现在我们知道，在很久很久以前，时间和空间就携手同行了，但它们并非一直存在。时空是在不到140亿年前和质能同时诞生的，其过程非常激烈。如果不怕自相矛盾，我们甚至可以说：“曾有一段时间没有时间。”

圣奥古斯丁等天主教会的教父曾深入论述过“时间之始”这个课题：时间是从“无”中创造出来的。这一理论完全符合上帝是造物主的理念。圣奥古斯丁对反对意见的讽刺回应总让我十分欣赏，这位希波主教自问自答：“上帝在创造时间之前在干什么？他在想如何惩罚胆敢提出此问题的人。”

古希腊的思想家却并不太关心时间的起始，他们认为世界是循环的，周而复始。不管是柏拉图还是年轻的亚里士多德，都认为酷暑、暴雨、地轴角度改变等会导致周期性的灾难，这些灾难迫使文明毁灭再重生，把之前的路再走一遍，直到下一次大灾发生。它们是相当广泛的愿景，斯多葛主义者通常以36,000年或72,000年为一个周期，认为在固定的日子里，整个世界会被大火烧尽，然后一切从头再来，和之前一模一样：“将会有一个新的苏格拉底，一个新的柏拉图，每个人都会和原来一样，有相同的朋友和同胞。”

圣奥古斯丁打破了这种循环说，认为人类的时间只是永恒中的一小段，时间随创世开始，随最终审判结束。20世纪初的科学家也不太关心时间的起始。在某种程度上，时间被认为是理所当然的，就像宇宙、物质、能量一样。直到发生了下面提到的两件事，这个问题才开始重要起来，最不愿接受的人也开始考虑那个惊人的想法：时间可能和宇宙一样，也有一个开始。

时间之始

1927年，年轻的比利时物理学家、天主教神父乔治·勒梅特给出了爱因斯坦方程关于时间的一个解。在他的解中，宇宙的时空在膨胀，最遥远的星系在后退，离所有东西越来越远，而且离得越远，后退的速度也越快。像倒放电影那样逆推膨胀，他得出结论：一切都应该诞生于100亿到200亿年前，始于一个极小又十分奇异的点——一个原初的原子。这是现代大爆炸理论的雏形。

当年轻的美国天文学家埃德温·哈勃开始用威尔逊山天文台的世界上最大的望远镜记录星系视运动数据时，他完全不知道勒梅特的推演。但他的观测结果毫无疑问也是一样：所有的星系都在渐行渐远，并且离得越远，后退的速度越快。今天我们知道，这不是星系在运动，而是时空在膨胀。哈勃于1929年公布了自己的观测结果，让原本持怀疑态度的爱因斯坦也相信了勒梅特的说法：时空有诞生之日。广义相对论形成十多年后，爱因斯坦方程严谨而优雅地描绘出的宇宙，变成了一个巨大的系统，它有起始并且一直在膨胀。物理学被永远地改变了。

从此，现代大爆炸理论突飞猛进。20世纪的宇宙学能细致地再现宇宙的发展过程，因其能十分精确地测量宇宙中最巨大部分的结构特征。通过观测几十亿光年外的星系和星系团，我们可以像看“现场直播”一般看到属于遥远过去的景象。

最丰富的信息来源之一是宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，缩写为CMB）。各个方向上都有低能光子的均匀流动是大爆炸理论最重要的预言之一。1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊几乎在偶然间发现了这一辐射，于是就连最怀疑时间起源说的人也不得不接受时间有一个开始。

这原始之光是一个极特别时刻的遗迹：当宇宙年龄达到38万年时，膨胀导致的冷却让温度下降到3000开尔文（2726.85摄氏度）以下，电子和轻型原子核终于首次组成电中性的原子。突然之间，物质不再吸收辐射，于是光开始向四面八方传播。这些最早的自由光子，被时空膨胀拉伸、削弱，至今仍带着那时的信息漂浮在我们周围。

