本书的主题是对这些数字中的六个数进行探讨。这六个数决定了宇宙的主要特征：它是如何膨胀的；能否形成行星、恒星和星系；是否存在有利于进化的化学条件。而且，宇宙的本质敏感地取决于这些数字。如果你想通过调谐这六个数来构造一个可以孕育生命的宇宙，那么调谐必须精确。这六个数的出现是天意还是巧合？它们是“万物理论”唯一确定的结果吗？相关解释似乎都没有说服力。我认为，这种明显的“调谐”暗示了一种更值得关注的东西：当前的可见宇宙，也就是我们借助最大倍数的望远镜所能看到的一切，只是整体的一部分，而整体的宇宙中存在各种各样的物理定律。这虽然只是一种推测，但与我们现有的理论相一致。
众所周知，有些恒星也有行星相伴，就像地球绕着太阳运行一样。那么，这些行星拥有什么样的栖息地呢？它们的引力是不是太弱而不能留住大气层？它们是否太热、太冷或者太干燥而无法孕育出生命？它们之中可能只有少数能提供适合生存的环境。所以，在更大的尺度上，可能存在无数其他的宇宙，我们无法观测到它们，因为它们的光永远无法到达地球。这些宇宙是否适宜于进化出某种生命形式，就像在当前的可见宇宙中，至少有一颗恒星周围至少有一颗行星进化出了生命？在大多数宇宙中，这六个数可能是不同的，因此只有少数宇宙会被恰当调谐成适合生命存在的状态。在当前的宇宙中，这些数字似乎是按照天意调谐的，对此我们不应该感到奇怪，因为我们自己正处于一颗相当特殊的行星之上，它的引力维持着一个大气层，适宜的温度保证了水的存在，这颗行星自身正围绕着一颗稳定且长寿的恒星运行。
03 大数N：宇宙中的引力
谁会相信理论上的蚂蚁呢？
谁又会相信愿景中的长颈鹿呢？
一万名探索宇宙的博士
也只能探究出丛林一半的秘密。
——约翰·查尔迪（John Ciardi）
牛顿与“机械钟”
如果我们准备与另一颗行星上的智慧生命对话，首先应该从引力开始。引力将行星固定在各自的轨道上，并将恒星聚集在一起。在更大的尺度上，引力控制着由数以亿计的恒星组成的整个星系。任何物质都逃不过它的魔掌，包括粒子和光。它控制着整个宇宙的膨胀，也许还控制着宇宙的最终命运。
我们至今仍未完全了解引力，它比自然界中的任何基本力都更令人费解。不过，引力是第一种可以用数学方式描述的力。17世纪，牛顿告诉我们，任何两个物体之间的引力都遵循“平方反比定律”。引力大小的减弱与两个物体之间的距离的平方成正比，比如，将物体间的距离拉开2倍，它们之间的引力就会减弱至原来的1/4。
牛顿意识到，让苹果掉落和控制炮弹轨道的力，与使月球绕地球轨道运行的力是一样的。他提出，自己的定律可以解释行星按照椭圆轨道运行的原因——这一点有力地证明了数学在预测自然界这架“机械钟”(2)的强大威力。
牛顿的伟大著作《自然哲学的数学原理》出版于1687年，共分三卷，用拉丁语写成，书中附有几何学论证的复杂定理，为一些杰出的科学家树立了一座丰碑。牛顿的著作（和他的个性）极其严肃，他对哲学家和诗人都产生了巨大的影响，并且这种影响还渗透到了更广泛的公众中，1737年出版的《女性牛顿主义》（Newtonianism for Ladies）就是例证。此外，一本名为《世界体系》（The System of the World）的通俗易懂的书中引入了引力理论的精髓观点。
在《世界体系》这部著作中，作者用一幅从山顶水平发射炮弹的插图巧妙地阐述了一个重要发现：炮弹抛出的速度越快，在落地之前就射得越远。如果速度非常之快，炮弹会脱离弹道，进入轨道运动。在牛顿时代，还没有炮弹能达到这个速度（大约8千米每秒），但今天我们所熟悉的人造卫星就是基于这个原理进入绕地轨道运行的。牛顿还证明了正是同样的力使得行星沿着椭圆轨道围绕太阳运行。在更大的尺度上，引力同样作用于星系，比如在银河系中，数十亿颗恒星被引力固定在轨道上，围绕着一个中心轴运行。
在太阳和其他类似的恒星中，引力和内部压力之间存在着一种平衡，引力将恒星内部物质压缩在一起，如果没有引力的作用，内部的压力就会使它们分开。在地球的大气层内，地面的压力同样平衡了我们上方所有空气的重量。
大尺度和小尺度上的引力
地球引力对大物体的影响比对小物体的影响更强烈。如果灾难片的摄制者准备使用模型来拍摄一座桥梁或大坝倒塌的场景，他们不会用真正的钢筋混凝土来建造模型，而是用非常易碎的材料，这种材料从桌面高度掉落就会弯曲或粉碎。这种影片需要采用高速摄影拍摄，并以慢动作回放，才能达到逼真的效果。然而，即使再谨慎细致，也会露出破绽，使我们明白那些场景是微缩模型，而非真实的场景。比如，小型水箱中的水的波纹会因为水的表面张力（把雨滴聚成团的力）变得平滑，但在真正水流湍急的河流或海洋中，这种影响是可以忽略的，根本观察不到。表面张力能使蜘蛛在水面上行走，但无法使人类也能如此。
