i want a wife:关于宇宙演化史

来源:百度文库 编辑:中财网 时间:2024/03/29 20:54:16
关于宇宙演化史 作者:帕特里克·摩尔
内容简介
  内容简介:
    一百年前,我们甚至不知道银河系的存在,而今天我们已经知道宇宙大约起源于137亿年前,它由数以十亿的星系组成;
    一百年前,我们还无从判断宇宙中是否有其他类似太阳系的行星系统,而现在我们已经找到了200多颗围绕银河系其他恒星旋转的行星,并且在探索生命起源的征途中,我们正不断的向前迈进;
    一百年前,我们还只能用光学望远镜和照相干板研究天空,而现在我们采用最尖端的科技,从射电波段到伽马射线,从地面和空间来观测宇宙。
    为什么会选择“大爆炸”这个题目?为什么背景截然不同的三个人会聚集到一起,满怀热情地花费两年时间,反复推敲,完成了这部关于“大爆炸”的着作?因为他们相信,每一个聪慧而好奇的人都应有机会听到它--这个用一种通俗易懂的语言来讲述的奇异故事。这就是“宇宙通史”--其中的理论只是在最近才开始被人们所接受。
    这是一场“大爆炸”!空间、时间、物质以至宇宙都诞生在137亿年前。从这个不可思议的渺小的起始,以令人难以置信的速度膨胀着。布赖恩·梅、帕特里克·摩尔和克里斯·林陶特一起解释了这一切是如何发生的:从空间和时间开始存在的那一刻,到第一批恒星、星系和行星的形成,以及人类演化到能够反省自身的来历和归宿;在此之后,直到无限遥远的未来,那时地球早已被变成红巨星的太阳所吞没。这个故事是用清晰而直截了当的词语讲述的,严格按照事件发生的顺序,没有用到晦涩的数学。
    “大爆炸”是一个引人入胜的故事。这是一部虚构的小说吗?作者们希望不是,因为它是建立在像阿尔伯特·爱因斯坦、斯蒂芬·霍金这样的伟大科学家们毕生的研究工作的基础上,其中也包含着我们这个地球成千上万个杰出头脑的贡献。
    一起来欣赏这个故事,并让你的想象飞翔吧!\
作者及译者简介
  作者简介:
    帕特里克·摩尔爵士(Sir Patrick Moore) 大英帝国司令勋章获得者、皇家学会会员、皇家天文学会会员。终生研究月球,是许多月面特征的发现者,特别是在难于观测的边缘区域。他也是现代天文学的一位着名的诠释者。他主持的每月一次的BBC电视节目《夜空》,对宇宙探测和天文学的进展进行介绍。这个节目创办于1957年,那年世界上第一颗人造地球卫星斯普尼克1号发射升空。也就是从那时起,帕特里克就成为了一个家喻户晓的名字。他曾无数次地出现在广播和电视节目中,撰写了数百部书籍和文章,并在世界各地举办过讲座。他曾经激励了几代职业天文学家和天文爱好者,把他们一生的热情投入到这个迷人的领域里。
    布赖恩·梅 大英帝国司令勋章获得者、名誉博士、皇家科学学院准会员、皇家天文学会会员。他是《夜空》节目的固定撰稿人,还是许多慈善机构的捐助人,例如墨丘利凤凰基金会、英国骨髓捐献协会等。布赖恩也可以被称为“梅博士”,因为赫特福德大学授予了他自然科学的荣誉博士学位。要联系布赖恩并分享他从相对论到摇滚乐等诸多方面的工作进展与心得,可以访问他的互动网站www.brianmay.com <http://www.brianmay.com>
    克里斯·林陶特博士 皇家天文学会会员。2000年加入《夜空》节目,作为帕特里克的共同主持人而着名。他在剑桥大学麦格达伦学院研究自然科学,最近在伦敦大学学院获得了天体物理学博士学位。他现在在牛津大学从事从早期宇宙到银河系中恒星形成的研究。
    译者简介:
    李 元 1925年生于太原,资深科普工作者,已从事科普事业60多年,中国科普研究所研究员。曾在中国科学院紫金山天文台、北京天文馆、中国科协工作。编着校译图书数十种,科普文章、论述近千篇。是北京天文馆创始人,曾获中国天文馆事业的先驱者奖状,建国以来成绩突出的科普作家证书,北京市和全国个人科普先进工作者称号。为中国太空美术事业的开拓者。1998年获国际天文学联合会授予的国际编号6741号小行星命名为“李元星”的殊荣,以表彰他对科普事业的杰出贡献。
书评:不止是“宇宙诞生自大爆炸”(1)
  不止是“宇宙诞生自大爆炸”,还能引爆思想
    --推荐《大爆炸--宇宙通史》一书
    王鸣阳
    听到敲门声,开门,从快递员手中接过一个快递件。什么?是科普期刊《科学世界》按例寄来的新出版的一期杂志?--不像,太重。拆开一看,眼睛一亮,原来是装帧和印制都十分精美的一册科普图书。书名是《大爆炸--宇宙通史》,使用重磅彩印纸,全书编码191页,精美图片占了一半以上篇幅。有些好奇,找出小弹簧秤称一下,足足900克!
    我做科学编辑一生,退休前,每次检阅出版部门刚送来自己的编辑工作成果--装帧简陋的中文译本样书,再瞥见放在案头的装帧豪华的原文书,总有一种穷人站在阔人面前的那种寒碜感,心中不免酸溜溜的。不是不想装帧好一些,当时的物质条件不容许,奈何!我见到这本《大爆炸》中文译本眼睛为之一亮的感受,如今的年轻人大概是不会有的吧,--毕竟时代不同了!
    《大爆炸--宇宙通史》是一本天文学科普书,标题是“大爆炸”,其实内容并不只是介绍宇宙之初的那场大爆炸是怎么回事而已,诚如副标题的提示,而是讲述了宇宙从万物肇始到今天的全部演化历史--宇宙通史,并简略预测了宇宙的未来。
    “大爆炸”本来是相当深奥的宇宙论术语,如今已经成为大众媒体上出现频度很高的常见词语。遗憾的是,由于大众媒体的报道大多属于科技新闻性质,对于大爆炸,往往只告诉了读者“宇宙诞生自一次大爆炸”这样一个新奇的“就是这样”的“结论”,而无法通俗解释科学家做出这个令人吃惊的推测的理由。如果仅此而已,那是不可能真正起到“帮助公众了解科学”的作用的,常常还会使公众愈发感到科学神秘莫测,甚至引发一些对科学的误解。比如说,在听说“宇宙诞生自大爆炸”这个“结论”的人群中,据我所知,就有人觉得研究那追溯到不可思议的久远的过去137亿年以前的事,不过是科学家古怪头脑中的“奇妙想象”,是在“画鬼”,是无法检验的事情;又有人把“科学”视为“不懂也信仰”的宗教,听说是“科学结论”,便笃信“权威”,以为那就像地球围绕太阳旋转一样已经是确凿的事实。在经常接触大众媒体的人群中,包括许多在其他方面学识不低的知识分子,知道宇宙起源于“大爆炸”的人很多,而知道科学家是如何得到这样一个结论的人却很少。其实,“宇宙诞生自大爆炸”既不是科学家讲述的天方夜谭,目前也还不是已经被确证为事实,而是探索宇宙起源问题的研究者根据已有的然而又远非充分的事实构建的一种合理假说,还不是问题的最后答案。研究还在继续,必然还要继续!
