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2016-05-08
第一部分 宇宙
第1章 安静的爆炸
1、太阳将在五十亿年后爆炸。
第2章 月亮
2、四十亿年前，一颗行星与地球相撞，从地球上扯下一块物质，即月球。月球的引力使地球上出现潮汐。月球表面的伤痕从未被气候抹平。
第3章 太阳
1、日核温度高，压力大，氢原子的电子被松开，只留下原子核。原子核在压力下被迫融合，变成更大的原子核。热核聚变即是一个用较小的原子核产生较大原子核的过程。较大原子核与电子们重新结合，成为更重的原子：氮原子、碳原子……地球上的重原子都是在某颗恒星内部被创造出来的。当你呼吸时，你吸入它们，当你触摸自己皮肤或者别人皮肤，所触到的都是星尘。太阳那样的恒星在寿命将终时会死亡和爆炸，释放构成我们的物质。如果没有这样的结束，地球无法诞生，生命无法形成，世界中将只有氢原子与氦原子存在，被锁在永不死亡的恒星内部。
2、两颗原子聚合成更大的原子时，它们的一部分质量消失了。失去很小的质量，同时释放巨大能量，兑换公式为E=mc²。核聚变产生向外扩张的能量与引力带来的向内压缩的力量平衡，令恒星有一个稳定的大小。
3、核聚变释放出巨量的光和粒子，这些光与粒子又将它们周围的一切都剥离成原子核与电子。这种原子核与电子分离的物质状态被称为“等离子体”。太阳是等离子体：等离子体是由电子、失去了部分电子的原子（离子）、失去所有电子的原子（仅剩原子核）所组成的炽热混合体。
4、核聚变燃料用尽时，引力将打破平衡，太阳塌缩而变得更紧密，直到核聚变再次被点燃，但这次核聚变发生的场所不是在内核，而是在离表面更近的地方。这次核聚变将大于引力，太阳表面将被推开，太阳体积变大，喷出更多更重的原子。最后，这些原子与周围其他死去的恒星残骸混合在一起，变成星尘，形成巨大的星云，或许，在将来成为新世界产生的种子。
第4章 我们的天体家庭
1、太阳系的行星与地球一样，都诞生于同一片早已死去的恒星所留下的星云。它们都被被太阳的引力所束缚，也都会因太阳爆炸而毁灭。
2、小行星带的石块分得挺开，许多人造卫星都曾飞越其中，毫发无损。
3、海王星之外是彗星库，被称为“奥尔特云”，看起来像占据了太阳与其他恒星之间的所有空间。
4、离我们最近的恒星是比邻星。
第5章 太阳之外
1、比邻星是红矮星，天空中大多数恒星是红矮星。
2、红矮星比太阳小，原子聚合速度比太阳慢好多。对恒星来说，体积越大，寿命越短。
第6章 庞然大物
1、想象一颗玻璃珠和一只大碗。你让玻璃珠贴着碗壁旋转，如果转速太慢，玻璃珠会马上落到碗底。如果转速太快，它就会沿着碗壁上升并最后废除大碗。如果速度刚好，它就在碗壁稳定旋转，直到摩擦力将它的速度变为热能减慢它的转速。但，太空中没有摩擦力，所有恒星都不会损失它们的动能。
2、星系中心应当有一颗质量超过四百万颗太阳的星星。但在中心找不到这样的星星，唯一的解释是，星系中心是一个黑洞。
3、黑洞引力巨大。恒星被黑洞撕扯，行星般大小的物质从恒星表面撕裂飞出。就像玻璃珠转得太快，那颗已经解体的恒星的星尘在到达黑洞核心之前就被抛了出来……它的质量被转化为人类所指能量最高的两种光线——X光与伽马射线——所构成的两道激流，一道朝上，一道朝下，就像两道灯塔的灯光，射向银河系恒星间巨大的空间。这是一种没掉入黑洞的死法。
第7章 银河系
1、如果你把太阳系，以及其中的行星、小行星和彗星看成我们在宇宙里的家庭，把比邻星当做我们的邻居，那么银河系就是我们在宇宙中的大城市，一个由三千亿颗恒星构成的繁华都市，而我们的太阳，指示其中的一颗。
2、找一个一米见方的纸箱，装满沙子，共装300个。我们银河系里恒星的数量就和这纸箱里的沙粒数量差不多。将300个纸箱里的沙子倒在特拉法尔加广场上，铺成盘状，分出四条旋臂，然后让他们坐上尼尔森雕像的肩膀。这就是你现在看到的银河系景象。太阳就是其中的一粒沙子。
3、仙女座星系是宇宙中离我们最近的银河系外实体，它将在四十亿年后与银河系撞在一起。星系太大了，其所含的恒星之间有着巨大的空隙，星系的碰撞很少会引起恒星之间的碰撞。
第8章 宇宙尽头的第一道墙
1、当你到达离地球大约135亿光年的地方时，前面几乎已经没有光了。在那里，第一颗恒星还没有诞生。因为这个原因，你所穿过的地点与时代被称为宇宙黑暗世纪。我们所看到从哪里发出的光都已经在宇宙中走了135亿年。就是在那个时期，大概持续了8亿年，第一颗恒星开始讲氢与氦这些小原子聚合成重原子。这些是第一代恒星。而我们的太阳则是第二代或第三代恒星。
2、你突然来到一个光穿不过的地方。这是一道时空之墙。这道墙后，宇宙并不是黑暗，而是不透明。你伸手感触墙后的世界，你所触到的是一种巨大的能量，能量将光束缚在墙后。你所到达的地方是我们的望远镜所能看到的最远处。在能看到的时空里（墙内），我们的宇宙变得透明。墙外的时空所发出的光不能以直线到达地球，这些光线无法被我们任何一台望远镜捕捉到。这面墙便是我们可见宇宙的尽头，这道光线无法穿过的墙被称为“临界最后散射面”（surface of last scattering）。
