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宇宙的冒险之旅
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《十的次方》（Power of Ten ）这本书与同名电影[1] ，是一次关于距离尺度的标志性旅行，它从有一对情侣坐着的芝加哥格兰特公园（Grant Park）出发，最后又回到该地，对于我们来说这也是一个很好的出发点。我们先将镜头在地面上停留片刻，看一看我们周边熟悉的长度和尺度。在短暂地回顾了人的尺度——大约两米左右之后，让我们离开这个舒适的位置，向更大的高度与尺度迈进（关于本章的尺度示例见图19-1）。
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图19-1 一个关于各种尺度的旅行，以及用来描述它们的长度单位。
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我曾见过的最吸引眼球的一次演出，是伊丽莎白·斯特布的舞蹈公司关于人体对高度的反应的表现。她的舞蹈演员（“行为工程师”）从一个横梁上跳下，腹部落地，而横梁上升得越来越高，直到最后一名舞蹈演员从9米高的地方跳下。那绝对超出了我们感受的舒适区，现场许多的观众都发出重重的惊讶声。因为人们往往不会从那么高的地方跳下，更不会面部朝下地跳下。
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虽然绝大多数高耸入云的建筑给人的感觉不比上述表演更加摄人心魄，但它们也给人带来了从敬畏到恐惧的强烈震撼感。建筑师所面对的一个挑战是，赋予比我们大得多的物体一种人性化的结构。建筑与结构在尺度和形状上的差异很大，但是我们对于它们的回应反映了我们对尺度的生理和心理态度。
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世界上最大的人造结构是位于迪拜的哈利法塔（Burj Khalifa Tower），它高828米。虽然它高得离奇，但是它的大部分都是空的。电影《碟中谍4》所赋予它的文化感可能并不如《金刚》赋予帝国大厦的文化感。虽然纽约这座高381米的标志性建筑比哈利法塔矮一半还要多，但是它的知名度却高很多。
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我们生活在一个周围有着巨大自然实体的世界当中，它们中许多还激起了我们的敬畏之心。珠穆朗玛峰海拔8800多米，是世界第一高峰。欧洲的最高峰勃朗峰只有它的一半高，但是我却很开心我能登顶此峰，尽管我和朋友在登顶后拍摄的照片中都看上去很惨。马里亚纳海沟深11000米，它是海洋中最深的地方，也是地壳表面最低处。而詹姆斯·卡梅隆执导的3D电影《阿凡达》中则有一个异世界的海沟。
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大自然所创造出来的雄伟之作在地球表面伸展到很广的区域。太平洋宽20000公里，而俄罗斯领土宽大约为8000公里，几乎是太平洋宽度的一半。地球的形状接近球形，直径约12000公里。美国领土宽4200公里，占地球周长的1/10，但是比月球的直径（3600公里）还长。
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外部空间的物体尺度也很大。例如小行星之间的大小差异很大，有些小到只有鹅卵石那么大，而有些大到比任何地表所呈现的面貌还要大。太阳直径约为10亿米，该直径大约是地球的100倍。我所采取的太阳系尺度的计算方法是按照从太阳到冥王星（不管它是否还属于行星）的距离，这个距离是太阳半径的7000倍。
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日地距离相对小很多（约1000亿米），是一光年的十万分之一。一光年指的是光线一年所走过的路程——3亿米每秒（光速）乘以3000万秒（一年中的秒数）。因为光速有限，我们看到的太阳亮光事实上是8分钟以前从太阳发出的光。
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许多可见结构有着不同的形状和尺度，在我们的广博空间中存在着。天文学家根据绝大多数天体的类型对其归类。给定一些标准尺度，星系的大小通常是直径3万光年或者3×1020 米。包括我们的星系——银河系，它的尺度大约是这个大小的3倍。星系团一般含有从几十到几千个星系，尺度大约是1023 米，或者1000万光年。也就是说，光线从一个星系团的一端传播到另一端需要1000万年。
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尽管这些尺度巨大，绝大多数天体也还遵循牛顿定律。月球轨道、冥王星轨道或者地球轨道都可以通过牛顿引力定律解释。基于行星离太阳的远近，它的轨道可以由牛顿引力定律预测。这个定律同样是使牛顿的苹果落向地面的原因。
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尽管如此，行星轨道更精确的测量显示，牛顿定律不是终极理论。我们需要用广义相对论来解释水星的近日点进动，它的绕日运动轨道随时间的推移可以被观测到。广义相对论是更复杂的理论，当能量低、速度慢时它也会包含牛顿定律，但是在此范围之外广义相对论也仍然有效。
