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膨胀的宇宙，在20年代，科学家们观察宇宙中其他星系的恒星光谱时，发现了最奇异的现象，那些星系和我们的银河系一样具有，吸收特征线组，而这些线组，都像光谱上的红移动了相同的量，为了理解这个含义，我们必须了解多普勒效应，我们已经知道，可见光和电磁场，的波动和起伏，其频率高达4至7百万亿次每秒，不同频率的光也在人眼中形成不同的颜色，最低的频率出现在光谱的红端，最高的频率出现在光谱的蓝端，虽然离我们某一距离有一处光源，例如恒星，以固定的频率发出光波，显然出发时的波动和我们观察时的频率一样

星系的引力场没有足够强到对它有明显效果的效应。现在我们假定这些恒星的光源开始向我们运动，当光源发出第二波峰时，它离开我们更近一些，这样此波峰，到达我们所处的时间比恒星不动时要少，这意味着，这俩波峰到达我们的时间间隔变小了，所以我们接收到的波每秒的振动频率比恒星静止时高。同理，如果光源离我们而去，我们接受到的波频率就变低了，所以对于光速来说，这意味着当恒星远离我们而去时他们的光谱向红端移动及红移，当恒星靠近我们时，光谱则向蓝端移动

这个被称为多普勒效应的频率和速度的关系，是我们日常所熟悉的。例如我们听路上经过的汽车当开过来时，引擎的音调变高，当汽车离开时，它的音调变低，光波或无线电的行为与之相似，警察就是利用多普勒效应的原理，以无线电派充从车上反射回来的频率来测量车速，先前，人们相信星系的运动相当紊乱，宇宙中不单只有银河系，还有其他星系，并且预料到红移的光谱会以蓝移的光谱一样多，但是令人惊异的结果是，大部分的星系都是红移的，几乎所有都离我们而去，甚至星系红移的大小也不是杂乱无章的，而是和星系离开我们的距离成正比。换句话说，星系月月，他离开我们的速度就越快，这表明宇宙不可能是静态的，事实上，宇宙正在不断膨胀，星系与星系之间的距离正不断的增加着

夜里当你看着星星时，发现不论我们往哪个方向看，也不论我们身处在何地，宇宙看起来都是一样的，只要明白宇宙膨胀这一现象，就会明白，是自然而然的事情，我们已经讨论过宇宙的诞生，知道宇宙起源于大爆炸，可见爆炸的威力是如何？知道已经经过了100亿到200亿年前物质星系形成之后，还在以难以想象的速度爆开我们的宇宙是否会真的永无止境的膨胀下去呢

爱因斯坦的广义相对论中有一个能引起大家兴趣的理论，在像地球这样的大质量物体面前，时间的流速会慢一些，是因为光能量和它的频率有一定的关系，能量越大频率越大，当光经过地球的引力场往上走，它失去能量频率就会下降。这表明，两个波峰之间，时间间隔变大，上面某个人的视角来看，下面某个人发生的每一件事都要相当长的时间

利用一对安装在一个水塔塔顶和底下非常准确的钟，这个理论在1962年被检验到发现底下的那个更接近地球中走的慢一些，这和广义相对论完全一致，地球上不同高度的中的速度不同，这在目前非常具有相当的实用上的重要性，这是因为我们要用卫星发出的信号来做非常精确的导航，如果对广义相对论无知所计算出来的位置将会错几英里，牛顿的运动定律是空间中绝对位置的观念告终，而相对论则摆脱了绝对时间

想象一对双生子假定其中一个，去惹山顶上生活，而另一个则留在了海平面。第一个将比第二个老的快。如果有天，他们再次相会，一个会比另一个更老。在这种情形下，年龄的差别非常小，但是如果有一个孩子在以接近光速运动的空间飞船中坐长途旅，这种差别就会大得多。当他回来时，他只会比留在地球上的另一个人年轻的多，这就是被人称为双生子的佯谬，只是对于头脑中仍有绝对时间观念人而言，这才是佯谬

在相对论中，没有一个唯一的绝对时间，相反，每个人都有他自己的时间测度，这依赖于它在何处，如何运动，1915年以前，时间和空间被认为是事件在其中发生的固定舞台，而他们不受其中发生的事件的影响，即使是在狭义相对论中，这也是对的。物体运动力的相互吸引并排斥，但时间和空间则完全不受影响的延伸者，时间和空间很自然的被认为是无限的向前延伸，然而，在广义相对论中，情况则不同，这时时间和空间将变成动力量。当一个物体运动时，或者另一个力起作用时，它影响了时间和空间的曲率。反过来时间，空间的结构影响了物体的运动和力的作用方式。时间和空间不仅去影响而且被发生在宇宙的每一件事所影响，正如一个人不用时间和空间的概念，不能谈宇宙中的事件一样，同样在广义相对论中，在宇宙的界限之外，谈时间和空间是没有意义的

地球上和宇宙中千千万万不同的物质都是由各种不同元素构成的，而原子就是构成这些元素的粒子，曾几何时，有人认为原子已经是宇宙中最细小的砖块，但事实上原子并非是最细小的，不可分割的，否则就不会有原子分裂，原子弹核能的故事了，原子构成各种元素物质，它由质子，中子和电子构成一个原子中所包含多少质子，中子和电子的数目多少，决定了这颗原子是何种物质的原子，直到20多年前，人们总以质子和中子已是最基本的例子了，但是将质子和例外的质子或者电子在高速度下碰撞的实验表明，它们事实上是由更小的粒子构成。加州理工学院的穆雷盖尔曼将这些更小的粒子命名为夸克，由于夸克的研究，他获得1969年诺贝尔奖

目前我们知道了几种不同类型的夸克，至少有六种以上的味，这些为我们分别称之为上下奇魅顶底每一种味都带有三种色，即红色，绿色和蓝色。必须强调，这些术语只是记号。花克比任何可见的光的波长小的多，所以通常意义下没有任何的颜色，这些只不过是现代物理学家富有想象力的去命名新的粒子和现象而已。他们不将自己限制于只用希腊文，一个质子或者中子是由三个夸克组成的每每个一种颜色，一个质子，包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子中包含两个下夸克和一个上夸克，我们可以用其他类型的夸克构成例子，但所有这些具有大的多的质量，并且非常快的衰变成质子和中子

现在我们知道，不管是原子还是其中的质子和中子，都不是不可分的问题在于什么才是真正的基本粒子，才是构成万物的基本条件。由于光波的波长比原子的尺度大得多，我们不能期望用通常的方式去看一个原子的部分，我们必须用上某些波长短的多的东西。量子力学告诉我们，实际上所有粒子都是有波动的，粒子能量越高，则其对应的波长就越长，所以要回答这个问题，取决于我们能得到多高的粒子的能量，这些粒子的能量通常以电子伏特来测量

19世纪通过化学反应，诸如燃烧当粒子，只能提供几个电子伏特的低能量。大家以为原子级是最小的单位，而近代我们使用电磁场令粒子提供几百万，而到几十亿伏特的能量时，由此我们知道了20年前以为是基本粒子，原来是由更小的粒子组成，如果我们用更高的能量，其实是否会发现还有更小的粒子？