它們就在那里。在無(wú)盡的霧氣中，排列著一個(gè)又一個(gè)的宇宙，像一個(gè)又一個(gè)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(gè)宇宙都像一個(gè)孤島、一個(gè)封閉的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)里有著自成一體的世界，孤獨(dú)而悠然自得地存在著。它們孤立于彼此，對(duì)其他宇宙一無(wú)所知，幾乎不可能和別的宇宙有什么聯(lián)系。

突然，無(wú)盡的霧氣中孕育出一個(gè)小小的炙熱的氣泡，它迅速膨脹起來(lái)。氣泡中誕生了一個(gè)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(lái)，它必須儲(chǔ)存很多能量，然后再大量消耗能量。這個(gè)過(guò)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(shuō)的宇宙大爆炸。隨后，空間就產(chǎn)生了，時(shí)間開(kāi)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(fēng)平浪靜，無(wú)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(dú)立世界，其他宇宙對(duì)它一無(wú)所知——其他宇宙對(duì)除了自己以外的情況都漠不關(guān)心。

這個(gè)新產(chǎn)生的空間是一個(gè)三維空間。里面并不是空無(wú)一物，而是充滿了宇宙吸收的能量。空間里的溫度高得出奇，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(kāi)始消滅對(duì)方。這是因?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)相互抵消，能量則會(huì)因此被再次釋放。

不過(guò)，由于出現(xiàn)了一種奇特的“對(duì)稱(chēng)性破缺”狀態(tài)，一些物質(zhì)幸存了下來(lái)，使得物質(zhì)的數(shù)量超過(guò)了反物質(zhì)。它們也有可能是多出來(lái)的反物質(zhì)，只不過(guò)我們弄錯(cuò)了，把它們叫作“物質(zhì)”罷了。

這個(gè)宇宙剛剛形成的時(shí)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(lái)，瞬間膨脹成了一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間飛行而不改變方向，就會(huì)回到起點(diǎn)。這就像在一個(gè)球形的表面行走，只要能一直保持在同一個(gè)方向上前進(jìn)，最終一定會(huì)回到出發(fā)的地方。封閉宇宙中的空間在擴(kuò)大，不過(guò)隨著時(shí)間的流逝，它擴(kuò)張的速度變慢了。

在膨脹的過(guò)程中，溫度開(kāi)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(xué)的四個(gè)基本力，我們現(xiàn)在用它們來(lái)描述和解釋宇宙中的事件與奇觀。

讓我們從引力開(kāi)始說(shuō)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(huì)變得很強(qiáng)大。它讓太陽(yáng)系得以成型，并讓其中所有巨大的物質(zhì)（比如太陽(yáng)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(huì)飄在空中。蘋(píng)果從樹(shù)上掉下來(lái)，液體留在杯子里，天平能夠稱(chēng)量物體的重量，都是因?yàn)橹亓Φ淖饔谩Ｈ绻�稱(chēng)重的時(shí)候重量出乎意料，就可能讓人們懷疑重力是不公平的，不過(guò)，其實(shí)重力才是最不容易被改變的、最正直的存在。

引力強(qiáng)大到能夠影響我們的整個(gè)宇宙，大爆炸后一直持續(xù)著的空間擴(kuò)張正因?yàn)樗�的存在而放慢了速度。它甚至有可能阻止這種擴(kuò)張的發(fā)生，讓空間重新合攏。但它也不一定能做到。要確認(rèn)這種能力，還需要確認(rèn)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(fù)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(huì)在電荷周?chē)�的電�?chǎng)中表現(xiàn)出來(lái)。

如果移動(dòng)一個(gè)電荷，這個(gè)電荷的周?chē)�還會(huì)產(chǎn)生新磁場(chǎng)，新磁場(chǎng)進(jìn)而把新的作用力施加到其他電荷上。這樣的反應(yīng)會(huì)在一瞬間發(fā)生無(wú)數(shù)次。

電磁相互作用可以引發(fā)很多奇妙的反應(yīng)。我們把這些反應(yīng)運(yùn)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(shí)際運(yùn)用。

電磁場(chǎng)可以脫離電荷獨(dú)立存在。當(dāng)一個(gè)孤獨(dú)的電場(chǎng)快要崩潰的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，不過(guò)這個(gè)磁場(chǎng)的情況也不容樂(lè)觀，它也會(huì)很快崩潰并產(chǎn)生另一個(gè)電場(chǎng)。這種事件不斷重復(fù)發(fā)生，每發(fā)生一次都會(huì)放射出電磁波，讓它們?cè)诳帐幍目臻g中穿行。電磁波其實(shí)對(duì)我們來(lái)說(shuō)并不陌生，光線就是一種電磁波。為了感受光線，我們特意進(jìn)化出感知器官，可以用眼睛看到周?chē)�明亮的世界，可以感受到曬到背上的太�?yáng)的溫暖。

光波飛行的速度非常快。這可是整個(gè)宇宙中最快的速度了，沒(méi)有任何物質(zhì)可以比它們更快了。

宇宙中第三大力是強(qiáng)相互作用力。從它的名字就可以看得出來(lái)，它是一種極強(qiáng)的力，但大多數(shù)人不會(huì)感受到它，因?yàn)樗�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(shuō)，它是一種局限在原子核中的吸引力。雖然它是萬(wàn)物聚攏成型的原因，但是在我們的日常生活中，它沒(méi)有什么實(shí)際意義。

