷却；最早的原子、最早的恒星和最早的星系是怎样形成的；又过了很久很久，太阳、地球以及我们自己身体里的原子是怎样出现的。它也会稍微简短地讲一讲，人们是怎样弄清这些事情的。许多伟大的发现，都是人们在工作中做出的：一位受雇在玻璃底片上测量恒星的女性，两位想要去掉天线里一阵噪声的工程师，一位用铅笔和纸推演自己想法的物理教师。

这个故事分十五个夜晚讲完，每一章就是一个夜晚。每章开头，都是努尔的一个工作日。努尔是一名宇航员，正在地球上空高处的一座空间站上度过六个月。她的工作排满了日程、检查清单、小修小补和漫长的工时，和地面上的许多工作很像。她一天里的某件事会引出一个问题，而这个问题又引出当晚的故事。入睡前，努尔会给弟弟萨米发一条简短的消息。萨米夜里开送货卡车，在休息时读她的消息。努尔、萨米和空间站上的乘组成员都是虚构的人物，这座空间站也不是真实存在的，但他们过的生活，和真正的宇航员的生活很接近。

每一章的结尾，都有几条常见的误解：许多人对宇宙或对太空生活的一些看法，其实并不完全正确。写下它们，并不是为了让谁觉得自己傻。几乎每个人都曾在某个时候相信过其中的一些，包括在事实被弄清之前的许多科学家。仔细看一看一个误解，往往是理解真相最容易的途径。

如何阅读这些夜晚

读这本书，不需要任何科学背景。每个新词第一次出现时都会有解释，而解释用的都是日常的东西：在烤箱里慢慢膨起的面包，一辆鸣着警笛驶过的车，一杯水，一个到天亮才结束的长班。如果某一部分读起来有些难，接着往下读也没关系。下一个夜晚常常会让它变得更清楚。

读一章大约需要二十分钟。这些章节最好按顺序读，一晚一章，就像一组讲给大人听的睡前故事。前面的夜晚收集线索，后面的夜晚运用这些线索。不过不必着急。如果你在一个安静的周末读了两章，而在忙碌的一周里一章也没读，宇宙会等着你。它已经等了非常非常久了。

书中的数字都经过了取整，大多数前面都带着“大约”二字。天文学家能非常精确地测量许多东西，但对于一个在夜里讲的故事来说，一个整数更容易记住。凡是尚未弄清的事情，书里都会直接说明。关于宇宙的开端，还有许多事情没有人明白，而一些最有意思的问题至今仍悬而未决。

最后，在阅读的时候，你也许会喜欢时不时抬头看一看。你不需要望远镜，也不需要一座漆黑的山。一扇窗户、一个门口，或者下班后短短的一段散步就够了。那些夜晚你看到的光，也是这本书所讲的同一个故事的一部分。

现在，空间站上的第一个工作日快要结束了。努尔很累，在失重中她的脑袋感觉怪怪的，窗外的星星正在升起。让我们陪她一起，度过第一个夜晚。

第1章　黑暗中的一个问题

第1夜：睡袋里的第一个夜晚

努尔在空间站上的第一个工作日开始得非常早，远在她抵达空间站之前就开始了。她在地面上一间小屋里醒来，安静地吃了早饭，穿上飞行服，和乘组的伙伴们一起爬进一枚高大火箭顶端的飞船舱。发动机点火几小时后，飞船与空间站对接，舱门打开，已经住在站上的人们带着疲惫而快乐的面容，迎接新来的乘组。

这一天余下的时间，排满了细小而谨慎的工作。努尔记住了应急设备存放在哪里。她练习了去往自己睡眠舱的路线，靠抓着扶手把自己往前拉，因为她的脚已经用不上地板了。她打开一个包，拿出衣服、牙刷和一个笔记本，把每样东西都固定好，因为在空中任何没有固定的东西都会飘走。到了傍晚，她的脑袋感觉又胀又沉，这在失重的最初几个小时里很常见，她的手也有点笨拙。指令长托马斯告诉她，这很正常。科学家阿德说，他第一天晚上十分钟里就丢了三支笔。

一天结束时，努尔来到那间带着大窗户的小圆舱。这扇窗户由好几层厚厚的玻璃组成，透过它，她能看见地球的弧线缓缓滑过。蓝色的海洋，白色的云，然后是行星边缘那条细细的、明亮的大气线。她看着看着，空间站进入了地球的夜半边。地面暗了下去，地面之上的天空布满了星星。

