本书讲述了很多关于宇宙进化的重要课题——从宇宙的形成到物

质；从银河系、星系、重物质到太阳、地球；从生命、复杂的生命到

社会。它传递了关于这些领域很多有价值的信息，同时也为我们显示

了简单的系统是如何转变成为更加复杂的系统的。

《宇宙简史》还提供了一个震撼的视角：在这里你可以看到不同的变化是如何通过难以想象的空间和时间跨度，以及通过需要和机遇的结合演化生成银河系、星系、地球以及我们人类自身。

我们周围的一切——空气、陆地、海洋和星星——是如何起源的？物质的有序性、结构、组成来源于哪里？这些问题正是埃里克·简森(经典著作《宇宙的黎明》的作者)所研究的科学范围，是他在辉煌的迷人的宇宙探索中提出的问题。在介绍关于宇宙起源新的发现和一些有争议的理论时，简森提供了一种富有创造性和综合性的方式。他带领我们走过了宇宙进化中的7个时代——从没有固定形状的射线时代到人类文明的起源。在这个历程里，他把宇宙进化中最微观以及最宏观的方面展示出来，也包括了它们之间最复杂的相互作用。

利用最近在天文物理学和生物化学研究方面的突破，简森论述了当代科学的观点：所有的物体之间是有着内在联系的一一从夸克、类星到微生物以及人类的精神。所有的自然科学领域的研究者开始透过物体的结构来确认它们之间内在的联系——从一种震撼的、包容的视角来研究宇宙中物体的组成、结构和功能。

前言

序章 宇宙学概论

第一章 粒子时代转瞬即逝的简单体

第二章 星系时代物质结构的层级

第三章 恒星时代锻造元素的熔炉

第四章 行星时代生命的栖息地

第五章 化学物质时代物质加能量

第六章 生物学时代复杂性持续

第七章 文化时代从智力到技术

后记 一个全新的时代

探索整个宇宙需要开阔的思维，而宇宙学的思想，则是最为开阔的思想。宇宙学是研究宇宙的结构、进化及归宿的学科——这里所说的宇宙，即所有已知或假设的，曾经出现、现在存在或即将到来的物体和现象的总和。在这里，我们试图要获得的是对于宇宙整体特征的把握：即宇宙中的物质和能量，宇宙的大小和范畴，可能还涉及宇宙的起源和命运。

我们在探索有关宇宙的问题时，总能获得广阔的视角，这是很自然的。和整个广袤的宇宙相比，包含其中的较小的事物，如行星和恒星——在某种程度上，甚至星系也一样——都显得渺小。对于宇宙学家来说，行星几乎不值一提，恒星只不过是一些点状的氢气吸收源，星系也不过是整个宇宙大环境中的细枝末节。在永恒面前，时间的重要性也大打折扣。和宇宙中发生的所有变化相比，人类领域内发生的变化是微不足道的。在宇宙这个大框架里，100的时间跨度根本不算什么，百万年的流逝也不过是在眨眼之间；相比宇宙演变的全部时间长度，10亿年也仅仅是微小的一段。

为了更好地领会宇宙学的奥妙，我们必须打开视角，拓宽思维，将整个宇宙及永恒装于脑海中。现在，正是需要我们进行广阔思维的时候。

在这起始阶段，我必须提醒大家：我们将经常性地用到几千、几百万、几十亿、甚至几兆这样的数字。这些数字不仅庞大，它们之间的差别也是非常巨大的，比如，1000这个数字我们都很熟悉，假如每秒数一个数的话，要数到1000只需花费大约15分钟；相比之下，以同样的速度每天数上16个小时(剩下8小时作为休息时间)，要数到100万居然需要两个多礼拜；若要以同样的速度数到10亿，则需要花费大约50年的时间，想想这个概念吧：一个人若要数到10亿，几乎需要数一辈子！

在这里，我们的思维将经常穿越几百万年、几十亿年的时间跨度；还将探讨由成百上千兆的原子、甚至由成百上千兆的星球组成的物体。因此，我们必须适应这些极为庞大的数目、极度宽广的空间范围以及巨大的时间跨度。尤其需要记住，100万比1 000要大得多，而10亿，则要大得多得多。

