这是一本关于宇宙起源和演化的科普图书。自古以来，人类就对浩瀚的星空充满了好奇。宇宙如何诞生？星辰如何出现？银河系和地球为什么是现在这样？思考这些问题的同时，人类重新认识了自己在宇宙中的位置，也重新认识了文明的意义。本书以平实易懂的语言、举重若轻的风格，向普通读者介绍宇宙学知识，以及人类观察星辰、探索宇宙的故事。作者以宇宙的时间初始为起点，从大爆炸写到星系的形成、元素的诞生，再写到地球上的生命起源。全书串联了宇宙140亿年演进的关键知识，将一部精彩而宏大的宇宙史娓娓道来。

前言 思考科学的起源和起源的科学
序曲 有史以来最伟大的故事
卷一 宇宙的起源
第一章 开始的开始
第二章 反物质的重要性
第三章 要有光
第四章 要有暗
第五章 要有更多暗
第六章 一个宇宙还是多个宇宙
卷二 星系和宇宙结构的起源
第七章 发现星系
第八章 结构的起源
卷三 恒星的起源
第九章 尘归尘
第十章 元素动物园
卷四 行星的起源
第十一章 行星的青春年代
第十二章 行星之间
第十三章 无数个世界：太阳系外的行星
卷五 生命的起源
第十四章 宇宙中的生命
第十五章 地球生命起源
第十六章 在太阳系中寻找生命
第十七章 在银河系中寻找生命
尾声 在宇宙中寻找我们自己
致谢
术语表

思考科学的起源和起源的科学
科学知识的一些新综合学科正在不断发展壮大。近年
来，天体物理学已经不再是宇宙起源相关问题唯一的答案
来源。随着天体化学、天体生物学、天体粒子物理学等新
兴学科的涌现，天体物理学家发现，学科的交叉与融合能
为他们带来莫大的益处。我们到底从哪里来？要回答这一
问题，我们需要调用多门学科的知识，研究者审视宇宙运
作机制的视角也会因此达到前所未有的广度和深度。
在本书中，我们向读者介绍了这些新的综合学科；由
此，我们不仅讨论了宇宙的起源，还谈到了最大的物质结
构的起源、点亮宇宙的恒星的起源、生命摇篮行星的起源
，以及生命在某颗或多颗行星上的起源。
人类之所以对起源问题特别感兴趣，这背后既有理性
方面的原因，也有情感方面的原因。若是不知道某样东西
的来源，我们很难理解它的本质，而在我们听说过的所有
故事中，那些讲述“我们从哪里来”的故事总能引起我们
最深的共鸣。
演化将自我中心的思考方式刻进了我们的骨头里，再
加上百万年来的地球生活经验，在重述大多数起源故事的
时候，我们自然会特别注意与自己息息相关的事件和现象
。但是，对宇宙的认识越深入，我们就越清楚地发现：我
们生活的星球不过是宇宙中的一粒尘埃。整个宇宙有数百
亿个星系，银河系只是其中之一，我们的地球所围绕运行
的太阳，也只是银河系边缘一颗再普通不过的恒星。我们
在宇宙中的卑微地位激发了人类天性中强烈的防御机制。
很多人不知不觉变成了动画片里的那种角色。他们仰望灿
烂的星空，然后告诉同伴：“当我看着这些星星的时候，
它们的微不足道令我感慨。”
纵观历史，不同的文化各有自己的创世神话。这些故
事解释了宇宙的力量如何塑造我们的命运，这有助于我们
对抗自感卑微的痛苦心理。虽然这些起源故事通常有一个
