大家都喜欢看星星吧？尤其是在一个晴朗凉爽的夏夜，当你仰望满天的繁星时，心里在想什么？
你有没有想过我们生活的宇宙，这个看似无边无际的巨大空空间是什么？怎么来的？我们是一种什么样的存在？
其实古代的人一直在思考这些问题:古印度人认为宇宙是大象驮着的半球，大象站在一只巨大的乌龟上；
古埃及人认为宇宙就像一个巨大的房子，黑色的天花板由山峰撑起，星星像灯一样悬挂在世界的穹顶上，我们都是这个大房子里的小住户。
中国古人是怎么想的？老子的弟子文子是这样描述我们的宇宙的:从古至今，称为宇宙，四面八方称为宇宙。那是什么意思？宇宙是空，宇宙是时间，宇宙是时间和空的复合。
在上面的描述中，我们中国人对宇宙的理解是最深的。现代科学表明，宇宙正如文子所说，是一个既有空又有时间的复合物。宇宙到底是怎么来的，里面有什么，估计文子也不知道。
为了回答这些问题，我今天在路上看的这本好书《极简宇宙史》，从宏观到微观，一点一滴地探索宇宙的本质。
1.穿越宇宙尽头的旅程
我们的宇宙之旅始于我们脚下的星球——地球。地球位于太阳系，围绕一颗名为“太阳”的恒星旋转。每跑一圈需要一年。
因为自转的轨道是椭圆形的，一年中地球与太阳的距离有些不同，到达地球的太阳辐射量也不同，造成了四季。从冬天到春天，地球上的生命每天都在不断进化。
离我们不远处，有一颗更小的恒星，“月亮”围绕着地球转。它是一颗半径不到地球三分之一的卫星，是一个荒凉的世界，没有水，没有生命，没有茂盛的植被。
月亮是从哪里来的？大约四十亿年前，地球诞生后不久，发生了一场“车祸”，与另一颗行星相撞，被强行扯下一大块，最终形成了月球。
与寒冷的月球不同，地球的能源太阳则是另一番景象。
这个距离我们1.5亿公里的巨大星球，就像一个巨大的燃烧炉。炉子里的燃料就是我们常说的核能。在太阳中心1600多万摄氏度的高温下，氢原子和氦原子不断融合产生更重的物质，同时释放出巨大的能量。在这个过程中，向外膨胀的能量与向内压缩的重力相平衡，这样太阳就能保持一个固定的大小。
然而，总有一天，这个大火炉会耗尽燃料。那时太阳会向内坍缩，变得更紧，直到核聚变再次发生。然而，这种融合并不在核心，而是更靠近太阳表面。能量的向外膨胀力会超过引力，使得太阳的体积不断膨胀，最后砰的一声，爆炸成无数的星尘。
如果当时人类还生活在地球上，就会被巨大的能量瞬间蒸发。科学家预测这将在50亿年后发生。
如果太阳真的爆炸，不仅是地球，其他围绕太阳旋转的七大行星也会毁灭。如果我们想避免这场灾难，恐怕我们必须逃得更远。我们要去哪里？至少离开太阳系。
出了太阳系，我们来到了银河系。银河系是一个非常庞大的星系群，里面有3000亿颗恒星，我们赖以生存的大火炉“太阳”只是其中不起眼的一颗。至于地球，它就像海滩上的一粒小小的沙子。而如此庞大的星系只是宇宙的一小部分。
那么，宇宙有多大？假设你有长生不老的能力，乘坐无限燃料的宇宙飞船，从地球向一个方向飞去，希望到达宇宙的尽头。实现这个目标需要多长时间？答案是138亿光年。
一路上，你会先飞出银河系，遇到我们的邻居仙女座。事实上，银河系和仙女座互相绕着对方旋转，越来越近。继续往外飞，你会遇到无数个大小与银河系相似的星系，它们相互交织，形成巨大的星系团。你还会看到黑洞和超新星，一个接一个。这个时候，你已经离地球100亿光年了。
突然，眼前的景象开始变得不一样了。眼前的星系越来越薄，恒星越来越少。再往前，似乎没有光。你正在飞行，突然砰的一声，飞船好像撞到了墙上。那时候你已经飞行了138亿光年。
经过长途跋涉，你终于到达了宇宙的尽头——确切地说，是我们可以观测到的宇宙的尽头。这堵连光都无法穿透的墙，被科学家称为“临界最终散射面”。
其实，在这堵墙之外，还有更大的世界等着你去探索。但是现在，我们先来说说这堵墙。
2.膨胀的宇宙
就像我们刚才说的，到达宇宙尽头需要138亿光年。在这个可见宇宙的边缘，是一堵连光都无法穿过的“墙”。不难看出，光与宇宙密切相关。是的，光是我们观察宇宙的重要工具。
