1．萬物伊始，宇宙初成
宇宙
空間、時間、物質--都是在137億年前的一個“大爆炸”中誕生的。那時的宇宙是一個無比奇異的地方。那裏還沒有行星、恒星或星係，有的隻是一團基本粒子，充斥其中。此外，整個宇宙還沒有一個針孔大，而且難以置信地熱。這個宇宙立刻開始膨脹，從這個出人意料的怪異起點，逐漸擴展，直到演化成我們現在看到的樣子。
現代科學還不能描述或解釋大爆炸之後10-43秒內發生了什麼事情。這個時間間隔：10-43秒，被稱為普朗克時間，是以德國科學家麥克斯·卡爾·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了這樣一個概念：能量不是連續可變的，而是由具有特定能量的“單元”或者“量子”構成。量子理論是現代大部分物理學的基石，它從最小的尺度上處理宇宙問題，而且被列為20世紀理論科學的兩個偉大成就之一。另一個是愛因斯坦的廣義相對論，處理極大尺度--天文尺度上的物理學。
盡管在它們各自的領域裏這些理論都被實驗和觀測完美地驗證了，但是調和這兩個理論的努力卻遇到了很大的困難。特別是，它們對時間的處理方法根本不同。在愛因斯坦的理論中，時間是一個維度，是連續的，所以我們從一個時刻平滑地過渡到下一個時刻，而在量子理論中，普朗克時間就代表著一個基本的極限：時間具有一定意義的最小單元，同時這也是在理論上能夠測量出的最小時間單元。如果我們製造出最為精確的鍾表，會發現它會不規律地從一個普朗克時間跳到下一個普朗克時間。
試圖調和這兩種截然對立的時間觀念是21世紀物理學麵臨的主要挑戰。近年來在“弦理論”和“膜理論”方麵進行了這種嚐試。就現在來說，量子物理主宰著緊鄰大爆炸之後的灼熱致密的微小宇宙階段。我們對宇宙的科學研究就從大爆炸之後10-43秒開始。
大爆炸的概念與直覺相反，我們的常識似乎更易接受一個靜態無窮的宇宙觀念。但是確有科學理由讓人相信大爆炸這個奇異的事件。如果我們接受大爆炸，就有可能看清整個事件的進展過程，從第一個普朗克時間開始，直到我們生活在地球上的現在。
自然界中的力
誇克的這種性質的起因與把誇克約束在一起的力的不同尋常的性質有關。這種力被稱為強核力不是無緣無故的，它隻在極小的尺度內才占主導地位，所以我們需要使用非常強大的粒子加速器才能使質子分裂。不像我們在大尺度環境中所熟悉的力--例如引力或異性電荷之間的吸引力那樣，強力隨距離的增加而增加。換句話說，如果我們能夠分開兩個誇克，會發現分離的距離越大，兩者之間拉回的力就越大。最終，當誇克分開到一定程度，造成這種形變所注入的能量是如此之大，以至於能量轉化為質量，產生兩個新的誇克。這樣猛然間我們獲得了2對誇克，而不是事先希望的把誇克單獨隔離開。這個過程意味著我們在實驗中從未產生過獨立的誇克。在日常世界中，誇克隻作為其他粒子的組分而存在，例如質子和中子中各含有3個誇克。
在剛剛大爆炸後極端高溫的宇宙中，誇克具備足夠的能量自由地運動。因此，通過理解最大尺度上的宇宙過程，可以增加我們對最小尺度上的粒子的了解。每個粒子在宇宙初期獲得的能量比我們在粒子加速器中所能製造的高得多。即使我們建造一個和太陽係一樣尺寸的加速器也不可能產生如此巨大的能量。
值得注意的是，當前我們通過粒子物理對微觀世界的研究，和通過宇宙學對極大尺度的宏觀世界的認識是緊密交織在一起的。為了了解整個宇宙，我們要依靠對於基本粒子的認識，而我們進行此項研究的最好的實驗室就是處於萌芽期的宇宙。一個充滿了高能基本粒子的炙熱空間，是我們想象到的新生宇宙的最早景象。
引力，宇宙的力
通常認為，在天文距離上唯一起作用的力是萬有引力。對一個物體，無論是恒星、行星、一個人還是一片雲，引力的強度取決於它裏麵包含多少物質。注意質量和重量是不同的。質量表示存在多少物質，而重量表示由於重力產生的力的大小。所以一個在地球軌道上的宇航員處於失重狀態，但並沒有失去質量。可以把引力定義為：使質量產生重量的力。例如，月亮是太陽大家庭中較小的一個成員，其引力小到無法保持住大氣。地球質量比月球大得多，把物體吸引住的能力也強得多，所以幸運的是它保持了我們呼吸所需的大氣層。類似地，早期宇宙中物質密集的區域比稀疏的區域有更大的引力，可以把周圍的物質吸引過來，而這又進一步增強了它的引力。所以這一過程一直在加速，就像常說的那樣：富者愈富，貧者愈貧。
