人们曾经以为宇宙非常简单。在人类历史的大部分时间里，人们认为大地静止地待在造物主所创造的世界中心，天上的恒星和行星围着它转动。在古代传说中，大地通常是平坦的，而太阳在天上的运动则是神仙的旨意。从公元前15世纪开始，一种对宇宙的新思想在地中海东岸发展起来——这种思想不依赖于神祇，而是将人类带离卡尔·萨根所谓的“鬼神世界”。希腊哲学家开始构建我们看来也许显得原始的宇宙模型，但这些模型具有当时看来“奇怪”的“新功能”：它们仅仅依靠一定的自然法则运行，而无须超自然力量的干预。很多学者认为这一进步标志着科学的发端。

所有这些模型都有两个基本的、不容置疑的预设：一是地球在宇宙的中心静止不动，而其他所有天体——太阳、月亮和行星——都围绕地球转动；第二个假设是天空纯净而永恒，其中的所有物体都沿圆周轨道运动（这个假设是基于这样的认识：圆是最完美的几何形状，因此是适合完美世界的形状）。在这些模型中，恒星和行星镶嵌在固态的水晶天球上，随着天球的转动而行经天空（不巧的是，这让早期的天文学家无法解释彗星是怎么回事，因为它们的轨道会和这些固态球相撞。这也是亚里士多德认为彗星是地球大气层中燃烧着的蒸汽的原因）。最终，这些模型变得非常复杂：嵌入小球壳的行星在更大的球壳中滚动。

考虑到当时像球罩一样的宇宙模型，令人有点意外的是，古人曾经就宇宙在空间上是有限的还是无限的这个问题上做过不少辩论。哲学家阿尔库塔斯（前428-前327）给出了一个有趣的论点：宇宙一定是没有边界的。他认为，假设宇宙有边界，那么一个人就可以走到宇宙的边界，并向外投掷一支矛。这支矛会落到什么地方？其下落的地方将会在边界之外。而无论边界再怎么远，这个“掷矛者”总能找到边界外的一些地方。因此阿尔库塔斯认为，宇宙一定没有边界，一定是无限的。

在阿尔库塔斯之后，很多新思想不断拓展着人类对宇宙的认识，正如阿尔库塔斯的那支矛。事实上，我们将会再遇到三个“掷矛者”，他们一次次地“拓宽”了我们所处的宇宙。

第一个掷矛者

第一个掷矛者是波兰牧师尼古拉斯·哥白尼（1473-1543）。他首先给出了把太阳放在太阳系的中心、让地球和其他行星围绕太阳运转的严肃模型。他在著作《天体运行论》中写道：“人们将会意识到，太阳位于宇宙的中心。根据行星的运行规律，并考虑到整个宇宙的和谐，我们可以得知这一事实。就像谚语所说，只要我们用双眼探寻，就会发现真相。”在哥白尼提出日心说后，人类的宇宙观发生了剧变。地球和人类不再处于万物的中心。人类仅仅是围绕太阳运行的众多天体之一上的居民。在我们整本书中，你会发现所谓的“哥白尼原理”不断出现：人类和我们的地球在宇宙中并无特殊之处。

用哥白尼的观点重新审视世界，宇宙变得如此之大。人类所处的宇宙不再被距地表几公里处悬垂的天空和他们脚下的大地所局限。哥白尼之后的天文学家知道了太阳系远比地球大得多：如果把地球比作是北京故宫的大小，那太阳就会像整个北京的辖区范围那么大，而太阳系靠外侧的行星轨道则会像整个中国那么大。对于几乎毕生生活在城市一角的人们来说，要想象这样的比例尺度，确实是有些挑战。

下图是环球仪示意图：图中地球位于中央，黄道星座环绕在边缘，这是哥白尼之前的时代对宇宙图景的标准描绘。在环球仪周围画着天文学家托勒密和第谷·布拉赫理论的示意图。

第二个掷矛者

第二支矛是德国天文学家弗里德里希·贝塞尔在19世纪初掷出的。他使用制造精良的望远镜，首先测定了邻近恒星的距离——宇宙被再次“扩大”了。如果我们想象把太阳系缩小到一个足球场大小，那离我们最近的恒星就像是几百公里外的城市那么遥远。在19世纪末，天文学家进一步认识到我们的太阳只是银河系这座巨大的恒星之城中一颗很普通的恒星。我们的太阳和太阳系，尽管在我们眼中已经如此巨大，其实在银河系中也只是千亿个恒星和行星系统之一而已。天文学家开始意识到，恒星并非都长得一样，他们开始为所见到的恒星编目造册。他们也注意到天空中的一些昏暗斑块，在当时望远镜不足以看清这些云雾状天体由什么组成的情况下，天文学家将其统称为星云。此时世界已经准备好迎接第三位掷矛者。

