创世的秘密

天之高兮，既未有名。

厚地之庳兮，亦未赋之以名。

始有潝虚，是其所出。

漠母彻墨，皆由孳生。

大浸一体，混然和同。

无纬萧以结庐，无沼泽之可睹。

于时众神，渺焉无形。

——《创世史诗》［埃努马·埃里什，巴比伦著名的创世史诗。

我们宇宙起源的秘密藏身于宇宙尘埃和辐射的迷雾之中，埋藏在我们行走的大地之下，隐匿于我们每天看到的、感觉到的、触摸到的那些物体的深层结构之中。就像钻石那美丽但又无法穿透的闪亮钻面，创世的每一个方面都让我们可以一瞥那绝妙的，但又像谜一样的统一性。拥有智慧的人类渴望将之层层剥开，寻找到藏于所有事物之中的真理核心。宇宙是由什么组成的？那些影响我们宇宙的力是些什么？宇宙是怎样创造出来的？

古希腊的哲学家们对于是什么构建了最微小的物体给出了相互矛盾的解释。公元前5世纪，原子论的创立者留基伯和德谟克利特提出，物质可以被分离直至最基本的组成单元。他们想象这些最小的不可破碎的单元（或称为“原子”）具有不同的大小和形状，就像是各种各样来自异国的鹅卵石和贝壳。

恩培窦可里斯则提出了另外一种观点，他认为所有物质都是四种基本元素火、水、气和土的混合物。亚里士多德对其作了补充，认为还有一种第五元素：虚空。2000多年来，人们一直认为这些经典元素构成了组成万物的单元，直至科学实验促使欧洲倾向于实证的自然观。

在罗伯特·玻意耳（1627～1691）的名著《怀疑的化学家》里，他证明了用火、气、土和水实际上无法制造出地球上特定类型的东西。他为“元素”重新下了定义，这种定义应该基于那些可以组成任何物质的最简单的组分。他认为化学家可以识别出这些基本成分，其途径是把物质粉碎成最基本的成分，而不是依赖哲学思考。玻意耳敏锐的洞察力激励了实验家们用各种各样的方法去发现那些真正的化学元素——我们所熟悉的氢、氧、碳、氮、硫等等（排列无特别次序）。当今天的孩子们在把各种液体、粉末放入他们的化学仪器中混合起来，引起冒泡泡的反应，调制出五颜六色、有味道、黏糊糊的副产品的时候，他们应该感谢玻意耳。

玻意耳是一个狂热的原子论者，同时也是一位一丝不苟的实验家。他拒绝接受任何仅基于信念的假说。他设计出一个巧妙的实验来验证物质是由他称之为微粒的小粒子以及它们之间的空隙组成的：取一根弯曲的玻璃试管，一端封闭，另一端开口（与空气相通）；在开口端灌入水银，这样在玻璃试管中就封闭了一些空气；逐渐加入水银，压强增加，空气的体积越来越小；然后再小心地将水银抽出来。他发现那些封闭在管子中的气体以反比于其压强的方式膨胀（这一关系现在被称为玻意耳定律）。他推论，这种情况只有当空气是由微小的组分组成的，同时这些组分之间存在间隙时才会发生。

曼彻斯特的化学家约翰·道尔顿是一个非常认真的年轻的教友会教徒，他主要研究不同的物质如何相互作用并组合到一起。这些研究使得他深刻认识到每一种化学元素都是由具有不同特性的原子组成的。事实上，道尔顿是在现代意义下使用“原子”这个词的第一人：即携带了化学元素性质的最小组成部分。

道尔顿开发出了一种巧妙的图示速记法来描述不同的原子是如何结合起来的。他用中间带有不同标记的圆圈来标志每种元素。例如氢就用一个点，钠（他称之为“苏打”）就用两条竖线，银则用字母“s”。道尔顿一共找出了20种元素，现在我们知道有92种自然元素以及至少25种人工产生的元素。通过把那些圆圈符号摆成不同的模式，他表明了水和二氧化碳这样的化合物是可以由氢、氧、碳这样的“乐高模块”搭建而成。他证明了各种元素总是以固定比例来组成特定物质的，并称之为倍比定律。