    宇宙是不是起源于一次大爆炸同我们普通人的生活实在没有多大关系,对于我们来说,了解“大爆炸”,与其说是要搞清楚宇宙究竟是不是起源于一次“大爆炸”,毋宁说是要了解现代科学家对于我们所在的这个宇宙正在进行怎样的追根寻底的探索。了解科学前沿对宇宙起源的这种艰巨探索,知道研究者在这种探索中如何有意识地将现有的物理学基本理论(相对论和量子论)应用于极端条件进行检验,并尝试对物理学理论做出新的突破,将有助于我们深入了解今天的科学。这才是我们这些热爱科学的普通人阅读包括这本《大爆炸》在内的关于宇宙起源的科普图书的意义所在和兴趣所在。《大爆炸》一书讲述的是现代科学正在逐渐揭秘的宇宙历史,犹如一个科学探案故事,应用的是科学知识和科学方法,那么,读者跟随研究者的探索思路自然便能够学习或复习到许多物理学、化学和天文学等知识,并看到他们如何巧妙地运用这些已有的知识去探求未知。在这个科学前沿,你还能看到不同观点的争议和竞争,真正的百家争鸣,那也是很有意思和能够得到启发的。
书评:不止是“宇宙诞生自大爆炸”(2)
  《大爆炸》一书讲的是对宇宙起源的探索,这里会提出许多合理的假定,又有不少本来是使用深奥的数学工具加以严格定义的违背常识的奇妙概念,诚如本书翻译工作的组织者、我国着名天文科普专家李元先生所指出的,我们这些外行读者--这本书的对象--是很难完全读懂的。不过,对于这类介绍科学前沿的“尚未完成的理论”(假说)的科普图书,所谓“读懂”,本来就不应该是指毫无质疑地全盘接受“就是这样”的所谓“定论”。就这类科普书的宗旨而言,读者如果具备有基本的天文学知识,还是应该和可以读懂的。这本书封面书名上方有一行提示语“引爆的不仅仅是眼球,还有思想”,点出了作者写这本书的指导思想。这本书中的许多精美的天体图片足以让读者眼睛发亮,所介绍的许多违背常识的事物、现象和观点也足以让以前没有接触过宇宙论问题的读者目瞪口呆,然而作者写这本书的主要意图却是希望“引爆读者的思想”。在这个意义上,外行人不必拘泥于一时难以准确把握的个别概念和个别推理链环,对于研究者进行探索的方法和思想脉络还是可以大体理解的。至少,从中我们可以看到,思想一旦得以“引爆”,冲破牢笼,该会有多么大的威力。
    此书作者在序言中写下的一段话可以说是对宇宙起源研究方法乃至科学研究方法的一个通俗概括,也可以说是对于如何阅读这本书的一种提示,非常重要,不可忽略,故摘引如下:
    “大爆炸理论(更准确地说,是一套理论)如其所说,仅是一种理论。我们对于所居其中的宇宙进行观察与得到的事实证据,需要创建思想的模型与之拟合。在天文学中,不断有模型被采纳,或被抛弃。因为远未找到所有事实,所以如果几年内我们这本书还不需要大规模重写的话,会令人感到很新鲜。当然,我们在这里所讲的故事是出自目前大多数天文学家都认为比较好的一个模型。”
    作者在这里指出科学研究需要“事实证据”,同时也需要运用理性思维“创建思想模型”,并提醒读者,“在天文学中,不断有模型被采纳,或被抛弃”。事实上,在科学上,从来没有什么“唯一正确”、“亘古不变”或“放之四海而皆准”的理论,不仅“远未找到所有事实”的尚未完成的理论(“假说”)是如此,即使已经完成的理论(如相对论和量子论)也仍然必须不断接受新的检验。这段文字的最后特别提醒,这本书所介绍的大爆炸理论是“目前大多数天文学家都认为比较好的一个模型”,表述了科学是人所从事的活动和“模型”是人所得到的认识的观点,也就重申了科学成果得到承认是通过“同行评议”的规则,否定了某些人以为“科学成果”可以是自我标榜,或者是需要依靠“权威”担保、媒体“炒作”的那种误解。
书评:不止是“宇宙诞生自大爆炸”(3)
  “引爆思想”当然不是狂思乱想。本书引言“天空的诱惑”的最后一段话对于什么是科学思维以及在科学思维中事实和理论之间的关系也有很好的说明:
    “……为了解释一个观测事实,就需要提出某种理论,通常会用这个理论做出预测。这个预测可以通过新的观测进行检验。如果预测被证实,那么我们得到了一个‘好’的理论,反之,我们必须重新予以考虑。在接下来的章节中,我们将使用最经得起当前实验天文学检验的理论来构建宇宙历史的模型”。
    我们在阅读这本书时,最重要的是要注意提出一个理论所依据的观测事实是什么,这个理论最后做出了怎样的可以通过新的观测接受检验的结论,万不可混淆了事实和理论(假说)。以这种方式阅读,我们对于书中的论证,有的认同,有的质疑,就能够保持思想活跃,“引爆”自己的思想,从中获益,加深自己对科学本质的认识。
    例如这本书中曾提到的“平行世界”,那是从宇宙是一个超过三维的空间的假定提出的一种假说。“多维空间”,简直就像是科幻小说中的遐想,十分玄妙,难以想象。其实,这个理论的提出者哈佛大学的丽莎·兰道尔(发表“翘曲额外维模型”)自己就承认,“我本人不具备想象我们所构建的这种图象所必需的那种形象思维能力”。同时她又说:“‘眼见为实’,这种想法有时是对的。但是,有时候也必须要摆脱‘眼见为实’这种成见。可以说,就整个物理学而言,这是必须放弃的成见。我们谁也没有直接看见过原子或者夸克,然而,种种检测技术都已经证实了它们确实存在。这难道还不能说明不能囿于眼见为实的成见,抽象思维的重要性吗?”事实上,研究宇宙论的科学家在进行抽象思维时更多用到的工具是数学,而不是形象。再如,媒体关于彭罗斯和霍金一起发表“奇点定理”的报导,非常简单地将其结果概括为他们发现了“宇宙诞生自一个奇点”(奇点:质量集中在大小为零的一个点上,因而密度为无穷大)。然而,彭罗斯本人就曾对他们的理论的意义进行过澄清:“奇点这个词给人印象好像本身暗示了什么,其实,那不过是‘这个数学模型用在这里不很合适’的意思。”对于有的媒体称“彭罗斯博士和霍金博士证明了宇宙中真实存在着密度无限大的点”的那种说法,彭罗斯则说,“太遗憾了。面向大众的解释的确常常就是这样写的。……不过,我的真正意思其实是‘需要有新的理论’。”由此可见,媒体的过于简略的猎奇报导是很容易产生误导的。甚至有研究者指出,出现伪科学的原因之一就是这类失败的“科普宣传”。
书评:不止是“宇宙诞生自大爆炸”(4)
  因为工作关系,我在上世纪70年代曾对我国科普书的出版做过一个星期的调查,发现我国科普图书的出版在上世纪二三十年代就开始形成我称之为的“三大永恒主题”,即生活类、生态类和天文学类。这天文学类,按说同普通人的生活关系最小,为什么也能够成为科普教育的主题而且得到读者的喜欢呢?我的经验是,我阅读天文学科普书是记不住诸如“土星有多少颗卫星”那样的死知识的,但是我总是能够从三个方面得到思想启发。第一是见怪不怪。在天文学领域我们会知道许多在日常生活中见不到的事物和现象,甚至是完全违背我们日常经验常识的不可思议的事物和现象,这就在潜移默化中会使我们养成一种开放的态度,能够比较理性地接受那些起初并不理解,而事实证明是正确的新观念。第二是理性思维或者说理论在我们认识世界的过程中的巨大作用和威力。我们人类用眼耳鼻舌身来感知周围的事物,然而所能达知的范围十分有限,这就必须使用工具来延伸我们的感知范围。但是,用工具获得的信息必须解码,即必须利用理性加以合理解释,才能够被我们正确感知。比如说望远镜,我们今天都相信通过望远镜看到的月球表面的那些阴影是月面上的环形山,其实这也并非不证自明,当400年前伽利略发表他的用望远镜看到的结果时,也是有许多人怀疑的。至于说微波背景辐射是支持宇宙大爆炸的一项观测证据,就更需要具有说服力的解释了。第三是科学没有终极结论。在天文学表述的结论中,常能看到“根据××理论”,“据认为”之类不下最后结论的留有余地的话。人活不过百多年,人类文明不过几千年,活动范围也基本上被限制在地球上,同天文学的大时间和大距离尺度相比,简直就是渺小之极。人类面对自然和宇宙不能自大,“征服自然”已经是自不量力而且已经自食苦果,而要完全了解自然也不是我们这一代人或者再经过若干代人就能够完成的事情。科学结论既不是单纯的“眼见是实”,也不是只靠“逻辑思辨”取得的结果,更不是无须事实证明的“信则灵”,即使已经确证是正确的结论,也还仍然需要接受检验。科学总在前进,已有的科学认识终将被未来的新认识所替代,这是人类具有的在认识论意义上“认识的无限性”的体现,也表现了人类对自己能力的真正自信和对未来的信心。