宇宙微波背景辐射微小的各向异性真正是宇宙根本性质的信息宝库。我们从中挖掘出了比较准确的宇宙诞生时间：138亿年前。而且我们发现，宇宙的性质在诞生之初更惊人，它在极短时间内以惊人的速度膨胀，经历了被我们称为“宇宙暴胀”但我们尚不完全了解的时期。尽管最初的极速膨胀很快就消失了，但时空继续无限扩大延展，直到今天依然如此，只不过相对于最初的疯狂弱了很多。

宇宙微波背景辐射就像一个巨大的记忆库，储存着时空和质能事件。整个宇宙都和包裹了它上百亿年、弥漫四处的光子处于热平衡状态，使得我们能够从中挖掘出关于宇宙漫长历史的宝贵信息。不过，宇宙微波背景中依然隐藏着许多秘密。

被物质束缚了几十万年后，最初的光子摆脱了约束，开始自由地向四面八方传播。与之不同的是，时空极速膨胀产生的原初引力波得益于自身的微弱而从一开始就自由传播，它和所有东西的相互作用都是如此微弱，以至初始宇宙中极热极密的物质也无法将其吸收。于是引力波就会在与之相互作用过的宇宙微波背景上留下细微到几乎无法察觉的痕迹，其特征是一种不易发现的偏振，即宇宙微波背景的空间方向性。我们找了几十年也没找到，一旦找到，我们就可以了解宇宙暴胀阶段尚不清楚的部分。

科学家都梦想着观测到直接由大爆炸产生的古老引力波。这些无法察觉的时空扰动至今依然回**在我们身边，是最初引力波涡旋的残留。谁能将现有工具的灵敏度提高到能测出原初引力波的水平，谁就能非常详细地再现那个超凡的时刻。从某种意义上说，时间诞生的传说依然回响在我们身旁，人类巨大的挑战就在于能够成功地听到那喃喃低语——那是对时间诞生时那一声啼哭的追忆。

时间之终

如果你从未体会过“司汤达综合征”，只要从帕多瓦的斯克罗威尼礼拜堂的小门踏入主殿，你就会知道那是什么意思。占据天花板并在许多窗格上反复出现的那一块块青金石蓝，会让你不禁屏住呼吸。

这座小教堂从外面看平平无奇，只是一座中世纪的建筑，建在古罗马剧场的遗迹旁。和其他有一定地位的城市一样，帕多瓦也有古罗马人为公共演出而建的大型剧场，只是帕多瓦古剧场保存得很差：砖石被拆下来建房子，宏伟的建筑最终只剩下一些拱门和椭圆形外墙。不像著名的维罗纳竞技场那样，气势雄浑地矗立在市中心，几乎没有损坏，依然被用于大型演出，如果没有斯克罗威尼礼拜堂，帕多瓦古剧场就只是意大利的诸多古迹之一，没什么特别吸引人的地方。不过在13世纪，这里曾耸立着城中最富有的银行世家斯克罗威尼的家族豪宅。

斯克罗威尼家族的族徽并不特别漂亮：白色背景中有一头怀孕的蓝色母猪，暗指他们的族姓(1)。他们的名声也不好，整个城的人都惧怕他们，也在背后说他们的坏话，因为他们和许多富豪一样，以放贷发家致富。但丁都把他们的老祖宗里纳尔多放在了地狱里，可见这人肯定不受爱戴。当他在1290年去世时，他的宅邸被愤怒的民众冲垮了。为了让人们忘记这些过去的时光，也为了重塑一定的社会尊重，让教会和贵族阶层接受自己，其子恩里科斥巨资修建了一座礼拜堂，还聘请当时最好的画家乔托·迪·邦多纳为礼拜堂画壁画。

斯克罗威尼礼拜堂于1300年建成，这正是14世纪第一个禧年，而后乔托用了几年时间为其绘制壁画，于1305年完工。他在这组壁画中彻底抛弃了拜占庭绘画的传统规范，线条更加柔和，造型更加自然真实。通过为斯克罗威尼礼拜堂作画，乔托成为第一个具有现代性的画家。这组壁画也被认为是历史上最重要的艺术作品之一，是少数几个可与米开朗琪罗的西斯廷礼拜堂壁画相媲美的作品之一。