在生物界，合适的尺寸有时至关重要。巨型动物并不仅仅是小型动物的简单放大版，因为它们身体各部分之间的比例是不同的，例如，身体越高，腿就越粗。假设将一只动物的尺寸放大1倍，但体型保持不变，那么它的体积和重量会增加到原来的8倍（23），而不是2倍；与此同时，它的腿的横截面只会增加到原来的4倍（22），这就会造成支撑力不足，因此需要重新设计。动物的体型越大，摔得就越重，像“哥斯拉”（Godzillas）(3)这种巨大的动物需要比身体更粗的腿，但即使如此也经不住一摔；相反，老鼠却可以垂直爬树，即使从几倍于自己身高的地方摔下来也安然无恙。
伽利略，这位在牛顿出生那一年逝世的著名物理学家第一个清楚地认识到了尺寸的重要性，他写道：
大自然不会创造出无法度量的大树，因为它们的枝干最终会因自身的重量而倒下……当身体变小时，力量不会随之按比例减弱；相反，在非常小的身体里，力量会以更大的比例增长。我相信一只小狗可以在背上驮两三只同样大的狗，但我不认为一匹马能驮起一匹跟自己一样大的马。
类似的原理也限制了鸟类的大小。相比于惯于滑翔的信天翁，盘旋的蜂鸟受到的尺寸限制更严格。不过，对于水生生物来说，这种尺寸上的限制很宽松，海洋中允许存在巨型海兽。然而，尺寸过小也会产生问题：皮肤表面积与体重之间的比例会变大，导致体内的热量很快散发掉；因此，小型哺乳动物和鸟类必须快速进食和代谢才能保持体温。
其他世界也存在类似的限制。比如，物理学家埃德温·萨尔皮特（Edwin Salpeter）曾和卡尔·萨根一起从生态学的角度推测，一些类似气球的假想生物能在木星稠密的大气中生存。这类生物每一代出生之后都将面临一场与时间的赛跑：它们必须尽快膨胀到足够大的体积，以获得足够大的浮力，从而避免引力将它们拉到黑暗深处的低层大气中，在高压中毁灭。
N的巨大值及其原因
尽管引力对人类、生物圈以及宇宙都很重要，但与其他影响原子的力相比，引力的作用实际上是极其微弱的。极性相反的电荷相互吸引：一个氢原子由一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子组成，电子被锁定在绕质子运动的轨道上。根据牛顿定律，两个质子在引力作用下相互吸引，同时产生相互排斥的静电力。这两种力与距离具有同样的关系，都遵循“平方反比定律”，两者的相对强度可以用一个重要的数字N来表示，其大小与质子间的距离无关。但是，当两个氢原子结合形成一个分子时，质子之间的静电力就会被两个电子中和。质子之间的引力为静电力的1/1036，几乎无法测量。当化学家研究原子团如何结合在一起形成分子时，完全可以忽略引力的作用。
那么，引力又是如何占据主导地位，将我们固定在地面上，并将月球和行星固定在各自的轨道上的呢？原因在于，引力会随着质量的增加不断累加。如果一个物体的质量增加一倍，那么它产生的引力就会增加一倍。与引力不同的是，电荷可以相互排斥，也可以相互吸引，它们可以为正，也可以为负。如果两个电荷的极性相同，那么两者的静电力就是一个电荷的两倍。任何物体都是由大量的原子组成的，而原子都是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的，两者会相互抵消。即使我们“充电”到头发都竖起来了，静电力之间的不平衡也不到十亿分之一个电荷。与电荷不同的是，所有物体都具有相同的“引力子”符号，因此，相对于较大物体的静电力，引力会增加。当固体被压缩或拉伸时，静电力的平衡只会受到轻微的干扰。因此，只有当地球上所有原子的引力联合起来克服将苹果固定在树枝上的电作用力时，苹果才会掉下来。引力对人类而言很重要，因为我们生活在质量很大的地球上。
对此，我们可以给出定量解释。在第1章，我们假设拍摄了一组照片，每一张照片的视觉距离都是上一张的10倍。现在我们设想一组不同大小的球体，分别包含10、100、1 000……个原子，换句话说，按照从小到大的顺序排列，每颗球的质量都是前一颗球的10倍。这样便可以估算出，第18颗球就像一粒沙子那么大，第29颗球像一个人那么大，而第40颗球则有一颗稍大一点儿的小行星那么大。质量每增加1 000倍，体积也会相应增加1 000倍（假定这些球体的密度相等），而半径只会增加10倍。球体本身的引力强度可以通过将一个原子从它的引力场中移除所需要的能量来表示，其大小取决于球体质量与半径的商，所以引力强度只增加100倍。在原子的尺度上，引力已经足够强，为1036。但是，由于质量每增加三个量级（即103），引力强度只增加两个量级（即102），所以上述的引力强度已经达到第54颗球的引力大小（54=36×3/2），其质量和木星差不多。任何比木星质量更大的天体，其引力之大足以成为将固体结合在一起的主导力量。