在這些比較致密的區域中也存在局部的密度差異，所以有同類的過程發生。質量越大，引力越強，從周圍吸引的物質聚集得越多。使用計算機能夠重構當時的情景，從而建立一個比較好的模型來反映早期宇宙是如何演化成現在宇宙的大尺度結構的。
不論這種結構在哪裏形成，都必須考慮兩種對立的因素：從大爆炸開始的空間的膨脹和引力作用下的局部物質的收縮。一旦天體在形成過程中積累了足夠的質量，它就能抵禦總體的膨脹而收縮到一起。
一個星係團的始祖最開始時是很小的，其體積隨著宇宙的膨脹而增加，並持續地從周圍把物質吸納過來。隨著可以積累的物質的耗盡，它增長得越來越慢，直至停止擴張，這個原始的星係群達到了它最大的範圍，並有能力凝聚到它最終的大小。引力隨距離的增大而變弱，所以在宇宙演化的這個階段，收縮僅可能發生在很小的尺度上。這樣，還僅僅是氣體團的原始星係開始形成。
光的產生
在暴脹這一災變時期後的30萬年裏沒有什麼大的變化發生。支配宇宙演化的物理環境幾乎保持不變。宇宙成為一個變動不那麼劇烈的地方。隨著溫度的降低，質子和中子的速度也減慢了。但就像我們將要看到的那樣，物質和輻射依然混合在一起。從我們的觀點看，這一時期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙間的最大差異是，在這極早期階段，宇宙是完全不透明的。
包括可見光在內的電磁波也可以看成是光子流。光子是一種沒有質量的粒子，以每秒30萬千米的速度運動。在量子力學（可能是現代科學中經過最好驗證的理論）的奇妙世界中，我們不再能夠明確地區分“波”和“粒子”，而要接受任何物質都會表現出介於兩者之間的“波粒二象性”。就像我們傳統上認為是粒子的那些實體--例如電子和質子--一樣，光在某些時刻也表現得像一個粒子，叫做“光子”，而在其他時候像一個波。
每個光子都攜帶一份確定的能量，能量大小由光的顏色決定，所以確實可以說電磁波是一個光子流。現在讓我們追蹤其中一個光子的軌跡。它可能產生於極早期宇宙中的一次質子和反質子的碰撞。在這種非常密集的環境中，這個光子走不了多遠就會碰上一個電子並被吸收掉，而電子則獲得了能量。其後，光子可能又被發射出去，但這時和它原來的方向已是毫無關係了。這個過程在不斷地重複，其結果是光子在任何方向上都走得很慢。
但是當宇宙在大爆炸後30萬年，恰好冷卻到3000度時，一個突然的變化發生了。在這個臨界時刻之前，電子這種組成普通原子物質的最輕，因而也是運動最快的粒子，運動得太快，以至於較重的原子核無法將其捕獲。但到了3000度的溫度時，它們就再也無法逃脫原子核的捕捉了，最初的中性原子產生了。從原子的尺度上看，被捕獲的電子在一個很遠的距離上環繞原子核，但如果與原子間的距離相比，電子離原子核是極近的。這樣，新形成的原子之間的空間變得空曠了，光子突然能夠不受阻礙地運動很長的距離。換句話說，物質和輻射分離開來，在大爆炸後30萬年，宇宙變得透明了。
光的屏障
我們已經知道在微波背景輻射產生之前宇宙是不透明的，光線無法在裏麵傳到遠方。就像在地球上沒法看到雲層裏麵一樣，我們也沒法看到這一時刻以前的情況。這個類比不完全準確，因為雲朵自身不發光。太陽是一個更好的例子。從外麵看，太陽有一個確切的表麵：光球，但實際上我們看到的僅僅是物質開始變得透明的那個邊界。光球內，氣體是如此熾熱、明亮和密集，光子無法不受碰撞地穿透出去，就像緊接著大爆炸後的那段時間一樣；光球之外，氣體變得透明了，光子能夠自由地穿越，就像宇宙剛剛變得透明的那一時刻--宇宙微波背景產生的時刻。
要看透雲層，我們有一個替代方案：無線電波可以輕易地穿過雲層，所以可以得到雲層之外或者雲朵裏麵的信息。這種技巧在宇宙微波背景這裏不起作用。30萬年是對所有電磁輻射的限製，似乎是難以克服的障礙。那麼我們怎麼能夠在前麵如此自信地描述在這一時刻之前的那些情況呢？此時我們需要依靠理論。這些理論中有許多曾成功地預言了微波背景輻射是什麼樣子，這樣我們就能夠將理論和實際的宇宙微波背景作比較，得出合適的結論。
