它們就在那里。在無盡的霧氣中，排列著一個又一個的宇宙，像一個又一個大圓球，安靜地并排飄浮著。一片霧茫茫中，它們看上去幾乎一模一樣，盡管它們的內(nèi)部截然不同。每個宇宙都像一個孤島、一個封閉的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)里有著自成一體的世界，孤獨而悠然自得地存在著。它們孤立于彼此，對其他宇宙一無所知，幾乎不可能和別的宇宙有什么聯(lián)系。

突然，無盡的霧氣中孕育出一個小小的炙熱的氣泡，它迅速膨脹起來。氣泡中誕生了一個新宇宙，這就是我們的宇宙。

和其他宇宙一樣，我們的宇宙也在誕生之初經(jīng)歷了短暫而關(guān)鍵的爆炸。為了存活下來，它必須儲存很多能量，然后再大量消耗能量。這個過程在氣泡內(nèi)部引發(fā)了巨大的爆炸，也就是我們今天所說的宇宙大爆炸。隨后，空間就產(chǎn)生了，時間開始流逝。某一刻，我們現(xiàn)在所知的種種物理定律也突然出現(xiàn)了。

氣泡之外卻仍然是一片風平浪靜，無盡的霧氣完全不受影響。巨大的爆炸只發(fā)生在氣泡里的獨立世界，其他宇宙對它一無所知——其他宇宙對除了自己以外的情況都漠不關(guān)心。

這個新產(chǎn)生的空間是一個三維空間。里面并不是空無一物，而是充滿了宇宙吸收的能量�？臻g里的溫度高得出奇，在這種極端的條件下出現(xiàn)了由純粹能量構(gòu)成的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們一出現(xiàn)就開始消滅對方。這是因為物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時會相互抵消，能量則會因此被再次釋放。

不過，由于出現(xiàn)了一種奇特的“對稱性破缺”狀態(tài)，一些物質(zhì)幸存了下來，使得物質(zhì)的數(shù)量超過了反物質(zhì)。它們也有可能是多出來的反物質(zhì)，只不過我們弄錯了，把它們叫作“物質(zhì)”罷了。

這個宇宙剛剛形成的時候還很小，里面的空間彎曲得厲害。但是大爆炸讓它像氣球一樣鼓了起來，瞬間膨脹成了一個巨大的結(jié)構(gòu)。它的形狀仍然是彎曲的，因此看不出邊緣。如果在里面長時間飛行而不改變方向，就會回到起點。這就像在一個球形的表面行走，只要能一直保持在同一個方向上前進，最終一定會回到出發(fā)的地方。封閉宇宙中的空間在擴大，不過隨著時間的流逝，它擴張的速度變慢了。

在膨脹的過程中，溫度開始下降，四種最基本的、決定物質(zhì)相互作用的力量形成了，它們就是物理學的四個基本力，我們現(xiàn)在用它們來描述和解釋宇宙中的事件與奇觀。

讓我們從引力開始說起。引力也叫重力，它是一種吸引力，能夠抓住有質(zhì)量的物質(zhì)。重力是一種弱力，但是在物質(zhì)質(zhì)量極大的情況下，它也會變得很強大。它讓太陽系得以成型，并讓其中所有巨大的物質(zhì)（比如太陽和行星）形成完美的球體。

在行星上，我們可以感受到重力的作用，它確保星球上的物體擁有地面附著力，可以落在地上而不會飄在空中。蘋果從樹上掉下來，液體留在杯子里，天平能夠稱量物體的重量，都是因為重力的作用。如果稱重的時候重量出乎意料，就可能讓人們懷疑重力是不公平的，不過，其實重力才是最不容易被改變的、最正直的存在。

引力強大到能夠影響我們的整個宇宙，大爆炸后一直持續(xù)著的空間擴張正因為它的存在而放慢了速度。它甚至有可能阻止這種擴張的發(fā)生，讓空間重新合攏。但它也不一定能做到。要確認這種能力，還需要確認宇宙中的物質(zhì)數(shù)量以及它們產(chǎn)生的引力影響。

