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肠子，脑子，厨子：人类与食物的演化关系 清华大学出版 John S. Allen, 陶凌寅 Έτος: 2013 Γλώσσα: chinese Αρχείο: MOBI , 1,08 MB Οι ετικέτες (tags) σας: 0 / 0

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植物学家的锅略大于银河系 清华大学出版社 史军 Έτος: 2013 Γλώσσα: chinese Αρχείο: MOBI , 2,49 MB Οι ετικέτες (tags) σας: 0 / 0

总目录


时间地图：大历史，130亿年前至今

太阳底下的新鲜事

见识丛书·革命的年代：1789—1848

见识丛书·资本的年代：1848—1875

见识丛书·帝国的年代：1875—1914

见识丛书·极端的年代：1914—1991

守夜人的钟声：我们时代的危机和出路

1913，一战前的世界

基因传

一万年的爆发：文明如何加速人类进化

审问欧洲：二战时期的合作、抵抗与报复

哥伦布大交换：1492年以后的生物影响和文化冲击

瘟疫与人

西方的兴起：人类共同体史

奥斯曼帝国的终结：战争、革命以及现代中东的诞生，1908-1923

科学的诞生：科学革命新史（全2册）

内战：观念中的历史

第五次开始

人类简史：从动物到上帝（精装版）





时间地图

——大历史，130亿年前至今





[美] 大卫·克里斯蒂安 著

晏可佳 等 译





中信出版社





图书在版编目（CIP）数据





时间地图：大历史，130亿年前至今 /（美）大卫·克里斯蒂安著；晏可佳等译. -- 北京：中信出版社，2017.6

书名原文: Maps of Time：An Introduction to Big History

ISBN 978-7-5086-7304-2

Ⅰ. ①时… Ⅱ. ①大… ②晏… Ⅲ. ①世界史－通俗读物 Ⅳ. ①K109

中国版本图书馆CIP数据核字（2017）第031906号





时间地图：大历史，130亿年前至今

著者：［美］大卫·克里斯蒂安

译者：晏可佳 等

出版发行：中信出版集团股份有限公司

（北京市朝阳区惠新东街甲4号富盛大厦2座 邮编100029）

电子书排版：张明霞





中信出版社官网：http://www.citicpub.com/

官方微博：http://weibo.com/citicpub





目录


推荐序

2011年新版序言

致谢

导论：一部现代创世神话吗？

第1部 无生命的宇宙 第1章 第一个30万年：宇宙、时间、空间的起源

第2章 星系和恒星的起源

第3章 地球的起源和历史



第2部 地球上的生命 第4章 生命的起源及进化论

第5章 生命和生物圈的进化



第3部 早期人类的历史：许多世界 第6章 人类的进化

第7章 人类历史的起源



第4部 全新世：几个世界 第8章 集约化和农业的起源

第9章 从对自然的权力到对人类的权力：城市、国家和“文明”

第10章 农耕“文明”的长期趋势



第5部 近代：一个世界 第11章 渐行渐近的现代化

第12章 全球化、商业化和创新

第13章 现代世界的诞生

第14章 20世纪的巨大加速度



第6部 未来面面观 第15章 未来



附录一 断代技术、编年史和年表

附录二 混沌和秩序

附录三 大历史是什么？

参考书目

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推荐序


《时间地图》将自然史与人类史综合成了一篇宏伟壮丽而又通俗易懂的叙述。这是一项伟大的成就，类似于17世纪艾萨克·牛顿运用匀速运动定律将地球与天体联系在一起的那种方式，甚至更接近于19世纪达尔文所取得的成就，即用进化的过程来展现人类与其他生命形式之间的联系。

大卫·克里斯蒂安（David Christian）在本书第1章中所涉及的自然历史，基本上是早期自然史的延续与转化。它起始于大约130亿年前的大爆炸，根据20世纪宇宙学家的推测，我们所居住的宇宙就是从那时开始膨胀与变化的。随着时间与（或许）空间开始出现，物质与能量彼此分离，以不同的密度散布各处，而不同速度的能量四处游荡，形成各种强弱不等的力，这一过程持续至今。物质在引力的作用下凝聚成块，成为耀眼的恒星并形成星系。围绕着这样的结构，周围逐渐产生了新的复合状态和新的能量流。接着，大约46亿年前，围绕着一颗恒星即太阳旋转的行星——地球开始形成，并很快成为包括生命以及生命的全部形式在内的更为复杂过程演进的场所。就在25万年以前，人类又增加了另一种层次的行为，那时候，语言和其他符号的使用形成了一种新的能力，也就是克里斯蒂安所说的“集体知识”（collective learning）。这又导致人类社会具备一种独一无二的能力：共同协作，改变并且分别拓展他们周围各不相同的生态系统中的生态龛，直到今天在我们周围形成了唯一的全球体系。

克里斯蒂安将人类历史纳入最新阐述的宇宙自然史范围，这也是20世纪一项学术创新。就在物理学家、宇宙学家、地质学家和生物学家不懈努力，历史性地推动自然科学发展的同时，人类学家、考古学家、历史学家和社会学家也在马不停蹄地拓展关于人类在地球上的历史的知识。他们在时间上追根溯源，在空间上几乎将之扩展到整个地球表面，从而包括了植物食物采集民族、早期农民以及其他一些没有留下档案记录而被排除在19世纪基于文献的“科; 学”历史之外的其他民族。

当然，大部分历史学家并不注重“史前史”（prehistory），或者那些无文字民族的生活，只是一如既往地忙着在他们自己的研究领域展开争论。在整个20世纪，这些争论和对于大量欧亚民族的文献以及部分非洲、美洲文献的研究，对于地球上那些城市化的、有文字的以及开化的民族所取的成就，无论是在历史材料的数量上还是在我们的认识范围上，都有了实质性的增加。为数不多的世界史学家，就像我本人这样，曾试图将这些研究综合起来，以便于对整个人类历史的发展形成一幅更加恰到好处的图景；也有的历史学家探究了生态对人类活动的影响。我甚至写了一篇纲领性的论文《历史与科学世界观》［载《历史与理论》第37卷，第1期（1998年），第1—13页］，描述了自然科学的进展，鼓励历史学家要勇于概括，将他们的学科同我们身后发生的历史化的自然科学结合起来。事实上，若干学者正在朝这一目标努力，但只有当我开始与大卫·克里斯蒂安相互通信时，才知道这位历史学家已经在撰写这样一部著作了。

克里斯蒂安的成就真正令人惊讶之处在于他发现每一层面的变化模式都是相似的。例如，关于恒星与城市，他这样写道：


在早期宇宙中，引力抓住了原子云，将它们塑造成恒星和银河系。在本章所描述的时代里，我们将会看到，通过某种社会引力，分散的农业共同体是如何形成城市和国家的。随着农业人口集聚在更大的、密度更高的共同体里，不同团体之间的相互交往有所增加，社会压力也随之增加，突然之间，新的结构和新的复杂性便一同出现了，这与恒星的构成过程惊人地相似。与恒星一样，城市和国家重新组合并且为其引力场内部的小型物体提供能量。




他字斟句酌，用下面这一段话为这本不寻常的著作画上了句号：


我们自己就是复杂生物，我们从个人的经验知道，要爬上那台下行的电梯、抗拒宇宙滑向无序是何等的困难，因此我们免不了对其他似乎也在做同样事情的实体深感兴趣。因此，这个主题——虽然存在第二热力学定律，但仍能实现秩序，没准正是在它暗中相助下实现的——交织在本书所述故事的各个篇章里。混沌和复杂性的无尽的华尔兹为本书提供了一个统一观念。




我不揣冒昧地说，克里斯蒂安所发现的暗藏于“混沌和复杂性的无尽的华尔兹”里面的规律，不仅仅是一个统一的理论，而且是这部著作中最重要的成果。

这是一部历史与智慧的杰作：清晰明了，学养丰富，文字优雅，言简意赅且充满了冒险精神。在过去几百年里，学者与科学家从我们周围的世界中所获得的各种知识的巨大综合，由此展现在了广大读者的面前，表明人类社会仍然是自然的一部分，恰到好处地居住在宇宙的家园里面，尽管我们具有非凡的能力、独一无二的自我意识，以及获取集体知识的用之不竭的力量，但这仍是一件多么奇特而又意味深长的事情啊！

或许我应该略述大卫·克里斯蒂安的生平，作为这篇序言的结尾。首先，他的身份具有国际性，他的父亲是英国人，母亲是美国人，他们在土耳其的伊兹密尔相识并结合。不久，他的母亲回到了纽约布鲁克林，于1946年生下了大卫·克里斯蒂安。此时，她的丈夫刚刚从英国军队退役，投身于殖民地公职机构，成了尼日利亚的一名地方官员。他的妻子随即也来到了那里，因此克里斯蒂安的童年是在尼日利亚的内陆地区度过的。7岁的时候，他来到英国就读于一所寄宿制学校。毕业后，他考入牛津大学攻读近代史，并于1968年获得文学学士学位。（在牛津大学，这意味着掌握了相互独立的历史片段：罗马时代以来的英国及欧洲其他地区的历史，甚至还包括数十年被分割得七零八落的美国历史，它们正好是“大历史”的对立面。）随后的两年，他在加拿大的西安大略大学担任助教，并获得文学硕士学位。接着，他决定专门研究俄罗斯历史，又回到了牛津大学。1974年，他以一篇研究沙皇亚历山大一世改革的论文获得了博士学位。像他的父亲一样，他娶了一个美国妻子，有两个孩子。

1975年至2000年间，大卫·克里斯蒂安在澳大利亚悉尼麦考瑞大学教授俄罗斯历史，以及有关俄罗斯文学和欧洲历史的其他课程。在法国年鉴学派的影响下，他的兴趣转向了俄罗斯人的日常生活。他有两部关于俄罗斯人饮食的著作：《面包和盐：关于俄罗斯食品与饮料的社会史与经济史》（1985年，与R. E. F.史密斯合著），以及《活水：解放前夕伏特加与俄罗斯社会》（1990年）。之后，他又受邀撰写了一些普及读物：先是出版于1986年的《权力与特权：19世纪与20世纪的俄罗斯与苏联》，随后又于1998年出版了《俄罗斯、中亚和蒙古史》第1卷《从史前到蒙古帝国时期的欧亚内陆史》。

这些书籍拓展了历史研究的地域与时间范围，表明早在1989年大卫·克里斯蒂安已经开始了在教学领域的冒险行动，当麦考瑞大学讨论各系学生使用何种历史学入门教材之际，克里斯蒂安不假思索地说：“为什么不能从宇宙的起源讲起呢？”他的同事们当即请他讲述自己的观点。与其他那些把授课范围限制在世界史之内的历史学家不同，克里斯蒂安决定从宇宙本身讲起；在他开玩笑地将这项研究称为“大历史”的那一年，也曾有过犹豫，此时其他院系致力于各研究领域讲授不同课程的同事向他伸出了援助之手。

大历史从一开始就引起了学生的兴趣，没过多久兴趣转化成了热情。不过反应最为强烈的专业读者首先出现在荷兰和美国，在那里，大卫·克里斯蒂安一项新的任务就是说服少数具有冒险精神的教师开设类似的课程。1998年的世界史协会（The World History Association）暨美国历史协会（American Historical Association）年会，是一次关于大历史的会议，尤其引人注目。三年后，大卫·克里斯蒂安决定接受邀请，去加利福尼亚大学圣地亚哥分校担任教职，继续讲授他的大历史。

克里斯蒂安其他的一些专业兴趣也非常活跃。《俄罗斯、中亚和蒙古史》第2卷正在编撰之中，这是一部描述20世纪20年代早期俄罗斯禁酒运动日渐衰微的著作。在业余时间，大卫·克里斯蒂安也撰写一些有关历史研究以及其他各学科的重要论文。简而言之，他是一位历史学家，具有异乎寻常的能力和大无畏的勇气，而且硕果累累。

你马上就要仔细阅读这本书了，在你面前已经有了很多的体验。请读下去吧，惊奇吧，赞叹吧！

威廉·麦克尼尔

2002年10月22日





2011年新版序言


《时间地图》首版于2004年。令我欣喜的是，人们对其评价甚佳。这出乎我的意料，因为我本以为人们尤其是历史学家会反对这种“宇宙史”，亦即关于某种全部时间的历史之概念。一定会有人对大历史的概念持怀疑态度，一定也会有人对行文中的某些部分挑刺，但是大多数评论家似乎相信，本书并非荒谬无稽，实际上能产生有趣的见解。有些人更加热情洋溢地把大历史视为历史学界激动人心的新领域。世界史学家尤其是慨然表示，这种慷慨体现在《时间地图》荣获了世界史协会（WHA）2004年度最佳世界史出版物奖。另外，《时间地图》被翻译为西班牙语和中文，这意味着已能用世界上使用人数最多的三种语言读到本书，《时间地图》也因此走向了世界。本书的韩文版也即将问世。

自2004年以来，人们对大历史的兴趣剧增，如今大历史已经真正可以被看作是一个迅速崛起的教研领域。这种爆发式增长从罗柏安（Barry Rodrigue）、弗雷德·施皮尔（Fred Spier）和丹尼尔·史塔斯克（Daniel Stasko）编纂的参考书目中可见一斑，这一书目可以在国际大历史协会的网站（www.ibhanet.org）上查询到。近期相关作品有辛西娅·布朗所著的关于大历史的重点调查，以及弗雷德·施皮尔关于大历史的理论巨著《大历史与人类的未来》[1]。在2007年，我录制了一系列关于大历史的视频课程，已由教学公司（TTC）出版，我与辛西娅·布朗（Cynthia Stokes Brown）、克雷格·本杰明（Craig Benjamin）合著的大历史大学教科书将在2012年出版。

我对于《时间地图》的基本观点仍然感到满意，尽管自2004年以来，我的想法已经有所发展。需要更敏锐地聚焦于大历史的定义。例如，大历史与世界史迥然不同的地方，显然在于它的跨学科本质，及其试图在过去与历史不相关的学科叙述中寻求某种潜藏的一致性。大历史所研究的内容，跨越物理、天文、地质、人类历史。正因为如此，它在寻求共同主题、范式、方法的同时，也试图更清晰地理解历史学派中各领域的主旨、方法和范式中所存在的差异。

因此，有些在《时间地图》中已经得以表达却未得到进一步展开的概念，需要我和该领域同人对其进行更明确的定义。例如：

在《大历史与人类的未来》中，弗雷德·施皮尔在其早期著作和埃里克·蔡森研究的基础上，做了目前最为成熟的尝试，为大历史建构了一个理论框架。他审慎地将逐渐增长的复杂性的概念与能量流和适宜环境的观念等相关主题联系起来，即认为复杂性只有在非常特殊的环境下和极为严格的“边界环境”中才能得以逐渐增长。这里只是些宽泛的理论概念，能为人们在大历史讲述的故事提供更深的深度和连贯性。

我探索了断代革命，即为历史事件提供准确日期的技术革新的观念，对于大历史研究的至关重要性。[2]在20世纪中叶前（正如H. G. 韦尔斯在20世纪20年代悲伤地说）是无法精确而科学地写下整个宇宙的历史的，因为确凿的日期仍基于文本记叙，因此他们无法追溯到几千年前。这或许解释了为何人们有着非常强大的习俗，即“历史”不会指早于有文字记载的人类社会的历史。直到C14及相关的断代技术在20世纪50年代问世后，大历史研究才成为可能。

关于大历史如何编纂、该领域如何融入整个历史思考中，也有人做过许多探讨。我自己对此做过深入的思考，见于《宇宙史的回归》一文[3]。克雷格·本杰明在介绍关于这一话题的一系列文章时，也对大历史的演进有过极好的论述。[4]

大历史最为激动人心之处是其内在的全球特点。在大历史中，人类第一次被视为是单一物种，直到很晚，在大历史的研究中国家或文明的视角才变得重要起来。因此，大历史坚持为人类的过去创造一种真正的全球性叙述，这种叙述不见于国家的视角，而是像科学一样既适用于首尔或德里或布宜诺斯艾利斯，也适用于伦敦或纽约。

新的概念层出不穷，吸引了各种不同视角的大历史研究。最具权威的看法是诺贝尔奖得主、气候学家保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）提出的，他认为在今天我们进入了新的地质学时代，称其为“人类纪”（Anthropocene），这是在地球诞生至今，第一个由单一物种——我们人类——支配生物圈形态的纪元。[5]这种对当今世界的看法，与大历史固有的对人类历史的生态观点亦相吻合。

自2004年以来，这一领域在组织上也有重大发展。讲授大历史的高校课程数量与日俱增，今天在全世界至少有超过50门这样的课程正进行讲授。在辛西娅·布朗的支持和鼓励下，位于圣拉斐尔市的多米尼加加州大学（近圣弗朗西斯科）成为第一所将大历史课程作为大一新生基础课的大学。2011年4月，一个以发展大历史研究与教学为目标的学术机构——国际大历史协会应运而生。罗柏安和丹尼尔·史塔斯克在协会网站上刊登了关于大历史教学和学派迅速发展的论文，2012年8月，协会将在密歇根主办第一届国际大历史会议（IHBA）。[6]2011年3月，以建立免费在线高校大历史课程为目标的“大历史项目”启动。[7]还有一些间接的迹象表明大历史正在获得更多关注。在阿姆斯特丹，因这样两件事，大历史在过去10年间成为公众热议的话题：阿姆斯特丹大学将大历史课程引入课堂；1996年伊拉斯谟奖授予了威廉·麦克尼尔。弗雷德·施皮尔和罗柏安跟踪了对该领域感兴趣的教师和学者，他们的研究显示，有很多人正在开展与大历史目标相一致的教学或研究项目。

但即便有这些增长的迹象，这一领域仍然可谓路漫漫其修远兮。依然有人牢牢把守着学科的传统边界，有时还会以攻为守。这或许能解释为什么尽管现在大历史学派实质存在，并承诺要开启令人激动的新的研究议程（包括复杂性的意义和能源流，以及信息在跨学科中的角色），但在该领域仍然没有大型的跨学科的研究项目。时至今日，仅有一所大学有正式的大历史教席（阿姆斯特丹大学的弗雷德·施皮尔），也只有一小群研究生参与到大历史项目中（他们中有三个现在在悉尼麦考瑞大学）。还有一所高中开始讲授大历史。但是，到底会有多少学校和教育部门认同，大历史将帮助学生理解在现代知识中潜藏的一致性和统一性，并能领悟真正跨学科思维和教学中强有力的智慧协同，我们仍将拭目以待。

我相信大历史将会得以繁荣，因为它已经证明了它的能力，就像一个格式塔转换，帮助学生和学者重新审视业已熟悉的事物。我有这等信心的另一个原因在于过去20年间参与构建这一领域的一小群学者所具有的精力、智慧、慷慨和冒险精神。建立大历史绝对是一种集体学习的锻炼。

我想在最后感谢威廉·麦克尼尔将他的力量借给这一在10年前都显得极为边缘的历史学派。他对于大历史的支持，切切实实使历史学家们信服：大历史项目是有趣的、有启发意义的、重要的，当他们展开讨论“历史”意味着什么时，他们将会收获良多。


[1] 辛西娅·布朗：《大历史：从宇宙大爆炸到今天》（纽约，新出版社，2007）；弗雷德·施皮尔，《大历史与人类的未来》（麻省莫尔登和牛津：威利——布莱克韦尔，2000）。



[2] 大卫·克里斯蒂安，《历史、复杂性和计时断代法》，Revista de Occidente 323（2008）：27—37；克里斯蒂安，《进化的史诗和断代法的革命》，载于《进化的史诗：科学史和人的回应》，谢里尔·吉尼特、布赖恩·斯威姆、拉赛尔·吉尼特和琳达·帕尔默（Cheryl Genet, Brian Swimme, Rusell Genet, and Linda Palmer）主编（加利福尼亚圣玛格丽塔：柯林斯基金会出版社，2009），第43—50页；克里斯蒂安，《断代法革命以后的历史与科学》，载于《宇宙和文化：从宇宙的文本看文化革命》，史蒂文·J. 迪克和马克·L. 卢皮塞拉主编（哥伦比亚特区华盛顿：美国航空航天局，2009），第411—462页。



[3] 大卫·克里斯蒂安，《宇宙史的回归》，专论，《历史与理论》 49（2010年12月），第5—26页。



[4] 见http: //worldhistoryconnected.press.illiois.edu/6.3/index.html。



[5] 这些短篇介绍，参见大卫·克里斯蒂安，“人类纪”，载于《宝库山世界史百科全书》，第2版（大巴灵顿，麻省：巴克夏出版社，2010）；以及S.威尔（S. Will），保罗·克鲁岑和约翰·R. 麦克尼尔，《人类纪：现在人类战胜一切自然力了吗？》载于Ambio 36，no. 8（December 2007）：614-21。



[6] IBHS的网站是：www.ibhanet.com。



[7] “大历史项目”的网站是：www.bighistoryproject.com。





致谢


这样的计划会把人变成一个收藏癖患者。你如饥似渴地收集各种思想与信息，而不久之后你就会开始忘却学术犯罪的每一个细节动作。有幸的是，博学的大师们如此慷慨地贡献出他们的时间与思想。我得益于我长期任职的两个单位：悉尼麦考瑞大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校。我想感谢所得到的一切帮助，却未能做到，由于受惠太多，我无法详记每一个细节。此间，每一条建议、每一次探讨、每一部著作的引证，都珍藏在心里，但已记不清得之于何处，有时甚至会误认为这是我自己的发现。发生这种记忆上的偏差（我肯定这是经常发生的），我只有向朋友和同人致以深深的歉意，并且向耐心与我讨论大范围历史问题的朋友和同事道谢，这些问题我已经为之魂牵梦萦了十多年。

我要特别感谢查蒂（Chardi），她是位职业作家和荣格派心理学家。她让我相信我是在讲述一个创世神话。我还想感谢在加利福尼亚大学圣塔克鲁兹分校讲授“大历史”的特里·埃德蒙·伯克（Terry Edmund Burke）。他说服我撰写有关大历史的教科书正逢其时，希望以此鼓励其他人去开设类似的课程。而且，对于本书最初的草稿，他给予了很有价值的（有时甚至是严厉的）批评。他一直不断地鼓励着我。

