莱曼·佩奇，美国物理学家，普林斯顿大学物理系主任，美国国家科学院与艺术与科学学院双院院士。他在观测宇宙学领域有着卓越贡献，是威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的联合创始人之一。该设备对测量宇宙年龄具有革命性意义，开启了精确宇宙学的新纪元，并深远影响了天文学、宇宙学和物理学。佩奇因其在揭示宇宙年龄方面的杰出成就，荣获2010年邵逸夫天文学奖，2015年格鲁伯宇宙学奖，以及2018年的基础物理学突破奖，以表彰WMAP团队绘制早期宇宙详图对宇宙演化理解的提升。

人类认识宇宙的过程，也是认识自我的过程。光年尺度下的叙事，让人类显得无足轻重。但正是通过科学家的不懈努力，才能使我们能够突破肉体的局限，将人类的视野拓展到目所能及之外的世界，或许有一天，直到宇宙的边缘。
莱曼·佩奇是宇宙微波背景辐射研究领域的佼佼者，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的初创研究者之一。关于宇宙大爆炸，以及宇宙其他重要问题的答案，都藏在宇宙微波背景辐射里。为了追寻这答案，人类向太空发射了卫星、望远镜，我们得以了解宇宙的组成、几何结构，认识宇宙的演化。今天，我们对宇宙年龄的预测可以达到非常精确的地步。
我们即将展开一趟旅程，从无穷小到无穷大，从时间的开端到遥远的未来，当然，探索的脚步从未停止，因为，答案始终在前方。

莱曼·佩奇（Lyman Page）
普林斯顿大学物理系主任，美国国家科学院院士，美国艺术与科学学院院士。
他是观测宇宙学家，也是威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）联合创始研究者之一，该探测器用于对宇宙年龄的精准测量，测量结果开创了精确宇宙学的时代，对天文学、宇宙学和物理学产生重大影响。
2010年，因在解开宇宙年龄方面取得的重大成果，获得邵逸夫天文学奖。
2015年，获得格鲁伯宇宙学奖。
2018年，因为“WMAP实验团队绘制了早期宇宙的详细地图，升级了人类对宇宙演化的认知”获得了基础物理学突破奖。

《宇宙小史》这本书的内容和特点。它以简明通俗的语言解释了宇宙的起源、结构和演化，涵盖了宇宙微波背景、暗物质等知识点，适合中学生及以上阅读。作者通过生动的例子和比喻，让复杂的宇宙学知识变得易于理解。书中的附录和精炼的阐述增添了阅读的价值。《宇宙小史》被赞誉为科普经典，可与霍金的《时间简史》相媲美，是了解宇宙的绝佳入门读物。



本书赞誉

《宇宙小史》这本科普作品，它成功地让读者在无需天文学和物理学前置知识的情况下理解大爆炸宇宙模型。书籍风格与《七堂极简物理课》相似，通过简洁篇幅介绍基本原理。内容涵盖了宇宙的规模、膨胀、构成、演化，以及微波背景、大爆炸模型和前沿领域的研究。虽然名为“宇宙小史”，但历史元素不多，主要聚焦于科学知识的普及。



宇宙学是一门科学——《宇宙小史》中译本序

《宇宙小史》一书的内容，它分析了宇宙时空结构的演化，涉及时空观念转变和物质观念发展。书中讨论了从牛顿绝对时空观到相对论时空观的变化，以及广义相对论对时空与物质关系的理解。作者通过浅显语言和生活比喻，让读者了解宇宙的尺寸、膨胀、年龄等基础知识，还探讨了宇宙微波背景、暗物质和宇宙学常数等前沿话题。即使是对科学有一定了解的读者，也能从中获得新的知识和思考。



一本小书， 道尽宇宙时空结构的演化王正行

宇宙学致力于探究时空结构、物质构成及其演进机制。人类通过天文观测和理论分析，识别了包括辐射、普通核物质、暗物质与暗能量在内的宇宙要素，并追溯时空特征的演变。尽管"宇宙大爆炸"模型已确立为研究基础，但诸如暗物质与暗能量的本质、原初引力波探测及广义相对论在宏观宇宙中的适用性等谜题，仍是科学家们亟待破解的关键点。

其中，暗物质和暗能量是现代天文学的两大未解之谜。暗物质不发光也不吸收光，我们无法直接观测到它，但通过其对可见物质引力的影响，我们可以推断出它的存在。而暗能量则是一种推动宇宙加速膨胀的力量，尽管占据了宇宙能量密度的大约70%，但我们对其了解却非常有限。

