尼尔·德格拉斯·泰森
我们首先关注恒星，接着探索星系、宇宙，以及更遥远的世界。巴斯光年在《玩具总动员》中说过什么？“无穷无尽！”
这个宇宙极其浩瀚，我想让你了解它的广阔和层级。它远超你的认知范围，它的温度远超你的认知极限，它的密度远超你的认知标准，它远超你的认知稀疏。你关于宇宙的所有构思，与宇宙的真实面貌相比，都显得平淡无奇。
启动之前，先来备好所需物品。咱们先来熟悉一下各种不同量级的数值，以便于后续讨论时表达更便捷，也能让咱们对宇宙中不同事物的尺度有个形象认知。从数字1讲起。这个数大家都很熟悉，它不包含零。若以指数方式表示，则为十的零次方，也就是100。数字1紧随其后，没有出现零，这就是零次方的含义。十可以记作十的1次方，也就是101。接下来是1000，也就是103。表示1000的词头是千，千克意味着1000克，千米意味着1000米。再添上3个零，就得到百万，即106，它的词头是兆。或许这就是扩音器发明时人们接触过的最大数字了。倘若知晓尚有十亿，即再增加三个零，便是109，或许会称作“吉音器”吧。若观察电脑中文件容量，便会十分熟悉“兆字节”与“吉字节”这两个名称。一吉字节即等于十亿字节。不确定你是否清楚十亿究竟有多庞大。让我们环顾四周，寻找以十亿为计量单位的事物。
现在全球人口超过七十亿。比尔·盖茨？这与这有何关联？当我上次查阅资料时，他的财富大约有八百亿美元。他是科技爱好者的精神领袖，这是科技爱好者首次主导世界。在人类历史长河中，这种情况很少见。时代已经转型了。
你感受过1000亿的概念吗？其实并非正好是1000亿这个数。麦当劳的广告宣称“招待了990多亿顾客”，这是你在户外能够看到的最大数字了。我清楚记得他们开始统计客流量的时候。在我成长的岁月里，麦当劳自豪地公示过“招待了80多亿顾客”。麦当劳的门店招牌从未显示过1000亿这个数，由于他们的汉堡统计装置只有12位数字。因此，计数过程停留在990亿这个阶段。接着他们迅速替换成了另一个卡尔·萨根指数，因此目前的目标是“惠及所有生灵”。
用一万个亿个面包圈，一个接一个地摆放，从纽约往西边摆放，能够摆放到芝加哥吗？当然可以。能够摆放到加利福尼亚吗？当然可以。用某种方式让它们悬浮起来。接下来的计算采用面包圈的直径（十厘米），因为面包圈比汉堡本身要稍微大一些。因此，为了方便理解，这个计算以面包圈为参照物。此刻你正携带万亿个面饼，横渡大洋，兜一个大圈，然后把每块面饼依次摆放。如此一来就穿过了太平洋，途经澳洲、非洲，再穿过大西洋，最终抵达纽约。事实上在绕行地球一圈之后，你手里依然有不少面饼。清楚还剩多少吗？你可以依照这个路线继续……二百一十五趟！此时你手中仍然剩余面饼。你总是觉得围绕地球转腻了，那么可以尝试些别的活动。你可以把面包叠起来。叠到多高呢？环绕地球216圈后剩余的面包，如果每个高5厘米，叠起来就能抵达月球，然后再返回。这样就能消耗完你那1000亿个面包。这也是牛对麦当劳感到不安的原因。相比之下，银河系大约有3000亿颗恒星。所以，麦当劳已经达到了宇宙级别。
当你年龄达到31岁7个月9小时4分钟20秒时，你人生的第10亿秒便已到来。记得我处在同样年纪时，曾开启一瓶香槟来纪念这个时刻，那是一支小瓶装。十亿这个数字，人们并不会时常遇见。
我们接着说。下一个量级是多少？是万亿（），也就是10的12次方。我们为它取一个国际单位制前缀：太（tera-）。你不可能数到1万亿。当然，你可以试一试。即便你每秒数一个数，也得数上三千一百年——31000年，所以我不建议你这样做，家里也不应该尝试。1万亿秒之前，克罗马农人正在他们居住的洞穴的岩壁上画画。