    总之,我们阅读《大爆炸》一类天文学科普书,能够预期的最大收获是能够“引爆思想”。
    王鸣阳,资深编辑,原科学出版社编审,我国着名科技翻译家。主要译着有《世界史上的科学技术》《终极抉择:威胁人类的灾难》《剑桥大学丛书》《科学世界》《起源》等数十部。
书评:为宇宙立传(1)
  为宇宙立传
    李元
    宇宙是什么?天体是什么?成千上万颗星星是什么?它们从哪里来?又往何处去?远古的人类和星空最亲近(那是夜晚没有灯光照耀的世界),但他们并不了解星星和日月的运行和变化。人类自文明诞生以后逐渐发展了科学技术,但对宇宙的了解仍然有限。400年来无数的望远镜和各种科学仪器指向天空,对天体进行观测、搜索、计量、摄影、分析、研究。直到人造卫星上天,太空时代来临,各种科学探测器飞出地球,从太阳系里发回许多信息、照片、资料,又有多种空间望远镜飞上太空全面扫描各类天体,给人类带来无限惊喜,展示给我们见所未见、闻所未闻的事物和景象,还有许许多多的疑问等待人们去研究。还有宇宙中神秘的暗物质又在哪里?它们又是什么?它们在宇宙中的位置、能量、作用几何?近年来更引人注意的是寻找太阳系外的行星特别是类地行星上可能存在的生命形态和地外文明更是人们的兴趣焦点。虽然地球上的事物演变已经千头万绪,十分复杂,但天上的事,也不能忽视,我们需要去仰望星空,因为地球是宇宙的一员,我们不能不去了解地球的宇宙环境。
    《大爆炸--宇宙通史》这本书,正是在时间和空间上以大尺度的宏观规模去读宇宙的过去、现在和将来,也就是宇宙演化的全部历史。这本书也是我看到过的这方面的最佳读物之一,它的作者都是这方面的专家,既深入又浅出地把宇宙的故事娓娓道来,更让人高兴的是当今世界的天文科普大师帕特里克·摩尔也是作者之一,那就可知本书的质量和分量了。
    这是一本很值得阅读的书,当然也不是轻易就能读懂的,读者起码要有一定的基础科学知识。
    在我们银河系中的太阳系里,生命偶然诞生在地球上,又经过漫长的年代终于有了高级智慧生命人类(在宇宙间难道只有地球人最聪慧吗?天晓得!谁又敢说?)。人的个体不大,寿命最长也不过百十来岁,但是通过多少代人的努力探索特别是借助望远镜发明400年来科学的迅速发展,人类探索宇宙的广度和深度及其速度都达到了空前的程度,所以2009年被联合国宣布为国际天文年。通过科学和技术的协力,才能有足够的研究成果提供给科普作家写出这类宇宙演化史的着作。就以本书为例,作者都是这方面的专家和能手,甚至还有科普大师,他们能把如此复杂而漫长的以十亿年百亿年为尺度的宇宙演化史,通俗有趣地纳入这本不太大的书中。如果能通晓这本有趣的宇宙史的话,你就会了解人类在宇宙中的位置以及探索宇宙的意义。在人类短促的科技发展道路上,居然能从一百几十亿年前的创世时代跨越到文明昌盛的现代,而且还能展望几十亿年以后的未来图景,这实在是了不起的事情。
书评:为宇宙立传(2)
  本书的作者之一是帕特里克·摩尔,他是令人尊敬的把一生全部献给天文学的传播和发展的当代科普巨人之一,不止在英国,在全世界他都是一位科普明星!1995年我去参观美国帕洛马山天文台着名的5米直径的海尔望远镜时,天文台的展厅中播放的生动说明就是帕特里克·摩尔亲自讲解的。5米巨镜不但是美国的国宝,也是世界级的科技成就,是人类探索宇宙的一个里程碑,而介绍这架观天巨镜的人,不是美国人,而是英国的帕特里克·摩尔!在20多年前我曾有幸和他通信,得益良多,也从他和他的朋友处了解到他的一些情况:他一直独身生活,进行了大量科学活动,编着了许许多多、各式各样的天文科普书刊,他也是BBC的明星。他身材魁梧,但要把他所有的编着书刊都叠加在一起,肯定要超过他的身高好多,可以说是着作超身。他还是一位音乐爱好者,并会作曲。他今年86岁,仍然活跃在群众中。
    本书还有一大特点就是真正的图文并茂,书中附有大量大幅的色彩绚丽的天文图片,很多是别处未见的,均是精心挑选出来的。2009年是国际天文年,本书的中文版的翻译出版是对国际天文年的一份献礼。
    我还想借此机会和读者谈谈我对这本书的看法。对一般读者来说,能全部读懂而且有所领悟和感到乐趣那当然是最理想的。但是有些读者可能不会一下都读懂,也可以把喜欢的容易理解的部分先读,以后随着自己科学基础知识的增长,自然会把这本书消化。那么漫长的宇宙演化全史,不可能那么快地全部理解。我还建议,如果需要,可以顺便去读一两本有趣的较全面的天文科普读物(这类读物书店里多的是),这样也有助于读懂本书。
    本书中讲认识星座的那部分以及所附的星图有些过于简单,对此有兴趣的读者可以看看图文并茂的谈星座的书以补此书的不足。
    也许有的读者会有疑问,这本书里某些章节所论述的过去和未来的图景是否可信?是否是宇宙演化的必然途径?宇宙在数以十亿百亿年计的漫长岁月中演变,宇宙间的任何生命或智慧生命都是绝对无法看到它的全程的,甚至去研究和推论宇宙的演化历程也都是十分艰难的。在宇宙间也许有些智慧生命所达到的科技程度远远超过我们,也许他们有和我们地球人完全不同的展望和结论,这也未可知。
    从现实意义上说,那137亿年以前也好,50亿年以后也好,对我们现在的“地球·人类·社会·个人”都没有太多的影响和关系。在我们的现实生活中,只有尊重自然界的客观规律,爱护环境,保护地球,建设我们的家乡和祖国,才能对人类作出有益的贡献,才能有一个和平共处,和谐共有的人类大家庭,才不至于把在宇宙中不断运行的美好地球破坏摧残,自毁家园。我想这应该是我们读过本书,获得更开阔的视野和更新思想之后应有的积极态度。
    李 元 1925年生于太原,资深科普工作者,已从事科普事业60多年,中国科普研究所研究员。曾在中国科学院紫金山天文台、北京天文馆、中国科协工作。编着校译图书数十种,科普文章、论述近千篇。是北京天文馆创始人,曾获中国天文馆事业的先驱者奖状,建国以来成绩突出的科普作家证书,北京市和全国个人科普先进工作者称号。为中国太空美术事业的开拓者。1998年获国际天文学联合会授予的国际编号6741号小行星命名为“李元星”的殊荣,以表彰他对科普事业的杰出贡献。
书评:引爆眼球,更引爆思想(1)
  引爆眼球,更引爆思想
    --从《大爆炸--宇宙通史》说起
    王直华
    2009年12月21日,张桂宜编辑在电话里兴奋地对我说:“我们又出了一本好书!是李元先生等翻译的。”“好哇,快寄给我来欣赏!”
