“这是个人的一小步，却是人类的一大步。”

—阿姆斯特朗（美国宇航员）

少年时35| 恒星大家族

我们对宇宙最初的认识就是从恒星开始的;他们点亮了夜空，他们组合成了星座，他们被赋予动人的神话故事。

恒星也是宇宙中最具活力的成员。从诞生、成熟、长大到走向戏剧性的死亡，这些巨大的、炙热的星体炼制着宇宙中我们所能见到的几乎所有常规物质(有别于暗物质和暗能量)。通过对恒星的研究，我们可以看到宇宙物质如何从氢开始，从轻元素到重元素的一步步衍生。现在，就让我们一起跟踪恒星的一生，看看宇宙中最典型的一种创造和毁灭的“轮回”。

少年时81｜火星往返

在火星上为人类建立另一个地球，这是科 学技术发展的必然，还是人类的必须?

曾经有人做过一个估算，要将四个宇航员 送到火星，“单程票”的票价约为 120 亿美 元。我们知道，地球上有很多亟待解决的问题，例如对抗癌症和饥饿，那我们为什么还要花那么多钱把人送到那个冰冷的、没有氧气的星球 呢?原因之一是：人类的存在危机。

相对于地球 45 亿年的年龄，人类几百万 年的历史是极其短暂的，但是就算以百万年的 时间跨度持续繁衍，仍面临着极大的存在危机。

从宇宙的视角看，地球只是一个微小的空间， 生活在距今 1.65 亿年前的恐龙，就是因为一颗 直径仅为 10 千米的小行星撞击地球而灭绝的。

马斯克这么说：“人类应该成为一个多行 星的物种。”也就是说，要让人类以自我维持 的方式在多个行星上生存。如果地球消失了，另一个星球上的人类仍将有能力生存并且繁荣发展。做到这一点，至少需要 100 万人类居民 在那里自给自足的生活。

对于现时的科学技术发展，太空开发也是 最好的选择。科学技术史表明，很多造福人类 的技术发明都是在极限情境下发生的，太空开 发就是这样的情境。哈勃太空望远镜用于提取模糊照片的算法，被用于探测乳腺癌的 X 射线 图像处理;新型人工心脏的微型辅助泵采用了 航天燃料泵的原理;我们每天在家里使用的水 过滤系统利用了为太空研发的水过滤技术……

当然，外星移民的第一站就是火星，这个 我们将会在这一本书里解释。下一个目标是环 绕木星和土星的岩质卫星。人类还将成为多星 系物种，散播到银河系其他适合生存的恒星系中……无论如何，将人类送到火星上，做短期的 科研，然后让他们安全地返回地球，将是人类 太空殖民漫长路程要走的第一步。这本书讲的 就是这“第一步”的故事。

少年时93 走出银河系：21世纪的星系宇宙学

宇宙中没有大陆，只有岛;星系就是宇 宙中的岛。可观测宇宙中有多达 2 万亿个星 系，它们聚集成群、成团，被暗能量推动着，奔向更开阔的未来。

回头看看星系，它本身就是一个巨大的存在。比如我们的银河系，占据了直径约 20 万光年的空间，包含约 2 千亿颗恒星， 还有黑洞、恒星遗骸、星际气体等，加上还 没有被我们的仪器直接观测到的巨大的暗物 质晕，构成了一个自我约束的引力系统。

不过直到一百年前，人类还没有认识到 这个美丽的螺旋的存在，也没意识到天宇中 的一小片朦胧的星云，就是另一个巨大的“银 河”。直到 20 世纪中叶，银河系的旋涡结 构才被确定，而对于星系的实质性的研究， 也是最近几十年来的事情。

人类对星系认知的飞跃，得益于天文观 测仪器的进步和理论的深入。多波段观测、 大规模巡天、从空间探测器上观测，加上对 宇宙学、暗物质、黑洞等理论研究，让我们 得以从距离、形状、大小、物质密度、元素 组成、运动速度等，全方位地研究星系，得 以沿着光的时间线回溯，看到挣脱束缚的宇 宙第一束光，看到 100 多亿年前第一代恒星 如何从尘埃中诞生，看到星系如何在暗物质 中孕育……

星系向我们展示了宇宙中的物质是如何 大规模组织的。为了了解宇宙的性质和历史，科学家研究了物质是如何组织的，以及在整 个宇宙时间内该组织是如何变化的。在寻求 这种理解的过程中，科学家研究了物质在多 个尺度上的分布和行为，从观察物质在亚原 子粒子水平上的构造方式到跨越宇宙的星系 和暗物质的巨大结构，每个尺度都为我们提 供了宇宙是如何构建和演化的重要线索……

走出银河系，人类的宇宙探索走入一个 新纪元。

少年时114 宇宙的拼图:宇宙学标准模型探秘

我们的宇宙诞生于大爆炸。从那一点开始，有了我们的时间，到现在已经有138亿年了；有了空间，我们不知道这个空间有多大，但是我们所能看见的这一小片，直径已经有930亿光年。近一百多年来，科学家一直致力于用一个最简洁的框架来描绘我们的宇宙。

这么大跨度的时间和空间，科学家是如何研究的呢？首先，科学研究要基于两个假设：一是无论在宇宙哪个地方，物质的存在形式应该是大致相同的；二是人类在地球上发现的物理规律，无论在宇宙哪个地方，都应该适用。

1916年，爱因斯坦提出广义相对论。这个理论的场方程描述了物质和能量如何影响时空的曲率，以及这种曲率如何决定物体的运动路径，从而形成了一个自洽的系统。科学家从广义相对论中提取出一套认知空间的方式，并用它描述宇宙组分如何汇聚在一起，形成当今宇宙的理论。

在此以后，天文观测领域也有了几个里程碑式的发现。一是1929年哈勃发现宇宙正不断膨胀；二是1965年彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景，这是早期宇宙留给我们研究的“化石”；三是1998年天文学家通过研究Ia型超新星，发现宇宙在加速膨胀。

在这些基础上，科学家建立了若干的宇宙模型，而“ΛCDM”就是现阶段主流科学界所公认的比较成熟的模型。

通过ΛCDM宇宙模型这个框架，我们可以理解宇宙的历史和演化，从大爆炸开始，经历暴胀、物质与辐射的统治，到现今由暗能量主导的加速膨胀阶段；我们可以了解宇宙的构成—大约5%的原子物质，68%的暗物质和27%的暗能量；我们可以解释星系、星系团以及更大尺度结构的形成和分布，这是通过暗物质的引力作用促进普通物质聚集并形成天体来实现的……

科学家认为，21世纪的宇宙学研究已进入精确宇宙学时代。

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