在纽约的罗斯地球与太空中心，我们陈列了一条盘旋状的宇宙时间轴，从宇宙起源算起，历经138亿年历程。如果不将其收束，其长度堪比一个足球场。你每行进一小段，便相当于穿越了5000万年时光。当你抵达这条时间轴的终端时，不禁会思索：“我们究竟身处何方？人类文明的最终界限又会在何处显现？”在久远的岁月里，从最早会画画的古人到现在的人，全人类的经历其实非常短暂，就像发丝那么细，我们只是处在时间链条的最后一小段。也许你会觉得咱们活了很久，觉得咱们的社会已经发展了许久，但跟浩瀚的宇宙比起来天体物理学起步网校，这点时间并不算长。
下一个数是什么？是1015。这就是1000万亿，单位是拍。拍是词头。这个数是我特别喜欢的数字之一。研究蚂蚁的科学家E. O. 威尔逊指出，地球上生活的蚂蚁数量达到10拍。
下面将要介绍什么？数值为1018，相当于100亿亿倍，单位是艾（exa-）。这个数字是用来形容十座大型沙滩上沙粒的总数。全球闻名的海滩之一位于里约热内卢，名叫科帕卡巴纳。该海滩最初长度有4.2千米，宽度曾达到55米。后来又增加了350万立方米沙石，使宽度扩大到140米。科帕卡巴纳海滩沙粒平均直径为三分之一毫米。每立方毫米包含二十七颗沙粒。因此，三百万立方米沙粒总数达到一千零一十七。这些正是当地如今的主要沙粒。若将十处科帕卡巴纳海滩的沙粒数量相加，总计约为一千零一十八。
将数值放大一千倍之后，便得出1021这个结果，也就是十万亿亿，这样的数字。从度量长度的“千”字开始，逐步扩展到音响设备的“兆”字，再联想到快餐品牌汉堡中的“千亿”概念，接着思考远古人类的“克罗马农”，然后观察微小的“蚂蚁”，再进一步看到沙粒般细小的“沙子”，最终抵达了这个数字——它代表了我们能够观测到的整个宇宙里所有的恒星总数。
世间常有论调，称我们在浩瀚宇宙中孑然一身。这些人对于天文数字毫无认知，也全然不了解宇宙的广阔无垠。接下来，我们将要深入探讨我们所说的可观测宇宙，那便是我们能够目及的宇宙范围。
此处，我暂且忽略这一环节，接着探讨超越百亿亿亿之上的数值，诸如10的81次方，这类数目前似乎尚未获得专属名称。
这是宇宙中所有原子的数量。为何要追求比它还要庞大的数值呢？你在地球上究竟在统计什么？比如10100，这个数似乎很可观。它被称为1古戈尔（）。注意不要把它和谷歌（）相混淆，那家网络企业特意把字母拼错了。
宇宙所有能观察到的范围内，没有任何需要计算的项目会用到古戈尔这个数值。它仅仅是一个颇为特别的数字。可以表示为10100，倘若没有输入上标，写成10^100同样可以。然而，在某些情形下，人们依然会运用这么庞大的数字，目的并非计数，而是推算某些事件出现的所有可能性。譬如，国际象棋总共会有多少种不同的棋局布局？出现三种情形时，将认定比赛为和局：某个棋局呈现三次，五十回合内无人被吃，且双方兵都没有移动，剩余棋子不够将军。若参赛者中有人会运用和局规则，我们就能推算出所有可能棋局的总量。戈特估算了一下，得出一个数值，该数值小于10的10的4.4次方，这个数远远超过古戈尔，而古戈尔等于10的10的2次方。假如不是在清点对象，而是在统计执行某些活动的方案数，那么数字就会急剧膨胀。
