罗伯特·P.基尔什纳是哈佛大学的克劳斯科学教授，他的研究领域涵盖了天文学多个重要方面，如超新星遗迹、宇宙大尺度结构以及利用超新星探测宇宙膨胀等。作为加州理工学院的杰出校友，他荣获了多项荣誉：丹妮海涅曼数学物理奖（2011年）、詹姆斯·克雷格·沃森奖章（2014年）和沃尔夫物理学奖（2015年）。这些成就彰显了他在天文学界的卓越贡献与深远影响。

本书讲述了一个引人注目的宇宙学发现：受暗能量影响而导致空间自身膨胀，宇宙膨胀正在加速。同时解释了加速膨胀宇宙的思想如何成为现代宇宙学中的标准假设。通过测量导致宇宙加速膨胀的暗能量，指出基础物理学理解中存在的漏洞。作者研究发现，我们居住在一个基本成分十分疯狂的宇宙之中，我们观测的真实宇宙并非我们所想象中简单的那个。

罗伯特·P.基尔什纳（Robert P.Kirshner），是哈佛大学的克劳斯科学教授。从事天文学方面研究，包括超新星遗迹、宇宙的大尺度结构和使用超新星测量宇宙的膨胀等。获得过加州理工学院杰出校友奖，丹妮海涅曼数学物理奖（2011），詹姆斯·克雷格·沃森奖章（2014），沃尔夫物理学奖（2015）。
译者介绍：
青年天文教师连线
刘博洋，北京大学天文学系2012届本科校友，中国科学院国家天文台、澳大利亚西澳大学在读博士。NGO青年天文教师连线创始人。知乎“天文学”“天体物理学”话题优秀回答者，专栏“天文八卦学”作者。中国科普作协会员。已出版译著《宇宙》《太空》《火星》《太空全书》（含合译并负责统稿）。
李雨珊，南京大学天文本科校友，欧盟伊拉斯谟项目硕士在读。知乎“天文技术宅”专栏作者。
尹倩青，中科院高能所博士、助理研究员。参与《火星》等书籍翻译。

科学的重要目标是追寻其原动力或第一推动，它推动社会发展和人类进步。科学不懈追求真理，注重实证、批判与创新。科学教育提升人的素质，培养科学思想和方法，使人进化为现代人。近百年来，中国意识到科学技术对强国的重要性，但科学精神的普及仍有待提高。科学是普适独立的，超越各种界限。该书旨在传播科学精神，推动科技发展，对中国进步起促进作用。



总序 《第一推动丛书》编委会

《第一推动丛书》已出版25年，它见证了科学探索的不断进步和人类智慧的结晶。这套科普书籍不仅传播了科学知识，还激发了人们的想象，是理性与感性的完美结合。通过回顾这些著作的变化，作者强调了科学追求真理的本质，以及科学家们在发现过程中的重要作用。他们不仅是真理的探寻者，也是极致审美的创造者。尽管有些理论会被超越或证伪，但科学家的精神和探索的魅力永存。再版这套丛书旨在庆祝其不朽价值，并提醒读者21世纪需要科学的理性与审美并重。同时，作者也警示了科学可能带来的负面影响，强调每个公民应负责任地选择有利于人类进步的科学方向。



再版序 一个坠落苹果的两面：极端智慧与极致想象

光在天文学中的重要性，光的惰性使得观测到的总是光源过去的状态，让望远镜成为时间机器，回溯宇宙的历史。光速的限制定义了我们可观测宇宙的边界，哈勃深场提供了迄今为止最深的宇宙图像，但仍然受限于大爆炸以来的时间和光速。膨胀的宇宙将早期信息拉伸至红外波段，促使科学家开发新一代空间望远镜以观测更早的宇宙。同时，宇宙中不可见的部分如暗物质和暗能量对可见宇宙的影响揭示了未知领域的神秘。通过天文观测和物理理论，人类逐步构建并理解这个被看不见部分控制的宇宙。