另一方面，原初引力波是大爆炸时期产生的扰动在时空中留下的涟漪，如果能成功探测到，将为理解宇宙早期状态提供宝贵线索。然而，由于其信号极其微弱，且容易被其他天体活动产生的噪声干扰，至今尚未有确凿的观测证据。

广义相对论是描述重力的理论，它在宏观尺度上表现出色，但在宇宙尺度上，特别是与量子力学结合时，遇到了挑战。科学家们正在寻求一种能够统一描述引力和量子现象的"大一统理论"，这将是物理学的一大里程碑。

在这探索的过程中，天文学家和物理学家们不断提出新的理论模型，通过观测数据进行检验，再根据结果修正或推翻原有的理论。这是一个持续迭代、不断深化我们对宇宙理解的过程。

在这些未解之谜的解答中，每一次的进步都可能带来科学革命，改变我们对自身和宇宙的认知。因此，尽管这些问题目前看似遥不可及，但人类的好奇心和求知欲将驱使我们继续前行，直至找到答案。

关于宇宙，答案永远在前方

人类自古以来对星空的好奇与探索，从早期的盖天说、浑天说到宣夜说，再到现代的日心说和哥白尼理论，以及科学家们对宇宙起源、结构和演化的深入认识。随着科学技术的发展，人们对宇宙有了更客观的理解，如宇宙微波背景、大爆炸理论等。作者莱曼·佩奇的《宇宙小史》结合最新发现和物理学概念，以平实的语言解释了宇宙的奥秘，适合各年龄段读者阅读。



永远怀着好奇心仰望星空

《宇宙小史》这本书，它讲述了宇宙的演化历史，适合科学爱好者和小朋友学习宇宙学知识。书中有丰富的基础知识，如宇宙大小、演化、年龄等问题的解答。还详细讲解了普通物质、暗物质和暗能量，以及通过宇宙微波背景理解宇宙成分的方法。作者以通俗易懂的方式阐述高深理论，让读者对宇宙的历史有直观感受。此外，书中还涵盖了宇宙学的标准模型和最新研究进展。推荐这本书作为开启宇宙学学习之旅的伙伴。



你的第一本宇宙学入门小书

宇宙的浩瀚无垠常常令人们惊叹。从月球与地球之间的距离作为切入点，这段文字试图将天文概念与日常生活相联系：月球到地球大约25万英里，这相当于一辆汽车的使用寿命。使用光来衡量天体间的距离更为直观，比如1光秒代表光在1秒钟内传播的距离。太阳和地球的平均距离是9300万英里，或者说8光分，这意味着信息传递受限于光速。

我们的银河系是一个庞大的星系，其中包含数百亿颗恒星，其数量之多可以与人类大脑中的神经元相提并论，以此帮助我们理解这个天文数字。银河系呈扁平的圆盘状，直径约10万光年，中心部分稍微隆起。通过不同波段的观测，如可见光和远红外线，天文学家能够揭示尘埃背后的恒星分布和热辐射情况。

银河系是本星系群的一部分，这个星系群包含大约50个星系，其范围达到了600万光年。哈勃太空望远镜拍摄的超深空图像展示了数十亿光年外的天体景象，其中大部分是星系而非单个恒星，这揭示了宇宙中星系数量的惊人规模。这些观测挑战了我们对宇宙的认知，并激发我们继续探索其奥秘。

现代LED灯泡和一体化荧光灯具有高照明效率，它们发出的可见光能量远超过产生的热能。大麦哲伦星系的历史也在此提及，它在1519年被麦哲伦记录，但实际上波斯天文学家苏菲早在500年前就已观测并记载。

月球角直径与环绕地球所需月亮数量的关系，以及对宇宙膨胀历史的比喻，如“万能工匠”，都被用来解释复杂的天文概念。尽管我们已经了解了很多关于宇宙的知识，但仍有许多未解之谜，比如无法完全解析大爆炸的细节，或者计算哈勃超深空中的天体总数。

这段文字探讨了宇宙的密度、能量密度以及爱因斯坦质能方程的作用。通过这个方程，科学家可以将质量和能量相互转换。利用哈勃常数估算宇宙年龄的结果在125亿年到140亿年之间。由于光速限制，我们只能观察到一个有限范围的宇宙，即可观测宇宙，其大小约为276亿光年。尽管宇宙可能无限广阔，但观测数据更符合空间无限扩展的模型。

通过将宇宙比喻为装满星系的空间容器，这段文字强调了无论从哪个方向看，所看到的宇宙都是相似的，这被称为宇宙学原理。尽管我们已经取得了许多关于宇宙的知识，但仍有许多未知等待我们去探索和理解。