就像我们一样，沙粒和糖块也会受到地球引力的影响。不过，它们的自引力(4)可以忽略不计。对于小行星来说，自引力并不重要，在火星的两颗土豆形状的小卫星（火卫一和火卫二）上，自引力也不重要。像行星一样大的天体（甚至是月球）都不够坚硬，也就是密度不够大，保持不了固定的形状，引力使它们大致呈球形；而质量比木星大的天体则会被自身的引力挤压，达到非常高的密度，除非中心变得足够热，能够提供平衡引力的压力，这正是太阳和其他恒星内部发生的情况。正是因为小尺度上的引力如此之弱，像太阳这样的典型恒星的质量才会如此之大。在任何较轻的天体中，引力既无法与压力相抗衡，也无法挤压物质产生足够高的热量和密度，使天体发光。
太阳的质量大约比木星大1 000倍。如果太阳没有热量，引力会将它挤压成比普通固体密度大100万倍的物体，这样太阳将会变成一颗与地球体积相同的白矮星，但质量却是地球的33万倍。实际上，太阳内核的温度高达1 500万摄氏度，比其发光的表面高出数千倍，这种巨大的高温气体的压力使太阳发生“膨胀”，并处于平衡状态。
英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）是最早了解恒星物理性质的人之一。他曾经设想，如果人类生活的星球永远笼罩在云层中，单凭理论知识，我们对恒星能知多少。显然，我们无法估算出它们的数量。不过，根据我刚才概述的思路进行简单的推理，我们可以知道它们有多大，进一步估算出这些天体有多亮，这个过程并不太难。爱丁顿总结道：“一旦拨开笼罩在物理学家头顶上的云层，仰望天空，他们就会发现10亿颗气态恒星，它们几乎都跟太阳一样具有很大的质量。”
引力约为控制微观世界的力的1/1036。如果引力没有这么弱，会发生什么呢？请设想这样一个宇宙，那里的引力只比静电力弱1030，而不是1036。在这种情况下，原子和分子的运动仍然与当前宇宙的一样，但在引力战胜其他作用力之前，物体无须变得非常大。在这个设想的宇宙中，形成一颗恒星（一个受引力约束的核聚变反应堆）所需的原子数量将会是当前宇宙的十亿分之一，行星的质量也将仅为当前质量的十亿分之一。无论这些行星能否保留在稳定的轨道上运动，它们的引力强度都会阻碍生命的进化。在一个拥有强引力的世界中，即使是昆虫也需要粗壮的腿来做支撑，没有动物能够长得更大，像人类这么大的实体都会被引力压碎。
在这样的强引力宇宙中，星系形成的速度会快得多，但尺寸会小很多。其中的恒星不是广泛地分散在各处，而是密集地聚集在一起，以至于经常发生近距离的接触。这本身就会阻碍稳定的行星系统的形成，因为轨道会被经过的恒星扰乱，这在当前的太阳系中是不可能发生的，对地球来说这是一种幸运。
不过，在这个设想的强引力宇宙中，形成复杂生态系统的更大障碍是演化时间的限制。这个宇宙中的“微型恒星”的热量散发得很快，其寿命将是当前宇宙中的恒星的1/106倍，也就是说，一颗普通恒星只能存活大约1万年，而不是100亿年。微型恒星的燃烧速度很快，甚至在有机物进化出现之前就已经耗尽了所有的能量。引力变得越大（假定其他条件不变），就越不利于复杂结构的进化。在当前宇宙中，天文演变过程的巨大时间跨度与任何物理或化学反应过程的基本的微观时间尺度之间存在着巨大的鸿沟，但在强引力宇宙中，不存在这种鸿沟。与此相反，引力越弱，越有利于发展出更精细、更长寿的结构。
引力是组织宇宙秩序的力。我们将会在第7章看到，“大爆炸”之后，引力在宇宙结构从无到有的过程中起着至关重要的作用。正因为引力相对于其他力来说比较弱，大而长寿的结构才能存在。然而矛盾的是，引力越弱（假定它不是零），导致的后果就越严重、越复杂。没有理论能推导出N的值，我们所知的只有，如果N远小于1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000，像人类这么复杂的生物就不会出现。
从牛顿到爱因斯坦