***

从地球上观察宇宙时，我们可以看到许许多多、形形色色的物体和现象：有五颜六色闪烁着的气态星云团，有不停释放能量的爆炸恒星，还有在太空深处旋转着的强大星系。在看不见月亮的漆黑夜晚，通过天文望远镜，你将能看到一幅由各种天体组成的壮丽的天文建筑图——它们就像一颗颗镶嵌在夜空中的宝石。这些天体不仅仅是极富艺术性和美感的杰作，它们中的每一个都是光的集合，正是这些光线为我们照亮了宇宙的许多方面。对于宇宙进化主义者来说，恒星、行星、星云、新星、星系，以及其他所有的天体都具有重要的意义，它们能帮助我们确定人类在整个宇宙中所处的地位。在本书随后的几章里，我们将讨论人类的智慧在宇宙中所处的位置，但是在本章中，我们会把重点放在宇宙学家们所提出的几个大问题上。

光只是射线的一种——即所谓的人眼能够感知的那种射线。当光线进入我们眼中时，角膜和晶状体会将光线聚焦在视网膜上，这时，进入眼中的光线将引发一些微小的化学反应，这些反应转变成电信号，对大脑产生刺激，于是人便能感知到光的存在。和光有所不同的是，无线电波、红外线、超声波以及×光及伽马射线等等都是肉眼不可见的射线。但是，任何射线都是一种能量，这一物理特性决定了射线的易变性；射线同时也是一种信息——一种最为原始的，从一个点传达到另一个点的信息，例如，从某颗恒星传达到我们的眼中。只有依靠这些单向传递的信息流，我们才能有希望去探索宇宙深处的奥秘。

天体物理学家们总是通过研究天体所发出的射线来获取有关这些天体的信息，我们之所以把这门学科叫做“天体物理学”，是因为它是以物理学作为研究射线的基础。如今，这门学科的重点在于“物理学”，“天体”只不过是个前缀。倘若没有扎实的物理学功底，任何一名天文学家恐怕都很难有所建树。曾经，在那些罗曼蒂克的夜晚，天文学家们通过长长的望远镜望向夜空，惊叹着眼中的景象，发现了许多天文学的基础现象，但这样的年代已经一去不返了，随之成为历史的还有那一本本厚厚的名称目录和一沓沓的曝光影像盘。今天的天体物理学家们想要了解的不仅仅是天体的位置、明亮度或者颜色，和从前的传统天文学相比，当代天文学已经具备了相当多的应用物理学特征。

推动天体物理学家们进行研究的最大动力，是对于自然运转规律的探寻。我们不仅想了解人眼可见范围之外的事物，以及宇宙在“不可见”范围内的状态——事实上，大部分的射线都属于这个范围——我们还想知道宇宙中那无数的天体是如何形成的，它们具体的运行方式是怎样，物质与射线是如何相互作用的，我们尤其想要了解的是，所有已知宇宙系统之间那无止境的变化是如何在能量的引导下发生的。我们所探究的问题，已经渐渐地由“是什么？”变成了更有深度的“怎么样？”。

在某种程度上，人类社会赋予了天文学家和天体物理学家们观察宇宙的、任务。我们的任务是要弄清楚宇宙中存在哪些物质，并且弄清楚存在于地球之外的一切物质的状态及本质；同样地，“宇宙生物学”是要探明宇宙中存在哪些生命，尽管到目前为止，地球是唯一被证实有生命存在的星球。和数据充分的现代宇宙物理学迥然不同的是，宇宙生物学在现阶段还没有任何数据。但如果有一天，我们在地球之外的地方发现了生命的存在，那么，我们的研究重点将会转变为宇宙背景下的生物学研究。

值得注意的是，宇宙科学家和大部分科学家之间存在本质上的不同，后者是在位于地球上的实验室内，对地球上的物质进行研究，而前者研究的是距离地球十分遥远的，陌生的物质。在地球上，科学家们可以对其所做的实验加以控制，这有助于他们发现有关地球上物质的更多的特征。他们可以清楚地对研究的对象进行控制，或是对用以研究的实验仪器进行调试。例如，当科学家发现一种新的矿砂时，可以在实验室里通过对一系列不同种类的矿砂进行取样，比较它们的体积、形状及组成，来确定这种新矿砂的特征。此外，他们还可以通过各种方法来对这种矿砂进行研究——可以对它进行超高温加热或超低温冷冻，甚至可以将它置于不同强度的电场或磁场当中；还可以像地理学家常做的那样，用锤子敲敲它。通过观察矿砂对各种不同环境的反应，研究者们便可以充分地了解其性质。总之，在地球上进行实验时，我们可以有意地对实验的媒介进行各种控制，来推进对某种地球物质的研究进程。

可是对那些远离地球的物质，哪怕利用当代文明中最为先进的工具，我们也无法对其进行控制。远离地球的外太空环境是无法由我们控制或操纵的，在大部分情况下，天文学家们都是在和触摸不着的射线打交道——这些由宇宙天体放射出的射线偶尔能被人眼观察到或是被地球上的仪器检测到，它们是一种信号，在由遥远天体传播到不可见的茫茫宇宙深处时，能被暂时地捕捉到。P1-P4