我尤其要感谢1989—1999年我在麦考瑞大学教学期间所有讲授大历史课程的导师们，下面我按字母顺序列出他们的姓名：戴维·艾伦（David Allen）、迈克尔·阿彻（Michael Archer）、伊恩·贝德福德（Ian Bedford）、克雷格·本杰明（Craig Benjamin）、杰瑞·本特利（Jerry Bentley）、戴维·布里斯科（David Briscoe）、戴维·卡希尔（David Cahill）、高夫·考林（Geoff Cowling）、比尔·埃德蒙斯（Bill Edmonds）、布赖恩·费根（Brian Fegan）、迪克·弗罗德（Dick Flood）、莱顿·弗拉皮尔（Leighton Frappell）、安妮特·汉密尔顿（Annette Hamilton）、莫文·哈维戈（Mervyn Hartwig）、安·亨德森·塞勒斯（Ann Henderson Sellers）、艾德温·乔奇（Edwin Judge）、马克斯·凯利（Max Kelly）、伯纳德·纳普（Bernard Knapp）、约翰·凯尼格（John Koenig）、吉姆·柯恩（Jim Kohen）、萨姆·刘（Sam Lieu）、戴维·马林（David Malin）、约翰·默森（John Merson）、罗德·米勒（Rod Miller）、尼克·莫德耶斯卡（Nick Modjeska）、马克·诺曼（Marc Norman）、鲍勃·诺顿（Bob Norton）、罗恩·佩顿（Ron Paton）、戴维·菲利浦斯（David Phillips）、克里斯·鲍威尔（Chris Powell）、卡罗琳·罗尔斯通（Caroline Ralston）、乔治·罗德森（George Raudzens）、斯蒂芬·肖塔斯（Stephen Shortus）、艾伦·索恩（Alan Thorne）、特里·威德斯（Terry Widders）、迈克尔·威廉姆斯（Michael Williams）。还要感谢麦考瑞大学在我写作本书初稿之际给予我学术研究假。

我要感谢对大历史观点极为支持并亲自讲授大历史相关课程的同人。约翰·米尔斯（John Mears），他在我著书的同时即开始讲授这一课程，并始终是这一观点的热情支持者。汤姆·格里菲思（Tom Griffiths）与同事们也曾于20世纪90年代早期在莫纳西大学（Monash University）讲授大历史课程。约翰·高兹布罗姆（Johan Goudsblom）在阿姆斯特丹大学教授本课程，也是本计划的热情支持者。他的同事弗雷德·施皮尔（Fred Spier）曾撰写了有关大历史的第一本著作（《大历史的结构：从大爆炸到今天》），满怀雄心、才华横溢地论述了包含了社会科学和自然科学的“大统一理论”（grand unified theory）的结构。对此项研究充满兴趣并予以支持的，或是曾讲授该课程的，还有乔治·布鲁克斯（George Brooks）、埃德蒙·伯克三世（Edmund Burke Ⅲ）、马克·西奥克（Marc Cioc）、安·库尔西斯（Ann Curthoys）、格瑞姆·戴维森（Graeme Davidson）、罗斯·邓恩（Ross Dunn）、阿尔图罗·格尔德兹（Arturo Giráldez）、比尔·李德贝特（Bill Leadbetter）、海蒂·鲁普（Heidi Roupp）。1998年1月，在西雅图举行的美国历史协会会议上，阿诺德·施里尔（Arnold Schrier）主持了一场有关大历史的专题讨论，约翰·米尔斯、弗雷德·施皮尔和我都提交了论文，帕特里夏·奥尼尔（Patricia O’Neal）抱着理解与支持的态度对论文进行了评论。2002年1月，盖尔·施托克（Gale Stokes）邀请我参加在圣弗朗西斯科（San Francisco）举办的美国历史协会会议，在主题为“范围的作用”小组座谈会中讨论大历史问题。

还要感谢那些阅读了部分书稿或予以评论的人。除了前面已提到的，还有伊丽莎白·科波斯·霍夫曼（Elizabeth Cobbs Hoffman）、罗斯·邓恩（Ross Dunn）、帕特里夏·法拉（Patricia Fara）、厄尼·格瑞斯哈伯（Ernie Grieshaber）、克里斯·劳埃德（Chris Lloyd）、温顿·希金斯（Winton Higgins）、彼得·蒙西斯（Peter Menzies）、路易斯·施瓦兹科普夫（Louis Schwartzkopf）。1990年，I. D.库瓦琴科（I. D. Koval’chenko）教授邀请我去莫斯科大学做关于大历史的学术报告，瓦雷里·尼可拉耶夫（Valerii Nikolayev）也邀请我去莫斯科东方研究所（Institute of Oriental Studies in Moscow）讲学。大约10年前，斯蒂芬·门内尔（Stephen Mennell）请我去他所召集的研讨会讲述大历史，埃里克·琼斯（Eric Jones）对于我的论文提了一些很有价值的反馈意见。彭慕兰（Ken Pomeranz）不仅将自己尚未发表的书稿《大分流》中的有关章节提供给我，并请我去加利福尼亚大学尔湾分校讲述大历史。多年以来，我在许多大学就大历史这个主题做了演讲，其中包括澳大利亚的麦考瑞大学、莫纳西大学、悉尼大学、墨尔本大学、纽卡斯尔大学、伍伦贡大学（Wollongong）、西澳大学；美国的加利福尼亚大学圣塔克鲁兹分校、明尼苏达州立大学曼卡多分校（Minnesota State University，Mankato）、印第安纳大学布卢明顿本部；加拿大的维多利亚大学；英国的纽卡斯尔大学、曼彻斯特大学。我与约翰·安德森（John Anderson）为一篇关于能力与财富最大化社会的论文忙碌了近两年的时间，虽然论文至今未能发表，但是与约翰的合作使我对于向现代化的转变产生了许多新的思路。

自从1999年9月这部教科书最初的文稿发表之后，就收到了同事们的反馈意见和相关评论。按照姓名字母顺序，他们是阿尔弗雷德·克罗斯比（Alfred Crosby）、阿尔图罗·格尔德兹（Arturo Giráldez）、约翰·高兹布罗姆（Johan Goudsblom）、玛尼·休斯——沃林（Marnie Hughes-Warrington）、威廉·麦克尼尔、约翰·米尔斯、弗雷德·施皮尔、马克·维尔特（Mark Welter）。为了我的书稿，加利福尼亚大学出版社找了至少两位匿名评论人，在此对他们的劳动也表示感谢。2000年，玛尼·休斯威灵顿为我的大历史课程提供了许多有价值的建议。作为一位编年史学家，她不住地提醒我未曾理会的研究主题的编年史意义。威廉·麦克尼尔从我开始写作的初期，很长一段时期与我保持着书信往来，评论中既有批评也有鼓励，从而形成了我自己的观念。正是他让我从世界历史参差交错的关系中认真观察事物。

我还要感谢我的许多学生，他们分别在麦考瑞大学听我讲授HIST112课程“世界史入门”，在加利福尼亚大学圣地亚哥分校讲授HIST411课程“为教师讲授的世界史”以及HIST100课程“世界史”。正是他们的提问使我将注意力聚焦到了重要的地方。我尤其感谢学生们提供给我的信息，以及他们在其他书中或在因特网上的新发现。此外，他们能对这门课程产生兴趣，也让我感到欣慰。

我要特别感谢加利福尼亚大学出版社，包括林恩·威西（Lynne Withey）、苏珊娜·诺特（Suzanne Knott）及其他工作人员。艾丽斯·福尔克（Alice Falk）以十分负责的态度为我整理校订书稿。他们的专业技能、谦逊谨慎、幽默诙谐以及从容不迫的工作节奏，使原本颇为杂乱的书稿变成了一部真正的著作。

不言而喻，对于这样一部涉及面甚广的著作，我感谢过的那些提供了支持和帮助的人决不应该因为书中的错谬而受到指责，也不是说他们必定同意本书的观点。在写作之初，我就固执己见地忽略了许多善意的批评。因此在事实、解释或者持论公允方面，本书若有任何缺陷，均应由本人负责。

谨以此书献给查蒂、乔舒亚（Joshua）、埃米莉（Emily），对于他们多年来对我的无私付出略表回报。

大卫·克里斯蒂安

2003年1月





导论：一部现代创世神话吗？



“大历史”：以各种时间尺度考察过去


研究历史的方法就是要从漫长的绵延中去观察它，我称之为长时段（long durée）。这不仅仅只是一种方法，而且还能引发涉及古今各种社会结构的重大问题。它是唯一能够将历史与现实结合在一起，形成密不可分的整体的语言。[1]

普遍历史理解人类过去的生活，不是从其特殊关系和潮流，而是从其完满性和整体性去理解它。[2]

一刻的羁停——瞬时的吟味，

吟味这荒漠中的泉水——

哦！快饮哟！——幻影的商队

才从“无”中来，已经到了“无”际。[3]




就好像一支庞大沙漠商队中的商人，我们想要知道我们从哪儿来，又到哪儿去。现代科学告诉我们，这支旅行队伍极其庞大繁杂，从夸克到星系，我们的旅伴包括了许许多多奇异之物。关于这次旅行的起点和行进方向，我们所知道的并不算少。在这些方面，现代科学能够帮助我们回答关于我们自身的存在以及关于我们旅行期间的宇宙的最深奥的问题。科学有助于我们在人和宇宙之间划一条连线。

“我是谁？我的归属何在？我所属的那个整体又是什么？”任何人类社会都会以某种形式提出这些问题。在大多数社会，其正规和非正规的教育体系都在尝试回答这些问题。而答案又常常体现为创世神话故事。通过讲述令人难忘而权威的关于万事万物——从人类社会，到动物、植物以及我们周围的环境，再到地球、月球、天空甚至整个宇宙——如何起源，创世神话提供了一个普遍坐标，通过这个坐标，人们就能够在一个更大的框架里想象自身的存在，并且扮演自己的角色。创世神话是强有力的，因为我们在精神上、心理上，以及社会上有一种深层次的需要，那就是要有一种定位感、一种归属感，而创世神话正好满足了这种深层次需要。正因为它们提供了基本的定位，所以经常被深深整合进最深层的宗教思想，就像创世记的故事被整合在犹太教——基督教——伊斯兰教中一样。现代社会众多奇怪的特点之一就是，尽管现代社会所拥有的信息比早期社会更为可靠，那些现代教育体系中的人一般是不会讲授这样的创世传说的。相反，从中学到大学到研究机构，我们只教授一些关于起源的支离破碎的知识。至于事物是如何走到这一步的，我们似乎不能提供一个统一的描述。

我写这本书，因为我相信这种学术自谦是没有必要的，甚至是有害无益的。之所以说是不必要的，是因为我们周围已经充斥着现代创世神话的种种要素。之所以说它是有害的，是因为它造成了现代人生活中微妙而普遍的方向感缺失状态，即法国社会学先驱涂尔干所说的“失范”：一种无所归属的感觉，也就是对于自身应归于何处毫无概念的人们所无法摆脱的状态。

《时间地图》力图成为一部关于起源问题的前后连贯的、明白易懂的著述，一篇现代的创世神话。该书起始于我在悉尼麦考瑞大学教授的一门实验性历史课程上的系列演讲。我开设这门课有一个想法，就是要看一看，从许多不同范围讲述一个自真正的宇宙起源开始，直到现今为止，有关过去历史的前后一贯的故事，在当今世界是不是还有这个可能。我希望每一个尺度都能对整个图景增添一些新内容，从而使其他各个范围能变得更加容易理解。按照现代史学界的惯例，这是一个极其傲慢的想法。但令人惊讶的是，它又具有惊人的可行性，甚至比我起初设想的更让人感兴趣。本导论的任务之一，就是证明这样一种与众不同的思考和讲授历史的方式是有一定道理的。

我开始讲授“大历史”是在1989年。两年之后，我发表了一篇文章，试图为这一研究方法做一次正式的辩白。[4]尽管意识到这项计划有些怪异，但没过多久，我们这些企图讲授大历史的人就深信，这些大问题有助于提高课堂兴趣，鼓励人们对历史的性质进行富有成效的思索。讲授这些大故事使我们确信，在令人惊叹的纷繁复杂的现代知识之下，深藏着一种统一性和连贯性，确保在不同时间范围之间可以进行某些方面的对话。如果将这些故事串联起来，就完全拥有和传统的创世神话故事一样的丰富性和感染力。它们构成了澳大利亚原住民所说的现代“梦幻”——有关我们如何被创造，又如何被纳入事物整体框架的一套连贯的说法。

我们还注意到某些在前现代社会就为人所知的道理：倘若一个故事试图将现实世界作为整体来阐释，那么它的力量将是非常惊人的。这种力量与任何特定的故事本身的成败无关，这项计划本身就是有强力的，能够满足深层次的需要。在我看来，试图从总体上观察过去的历史，就像使用一张世界地图。没有一个地理学家会在讲课的时候仅仅使用一张街道地图。而大部分历史学家只是教授某个特定国家的历史，甚至是特定农耕文明的历史，从来不去过问整个过去究竟是什么样子。所以什么才是历史学家手中的世界地图呢？是否有一张包含过去所有时间范围的时间地图呢？

现在提出这些问题恰逢其时，因为许多学科都产生了一个日益滋长的共同观念，即我们要超越那些一个世纪以来主宰学术（同时服务于学术）的对现实支离破碎的叙述。科学家在这一方面进展得很快。斯蒂芬·霍金《时间简史》（1988年）一书的成功也显示了大众的兴趣在于试图了解整个现实。在霍金自己的研究领域宇宙学中，“大统一理论”（grand unified theory）的思想曾一度被认为荒谬可笑、野心勃勃。而现在它被视为是理所当然的。由于20世纪60年代以来现代进化论模式与板块构造论的统一，生物学和地质学的主题也趋向于更为统一的叙述。[5]

美国圣塔菲研究所（Santa Fe Institute）的学者长期以来一直在研究这些相互联系。诺贝尔奖得主、物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）是该研究所的非正式会员，他从物理学家的角度出发，清晰传神地论述了以更为统一的方式来描述现实世界的理由。


我们生活在一个专业化日渐增长的年代里，原因很清楚。人类一直在每一个研究领域孜孜以求，随着专业的成长，它又分出下属的专业。这个过程一再地发生，而且这是必需的、可取的。然而，目前以综合化辅助专业化的需求也正在日益增长。原因在于，要描述复杂的、非线性的系统，通过将其分割为预先定义的子系统或方方面面是远远不够的。如果对于这些彼此间处于强烈相互作用的子系统或各个方面只是分别加以研究，那么不管这种研究有多么细致，将其研究结果加在一起，也并不能获得关于整体的有用的图景。从这个意义而言，有一句古老的谚语蕴含着深刻的真理，即“整体要大于每个部分的总和”。

因此，人们必须舍弃这种想法，以为严谨的工作就是在一个狭隘的学科里将一个定义明确的问题弄个水落石出，而将广泛的综合性思维放逐到鸡尾酒会中去。在学术生活里、在官僚机构里，在其他任何地方，综合工作并没有得到应有的重视。




这位圣塔菲研究所学人还补充道：“要寻找那些有勇气对系统展开整体性粗略观察，而不仅仅是以传统方法研究系统的某些局部行为的人。”[6]

历史学家应当去寻找类似的统一结构，或者一个“大统一的故事”，从史学家的观点尽力概括关于起源的现代知识吗？世界史新分支学科的出现，标志着许多历史学家也开始认为需要对他们的目标有一个更为连贯的视角。大历史就是对这一需要的回应。20世纪80年代晚期，大约和我差不多同时，约翰·米尔斯（John Mears）开始在南卫理公会大学（位于得克萨斯州达拉斯）开设了一门按照尽可能大的时间范围讲授的历史课。从此之后，许多大学纷纷开设类似的课程——在澳大利亚的墨尔本、堪培拉、珀斯，在荷兰的阿姆斯特丹，在美国的圣塔克鲁兹。阿姆斯特丹大学的弗雷德·施皮尔跨出了更远的一步，撰写了第一部关于大历史的著作。书中他为构建一个基于各种时间范围基础上对过去进行统一叙述的计划做了雄心勃勃的论辩。[7]

与此同时，许多研究领域的学者正日益感受到我们在走向一种知识的大一统。生物学家威尔逊主张，我们需要着手研究从宇宙学到伦理学这些不同领域的知识之间的联结点。[8]世界史学家威廉·麦克尼尔写道：


看来人类实际上是属于整个宇宙的，而且同样具有多变的、不断发展的特性……在人类中所发生的与在恒星中所发生的，具有一个进化的历史，其特征就是自发地出现一种复杂性，这种复杂性能够在每一层面的组织——从最小的夸克和轻子到星系，从长长的碳元素链到有生命的生物体和生物圈，从生物圈到人类生息劳作的那些符号性的宇宙——中产生出新的行为方式，这些组织各自都试图想从我们周围世界得到比我们所想要得到的以及所需要的更多的东西。[9]




我希望这本书能有助于构建一个更为统一的历史和普遍知识观的宏大计划。我完全意识到这一计划所存在的困难。但我坚信这一计划是可行的而且是必要的，因此也是值得尝试一番的，希望别人最终能做得更好一些。我也相信，现代创世神话完全可以变得与早期社会那些创世神话一样丰富而美丽。这个故事是值得讲述的，即使讲述本身并不完美。





结构与体系


绝对不可能的事件很可能是这样一些事件：它们可能就像其他任何事件可能已经发生却不为人知。[10]

若用埃菲尔铁塔代表地球的年龄，那么，塔尖小圆球上的那层漆皮就代表人类的年龄；任何人都会设想：这座大铁塔原来就是为了那层漆皮才造出来的。我想他们准会那么想的，我不知道。[11]




量子物理学的开创者之一埃尔温·薛定谔在一部论述生命起源的生物学著作的前言中，描述了构建一个较为统一的知识图景所存在的困难。在前言中，他也为实施这一计划提出了我所知道的最佳辩护。


我们从祖先那里继承了对于统一的、无所不包的知识的渴望。正是给最高学术机构所起的名字提醒我们，从古代起历经这么多个世纪，唯一得到赞许的乃是事物的“普遍性”（universal）。但是在过去100余年的时间里，知识的众多分支无论在广度还是深度上都获得不断扩张，使我们陷入了一个奇怪的困境。我们清楚地感觉到，我们只是刚刚获得可靠的材料，将一切已知的认识组织起来形成整体，但另一方面，仅仅依靠一个人的头脑，就想要将超出一个小小的专业领域之外的思想统一起来几乎是不可能的。

我知道要摆脱这一困境并没有其他的办法（以免我们永远丧失真正的目标），只有我们中的一些人敢于开始着手将各种事实与理论综合起来，尽管所用的有一些二手的和不完全知识——而且要冒着自我愚弄的风险。

谨致以深切的歉意。[12]




大历史所面临的某些最令人沮丧的问题是结构性的。现代创世神话该是什么样子的？应该以什么立场来撰写？而哪些对象应当占据舞台中心？哪一个时间范围将居于主导地位？

现代创世神话不会也别想指望它会“不偏不倚”。现代知识决不提供一个无所不知的“知者”，决不提供不偏不倚的观察点，从而使所有事物——从夸克到人类自身到星系具有同等重要的意义。我们无法将所有事物放在一起论述。因此，没有一定观点的知识的想法是毫无意义的。（从技术角度说，这句话反映了一个哲学观点，即尼采的视界主义。）这种知识论到底能有什么用呢？一切知识都起源于知者和所知之间的关系。所有知者都希望他们的知识有某种用途。

创世故事也是如此，起源于特定的人类社会和他们所想象的宇宙之间的关系。它们从不同范围解释一些普遍的难题，这就是为什么它们有时看上去有着类似俄罗斯套娃（matryoshka）或托勒密宇宙观那样的嵌套结构，即有一个核心和许多层的外壳。最中心是那些试图去理解的人，而最外围的则是某种整体——一个宇宙或一个神灵，中间是存在于不同年代、不同空间和不同神话范围里面的实体。因此，正是我们所提的问题决定了一切创世神话的普遍原型。因为我们是人类，所以可以确保人类在创世神话中占有比他们在现实宇宙中所占有的更大的空间。一个创世神话总是属于某一类人的，本书所描述的创世神话是属于一个接受过现代传统科学教育的人。（有趣的是，这就意味着现代创世神话的叙事结构与所有创世神话一样是前哥白尼的，而其内容则肯定是后哥白尼的。）

虽然涉及的范围十分宽广，但《时间地图》并不想将读者淹没在无边无际的细枝末节之中。我已经试着尽量不要将此书写得太过冗长（虽然并不十分成功），希望不要让细节掩盖了重点。那些对于本故事的某些部分具有特定兴趣的读者会感到他们能发现更多的东西，每一章末尾都有“延伸阅读”，以便指点迷津。

本书的话题、主题之间的准确平衡也恰好凸显了这样一个事实，即本书不是以天文学家、地质学家或生物学家的观点，而是以历史学家的观点对大历史研究所做的尝试。（在这篇导论的最后罗列了其他一些大历史的研究方法。）这意味着，与斯蒂芬·霍金的著作或者普雷斯顿·克罗德的《宇宙、地球和人类》相比，人类社会在本书中被放大了。虽然如此，本书前5章仍包括了通常属于宇宙学、地质学和生物学范畴的主题，论述了以下四个层面的起源与演化：宇宙、星系和恒星、太阳系和地球、地球上的生命。本书的其余部分则论述了我们人类这个物种，以及我们与地球及与其他物种之间的关系。第6章和第7章讨论了人类的起源和早期人类社会的性质。它们试图考证人类历史的与众不同之处，以及人类与其他地球生物的不同之处。第8章考察了最早的农耕社会，在这一时期城市和国家尚未存在。大约1万年前，随着农业的出现，人类开始生活在密集的共同体里面，信息和物品的交换比以往任何时候都更加频繁。第9章和第10章描述了城市、国家以及农耕文明的出现与发展。第11章到第14章试图就现代社会及其起源的问题构建一种前后连贯的解释。最后，第15章是对未来的展望。大历史不可避免地要关注大潮流，而这些大潮流并不会在此时此刻戛然而止。因此，大尺度历史观将不可避免地提出有关未来的问题，而且对于近期的未来（今后的100年之内）及遥远的未来（随后的数十亿年之内）而言，至少一部分答案是现成的。提出这些问题应该成为现代教育至关重要的一部分，因为我们对未来的评估将会影响到我们现在所做出的决定，而今天的决定反过来又将塑造我们自己的子孙后代所居住的世界。若对这些指责掉以轻心，我们的子孙是不会感谢我们的。

第二个结构性难点在于主题。在涉及众多学科的论述中似乎很难保持前后一致。但是有一些现象在各种范围中都是存在的。毕竟主要演员都是类似的。在每一个层面上，我们感兴趣的都是有序的实体，从分子到微生物，再到人类社会，甚至到一系列的星系。解释这些事物如何存在、如何诞生、如何演化，以及最终如何走向毁灭，这就是各个尺度的历史素材都要涉及的。当然，每个范围都有它自己的规律——例如分子有化学规律，微生物有生物学规律——但令人惊讶的是，变化背后的某些原则却是普遍的。因此，弗雷德·施皮尔论证到，在最基本的层面上，大历史就是有关“统治方式”。就是有关在各个范围内都会出现的脆弱的有序范型，以及它们发生变化的方式。[13]因此，大历史的核心主题就是在不同的范围内探寻变化的规则有何不同。人类历史与宇宙的历史有所不同，但并非截然不同。我在附录二中论述了一些变化的普遍原则，但本书主要探讨的是在不同范围内发生变化的不同规律。