3、这听起来就像是有一个圆球，地球就处在这个圆球的中心，这个圆球的直径有135亿光年，这个球的表面就是那道墙。球体之内就是可能被人类所接触的可见宇宙的全部。然而球体之外并不是没有东西，只是人类看不到。在这个意义上，地球就是地球人所见宇宙的中心。
第二部分 理解外部空间
第1章 定律与秩序
在地球上，在牛顿生活的年代，没有任何实验可以证伪牛顿的万有引力定律。
第2章 讨厌的石头
1、牛顿的理论无法预言及解释水星的一个微小误差，这种误差来自牛顿不可能想象得到的引力的某种特质。
2、牛顿的公式给物体如何相互吸引定了量，但它没有解释引力到底是什么东西。
第3章 1915年
1、如果引力来自“什么也没有”，也就是说，来自宇宙的基本构造（不管所指何物），会是什么情况？让我们想象一个很重的球被放在一张被拉紧的橡皮膜上。橡皮膜会在球的周围向下弯曲。如果你在橡皮膜上涂上肥皂，任何在橡皮膜上行走的东西——比如一只蚂蚁——如果走到弯曲的部分，就会滑向那只球，向下滑。对于那只蚂蚁来说，这种效果就如同引力。宇宙的构造或许是一个3D或者4D不可见的膜。引力就仅仅是宇宙弯曲的结果，当一个人跌落时，并不是有一个往下拉的力让他跌落，而是他沿着宇宙构造中一个不可见的斜坡滑行而已（直到他撞倒地上或其他类似地方阻止了他进一步跌落）。
2、上述理论解决了牛顿未解决的水星误差问题。上述理论就是爱因斯坦的广义相对论。
3、广义相对论说明我们的宇宙是有形状的，这个形状是动态的，会随时间而变化。当恒星、行星以及其他一切东西运动时，它们在我们宇宙构造中造成的弯曲也随之改变。
第4章 过往层层
1、宇宙第一原则：为了了解大自然，我们必须超越我们的感官告诉我们的感知，而为了实现这一点，我们假定，在相似条件下，大自然在任何时间与空间都遵循同样的定律——无论在此处还是彼处，在现在还是过去或未来，在我们看到的时候还是没看到的时候。
2、光是我们了解宇宙的关键，光是粒子、又是波。光有两个指标，一个是波的高度，一个是波之间的距离。波的高度代表我们所称的强度；波之间的距离我们成为波长。波长越短，频率越高，波所带的能量就越大。
3、区分两种颜色的标准在于它们波长的定义。光线从低到高的能量排序是：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X光、伽马射线。
4、任何恒星发光的时刻，它所发出的光线都带着自己的信息。这些信息以光速穿越空间，经过很多时间后才能被我们看到。这意味着我们在天空中看到的那些最远的恒星可能已经死了。就像老奶奶给你寄一封很慢很慢的平邮信一样，你收到信时，说不定老奶奶已经过世了。
5、观察夜空就如同接收来自各处的明信片。大量明信片。发自我们宇宙历史上的各个时间与地点。将这么多明信片拼接起来，我们可以重建从地球上观察到的，你得宇宙的一小段历史。
第5章 膨胀
1、重复一遍：我们队于遥远宇宙的一切了解，都来自我们所见到的光。
2、电子可以从一个轨道跳跃到另外一个轨道，这个过程要么吸收能量、要么释放能量。电子离原子核越远，其所携带的能量就越高。因此当一个电子从离原子核较近的轨道跳跃到另一个较远的轨道时，它必须吸收一些能量，就像一直热气球必须加足火焰以供应更多热气才能飞得更高。我：就像F1从外道超车时，必须踩油门。反之，要移到离原子核更近的轨道，电子需释放能量，就像热气球释放热气以便飞得离地面更近。能量来自于光，电子通过吸收或释放光来实现跳跃。但并不是任何光都行。如果光的能量不够，那么电子无法实现跳跃，只能待在原来轨道。如果电子被击中的光的能量太强，电子就有可能跨越多个轨道，甚至逃逸原本它们属于的原子。
3、想象有一个光源，其向各个方向释放的光线中含有从最低到最高能级的的所有的波长。如果在离光源某个剧烈处存在着一个原子，他的电子笼罩在所有波长的光线之下，会疯狂地吸收它所能吸收的能量，从自己所在的轨道跳远到一个更高能量的轨道上。如果这种跳跃发生，这个电子就被激发了。您能找出那个原子都吸收了哪些波长的光，那些没有被吸收的光都顺利通过，你能够检测通过的光线的波长。同时，在连续彩虹中有几小块颜色变暗，就对应了被原子吸收的波长。这个图标被称为光谱，暗淡的部分被称为吸收线。科学家们只要看一眼光谱中缺少了哪些光的波长，就能够知道位于你与光源之间的是哪种原子。
4、想象宇宙的构造能像吉他弦一样拉紧，每拉紧一些就会让在其中传播的光的波长变高。因为光可以被认为是一种波，拉紧能增加连续两个波峰之间的距离，也就是说增加波长。也就是向蓝色-绿色-黄色-红色偏移。在光谱中，意味着宇宙远处所产生的颜色往红色方向移动，它们被“红移”了。我：相同的原子，地球远处的原子吸收的光的波长更长一些。（是不是用松弦更贴切一些？松弦，弦被拉长，对应宇宙膨胀？）
5、如果宇宙的构造持续拉紧，那么光线传播得越远，它到达地球时红移得越厉害，从蓝色到红色，最后变成不可见的红外线和微波……通过从远处恒星所发的光在地球上看到的颜色与它们自己原先真正颜色的差别，可以计算出该恒星离地球的距离。
6、以上意味着远处星系与我们之间的距离在变大，一直如此。这就是宇宙膨胀。
7、宇宙第二原则：要猜想离地球很远很远的地方所发生的事情，人类必须假定宇宙中没有一个特别的位置。
