宇宙小史:普林斯顿大学宇宙通识课 莱曼·佩奇 著 林群 王渝生 吴国盛 苟利军 推荐

人类认识宇宙的过程，也是认识自我的过程。光年尺度下的叙事，让人类显得无足轻重。但正是通过科学家的不懈努力，才能使我们能够突破肉体的局限，将人类的视野拓展到目所能及之外的世界，或许有一天，直到宇宙的边缘。

莱曼•佩奇是宇宙微波背景辐射研究领域的佼佼者，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的初创研究者之一。关于宇宙大爆炸，以及宇宙其他重要问题的答案，都藏在宇宙微波背景辐射里。为了追寻这答案，人类向太空发射了卫星、望远镜，我们得以了解宇宙的组成、几何结构，认识宇宙的演化。今天，我们对宇宙年龄的预测可以达到非常精确的地步。

我们即将展开一趟旅程，从无穷小到无穷大，从时间的开端到遥远的未来，当然，探索的脚步从未停止，因为，答案始终在前方。

人类认识宇宙的过程，也是认识自我的过程。光年尺度下的叙事，让人类显得无足轻重。但正是通过科学家的不懈努力，才能使我们能够突破肉体的局限，将人类的视野拓展到目所能及之外的世界，或许有一天，直到宇宙的边缘。

莱曼•佩奇是宇宙微波背景辐射研究领域的佼佼者，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的初创研究者之一。关于宇宙大爆炸，以及宇宙其他重要问题的答案，都藏在宇宙微波背景辐射里。为了追寻这答案，人类向太空发射了卫星、望远镜，我们得以了解宇宙的组成、几何结构，认识宇宙的演化。今天，我们对宇宙年龄的预测可以达到非常精确的地步。

我们即将展开一趟旅程，从无穷小到无穷大，从时间的开端到遥远的未来，当然，探索的脚步从未停止，因为，答案始终在前方。

普林斯顿大学物理系主任，美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院院士。 
他是观测宇宙学家，也是威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）联合创始研究者之一，该探测器用于对宇宙年龄的精准测量，测量结果开创了精确宇宙学的时代，对天文学、宇宙学和物理学产生重大影响。
2010年，因在解开宇宙年龄方面取得的重大成果，获得邵逸夫天文学奖。
2015年，获得格鲁伯宇宙学奖。
2018年，因为“WMAP 实验团队绘制了早期宇宙的详细地图, 升级了人类对宇宙演化的认知”获得了基础物理学突破奖。

目录
章   宇宙常识 001
 宇宙的尺寸 003
 膨胀宇宙  012
 宇宙的年龄 019
 可观测宇宙 024
 宇宙是无限的吗 025
 如何回顾宇宙的历史 027
第二章 宇宙的构成和演化 031
 宇宙微波背景 035
 物质与暗物质 043
 宇宙学常数 051
  结构形成与宇宙时间线 056
第三章 描绘宇宙微波背景 063
 测量宇宙微波背景 069
    宇宙微波背景各向异性 076
 宇宙微波背景的量化分析 081
第四章   宇宙学标准模型 089
    宇宙的几何结构 091
    结构形成的种子 094
    一张完整的宇宙拼图 098
第五章 宇宙学的前沿 109
 中微子  113
 引力波  115
 结构形成与基础物理 117
 苏尼亚耶夫—泽尔多维奇效应和星系团  118
 温度谱  120
 小结  121
附录A    电磁波谱  124
附录B    膨胀空间  126
附录C    宇宙时间线 128
附录D    可观测宇宙与时间的对应关系 132
致谢   147
译者后记   149

人类认识宇宙的过程，也是认识自我的过程。光年尺度下的叙事，让人类显得无足轻重。但正是通过科学家的不懈努力，才能使我们能够突破肉体的局限，将人类的视野拓展到目所能及之外的世界，或许有一天，直到宇宙的边缘。