在意识启蒙之初，我们的祖先，无论男女，便都认识到了两种事物的存在——一是他们自身，二是他们周围的环境。他们开始思考自己究竟是谁、来自何处。他们还渴望了解夜空中那点点的星光、四周的植物、动物、空气、陆地和海洋，并且开始思索自身的来源和归宿。但是在几千年前，这些基本的思考都被摆在了次要的位置，因为当时最为重要的谜团似乎已被解开，答案是：地球是整个宇宙的恒久不变的中心。毕竟，太阳、月亮以及所有恒星看起来的确都是在围绕着地球运转。在所知有限的情况下，人们便会很自然地认为自身和自身的家园具有特殊的地位。从这种“中心感”当中，他们能获得一种安全、至少是满足的感觉——人们相信，宇宙的起源、发展以及命运是由某种超越自然的事物所控制的。

我们的祖先做了许多深入、细致的思考，但是他们所做的也仅限于此。那个时期是逻辑思考的巅峰时期，而经验实证的地位则要低得多。不过，他们所做的努力，依旧启动了神话、宗教、哲学领域的发展。直到几百年前，地球中心论的地位及人们对超自然力的信仰终于有了些许动摇。在文艺复兴时期，人们开始带着更具批判性的眼光来看待自身及宇宙，并且意识到，单单就自然中的问题进行思考是不够的，他们还需要对自然做出观察。于是，实验成为人们探寻过程中的中心环节。任何观点都必须在经过实验测试，得到数据证实后，才能被视为有效；而那些未能得到实验证明的观点则会遭到淘汰。“科学方法”由此诞生——它是有史以来，促进自然科学发展的最为有力的工具，而现代科学时代也在此时拉开了序幕。

今天，科学方法已然成为全世界所有自然科学家手中的工具。一般来说，科学方法包括以下步骤：首先，对研究对象进行观察，搜集数据；接着提出观点，对数据进行解释；最后通过客观实验来证明该观点是否正确。已被实验证实的观点在经过筛选、收集之后，将会被传播出去；而那些未能得到实验证实的观点则被淘汰——这有点类似于本书将提到的那些演化过程中的事件。就这样，通过对各种观点的不断选择和修改，科学家们才得以将真理和谬误区分开来，我们也才得以汲取到更为准确的、对现实世界的描述。当然，这并不是说科学一定可以揭示出真理——无论这真理是什么——科学只是帮助我们一步步地接近真理。

尽管我们一直强调客观性，但在某些情况下，客观性却阻碍了现代科学的发展。因为，科学工作者通常都具有强烈的热情和个人价值感，但是，在长时间的反复观察中，客观性会渐渐地凸现出来，并将控制我们，最终使得结论完全不为任何实验者、机构或任何一种文化的观点所影响。正如理性的调查方法能够帮助我们描述自然现象一样，科学方法能够帮助我们达到一个对于宇宙的本质、内容及运转的较为客观的共识。

今天的我们仍旧在循着先辈们的路径向前探索，也仍旧在问着同样基本的问题：我们究竟是谁？我们从何而来？万事万物又从何而来？所幸，在现代科技的惠泽下，今天的探询工作有了许多精妙的工具，我们可以借助天文望远镜来更好地观察恒星和星系构成的宏观宇宙，可以通过显微镜来看清细胞和分子组成的微观世界，还能够利用离子加速器来探索原子核及夸克构成的次原子领域。有了无人驾驶的宇航船，我们便能采集到从地球上无法观察到的信息；有了功能强大的计算机，我们便能有条不紊地处理庞大的数据流、有待确认的观点以及各种科学实验。

……

令人欣慰的是，我在《宇宙开端》一书中所提出的“变化无处不在”的观点至今并没有发生多少改变。要说有什么改变，那就是如今的宇宙演变学受到了非平衡热动力学的极大推动，这是一门前沿性学科，描述能量流在开放的复杂结构内的运动——这些复杂结构可能是星系、恒星、行星或生命。可以肯定地说，我们在二十多年前搭建的那个骨架上增添了不少新鲜肌肉。  为了使本书趋于完美，我们做了大量的修改、更新、和扩充工作。在保留原著的讨论范畴、时间顺序以及通俗易懂的文字风格的前提下，我做了如下改动：

