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。 P10

整个宇宙有数百亿个星系,银河系只是其中之一,我们的地球所围绕运行的太阳,也只是银河系边缘一颗再普通不过的恒星。 P11

从500年前开始,一种理解自然的新方法渐渐成形。 P12

科学家不会放过证伪同行理论的机会,却也支持彼此为拓展人类知识所做出的尝试,他们由此创造出了用于理解自然最有效、最高效的工具。 P13

科学的进步由两类人推动:那些设法获取更好的数据,并根据数据小心推理的人,还有那些冒着极高的风险挑战已被广泛接受的结论的人——当然,一旦成功,他们也将得到极高的收益。 P14

有人直率地承认,这个世界完蛋了,在行星中,在苍穹中,他们正在探寻那么多新的东西;他们看到,这个(世界)再次崩塌成原子。 P15

其他传统宗教的徒子徒孙倒是常常强调二者之间的分野,他们更愿意从心理上划分自然和超自然掌管的领域,通过这种方法来调和二者。 P16

——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。 P17

这个被称为“暴胀时期”(epoch of inflation)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。 P18

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。 P19

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,最终统治了海洋和陆地。 P20

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。 P21

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。 P23

与此相对,现代物理学看起来就显得很不合理,因为它描述的现象都发生在人类感官无法触及的遥远领域里。 P24

要尽可能地猜想并真正理解当时发生的事情,我们别无选择,只能建立一套全新的反直觉的“常识”体系,来解释极端温度、密度和压力环境下物质的行为,以及这些行为背后的物理规则。 P25

于是你得到了这个方程。 P26

光无所不在,只是我们常常意识不到它的存在。 P27

从宇宙学的层面上说,粒子和能量包之间的相互转换至关重要。 P28

这个时期指的是从宇宙诞生到10-43秒的阶段。 P29

等到宇宙迈过第一个10-12秒,分化后的力和其他关键因素已经赋予了宇宙一些基本的性质,每种性质都值得专门用一本书来介绍。 P30

夸克十分古怪。 P31

在宇宙早期那锅翻滚的粒子汤里,夸克和反夸克、电子和反电子(它更广为人知的名字是“正电子”)、中微子和反中微子不断地诞生、湮灭,然后再次诞生,你很难注意到物质和反物质数量的细微差别。 P32

这些孤独的强子最终将享受到身为物质的最大乐趣:它们将创造出星系、恒星、行星和人类。 P33

从这时候开始,直到38万年以后,氢原子核、氦原子核、电子和光子组成的粒子汤才会再次发生巨变。 P34

黑洞有可能消耗自身大得惊人的引力能,创造出粒子-反粒子对。 P35

这里隐藏着一个十分有趣的分野。 P36

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。 P37

厄莱尔特的团队在第一轮实验中就制造出了9个反氢原子。 P38

物理学家无法保证某个方程的所有解都能与现实世界中的事件对应起来,但如果某个物理现象的数学模型正确无误,那么琢磨方程总比琢磨整个宇宙简单,而且同样有用。 P39

根据狄拉克最初的解释,γ射线光子会将电子从负能量的领域中激发出来,由此创造出一个普通的电子和一个电子洞。 P40

”虽然物理学家认为氢原子和反氢原子的运动规律应该完全一致,但他们尚未通过实验证明这一预测,主要是因为保存反氢原子实在太难。 P41

但如此可怕的命运在今天的宇宙中应该非常罕见,因为某颗反恒星与正常恒星碰撞湮灭必然会爆发出海量的γ射线,物质与反物质掀起的能量巨浪将迅速传遍整个宇宙。 P42

在膨胀的过程中,宇宙也在不断冷却、变暗。 P44

光子的波长等于两个相邻波峰之间的距离——你可以用尺子来测量这段距离,如果你能抓到光子的话。 P45

当然,灯泡也会释放出足量的可见光,不然我们就不会买它了。 P46

当时的宇宙过于炽热,以至于所有原子核都孤零零地暴露在外,因为光子的碰撞解放了所有电子,让它们在空间中自由游荡。 P47

根据恒稳态理论,宇宙在膨胀过程中将始终保持不变——简洁是这套假说最诱人的特质。 P48

要捕捉微波,科学家需要能对波长更短的波进行探测的探测器和灵敏的天线。 P49

彭齐亚斯和威尔逊在清理鸟粪的时候,普林斯顿大学的一群物理学家正在罗伯特·H.迪克(Robert H. Dicke)的带领下修建一台探测器,这台探测器将专门用来寻找伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼预测的CBR。 P50

如果某种微波的温度高于现在的CBR,那么氰分子被激发的程度也会略高于CBR。 P51

这些物质富集的区域为超星系团的形成播下了种子,与此同时,其他区域相对比较空旷。 P52

我们会在第五章中介绍暗能量,它加快了宇宙膨胀的速度,如果没有暗能量,宇宙就不会膨胀得这么快。 P53

一方面,观测为宇宙学奠定了坚实的基础,在其他很多科学领域里,这样的基础完全是默认的,因为它们早就形成了成熟的实验室观测体系;另一方面,理论家曾在缺乏观测手段的年代凭空提出了大量不着边际的假说,新的数据必然会肯定其中的一部分,打破另外一部分。 P54