莱曼•佩奇是宇宙微波背景辐射研究领域的佼佼者，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的初创研究者之一。关于宇宙大爆炸，以及宇宙其他重要问题的答案，都藏在宇宙微波背景辐射里。为了追寻这答案，人类向太空发射了卫星、望远镜，我们得以了解宇宙的组成、几何结构，认识宇宙的演化。今天，我们对宇宙年龄的预测可以达到非常精确的地步。

我们即将展开一趟旅程，从无穷小到无穷大，从时间的开端到遥远的未来，当然，探索的脚步从未停止，因为，答案始终在前方。

普林斯顿大学物理系主任，美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院院士。 
他是观测宇宙学家，也是威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）联合创始研究者之一，该探测器用于对宇宙年龄的精准测量，测量结果开创了精确宇宙学的时代，对天文学、宇宙学和物理学产生重大影响。
2010年，因在解开宇宙年龄方面取得的重大成果，获得邵逸夫天文学奖。
2015年，获得格鲁伯宇宙学奖。
2018年，因为“WMAP 实验团队绘制了早期宇宙的详细地图, 升级了人类对宇宙演化的认知”获得了基础物理学突破奖。

序言
本书主要对现代宇宙学在空间、能量、时间等方面进行尺度上的简明介绍。我希望这些文字可以将宇宙学中人类已知的、比较重要的几个方面的知识传递给大家，包括宇宙的组成、几何结构、演化过程、用来描述宇宙的物理定律，也会介绍一下我们挖掘这些知识的具体过程。宇宙学已经成为一门较为成熟的学科，以至于其中掺杂了很多听上去相当疯狂的理论和推测，而这些让人眼花缭乱的内容很容易遮掩宇宙学为神奇的一面：我们可以在尺度上了解整个宇宙，通过某些探测手段，其精确度可以达到百分比的水平 。
我们将会看到，尺度上的宇宙和早期的宇宙其实相当简单，只凭几个特殊参数就可以轻松描绘出其主要特征。跟其他东西，比如具有大气、海洋、运动的大陆板块、磁场等物理属性的无比复杂的地球相比，前者要简单得多，列出几个主要属性即可看清它的面貌。本书不仅会向大家展示人类目前所掌握的观测、度量结果，还会通过各种物理表述向大家说明这些结果如何彼此交织在一起，形成一幅统一的宇宙图像。事实上，宇宙图像有很多可能性，我为大家展示的只是其中一幅，只不过这幅图像能够以少的假设来阐释人类所掌握的数据罢了。之后的各种观测会向世人揭露真相，看看这幅图像到底正确与否。
人类对宇宙的了解--可以用我们所说的标准宇宙模型来概括，这套模型和观测结果吻合得极好。它可以对未来做出预测，具有可验证性，而且如果有必要，它也可以被轻易修改，增添内容。抛开其他内容不谈，这个模型很关键地指出了宇宙的构成：大约5%的原子物质，我们的身体就是由这些物质构成的；大约25%的“暗物质”；还有大约70%的“暗能量”。根据爱因斯坦的引力理论，标准宇宙模型阐明了宇宙万物是如何从太初时期演化至今的。换句话说，我们从广义相对论中提取出一套认知空间的方式，并把它作为描述宇宙万物——辐射、原子、暗物质、暗能量——如何汇聚在一起形成当今宇宙的理论基石。总之，尽管我们有一套非常出色的宇宙模型，但从根本上来讲，我们仍旧不清楚它的主要成分到底是什么。宇宙学当中存在很多激动人心的、悬而未决的问题，等待全世界的科学家去探究、分析。在本书的末尾，我会将其中某些问题分享给大家。