宇宙中的第二大力是電磁相互作用力，它是因電荷而產(chǎn)生的。電荷分為正電荷和負電荷，異性電荷相互吸引，同性電荷相互排斥，這種吸引和排斥力會在電荷周圍的電場中表現(xiàn)出來。

如果移動一個電荷，這個電荷的周圍還會產(chǎn)生新磁場，新磁場進而把新的作用力施加到其他電荷上。這樣的反應會在一瞬間發(fā)生無數(shù)次。

電磁相互作用可以引發(fā)很多奇妙的反應。我們把這些反應運用在電子設(shè)備里，得到很多令人驚喜的收獲，也證明了電磁相互作用的實際運用。

電磁場可以脫離電荷獨立存在。當一個孤獨的電場快要崩潰的時候就會產(chǎn)生一個磁場，不過這個磁場的情況也不容樂觀，它也會很快崩潰并產(chǎn)生另一個電場。這種事件不斷重復發(fā)生，每發(fā)生一次都會放射出電磁波，讓它們在空蕩的空間中穿行。電磁波其實對我們來說并不陌生，光線就是一種電磁波。為了感受光線，我們特意進化出感知器官，可以用眼睛看到周圍明亮的世界，可以感受到曬到背上的太陽的溫暖。

光波飛行的速度非�？�。這可是整個宇宙中最快的速度了，沒有任何物質(zhì)可以比它們更快了。

宇宙中第三大力是強相互作用力。從它的名字就可以看得出來，它是一種極強的力，但大多數(shù)人不會感受到它，因為它的作用范圍太短了，只能在原子核中起作用，讓原子核們聚集在一起�？梢哉f，它是一種局限在原子核中的吸引力。雖然它是萬物聚攏成型的原因，但是在我們的日常生活中，它沒有什么實際意義。

接下來要說第四大力，也就是弱相互作用力。它不僅力量微小，而且和強相互作用力一樣，作用范圍非常短。當粒子經(jīng)歷放射性衰變或轉(zhuǎn)變的時候，弱相互作用力就會在原子核中發(fā)揮作用。我們大多數(shù)人對這種力也非常陌生。

這四種力齊心協(xié)力地幫助宇宙成型。一開始，引力嘗試著讓宇宙聚合到一起（這是幾乎不可能實現(xiàn)的任務(wù)），電磁相互作用引導著光和能量的傳輸，強、弱相互作用力則都參與到粒子和物質(zhì)的產(chǎn)生及其衰變過程中。通常這種創(chuàng)造性的合作只能維持幾分鐘，在這一過程中幸存的物質(zhì)隨著大爆炸被甩入新產(chǎn)生的空間里。

一切平靜、冷卻下來以后，宇宙中的物質(zhì)構(gòu)成也穩(wěn)定了，其中有四分之三氫、四分之一氦以及一小部分鋰和鈹，稀薄的氣體充滿了這個三維空間。隨后還出現(xiàn)了無數(shù)光線。是的，這個充滿了無盡霧氣的明亮宇宙一定會在四種基本力的作用下變得更加有趣。

然而，在大爆炸之后的幾分鐘里，這個宇宙就安靜了下來，事實上，它在接下來幾十億年中幾乎沒有發(fā)生任何變化。它只是在不斷膨脹，變得更大、更涼、更暗了。直到某一刻，引力創(chuàng)造了第一個物質(zhì)結(jié)構(gòu)。它把物質(zhì)團成一個大球，第一批恒星就此誕生。它們開始發(fā)光，使宇宙變得更加明亮。恒星們移動著，形成了恒星團和星系，接著，包含著數(shù)十億顆恒星的超大型結(jié)構(gòu)也形成了。

太陽和其他恒星一樣，都是體型、質(zhì)量很大的氣體星球，我們在很遠的地方就能看到它們。它們照亮四周，讓環(huán)境變得溫暖，讓它們周圍的生命（就像地球上這些生命）得以存活。太陽散發(fā)著光熱，每天早晨都出現(xiàn)在地平線上。它是天空中最壯觀的景象。

