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与所有重大的科学突破一样，牛顿的发现能回答的问题远远超过了那些促使他开始思考的难题。比如，这一定律还能解释潮汐现象——太阳和月亮的万有引力吸引着地球上的海水，但对更近那一面的海水吸引力更大一些，使得海水随地球的自转而被搅动起来。牛顿定律还表明能量是守恒的（在物理学上，守恒的意思是指一成不变），所以如果能量出现在某处，它一定不是从虚无中凭空出现的，一定是从别处而来。潮汐消耗了大量的能量（其中一些被潮力发电站利用），那这些能量来自何处呢？大部分来自地球的自转，所以潮汐的摩擦力使得地球自转变得越来越慢——如果你总觉得一天24小时不够用，没关系，等到两亿年后，地球上的一天将延长到25个小时！
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这说明，摩擦力也会影响天体的运动，摧毁了“太阳系永续永存”的思想——在过去，地球的自转一定比现在快。你还能计算出，今天的地球-月球系统的年龄不会超过40亿～50亿年，否则那时的地球自转速度会超级快，巨大的离心力会将地球撕得粉碎。我们终于对太阳系的起源有了第一个线索！“案发时间”总算出现了一线曙光。
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牛顿的发现为人类思想插上了翅膀，走出了征服空间的第一步。他证明，通过地面上的实验，我们也可以发现物理定律，并能将其推而广之，解释天上发生的事情。尽管牛顿的专长只是万有引力和运动，但他的这种思想实验却像燎原野火一样，逐渐蔓延到了其他领域，比如光、气体、固体、电现象和磁现象。人们展开了大胆的猜测，不仅对肉眼可见的宏观现象，还针对微观现象，将牛顿的运动定律运用于原子，来解释气体等许多物质的性质。一场科学革命拉开了序幕，开启了工业革命和信息时代的大门。反过来，这些进步帮助我们创造出强大的计算机，又帮助我们进一步推动了科学的发展，解开物理方程，回答人们曾百思不得其解的许多有趣问题。
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物理定律可以被运用在很多方面。一般情况下，我们希望能用现状预测未来，比如预报天气；也可以把这些公式反过来，用现状去推演过去，比如重建哥伦布在牙买加看见的月食的具体细节。还有第三种方式是，想象一种假设的条件，运用物理公式推算它随时间的变化趋势，比如，模拟一次目的地为火星的火箭发射，计算它是否能如期到达。运用第三种方法，我们找到了太阳系起源的新线索。
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想象一下，外太空有一团极大的气体云，随着时间的流逝，它会发生什么呢？物理定律认为，它的命运取决于两股力量之间无休止的战役——万有引力和压力，前者想压缩它，而后者则想把它撑大。
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如果引力占了上风，气体云开始压缩，它就会变得越来越热（这就是为什么用气筒给自行车打气时会发热），这个过程反过来又增大了压力，遏制了引力导致的进一步压缩。如果引力和压力势均力敌，相互平衡，这团气体会长时间保持稳定状态。但休战总是短暂的，最终都会被打破。由于温度很高，气体云开始闪耀出光芒，把保持压力的热能辐射出去。于是压力变小，引力又会进一步压缩气体，长此以往地进行下去。
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如果我们将引力和压力的物理定律输入计算机，就能模拟出这场战役的各种细节。最后，密度最大的区域变得无比炙热和致密，变成了一个核聚变反应堆——在那里，氢原子聚变生成氦，同时巨大的引力保护它们不会炸开。此时，一颗恒星诞生了。这颗新生恒星最外层的气体非常炎热，闪耀着令人目眩的光芒。光芒吹散气体云剩下的部分，让它显现在我们望远镜的视野中。
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让我们倒带，重播一下，再从另外一个角度看看刚才的过程。在气体云逐渐压缩时，气体轻微的旋转将会被放大，就像冰上舞者收拢手臂时会转得更快一样，产生巨大的离心力。由于离心力的存在，引力无法将所有气体压缩成一个点。取而代之的是，引力把气体压成了像比萨一样的形状——很像我小时候学校附近的比萨店厨师用手旋转比萨面饼，让它变扁平一样。这个“宇宙比萨”的主要成分是氢气和氦气。但是，如果配料表中还包括一些更重的元素，比如碳、氧和硅，那么，在中心生成炙热恒星的同时，外层物质将会形成一种较冷的物体——行星。当新生恒星将剩下的“比萨面团”吹跑之后，行星就会显露出它们的面孔。由于所有的旋转（物理学家称之为“角动量”）都来自最初那团气体云的旋转，所以，不出所料，太阳系的所有行星都往相同的方向公转（如果你从北极的方向往下看，为逆时针方向），与太阳每月自转一周的方向正好相同。