本书将遵循我对宇宙学的学习路径，主要以宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，缩写为CMB，是宇宙诞生时遗留下来的一种微弱热辐射，又称背景辐射）的测量为线索来理解宇宙，而且我们有充分的证据来证明这种方式的合理性。尽管宇宙微波背景和太阳的热辐射，或者说电炉的热辐射类似，但它的温度其实非常低，只有2.725K ，仅比零度高2.725°C，似乎暗示着它古老的起源。不过，宇宙微波背景不只包含温度，它的存在还有很多其他意义。没错，我们从宇宙微波背景得到的大部分信息都来自太空中不同位置的温度变化。比如，无论是在南天极，还是在北天极，宇宙微波背景在温度上的差异都非常小（任选两个方向做比较）。由于宇宙微波背景可以被精确地测量，所以我们对它的理解成为宇宙模型的基础。不过在深入研究宇宙微波背景的各种特性和人类能从中获得哪些信息之前，我们首先得介绍一些基本概念，看看如何从一个整体的角度认知宇宙。
在章中，我们的主要任务就是打好基础，了解宇宙的一些基本概念，主要线索为两项观测结果：光速恒定有限，宇宙正在膨胀。这两项客观事实彼此啮合，为接下来的章节搭起了框架。在第二章中，我们将回顾宇宙的组成，不过并不是事无巨细地全面分析，而是把重点放在宇宙每个时期起主导作用的重要组成部分，这些东西可以告诉我们宇宙如何演化至今。我们还会分析宇宙的各种成分如何共同作用，从而产生了恒星、星系、星系团这些在宇宙学中被称为“结构”的东西。形成这些结构的整个过程起源于宇宙大爆炸，终催化了地球的诞生，人类得以登上历史舞台。在第三章中，我们将阐释插图1中宇宙微波背景的细微温度差异。弄懂这张图后，我们便可以获取和宇宙相关的大量信息。在第四章中，我们会把之前的内容拼凑起来，同时引入标准宇宙模型。虽然该模型拥有出色的预测能力，但宇宙中仍旧充满很多未解之谜。后，在第五章中，我将从理论和实验两方面分别为大家介绍一些宇宙学的前沿科研项目。
宇宙学是一片充满活力、令人神往的科研圣地。无论是实验领域，还是理论领域，科学家们都在苦苦探寻更加深入的知识成果。对于像我这样的宇宙观测者来说，宇宙微波背景在持续不断地提供各种新的洞察和理解。与此同时，源源不断的观测实验或许可以帮助我们从全新的视角来看待标准模型中那些已有的要素，甚至有可能帮助我们获取全新的科学发现。
在开始正文之前，请允许我先对本书的难度做一个简要说明。想要把的科研成果呈现给读者，的困难之一就是要找到一个恰当的阅读难度。尽管出于科学概念的特殊性，我对很多术语和概念都做了相应的解释，但是在整本书中，我还是对读者的知识水平和兴趣程度做出了更高的预期。因此，对某些特定话题，我准备了4个附录，以便有需求的读者能够获取更详尽的信息。比如，我在创作时已经假定读者知道光是一种携带能量的、具有特定波长的电磁波，不过在附录A中，我还是为那些想要进一步了解相关领域的读者提供了关于各种辐射 以及相应波长的简明科普。此外，我还假定大多数读者知道光速的有限性，其数值为一个常数。不过，无论身处宇宙何处，无论运动速度有多快，你都会发现真空中的光速一直是186000英里 /秒，这是爱因斯坦狭义相对论的基本前提之一，掌握此知识点的人要比刚才的人少一些。为了使本书简洁明了，我不会过多深入讨论和相对论有关的知识（毕竟已经有很多图书出色地完成了这一任务）。不过随着本书内容的推进，我还是会阐释一些有助于理解宇宙的物理概念，这些内容可能会比你之前掌握得更加详尽。根据实际需求，我可能会酌情增加相应篇幅，不过大家放心，阅读本书所需的数学知识并不复杂，无非也就是“距离 = 速度 × 时间”这种水平。而且大多数情况下我们都会使用近似值，便于大家掌握。
宇宙学中非常棘手的一点是，它涉及的距离和时间尺度都很大，大到让人难以想象。为了更加直观，我们在计数时以“10亿”为单位。比如，地球上的人口大约有70亿，你小拇指的指尖上大约有10亿个细胞，10亿颗M&M彩虹豆刚好装满一个6米见方的盒子。考虑到这是一本科普读物，本书没有列出任何专业性强的参考资料，很多理论和发现的来源我们也没有一一备注（希望我的同事们能原谅我）。
虽然本书篇幅不长，但需要呈现的内容可不少——我们要介绍整个宇宙呢——所以事不宜迟，进入正题吧。