第1章 大图景

恒星能量产生的过程与原子核物理紧密相关。太阳主要通过氢的核聚变产生能量，但最终会过渡到氦的燃烧。红巨星能进行三个氦核合成一个碳核的过程，这是由于自然界不存在五个核子构成的稳定原子核。这一现象揭示了天文现象和微观规则之间的联系。宇宙中不同元素的丰度，如碳和氧远比锂、铍、硼丰富，这主要归因于恒星内部的核反应。

Ia型超新星是研究的重点，它们由热核反应引发，亮度极高且光谱中缺乏氢，表明其起源恒星经历了重大变化。通过观察镍和钴元素丰度的变化，可以验证这一理论，如1994D超新星所示。Ia型超新星不仅负责地壳、建筑结构甚至血液中铁的形成，而且由于它们爆炸的相似性，被广泛用于测量宇宙距离。尽管超新星爆发的能量存在波动，但科学家们仍在努力提高其作为宇宙尺度工具的精确度。

总的来说，恒星能量生成的过程、元素在宇宙中的分布以及Ia型超新星的作用，都是天文学研究的重要组成部分，它们帮助我们理解宇宙的运行机制和演化历程。

第2章 宇宙变迁的代言人

1987年，一颗名为桑度列克-69202的蓝超巨星发生爆炸，成为超新星1987A，这是自1604年以来观测到的最亮超新星。这次爆发产生的中微子信号验证了预测，但至今未发现明确的中子星存在证据，黑洞的可能性也被提出。最初，对超新星中心是否存在中子星的判断基于中微子信号，而没有直接的辐射证据。望远镜电视摄像机电路干扰曾误导了一次短暂的“新”天体观测，这强化了对观测结果验证的重要性。尽管研究持续进行，但超新星1987A的核心区域仍未被清晰揭示，其内部是否存在中子星或黑洞仍是天文学界的未解之谜。

第3章 另一种爆炸机制

爱因斯坦的常数，即宇宙学常数Λ，它在广义相对论中表现为空间膨胀的趋势。最初，爱因斯坦为了使宇宙保持静态而在方程中添加了这个项，尽管这破坏了理论的简洁美。随着天文观测的发展，特别是对“漩涡星云”和使用威尔逊山望远镜的观察，宇宙学常数从最初的必要变为被质疑和讨厌的部分，因为它与新的宇宙扩张认知相矛盾。



第4章 爱因斯坦的常数

在20世纪20年代的天文探索中，100英寸望远镜扮演了至关重要的角色。它帮助科学家终结了关于终结漩涡星云距离的争论，并在此过程中揭示了一个超出人们先前认知的新世界。爱德温·哈勃利用这台望远镜进行了深远的研究，他的发现彻底改变了我们对宇宙的理解。

哈勃的主要贡献之一是对星系红移现象的观测和解释。他观察到远离我们的星系的光谱呈现红色偏移，这一现象后来被称为哈勃定律。通过分析这种红移，哈勃得出结论：宇宙正在膨胀，所有星系都在相互远离。这个发现彻底颠覆了当时流行的静态宇宙观念，开启了现代宇宙学的新篇章。

在电影《安妮·霍尔》中，阿尔维·辛格对膨胀宇宙的概念感到困惑，他的妈妈则用一个简单的比喻来解释：就像地球这样的物体不会随着气球的膨胀而变大一样，宇宙的膨胀并不影响我们所处的物质。这个比喻虽然简洁明了，但却未能完全捕捉到宇宙膨胀的本质。

同时期，爱因斯坦和亚瑟·斯坦利·爱丁顿等科学家对宇宙学常数持有不同看法。爱因斯坦最初引入这个概念来维持宇宙的静态状态，但后来发现这与观测结果不符，他称其为“一生中最大的错误”。然而，当哈勃的膨胀宇宙证据出现后0，宇宙学常数重新获得了关注，它在广义相对论中的作用被重新评估。

尽管爱因斯坦对宇宙学常数的看法有所改变，但这个概念在现代宇宙学中占据了重要地位。现在我们知道，宇宙学常数（或称为暗能量）是驱动宇宙加速膨胀的主要力量。这一发现揭示了我们宇宙的大部分内容——约70%的总能量密度——是我们尚未完全理解的神秘物质。