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。 P55

兹威基研究的是一个巨型星系团内的星系运动,这些天体来自后发座(Coma Berenices,这个名字的意思是“贝蕾妮丝的头发”,贝蕾妮丝是埃及古代的一位王后),远离银河系的本地恒星。 P56

如果太阳突然变得更重,地球和太阳系里的所有天体都必须加快速度才能停留在目前的轨道上。 P57

如果我们没算错的话,这个星系团应该迅速分崩离析,只余下些许痕迹供人缅怀它蜂巢般拥挤的过往,这个过程只需要几亿年到10亿年。 P58

鲁宾研究的是恒星围绕自己所在的星系中心旋转的速度,刚开始她观察到的现象完全符合预想:在每个星系可见的星系盘内,远离星系中心的恒星运动速度大于更内侧的恒星。 P59

这些不发光的物质会不会藏在黑洞里?不可能,要是真有这么多黑洞,它们的引力必然影响周围的恒星,那我们早就发现不对劲了。 P60

但实际的观测结果却告诉我们,星系团内绕轨运行的星系所占据的空间里到处都有暗物质。 P61

据我们目前所知,事实并非如此。 P62

这套理论的确可以解释很多旋涡星系外围孤立天体的运动,但它带来的问题比答案还多。 P63

早期宇宙的坩埚将氢锻造成了氦,以及极少量的锂和更少量的氘(一种比较重的氢原子核,由一个质子和一个中子构成)。 P64

所以,暗物质是我们的朋友。 P65

但我们对暗物质的无知和对以太的无知有着本质的区别。 P66

这个说法听起来有点疯狂,但类似的事情早有先例。 P67

他们认为需要修正的是引力,而不是粒子,所以他们决定修正牛顿力学——虽然这个大胆的尝试似乎已经失败了,但毫无疑问,支持这条道路的先驱试图改变的是我们对引力的看法,而不是亚原子的人口普查数据。 P68

然而它却能产生引力,由此影响普通物质。 P69

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。 P70

这一举动破坏了爱因斯坦和其他科学家的关系,也彻底摧毁了这位同行的职业前途,因为当时大多数德国科学家都签了支持开战的请愿书。 P71

宇宙不可能“静静待在原地”,虽然我们的直觉和一个时期内的天文观测结果都指向这个结论。 P72

但麻烦接踵而至。 P73

零曲率对应的是“平坦空间”,也就是我们凭直觉认定的宇宙面貌:绝对的平面朝所有方向无限延展,就像一块无限大的黑板。 P74

哈勃常数等于天体远离地球的速度除以它和我们之间的距离(离我们越远的星系“后退”的速度越快),这个常数的值非常非常小,所以只有在观测那些非常遥远的天体时,我们才能发现空间的弯曲。 P75

到20世纪90年代中期,宇宙学家发现,就算把目前(通过对可见物质产生的引力)探测到的所有暗物质都算进来,宇宙中的物质密度也只有临界值的四分之一左右。 P76

暴胀理论还有其他一些深受宇宙学家青睐的优点,我们现在暂不赘述;最重要的是,暴胀模型提出了一个直接的、可验证的预测:宇宙中的空间应该是平坦的,它的曲率既不是正数也不是负数,恰恰就是零,这完全符合我们的直觉。 P77

然后,嘲笑声突然消失了。 P78

与临界密度对比的时候,我们必须采用这个新的总密度。 P79

最后,等温度升高到1000万摄氏度,整颗白矮星就会再次被核聚变点燃,这样的爆炸——原理类似氢弹,但爆炸强度是氢弹的几万亿倍——会将白矮星彻底撕碎,形成Ia型超新星。 P80

整个20世纪90年代,哈佛大学和加州大学伯克利分校的两组超新星专家都在优化这种测量技术。 P81

星系距离与后退速度之间直接的比例关系体现在哈勃定律(Hubble’s law)的代数表达式中,这个简单的方程描述了宇宙的基本行为:v=H0×d。 P82

由于两个团队主要的怀疑目标都是对方,所以双方都在殚精竭虑地给对方的数据和解释挑错。 P83

Λ在这里代表宇宙常数。 P84

不过,在消化了一颗卫星提供的新的观测数据以后,所有的怀疑者几乎都打消了疑虑。 P85

我们发现,来自某些位置的CBR比其他地方偏强或者偏弱了一点点。 P86

要理解空间曲率如何影响宇宙背景辐射的特征角度尺寸,我们不妨想象一下,这些辐射终于停止与物质互动那一刻的情景。 P87

从另一方面来说,平坦的宇宙将永远保持平坦,从大爆炸开始直到无限远的未来。 P88

考虑到实验精确度误差,这两个值基本是一回事。 P89

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。 P91

根据量子力学的一部分理论,我们所谓的“真空”中其实充斥着“虚粒子”(virtual particle),这些小家伙的状态在存在与不存在之间频繁切换,所以我们永远不可能直接锁定它们,只能观察到它们产生的效果。 P92