牛顿之后两个多世纪，爱因斯坦提出了自己的引力理论，也就是著名的“广义相对论”。根据这一理论，行星实际上在“时空”中是沿着直线路径运行的，只是因为太阳的存在，其路径才发生了弯曲。人们常说爱因斯坦“推翻了”牛顿物理学，这实际上是一种误导。牛顿定律仍然能够很精确地描述太阳系中的运动(5)，并且适用于计算月球和行星探测器的运行轨迹。然而，与牛顿的理论不同，爱因斯坦的理论可以用于描述速度接近光速的物体、能产生如此巨大速度的超强引力，以及引力对光本身的影响。更重要的是，爱因斯坦的理论深化了我们对引力的理解。为什么所有粒子以同样的速度遵循相同的轨迹下落——为什么所有物质的引力和惯性的比值都是完全相同的（这与“电荷”和“质量”不成比例的静电力不同）？这一切对于牛顿而言，都是未解之谜，而爱因斯坦证明，这不过是以下原理的自然结果：所有物体在时空中都沿着同一条“最直”的路径运动，该路径因质量和能量而发生弯曲。因此，广义相对论是一个概念上的突破，尤其值得注意的是，它源于爱因斯坦深刻的洞察力，而非任何具体的实验或者观察。
爱因斯坦并没有“证明牛顿是错的”，而是超越了牛顿的理论，将牛顿的理论融入更深刻、更广泛、更普适的理论体系之中。我认为，用另一个名字来命名爱因斯坦的理论也许会更好：不是“相对论”，而是“不变论”。爱因斯坦的成就是发现了一组可以被任何观察者应用的方程，并包含了以下著名的假设：无论观察者如何移动，由任何“局部性”实验测量的光速都是相同的。
任何科学发展的标志都是其理论越来越具有普遍性，这些理论包含了以前看似不相关的事实，并扩大了旧有理论的适用范围。物理学家兼历史学家朱利安·巴伯（Julian Barbour）将这比喻成登山，我觉得很有道理：
我们爬得越高，视野就越开阔。每登高一步，就更有助于理解事物之间的相互联系。更重要的是，每当视野不断地突然扩大，逐渐积累的理解就会随之不断更新，就像我们到达山顶时，看到了在攀登中从未想象过的景象。一旦我们在新的环境中找到了自己的方向，通往最近可到达的高峰的道路就会显现出来，进而在新世界中占据重要地位。
经验塑造了人类的直觉和常识，所以人类更容易接受直接影响自身的物理定律。从某种意义上来说，牛顿定律被“存录”在猴子的大脑中，所以它们可以自信地从一棵树荡到另一棵树上。然而，遥远的太空中的环境与我们的截然不同，在巨大的宇宙尺度上，在高速运动中，或者在引力强大时，常识性的观念就会失效。对此，我们不应该感到惊讶。
如果有一种智慧生物可以在宇宙中快速漫游(6)，那么它们对空间和时间的直观感觉将被大大拓宽，会将独特而有些怪异的相对论效应印入脑海。光速具有一种非常重要的特征：它只能被接近，但永远不会被超过。不过，这个“宇宙极限速度”并不会限制你一生能在宇宙中走多远，因为当宇宙飞船加速并接近光速时，时钟将会变慢（因为飞船上的时间会“伸长”）。如果你去100光年外的一颗恒星上旅行，当返回地球时，无论你觉得自己多么年轻，相对于地球上的人来说，你已经度过了200多年的光阴。虽然宇宙飞船的速度不可能比光速还快（通过地球上观察者的测量），但它的速度越接近光速，你就越不容易衰老。
这些效应是违反直觉的，因为我们的经验仅限于低速情况。一架客机的飞行速度仅为光速的百万分之一，远不足以让人察觉到时间的伸长效应，即使对最习惯于飞行的人来说，其一生所经历的这种效应加起来也不到一毫秒。虽然这种效应很小，但通过精确到十亿分之一秒的原子钟，人们已经测量出来了，而且与爱因斯坦的预言相符。
引力同样可以让时间“伸长”：在大质量物体附近，时钟往往运行得比较缓慢。这种变化在地球上几乎是不可察觉的，因为就像我们只习惯于低速运动一样，我们只经历过“弱”引力作用。不过，在设置极为精确的全球定位系统（GPS）时，我们就必须考虑这种效应及其对轨道运动的影响。
我们可以用一个物体逃逸出所在天体的速度来衡量该天体的引力大小。逃逸出地球所需的速度是11.2千米每秒。虽然这个速度与30万千米每秒的光速相比很小，但对工程师来说，达到这个速度是一项巨大的挑战，他们被迫使用化学燃料，这种燃料只能将其所谓的“静止质能”(7)的十亿分之一转化为有效能量。逃逸出太阳所需的速度是618千米每秒，仍然只有光速的五百分之一。
“强引力”和黑洞
牛顿的理论在太阳系的任何地方都适用，只需作极小的修正即可。实际上，当引力变得特别强大时，情况就会变得令人匪夷所思。天文学家已经发现了引力特别强大的地方，例如，中子星附近。当恒星爆炸形成超新星时，会留下这些超高密度的残留物（我们将在下一章讨论这个问题）。中子星的质量通常是太阳的1.4倍，但直径却只有20千米左右。它们表面的引力比地球的强一万亿倍。在那里，升高1毫米所需要的能量比完全摆脱地球引力所需要的能量还要多；一支笔从1米高的地方掉下来会产生相当于1吨TNT炸药的能量（尽管中子星表面的巨大引力实际上会立即将这些物体压扁）。在那里，物体需要达到光速的一半才能摆脱中子星的引力，而任何从很高的位置自由落在中子星上的物体，其下落速度都将超过光速的一半。