总的来说，哈勃和其他科学家的工作为我们揭示了一个不断扩张、充满未知的宇宙图景。尽管我们对宇宙的理解已经有了长足的进步，但仍然存在许多未解之谜，如暗物质的本质、早期宇宙的状态等。这些挑战将继续驱动未来的科学研究，引领我们探索更深层次的宇宙奥秘。

第5章 宇宙膨胀

宇宙膨胀的奥秘与马拉松比赛中的数学原理有着惊人的相似性。每个参赛者随着比赛时间推移，其位置变化和后退速率遵循特定规律。科学家利用哈勃定律反向推理，从星系现有的远离速度回溯到它们初始位置，以此估算宇宙诞生至今的时间。然而，早期对星系距离的估计不够精确，这在一定程度上影响了哈勃常数——描述膨胀速率的关键参数——的准确性。

随着物理学的发展，如恒星内部核聚变反应链的深入理解，以及测量技术的不断修正，我们对于宇宙年龄的认知逐渐提升到新的水平。现代科技的进步，特别是摄影设备的革新，为观测宇宙带来了革命性的变化。传统的感光材料只能捕捉少量光线，导致信息损失严重；而现代硅基CCD探测器能高效捕获并记录光线，极大地提升了观测精度。

1987A超新星爆炸形成的环状结构，不仅展示了宇宙中极端事件的壮丽景象，还为科学家提供了独立测量大麦哲伦星云距离的机会。这不仅验证了造父变星作为距离标尺的有效性，也对理解超新星本身的行为提供了宝贵数据。

在确定宇宙年龄和膨胀速率的过程中，不同的研究团队采取了多元化的观测方法，并通过交叉对比数据来降低误差。桑德奇小组与致力于此课题的其他专家，如使用超新星以外多种手段的威泽伯格小组，尽管初期结果存在差异，但随着研究的深入，这些差异正在逐渐缩小。

超新星1987A的发现及其带来的科学突破，不仅丰富了我们对宇宙的理解，也推动了天文学领域技术与理论的进步。科学家们通过不懈的努力和多学科的交叉合作，逐步揭示出宇宙年龄和膨胀速率的秘密，向着更精确测量的目标迈进。每一次观测、每一份数据、每一次验证，都是人类探索宇宙奥秘道路上坚实的足迹。

第6章 现在几点？

宇宙起源的暴胀理论源自粒子物理学而非天文观测。该理论预测了宇宙平坦的空间结构和密度波动模式，这些可以通过微波背景辐射的观测来验证。早期测量显示微波背景平滑，但其中的变化揭示了早期宇宙的重要信息。暴胀理论解释了膨胀宇宙和均匀微波背景，并预测了星系中密度波动的表现。尽管暴胀时期的能量超出实验物理学范畴，但它仍是描述大爆炸起源的强大模型。

对于宇宙成分的处理，过去的常规方法伴随着怀疑与自豪。理论家对物质密度测量持保留态度，认为可能存在误差。然而，现代更精确的观测显示，宇宙大部分物质是不可见的暗物质，这挑战了我们对物质世界的理解。因为暗物质不发光或吸收光，且性质不同于已知基本粒子。此外，轴子和中性微子等候选粒子也被考虑作为暗物质。

尽管地下探测器证据支持中微子有质量，但其贡献有限，促使科学家们探索更复杂的暗物质形式。他们通过实验寻找这些未知粒子，展现了对宇宙本质深入理解的渴望与探索精神。重新组织语言后的内容如下：

暴胀理论，起源于粒子物理学而非天文学，预言了宇宙的平坦结构和密度波动，这些可以通过微波背景辐射观察到。早期数据虽显示背景平滑，但其中蕴含着早期宇宙的关键信息。暴胀理论解释了膨胀的宇宙和均匀的微波背景，并预测了星系中密度波动的存在。尽管暴胀的能量水平超出了实验物理学的范围，但它仍然是描述大爆炸起源的强大框架。

