1700873547
还有一个令人吃惊的事实：像太阳系一样，原子内部绝大部分都是空的空间。比如在氢原子内部，如果其质子像篮球那么大，它周围的空间就堪比地球。而电子的大小，则只相当于樱桃核。电子绕着质子旋转，就相当于一颗樱桃核在地球大气层的边缘（距离地球表面约100千米）绕地球旋转一样。剩下的则是空空如也的空间。
1700873548
1700873549
1700873550
1700873551
1700873552
原子长什么样？
1700873553
1700873554
原子的结构：一群电子绕原子核运动。原子核由质子和中子构成，质子和中子均由3个夸克构成。
1700873555
1700873556
微小的电子，绕着原子核不断运动，成为“电子云”。电子的轨道称为“电子层”。最里面的层级仅能容纳两个电子。接下来的两层，每一层则能容纳8个电子。有时候，最外一层不足8个电子，这种原子就可能形成分子。（关于这一过程的细节请参见第4章。）我们无法精确描述电子的运动，因为电子的运动方式并不符合常规。它们的运动符合量子运动规律——电子会从一个相对稳定的轨道跃迁到另外一个轨道，但不大可能处于两个轨道之间。从这一点上讲，将原子与太阳和8大行星进行类比就不那么恰当。
1700873557
1700873558
如果原子内部大部分都是空的，那么为何它们组成的物体是坚固的呢？这是因为力、键合力以及场，让万物各安其位，让物体显得坚固。
1700873559
1700873560
光，正如上文提到的那样，是不带电荷的。质子、中子和电子结合形成原子之后，光子就不会与它们的电荷纠缠在一起了。光子形成了巨大的光束，在空间自由移动。
1700873561
1700873562
上面已经提到，两位射电天文学家探测到了那道光束。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了科学家称作“宇宙背景辐射”（CBR）的东西，有时也称作“宇宙微波背景”（CMB）。这一背景就是那道光冷却下来的残留物，它们充斥宇宙，来自第一粒原子诞生、光（光子）能够自由移动的那一刻。
1700873563
1700873564
我们怎么可能看到那么久之前存在的东西呢？原因就是，某事物距离我们越远，其辐射抵达我们所需的时间就越长。如今所见乃长久之前的样子。举个例子来说，如果我们看到距离地球3000光年的一颗恒星爆炸了，那么，爆炸是发生在3000年前，因为爆炸时发出的光需要用3000年的时间才到达地球。（光年是光传播一年的距离。一光年相当于9.5万亿千米，即6万亿英里。这个距离到底有多长呢？想象一下我们的太阳系，它比太阳系直径的500倍还要多，不过这没有把太阳系边缘的大型奥尔特云算在内。）
1700873565
1700873566
大爆炸之后38万年，宇宙背景辐射开始在空间中穿越，过了差不多138亿年的时间，才到达我们这儿。宇宙的膨胀把这束光的光子拉伸成了微波，其波长太长，肉眼无法看到。只有仪器能够探测到，将其转化成图像，呈现在我们眼前。
1700873567
1700873568
两个早期空间望远镜
1700873569
1700873570
威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）：2001年6月，美国国家航空航天局（NASA）将WMAP送入太空，2010年10月，它结束了探测任务。WMAP非常成功，实际使用寿命是科学家预想的2倍。
1700873571
1700873572
WMAP首次将宇宙背景辐射（CBR）中出现的微小波动绘制成图。它确定了普通物质、暗物质和暗能量的比例。（登录http://map.gsfe.nasa.gov获取更多图像和信息。）
1700873573
1700873574
普朗克卫星：欧洲航空局（ESA）运行的是另一台空间天文台。它以德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck，1858—1947）的名字命名，普朗克创立了量子理论，于1918年荣获诺贝尔物理学奖。（详情参见下文“知识前沿的疑问”。）