這些氣體星球的內(nèi)部溫度很高，由此產(chǎn)生的巨大壓力使原子核融合在一起，并產(chǎn)生新的元素——比如，氫融合產(chǎn)生氦，氦燃燒后成為碳和其他物質(zhì)。這個過程會釋放大量能量。恒星越大，就能孕育出越大的元素。恒星里這種原子核融合過程也叫燃燒，但這種核火和化學燃燒反應不同，這是一種核反應。

大約80億年前，在距我們幾千光年的恒星中發(fā)生了核反應，這對我們的歷史至關(guān)重要。幾千光年當然只是一個估計的數(shù)值，因為我們的宇宙還在不斷擴大，很難說這個恒星是不是正好離我們那么遠。

核火在一個剛剛度過壯年的恒星中肆意地燃燒著。每秒都有數(shù)百萬噸的氫被轉(zhuǎn)化成氦氣，通過光和熱的形式釋放出難以想象的能量。而且，氫的燃燒不是唯一一個正在進行的核過程。恒星內(nèi)部的巨大熱量使氦氣燃燒，并產(chǎn)生了碳和氧元素。

我們的故事正是從這個恒星開始的，它和我們今天的太陽非常相似。其中的核反應是一個三阿爾法過程，也就是三個氦核（也叫阿爾法粒子）碰撞后變成碳核。我們要說的就是關(guān)于碳原子的故事，故事的主人公名叫喬，他已經(jīng)在宇宙中生活了80億年。

我們將和喬一起穿越數(shù)十億年的時光，探索無垠的宇宙。這位小小旅伴會向我們講述他的經(jīng)歷，告訴我們碳原子如何度過他們的每一天。碳原子的日常生活不會總是很有趣，但是在數(shù)十億年間還是出現(xiàn)了一些值得紀念的瞬間。其實，喬有時像囚犯一樣，會被關(guān)在一片沉寂的環(huán)境中度過幾百萬年，看不到任何變化。好在喬非常有耐心。后來，他也有幸在幾秒鐘、甚至幾分之一秒內(nèi)體驗了翻天覆地的轉(zhuǎn)變。

喬的身體很小。碳原子的直徑只有大約千萬分之一毫米，但它們的數(shù)量驚人，僅僅在一個人體內(nèi)的碳原子數(shù)量就多達27位數(shù)。在喬的帶領(lǐng)下，我們能知道他的經(jīng)歷，了解他對事物的看法，通過他的視角看到一個截然不同的世界。我們將和他一起冒險進入人類從未接觸過的新世界。

喬和其他原子一樣穿著由電子做成的衣服，里面藏著他微小的原子核。原子核的結(jié)構(gòu)非常緊湊，幾乎占據(jù)了整個原子的質(zhì)量。它由六個帶正電的質(zhì)子和六個與質(zhì)子差不多重但不帶電荷的中子組成。原子核通過強相互作用力聚成一團。

喬的電子帶負電，他們圍著原子核快速飛行著。這是因為原子核內(nèi)的正電荷和電子的負電荷相互吸引。電子在自己的飛行軌道中嗡嗡地飛，形成一層電子殼，像云一樣罩在原子外面。這個軌道很窄，只能容納兩個電子，現(xiàn)在完全被占領(lǐng)了。電子們認領(lǐng)了僅有的兩個座位，阻止其他電子在這里落座。

現(xiàn)在我們大概知道喬長什么樣了。但是，我們永遠也不能真的看到他，因為光波太長了，不能把他的模樣傳送到我們眼中——它們比原子直徑長一千倍以上，無法展現(xiàn)原子的圖像。一定沒人能通過這么長的光波看到這么小的物體。

喬出生在一個恒星的深處。在那里，因為核過程和引力而產(chǎn)生的高溫高壓足以為三阿爾法過程創(chuàng)造條件。雖然壓力把所有物質(zhì)緊緊地壓在了一起，而且溫度也高到了極點，但喬還是喜歡那里的環(huán)境。原子們可以在氣態(tài)物質(zhì)里自由移動——其實還是會遇到一些障礙，因為他們不斷和其他原子撞到一起。

唯一讓他煩惱的是氫原子。更糟糕的是，他的恒星中有很多討厭的氫原子，后來喬也不得不和他們打交道。這些事情喬都會一一告訴我們。