从宇宙辐射、放射性时钟，到化石、历史规律与临床试验，五本书共同追问：解释怎样赢得我们的信任，又怎样失去它。
来源导读：时间简史 · 万物简史 · 历史的教训 · 科学革命的结构 · 坏科学
从痕迹重建宇宙#
没有人目睹早期宇宙膨胀，也没有人跟着第一批生物走上陆地。我们从留下的痕迹重建这些历史：辐射、岩石、化石，以及遗传差异。问题在于，怎样的推断足以让人信任；当痕迹不再符合解释时，又该改动什么。
斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）写《时间简史》，是为了向普通读者解释现代物理学及其哲学含义。Shortform 把导读组织成五个问题：现实是相对的还是绝对的？未来是否预先决定？宇宙如何起源？黑洞是什么？时间机器是否可能？比尔·布莱森（Bill Bryson）的《万物简史》则把物质、能量、恒星和行星的起源，一直讲到地球与生命。下文沿着这两份导读走进自然史，再借库恩、杜兰特夫妇与戈德契的视角，区分世界的变化与人们解释世界的方式的变化。
定律相同，时钟却不同#
物理定律对等价的观察者相同，并不意味着每个人都会给一个事件标出相同的位置、速度或经历时间。连普通的运动都需要参考系。导读举了一条河里的鱼：它始终停在同一块河床上方，而你的船从旁漂过。相对船，鱼在运动；相对河岸，它静止不动；相对太阳，它又随着地球运动。这些描述都没有提供一种宇宙通用的绝对静止状态。
时间的情况更出人意料。沿用导读中两个孩子在星舰上玩激光枪战的例子，这里的前提是：星舰必须以低于真空光速 c 的速度飞行。舰上的人看到光脉冲横穿舰宽；舰外的惯性观察者看到的却是一条斜线。直角三角形的一条直角边是舰宽，另一条是光横穿期间星舰前进的距离。两位观察者测得的真空光速相同，因此，较长的光程对应较长的经历时间。这是时间膨胀（time dilation），不只是接收远处信号的延迟。Einstein Online 的光速说明。
图中舰宽标为 d，斜线标为 d√2。这幅特定几何图对应的舰速是 c/√2：光走过 d√2 时，飞船前进 d。它不能表示一艘有质量的飞船以光速运动。
爱因斯坦的狭义相对论用时空描述说明这些不同测量如何彼此相容。广义相对论进一步把引力纳入几何：物质与能量影响时空曲率，自由落体沿时空测地线运动。弯曲路径的图像有助于理解，但时空曲率不只是普通空间里的一条弯线。引力也会影响时钟的走速。这两套理论扩展了未考虑这些效应的早期力学。
速度的相对性在日常生活中有常见的应用，比如驾驶。为了避免碰撞，司机必须跟踪其他车辆相对于自身的运动，以及自己相对于路面的速度——因为公布的限速默认是相对于路面定义的。要与前车保持恒定的跟车距离，就需要调整车速，使自身相对于前车的速度为零。
光速上限究竟限制什么#
狭义相对论最容易从平直时空中的惯性系讲起，但它同样能描述加速运动；仅仅出现加速度，并不要求改用广义相对论。后者用来描述引力所对应的时空曲率。旅行双生子的分析就是狭义相对论处理加速运动的例子。
这里不变的是光在真空中的速度。在水或玻璃里，光的传播速度较慢；跨过介质边界时，传播速度的变化可能改变光的方向，形成折射。导读采用“质量随速度增大”的说法，指的是相对论性质量，即能量除以 c²。若采用不变质量的表述，物体的静质量不变，增长的是能量与动量。物理结论相同：对于静质量非零的物体，速度越接近 c，所需能量越大，并在极限处发散。粒子加速器检验了这种关系，却不能把有质量的粒子加速到 c。相对论中的能量与加速。