乔托以多彩的壁画表现《圣经·旧约》和《圣经·新约》里的故事，混合了情感与人性，以及信仰的力量与历史的意义。整组作品的**在描绘基督受难又复活及最终审判这一幅，它占据了礼拜堂的整个立面背墙：左边是得真福而上天堂者，被天使列队接引；右边是受诅咒而下地狱者，遭受着各种可怕的酷刑。

但特别吸引我的是画面上方三叶花窗两旁的两个天使，他们好像卷幕布一样卷起星辰闪烁的苍穹。

乔托表现的时间终结很显然依照了圣约翰在《启示录》中的描述：星星坠落，天空卷起。短暂的人世结束而永恒开始，时间被重置，它随物质宇宙而生，现在也一并被收起。一切都回到了但丁《神曲·天堂篇》第十七歌所说的“诸时皆在”——这不在人类的时间中，而是所有时刻同在的永恒。

时间的尽头被乔托出色地表现出来，直到今天，它依然让我们这些现代人思考：如果时间有一个开始，那是否也会有一个结束？时间的终结对我们的物质宇宙意味着什么？我们可以通过考察各种宇宙终结的假设，以科学的语言来表述这些问题。

比如，时间之终可能就是时空不再急速膨胀。如果星系不是互相远离而是互相靠近，就会最终毁于彼此的相互作用，这个过程的终点是它们全都聚合到一起，所有物质都坍缩成一个奇点，即科学家们所说的“大挤压”。随着时空被压到点的维度，时间也就解体而不复存在了。如果又有新的大爆炸，从上个时空的灰烬中产生新的时空，那就又开始了新的周期。但这种循环说，这种近乎完满的膨胀与收缩的交替，并不被科学观测所支持。

没有任何数据表明，时空会先停止膨胀，然后转为收缩。相反，一切似乎都告诉我们，时空的膨胀会愈演愈烈。这种让一切加速互相远离的东西被称为“暗能量”。我们不知道它是不是一种新型的力量、一种“斥力”，抑或是时空的一种奇特性质，会随时间的增加而加速其膨胀，但可以肯定的是，如果没有其他机制参与，暗能量将会决定我们的宇宙如何终结：一切都将从一切中退去，宇宙将变得非常黑暗、寒冷、荒凉，恒星形成、能量交换等周期将慢慢被不可挽回地打破，而正是因为这些周期才有了行星系统，才有了行星上的生命。晦暗的裹尸布最终会包裹整个宇宙，它长久地存在着，长久到我们无法想象，仿佛是死去恒星的墓地，无用而广阔。

这就是宇宙的热寂，不给人留下任何希望，甚至比圣约翰的《启示录》还要黯淡得多。如果所有恒星都坍缩了，随着时空继续膨胀，时间会变得无穷却也无用，度量着越来越慢的变化、被拉长到空洞煎熬的节奏，而这些变化最终也将消失于一片虚无。

广阔宇宙中的时间

最早验证爱因斯坦广义相对论是通过对宇宙现象的观察，这并非巧合。当我们离开地球，走进更广阔的世界后，才能更好地理解时空被质能扭曲后的性质。

广义相对论效应在地球上当然也存在，但实在是太微弱了，以至可以忽略不计。除非精度要求很高，比如全球定位系统中各原子钟的同步。

但一旦我们开始探索我们的太阳系，那些本来成谜的现象就变得可以理解、合乎逻辑。

对广义相对论的首次印证，来自英国天体物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士。他于1919年11月公布了他的研究结果，在英国皇家学会的研讨会后，这一消息就登上了《泰晤士报》的头版，并被各大报纸转载。这让爱因斯坦在获得诺贝尔奖之前就成了地球上最著名的科学家之一。