第三个掷矛者

他的名字叫爱德文·哈勃，20世纪20年代在加利福尼亚州威尔逊山天文台新建造的望远镜工作的美国人。用这台望远镜，哈勃得以仔细观察那些“星云”，并从中找出单个的恒星。从对这些恒星的观测中，他可以测量到这些“星云”的距离。于是，矛再一次被扔向了远方。他发现，很多“星云”实际上本身就是巨大的“恒星之城”，就像我们的银河系一样。哈勃让我们了解到，宇宙是由所谓的“星系”组成的。实际上这只是哥白尼理念的延伸。地球只是太阳系中的一个行星，太阳只是银河系中的一个恒星，而银河系只是宇宙中千亿个星系的一员。

哈勃不只发现了星系。他还发现，这些星系在离我们远去，也就是说宇宙正在膨胀。这一发现最终发展为我们现今描述宇宙起源的最好图景——“宇宙大爆炸”。这个理论认为，约140亿年前，宇宙起源于极端炽热、极端致密的状态，并一直膨胀和冷却至今。惊人的是，科学家已经发展出了回溯这一过程的可靠模型，甚至可以回溯到大爆炸后仅一秒的时刻。

现在，也许又一个掷矛者正在逼近我们所知宇宙的边界：他或她是谁，我们还不知道。但是，如果现代的某些天文学理论被证明是正确的，也许我们的宇宙将会是众多宇宙的一员——科学家开始将其称为“多重宇宙”。这样的发现无疑将会成为尼古拉斯·哥白尼的终极辩护者，尽管他当时恐怕想象不到这样的进展。

四个宇宙

本书将按照阿尔库塔斯的掷矛者们的顺序展开讲述。让我们把世界看作是一系列嵌套的“宇宙”，每一个似乎都包含了整个世界——直到一名掷矛者出现，引领我们进入下一个“宇宙”。

太阳系

第一个我们最熟悉的“宇宙”，就是我们的太阳系。在望远镜发明之前，只发现了六颗最靠内部的行星，对其大部分科学思考都集中在理解行星如何运动上——实际上，天文学家需要知道行星在哪里。19世纪，科学家的注意力开始转移到行星由什么构成的问题上，这一研究延续至今。我们还已经发现，太阳系比早期科学家们所想象的要复杂得多，从伽利略发现木星的卫星开始，我们意识到太阳系有比几颗行星多得多的东西。地球的卫星月球实际上是一个拥有自己的演化史、独特特征以及未解之谜的新“世界”。甚至冥王星外寒冷黑暗的区域，也有我们未曾想到的结构和复杂性。我们将在本书的第一部分讲述这一新奇的太阳系。

银河系

第二个“宇宙”是银河系。正如在谈及太阳系时科学家们关心行星的位置一样，研究银河系时科学家们也首先着手于这个基本问题：恒星都在哪儿、它们有多亮等等。同样，从19世纪开始，一系列新问题逐渐浮出水面：恒星是由什么组成的？为什么会发光？直到20世纪30年代，核物理学的发展才揭示了恒星的能量来源是核反应，人们才知道恒星并非是永恒的：它们有自己的生命周期，有其发端、发展和结局，正如世间的万事万物。事实上，我们意识到银河系和其他星系都是巨大的恒星工厂，源源不断地将宇宙原初即存在的氢元素转换为构成行星、人类和我们所熟知的世界的其他重元素。在此过程中，我们发现了很多新的、有趣的天体，从黑洞到围绕其他恒星的行星系统。我们还发现银河系以及其他星系中的大部分物质并不是我们所熟悉的构成我们自身的物质，而是一种叫作暗物质的新事物。本书的第二部分将介绍人类是如何探索宇宙中的这些事物的。

宇宙

第三个“宇宙”是我们通常称之为“宇宙”的巨大星系集合。对宇宙的起源和命运的研究已经让科学家们孜孜以求了数十年。我们通过对基本粒子的物理学研究，回溯到了宇宙的起点；通过观测天文学，预言了宇宙的未来。出乎人们意料的是，20世纪90年代以来，天文学家发现宇宙的膨胀非但没有减缓，反而在加速。这一发现让我们意识到，宇宙中最主要的成分其实是我们所不理解的“暗能量”。宇宙的未来取决于暗能量是什么以及其性质是怎样的。在本书的第三部分，我们将探索我们目前所知的宇宙。

最终，我们进入第四个“宇宙”——我们将离开由坚实的数据建构的知识王国，进入理论物理学家们仍在推敲琢磨的世界。一些现代理论认为我们的宇宙只是更为宏大的多重宇宙的一员，探寻这些理论之后，我们将结束这场在宇宙的精彩旅行。