罗胖精选丨幸运是这个宇宙的通行证
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幸运是这个宇宙的通行证摘自订阅专栏《万维钢·精英日课》
 今天开始，我们来说一本新书：《给忙碌者的天体物理学》（Astrophysics for People in a Hurry）。 作者是一位天体物理学家，但他更著名的身份则是科普达人，有个拍得特别漂亮的系列纪录片叫《宇宙》就是他主持的，他就是尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）。
 “天体物理学”似乎是个有点不明觉厉的题目，但是这本书目前在《纽约时报》畅销书排行榜排名第二！它是一本写给普通读者看的天体物理学。你整天忙着要成功，还要平衡工作和家庭！但是忙归忙，每个人内心深处，都想知道我们生活的这个宇宙到底是怎么回事。
 宇宙是完全不可知的吗？我们可能是生活在一个电子游戏之中吗？物理学家对这个宇宙到底知道多少呢？
答案是很多很多。我们今天对宇宙的了解，跟一百年之前、甚至几十年之前都非常不一样。我们已经有很大的把握知道这个宇宙是怎么回事，而你也有权知道。 偶尔仰望天空的时候，你会想到什么呢？你可能觉得理科生没有什么情趣，看见天空无非就是想想“ 光谱 ”之类的物理学知识。文艺青年却可能想到宇宙之博大和个人之渺小，想到真理，想到公平和正义…… 但事实上，现代天体物理学比文艺青年想象的东西要丰富很多很多倍，也精彩很多很多倍。读了这本书，下次仰望天空的时候，你会是个更有内涵的人。 比如说，当你看太阳的时候，你应该想什么呢？ 你首先应该想……光谱 。
1.哪里都好使牛顿之前的人一般认为天上有天上的法则，跟地球上是完全不同的。牛顿的万有引力定律是历史上第一个宣称不仅仅适用于地球，而且适用于整个宇宙的理论。他的理论还真的解释了天体运行！天上和地上在这个定律眼中是平等的！你可以想象，对当时的人来说，这是一个多么震撼的知识。 这个震撼一直持续到十九世纪。那时候物理学家发现，每个化学元素的光谱都有自己唯一的特征。随便给一堆气体，物理学家拿光一照，看看吸收光谱，就能准确判断这里面都有些什么元素。
 这个工具可太厉害了，物理学家马上就分析了太阳的光谱。
 到这时候物理学家才知道，原来太阳里的各种元素基本都是地球上也有的，无非是氢、碳、氧、氮、钙等等。只有一个元素地球上没有，那就是“氦”（He）—— 不过元素周期表里已经给它留了位置，而且现在我们也可以在地球上制造氦。 这是人类第一次得知，原来构成太阳的物质不是什么神秘的东西，就是我们地球上也能找到的普通元素！你再分析远处那些星星发光的光谱，结果也都是平常的元素。 这是一个非常了不起的发现。我们并未离开地球，但是我们知道了，别处的物质跟我们这儿的并没有什么不同。那么如果真有外星人造访地球，他们乘坐的那个飞碟，也应该是用“普通”元素建造的。 而且别处的物理定律也跟我们这里是一样的。你考察太空深处的一个双星系统，他们的轨道在引力作用下互相影响 —— 你一算，轨道正好能用牛顿力学解释。 而且过去的物理定律也跟我们现在是一样的。我们知道光是有速度的，我们看几十亿光年以外的地方的星体，看到的其实是那些星体几十亿年以前的样子。这就让物理学家能观察到早期的宇宙。物理学家测量很远很远的地方发来的星光的光谱，发现它们跟地球上元素的谱线完全一样，纹丝不差。这就意味着早期宇宙的原子物理学跟我们现在完全一样！更进一步，考察太阳发光的情况，物理学家知道引力常数（G）也从来都没变过。 昨天、今天和明天，东方、南方和北方，这里、那里和所有地方，构成这个宇宙的物质和物理定律都是一样的！ 对想要殖民太空的人来说这可能不是个好消息，这意味着你走到哪也开采不到我们认知范围以外的元素。 可是对物理学家来说这是个好消息 —— 物理定律到处都管用，“普天之下莫非王土”。 既然如此，我们就可以用同样的物理定律计算……宇宙的起源。