Shortform 还介绍了法里斯·E·威廉姆斯（Pharis E. Williams）的另一种解释：使粒子加速的电磁作用以 c 传播，当粒子逐渐追上它，推力便会减弱。相应的帆船类比是，起初风推着船加速，船速接近风速后，风的推动作用变小。这个类比保留了“继续加速越来越困难”的直觉，但它属于威廉姆斯的替代解释，并不是另一套已经确立的相对论推导。电磁场不是从后面追赶帆面的风；不用“相对论性质量”这个术语，也无须接受这套解释。
相关来源：折射 · 威廉姆斯的替代物理解释
广义相对论能给出可与天文测量比较的预测。1915年，爱因斯坦解释了水星轨道进动中此前无法解释的部分：它面对的是牛顿理论留下的已有反常，不是刚发现的一种偏差。很久以后，LIGO 测得了与两个黑洞旋近并合相符的引力波信号。这是同一框架接受的两类不同检验。LIGO 首次双黑洞引力波观测。
引力波是时空几何中的扰动。变化的非球对称质量分布，例如互相绕转的双星，可以辐射引力波；一个有质量的物体匀速运动，并不会自动产生引力波。源的质量、运动和几何结构都有关。检验成功支持理论在被检验的范围内成立，但不能证明它在所有尺度上都完备。
相关来源：广义相对论检验 · LIGO 介绍 · GW150914 论文 PDF
膨胀有证据，绝对起点还要另问#
霍金对比了两种宇宙观：他所讨论的犹太教—基督教传统认为宇宙在有限的过去被创造，而许多19世纪科学家偏好永恒存在的宇宙。20世纪观念的转变，来自宇宙如何变化的证据。热大爆炸模型描述宇宙从早期炽热、致密的状态膨胀并冷却。它不是从一个地点向外部空旷空间发生的爆炸。气球类比中有用的是球面上各点间距增加；气球的球心并不是那个二维宇宙中的一个地点。NASA 对大爆炸的解释。
布莱森导读记录了100亿—200亿年的旧年龄估计范围，以及其中常被引用的137亿年。它们属于这份来源的叙述，不能充当今天的误差范围；现代常用的约数是138亿年。重建一个炽热的早期宇宙，也应与证明时间存在绝对第一瞬间区分开：能否谈论“之前”，取决于如何描述最初边界的模型。NASA 宇宙学术语表。
20世纪20年代，哈勃建立的距离—退行关系为宇宙膨胀提供了证据：遥远星系往往退行得更快。这不等于每个星系都在远离我们；引力束缚系统内部的运动未必遵循这一大尺度趋势。广义相对论允许宇宙变化。爱因斯坦曾用宇宙学常数构造静态模型，说明已有宇宙观也会影响人们怎样使用方程；那一用途没有成功，并不使这个常数本身失去数学意义。
第二种痕迹是宇宙微波背景（cosmic microwave background）。炽热的早期宇宙应留下冷却后的辐射。彭齐亚斯与威尔逊在20世纪60年代探测到近乎均匀的微波信号；把它解释为遗留辐射，为热大爆炸提供了支持。后来对其频谱及微小起伏的测量，进一步使这种解释成为定量检验，而非首次发现便已经“完全吻合”。COBE 科学家约翰·马瑟对测量的介绍。
导读提出两重疑问。第一是奇点（singularity）：在特定的经典假设下，霍金—彭罗斯的结果表明，沿某些路径，时空描述无法无限延续。通俗叙述常把它画成一个密度无限大的点。更有用的结论是广义相对论碰到了适用边界，而不是物理学家观测到了真实的无穷大，或证明了整个宇宙有一个点状起源。
第二是微调（fine-tuning）。在所讨论的模型中，改变早期膨胀率，可能使物质无法聚集成恒星和星系，或者让宇宙在行星系统形成前重新坍缩。问题是，相关参数为什么取了允许生命存在的值。但参数敏感性本身不能算出生命出现的概率；还需要有依据的参数可能值分布。