    不等我提问,他又说起了他们去年出版的《男孩的冒险书》:“这书已经售出了11万册!”我想,《男孩的冒险书》受到欢迎,有一个原因:它契合了公众对男孩成长的关切。
    24日,我从远郊回到家,就看到茶几上那本精美的大书《大爆炸--宇宙通史》。人们评价传播媒介,不是有个指标叫“粘着度”吗?才读了《中译本前言》、《引言  天空的诱惑》、《第一章  万物肇始》,我就让它给“粘”上了。这书为什么有如此高的“粘着度”?
    《大爆炸--宇宙通史》对我有吸引力,当然首先是因为我对热大爆炸宇宙学有兴趣。紧接着的重要因素,就是因为我感到这本书“可信”。我到书店选书、买书,如果对这书所谈话题感兴趣,便首先要了解作者、翻译者和出版者的专业背景。《大爆炸》的三位作者,布赖恩·梅、帕特里克·摩尔和克里斯·林陶特,都是英国皇家天文学会的会员,自然是热大爆炸宇宙学的行家里手。他们又都是BBC电视节目《夜空》的主持者或撰稿人,又自然拥有不俗的表达力。特别是帕特里克·摩尔先生,李元说他是“把一生全部献给天文学的传播和发展的当代科普巨人之一,不止在英国,在全世界他都是一位科普明星!”
    翻译者团队,可谓阵容强大。应广西科学技术出版社的特邀,李元先生负责组译这本天文科普着作。李元先生是我尊敬的科普界的元老。他的天文科普作品,他的科普报告,受到公众,特别是青少年的广泛欢迎。只要举出这样一件事,就足以说明他的成就:为了表彰李元对天文科普事业做出的杰出贡献,1998年国际天文学联合会将国际编号6741号小行星命名为《李元星》。为了组织翻译这本书,李元请来“一些年轻的同行,他们大多具有博士学位,是年富力强的后起之秀,也都在北京天文馆工作,也大多是天文爱好者出身,有实地的天文观测和天文科普工作经验。”这样一个由天文学家兼天文科普专家组成的翻译团队,使翻译质量得到了保证。阅读《大爆炸》,我感觉很畅快,这是一本内容可信引人、文字平易近人的科普图书。
    阅读《大爆炸》,我用八个字形容它的文字内容:丰富新颖、说理清晰。作者对许多问题的阐述,会给天文爱好者带来豁然开朗的感觉:为什么说宇宙是“有限而无界”的?为什么在大爆炸后30万年,宇宙变得透明了?第一批恒星在形成的时候,含有哪些元素?为什么所有行星以同一方向绕太阳公转?为什么有暗物质?为什么有暗能量?《大爆炸》解秘的有趣问题,很多很多。
书评:引爆眼球,更引爆思想(2)
  见字如面,读文如面。读着李元先生的《中译本前言》,就如同坐在他对面,听着他热情、诚挚的讲话。《中译本前言》说:“这是一本很值得阅读的书,当然也不是轻易就能读懂的,读者起码要有一定的基础科学知识。”这话很真诚,很实在。我不是研究天文学、宇宙学的,仅仅是个爱好者。自从进入科学传播领域,我很关心热大爆炸宇宙学的进展。1965年齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射,1989年发射宇宙背景探索者卫星COBE,2001年发射第二代宇宙微波背景探测卫星WMAP,迈出这三步,宇宙学已经发展成精确科学。这些背景知识,使我读《大爆炸》方便了许多。
    在表现手法上,《大爆炸》不是通过科学家故事来展开的。它是“宇宙通史”,它带领我们知性地去阅读宇宙的过去、现在和将来。我们在为追求新知而读书的时候,要有遭遇困难的心理准备。用力向上跳起,够着果子,把它采下,你会有成就感。不需要费力就轻易获得了果子,你可能没有什么美好的感觉。读得懂,固然可喜;读不懂,更要知难而进、破难而进。当你通过自己的认真思考,理解了书中的内容;或者通过查找参考资料、书籍,获得了圆满的解答,都表明你在“学会学习”的道路上前进了一大步。与“读图”、“浏览”和“读故事”相比,深度阅读更有益于培养我们的想象力和创造力。
    《大爆炸》最吸引眼球的,是它有大量精美的彩色天文图片。《大爆炸》采用的开本,是889mm×1194mm 1/16。用大幅彩色照片呈现天文尺度的场景,将宇宙的壮美淋漓尽致地展示在读者面前。我请编辑帮忙数了一下,此书共有彩图211幅,大体上每页都有一幅或两幅。《大爆炸》俨然是一本大画册,不仅可读,而且可赏。
    人的思维有三:知、情、意。人的趣味有三:知趣、情趣、意趣。科普作品分类有三:重知趣的作品,重情趣的作品,重意趣的作品。知趣、情趣、意趣兼重,是为圆趣。有的书从情趣切入,着重艺术的解读,着重故事过程的解析;有的书从理趣切入,着重科学知识的解理、技术工程的解构;有的书从意趣切入,着重技术工程的实用解说。优秀科普作品,虽然切入点各有不同,但他们的共同特点是:圆融,即知趣、情趣、意趣的圆融。《大爆炸》的封面上有这样一句话:“引爆的不仅仅是眼球,还有思想”。就阅读来说,不仅要读图以引爆眼球,更要读文以引爆思想。这是因为,为了培养创造力,青少年需要“引爆的”不仅仅是眼球,更重要的是“引爆”思想。我们需要提倡“圆融阅读”。
    从“深(度阅)读”和“图读”这两个角度观察,《大爆炸》都是值得一读的好书。《大爆炸》用平顺的语言托出科学的理性之美,用精美的图片送来科学的感性之美。按傅雷先生的说法,感性与理性相平衡,就是最高境界。阅读《大爆炸》,我获得的是情理圆融的美的享受,高境的享受。
    元旦前,在电话里,我问张桂宜编辑,《大爆炸》能不能像《男孩的冒险书》那样火?他没有直接回答,他相信:“《大爆炸》自有它的读者群。读者会表现出对它的喜爱。”交谈中张桂宜还补充了一个细节:天上还有一颗帕特里克·摩尔小行星。真棒,读《大爆炸--宇宙通史》,有两颗明星为我们指引道路!