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然而，不必使用广义相对论来描述绝大多数物体的运动。但它的效应可以累积起来，并且当物体足够致密（如黑洞）时，它的效应就会非常显著。我们的星系中心是一个半径约为1013 米的黑洞，它所包含的质量非常巨大，约等于太阳质量的400万倍，与其他黑洞一样需要用广义相对论来解释它的引力性质。
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目前整个宇宙的直径是1000亿光年，即1027 米，是我们星系的100万倍。这个距离太大，令人震惊，因为它甚至比从大爆炸开始我们实际能观测到的距离——137.5亿光年更大。没有什么可以比光传播的速度更快，因此就宇宙年龄是137.5亿年来看，宇宙目前的尺度看似不可能。
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这并不矛盾。宇宙作为一个整体，比在其有限生命中的一个信号传播的距离尺度大，其原因在于宇宙曾经经历膨胀的阶段。广义相对论在理解该现象时起到了重要作用。其方程告诉了我们膨胀的时空结构。我们可以观测宇宙中相隔很远的位置，即使它们并不能看见彼此。
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鉴于光速有限，宇宙的年龄有限，这一节将我们带到有限的观测区域的边界。可见宇宙是指我们的望远镜所能达到的地方。然而宇宙的尺度却不受制于我们的观测极限。与小尺度情形相似，在超过我们实验水平之上，我们只能猜想可能存在的东西。对我们能思考的最大尺度事物的唯一限制，是我们的想象力，以及猜想那些我们无望取得任何观测结果的结构时的耐心。
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我们真的不知道视界（horizon，视界是我们所能观测到的宇宙边界）之后有什么东西。我们观测的极限使得在其之外的新奇与特异的现象成为可能。不同的结构、不同的维度，甚至不同的物理定律原则上可能存在，只要它们没有与我们所观测到的东西发生矛盾。但这并不意味着每一种可能性都存在于自然之中，就像我的天体物理学同事麦克斯·泰格马克（Max Tegmark）的观点那般。然而，这却意味着可能性的多样化。
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我们还不知道额外维度或者另外的宇宙是否存在。我们甚至不能肯定地说宇宙作为一个整体是有限的还是无限的，尽管很多人倾向于后者。测量没有显示出任何它的边界，但是测量只能达到那么远。从原则上说，宇宙可能有限或者甚至会具有类似球体或者气球的形状，但目前理论与实验都没有给我们提供任何该方向的线索。
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绝大多数物理学家宁愿不去想那么多关于可见宇宙区域之外的东西，因为我们不太可能可以想象出来那里所存在的东西。然而，引力或者量子引力的理论为我们提供了数学工具，我们至少可以思考那里可能具备的几何。基于空间额外维度的理论方法与想法，物理学家有时会思考其他奇异的宇宙，在我们宇宙的一生之中它们或者与我们没有交流，或者仅仅通过引力来相互作用。如第18章介绍的，弦理论学家和其他人猜想存在多重宇宙，它包含许多不连通的独立宇宙，它们与弦理论的方程相容。有时将这些想法与人择原理结合起来，可以得出可能存在的多个宇宙的丰富结构。有人甚至试图寻找将来这种多重宇宙的可观测信号。如第17章介绍的，在一种不同的情景中，两个膜的“多重宇宙”也许可以帮助我们理解粒子物理学的方程，并给出可以观测的结果。绝大多数的额外宇宙，尽管可以想象它们的存在，但在我们可以预见的未来，也只能停留在实验可以检验的范围之外。它们将继续作为一些理论抽象出来的可能性而存在。
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大爆炸
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现在我们的冒险已经到达最大尺度了——我们在可观测宇宙的意义上进行观测或者讨论的范围，并一直达到我们所能看到的、所能想象的极限位置。我们探索了宇宙如何随时间演化，并最终呈现今日之貌。大爆炸理论告诉我们，宇宙在它137.5亿年的生命中是如何从一个很小的规模增长到现在的疆域——1000亿光年的宽度。著名天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）开玩笑并且怀疑地以“最初的爆炸”为该理论命名，它从一团炽热密集的气体开始，扩展成为今天所见的大规模的恒星和结构——宇宙不停地增长，物质变得稀薄，然后逐渐冷凝。
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我们显然不知道的一件事情是：最初是什么导致了宇宙的爆炸以及它是如何发生的，我们甚至不知道宇宙最初所拥有的严格尺度是多少 。尽管我们对宇宙后来的演化有所了解，可是它的起点仍然隐藏在迷雾中。无论如何，虽然大爆炸理论没有告诉我们宇宙初始时刻的所有事情，但它仍然是一个成功的理论，它告诉了我们宇宙接下来的历史。目前的观测与大爆炸理论为我们提供了很多关于宇宙如何演化的信息。
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