140亿年宇宙演化全史

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随着天体化学、天体生物学、天体粒子物理学等新兴学科的涌现,天体物理学家发现,学科的交叉与融合能为他们带来莫大的益处。 P4

从16世纪到17世纪,高效的讨论催生了一种获取知识的新方法,它的核心原则在于,要想最有效地理解宇宙,首先人们必须仔细观测,然后尝试提出一些基本的通用理论,试着解释这一系列的观测结果。 P5

首先,一小部分人真心实意地认为科学是我们理解自然的最好办法,他们不打算寻求其他诠释宇宙的方式。 P6

——卢克莱修(Lucretius) 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。 P7

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。 P8

在那恢宏的宇宙舞台上,这些角色的互动创造了所有的生物学和化学现象。 P10

我们必须进入E=mc2的世界。 P11

不过在此之前,你会看到γ射线光子所到之处,一对对电子凭空出现,其中一个由物质构成,另一个由反物质构成(这只是宇宙中无数动态粒子-反粒子对中的一组而已)。 P12

普朗克时期快要结束的时候,引力从其他基本力中分离出来,拥有了能被现有理论很好地描述的全新独立身份。 P13

这个微妙的变化为今天的我们提供了存在的基础。 P14

在这几十万年里,宇宙的温度依然很高,足以允许电子在光子之间自由运动,互相碰撞。 P15

所以,生活中的道理也同样适用于宇宙:明白我们从哪里来,这件事情的重要性绝不亚于知道我们要往哪里去。 P16

作为科幻故事里的常客,反物质真实地存在于我们的宇宙中。 P17

但无论最后得到什么样的结果,数学模型总能确保你得出的结论既拥有逻辑上的合理性又具备内在的一致性。 P18

决定这些微小粒子如何运动的主要因素不是引力,而是电磁力与核力,因为这两者都比引力强得多。 P19

在膨胀的过程中,宇宙也在不断冷却、变暗。 P20

除了峰值的微波辐射以外,CBR还包含了少量的无线电波(所以它会干扰地球上的无线电信号)和极微量的频率高于微波的光子。 P21

请注意,恒稳态理论将宇宙起源的时间推向了无限远处——对那些不愿意应对这个棘手问题的人来说,这真是方便极了。 P22

观测结果完全符合理论假说:温度符合预测,来自任何方向的信号强度完全相同,而且它不受时间影响,这意味着地球自转或者地球在绕日公转轨道上的位置都与它无关。 P23

比如说,我们可以比较热区和冷区的尺寸及温度分布,由此推测早期宇宙的引力强度,进而判断物质聚集的速度。 P24

20世纪最睿智、最具影响力的科学家爱因斯坦又进一步发现,我们可以将引力的远距离作用更准确地描述为物质和能量的任意组合造成的时空构造弯曲。 P25

要是地球的轨道速度增加到目前的两倍,我们这颗行星就将达到“逃逸速度”,然后(正如你猜到的那样)它会逃离太阳系。 P26

这些广袤的真空区域是每个星系里都会有的荒野,其中包含的可见物质太少,根本无法支撑零星天体的飞速运动。 P27

举个例子:我们脚下踩着的这颗星球足以解释地球表面的引力,所以要是你体重超标,千万别怪到暗物质头上。 P28

分析结果没有告诉我们暗物质到底是什么,只是证明了暗物质的影响真实存在——无论你怎么生拉硬拽,这份功劳也没法归到普通物质头上。 P29

暗物质不是凭空创造的概念,而是我们基于观测结果做出的推测。 P30

根据这套理论的一个衍生版本,我们的宇宙附近存在一个平行宇宙,我们只能通过引力与它互动。 P31

恒星以外的天体或许不会产生可见光,但它们的确会释放出其他形式的电磁辐射,例如红外线或无线电波。 P32

空间类似吹胀或者泄气的气球,它绝不是一个大小恒定的气球。 P33

20世纪下半叶,几乎所有宇宙学家都相信宇宙常数的值为0,那么他们的第一要务自然是测量宇宙膨胀的速度和空间的曲率。 P34

暴胀理论为何如此诱人?因为暴胀时期的存在很好地解释了宇宙为什么是各向同性的:我们能看到的所有东西(以及其他很多东西)都由一小块空间膨胀生成,这块原生空间的固有特性也因此变成了全宇宙共同的特征。 P35