大历史：赞同和反对


许多领域的专家，包括地质学家、考古学家和史前史学家，认为从一个极大的范围内看待历史是十分正常的。但并不是人人都认为值得从事大历史的研究。尤其对于专业历史学家来说，在如此宏大的时间范围中探究历史是一件基本不可能完成的艰巨任务，这将会偏离历史学的真正目的。在这篇导论的最后，我将对我所遇到的四种主要的保留意见给出回答。

第一种意见在专业历史学家中尤为普遍。他们认为从大范围来看待历史，历史必然会显得干瘪。它肯定会丧失细节、结构、特性以及内容，而终将一无所获。诚然，从大范围的角度看，职业历史学家所熟悉的那些主题和问题都可能不复存在，这就好比从飞机的窗口向外俯视，平时所熟悉的地貌风景都似乎消失不见了一样。在大历史的进程中，法国大革命只不过是短暂的一瞬。然而我们并非得不偿失。随着我们观察历史的框架逐渐扩大，那些太过宏大以至于我们无法窥其全貌的历史事件将会在我们眼前一览无余。我们可以看到历史长河中的陆地与海洋，看到处于国家和区域历史中的村庄与道路。任何框架中所隐藏的东西都比它们所显露出的要多。而对于现代编年史所使用的从几年到几个世纪的传统时间框架来说尤为如此。也许传统框架所隐藏的最令人吃惊的东西，正是人类本身。即使从长达数千年的时间框架来看，也很难提出人类历史在整个生物圈的进化中所具有的重要意义这样一个问题。在一个全世界都充斥着核武器问题和生态问题的时代，我们迫切需要将人类看作一个整体。过去只是关注国家、宗教与文化之分野的那些历史叙述，现在看来是狭隘的、错误的，甚至是危险的。因此，认为从大范围的角度看待历史将一无所获，无疑是错误的。一些我们所熟悉的对象可能会消失，但是重要的新目标和新课题将会跃入我们的眼帘，而它们的出现，无疑会大大丰富历史这一门学科。

第二种反对意见可能是说历史学家若要撰写大历史，就必须超出历史学的范畴。事实也的确如此。像本书这样的总纲性研究是要冒一定风险的，作者依靠的是第二手资料，而且是以其他总纲性研究为基础的。因此，错误和误解在所难免：此项计划天然植入了差错。实际上，这就是知识过程的一个部分。如果你想了解自己的国家，就必须在你的有生之年至少出境旅行一次。虽然你不可能理解所看到的每一件事物，但你会对自己的国家有一个全新的认识。历史也是如此。要想了解人类历史的特点，我们就必须了解一些生物史和地质史的特点。我们不可能成为生物学家或地质学家，我们对这些领域的认识也是有限的，但我们必须巧妙运用其他领域专家的意见。他们对于过去的不同观点也有许多值得我们学习的地方。过于重视各学科之间的界限，将会阻碍学科之间学术合作的可能性。例如，我认为我们需要用生物学家的眼光才能看出人类作为一种动物——智人（Homo sapiens）的真正特征。

第三种反对意见是指大历史会编造一种新的“宏大叙事”，而我们所知道的宏大叙事全都是无用的，甚至是危险的。大历史的元叙事是否会排除其他的历史，即少数民族史、地方史、某些特定国家或种族的历史呢？[14]也许对过去采取一种支离破碎的观点［用人类学家乔治·马科斯（George Marcus）和迈克尔·菲舍尔（Michael Fischer）的话说就是“用珠宝商的眼光”看待过去］是唯一能够真正公平对待人类经验的丰富性的方法。[15]纳塔莉·泽蒙·戴维斯（Natalie Zemon Davis）说得好：


问题在于一个大师的叙事是否就是全球史所追求的恰当目标呢？我不这么认为。大师的叙事很容易为历史学家所特有的时间和地点的范型所取代，不管它们是多么有利于某些历史证据的说明。如果一种新的非中心化的全球史正在发现一种与众不同的重要的历史路径和轨迹，那么它也完全可以让大历史成为另一种与众不同的研究方式，或者使之变得多样化。全球史所面临的挑战就是要创造性地将这些叙事置于一种互动的框架里面。[16]




再者，这种指责也有它的可取之处。在从大范围的角度观察历史的时候，某种类型的叙事是不可避免的，而且一定会受到当时所关切事物的限制。然而，不管这些大叙事看上去有多么宏大，历史学家都不应该回避。无论喜欢与否，人们都会去寻找并最终找到这些大历史，因为它们能够提供某种意义。就像威廉·克罗农（William Cronon）在一部关于环境历史的著作中所写：“当我们将人类活动放在一个生态系统中加以描述，那应该总是会涉及有关这些活动的故事。和所有的历史学家一样，我们将历史事件置于一连串的因果关系——亦即故事——之中，使这些事件变得有序而简单，以便赋予其新的意义。我们这样做是因为叙事乃是试图在极其混乱的历史现实中寻求意义的主要文学形式。”[17]即使那些带薪的知识分子过于讲究细节而不去创作这些故事，这些故事仍然广为流传，而他们自己将被遗忘，最终被剥夺作为知识分子的权利。这其实是放弃责任，尤其是知识分子在创造当今许许多多元叙事话语中扮演关键角色的时候。元叙事存在着，并具有很强的影响力和说服力。我们或许可以驯化它们，但决不能把它们一笔抹杀。此外，虽然宏大叙事有很强的影响力，但潜意识的宏大叙事影响力更大。不过在现代知识下面已经潜伏着一种“现代创世神话”了。它以一种危险的形式存在，亦即对支离破碎的现代知识的拙劣的叙述和鄙陋的理解，败坏了关于现实的传统叙述而未能将其综合成为一种关于现实的新观点。只有理清现代创世神话的脉络，使之成为一个连贯的故事，才有可能真正采取下一个步骤：批评它、解构它，或改进它。历史就像造房子，解构之前必先建构。我们必须先看到现代创世神话，然后才能去批评它。我们必须先把它清晰明白地表述出来，然后才能看清楚它。欧内斯特·盖尔纳（Ernest Gellner）在他那本试图用一种总纲性的观点看待历史的著作《犁、剑与书》（1991年）中有这样一段描述：


本书的目的很简单，就是要通过最明确的甚或最夸张的概括，来清楚表述关于人类历史的一种观点，这种观点形成虽晚，但是尚未得到恰当的整理。甚至都还没有开展这方面的尝试，因为作者还错误地认为它应当是正确无误的，但他并不知道其实他错了。普遍的理论未必能确保其获得确定和最终的真理。特别是理论根本无法涵盖有着无穷变化的复杂事实，任何一位学者都不可能做到这一点。之所以要阐明这个观点，是希望对其进行简洁而有力的阐述可以使这个观点接受批判的检验。[18]




此外，本书提供的这一类“宏大叙事”具有惊人的包容能力。在21世纪的全球“真理”市场上，所有的叙事都面临着残酷竞争。已经在中学与大学里所讲授的那些详细的历史故事，确保了一个现代创世神话不会是完整的故事，而是一连串庞大而随意的故事，其中每一故事都可以用许多不同的方式、许多不同的变化进行叙述。实际上，正是宏大叙事为那些在当今（不太丰富）的历史教学课程中苦苦挣扎的其他历史叙述创造了更大空间。就像帕特里克·奥布赖恩（Patrick O’Brien）所写的：“随着越来越多的历史学家大胆地从全球范围的角度进行写作，这个领域将声名鹊起，产生许多颇具竞争力的元历史叙事，从而使得教区史、地方史及国家史的滚滚洪流能够汇合在一起，对此我们充满希望。”[19]

第四个反对意见与第三个有着密切的联系：从如此宽广的范围来叙述是否会导致对真理过度的自居呢？在向学生讲授大历史的时候，我发现他们会努力在两个极端立场之间寻找平衡点。一方面，他们会假设关于起源问题现代的、“科学的”叙述是正确的，而在这之前的任何叙述或多或少都存在错误；另一方面，面对现代历史叙述的某些不确定性，他们又试图把这“仅仅当作是一个故事”。

将大历史叙事当作一个现代创世神话，是一个很好的办法，它可以帮助学生在这些极端之间找到认识论上的平衡点。因为首先它指出一切有关现实的描述都只是约定俗成。今天在我们中间所流传的一些故事，在几个世纪之后将会显得十分离奇和幼稚，如同传统创世神话的一些成分在今天看来也是十分天真一样。但是承认这一点，我们却也不自认为是虚无的相对主义者。从现代科学到最古老的创世神话，所有的知识体系都可以被看作是描绘现实的地图。它们不是简单的对与错。对于现实的完美描述是不可企及的，也是不必要的，而且对于包括人类在内的所有懂得学习的生物体来说实在也是非常昂贵的。不过可操作性的描述则是不可或缺的。因此知识体系就像地图一样，乃是一个由现实性、灵活性、有用性以及灵感所混合而成的复杂事物。它们必须对现实做出某种程度上与常识经验相符合的描述。但是这种描述也必须是有用的。必须有助于解决那些每个共同体都需要加以解决的问题，无论是精神的、心理的、政治的或者是机械的问题。[20]

任何创世神话都在各自的时代提供了关于现实的有用地图，因此它们才会被人们相信。它们说明了当时人们所认识的事物的意义。它们包含许多好的、经验的知识，它们的庞大结构帮助人类在一个更为广阔的现实世界中寻找到自己的位置。但每一幅地图都必须建立在知识的基础上，满足特定的社会需要。正因如此，它们在发祥地以外就不一定会被视为“真理”。同样，现代创世神话也不必为它的局限性而致歉。它必然是从现代知识以及现代问题出发的，因为它是为生活在现代世界的人们而设计的。即使所付出的努力永远不可能完全成功，我们也要试着去理解我们所在的宇宙。因此，关于现代创世神话的真理问题，我们所能提出的最大要求，就是它要从21世纪早期的视角提供一个关于起源问题的统一的叙述。





关于大历史的延伸阅读


下面罗列了一些英文著作，它们或从一个比世界历史更为宽广的角度去探究历史，或尝试在一个更广阔的环境来观察人类历史，或者为这些尝试提供一个方法论的框架。这些著作是对“大历史”的宽泛定义，无疑还有其他许多著作可以包含这个大历史。作者来自许多不同领域，他们的著作在研究路径和性质上也有很大的不同，其中哪些是属于大历史方面的书籍，哪些则不是，还有很大的讨论余地。这一基本的参考书目是以弗雷德·施皮尔最初编撰的一份书目为基础的。删除了一些太过专业的书籍，它们对于历史学家和大众读者来说不大可能有什么用处。还删除了一大批从大范围角度撰写的书籍，主要是给历史学家看的，但并未试图兼顾多个时间范围。

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Wright, Robert.Nonzero: The Logic of Human Destiny.New York: Random House, 2000.


[1] 篇首语：费尔南德·布罗代尔（Fernand Braudel）著，莎拉·马修斯（Sarah Matthwes）译：《论历史》（芝加哥：芝加哥大学出版社，1980年），第viii页，1969年序言。



[2] 利奥波德·冯·兰克（Leopold von Ranke）语，转引自阿瑟·马威克（Arthur Marwick）：《历史的本性》（伦敦：麦克米兰出版社，1970年），第38页。



[3] 爱德华·菲茨杰拉德（Edward Fitzgerald）：《纳霞堡诗人莪默·伽亚谟四行诗集》（The Rubàiyàt of Omar Khayyàm of Naishàpúr）, 第47节，载亚历山大·W. 阿利森（Alexander W Allison）等编：《诺顿诗选》（纽约：W. W. 诺顿出版社，1970年），第3版，第688页。（译文采自莪默·伽亚谟著，郭沫若译：《鲁拜集》，人民文学出版社，1958年，第50页。——译者注）



[4] 大卫·克里斯蒂安：《“大历史”的研究现状》，载《世界史杂志》第2卷，第2期（1991年），第223—238页；文章又被收入罗斯·E.邓恩（Ross E. Dunn）所编《新世界史：教师指南》（波士顿：贝德福德/圣马丁氏，2000年），第575—587页。我最初使用“大历史”这个概念可能有点儿轻率，后来才认识到它也被用得太滥了，然而，我一直没有放弃，因为它提供了一个方便的速记形式，以指称这种尽可能在最大范围内考察历史的研究计划。



[5] 现代对历史做统一的叙述有两种重要的尝试——它们分别从宇宙学与地质学的观点来撰述——埃里克·蔡森的《宇宙的演化：自然界复杂性的增长》（麻省坎布里奇：哈佛大学出版社，2001年），以及普雷斯顿·克罗德的《宇宙、地球和人类：宇宙简史》（纽黑文：耶鲁大学出版社，1978年）。



[6] 默里·盖尔曼：《朝向更加可持续的世界转型》，尤里科·布卢门费尔德（Yorick Blumenfeld）编：《未来掠影：20位著名思想家论明日世界》（伦敦：泰晤士和哈得孙出版社，1999年），第61—62页。



[7] 弗雷德·施皮尔：《大历史的结构：从大爆炸到今天》（阿姆斯特丹：阿姆斯特丹大学出版社，1996年）。



[8] 威尔逊：《论统合：知识的融通》（伦敦：阿巴库斯，1999年）。



[9] 威廉·麦克尼尔：《历史和科学的世界观》，载《历史与理论》第37卷，第1期（1998年），第12—13页。



[10] 詹姆斯·乔伊斯：《芬尼根的守灵夜》，引自约瑟夫·坎贝尔（Joseph Campbell）：《神的面具》第1卷《原始神话》（哈蒙斯沃思：企鹅出版社，1959年初版；1976年再版），第20页。



[11] 马克·吐温：《该诅咒的人类》，载伯纳德·德·沃托（Bernard De Voto）编：《来自地球的信》（纽约：哈珀和罗出版社，1962年），第215—216页；转引自林恩·马古利斯（Lynn Margulis）、多里昂·萨根：《微观世界：微生物进化40亿年》（伦敦：亚伦和乌温出版社，1987年），第194页。（译文采用肖聿译《来自地球的信》，中国社会科学出版社，2004年，第155—156页。——译者注）



[12] 埃尔温·薛定谔：《生命是什么？》，载《生命是什么？从物理学方面看活细胞》；载《精神与物质》《自述传略》（剑桥：剑桥大学出版社，1992年），第1页（1944年初版）。



[13] 施皮尔：《大历史的结构》。



[14] 在利奥塔著名的表述中，后现代主义最重要的一点就是“对叙事的怀疑”，参见让——弗朗索瓦·利奥塔（Jean-Franois Lyotard）著，杰夫·本宁顿（Geoff Bennington）、布赖恩·马苏米（Brian Massumi）译：《后现代状况：关于知识的报告》（明尼苏达：明尼苏达大学出版社，1984年），第xxiv页。凯斯·詹金斯（Keith Jenkins）把宏大叙事定义为“一种超常的历史哲学，就像理性和自由不断前进的启蒙运动历史一样，或者像马克思所描绘的场景，生产力不断发展，经过阶级斗争的手段最终导致无产阶级革命”。参见詹金斯编：《后现代历史读本》（伦敦，劳特利奇出版社，1977年），第7页。



[15] 乔治·E.马科斯、迈克尔·菲舍尔：《作为文化批判的人类学：人类科学中的一个实验阶段》（芝加哥：芝加哥大学出版社，1986年），第15页及各处。



[16] 纳塔莉·泽蒙·戴维斯对一场名为“大陆文化的跨世纪遭遇”学术研讨会的评论，参见《第十九届国际历史学大会》（奥斯陆：国家图书馆，2000年），第47页。



[17] 威廉·克罗农：《有故事可讲的地方：自然、历史与叙事》，载《美国历史杂志》第78卷，第4期（1992年3月），第1349页。



[18] 欧内斯特·盖尔纳：《犁、剑与书》（伦敦：帕拉丁出版社，1991年），第12—13页。



[19] 帕特里克·奥布赖恩：《宇宙的历史是可能的吗？》，载《第十九届国际历史学大会》，第13页。



[20] 把知识比喻为各种描绘现实的地图的藏品，那就是在工具主义（instrumentalism）的知识论与现实主义的知识论之间刻意寻求平衡。关于历史作品就是绘制地图，第一流的论述可参见约翰·刘易斯·加迪斯（John Lewis Gaddis）：《历史的景观：历史学家如何描绘过去》（牛津：牛津大学出版社，2002年），第31—34页。对于工具主义者与现实主义者在科学哲学体系中的争论，最新的描述可参见斯塔西斯·普西洛（Stathis Psillos）：《科学现实主义：科学如何追寻真理》（伦敦：劳特利奇出版社，1999年），该书追踪这两种研究途径的边界，而最终选择了现实主义的立场。





第1部

无生命的宇宙





年表1.1 宇宙的尺度：130亿年





第1章

第一个30万年：宇宙、时间、空间的起源


薇奥拉：朋友们，这儿是什么国土？

船长：这儿是伊利里亚（Illyria），姑娘。[1]





起源问题


万事万物是如何起源的？这是创世神话所要面对的首要问题，无论现代宇宙学取得了多么大的成就，这个问题还是需要慎重对待。

一开始，所有的解释都面临同样一个难题：某种事物如何从无到有。这是一个普遍的难题，因为万物的开端是无法解释的。最小的物质，亚原子粒子（subatomic particles）在一瞬间从无到有，并不存在什么中间状态。量子物理学精确地分析了这些介于似有似无之间的奇异突变，但这种解释对于人类是没有意义的。澳大利亚原住民有句俗语可以很好地概括这一看似荒谬矛盾却又正确的说法：“虚无就是虚无。”[2]

对于起源解释之难的意识与神话一样古老。以下经文就以一种颇为老到成熟的口吻和惊人的现代怀疑论观点提出了这些问题。它来自公元前1200年左右古印度诗歌总集《梨俱吠陀》（Rig-Veda）中的一首颂诗。该诗描述了创世之前似有还无的一处神秘之地：


无既非有，有亦非有；无空气界，无远天界。何物隐藏，藏于何处？谁保护之？深广大水。

死既非有，不死亦无；黑夜白昼，二无迹象。不依空气，自力独存，在此之外，别无存在。

其光一闪，横向射出，或在于上，或在于下。有施种者，有宏大者。自力为下，冲力为上。

谁真知之？谁宣说之？彼生何方？造化何来？世界先有，诸天后起；谁又知之，缘何出现？

世间造化，何因而有？是彼所作，抑非彼作？住最高天，洞察是事，惟彼知之，或不知之。[3]




我们从中得到一个暗示，首先，存在着一种强有力的虚无——就像制陶工场院里的黏土等待被塑造成什么。现代核物理学也正是这样理解真空观念的：它虽然是空无，但能够拥有形状和结构，（正如粒子加速器的实验所证实的那样）能够从虚无中爆发出“物质”和“能量”。

也许有那么一个陶匠（或者若干个陶匠）正准备着赋予真空以形状。也许陶匠就是黏土本身。根据16世纪玛雅人的手稿《布布尔·乌赫》（Popol Vuh，又名《社团之书》）：“不管怎样，什么都不存在：只有喃喃细语，只有浪花涟漪，在黑暗中，在夜色里。只有创造者（Maker），也就是塑造者（Modeler）本人，那羽蛇神（Sovereign Plumed Serpent）、信使（Bearers）、生产者（Begetters），在水里微微闪光。他们就在那里，包围在格查尔鸟（quetzal）的蓝绿色的羽毛里。”[4]但是造物主又是从哪里来的呢？每一个开端似乎都意味着会有一个更早的开端。在一神论的宗教，例如基督教或伊斯兰教那里，只要你问，上帝是如何被创造的，问题就出来了。我们所遭遇的不是一个出发点，而是永无穷尽的出发点，每一个出发点都会遇到相同的问题。

对于这一进退两难的境地，并没有完全令人满意的答案。我们不得不找到的不是答案，而是某种处理这个奥秘的方法，用禅宗的譬喻来说，就是“指月”的方法。只是我们不得不立下文字而已。然而我们的文字，从上帝到引力都不足以胜任这个任务。因此，我们不得不诗性地或象征性地使用语言；这种语言，不管是科学家、诗人还是萨满使用，都很容易被人误解。法国人类学家马塞尔·格里奥勒（Marcel Griaule）曾经向一位多贡人[5]（Dogon）的智者奥格特梅利（Ogotemmeli）请教一个神话的细节内容，这个神话是说，许多动物拥挤在一级极小的台阶之上（就像在挪亚方舟上的动物一样）。奥格特梅利略带烦躁地回答说：“所有这些都必须用语言文字表述，但台阶上的每一事物都是一个象征……不管有多少象征都可以在那个一尺台阶上找到自己的空间。”这里翻译为“象征”的字也可以翻译成“这个下界的语言”。[6]面对事物的起源，语言本身濒临崩溃。

其中一个最难对付的难题是关于时间的。当没有时间的时候，“时间”存在吗？时间是我们想象出来的东西吗？[7]在某些思想体系中，时间并不真正存在，地点才是重要的万物之源，而创世的悖论也多种多样。[8]但是，对于那些把时间视为中心的人类共同体而言，关于起源的悖论是无法避免的。下文是伊斯兰教对祆教徒解开这些谜团所作尝试的一个概括。其中，创造者是一个被称为“时间”的永恒实体，他创造了一个变化的宇宙。这个宇宙由两个相互对立的原则所支配，就是阿胡拉马兹达（Ohrmazd）和阿里曼（Ahriman）两个神。


除了时间，所有的事物都是被造的。时间是创造者，时间是无限的，没有顶点也没有底端。它一直存在，永远存在。没有任何智者能说出时间何时到来。尽管所有的伟大都围绕着它，却没有人称它为创造者；因为它还没有带来什么创造。于是它创造了火和水，当它把水火放在一起，阿胡拉马兹达就存在了，同时时间就成了它所创造的事物的创造者和主。阿胡拉马兹达就是光明，就是纯净，他是善良、仁慈的化身，具有统治一切善良事物的力量。然后，他向下俯视，看见了远在96000帕勒桑（parasang）[9]之外四处为害、令人厌恶、象征着黑暗与邪恶的阿里曼；阿里曼惧怕阿胡拉马兹达，因为他是可怕的对手。当阿胡拉马兹达看见了阿里曼，他想：“我必须完全摧毁这个敌人。”于是开始考虑使用什么手段能够毁灭他。然后，阿胡拉马兹达开始了他的创造工作。无论阿胡拉马兹达做什么，他都需要时间的帮助；阿胡拉马兹达所需要的所有美德，都已经被创造出来了。[10]




就像形式一样，时间意味着差别，哪怕只是过去与现在之间的差别。因此，就像大多数的创世传说一样，这个故事也是讲述从一种最初的同一性中产生差别。与其他许多创世神话一样，在这个版本的创世神话中，差别起源于对立双方的根本性冲突。