1915年爱因斯坦发表广义相对论时，第一次世界大战已全面爆发，当时，很少有英国科学家会对一个德国科学家的想法感兴趣。不过爱丁顿爵士不一样，他是贵格会成员、坚定的和平主义者。后来他还因为拒绝参军险些被逮捕，幸亏皇家天文学家弗兰克·沃森·戴森找了个借口，说爱丁顿要为验证爱因斯坦的理论寻找资助，才把他从军事法庭上带走，让他免于牢狱之灾。

1919年5月29日，南半球将发生日全食，爱丁顿组织了一支队伍，前往几内亚湾的圣多美岛进行考察。他的目标是在食甚时用望远镜为一个星团拍照。如果真如爱因斯坦所说，太阳的巨大质量会使时空扭曲，那这个星团的光从太阳附近经过时就会被微微弯折，从而改变视位置。简言之，日食期间，星星出现的位置会和平时不一样。

爱丁顿要克服无数的困难，包括一整天的坏天气。这差点儿让他拍不成照，但突然之间，乌云散去，他才得以拍下几张片子带回剑桥。经过好几个月的分析，最终他确认：在其中一张片子中，星团的视位置有明显的移动，这与爱因斯坦的预测相吻合。广义相对论预言的在大天体附近空间会收缩，而时间会拉长这一奇怪的理论是正确的。

Wasp-12是御夫座的一颗矮星，在它附近有一颗类似木星的气态行星，其轨道半径较小，这颗行星离母恒星如此之近，以至公转一周只需要一天多的时间。二者之间的引力很强，潮汐力让气态巨行星变形，两极被压扁，成了鹅蛋形。哈勃空间望远镜发现，Wasp-12正在夺取这颗行星的物质，就是将它撕裂并最终将它吞噬。像这种恒星吞噬其行星的现象实属罕见，而星系吞噬其他星系、恒星吞噬附近其他恒星的例子则不胜枚举。

将望远镜指向Wasp-12，我们就能目睹一场太空罪行，但因为它们离我们约有1400光年之遥，所以这其实发生在十几个世纪以前，当时，穆罕默德正开始宣扬新一神教。苍穹每天都像这样在向我们诉说着发生在遥远过去的奇妙之事或恐怖之灾。

以爱丁顿为先锋，天体物理学在近一百年内取得了令人瞩目的进步。我们的“可见宇宙”，也就是用大型望远镜能够观测到的宇宙，巨大到难以想象。里面有上千亿星系，中间却隔着巨大的虚空，每个星系又包含几千亿由气体和尘埃聚合而成的类似太阳的恒星，以及无数更小的天体。

但可见宇宙只是宇宙几乎可忽略的一小部分，此外还有黑洞和中子星等不发光天体，还有星系间的巨大气体带和各种形式的辐射。最重要的是还有暗物质和暗能量，它们才是宇宙最主要的组成部分，远超过其他。

当数字变得很大时，我们就很容易对其失去切实的感受。这时就可以借助大头钉：找一颗用来固定衬衫的大头钉，捏住底端将其举向天空，被圆头遮住的那一点很小很小，然而却包含着几千个星系，每个星系又由上千亿颗恒星组成。当我们用现代大型望远镜去观测看似空无一物的宇宙区域时，用不了一会儿，就会发现到处都隐藏着万千个世界。

太阳与太阳系行星之间的距离相对于我们在地球上的常规移动来说是巨大的，但与恒星间的距离相比就会显得很小。太阳距地球1.5亿千米，距离和我们最近的比邻星却有4.2光年， 而1光年约等于95,000亿千米。

要想对星系的大小有一个基本概念，可以想象一下：要想到达银河系中心，我们需要走过约26,000光年的距离，如果想要访问离我们最近的仙女座星系，则需要走上254万光年。然而，就算这样，也依然没有走出我们星系群在宇宙中所占的这一小片地方。

当距离变得如此之大时，“现在”和“同时”就失去了意义，我们也就能更好地理解何谓“时间是局部的”。那么，遥远的世界中“此时”发生着什么？这么问没有任何意义，这完全是一个糟糕的问题。我们的共同时间，和遥远的世界根本不共享。在我们的世界中，时间是保证生存的极好工具，但一旦要探索小小地球之外的世界是如何运转的，我们的时间概念就会将我们引入歧途。

