前言

宇宙是一張可伸縮的地圖

很久以前，原子遍布在直徑達(dá)幾萬億千米的空曠宇宙中。過去的幾十億年里，沒有任何跡象表明，這些原子最終會(huì)組合在一起，成為你的眼睛、皮膚、頭發(fā)、骨骼，或是你大腦中的860億個(gè)神經(jīng)元。

這些原子中有很多來自恒星的深處，也許是好幾顆恒星，它們之間相隔幾萬億千米之遠(yuǎn)。當(dāng)這些恒星發(fā)生爆炸時(shí)，它們向外噴射出灼熱的氣流，氣流裹挾著一些物質(zhì)向外擴(kuò)散，并填滿了一個(gè)星系的一小部分，這個(gè)星系存在于一個(gè)直徑幾乎達(dá)1024千米的時(shí)空中，而在這個(gè)時(shí)空中，與它相似的星系有數(shù)千億個(gè)。

盡管這些原子零散地分布在宇宙中，但它們最終演變成了我們的世界，成了我們地球的一部分。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(zhì)，其密度幾乎比它們飄浮在宇宙中時(shí)的密度大了1021倍。經(jīng)過大約45億年，它們漸漸變成了各種不同的樣子。

這些原子中的一部分形成了最早一批復(fù)雜生命的微觀氣泡，那時(shí)，那些復(fù)雜生命仍棲身于空空蕩蕩的海洋和大陸之中。而正是這部分原子遨游在整個(gè)地球環(huán)境中時(shí)，不斷地被釋放，被吞并。

它們存在于一只，也可能是幾千只三葉蟲的殼上。它們存在于生物的觸須中，根莖上，腳上，翅膀上，血液中，以及這之間的無數(shù)細(xì)菌上。當(dāng)1億年前，這些生物向外看向太空時(shí)，有些原子就飄浮在它們的眼前，而另外一些可能在恐龍蛋的卵黃中扎了根，或者附著在冰河世紀(jì)時(shí)期一只生物呼出的氣體上。對(duì)其他一些原子來說，這是它們第一次被整合進(jìn)活的有機(jī)物中，而在這之前的漫長(zhǎng)歲月里，它們一直在海洋和云朵中、在幾萬億滴雨滴或者幾十億朵雪花中穿行。現(xiàn)在，在這一瞬間，它們就在這里，構(gòu)成了你。

每個(gè)原子本身都是一種直徑約一百億分之一米大小的化合物，恰好處于一個(gè)宇宙的邊緣，處于我們?nèi)庋劭吹靡姷默F(xiàn)實(shí)世界和看不見的量子世界之間。電子占據(jù)了原子空間的大部分區(qū)域。質(zhì)子和中子聚集在原子核周邊，原子比它們大10萬倍，而它們本身由其他更小的東西組成：夸克和膠子。我們可以說電子不具備實(shí)際意義上的大小，也可以說原子核比電子大1000萬倍。在138億年前的某一刻，所有原子構(gòu)成的所有化合物都被擠壓在一個(gè)極其狹小卻擁有巨大能量的時(shí)空源頭中。雖然這個(gè)源頭現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)大了很多，但我們?nèi)祟惾匀惶幱谶@個(gè)封閉空間之中，與那些可能存在于10億光年之外的東西一起存在于此。然而，我們并非與外界毫無聯(lián)系。

這是一個(gè)相當(dāng)離奇的故事，它并非虛構(gòu)，關(guān)于過去138億年里究竟發(fā)生了什么，這是我們所能做出的最好的推測(cè)與講述了。《如果宇宙可以伸縮》試圖挖掘出這個(gè)故事的更多部分，讓你能夠認(rèn)識(shí)到人類關(guān)于整個(gè)自然界知道（或不知道）些什么。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們將會(huì)采取一種行之有效的方法，也就是做一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)：用放大了10倍的視野來觀察宇宙，從宇宙可觀測(cè)的邊緣直達(dá)現(xiàn)實(shí)最深處。