对于这些悖论，有一个更为诗意的答案，就是把创造想象成一种从睡梦中的觉醒。来自南澳大利亚卡拉拉鲁人（Karraru）的传说将最初的地球描述为寂静、沉默，处于黑暗之中。然而，“在努勒博平原（Nullarbor Plain）一处深邃的山洞中，睡着一位美丽的妇人——太阳。圣父之灵（the Great Father Spirit）温柔地叫醒了她，告诉她该从山洞出来唤醒宇宙的生命了。太阳母亲张开她的双眼，黑暗消失了，阳光普照大地；她的呼吸引起大气层的变化，空气轻摇，微风拂动”。太阳母亲做了一次漫长的旅行，去唤醒沉睡着的动物和植物。[11]这样一个传说暗示我们：创造不是孤立单一的事件，而必须是不断重复的事件，而且，就像我们将会看到的那样，这是每个人都可以体验到的真理。从星系、恒星到太阳系与生命，每当我们观察某种新生事物，都会重复关于创造的悖论。我们之中的许多人也体验过我们自身的起源，最早拥有记忆的那一瞬间，就像在虚无中被唤醒一样。

现代科学通过许多不同的途径探讨起源问题，有的途径比其他方法更加令人满意。在《时间简史》（1988年）一书中，斯蒂芬·霍金指出，起源问题已被人为地歪曲了。如果我们把时间设想成一条线，自然是会问到它的起点何在。但是宇宙是否会有不同的形状呢？也许时间更像一个圆。没有人会问圆的起点和终点在哪里，就像没有人会在北极问北面在哪里。没有彼岸，没有边界，宇宙的每一属性都完全是自我包含的。霍金写道：“宇宙的边界条件是它没有边界。”[12]许多创世神话都采用了类似的途径，也许它们全都产生于不把时间看作一条直线的社会中。当我们在时间中回顾过去，过去似乎在慢慢地消退，进入了现代澳大利亚原住民神话所谓的“梦幻时代”。过去好像拐了一个弯，我们想要看见却再也不能够看见了。如果我们往前看，也是一样，在一定意义上，未来与过去似乎能够相遇。[13]米尔恰·伊利亚德（Mircea Eliade）在一部难懂然而引人入胜的作品《永恒轮回的神话》（1954年）中，也讨论到类似的关于时间的想象。[14]

现代社会通常把时间想象为一条直线而不是一条曲线，因而认为上述解释似乎是人为的。相反，宇宙也许是永恒的。只要我们愿意，就能沿着时间这条直线一直回溯下去，但我们只会发现一个宇宙，所以起源问题并不会真正产生。尤其是南亚次大陆的诸宗教往往会采用这一策略。除大爆炸宇宙学之外，现代最严肃的宇宙衡稳态学说所采取的也是同样的策略。李·斯莫林（Lee Smolin）最近提出的一个理论也采取了同样的策略。这个理论认为，存在着许多宇宙，每当它们创造黑洞的时候就会以周而复始或者“算术式”（algorithmic）的过程创造其他宇宙，这个过程类似于达尔文进化论，确保宇宙以一种增加创造出像我们这样的复杂实体的可能性的方式得到“进化”（参见第2章）。[15]在现代宇宙学中类似的论证可谓比比皆是，它们都暗示，我们所看到的宇宙也许仅仅是巨大的“多元宇宙”（multiverse）中一颗极小的原子。但这样的探讨也不能令人满意，因为它还是会留下令人困扰不堪的问题，即这样一个永恒的过程其自身又是如何开始的，一个永恒的宇宙又是如何被创造的。

或者我们可以回到造物主的观念上来。基督教通常认为造物主在几千年前创造了宇宙。剑桥的莱特富特（Lightfoot）博士在一次著名的计算中，精确地“证明”上帝在公元前4004年10月23日上午9：00创造了人类。[16]其他一些创世神话也宣称，神就像陶匠、瓦匠或钟表匠那样创造了世界。这一方式解答了许多疑问，却留下一个悬而未决的基本问题——神又是如何创造他们自身的？我们好像又被迫回到了一个无穷的循环之中。

最后要提及的是怀疑论。这种思想坦率地承认，在某些方面我们必然会智穷虑竭的。人类的知识本质上是有限度的，因此某些问题依然是神秘的。一些宗教把这些神秘看作神故意对人类隐瞒的秘密，另一些宗教，例如佛教，则把它们视为不值得与之纠缠而喋喋不休的终极谜团。我们将会看到，对于宇宙自从诞生之后是如何发展的这个问题，现代宇宙学提供了一个十分令人信服的说明，但是在宇宙的开端问题上也采取了怀疑论的立场。





早期关于宇宙的科学论述


现代科学试图运用经过检验的材料和严格的逻辑来解答起源问题。尽管像牛顿等许多先驱科学家都是基督徒，坚信上帝的存在，然而他们也感到神灵是理性的，所以他们的工作就是把上帝用来创造这个世界的潜在规律梳理清楚。这意味着要去解释世界，就当神灵不存在一样。与大多数传统知识不同，现代科学试图解释宇宙，仿佛宇宙是毫无生气的，仿佛万事万物就这样产生了，没有意图，也没有目的。

基督徒对宇宙的看法在很大程度上应当归功于希腊哲学家亚里士多德的观念。尽管一些希腊人坚持地球围绕太阳旋转，亚里士多德却将地球置于宇宙的中心，一连串肉眼可见的天体按照各自不同的速度围绕地球旋转。这些天体包括行星、太阳和其他恒星。这一模型今天听来是离奇古怪的，但是公元2世纪的托勒密的学说为其提供了一个严密的数学基础，而且这一模型预测天体运行是有效的。基督教又加上了另外一个观念，宣称这个宇宙可能是上帝在6000年前花了5天的时间创造出来的。但在16、17世纪的欧洲，托勒密学说开始崩溃。哥白尼列举了一些强有力的证据，认为地球是围绕太阳旋转的。异端修士乔尔丹诺·布鲁诺则主张所有恒星都是与太阳一样的天体，宇宙可能是无限广大的。17世纪，牛顿和伽利略等科学家探究了这些思想中的许多含义，同时也尽可能保留了《圣经》的创世传说。

到了18世纪，托勒密的宇宙观最终被推翻了。取而代之的是一幅全新的景象，宇宙是按照原则上能够为科学所发现的严谨而理性的客观规律运行的。上帝创造宇宙，或许在时间之内；在某种意义上，或许在时间之外。随后，上帝就让它几乎完全按照自己的逻辑和规则运行。牛顿假设时间和空间都是绝对的，给宇宙规定了一个终极的参照框架。人们普遍认为，时间和空间是无限的，因而宇宙没有确定的边界，时间亦无起源。于是，上帝离万物起源的故事越来越远了。

不过问题依然存在。其中一个问题产生于热力学理论，这个理论提出，宇宙的可用能量恒定减少（或者说熵正在不断增加，参见附录二）。其结果是，在一个无限古老的宇宙里将会没有可用的能量来创造任何东西——然而这很显然不是事实。或许这可能表明，宇宙并不是无限古老的。夜晚的天空则提出了另一个问题。1610年，天文学家约翰尼斯·开普勒指出，如果真的有无数颗恒星，那夜晚的天空应该布满耀眼的光芒。这个问题现在又称“奥伯悖论”（Olber’s paradox），是以19世纪以后广泛宣传这个问题的德国天文学家的名字命名的。唯一的答案只能假设宇宙并不是无限的。这可以解释奥伯悖论，但同时却产生了另一个问题：牛顿指出，如果宇宙不是无限的话，那么引力就会把所有的物体拉向宇宙中心，就像集油槽里面的油一样。还好，当天文学家研究夜空的时候，他们所观察到的并不是这个样子。

所有的科学理论当然都包含着难题。但是只要理论能解答人们提出来的大部分问题，这些难题就可以忽略不计。在19世纪，牛顿理论所面临的难题基本上都被忽略不计了。





大爆炸：从原初的混沌到最早的有序


在20世纪前半叶，种种证据逐渐积累，形成了另一种理论，我们称之为大爆炸宇宙学。它解决了熵的问题，说明宇宙并不是无限古老的；它解决了奥伯悖论，指出宇宙处在有限的时间和空间内；它还指出，宇宙正在迅速膨胀，引力（还来不及！）将所有事物都拉扯成一团，这也合理地解释了引力的悖论。大爆炸宇宙学描述了一个有开端、有历史的宇宙，因此，把宇宙学变成了一门历史科学，变成了一种变化和进化的叙述。

大爆炸理论认为，宇宙从一个无限小的奇点开始迅速膨胀，并且至今仍在膨胀。至少，这种叙述在形式上类似于传统的创世神话，即所谓的浮现神话（emergence myth）。在这类叙述中，宇宙就像一粒卵或一颗胚芽，从一个遥远的，也许是不可确定的起点，历经不同的阶段，在内在的发展规律制约下不断进化。1927年，大爆炸宇宙学的创始人之一乔治“·勒梅特（Georges Lemaoître）提出，早期宇宙就像原初的原子”（primordial atom）。如同所有的浮现神话一样，现代理论暗示宇宙在一个特定时间被创造，它有自己的历史，而且可能在遥远的未来消亡。新的理论解决了旧理论所遇到的许多困难。例如，它指出宇宙并不是永远存在的，由此解释了奥伯悖论；由于光速有限（正如爱因斯坦所言），即使到宇宙生命的尽头，来自最遥远星系的光也不可能到达我们这里。这个理论也与产生于20世纪初有关恒星、物质、能量的大量新数据和信息相一致。但在一开始的时候，它也不得不借助于某种不可言说的神秘。

关于起源的现代故事如下所述。[17]宇宙诞生于大约130亿年前。[18]（这段时间有多长呢？如果每个人的寿命正好是《圣经》所说的70年，那么要相当于2亿人的寿命首尾相连才能回溯到那么远的时间。关于这些巨大的时间范围的更多详情，可参见附录一。）关于开端，我们除了说出现了某种事物之外，就没有其他任何话可说了。我们不知道它为什么出现，也不知道如何出现的。我们说不清在这之前存在着什么。我们甚至都不能说有那么一个“之前”或者“空间”，某种事物在其中存在着，因为（公元5世纪圣奥古斯丁在一场争论中早就提出）时间和空间也许是与物质和能量在同一时刻被创造出来的。所以，关于大爆炸那一刻或者更早的时期，我们说不出什么确切的东西。

然而，从大爆炸之后一秒钟还不到的一刹那开始，现代科学能够根据大量证据提供一个精确而清晰的故事。大部分最有趣的“事件”都发生在这一秒钟不到的一刹那间。事实上，把时间本身当成从这些最初的若干瞬间延伸出来，将有助于我们理解一百亿分之一秒与宇宙之后数十亿年的历史是同等重要的。[19]

一开始，宇宙极其微小，也许比原子还小。（那么原子到底有多微小呢？物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）形象地说明了原子的大小：如果把一只苹果扩展到地球那么大，那么组成苹果的每一个原子的体积就相当于最初的那只苹果。）[20]这个像原子般大小的宇宙温度高达好几万亿度。在这样的温度下，物质和能量是可以相互转化的——正如爱因斯坦所说，其实物质差不多就是能量的一种凝聚形式。这种“能量/物质”高度致密的混沌，颇类似于各种传统创世神话所说的原初的无序状态。但是在现代故事中，这个微小的宇宙以令人吃惊的速度膨胀，而且正是由这种膨胀产生了最初的差异和形式。[21]膨胀理论宣称，大约在大爆炸之后的10-34秒至10-32秒间，宇宙以超光速（光速大约为每秒30万千米）膨胀，在某种形式的“反引力”（antigravity）作用下迅速分离。这一过程的强度是无法想象的：在爆炸之前，整个宇宙可能比一个原子还小，而在一瞬间之后，它变得比一个星系还要大。膨胀的程度大到我们几乎观察不到宇宙的绝大部分，因为大部分来自宇宙的光线都过于遥远而不能到达我们这里。我们所能见到的宇宙也许只是真正宇宙的极小一部分。就像蒂莫西·费里斯所指出的：“如果整个膨胀的宇宙像地球那么大，那么我们所能观察到的部分比一个质子还要小。”[22]

随着宇宙的膨胀，它的同质性开始降低。初始的平衡被打破，不同的范型开始出现，物质和能量获得了我们今天所见到的形式。现代核子物理学能够说出在怎样的温度下会出现怎样特定的能量或物质形式，就像我们能够说出在怎样的温度下水会转化为冰一样。因此，如果我们能够测算宇宙冷却的速度，那么我们就能测算不同的力与粒子分别是在什么时候从早期宇宙混沌中诞生的。在大爆炸后第一秒内，夸克出现了，它构成原子核的主要成分——质子和中子。夸克和原子核由支配我们宇宙的四种基本力之一的强核力结合在一起。

即使以大多数创世神话的夸张标准衡量，现代创世故事在这一点上（亦即大爆炸之后不超过1/1000秒的时间宇宙就生成了），它的夸张程度也是显而易见的。粒子以两种形式出现，组成了几乎等量的物质和反物质。反物质的粒子除了拥有相反的电荷之外，与物质的粒子一模一样。当二者相遇，彼此相互抵消，而且它们的质量百分之百转化为能量。因此，大爆炸后的第一秒钟之内，在原子内部上演了一出逆向的抢座位游戏，其中夸克是游戏者，反夸克就是座位，10亿个夸克中找不到反夸克座位的那一个夸克才是胜利者。构成我们宇宙的物质是由10亿个粒子中找不到反物质伙伴的那个粒子所组成的。找到伙伴的粒子以宇宙背景辐射的形式转化为纯粹的能量，这些能量至今仍遍及宇宙。[23]这一过程或许可以解释为什么在今天的宇宙中，物质的粒子与能量的光子的数量之比为1∶10亿。

然后宇宙膨胀的速度减慢了。在大爆炸之后的几秒钟内，电子出现了。电子带着一个负电荷，而质子（由夸克构成）带着一个正电荷。电子与质子之间的关系由另一种基本力——电磁力所控制，电磁力也出现在宇宙历史的第一秒之内。在早期炽热的宇宙中，携带电磁力能量的光子与物质带电的粒子纠缠在一起。那时的宇宙更像今天太阳的内部：大量的粒子和光子不断相互作用，形成一片白热的海洋。整个宇宙在带正电荷的质子与带负电荷的电子以及光的相互作用下所产生的能量发出持续不断的噼啪声。在这个“辐射的时代”，就像埃里克·蔡森所解释的，物质只不过像“一个极其微小的、用显微镜才能看见的凝结物，悬浮在由耀眼的放射线所构成的浓‘雾’中”的存在。[24]

可能在大爆炸发生30万年之后，宇宙的平均温度下降到绝对零度以上4000℃，温度的下降可能是宇宙历史最根本的转变之一。[25]转变的瞬间就像宇宙的起源一样神秘，而且在我们的历史中随时都会发生。我们日常生活中最熟悉的例子之一，就是水变成蒸汽。把水加热，在一段时间内看上去只是水温升高。变化是渐渐发生的，我们能够观察到它正在发生变化。突然，越过一个临界值，某种新的东西出现了，整个系统进入了一个新阶段。原先的液体变成了气体。为什么临界状态就出现在某个特定的点上呢，在我们所举的例子中就是（海平面）100℃？有时我们能够解释从一种状态到另一种状态的转变，而且答案无非是不同的力——如引力、压力、热力、电磁力等——出现不平衡。有时我们完全不知道临界值为什么会在某个特定的点上被超越。

辐射时代的终结就是这样一个转变，物理学家多少可以用宇宙膨胀过程中光量子能量下降与在亚原子层次上发生作用的电磁力之间的平衡来加以解释。随着宇宙的膨胀，宇宙温度降低，在宇宙间流动的光能量大为减弱，使得带正电荷的质子能够捕获带负电荷的电子，产生稳定而中性的原子。由于原子是中性的，因而不再与光子发生强烈的相互作用（虽然少数相互作用仍在发生）。因此，光量子如今可以自由地在宇宙中飘荡。在大多数场合，物质和能量停止了相互作用。就好比犹太教——基督教——伊斯兰教宇宙哲学中的物质和精神一样，物质和能量成了两个彼此分离的不同领域。这一衰退过程之后的时代可以描述为“物质阶段”。[26]

最早出现的原子极为简单。大部分为氢原子，由一个质子和一个电子构成。还有三分之一的氦原子，氦原子由两个质子和两个电子构成，也有一些更大一点儿的原子。所有的原子都很微小，直径约为一千万分之一厘米。但它们内部仍然主要是真空。质子和中子结合在一起形成原子核，电子遵循着自己的轨道在远处围绕着它们运行。理查德·费曼指出：“如果我们有一个原子，并希望看到它的原子核，那我们必须把这个原子放大到像一间大房子的尺寸，这样原子核才差不多是一颗可以用肉眼辨认的微粒，但原子所有的重量几乎都集中在这个极其微小的原子核内。”[27]即使在诞生30万年之后，宇宙依然是很简单的。它差不多全部由真空构成，由氢和氦组成的巨大云团四处飘荡，携带着巨大的能量。

表1.1是宇宙早期历史的简明年谱。大约大爆炸之后30万年，所有的创造物都已经出现了：时间、空间、能量，以及物质宇宙的基本粒子，包括质子、电子和原子核，如今这些粒子的大部分已组成了氢原子和氦原子。从那一刻起，已没有什么真正意义上的变化了。同样的能量和同样的物质延续至今。对于下一个130亿年而言，这些相同的成分以不同范型安排着自己，不断形成和消亡。从某种观点看，现代创世神话的剩余部分只不过是关于这些不同范型的故事而已。





表1.1 早期宇宙年谱


资料来源：切萨雷·埃米利亚尼（Cesare Emiliani）：《科学指南：通过事实、数字和公式探索宇宙物理世界》第2版（纽约：约翰·威利出版社，1995年）, 第82页；类似的年谱也可参见斯蒂芬·霍金：《果壳中的宇宙》（纽约：矮脚鸡出版社，2001年），第78页




但在我们看来，范型是非常重要的，因为我们自身就是一种探寻范型的生物体。出现的范型包括银河系和恒星、化学元素、太阳系、我们的地球，以及居住在地球上的所有生物。当然，也包括我们人类。听说有一位逸名的智者说过：“氧是一种很轻的、无味的气体，要有足够的时间，就会变化成为人类。”[28]从这一观点而言，现代创世神话和早期的创世神话一样是充满矛盾的。一切不变，但是一切皆变。尽管各种事物似乎独立存在、特征各异，但实际上每个事物又是相同的。形式和质料是其背后同一本质的不同表达形式，意大利人乔尔丹诺·布鲁诺于1584年在《论原因、本原与太一》中就提出了这个观念。同样的观念也出现在极为深奥的宗教和哲学思想中。佛教最为尊贵经典之一的《心经》有云：“色不异空，空不异色。色即是空，空即是色。”[29]范型是如何从早期混沌的宇宙中产生的，将是下一章的一个核心主题。





大爆炸宇宙学的证据


我们必须从这些形而上学的反思中回到枯燥却重要的证据问题上来。为什么现代天文学家接受这样一种乍一看稀奇古怪的创世故事呢？为什么我们要认真看待这个故事呢？概而言之，其答案正是，尽管现代宇宙创造的故事颇为离奇，但是却有大量坚实的事实根据。





哈勃和红移


第一个至关重要的证据来自对宇宙大小和形态的研究。想为宇宙绘制一幅地图就先要测定恒星之间的距离，其方法为先确定一些恒星，观察它们彼此之间是如何移动的。现代人对于科学绘制宇宙地图的尝试可以追溯到19世纪末。

要测量恒星的距离是极其困难的。较近的恒星可以用初等三角学以及精确测量恒星的视差来估算距离。对于居住在地球上的天文学家而言，能够得到的最大基线就是地球围绕太阳公转的轨道，所以天文学家以6个月为周期，观测有运动迹象的恒星。然而，即使是这种测量方法，所需的精确度也超出了19世纪之前的天文学家的能力（参见图1.1）。





图1.1 视差：用初等三角学测量恒星之间的距离


在6个月的运行路线中，地球绕着太阳公转改变了它的位置。其结果就是附近恒星的位置经过一年的时间看上去有点儿移动；距离越近、体积越大的恒星，位置的变动就越明显。（由于观察者的运动而引起目标的位移这就是视差。）通过仔细测量这一变动，可以用初等三角学来确定这颗恒星离地球的真正距离。这是确定宇宙真正范围的首要方法。对于远一些的恒星，由于角度太小而无法操作，所以必须使用其他方法。该图出自肯·克罗斯韦尔（Ken Croswell）：《天体的炼金术》（中译本名为“银河系”，海南出版社1999年版。——译者注）（牛津：牛津大学出版社，1996年），第16页




对于更为遥远的恒星，我们不得不依靠更不精确的方法。20世纪第一个10年，美国天文学家亨丽埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt）研究了变星——那是一种在有规则的周期中改变亮度的恒星。她发现有一种特殊的变星，即所谓的造父变星，其周期与恒星的大小和亮度相关。使造父变星忽明忽暗的原因正是它们的膨胀和收缩。莱维特指出，较大的（因此也较明亮的）造父变星膨胀和收缩的速度比较缓慢。因此，通过测量其周期的长度，天文学家能够估算出每一个造父变星的体积和真正的（或者说“固有的”）亮度。那么通过测量观察者所看到的亮度，能够估算出有多少光线在来我们地球的旅途中丢失了，由此可以知道该恒星离我们到底有多远。

20世纪20年代，另一位美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）利用洛杉矶郊外威尔逊山天文台的望远镜观测造父变星，试图为广阔的宇宙空间绘制地图。他起先发现，许多造父变星显然存在于我们所在的银河系之外。这意味着宇宙并不是由一个而是由许多个银河系组成的，因此证明了德国哲学家伊曼努尔·康德在近两个世纪之前提出的观点。（具体而言，康德曾相当正确地指出，天文学家称之为星云的物体是由星系构成的，而且大多数星系都距离我们很远。）哈勃于1924年公布了这一观点，它标志着现代天文学上的一场革命。在几年之内，哈勃的研究工作使他有了更具革命性和更深刻的观点。20世纪20年代末，他发现大多数遥远的星系正在离我们而去。离我们越远，它们的移动速度越快。现在我们可以知道，我们所能观察到的最远的河外星系逃离我们的速度超过了光速的90%。哈勃是如何知道这点的？这一奇特的观测又意味着什么呢？

很奇怪，测量遥远的物体是否向我们移动或远离我们，反而比确定它们与地球之间的准确距离要容易一些。相关技术颇为简单，不难掌握。假如让来自遥远恒星的光线通过光谱仪，我们就能对光谱的不同部分加以分析。这就如同观察通过三棱镜的阳光一样。阳光通过三棱镜时，不同的频率有不同的折射角度，因而穿过三棱镜之后，它们就会呈现出彩虹般不同颜色的光带。每一条光带，或者说每一种颜色，都代表着一定能量或频率的光线，而且光线一旦通过这种途径分离之后，对每个能量层级都可以分别进行研究。在包括我们太阳在内的恒星光谱中，在某些特定频率的光线中都会出现狭窄的暗线。实验室研究表明，这些暗线之所以产生，是因为在前往地球的旅途中，光线所穿越的物质吸收了其特定频率的能量，使得这些特定的频率到达我们这里的时候已被减弱了。这些暗线被称为吸收线。每种吸收线都与一种特殊的元素相应，正是这种元素吸收了特定频率的光的能量。显然，这意味着通过研究星光中的吸收线，我们就可以知道恒星内存在什么元素，总量为多少。实际上，如今我们关于恒星如何运作（参见第2章）的知识主要就是建立在这样的研究之上的。

