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B04:阅生活
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宇宙没有义务让你理解
但我们有权认识宇宙

2019年10月10日 星期四 北京青年报
作者:(美) 尼尔·德格拉斯·泰森 (美)唐纳德·戈德史密斯 译者:阳曦 未读·探索家 2019·8

    “宇宙没有义务让你理解”,这是美国著名天体物理学家尼尔·德格拉斯·泰森在他与师兄唐纳德·戈德史密斯的作品《140亿年宇宙演化全史》中说过的一句话。戏剧性的是,他却通过这本书架起了大众读者认识宇宙、爱上宇宙的桥梁。

    这是一本关于宇宙起源和演化的科普图书,尼尔·德格拉斯·泰森以宇宙的时间初始为起点,从大爆炸写到星系的形成、元素的诞生,再写到地球上的生命起源。全书串联了宇宙140亿年演化的关键知识,将一部精彩而宏大的宇宙史娓娓道来。

    如果要评出“最会讲故事”的科学家,那么尼尔·德格拉斯·泰森一定在其中有一席之地。他是哈佛大学物理学学士、哥伦比亚大学天体物理学博士、美国自然博物馆海登天文馆馆长、2017年斯蒂芬·霍金科学传播奖得主,是热门科普节目StarTalk主持人,也曾经在美剧《生活大爆炸》第四季中客串,饰演自己。2008年《发现》杂志评价他为“科学界最聪明的 50 人之一”。

    大约140亿年前,在那时间的开端,已知宇宙中所有的空间、物质和能量都挤在针尖大的一个小点里。然后宇宙突然变得灼热滚烫,描述宇宙的基本力开始浮现,那是一种单一的力。宇宙温度高达10的30次方摄氏度,这时候它刚刚诞生了10的-43次方秒。在这样的时刻,我们所有关于物质和空间的理论都失去了意义。在这个统一的力场里,能量激荡,黑洞诞生然后消失,随后再次成形。在这样极端的条件下,根据公认的物理学推论,时间和空间的结构发生了严重的弯曲,时空咕噜噜地形成了多孔的海绵状结构。在这个阶段,谁也分不清哪些现象遵循爱因斯坦的广义相对论(现代引力理论),哪些又符合量子理论(对微观物质的描述)。

    随着宇宙继续膨胀冷却,引力开始和其他力分离。又过了没多久,强核力和电弱力分道扬镳,与此同时,海量的能量向外释放,宇宙的体积也因此在极短的时间内膨胀了10的50次方倍。这个被称为“暴胀时期”的阶段抹平了宇宙中的物质和能量,从此以后,宇宙相邻部分的密度差降低到了十万分之一以下。

    接下来,宇宙的膨胀进入了经过实验室验证的物理学范畴。宇宙的温度依然很高,足以让光子自发地将能量转化为物质 -反物质粒子对,紧接着这样的粒子对又会彼此湮灭,将能量返还给光子。出于某些未知的原因,之前基本力分离的时候,物质和反物质的对称性被“打破”了,结果宇宙中的物质比反物质多出来了一点。这样轻微的不平衡对宇宙未来的演化至关重要:每诞生10 亿个反物质粒子,相应地就会出现 10亿零1个物质粒子。

    随着宇宙进一步冷却,电弱力又分裂成了电磁力和弱核力,我们熟悉的四种基本力就此成型。这一大锅“光子汤”的能量继续降低,现在,光子不能继续自发生成物质-反物质粒子对了,残存的粒子对迅速湮灭,后留下一个这样的宇宙:每10亿个光子产生1个普通的物质粒子——没有反物质。如果没有这种不平衡的情况,那么持续膨胀的宇宙里除了光以外不会有其他任何东西,更别提什么天体物理学家了。在大约3分钟的时间里,物质粒子变成了质子和中子,大量质子和中子又进一步结成简单的原子核。与此同时,自由运动的电子让光子不停地来回散射,创造出一大锅不透明的物质和能量汤。