道尔顿还尝试着用原子间的相对重量来表征各种元素。尽管他的很多估算都不准确，他的这些努力还是导致了一些用简单的算术来理解化学的方法。1808年，苏格兰化学家托马斯·汤姆生用包括锶和钾在内的几种不同元素合成出了草酸和各种盐。通过称量这些盐，他发现那些比例对应于所使用元素的不同分量。汤姆生在他的著作《化学系统》中发表了这些结果，这也使得道尔顿的理论得到了科学界的广泛认可。

道尔顿的理论无法做到的事情是预言新的元素。以原子的相对重量来排列原子不能提供足够多的信息，也不能使得科学家推论出其他存在的原子。这就像一位母亲带着她的三个儿子到一个新学校注册时，仅登记了他们的名字和年龄。由于并没有说明有关家庭状况的其他事情，于是教师无法判断她是否还有其他更大、或更小、或差不多大的孩子。

实际上，元素家族的确比道尔顿总结出来的大得多。到19世纪中叶已知的元素数量已增至三倍，达到了60个。令人奇怪的是，其中一些原子特性相同，甚至于重量非常不同的原子也会这样。例如，钠和钾尽管由于重量不同而区分开来，但它们和其他物质反应时的方式却是类似的。

在19世纪60年代后期，俄国化学家季米特里·门捷列夫决定写一本有关化学技术发展水平的课本。为了刻画原子理论的巨大进展，他加入了一张图表来专门描述当时已知的所有元素，图表中元素按重量次序排列。出于一个大胆的创新，他把元素们列成表格形式，其中每一列都是具有相似性质的元素。通过这样的做法，他认为元素们可以被归为不同的模式。在这个现在称为周期表的表格中有一些地方是空白的，这意味着他预言了一些以后会被发现的元素。他的这种做法绝对是正确的，就像玩数独游戏，他的表格中所有的空白最后都被填上了。

直到几十年后量子力学诞生了，科学家们才真正认识到了门捷列夫的发现的全部意义。周期表中的模式揭示了德谟克利特的术语“原子”真的是误称，原子实际上是可以被“打破”的。每个原子都是一个独立的世界，这个世界遵守那些取代了牛顿力学的规律。类似于君主制中的继承规则，这些规律规定了不同原子态的层次结构。就像很多王国中长子具有比次子优先的继承权，由于量子规则的限制，某些类型的元素会在周期表中出现在其他元素的前面。

有时候人们会用太阳系来类比原子。尽管这样的类比过于简单——例如太阳系并不遵守量子规则。但它们有两个重要的相似性：它们都有位于中心的物体，即太阳和被称为原子核的物质；它们都被与物体之间距离平方成反比的力所控制。“平方反比率”意味着，当物体间的距离加倍时，它们之间的力减少为四分之一；如果它们之间的距离变成三倍，则它们之间的力减弱到九分之一；等等。物理学家发现平方反比率在形成稳定系统时是完美的，就像一个设计得很好的电子狗环，它允许狗在房子周围溜达，但不准跑远。

当玻意耳、道尔顿、门捷列夫这些科学家集中精力探索构成我们世界的组分时，另外一些科学家却在尝试描述和理解那些看不见的力。这些力控制了物体之间的相互作用和转换。艾萨克·牛顿爵士出生于1642年的圣诞日，他在寻找自然的行为模式及其动力学基本规则方面有着出众的天赋。牛顿的力学定律使得物理学从各种观测的凌乱笔记变成具有空前预言能力的系统化经典工作。它们描述了力（推力和拉力）是如何影响万物的运行轨迹的。

如果用位置和速度来描述一组物体并且给出作用在它们上面的所有力，牛顿定律就可以明确地给出下一刻它们会发生什么。当不受力或者受力完全平衡时，不动的物体会保持静止，而运动的物体将会继续以不变的速度沿直线运动，这种状态称为惯性状态。另一方面，如果一个物体上的受力是不平衡的，那么它就会按一个正比于力的比率加速运动。一个物体在一个净力影响下加速的程度定义了一个被称为质量的物理性质。一个物体质量越大，在给定力的作用下改变它的运动就越困难。例如，在所有其他因素都相同的情况下，一辆拖车对于一辆巨大的18轮大货车的作用要比对于一辆时髦的微型小轿车的作用要小得多。