·完全删除了原书中讨论科学理论的部分，用最新的理论代替它们，通过最新的科学发现，来更好地解释宇宙演变历程。

·解释重要观点时，在原书中铅笔草图的基础上，增加了两百多张照片，以便为这些观点提供更多客观证据。

·重新组织了原书中讨论化学及生物演变的部分，扩大了这些部分的篇幅，并加入了最新的科学发现。

·增加了关键词索引，以帮助读者更好地探索这一范围广、跨学科、涉及多个科学领域的学科。

为了本书中所探讨的宇宙演变历程清晰易读，我没有引用当下任何专家的观点，若是引用现阶段在该领域进行研究的学者们的观点，本书一直强调的概念清晰度将受到影响。毕竟，比起通过引用各位学者的观点来增加本书的权威性，描绘出本学科的总体结构更为重要。我们姑且可以说，本书中的所有叙述，是建立在人类各个科学领域的科学家们获得的成果上的，这些成果为我横跨各个领域撰写本书提供了很大的帮助。

许多同仁曾给予我帮助，让我得以对本书主要的论题形成更好的看法，并且搜集到更多有关宇宙演变的细节材料。他们中间有几位甚至影响到了我以何种方式教授、写作、研究这一概括性极高的学科。我尤其要感谢乔治·菲尔德教授及已故的哈洛·沙普莱教授，他们都是哈佛大学天文台的主任——我要感谢菲尔德教授在25年前，在我的职业生涯开始时，邀请我一同研究这门跨学科的科目；我要感谢沙普莱教授在半个多世纪之前，富有启发性地开辟了一条跨学科教学及研究的道路(即他所说的宇宙图像学)。我还要感谢我的妻子罗拉，是她徒手绘制了本书中的所有插图，将艺术都引入深思的美感与科学的精确性完美地结合在一起。需要感谢的还有迈克尔·哈斯克尔、罗宾·史密斯、弗雷德·斯皮尔以及一位不知名的修改者，他写出了一份详细的读书笔记，改进了本书的内容及写作风格。特别需要感谢的，是上一批选择了我的宇宙演变课程的将近4000名学生，他们坚持着该学科的唯一前提——永远保持好奇心，让我在思考这一新世纪的主要世界观并形成自己的创见时受益匪浅。

宇宙进化的剧情是由人类来讲述的，它是一个漫长、壮观的故事，一部包含着讲述者本人的进化史诗，它被分成7个主要的时代，但是这样一个长篇的故事并不是刻在某山顶的石板上，传递到人类手中的，而是在科学研究者们不断的探索当中渐渐露出眉目的，这个故事在今天已经变得颇为明了，但是随着我们对宇宙的了解不断增多，它必然会不断地被修改完善。

我们是宇宙的孩子，这并不是什么新鲜的观点，它也许与最早的智人对自身存在的思考一样古老，而贯穿宇宙进化史的变化观也算不上新鲜想法，它一直潜伏在各个时代中，当然也贯穿了我们排列在时间轴上的各个宇宙进化阶段。变化永不消失、永不间断的观点——正是这种变化带来了万事万物的产生——在几千年前就已经存在于人类的头脑中。

随着我们步入新世纪，我们如今可以开始科学地明确一些主要的天文学和生物化学问题，事实上，这些问题也是一些变化，通过它们我们便能更好地理解宇宙作为万物之源的身份。我们的科学研究方法其实具有学科交叉的性质，它几乎同时涉及了各所大学里能够找到的所有课程。同时——这一点也是非常重要的——我们已经可以利用实验或观察证据来证明本书中所描绘的许多事件，当然，这场漫长的宇宙进化史还将不断继续下去。

宇宙进化史是一种总结性的假设，它试图将或大或小、或远或近、处于过去和现在的一切统统集合起来，成为一个统一的整体。虽然其中存在一些非同寻常的细节，但是，关于万物存在的总思想框架，包括从射线到物质到生命的复杂性升高过程，都是合理易懂的。

让我们再次将视野放到最大，来看一看宇宙的总体面貌。在宇宙的最早时期当中，射线主宰着物质。在射线时代，强烈的光线是至高无上的统治者。那时的任何物质都是以四处分散的基本粒子的形式存在的，这些粒子被淹没在由刺眼射线组成的海洋当中。大量的放射能使得宇宙成为一个巨大明亮的火球，在这个火球当中，没有原子、恒星以及任何其他具有规则结构的物质。

随着宇宙不断扩张，它的温度和密度都自然地下降着。由射线转化而成的物质开始渐渐地聚合形成原子，最后变成一团团的原子群。宇宙诞生几千个世纪之后，物质开始结合，这是一场极为重要的变化。随着具有规则结构的物质渐渐占据主导地位，宇宙也完成了它历史上的第一次重大过渡。这场变革意义深远，是宇宙进化图景中不可或缺的一部分。