2.宇宙的起源物理学家的观测和计算结果是我们这个宇宙起源于137亿年以前的一次“大爆炸”。 我们已知的物理定律只能从宇宙起源10^(-43)秒之后开始起作用 —— 这就是“普朗克时间”，也是咱们《精英日课》专栏的更新时间：晚上10:43分。物理学一共有四种基本相互作用：引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。在普朗克时间之前，四种相互作用是统一在一起的，描述那样的状态需要把广义相对论和量子力学统一在一起，而这个工作现在还没做好。 从10^(-43)秒开始，引力就脱离出来，单独起作用了。那时候宇宙还是个直径为10^(-35)米的一个小点，但温度无比的高。 到10^(-35)秒的时候，强相互作用和“弱电相互作用”分开了。到稍微更晚的时候，弱相互作用和电磁相互作用分开了。 到一万亿分之一秒的时候，宇宙里有了粒子 —— 夸克和轻子已经出现了。电子就是我们最熟悉的“轻子”。这时候宇宙里有夸克和电子，还有反夸克和反电子。2012年的时候，物理学家知道，在当时那个高温条件下，夸克和电子都可以自由行动，宇宙就好像是一锅夸克轻子粥。 这锅粥里的主要活动是正反物质的产生和湮灭。夸克和反夸克，电子和反电子一旦相遇就会湮灭并且释放两个极高能量的光子，而在这个时候宇宙的高温之下，光子又会再产生正反夸克和电子。一个正电子刚刚产生之后，又马上跟另外一个电子相遇，又湮灭成光。
 这是一个非常有意思的机制。如果正反物质总是成对产生、成对消失，那为什么我们现在的宇宙里都是正物质，没有反物质呢？出于某种还不为物理学家完全理解的原因，每十亿对夸克和反夸克湮灭，会留下一个正夸克作为幸存者 —— 我们今天的世界，都是这样的幸存者组成的。这些幸存者实在太幸运了，如果每个人都是早期宇宙中的一个正夸克，这就等于说今天活着的全体中国人中，只有一个人能幸存！ 到百万分之一秒的时候，整个宇宙已经膨胀到像太阳系这么大了，温度进一步下降， 夸克们会被三个一组束缚在一起，形成“重子” —— 也就是质子和中子。 但与此同时，质子和反质子，中子和反中子之间也要不停地发生碰撞湮灭变成光子，光子再生成正和反的质子和中子。正物质的质子和中子的幸存率，也是十亿分之一。 到一秒的时候，宇宙已经膨胀到几光年这么大了。更低的温度使得质子和中子被结合在一起形成原子核，其中90%是氢原子核，剩下的10%是氦原子核，其他元素极少，都可以忽略不计。 这个时候，光子温度只够它产生正电子和反电子，但是电子和反电子之间也在不停地发生湮灭 —— 同样的道理，因为十亿分之一的幸存率，最后剩下的全是电子。 等到宇宙年龄是三十八万年的时候，温度低到让所有电子都被原子核捕获，变成氢原子和氦原子。 到十亿年的时候，这些原子在引力的作用下结合在一起，就会变成恒星，然后这些恒星又会组成星系。那个时候，我们已经有了一千亿个星系，每个星系里面会有几千亿个恒星。 其中有些比太阳大十倍的恒星，在高温高压之下，可以生产一些更重的元素，比如氧和碳之类。这些恒星最后会爆炸，重元素被传播出来，散布在整个宇宙之中。正因为这样，今天我们才会有这些重元素，否则宇宙中就几乎全是氢和氦。 又过了九十亿年，在宇宙中某个不起眼的地方产生了一个不起眼的恒星，这个恒星就是太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体，这些气体在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。 其中某一颗行星，距离太阳不远不近，正好允许液态水的存在，这个行星就是地球。此后又经过无数机缘巧合，地球上有了生命，生命演化，最后终于有了你。 有个著名的说法说，我们每一个人都是一亿分之一的幸运者。这因为当初精子和卵子结合，是一亿个精子中只有一个最终能进入卵子形成受精卵，在这场竞争中，我们每个人都打败了一亿个精子。 但是你想想宇宙的起源！我们的幸运度其实比这要严重得多 —— 构成你身体的、你周围环境的每一个原子，都是这么幸运。每一个原子身上的每一个质子、中子、电子，都是正反物质湮灭中十亿分之一的幸存者！ 我们能有今天难道不是奇迹吗？ 不过，如果你是天体物理学家的话，你会更幸运。