但更為理想的當然是我們希望能夠越過這個障礙看到過去。為了達到這個目標出現了不少想法。比如去探測那些在微波背景輻射時代之前就幸存下來、未曾變化的高能粒子。現在已經開始尋找這種以微小的、幾乎無質量的中微子或其他怪異的物質形態出現的粒子。但真正能夠探測到並確定其來源的中微子望遠鏡，還有待建造。
光譜
艾薩克·牛頓爵士首次將一束陽光穿過一隻玻璃棱鏡，證明了陽光是由從紅色（長波長）到紫色（短波長）的各種波長的光線的混合。他把陽光通過小孔和棱鏡，射出後形成一條彩色光帶，這是首個有意製成的光譜。牛頓並未做進一步的實驗，可能因為那時棱鏡的玻璃質量欠佳，無疑更為可能的是還有其他的事情正等待他去考慮。下一個真正的進展來自英國科學家W.H.渥拉斯頓。1801年，渥拉斯頓在屏上用一道狹縫代替了小孔，得到了裏麵橫跨著許多暗線的帶狀太陽光譜。渥拉斯頓認為這些線僅是各種顏色之間的分界，從而與一項重大發現失之交臂。十多年後，德國光學家約瑟夫·夫琅禾費做到了這點。
像渥拉斯頓一樣，夫琅禾費獲得了太陽光譜。他把暗線描畫下來，發現它們的位置和強度是不變的。例如在光譜黃色的部分有兩條非常明顯的暗線。這些線條是如何形成的？1858年古斯塔夫·基爾霍夫和羅伯特·本生給出了答案，同時奠定了現代光譜學的基礎。
就像望遠鏡收集光線一樣，光譜儀把光分解成彩虹樣的光譜。觀察發光的固體或者液體的光譜，你可以看到彩虹似的連續譜帶；而低壓氣體的光譜卻大不一樣，與一條彩帶不同，隻能看到分立的亮線，即發射光譜。基爾霍夫和本生發現，每條譜線都是某種特定元素或者元素組合的標誌，而且不會重複。例如鈉會產生2條明亮的黃線以及其他亮線。有些元素的光譜比較複雜，比如鐵有數千條譜線。而他們偉大的洞察力在於，發現太陽光譜中的暗線和實驗室裏發光氣體光譜中的亮線是一一對應的。現在知道每條譜線都產生於氣體原子外層電子某個特定的狀態躍遷。如果氣體很熱，電子的能級降低時就會放出能量，我們就能看到發射線；如果氣體較冷並且背景光是像陽光那樣的連續譜的話，我們就會看到一條暗線，因為電子在相同的頻率上吸收了能量，並躍遷到上麵的能級。在太陽光譜黃色部分裏的那一對特殊的暗線就是相對較冷的鈉蒸汽存在的明確跡象。通過對這些夫琅禾費線的研究，可以得到被稱為“反變層”的太陽內層大氣中所有氣態元素的豐度。
被稱作夫琅禾費線的這些暗線還可以提供運動的信息，繼而間接地告訴我們天體的距離。注意一下救護車鳴笛的聲音。與靜止時相比，當汽車朝我們開來時，每秒鍾內有更多數量的聲波進入耳朵，其效果是波長變短了，所以聲調聽上去越來越高；而當汽車經過後駛離我們時，每秒鍾進入耳朵的聲波數減少，波長增大，所以音調變低。奧地利科學家多普勒首先對這種現象做出了解釋，後來這種現象被稱為“多普勒效應”。對光來說也存在同樣的現象。對於一個正在靠近的源，波長的縮短令光線變藍；對於正在退行的源，光線變紅。這種顏色變化極其微弱，難於察覺。但是會在夫琅禾費線中有所反映。如果所有的譜線都向紅端，即長波長端移動，那麼光源就正在遠離我們。紅移越大，退行速度就越大。
現在回到太陽光譜。太陽的明亮表麵，即光球，產生連續光譜。其上的是一層壓力低得多的大氣（色球層），所以預計應該產生發射光譜。事情也確實如此，然而在一個明亮的彩虹背景的映襯下，這些譜線被“反轉”了，看上去不是亮的，而是暗的。但是它們的位置和強度不受影響。日光光譜黃色部分的兩條暗線對應著鈉的發射線，所以我們斷定太陽上存在鈉。
2．全麵的認識“宇宙”
宇宙的誕生
廣闊宇宙從何而來，這是一個從古至今都吸引人研究的問題。遠古時期，我國就流傳著盤古開天辟地的故事；西方則創造了一個“上帝”。《聖經》中是這樣記載的，上帝用說話的方式要來了天地萬物、光明和黑暗。因為在古代的時候，人們一遇到解釋不了的一些奇怪自然現象的時候，可能就會編出一些神話用事，借助神靈的威力，這一點也是能夠理解的。
時間過去了幾千年，曆史前進到了現在，關於宇宙的模型也有了好幾個蘊藏著科學內涵的說法，其中影響最大的就是“大爆炸宇宙學”，它也可以解釋許多的觀測事實。這個理論的內涵就是，認為“我們的宇宙”——“觀測到的宇宙”曾經有過一段從熱到冷的演化史。在這一段時間裏，宇宙體係在持續膨脹著，物質密度也可能會從密到疏進行演化。事實上，這一由熱至冷、由密至疏的過程就像一次龐大規模的爆炸。