8、宇宙第三原则：如果某个观察者在宇宙各处观察，对于他来说，任何方向看出去都是一样的。远处的星系总是远离他所在的观察点，同那些星星远离地球一样。
9、宇宙第三原则管的是大场面，适用的尺度比星系都要大得多得多。生活在遥远世界的外星人看到的宇宙与我们看到的完全相似。当然，细节不同，但在大尺度上是一样的。它们也一样被从他们的历史所传向它们的信息总和所包围，他们在他们的夜空中见到的是我们共同宇宙的另一个历史片段。要了解我们的宇宙，要看到整体，就需要把宇宙中每个点，每个过去的历史片段都加起来。当然，相近的两个地方的历史有很大重合，但相隔着巨大空间距离的两处可能在历史上完全没有交集。然而，它们依然被认为是相同的。
10、远处的星系之间的距离一直在变大。邻近天体之间却没有这种现象，因为引力在短距离内足够强大。星系产生的万有引力抵消了这种膨胀，无论是在它们边界的内部（比如太阳和邻近恒星之间的距离不会扩大），还是在边界的周围（邻近星系确实在逐渐靠近）。但在大距离上，膨胀无处不在，这被命名为哈勃定律。
11、根据哈勃定律，如果现在我们的宇宙中所有遥远的东西都在离我们而去，那么现在离我们很远的东西在过去应该会靠近一些。换种说法，整个宇宙在过去比现在要小！
第6章 感受引力
1、把地球想象成一个球体，它在自己周围的宇宙构造中产生了陡峭的弧度，所以许多东西粘在了它的表面。你所见到的一切物体都会顺着斜坡滑下。你自己也顺着滑下，指导地板或者其他什么东西——比你密度更高的东西出现在你下方，防止那些物体、你和其他一切东西进一步下滑。地壳上的岩石比水密度大，因此海洋位于海底坚硬的岩层上。石头与水比空气密度大，因此大气层位于我们地球表面（岩石或水）之上。一些密度大的物体能够离开地面，升入天空，但它们需要能量来支持这种行为。所有地球上的东西都沿着我们的星球所产生的斜坡一直下滑。因此，我们的星球有着不同的层次，从天空之顶到地心，最轻的粒子在上面，最致密的在深处。其致密的内部完成整个平衡花了几十亿年的时间。
2、光在太空并不一直以直线前行，当它路过星系、恒星、行星，甚至一块小石头附件是，光线会变弯。物体密度越大，光线路径离它越近，弯曲程度就越明显。当星系、恒星、行星移动式，它们所引起的曲线和斜坡也一并移动，跟它们一起互相舞动、融合。引力不再被看作一种力，现在，看成是一幅由曲线、高峰和斜坡构成的风景。
3、想要离开地球表面进入太空，你向上扔出去的物体速度必须高于每小时40,320公里。这是地球的逃逸速度。
4、所有东西都在任何方向上产生不可见的斜坡，我们称之为引力。物体越致密，其产生的斜坡就越陡峭。如果所有的大家伙们能让我们宇宙的构造变弯，光一定也能够，因为能量就是质量，质量就是能量。
第7章 宇宙学
1、我们的宇宙，虽然它一直拥有着它至今依然拥有的能量，却曾经完全没有大小。在空间和时间上都没有大小。任何声称所有被我们的可见宇宙所包含在内的一切在过去的某个时段曾经大小为零（或非常接近于零）的理论都被称作“（热）大爆炸理论”。“热”是指只有一个非常热的过去才有可能将我们整个可见宇宙的所有能量压缩在一个非常小的体积之中。“大”是因为它含有整个可见宇宙。
第8章 宇宙地平线之外
1、想象你乘小艇在海洋上漂流，环顾一下，你能看到地平线形成的圆圈，中心就是你。你无法看到地平线之外的东西，但并不意外着地平线之外没有东西存在。在太空里，也是一样，我们从地球上能看到的可见宇宙是一个半径为138亿光年的球。这个球之外是不透明的，光无法自由穿越。宇宙中有无数个半径为138亿光年的球，可能与我们的球重合，也可能不重合。
第9章 大爆炸的铁证
1、刚开始，宇宙过于致密，光会撞倒质量或能量并被弹回来（散射）。但当宇宙膨胀到不那么致密时，终有一时刻，光可以自由穿过。这时，光最后一次被散射，产生了我们历史上的临界最后散射面。
2、宇宙大爆炸发生在临界最后散射面形成的38万年之前，也就是说发生在138亿年+38万年之前。
3、根据爱因斯坦的公式，临界最后散射面的温度是3000℃。但是，实际在我们周边测得的最后散射面的温度为-270.42℃。中间的温度差异如何解释？光波的颜色与能量取决于波长。经过时空长达138亿年的拉伸，临界最后散射面上这束最早的光的颜色开始由蓝变绿、变黄、变橙、变红……接着就变得无法被我们的眼睛可见，变成红外线，后来是无线电波，最后是微波。当光可见时，那里很热，现在可见光已经变成——经过138亿年的膨胀后——-270.42℃的冷光。也就是说，光的波长被宇宙膨胀拉成了微波（能量较低的波，波长较长的波）。
第三部分 快
第1章 做好准备
我们的感官适应我们生活中的大小尺度以及在地球上的生存，但我们感受到的并不是全部。接下来的旅程是感受“快”和“小”。
第2章 奇特的梦
第3章 我们自己的时间
1、速度会改变时间和空间。时间的流逝取决于物体间的相对运动速度，根据该速度可以算出物体在时间上的预期差异，这就是狭义相对论。