很久以前,粒子物理学家和宇宙学家就知道,量子力学预测的宇宙常数值大得令人无法接受。 P93

时至今日,在这个ΩM = 0.27、ΩΛ = 0.73的宇宙中,这两个值的数量级完全一样,而且ΩΛ的值明显大于ΩM。 P94

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。 P95

由于多重宇宙的假设从理论上排除了各个宇宙发生互动的可能性,我们显然无从验证它的真实性,自然也就不可能去证明它——除非有哪个更聪明的天才能想出办法来测试多重宇宙模型。 P96

我们不如跳过“人择方法”,继续相信那些以人类为中心的更古老的创世神话。 P97

现在我们倒是知道,这套假设毫无道理,因为多面体的嵌套并不完美,而且(更重要的是)我们找不到任何理由来解释行星轨道为什么会遵循这样的规则。 P98

这套模型的灵感来自粒子物理学中的弦论(string theory),斯泰恩哈特认为宇宙一共拥有十一个维度,其中大部分维度处于“折叠态”,这有点像卷起来的袜子,所以它们在宇宙中占据的空间近乎无穷小。 P99

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)。 P102

根据“所见即所名”的棒球裁判传统(赫歇尔编撰总表的时候,这项运动正好进入了全盛时代),天文学家将旋涡状的星云命名为“旋涡星云”(spiral nebula),大体呈椭圆形的自然是“椭圆星云”(elliptical nebula),那些形状不规则——既不是旋涡也不是椭圆——的星云则被命名为“不规则星云”(irregular nebula)。 P103

我们可以从中学到一课:不要轻信事物的表象,你应该做的是深入追问它到底是什么。 P104

随着20世纪20年代的到来,另一台关键设备粉墨登场:加州帕萨迪纳附近的威尔逊山天文台竖起了直径2.54米的胡克望远镜。 P105

用哲学家伊曼努尔·康德(Immanuel Kant)的话来说,哈勃发现了我们的银河系以外必然存在几十个“宇宙岛”(island universe),要知道,仙女座星云不过是我们熟知的众多旋涡星云之中的一个。 P106

接下来的30年里(第二次世界大战拖慢了研究的步伐),天文学家一直按照哈勃的思路观测、归类星系,这幅音叉图将所有星系分成了三类:椭圆星系、旋涡星系和棒旋星系,不规则星系被归类为一个独立的子集,因为这些星系的形状太奇怪,音叉图上根本没有它们的身影。 P107

而在目前,天文学家只能继续从银河系内部测绘我们的星系,透过树木般林立的恒星和星系描摹这片森林的轮廓。 P108

如果将一张哈勃望远镜拍摄的这些美丽动物,尤其是(相对于那些更近的星系而言)距离我们1000万~2000万光年的那些星系的图片放到你眼前,那就无异于开启了一个充满无限可能性的奇观世界。 P109

这场爆炸发生的时间必然是公元前16万年前后,因为它的光芒在1987年传到了地球。 P110

简单地说,你需要一台计算机。 P111

但我们无法在现实世界中观察那么长时间,只能利用计算机将1亿年的时间压缩到几分钟内,通过这种方式观察跨越漫长时间尺度的奇景。 P112

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。 P113

一个拥有一千亿颗恒星的星系显然不会在意自己内部构成行星系统和气体云的原子和分子遵循怎样的物理规则。 P114

比如说,地球上的经线就不是均匀分布的,因为它们在某些地方的距离较近,某些地方距离较远;不过有两个地方的经线各向同性,那就是所有经线汇集的南北极点。 P115

宇宙中占地最广袤的星系际空间,平均每10立方米内连一个原子都没有,它的物质密度比行星际空间还要小9个数量级。 P116

天体物理学家在研究空间星系分布的时候发现,哪怕从1亿光年的尺度上看,星系就像相互交缠的薄片和细丝,它们之间仍有相对空旷的宽阔沟壑。 P117

但是,如果物质均匀分布在一个无限的空间中,那它永远无法凝聚成一整个大团,而是这里聚成一小团,那里聚成一小团,由此产生无限多个大型物质团块;这些物质团块散落在无限的空间中,彼此相距遥远。 P118

早期宇宙膨胀的速度极快,如果当时的宇宙在所有尺度上严格遵守均匀且各向同性的规则,那引力根本没有获胜的机会,今天的宇宙中也不会有星系、恒星、行星和人类,只有均匀散落的原子——这个无聊的宇宙既没有观察者,也没有可供观察的物体。 P119

在这段相对比较短暂的时间里,时空构造膨胀的速度比光还快,短短的10-33秒内,宇宙的尺寸就从质子的1/1020膨胀到了10厘米左右。 P120

如果暴胀理论正确无误,而量子力学告诉我们,均匀且各向同性的流体内部必然存在细微的差别,所以暴胀时期的宇宙必然存在最初的涨落,因此空间中有可能出现物质和能量相对比较密集或稀疏的区域。 P121