它的具體操作過程，能夠這樣來理解：宇宙早期，如同一個“原始火球”，它具有100億度以上的高溫和很大的密度。就是由於高溫，“原始火球”非常不穩定，大概是在200億年前，它爆炸了，於是整個體係迅速膨脹著。宇宙之中實際上充滿了中子、質子、電子、光子和中微子等這些基本形態的物質。膨脹始終在繼續，但溫度能夠快速地降下來。
隻要短短幾分鍾，溫度就可以下降10億度左右，這時中子就會失去自由存在的條件，它要麼發生衰變，要麼和質子結合成重氫、氦等元素，宇宙中的化學元素就是從此時開始形成的；等溫度下降至1OO萬度後，早期形成化學元素的過程暫時結束；降至幾千度時，爆炸產生的強烈輻射繼續衰退，宇宙間遍布氣態物質。最後，氣體慢慢凝聚成氣雲，接著演化成各不相同的恒星體係，直到我們今天看到的宇宙。
在現實中，有人模仿按比例尺畫地圖的樣子，把過去的近200億年的宇宙演化曆程濃縮到一年中，得出一個非常直觀和有趣的“宇宙日曆”：1月10日，大爆炸，宇宙誕生；5月1日，浩瀚的銀河係誕生；9月9日，太陽係問世；9月14日，地球形成。9月24日，地球上原始生命出現；11月12日，綠色植物破土而出；12月26日，更高級的哺乳動物來到了這個世界。12月31日0時22分30秒，原始人類站在地球上；23分46秒，北京猿人開始用火；23分59秒，中國曆史延續到春秋……宋代；24分，全球進入了迄今仍在繼續的現代化社會……從上述列表中我們能夠看出；人類曆史其實就是宇宙歲月中非常短暫的一瞬間。
宇宙的形成果真是這樣的嗎？現在，沒有人能夠給出肯定的答複，可是比起其他宇宙模型的觀點來，大爆炸宇宙學是的確可以很好地解釋人們知道的神奇的宇宙現象，以下我們就來看看這些事實：據現在觀測到的宇宙間所有的天體年齡都沒有發現超過或者等於200億年的，原因就是它們都誕生在宇宙溫度快速下降之後，太陽隻不過是50億年前的產物。
相關觀測還發現，很多星係的光譜事實上都有“紅移”現象。天文學家們了解，若發光體朝著離開我們的方向運動之時，人們接收到的光譜線就會移到紅色的這一端。星係光譜的紅移也就意味著它們是在遠離我們而去，或者說它們正在退行。所謂退行，其實就是說明宇宙正在膨脹，這就像一個氣球上的各點，在吹氣球的時候各點的距離會因氣球脹大而增大是一個道理。在1929年的時候，美國天文學家哈勃(EdwinPowellHubble，1889～1953)了解到星係退行的速度和離人類的距離是成正比的，也就是說距離越遠，退行速度也越快。人們把這個規律稱作“哈勃定律”。
而第三個事實就是，天文學家們得出結論，在各不相同的天體上，氦的含量都很大，比例也差不多一樣，大概占30%。如果單靠恒星本身的核反應機製是不足以說明為什麼會有這麼多氦的，而“大爆炸”早期的高溫，卻可以很好地解釋這一點。
另外一點，大爆炸理論的提出人之一，原蘇聯科學家伽莫夫(1909～1968)曾經預言，今天的宇宙很冷，隻有絕對溫度幾度。在1965年的時候，這個預言被證明了，美國的科學家發現了漫布於整個空間的“微波背景輻射”，它的溫度大概是3K，它們研究得出的這個結果在定性上和定量上都和大爆炸宇宙理論相符合。
但是，大爆炸理論也是有局限性的，宇宙中還有很多疑問解答不了。如，讓天文學家們著迷了17年之久的宇宙膨脹。這種“砰”然一聲後的自我膨脹將會有一個什麼結果呢？是膨脹到一定程度時，天體間的引力使它停止，然後收縮、升溫又回到“原始火球”，再爆炸？還是出現一個在擴張和崩潰之間實現臨界平衡的宇宙？或者最終導致一個具有“負曲線”和無限未來的宇宙呢？又如，上麵理論的提出和觀測到的事實都是建立在“我們看到的宇宙”，也就是“總星係”中的，這就是所謂狹義的宇宙，是“我們的宇宙”。除此之外，那個更為廣闊的空間又是何種模樣？這又是一個疑問了。
時間的開始