2、物体旅行速度越快，时间膨胀越明显，物体长度也会收缩。你背着光速加速器远离地球而去，你发现地球上的钟会比你手表跑得更快，同时，你前进方向上的目标变得异乎寻常的近。它们离你的距离所缩减的速度，恰好跟与地球上的时间相比所变慢的程度相同。整个宇宙在你眼里如同透过一个变了形的放大镜所看到的景象，正前方的距离变短了，而侧面完全没变。你经过一个正在进行空间漫步的宇航员，她的动作被加快了十万倍，她腕表的指针疯狂转动。你看到了她与你在时间上的差别！你看到了她整个一生在你眼前展开。半秒过去了，哪位女宇航员已经回到了地球，又过了几个眨眼的时间，她已经去世，孩子长大，孩子生了孙子，地球已过了几千个昼夜，对你而言，不过是几秒钟。
3、你已离光速越来越近，但是还是有些不对：近来你的速度没有提高多少。而且，你火箭提供的能量似乎变成了质量。没有什么带有质量的东西能够到达光速运动，有质量的东西越快，让它加速就越不容易。
4、三个违反常理的现象：一是地球的时间变快；二是距离在你前进的方向上变小；三是你变得越来越重。
5、当你的速度是30万公里/秒的87%，即26万公里/秒时，你的一秒等于地球上的两秒。在地球人看来，你飞了两秒，经过了52万公里。在你看来，你飞了一秒，经过了26万公里。地球人眼里的52万公里在你眼里只有26万公里，地球观察者的一公里在你这里变成了半公里。你的速度不变（26万公里），不管是你自己测量，还是他人测量。速度与观察者无关，但时间与长度取决于观察者。物体本身随着速度变大而缩短。在没有以同样高速运动的人看来，高速移动的火箭和上面的乘客都收缩了。
6、你因为高速运动而变得如此之重，你在自己身边的时空中形成的曲线已经变得非常显著，宇宙已经在任何一个方向都发生了变形。这已经不再取决于速度，而是引力了，引力所带来的时空弯曲，使小行星也向你跌落。你还在持续增加质量，注定有一天会变成黑洞。
第4章 如何才能永远不老
1、不存在一只钟表可以在宇宙各个地方以同样的方式走动。或许你能走得与光一样快，但你需放弃自己的质量。所有质量。光无法携带任何质量，这才是它这么快的原因。光喜欢轻装上路。任何有质量的东西在加速过程中会变得越来越重。要想达到光速，从一开始你就不能具有质量。
2、假设你没有质量，可以加速至光速，你的时间将会停止流逝。因此，光不会变老，当我们收集到来自我们可见宇宙最远端所发出的光线时，我们得到的就是那时候宇宙的样子（当然，需要进行红移修正）。即便你变成了光，你的时间将无法推进，你确实实现了永生，但你自己却意识不到。
3、作为有质量的你，或许还是可能到达你邻居所到不了的将来。你所需要的指示以足够快的速度旅行。或者移民到一个比地球强得多的引力的星球上去。（质量大所以速度大？）
第四部分 跃入量子世界
第1章 金块与磁铁
1、磁铁之间产生的力不是万有引力。
第2章 如同海里的鱼
1、与海洋不同，量子世界无处不在，在构成我们的物质中，在光里，在外太空里，甚至在“虚空”的太空中。
2、电磁场中有虚拟光珠，它们的存在只有一个目的：携带电磁力。电磁力的规则是，虚拟光珠排斥同种电荷，而将异种电荷拉到一起。同种电荷之间会被两电荷间出现的虚拟光珠推开。电荷间距离越近，出现的虚拟光珠越多，排斥力就越大。异种电荷距离越近，吸引力就越大。中性物体不在乎这些虚拟光珠，它们能够通过拥有完全相同数量的异种电荷实现中性，或者完全不带任何电荷。
第3章 跃入原子世界
1、原子都有这样的结构：不同大小的原子核被一个或多个电荷波围绕，那个模糊的带着电荷运动的波为“电子”。电子并不是你想象的是一个微小的点。
2、电子可以进行量子迁跃。量子迁跃只发生在亚原子世界，即电子可以在亚原子世界中随意跳跃。在微观世界中，几乎所有东西动能穿过任何阻碍。为什么？我们的理解是它们能够从它们能够从它们所属的量子场中借到能量。不管想借多少都行。能量与时间不能同时确定，位置与速度不能同时确定。电子是基本粒子，但原子核不是基本粒子。
3、电子并不是只通过虚光子与其他世界发生联系。它们也涉及实光子，那些你的眼睛能够看到的光线。今天我们认为，实光子与电子一样，都是电磁场的基本表现，不由任何其他东西构成：它们是一个不可见海洋中纯粹的涟漪，而且是量子涟漪，意味着它们既能像波一样活动，也能像粒子一样活动。电子和光子可以相互转化。当你沐浴在太阳下时，不是能够感到温暖吗？你的皮肤与世界上所有的物质一样，都由原子构成。这些原子的外层充满了电子。当来自太阳的光线照到你的皮肤，皮肤上的原子及其电子们会捕捉一些光子，进入激发状态，在激发状态下，电子们摇摆得更快，于是产生了你身体所享受的热量。
第4章 坚强的电子世界
1、原子也能吐出它们的电子锁吞噬的光子，让我们和其他物体以一种或多种颜色发光，那些颜色就是被某个或某组原子的电子所吞噬后被释放出的光的颜色。当光线找西红柿上时，除了红色之外的其他所有可见光都被西红柿吸收变成热能或者其他能量被储存，龚光对西红柿的原子没有用，因此被吐出来，重新开始它们的旅程，指导进入我们的眼睛，我们的身体能够将所有这些怪异的相互作用转换成能被我们大脑处理的感觉信号。