我另有一个数字更为可观。假设1古戈尔即为1后面连接着100个零，那么10的1古戈尔次方该怎样书写？它同样拥有一个专门称谓：古次幂，意译为“古戈尔普勒克斯”。这个数字就是1后面紧跟着1古戈尔个零。你或许能够尝试记录下这个数值，但实际操作中难以完成。毕竟它包含的零的数量达到了1古戈尔之多，而1古戈尔这个数值已经远远超过了宇宙内所有原子的总和。所以，你只能从以下几种形式中挑选一种：、1010的100次方或者10的10的100次方。如果你已经迫不及待了，我可以建议你试着写出1019个零，也就是在宇宙的每一个原子上都写一个零。不过，你也许有更值得投入精力的事情。
我要说的这些并非多余之谈。有一个数值，其规模超越了古次幂。雅各布·贝肯斯坦提出了一个方程式，使我们能够推算出质量与体积堪比我们可见宇宙的各类量子状态所能达到的最大数目。鉴于我们观察到的量子不确定性效应，这个数值将是我们此类宇宙中的极限值。这个数是10的10^124次方，它远远超过“古戈尔普勒克斯”的规模。无论是在主要由黑洞组成的恐怖空间，还是在与我们所处空间极为相似的领域，这个数值都能涵盖所有情形。具体而言，在特定宇宙里，人类鼻腔中会缺少一个氧原子，而在某些异星生物的鼻腔里则会多出一个氧原子。
因此，确实可以给那些非常巨大的数找到一些实际价值。我不知道比10^（10^124）还要大的数有什么用途，不过数学研究者们当然清楚。
某个定理涉及一个极其庞大的数值10^(10^(10^34))，该数值被称为史丘斯数。数学家们热衷于从远超物质世界范畴的思辨中获得精神满足。
让我们聊聊宇宙中其他的极端情况。
说说密度这个概念吧，你凭感觉应该明白密度指什么，不过咱们还是来研究一下宇宙里的密度。先看看我们身边的空气，我们正吸入的空气每立方厘米包含2.5×1019个分子，其中78%是氮气成分，21%是氧气成分。
一立方公分里含有2.5×10的19次方个分子这种密集程度或许超乎你的预料。现在让我们审视一下我们最顶尖的实验室真空条件。如今我们已能将其密度削减到每立方公分大约只有100个分子。那么星际空间中又是什么景象呢？抵达地球的太阳风里，每立方公分大约分布着10个质子。在此处提及密度，是指构成该种气体的分子、原子或自由粒子的多少。恒星彼此之间，即星际空间是怎样的呢？它的密度变化无常，这要看你在何处游荡，但密度低至每立方厘米仅有一个原子的地带并不罕见。在星系与星系之间的地带里，这个数值要小得多，每立方米才有一个原子。
当今最先进的实验室也无法复制太空的真空状态。有观点认为自然界厌恶真空。持这种看法的人从未踏出地球范围。实际上自然界对真空极为偏爱。宇宙绝大部分区域都是真空。人们提及“自然”，所指的仅是我们当前的所在地，位于我们称作大气层的厚重覆盖物之下，大气无时不刻不在填满它所能到达的范围。
如果我把一根粉笔向黑板上扔去，接着捡起一小片。那根粉笔已经摔成了碎块。如果这些碎块每块直径大约一毫米。设想一下，如果它们是基本粒子。你知道构造最简单的元素是什么吗？氢，你可能已经了解。它的原子核心里只有一个基本粒子，而常见的氢原子中，还额外有一个电子沿着围绕原子核心的路径运行。氢原子有多大？倘若粉笔末是质子，原子将似沙球般庞大吗？并非如此，它将更为巨大。其直径可长达百米，约等于三十层高楼的高度。这是为何呢？由于原子内部极为稀疏。在原子核与那唯一电子之间并无其他粒子，电子在原子的初始轨道上运行，这是量子力学揭示的，电子围绕原子核呈现球形散布。我们深入到极其微小的尺度，去探索宇宙的某个极端范围。我们所面对的测量对象极其渺小，小到无法进行测量。目前我们还不清楚电子的直径究竟有多大。这个尺寸已经超出了我们能够测量的界限。然而，超弦理论指出，它或许是一根极其微小的振动弦，其大小达到了1.6×10–35米的程度。