讓我們回到緊鄰大爆炸之後宇宙的那個起始點。通常我們腦海中會閃現出這樣一幅場景：在一個廣闊的空間裏宇宙突然地爆發了，但這是完全錯誤的。大爆炸的真實情景是：空間、物質以及更為關鍵的時間，都是在這裏同時產生的。空間不是從虛無中產生的，在創世之前並沒有虛無。在大爆炸之前時間也還沒有開始，甚至談論大爆炸前的某個時刻也是沒有意義的。即使莎士比亞或者愛因斯坦也無法用通常的語言來描繪這一情景，雖然他們擁有非凡的智慧。
這也意味著當我們今天考察宇宙時，詢問“大爆炸”是在哪裏發生的這個問題是沒有意義的。空間自身也是隨著大爆炸產生的。因此，在大爆炸剛發生後的時刻，我們現在所見的整個宇宙蜷縮在一個極小的區域，比一個原子核還要小。大爆炸發生在每一個地方，這裏沒有“爆心”。
對這點的一個很好的直觀描述是埃舍爾的一幅著名畫作，雖然它的名稱比較乏味：三維空間的分割。想象你站在任何一個位於網格交叉點的立方體上，每一個接到立方體上的直杆都延伸出去。在你的視野中所有的東西都從你這裏延展出去，所以很自然地會首先感覺到自己正是位於一個特殊的地點：擴展的中心，但隨後你就能意識到無論你位於網格的哪一點，看到的直杆向外擴展的景象都是一樣的，事實上並沒有一個中心。宇宙的情況與此非常類似：每一個星係群看起來都在遠離我們而去。如果有一個觀測者在這些遙遠的星星上回望我們，他也會看到同樣的景象，也可能同樣地以為自己位於擴張的中心。
另一個經常被提到，而且乍看起來很有道理的問題是“宇宙有多大”。這裏我們又遇到了一個大問題，就是有兩類可能的答案：宇宙是有限的，還是無限的？如果是有限的，那麼它的外麵是什麼?實際上這個問題是沒有意義的。因為空間自身僅存在於宇宙之中，所以從字麵上來說根本就沒有“宇宙的外麵”。另一方麵，當我們提到宇宙是無限的時候，實際指的是它的大小是無法限定的。我們無法用日常的語言來解釋“無限”，而且我們知道愛因斯坦也做不到--因為帕特裏克曾經問過他！
還需要記住，我們要把時間看作是坐標中的一維。也就是說，不能簡單地問“宇宙有多大”，因為答案會隨時間變化。我們可以問“宇宙現在有多大”，但隨後我們會看到，相對論的一個結果就是不可能定義一個普遍適用於整個宇宙的叫做“現在”的時刻。
談論具有有限大小的宇宙立即會使人聯想到邊界。如果我們走得足夠遠，會撞到一堵磚牆嗎？答案是否定的。宇宙具有數學家們所說的“有限而無界”的性質。一個有用的類比是一隻在圓球上漫步的螞蟻。要是它在這個彎曲的表麵上一直朝著一個方向前行，就永遠也不會遇到障礙，能夠遊蕩無窮的距離。所以雖然球的尺寸是有限的，但螞蟻覺察不出來。類似地，如果我們登上一艘無比先進的飛船沿著直線航行，我們也永遠不可能到達宇宙的邊界，但這並不意味著宇宙是無限的。隨後我們還會看到空間也可以被看作是彎曲的。
讓我們把自己限定在能夠做出科學回答的問題上，即能夠通過和觀測結果對比來回答的問題。我們可以確定地說可觀測的宇宙（顧名思義，即發出的光線有可能到達我們的那部分宇宙）在尺寸上是有限的。因為我們目前最好的估計是宇宙的年齡為137億年，這樣可觀測宇宙的邊緣（從那裏發出的光剛剛到達我們）離我們有137億光年遠，而且還在以每年1光年的速度擴展。實際上後麵還要談到為什麼我們永遠不可能看到這麼遠。宇宙一定比我們能看到的要大，這是我們能夠確定回答的全部。
宇宙的尺度
說一個目標在離我們137億光年之外當然很準確，但我們能真正地去理解宇宙的這種尺度嗎？我們很容易感受例如從倫敦到紐約的距離，甚至從地球到月球的距離（約38萬千米），這幾乎是10倍於地球上的環境。有很多人在他們的一生中曾經乘飛機飛行過比這還長的距離，事實上有些航空公司會給予那些乘坐航班累計超過160萬千米的乘客以某種特權。但你如何去想象1.5億千米--從地球到太陽的距離？當我們考慮最近的恒星，離我們4.2光年（約40萬億千米）時，這個距離是很難想象的。而星係更遙遠得多。銀河係最近的鄰居仙女座星係距離我們有200萬光年之遠。
在尺度的另一個極端，想象一個原子的大小同樣地困難，任何普通的顯微鏡都無法看到單獨的原子。有這樣一種說法：從量級上看，人正處於從原子到恒星的尺度範圍的中間。有趣的是，這也正是物理規律最為複雜的地方。在原子世界，我們應用量子物理學；在宇宙尺度，應用相對論。在這兩個極端之間，我們對如何調和這些理論的困惑暴露無遺。牛津科學家羅傑·彭羅斯堅定地寫下了他的信念：我們對基本物理原理所缺失的理解力，也是我們對人類意識所缺失的理解力。當我們思考所謂的人擇原理--歸納起來就是宇宙的演化必然保證我們能夠存在並認識它--時，這個觀點尤為重要。