2、电子处于不同的轨道上。第一层（最内层）只能有2个电子，第二层可以有8个，第三层可以有18个，第四层可以有32个，诸如此类。一个原子与另一个原子之所以不同，在于原子所容纳的电子数不同。此时要把电子看成波，波很容易占据一定空间。在一个已经填满电子的轨道里，新来者无法找到空位。新来者要么在其他轨道上定居，要么把原住民踢走，自己占据轨道。电子波永远不会重叠。这个不许同居的规则，叫做泡利不相容原理。这解释了你为什么能用手抓书：书封面上的原子最外层的电子拒绝给你手指上的电子让位。而你手上的电子也不退缩，因此它们保持距离。你的手便不会穿过书本。
3、原子最外层的轨道上如果还没有铺满电子波，那么其他原子的电子波可能会跳过来占领这个轨道的空间。与这些电子结合在一起的原子核没有办法，只能跟着电子走。于是两个氢原子和一个氧原子被迫生活在一起——形成了水分子H2O。通过共享一个或几个电子，许多原子能以不同的方式结合在一起，形成不同的分子。DNA分子由几十亿个原子结合而成，携带着造人的所有必要信息。
4、空气中的原子并不分享它们的电子，所以没有都绑在一起。作为固体的你，原子们都绑在一起。空气中的原子并不阻止你穿过，而是挤向它们的邻居替你让路。这样的移动产生了风。这样的区别就是固体与气体的差别。在液体里，原子们绑得紧一些，但没有紧到可以阻止你的程度。
5、失去一个或几个电子的原子成为离子。离子总想找回电子。分子中由电子形成的绑定也会被打破。通常这个过程伴随着能量释放。你身体里的化学反应降解了食物中所含的分子，释放出它们的能量，被你的阻止以各种方式利用，维持你的生命。
6、宇宙中所有的原子外部都是模糊的、具有波形且体积巨大的带有电荷的电子。它们是基本粒子，也是自己私人空间的严格护卫者。泡利不相容原理不允许两个电子在同一时间出现在同一地点，即使宇宙中所有原子的内部绝大多数地方都空无一物。原子携带的电子越多，原子就越大。光子不遵守泡利不相容原理，光子甚至喜欢待在一起，完全相同的光子高度集中，就是带有高能的激光。
7、除了电子和光子，宇宙中还有其他粒子。
第5章 一所特别的监狱
1、原子核比电子重1836倍。原子核由质子和中子组成。质子带有电荷，数量与电子一致。质子由夸克与胶子构成，夸克和胶子均是基本粒子。胶子将夸克囚禁在质子监狱中。质子中有三个夸克，两个上夸克，一个下夸克。目前已知六种夸克，质子中的上夸克和下夸克是其中的两种。夸克只有在非常接近时才会得到自由，否则将一直被胶子束缚在质子中，这也确保了构成我们的物质不会裂开。
2、原子核中的中子是电中性的。中子，也是夸克监狱。一个中子内含两个下夸克，一个上夸克，与质子相反。
3、两个胶子结合，变为两个夸克。两个夸克挨得很近，所以自由了。两个夸克牵手向中子私奔，在进入到中子时，夸克又变成了胶子。正是存在这种交换，中子与质子才能共存于原子核。那对穿行于监狱之间的夸克双胞胎被称为“介子”。它们所携带的作用力被称为“强核力”。这是一种吸引力，非常强大的吸引力。恒星将中子和质子聚拢在一起，这是，就不需要那么多胶子来守护夸克，多余的胶子与介子就被解雇了，解雇就意味着失去质量/能量。这就是为什么聚变产生的原子核比原先原子核各自重量之和要轻的原因。在恒星内部，引力的能量被用来合成原子，这个过程又会让质量被转化成光和热。
4、强相互作用力是最强大的力量。
第6章 最后的力量
1、电磁力确保了电子能留在原子核周围。没有它，电子可能飞走，或者坍塌到原子核中。电磁场提供了原子的电稳定性以及原子们相互分享电子、组建分子，以及形成我们自己的物质构成的机制。
2、强核力管理者原子核自身内部。它将中子与质子拉在一起，构建起原子核。没有它，所有的原子核都会解体。构成着一切的根本，是强相互作用以及从背景中出现的胶子。
3、最后的一种力也是核力：它所述的量子场被称为“弱核力量子场”。自发的原子核分裂，一个被称为“放射性”的过程就是它的特征之一。
4、一个不稳定的大原子通过衰变变成更小更稳定的原子。这就是核裂变，它是核聚变的反面。弱核力及其携带者W和Z玻色子主宰这个领域。
5、在放射性衰变所释放的所有粒子中，有一种粒子质量很小，不带任何电荷，一旦射出，即穿透所有物质，几乎不受阻挡，这粒子就是“中微子”。中微子只收弱核力与引力影响。电磁场及强相互作用场对它们没有影响。
6、原子核衰变时，除中微子外，还会发出夸克监狱、电子与光子。后面三种很危险。
7、个头最大的是被相互绑在一起的四个夸克监狱：两个质子与两个中子相结合，被称为“阿尔法粒子”，实际上就是一个失去电子的氦原子。为了成为正常的原子，这个氦原子核就要设法偷到两个电子。它可以抢，可以共享，可以收留。当它在你皮肤上抢电子时，皮肤上的原子失去电子后，又会去抢别的电子，发生一系列化学反应，导致放射性灼伤。
8、第二种是高能电子，它能将远处的正常电子打飞。也会造成放射性灼伤。
9、第三种是高能光子，伽马射线。伽马射线能够通过击中原子将后者的一个电子带走，同样灼伤皮肤。而且，伽马射线还会穿过皮肤，造成更深处的混乱，比如破坏DNA分子等。
10、地球的地幔层是放射性的。没有放射性，就不会有地震或火山爆发，我们所知的生命或许不会存在。放射性打破原子，具有杀伤力，但它所代表的弱核力场将恒星储存在构成我们星球家园的原子中的一部分能量释放出来，还给我们，不可或缺地温暖了我们的世界。
11、原子能作为整体，通过原子核的聚变或裂变，能释放出巨大能量。
第五部分 到达空间与时间的源头