在地球黑暗的一面，她能看见城镇的灯光像撒落的白糖一样散布在大地上，远处还有云层里一场雷暴闪烁的白光。不到一小时后，地球边缘出现了一条细细的橙色和蓝色的线，太阳又升起来了。托马斯飘到她身边，说从现在起，她每二十四小时会看到大约十六次日出和十六次日落。他解释说，空间站使用一个和地面团队约定好的统一时钟，这样即使太阳每一个半小时就升起一次，乘组也能按照规律的作息睡觉、吃饭和工作。

后来，努尔钻进睡袋拉好拉链。睡袋固定在一间窄柜子大小的睡眠舱的墙上。她读了弟弟发来的消息。萨米夜里开送货卡车。他在休息时读消息，大约在凌晨三点，车停在一条安静的路边。他的消息很短：“很高兴你平安到达。给你一个问题，因为你比我们任何人都离天空更近。这一切是怎么开始的？我是说所有的一切，整个宇宙。”

努尔在黑暗中笑了。对一间这么小的睡眠舱来说，这是一个非常大的问题。不过她心里已经有了十五个夜晚，分布在她在空间站上的六个月里，于是她决定慢慢回答，每晚讲一个故事。这本书跟随的就是这些夜晚。如果你愿意，也可以用同样的方式来读：在你自己的工作日结束后，每晚读一章。

最古老的问题

萨米的问题，也许是人类问过的最古老的问题。远在有望远镜之前，远在有文字之前，人们就仰望夜空，想知道它是从哪里来的。几乎我们所知道的每一种文化，都讲过关于世界开端的故事。有的故事从水开始，有的从一枚蛋开始，有的从黑暗开始，有的从一片巨大的寂静开始。这些故事在火堆旁讲述，讲述者是那些在田野和海上劳作了一整天的人，他们和我们一样充满好奇。

这些故事承担着许多重要的作用。它们让人们感受到自己在世界上的位置。它们用孩子也能记住的方式解释季节和星辰。它们把价值观一代一代传下去。科学并不想取代这样的意义。它问的是一个更窄的问题：通过仔细观察宇宙本身，测量我们所看到的东西，并一次又一次地检验我们的想法，我们能对开端了解到什么？

在人类历史的大部分时间里，这个更窄的问题其实还无法真正提出。人们可以非常仔细地观察太阳、月亮和行星，许多文化也根据观察制定出了出色的历法。但要研究整个宇宙的开端，天文学家需要两样大约一百年前才出现的东西：大到足以看见非常遥远星系的望远镜，以及强大到足以描述整个宇宙的引力理论。这个理论，也就是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，出现在1915年。大型望远镜也大约在同一时期出现。直到那时，这个古老的问题才可能成为一个科学问题。

事实证明，这个更窄的问题威力非常大。在过去大约一百年里，天文学家对早期宇宙的了解，比之前所有世纪加起来还要多。他们是慢慢做到的，靠的是耐心的工作。这本书里的许多发现，都是那些只是在做自己工作的人做出的：在照相底片上测量恒星，排除天线里的噪声，深夜核对数字。他们一个个工作日积累起来，汇成了一个他们之中任何人都无法独自讲出的故事。

这也是一个有空白的故事。其中有些部分已经了解得非常清楚，并用许多不同的方法检验过。另一些部分仍然悬而未决，科学家们还在争论。在这十五个夜晚里，我会尽量讲清楚哪些属于前者，哪些属于后者。凡是已经知道的，我会说明；凡是还不知道的，我也会说明。不知道并不是失败。它只是下一个工作日开始的地方。

简短的回答

在讲长故事之前，先给出简短的回答，也就是能写在一张卡片背面的那种。大约138亿年前，宇宙极其炽热，也极其致密。如今散布在整个天空中的一切，每一颗恒星、每一个星系，当时都挤在一起，处于一种比任何恒星的中心都还要热的状态。从那以后，宇宙一直在膨胀、冷却。随着它冷却下来，最早的粒子形成了，然后是最早的原子，再然后是最早的恒星和星系，又过了很久，才有了太阳、地球和我们。

这就是核心的想法。这本书里其余的一切，都是在填充它。138亿年这个数字太大了，很难有切身的感受。一种开始的办法，是把它和人的一生相比。如果你活到八十岁，那么宇宙的年龄相当于你的一生的一亿七千多万倍。另一种办法我们会在最后一个夜晚用到：把整个历史压缩进一个工作日里，看看每个小时都发生了什么。