首先,CBR的存在表明,我们对宇宙历史的基本理解是正确的。 P122

不过令人欣慰的是,空间的各向异性正如人们期望的那样显露了真容。 P123

在这个黑暗的年代,整个宇宙里只有最初的那几分钟创造出来的东西——氢和氦,以及痕量的锂。 P124

这样的黑洞尺寸差不多相当于海王星的公转轨道,它会严重破坏周围的环境。 P125

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。 P126

宇航员给哈勃太空望远镜安装了修正主镜片制造缺陷的辅助镜片以后,它开始帮助我们探测普通星系内部从未有人触及的区域,包括星系中心。 P127

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”。 P128

借助这个机会,他们也进一步理解了星系的形成和演化。 P129

星系中数以十亿计的恒星从何而来?幕后的操纵者依然是引力,在引力的作用下,一团气体云就能孕育几十万颗恒星。 P130

从过去的亿万年直至未来的亿万年,旋涡星系不断孕育出一代又一代的恒星,每一代恒星的重元素含量都高于上一代。 P131

我们之所以将这个突破完全归功于威廉姆斯,是因为负责筛选观测申请的哈勃望远镜时间分配委员会认为,威廉姆斯选择的这个区域空旷无趣,完全没有观察的价值。 P132

遗憾的是,就连哈勃望远镜也拍不到星系形成最早期的影像,这不光是因为那些天体距离遥远,更重要的是,在宇宙膨胀的作用下,来自那些天体的辐射已经转移到了电磁波谱的红外区域,超出了哈勃望远镜的探测范围。 P133

如果新的望远镜能在2011年按计划升空,它将为我们拍下更壮丽的宇宙照片,包括100亿光年外的星系影像,它们比“哈勃深空场”中的那些星系更接近起源时期。 P134

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。 P136

伽利略笔下的“无数恒星”描绘的显然是银河系中恒星最密集的区域,天文学家重点关注的也是这些区域。 P137

有的恒星际微粒个头太大,不太适合再用分子来称呼,所以我们只好叫它“尘埃”;每个星际尘埃微粒都由数十万甚至数百万个原子组成。 P138

从另一方面来说,气体云的尺度比恒星大得多,它们通常绵延几百光年,每一团气体云包含的质量都相当于100万个太阳。 P139

比起冰冷的气体来,灼热气体抵抗压缩和坍塌的能力更强,所以我们现在面临的情况有些古怪:我们必须先让云团冷却下来,然后它才能产生足够的热量,制造出恒星。 P140

强核力只有在极短的距离上才能起效,正是这种力将每一个原子核内部的质子和中子凝聚在一起。 P141

如果坍缩冷囊中的气体质量小于太阳质量的1/10左右,那它蕴含的引力势能就无法将核心温度提升到氢核聚变所需的1000万摄氏度以上。 P142

这片星云已经孕育了数以千计的恒星,未来还将有数千颗恒星在这里诞生;很快它们就将形成一个巨型恒星团,随着星云渐渐散去,恒星团将变得越来越清晰。 P143

将星光和实验室里的光谱进行严格的比对之后,物理学家确定了不同类型的原子和分子影响可见光颜色的多种方式。 P144

锂在元素周期表里正好排在氢和氦后面,但这两种元素的名气比锂大得多,因为它们在宇宙中的丰度远高于锂。 P145

由于恒星会不断摧毁锂,随着恒星年龄的增长,它的锂浓度会一直降低,直至于无,所以这种方法只适用于年龄不超过几亿岁的恒星。 P146

大质量赋予了这些恒星最高的亮度,某些大质量恒星比太阳亮100万倍。 P147

在这篇论文中,四位科学家建立了一个理论计算框架,融会贯通了40年来其他科学家在两个重要议题上的思考成果:恒星能量的来源和化学元素的嬗变。 P148

最轻的两种元素是氢和氦,它们的每个原子核分别包含了一个或两个质子。 P149

爱丁顿的论文为四位科学家后来的详细研究提供了一个引子,几年后问世的量子力学又让我们得以深入理解原子和原子核的物理机制。 P150

到了1931年,量子力学理论已经发展得比较完善(尽管当时我们还没发现中子),英国天体物理学家罗伯特·徳艾斯科特·阿特金森(Robert d’Escourt Atkinson)发表了一篇系统性论文,一言以蔽之,这篇论文提出了一套“恒星能量及元素的合成理论……恒星内部较轻的元素循序渐进地合成其他各种化学元素,每一步都有新的质子和电子融入其中”。 P151

1932年,英国物理学家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)在卡文迪许实验室工作时发现了中子,爱丁顿不可能想到,这种微粒在核聚变过程中扮演着至关重要的角色。 P152

我们或许可以说,每颗恒星的生命都源自其内部制造、释放能量的过程,这样的过程帮助恒星克服引力作用,维持自身存在,尽管这样的描述大大简化了大质量恒星的生命周期。 P153