一般来说,巨型恒星燃烧殆尽,无法通过任何形式的核聚变继续产生能量的时候,恒星核就会坍缩,制造出超新星。 P36

遗憾的是,他们只能争取到哈勃望远镜的一小部分观测时间。 P37

要理解这个问题,我们就得讲点儿高深的东西了。 P38

这样的差异源于我们的银河系相对于周围星系的运动。 P39

因此,考虑到实验精确度误差,我们或许可以认为ΩM +ΩΛ = 1,这意味着空间是平坦的。 P40

时至今日,为了弄清宇宙加速膨胀背后蕴含的意味,宇宙学家已经奋斗了好些年。 P42

但那时候他们以为宇宙常数的值是0,所以他们希望未来能发现某些新的解释,让理论公式中的正负条件相互抵消,从而巧妙地消灭这个问题。 P43

这个解释将宇宙常数的值与客观的事实联系到了一起:我们生活在一个普通星系内绕着一颗普通恒星公转的行星上。 P44

剑桥大学天文系的霍金和前辈牛顿一样坐拥卢卡斯教授席位,他认为人择方法完美地解决了克里根问题。 P45

最终这两张平面会停止反向运动,重新开始靠近彼此,引起下一次碰撞和大爆炸。 P46

天空中还有一些模糊的天体,它们的学名叫作“星云”(nebula),这个词来自拉丁语里的“云”——这些形状模糊的天体包括金牛座的蟹状星云(Crab nebula)和仙女座的仙女座星云(Andromeda nebula)。 P48

幸运的是,到了19世纪末,科技的发展赋予了天文学家新的工具,现在他们能做的就不仅仅是归类宇宙中的事物了。 P49

在1936年出版的著作《星云世界》(Realm of the Nebulae)中,哈勃将不同类型的星系排列成了一支音叉的形状,音叉的柄代表椭圆星系,形状最圆的那些星系位于叉柄最远端,相对较扁的星系放在两个分叉的交会处附近。 P50

仙女座星系边缘有两个绕着主星系旋转的椭圆状卫星星系,它们各自包含的恒星数量只有主星系的百分之几,这两个星系同样为我们提供了关于恒星生命和椭圆星系结构的重要信息。 P51

虽然在所有的星系中,这些“特殊星系”——形状奇怪得连“不规则”都不足以形容的星系——所占的比例极低,但它们却揭示了一些重要的信息,我们从中看到了出错的星系可能变成什么样子。 P52

时至今日,我们的太阳大概已经转了20圈,接下来的日子里,它大概还能再转上20圈左右。 P53

要理解如今组成可见宇宙的这些天体源自何方,我们必须弄清一个问题:是什么样的机制将宇宙中弥散的物质凝聚成了高度结构化的元件?要完整描述宇宙中的结构是如何出现的,我们必须将现实的两个方面融合到一起,不过对于这个问题,目前我们仍力有未逮。 P54

我们可以再举一个更贴近物理的例子,想象一下,你站在一座完美的圆锥形山峰峰顶,这座山峰是天地间的唯一物体,那么在这个点上,无论你望向哪边,眼前的地球总是一模一样。 P55

不过,当然,在更小的尺度上,物质只会自顾自地聚集成团,根本不管什么均匀或者各向同性。 P56

恰恰相反,随着物质被拆分成一团团不断消失然后重生的颤抖的粒子,每一刻都有不同数量的粒子消失或重现,物质的分布也将出现随机的涨落。 P57

因此,CBR携带着历史的印记,那是退耦时期的宇宙留下的快照。 P58

从大爆炸后38万年到2亿年,物质不断聚集,但最早的恒星仍未诞生,宇宙中没有任何东西能发光。 P59

照片上最亮的那些天体看起来似乎只是简单的恒星,但它们会释放大量无线电波,这一点和恒星很不一样。 P60

天文学家已经发现了其他新的结构类型,它们的性质介于类星体和普通星系之间,具体取决于超大质量黑洞的“恶劣行为”。 P61

有时候真的会发生这样的事情:运动速度过快的恒星挣脱了星团引力的束缚,在星系中自由穿行。 P62

比如说,我们可以从这张照片中同时看到13亿年前、36亿年前、57亿年前和82亿年前的天体,每个天体各自所属的年代取决于它和我们之间的距离。 P63

正如微观的DNA链条决定了宏观物种的身份和特性,宇宙如今的模样和特性也来自最早期的构造涟漪,它穿越时间和空间,一直存留到了今天。 P64

透过双筒望远镜或者后院里的天文望远镜仔细观察,你会发现银河中那些黑暗无趣的区域的确漆黑一片,没什么可看的,但若是将镜头转向那些明亮的区域,你会发现乳白色的光晕化作了数不清的恒星和星云。 P66