宏大的开篇，但故事的情节很快就会转移到地面上；宇宙
和宇宙中所有物质的诞生、地球生命的起源等等常被一笔
带过，接下来的长篇大论只讲述人类历史的种种细节和社
会冲突，仿佛整个世界是以我们为中心创造出来的。
几乎所有的创世神话都有一个默认的前提：宇宙的运
行有其基本规则。而这些规则，至少从理论上说，会在我
们对周围世界的审慎观察中显露。古希腊哲学家甚至将这
样的前提升华到了崇高的地步，他们坚称，我们人类有能
力感知自然运作的机制，透过现象看到事物的本质，并从
中提炼出主宰万事万物的基本真理。他们还坚称，揭开这
样的真理非常困难——这倒是可以理解。早在2300年前，
希腊哲学家柏拉图就将求知者比作洞穴里的囚徒，他们看
不到背后的东西，只能靠洞壁上的投影来推测真理的面貌
。这个著名的比喻深刻地反映了人类的无知。
柏拉图的比喻不仅精妙地总结了人类为理解宇宙付出
的努力，还强调了这一点：我们天然容易相信某些能模糊
感觉到的神秘实体在主宰着宇宙，我们最多只能学到一部
分属于它们的知识。从柏拉图到释迦牟尼，从假想的宇宙
创造者到电影《黑客帝国》里的“矩阵”，人们总是深深
相信，宇宙由某种更高级的力量主宰着，真正的主宰者可
以一眼看穿表象，看透万物的本质。
从500年前开始，一种理解自然的新方法渐渐成形。新
技术和新技术带来的发现孕育了新的态度，今天的我们称
之为“科学”。纸质书在欧洲的流通，加上水路和陆路交
通的改善，让人与人的交流和沟通变得更加快捷高效，所
以人们才能以远超往昔的速度学习别人的理论，彼此砥砺
切磋。从16世纪到17世纪，高效的讨论催生了一种获取知
识的新方法，它的核心原则在于，要想最有效地理解宇宙
，首先人们必须仔细观测，然后尝试提出一些基本的通用
理论，试着解释这一系列的观测结果。
另一个概念也促成了科学的诞生。科学依赖于有理有
据的怀疑精神，也就是说，科学总是需要人们有条理地提
出质疑。很少有人愿意质疑自己的结论，所以要鼓励科学
的怀疑精神，我们必须奖励那些敢于质疑他人的人。这种
做法或许有悖人性——不是因为它号召大家质疑别人的想
法，而是因为，只要你能证明另一位科学家的结论错了，
你就能得到鼓励和奖赏。对其他科学家来说，这位纠正了
同行错误的人，或者以严密的理由对同行的结论提出质疑
的人，他做的事情十分高尚，就像禅宗大师用一记耳光唤
醒了在冥想中走火入魔的新手，只不过这些互相纠正的科
学家通常是平等的，这里没有师徒。通过奖赏发现了他人
错误的科学家——人类天性如此，挑别人的错比挑自己的
错简单得多——科学家群体建立了一套能够自我纠正的强
大系统。科学家不会放过证伪同行理论的机会，却也支持
彼此为拓展人类知识所做出的尝试，他们由此创造出了用
于理解自然最有效、最高效的工具。科学因此成为一种共
同追求，然而科学家绝不是一个惺惺相惜、互吹互擂的团
体，他们也不应该是。
和人类发展过程中的所有尝试一样，科学方法在实际
运作中也没有理论上那么顺畅。并不是所有科学家都会充