四位科学家将我们对恒星核聚变过程的理解和宇宙中看得见的元素诞生过程融合到了一起。 P154

对感兴趣的科学家来说,这些未解的化学谜题吸引力不亚于黑洞、类星体和早期宇宙。 P155

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。 P156

根据元素周期表的基本规则,自然界的每种元素都有独一无二的“原子序数”,即该元素每个原子核内的质子(携带正电荷)数量。 P157

氦是宇宙中第二丰富的元素,但在地球上,它只存在于地下的少量孔洞中。 P158

早期宇宙中的锂丰度相对较低(总含量不超过0.0001%),所以宇宙中任何区域或天体内的锂含量都应该不高于这个值。 P159

对我们所知的所有生命来说,氧和碳都是不可或缺的基本物质。 P160

比如,作为基特峰国家天文台附近最大的城市,亚利桑那州图森市与当地天文学家达成协议,将城市里所有路灯都换成了低压钠灯。 P161

等到夜晚降临,穹顶打开,望远镜附近的空气温度就能迅速下降到接近环境温度,从而减少大气折射带来的干扰,进入望远镜的星光和其他天体的光芒也会变得更锐利、更清晰。 P162

失去了热核聚变提供的能量,恒星核会在自身引力作用下坍缩,然后迅速反弹,由此引发一场惊天动地的爆炸,我们称之为超新星爆发。 P163

锝(原子序数43)元素的原子核拥有放射性,它早晚会衰变成其他元素的原子核,但这个过程可能只需要片刻时间,也可能需要几百万年。 P164

不管你觉得恐龙灭绝的原因是什么,一颗直径16千米的杀手小行星的确能够掀起满天碎片,遮蔽全球阳光,它激起的尘埃要到几个月后才会慢慢散去——这套理论现在大受欢迎。 P165

两年后,又有人在这片区域内发现了另一颗绕太阳公转的行星,以罗马智慧女神之名,这颗新行星被命名为“智神星”(Pallas);此后人们发现的第一种元素被命名为钯。 P166

铀的所有同位素都不稳定,它们会缓慢地自发衰变成更轻的元素,同时向外释放能量。 P167

冥王星是美国人发现的第一颗行星,由于缺乏准确的观测数据,当时人们普遍认为这颗行星的尺寸和质量应该与天王星、海王星相当。 P168

不知道为什么,很多人不喜欢化学,这或许可以解释多年来人们为什么锲而不舍地试图摆脱食物中的各种化学物,也许只是因为那些晦涩难懂的化学名称听起来太危险。 P169

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。 P171

事实上,系外行星的发现带来的问题比答案还多,许多系外行星的公转轨道迥异于太阳系内的行星,行星形成的故事离结束似乎还很遥远。 P172

按照后面这套理论设想的场景,在引力的撕扯下,两颗恒星都失去了一部分质量,这些气体离开恒星后有一部分冷却下来,凝聚形成行星。 P173

在这里,“尘埃”指的是数百万个原子组成的微粒簇,它们的尺寸比英文里的句号还要小得多。 P174

而对于太阳系内较小的气态行星天王星和海王星来说,它们的固态内核占比反而相对较高。 P175

计算机程序可以完美地模拟从微行星到成熟行星的过程,但最初那个微行星又是怎么来的呢?最优秀的天体物理学家穷尽所有的物理学和计算机知识也无法构建出一个合理的模型。 P176

形成太阳和行星的收缩气体和尘埃云显然都在旋转,所以这些巨大的气团很快就从椭圆形变成了盘状,正在形成的太阳位于盘状结构中央,它是一个密度相对较高的收缩球体,周围环绕着一层扁平的盘状物质。 P177

别忘了还有围绕行星旋转的卫星。 P178

在这四颗行星拥有的所有卫星中,几乎所有大型卫星都在近乎同一个平面上沿相同方向公转。 P179

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。 P180

撞击地球的巨型天体不过是这场炮弹雨中个头特别大的一个,在那个混乱暴力的灭世年代,无数微行星和更大的天体撞击地球及其相邻行星,最终和它们融为一体。 P181

当然,这个描述隐含的前提是行星际空间真的空无一物。 P182

太阳和太阳系内的行星形成之后的第一个5亿年里,大量太空垃圾雨点般坠落到地球上,冲击带来的能量让地球大气层变得灼热滚烫,地面上更是干净得毫无生命迹象。 P183

如果火星上曾经存在生命——几十亿年前,液态水曾在火星表面自由流淌,那时候的火星可能存在生命——那么毫无疑问,藏在岩石角落和缝隙(尤其是裂缝)里的细菌完全有可能和陨石一起坠落到地球上。 P184

这些小行星长椭圆形的轨道可能和地球轨道发生交叉,由此带来了碰撞的隐患。 P185

奥尔特云的彗星公转周期都很长,甚至远远超过人类寿命。 P186

现在天文学家更感兴趣的是,这些卫星里到底哪颗更值得我们造访,或者更有研究价值。 P187

仔细审视天卫五(天王星的卫星之一)的地表照片,你会看到崎岖的皱褶和起伏,就像这颗可怜的卫星曾经被炸成碎片又胡乱拼起来了一样。 P188

太阳表面每秒大约损失2亿吨物质(相当于亚马孙盆地的总流量),这些物质通过高能带电粒子组成的“太阳风”向外释放。 P189

既然这些卫星的公转周期等于地球的自转周期,所以它们看起来像是“悬停”在赤道上方的某个位置,所以这种卫星很适合充当地面信号的中继站。 P190

这是一份有趣的荣誉,无须为此烦恼。 P191

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。 P192

大部分人完全无法接受这一事实,他们从内心深处坚信,地球是绝对静止的中心,天空中的所有物体都围绕地球旋转,但长期以来,天文学家提供了大量富有说服力的证据,足以证明哥白尼所说的才是我们这个宇宙的真相。 P193