另一個有用的問題是，宇宙中有多少原子？一種估計給出的總數高達1079個原子，即1後麵跟著79個0。
傳統上我們把原子看成由三類比較基本的粒子組成：質子（帶單位正電荷），中子（不帶電）和質量小得多的電子（帶單位負電荷）。順帶說一下，在原子層次精確定義什麼是電荷遠非那麼簡單。可以把電荷看作是粒子的屬性之一，就像大小和質量一樣。電荷總是以固定的粒度出現，我們稱之為單位電荷。
根據經典模型，原子就像一個小型太陽係，電子環繞中央的原子核旋轉，由質子和中子組成的複合的原子核帶有正電荷，並且和環繞的電子的總負電荷嚴格抵消。在我們的太陽係中，行星被引力保持在環繞太陽的軌道上；在原子中，是帶負電荷的電子和帶正電荷的原子核之間的電磁吸引力使得電子環繞原子核旋轉。
過去，我們注意到這個簡潔的模型可以解釋很多基本的化學現象，比如，為什麼原子的外層電子容易參與化學反應：因為它們離核較遠，吸引力的約束較小。所以最簡單的原子--氫原子，隻有由一個質子構成的原子核和一個電子組成，整個原子是電中性的：正1加負1等於零。所有原子都具有相同數目的電子和質子。每種元素內這種粒子的數量是唯一的，稱為原子序數。比如氦原子有2個質子和2個電子，所以它的原子序數是2。而碳原子的序數是6。重元素含有數目眾多的電子和質子。地球上最重的自然元素--鈾的原子序數是92。
在20世紀早期，把質子和中子看成堅實顆粒的觀點甚為流行。但這個圖景今天已經變得不那麼清晰了。麵對很多甚小係統的奇怪行為時，把它們看作由波動而非顆粒構成能夠更好地進行解釋。這個理論叫做波粒二象性。此外實驗顯示，電子看起來確實是不可分割，而質子和中子事實上並不是最基本的。它們能被分解成更小的顆粒，叫誇克。誇克現在被認為是最基本的。沒有人曾經看到過誇克，但我們知道它們一定存在，因為在粒子加速器中檢測到了。人們建造了粒子加速器，以不可思議的高速度把質子打碎，從而探測到誇克。在這些實驗中質子似乎破碎了，所以科學家斷定質子不是最基本的。自然界不喜歡形單影隻的誇克，所以它總是成雙或成三地出現。
宇宙的同謀論
讓我們暫時回到現在。想象兩個從地球上看去處於相反方向上的距離我們90億光年的星係，它們之間的距離是180億光年。泛泛而言，在最大的尺度上，它們身處的宇宙區域看起來是一樣的。其中一個可能位於星係團的中心深處，就像我們附近的室女座星係團，另一個可能孤立得多；但是在第一個星係團附近會有孤立的星係，而在第二個星係的附近則不可避免地存在著星係團。所以每個區域都有相同比例的相同類型的星係，而且本地的溫度也是一樣的。
這就產生出一個被稱為“宇宙同謀”的問題。宇宙年齡目前最好的估計是137億年，不到180億年，所以光還沒有足夠的時間從一個星係傳到另一個星係。而根據相對論，光是宇宙中最快的東西。如果連光都沒有時間穿過兩個區域中間的空間，其他任何事情也不可能發生，沒有任何東西能夠從一個區域傳遞到另一個，所以兩個區域之間的任何差異都無法消除。但是，無論我們朝哪個方向看，宇宙似乎都一樣，有同樣類型的星係，幾乎按照一樣的模式分布，好像它們曾經互相商量過一樣。這個事實變得令人不解，被稱作“宇宙同謀”。
為什麼這會成為一個問題？難道宇宙在各個方向上看起來一樣不是很自然的事情嗎？也許有某個現在還不為人所知的規律在支配大爆炸的物理變化，保證隻有幾乎是均勻的宇宙才能產生。但是現在我們還沒發現有任何物理理論能夠預言這一現象的跡象，所以至少需要考慮如下的可能，就是宇宙誕生之時不同區域之間可能存在巨大的溫度差異，比如在早期宇宙中，一半的溫度可能是另一半溫度的兩倍。那麼這樣如何產生我們現在觀察到的宇宙的均勻性呢？熱量沒有時間流動到宇宙中冷的部分，甚至沒有時間在兩個區域之間以光速發送一個消息。在這種環境下，原始的不平衡不可能被修正；而實際上，這些互相遠離毫無關聯的區域卻是非常相似的。
我們的兩個星係現在是互相遠離。但是宇宙在非常年輕時要小得多，而在兩邊的物體有可能互相接觸從而交換熱量，達到今日所見的均勻性。現在的問題是，這個早期階段的宇宙到底有多大？出乎意料地，答案相當簡單。