直到20世纪60年代,天体物理学家才算有了称手的微波望远镜,而精密的红外望远镜直到20世纪70年代才出现。 P67

更困难的地方在于,初始云团的尺寸比我们试图创造的恒星大几十亿倍,反过来说,最终诞生的恒星平均密度是初始云团的千万兆倍。 P68

直到最近几年,天文学家才发现了能分成多个类别的大量棕矮星。 P69

将这样的分析手段应用于多种不同的环境,天体物理学家就能描绘出一幅近乎完整的恒星大气特性图景。 P70

从太阳系附近掠过的云团会带走散佚的气体,这些气体又会投入下一轮的恒星形成过程中。 P71

物理学家可以轻松算出水泥搅拌车或者拖在平板卡车后面沿街行驶的活动房屋的碰撞截面,但要分析神出鬼没的亚原子微粒的行为,那就完全是另一回事了。 P72

”哈金斯猜测,某些元素的丰度之所以相对较高,很可能是因为它们来自核聚变过程而非燃烧之类的化学过程,而且重元素一定是由轻元素合成的。 P73

幸运的是,这些反应都是自发进行的,因为在每一个中间阶段走向尾声的时候,恒星的能量来源都会暂时枯竭,导致恒星中央区域收缩、温度上升,由此引发聚变的下一环。 P74

周期表的存在证明了人类科学事业是一项国际性的探险之旅,我们绝不会躲在实验室里故步自封,科学家探索的脚步必将踏遍宇宙,从粒子加速器到时空的边疆。 P75

由于恒星内部的热核氢聚变还在继续制造额外的氦,所以宇宙中某些区域的氦含量会高于最初的8%,但是,正如大爆炸模型所预测的,截至目前,我们还没有在银河系或者其他任何星系中发现氦含量低于8%的地方。 P76

尤其是考虑到,硅和氧的化合物是坚硬的岩石,所以硅基复杂分子缺乏碳基分子的韧性,难以承担演化带来的生存压力。 P77

从另一个方面来说,如果你想让铁原子核融合在一起(这个过程叫作“聚变”),它们也得吸收能量。 P78

除此以外,铱还为科学界提供了最著名的“冒烟手枪”。 P79

1945年,美国在战场上引爆了第一颗铀弹(它更广为人知的名字是“原子弹”),日本城市广岛在爆炸中化为火海。 P80

140亿年宇宙演化全史 科学与自然电子书 第2张

从个人层面上说,你应该对化学物深感亲切,因为无论是你深爱的星星还是你最亲密的挚友,宇宙中的一切都是由化学物质组成的。 P81

那个黑暗年代留下的痕迹少得可怜,我们只能凭借这些细微的线索摸索早期阶段的物质如何组织成形。 P83

后来天文学家通过计算发现,被引力撕扯离开恒星的所有气体几乎都会蒸发,而不会凝聚,于是他们立即抛弃了金斯的假说,转而回头拥抱康德的理论。 P84

多个微行星相互吸引构成行星核,最终形成成熟行星,短短几百万年内,小镇大小的物质团就会变成一个全新的世界,它的外面可能有一层薄薄的大气(例如金星、地球和火星),也可能裹着一层厚重的氢气和氦气(例如太阳系的4颗气态巨行星,这几颗行星与太阳之间的距离足够远,所以它们能聚集大量氢气和氦气)。 P85

“不稳定结构”的存在是旋涡模型成立的前提,但天文学家却无法证明这一点,而我们必须克制自己,不要盲目下结论。 P86

既然月球并不是和地球全然无关,但也不是完全来自地球,那它到底是怎么形成的呢? 这个难题的答案乍看之下有些惊人,它基于一个曾经非常流行的假说:在太阳系早期的一次剧烈撞击中,太平洋海盆的一大块物质材料离开地球进入太空,最终形成了月球。 P87

当然,这个描述隐含的前提是行星际空间真的空无一物。 P88

我们知道,某些种类的细菌能在冬眠状态下存活很长一段时间,前往地球的旅途中高剂量的太阳电离辐射也很难伤害它们。 P89

和柯伊伯带的彗星不一样,奥尔特云彗星可能会从任何角度、任何方向大量进入内太阳系。 P90

太阳系内的行星以罗马神祇为名(比如,木星名叫“朱庇特”而非“宙斯”),为了方便起见,卫星的名字来自代表母行星的那位神祇生命中的重要角色,但角色的名字遵从希腊神话。 P91