第1章 要自信
1、在宇宙早期，电磁力与弱核力是同一种力。
第2章 没有什么“什么都没有”
1、只要你没有去观察，一个粒子就能真的经过你能够想象的所有途径。
2、粒子以极慢的速度发出，一开始，它看上去像是一团模糊的云。你看着它似乎分裂成无穷多的自身鬼影，实际上成为一种波，一种被它所属的背景场推动着的波纹，向着空间与时间的各个方向运行，从柱子的左边与右边，还有中间穿过，还穿过了房间的墙壁，分裂成你能够想到的极限之多的自身影像，直到突然之间聚集在一起，结束在房间另一边墙上的一个点上，触发了另一个探测器。这就是科学家相信无人观察到的粒子的行为。当有人试图探测一个粒子时，就像那些安装在墙上的探测器所做的，粒子就不再出现在所有地方，而是只在一个地方。
3、者是否意味着有了合适的探测器，你就能够创造你自己的真实世界？不。你无法塑造宇宙，因为在你一瞥之后，构成量子世界的所有量子可能性中，究竟哪一个会成为现实无法事先被预料。可能性而非确定性的存在是对及其微小的世界你不得不接受的客观性质。（某种意义上，或然性的存在也保证了自由意志的存在？）
4、粒子要出现，就得先从量子场中借到一些能量。因为这些场填满了所有时间与空间，粒子因此可以在任何时间与地点出现。这就是为什么说宇宙不存在真正真空的原因。
5、两块金属板外面的空间大于在两者之间的空间。其后果是两块板之间无中生有出现的虚拟粒子应该与在两块板之外出现的粒子不同，两种真空因此会不一样。从而产生排斥或吸引。实验的结果是，金属板确实移动了，这种吸引现象称之为卡西米尔效应。
6、在整个宇宙中，所有的基本粒子，都诞生于同一个背景场中，也会在任何时候被同一个背景场吞噬湮灭：某个量子场的真空。那些不可见的、充满我们整个宇宙的背景海洋。所有的电子都是电磁场完全相同的表现，它们都诞生于电磁场的真空之中，并在此中传播。光子也一样。每次电子出现，成为实体，就像是它周围的电磁场真空踢了一脚，把它从幽灵般的昏睡状态中唤醒。每次胶子出现，背后的原因是强相互作用场真空中一些能量的增加或减少。每次放射性衰变发生，弱相互作用场的真空都会牵涉其中，发射出它的基本中微子。真空中能量越多，它能产生的基本粒子越多。
7、但是否存在引力场，引力场中是否也存在携带引力的粒子？“引力子”尚未被发现。目前，时空弯曲仍然是描述引力行为的最佳方式。
8、在一千亿度高温，可以统一电磁场与弱作用力场，称之为“电弱场”。
第3章 反物质
1、一个电子凭空出现。电子带有质量。质量就是能量。但电荷是怎么回事——你不能无中生有地创造出某种东西而不付出代价。
2、一个电子必须与和它除了电荷之外一模一样的粒子一同被产生。那个粒子所带电荷为正，称为反电子。当一个电子与反电子相遇时，发生湮灭，消失不见。它们的质量变回能量，一瞬间变成光。
3、反电子又称为正电子，1933年被发现。
4、反夸克、反中微子、反光子一样存在。每次放射性衰变发生时，产生反物质，但会迅速和与之对应的正常物质湮灭，产生高能光线，直接射过你的身体。PET即是基于此原理而产生的应用。医生将液体“示踪剂”注射到你体内，这种液体本身具有放射性，每次衰变时就会释放一个正电子。这个正电子与遇到的第一个电子发生湮灭，变成伽马射线，被体外的PET探测器测到。这些信号能被用来重建你的身体如何运作的3D模型。
第4章 墙外有墙
1、在138亿光年之外，是一堵不透明的墙，这堵墙的厚度有38万光年。这堵墙一面链接着临界最后散射面，一面连接着宇宙的时间与空间的起点（开端）。
2、宇宙的开端所处的时空被成之为暴胀场，也即量子引力场，在这里，量子场与引力场终于统一起来。然而，这亦是现代知识的极限。
3、量子引力场之外还有普朗克时期（一段非常短的时间）。
第5章 遗失的过去无处不在
1、对于单个粒子来说有可能的事情（在量子场中粒子可能同时存在于不同的时空），但对于亿亿万万粒子的集合体来说——比如人的身体——是不可能的。人只能在一个时空中，而且，时空不可穿越。尤其是，不能回到过去。但是，过去的生活过去的人还是留下了一系列图像在时间与空间中移动。这样的图像以光为载体，永不消逝。
第六部分 意料之外的谜团
第1章 宇宙
1、黑洞和宇宙的最早时期有着共同的特征：都有一个极限——普朗克墙。爱因斯坦的引力理论在通向普朗克墙的路上失效了。
第2章 量子无限
1、量子场论断言只要有场存在，就能产生小块的能量，或者小块的物质，它们被称为量子。引力场（被称为一个假设的量子场）的基本量子是引力子。
2、在量子场论中，从真空冒出的基本粒子是由它的场本身所构成。但引力场是时空场，因此其基本粒子应该由时间和空间来构成。这意味着我们周围应该有时空的基本小块存在。任何地方都如此，也就意味着空间与时间不再是连续的。而且，这些时空基本小块即是波又是粒子。它们服从量子隧穿，服从量子迁跃……这与我们的观察及体验不符。
3、人类发现了两种有效理论，一种描述了我们宇宙的结构（广义相对论），另一种描述了我们宇宙包含的一切（量子场论），但这两种理论无法统一。
第3章 活着，或是死去
1、为什么我们在自己周围哪儿也见不到量子效应？