人择原理的观察比较有限：观察者只能身处允许自己存在的条件中。多重宇宙方案试图提供许多不同条件，把这种选择效应变成解释；它的可检验性和前提仍须讨论。布莱森提出另一种想法：生命演化来适应环境。这能解释生命怎样适应一个已有环境，却不能单独解释环境为什么允许恒星、化学或生命存在。Shortform 对这一局限的讨论，是它对科学家可能如何回应的推测，不是测得的学界共识。量子引力理论也许能改写奇点并约束初始条件；导读记录了霍金希望它同时处理这两项问题的期待。
在牛顿引力下，一群相互吸引的物质怎样才能始终静止，本就成问题：它们为什么不会坍缩？这提出了一个动力学问题，却不能单凭它就推出宇宙从某一个原点诞生。广义相对论提供了描述时空演变的框架；量子引力还须解释经典描述在哪里失效。
Shortform 的比较把暴胀列为解释早期膨胀行为的一种方案，同时承认它没有消除所有微调问题。导读把霍金的取向概括为：优先寻找能解释初始条件的理论，而不是诉诸无限多个宇宙。这是在描述这份导读中的论证，不能据此断言霍金整个职业生涯都否定多重宇宙。在这里讨论的设想中，量子理论会约束看似任意的参数，并赋予已观测取值较高的概率。这仍是研究预期，并非已经确立的结果。
同样的问题也进入神学。Shortform 介绍了一类基督教论证：有时间开端的宇宙需要一个超出自身时空的原因，而允许生命存在的参数则提示设计。这个因果论证增加了一项哲学前提：即使普通的时间性因果无法适用于宇宙之前，宇宙整体仍必须有原因。把这样的原因称为超自然，属于解释的一部分，不是引力场方程已经证明的结果。同样，把微调看作设计者存在的证据，是神学推论，不是物理测量。它们与霍金试图在定律及初始条件中寻找解释的取向不同。
恒星循环利用物质#
早期宇宙主要形成氢和氦，随后膨胀与冷却结束了那个阶段的核聚变。微小密度差让引力逐渐把物质聚集成结构；坍缩的气体在形成中的星系里构成恒星。布莱森给出的银河系恒星估计为1,000亿至4,000亿颗，这个范围反映了从星系内部计数的困难。
恒星通过把较轻原子核聚变成较重原子核获得能量。恒星演化与超新星爆发，使周围气体富集碳、氧、铁等元素。后续世代的恒星与岩石行星，再由这些材料形成。不同恒星有不同结局，耗尽氢和氦本身并不是所有超新星的共同触发条件。
聚变把较轻的原子核结合成更重的原子核。在恒星燃烧中，向铁族元素方向的聚变可以释放能量；越过这一范围继续聚变，不能持续供能。大质量恒星会形成燃料不同的层次：炽热的核心已进入较后期的核燃烧，外层还保有较轻元素。
当这样的核心无法继续支撑自己，就会坍缩。激波以及涉及中微子的能量传递可能把外层抛出；有些坍缩则留下黑洞。这是核心坍缩型超新星的图景。未燃尽的外层燃料影响恒星结构，但不能把爆炸普遍解释成表面所有氢氦同时点燃。其他类型的超新星，例如白矮星的热核爆炸，机制又不同。核心坍缩的爆炸机制。
相关来源：核聚变 · 导读引用的超新星解释
天文学家使用灵敏设备探测早期宇宙热气体发出的电磁辐射，甚至能对其成像。这些图像显示出微小的强度变化，对应于原始气体中最终促成恒星和星系形成的区域密度差异。
对银河系恒星数量的估计之所以存在差异，是因为天文学家采用多种不同方法来测量恒星密度——即单位体积内的恒星数量——以及星系的大小。每种方法都依赖于近似值或简化假设，这些前提使得出结果成为可能，但也带来了不精确性。
参考链接：甚至能为其成像 · 天文学家用多种方法测量恒星密度
黑洞：在逃逸边界上作推断#
事件视界（event horizon）是一条因果边界：从它内部沿未来方向传播的光信号，无法到达遥远的外部观察者。它不是一个实体表面。足够大质量的恒星残骸失去压力支撑后，可能坍缩成黑洞。可见恒星的运动能让人推断不可见伴星的引力；霍金讨论的历史候选体是天鹅座 X-1。后续观测又找到许多候选体，并以多类证据确认了黑洞。这里的方法是从影响作推断，而不是看到视界内部发出的光。