从宇宙射向地球的每一束光都携带着大量的信息。在人类无法到达的星际空间空，光就像我们的眼睛。通过对光线的分析，我们可以推测它在一路到达地球的过程中与什么东西发生了相互作用，从而了解我们的眼睛难以到达的宇宙深处正在发生什么。
众所周知，光携带着巨大的能量。这些能量对原子周围的电子特别有吸引力。光在穿越宇宙的过程中，会与各种物质相互作用，这些物质的电子会从光中“窃取”一些能量。当尘埃到达地球时，它的能量已经被洗劫一空。
但是每个原子的电子都是很专一的，只喜欢某一种能量，也就是某一种颜色的光。所以，通过对比分析光里缺了什么能量，就可以知道是哪些原子抢走了，也就是从光源里分出了什么物质。这种方法被称为光谱分析。
这样，如果我们观察遥远的星系，我们就可以知道它们是由什么组成的。然而，很快，天文学家发现了一个问题:恒星发出的光确实缺乏一些能量，但它们与我们所知道的元素不匹配。在地球上，喜欢蓝光的元素在另一个星系似乎更喜欢绿色；但本来我更喜欢绿色元素，似乎更爱黄色。也就是说，光谱中的所有颜色都在向红光的末端移动。
为什么会这样？如果光源本身没有变化，元素也没有变化，那么问题只能发生在一个环节:在光的传播过程中，通过的介质发生了变化。比如说，有点像给吉他调音。当你绷紧琴弦时，弹出的音调会更高。相反，如果你放松琴弦，音调会变低。
同样，光谱向能量较低的红色移动，相当于降低了光的“音调”，换句话说，宇宙的“弦”放松了。这是什么意思？宇宙不是静止的，而是在变大，也就是说，宇宙在膨胀。
那么，这种扩张是从什么时候开始的呢？138亿年前。
现在大家应该知道你的星舰为什么会撞上宇宙尽头的一堵不透明的墙了吧？因为在宇宙早期，物质非常稠密，光无法前进。直到138亿年前，宇宙经历了一次大爆炸，开始膨胀变得松散，使得光可以穿过，到达宇宙的各个地方。所以，这堵墙外的地方，是宇宙黑暗时代的遗迹，是光线达不到的地方。
虽然宇宙在膨胀，但行星之间仍然相互吸引。这种重力从何而来？
3.从引力到广义相对论
我们在谈论宇宙的时候，首先要达成一个共识，这个宇宙中存在着一系列的规律，可以用来预测宇宙中任何星球上一切事物的变化。否则，人类迄今对宇宙的探索毫无意义。
虽然我们承认规律的存在，但这并不意味着存在一个放之四海而皆准的理论。在物理学中，任何理论都有一定的适用范围，就连被称为“万有引力”的定律也不例外。在过去的几百年里，牛顿从苹果落地开始的理论一直被视为力学领域的最高法典，天文学家也深信不疑。直到有一天，科学家在测量水星的轨道时，发现它和牛顿公式计算出来的轨道并不完全一样，角度只是差了一点点。
这是怎么发生的？这个小误差是怎么来的？直到1727年牛顿去世，他也没有找到答案。直到188年后，一个名不见经传的公务员提出了一个奇怪的新观点，他就是爱因斯坦。
爱因斯坦指出，牛顿力学的局限性在于，它不能用来解释有质量物体的运动规律。它可以用来研究大象、蓝鲸甚至山脉和岩石，但如果研究的对象有一整个星球那么大，牛顿定律就不再适用了。
为什么？核心原因在于重力。
在牛顿创造的“经典力学”的世界里，物质因其质量而相互吸引，引力随质量和距离而变化。至于为什么会这样，牛顿也没有说清楚。相反，在爱因斯坦的理论中，他清楚地表明了引力是如何起作用的。
爱因斯坦认为我们的时间空就像一张绷紧的橡胶膜。在上面放一个大质量的物体会导致薄膜下垂。凹陷越多，重力越大。在宇宙的橡皮膜上，行星和恒星就像质量不同的球体。大球造成的凹陷会改变小球的轨迹，使其更靠近自己，大球也会以同样的方式被更大的球“俘获”。
在这样一个颠簸的宇宙中，每一颗行星都会受到各种时间空弯曲的影响，最终在一个平衡的地方开始往复运动，这就是行星的“轨道”。这个揭示引力本质的理论就是著名的“广义相对论”。
大家都了解了我们的宇宙空，站在宇宙尽头的那堵墙，以及万有引力的工作方式。什么这么近？那是宇宙的另一个重要元素:时间。