    王直华,1941年生于北京,科普作家,科学编辑,科学记者。1965年毕业于清华大学,后从事电子学科学研究。1975年开始兼做科学翻译、科普写作。1985年底投入科学新闻事业,现任科技日报副总编辑,中国科普作家协会科普翻译专业委员会主任。科普作品题材广泛,体裁多样,与时代同步。曾获韬奋新闻奖提名奖、全国优秀科普作品一等奖等。
前言
    曾有一位天文学家认为这是一个荒诞不经的念头。如果不是他的感叹,我们可能今天不会在这里讨论所谓的“大爆炸”。
    从20世纪40年代后期开始,英国天文学家弗瑞德·霍伊尔就是稳恒态假说的着名拥戴者,这个理论最初是由赫尔曼邦迪和托马斯戈尔德提出的。出于哲学上的原因,霍伊尔被宇宙在极大尺度上必然不随时间改变的观点所吸引。根据埃德温·哈勃在20世纪20年代的发现,霍伊尔和其他人注意到宇宙中的个体正在互相远离。因此,为了保证宇宙看上去不产生变化,稳恒态理论家们推论出新的物质必须在每个地方持续不断地产生以抵偿损失,即持续创生的概念,这样就能保证宇宙在实质上永远保持不变。与此同时,乌克兰宇宙学家乔治伽莫夫则反驳道,宇宙有可能从某个时刻起才存在,而且根本就不是处在一个稳定的状态下。在1949年的一次广播中,霍伊尔强烈地断言,当前的观测事实与那种要求所有物质在一次大爆炸中产生的理论相矛盾。于是无意中,霍伊尔为这种他耗费余生与之搏斗的理论创造了一个名字。
    在20世纪50年代和60年代早期,两种理论交锋得很厉害。但是所积累的观测证据逐渐向那种霍伊尔认为难以接受的原始大爆炸倾斜。对稳恒态理论的致命一击出现在1964年,彭齐亚斯和威尔逊(最初无意间)发现了宇宙微波背景辐射--上百亿年后大爆炸的回声,宇宙创生的混响。
    大爆炸理论(更准确地说,是一套理论)如其所说,仅是一种理论。我们对于所居其中的宇宙进行观察与测量得到的事实证据,需要创建思辨的模型与之拟合。在天文学中,不断有模型被采纳,或被抛弃。因为远未找到所有事实,所以如果几年内我们这本书还不需要大规模重写的话,会令人感到很新鲜。当然我们在这里所讲的故事是出自目前大多数天文学家都认为比较好的一个模型。
    我们的目标是按照事件发生的顺序讲述宇宙自身演化的故事,所以我们把一些历史轶事和次要话题的内容安排在灰色的栏目中而不放入正文。如果你希望专注地欣赏宇宙的故事,尽可以跳过灰色栏目中的内容,留待日后阅读。请记住,我们故事的主线始于第一章。每个后续的章节专门描述某个时段内发生的事件,从过去到现在,再到能够展望到的、几乎不可思议的遥远的未来。
引言 天空的诱惑(1)
    在一个明朗的夜晚仰望天空,如果你是在一个远离现代都市光污染的地方,就可以看到成百上千的星星,点缀着苍穹。很多人都知道这些不断闪烁的小小的光点就是一个个太阳,而其中许多都比我们自己的太阳要大得多、热得多,也有威力得多。而我们的地球只是一颗不起眼的行星,在宇宙中的地位就好比撒哈拉沙漠中的一粒细沙。但在这些之后隐藏着什么?宇宙是如何开端的?它是如何演化的?而如果真有一个终极存在的话,又将怎样消亡?
    天文学家们正试图回答这些问题。我们这些小小的生命,居住在围绕着一颗普通恒星旋转的小小星球上,靠着从无限遥远的星星发出的光线,探索着宇宙深处的秘密,甚至向另外的世界发送自己制造的宇宙飞船,这是多么了不起的事情!很有可能我们只是宇宙中的初等生物,其他的文明早已超越了我们,但我们毕竟已经在探索所居住的这个宇宙的征途上起步了。在本书中我们将竭尽全力为你讲述宇宙的故事:从它远远早于地球存在时的诞生,如何演化到现在,以及它遥远的未来,那时地球甚至在记忆中都已经不存在了。这当中有许多我们不曾了解、可能永远也不会了解的奥秘。但从我们的祖先仰望繁星并自问“我们是谁”开始,直到今天,我们一直在这条路上探索着。
    我们正生活在天文学的黄金时代。新的观测设备--比如在朦胧的大气层外环绕地球的哈勃太空望远镜--就在几十年前都还不可想象。在过去50年中我们能取得如此惊人的成就,另一个关键因素就是计算机不断增长的巨大威力。
    没有哪个领域在近年来取得了像宇宙学--在最大的尺度上研究宇宙的过去、现在和未来演化的学说--这样辉煌的进展。在20世纪的大部分时间里,大多数天文学家都曾倾向于一种静态的宇宙,在最大的尺度上是均匀的而且不随时间变化。这与我们现在的看法差异实在是太大了。
    我们身在何处
    在下面的故事里,我们面对的是十分巨大的空间和时间跨度。地球是一个直径为12.800千米的圆球,在1.5亿千米的距离上环绕太阳运行。地球是八大行星之一,和众多小得多的天体一起组成太阳系。
    大多数行星都有卫星。我们所熟悉的月亮是地球唯一的卫星,在环绕太阳的旅途中忠实地陪伴着我们。像行星一样,它自身只反射太阳光。月亮离我们不过40万千米,所以看上去是这样地引人注目。这也是人类曾经涉足的唯一的地外世界。1969年,当尼尔·阿姆斯特朗在月球静海荒凉的岩石上说出“这是一个人的一小步,但却是人类的一大步”时,生活在那时的人们都不会忘记那种激动人心的心情。
    但太阳系只是宇宙的很小的单元,我们所在的星系--银河系--包含至少1000亿颗太阳,而且它们很多都伴有行星。我们尚不确定这些行星上是否存在任何形式的生命,无论这些生命是否具有智慧。
引言 天空的诱惑(2)
  以光速前行
    恒星都在遥远的地方。如果用英里或者千米来丈量它们之间的距离,就如同用英寸来表示伦敦离纽约有多远,这显然是过于繁琐了。幸运的是,我们有一个更好的计量单位。光的传播不是瞬间就能完成的,它以每秒钟约30万千米的速度行进。所以在一年的时间里光走过9.6万亿千米。这个距离称作光年,注意这是距离而非时间单位。离太阳最近的恒星有4光年远,而我们已经记录到的最远的天体则是在120亿光年之外。
    从这么遥远的距离上望去,恒星仅是一个小小的光点。表面现象常给人以错觉。很多在任何晴夜中都能看到的星星不仅比太阳亮得多,而且还大得多。例如猎户座的参宿四,离我们300光年,是颗巨大的恒星,它的球体内甚至可以容纳下地球绕日公转的轨道。已经观测到它表面的一些特征,但是只有太阳才近到使我们有能力研究其真正细节的程度。事实上,我们关于恒星的大部分知识都来自对这颗近邻恒星的研究。幸运的是,太阳是一颗普通的恒星,既不过于暴烈也不过于孱弱,变化也不大。天文学家们把它归类为矮星,而实际上它的质量比平均值略高一些。像参宿四这种巨星的数量则比矮星的少得多。
    通过观察恒星的颜色也能使我们了解到它们的很多性质。就像我们谈论热得通红和白热化的物体时,知道白热的东西比通红的东西更烫一些一样,恒星的颜色也反映出它的温度。例如参宿四看上去发红是因为它比太阳的温度低;而猎户座中的另一颗亮星,蓝白色的参宿七则比太阳的温度高。我们的太阳略呈黄色,其温度和体积均介于两者之间。
    时间的历史
    由于巨大的空间距离,当我们观察远方的星星时,实际上正在参与一项时间旅行,只不过这并不需要威尔斯的时间机器抑或无名博士的时间飞船。比如天狼星,这颗夜空中最亮的恒星,每年有好几个月的时间都非常地醒目。它的能量是太阳的26倍,距离我们8.6光年,即约80万亿千米。它发出的光需要8.6年才能到达地球。所以当我们在2009年观察它时,实际看到的是它在2001年的样子。