我们的当下不可能是遥远某处的当下，这会让人很困惑。我们已经习惯于生活在很有限的空间中，以至都不会想到通信可能做不到处处即时。如果给住在纽约的朋友打电话，我们完全可以顺畅交流，诉说最近发生的事，因为我们拥有“同一个现在”。信息在我们之间传递起来只需要几分之一秒，这么小的延迟很容易被忽略。但如果距离大到连光都要几千年才能走完，那“同一个现在”就完全不存在了。

美妙的幻象和神奇的组合

当我们观察很遥远的物体时，今天所见之现象其实发生在遥远的过去，所有的天文观测都变成回到过去的旅行。如果距离相对较小，我们倾向于忽略延迟，并假装还可以将我们的时间和周围的空间共享。比如，太阳光要用8分多钟才能到达地球，但这个差别足够小，我们可以忽略不计。从太阳表面发出光子到我们的视网膜接收到光子的这8分钟内，没有人怀疑我们亲爱的太阳会发生什么严重的事情。但如果时间间隔变得相当长，那一切就都变了。

今天，当我们用望远镜记录下仙女座星系美丽的景象时，我们知道这些光走过了很长很长的路才到达这里。它们离开银河系的姐妹星系时，在非洲之角的某个地方，正在发生我们智人属的人类和非洲南方古猿的第一次分化。也许是巧合吧，这些光子出发时，一群奇怪的猴子也迈出了漫漫长路的第一步。进化会让它们发展出意识，制造出越来越精细的工具，直至发明出能感光的设备，在那些光子到达地球时将它们捕获。在漫长的时间里，这个新物种出现并发展，同时那些光子也走过了两个星系之间的浩瀚虚空。

我们头顶上星辰闪烁的明净夜空，启发了一代又一代诗人，然而“天似穹庐”只是一个美妙的想象。古人将繁星排列成星座，关于它们的传说至今仍流传着，但“星座”也是一种假象。夜空中最亮的天狼星其实是一个双恒星系统，在距离太阳8.6光年的地方互相围绕旋转。天鹅座的主星天津四闪耀在离我们2600光年的地方，而看起来是一颗星的北极星，其实是由三颗恒星组成的系统，其中我们能看见的最亮的黄超巨星北极星Aa，距离我们有325光年。

距离如此不等的天体在过去的不同时刻发出了光，在今天的同一时刻被我们看到。黑夜中，我们将相距几千年的事件人为地叠加到一起。星空如此美妙，其背后的现实却比看上去要复杂得多。

正如太阳看上去绕着地球转而实际上并非如此一样，我们看见的东西可能是一个精巧的假象。有时，我们会看见并不存在的东西，而往往也看不见真正存在的东西。

时空在宇宙尺度上制造的幻象很多，其中一些甚至让天文学家也感到惊讶。当他们给非常遥远的天体拍照时，就发现过海市蜃楼般的景象。光源分身出四个，形成了十字架一样的形状。这种现象也是广义相对论作用的结果，即当质量巨大的物体处于光源和观察者之间时，时空的扭曲会弯折光线的路径，光源的视位置就会分散到四周，形成所谓的“爱因斯坦十字”。这也是一种视觉幻象，遥远天区的图像出现重影，出现一模一样的恒星和星系。不过它也是宝贵的信息来源——天文学家利用这些图像挖掘相关天体的质量及其分布数据。

当三个太阳的能量乘着时空的波澜前行

印证了广义相对论的诸多天文观测告诉我们，时空不是一个抽象的概念，不是对宇宙结构的简单描述。相反，这个极其精巧的框架是实实在在的，它会振动、会摇摆、会上下波动，并将一切形式的扰动传播出去，正如池塘泛起涟漪的水面。