你会经常听到人们把这种早期的炽热状态叫作“大爆炸”。这是一个很有名的名字，这本书里也会使用它，但它只是一个名字。它并不意味着曾经有过一声巨响，也不意味着有什么东西在一个空房间里爆炸了。在后面的某个夜晚，我们会遇见给它起这个名字的人，并会看到他自己其实并不相信这个想法。眼下，只要记住：大爆炸指的是炽热、致密的早期宇宙以及它的膨胀。

为什么一个正在膨胀的宇宙也会冷却呢？你也许亲手感受过答案。当你连续使用一个喷雾罐一会儿，罐子会变凉，因为里面的气体在喷出时向外扩散开了。而当气体被压缩时，它会变热，这就是为什么用力打气之后，打气筒底部会发热。宇宙在极其巨大的尺度上遵循着同样的规律。在数十亿年间，随着空间不断伸展，其中的一切都扩散开来并冷却下来，从地球上任何东西都无法比拟的高温，一直降到今天太空中的深寒。

这个简短的回答还漏掉了一件重要的事。它没有告诉我们开端是由什么引起的，也没有告诉我们开端之前是否还有什么。这些问题都属于尚未解答的问题。关于早期宇宙的科学，描述的是最初那一刻之后发生的事，而且描述得非常好。至于最初那一刻本身，科学家们会诚实地说，他们还不知道。

怎么可能有人知道？

第二天夜里，萨米又提了一个问题，而且问得很好：“几十亿年前发生的事，怎么可能有人知道？当时又没有人在场。”这是每个认真的人都应该问的问题。我们无法回到过去，也无法在实验室里让宇宙重来一遍。那么，天文学家究竟凭什么知道宇宙开端的任何事情呢？

答案是，过去留下了线索，就像一辆卡车开进修理厂时，修理工能读出的那些线索一样。一个好的修理工看一看磨损的刹车、漆面上的一道划痕和轮拱里的泥巴，就能告诉你很多关于这辆卡车去过哪里的事，尽管她当时并不在驾驶室里。天文学家对宇宙做的事情与此相似。他们观察现在这里有什么，然后问：怎样的历史才会造成这一切？

主要的线索有三条，接下来的几个夜晚会逐一讲述。第一条线索是，星系，也就是布满宇宙的那些巨大的恒星家族，正在彼此远离。如果它们现在正在远离，那么过去它们一定离得更近。第二条线索是一种来自天空中每个方向的微弱光芒，它是现存最古老的光，是整个宇宙还炽热发光的那个时代留下来的。第三条线索是最轻的几种原子，也就是氢和氦的比例，它们存在的量恰好就是一个炽热的早期宇宙应该造出的量。

这些线索中的任何一条，单独来看，也许都能用别的方式来解释。真正让大多数科学家信服的是，三条线索都指向同一段历史，而且后来用越来越好的仪器所做的测量，也一直与它相符。科学的很大一部分就是这样运作的。不是靠一个戏剧性的证明，而是靠许多耐心的检验彼此吻合。

有一种检验特别有说服力。那就是一个想法预言了某种还没有人见过的东西，后来，真的有人找到了它。如果一个修理工说：“根据这处磨损，我估计那块面板后面有一颗松了的螺栓。”而那颗螺栓果然就在那里，你就会更加信任这个修理工。在早期宇宙的故事里，这样的事不止发生过一次。比如最古老的光，就是在1948年被预言、在1965年被偶然发现的，我们会在后面的某个夜晚讲到。

还有第四个帮手，让这一切成为可能，那就是光本身。光的传播需要时间。当我们看一个非常遥远的东西时，我们看到的是光离开它时它的样子。这意味着望远镜也是一种时间机器，只不过它只能看，永远不能去拜访。光将是下一个夜晚故事的主题。

一本十五个夜晚的书

下面是前方旅程的大致样子。在接下来的夜晚里，我们会跟随光这位信使，了解天文学家是怎样发现宇宙远比任何人想象的都要大。我们会看到他们是怎样发现星系正在彼此远离的，以及把这部影片倒着放意味着什么。我们会遇见最古老的光，了解在最初几分钟里发生了什么，那时最轻的原子被造了出来，甚至还会了解更早的时候，那时还根本没有原子。