    许多人,特别是那些海员,都认识北极星。根据最新的测量结果,北极星的距离是400光年。现在(2009年)我们看到的北极星的光线是在1609年前后才离开那里的。如果在那边也有一位天文学家装备着威力巨大的望远镜能够观察到地球,那么他会看到英国正处在莎士比亚的年代。
    我们现在看到的参宿七的光在十字军东征的时候就已经踏上了旅途。即便这样远的距离按照宇宙的标准来看也不过是小小的局部。我们现在能够研究的天体是如此遥远,所看到的是它们远早于地球存在之前的模样。
引言 天空的诱惑(3)
  这种时间旅行对于我们了解宇宙是十分有用的。因为我们所希望了解的整个故事的大部分,都可以实实在在地看到。例如,要是怀疑星系在过去可能要小得多,就可以通过实际的观测来确认。观察60亿光年处的星系,我们相信这就是自己的星系所在的宇宙60亿年前的样子。
    如果说距离的扩大伸展了我们的想象,那么时间的巨大跨度也同样令人惊愕。不同的研究都告诉我们地球的年龄约有46亿年,产生于环绕年轻太阳的气体尘埃云中。但我们人类只是地球家园中的一位新住户。为了便于理解,让我们把地球的年龄当作1年,它在新年的子夜形成。那么原始生命出现在5月初,然后直到11月中旬才开始有鱼类,而到了11月份马上结束时出现了第一批登陆者。爬行动物们在12月的第一个星期里统治着世界。随着恐龙在12月15日前后灭绝,哺乳动物悄悄地出现在画面中。但直到12月31日的早晨,猿人才来到这里。整个人类的故事都被压缩到一年中最后一天的最后一个小时里,而耶稣基督出现在地球上还不到1分钟的时间。
    我们有理由相信自己对于距离和地球年龄的判断,同时也在估计宇宙年龄方面取得了巨大的进展。最新的137亿年的数值可以准确到几个百分点内。然而这就带来了一个真正重大的问题。
    我们存在,而且由原子和分子构成,这是无可置疑的事实。这些物质必须以某种方式产生:要么它们一直都存在,要么在某个时间被创造出来。两种情形都不容易被接受。如果构成我们的物质一直存在,那就必须设想时间是没有开始的;如果它在137亿年前突然出现,那么在此之前发生了什么?或者,还有“之前”吗?
    数学上的结论是时间和宇宙一同开始,所以在这点之前不存在“以前”。从理论上说这可能是很准确的,但显然不能令人满意。在研究宇宙时我们把时间看成第四个维度。我们这些作者正在北纬50度,西经0.41度,海拔几米的地方写作。但要想找到我们还需要知道时间:我们只是2006年底在那里。
    然而在天文学的尺度上,这个简单的图景不再成立。比如说在遥远的未来,天文学家希望在地球和4光年远的最近的恒星--比邻星上同时开展一项实验。因为任何信息都不可能快于光速传播,两个系统之间发送的光信号不足以同步这项实验。时间不再是两边的实验者都能遵守的一个绝对标志。
    面对这些不确定性,我们只能做出一些巧妙的猜想。虽然听上去不免有些随意,但这实质上正是科学的方法。为了解释一个观测事实,就需要提出某种理论,通常会用这个理论做出预测。这个预测可以通过新的观测进行检验。如果预测被证实,那么我们得到了一个“好”的理论,反之,我们必须重新予以考虑。在接下来的章节中,我们将使用最经得起当前实验天文学检验的理论来构建宇宙历史的模型。
    让我们开始吧!
章序
  第一章  万物肇始 大爆炸后10-43~10-32 秒
    世间万物--空间、时间、物质--都是在137亿年前的一个“大爆炸”中诞生的。那时的宇宙是一个无比奇异的地方。那里还没有行星、恒星或星系,有的只是一团基本粒子,充斥其中。此外,整个宇宙还没有一个针孔大,而且难以置信地热。这个宇宙立刻开始膨胀,从这个出人意料的怪异起点,逐渐扩展,直到演化成我们现在看到的样子。
    现代科学还不能描述或解释大爆炸之后10-43秒内发生了什么事情。这个时间间隔:10-43秒,被称为普朗克时间,是以德国科学家麦克斯·卡尔·恩斯特·普朗克的名字命名的。普朗克首先引入了这样一个概念:能量不是连续可变的,而是由具有特定能量的“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大部分物理学的基石,它从最小的尺度上处理宇宙问题,而且被列为20世纪理论科学的两个伟大成就之一。另一个是爱因斯坦的广义相对论,处理极大尺度--天文尺度上的物理学。
    尽管在它们各自的领域里这些理论都被实验和观测完美地验证了,但是调和这两个理论的努力却遇到了很大的困难。特别是,它们对时间的处理方法根本不同。在爱因斯坦的理论中,时间是一个维度,是连续的,所以我们从一个时刻平滑地过渡到下一个时刻,而在量子理论中,普朗克时间就代表着一个基本的极限:时间具有一定意义的最小单元,同时这也是在理论上能够测量出的最小时间单元。如果我们制造出最为精确的钟表,会发现它会不规律地从一个普朗克时间跳到下一个普朗克时间。
    试图调和这两种截然对立的时间观念是21世纪物理学面临的主要挑战。近年来在“弦理论”和“膜理论”方面进行了这种尝试。就现在来说,量子物理主宰着紧邻大爆炸之后的灼热致密的微小宇宙阶段。我们对宇宙的科学研究就从大爆炸之后10-43秒开始。
    大爆炸的概念与直觉相反,我们的常识似乎更易接受一个静态无穷的宇宙观念。但是确有科学理由让人相信大爆炸这个奇异的事件。如果我们接受大爆炸,就有可能看清整个事件的进展过程,从第一个普朗克时间开始,直到我们生活在地球上的现在。
时间的开始
    让我们回到紧邻大爆炸之后宇宙的那个起始点。通常我们脑海中会闪现出这样一幅场景:在一个广阔的空间里宇宙突然地爆发了,但这是完全错误的。大爆炸的真实情景是:空间、物质以及更为关键的时间,都是在这里同时产生的。空间不是从虚无中产生的,在创世之前并没有虚无。在大爆炸之前时间也还没有开始,甚至谈论大爆炸前的某个时刻也是没有意义的。即使莎士比亚或者爱因斯坦也无法用通常的语言来描绘这一情景,虽然他们拥有非凡的智慧。
    这也意味着当我们今天考察宇宙时,询问“大爆炸”是在哪里发生的这个问题是没有意义的。空间自身也是随着大爆炸产生的。因此,在大爆炸刚发生后的时刻,我们现在所见的整个宇宙蜷缩在一个极小的区域,比一个原子核还要小。大爆炸发生在每一个地方,这里没有“爆心”。
    对这点的一个很好的直观描述是埃舍尔的一幅着名画作,虽然它的名称比较乏味:三维空间的分割。想象你站在任何一个位于网格交叉点的立方体上,每一个接到立方体上的直杆都延伸出去。在你的视野中所有的东西都从你这里延展出去,所以很自然地会首先感觉到自己正是位于一个特殊的地点:扩展的中心,但随后你就能意识到无论你位于网格的哪一点,看到的直杆向外扩展的景象都是一样的,事实上并没有一个中心。宇宙的情况与此非常类似:每一个星系群看起来都在远离我们而去。如果有一个观测者在这些遥远的星星上回望我们,他也会看到同样的景象,也可能同样地以为自己位于扩张的中心。
    另一个经常被提到,而且乍看起来很有道理的问题是“宇宙有多大”。这里我们又遇到了一个大问题,就是有两类可能的答案:宇宙是有限的,还是无限的?如果是有限的,那么它的外面是什么?实际上这个问题是没有意义的。因为空间自身仅存在于宇宙之中,所以从字面上来说根本就没有“宇宙的外面”。另一方面,当我们提到宇宙是无限的时候,实际指的是它的大小是无法限定的。我们无法用日常的语言来解释“无限”,而且我们知道爱因斯坦也做不到--因为帕特里克曾经问过他!