质能将时空扭曲，由此产生了引力，这应该已经让我们窥视到一点儿时空的真正性质。时空不是一个装着自然现象的、没有反应的容器，而是整体的基本组成部分，它参与天体的运动，被天体影响，再反过来决定天体的轨迹及局部时间的流逝速度。质量和能量并不是在空旷的、没有反应的空间中经历时间。相反，分布在各处的物质运动着，与时空交织在一起，形成各种情况：有时是周期性质的、有规律的，但也经常被灾难打破。这是一个动态变化的整体，其中进行着巨大的能量交换。

广义相对论方程解起来比较复杂，因为时空既是方程的一部分，也是解的一部分，简言之，就是时空性质在方程中，而其曲度是方程的解。如果考虑到引力弯曲中包含着能量，而这能量又会引起其他的弯曲，也许就比较好理解一些。解这个方程，对于方程的发现者爱因斯坦来说也是一项严峻的考验，不过如果时空曲率相对较小，他还是能找出一个近似解的。惊艳的是，他得出的方程与电磁方程十分相似，这个解中包含的引力波就像电磁波一样以光速传播。

如果时空振动，扭曲传播开来，就能远距离传播能量。引力能也能被释放和吸收，正如电荷在振动的电磁场中被加速和移动时辐射的能量一样。

不过爱因斯坦自己也相当怀疑这个解是否描述了一个真实存在的物理现象。他的怀疑很有道理。首先，因为引力相对电磁力很弱，其强度可以忽略不计。产生电磁波是很容易的，只要加速质量很小的电子，它们很快就能向四面八方发射光子。但要产生显著的时空弯曲却需要巨大的质量，如果还要产生像波一样传播的扰动，就要对这巨大的质量做大到可怕的加速。然而，恒星和行星经受不住如此巨大的外力，很容易就能证明它们在巨大外力下会立刻解体。所以，有些人认为我们永远观测不到引力波，也是有道理的。

在20世纪的前几十年里，没人能够想到，存在着质量和密度比普通恒星大得多的天体，它们是如此紧密，以至能够经受住产生引力波所需的可怕加速。黑洞就是密度极高的天体，能在直径几十千米的体积内容纳很多个太阳的质量。正是这些超重又超致密、被强大引力约束住的物体产生的现象，让我们第一次发现了引力波。

当可怕的灾难毁灭了一整个遥远的星系，而我们成功记录到回响时，才有力地证明了时空可以远距离传输能量。

这一切发生在两个黑洞之间，每个黑洞都有30个太阳那么重，它们相互作用，产生了一连串精彩的事件。当两个天体相互吸引时，它们开始围绕共同的引力中心疯狂旋转，最终以接近光速的速度冲向彼此，融为一体，形成质量约为60个太阳质量的黑洞。它们在几分之一秒内以引力波的形式释放了相当于3个太阳质量的巨大能量。这两个极端致密的天体成功地扭曲了时空，以至产生引力波，这些引力波传向整个宇宙，在走过14亿光年的距离后，终于到达了我们的地球。就像一个娴熟的冲浪者，相当于3个太阳质量的能量乘着时空之波，平稳地走了14亿光年。

尽管时空难以相信地坚实，但依然有一些自然现象强大到能使之像一张普通的弹性网一样发生变形和振动。两个黑洞碰撞产生的冲击激起了时空的波澜，让时空振动，就像在池塘中以一石激起千层浪。

首次发现引力波之后，随着更多设备开始投入使用以及技术的不断改进，我们又记录到了一系列新的事件，收集到了其他双黑洞或中子星发出的引力波信号。中子星是另一种致密天体，但质量和密度远没有黑洞那么大。

引力天文学带来了观测宇宙、理解宇宙的全新视角。以引力波形式释放的能量为我们提供了关于黑洞存在及性质的宝贵信息。我们以前都不敢肯定这些隐秘之客的存在，现在却能仔细研究，搞清楚它们在宇宙运动中的作用，更好地理解它们不为人知的一面。

(1).?“母猪”的意大利文是“scrofa”，“斯克罗威尼”的意大利文是“Scrovegni”。——译注