更为值得注意的是，恒星光谱能够告诉我们这颗恒星以什么样的速度向我们靠近或是远离我们而去。这个原理就是多普勒效应——当一辆救护车从我们身边驶过，警笛声会逐渐变弱。如果一个移动的物体（例如一辆救护车）以波为形式释放能量（例如声波），那么该物体朝向我们移动的时候，这些波似乎被压缩，而背向我们移动的时候，那么这些波就会拉长。在海滩上，如果走入海浪，与站立不动相比，浪花会更频繁地拍打你的双腿。但是你朝岸上走，浪花拍打你双腿的频率会小一些。同样的原理也适用于光谱。在恒星发出的光中，吸收线与你在实验室所期望的位置似乎有些偏移。例如，代表氢元素的吸收线可能偏向较高的频率移动，使它的光波似乎被压缩了（或者说接近光谱蓝色的一端）。或者可能向较低的频率移动（接近光谱红色的一端），这样光波似乎就被拉长了。哈勃发现了这两种移动的情况，但当他从事关于最遥远物体的研究工作时，他发现所有的移动都趋向光谱红色的那一端。换句话说，光波似乎被拉长了，仿佛物体正在远离我们而去。物体离我们越远，那么红移的程度就越大。

哈勃的这一发现意义非常重大，但是容易理解。尽管在我们自己的银河系和相邻的河外星系中的恒星由于引力的作用聚集在了一起，但一个河外星系离地球越远，那么它远离地球的速度就越快。我们没有理由认为我们居住在宇宙中异乎寻常的位置。实际上，现代河外星系分布图表明，从大范围看，宇宙是非常同质的。因此我们不得不假设，宇宙任何一个地方的观察者也能观察到宇宙的其余部分也在远离他们而去。这必定意味着整个宇宙正在膨胀。如果宇宙正在膨胀，那么过去的宇宙肯定比现在要小得多。如果遵循这个逻辑一直回溯下去，我们很快就会看到，在遥远过去的某一瞬间上，宇宙肯定是无限微小的。这一观点直接导致了现代大爆炸宇宙学的基本结论：宇宙曾经是无限微小的，但是后来它膨胀了，而且至今仍在继续膨胀。哈勃的研究工作为大爆炸宇宙学提供了第一个而且是最基本的证据。

哈勃还指出，科学家可以通过测量宇宙膨胀的速度来推算宇宙存在的时间。这是一个令人惊讶的结论，因为这似乎是一件完全没有意料到的事。哈勃找到了一种测算宇宙年龄的方法！起初，他估计两个相距100万秒差的物体，其膨胀速度（又称哈勃常数）大约为500千米/秒（100万秒差的距离为光在326万年中的运行距离，大约为30.9×1018千米，或大约3000亿亿千米）。这个数字意味着宇宙只有20亿年的年龄。我们现在知道这是不可能的，地球的年龄至少是它的两倍。今天我们对于哈勃常数的估算就比较低了，说明宇宙的年龄更为古老。但要测算出宇宙准确的年龄是很困难的，这主要是因为估算遥远河外星系的实际距离很难。现代科学家除了造父变星之外，还运用了好几种其他的距离标志，表明哈勃常数在55—75千米/（秒·每百万秒差距）之间。这意味着宇宙的年龄是在100亿至160亿年之间，而最新的估算大约集中在130亿年。[30]为简明扼要起见，本书将一直用这个数字。





相对论与核物理学


20世纪初，大多数天文学家仍然认为宇宙是无限的、同质的、稳定的。哈勃的推论在当时来看似乎荒诞不经，正是其他领域的进展削弱了这一传统图景的效力。其中包括爱因斯坦相对论的发表。其详细内容在这里并不重要，但是该理论表明，从大范围看，宇宙也许并不是稳定的。爱因斯坦的等式意味着宇宙就像一个两头尖尖的楔子，要么趋向于这一端，要么趋向于那一端。它既在膨胀，也在收缩，一个完全平衡的宇宙是不可能存在的。爱因斯坦自己却反对这个结论。实际上，后来他承认这是他一生中最严重的失误——为了保持宇宙的稳定，他篡改了自己的理论，指出宇宙中还应该存在着一种可称为“宇宙常数”的力。他想象这种力就像反引力，可以平衡物体之间的相互吸引，以免宇宙在万有引力的作用下坍塌。然而，在1922年，俄罗斯人亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）证明，事实上宇宙既在膨胀也在收缩。宇宙处于不稳定状态且正在不断地进化中。最后爱因斯坦也接受了这一思想。

但是解决这些新发现的枝节问题颇费了一些时间。20世纪40年代，对于天文学家而言，一个正在膨胀的宇宙的观念仍然是不可思议的。随后，20世纪40年代至60年代，一些新的支持这一观点的证据积累起来，直至60年代末，大爆炸理论才成为关于宇宙起源的标准叙述。20世纪40年代末，美国一批物理学家——包括美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）——运用某些原子弹研究的知识来探索这种全新的宇宙理论的内涵。一个极其微小的宇宙是什么样子的？很显然，它有极高的温度：就像自行车轮胎，打了过足的气就会变热，同样，所有的物质和能量都压缩在一个极小空间，这样的宇宙必定是极热的。在这样的条件下物质将会如何活动，我们并不关注其详情。关键是，伽莫夫以及弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，后来他成了大爆炸理论的狂热批评者）等科学家很快就意识到，利用现有关于能量和物质在不同温度下如何工作的观念，对早期宇宙活动进行计算是完全可能的。而他们得出的答案是合乎情理的。他们发现能够利用大爆炸理论假说，绘制出一幅令人惊讶又言之有理的图景，说明早期宇宙是如何构建的。尤其是，或许能够大致推测出在早期宇宙中存在着哪些形式的能量和物质，从而明确宇宙在膨胀和变冷之际是如何变化的。人们很快发现，早期宇宙极其致密而又异常炽热的观念与粒子物理学的知识是完全一致的。





宇宙背景辐射


宇宙背景辐射（Cosmic Background Radiation，简称CBR）的发现，最终使得绝大多数天文学家接受了大爆炸理论。早期关于大爆炸如何发生作用的理论指出，在宇宙早期的历史中温度不断降低，温度一旦达到不同的粒子和力能够生存的地步，它们就能获得稳定的存在形式。早期宇宙过于活跃，在好几十万年的时间内温度过高，无法形成原子。但是温度终于降低到足够低的程度，质子（带正电荷）开始捕获电子（带一个负电荷）。在这个临界值上，物质呈中性，能量与光线能够在宇宙中自由流动。一些主张大爆炸宇宙学的早期理论家预言，在那一瞬间应该有巨大的能量释放出来，其残留物至今仍可检测到。

有趣的是，那些赞同大爆炸观念的科学家实际上并没有去寻找这种背景能量。它是由阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）于1964年偶然发现的，当时这两位科学家在新泽西的贝尔实验室工作。他们正尝试建造一座超敏感的微波探测器，可是他们发现根本无法清除所接收到的各种背景“噪音”。无论探测器朝向什么方向，总存在着由微弱的能量产生模糊的嗡嗡声。为什么天空的任何方向会同时发射能量？能量来自特定的恒星或银河系还可以理解，而来自四面八方的能量——而且是如此之多的能量——却似乎是完全无法理解的。尽管信号很微弱，但其所代表的能量加在一起就十分巨大。他们向一位射电天文学家透露了自己的发现，而这位天文学家曾经听到宇宙学家P. J. E.皮布尔斯（P. J. E. Peebles）断言，在大约相当于绝对零度以上3℃的能级上存在着残余射线。这个温度非常接近于彭齐亚斯和威尔逊所发现的射线温度。他们已经发现了早期大爆炸理论家们所断言的能量的片羽吉光。

两位科学家的发现具有重大意义，因为没有其他理论能有力地解释如此普遍的能量的来源，只有大爆炸宇宙学能够轻而易举地又很自然地对此加以解释。从1965年起，很少有天文学家还怀疑大爆炸理论是关于宇宙起源最流行的解释。如今它已是现代天文学的核心思想，是现代天文学理论与观念统一的范例。而宇宙背景辐射是现代宇宙学的核心：它试图描绘那些微小的变化，在不久的将来为我们提供关于早期宇宙性质的最有用的信息。［宇宙学家马克斯·泰格马克（Max Tegmark）博士甚至说：“宇宙的微波背景对于宇宙学的重要性，就好比脱氧核糖核酸（DNA）对于生物学的重要性一样。”[31]］ 2001年6月，一颗新的人造卫星威尔金森微波异向性探测器（the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP）发射升空，它将比从前更加精确地描绘细微的变化。[32]





另一些形式的证据


自从发现宇宙背景辐射（CBR）之后，积累了更多关于宇宙大爆炸的证据。例如，大爆炸理论断言早期宇宙主要由一些简单元素组成，尤其是氢（大约占76%）和少部分的氦（大约占24%）。这与今天我们观测到的宇宙中元素的比率大致相似（虽然恒星内部的反应使得氢元素转变为氦元素，现在氢元素的数量下降至大约71%，而所有物质中的氦元素大约占到了28%）。氢和氦在化学上占多数对于我们而言并不十分明显，因为我们所居住的宇宙角落，恰好是其他元素聚集的地方（参见第2、3章），但是相关证据在我们周围却俯拾即是。氢元素显然是最普通的元素，甚至在我们自己体内也是如此。林恩·马古利斯和多里昂·萨根写道：“我们身体中所含氢元素的状况反映了宇宙中氢元素的状况。”[33]通过特别精确的测量，可知在大爆炸中，氢元素还形成了少量的锂元素。这些也明显接近于大爆炸时元素构成理论所断言的数值。

其次，无论是天文学观测还是放射线测定年代技术（参见附录一）都不能确定时间超过120亿年的物体。如果宇宙的实际年龄超过这个时间（也许是几千亿年），而超过120亿年的物体却又不存在，这会让人觉得不可思议。

最后，大爆炸理论——不像它的主要竞争对手稳态宇宙理论——意味着宇宙随着时间的推移在不断地改变。宇宙最遥远的部分与比较靠近我们的部分看上去应该不一样，所以说观察100亿光年之外的物体，我们所看见的其实是它在100亿年前的样子。而且，就如我们将会看到的那样，遥远的物体与现代的宇宙在重要的方面并不相同。例如，与现在相比，早期宇宙拥有更多的类星体（参见第2章）。





大爆炸宇宙学有多大的可信度？


大爆炸宇宙学是正确的吗？没有任何科学理论能宣称自己是完全确定的。而且该理论仍然遇到一些遗留问题，其中有一些还是非常技术性的。但到目前为止，没有一个问题是无法克服的。

在20世纪90年代初的一段时间内，发现了一些比宇宙年龄还要古老的恒星——在某些天文学家看来，这个证据令人严重怀疑到整个大爆炸理论。哈勃望远镜观测表明，显然这并不是真实的。那些最古老的恒星似乎要比用最新哈勃常数推算出的宇宙年龄年轻10亿年。对大爆炸宇宙学而言这是一个好消息！但是在90年代末，从研究遥远的Ia型超新星（参见第2章）积累的证据表明，宇宙的膨胀速度并未在引力的影响之下减退，反而在逐渐增长，这条消息则不那么受欢迎。如果观测准确的话，这是令人感到惊异的，因为这似乎意味着还有一些至今未知的力在不断地起着作用，从大爆炸以来保持并推进着宇宙膨胀的速度，但这种力极其微弱，根本察觉不到。这种力可能由“真空能”构成，这是量子力学预言的一种力，它会朝引力相反的方向发生作用，驱使物质与能量彼此分离，而不是将它们拉到一起。如果情况确实如此，那么它的作用与爱因斯坦思辨性的宇宙常数几乎是相同的。[34]这个证据也许对大爆炸宇宙学是一次严重打击。另一方面，它意想不到地解决了暗物质（参见第2章）问题，因为真空能就像一切的能量一样具有质量，这可以解释天文学家一直在寻找的巨量的物质。关于起源的棘手问题依然是存在的。对于宇宙大爆炸的那一瞬间，我们所掌握的一切科学知识似乎都变得混乱无用。此时，宇宙的密度趋于无穷大，温度也趋于无限高，现代科学尽管已有了许多大有希望的观念，但是还没有找到解释此类现象的好方法。

尽管存在这些问题，我们还是会认真对待大爆炸理论，原因在于它与大多数现代天文学、粒子物理学的经验性和理论性知识的组合相一致。没有其他关于宇宙起源的学说能够解释这么多的问题。科学家构建了一个合乎逻辑的学说，与那么多证据相一致，这个理论还告诉了我们在宇宙的历史中最初几分钟内发生了什么，这本身就是一个令人震惊的成就。同样引人注目的是，我们认识到，未来的研究很可能在一些相当重要的方面修正当前的学说。





关于指数的注解


现代科学经常会遇到一些庞大的数字。例如，若要把1000亿亿亿写成正常的阿拉伯数字，会占据很大的空间距离（想要知道其空间距离到底有多大，可参见下一小节所举的例子），因此科学家一般都倾向于使用指数；本章中的许多数字也都使用了这一方便的数学形式。它是这样使用的。[35]100等于10乘以10，或者说是两个10相乘。因此，在指数形式中100可以写作102。1000等于三个10相乘，就可以写作103，以此类推。若要将数字的指数形式转换为正常形式，那么先写下一个1，接着在1的后面加上与指数相应数量的0。因此，1000（103）就是1后面跟3个0；10亿就是109，或者是1后面跟9个0，即1000000000。指数形式也同样可以运用于小数。一百分之一（1/100或1%）可以写作10-2；一千分之一（1/1000）可以写作10-3。这一形式也并不仅仅局限于10的倍数。比如，130亿年可以看作是10亿年的13倍，若写成指数形式，就成了13×109年。

有一件事情应当注意，指数增加1倍，那么数字便增加10倍。所以，103并不是比102大那么一点点，实际上是它的10倍。同样地，1018（或者说是100亿亿）并不是109的2倍，而是10亿倍（109倍），它是1017的10倍。指数提供了一个容易使人迷惑的方式来描述庞大的数字，这能哄骗我们忽略数字本身真正的大小。氢原子的质量可以写成指数形式为1.7×10-27千克。若用正常的书写方式，很简单，但是很长，是一个分数：1.7/1000000000000000000000000000千克，或者是一千亿亿亿分之一千克的1.7倍。要了解其真正的意思是什么则更为困难了。试着想象某件事物很小，称上去只有十亿分之一千克重。（当然我们做不到——这样的计算超出了我们的思维能力，但我们可以尽力去尝试。）然后试着设想称重是它的十亿分之一的东西，当重复这个实验到第三次时，你就想象到了一个氢原子的质量。要秤太阳的质量，你就以乘法代替除法。太阳的质量大约为2×1027吨，或者是2000000000000000000000000000吨，也就是1000亿亿亿吨的2倍。它包含大约1.2×1057个原子。宇宙包含大约1022颗恒星。粗略地估算宇宙中原子的数量，我们可以将这两个数字相乘，即将二者的指数相加，得出1.2×1079个原子。只有用普通的计数法写下这个数字，才能给人留下深刻印象，即使这样，我们中的大多数人还是不能真正理解我们正在写下的东西。本书的最后一章，我们会遇到比这几个数字还要大得多的数字。





本章小结


我们没有把握对大约130亿年前的宇宙中的任何事物多说些什么。我们甚至不知道是否有空间与时间的存在。在某一点上，能量和物质从空无之中迸发出来，产生了时间与空间。早期宇宙温度极高，十分致密，在一次大爆炸中以极快的速度膨胀。随着宇宙不断膨胀，它的温度逐渐下降。物质和反物质彼此抵消，留下了极少量的残余物质。宇宙摆脱了早期那种强烈的不稳定状态，出现了不同的实体——质子、中子、光量子、电子——和不同的力，包括强作用力、弱作用力，以及引力和电磁力。几百年之后，宇宙的温度下降到质子与电子能够稳固地结合成原子的程度，宇宙中的物质电荷呈中性。其结果是，物质和能量停止了它们之间不断的相互作用，而放射线开始在宇宙中自由地流动。随着宇宙的膨胀，射线温度下降；如今作为宇宙的背景辐射我们能够检测到它。

以上所说的这个故事，貌似奇特，却建立在大量的科学研究之上，而且与我们今天所知的天文学和粒子物理学的大部分知识相一致。大爆炸宇宙学如今已是现代宇宙学的核心思想。正是这样一个范式，将现代关于自然的观念和宇宙历史结合起来，而且支配着现代创世神话起首的第一章。





延伸阅读


芭芭拉·斯普劳尔（Barbara Sproul）的《原始神话》（1991年）一书，从各种不同的文化中搜集创世神话，并附有介绍性的短文。现在有许多关于大爆炸宇宙学的通俗读物，其中一些书的作者曾帮助构建了关于宇宙起源的现代传说。以下就是我认为最有帮助的几本书：斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的《时间简史》（1988年）是最知名的，还有最近出版的《果壳中的宇宙》（2001年）；更具专业性的书籍还有史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）的《最初三分钟》（1993年第2版）。约翰·格里宾（John Gribbin）的《起源》（1981年）是一本很值得向大众介绍的读物（这也是本书灵感的来源之一），尽管该书显示的是它那个时代的观点。蒂莫西·费里斯（Timothy Ferris）所著《预知宇宙纪事》（1997年）；约翰·巴罗（John Barrow）所著《宇宙的起源》（1994年）；彼得·科尔斯（Peter Coles）所著《宇宙学》（2001年）；还有阿曼德·德尔塞默（Armand Delsemme）所著《我们宇宙的起源》（1998年）显得更为时尚、更为现代，但也同样通俗易懂。其中，德尔塞默的著作很适合于本书前半部分的读者。若想更清楚地了解现代天文学、化学、物理学的思想观点和专门术语，切萨雷·埃米利亚尼（Cesare Emiliani）所著的《科学指南》（1995年）是一本十分有用的手册。埃里克·蔡森（Eric Chaisson）所著的《宇宙的演化》（2001年）试图在不同等级层面，从恒星到细菌，全面思考秩序和熵的意义，而马丁·里斯（Martin Rees）所著的《就这六个数字》（2000年）也是一本介绍宇宙基本结构的书籍。李·斯莫林（Lee Smolin）所著的《宇宙的生命》（1998年）是一本通俗易读的书籍，书中有一个很重要的推测：我们的宇宙可能只是依照宇宙演化形式而变化着的众多宇宙中的一个。查尔斯·林维弗（Charles Lineweaver）的文章《我们在宇宙中的位置》（2002年发表）对于思考宇宙中的等级和位置而言是一篇很好的介绍文章。奈杰尔·考尔德（Nigel Calder）所著的《时间范围》（1983年）对于整个时间而言是一部很出色的年谱，尽管它已经有点儿过时了。


[1] 章首语：威廉·莎士比亚：《第十二夜》；引自约翰·路易斯·加迪斯：《历史的景观：历史学家如何描绘过去》（牛津：牛津大学出版社，2002年），第16页。加迪斯补充道：“莎士比亚借着薇奥拉的话指出：智慧、好奇再加上一点儿畏惧，是任何历史学家凝视历史风景的出发点。”



[2] 德博拉·伯德·罗斯：《丰饶的土地：澳大利亚原住民的风土观》（堪培拉：澳大利亚传统委员会，1996年），第23页。



[3] 温迪·道尼格·欧法拉第（Wendy Doniger O’ Flaherty）编：《梨俱吠陀》（哈蒙斯沃思：企鹅出版社，1981年）, 10. 129，第25—26页。



[4] 丹尼斯·泰德洛克（Dennis Tedlock）重编：《布布尔·乌赫：玛雅人生命之黎明之书 》（纽约：西蒙和舒斯特出版社，1996年），第64页。



[5] 多贡人，非洲民族，分布于今马里和布基纳法索，人口近10万，多信奉祖先崇拜。——译者注



[6] 芭芭拉·史普罗：《原始神话：世界创世神话》（1979年；重印，旧金山：哈珀旧金山出版社，1991年），第15页。



[7] 在现代论述时间的最佳著述，埃德蒙·约福克特（Edmund Jephcott）翻译的《时间论》（牛津：布莱克韦尔出版社，1992年）中，诺伯特·埃利亚斯（Norbert Elias）坚持认为我们现代的时间感主要是由于处在复杂社会中的人们协调自身行为的需要而形成的。



[8] 托尼·斯旺（Tony Swain）描述了澳大利亚原住民社会中间有着这么一个以“地点”为基础的存在论；参见《陌生人的地点：澳大利亚原住民的历史》（剑桥：剑桥大学出版社，1993年），第1章。



[9] 帕勒桑（parasang），古波斯的距离单位，约合5—6千米。



[10] 转引自史普罗：《原始神话》，第137—138页。



[11] 彼得·怀特（Peter White）：《古澳大利亚的定居点》，载戈兰·布伦哈特（Göran Burenhult）编：《图说人类历史》第1卷，《最早的人类：人类的起源以及到公元前1万年的历史》（圣卢西亚：昆士兰大学出版社，1993年），第148页。



[12] 斯蒂芬·霍金：《果壳中的宇宙》（纽约：矮脚鸡出版社，2001年），第85页。



[13] “做梦”的概念和“黄金时代”首次进入英语是在1894年澳大利亚中部探险队所写的报告中，阿龙塔语（Arunta）单词altyerre就被翻译成了“做梦”；参见里斯·琼斯（Rhys Jones）：《福尔索姆和塔尔盖：两个大陆的牛仔考古》，载哈罗德·波里索和克里斯·华莱士·科拉比（Harold Bolitho and Chris Wallace Crabbe）编：《走近澳大利亚：哈佛澳大利亚研究会议》（马萨诸塞，坎布里奇：哈佛大学出版社，1997年），第20页。



[14] 米尔恰·伊利亚德：《永恒轮回的神话或宇宙和历史》，维拉德·R. 特拉斯科（Willard R. Trask）翻译（纽约：万神殿出版社，1954年）。



[15] 李·斯莫林：《宇宙的生命》（伦敦：菲尼克斯出版社，1998年），尤其是第7章。



[16] 这样的计算似乎很好笑，但是，正如蒂莫西·费里斯（Timothy Ferris）所指出的那样，测算起源那一刻的想法从精神上而言是很现代的；不管怎样，大主教厄谢尔（Ussher）因为小小的误差而出局——而莱特富特只是在他的计算基础上加以改进而已——这种事情就是发生在现代宇宙学中情况也不会那样糟糕。［《预知宇宙纪事》（纽约：西蒙和舒斯特出版社，1991年），第172页。］