    还需要记住,我们要把时间看作是坐标中的一维。也就是说,不能简单地问“宇宙有多大”,因为答案会随时间变化。我们可以问“宇宙现在有多大”,但随后我们会看到,相对论的一个结果就是不可能定义一个普遍适用于整个宇宙的叫做“现在”的时刻。
    谈论具有有限大小的宇宙立即会使人联想到边界。如果我们走得足够远,会撞到一堵砖墙吗?答案是否定的。宇宙具有数学家们所说的“有限而无界”的性质。一个有用的类比是一只在圆球上漫步的蚂蚁。要是它在这个弯曲的表面上一直朝着一个方向前行,就永远也不会遇到障碍,能够游荡无穷的距离。所以虽然球的尺寸是有限的,但蚂蚁觉察不出来。类似地,如果我们登上一艘无比先进的飞船沿着直线航行,我们也永远不可能到达宇宙的边界,但这并不意味着宇宙是无限的。随后我们还会看到空间也可以被看作是弯曲的。
    让我们把自己限定在能够做出科学回答的问题上,即能够通过和观测结果对比来回答的问题。我们可以确定地说可观测的宇宙(顾名思义,即发出的光线有可能到达我们的那部分宇宙)在尺寸上是有限的。因为我们目前最好的估计是宇宙的年龄为137亿年,这样可观测宇宙的边缘(从那里发出的光刚刚到达我们)离我们有137亿光年远,而且还在以每年1光年的速度扩展。实际上后面还要谈到为什么我们永远不可能看到这么远。宇宙一定比我们能看到的要大,这是我们能够确定回答的全部。
宇宙的尺度
    说一个目标在离我们137亿光年之外当然很准确,但我们能真正地去理解宇宙的这种尺度吗?我们很容易感受例如从伦敦到纽约的距离,甚至从地球到月球的距离(约38万千米),这几乎是10倍于地球上的环境。有很多人在他们的一生中曾经乘飞机飞行过比这还长的距离,事实上有些航空公司会给予那些乘坐航班累计超过160万千米的乘客以某种特权。但你如何去想象1.5亿千米--从地球到太阳的距离?当我们考虑最近的恒星,离我们4.2光年(约40万亿千米)时,这个距离是很难想象的。而星系更遥远得多。银河系最近的邻居仙女座星系距离我们有200万光年之远。
    在尺度的另一个极端,想象一个原子的大小同样地困难,任何普通的显微镜都无法看到单独的原子。有这样一种说法:从量级上看,人正处于从原子到恒星的尺度范围的中间。有趣的是,这也正是物理规律最为复杂的地方。在原子世界,我们应用量子物理学;在宇宙尺度,应用相对论。在这两个极端之间,我们对如何调和这些理论的困惑暴露无遗。牛津科学家罗杰·彭罗斯坚定地写下了他的信念:我们对基本物理原理所缺失的理解力,也是我们对人类意识所缺失的理解力。当我们思考所谓的人择原理--归纳起来就是宇宙的演化必然保证我们能够存在并认识它--时,这个观点尤为重要。
    另一个有用的问题是,宇宙中有多少原子?一种估计给出的总数高达1079 个原子,即1后面跟着79个0。
    传统上我们把原子看成由三类比较基本的粒子组成:质子(带单位正电荷),中子(不带电)和质量小得多的电子(带单位负电荷)。顺带说一下,在原子层次精确定义什么是电荷远非那么简单。可以把电荷看作是粒子的属性之一,就像大小和质量一样。电荷总是以固定的粒度出现,我们称之为单位电荷。
    根据经典模型,原子就像一个小型太阳系,电子环绕中央的原子核旋转,由质子和中子组成的复合的原子核带有正电荷,并且和环绕的电子的总负电荷严格抵消。在我们的太阳系中,行星被引力保持在环绕太阳的轨道上;在原子中,是带负电荷的电子和带正电荷的原子核之间的电磁吸引力使得电子环绕原子核旋转。
    过去,我们注意到这个简洁的模型可以解释很多基本的化学现象,比如,为什么原子的外层电子容易参与化学反应:因为它们离核较远,吸引力的约束较小。所以最简单的原子--氢原子,只有由一个质子构成的原子核和一个电子组成,整个原子是电中性的:正1加负1等于零。所有原子都具有相同数目的电子和质子。每种元素内这种粒子的数量是唯一的,称为原子序数。比如氦原子有2个质子和2个电子,所以它的原子序数是2。而碳原子的序数是6。重元素含有数目众多的电子和质子。地球上最重的自然元素--铀的原子序数是92。
    在20世纪早期,把质子和中子看成坚实颗粒的观点甚为流行。但这个图景今天已经变得不那么清晰了。面对很多甚小系统的奇怪行为时,把它们看作由波动而非颗粒构成能够更好地进行解释。这个理论叫做波粒二象性。此外实验显示,电子看起来确实是不可分割,而质子和中子事实上并不是最基本的。它们能被分解成更小的颗粒,叫夸克。夸克现在被认为是最基本的。没有人曾经看到过夸克,但我们知道它们一定存在,因为在粒子加速器中检测到了。人们建造了粒子加速器,以不可思议的高速度把质子打碎,从而探测到夸克。在这些实验中质子似乎破碎了,所以科学家断定质子不是最基本的。自然界不喜欢形单影只的夸克,所以它总是成双或成三地出现。
自然界中的力
    夸克的这种性质的起因与把夸克约束在一起的力的不同寻常的性质有关。这种力被称为强核力不是无缘无故的,它只在极小的尺度内才占主导地位,所以我们需要使用非常强大的粒子加速器才能使质子分裂。不像我们在大尺度环境中所熟悉的力--例如引力或异性电荷之间的吸引力那样,强力随距离的增加而增加。换句话说,如果我们能够分开两个夸克,会发现分离的距离越大,两者之间拉回的力就越大。最终,当夸克分开到一定程度,造成这种形变所注入的能量是如此之大,以至于能量转化为质量,产生两个新的夸克。这样猛然间我们获得了2对夸克,而不是事先希望的把夸克单独隔离开。这个过程意味着我们在实验中从未产生过独立的夸克。在日常世界中,夸克只作为其他粒子的组分而存在,例如质子和中子中各含有3个夸克。
    在刚刚大爆炸后极端高温的宇宙中,夸克具备足够的能量自由地运动。因此,通过理解最大尺度上的宇宙过程,可以增加我们对最小尺度上的粒子的了解。每个粒子在宇宙初期获得的能量比我们在粒子加速器中所能制造的高得多。即使我们建造一个和太阳系一样尺寸的加速器也不可能产生如此巨大的能量。
    值得注意的是,当前我们通过粒子物理对微观世界的研究,和通过宇宙学对极大尺度的宏观世界的认识是紧密交织在一起的。为了了解整个宇宙,我们要依靠对于基本粒子的认识,而我们进行此项研究的最好的实验室就是处于萌芽期的宇宙。一个充满了高能基本粒子的炙热空间,是我们想象到的新生宇宙的最早景象。
越大越冷