“游歷于不同尺度下的自然界”這一奇思妙想并非新近才出現(xiàn)的，這一想法在科學(xué)上的實(shí)現(xiàn)最早可追溯至1665年出版的羅伯特·胡克（Robert Hooke）的著作《顯微制圖》（Micrographia）。類似的作品還有1957年基斯·博克（Kees Boeke）的開創(chuàng)性巨作《宇宙觀：40級(jí)跳躍中的宇宙》（Cosmic View: The Universe in 40 Jumps），1968年加拿大國(guó)家電影局（National Film Board of Canada）發(fā)行的短片《宇宙伸縮》（Cosmic Zoom），1977年查爾斯·埃姆斯和蕾·埃姆斯導(dǎo)演的《十的次方》（Powers of Ten），以及隨后的眾多衍生物，它們充分展示了人類對(duì)宇宙之旅的普遍熱愛。

現(xiàn)在似乎到了拿出一些成果的時(shí)候了，我們不僅需要引入全面更新的核心材料，還應(yīng)將重心聚焦于宇宙錯(cuò)綜復(fù)雜的連接性上。與我手里的原子相關(guān)聯(lián)的，可能是另一邊的原子，或者另一顆行星上的原子，又或是橫跨大半個(gè)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(shí)間中也同樣有效。我們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)的形態(tài)和層展現(xiàn)象（emergent phenomena），會(huì)以無數(shù)種驚人的方式在自然界中共享同樣的規(guī)則與特質(zhì)。

無論是描述手指和腳趾的數(shù)量，還是使用現(xiàn)代數(shù)學(xué)與測(cè)量單位，我們都能看到“10的冪”這種概念在10的次方和10的負(fù)次方之間來回變換。將這些連續(xù)的量級(jí)放在一起，我們就擁有了一種語言，用來表達(dá)遠(yuǎn)在人類日常經(jīng)驗(yàn)之外的宇宙連續(xù)性與相關(guān)性。“10的冪”使人類在宇宙萬物與空無一物之間自由穿梭。

《如果宇宙可以伸縮》只是一個(gè)概要，如果你愿意的話，叫它備忘單也行。這本書并不能詳述宇宙的歷史以及其中的每一個(gè)細(xì)節(jié)。相反，它會(huì)把我們所知的現(xiàn)實(shí)世界看作一張可伸縮的、有著預(yù)設(shè)途徑的地圖。用電子游戲來比喻的話，本書就像一個(gè)“鐵軌射擊游戲”（rail shooter），只不過這條軌道是沿著宇宙的物理尺度鋪展開的，它從頂端開始，一直縮小到底部。

在書寫這段旅程并以圖表展現(xiàn)出來之前，我們不斷地苦苦思索該如何建設(shè)這條鐵路。宇宙有著三維的空間，還有一個(gè)棘手的維度，我們稱之為時(shí)間。在這一路上，有無數(shù)有趣的東西值得一看。而我們?cè)噲D在“總覽全線”與“確保觀賞了絕妙景點(diǎn)”之間找到平衡。

在這段旅途中，某些地方真的很有挑戰(zhàn)性，甚至在第1章，你就需要辨別暗物質(zhì)、擴(kuò)張的宇宙，以及一些更奇怪的東西，比如多維宇宙和多維版本的你；在第3章，你會(huì)看到太陽(yáng)系的宏偉起源；到了第6章，你會(huì)困惑于意識(shí)的本質(zhì)；而在第9章，你需要了解量子力學(xué)的闡釋方式。別擔(dān)心，書中精美的插圖和信息圖表將會(huì)照亮你的前路，為你指引方向。

人們對(duì)現(xiàn)實(shí)的種種觀感融合在一起，形成了光怪陸離的數(shù)據(jù)與知識(shí)。我們希望，在找尋自己與這些數(shù)據(jù)、知識(shí)間的關(guān)聯(lián)時(shí)，你能樂在其中。記住，這是所有人的宇宙，當(dāng)然，也是你的宇宙。