2、在黑暗中，通过射击的方式试图发现某个运动着的物体的位置。撞击会影响你所要探测的东西。如果你发射的东西弹回你处，你就能知道当撞击发生时，你想要探测的东西在哪里。如果你接着射击想知道它去哪里，你就会发现你的第一次射击已经改变了了它的速度。在量子世界，这表明在本质上你不能同时知道一个粒子所在的位置和它运动得多快，这就是海森堡测不准原理。严格来说，它不是测不准，只是显示出在我们日常经典世界中对于位置与速度的理解不适用于微观世界。这个原理也的确延伸到了我们生活的尺度，只是我们不能感觉到而已。当涉及太多粒子时，其效应变得不不那么显著。
3、量子波的自我塌缩是怎么回事？如果不去管它，量子表现出它自身的多重影像（像波），在时空中同时沿着所有可能的路径移动；在观察之后，量子就位于某处，而且永远位于该处，而不是接着再回到无处不在的状态。这不好解释。
4、薛定谔的猫在你打开盒子之前，猫的命运已经决定了，还是在打开盒子之后，极快的瞬间被决定？是后者。实验证实了量子叠加状态！科学家证实几乎所有量子粒子都能够，也确实同时以不同且互斥的状态存在。这也是量子计算机的原理，利用量子粒子能够同时以不同状态存在这一能力，能够实现同时“平行”计算的量子计算机的计算能力在原则上能指数级地强大于传统计算机。
5、叠加状态是真实的。打开盒子后，出来一只活猫。那问题来了：死猫去哪了？死猫在另一个平行历史中。平行宇宙论认为，宇宙根本就没有做出任何真正的选择。可能发生的都会发生，只不过，身处一个宇宙的人无法观测到另一个宇宙发生的事而已。
第4章 暗物质
1、要稳住银河系里任何一颗恒星按现在的速度运行而不飞走，银河系的质量远远不够。银河系应有五倍以上的质量，否则所有的恒星都会飞走。包括太阳。也就是说，银河系中还有很大部分的质量没被发现，这被称之为暗物质。暗物质不是物质、不是反物质、也不是其他的什么、没人知道它到底是什么。但它就在那里。任何地方只要有物质存在，边上就有暗物质相随。每一公斤由中子和质子和电子构成的普通物质，都有五公斤暗物质伴随。看起来，我们宇宙所含的不可见部分远远超过可见部分。
第5章 暗能量
1、科学家发现，大约50亿年前，在经过了大约80亿年的正常行为后，宇宙的膨胀开始加速。但是，按照爱因斯坦引力理论，只允许物体间相互吸引。因此，充满宇宙的不管什么物质，无论是普通物质、反物质、暗物质，长期来看，终会让膨胀变慢。而不是加速。这种致使膨胀加速的力量大约50亿年以前超过了其他所有大尺度力量，开始显现威力，在这之前，它的效应是零。这被称之为暗能量。
2、暗能量是暗物质的3倍，是普通物质的15倍。我们宇宙能量构成如下：暗物质72%；暗物质23%；我们已知物质（包括光）4.6%。暗能量很可能使宇宙的膨胀永无止境，带来非常寒冷的宇宙未来。被冻死和宇宙收缩被挤死一样惨。
第6章 奇点
1、奇点之母位于我们宇宙的过去，当我们整个宇宙的能量被限制在一个极小的空间中的时候。其他奇点位于遍布我们宇宙的每一个黑洞深处。黑洞是“空洞”的反面：它们因某种灾难性的塌缩而产生，太多质量被挤压到太小的体积当中。巨大的恒星死亡可能引发这个过程。
2、因为黑洞与我们的开端都具有将巨大数量的物质和能量禁锢于一个非常小的空间里这个特点，因此解答这一现象的理论也应该混合了引力和量子进程。
第7章 灰色就是新的黑
1、如果你坐在我们宇宙的任何一个天体上，你都能发出光信号来告知自己的位置。但你所在的天体越致密，它周围时空的坡度就越陡，你也需要越多的能量来使你的光信号越过这个陡坡。就像大碗，碗越深，你就需要将你的玻璃珠加速越高才能让它一路滚上去，翻过碗边。黑洞所形成的坡太陡，没有任何东西能够拥有逃脱黑洞引力的能量，光也不行。过了黑洞地平线，任何光都出不来了。物体的影像就此被冻结在河东地平线上。
2、在黑洞周围，你的时间流逝得比其他所有地方都慢。这次不是因为你的速度快，而是因为引力大。（质量大的星球，时间过得慢，见《星际穿越》）
3、事实上，如果你真的身处黑洞，你早就死了，因为你的血液没有可能攀上你正沿着滑落的时空斜坡到达你的大脑了。你的脚上搜到的力开始明显大于手臂与头部。黑洞的引力正在拉伸你的身体，你将成为被拉细的意大利通心粉。
4、理查德·费曼：只有一个人能够给出多个不同理由来解释某种现象为什么会发生时，他才真正了解这个现象。
5、粒子可能逃离黑洞：原因一，量子粒子能够从产生它们的场中借到能量，拥有这种能量，它们可以在一小段时间里跑得比光快，从而通过量子迁跃跳出黑洞；原因二，所有掉入黑洞地平线的粒子也没有掉入，而且大多数途径是没有掉入，因为黑洞外面的空间大于黑洞内的空间；原因三，因为地平线将空间分为不同的两部分，真空作用力——卡米西效应——将地平线向里推，让黑洞变小并蒸发；原因四，所有黑洞地平线附近都会产生粒子——反粒子对，反粒子掉入黑洞的可能性比粒子掉入的可能性大，就像我们身边的反粒子的数目大大小于粒子一样。穿越了地平线的反粒子被黑洞禁锢，肯定会与已被禁锢在那里的粒子发生湮灭。而在地平线之外的粒子得以存续。上面的结论就是：黑洞在蒸发，有物质从黑洞内部泄露出来。黑洞变得越来越热，至今还一直休眠这的基本粒子们开始苏醒并飞离黑洞；黑洞越小，量子场的能领被激发得越强，粒子以越高能的能量飞出黑洞。引力能量再一次被转化成物质与光。黑洞蒸发得越多，收缩得越小，会变得越热。量子效应让黑洞蒸发，掉入其中的一切未必永远被禁其中。