如果没有木星的保护,地球上的复杂生命将面临更险恶的生存环境,它们随时可能因为一场毁灭性的撞击而彻底灭绝。 P92

看星系如何形成, 观察别处的行星如何围绕别的太阳旋转, 每颗恒星如何哺育自己的子民, 或许这将告诉我们, 上帝为何将我们塑造成今天的模样。 P93

幸运的是,这方面的工作正在进行中,尤其是寻找火星生命的工作。 P94

如果运动速度远小于光速,那么光波波长变化的百分比(我们称之为“多普勒效应”)等于光源与观察者的相对速度与光速之比。 P95

天体物理学家通过观察恒星的舞步寻找系外行星,他们知道,如果那颗系外行星的质量或者公转半径和我们的木星差不多,那么要找到它的踪迹,我们测量速度差的精确度至少要达到12.2米/秒。 P96

除了推算行星的公转周期、轨道半径和质量下限以外,利用多普勒效应研究恒星舞步的天体物理学家还完成了另一个任务:他们确定了行星公转轨道的形状。 P97

换句话说,这颗巨行星的质量是地球的600倍以上,但它的轨道半径还不到水星的1/10。 P98

与此同时,4颗巨行星与太阳之间的距离要远得多,相当于地日距离的5.2?30倍,所以它们才能长到那么大。 P99

大型行星的引力会将这些物质逐渐转移到外层轨道上,与此同时,受反作用力的影响,行星自身会慢慢朝着内层轨道运动。 P100

本书的最后几章介绍的正是这方面的内容,如果你梦想在宇宙中的其他地方发现生命,那就请继续读下去吧。 P101

要解开这个谜题,最关键的线索或许就藏在宇宙的起源蓝图之中,它囊括了地球的起源、太阳系行星家族的起源、为生命提供能量的恒星的起源、宇宙中结构的起源,还有宇宙本身的起源和演化。 P103

我们一直试图估算银河系中可能存在智慧生命的星球数量,德雷克将已知和未知的信息有效地综合起来,把这个问题转化成了一系列量化参数的组合,每个参数分别代表智慧生命发展所需的一个必要条件。 P104

这是否意味着德雷克方程根本就不是什么科学,而是天马行空的妄想?事实并非如此。 P105

从解剖学的角度来看,这些生物本质上和人类并无区别,虽然从理论上说,他们应该生活在其他行星上,演化路径也完全不同于地球生命。 P106

无论采用什么标准来区分地球上的生命和非生命,你总能找到一些不符合定义的特例。 P107

不过现在,既然手头没有这方面的数据,我们只能通过其他迂回的方式找出一个近似的答案,然后继续追问:地球上的生命是怎么诞生的? 地球生命的起源仍是一个谜团。 P108

氧气会扼杀生命!这个论断听起来违反常识,但放到宇宙的尺度上却很准确:生命只能诞生于行星历史的早期阶段,否则大气层中越来越多的氧气将彻底扼杀生命出现的可能性。 P109

澳大利亚西北海岸外有一个二叠纪——三叠纪大灭绝年代留下的更大的陨石坑,但引发那次灭绝的可能不仅仅是陨石撞击,还有其他一些因素,譬如火山爆发。 P110

换句话说,生命的起源需要两个条件:第一,新陈代谢所需的基本化合物必须大量存在,甚至有所冗余;第二,以这些化合物为食的造物还没有出现(其实还有第三个条件:大气层中的氧气相对比较稀薄,所以它们不会与这些简单化合物结合,破坏原始生命的口粮,我们之前讨论过这一点)。 P111

他们之所以改变态度,倒不是对实验结果有所怀疑,而是因为他们认识到,这个实验背后的基本假说可能存在天然的缺陷。 P112

就像植物从阳光中汲取能量完成光合作用一样,深海热泉附近的生物靠“化学合成作用”制造能量,这些能量归根结底来自地热。 P113

最近,古生物学家给地球生命神秘的祖先起了个名字:LUCA,这个英文缩写的意思是“所有地球生命最后一个共同的祖先”(瞧瞧科学家脑子里地球本位的思想是多么根深蒂固,这个缩写中的U代表的是“宇宙”,如果非要较真的话,既然是地球生命共同的祖先,它的英文缩写应该是LECA,因为E才是“地球”的缩写)。 P114

目前,除了猜测地外生命的模样以外,太空生物学家只能模拟地外环境,然后要么将地球生命形式暴露在这样的环境中,看看它们能否在不熟悉的严酷条件下幸存,要么将无生命的混合物分子放入模拟环境中,沿着米勒-尤里实验或维奇特萧瑟的研究路线探索生命的起源。 P115

反过来说,硅和其他很多原子形成的化学键太强,尤其是硅-氧键。 P116

我们并不指望南极的冰盖或者富含水蒸气的云团能孕育出生命,因为只有液态溶剂才能让分子充分互动。 P117

但事实上,截至目前,在所有由三个原子构成的分子中,水是丰度最高的一种,这很大程度上是因为组成水的两种元素——氢和氧——在整个宇宙的丰度排名中分别位居第一和第三。 P118