[17] 关于这个过程简短而最新的说明，参见查尔斯·莱恩威弗（Charles Lineweaver）：《我们在宇宙中的位置》，马尔科姆·沃尔特编：《超越火星：探索生命的起源》（堪培拉：澳大利亚国家博物馆，2002年），第88—99页。



[18] 2003年2月，美国宇航局（NASA）宣布，根据威尔金森微波异向性探测器（WMAP）所搜集的证据，计算出大爆炸最精确的时间是在130亿年前。《想象宇宙的奇异》，2003年2月（http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/features/news/12febo3.html，2003年4月访问）。



[19] 马丁·里斯（Martin Rees）：《就这六个数字：宇宙形成的深层力量》（纽约：基本图书出版社，2000年），第133页。书中指出：“从10-14秒回到10-35秒这段时间……（因为它所跨越的因数超过10）要大于从氦元素形成的那3分钟……到当前的时间（10-37秒，或100亿年）。”



[20] 理查德·费曼：《物理学入门六讲》（伦敦：企鹅出版社，1998年），第5页。



[21] 膨胀对于复杂实体的出现是至关紧要的，该论点可参见埃里克·蔡森：《宇宙的演化：自然界复杂性的增长》（马萨诸塞，坎布里奇：哈佛大学出版社，2001年），参见第126页。



[22] 蒂莫西·费里斯：《预知宇宙纪事》（纽约：西蒙和舒斯特出版社，1997年），第78页。现有关于宇宙膨胀的叙述，可参见保罗·戴维斯（Paul Davies）：《最后三分钟》（伦敦：菲尼克斯出版社，1995年），第28—35页。关于指数，可参见本章结尾《关于指数的注解》。



[23] 马丁·里斯：《就这六个数字》，第93—97页。



[24] 埃里克·蔡森：《宇宙的演化》，第112页。



[25] 美国宇航局威尔金森微波异向性探测器得出的计算结果表明，转变发生在大爆炸之后大约38万年，转变使宇宙背景辐射得以释放。



[26] 蔡森：《宇宙的演化》，第113页。



[27] 费曼：《物理学入门六讲》，第34页；费里斯写道：“如果原子核的大小像一个高尔夫球，那么最远的电子会在3.2千米之外围绕它旋转。”（《预知宇宙纪事》，第108页）



[28] 蔡森：《宇宙的演化》，第2页。



[29] 在这里，我们处于一个复杂而具有象征性的领域。正如越南禅宗大师一行禅师（Thich Nhat Hanh）所言：“色即是波，空即是水。”［彼得·勒维特（Peter Levitt）编：《认识的心：〈心经〉注释》（伯克利：帕拉拉克斯出版社，1988年），第1页］。



[30] 温迪·弗里德曼（Wendy L. Freedman）：《宇宙的膨胀率和体积》，载《美国科学》，1998年春季号，第92—97页；肯·克罗斯维尔（Ken Croswell）：《艰难的休战》，载《新科学》，1998年5月30日，第42—46页。关于最新的估算数字，参见本书第32页注［2］。



[31] 马克斯·泰格马克，转引自詹姆斯·格兰兹（James Glanz）：《大爆炸的回响：通往宇宙的线索》，“科学时代专栏”，载《纽约时报》，2001年2月6日，第D1版。



[32] 关于美国宇航局威尔金森微波异向性探测器的网页，参见《威尔金森微波异向探测器》，2003年3月，http://map.gsfc.nasa.gov/（2003年4月可供点击）；关于探测的最新结果，已于2003年2月对外公布，参见本书第32页注［2］。



[33] 林恩·马古利斯和多里昂·萨根：《微观世界：微生物进化40亿年》，第41页。



[34] 彼得·科尔斯（Peter Coles）：《宇宙学简论》（牛津：牛津大学出版社，2001年），第91—92页；霍金：《果壳中的宇宙》，第96—99页，详细叙述了有关“真空能”的理论。



[35] 本书关于指数的解释以切萨雷·埃米利亚尼：《科学指南：通过事实、数字和公式探索宇宙物理世界》第2版（纽约：约翰·威利出版社，1995年），第5—10页的描述为基础。





第2章

星系和恒星的起源



复杂事物的开端


如果必须用一句话来概括“在大爆炸之后都发生了些什么？”那就深深地吸上一口气，然后说：“大爆炸（宇宙的起点）发生之后，引力开始塑造着宇宙的结构，并且使温差加剧，这是100亿年后我们周围所存在的复杂事物形成的先决条件，而我们本身就是其中的一个组成部分。”也许这就是最好的回答。[1]




在一个晴朗的夜晚，仰望星空，恒星显然是我们这个宇宙中最重要的成员。但恒星就像人类一样，从来都不是孤立存在的。它们聚集在我们称之为星系（galaxies）的巨大的宇宙群落中，每个星系可能拥有1000亿颗恒星。我们自身所在的星系是银河系（Milky Way）。银河系并不像那些昏暗模糊的其他星系，由于我们是从内部对其进行观察的，它看起来就像是一条流淌在夜空的明亮而苍白的河流。而裸眼看不见的，甚至直到一二十年前对于绝大多数天文学家而言也是模糊不清的，乃是由许多星系所聚集成的更大的群落。其中包括星系群（group）（通常直径为几百万光年，拥有大约20个星系）和星系团（cluster）（最宽为2000万光年，包含着几百个甚至几千个星系）。星系群和星系团由于引力的作用而聚集在一起。然而还存在着更大的结构，这些构造十分巨大，随着宇宙的膨胀而不断扩展。其中包括超星系团（supercluster，最高宽度达1亿光年，大约拥有1万个星系），20世纪80年代，天文学家发现了一系列巨大的超星系团。而在这些更大规模中，宇宙明显是同质的。宇宙背景辐射的一致性显现了这种同质性。因此，复杂的范型只有在比超星系团小的规模中才会引起我们这些复杂的观测者的兴趣。

目前，超星系团似乎是宇宙中可观测到的最大的有序结构。它们的发现，使我们对于宇宙中心的认识比哥白尼发现地球围绕太阳公转更进了一步。我们的太阳位于一个二级星系中的平常区域内（仙女座星系是我们所在的星系群中最大的），即位于有着几千个其他星系的处女座超星系团边缘的一组星系中（参见图2.1）。[2]

最近人们已经清楚，即便超星系团在宇宙的历史中也仅仅是一个小角色。这意味着绝大部分的宇宙物质（90%或更多）是无法观测的，这些物质［称之为暗物质（dark matter）恰如其分］的确切性质至今还是一个谜。也就是说，关于宇宙绝大部分的构成，我们仍处于一无所知的尴尬境地。[3]本章将涉及有关暗物质特性的一些理论，但依然主要关注为我们所知的那部分宇宙——可以观测到的那部分宇宙。

现在我们接着上一章来继续讲述宇宙的早期历史：大约在宇宙诞生30万年之后，能量和物质走上了各自不同的道路。





图2.1 太阳在银河系中的位置


太阳位于银河系的一条臂上，距离其中心大约为27000光年。星云尘埃遮蔽我们的视野，因此看不清银河系的中心。选自尼科斯·普兰佐斯：《我们宇宙的未来：人类在宇宙中的命运》（剑桥：剑桥大学出版社，2000年），第97页





早期宇宙和最初的星系


在宇宙诞生后的最初几分钟内，它迅速冷却，以至于除了元素周期表中的前三个元素氢、氦和锂（在一瞬间产生）之外，其他任何质量更重或更为复杂的元素都不可能产生。在炽热且混沌的早期宇宙里，比这三种元素复杂的事物都不可能存在。以一个化学家的眼光来看，早期宇宙是极其简单的，以至于根本不可能产生像我们的地球或者生存于地球之上的生物那样复杂的物体。最早诞生的恒星和星系差不多就是由氢和氦构成的。它们说明我们的宇宙拥有令人惊讶的能力，可以利用非常简单的元素来构建复杂的物体。恒星一旦形成，即开始为创造包括生物体在内的更加复杂的实体铺设基础，因为在恒星炽热的核心，正进行着将氢元素与氦元素转变为周期表中的其他元素这一魔术般的过程。

迄今为止，宇宙的历史都为大爆炸的膨胀力所主宰。现在我们要向大家介绍第二种大范围的力——引力。早在17世纪牛顿就对引力做了十分成功的描述，20世纪初爱因斯坦又做了更为准确的描述。大爆炸将能量与物质分离，引力又将它们重新聚集。牛顿认为任何形式的物体都会对所有其他形式的物体产生某种引力。爱因斯坦认为，引力之所以发生作用是由于巨大物体能够使时空发生弯曲。他进一步指出，引力能够对能量和物质产生相同的作用。这个结论并不令人感到惊奇，因为爱因斯坦早就证明了物质实质上就是凝固的能量。他又进一步巧妙地论证，证明引力能够像弯曲物体一样弯曲能量。太阳是我们所在的太阳系中体积最大也是质量最大的天体。爱因斯坦认为，太阳的巨大质量足以弯曲周围的时空，而改变经过太阳旁边的光线的轨道。该现象的最佳观测机会是在发生日食之际，这是能够看到其他恒星接近太阳的唯一时机。爱因斯坦预言，如果在日食之前拍摄太阳旁边的恒星，你将发现它们还没有运行到太阳背后前速度好像会放慢，而当它们出现在太阳的另一侧时，在离开太阳之前又会在太阳旁边盘桓一小会儿。这种现象就是由于恒星光束被太阳的质量所吸引而发生的，就好像把棍子插入水中光线会发生折射一样。在1919年的一次日食中，爱因斯坦的预言受到检验，其结果很令人吃惊，他的理论被证明是正确的。

引力对物质和能量同时施加作用，从而造就了宇宙的形态和结构。如果我们坚持牛顿关于引力是一种“力”的直观而简单的概念，可以很容易地看到这些是如何发生的。牛顿指出，引力可以在很大范围内发生作用，但是距离越近，引力作用越强。准确地说，两个物体之间的引力与它们的质量（的平方）成正比，与它们之间的距离（的平方）成反比。这意味着引力能够使原本两个结合得很紧密的物体更加紧密，而对相距较远的物体影响甚小。对于诸如带能粒子这一类质量较轻且移动速度较快的物体，引力甚至产生不了多少影响，所以，引力对物质的塑造，其效果要比对能量的塑造更加明显。由于引力作用效果的差别，它已经在许多不同范围内创造了大量复杂的结构。这是一个值得注意的结论，因为它说明在某些意义上、在某些范围内，引力能够暂时抵消热力学第二定律，这一基本定律似乎表明随着时间的流逝，宇宙将变得更加无序、更加简单（参见附录二）。相反，随着引力能量的释放（即引力使物体聚合在一起），宇宙变得更加有序了。引力因而成了我们宇宙秩序和范型的主要源泉之一。在本章的其余部分，我们将会看到，引力是如何创造天文学家们正在研究的那些复杂物体的。

宇宙早期以及星系和恒星的大部分历史，可以被认为是大爆炸所产生的使宇宙膨胀的力量和使宇宙重新聚合的引力之间相互作用的产物。在这两种力之间存在着不稳定的、动态的平衡，膨胀力在大范围内占据优势，而引力则在较小的范围内占据优势（最多不超过星系团层次）。不过，引力需要某种初始的差异性才能发生作用。如果早期宇宙具有完全平均的稠度——比方说，如果氢元素和氦元素在整个宇宙中的分布绝对均匀——那么引力除了延缓宇宙的膨胀速度之外，所起的作用将会微乎其微。宇宙将会保持均质，诸如恒星、行星等复杂物体以及人类都不可能出现。

所以，知道早期宇宙的同质性究竟到达何等程度是非常重要的。天文学家试图通过寻找宇宙背景辐射温度的细微差异来测量早期宇宙的“稠度平均性”。任何“崎岖不平”应该能够在宇宙背景辐射中的细微温差中有所显示。20世纪90年代发射的宇宙背景探测器（COBE），其设计目的就是为了寻找这种差别，而2001年6月发射的威尔金森微波异向性探测器（WMAP）正以更高的精度测绘这种差别。宇宙背景探测器（COBE）已探明，虽然宇宙背景辐射几乎是完全相同的，但其温度确有细微的差别。显然，早期宇宙的某些地区要比其他地区温度稍高，密度稍大。这些“褶皱”带来的差异性为引力发生作用创造了条件，引力放大了这些差异性，从而使得高密度的区域更为致密。大爆炸之后的10亿年中，引力造就了许多由氢元素和氦元素构成的巨大星云。这些星云可能有几个星系团那么大，它们自身所产生的引力完全抵消了宇宙的膨胀。在更大范围内，大爆炸所产生的膨胀力仍居于统治地位，因此这些巨大星云之间的距离随着时间的流逝而不断增加。

在其自身引力拉扯之下，氢原子和氦原子被更加紧密地挤压在一起，星云开始向内部塌陷。随着气体星云的收缩，一些区域变得比其他地方密度更高，塌陷得更快；就这样，原始星云分裂成不断收缩的云团，这些云团具有不同的大小，大到整个星系，小到单个恒星。引力将每块云团压缩到更小的空间内，其内部的压力不断增长。不断增长的压力致使温度不断升高，每个气态云团在塌陷的过程中都会因此逐渐升温。在体积较小、大约包含相当于数千颗恒星的物质的小块云团中，出现了密度和温度都非常高的区域；在这些宇宙托儿所的部分区域里诞生了第一批恒星。[4]

随着中心区域的温度不断升高，其中原子的运动速度会越来越快，撞击也越来越猛烈。最终，其猛烈程度战胜了氢原子内部带正电原子核之间的电荷斥力。（这种排斥力部分取决于原子核中质子或正电荷的数量，所以这种反应最容易发生在氢原子中；原子量越大，这种反应就越不容易发生。）当温度上升到1000万摄氏度时，一对氢原子就会融合为一个拥有两个质子的氦原子。这种核反应被称为核聚变（fusion），也就是氢弹中心区域所发生的反应。根据爱因斯坦的公式E=mc2，当氢原子聚变为氦原子时，极少的物质转化成了巨大的能量，其释放的能量等于物质的质量乘以光速的平方。爱因斯坦的公式告诉我们，由于光速是一个巨大的数字，即便是极少量物质的转化也会释放出巨大的能量。准确地说，当氢原子转化为氦原子时，大约会丢失0.7%的质量，我们之所以知道这一点，是因为氦原子要比合成它的氢原子轻一些。丢失的质量转化成了能量。[5]恒星就像巨大的氢弹，拥有足以“爆炸”千百万年甚至几十亿年的燃料。因此，第一批恒星照亮了早期宇宙长达10亿年之久的漫漫黑夜。

聚变反应所产生的巨大热量和能量抵消了引力的作用，年轻的恒星一旦被引燃就停止了继续塌陷。恒星内部核爆炸所产生的膨胀力与引力保持平衡，控制着星核的巨大能量。恒星之所以能形成持久稳定的结构，是将物质聚集在一起的引力与聚变反应所产生的使物体分离的膨胀力之间相互妥协的结果。这种拉锯式的平衡会一直持续下去，一旦内部温度升高，恒星便开始扩张，温度逐渐下降——这又导致了恒星的收缩，这就好比空调系统中那种负反馈循环。（假如气温过高，空调开始启动，使气温再次下降。）我们从变星的脉动中可以观测到这种拉锯式平衡。但是通常而言，只要恒星存在，这种内在的相互抵消作用将会持续千百万年，甚至几十亿年。

第一批恒星的点燃是宇宙历史上一个重大的转折点，这标志着事物的复杂程度达到了新的水平，标志着新的实体按照新的规则开始运作。被引力聚集在一起的几十亿亿个原子突然形成了全新的组织结构——它可以存在千百万年甚至几十亿年。这一时刻开始于原恒星（proto-star）内部由于温度进一步微增而点燃的核聚变反应，引力所带来的能量由此转化成为热能，一个新的更为稳定的能量流系统诞生了。恒星将自身包含的原子排列为新的、可持续的组态，这种组态能够经受巨大能量流的考验而不致解体。我们知道，这便是此类临界值的标志性模式。当原本独立的实体被纳入一个更有秩序的新模式，并且由于自由能不断上升的吞吐量而结合在一起时，新的组态就突然出现了（参见第4章）。但是，对于所有这些构造而言，结合在一起是很困难的，故而无法永存。因此，凡是达到新的复杂程度的事物，其特点就在于某种脆弱性和最终崩塌的必然性。根据热力学第二定律，所有的复杂实体最终都将消亡，但是，结构越简单，其幸存的可能性就越大，这也是恒星的寿命比人类长得多的原因（参见附录二）。

许多最早的恒星，在130亿年后的今天仍然存在。绝大多数都位于各星系的中央，或者以巨大的球形轨道围绕星系运行的球状星团（globular cluster）之中。最早的恒星可能是在相对不成形的气态星云的混沌和迅速崩塌中形成的。它们的轨道不规则，而且缺乏比氢和氦——它们形成之际仅有的元素——更重的元素，我们今天因而能够测定其年龄。在拥挤的早期宇宙中，胚胎星系经常相互融合，这种星系间合并有助于解释为什么许多最古老的恒星都具有不规则的轨道。

早期宇宙中的星系在形成与合并的过程中，由于受到引力的作用，整个宇宙中星系的形状都被塑造得非常一致。早期宇宙中参差不齐的星系被引力聚合在一起，不同的部分以弧形被拖曳至中心；这些圆弧在运动中所形成的微小差别使得每块星云都开始旋转，就像水流入排水沟。当星云收缩时，旋转加快，好似滑冰者收拢手臂一样。转得最快的部分被离心力抛出，如同一块旋转的生面团，而整块星云开始变得扁平，就像一块宇宙级的比萨。这些完全受制于引力的简单过程，解释了为什么许多宇宙中最大的星云，甚至是在星系团的层次上，最终都形成了被苏联理论家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zel’dovich）称之为“可丽饼”（crepe）的旋转的圆盘状。在较小的尺度上，我们也可以看到相同的规律在发生作用，如果我们远处观测太阳系，它看上去也像一只巨大的扁平圆盘。

到第二代恒星开始形成的时候，这些过程也将一些更大的星系，如银河系，改造成巨大而多少有些规整的圆盘。这种变化反映在年轻恒星的轨道更加有序，例如我们的太阳以每小时80万千米的速度，大约每2.25亿年围绕银河系中心运行一周。类似的机制也塑造了其他星系，形成了一个由许多恒星星系组成的宇宙，这些星系的构造方式有所不同，但大都会形成规则的旋转圆盘。恒星的形成过程一直持续到今天。在银河系中，每年大约会形成10颗新的恒星。





宇宙学巡礼：黑洞、类星体和暗物质


早期宇宙还存在着比恒星更奇异的物体。绝大多数星系的中央具有极大的密度，以至于即使温度升高到能够启动核聚变反应，由物质与能量所构成的巨大的星云仍然在不断塌陷。在这里，引力将物质和能量挤压到几乎不复存在，从而形成黑洞（black hole）。黑洞的空间区域十分致密，以至于任何物质和能量，甚至连光都不能逃脱其引力的作用。这意味着我们不可能直接观测到它的内部究竟发生了些什么，除非进入黑洞——当然，那样我们也就不可能再回来报告我们的发现了。黑洞的密度如此巨大，假如要把我们的地球变成黑洞，那必须把它压缩成一个直径1.76厘米的圆球。[6]

关于黑洞的真正意义，已经有了很多有趣的猜想。例如，最近有人认为黑洞就是新生的宇宙从外面看到的样子。每一个黑洞都可能是由一次独立的大爆炸所产生的独立的宇宙。李·斯莫林认为，如果真是这样的话，说不定我们可以解释宇宙其他一些古怪的现象。尤其是，我们也许就能解释为什么这么多重要的参数——例如基本的物理力的相对强度，或者基本核粒子的相对体积——似乎协调一致地创造了一个能够产生恒星、元素以及像我们人类这样复杂实体的宇宙。按照斯莫林的假设，只有能够产生黑洞的宇宙才会有“后代”。如果我们进一步假设，新宇宙与它们的“父辈”宇宙只存在细微的差别，那么我们就可以看到一个类似达尔文进化论的选择过程在发生作用。[7]经过许多代之后，包含大量宇宙的超空间很可能被某些具备产生黑洞的严格条件的宇宙所主宰，即便就统计学而言这类宇宙存在的概率非常低，仅仅因为其他宇宙都不能产生后代，就会导致这样的结果。但是，如果一个宇宙能够产生黑洞，它也可能产生诸如恒星等其他巨大的物体，以及其他各种复杂结构。这些想法说明，对于我们现代创世神话而言，在我们宇宙层次之上也许还存在新层次，可能存在一个年龄远远超出130亿年而且比我们的宇宙大得多的“超宇宙”。但是，我们目前既无法证明也无法否定这些宏大的想法。

因此，我们可以从这些沉思平安返回到我们所知的宇宙。关于我们的宇宙以及居住的星系，黑洞可以告诉我们一些重要的信息。与恒星相比，它们的密度非常大，其引力所释放出的能量要大得多。人马座星群方向距银河系中心27000光年的地方可能存在着一个黑洞。通过一种叫作人马座A的无线电强波可以确定这个黑洞的存在，它的质量大约相当于太阳的250万倍。

黑洞存在于许多星系的中央，这或许有助于解释另一个奇怪物体——类星体（quasar），或者称之为“类星电波源”（quasistellar radio source）。第一批类星体是由澳大利亚天文学家于1962年探测到的，这是现代天文学家所知道的最明亮的物体。它们甚至比那些最大的星系都要亮，尽管它们的体积还没有太阳系大。它们的距离也非常遥远。绝大多数距离我们超过100亿光年，最近的也在20亿光年之外。所以当我们观察类星体的时候，我们看到的是宇宙早期存在的物体。目前来看，它们的能量似乎来自那些吞噬周围大量物质的巨大的黑洞。因而，类星体是由黑洞以及恒星食物组成的。在宇宙的生命中，类星体出现得很早，那时各星系之间更为拥挤，因此黑洞能够吞噬更多的物体。宇宙随后开始扩张，星系团彼此远离，星系级黑洞的猎获物逐渐减少。因此，尽管许多星系的中央仍有黑洞存在，这些“野兽”如今很难吞噬足够多的物质而形成类星体。由于非常贪吃星尘，类星体的生存时间最多只有几百万年，在今天的宇宙中它们已经比较罕见了。类星体就好比是天文学领域中的恐龙，不过作为其能量来源的黑洞仍然存在于大多数星系的中央，正等待着冒失的恒星落入其掌控之中。

可见宇宙主要由星系和恒星组成。而对星系与星系团运动的观测却导致了令人尴尬的结论，即我们所观测到的仅仅是宇宙极微小的一部分。的确，我们所能看到的部分不会超过宇宙的10%，甚至仅为1%。利用引力的基本规律，天文学家通过研究星系的旋转方式，可大致计算出一个星系群中到底含有多少物质，此类研究显示，星系所包含的物质也许是我们所能见到的10倍。天文学家把那些看不见的物质称为暗物质（dark matter），这个术语正好表达了他们的困惑。