仅用一本书的体量向普通读者讲解长达140亿年的宇宙史，并普及宇宙学中最深奥也最吸引人的知识。本书文字平实易懂，不乏幽默的段落，与此同时结构紧密，自成体系，引人入胜。
在这本书中，读者看到的不仅仅是天文知识，还有随之而来的思考。在整个宇宙的奇特和壮丽之下，地球如此渺小，日常生活的纷扰不值一提。然而，身在宇宙的一个小小角落里，人类却创造了文明，有了文学和艺术，也有了对自然世界的不懈探索，这也是整个宇宙中最伟大的奇迹。

声名卓著的天体物理学家，令人捧腹的喜剧天才
，这两个标签通常不会出现在同一个人身上，但尼尔
做到了。
——乔恩·斯图尔特，《每日秀》
泰森简直就是一位摇滚ju星，怀着对自然规律的
热爱，他深入浅出地解释了种种概念，从暗物质到僵
尸的荒谬之处，无所不包。
——《大观》

序曲 有史以来最伟大的故事
这个世界业已运转多年，所有动作
早已设定妥当。
从那以后，一切如常运转。
——卢克莱修（Lucretius）
大约140亿年前，在那时间的开端，已知宇宙中所有的空间、物质和能量都挤在针尖大的一个小点里。然后宇宙突然变得灼热滚烫，描述宇宙的基本力开始浮现，那是一种单一的力。宇宙温度高达10的30次方摄氏度，这时候它刚刚诞生了10的-43次方秒。在这样的时刻，我们所有关于物质和空间的理论都失去了意义。在这个统一的力场里，能量激荡，黑洞诞生然后消失，随后再次成形。在这样极端的条件下，根据公认的物理学推论，时间和空间的结构发生了严重的弯曲，时空咕噜噜地形成了多孔的海绵状结构。在这个阶段，谁也分不清哪些现象遵循爱因斯坦的广义相对论（现代引力理论），哪些又符合量子理论（对微观物质的描述）。
随着宇宙继续膨胀冷却，引力开始和其他力分离。又过了没多久，强核力和电弱力分道扬镳，与此同时，海量的能量向外释放，宇宙的体积也因此在极短的时间内膨胀了10的50次方倍。这个被称为“暴胀时期”（epoch of inflation）的阶段抹平了宇宙中的物质和能量，从此以后，宇宙相邻部分的密度差降低到了十万分之一以下。
接下来，宇宙的膨胀进入了经过实验室验证的物理学范畴。宇宙的温度依然很高，足以让光子自发地将能量转化为物质-反物质粒子对，紧接着这样的粒子对又会彼此湮灭，将能量返还给光子。出于某些未知的原因，之前基本力分离的时候，物质和反物质的对称性被“打破”了，结果宇宙中的物质比反物质多出来了一点。这样轻微的不平衡对宇宙未来的演化至关重要：每诞生10亿个反物质粒子，相应地就会出现10亿零1个物质粒子。
随着宇宙进一步冷却，电弱力又分裂成了电磁力和弱核力，我们熟悉的四种基本力就此成型。这一大锅“光子汤”的能量继续降低，现在，光子不能继续自发生成物质-反物质粒子对了，残存的粒子对迅速湮灭，最后留下一个这样的宇宙：每10亿个光子产生1个普通的物质粒子——没有反物质。如果没有这种不平衡的情况，那么持续膨胀的宇宙里除了光以外不会有其他任何东西，更别提什么天体物理学家了。在大约3分钟的时间里，物质粒子变成了质子和中子，大量质子和中子又进一步结合成最简单的原子核。与此同时，自由运动的电子让光子不停地来回散射，创造出一大锅不透明的物质和能量汤。
等到宇宙的温度降低到几千K（开氏度）以下（这还是比鼓风炉热得多），某些运动速度太慢的自由电子开始被流动的原子核捕获，形成氢、氦、锂的完整原子，这是三种最轻的元素。现在宇宙（第一次）变成了透明的，可见光和我们今天观察到的宇宙微波背景辐射（它们也是自由飞翔的光子）开始展露身形。创世之初的10亿年里，宇宙继续膨胀冷却，物质在引力作用下聚集形成星系。仅仅在我们可见的宇宙范围内，就有1000亿个星系聚集成型，每个星系都包含着几千亿颗恒星，热核反应就发生在恒星核内部。如果一颗恒星的质量能达到太阳的10倍左右，那么它的压力和温度就足以达到临界值，恒星核内就会开始生成数十种比氢更重的元素，其中包括组成行星和生命的关键元素。很长一段时间里，这些元素都会被困在恒星内部，无法发挥作用。不过，等到大质量恒星死亡以后，富含各种化学元素的恒星核物质就会通过爆炸散落到整个星系中。
经历了七八十亿年的富集以后，在宇宙某个普通角落（室女座超星系团边缘）的普通星系（银河系）的普通区域（猎户座旋臂）里，一颗普通的恒星（太阳）诞生了。孕育太阳的气团中含有丰富的重元素，足以形成几颗行星、几千颗小行星和几十亿颗彗星。在这个行星系形成的过程中，围绕太阳旋转的“母亲气团”开始分离出一团团密集的物质。几亿年的时光里，彗星和其他碎片常常高速撞击这些岩石行星崎岖的表面，留下沸腾的岩坑。随着太阳系中的自由物质不断减少，行星表面开始冷却，被我们称为地球的行星就这样诞生了，它所在的轨道正好可以允许大气层内存在液态的海洋。如果地球轨道离太阳更近一些，海洋就会被蒸发，而要是地球轨道离太阳再远一些，海洋就会结冰。无论是哪种情况，地球上都不可能演化出我们今天所知的生命。
在化学元素丰富的海洋里，出于某种我们尚不清楚的机制，刚刚出现的简单厌氧菌不知不觉地将地球上富含二氧化碳的大气转化成了氧气含量充足的空气，需氧生物开始形成、演化，最终统治了海洋和陆地。氧原子通常成对组成分子（氧气，O2），不过在上层大气中，它们也会形成包含3个原子的分子（臭氧，O3）；臭氧能保护地球表面免遭紫外线光子的侵扰，这种微粒可能造成分子级的破坏。
生命之所以如此丰富多彩，是因为宇宙中富含碳元素，碳元素能组成的分子多不胜数，其中有简单的也有复杂的；碳基分子的种类比其他所有分子加起来还多。但生命又是脆弱的。地球经常遭到太阳系成形时期残余下来的大块天体的撞击，这本是司空见惯的事情，