1845年创刊的《科学美国人》杂志是全球科普媒体第一品牌。创刊165年来，读者遍及全球，在20个国家和地区出版发行，18种语言同步传播。迄今为止，已有145位诺贝尔奖获得者为《科学美国人》撰稿，传播科学的理念与思想精华。《环球科学》是获《科学美国人》独家授权的中文版杂志，内容涉及天文、地理、生物、人类、自然、间、医学、电子等科学领域，见证了科学、技术、商贸等领域的最新发展状况。《第一科学视野》丛书精选了《环球科学》杂志近年来的精华内容，并进行重新整理、编排，是社会各界深入了解科技最新发展与前沿动态的绝佳指南。《环球科学》杂志社编著的《宇宙与天体(修订版)》是其中的分册，揭示浩瀚宇宙中的各种小秘密。

《宇宙与天体(修订版)》简介：人类自诞生之日起，就对浩瀚的宇宙充满了敬畏和好奇，在蒙昧无知的古老年代，人类把宇宙看成神灵，而今天，我们可以有遥望宇宙的千里眼，有直径达100米的射电望远镜，甚至可以驾驶着飞船遨游太空。但是，宇宙是如何诞生的？黑洞间歇泉是什么？地球会成为第二颗金星吗？到底有没有外星生命？……越是深入研究宇宙，越是发现有无穷的秘密待我们去揭开，而《环球科学》杂志社编著的这本《宇宙与天体(修订版)》就是科普爱好者揭开这些秘密的首选读物。

追查宇宙前世

宇宙起源研究简史

恒星的艰难诞生

宇宙不是连续的吗

星系池塘中的涟漪

寻找“种子黑洞”

莫须有的黑洞

黑洞间歇泉

多重宇宙存在吗

宇宙暴胀的核心漏洞

暗宇宙里的隐秘生活

暗黑天体扭曲银河

银河系的星际战俘

寻找太阳失散的兄弟姐妹

迎战超级太阳风暴

地球会成为第二颗金星吗

太阳系外的超级地球

奔赴火星

环绕水星

到宇宙之外寻找生命

去土卫二搜寻生命

外星生命就在我们身边

搜寻通古斯天外来客

甲烷：火星与泰坦的生命证据

接触外星人之后

时间箭头的宇宙起源

光谱之王：LAMOST

韦布空间望远镜追寻宇宙第一缕星光

赫罗图：宇宙的“元素周期表”

电火箭畅游外太阳系

宇宙射线星际旅行终结者

太空武器和太空战争

2024登际小行星

宇宙学的末日

圈量子引力论的威力体现在，它有能力考虑时空的流动性。爱因斯坦的伟大之处在于，他认识到时空并非仅仅是一个供宇宙演化这出“大戏”上演的舞台，它本身也在这出“大戏”中扮演着主要角色。时空不仅决定着宇宙中各类天体的运行方式，还主宰着宇宙的演化历程。物质与时空之间的复杂互动也一直在上演。空间本身可以增大和缩小。

圈量子引力论将这一观念延伸到了量子领域。它借鉴了我们对于物质粒子的理解，并套用到时空原子上，把最基本的概念统一起来。举例来说，量子电动力学中的真空意味着不包含光子之类的粒子，在这种真空中每增加一份能量，就会产生一个新的粒子。而在量子引力论中，真空意味着不包含时空——一种让我们简直无法想象的、彻底的虚空。根据圈量子引力论的描述，在这种真空中每增加一份能量，便会产生一个新的时空原子。

时空原子构成了一个致密且不断变动的网格。大尺度上，它们的动态变化让演化中的宇宙遵从经典广义相对论。在正常情况下，我们永远不会注意到这些时空原子的存在：这些网格排布得异常紧密。以至于时空看起来连成一片、没有间断。不过，当时空中充满能量时一如大爆炸发生瞬间，时空的精细结构就会发挥作用，圈量子引力论的预言就会偏离广义相对论的预言。