当引力变得和中子星周围的引力一样强大时，牛顿的理论就无法适用，这时需要用到爱因斯坦的广义相对论。中子星表面附近的时钟会比远离表面的时钟慢10%～20%。从中子星表面发出的光会发生严重的弯曲，如果你从远处看，不仅能看到中子星的正面，还能看到其背面的一部分。
一个体积比中子星小许多或重几倍的天体会捕获它周围的所有光，从而形成一个黑洞，而该黑洞周围的空间也会自我“封锁”起来。如果太阳被压缩到半径为3 000米以内，它就会变成一个黑洞。幸运的是，自然界已经为我们做了这样的实验，因为宇宙中的确存在这种坍缩了的天体，它们“刺穿”了空间，并与外部宇宙相互隔绝。
银河系中有数百万个黑洞，每个黑洞的质量约为10个太阳质量，它们是大质量恒星的最终状态，或者是恒星之间碰撞的产物。当这些天体在太空中被隔绝时，它们就变得非常隐蔽，只能通过施加在其他物体上的引力效应或者通过它们附近的光线才能被探测到。有些黑洞带有一颗普通恒星绕其运行，形成双星系统，这样的黑洞更容易被探测到，对应的探测技术与通过测量恒星运动所受到的扰动来探测行星的技术相同，只不过这里更加简单。因为在这种情况下，可见恒星的质量小于暗天体的质量（而不是重1 000倍或更多），所以会在一个较大的轨道上以更快的速度运转。
天文学家总是对宇宙中最“极端”的现象特别感兴趣，因为通过研究这些现象，我们才最有可能有一些全新的发现。最引人注目的极端现象是一种惊人的剧烈闪光，被称为“伽马射线暴”。这类事件的威力非常强大，以至于在几秒钟内，它们的亮度就能超过100万个恒星星系。导致这种现象的可能是正在形成过程中的黑洞。
一个个的星系中心可能潜伏着更大的黑洞，我们可以通过观测在它们周围以接近光速旋转的气体所产生的强烈辐射，或者通过探测经过它们附近的恒星的超高速运动来推断黑洞的存在。离银河系中心非常近的恒星运行得非常快，就如同受到了一个暗天体的引力作用，这个暗天体就是一个质量为250万个太阳质量的黑洞。黑洞的大小与其质量成正比，而位于银河系中心的这个黑洞的半径为600万千米。其他星系的中心存在着一些更巨大的黑洞，其质量相当于几十亿个太阳质量，与整个太阳系一样大，尽管与藏身的星系相比，它们仍然非常小。
尽管黑洞很奇特，违反了我们的直觉，但描述它们实际上比任何天体都更容易。地球的结构取决于它的历史和构成元素，而且，围绕其他恒星运转的行星，即使大小相同，构造也肯定大不相同。太阳基本上是一颗巨大的气态星球，表面不断呈现出湍流和耀斑，如果它包含了不同于当前的原子“组合”，外观可能会有所不同。然而，黑洞失去了所有关于它是如何形成的“记忆”，很快就进入了一个标准的稳定状态，这种状态只需用两个量便能描述：一是进入黑洞的质量是多少，二是它自转的速度有多快。
1963年，远在没有任何证据证明黑洞存在之前，也就是在美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）提出“黑洞”这个名称之前，新西兰的一位理论物理学家罗伊·克尔（Roy Kerr）就求出了爱因斯坦方程应用于自转物体时的一组精确解。之后，其他学者继续研究，并获得一个重要结论：任何坍缩的物体最终都会变为一个黑洞，克尔的公式准确地描述了这种特性。由此，黑洞和基本粒子一样成为标准化概念，而爱因斯坦的理论则准确地告诉我们黑洞如何扭曲空间和时间，以及它们“表面”的形状。
在黑洞周围，我们对空间和时间的直觉将会出现重大错误。按照我们的直觉，光沿着“最直”的路径传播，但在一个强烈扭曲的空间中，这条路径可能是一条复杂的曲线。在黑洞附近，时间过得很慢（甚至比中子星附近还要慢）。相反，如果你在离黑洞很近的地方悬停，或绕着黑洞旋转，就会看到外部宇宙在加速运转。黑洞周围有一个定义明确的“表面”，在处于安全距离的观察者看来，时钟（或一个下落中的实验者）似乎被“冻结”了，因为时间的伸长几乎是无限的。甚至连光也无法从这个表面以内逃逸出来，这是因为空间和时间的扭曲可能更加严重，就像空间自己在吞噬自己，速度极其快，即使向外照射的光线也会被拉回内部。在黑洞中，你无法在空间中向外移动，就如同你不能在时间中向后移动。