牛顿的一项杰出工作是他发现了引力是一种普适力，任何具有质量的物体之间都有吸引力。月亮、空间站以及野餐桌上被小蚂蚁搬走的面包屑都被地球所吸引。物体的质量越大，它们受到的引力也越大。因而质量在物理上有两个作用：标志引力强度以及决定受力之后的加速度。由于质量起到了两种作用，在决定重力作用下产生加速度的方程中它正好被抵消掉了。因此在重力作用下物体的加速度与它们的质量无关。一头会游泳的大象和一只老鼠比赛高台跳水的话，如果不是由于周围有空气在快速移动，它们会同时落入游泳池中。引力加速度不依赖于质量这一事实，使得引力处于不同于自然界中其他力的地位。

引力的概念提供了一种至少在宇宙尺度下由小物体搭建大物体的方法。拿些零散的慢速运动的物体，等足够长的时间让引力把它们都捕获住。假设它们没有被更强的排斥力推开的话，它们会趋于挤到一起。吸引提供了一种自然方法，用微小的构件来搭建物体。因此牛顿认同原子论者的观点也不是奇怪的事情，他们认为所有的物质，甚至包括光，都是由极小的微粒构成的。

在他的光学论文里，牛顿写道：“对我来说，可能上帝在开始造物时，就先做成实心的、有质量的、坚硬的、不可进入的、可以运动的粒子。它们的大小、形状以及其他一些性质，还有空间上的比例都是为了有助于创造它们而这样设计的。这些原始粒子是实心的，与任何由它们组成的多孔物质相比都硬得不可比拟，甚至是不可打碎、永不磨损的，没有任何普通的力量可以分割上帝在创世最初制造的物质。”

牛顿相信上帝塑造了原子，这反映出他内心深处所持有的对于创世中神性作用的宗教观点。他相信需要有一个不朽的存在来设计一个机械的宇宙，推动它运动，并不时地加以调整。他的例子与虔诚的玻意耳一致，表明原子论与宗教是兼容的。

正如牛顿所证明的，太阳系是由引力支配的。引力在天文尺度下是重要的，但对于在小尺度上把原子聚集在一起这样的事情来说，引力实在是太弱了。使得原子稳定地聚集在一起的力被称为静电力，它是电磁相互作用的一部分。引力依赖于质量，静电力却作用于那些具有一种称为电荷性质的物体上。

18世纪美国著名的政治家本杰明·富兰克林是第一个用正电、负电概念来表示电荷性质的人。受到富兰克林和牛顿的影响，英国自然哲学家约瑟夫·普利斯特里提出静电力类似万有引力，也遵守平方反比定律，只是用电荷代替了质量。万有引力总是把物体聚集到一起，而静电力既可能是吸引力，也可能是排斥力：异种电荷相互吸引，同种电荷相互排斥。这些猜想在18世纪80年代被法国物理学家查尔斯·奥古斯丁·库仑极好地证实了。库仑的名字被用来命名描述静电力的定律。

类似静电力，磁性是另一种既可以吸引也可以排斥的力，磁铁的南、北极与正、负电荷类似。古代人非常熟悉磁铁或者天然磁石。他们知道将这样的物质悬挂在空中，它会自然地沿着地球的南北方向排列。“磁性”这个词语来源于天然磁石的希腊语，就像“电”这个词干来源于琥珀的希腊语，因为琥珀是很容易带电的物质。

在牛顿的力学模型中想象有一种看不见的杆子连接着相距很远的物体。就像在教堂的一楼角落处一个男孩通过拉动一根细绳来敲响塔楼里的钟，我们称这一概念为远程作用。从某个角度说，这算是德谟克利特的原子在绝对虚空中运动这一概念的扩展。通过某种方式，两个物体影响了对方，但却没有什么东西在它们之间来传递相互作用。