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这种太阳系起源的理论不仅被理论计算所支持，还与望远镜对其他恒星系的观测相符。通过观测，我们将许多处在诞生各个阶段的恒星系“抓个现行”。银河系里包含着许多巨大的分子云。这些气体云中包含着大量分子，能帮助它们辐射出热量，从而逐渐冷却和收缩。我们在许多气体云中都亲眼目睹了恒星的诞生。在一些云里，我们甚至能看到初生的恒星和周围比萨状的原行星盘，形状完整，充盈着气体。近年来，天文学家发现了许多恒星系，藏着大量关于太阳系起源的奥秘。
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如果太阳系真是这样形成的，那它发生在何时呢？大约100年前，人们普遍相信太阳系形成于2 000万年前，这是因为，如果它在这个时间点之前就存在了，燃烧就会辐射掉大量能量，引力将会把太阳压缩得更小，小于我们观测的结果。同样，通过计算发现，如果太阳系形成于这个时间以前，地球内部的大部分热量（比如火山和热液喷口）也将早已消散完毕，冷却殆尽。
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直到20世纪30年代，核聚变的秘密被揭开，人们才恍然明白了太阳保持炙热的原因。但早在1896年，放射性的发现已经摧毁了旧的地球年龄理论，提供了一个更好的解释。铀元素最常见的同位素会自发衰变成钍等更轻的元素。其中，一半铀元素发生衰变（也就是半衰期）大约需要44.7亿年。正是这些放射性元素的衰变产生了足够的热量，在数十亿年的时间里保持着地球核心的炙热，这也解释了为何地球年龄老了2 000万年还能继续保持温暖。此外，通过测量岩石中铀元素衰变的比例，我们还能得知岩石的年龄。用这种方法，人们发现，澳大利亚西部杰克山（Jack Hills）的一些岩石竟然有44.04亿年的历史，而最古老的陨石甚至有45.6亿年历史。这意味着，不止是地球，太阳系的一切都形成于45亿年以前——正符合对潮汐的粗略估计。
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总而言之，物理定律的新发现为我们提供了定性和定量的方法来回答祖先最困惑的问题之一：太阳系是何时、以何种方式形成的？
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星系，宇宙里的“超级大比萨”
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研究了太阳系的形成，我们已经把时间的开端往前推进到45亿年前。那时，太阳系诞生于一团因万有引力而坍缩的分子云中。但正如菲利普的同学所问：这团分子云又是从哪里来的呢？
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星系的形成
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有了望远镜、铅笔和计算机的武装，天文学家提供了令人信服的答案，尽管一些重要的细节还需要进一步探讨。我们知道，引力和压力之战让太阳系形成了像比萨一样的圆盘形状。其实，这种战役在更巨大的尺度上依然在上演——比太阳重数百万倍甚至数万亿倍的分子云被压缩成了“超级大比萨”。这种坍缩极其不稳定，所以它的中心并不会像打了鸡血一般诞生“超级巨星”，周围也不会形成“超级行星”。与之不同，它会碎成无数片小一些的气体云，这些小气体云各自孕育出各自的太阳系——于是，星系诞生了。我们的太阳系，只是银河系中数千亿个比萨形状的恒星系之一。太阳系大约在银河系距中心一半的位置，几亿年才绕着银河系旋转一圈（见图1-2）。
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有时候，星系之间会发生碰撞，就像宇宙版的大撞车。这听起来很恐怖，但实际上并不可怕，因为几乎所有恒星都会从空隙里穿越过去，而不会迎面撞在一起。相撞后，万有引力会将大部分恒星聚在一起，形成一个更大的崭新星系。银河系和我们最近的邻居——仙女座星系都呈比萨形，伸展着美丽的悬臂，如水中的旋涡一般，所以被称为旋涡星系（spiral galaxies，见图1-2）。当两个旋涡星系相撞时，一开始会混乱不堪，后来会逐渐形成一团圆形的恒星群，被称为椭圆星系。这正是我们最终的命运，因为我们的银河系正在向仙女座星系迎头撞上去，大约几十亿年后会相撞——不知道我们的后代会不会把这个新星系称为“银女座”。我们唯一能确定的是，它一定是一个椭圆星系。望远镜拍下了许多星系的相撞，展现了这个过程的不同阶段，都基本符合我们的理论预测。
