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，這些原子最終會組合在一起，成為你的眼睛、皮膚、頭發、骨骼，或是你大腦中的860億個神經元。

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。當這些恒星發生爆炸時，它們向外噴射出灼熱的氣流，氣流裹挾著一些物質向外擴散，并填滿了一個星系的一小部分，這個星系存在于一個直徑幾乎達1024千米的時空中，而在這個時空中，與它相似的星系有數千億個。

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，其密度幾乎比它們飄浮在宇宙中時的密度大了1021倍。經過大約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雜生命的微觀氣泡，那時，那些復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地球環境中時，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，以及這之間的無數細菌上。當1億年前，這些生物向外看向太空時，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時期一只生物呼出的氣體上。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中，而在這之前的漫長歲月里，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。現在，在這一瞬間，它們就在這里，構成了你。

每個原子本身都是一種直徑約一百億分之一米大小的化合物，恰好處于一個宇宙的邊緣，處于我們肉眼看得見的現實世界和看不見的量子世界之間。電子占據了原子空間的大部分區域。質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，所有原子構成的所有化合物都被擠壓在一個極其狹小卻擁有巨大能量的時空源頭中。雖然這個源頭現在已經擴大了很多，但我們人類仍然處于這個封閉空間之中，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系。

這是一個相當離奇的故事，它并非虛構，關于過去138億年里究竟發生了什么，這是我們所能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，讓你能夠認識到人類關于整個自然界知道（或不知道）些什么。為了實現這一點，我們將會采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。

“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）的著作《顯微制圖》（Micrographia）。類似的作品還有1957年基斯·博克（Kees Boeke）的開創性巨作《宇宙觀：40級跳躍中的宇宙》（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年查爾斯·埃姆斯和蕾·埃姆斯導演的《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宇宙之旅的普遍熱愛。

現在似乎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，還應將重心聚焦于宇宙錯綜復雜的連接性上。與我手里的原子相關聯的，可能是另一邊的原子，或者另一顆行星上的原子，又或是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。我們日常生活中出現的形態和層展現象（emergent phenomena），會以無數種驚人的方式在自然界中共享同樣的規則與特質。

無論是描述手指和腳趾的數量，還是使用現代數學與測量單位，我們都能看到“10的冪”這種概念在10的次方和10的負次方之間來回變換。將這些連續的量級放在一起，我們就擁有了一種語言，用來表達遠在人類日常經驗之外的宇宙連續性與相關性。“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。用電子游戲來比喻的話，本書就像一個“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出來之前，我們不斷地苦苦思索該如何建設這條鐵路。宇宙有著三維的空間，還有一個棘手的維度，我們稱之為時間。在這一路上，有無數有趣的東西值得一看。而我們試圖在“總覽全線”與“確保觀賞了絕妙景點”之間找到平衡。

在這段旅途中，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，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，你會看到太陽系的宏偉起源；到了第6章，你會困惑于意識的本質；而在第9章，你需要了解量子力學的闡釋方式。別擔心，書中精美的插圖和信息圖表將會照亮你的前路，為你指引方向。

人們對現實的種種觀感融合在一起，形成了光怪陸離的數據與知識。我們希望，在找尋自己與這些數據、知識間的關聯時，你能樂在其中。記住，這是所有人的宇宙，當然，也是你的宇宙。