这些数量巨大的物质究竟是由什么构成的？找到这个问题的答案是现代天文学的中心课题之一。目前主要有两种答案。第一种，这些物质是由微小的粒子组成的，每个粒子甚至比电子都小许多，但总体却要比其他形式的物质更重。它们被称为“弱相互作用大质量粒子（从某种意义而言它们也有着一定的质量）”，简称WIMP。根据当前最佳的解释，这些粒子就是中微子（neutrino），一种可能有质量，也可能没有质量的粒子。即使有质量，也不会超过电子质量的1/500000。然而，每存在一个粒子，就会存在约10亿个中微子，因此即使中微子的个体质量微乎其微，它们也能组成宇宙中绝大部分的物质。假如我们能看见中微子的话，那么宇宙看上去就像一大片中微子尘雾，点染着微小的物质斑点。另一种答案是，也许有许多我们看不见的巨大物体，因为它们并不发光，或者不能释放其他形式的射线。它们可能是由恒星的残骸或是行星状物体组成的，被称为“晕族大质量致密天体”，简称MACHO。最近，又出现了第三种说法，这对于暗物质问题或许是一个很简洁的答案：暗物质可能实际上就是暗能量（dark energy）。正如我们所见，能量同样会产生引力。大约70%的宇宙物质/能量是由所谓的真空能（vacuum energy）所构成的，它们发现于20世纪90年代晚期，这种能量加快了宇宙的膨胀速度。如果是这样的话，它或许可以解释天文学家所观测到的大部分额外引力。按照这一设想，宇宙中的暗物质不超过25%，而看得见的宇宙仅仅占5%。[8]





恒星的生与死


恒星就像人类一样，也有它们的生平。它们从诞生起，历经生存、转变，直至衰亡。关于恒星典型的生命周期，如今我们知道得不少。这些知识大部分得自于对恒星的光谱研究。我们从本书的前一章可知，仔细分析吸收线的光带（当能源经过恒星之间被吸收后而产生的频率）就可以知道恒星中含有多少物质，也可以知道恒星有多热。20世纪以来，当天文学家研究了越来越多恒星的光谱之后，他们绘制了一幅图表，说明恒星一生的不同阶段以及恒星能够存在的不同类型。

恒星最重要的单一特征乃是它们的体积，或者是恒星形成之前的原始物质星云的体积。体积决定恒星的许多特征，包括它的亮度、温度、颜色，以及它的寿命。如果原始星云的体积小于太阳的8%，则它的中心就不可能十分致密，其温度也达不到使氢原子发生聚变的程度，这样就形成不了恒星。最多只能形成褐矮星（brown dwarf）——一种像木星般大小、光线昏暗的天体。褐矮星是介于行星与恒星之间的天体，尽管最近对褐矮星周围的物质所作的观测显示，即使它们的体积不足以发生聚变反应，但其形成过程在许多方面与恒星是相同的。[9]另一方面，如果原始星云的体积是太阳的60—100倍，它很可能在塌陷过程中会一分为二，甚至分裂成更多的小块，从而形成恒星，这也正好解释了天文学家所观测到的那么多双星或者多星的恒星系。在这两个极值之间，以下两种大小是主流：大多数恒星的体积在远远小于太阳到太阳的8倍之间，而剩下的则是太阳的8—60倍。了解这两个数值很有帮助。

星云胚胎中物质的总量决定了星云的引力、收缩速度，以及星云中心的密度和热度。新星中心的热度决定了它燃尽所有可用燃料的速度。因此，体积大的恒星比体积小的恒星温度更高；尽管它们拥有更多的物质，但是它们的燃烧更快，生存更具危险性，死亡更早。体积10倍于太阳的恒星，其寿命仅仅为3000万年，而最为巨大的恒星也许只能存活几十万年。那些较小的恒星，体积从太阳的2倍直至其1/10，密度并不高，因此内核的温度也比较低。它们能够更为节俭地消耗有限的燃料。最小的恒星其寿命长达数千亿年，是当前宇宙年龄的许多倍。

大部分恒星，就像我们的太阳一样，比巨型恒星燃烧得更为缓慢。但最终它们都会消耗掉全部氢元素，届时其内核将充满氦元素。到那时，支持恒星走完一生大部分岁月的氢聚变反应已不能再继续下去了。恒星的中心开始冷却并逐渐向内塌陷。但是塌陷使得恒星内部的压力增强，温度再次升高，这样就出现了一个令人意想不到的情况，恒星的体积膨胀到了原先的好几倍。如果恒星足够大的话，最初的塌陷可以使内核的温度上升到1亿摄氏度。达到这一温度之后，以氦为燃料的聚变反应又开始了。但与氢聚变相比，氦聚变反应只能将很少的质量转化为能量，因此并不能持续很长时间。恒星很快又耗尽了氦元素，这时，中心再次开始塌陷，而外层则膨胀得更为巨大，有时甚至被抛入宇宙空间。在此过程中，每一次反应都需要比前一次更高的温度，许多新的元素诞生了，其中最为丰富的是碳、氧和氮。例如，我们的太阳将连续发生这样的情形，直到开始产生碳元素为止，而体积稍大一些的恒星则可以继续这样的情形直到氧元素形成为止。就这样，逐渐衰老的恒星产生了许多元素周期表中位置靠前的元素；体积最大的恒星，在它们生命的最后阶段可以形成铁元素（原子序列号为26），这一创造过程所需的温度在40亿——60亿度之间。聚变反应所产生的新元素序列直到铁元素才告终结。当恒星灭亡之际，包含着所有这些新元素的灰烬将散布在它们的位置周围，与早期宇宙中的任何区域相比，恒星墓地在化学成分上更为复杂。

在死亡阶段，许多恒星膨胀成为红超巨星，例如猎户星座的参宿四。大约50亿年之后，太阳进入死亡阶段，体积将急剧膨胀，甚至地球和火星都会被它的最外层所吞没。（参宿四的体积十分巨大，如果把它放在太阳的位置，那么地球距离其中心与表面正好相等。）当燃料耗尽，小型和中型恒星开始变冷，最终成为熄灭的恒星，称为白矮星。白矮星密度很大，体积与地球相仿。数十亿年之后，绝大部分恒星都会变冷，那时它们作为恒星的生涯就结束了。

巨型恒星的体积大约在太阳的8倍以上，其生命历程更具戏剧性。由于这些恒星十分巨大，内核中的压力和温度很高，因此它们能够制造直到硅为止的新元素，并且正如前文所述，甚至还能制造铁元素。在其生命的最后阶段，它们制造出了不同的元素，层层相叠，拼命释放能量以避免引力所导致的塌陷。但是当燃料耗尽，它们的结局要比中型恒星更加壮观。在没有能量可维持自身存在之际，引力将取得支配地位并压垮它们，这一突如其来的、灾难性的塌陷过程所持续的时间不会超过一秒钟。此时，超新星（supernova）这一天文现象诞生了。一颗超新星爆炸所产生的巨大能量与闪光，相当于1000亿颗恒星或整个星系，并且可以持续好几个星期。体积不超过太阳30倍的原始恒星，塌陷之后会形成中子星（neutron star）。在这种天体内，原子被紧紧压在一起，导致电子与质子融合并形成中子。中子星上相当于太阳质量的物质，其体积被压缩到一座现代大城市的大小。中子星能以每秒最大600圈的速度自转。地球上的天文学家于1967年首次发现中子星时，曾把它看作是脉冲星（pulsar），因为当中子星自转的时候（如果地球上的天文学家恰好位于一个适当的角度），所释放出的能量以短脉冲的形式击打地球。蟹状星云中的一颗中子星就是超新星爆炸之后的残留物，以每秒30圈的速度自转，它由中国天文学家于公元1054年发现。

体积大于太阳30倍的恒星，塌陷过程更为剧烈，内核挤压成为黑洞。在内核以外，质子与电子结合成为中子，中子和中微子形成巨大的洪流，从垂死的恒星往外逃散。巨大的脉冲形成了一个高达几十亿度的大熔炉。超新星的高温在顷刻之间越过了某种临界值，在这个大熔炉里，比铁重许多的元素被烤制出来。实际上，在极端的时间内，超新星爆炸可以制造出元素周期表中一直到铀为止的所有元素。接着，这些元素又猛烈地射入宇宙深处。在这场星系级炼金术的过程中，产生的氧元素最多，其次是少量的氖、镁和硅，这些都是恒星际空间里最常见的重元素。此类超新星最近的一次发现是在1987年2月，这是自1604年以来所观测到的最明亮的超新星，当时曾有一颗超新星在银河系中爆炸。1987年我们所看到的这颗超新星，位于南天球与银河系相邻的大麦哲伦星云中。它标志着以前名为桑杜里克-69 202（Sanduleak-69 202）的恒星临死的苦痛；在恒星生命的尽头，即红巨星阶段，其直径大约是太阳的40倍。超新星爆炸的位置离我们大约有16万光年之遥，这意味着爆炸实际发生在16万年前。人类历史早期所记载的许多“新星”或许就是超新星，其中也包括耶稣诞生时所记录到的那一颗。自从最初的星系形成以来，恒星际空间之所以元素丰饶，是由于大恒星的寿命都很短，超新星不断产生新化学元素所致。你所戴的金戒指或银戒指的原材料就是在超新星内部形成的。没有超新星，我们根本就不会存在。[10]

第二类超新星，是白矮星由于吸收了邻近恒星的新物质引起爆炸而形成的，被称为Ia型超新星（Ia supernova）。这种爆炸所发出的光亮甚至超过了大型恒星衰亡所形成的超新星，它们释放出的主要是铁元素，以及其他的一些重元素。

恒星的衰亡是地球生命故事中必不可少的一个章节，因为恒星不仅创造了形成我们这个世界的原材料，也创造了能使生物圈得以存在所必需的能量。遍布于星系各处的重元素首先形成于恒星和超新星之中。当宇宙逐渐衰老，新元素（氢和氦以外的元素）的比率在稳定增长。假如没有由恒星和超新星所创造的化学物质极为丰富的环境，就无法形成我们的地球，更谈不上什么生命的进化。因此，构成我们这个世界的化学物质，分别形成于三个不同的场所：大爆炸产生了氢元素与氦元素，而从碳（原子序列号为6）到铁（原子序列号为26）的大部分元素是在中型和大型的恒星内部逐渐形成的，其他元素则形成于超新星的内部。宇宙早期形成的第一代恒星不可能形成生命。而以后形成的恒星，例如我们的太阳，就完全具有了创造生命的可能性。

推动生物圈的能量在很大程度上也源自恒星。太阳光是地球能源最重要的来源之一。但是对于过去200年里的人类而言，储存在煤和石油里面的阳光也变得同样重要。另外，地球许多重要的发展进程都是由地球内部的热引擎所推动的，而地球的热量一部分源自太阳形成的过程，一部分则来自超新星所产生的放射性元素。通过这些方式，恒星的历史已成为地球生命故事至关重要的组成部分。





太阳的形成


和所有的恒星一样，我们的太阳也是在物质星云受引力作用发生塌陷的过程中形成的。也许是邻近的一颗超新星引发了这次塌陷。这场巨大爆炸产生的冲击波穿越了距银河系中心大约2.7万光年即位于星系中心至星系边缘40%处螺旋臂区域的气态星云。当冲击波穿越星云之际，星云中的物质就好像撒在振动的鼓面上的沙子开始重新排列。一个由数百颗恒星组成的星群部落就此诞生。

它们都可以算作第二代或第三代恒星，因为形成它们的材料中除氢、氦以外，还包含许多别的元素。在形成太阳的星云中，原始气体占98%（大约72%为氢气，27%为氦气）。但其中还有许多其他的元素，包括碳、氮、氧（这些元素占宇宙所有物质的1.4%），以及铁、镁、硅、硫和氖（这些元素占据剩下的0.5%）。这10种元素，有的形成于大爆炸之际，有的形成于大型恒星内部，它们只占我们所在的星系区域原子物质质量的0.03%，而其余的元素则形成于超新星。[11]比氢和氦更重的元素，以及许多由这些元素形成的简单化学物质的存在，说明为什么我们的太阳（或许还有与它相似的恒星）与第一代恒星不同，它是伴随着一群卫星一起诞生的。这些卫星就是组成太阳系的行星（参见第3章）。

像所有的恒星一样，太阳的许多特征是由它的体积决定的。它是一颗黄色的恒星（光谱类型为G2），这意味着太阳属于中等亮度的恒星。然而，绝大部分恒星（大约95%）体积比太阳小，温度也比太阳低。[12]对于地球而言，太阳是个庞然大物。它的直径为140万千米，是地球与月球距离的4倍多。尽管如此，当太阳衰亡之际，它的体积还不足以塌陷成为一颗超新星。但太阳也不算很小，并不能维持很长的生命。它大致形成于46亿年前，还将存在40亿——50亿年的时间。迄今为止太阳的年龄是宇宙的1/3，它已走过了自身生命周期的一半。与所有的恒星一样，太阳内部持续不断地发生着巨大的核爆炸，温度高达150万摄氏度。核爆炸使得氢原子聚变为氦原子，并释放出大量的辐射能。聚变反应产生以光子形式存在的能量，这些光子要从太阳致密的内核挣扎而出，到达表面，需要花费100万年的时间。太阳的表面温度降低为6000摄氏度。能量从太阳表面向外辐射，遍及整个太阳系，直至太空深处。光子一旦到达太阳表面，即开始以光速运动。光子用100万年的时间努力穿越亚原子微粒（subatomic particle）的堵塞之后，仅用8分钟即可抵达1.5亿千米之外的地球。

如果没有太阳，我们的地球不会存在，生命也无从演化。太阳系所有的行星都是由太阳的碎片在引力场作用下组成的。太阳提供了绝大多数的光和热，维系地球上的生命。正是太阳这颗电池，使地球表面复杂的地质、大气以及生物过程得以运转。





宇宙的范围


宇宙在诞生之际，其体积小得难以想象，而现在的体积则大得难以想象。出于某些原因，想要了解宇宙的形成过程，我们必须设法理解宇宙的空间与时间范围。虽然我们不可能完全领会这些范围，但值得我们去做一番努力。

假如宇宙的年龄是130亿年的话，那么我们就无法看到130亿光年之外的任何事物，因为没有什么能够超越光速，而130亿光年是从宇宙诞生那一刻起光所能达到的最远距离。但事实上宇宙也许更为庞大，因为在宇宙存在的第一秒钟，时空即迅速膨胀，其速度要比光速快得多。如果真是这样，那么宇宙真正的大小将是可观测宇宙的亿万倍。的确，假如不同的部分以不同的方式膨胀，那么就会形成数十亿个不同的宇宙，每一个宇宙都有各自不同但相差甚微的物理定律。

当然，仅就可观测宇宙而言，想要测量它的体积也是不可能的。就空间尺度而言，从最小的亚原子微粒直到已知最大的星系群，我们必须将10乘上36次，即最大星系群的体积是已知最小微粒的1036。[13]这样的说明对我们而言几乎毫无意义，仅是想想这些尺度，我们也必须努力发挥我们的想象力。我们不妨用一种思想实验来冲击一下，从而对一些非常大的尺度形成某种认识，也许不无裨益。

像银河系这样的大星系大约包括1000亿颗恒星。更大的星系甚至包括1万亿颗恒星，而更多数量的矮星系却只有1000万颗恒星，所以1000亿可以看作是每个星系所包括恒星的平均数。就我们所知，在可观测到的宇宙中大约有1000亿个星系。那么1000亿到底是怎么样的一个概念呢？设想一个谷堆包含1000亿粒稻谷：那么它足以填满类似悉尼歌剧院这样大小的建筑物。[14]这也说明仅在我们所在的星系之内就有多少颗恒星。要反映整个可观测宇宙中的恒星数量，那就得建造1000亿座歌剧院，并把每一座都装满稻谷。（稻谷的总数大致相当于地球上所有沙漠和沙滩上的沙子数量。）[15]但是让我们集中到一座歌剧院上面来吧，想象它就代表我们的银河系。现在我们用稻谷作为比例模型，那么从位于悉尼歌剧院中心的太阳到最近的那粒稻谷之间的距离有多远呢？半人马座阿尔法星是一个三星系统，其亮度居夜空中类恒星天体的第三位，其中的比邻星是距离我们最近的恒星。如果我们的太阳相当于悉尼歌剧院中的一粒稻谷，那么比邻星就位于大约100千米以外的澳大利亚纽卡斯尔城，而两颗恒星间的实际距离是4.3光年（超过40万亿千米）。总之，在地球周围12光年的范围内大约有26颗恒星（其中有一颗是天狼星，由于距离较近——距我们只有8.6光年——其体积是太阳的2倍，而亮度又是太阳的23倍，因此天狼星是我们所能见到的最亮的星星。）。要对我们所在星系的大小有初步的理解，就必须想象悉尼歌剧院中的所有谷粒是如何按照这样一个尺度分布在宇宙空间的。

还有一个可以理解这尺度的方法。假如一架大型喷气式飞机要花5—6个小时飞越澳大利亚或是美国的大陆领土，那么同一架喷气式飞机飞行至太阳要用多少时间？（在到达目的地之前，我们能在飞机航班上进几次餐？）波音747飞机大约每小时飞行900千米，差不多要用20年才能到达约1.5亿千米之外的太阳。若是飞往离我们最近的比邻星，喷气式飞机至少要飞行500万年才能到达目的地！而这只是一个拥有1000亿颗恒星的银河城市中隔壁邻居之间的距离。要感受整个银河系的范围，就必须记住光从太阳到地球只需8分钟，却要用4年又4个月的时间才能到达比邻星。光线得花3万年的时间才能到达银河系的中心，其距离相当于到比邻星的1万倍。

尽管粗略，这些思想实验仍有助于我们想象宇宙到底有多大，也说明我们人类所关注的范围通常是何等的渺小，或者说绝对的渺小。按照宇宙的尺度，我们的太阳和地球只是很小很小的微粒而已。

这些计算说明了其他一些事物对于理解人类的历史同样十分重要。我们的地球在宇宙中所处的位置并不是任意的。我们之所以能够存在，只是因为我们处于一个非典型的区域。绝大多数的空间还是真空状态，而且十分寒冷。实际上，我们的思想实验设想只涉及一个银河系、一个包含数量异乎寻常的物质的空间区域。在星系之外，物质密度更加稀薄。我们的地球处于星系中物质较为丰富的区域，在这个巨大的星系内超新星产生了许多种元素。在这个星系中，我们居住在由一颗恒星所形成的区域内，距离那颗成年恒星很近。甚至在星系最为致密的地方，即圆盘处，真空区域通常每立方分子大约只含有一个原子。但在地球的大气层，在同样大小的空间内也许会有2500亿亿个分子。[16]而输送这些物质的是太阳每一秒钟所释放出来的能量。换句话说，人类的历史发生于宇宙的一个口袋中，那里物质稠密、富含能量。在这个物质丰度极高且极为复杂的环境中，生命才有可能诞生。





本章小结


大约30万年之后，以包含氢元素和氦元素的巨大星云为主体，构成了早期宇宙。这些元素就是未来形成恒星和星系的原材料。宇宙诞生之后大约过了10亿年，在氢元素与氦元素较为集中的区域出现了第一批恒星。引力推动这些致密的气态星云形成许多不同尺寸的旋转圆盘。尺寸最小的是与太阳系体积大致相当的物质星云。当它们塌陷之际，中心温度开始升高，氢元素开始聚变为氦元素。核聚变反应所释放的能量，阻止了中心进一步塌陷，并形成了恒星稳定的内核。一旦氢元素全部耗尽，巨大的恒星开始以氦元素乃至更为复杂的直到铁为止的元素作为燃料，此时聚变反应所需要的能量已入不敷出。体积最大的那些恒星迅速燃烧，最终在超新星大爆炸中坍塌。大部分复杂的化学元素是在超新星内部产生的。体积较小的那些恒星燃烧较为缓慢，温度相对较低，生存时间更长，当燃料耗尽，它们最终会像煤渣一样逐渐冷却。

正是由于恒星的诞生与衰亡，才最终形成了我们所居住的化学物质更为复杂的宇宙。的确，在宇宙早期相对简单的环境中，支配地球以及我们历史的复杂事物根本无法存在。





延伸阅读


关于恒星的一生，肯·克罗斯韦尔的《天体的炼金术》（1996年）是一本很好的介绍性读物，而蒂莫西·费里斯的《银河系时代的到来》（1988年）可以说是一部优秀的现代天文学历史书。阿曼德·德尔塞默所著《我们宇宙的起源》（1998年）也是较好的介绍性读物，切萨雷·埃米利亚尼的《科学指南》（1995年第2版）则以通俗易懂的形式揭示了许多技术方面的细节。艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）的著作可读性较强，但是已经有一点儿过时了。约翰·格里宾的《起源》（1981年）是一部关于我们所处宇宙的出色的普及性历史书，然而宇宙学的发展十分迅速，因此也显得有些陈旧。马丁·里斯所著《就这六个数字》（2000年）以及李·斯莫林所著《宇宙的生命》（1998年）围绕现代天文学提出了一些更具有思索性的观念。在《宇宙的演化》（2001年）中，埃里克·蔡森试图为我们在恒星中所发现的复杂性层次下一个定义。查尔斯·莱恩威弗的文章《我们在宇宙中的位置》（2002年发表）提出了宇宙“地理学”和空间的层次这一观念。


[1] 章首语：马丁·里斯：《就这六个数字：宇宙形成的深层力量》（纽约：基本图书出版社，2000年），第126页。



[2] 蒂莫西·费里斯：《预知宇宙纪事》（纽约：西蒙和舒斯特出版社，1997年），第151—152页。



[3] 在费里斯所著《预知宇宙纪事》第5章“黑色之王”中，有关于暗物质问题最新的探讨；也可参见里斯所著《就这六个数字》第6章。根据最近的估算，辐射也许要占宇宙总质量的0.005%；诸如中微子这一类的微粒差不多占0.3%；由质子和电子构成的普通物质大致占5%；那些由理论上存在但尚未被发现的微粒所构成的“冰冷的暗物质”占25%；而剩下的70%也许就是由“暗能量”所构成的了。参见戴维·B. 克莱恩（David B. Cline）：《寻找暗物质》，载《美国科学》，2003年3月，第50—59页，尤其是第53页的图表。



[4] 来自美国宇航局（NASA）2003年2月发射的威尔金森微波异向性探测器（WMAP）的证据表明，第一批恒星大约出现于大爆炸之后2亿年这一时段。参见《想象宇宙的奇异》，2003年2月12日（http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/features/news/12febo3.html，2003年4月访问）。