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如果今天的星系都是由小星系融合而成，那么最初的小星系究竟有多小呢？这个问题将把我们对时间的追溯往前再推进一大步。说实话，这也正是我亲自参与的第一个研究项目。项目中，我负责弄清楚气体云中的化学反应，它生成了辐射热能的分子，从而降低了压力。但是，每次我以为自己算完了，都会发现分子式存在严重的问题，导致后面的所有计算都失效，必须从头再来。
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我跟着我的研究生导师乔·西尔克（Joe Silk）在这个问题上纠结了整整4年，我实在沮丧透了。我甚至去定制了一件T恤，上面印着“我讨厌分子”以及我的大敌——氢分子，上面有一个大大的红叉，就像禁烟标志一样。但接下来，幸运女神降临了——我去慕尼黑做博士后时，遇到了一个友好的大学生叫汤姆·艾贝尔（Tom Abel），他刚刚完成了一段史诗般的计算，包含了我所需要的所有分子。他作为共同作者加入了我们的团队。24小时后，大功告成！据我们预测，最早期的星系“只”比太阳重100万倍。我们的运气真是太好了，因为当年的这些发现与汤姆如今用更精密的计算机模拟出来的结果仍然基本相符——他现在正在斯坦福大学当教授呢。
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永恒的运动，宇宙的自然状态
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地球就像一个舞台，上演着一幕伟大的戏剧——斗转星移，生命一代又一代降生到人间，它们相互影响，度过一生，然后走向死亡。这幕地球戏剧始于45亿年前。然而，我们却发现，地球只是一幕更宏大的宇宙戏剧中的一小部分。那里就像一个宇宙级别的生态系统，一代又一代的星系诞生、相互影响、最终走向死亡。那么，在此之上，是否存在更高级别的戏剧，一代代宇宙在其中诞生和死亡呢？更具体地说，我们的宇宙是否存在一个开端呢？如果有，是什么时候呢？
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星系为什么不会坍缩？这个问题将再次把我们对时间的认知往前推进一步。我们知道，月亮不会掉下来是因为它旋转得极快。宇宙中充满了星系，星系的运动方向各不相同，而且并不都是绕着我们旋转，很显然，月球的理由不适用于它们。如果宇宙是永续永存的，并且本质上是静止的，那遥远的星系相对我们来说就不会运动得太快。那它们为什么不会最终坠向我们，就像你突然让月球停止在轨道上，它一定会落向地球一样呢？
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在牛顿的时代，人们当然不知道星系的存在。布鲁诺通过冥思苦想，得出宇宙是永恒静止的，里面均匀地布满了恒星这一结论。如果你认同布鲁诺，那你至少有一个半生不熟的理由，不用担心宇宙会塌到头上，那就是，根据牛顿定律，每颗恒星在每个方向都会受到同样强大的万有引力（实际上是无穷大），因为每个方向上都有无数颗恒星，这些引力相互抵消，所以恒星可以保持静止。
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1915年，这个理由被爱因斯坦的新引力理论推翻了，这就是广义相对论。爱因斯坦发现，永恒静止、均匀布满恒星的宇宙模型与他的新引力方程不相符。那么，他做了什么呢？毫无疑问，爱因斯坦继承了牛顿大胆推测的精神，一边探索符合自己方程的宇宙形态，一边在观测中寻找证据。然而颇具讽刺意味的是，爱因斯坦作为人类历史上最具有创造精神、最敢问别人之不敢问、最敢挑战权威的科学家，却不敢质疑最大的权威——他自己，以及他对永恒不变的宇宙的痴迷。结果，他修改了自己的广义相对论方程，在其中加入了一个额外的常数，使宇宙变得永恒且稳定。他后来把这个举动称为自己一生中最大的错误。更加具有讽刺意味的是，现在看来，这个宇宙常数竟可能真的存在，只不过是以暗物质的形式存在（我们在后面会讨论到），并且取值也不同，因此不能以此来保持宇宙的恒常稳定。
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后来，终于出现了一个人，有信心聆听爱因斯坦方程中的低吟。这个人就是俄罗斯物理学家、数学家亚历山大·弗里德曼。他计算出了最一般情况下的均质宇宙解，发现了一个令人震惊的事实——绝大部分解都不是静止的，而是随着时间而变化！爱因斯坦的静止宇宙不但只是一个特例，而且本身也不稳定，不能保持很长时间。正如牛顿证明太阳系的自然状态就是永恒运动一样（比如地球和月球不可能永远保持静止），弗里德曼的研究揭露出，宇宙的自然状态也是永恒运动的。
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