英国物理学家迈克尔·法拉第发现远程作用的观念不是很直观的。他提出了电场和磁场的概念，认为电场和磁场是使得静电力和磁场力穿越空间的中介物。我们可以把场想象成某种充满空间的海洋。在电场中放入一个电荷或者在磁场中放入一个磁极就像一艘邮轮搅乱了它周围的水，并干扰了其航线上其他船只的航路。当你驾驶一艘皮划艇离开加利福尼亚海岸后，如果你发现皮划艇突然开始来回摇摆，你不会对看到有一艘船带着波浪开了过来感到惊讶。类似地，当一个电荷或者磁极感觉到一个力，这是由于其他电荷或磁极对电场或磁场产生的综合效应。

当一个小孩子在一间用电灯泡照明的房间里玩一个条形磁铁的时候，她可能不会想到这两个现象之间有什么关系。但是丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特、法拉第和其他19世纪的研究人员，通过实验发现电效应和磁效应可以相互产生。例如，奥斯特发现，如果在附近放上指南针，在快速拨动电路开关时，它的磁针就会发生偏转。反过来，法拉第证明，在导线附近来回晃动条形磁铁会在导线中产生电流（运动的电荷），这一现象称为感应。因此一个非常聪明的小孩实际上是可以用他自己的条形磁铁、导线和灯泡来照亮他的游戏室的。

杰出的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦找到了将所有电现象和磁现象统一成一个理论的数学体系。麦克斯韦1831年生于苏格兰的爱丁堡。他在庄园长大，非常喜爱自然。他喜欢沿着泥泞的小河岸，顺着蜿蜒的路线散步。长大后他成为伦敦大学国王学院的教授，那时他对于从源头展开来的电场线和磁感线轨迹很感兴趣。

1861年，因为确信电和磁可以通过相同的方程组来解释，麦克斯韦综合了那时所有已知的它们之间的相互作用。库仑定律用电场的方式给出了电荷如何产生电场力。由法国物理学家安德烈·玛丽·安培给出的另一个定律（基于奥斯特的发现），解释了电流是如何产生磁场的。法拉第定律说明变化的磁场感应出电场，同时另一个结果表明变化的电场可以生成磁场。麦克斯韦把这些定律组合起来，在安培定律中加入了一个修正项，然后求解了完整的方程组，最后就写出来有着广泛影响的论文“论物理力线”。

麦克斯韦方程组的解表明，只要有电荷振动，比如说电荷在天线里跑来跑去，它们就会产生一边变化一边在空间中传播的相互垂直的电场和磁场。也就是说，如果电场在竖直方向上变化，那么磁场就在水平方向上变化。这个结果就是所谓的从波源向外辐射的电磁波，就像向池塘中扔块石头所产生的涟漪。

电磁辐射可以类比为男女交替排列的“排排舞”。舞者相间在垂直方向上做不同的摆手动作。假设第一个舞者是位男士，他上下挥舞他的手。每当他后面的女士注意到他的胳膊落下来，她就左右摆动她的手。接下来，跟着她的动作，她后面的男士也上下挥舞手，等等。如此这样，手的交替动作就像波一样从前排向后传。类似地，通过相间的电和磁的“手势”，电磁波从源头开始流向空间。

麦克斯韦对于电磁波速度的计算是他的发现中最神奇的一个地方。他算出波速在理论上正好等于光速，这使他大胆地提出电磁波就是光。一个自古以来就在探索的奥秘最终被揭示出来了——光不是一种特别的元素（古典的观点认为是“火”），而是由运动电荷产生的辐射效应。

直到19世纪最后几年，在科学里我们只知道可见光：由可见光谱构成的五颜六色的彩虹。每一种纯色对应于特定波长和频率的电磁波。波长是电磁振荡的波浪上相邻峰之间的距离。频率是每秒钟内波峰穿越空间特定点的数目——就如某人站在特快列车站台上数一秒钟内开过去多少节车厢。由于光在没有物质的地方总是以相同的速度——也就是麦克斯韦方程所定出来的速度——运动，因此它的波长和频率是互成反比的。红色是具有最长的波长和最低的频率的颜色——就像巨大的货运车厢经过站台的时候会用比较长的时间。相反地，紫色是具有最短的波长和最高的频率的颜色——类比于极小的守车（火车的车务员专用车）呼啸而过。