自转的黑洞扭曲时空的方法更为复杂。为了说明这一点，我们想象这样一个涡流，其中的水朝着中心旋涡旋进。在远离涡流的地方，你可以驾船随心所欲地航行，要么顺流而下，要么逆流而上。但在靠近涡流的地方，水的旋转速度超出船速，虽然你仍然可以向外（沿一条向外的螺旋线）和向内移动，但你不得不跟着水流转；再往里，水向中心旋进的速度会变得比船速更快，如果你胆敢进入某个“临界半径”之内，就无法掌控自己的命运，只能被吸入涡流，走向毁灭。
黑洞有一个表面，类似于单向膜，任何从黑洞内部发出的信号都无法传送给位于黑洞之外安全距离处的伙伴，任何进入“表面”的人都会被困住，并注定会被吸入一个区域。根据爱因斯坦的方程，在有限的时间（用他们自己的时钟计时）内，这个区域的引力将达到无限大。这个“特异现象”意味着，这一切超越了我们所知的物理过程，正如它们在宇宙形成之初所表现的那样。任何坠入黑洞的人都会遭遇“时间的终结”。这是大危机的前兆吗？我们的宇宙最终难逃大坍缩的命运，还是会有一个永恒的未来？或者一些未知的物理过程可以保护我们摆脱这种命运？
众所周知，爱因斯坦的理论是根据这样一种“愉快的想法”构建起来的，即引力与加速运动是不可区分的。在自由下落的电梯中，我们测量不出引力的作用。如果一队视死如归的宇航员排成固定方阵向地球自由落体，那么他们之间的水平间距将会缩小，但垂直间距将会增加。这是因为他们的轨迹都向地球的中心汇聚，并且引力对处于地层中较低位置的物体施加的引力更大，所以越靠下的宇航员所受的引力越大，离地球也就更近。每个宇航员身体的不同部位之间也会有类似的引力效应：在双脚朝下的坠落中，宇航员的身体会被纵向拉伸和横向压缩。在地球引力场中，人是无法察觉到这种“潮汐力”的，但在黑洞周围，这种力的影响是灾难性的，恐怕宇航员还没有到达黑洞中心的特异之处，就已经被撕成碎片，拉成“意大利面条”。当一名宇航员向着一个恒星质量的黑洞坠落时，即使在到达黑洞表面之前，也会感受到强烈的潮汐效应；此后，他将在几毫秒（根据宇航员的时钟测量）内到达黑洞中心。不过，在银河系中心的超大质量黑洞周围，潮汐效应要温和得多：即使在穿过其表面之后，在足够接近中心地点、让人感到严重不适之前，宇航员仍会有几小时的时间进行从容的探索。
原子尺度的黑洞
黑洞并不只是一个非凡的理论构想。黑洞确实存在的证据越来越令人信服。与我们在宇宙中观察到的最为壮观的现象（比如类星体和超新星爆炸）相比，黑洞更为复杂。关于它们究竟是如何形成的，目前仍存在激烈的争论。不过，在一颗死亡的恒星上或者在星系中心的气体云中，引力为何会战胜所有其他的力，这个问题已经没有什么神秘可言。黑洞的形成要求其质量至少和恒星的质量一样大，因为我们已经看到，对于小行星和行星来说，引力无法压倒其他力。事实上，即使处于一颗云雾包裹的行星上，物理学家也有信心预言，如果存在恒星，那么也可能存在恒星质量的黑洞。
正如我们所看到的那样，恒星的大小一方面由引力和原子力之间的平衡决定，另一方面又反过来决定成形黑洞的质量。根据爱因斯坦的理论，黑洞中并不存在任何特殊的物质，它是由空间本身的结构形成的。由于空间是一个平滑、连续的整体，因此，除非按比例进行测量，否则我们无法判断，一个黑洞一旦形成，是像原子一样大，还是像恒星一样大，或者像当前的可观测宇宙一样大。
即使一个只有原子大小的黑洞，也可能拥有一座山那么大的质量。从定义上来说，黑洞是引力压倒所有其他的力而形成的天体。若想形成一个原子大小的黑洞，必须将1036个原子压缩到一个原子的大小。这个令人生畏的要求是宇宙数字N巨大取值的另一个后果，这一常数反映了在原子尺度上引力的微弱程度。那么，是否存在比原子还小的黑洞呢？由于空间在最小的尺度上具有粒子性，这里会存在一个最终的极限，我们将在第10章重新回到这个话题。
如果存在原子大小的黑洞，那么它们可能形成于宇宙最初阶段压力极大的环境中。如果它们真的存在，那将会是宇宙和微观世界之间的一条“迷失的纽带”。
04 恒星、元素周期表和ε
我相信，即使一片草叶也是恒星的杰作。
——沃尔特·惠特曼（Walt Whitman）
作为“核聚变反应堆”的恒星