接下來(lái)要說(shuō)第四大力，也就是弱相互作用力。它不僅力量微小，而且和強(qiáng)相互作用力一樣，作用范圍非常短。當(dāng)粒子經(jīng)歷放射性衰變或轉(zhuǎn)變的時(shí)候，弱相互作用力就會(huì)在原子核中發(fā)揮作用。我們大多數(shù)人對(duì)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(kāi)始，引力嘗試著讓宇宙聚合到一起（這是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)），電磁相互作用引導(dǎo)著光和能量的傳輸，強(qiáng)、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(guò)程中。通常這種創(chuàng)造性的合作只能維持幾分鐘，在這一過(guò)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(lái)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(gè)三維空間。隨后還出現(xiàn)了無(wú)數(shù)光線。是的，這個(gè)充滿了無(wú)盡霧氣的明亮宇宙一定會(huì)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(gè)宇宙就安靜了下來(lái)，事實(shí)上，它在接下來(lái)幾十億年中幾乎沒(méi)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(gè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)。它把物質(zhì)團(tuán)成一個(gè)大球，第一批恒星就此誕生。它們開(kāi)始發(fā)光，使宇宙變得更加明亮。恒星們移動(dòng)著，形成了恒星團(tuán)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(yáng)和其他恒星一樣，都是體型、質(zhì)量很大的氣體星球，我們?cè)诤苓h(yuǎn)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?chē)�的生命（就像地球上這些生命）得以存活。太陽(yáng)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(gè)過(guò)程會(huì)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(guò)程也叫燃燒，但這種核火和化學(xué)燃燒反應(yīng)不同，這是一種核反應(yīng)。

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(yīng)，這對(duì)我們的歷史至關(guān)重要。幾千光年當(dāng)然只是一個(gè)估計(jì)的數(shù)值，因?yàn)槲覀兊挠钪孢�在不斷擴(kuò)大，很難說(shuō)這個(gè)恒星是不是正好離我們那么遠(yuǎn)。

核火在一個(gè)剛剛度過(guò)壯年的恒星中肆意地燃燒著。每秒都有數(shù)百萬(wàn)噸的氫被轉(zhuǎn)化成氦氣，通過(guò)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(gè)正在進(jìn)行的核過(guò)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(gè)恒星開(kāi)始的，它和我們今天的太陽(yáng)非常相似。其中的核反應(yīng)是一個(gè)三阿爾法過(guò)程，也就是三個(gè)氦核（也叫阿爾法粒子）碰撞后變成碳核。我們要說(shuō)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(shí)光，探索無(wú)垠的宇宙。這位小小旅伴會(huì)向我們講述他的經(jīng)歷，告訴我們碳原子如何度過(guò)他們的每一天。碳原子的日常生活不會(huì)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(jì)念的瞬間。其實(shí)，喬有時(shí)像囚犯一樣，會(huì)被關(guān)在一片沉寂的環(huán)境中度過(guò)幾百萬(wàn)年，看不到任何變化。好在喬非常有耐心。后來(lái)，他也有幸在幾秒鐘、甚至幾分之一秒內(nèi)體驗(yàn)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(wàn)分之一毫米，但它們的數(shù)量驚人，僅僅在一個(gè)人體內(nèi)的碳原子數(shù)量就多達(dá)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(duì)事物的看法，通過(guò)他的視角看到一個(gè)截然不同的世界。我們將和他一起冒險(xiǎn)進(jìn)入人類(lèi)從未接觸過(guò)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(gè)原子的質(zhì)量。它由六個(gè)帶正電的質(zhì)子和六個(gè)與質(zhì)子差不多重但不帶電荷的中子組成。原子核通過(guò)強(qiáng)相互作用力聚成一團(tuán)。

喬的電子帶負(fù)電，他們圍著原子核快速飛行著。這是因?yàn)樵�子核�?nèi)的正電荷和電子的負(fù)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(gè)軌道很窄，只能容納兩個(gè)電子，現(xiàn)在完全被占領(lǐng)了。電子們認(rèn)領(lǐng)了僅有的兩個(gè)座位，阻止其他電子在這里落座。

現(xiàn)在我們大概知道喬長(zhǎng)什么樣了。但是，我們永遠(yuǎn)也不能真的看到他，因?yàn)楣獠ㄌ�長(zhǎng)了，不能把他的模樣傳送到我們眼中——它們比原子直徑長(zhǎng)一千倍以上，無(wú)法展現(xiàn)原子的圖像。一定沒(méi)人能通過(guò)這么長(zhǎng)的光波看到這么小的物體。

喬出生在一個(gè)恒星的深處。在那里，因?yàn)楹诉^(guò)程和引力而產(chǎn)生的高溫高壓足以為三阿爾法過(guò)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(diǎn)，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(dòng)——其實(shí)還是會(huì)遇到一些障礙，因?yàn)樗麄儾粩嗪推渌�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(lái)喬也不得不和他們打交道。這些事情喬都會(huì)一一告訴我們。