[5] 里斯：《就这六个数字》，第53页；把物质与反物质结合在一起，是将质量100%完全转化为能量的唯一方法。



[6] 费里斯：《预知宇宙纪事》，第79—80页。



[7] 李·斯莫林：《宇宙的生命》（伦敦：菲尼克斯出版社，1998年），尤其是第7章“宇宙进化吗？”“达尔文宇宙进化论”认为，与自然选择的规则相似，任何含有复制的系统（在此情况下，亦即宇宙和黑洞）都有可能毫无目的地形成复杂的实体；相关事例，可参见亨利·普洛特金（Henry Plotkin）：《思想的进化：进化心理学入门》（伦敦：企鹅出版社，1997年），第251—252页。



[8] 查尔斯·莱恩威弗：《我们在宇宙中的位置》，马尔科姆·沃尔特编：《超越火星：探索生命的起源》（堪培拉：澳大利亚国家博物馆，2002年），第95页。



[9] 约翰·威尔福德·诺布尔（John Wilford Noble）：《恒星也许是宇宙的演员》，载《纽约时报》，2001年6月8日，第21版。



[10] 参见阿曼德·德尔塞默：《我们宇宙的起源：从大爆炸到生命和智慧的出现》（剑桥：剑桥大学出版社，1998年），第61页，其中的图表概述了不同质量的恒星不同的生命类型；有关超新星爆炸细节的详尽描述，可见保罗·戴维斯：《最后三分钟》（伦敦：菲尼克斯出版社，1995年），第41—45页。



[11] 参见德尔塞默：《我们宇宙的起源》，第74—75页。



[12] 肯·克罗斯韦尔（Ken Croswell）：《天体的炼金术》（牛津：牛津大学出版社，1996年），第47—48页。



[13] 威尔逊：《论统合》（伦敦：阿巴库斯出版社，1999年），第49页。



[14] 我第一次听到这一设想，是20世纪90年代初一位在悉尼生活和工作的已故英国天文学家戴维·艾伦（David Allen）在一次演讲中提到的。



[15] 切萨雷·埃米利亚尼：《科学指南：通过事实、数字和公式探索宇宙物理世界》（纽约：约翰·威利出版社，1995年），第9页。



[16] 克罗斯韦尔：《天体的炼金术》，第182页。





第3章

地球的起源和历史


前两章的内容涵盖了几十亿光年的广大区域，其中包含着如海滩沙粒般无数颗恒星。在第2章结束的时候，我们将镜头推向了一个星系——银河系。在本章中，我们将缩小到更小的范围，亦即一颗恒星和它的行星。在这个极小的范围里，我们把自己的恒星设想为“太阳”——它似乎是我们宇宙的主宰者。因此，许多人间宗教把太阳视为至高无上的神灵也就不足为奇了。但是，地球是我们生活的地方，许多宗教认为地球是母亲和养育者，希腊人称她为“盖娅”。

我们的地球与太阳系中的其他行星、卫星一样，都是太阳诞生之际的副产品。在恒星形成的过程中，尽管引力并不是唯一活跃的作用力，却在总体上支配着整个过程。20世纪60年代以来，通过人造卫星，我们间接地游历了太阳系的许多地方，使我们对于太阳系形成过程的理解发生了彻底的变革。





太阳系


太阳系中的行星，也包括我们的地球，都是在距今大约45.6亿年前与太阳同时诞生的。它们的年龄大致是整个宇宙年龄的1/3。对太阳的成分和运动，以及太阳系中的行星、卫星和陨石，再加上新近观察到的邻近恒星的行星的研究，使我们对太阳系的形成的解释有了极大的信心。但是，在一些细节方面仍有许多不明确之处。





年表3.1 地球、生物圈和“盖娅”的尺度：45亿年





太阳包含了太阳系中大约99.9%的物质。如今引起我们注意的是余下的0.1%，因为正是从这些微小的残余物中诞生了包括我们地球在内的所有行星。我们已经知道，随着物质云的收缩，引力会使它们旋转、变平，变成圆盘状。太阳星云，亦即形成我们太阳系的气体和尘59埃也不例外。太阳的形成经历了大约10万年，巨大的引力把太阳星云内的绝大部分物质拉到了中心。但是由于离心力的作用，一些尘埃和气体在一定的距离上环绕太阳运行，就像大型气态行星如土星、木星、天王星和海王星的行星环一样。我们之所以能够知道这些，完全有赖于天文学家于20世纪90年代末在银河系恒星周围首次设法观察到了新形成的类似圆盘。太阳星云几乎全由氢元素和氦元素组成（约占其质量的98%），剩余的一小部分为其他元素。

随着太阳的燃烧，太阳星云的内圈要比外圈更热。这些热量使较不稳定的物质（气体）远离内部区域。但在更远的区域，大概从即将形成的木星轨道开始，寒冷的温度使这些气体凝结为液体或固体。因此，在内层轨道上多为岩石物质，而大多数的不稳定物质则堆积在远离太阳的外圈。这就合理地解释了为何太阳系内侧的行星多为岩石，而外侧行星（自木星以外）大多是由氢和氦这些在地球上以气态形式存在的物质所组成的。同时，这也是外侧行星体积相对较大的原因：木星的质量是地球的300多倍（尽管它的体积只是太阳的1/1000），土星的质量几乎是地球的100倍。（冥王星由于远远小于我们的月球，已经不再算作真正的行星，而被视为现存最大的小行星。）水（冰）是所有简单化合物中最为普通的，由两种最活跃的元素氢和氧构成。因此，远处那些由固态水组成的行星，必定比水以气态存在且很容易被驱散的行星体积要大得多。外侧行星的巨大质量也使它能更方便地“捕获”类似氢和氧那种即便在极端低温下仍保持气态的物质。时至今日，太阳系内的行星已被分为两大类：内圈是体积较小、由岩石构成的行星，密度超过3克/立方厘米，而外圈是体积巨大的行星，其密度略低，小于2克/立方厘米。

尽管不同轨道上的温度和物质各不相同，但每条轨道上的物质微粒都会相互碰撞，或者因引力而结合在一起。有时，它们由静电力黏合在一起——这种力能使一根摩擦过的琥珀棒吸起许多纸屑。天文学家称之为吸积（accretion）机制，由德国哲学家康德于1755年首先猜测到，在这种温和的碰撞中形成了相对较软的小岩石块。这些小岩石块就像滚雪球一般，逐渐变成如同陨石一样的物质，然后变成小行星。小行星像碰碰车一样无序运行，经常相互碰撞。随着它们慢慢变大，碰撞也开始变得更为激烈。在10万年中，曾经存在过许多较小的小行星，其中最大的直径可达10千米。如像哈雷彗星这样的彗星，很可能就是太阳系早期历史阶段的残余，因而它们有助于我们想象早期小行星的样子。然而，残留至今的彗星，部分受到正在形成中的超级行星木星引力的影响，不是在更加靠近中心的轨道，就是在更加偏远的轨道上运行。因此，它们避免了与其他行星结合在一起。几十亿颗彗星仍在以海王星为界的外侧行星之外的所谓的奥尔特云（Oort cloud）中沿着各自的轨道运行，与地球的距离是太阳至地球距离的35倍多。这类天体通常很小，但也有些相对较大，如喀戎彗星（Chiron），其直径约为200千米。

在太阳形成之后大约10万年，新形成的太阳向内侧轨道喷射残留的气体和尘埃，被称为金牛座T型星风（T Tauri wind）。这种现象通常与年轻的恒星有关。也许，金牛座T型星风还将小行星表面年轻的大气一扫而光，这些大气最终形成了地球。留在内层轨道上的是一些固态小行星，它们的体积较大，故而没有受到太阳风的影响。渐渐地，在所有轨道上，最大的小行星将其他略小一些的物体吸入它们的引力网，直到它们引力所及的范围内所有物质都被吸收干净。这样，也许在太阳形成后100万年中，出现了差不多30颗体积与月球或火星相近的原行星；每一颗原行星都占据着一条特定的轨道，在最初的太阳圆盘的平面上做圆周运行。亿万年之后，最终形成了我们今天所看到的行星系统。

近日行星（水星、金星、地球、火星和小行星）主要由硅酸盐（硅和氧的化合物）、金属和被引力所固定的气体构成。例如地球，它由氧（近50%）和少量的铁（19%）、硅（14%）、镁（12.5%），以及其他多种化学元素组成的。在火星和木星之间的那些小行星，可能是受邻近木星强大引力的影响而“失败”的岩石行星的残留物。最大的行星木星形成的速度比较快，大约比地球早诞生5000万年，甚至更早。[1]庞大的体积足以使它的内部开始产生核反应。木星几乎就是一颗小恒星，但还是属于行星。如果木星再大那么一点儿，那么太阳系将会有两颗恒星，太阳系的结构和历史也将会改变。行星的运行将不那么稳定，而且在任何一颗行星上都不可能出现生命。

在所有大型行星（特别是土星）周围，存在着圆盘状的物体，这表明它们都十分巨大，能够形成自己的星云，就像刚刚诞生的恒星一样。事实上，木星的星云和太阳的星云非常相似，因此内层的卫星木卫一和木卫二是岩石，而外层卫星却更接近于气体，这很可能是因为该行星在早期将气态元素排斥到外层去了。

我们的太阳系在宇宙中是独一无二的呢，还是十分普通的呢？直到最近，哪怕是离我们最近的恒星，天文学家仍然没有直接观测其周围行星的手段。种种迹象表明，太阳系可能是与众不同的，甚至是唯一的。然而，1995年，天文学家通过精确测量恒星运行中微小的摇摆，找到了一颗围绕另一颗恒星旋转的行星。在接下来的6年中，又发现了将近70颗行星。1998年5月，哈勃太空望远镜似乎拍摄到了第一张行星照片。这颗行星非常巨大——体积为木星的3倍——似乎是被金牛星座的双子星抛射出来的。[2]天文学家们还拍摄到了类似形成期太阳系的圆盘状吸积。这些证据表明，太阳系可能是极其普通的，尽管它们相互之间的实际构造可能相去甚远。如果真像最近的证据所表明的那样，只要有10%的恒星有行星围绕，那么，仅在银河系内部就会有数十亿个类似太阳系的恒星系。这意味着我们生存其间的这个天文龛，在宇宙范围内虽然与众不同，但并非绝无仅有。仅在银河系内，理论上存在生命的行星系统就可能数以百万计。这是否意味着生命在宇宙中是很普通的呢？我们将在第4章讨论这个问题，我们还将考察生命本身是如何在地球上出现的。





早期地球：熔融及冷却


吸积是一个无序和剧烈的过程，小行星的体积越大、引力越强，便越是如此。在每一条轨道上，小行星之间的碰撞产生了巨大的热量和能量。许多行星奇特的倾斜和自旋告诉我们，在某个阶段这些行星就像台球一样遭到某种类型的另外一个大型天体的撞击，这便证明了这些过程是多么剧烈。只要观察一下月球表面就可以看到关于这些过程的证据。由于月球没有大气层，其表面未被腐蚀，因此保留了早期历史的痕迹。在月球表面，深深地烙下了数百万颗流星撞击的痕迹，在晴朗的夜晚，甚至可以用肉眼看到。在地球的早期，大约也经历了10亿年这样剧烈的撞击过程，直到地球将自己轨道中的其他物质全部清除干净。地球早期“冥古代”的暴烈情形说明了那一时期（参见附录一，表A1）保留下来的证据为何如此之少的原因。大约10亿年后，撞击不再那么频繁。当然，有些小行星一直存在到今天。因此，撞击仍会发生，有些甚至在地球历史上扮演了重要角色。但是这样的撞击比起冥古代时代要少得多了。

早期地球没有多少大气层。在没有达到一定体积之前，地球引力不足以阻止气体被驱逐到太空中去，而太阳风早已把大部分的气态物质从太阳系的内层轨道上吹走了。所以，我们必须将早期地球想象为岩石、金属以及被吸引住的气体的混合体，不断受更小的行星的撞击，没有多少大气层。早期地球对于人类而言实在是个地狱般的地方。

随着地球达到它应有的体积，热量开始增高，一方面是因为与其他小行星的撞击，另一方面是因为随着体积的增大其内部压力也在增大。此外，早期太阳系中存在着大量放射性物质，它们在太阳诞生前不久的超新星爆炸中形成。早期地球的热量大部分留存到了今天，不过，随着时间的流逝，大量热量从地核深处渗出地表。随着地球温度的升高，地球内部熔化。在熔融的内部，不同的元素由于密度不同，在一个被称为分异（differentiation）的过程中被分离开。在太阳系形成4000万年后，大部分偏重的金属元素，比如铁和镍，像炽热的淤泥一般陷入地心，这样就形成了一个以铁元素为主的地核。这个金属的地核使地球产生特有的磁场。在我们这个行星的历史上，磁场起到至关重要的作用：它可以使来自太空的高能粒子偏转方向，以确保最终产生生命的精密化学反应顺利进行。

较重的物质渐渐沉入地心，而轻一些的硅化物则浮出表面，这个过程就好似在今天炼钢炉内发生的情况一样。密度较高的硅化物形成了地核与地壳之间大约厚达3000千米的地幔。在彗星的撞击下，地球表面伤痕累累，温度升高，使得最轻的硅化物浮到了地表，在这里它们要比地球内部的物质冷却得更快。这些被称为花岗岩的较轻物质，形成了大约35千米厚的大陆地壳。相对整个地球而言，这层地壳就像蛋壳一样薄。海底地壳（大部分由火山岩构成）更薄，大约只有7千米厚。从地表到地球核心的距离大约为6400千米。这样，即便是大陆地壳也仅仅是其到核心距离的1/200。大部分早期的大陆地壳保存至今。最古老的大陆地壳在加拿大、澳大利亚、南非和格陵兰的部分地区还可以找到，距今大约有38亿年的历史。

最轻的物质，包括氢气与氦气，从地球内部冒向表面。因此我们可以认为早期地球的表面是一片火山岩的大地。我们通过分析火山口生成的气体混合物，可以精确地判断是哪些气体冒到了地表。它们包括氢、氦、甲烷、水蒸气、氮、氨气和硫化氢。其他物质，包括大量的水蒸气，是彗星撞击所带来的。大部分的氢和氦逃逸了，但当地球完全形成时，它还是大到足以用引力场保留住剩余的气体，从而形成地球第一个稳定的大气层。大部分甲烷和硫化氢转化成了二氧化碳（CO2），二氧化碳很快就在当时的大气层中占据了优势。在一个充满二氧化碳的大气层里，天空看上去是红色的，而不是我们今天所看到的蓝色。然而，随着地球的冷却，集聚在大气中的水蒸气转化为一场持续几百万年的滂沱大雨。大雨造就了最早的海洋。最早的海洋在35亿年前形成，因为我们知道那时已经有活的有机体存在；它们的出现说明地球表面温度已经降到了100℃以下。海洋溶解了大气中的二氧化碳，人们所看到的天空渐渐变成了蓝色。

地表的液态水对我们而言具有十分重要的意义，这意味着地球的温度已经适宜于构成最早生命形式的复杂而脆弱的分子的出现。地球温度对于生命为何如此仁慈？原因至今不明。也许在所有恒星系中都存在这样一个有限地带——与恒星保持一定距离，而不至于使水沸腾，却又比较接近恒星而获得热量，使生命得以出现。然而我们知道大气并不是按照简单、可预测的规则进化的。早期金星的大气层可能和地球相同，但是厚厚的云层和更多的太阳辐射形成了温室效应，最终使金星表面温度达到了水的沸点。金星因此成为不毛之地。火星由于体积较小、引力较弱，所以尽管过去可能拥有稠密的大气层，如今却也几乎消失殆尽。也许就是因为各种环境条件的罕见结合才使得地球适合生命生长，这说明尽管宇宙有数十亿颗行星，也只有极少的一部分有可能存在生命。[3]就像我们将要在第5章中看到的那样，生命一旦形成，它们便把地球当成自己的家，改造大气和地表，使之更适宜于生命的存在。

早期地球大气中的许多成分（包括其中大部分的水），以及形成生命最初形式的有机化学物质，可能是地球历史上第一个10亿年中彗星撞击所带来的。[4]这种持续撞击也可以解释月球形成的过程，月球可能形成于太阳系诞生之后5000万到1亿年之间。对于月球岩石的研究表明，月球的密度要比地球小一些，铁的含量也少得多。这种差异可以解释为地球在“分异”过程完成之后，曾遭到一颗火星般大小的原行星的撞击。撞击对富含铁质的地核影响不大，却从早期地球的地幔和地壳中掘出了部分物质。这些碎片像土星圆环一样围绕着地球运行，逐渐增长，最终合并成一个整体，形成月球。

因此，在太阳系形成10亿年后，地球有了一个温度极高的铁的地核、高温半液态的地幔，还有薄而坚硬的地壳和广阔的海洋，以及主要由氮气、二氧化碳、水蒸气所构成的大气层，还形成了自己的卫星月球。对我们来说，这里是一个炎热的、危险的和令人讨厌的地方，淹没在持续的酸雨中，周期性地被彗星或小行星撞击所形成的火山熔岩所覆盖。但是地球拥有促使最早期的生命形式进化和繁荣的一切因素。最重要的是，地球拥有液态水，因为它的位置距离太阳不远不近，既避免了水沸腾而变为蒸汽，又可以确保水不会凝结成冰。





早期地球的证据


我们怎么知道这么多关于早期地球的知识？当然，在我的叙述中包含有一些思辨的因素，但那也是以大量可靠的材料为基础的。有两类材料极为重要，需要更加详细的探讨。

我们只能钻入地球很浅一层，要研究地球深处，就必须使用间接的方法。很幸运，探测地球内部的各种方法作为地震研究的副产品而获得进展。地质学家用测震仪这种测量剧烈震动所引起地球突然震动的仪器来研究地震。在地表不同位置摆放测震仪，就可以精确地描绘这些震动，指出震源、震级和类型。当然，也可以描述这些震动波是如何在地球内部传播的。这些研究证明，在不同类型的物质中，传播方式是不同的；由此，可以描绘地球是由哪些地层所组成的。（参见图3.1）

更为令人注目的是，我们能够确定过去数百万年甚至数十亿年前的事件发生的准确时间。事实上，为在遥远的过去所发生的事件——包括早期地球历史中的事件——提供确切的时间，是当代最激动人心的创世神话之一（参见附录一）。





图3.1 地球内部的结构


我们还没有能力深深穿透到地球内部，但可以利用震波，即地震产生的震动，来断定那里有什么。有三种震波：主波、次波和表面波。每一种波都有不同的移动速度，在通过不同物质时受到的影响也不同。所以，通过分析不同震波到达地表的速度，可以知道大量有关地球内部结构的情况。该图显示测震仪所记录的图表上方的那次地震。改编自切萨雷·埃米利亚尼：《科学指南：通过事实、数字和公式探索宇宙物理世界》第2版（纽约：约翰·威利出版社，1995年），第174页；亦改编自阿瑟·斯特拉赫勒（Arthur N. Strahler）：《地球科学》第2版（纽约：哈珀和罗出版社，1971年），第397页，图23.22；第395页，图23.17




以前，要推算遥远的时间，只能手头有什么办法就用什么办法。[5]家谱曾经是确定过去年代的一种最重要的方法。在17世纪的欧洲，神学家利用《旧约全书》中的家谱计算上帝何时创造了世界。18世纪末，地理学家学会了通过研究在不同地层发现的化石和岩石的类型，来确定远古时代重大地理事件的相对年代。虽然相对年代无法告诉我们某一动物生存的准确时间，也无法说明某块岩石形成的准确时间，但它却能表明事物出现的先后顺序。利用特定的化石精确地测定其相对年龄，古生物学家对此已十分在行。专家手上的某种特殊类型的三叶虫或者被称为笔石的古生物所留下的奇特的锯齿状痕迹，可以证明来自世界不同地方的岩石是否大致处于同一时代。这些技术被用来绘制最初的地理时间表，使我们知道各种岩层和不同生物出现的大致顺序（参见附录一，表A1）。到了19世纪，即使是这种粗陋的技术，也表明地球的历史已远远超过了6000年。尽管如此，绝大多数科学家仍坚信地球存在的时间最多不超过几亿年。

相对断代法越来越精确，而且仍是判断岩石年代的有力手段。但20世纪出现的同位素年龄测定法，则堪称断代技术中最重要的革命。在很多情况下，这些技术能使我们以惊人的精确度断定某一特定物体形成的确切年代。因此，利用这种方法，我们也可以测定许多在人类诞生前所存在事物的绝对和相对年代。关于同位素年龄测定法，在附录一中有详尽的说明。

在建构有关地球形成的现代故事中所使用的年代，主要是通过对至今仍在太阳系中漂移的物质所做的分析得来的。地球表面的物质，甚至地球深处的物质，彼此循环非常频繁，根本不能告诉我们地球形成最初阶段的情况。地球上最古老的、能够确定年代的岩石（来自格陵兰岛）年龄大约在38亿年，这是地球形成大约8亿年之后。想知道地球和太阳系是何时形成的，我们必须利用那些从太阳系最初形成至今没有丝毫改变的物质。陨石（特别是那些被称为球粒状陨石类型的陨石）十分适合我们的研究，因为它们似乎含有太阳星云的残骸，而太阳系正是诞生于这片星云之中，而且它们形成后基本没有发生改变。同位素年龄测定法通常测得陨石形成的年代大致是45.6亿年前，这并不令人惊奇。最古老的月球岩石形成于相同的年代。这些年代值非常接近，并且太阳系里找不到比这个年代更古老的物质，这说明太阳系本身也是于45.6亿年前形成的。





现代地质学的起源


今天的地球有着蔚蓝的天空、富氧的大气层、高山、大陆和海洋，它是怎样从酷热的早期地球发展而来的呢？

20世纪60年代以前，地理学和地质学早已是非常成熟的研究领域，积累了大量关于地形和海洋构造方式的坚实证据。但它们缺乏一个核心的、系统的理论来解释地球如何从早期恶劣的环境转变为今天这个样子的。60年代末，随着板块构造论的出现并被大众所广泛接受，地球科学获得了如同天文学中大爆炸理论那样强有力的核心观念或范式。从此，我们第一次有可能连贯而科学地讲述有关地球历史的故事。

近代地质学传统发源于欧洲，因此受到了上帝创世神话的巨大影响。但是，正如我们所看到的，地球是上帝于6000年前创造的这一信仰早在17世纪便受到了动摇。丹麦科学家尼古拉斯·斯泰诺（Nicholas Steno）首先指出，化石是曾经在地球上生活过的生物遗留下来的。他同时认为，山川是在一段漫长的时期里，由类似火山活动的地质过程堆积而成的。这些观点意义重大。例如，这说明了在阿尔卑斯山高处所发现的鱼化石是上古时期鱼的遗迹。对于这样的事实，若摒弃奇迹的解释，只能假设阿尔卑斯山是从水底抬升起来的。而且，想要将这个过程浓缩在6000年内，而不考虑在这期间是否发生过一系列巨大的灾难，则是非常困难的。实际上，确有一些地质学家以《圣经》中的大洪水为模式，论证地球在历史上发生了许多巨大的灾难。至少在某些范围内，这样的学说便将《圣经》的编年史一直捍卫到了19世纪。

但是地质学家则变得越来越怀疑了。在18世纪