地球的年龄有多大了？通过对放射性原子的测量，地球的年龄被确定为45.5亿年。早在19世纪，人们已经提出了地球拥有悠久历史的有力论据。一方面，地质学家通过测算侵蚀和沉积过程的速度，估算出地球的年龄至少有10亿年。通过对物种进化速度的估算，达尔文主义者也提出了相同的观点。另一方面，伟大的物理学家威廉·汤姆逊（William Thomson，又称开尔文勋爵）却计算出，只需地球年龄1%的时间，太阳就会因为内部所有热量散失殆尽而熄灭。因此，他消极地断言：“几百万年以后，地球上的居民将会失去生命所必需的光和热，除非光和热还存在于我们未知的来源之中，并且已经在造物主的大仓库中准备好了。”20世纪的科学研究证实，这样的能源确实存在，就在原子核里，氢弹就是储藏在原子核内的能量的一种极具杀伤力的应用。
太阳的能量来源于由氢原子（最简单的原子，原子核由一个质子组成）转化为氦原子（第二简单的原子，原子核由两个质子和两个中子组成）的过程。长期以来，人们希望利用核聚变获得新的能源（“受控核聚变”），但无法达到发生核聚变所需的数百万度高温。更大的问题是，如何用物理方法将这种超热气体限制在一定范围内，并用磁力将其困住，因为很显然，任何固体容器都会被它熔化。太阳的质量如此之大，以至于引力将包裹在外部的较冷层向内拉，从而“盖住”了高压内核区。太阳就这样调整了自己的结构，使原子能在其内核里产生，并以能够平衡表面损失的热量所需的速率向外扩散，而这些损失的热量正好是地球上生命形成的基础。
这种燃料使太阳照耀了我们近50亿年。然而，再过50亿年左右，它的燃料就会耗尽，那时，太阳的内核就会收缩，而外层会膨胀。在此后1亿年(8)的时间里，太阳将会变得更亮，并膨胀为一颗被称为“红巨星”的恒星，届时太阳将会吞噬内行星，并蒸发掉地球上的所有生命。与此同时，太阳的一些外层会被吹走，但内核会收缩成一颗白矮星，并在太阳系干涸的残骸上发出暗蓝色的光芒，亮度还不及现在的满月。
天体物理学家对太阳的内部结构进行了测算，并与观测到的太阳的半径、亮度、温度等进行了拟合，得出的结果与测算结果相符。因此，他们可以自信地告诉我们太阳内部的具体情况。他们还可以计算出未来几十亿年太阳将如何演变。显然，这些计算结果还不能得到直接验证。不过，我们可以观察其他与太阳相像但处于不同演化阶段的恒星。如果我们有大量形成于不同时间段的恒星可供研究，那么为每颗恒星的一生提供一张“快照”并非难事。这就好比，通过观察不同阶段的大量生命，一个刚着陆在地球上的火星人很快就能推断出人类或树木的生命周期。即使在最邻近地球的恒星中，我们也能分辨出哪些还很年轻，不超过100万年，而哪些处于濒死状态，已经吞噬了它们曾经拥有的所有行星。
上述推论其实基于这样一个假设：原子及其原子核在任何地方都是一样的。虽然牛顿的伟大理论将地球和天体运行轨道上的引力联系了起来，但他只研究了太阳系内部的运动。我们花了很长时间才意识到，引力一样作用于其他恒星，甚至其他星系。在古代，人们认为，天体是由一种特殊的物质“精华”构成的，这些物质比土、空气、火和水都纯净。直到19世纪中叶，我们对太阳的构成还是一无所知。通过使用棱镜对太阳和其他恒星的光谱组成的分析，人们发现，来自太阳和其他恒星的光包含了地球上常见原子的特征谱线。恒星的物质成分和“月下界”地球上的原子并无不同。
天体物理学家可以像计算太阳的演化过程那样，简单地计算出一颗恒星的生命周期，并判断该恒星的质量是太阳的一半、2倍或者10倍。较小的恒星燃烧燃料的速度较慢。相比之下，质量是太阳质量10倍的恒星比太阳亮几千倍，消耗燃料的速度也更快，例如猎户座中排列成梯形的4颗蓝色恒星。这类恒星的寿命比太阳要短得多，而且死亡方式更为惨烈，会以超新星的形式爆炸。在几个星期内，它们的亮度相当于几十亿个太阳，其外层以两万千米每秒的速度被抛射出去，形成一股爆炸波，冲击周围的星际气体。
1987年2月24日，加拿大天文学家伊恩·谢尔顿（Ian Shelton）与其助手在智利北部的拉斯坎帕纳斯天文台进行例行观测。在南方的天空，他们发现了一种陌生的光团，很亮，足以用肉眼看到。然而，前一天晚上它并不存在。事实证明，这是近代以来观测到的距离最近的超新星。从最早的几个星期，直到随后几年里亮度逐渐减弱的过程中，天文学家使用现代天文学技术对其进行了持续的监测，用以检验这类大爆炸的已有理论。这是唯一一颗其前身恒星已经为人所知的超新星：从过去的照片来看，原来处在这颗超新星位置上的是一颗蓝色恒星，其质量大约为太阳质量的20倍。
超新星代表了恒星生命中的灾难性事件，涉及一些极端的物理过程，天文学家自然会为之着迷。然而，地球上只有万分之一的人是天文学家，其他人更关注地球表面上的活动。那么，这些数千光年外的恒星爆炸与所有发生在地球表面或靠近地球表面的活动有什么关系呢？答案令人惊讶不已，它们竟然对每个人的生存环境起着至关重要的作用。没有它们，我们就不会存在。正是超新星创造了构成地球的原子“组合”——这是复杂生命的化学基石。自达尔文以来，我们已经了解了人类出现之前的进化和自然选择，以及我们与生物圈其他部分的关联。现在，天文学家将地球的起源追溯到太阳系形成之前就已经毁灭的恒星，而正是这些古老的恒星构成了人类和地球的原子。