到目前為止我們隻討論過一種能夠在天文距離上起作用的力，就是萬有引力。它本質上是一種把物體拉到一起的吸引力。引力本身會減緩膨脹的速度。我們可以嚐試從現在反推出宇宙的大小隨時間是如何變化的，而我們發現宇宙同謀的問題一直到早期宇宙都存在。換句話說，宇宙從來沒有小到過能夠讓光從一側運動到另一側的程度。所以從來沒有小到能夠使得溫度差被平坦掉的程度。這個推論是建立在引力是唯一影響膨脹速度的力的基礎上的，所以如果我們要解決同謀問題，就必須放棄這個觀點。
宇宙的多維性
宇宙空間究竟有幾維？
神秘的宇宙和人類的經驗世界如此不同，我們所能感受的三維世界也許隻是宇宙中多維空間的一個小島。近日，東京大學上演了一場爆棚演講。主講人哈佛大學理論物理學教授麗薩·蘭道爾的到場，讓所有聽眾躁動起來——不僅因為她的美貌，更因為她給人們呈現了一個超乎想象的多維世界。
第五維空間在哪裏？
哈佛大學理論物理學教授麗薩·蘭道爾，是近年來理論物理學界的佼佼者。1999年，她和同事拉曼·桑卓姆發表了轟動一時的兩篇論文，至今，這兩篇論文的引用率在理論物理學界仍排名第一。根據論文建立的模型，她假設了宇宙中存在著超越我們所處的四維（長、寬、高組成的三維空間＋時間）時空之外的第五維或更多維的宇宙空間。這一理論也恰好解釋了，困擾科學界多年的引力相比其他3個基本力羸弱不堪的原因。
科學家發現，宇宙基本由4種力相互作用而成。它們是引力、電磁力、強力和弱力。引力源於物體質量的相互吸引，兩個有質量的物體間存在引力；電磁力是由粒子的電荷產生的，一個粒子可以帶正電荷，或者帶負電荷，同性電荷相斥，異性電荷相吸；強力主要是把誇克結合在一起的力；弱力的作用是改變粒子而不對粒子產生推和拉的效應，像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。（注：人們普遍認為，物質是由分子構成的，分子是由原子構成的，原子由電子、質子、中子等基本粒子組成，而基本粒子則由更基本的亞粒子組成。這種亞粒子也就是人們常說的“誇克”。）
令人不可思議的是，這4種基本力的相對強度以及作用範圍都有巨大區別。從相對強度上來說，假定以電磁力為一個單位強度，則強力要比這個單位大100倍，弱力隻有這個單位的1／1000，引力小到幾乎可以忽略不計：在微觀世界中，它隻有電磁力的1／1040（10的40次方）！從範圍上看，引力主要體現在宏觀世界，其他3種基本力主要在微觀世界起作用。
也許你並不覺得引力微不足道，至少當我們從高處墜落時，那可不是鬧著玩的。但是同電磁力比起來，它的確相當“虛弱”，比如，整個地球產生的引力作用在一根針上，隻不過是讓它在桌子上安靜地躺著，我們拿起一小塊磁鐵便能將它輕鬆吸起。奇特的是，引力在宇宙中卻能左右巨大星係的運轉。
對此，蘭道爾的理論模型給出了解釋：“我們假設引力存在於與我們所處的三維時空不同的另一張膜上，而引力膜和我們所在的膜之間，被第五維空間或更多維空間隔開。其他3種基本力被限製在我們的膜上，而引力則在宇宙中均勻分布。對我們這樣的三維空間來說，它的強大力量從宇宙中多維空間中‘泄漏’出來後被大大弱化了。”
若果真如此，那麼五維或多維空間究竟在哪兒？它們又如何不同於我們的三維空間世界？
為什麼會有多維空間？
事實上，是否存在多維空間的猜想，早在1920年就被愛因斯坦的“粉絲”德國數學家卡魯紮提出過，後來經過瑞典理論物理學家克萊茵的改進，成為“第五維度”的思想，並被後人統稱為卡魯紮－克萊恩理論（或ＫＫ理論）。遺憾的是，這個理論最終未能自圓其說，隻能不了了之。
後來，相對論和量子理論——這兩大現代物理理論基石相繼誕生，有趣的是，二者之間不能通用且充滿矛盾。
愛因斯坦的廣義相對論是關於引力的理論，他認為空間是有形狀的，當沒有任何物質或能量存在時，空間是平直光滑的，當一個大質量物體進入空間後，平直的空間就發生了彎曲凹陷。這就像在一條繃緊的床單上放一個保齡球，床單馬上就凹陷下去，而所謂的引力就是通過這樣的空間彎曲而體現的。為什麼地球會繞著太陽運行？因為地球滾入了太陽周邊彎曲空間的一道“溝穀”。而如果物體質量太小，空間彎曲幾乎為零，也就感受不到引力的作用。因此，人和人之間，甚至建築物等普通物體之間的引力作用可以忽略不計。