原子的尺寸大约是一百亿分之一米长。十万亿分之一米或百亿分之一米有多小呢？这种尺度的东西包含只有一个电子的铀，还有由一个质子和一种叫缪子的特殊粒子组成的奇异氢原子。这种怪异的氢原子体积仅是常规氢原子体积的两百分之一。缪子会自然消失，因此这种氢原子的存在时间大约只有两万二千分之一秒。必须达到10至14米或10至15米的深度，才能探测到原子核的尺寸。
我们换个角度，往更高层次密度行进。以太阳为例，它的密度真的很高吗？其实并非如此。太阳核心部分异常密集，同时温度极高，然而其外围密度却小很多。太阳整体密度约为水密度的1.4倍。水的密度是1克每立方厘米。太阳核心密度达到160克每立方厘米，不过就密度而言，太阳的表现相当平凡。某些恒星会展现出极为反常的现象，有的会急剧膨胀，体积变得异常庞大，内部密度却骤降至极低水平，另一些则急剧收缩，压缩成极度致密的形态天体物理学，需要思考我那由质子构成的部分，以及它所处的四周辽阔而空寂的宇宙环境，宇宙里确实存在某些机制，能够使物质不断坍塌、粉碎，直至压缩到原子核的密度，在这样的恒星内部，每个原子核都与其他原子核紧密相邻，几乎没有空隙。具备这种属性的物体，基本上都源自中子，那里是宇宙密度极高的地方。
天文学家在职业中，习惯对所见之物赋予精确的称谓。体积庞大且呈现红色的恒星，我们称之为红巨星；体积微小且呈现白色的恒星，我们称之为白矮星。当恒星由中子构成时，我们称之为中子星。那些能发出电磁脉冲的恒星，我们称之为脉冲星。在生物学领域，研究者采用大写的拉丁文来为物种进行命名。医生用那些古老的文字开药方，患者看不懂，但交给药工后，药工就能明白。有些英文名字由许多音节组成的奇特化学物，是我们每天都要服用的。在生物化学领域，最常用的分子的英文名字有十个音节：脱氧核糖核酸！但宇宙整体起源，涉及空间、时间、物质及能量，可用简短“大爆炸”概括。天文学家倾向使用短词形容研究目标，毕竟宇宙已极难理解，再用宏大词汇只会增加认知负担。
想见识更多案例吗？宇宙里某些区域引力极强，连光线都无法逃逸。一旦坠入其中，便再也无法脱身，这就是所谓的黑洞。我们仅用黑洞这个单音节词汇，就叙述了全部情节。抱歉，关于这些内容，我实在忍不住要分享。
中子星的密度有多大？想象一下，取一丁点儿（和顶针差不多大）中子星物质。顶针是啥？以前人们缝制衣物都用手工，顶针能防止手指被针扎破。要达到中子星的密度，需要聚集一亿头大象，再把它们全部塞进这个顶针里面。换言之，假设将一亿头大象安放在跷跷板的一个端点，若另一端放置由中子星物质构成的顶针，两者便可达到均衡状态。中子星是极为致密的星体。它的引力同样非常强大。究竟有多强？我们不妨抵达其表面进行考察。
判断一个物体引力强弱的方式是观察提起它时耗费的能量大小。引力越强，提升它就需要投入更多的能量。我消耗一定能量就能登上一个楼层的高度，这个数值在我的体力承受能力之内。但设想一下，在某个与地球重力相近的虚构超级大行星上，峭壁的高度可以达到两万公里。从悬崖底部攀至顶端，你必须不断对抗地球上的重力作用，现在估算一下从底部到达顶部所需的能量消耗，这需要消耗大量能量，它比你在悬崖底部时体内储存的能量还要多，在攀爬过程中，你需要补充一些能量棒等高热量且易于吸收的食物。以每小时百米的速率持续向上攀爬，全天候不停歇，也需要二十二年以上的光阴才能抵达悬崖顶端。然而，当中子星的表面时，想要移动一张纸的厚度，就需要同等规模的力量。据此推断，中子星的环境或许不适合生命存在。