过去处理宇宙成分的方法伴随着疑问与自豪感。科学家对物质密度测量结果持质疑态度，认为可能存在偏差。然而，现代技术带来的更精确观测结果显示，大部分宇宙是由不可见的暗物质构成，这对我们理解物质世界提出了新的挑战。因为暗物质既不发光也不吸收光，且不同于已知的基本粒子特性。

中微子作为潜在的暗物质候选者，尽管地下实验发现它们具有质量，但其对整体宇宙的影响仍然有限。这一发现促使科学家们考虑更复杂的暗物质模型，可能存在多种形态的暗物质。他们通过实验积极寻找这些未知粒子，这种努力体现了人类对揭示宇宙本质的无尽追求和探索精神。

第7章 新泽西夏日

在加州理工学院攻读研究生期间，作者的经历主要聚焦于超新星研究。起初对视差测量、尘埃研究和光谱分类不感兴趣的他，被SN 1970G的Ⅱ型超新星观测数据所吸引，并在与贝弗·奥克的合作中获得了使用200英寸海尔望远镜的机会。在鲁滨逊实验室，作者经常比其他人更早到达，甚至比以古怪闻名的天文学家弗里茨·兹威基还要早。尽管兹威基有时会给出尖锐的批评和建议，但作者并未透露这些建议是否直接促进了他的研究。

哈勃常数是宇宙膨胀速率的一个度量，对理解宇宙的起源和发展至关重要。在奥克和其他人数据的基础上，作者尝试计算出超新星爆发所在星系的距离，并由此推算出哈勃常数的一个值。这个过程比预期的要复杂，但结果令人鼓舞。然而，艾伦·桑德奇和古斯塔夫·塔曼也独立研究了相同的星系距离，这导致了关于哈勃常数的学术争议。

为了进一步推进对宇宙膨胀的理解，作者与约翰·关合作，他们跳过了中间步骤直接计算出星系的距离，从而得到了一个新的哈勃常数值。尽管这个新值与其他研究者的发现存在分歧，但这些工作无疑为深化我们对宇宙膨胀和哈勃常数的认识做出了重要贡献。

在这一系列的研究中，作者不仅展示了他在超新星观测和数据分析方面的专业技能，还体现了他面对学术争议时的独立思考能力和解决问题的决心。他的工作不仅丰富了天文学的知识库，也为后续研究者提供了宝贵的参考点，共同推动了宇宙学领域的发展。

第8章 学习游泳

科学家在慕尼黑附近的啤酒馆讨论SNⅠb的分类问题。塔曼起初反对将其视为新类别，认为可能是尘埃导致它们看起来暗红。但作者依据光谱差异的新分类法指出，氧和钙取代铁表明SNⅠb源于不同的化学过程。尽管SNⅠa同质性有助于哈勃常数测量，但对于精确测量宇宙减速不够理想。文章详述如何通过超新星亮度和红移关系研究宇宙膨胀历史及减速现象，并强调减少观测误差的重要性。过去寻找高红移超新星的努力和技术限制给研究带来挑战，但研究超新星对理解宇宙学至关重要。

超新星研究历史上，不同团队有所贡献。巴尔邦的工作受限于多样且质量不一的数据源和照相底片的使用。80年代CCD的引入提高了测量精度并简化数据处理。卡兰/托洛洛搜寻虽以SNⅠa为目标，也收集了其他信息。各个团队的努力推动领域发展，这些发现对理解宇宙结构至关重要。

通过研究近邻超新星性质解决宇宙学问题的战略取得进展。最初的数据离散度大，但多色光变曲线形状（MLCS）方法降低了误差，提高了测量精度。这使得从单个超新星获取宇宙学信息成为可能，预示少量远距离数据就能揭示宇宙命运。尽管面临竞争和挑战，团队仍推进高红移超新星搜寻项目，期望提供更准确的宇宙学测量结果。

第9章 初识超新星

超新星观测是天文学的一大挑战，科学家借助凯克望远镜和ESO的甚大望远镜搜寻高红移超新星。光谱分析确定它们类型与距离，但信号微弱需精细处理。团队成员分工合作，包括数据处理、望远镜操作和策略指导，还要应对天气、仪器问题和时差。每个搜索夜能找到几颗重要超新星，并通过后续测量研究宇宙膨胀历史。哈勃空间望远镜的清晰图像有助于减少误差。