第一章 宇宙常识

宇宙微波背景辐射是宇宙早期高温平衡状态的证据，其温度2.725K代表一种特殊的黑体辐射。黑体能高效吸收和释放辐射，随温度变化，低温时辐射主要在长波段。维恩位移律可计算出不同温度下辐射的主波长，量子化的光子也与宇宙微波背景中的光子密度相对应。随着宇宙膨胀，辐射冷却，对现代宇宙的影响减弱，但它曾是能量的主要形式，并影响了宇宙结构的形成。

理想反射镜制作困难，铝虽常用但会吸收紫外线并受热变烫，使铝镜在紫外线照射下显得黑暗。另一方面，Slinky作为常见的弹簧玩具，其原理和物质与暗物质的关系也被提及。物质由质子、中子、电子组成，通过引力和光子交换相互作用。中微子是电中性的基本粒子，不常出现在日常生活中，几乎不与其他物质互动，主要产生于核反应。

宇宙早期主要由质子、中子、电子、中微子及其反粒子构成，这些粒子和光子、暗物质的引力影响了物质的演化。暗物质的存在源于“缺失物质”理论，它数量远超可观测物质，但不是由已知原子或黑洞组成，可能是新基本粒子或混合物。天文学多次观测证实了暗物质的存在，如子弹星系团碰撞事件中通过引力透镜效应观察到暗物质与正常物质分布的差异。科学家们正在积极寻找暗物质，包括地下实验和宇宙学常数Λ的研究。

宇宙从大爆炸后的演化过程经历了由热辐射和粒子构成的均匀状态逐渐转变为形成结构的阶段。随着温度下降和膨胀速度减缓，暗物质开始聚集成群，氢原子在大约40万年后形成，标志着“退耦”阶段的开始。随后进入“黑暗时期”，直到约2亿年后恒星形成，结束了这一时期的无光状态。恒星的诞生和死亡影响了宇宙的元素分布，例如重元素的产生和传播。

现代天文学通过观测和实验不断深化对宇宙结构形成过程的理解，从大爆炸后的早期演化到恒星的生命周期，再到暗物质的作用和宇宙学常数Λ的影响，这些研究为我们揭示了宇宙的奥秘。

第二章 宇宙的构成和演化

1965年，彭齐亚斯和威尔逊在实验中偶然捕捉到一种现象，即整个天空以3.5K的温度发出均匀信号，这一发现被命名为宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background, CMB）。自那时起，科学家们持续研发新技术，提升探测精度，从单一探测器发展到大型低温运行设备，能够分辨出百万分之一开尔文的温差。观测手段也日益多样化，包括地面观测站、搭载仪器的气球以及一系列卫星项目，如NASA的COBE（Cosmic Background Explorer）、WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）和普朗克卫星（Planck Mission）。这些太空任务采用不同技术探测CMB，揭示其在空间上的微小变化，即各向异性，为理解宇宙早期状态提供了关键信息。

国际科学合作的结晶之一便是图3-3，这张图表经过数年研究完成，被视为宇宙学中最重要的图像之一。它以音乐均衡器为类比，展示了宇宙不同尺度涨落的分布，揭示了物质、能量等构成比例，以及宇宙的谐波含量和结构信息。尽管海洋波涛与宇宙涨落之间的类比存在局限性，但图3-3的制作过程和技术细节无疑展现了科学计算领域的进步和复杂性。

CMB的发现开启了对早期宇宙研究的新篇章，科学家们通过分析这些微弱的辐射信号，能够追溯到大爆炸之后约38万年的时间点。这些信号携带着关于原始密度波动的信息，正是这些波动最终演化成了我们今天所看到的星系、星团和超大规模结构。通过对CMB数据的深入研究，科学家们得以重构宇宙的历史，包括暗物质、暗能量的存在，以及宇宙膨胀的速度。

为了更准确地解析CMB，科学家不断改进探测技术和理论模型。例如，WMAP通过高精度测量揭示了宇宙的几何形状为近乎平坦的空间，并提供了对宇宙年龄和组成的新估计。而普朗克卫星则进一步提升了观测能力，它在微波和亚毫米波段的灵敏度远超前代设备，使得科学家能够更精细地刻画CMB的各向异性模式。

图3-3的重要性在于它直观展示了不同尺度涨落的分布，这有助于科学家理解宇宙的演化过程。通过分析这些数据，研究人员可以检验不同的宇宙学模型，如 Lambda-CDM 模型（暗能量主导、冷暗物质占主导的模型），并据此预测未来宇宙的行为。

总的来说，CMB的研究不仅揭示了宇宙的起源和早期状态，也为现代物理学提供了丰富的实验数据，推动了粒子物理、引力理论以及统计力学等领域的发展。随着技术的进步和新观测设备的启用，我们对宇宙的认知将持续深化，而图3-3这样的图像将继续作为探索宇宙奥秘的重要工具。