物质时代开始之后，物质便开始主宰着射线，此时，即便在射线依旧存在时，物质也控制着宇宙中的大部分事件。从此之后，物质便一直控制着射线，依次成功地形成了星系、恒星、行星和生命。这些无数的结构进化的方式、它们是如何由不断变化的环境中所发生的偶然波动引起的，都不是什么神秘莫测的问题，因为，我们已经差不多了解了这些过程。

没有什么能够停下时间的脚步，宇宙的进化历程正是沿着时间的流逝而展开的。时间在140亿年前在一场巨大的爆炸中产生，而宇宙的不断扩张则是时间的主要特征，时间是永远处于运动中的——它是一个新柏拉图式的推动者，它决定了万物的秩序、塑造了万物的形状、赋予了自然复杂性，最起码对于那些处于宇宙中的某处，正不断地朝着无规律状态发展的系统来说是这样。我们可以从已有的数据看到，一段内容丰富的自然历史正在渐渐地揭开面纱。

……

本书中讲述的是一段整体性极高的宇宙历史，处于任何一种文化当中的人都可以理解并接受的一段历史——这段历史从大爆炸一直说到人类本身，描述了不断旋转的壮观星系和明亮耀眼的恒星，描述了嗡嗡作响的蜜蜂和红木树，描述了一个正渐渐意识到自身存在的宇宙。同时，它也是一个有关人类自身的故事——有关人的起源、人的存在以及人的命运。

在这个过程中，有感知的生命发现了一种意义，发现了他们与宇宙进化之间的联系，发现了潜藏在宇宙进化当中的动力。这些生命体已经意识到，如今组成世界的这些物质都来自无数恒星的诞生和死亡。我们自身也是由诞生在许多代恒星内核中的元素组成的，这许多代的恒星经历了长达几十亿年的漫长进化——而这种进化仅仅是靠宇宙的不断扩张来推动的。除此之外，我们已经拥有了足够的智慧，来思考赋予我们生命的无数物质和变化，我们所发现的结果便是，我们不仅仅是宇宙中的产物，不仅仅是宇宙中的一种生命形式。我们是宇宙的一个组成因素——是一些有生命和文化的，能够研究自身的宇宙产物。

宇宙的进化并不枯燥，也决不恐怖，它是一个温和、包容的过程，在它的邀请下，我们享用着我们的宇宙馈赠，以便更加充分地利用我们人类的潜能，去更加深入地探索更多的自然奥秘，以启发处于广袤无序的宇宙中，位于地球上的人类本身。

只要人类继续去寻求新的知识，只要人类有足够的智慧继续生存下去，最重要的，只要人类一直保持好奇心，那么很可能人类有一天可以进化到足够控制物质的地步，就好像早期宇宙中物质可以主宰射线那样。确实是这样，宇宙中某些地方的密度并不仅仅是由物质和能量决定的，同时也是由出现在那里的生命决定的。如果在地球之外的星球上存在生命体的话，那么我们将与我们的星系邻居一起，获得对宇宙中大部分能源的控制权，将这些能源化为己用，以确保我们种族的延绵不绝。

随着我们迈入新千年，这段自成一体的连贯的宇宙进化史——一部壮丽辉煌的史诗——将把地球上所有的公民都装载进去，让他们也参与其中，去书写一段全新的传奇，而不仅仅是扮演着看客的角色。也许，人类确实正在变得更有智慧、更有道德、更加人性化i也许，人类正在走向一场道德进化，这场道德进化是否属于必然发生的事件，这一点颇受争议，但是它能够帮助我们去应对将要在时间轴上遇到的各种挑战。

“我们是卵石的弟兄，云朵的表亲。”

——哈洛·夏普利，20世纪美国天文学家

本书讲述了很多关于宇宙进化的重要课题——从宇宙的形成到物质；从银河系、星系、重物质到太阳、地球；从生命、复杂的生命到社会。它传递了关于这些领域很多有价值的信息，同时也为我们显示了简单的系统是如何转变成为更加复杂的系统的。

——尼尔·康门斯

缅因州大学

《一个严重的错误：关于宇宙里真正的自然的误解》一书的作者

这是一种把所有的事物放在进化范畴内的综合方法。简森清晰地描述了科学方法是如何发挥作用的。不仅如此，简森通过苏格拉底式的方式解释在宇宙进化中的大量的概念和经验观察。他也通过这种问答式的方式清楚地讲述了在这一领域很多未解之谜现在已经研究到了哪一步。

——保罗·鲁奎因

华盛顿州立大学

《生命和宇宙的起源》一书的作者