在那之后，故事又向前推进。我们会看着最早的恒星在漫长的黑暗之后亮起来，看看星系是怎样成长的。我们会了解你自己身体里的原子是怎样在恒星内部造出来的，太阳和地球又是怎样诞生的。然后我们会转向那些巨大的未知：那种被称为暗能量的奇怪推力，以及我们所能看到的范围最边缘处的种种问题。在最后一个夜晚，努尔会收拾行李准备回家，我们也会把整个故事放在一起看一遍。

每个夜晚都有同样简单的结构。首先，我们跟随努尔度过她在空间站上一个工作日的一部分。然后是当晚的故事。接着我们回到空间站，在入睡前安静地待上几分钟。每一章的结尾，都有一小节讲常见的误解：许多人持有的、往往也有充分理由的、但并不完全正确的想法。把它们清理掉，是最温和的学习方式之一。

读这本书不需要任何科学背景。每个新词第一次出现时都会有解释。如果某个数字大得让人无法想象，那也没关系。天文学家其实也无法真正想象这些数字。他们谨慎地使用它们，能取整时就取整，同时保持着自己的好奇与惊叹。

给萨米的消息

努尔给弟弟的第一个回答很短，因为她实在太累了。她写道：“简短版：大约138亿年前，一切都很热，紧紧挤在一起，从那以后就一直在扩散、冷却。完整版要讲十五个夜晚。路上注意安全。”

在她关掉消息之前，阿德在回去睡觉的路上飘过她的睡眠舱，看到了她手里的笔记本。她跟他说了萨米的问题，他轻声笑了，说这是最好的那种问题，因为谁也不可能在一个晚上回答完。“十五个夜晚也许都不够，”他说，“不过这是个好的开始。”

然后她关掉了睡眠舱里的小灯。刚开始，失重会让睡觉变得很奇怪。没有枕头向上托着，下面也没有床垫，她的双臂在身前飘着，直到她把它们塞进睡袋里。窗外，空间站继续前行，大约九十分钟绕地球一圈，进入白昼的一面，又再出来。在下方很远很远的某个地方，大约凌晨三点，萨米会把卡车停好，打开手机，读她写的话。

也许你正在自己漫长的一天结束时读着这些文字。如果可以的话，睡前到外面待一分钟，或者望向窗外，找到一颗星星。你不需要知道它的名字。只要留意到：它的光走了非常非常远的路才来到你这里，而你和那颗星星属于同一个宇宙，身后有着同样漫长的历史。故事就从这里开始。

常见的误解

许多人以为，宇航员之所以飘浮，是因为太空中没有引力。这个错误很容易犯，因为照片看上去确实就是那样。但是在空间站所在的高度，也就是离地面大约400公里的地方，地球的引力仍然有地面上的大约十分之九那么强。如果你能建一座那么高的塔并站在塔顶上，你仍然会感到自己平常体重的将近十分之九。

飘浮的真正原因，是空间站和里面的每一个人都在下落。他们一直在下落，朝着地球下落。但空间站同时也在以非常快的速度横向运动，速度约为每小时28,000公里。它下落的时候，地球弯曲的表面也在它下方向远处退去，所以它永远不会离地球更近。它不是落向地球，而是一直绕着地球下落。因为努尔、她的伙伴们以及每一支笔、每一把牙刷都以同样的速度一起下落，所以没有任何东西压在别的东西上。这就是我们称为失重的感觉。

许多人还以为，大爆炸是一场发生在空旷空间中某一点的爆炸，就像黑暗天空中的一朵烟花，一切都从一个中心向外飞散。这大概是关于宇宙开端最常见的误解。据我们所知，外面并没有一片等着被填满的空旷空间，也没有中心。早期那种炽热、致密的状态同时存在于每一处，而从那以后一直在伸展的，是空间本身。这个想法并不容易，我们会在接下来的夜晚里慢慢回到它。

最后，有些人以为科学家声称自己对宇宙的开端无所不知，另一些人则以为科学家几乎什么都不知道，只是在猜测。这两种看法都不对。故事的某些部分，比如宇宙的膨胀和最古老的光，都经过了非常仔细的测量，并用许多方法检验过。另一些部分，比如最初那一刻，以及暗物质和暗能量究竟是什么，确实是未知的。读这本书的一个好办法，就是把这两点都记在心里：在证据充分的地方保持信心，在证据不足的地方保持开放。在这本书的下一个夜晚，我们将从那位把所有这些证据带给我们的信使开始：光。