国外的科学家做出新的科研成绩往往喜欢写一本面向大众的书来给大家科普，在莱曼•佩奇讲他真正的研究之前，他很好地把自己研究领域的基本情况做了介绍。对于绝大多数人来说，如此简明又通俗的《宇宙小史》很精彩，用作者的话说，具有中学的数学和物理基础就能看懂，我建议大家多读读这样的科普书，会让人对这个领域产生兴趣。
林群
中国科学院院士 中国科学院数学与系统科学研究院研究员

天地玄黄，宇宙洪荒。
宇宙起源是20世纪科学家留给21世纪科学家尚待解决的自然界四大起源谜题之一，接下来是物质起源、生命起源和人类起源。
本书气魄宏大，筆触隽永，以极简篇幅，展至大时空；从常识入手，而构成演化、微波背景、标准模型，到前沿领域——由浅入深，循序渐进，启秘阐幽，探源逐流，于宇宙之过往及未来，一览无遗，何其妙哉！
书末附录之电池波谱、扩充空间、宇宙年表、时空关系，言简意赅，余音袅袅。
读毕掩卷深思，本书当可同霍金《时间简史》相媲美，于科普经典中奉为圭臬也。
王渝生
中科院自然科学史所原副所长，中国科技馆原馆长

我们生活的宇宙到底什么样子， 这是所有人都感兴趣的问题 ，特别是青少年。 然而 ，介绍宇宙的书籍往往比较深奥 ，不易看懂 。我惊喜地发现，《极简宇宙史》这本书具有初中文化的人就能读懂。
作者用简明通俗的语言和生动的比喻介绍了宇宙的方方面面 ，包括它的大小、 年龄、 结构和演化， 还包括微波背景辐射、暗物质、宇宙学常数、引力波等多方面的知识。读者 只需用很少的时间就能对我们的宇宙有一个比较全面的、科学的了解 。
赵峥
北京师范大学物理系教授 ，中国引力与相对论天体物理学会前理事长

佩奇的这本书，基本上不用数学公式，尽量避免使用专业的术语，使用了许多浅显和接近日常生活的比喻，语言生动活泼。但是正如他所说的，还是对读者的知识水平和兴趣程度做出了更高的预期，读者如果有一定的知识水平，并且对他的讲解有很大的兴趣，就可以从他的叙述与解说获得更大的收获。
王正行
北京大学物理学院（退休）教授 

宇宙之大，超乎想象；宇宙之奇，匪夷所思。
观测宇宙学大咖莱曼•佩奇所撰 《宇宙小史》，
以简洁优雅的文笔给出了睿智的论证、明晰的解释，
引领我们深入宇宙学前沿领域思考宇宙简单的性质，
探寻宇宙结构形成背后的关联和有可能的神奇模式。
尹传红 
中国科普作家协会副理事长，《科普时报》原总编辑

名符其实的极简宇宙史，以7万字的篇幅讲述宇宙138亿年的演化历程，简明但准确，且有趣生动。
吴国盛
清华大学科学史系教授

《宇宙小史》的作者是WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）的初创者之一，是这个领域的佼佼者。他用很生动的方式讲明白了宇宙学基本知识，介绍了自己的研究，还展望了未来的发展前景，是人们认知宇宙的简明读本。一本小书，门槛不高，又具有延伸空间，值得一读。
朱进
北京天文馆研究员

希望年轻的读者们能通过《宇宙小史》了解我们宇宙的演化历史，树立正确的科学观和宇宙观，甚至将来加入专业研究者的队伍，共同探索宇宙的奥秘。
袁业飞 
中国科学技术大学物理学院天文学系教授

一张图包含宇宙的秘密！不，这不是太极图，而是宇宙微波背景辐射的涨落分布图。从《宇宙小史》书中的一张图就能确定6个参数，从而预测任何宇宙学可观测量。这样的统一、简洁和深刻，令人震撼与感动。
袁岚峰
中国科学技术大学副研究员，“科技袁人”节目主讲