6、黑洞将自己最后的能量辐射出来（霍金辐射），黑洞辐射是人类至今为止获得的，或许能证明自然界在大与小的世界发生交流这方面能被理论认识的唯一证据。这也是量子引力理论可能存在的唯一暗示。
7、无论往黑洞里扔什么，最后被黑洞蒸发出来的都是无差别的质量。因此，黑洞剥夺掉入其中物质所携带的一切信息，除了质量。
8、大尺度的黑洞蒸发难以探测，一方面是由于霍金温度比绝对零度高千万分之一度，难以精确测量；另一方面，它远远低于宇宙微波背景辐射的温度。直到今天，黑洞从来看不出来蒸发，因为它们正在被大爆炸时所残留的背景余热所掩盖，甚至还从这余热中吸收能量。
9、那么微小的黑洞呢？先说普朗克。牛顿的理论可解释我们日常尺度的生活，爱因斯坦的理论对于非常巨大和高能的世界有解释力，但在微观世界，就是普朗克理论的天下。普朗克常数告诉我们大概在什么尺度上，量子效应开始出现。普朗克常数包括三个常数，一个是质量单位，一个是长度单位，再一个时时间单位。普朗克质量为一克的100万分之21；普朗克长度为一米的一万亿亿亿亿分之一；普朗克时间是一秒的一百亿亿亿亿亿分之一。它们对应的是什么？门槛。只要低于这些门槛，引力与量子物理学就无法脱离对方单独适用。它意味着普朗克尺度给出了最小黑洞的尺寸极限。
10、因此，我们科学能想象的最小黑洞的质量大约为一个普朗克质量，这个黑洞的体积是直径为一个普朗克长度的球体，这个黑洞蒸发的时间是一个普朗克时间。以我们的技术，造出这么个黑洞，需要的粒子加速器有我们整个星系这么大。这已经超出了我们的能力。
第七部分 迈向已知世界之外的第一步
第1章 回到起点
1、很久以前，甚至物质、光和其他我们所知道的东西都尚未形成时，在可见宇宙之外，大爆炸之前，存在着一种场，充满了整个宇宙，带着相互排斥的作用力——与引力相反。那个场非常强大，它引发了一段极为剧烈的膨胀期。那次膨胀将早期宇宙的不同部分以远远高于光速的速度炸开，所以今天看起来距离非常遥远，过去绝对不应该有接触的地方，实际上曾经紧贴在一起。
2、然后发生了大爆炸，它所带爱的所有新的场、粒子和作用力携带者都在正在消退的暴胀场中产生，而暴胀场则慢慢沉寂下来。我们的宇宙膨胀开始了。正常速度的膨胀，而不是暴胀。暴胀场并未完全消失，引发大爆炸消耗了它所含的太多能量，它已无法再对所有东西产生任何影响，直到……80亿年之后。
3、大爆炸80亿年后，暴胀场所产生的物质已经足够稀释，沉寂中的暴胀场再次醒来，带来极大效应：它对抗引力的作用引发了宇宙的加速膨胀。
第2章 许多大爆炸
1、暴胀时期发生在大爆炸之前，暴胀场将曾经非常微小的宇宙在一个短到无法想象的时间里变到非常巨大。暴胀场和它的基本粒子（暴胀子）随后通过E=mc²的比例衰变为纯能量，释放出巨大能量，宇宙变得无比炽热。这就是大爆炸开始的情景。暴胀场的物质变成了能量，将后来构成我们今天一切事物的各种场激发出来。
2、在暴胀场中，也会有量子起伏，这意味着它能自发创造一个小规模的宇宙。或者两个。或者许多。在所有地方。这个过程被称为永久暴胀。早已存在的宇宙中又出现了新的宇宙气泡，在那里，暴胀场的真空量子跃迁到另一个状态，另一种真空。气泡宇宙中的气泡宇宙，里面还有气泡宇宙。这种宇宙之中诞生新的宇宙的理论是多重宇宙学说之一。
3、对于那些想知道宇宙如何开始的人，永久暴胀理论听起来不会令人满意，因为不存在真正的开始，它只是泡泡，从一开始就是这样，始终如此。
第3章 宇宙无疆
1、哈妥——霍金宇宙波函数给出了宇宙在数学上的初始条件。这从数学上解决了我们的宇宙如何从一无所有中出现。
第4章 一片尚未被探索的现实
第5章 一个关于弦的理论
1、量子理论被用于弦上，那个在你眼前扭动的东西或许是宇宙中最基本的理论，它是量子弦。弦振动产生的是光，一颗光子，电磁作用力的携带者，这是开放的弦。
2、另一根弦的振动与上面的不一样，它是闭合的。它的基本振动所对应的是引力子……
3、在弦理论中，粒子就是弦的振动。
4、从牛顿到爱因斯坦，你放弃了宇宙是静态的和一成不变的，以及引力是一种作用力的想法，你不得不引进时空这一概念，三维空间与一维时间交织在一起，成为四维的时空这一单一概念，而且时空自身还在质量与能量周围变形。从牛顿到量子物理学，你不得不放弃粒子是一个固定的点，你必须引入波、场、不确定性以及不同历史这些概念。现在，从引力理论、量子场理论到弦理论，你必须将所有一切基本概念转化成由闭合的或开放的弦所构成的理论。你在这里必须放弃的是现实只有四维的观念。弦无法存在于一个只有四维的时空之中。它们需要更多空间。它们生活在一个十维宇宙之中。
5、你已经在你的宇宙之外。你看见了你的整个宇宙。从另一个维度上。你看到了开放的弦的一端都连在你的宇宙上，而那些闭合的弦，那些环，以引力方式振动的弦，则能够自由出入你的宇宙，从宇宙中离开……你看见了你的宇宙之外的平行宇宙。那些环状的弦从一个宇宙移到另一个宇宙，显然两者之间可以通过引力存在交流。
【到此为止吧，我的想象力跟不上了，这部分光靠文字恐怕是不可描述的。全书完。】