霍金辐射（Hawking radiation）是关于黑洞热辐射的量子预测。它并不意味着一束在事件视界内部发出的光逃了出来。霍金的计算把量子场放在黑洞时空中处理，预言向外的能量通量，以及相应的黑洞质量下降。霍金1975年的论文。
粒子对图景是一种教学辅助：正能量的一方逃向远处，负能量的贡献穿过视界。这里的“负能量”相对于远处观察者定义，并不等于反物质。因此，导读的光子—反光子故事需要修正：光子是自身的反粒子，不存在一类独立的“反光子”被黑洞优先吞入。费米实验室对自共轭粒子的说明。
Shortform 把粒子对故事与量子场或能量密度解释作比较，并引用一位评论者的估计，称辐射涉及的区域约为视界尺度的15倍。值得保留的区别是：场的计算能讨论辐射的频谱和空间分布，无须把真实的粒子对产生过程定位在无限薄的表面上。“15倍”这个数值则依赖模型与区域定义，属于评论中的估计，不能当作霍金辐射的普适边界。霍金也没有隐瞒直观图像与推导的区别：原论文自身便给出启发式图像，提醒读者不要照字面理解，然后提供数学推导。
两种不同的缺口：暗能量与暗物质#
布莱森问：普通的吸引性引力会减缓膨胀，宇宙为什么还会加速膨胀？宇宙学常数可以在方程中描述一个推动加速的成分，但这与解释它的物理起源是两回事。导读还记录了较早阶段减速、较晚阶段加速的图景。历史上的转折在于，爱因斯坦曾用这个常数得到静态宇宙，而不同取值又可以描述宇宙膨胀的变化。
Shortform 补充了替代解释：威廉姆斯提出，引力减弱可能改变推算出的星系距离，造成加速的表象；另一种方案则诉诸光速逐渐下降。这些是对推断方法及其前提的修改设想。所提供的来源没有证明，任何一种都已成为观测上成功的标准解释替代品；它们不能自动获得那些待解释观测本身的可信度。
相关来源：2001年膨胀研究报道 · 威廉姆斯的变化引力提案 · 1999年变化光速提案
缺失质量是另一类问题。天体运动与引力透镜所暗示的引力物质，多于发光物质清单所能提供的量。布莱森导读给出了10—100倍的差距；这是来源所述的估计范围，取决于考察哪个系统、把哪些物质计为可见，不能当作整个宇宙的一个统一实测比值。
导读比较了两类解释：暗淡的普通天体，例如小行星、暗星与黑洞；以及不通过普通光辐射显现的物质。Shortform 接着援引稀少的微引力透镜事件，质疑能否用致密暗天体解释全部差额。这不等于引力透镜整体上找不到暗物质，也不能推出“暗物质更集中”就是今天的主流解释。微引力透镜约束的是一种候选天体群体；大尺度引力透镜描绘的则是引力质量分布。此外，“暗”也不必意味着只能通过引力相互作用，或原则上不可能通过非引力途径探测。
Shortform 引用的威廉姆斯方案则改变引力，而不是增加物质。它假定引力常数随宇宙时间下降：远处天体反映过去较强的引力，引力变化以光速传播，而观测又有光传播的时延。这是该方案提出的机制，并非缺失质量问题已经确立的解答。修改引力与假设暗物质，都必须接受足够广泛的观测检验；把同一方案放在几个谜题旁边，并不会产生几份独立证实。
相关来源：2012年透镜讨论 · 2003年微透镜讨论 · 威廉姆斯的引力提案
导读还提到额外的射电背景，把相关观测追溯到彭齐亚斯与威尔逊工作的年代，并引用了2009年重新引起关注的报道。它应与支持热大爆炸的宇宙微波背景分开。额外射电信号的来源与强度，是另一项天体物理问题。尚未解释的信号要求检验辐射源、仪器和模型，并不会抹去微波背景所提供的独立证据。
相关来源：射电背景专题 · 2009年射电超额报道