    等到宇宙的温度降低到几千K(开氏度)以下(这还是比鼓风炉热得多),某些运动速度太慢的自由电子开始被流动的原子核捕获,形成氢、氦、锂的完整原子,这是三种轻的元素。现在宇宙(次)变成了透明的,可见光和我们观察到的宇宙微波背景辐射(它们也是自由飞翔的光子)开始展露身形。创世之初的10亿年里,宇宙继续膨胀冷却,物质在引力作用下聚集形成星系。仅仅在我们可见的宇宙范围内,就有1000亿个星系聚集成型,每个星系都包含着几千亿颗恒星,热核反应就发生在恒星核内部。如果一颗恒星的质量能达到太阳的10倍左右,那么它的压力和温度就足以达到临界值,恒星核内就会开始生成数十种比氢更重的元素,其中包括组成行星和生命的关键元素。很长一段时间里,这些元素都会被困在恒星内部,无法发挥作用。不过,等到大质量恒星死亡以后,富含各种化学元素的恒星核物质就会通过爆炸散落到整个星系中。

    经历了七八十亿年的富集以后,在宇宙某个普通角落(室女座星系团边缘)的普通星系(银河系)的普通区域(猎户座旋臂)里,一颗普通的恒星(太阳)诞生了。孕育太阳的气团中含有丰富的重元素,足以形成几颗行星、几千颗小行星和几十亿颗彗星。

    在这个行星系形成的过程中,围绕太阳旋转的“母气团”开始分离出一团团密集的物质。几亿年的时光里,彗星和其他碎片常常高速撞击这些岩石行星崎岖的表面,留下沸腾的岩坑。随着太阳系中的自由物质不断减少,行星表面开始冷却,被我们称为地球的行星就这样诞生了,它所在的轨道正好可以允许大气层内存在液态的海洋。如果地球轨道离太阳更近一些,海洋就会被蒸发,而要是地球轨道离太阳再远一些,海洋就会结冰。无论是哪种情况,地球上都不可能演化出我们所知的生命。

    在化学元素丰富的海洋里,出于某种我们尚不清楚的机制,刚刚出现的简单厌氧菌不知不觉地将地球上富含二氧化碳的大气转化成了氧气含量充足的空气,需氧生物开始形成、演化,终统治了海洋和陆地。氧原子通常成对组成分子(氧气,O2),不过在上层大气中,它们也会形成包含3个原子的分子(臭氧,O3);臭氧能保护地球表面免遭紫外线光子的侵扰,这种微粒可能造成分子级的破坏。

    生命之所以如此丰富多彩,是因为宇宙中富含碳元素,碳元素能组成的分子数不胜数,其中有简单的也有复杂的;碳基分子的种类比其他所有分子加起来还多。但生命又是脆弱的。地球经常遭到太阳系成形时期残余下来的大块天体的撞击,这本是司空见惯的事情,不过在生命诞生以后,地球上的生态系统却会因为这样的撞击而迎来浩劫。远的不说,就在6500万年前(如果地球是一位百岁老人,那么这件事距离现在还不足两年),一颗10万亿吨重的小行星击中了如今的尤卡坦半岛,地球上过70% 的陆生动植物群落就此灭绝,其中包括那个年代的陆地霸主——恐龙。这场生态灾难也带来了一个契机,体形更小、生存能力更强的哺乳动物很快填补了生态链的新空白。而在这些哺乳动物中,脑袋特别大的灵长目终演化出了一个特殊的物种——智人(Homo sapiens)——极高的智力水平让他们得以发明科学的方法和工具,进而发展出天体物理学,终开始探索宇宙的起源和演化。

    是的,这个宇宙的确有一个起点。是的,这个宇宙还在不断演化。是的,我们体内的每一个原子都可以追溯到大爆炸的那一刻,它们在大质量恒星的热核熔炉之中诞生。我们不光生活在这个宇宙中,我们还是这个宇宙的一部分,是它孕育了我们。你甚至可以说,虽然我们的地球不过是宇宙中一个小小的角落,但就是在这里,宇宙赋予了我们力量,让我们去探索它的起源和奥秘。现在,我们才刚刚开始。