可见的彩虹仅仅由全部电磁波谱中的一小部分组成。英国天文学家威廉姆·赫胥尔因发现了天王星而出名。他在1800年测量了不同颜色的温度，惊奇地发现在红色光谱之外还存在着不可见的区域，那段区域可以让温度计产生明显的变化。他所测量的可见光之外的低频光现在被称为红外辐射。

第二年，在了解了赫胥尔的实验之后，德国物理学家约翰·雷特尔决定研究一下紫外的光谱区域。他发现了那个区域的不可见光会使化学物质氯化银产生显著的反应，后来把这段区域称为紫外辐射。

接下来发现的电磁辐射类型是无线电波。在19世纪80年代后期，受到麦克斯韦理论的启发，德国物理学家海因里希·赫兹建造了哑铃型的发射器，它可以产生频率低于红外辐射的电磁波。放置在附近的接收器接收到了电磁波并发出了火花。通过测量电压和波的其他性质，赫兹证明了它们就是看不见的光，也因此证实了麦克斯韦的假设。

在1895年，已知光谱得到了进一步的扩展。德国物理学家威尔姆·伦琴发现，装在玻璃管里并再用黑纸板做的盒子包裹住的线圈，能产生一种高频辐射。这种不可见的辐射穿透了玻璃管和盒子，使得超过一码以外的涂有化学试剂的纸板发出了光。由于它具有穿透能力，于是就称之为X射线。X射线在影像方面非常有用，但它并不是频率最高的光。这一荣誉属于伽玛射线，它是由法国物理学家保罗·维拉德在X射线发现大约5年之后才发现的。这补足了全部已知的电磁波谱。

由麦克斯韦方程所描述的光的图像与牛顿的微粒图像一点也不像。相反，它把电磁辐射和诸如地震震动、海浪和声音这样的波动现象联系起来。这些波都涉及到某种介质物质中的振荡。于是这自然就出现一个问题：光的介质是什么？光可以在绝对真空中传播吗？

在19世纪，许多物理学家都相信，有一种叫做以太的稀薄物质充满了整个空间，而以太恰好担任了光振动的介质。这个假设的一个预言是，在相对以太风的不同方向上测量光速会得到不同的结果。1887年，由美国学者阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷完成的著名实验发现，在各个方向上光速都是相同的，这证明了以太假设是错误的。但是由于电磁波与物质波之间显著的类似性，让科学界接受光可以在完全的真空中运动还是非常困难的。

光速在真空中的不变性导致了一个严重的问题。年轻的阿尔伯特·爱因斯坦思考了这样一个场景：如果某人和光波以相同的速度运动，那么将会发生什么？光看上去会停下来，就像一只鹿在一辆汽车的前照灯下呆掉了吗？换句话说，在这种情况下测量得到的光速是零吗？这样的结果正是牛顿力学所预言的，因为如果两个物体以相同的速度运动，它们会认为对方没有动。然而麦克斯韦方程并没有提供观察者的速度。在无法消除的电和磁波动的作用下，光速总是保持相同的大小。爱因斯坦携着他年轻的创造力，将大量精力投入解决这个表观上的矛盾之中。

爱因斯坦的狭义相对论于1905年发表，这篇文章澄清了其中的奥秘。他修正了牛顿力学，添加了额外的系数，使得当旅行者在以近光速运动的时候，时间间隔变长了而空间距离却变小了。这两个系数一个是时间膨胀，另一个是长度收缩，它们使得对于所有观察者来说测量到的光速都是相同的。奇怪的是，时间的流逝和长度的测量取决于观测者运动得有多快。但这就是爱因斯坦要使得麦克斯韦方程与关于运动的物理相协调所必须付出的代价。

爱因斯坦发现由于重新定义了距离、时间和速度，他还得修改牛顿物理学中的其他性质。例如，他将质量的概念扩展为相对质量和静止质量的组合。静止质量是物体所固有的物质的量，只有在增加或减少物质的时候才会改变，而相对质量依赖于物体的速度。物体从静止开始运动，最初为静止质量；随着速度越来越快，它的相对质量也越来越大。爱因斯坦发现一个物体的总能量等于它的相对质量乘以光速的平方。这一著名的方程E=mc2说明了在特定的情况下质量和能量可以相互转化，就像冰变成水。

