解读《给忙碌者的天体物理学》
为你解读的这本书名字叫《给忙碌者的天体物理学》。
“天体物理学“似乎是个有点离我们大众有点远的题目,但是这本书曾经在《纽约时报》畅销书排行榜却排名第二。这就说明,虽然我们整天想着怎么成功、怎么提升工作效率,但每个人内心深处,可能都渴望知道我们生活的这个宇宙到底是怎么回事。也就是说,宇宙观不仅仅只属于科学家,它属于每一个人。
我们就讲讲这本写给普通人的宇宙科普书。
之所以要为你推荐这本书,最大的理由是这本书不仅可以让你快速了解一些天体物理学知识,而且可以帮我们形成看问题的宇宙视角,让我们更谦卑一点。
具体来说,这本书主要讲了下面这四个观点:第一,物理定律在整个宇宙中都是适用的,物理学家可以推算出宇宙是怎么来的,我们今天的世界是一个非常幸运的存在;第二、物理学家也有不知道的事,物理学家发现了暗物质,但还没有完全弄清楚暗物质是怎么工作的;第三,宇宙的样子不是恒久不变的,宇宙有个开始,还会有个终结;第四,天体物理学带给我们“宇宙学视角”,让我们更谦虚、更自由、眼光更长远。
第一部分
先看第一个观点,物理定律在整个宇宙中都是适用的,物理学家可以推算出宇宙是怎么来的,我们今天的世界是一个非常幸运的存在。
偶尔仰望天空的时候,你会想到什么呢?文艺青年可能会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倍,也精彩很多倍。
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。而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。人们发现,天上和地上在这个定律眼中是平等的。可以想象,对当时的人来说,这是一个多么震撼的知识。
这个震撼一直保持到十九世纪。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。物理学家随便给一堆气体,他们拿光一照,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,就是“氦”元素。不过元素周期表里已经给它留了位置,而且现在人类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,就是地球上也能找到的普通元素。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,科学家并未离开地球,但是他们知道了,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。而且宇宙其他地方的物理定律也跟我们这里是一样的。考察太空深处的一个双星系统,它们的轨道在引力作用下互相影响,计算一下,轨道正好能用牛顿力学解释。
既然如此,我们就可以用同样的物理定律计算宇宙的起源。 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——这就是所谓的“普朗克时间”,人类已知的最小时间存在。物理学一共有四种基本相互作用,也可以叫四种基本力: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,而这个工具现在人类还没掌握。
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十的负三十五次方米的小点,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能量很高的光子,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,又继续湮灭成光。
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,而没有反物质呢?目前科学家还回答不了。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,打个比方,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。
等时间推进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,这时候宇宙的温度也更低。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,就形成了氢原子和氦原子。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颗恒星。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。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,它的名字叫太阳。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,它就是地球。此后又经过无数机缘巧合,地球上有了生命,生命经过漫长的演化,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,是每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。
你觉得很幸运吗?但是你想想宇宙的起源,我们的幸运度其实比这要厉害得多——构成你身体的、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,都是正反物质湮灭之后,十亿分之一的幸存者。
我们能有今天难道不是奇迹吗?不过,如果你是物理学家的话,你会更幸运。 比“存在”更幸运的是,我们不但存在,而且我们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”。
前面我们说了,原子是在宇宙年龄38万年时形成的。在此之前的宇宙你就算去了,你也看不远,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,就变成了微波,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,预测了微波背景辐射的存在。这三个理论是:第一, 1916年爱因斯坦提出的广义相对论;第二,1929年哈勃发现宇宙正在膨胀;第三,二战前后,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 5K,这个 K 就是开尔文,温度的单位。
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”,他们算出来,这个大爆炸之后的遗迹温度是2.72K。你看,他们真实的计算结果,跟最开始用实际理论预测的结果差了不到两倍,这就是物理学的伟大胜利。要知道,之前的那三个物理学家,他们是用了三个在地球上发现的物理知识,就推算出了宇宙的起源遗迹。
后来有个天文学家打了个比方,来形容这件事的神奇程度。他说,这就好像你坐在房间里算卦,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上,只不过飞碟的直径不是50英尺,而是27.2英尺。要知道,飞碟能来就是奇迹了。
我们可以想象一下,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,如果元素光谱并没有那么简洁漂亮的性质,那我们就不可能理解这个宇宙。所以这本书的作者泰森有句名言:“这个宇宙根本没有义务让你理解。”
【免责声明】
1、个别文章内容来源于网络善意转载,版权归原作者所有,如侵权,请联系删除;
2、所有图片来源于网络,版权归原作者所有。如有侵权问题请告知,我们会立即处理。