4.体验接近光速的时间空
我们已经知道宇宙正在膨胀。当然，在这个世界上，并不是只有宇宙在不断变化发展。你看，我们每个人都从咿呀学语的婴儿成长为今天的我们。这个过程中消耗了什么？当然，答案是——时间。
你可能认为不管其他事物如何变化，时间永远是永恒的。然而事实上，即使是时间也不是静止的。为什么这么说？
有一个古老的神话说，“天上一天，地上一年”。那么在现实世界中，有可能改变时间的流速吗？
很简单，只要你能加快自己的速度。
根据爱因斯坦的预言，时间不是以同样的速度流逝的，而是与物体之间的相对速度有关。根据两个物体之间的相对速度，可以计算出它们之间的时间差。这个理论被称为“狭义相对论”。物体移动得越快，时间过得越慢。
如果你能以光速99.995%的速度运动，那么你的6个月就相当于地球上其他人的50多年。
也就是说，在极限速度下，时间会变慢。科学家称这种现象为“时间膨胀”。运动速度越快，时间膨胀越明显。但是，速度不仅随时间变化，还随空变化。狭义相对论还有一个推论:当时间膨胀时，长度会收缩。这是什么意思？
假设你真的登上了接近光速的飞船，踏上了泰泰空之旅。你兴高采烈地把飞船加速到光速的99.995%，奔向遥远的星球。突然，你发现一个令人震惊的现象:你和目的地的距离好像一下子缩短了很多，遥远的星系突然变得近了很多。
这不是很奇怪吗？你左顾右盼，试图在Tai 空中找到一个参照物，你发现你的周围并没有什么变化，只是你前进方向的距离缩短了。然后尝试另一个方向，于是你转动方向盘，驶向另一个星球。飞船开始加速后，你发现新的目的地越来越近，而以前的目的地却显得那么遥远。这时，你看了一眼飞船上的计数器，发现了一个惊人的巧合:你与目的地的距离缩短了你的时间比地球时间慢的倍数。
为什么会这样？原来是因为这个规律:任何有质量的物体都不能达到光速。
如果我们的飞船在太空中以87%的光速空，也就是每秒26万公里的速度行驶。此时，我们的一秒相当于地球的两秒。如果地球上有人观测飞船，他会看到我们移动了52万公里，这是我们实际行进距离的两倍。结果对于我们来说，飞船一秒钟走了52万公里，显然超过了每秒30万公里的光速。
摄影师@尼莫图！
当然，自然规律不会允许这样的速度存在。我们做什么呢只有缩短我们的距离感。结果地球人看到的一公里，在我们眼里变成了半公里。这样，不管是谁在看，都不会有物体的速度超过光速。
虽然都说光速不可超越，但是我们有没有办法达到光速呢？
5.你能走快点吗？
接近光速移动时，时间会变慢，距离会缩短。很好奇，你可能会问，我们还能继续加速到光速吗？
当我们回到飞船时，你猛踩油门，引擎轰鸣，但仪表盘上的速度指示器没有变化。这时，你灵机一动，想到了一个好主意。在你离开之前，你放一个苹果在你的口袋里。是时候让它发挥作用了。
你想，如果飞船非常接近光速，给苹果一点加速度就能超越光速。于是你拿出苹果，用力向前扔。你满怀期待地望着前方，却发现苹果还粘在手上，无论你怎么努力，都扔不出去。
如果说苹果真的有什么变化的话，那就是它们变得越来越重。不只是苹果，你也越来越重。飞船无论怎么加大马力，都达不到光速，但质量越来越大。没错，这就是著名的爱因斯坦质能方程e=mc2。
在经历了“时间膨胀”和“距离缩短”之后，我们终于遇到了极限速度运动的第三种不可思议的效果。速度越快，质量越大。
在这个宇宙中，只有无质量的物体，比如光子，才能达到光速。所以很遗憾，无论我们怎么努力，都不可能达到光速，这也意味着我们的时间总是不多了。但是光不一样。在它的参照系中，时间是静止的。
也就是说，来自远古时代的一束光与现代的光并无不同，来自数十亿光年之外的恒星的光在穿过空时照在我们身上，不会被时间侵入。现在，你知道为什么我们能从光里读出这么多信息了。
编辑|梁山
排版|梁山
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