还有另外一个问题需要爱因斯坦传奇般的智慧，这就是光的能量是只依赖于它的亮度还是与它的频率有关。波的传统理论认为，波的能量与它们振荡的幅度大小有关，振动幅度大的波比振动幅度小的波携带更多的能量。例如越用力敲打鼓面会产生越强的振动，从而发出更响、能量更大的声音。就如响度表示了声音的强度，它是波的幅度的函数，亮度则刻画了光的强度，同样也应该与波的幅度相关。

能够吸收全部光线的物体称为黑体。加热一个黑体盒子（如包裹了黑纸的盒子），它就像任何热的物体一样，开始发出辐射。如果假设它的辐射就是所有容许频率的电磁波的组合，并且尝试找出每个频率实际产生的数量，一个问题就出现了。就像在一个纸盒里可以塞入比没折叠的餐巾纸更多的折叠了的餐巾纸一样，比长波长振动种类更多的短波长振动可以共存于一个盒子。因此利用波的经典模型计算可以预言，短波模式的大军会夺取大部分可利用能量，而长波振动只占据了很小的一部分。其结果是从盒子里发出的辐射将偏向于短波长高频率波，比如说紫外及更外的。这个预言称为紫外灾难，当然它并不是实际发生的情况，否则如果你加热一个食物盒，而它恰好有一个黑色的涂层，把它放在餐桌上，它就开始像日光浴床那样发出紫外线、有害的X射线，甚至于致命的伽玛射线。显然地把光假设成和经典波完全一样就是灾难之源！

1900年，德国科学家马克斯·普朗克找到了神秘的黑体辐射的数学解释。光的经典理论认为光所携带的能量正比于它的亮度，与之不同的是，普朗克假设光的能量是分立成一份一份传递的，每一份携带有正比于光的频率的能量。这些能量包被称为“quanta”（“量子quantum”的复数形式，“包”的希腊语）。现在称相应的比例常数为普朗克常数。通过把能量导入低频的办法，普朗克提出的方案消除了紫外灾难。

五年之后，爱因斯坦对一种叫做光电效应的现象给出了一个引人瞩目的解释，在其中他结合了量子的想法。光电效应是指用光照射金属，使之释放电子（带负电的粒子）的过程。爱因斯坦证明了光将能量以分立的量子形式传递给电子。换句话说，光既有粒子性又有波动性。他的解决方案是通向物质和能量的完整量子理论的雏鸟之步。由于他关于狭义相对论、质能等价、光电效应的论文都是在1905年发表的，1905年称为爱因斯坦的“奇迹年”也就不足为奇了。

之后不久，俄裔德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基用很不寻常的方式重写了狭义相对论。作为长、宽、高三维空间的补充，他将时间称为第四维，这样做会将爱因斯坦的理论用简单得多的形式表达出来。消除了时间和空间的差别，闵可夫斯基宣布四维“时空”诞生了。

不久爱因斯坦就认识到时空是用来描绘引力的新理论的绝好画布。尽管他认同牛顿理论的成功，但爱因斯坦希望构建一个基于时空几何本身的纯局域解释。利用引力加速度不依赖于质量这一性质，他构想出称为等效原理的观点。这一原理说明，自由下落的物体和静止物体没有物理上的差别。从这一认识出发，他找到了一种将时空中任何一点的局域引力效应和那点的几何对应起来的方法。他提出物质会使得时空几何变弯曲，这种弯曲使得附近的物体沿着弯曲的路线运动。例如，由于太阳使得时空扭曲了，所以地球必须围绕着太阳沿椭圆轨道运动。因此万有引力的来源是时空弯曲而不是某种看不见的远距离拉扯。在1915年，爱因斯坦发表了他大师级的引力理论——广义相对论。