运用圈量子引力论推导计算是一项极其复杂的任务，因此我和同事们使用了简化模型，只考虑宇宙中最基本的特征(比如大小)。而忽略我们不太感兴趣的其他细节，还不得不借用物理学和宇宙学中的许多标准数学工具。比如，理论物理学家常常用微分方程来描述这个世界，这些方程详细确定了物理量(比如密度)在时空连续体的每一点上的变化率。但当时空不再连续，而是由无数“微粒”聚集而成时，我们就要转而使用所谓的差分方程，它们能将连续体拆分成离散区间加以处理。这样的一个宇宙在成长过程中，大小不再会连续变化，而是沿着一个“尺寸阶梯”拾阶而上，这些差分方程描述的就是宇宙大小的这种“阶梯式”变化过程。1999年，我开始分析圈量子引力论在宇宙学上的应用，当时大多数研究人员预言，这些差分方程得出的结果只不过是经典理论微分方程计算结果的简单重复。不过，意想不到的结果很快就出现了。

引力通常表现为一种吸引力。一团物质倾向于在自身重力作用下坍缩。如果它的质量足够大，引力就会压倒其他所有力量，将这团物质压缩成一个奇点，比如黑洞中心的奇点。但圈量子引力论提出，时空原子结构会在能量密度极高的情况下改变引力的本性，使它表现为斥力。

将空间想象成一块海绵，把质量和能量想象成水。疏松多孔的海绵可以蓄水，但容量有效。一旦吸满了水，海绵就无法再吸收更多的水，反倒会向外排水。与此类似，原子化的量子空间疏松多孔，能够容纳的能量也是有限的。如果能量密度过大，排斥力就会发挥作用。广义相对论中的连续空间则完全相反，可以容纳无穷多的能量。

量子引力改变了受力平衡，奇点便不可能形成，密度无穷大的状态不可能达到。按照这一模型，早期宇宙中物质密度极高但并非无穷，相当于每个质子的体积内挤压了一万亿颗太阳。在如此极端的环境中，引力表现为排斥力，导致空间膨胀；随着密度的降低，引力重新变成我们所熟悉的吸引力。惯性使宇宙膨胀一直维持至今。

事实上，表现为排斥力的引力会导致空间加速膨胀。宇宙学观测似乎要求宇宙极早期存在这样一段加速膨胀时期，称为宇宙暴涨(cosmic inflation)。随着宇宙的膨胀，驱动暴涨的力量逐渐消失。加速一旦终止，过剩的能量便转化为普通物质，开始填满整个宇宙——这一过程被称为宇宙“再加热”(reheating)。在目前的主流宇宙学模型中，暴涨是为了迎合观测而特别增加进来的；而在圈量子引力宇宙学中，暴涨是时空原子本性的自然结果。在宇宙很小、时空的疏松多孔性仍然相当显著的时候，加速膨胀便会自然而然地发生。

宇宙学家曾经认为，宇宙的历史最多追溯到大爆炸，大爆炸奇点界定了时间的开端。然而，在圈量子引力宇宙学中，奇点并不存在，时间也就没有了开端，宇宙的历史或许可以进一步向前追溯。其他物理学家也得出了类似的结论，不过只有极少数模型能够完全消除奇点；大多数模型，包括那些根据弦论建立起来的模型，都必须对奇点处可能发生了什么做出人为假设。相反，圈量子引力论能够探查“奇点”处发生的物理过程。建立在圈量子引力论基础上的模型，尽管确实经过了简化，但仍然是从一般性原理中发展起来的，能够避免引用新的人为假设。

使用这些差分方程，我们可以尝试重建大爆炸前的宇宙历史。一种可能的情景是，大爆炸之初的高密度状态，是大爆炸前的宇宙在引力作用下坍缩形成的。当密度增长到足够高，使引力表现为排斥力时，宇宙便开始再度膨胀。宇宙学家将这一过程称为反弹。

P8-9