若非如此,布鲁诺想必能够安然活到耄耋之年,NASA恐怕也不会陷入资金短缺的窘境。 P194

不过到了1995年年底,人类终于发现了第一颗系外行星,几个月后又找到了4颗,接下来,我们发现系外行星的速度越来越快,如同开闸后的洪水般势不可当。 P195

而且他们能做的还不止这些。 P196

我们为什么要用这么迂回的方法来寻找系外行星?因为截至目前,要找到太阳系外的行星,这是唯一的办法。 P197

如果这样的变化是周期性的——速度差先逐渐变大,达到一个最大值,然后减小到一个最小值,接下来再次增长到同一个最大值,以相同的时间间隔如此不断循环——那么我们就能得出一个合理的推论:这颗恒星必然围绕着空间中的某点旋转。 P198

作为太阳系内最大、最重的行星,木星作用于太阳的引力也最强,所以在这套复杂系统中,主宰太阳舞步的力量主要来自木星。 P199

除此以外,他们还能进一步推测这颗行星其他信息。 P200

平均而言,系外行星的质量是这个下限的两倍,但我们无从得知哪些系外行星更重一点,哪些又更轻一点。 P201

我们发现的很多系外行星公转轨道半径都比太阳系的行星小得多。 P202

基于上述原因,我们发现的第一批系外行星与恒星的距离都很近,质量也都和木星差不多,这件事也不足为奇了。 P203

要回答第一个问题,我们必须厘清行星形成的基本逻辑。 P204

[6]彗星的直径通常只有8~80千米,但冥王星直径长达3219千米,它算是早期太阳系里名列前茅的庞然大物。 P205

时至今日,如果把我们发现的系外行星按照轨道半径从小到大的顺序排列起来,这份名单的最上方仍然是我们之前提到过的那颗公转周期只有两天半的行星,接下来我们跳过中间的上百个条目,直接去看最后一名:这颗行星围绕“巨蟹座55”恒星旋转,它的质量至少是木星的4倍,公转周期长达13.7年。 P206

所以我们不必着急,未来很长一段时间里,天文学家恐怕都很难找到真正和地球条件相仿的系外行星。 P207

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。 P208

如果真的找到了这样一颗行星,他们希望能对它进行精确的测量,以确定这颗行星是否拥有类似的球的大气层和海洋,甚至拥有生命——哪怕隔着几十光年的距离。 P209

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。 P210

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。 P212

所以我们可以根据这些规律在宇宙中寻找满足(或者曾经满足)生命基本需求的环境。 P213

谈到地外生命,科学家常常援引美国天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)在20世纪60年代初提出的德雷克方程。 P214

但现在我们完全没有这方面的数据,所以专家也只能和门外汉一样瞎蒙。 P215

比如说,如果你相信大部分宜居行星都能发展出生命,而且这些生命基本都能演化出文明,那么你可以得出结论:银河系中曾经发展出文明的行星多达数十亿颗。 P216

直到今天,仍有不少人坚信地球是宇宙的中心,因为他们感觉不到地球的运动,而且天空中的所有星星看起来的确都在围绕地球旋转。 P217

除了《幽浮魔点》(1958)和斯坦利·库布里克(Stanley Kubrick)作品《2001:太空漫游》(1968)里那几个出色的地外生命形象以外,好莱坞塑造的外星人看起来总是和人类差不多。 P218

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。 P219

在任何一种生物的个体体内,其他所有元素加起来所占的比例也不到1%。 P220

所以总的来说,地球生命的化学成分更类似恒星,而不是地球本身。 P221

板块的构造运动将曾经存在于地面上的所有东西缓慢地埋进地底。 P222

除此以外,你也可以选择尽量避开氧气。 P223

这些撞击又将如何影响生命的起源呢?生物学家告诉我们,地球生命的出现和灭绝都和陨石有关,这样的事情可能发生过很多次。 P224

我们之所以能肯定,地球生命经历过不止一次诞生和灭亡,主要是因为两个事实。 P225

现有的天文学、生物学、化学和地质学知识告诉我们,早期地球具备制造生命的必要条件,但外部的宇宙环境随时可能抹除刚刚萌芽的生命。 P226

无论地球上的生命只诞生过一次还是很多次,我们都无法回答一个关键问题:生命到底是怎么形成的?长久以来,人们提出过许多天马行空的猜测。 P227

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)。 P228

没过多久,米勒和尤里就发现,烧瓶底部的水中充满了“有机黏性物质”,这是多种复杂分子组成的混合物,其中包括各种各样的糖和两种最简单的氨基酸(丙氨酸和鸟嘌呤)。 P229