第三章 描绘宇宙微波背景

宇宙的基本特征之一是其几何结构，这可以通过蚂蚁在二维表面上移动的例子来理解。蚂蚁无法意识到所处表面的弯曲，但观察者可以基于内角和的变化判断空间是否平坦。例如，在球壳上，内角和大于180度，而在马鞍面上则小于180度。通过测量三维空间内的内角和，我们可以推断其几何特性。

根据宇宙微波背景的研究，我们观测到的宇宙呈现平坦的几何结构。这与暴胀理论相吻合，该理论解释了早期宇宙的快速膨胀。暴胀不仅解决了宇宙学中的几个问题，如均匀性和大尺度结构的形成，还预测了微波背景辐射的特定模式，这些已被实验所证实。

宇宙包含多种成分，包括微波背景辐射、中微子质量等微量但至关重要的部分。再电离过程中，约5%-8%的微波背景光子被散射，影响了可见度，这一过程可以用一个参数来描述。原始功率谱的幅度和标量谱指数提供了宇宙早期密度涨落的信息，这对于理解结构形成和演化至关重要。

这些观测结果为我们提供了一个关于宇宙的详细框架，包括其起源、膨胀历史以及当前的状态。它们揭示了宇宙的大尺度特性，如均匀性和平坦性，并为研究者提供了探索更深层次物理规律的基础。例如，暴胀理论可能与高能物理学中的弦理论或超对称理论有关。

微波背景辐射是大爆炸遗留下来的热辐射，它的精确测量为理解早期宇宙的条件和物理定律提供了宝贵的数据。中微子质量虽然微小，但它们在宇宙总物质含量中占有一定比例，对宇宙的大尺度结构有影响。再电离过程则是宇宙从主要由离子化氢构成转变为含有更多复杂元素的关键阶段。

通过研究这些成分及其相互作用，科学家们能够构建一个关于宇宙历史的详细叙事，并继续寻找可能存在的新物理现象和理论。这包括暗物质和暗能量的研究，它们占据了宇宙大部分质量但尚未被直接观测到。此外，理解早期宇宙的量子涨落如何演化为今天的星系分布，也是当前天体物理学的重要课题。

总之，对宇宙各组成部分的观察和研究为我们揭示了一个复杂而有序的宇宙图景，并不断推动着我们对自然法则的理解向前发展。

第四章 宇宙学标准模型

中微子质量对宇宙结构演化有显著影响。轻质中微子的行为类似于光子，自由穿行于宇宙空间，不干扰物质分布。相反，重质中微子会转移质量，从高密度区域向低密度区域扩散，从而减弱物质的聚集效应。中微子的质量越大，其透镜效应就越弱，尽管现有的观测设备无法直接探测到这种现象，但未来的科技发展有望揭示更多关于中微子的秘密。

宇宙微波背景辐射（CMB）是研究宇宙早期状态的重要工具。通过分析CMB的温度谱，我们可以确认它符合黑体辐射的特性。同时，这也为我们提供了可能存在的能量注入或粒子平衡破坏情况的线索，这些现象可能会导致谱失真。对这些细节的研究有助于我们深入理解宇宙的基本物理原理。

中微子与宇宙学常数之间的关系也值得探索。虽然中微子的质量微小，但它们在宇宙中的总量非常庞大，因此可能对宇宙的膨胀速度产生影响。通过测量CMB温度谱和利用中微子作为探针，科学家可以更准确地估计宇宙学常数，如暗能量的密度。

此外，CMB还为我们提供了研究早期宇宙的信息。它的各向异性反映了原始密度扰动，这些扰动后来演化成了星系和其他大型结构。通过精确测量这些模式，我们可以了解宇宙的大尺度结构，并检验不同的宇宙模型。

总的来说，中微子和宇宙微波背景辐射是理解宇宙历史和基本物理规律的关键。它们提供了独特的视角，让我们能够探索宇宙的起源、膨胀过程以及其中包含的各种粒子和力。随着技术的进步和新的观测数据的积累，我们对这些现象的理解将不断深化，揭示更多关于宇宙的秘密。

第五章 宇宙学的前沿

作者通过翻译一本关于宇宙的科普书籍，感叹现代人生活忙碌导致对周围世界的好奇心减少，意识到科普工作需要更加精细化和高效化。虽然翻译过程中感到自己知识的局限，但作者也从中体验到学习和理解带来的快乐与满足。希望通过中译本激发读者对宇宙的好奇和思考，改善国内科普环境。