1700873575
1700873576
普朗克卫星于2009年5月升空，2013年10月结束任务。它的轨道是绕地球的椭圆形轨道。轨道最远点距离地球1,126,540千米（700,000英里）。在CBR的图像绘制方面，它的精确度比WMAP高，2013年3月，科学家首次公布了CBR的全天图像。科学家通过CBR的精确图像，将宇宙的年龄精确到138.242亿年（前后有几百万年的出入）。为了做到这一点，科学家研究了CBR，并计算出由宇宙膨胀造成的光波拉伸的程度。接下来，他们就能计算出宇宙膨胀了多长时间。
1700873577
1700873578
为了避开地球大气层的干扰，科学家发射了卫星探测器，比如威尔金森微波各向异性探测器和普朗克卫星，用以拍摄宇宙背景辐射的图像。这些照片似乎记录到微波中有微小的温度波动。这些波动表明，早期宇宙中的物质并不是绝对均匀分布的。有些地方，温度稍微高些，通常在图像中呈现红色。在这些红色区域，引力开始将原子拢在一起，这就是恒星和星系的开始，我们会在下一章予以探讨。
1700873579
1700873580
今天的物理学家如何做研究
1700873581
1700873582
天体物理学家是指那些借助物理学研究天文学的人。在可能的最小范围（亚原子粒子）内和可能的最大范围（宇宙）中所发生的事，都是他们想要弄懂的对象。
1700873583
1700873584
为了研究早期宇宙发生了什么，科学家需要尽最大限度重新创造出当时的条件。这就需要使用巨大且昂贵的机器，让亚原子粒子以接近光速的速度进行撞击。（似乎正应了比尔·布莱森那句话：越是研究小东西，越是需要大机器。）
1700873585
1700873586
由于没有哪个国家能够独自负担得起这类机器，所以100多个国家携起手来，提供所需的资金、科学家和工程师，共同建造所需的设备。该设备建在法国和瑞士交界处，靠近日内瓦机场。组织者是欧洲核子研究中心（CERN）。该机器叫作“大型强子对撞机”（LHC），是迄今造价最高的科学实验设备，总投资超过60亿美元，仅电费这一项，一年就要3000万美元。（强子是强核力控制下的质子、中子及其他粒子的统称。）
1700873587
1700873588
大型强子对撞机于2008年完工，建在地下的圆形隧道内。周长几乎有27千米（17英里）。科学家发射两束粒子，通常为质子，一束顺时针运行，一束逆时针运行。粒子一圈圈地在隧道内运行，逐渐加速到接近光速。两束粒子对撞时，能量所达到的水平，在宇宙第一秒之后还从未见过。
1700873589
1700873590
通过加速使质子对撞并破裂，LHC可以把质子打碎成更小的粒子。这有点像为了知道两辆小汽车里有什么而让它们相撞。
1700873591
1700873592
质子对撞分裂出来的粒子只存在远远不到一秒钟的时间，就立刻衰变了，或与其他粒子重新结合起来。大爆炸理论表明，早期宇宙的所有物质都包含这些微小的亚原子粒子，所以说，LHC是试着在小规模上重造早期宇宙。
1700873593
1700873594
苏格兰物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了一项假说，目前科学家正在检测。希格斯想搞明白，在这些最微小的粒子中，为什么有的似乎有质量，而有的没有。他假设宇宙可能浸在一个无形的背景场中，类似于磁场，这个场由极其微小的、没有质量或能量的粒子构成。
1700873595
1700873596
假说中的这种粒子叫作“玻色子”，或“希格斯玻色子”，是以两位物理学家的名字命名的——彼得·希格斯和印度物理学家玻色（S. N. Bose，1894—1974）。希格斯认为，与玻色子相互作用的粒子具有质量（质子和中子），而那些可以轻易穿过玻色子场但不发生相互作用的粒子没有质量（如光子）。温度越低，玻色子就越“厚实”，物质粒子穿过玻色子场的难度也越大，这一现象被解读为它们具有了质量。物质之所以存在，就是因为这个原本就存在的、隐藏的背景场。