要理解这个缺陷,我们必须先看看现代生物学如何描述最古老的生命形式。 P230

既然如此,达尔文的“温暖小池塘”和米勒-尤里在实验室里制造的潮池自然不是极端生物的理想栖息地。 P231

海洋学家在阳光根本无法抵达的深海热泉附近发现了和成人身高一样长的巨型管虫,除此以外还有大群细菌和其他小型生物。 P232

这套假说是由德国专利律师兼业余生物学家根特·维奇特萧瑟(Günter W?chtersh?user)提出的,繁重的工作并未磨灭他对生物学的兴趣,正如专利审查员的本职工作也不能阻止爱因斯坦研究物理学。 P233

虽然我们可以推算出地球生命诞生的大致时间,却无从得知这一伟大事件发生的地点和具体的过程。 P234

不过,在未来50亿年内,太阳将变成一颗红巨星,它的体积也将飞速膨胀,填满整个内太阳系。 P235

这一切都等待我们去发现。 P236

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。 P237

宇宙中的每颗恒星都是一个能量源,除了前1%质量最大的恒星以外,其他所有恒星都已经存在了几亿年甚至几十亿年。 P238

这个事实支持了“地球生命起源于恒星”的假说,我们至少起源于成分类似恒星的天体。 P239

条件(3)强调的是所有生命形式都需要能让分子漂浮其中并互动的某种液态溶剂。 P240

但太阳系中的液态水仅存在于地球和木星最大的卫星木卫二的冰盖之下,目前科学家认为,整个木卫二表面都被海洋覆盖,但这毕竟只是一种推测,并未得到最终确认。 P241

随着温度不断逼近0摄氏度,水的密度会显著降低;降到0摄氏度那一刻,水会变成密度更小的冰。 P242

从另一个方面来说,我们也可能陷入了“中纬度偏见”。 P243

地球上的海洋来自哪里?月球上保存完好的环形山告诉我们,这颗星球一直在不断经受太空碎片的撞击。 P244

月球之夜同样长达两周,气温可能降到-250摄氏度以下,足以冻结万物。 P245

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。 P246

乍看之下,这个描述似乎没什么问题,但细究之下你会发现,这意味着金星在不久前经历过一次全球浩劫,这场浩劫抹去了以前的撞击留下的所有痕迹,所以后来新形成的环形山年龄都差不多,我们也无法通过环形山的地质情况判断行星地貌形成的年代。 P247

不过地球大气层中二氧化碳的浓度只有金星的万分之一,所以相对来说,我们体验到的温室效应要温和得多。 P248

这样的局面真是糟糕透顶。 P249

的确,按照目前火星的干涸情况,这颗星球的地表根本无法支持生命存活。 P250

如果火星永冻层埋在地底深处,那么只有极强的撞击才有可能触及这样的深度。 P251

某个老旧的侦探故事里有这么个情节:一个男人踩在干冰制成的蛋糕上,将自己的脖子套进了绞索,随着干冰慢慢升华,绳子越来越紧,男人一命呜呼,侦探完全不知道他是怎么把自己吊死的(除非他们仔细分析室内的大气成分)。 P252

是的,86%的路人投票同意彻底清除环境中的一氧化二氢(H2O)。 P253

金星的位置离太阳太近,强大的太阳能蒸发了这颗行星表面可能存在的所有水。 P254

地球公转轨道与太阳的平均距离是14967万千米。 P255

这两个天体中有一个位于所谓的宜居带以外,也就是说,单靠太阳提供的热量根本无法让这颗天体上的水保持液态,它也从来不曾拥有过覆盖全球的液态海洋。 P256

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。 P257

据我们目前所知,自木卫二诞生以来,液态水和上方的冰盖就已存在。 P258

土星拥有一颗巨型卫星:土卫六“泰坦”。 P259

按照科学家最初的规划,惠更斯号探测器应于2004年年底与卡西尼号飞船分离,然后穿过土卫六不透明的云层,降落在这颗卫星的表面上。 P260

不过在这种情况下,最终产生的不是激光,而是激微波,或者微波激射束。 P261

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。 P262

因此,德雷克方程中的前两个项(它们共同确定了恒星周围寿命达到几十亿年以上的行星数量)应该对应相当大的数字,不过,接下来的两个项描述的是宜居行星在所有行星中的比例,以及宜居行星真正孕育出生命的概率,系外行星的发现似乎完全无助于确定这两个值,所以我们只能粗略地估计一下。 P263

当然,我们之所以能得出一个这么大的数字,是因为银河系恒星众多,其中大部分类似太阳。 P264

此外,调查整个银河系可能需要花费几百万年时间,甚至更久。 P265

不过,就算飞船能够达到光速,要抵达最近的恒星也需要好几年时间,横穿银河系更是需要近一千个世纪。 P266

这两颗天体按照严格的规律运行,几乎彻底融入了以地球为基础的舞台背景。 P267

但凡事皆有例外。 P268

当我们将目光转向更富时代气息的“UFO绑架”现象,人类扭曲事实的倾向变得更加明显。 P269

不过,理性分析的能力和清醒的判断力足以帮助我们得出结论:这些绑架故事真实发生过的概率非常非常低。 P270

我们之所以会养成这样的态度,追根溯源,是因为在历史上极为漫长的一段时间里,对人类来说,头顶的天空和脚下的大地泾渭分明,星星永恒闪耀,但永远无法触及,它们怎么可能都是一回事呢?根据这些事物的不同,我们总结出了地上之物与天上之物的区别,凡俗与神圣之别,自然与超自然之别。 P271