研究中遇到难题，如Ⅰa型超新星差异性和可能暗示宇宙加速膨胀的高红移数据。团队在快速发布可能有误的文章和深入研究详尽论文间犹豫。对宇宙学常数的担忧和避免错误的决心始终存在。

恒星年龄、化学成分和尘埃影响超新星亮度。年轻星系如漩涡星系，超新星爆发频繁；年老星系如椭圆星系则较少。Ⅰa型超新星在各类星系都有发现，通过光变曲线比较推测过去50亿年的变化。尽管有理论提出特殊尘埃可能不引起红化，但现有证据并不支持。

观察遥远超新星亮度变化寻找暗能量线索。如果更暗说明其他因素影响；若更亮则支持膨胀历史效应。随着研究深入和数据积累，对暗能量的存在从质疑到接受，尽管这可能影响观察者客观性。科学家持续观测以精确理解超新星暗淡的原因。

第10章 搞定超新星

宇宙膨胀的背景下，科学家们对暗物质和宇宙学常数不懈探索。夏威夷大学山顶观测基地考验着耐力，凯克天文台远程控制技术规避高原反应。操作员与研究者通过监控电视互动，双子望远镜等新设施推进天体物理时间尺度理解。遥远超新星亮度变化支持膨胀先慢后快，暗能量浮出水面。哈勃深空观测揭示宇宙过往，NICMOS红外相机在探测远程恒星和星系上表现出色。

尽管我们对宇宙的认知增加，仍有许多未知如暗物质、暗能量的本质，它们占宇宙大部分。这让我们意识到自身的特殊，因为我们由与宇宙主体不同的物质构成。宇宙学的追求超越世俗财富、安全或长寿，旨在构建清晰的宇宙图景，通过古老光线和世界运行机制揭示历史轮廓。

这种探索满足好奇心，激发想象力，引领新物理学理解。即便生活富足安宁，对未知的惊奇是不可或缺的乐趣源泉。宇宙学，这个揭示加速膨胀宇宙奥秘的领域，持续滋养我们理解世界本源的热情。

第11章 案发现场？

宇宙学是研究宇宙性质、结构和演化的学科。其中的重要概念和发现揭示了我们所在世界的奥秘。爱因斯坦的宇宙学观点首次发表于特定的时间点，为理解宇宙提供了新的视角。哈勃常数在揭示宇宙膨胀的过程中扮演了关键角色，帮助科学家们量化这种膨胀的速度。

牧夫巨洞的惊人发现展示了宇宙中存在巨大尺度的结构，而这一发现的背后是天文学家们的辛勤工作和精密观测。此外，内容还涵盖了恒星、星系以及它们之间的复杂关系，这些知识有助于我们拼凑出宇宙的演化历程。

超新星的研究是科学探测故事中的亮点，通过对这些爆炸性事件的深入研究，科学家们得以揭示宇宙中元素的生成过程，以及星系的形成和演化。这些发现不仅丰富了我们的天文学知识，也为理解宇宙的大尺度结构提供了重要线索。

论文和科学探测的叙述让读者仿佛置身于那些激动人心的发现时刻，感受到科学探索的魅力。从超新星的爆发到恒星生命周期的研究，每一步进展都推动着我们对宇宙早期状态的理解向前迈进。

此外，内容还涉及了天文学中的其他知识点，如恒星死亡后遗留物的质量分布、暗物质和暗能量的作用，以及宇宙微波背景辐射等深奥的主题。这些深入浅出的解释使得即使是非专业读者也能从中受益，对宇宙有更全面的认识。

总之，这份内容涵盖了广泛的天文学领域，从宏观的星系结构到微观的元素生成过程，旨在帮助读者理解这个浩渺无垠的宇宙。无论是为了满足好奇心，还是为了在科学探索的道路上迈出新的一步，这份内容都能为读者提供宝贵的指引。

第一推动丛书·宇宙系列：疯狂的宇宙