2.1　宇宙從無到有：物質、能量和空間

　　我們所處的宇宙，是廣袤空間和其中存在的各種天體及瀰漫物質的總稱。人們一直在探尋宇宙是什麼時候、如何形成的。宇宙起源是一個極其複雜的問題。直到20世紀，出現了兩種比較有影響的關於宇宙起源的模型：一是恆穩態理論（Steady State Theory），二是大爆炸理論（The Big Bang Theory）。恆穩態理論認為：宇宙的過去、現在和將來基本上處於同一種狀態，從結構上說是恆定的，從時間上說是無始無終的。而大爆炸理論認為宇宙和時間的開始都源起於宇宙中一次巨大的爆炸，這一爆炸造成了各大星系，而各大星系，以及整個宇宙總是處於不斷變化和發展的過程中。1927年，比利時宇宙學家和天文學家喬治．勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假說。
　　20世紀20年代後期，愛德溫．哈伯（Edwin Hubble）發現了紅移現象，說明宇宙正在膨脹。20世紀60年代中期，阿諾．彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特．威爾森（Robert Wilson）發現了宇宙微波背景輻射。這兩個發現給了大爆炸理論有力的支持。
　　在大爆炸理論中，大約138億年前，整個宇宙，以其令人難以置信的浩瀚和複雜，從之前的虛無中膨脹而出。大爆炸開始時，體積無限小、密度無限大、溫度無限高、時空曲率無限大的點，稱為奇點。大爆炸之初，物質只能以電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降，隨著溫度下降，逐步形成原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲，星雲進一步形成各式各樣的恆星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。
　　當然，一個關鍵問題是：上帝是否創造了宇宙大爆炸？
　　我們無意冒犯任何有信仰的人，所以我們把這個問題排除在本書的範圍之外。
　　儘管宇宙浩瀚而複雜，但事實證明，要建造一個宇宙，只需要三種成分：物質、能量和空間。
　　物質是有質量的東西。物質無處不在，在我們的房間裡，在我們腳下，在太空中，如地球上的水、岩石和空氣。巨大的恆星螺旋，延伸到令人難以置信的距離。
　　建造宇宙所需的第二個要素是能量。我們每天都離不開能量，做飯、手機充電和開車都是在使用能量。在陽光明媚的日子裡，我們可以感受到9300萬英哩（1英哩≈1.61公里）外的太陽所產生的能量。能量滲透到宇宙中，推動著宇宙動態過程的不斷變化。
　　建造宇宙需要的第三個要素是空間，很多空間。無論從哪裡看宇宙，我們都會看到向各個方向伸展的空間。
　　根據愛因斯坦的相對論，質量和能量是同一個物理實體，可以在他著名的方程E＝mc2中相互轉化，其中E是能量，m是質量，c是光速。這將「宇宙食譜」中的成分數量從三個減少到兩個。
　　儘管形成宇宙只需要能量和空間這兩種成分，但最大的問題是這兩種成分從何而來。在大爆炸理論的核心，它解釋了能量和空間分別是正的和負的。這樣，正負加起來為零，這意味著能量和空間可以從無到有。
　　可以用一個簡單的類比來解釋這個關鍵概念。想像一下，我們想在平坦的土地上建造一座小山，但我們不想從其他地方攜帶土壤或岩石。建造這座小山，我們可以在這片土地上挖一個洞，用洞裡的泥土來建造它。在這個例子中，我們不僅製作了小山，還製作了洞，這是小山的負版。小山曾經在洞裡面，在這個過程中它完美地平衡了。換句話說，山和洞可以在平坦的土地上出現。
　　這就是宇宙開始時能量和空間發生的事情背後原理。當大爆炸產生大量的能量時，它同時產生了相同數量的負能量，這就是空間。正能量和負能量相加為零。