现在不妨想象一下,如果你住在月球极地附近的环形山底部,那么太阳哪怕升到最高,也不一定能照射到环形山内部。 P119

地球温室效应主要源自大气层中的水和二氧化碳。 P120

随着生命最后的余烬随风而去,这颗星球将成为太空中一个死寂的世界,它的生命演化之路走到了尽头。 P121

未来,致力于寻找古代(甚至现代)生命的火星任务将选择适合钻探的区域,我们将深入火星地表之下,寻找能够孕育生命的流淌的灵丹。 P122

在这个宇宙尺度的碰撞游戏中,有的行星从自己形成的位置向内移动了一点,而另一些行星被推到了更远的轨道上。 P123

但是,如果只考虑太阳带来的热量,木星附近的平均温度应该只有120K(-150摄氏度),在这样的环境中,水怎么可能维持液态呢?木卫二内部之所以比较温暖,是因为当木卫二与邻近天体的相对位置不断变化时,木星和附近另外两颗大型卫星(木卫一和木卫三)产生的潮汐力会不断揉搓弯折这颗卫星内部的岩石,由此产生大量的热。 P124

它和木星最大的卫星木卫三“盖尼米德”在太阳系的所有卫星中位居前二。 P125

但是,在结束这个主题之前,我们不妨想想未来会迎来的另一个重要的起源:我们与其他文明接触的起源。 P126

太阳系内可能存在池塘或湖泊的天体似乎只有这三个,所以大部分太空生物学家认为,如果我们真能在太阳系内找到原始生命,那恐怕只能指望这三个地方。 P127

要想看到悲观的计算结果,我们只需要把每种情况发生的概率下调到1/10000,可能存在文明的行星数量就会锐减到原来的1/1000000,也就是说,从10亿颗直接变为1000颗。 P128

几乎所有人都坚信,只要有外星人存在,他们肯定会造访地球,这样的信念与很大一部分宗教教条基于同一个不言自明的前提:我们的星球和我们这个物种是宇宙中的奇迹。 P129

糟糕的是,随着技术的进步,伪造的图片和视频足以乱真,所以我们也不能完全相信UFO的图像证据。 P130

UFO现象揭示了人类意识中非常重要的一面。 P131

如果我们打算向半人马座阿尔法星发送一条信息,那么单边通信需要4.4年。 P132

几十年前,人类文明就有大量信号泄漏到太空中,除此以外,我们还向某个特定方向专门发送过一段长达几分钟的信号束。 P133

这样一来,我们又回到了熟悉的境地之中,仿佛永远都在等待某件可能根本不会发生的事情。 P134

我们的耳朵既能捕捉航天飞机发射时的轰鸣,又能分辨房间角落一只蚊子的嗡嗡声。 P135

这样的爆炸会加热周围的物质,制造出X射线、红外线和可见光。 P136

我们同样感谢芝加哥费米研究所的西恩·卡罗尔(Sean Carroll)、夏威夷大学的托拜厄斯·欧文(Tobias Owen)、美国自然历史博物馆的史蒂文·索特尔(Steven Soter)、加州大学圣迭戈分校的拉里·斯夸尔(Larry Squire)、普林斯顿大学的迈克尔·斯特劳斯(Michael Strauss)和美国公共广播公司“新星”系列的制作人汤姆·利文森(Tom Levenson),感谢你们为本书提供关键的修改建议。 P138

加速度:物体运动速率或方向(或二者)的变化。 P139

黑洞:引力极强的天体,在黑洞中心附近一定的范围内,任何物体,包括光线,都无法逃脱它的引力,这个范围被称为黑洞半径。 P140

暗物质:不与电磁辐射相互作用的物质形态,我们只能通过暗物质作用于可见物质的引力反推出它的存在。 P141

基本粒子:自然界的基本微粒,通常无法再分割成更小的粒子。 P142

基因:染色体上由基因编码定义的特殊片段,基因决定了特定氨基酸链的结构。 P143

氦原子核拥有2个质子,以及1~2中子。 P144

对数尺度:记录一整张纸都写不下的大数字的一种方式。 P145

DNA的四种核苷酸分别是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。 P146

无线电:波长最长、频率最低的光子。 P147

最完美的例子就是粒子的“半衰期”。 P148

不明飞行物(UFO):出现在地球天空中的难以找到合理解释的飞行物。 P149

——译者注 [3] 2006年,国际天文联合会将冥王星从行星序列排除,将它归为矮行星。 P150

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