如果宇宙可以伸縮

前言  宇宙是一張可伸縮的地圖

PART 1  10²⁷~10¹⁴米的14個宇宙：包羅萬象的浩瀚遠景  
1 從一顆散發著微光的塵埃到整個星系
2 看不見的黑暗與空白
3 萬物，過去和現在

PART 2  10¹³~10^-1米的15個宇宙：生命存在的現實世界 
4 行星的生存家園  
5 我們稱之為地球的世界
6 生命的法則，未曾停止的探索

PART 3  10^-2~10^-35米的34個宇宙：萬物從有到無的虛空
7 消失在宇宙背景中的物質碎片
8 亞原子世界，開啟尺度顛覆之門
9 難以置信的空洞
10 時空深處的旅程終點

知識連結
注釋
致謝
 

前言
宇宙是一張可伸縮的地圖
 
你想知道自古以來最史詩級的故事嗎？

很久以前，你體內的原子遍佈在幾萬億千米大小的空曠宇宙中。過去的幾十億年裡，從來沒有任何跡象表明，這些原子最終會組合在一起，成為你的眼睛、皮膚、頭髮、骨骼，或是你大腦中的860億神經元。

這些原子中有很多來自恒星的深處——可能是好幾顆恒星，它們自身可能相隔幾萬億千米之遠。隨著這些恒星發生爆炸，它們向外噴吐出灼熱的氣流，這些氣流裹挾著物質，填進了幾十億星系中一個星系的一小部分，排列在幾乎一萬億兆千米的時空中。

儘管這些原子零散地分佈在宇宙中，但它們最終變成了我們的世界——地球的一部分。它們逐漸冷卻，慢慢聚集在一起，因重力而沉降，形成新的物質，比它們漂浮在宇宙中時的密度大一千萬億倍。經過大約45億年，它們漸漸形成了各種不同的樣子。
這些原子中的一部分形成了最早的複雜生命的微觀氣泡，那時那些複雜生命仍棲身於空空蕩蕩的海洋和大陸。而正是這部分原子，遨遊在整個地球環境中時，不斷地被釋放，被吞併。

它們存在於一隻，或者可能是幾千隻三葉蟲的殼上。它們存在於觸鬚中，根莖上，腳上，翅膀上，血液中，以及這之間的無數細菌上。當一億年前，這些生物向外看向太空時，有些原子就漂浮在它們的眼前。而另外一些可能在恐龍蛋的卵黃中紮了根，或者就附著在冰河世紀時期一隻生物呼出的氣體上。對其他一些原子來說，這是它們第一次被整合進活的有機物裡，而在這之前的漫長歲月裡，它們在海洋和雲朵中，在幾萬億滴雨滴或者幾十億朵雪花中穿行。現在，在這一瞬間，它們就在這，創造了你。

每個原子本身都是一種一百億分之一米大小的化合物——恰好處於一個我們看得見的現實和量子世界之間的宇宙邊緣。電子佔據了原子空間的大部分區域。中子和質子聚集在原子核周邊，比原子本身小十萬倍，而它們本身由其他更小的東西組成：誇克和膠子。電子可能沒什麼實際意義上的大小，但也可以認為電子比原子核要小一千萬倍。138億年前的某一刻，所有原子的所有這些化合物都被擠壓在一個非常非常小、有巨大能量的時空源頭裡。雖然這個源頭現在已經擴大了很多，但我們仍然處於這個封閉空間之中，和那些可能存在于十億光年之外的東西一起存在於此。即使是在現在，我們也並非真的毫無聯繫。

這是個相當離奇的故事，然而它並非虛構。這是我們現在對過去138億年裡究竟發生了什麼所做出的最好的推測與講述了。

《如果宇宙可以伸縮》試圖挖掘出這個故事的更多部分，讓你能夠認識到我們對於整個自然界知道（或不知道）些什麼。為了做到這一點，我們將會採取一種行之有效的方法，也就是做一個簡單的假設：用放大了10倍的視野來觀察宇宙，從宇宙可觀測的邊緣直達現實最深處。

遊歷於不同尺度下的自然界這一奇思妙想並非新近才出現的，這一想法在科學上的實現最早可追溯至1665年出版的羅伯特·胡克（Robert Hooke）著作《顯微術》。類似的還有1957年基斯·博克（Kees Boeke）的開創性巨作《宇宙觀：40次跳躍中的宇宙》（Cosmic View: The Universe in 40 Jumps），1968年加拿大國家電影局（National Film Board of Canada）發行的短片《宇宙伸縮》（Cosmic Zoom），1977年查理斯·伊姆斯和蕾·伊姆斯導演的《十的次方》（Powers of Ten），以及隨後的眾多衍生物，它們充分展示了我們對宇宙之旅的普遍的愛。

似乎現在到了拿出一些成果的時候了，我們不僅需要引入全面更新的核心材料，還應將重心更聚焦於宇宙錯綜複雜的連線性上。與我手裡的原子相關聯的，可能是另一邊的原子，或者另一顆行星上的原子，或者橫跨大半個宇宙的原子。在我們身上起作用的物理原理，在其他尺度上、其他宇宙時間中也同樣有效。在我們日常生活中出現的形態和層展現象（emergent phenomena），會以無數驚人的方式在自然界中共用同樣的規則與特質。

無論是手指和腳趾的數量，還是現代數學與測量單位，我們總能看到10的冪這種概念在10的倍數和1/10間來回變換。將這些連續的量級放在一起，我們就擁有了一種語言，用來表達遠在我們日常經驗之外的宇宙連續性與相關性。10的冪讓我們在宇宙萬物與空無一物間自由伸縮。

這本書只是概要，如果你願意的話，叫它小抄也行。這本書並不能詳述宇宙歷史及其內容的每一個精確細節。相反，它會把我們所知的現實世界看作一張可伸縮的、有著預設途徑的地圖。用電子遊戲來比喻的話，本書就是一種“鐵軌射擊遊戲”（rail shooter）。只不過這條軌道是沿著宇宙的物理尺度鋪展開的——從頂端開始，一直縮小到底部。

在我們書寫並以圖表展現這段旅程時，我們不斷地苦苦思索如何建設這條鐵路。宇宙有著三維的空間，而其中棘手的那個，我們稱之為時間。在這一路上，有數以萬億有趣的東西值得一看。而我們試圖在“總覽全線”與“確保觀覽了絕妙景點”之間找到平衡。

在這一旅途中，某些地方真的很有挑戰性——甚至在第1章，你就需要辨別暗物質、擴張的宇宙，甚至更奇怪的東西，比如多維宇宙，以及多維版本的你。在第3章，你會看到太陽系的宏偉起源。到了第6章，你會困惑於意識的本質。而在第9章，你需要瞭解量子力學的闡釋方式。別擔心，書中精美的插圖和資訊圖表將會照亮你的前路，為你指引方向。

我們對現實的種種觀感融匯在一起，形成了光怪陸離的資料與知識。我們希望，在找尋自己與這些資料、知識間的關聯時，你能樂在其中。記住，這是任何一個人的宇宙，當然，也是你的宇宙。