我们已从每立方米含有一个质子的情况，说到了一亿头大象堆满每顶针的密度，期间忽略了什么？温度具体是怎样的？我们不妨先讨论热，从太阳表面说起，那里的温度高达六千开尔文，任何物体放在那里都会立刻气化，这就是太阳呈现为气体状态的原因，因为在如此高的温度下，所有物质都会转化为蒸汽。（相比之下，地球表面的平均温度只有287开尔文。）
太阳核心的温度是怎样的？你或许能够想到，太阳的内部区域比它的外壳要炽热得多——这一点有充分的依据可以证明，本书的后续章节会详细阐述。太阳中心的温度大约达到1500万开尔文。在这样的高温条件下，会出现一些非常奇妙的现象。质子们正以惊人的速度飞驰，实际上它们的运动速率极高。
质子之间一般会相互推开，因为它们都带有同种（正）电荷。不过，当质子高速移动时，它们能够战胜这种推开力。假如能让它们彼此挨得很近，就会有另一种全新的力量参与其中——这种力量并非排斥性的静电，而是在极小空间内显现出拉拢效果。只要把两个质子拉近到足够小的距离，它们就会结合在一起。这种力有一个特定称谓，我们称作强核力。的确，这是它的规范叫法。该强大的核力能让质子聚合，生成新元素，比如在元素周期表里排在氢之后的那个——”氦。恒星正忙着合成比它们自身构成元素更重的物质。这一过程在恒星内部的极深处进行，我们将在第七章里更详尽地探讨它。
我们往低温那边谈谈吧。整个宇宙的冷热程度是多少呢？它确实有冷热，是大爆炸留下的痕迹。回到138亿年前，此时此刻所有空间、时间、物质和能量都紧挨着。初生的宇宙是一个高温、翻滚的装满物质和能量的大熔锅。宇宙从那时起不断膨胀，使得它冷却到了大约2.7开。
当前宇宙持续扩张且温度降低。资料表明，我们正经历单向的时空进程。宇宙源自大爆炸，将永久膨胀。温度会持续下降，最终降至2度，再降至1度，继而降至0.5度，逐渐趋近绝对零度。最终，霍金揭示、戈特将在第24章探讨的现象会出现，那时宇宙温度或许会低到大约7×10–31度。然而这一情况并未使我们感到丝毫宽慰。恒星终将用尽自身的热核物质，它们会逐一消亡，从天空中隐去。虽然星际物质确实能够孕育新的恒星，但显然这个过程也会使它们的气体储备逐渐枯竭。从气体中诞生恒星，这些天体在生命历程中不断变化，最终会留下一些残骸——即”恒星生命终结后的残余物（黑洞、中子星和白矮星）。这一过程持续不断，直至银河中所有的发光体逐一隐没，彻底熄灭。星系陷入沉寂，被黑暗笼罩，宇宙也失去了光芒，仅剩下黑洞，它们散发出微乎其微的微光。需要指出的是，这一景象正是斯蒂芬·霍金所预言的。
宇宙就这样结束了，不是随着一声巨响，而是伴随着一声呜咽。
在那种状况出现之前很漫长的时间里，太阳的体积会变得十分可观。我向你担保，你绝不想在那种状况下遭遇。太阳一旦消亡，其内部将产生复杂的热力学变化，从而推动它的外壳不断扩张。太阳的尺寸会持续增加，持续增加，它缓慢地在天空中占据你越来越广阔、越来越广阔的视角。太阳最终会覆盖水星的运行路径，接着会覆盖金星的运行路径。五十年亿纪元时，地球会变成一堆焦黑的残骸，围绕太阳之外旋转。海洋早已沸腾，水汽散入空中。大气会被彻底加热，所有气体分子都将飞向宇宙深处。此时所有生命形式都将消失，而另一次灾难将在七十六亿年后发生，那时焦黑的地球会开始向太阳螺旋靠近，最终在恒星内部彻底熔化。
祝你今天愉快！
我想要让你体会这本书里涉及的多少和大小，我刚才说的那些内容，在接下来的章节里会有更深入更详尽的解释，很高兴来到宇宙！