这是一本简明好读的宇宙学小书，全书没出现一个公式，作者用我们身边的事物打比方、举例子，让你一步一步认识宇宙，又能举重若轻地写明白前沿领域的发展。我特别喜欢。
冯仑
御风集团董事长、万通集团创始人

我们的征途是星辰大海，飞向太空从未像今天这样真实和真切，仰望星空，你会发现其实我们还是有那么多的未知。《宇宙小史》就是每个人了解广袤宇宙的简单一小步，这是一本非常特别的小书，让每个人从简明清晰的的信息中快速进阶，认知宇宙。
张昌武
蓝箭航天董事长兼CEO

《宇宙小史》这本小书，用生动形象的语言，为我们把关于宇宙的问题一一解释清楚。作者特别擅长使用比喻，这些比喻精妙、贴切又让人莞尔，把宇宙学中的道理和我们日常生活中的道理联系起来，让我们可以“秒懂”那些本来晦涩抽象的宇宙学知识。作者还特别擅长把宇宙中巨大的数字形象化。宇宙中的数字可真是天文数字，我们对这些数字缺乏直观感受。但是作者用像一辆车的总里程这样的概念，帮我们一步步建立起想象宇宙之大的阶梯。看完这本书，实在让我惊讶，作者是怎么把这么丰富、精彩、深入浅出的内容，塞到这本一百多页的小书里面！
王一 
香港科技大学物理学系 副教授

《宇宙小史》的作者是前沿领域里的佼佼者，书中既有对于宇宙基本概念的介绍，也有对自己研究突破的描写，后的部分，写了一些前沿发展趋势。200多页，由浅入深，引人入胜，想要真正读懂，又需要读者自己的延伸阅读。是一本激发好奇心，把人引到宇宙学门口，又能张望里面异彩纷呈奇观的好书。
陈楸帆
茅盾新人奖、中国科幻小说银河奖、全球华语科幻星云奖、科幻奇幻翻译奖得主 

宏大庞杂的 138 亿年宇宙史被作者以短短 x 万字梳理的清清爽爽，明明白白，这份功力令我相当敬佩。
汪诘
职业科普作家、文津奖得主

我们所处的宇宙年龄有138亿年：为什么是138亿年？宇宙诞生于大爆炸：怎么炸的？宇宙在膨胀：你怎么知道的？宇宙由“看得见”的常规物质，以及“看不见”的暗物质和暗能量构成：凭什么这么说？——以上是每一个充满好奇心的人在阅读天文学，宇宙学读物时都会情不自禁提出的问题，幸运的是，这些问题在这本书里都能找到你听得懂的答案。
吴宝俊
科普作家

通常而言，对宇宙的畅想叙述应该是宏大的。不过，在《宇宙小史》这本书中，作者却是从细节的角度入手，如同抽丝剥茧，从基本的概念来带领我们理解这个宏大的尺度。作者把宇宙学前沿的新发现，与物理学基础的概念结合在一起，用精彩的叙述和恰到好处的配图，帮助我们来了解科学家们是如何探索早期宇宙的性质、宇宙的年龄、大小和几何结构，以及在这段曲折历史中所经历的探索过程。想更深入的了解我们所处的这个宇宙么？那就仔细的读一读这本书吧，相信《宇宙小史》会给你带来更多的思考！
卢瑜
《天文爱好者》杂志  社长

宇宙是什么？从哪里来？要去往哪里？关于宇宙的经典三问，莱曼·佩奇教授如同侦探，以古老的光线——宇宙微波背景辐射为突破口，抽茧剥丝、层层探究，探寻138亿年的宇宙史。
剧透一下，佩奇教授的探案工具箱里没有数学公式、没有专业术语！还犹豫什么？加入佩奇教授的宇宙探案战队吧！
张明伟
中国科学报社副总编

莱曼•佩奇把高深的研究领域讲解得如此通俗易懂并且令人印象深刻，我非常希望向大家介绍这本小而美的宇宙学历史小书，希望《宇宙小史》陪伴你的宇宙学学习的旅程。
周思益（弦论世界）
日本神户大学博士后 科普博主