当然,这两个原因都无法一锤定音地彻底否认外星访客的存在,但它们的确是相当有力的反面证据。 P272

假如地球发出的信息能在20年内抵达几百颗恒星,或者围绕这些恒星运行的行星,那么发出信息以后,我们需要等上40年才能得到回复。 P273

这是电磁辐射通信的最大魅力所在。 P274

此外,从理论上说,信号束中应该包含一些引导信息,以指导接收者解码信号,但无意泄漏到太空中的信号不会有这样的“使用说明”。 P275

但从另一个方面来说,直到现在,科学家仍未找到可能来自其他文明的任何无线电信号。 P276

但仔细审视真实的数据,你会发现这方面的证据还不够有力。 P277

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。 P278

占卜者、读心者和神秘主义者最爱吹嘘这种神秘的力量。 P279

但调到微波波段,你会看到整个天空都闪烁着极早期宇宙留下的共振,自大爆炸后38万年开始,这道光墙就迎面向我们行来,直至今日。 P280

只需要做几个简单的实验,你就能轻松分辨哪些微生物是好的,哪些是坏的。 P281

一次次的进步不断地将我们送上理解宇宙的新高度,仿佛我们正在演化成为某种超感知的存在。 P282

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。 P284

我们对该组织为此类科普项目提供的支持深表敬意。 P285

加速度:物体运动速率或方向(或二者)的变化。 P286

反粒子:普通物质粒子的互补形态。 P287

原子:呈电中性的元素最小单元。 P288

碳水化合物:仅由碳、氢和氧这三种元素组成的一类分子。 P289

染色体:一个DNA分子加上与该分子相连的蛋白质。 P290

宇宙学家:专门研究宇宙起源及大尺度结构的天体物理学家。 P291

多普勒效应:如果光源正沿着观察者视线的方向靠近或远离,观察者看到的光子频率、波长和能量都会发生变化,这就是多普勒效应。 P292

蚀:某个天体被另一个天体部分或完全遮挡的现象,在观察者看来,被“蚀”的天体仿佛躲到了另一个天体后面。 P293

元素:物质的基本成分,以原子核包含的质子数为基本分类特征。 P294

逃逸速度:足以让抛射物或飞船克服引力,不再落回原地的最小速度。 P295

裂变:较大的原子核分裂成两个以上较小原子核的过程。 P296

伽利略号于1995年12月抵达木星,并向木星大气层发射了一枚探测器;接下来的几年里,这艘飞船一直绕着这颗巨行星公转,为木星及其卫星拍摄照片。 P297

根据爱因斯坦的理论,引力根本不是传统意义上的“力”,而是有质量的物体附近的空间弯曲。 P298

引力辐射(引力波):引力辐射和电磁辐射不一样,但它们同样以光速传播,大质量物体高速擦肩而过时会产生大量引力波。 P299

哈勃太空望远镜:1991年发射的太空望远镜,它成功拍摄了大量天体的可见光高清照片,因为这台望远镜身在太空中,所以它能摆脱地球大气层不可避免的干扰和吸收效应,自由地观察宇宙。 P300

离子:失去了一个或多个电子的原子。 P301

大麦哲伦云:银河系两个不规则卫星星系中较大的那个。 P302

请勿将质量与重量混淆,后者衡量的是物体受到的引力。 P303

模型:思维概念,通常由纸笔或高速计算机辅助创建,代表现实的简化,让科学家得以将某种条件下最重要的过程单独提取出来加以分析理解。 P304

氮:每个原子核拥有7个质子的元素,氮同位素的原子核可能包含6个、7个、8个、9个或10个中子。 P305

臭氧:由3个氧原子组成的分子,存在于地球大气层高处,能够帮助地球隔绝紫外线。 P306

原核生物:生命的三个域之一,见“细菌”。 P307

量子力学:描述微观尺度下粒子行为的学科,原子结构、原子之间的互动、原子与光子的互动,以及原子核的行为都属于量子力学的研究范围。 P308

卫星:围绕质量和尺寸都远大于自身的天体公转的相对较小的天体。 P309

所有事件都能用时间和空间坐标来描述,二者之间的差异完全不影响最终表达的结果。 P310

>爱因斯坦的这些预测都得到了实验的精准验证。 P311

强核力:四种基本力之一,永远相互吸引。 P312

温度:度量一组粒子随机运动平均动能的物理量。 P313

不过根据现代的理论,我们称之为“宇宙”的这一切可能不过是一个更大的“超宇宙”或者“多宇宙”的一部分。 P314

威尔金森微波各向异性探测器(WMAP):这颗发射于2001年的卫星旨在研究宇宙背景辐射,它的测量精确度比COBE卫星高得多。 P315

——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。 P316

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