恒星里的炼金术
在自然界中，有92种不同的原子，它们被排列成“元素周期表”。每个原子在表中的位置取决于其原子核中质子的数量。元素周期表从1号元素氢开始，到92号元素铀。原子核中不仅含有质子，而且含有另外一种粒子，叫作中子。中子比质子稍重一些，但不带电荷。一种特定元素的原子可以有几种变体，叫作同位素，所含中子数各不相同。例如，碳元素在元素周期表中属于6号元素：它的原子核中含有6个质子。最常见的碳原子是12C，它包含6个中子，但还存在拥有7个和8个中子的同位素，分别被称为13C和14C。铀是自然界中最重的元素，但实验室里已经制造出了更重的原子核，其原子序数高达114。这些超重元素不稳定，易于衰变。有些元素的寿命长达数千年，比如钚（94号元素）。那些编号超过100的元素可以在原子核碰撞实验中被制造出来，但很快就会发生衰变。
当一颗大质量恒星内核的氢元素全部转化为氦元素（2号元素）后，恒星的内核便会向内收缩，使内部温度继续升高，直到氦元素能够参与核聚变反应。由于氦原子核的电荷是氢原子核的2倍，因此它们需要更快地碰撞，以克服更强烈的电斥力，这就需要更高的温度。当氦耗尽时，恒星会进一步收缩并升温。像太阳这类普通大小的恒星无法获得足够高的温度，使核聚变长久地进行下去，但大质量恒星因为具有更强大的引力，其中心温度可以达到10亿摄氏度。在生成碳元素（6号元素）的过程中，这些恒星会释放出更多能量，并引起一系列核聚变反应，产生更重的原子核：氧、氖、钠、硅等原子核。特定原子核形成时所释放的能量取决于将其质子和中子“黏合”在一起的核力与质子之间的静电排斥力之间的对抗程度。铁原子核（包含26个质子）比其他任何原子核结合得都要紧密，必须增加能量（而不是释放能量）才能形成比它更重的原子核。因此，当恒星的内核都被转化为铁原子核之后，将会面临一场能源危机。
随后的发展充满了戏剧性。一旦铁原子核所占的比例超过一定的阈值（约1.4个太阳质量），引力就会占上风，铁原子核向内坍缩到中子星大小，同时释放出巨大的能量，形成一次大爆炸，外部物质被抛向太空，最终变为一颗超新星。此时的恒星形成一种“洋葱”似的结构：氢和氦仍在外层燃烧，而较热的内层物质按照元素周期表的排列顺序由外向内依次分布。被抛回太空的碎片中包含了这些混合在一起的元素，氧是最常见的，其次是碳、氮、硅和铁。结合所有类型的恒星及其所经历的各种演化阶段，我们可以计算出这些元素之间的比例，得出的结果与在地球上观察到的比例一致。
铁元素在元素周期表中仅仅排列在第26位。初看之下，形成比铁原子重的原子似乎是一个问题，因为必须注入更多能量才能合成它们。不过，恒星在坍缩过程中产生的高温，加上外层爆炸产生的冲击波，二者的能量一起促进了少量元素周期表中的其余元素的产生，直到第92号元素铀。
银河系的生态系统
第一批恒星形成于大约100亿年前，由原始物质构成，这种物质只含有最简单的原子，没有碳，没有氧，也没有铁，那时的化学是一门非常乏味的学科。第一批恒星周围也没有行星环绕。在太阳形成之前，可能有几代大质量恒星已经经历了它们的整个生命周期，将远古时的氢转化为生命的基本组成部分，并通过强风或爆炸将它们抛入太空。其中一些原子融入了一个类似于猎户座星云的星际云团，大约45亿年前，一颗新的恒星在那里诞生，它周围被充满尘埃的气体盘包围着，最终形成了太阳系。为什么碳和氧在地球上随处可见，而金和铀却非常罕见呢？答案在太阳形成之前那些爆炸的恒星身上。地球和人类都源自那些古老恒星的灰烬。银河系是一个生态系统，一代代的恒星在不断地循环利用、加工着原子。
太阳系中的碳原子、氧原子和铁原子最初都是在大质量恒星中形成的，这类恒星将自己的碎片抛入太空，形成尘埃云。在45亿年前，太阳系就在这片尘埃云中形成。这些“污染物”（指碳原子、氧原子和铁原子）只占全部物质的2%，氢原子和氦原子仍然占据主导地位。不过，地球上之所以出现重原子比例过高的现象，是因为氢原子和氦原子是挥发性气体，它们已逃离了所有的内行星。同太阳一样，木星这样巨大的行星主要由氢和氦组成。在新生太阳周围的尘埃扁盘中，靠外的部分比较冷，木星就是在这种环境中形成的，它自身的引力足以拉住这些轻原子。