有一个简单的类比可以用来说明物质和结构之间的广义相对性关系。将时空想象成一个床垫。如果上面什么都没有，那么床垫是平的。现在有头昏昏欲睡的大象打算小憩一下，当它躺下来，床垫就塌了进去。那些在大象躺下之前扔在上面当点心吃的花生就会由于床垫的弯曲沿着曲线运动。类似地，由于太阳压弯了太阳系的时空“床垫”，所有太阳附近的行星就必须沿着围绕它的弯曲轨道运动。

广义相对论一个突出的特性是它给出了宇宙起源的线索。结合天文证据，它说明在过去有一个时间的开端，那时的宇宙极其炽热并极其致密。从那一刻开始，经过几十亿年后空间膨胀到可以容纳超过1 000亿个星系的大小。而每个星系又包含有几十亿到几千亿颗星星。

空间膨胀的想法使爱因斯坦感到诧异，他期望他的引力理论会构建一个稳定的宇宙。在广义相对论方程中加入一些物质分布之后，他惊讶地发现所得到的几何并不稳定，只要非常轻地推一下就会扩张或者收缩。就像一栋摇摇欲坠的房子，风一吹就会倒的样子，他事先所期望的大尺度稳定性并没有得到。为了使他的理论稳定下来，他加进去了一个附加项。这一项本质上是作为一种“反引力”，其目的是防止大尺度的东西塌缩得太厉害。

后来在1929年，美国天文学家埃德温·哈勃做出了惊人的发现。来自南加利福尼亚州威尔逊山天文台的数据表明，宇宙中所有的星系，除了离得近的那些之外，都在远离我们所在银河星系。逆着时间往回推算的话，很多研究者都得出结论：宇宙曾经远远小于今天的宇宙。这一说法后来被称为大爆炸理论。

当爱因斯坦认识到哈勃的发现意味着什么之后，他抛弃了宇宙常数项，并称之为他“最大的错误”。最后的结果是一个描述稳定增长的宇宙理论。像俄国理论物理学家亚历山大·弗里德曼在之前工作中指出的那样：根据宇宙的密度与一个临界值之间的对比，这种增长要么会永远增长下去，要么会在某一时刻发生逆转。然而最近的天文观测表明，宇宙的膨胀不仅是在继续着，而且它实际上是在加速膨胀。因此一些理论物理学家建议，应该重新使用宇宙常数，把它当作宇宙加速膨胀的一个可能的理由。

今天多亏有对大爆炸所遗留下来的微波背景辐射的细致观测，科学界才得以理解了早期宇宙是如何发展并获得结构的。这些辐射是当空间随着膨胀逐渐冷下来，原子开始形成时放射出来的。因此，它给出了婴儿期宇宙的一张快照，告诉我们哪些区域致密些，哪些区域稀疏些。爱因斯坦的成就与现代天文观测一起打开了一扇通往过去的窗口，使得科学家可以权威性地宣布在时间开始后的几秒内发生了什么。

科学在回答宇宙的基本问题方面不可思议地大步前进。我们精确地理解了物质的构建单元、基本作用力，以及宇宙的起源。这反映出我们在化学、物理、天文学以及相关领域取得的惊人进展。当然我们的好奇心会推动我们进一步发展，去尝试将时间推回到创世的瞬间，大爆炸之后的万亿分之一秒，理解所有事物的基本原理。

由于我们不能重返大爆炸，大强子对撞机（LHC）会通过高能粒子碰撞来再现大爆炸时的极端环境。能量通过相对论变换变成质量，这使得我们可能得到这个物理世界初生时存在的大量粒子。它也为我们探索自然作用力的共同起源提供了可能性。因而从粒子们以近光速撞击在一起所产生的混乱之中，我们有可能揭开那失落了的统一的秘密。

对于日内瓦的人们来说，从混乱中找到些新奇的想法并不是什么新鲜事。日内瓦让人印象深刻的美丽老城就坐落在LHC东南方近6英里处。那些古老的街道和广场曾以各种方式用于各种革命潮流：约翰·加尔文曾经在那里宣扬宗教的独立性；让·雅克·卢梭曾经在那里讲授社会契约。不久日内瓦将见证另一场革命，这次将是人类对宇宙基本属性的理解。