3.天体物理学家的礼物比“存在”更幸运的是，我们不但存在，而且还可以回过头去*理解*这个宇宙。大爆炸不但创造了宇宙，而且还给天体物理学家留下一个礼物。 这个礼物就是“微波背景辐射”。 前面说了，原子是在宇宙年龄是38万年的时候形成。在此之前的宇宙你就算去了也看不远，因为温度太高，光子随时都会被电子碰撞，走不远。 从那个时候开始，光子终于自由了。它们在宇宙中飞翔，一直存在到今天。随着宇宙膨胀，这些光子的能量变得越来越低，到今天它们的能量已经降低了一千倍，变成了微波，遍布于整个宇宙。这就是“ 宇宙微波背景辐射 ”。 1948年的时候，几个美国物理学家使用三个理论，预言了微波背景辐射的存在。这三个理论是 —— - 1916年爱因斯坦提出的广义相对论；
- 1929年哈勃发现宇宙正在膨胀；
- 二战前后，美国为搞原子弹的曼哈顿计划中一系列原子物理实验结果。
他们仅仅利用这个三个知识，就推算出来，“宇宙微波背景辐射”的温度应该是5°K。 到1964年，两个贝尔实验室的工程师偶然测量到了“宇宙微波背景辐射” —— 现在最精确的结果，这个温度应该是2.72°K。 这是物理学的伟大胜利！你想想，当初我们用了三个在地球上发现的物理知识，只是用一个模型去推测宇宙应该起源于大爆炸，然后算出这个大爆炸有个温度是5°K的遗迹。……然后你找了找，居然果然找到了这个遗迹，而且数值相差不到两倍？！ 有个天文学家形容，这就好比你坐在房间里算卦，说某月某日将会有个直径50英尺的飞碟降落在白宫草坪 —— 而到了那一天，居然真有个飞碟降落在了白宫草坪，只不过飞碟的直径不是50英尺，而是27.2英尺 —— 飞碟能来就是奇迹了好吗？！
 更庆幸的是，宇宙中遍布一种叫做“氰”（符号是CN，cyanogen）的气体分子，这个分子受到微波辐射会被激发。物理学家从它被激发的情况，就可以判断宇宙微波背景辐射在各处的温度有什么细微的差异。 现在借助卫星观测，天文学家可以精确绘制整个宇宙的微波背景辐射地图 ——
 我们看到，这张图并不是完全均匀的。“宇宙微波背景辐射”带来的，是宇宙刚刚产生38万年时候的信息。我们可以据此推测当时的物质在宇宙的分布情况。再根据这一点，我们就可以推测宇宙现在的物质是怎么分布的，宇宙的未来将会怎么演变。 泰森说， 正因为有了“宇宙微波背景辐射”这个东西，天文学才变成真正的科学！ 现在你有任何理论模型，都可以计算一番去跟微波背景辐射信息做个比对，验证不了就只能淘汰。 宇宙学成了精确科学！
| 由此得到过去这一百多年间，物理学家做了非常了不起的事情。我们通过地球上得到的物理学，居然能精确了解这个宇宙的早期是怎么回事。以人类的生存偏见眼光去看，这个大历史的主题应该是幸运—— 我们经历的是动不动就十亿分之一的中奖机会。 今天说的是宇宙这么动人的故事，我想学学和菜头，来个“禅定时刻” ——
| 禅定时刻因为微波背景辐射的存在，宇宙中哪怕最空旷的地方，也不是完全冷的绝对零度，至少有2.72°K的温度。你知道宇宙中最冷的地方在哪吗？就在我家附近。 从我家开车走25分钟，就是科罗拉多大学物理系。其中有个实验室，为了研究玻色-爱因斯坦凝聚，物理学家在里面制造了比宇宙微波背景辐射还低的温度。 现代物理学就这么厉害。但这个厉害的背后是庆幸。 如果正反物质湮灭没有十亿分之一的幸存率，那上帝创造宇宙的时候说完“要有光”……也就只能有光。如果没有大恒星生产重型元素，宇宙中就只能有氢和氦。如果没有后来的一系列“如果”，我们就不会站在这里仰望天空。 如果微波背景辐射在今天测不到，如果物理定律和物质在别处跟在我们这里不一样，如果元素光谱没有那么简洁漂亮的性质，我们就不可能理解这个宇宙。 所以泰森有句名言： “这个宇宙根本没有义务让你理解。”
 所幸的是宇宙还是给物理学家提供了“知识服务”。我们今天居然能在这么大程度上理解这个宇宙，而且还理解得如此精确，你说这生活是多么美好。 当然，物理学家还有很多不知道的事儿。咱们下次再说。
天文学是一门塑造性格的学问。 《给忙碌者的天体物理学》这本书目前没有中文版，对这本书的解读，万维钢老师在《精英日课》专栏中还有3篇，分别讲了“暗物质”、“暗能量”，和一个让人震撼的宇宙学视角。 《万维钢·精英日课》专栏，每天为你带来英文世界中最前沿、最精英的内容，在它们还没有被翻译引进到中文世界之前，你就能收获它，强烈推荐你去订阅看一看。
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发表于 2017-7-23 22:27