但相對論的空間幾何形狀變化，解釋不了其他3種基本力——電磁力、強力和弱力的作用原理。在微觀世界裏，空間根本就不是平滑的，無數的粒子在永不停息地劇烈運動，可見，廣義相對論的平滑空間前提在這裏講不通。
而量子理論卻能解釋這3種力的行為：量子理論認為，宇宙中所有的物質最終由數百種不同的基本粒子組成，而力則是由粒子的交換而來的。但粒子交換也不能解釋引力現象，因為在微觀世界裏，粒子的自身質量不僅小到幾乎沒有，還總在雜亂無章地運動，它們之間的引力又從何談起呢？
相對論和量子理論的尖銳矛盾，使科學家不得不另辟蹊徑。上世紀60年代，一個嶄新的理論——超弦理論出現了。超弦理論認為，在每一個基本粒子內部，都有一根細細的線在振動，這根細細的線被科學家形象地稱為“弦”。依照弦理論，每種基本粒子所表現的性質都源自它內部弦的不同振動模式，弦的振動越劇烈，粒子的能量就越大；振動越輕柔，粒子的能量就越小。振動較劇烈的粒子質量較大，振動較輕柔的粒子質量較小。而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實際上在相同的弦上彈奏著不同的“音調”。由無數這樣振動著的弦組成的宇宙，就像一支偉大的交響曲。不過，弦的運動是十分複雜的，以至於三維空間已經無法容納它的運動模式。
在今天的超弦理論中，科學家已經計算出十維空間結構（還有些方法甚至計算出了二十六維）。而空間的維數越高，越能容納更多的運動形式。由此，宇宙的時空維數是高維的，三維空間僅僅是一種最簡單的情形。
三維以上的空間是隱匿的？
如果真有十維空間，我們為什麼隻能察覺到三個維度呢？除了時間維度之外，另外六個又在哪裏？
一些科學家認為：計算出來的空間維度不一定和經驗維度相同。或許另外六個維度的空間以某種方式隱匿起來，人在日常生活中難以察覺。記得獲得1979年諾貝爾物理學獎的美國物理學家格拉肖曾抱怨過：“我總是被那些搞超弦理論的人打擾，因為他們從不談一些和真實世界有關的事。”
對這個問題，蘭道爾倒是泰然處之，她最近提出了一個“放鬆原則”：想太多不如什麼都不想！“看看我們的宇宙，它一路走來，始終如一。當宇宙處於大爆炸前的初始狀態時，存在多少維度都有可能。大爆炸發生後，宇宙在不斷地膨脹，它會自然而然地、隨時充填需要的維度，直到穩定下來。”根據蘭道爾的計算，在宇宙膨脹過程中，三維和七維的宇宙處於相對穩定的狀態。因此，“宇宙在演化過程中，自然會呈現出穩定的三維和七維形式。三維空間存在的範圍是最大的，這也就是為什麼我們隻能察覺到今天這個三維空間構成的世界。”
當然，“如果這還滿足不了你的好奇心，你也可以把多維宇宙想像成一次買房的經曆。當你選擇房子的時候，你不僅會看房子的空間大小，還要看它的結構、質量、地理位置、升值潛力等各種因素，這些因素就好比宇宙的其他空間形式。”
3．正確認識宇宙的膨脹
宇宙大爆炸說
在現實中，人們是依據什麼推測出曾經可能有過宇宙大爆炸呢？這主要就是依賴天文學的觀測與研究。我們的太陽不過是銀河係中的一兩千億個恒星中的一個。就如我們銀河係同類的恒星係——數不計數的河外星係。在觀測的過程中，我們發現了那些遙遠的星係都在遠離我們而去，距離我們越遙遠的星係，飛離的速度也就越快，所以就形成了現在膨脹的宇宙。
針對這一點，人們開始思考，假如把這些向四麵八方遠離中的星係運動反過來看，它們可能當初是從同一源頭發射出去的，是否在宇宙之初發生過一次難以想象的宇宙大爆炸呢？以後，人們接著又觀測到了布滿宇宙的微波背景輻射，這說明大概在137億年前宇宙大爆炸所產生的餘波盡管是微弱的但的確是有的。這一發現對宇宙大爆炸論是個重要的支持。
對於現代宇宙學來說，宇宙大爆炸論是它的重要流派，它可以很到位地解釋宇宙中的某些基本問題。盡管宇宙大爆炸理論在20世紀40年代才提出，但是20年代以來就有了萌芽。在20年代的時候，很多天文學者都觀測到一個現象，不少河外星係的光譜線和地球上同種元素的光譜線對比，都會有不同地波長變化，也就是紅移現象。