    在第一个普朗克时间之后,微小而炽热的宇宙不可思议地开始膨胀,也开始逐渐冷却下来。宇宙是一个沸腾的夸克的海洋,每个夸克携带着巨大的能量以极高的速度在运动,结果是当时没有我们现在看到的这些原子和分子的形态,因为这些复杂的结构是不可能抵御极高温度的分裂力的。夸克的能量太高,无法被捕获和限制在质子和中子内。事实上在宇宙的婴儿期,夸克可以自由飞驰直到与一个邻居相撞。除了夸克,这种早期的亚原子粒子的浆汁中还含有反夸克--除了带有相反的电荷,和夸克完全相同。现在人们相信每种粒子都有对应的反粒子,除了所带电荷外其他特性完全一致。电子对应的反物质粒子是正电子,带有正电荷,其他方面和电子相同。在科幻小说里反物质的概念很常见,它们是无数极为先进的星际飞船发动机的基础,所有这些都来自一个实验事实:当一个粒子和对应的反粒子相撞时,两个粒子都会湮灭,同时释放出巨大的能量。如果在原始宇宙中一个夸克与一个反夸克相遇,它们就会消失,同时发出辐射闪光。反向的进程也会发生,足够高能的辐射(当然是在宇宙演化的早期阶段的能量水平)可以同时产生一对粒子,包含粒子和它的反粒子。这个时期的宇宙充满了辐射,辐射产生粒子对,粒子又极快地在互相碰撞中湮灭,并把能量转移回背景辐射。
    贯穿整个时期,宇宙持续地膨胀和冷却。经过第一个1微秒(仅仅10万亿亿亿亿个普朗克时间),当温度降低到约10万亿度的临界值以下时,夸克的运动速度降低到能够被它们之间的相互引力(强力)所捕获的程度。三个一组夸克聚集到一起形成了我们熟悉的质子和中子,总称重子;而反夸克聚集成反质子和反中子,总称反重子。如果重子和反重子的数量是相等的,那么极有可能它们之间的碰撞会使得重子全部湮灭。而当宇宙膨胀时,辐射的能量被稀释,不再能够产生新的粒子,这样宇宙中的物质就不可能留存到现在。
    仅仅由于从一开始就存在的一点微弱的不平衡挽救了物质,使得我们今天得以存在,使我们能够在这里思考很久以前发生过什么。出于我们至今尚未知晓的原因,每十亿个反重子会对应十亿零一个重子,所以在最初的混战结束后,几乎所有的反重子都消失了,留下的残余的质子和中子形成了今天的原子核。
宇宙的同谋论
    让我们暂时回到现在。想象两个从地球上看去处于相反方向上的距离我们90亿光年的星系,它们之间的距离是180亿光年。泛泛而言,在最大的尺度上,它们身处的宇宙区域看起来是一样的。其中一个可能位于星系团的中心深处,就像我们附近的室女座星系团,另一个可能孤立得多;但是在第一个星系团附近会有孤立的星系,而在第二个星系的附近则不可避免地存在着星系团。所以每个区域都有相同比例的相同类型的星系,而且本地的温度也是一样的。
    这就产生出一个被称为“宇宙同谋”的问题。宇宙年龄目前最好的估计是137亿年,不到180亿年,所以光还没有足够的时间从一个星系传到另一个星系。而根据相对论,光是宇宙中最快的东西。如果连光都没有时间穿过两个区域中间的空间,其他任何事情也不可能发生,没有任何东西能够从一个区域传递到另一个,所以两个区域之间的任何差异都无法消除。但是,无论我们朝哪个方向看,宇宙似乎都一样,有同样类型的星系,几乎按照一样的模式分布,好像它们曾经互相商量过一样。这个事实变得令人不解,被称作“宇宙同谋”。
    为什么这会成为一个问题?难道宇宙在各个方向上看起来一样不是很自然的事情吗?也许有某个现在还不为人所知的规律在支配大爆炸的物理变化,保证只有几乎是均匀的宇宙才能产生。但是现在我们还没发现有任何物理理论能够预言这一现象的迹象,所以至少需要考虑如下的可能,就是宇宙诞生之时不同区域之间可能存在巨大的温度差异,比如在早期宇宙中,一半的温度可能是另一半温度的两倍。那么这样如何产生我们现在观察到的宇宙的均匀性呢?热量没有时间流动到宇宙中冷的部分,甚至没有时间在两个区域之间以光速发送一个消息。在这种环境下,原始的不平衡不可能被修正;而实际上,这些互相远离毫无关联的区域却是非常相似的。
    我们的两个星系现在是互相远离。但是宇宙在非常年轻时要小得多,而在两边的物体有可能互相接触从而交换热量,达到今日所见的均匀性。现在的问题是,这个早期阶段的宇宙到底有多大?出乎意料地,答案相当简单。
    到目前为止我们只讨论过一种能够在天文距离上起作用的力,就是万有引力。它本质上是一种把物体拉到一起的吸引力。引力本身会减缓膨胀的速度。我们可以尝试从现在反推出宇宙的大小随时间是如何变化的,而我们发现宇宙同谋的问题一直到早期宇宙都存在。换句话说,宇宙从来没有小到过能够让光从一侧运动到另一侧的程度。所以从来没有小到能够使得温度差被平坦掉的程度。这个推论是建立在引力是唯一影响膨胀速度的力的基础上的,所以如果我们要解决同谋问题,就必须放弃这个观点。
疯狂的暴胀
    现在流行的解决方案在一定程度上增加了大爆炸理论的复杂度。大多数宇宙学家们现在相信曾有一个异常短暂的快速膨胀期,称为暴胀。在大爆炸后10-35秒到10-32秒之间,宇宙扩展了几十亿倍。在暴胀阶段的最后,膨胀回到了一个比较稳定的速度,和今天观测到的一致。
    如果没有暴胀时期,我们所看到的宇宙中相对侧的区域就既没有时间来交换热量,也没有可能达到充分的平衡。假设的这种快速膨胀使我们能够认为宇宙开始时要小得多,从而可以在加速膨胀开始之前达到温度均衡。剩余的少量不均匀性被尺度上的巨大增加所消除。这个迷人的快速暴胀带来的一个结果就是我们所观测到的区域只是整个宇宙的极小的一部分。即,我们只能观察到实际上是我们周围局部的一点变化,而这注定是非常有限的。用一个日常的比喻,我们知道地球从珠穆朗玛峰峰顶到最深的海沟的底部有很大的高度变化。暴胀的等价效果就是把你脚尖下的一小块地方扩展到整个地球这么大,或者等效地把我们缩小到比最小的病毒还小很多的地步,那么在我们能够到达和探索的范围里,高度的变化将是微乎其微的。对于宇宙中的温度起伏,暴胀也带来了同样的效果。
    但是为什么在婴儿期宇宙膨胀速度会如此突然地急剧增加?看起来需要引入一种新型的力,它和引力起的作用相反,来对这种巨大的加速负责。科学家已经开始研究这种力应该具备什么样的属性,但还没有得出明确的结论。就我们所知,暴胀发生前的宇宙环境并没有任何特别之处,故而这种加速力的突然出现和消失显得多少有些随意。但是它的存在确实使我们能够处理宇宙同谋的问题。
    引入暴胀之后还能为我们解决哪些问题呢?暴胀还能解释我们今天观察到的宇宙中的另两种现象。没有暴胀,那么这两种现象根本无从解释。首先,根据粒子物理的标准理论,一种被称作“磁单极子”的粒子应该能够偶尔被探测到。但实际上,我们从未探测到磁单极子。这无疑需要某种解释。暴胀理论使我们能够争辩,因为这种粒子分布得太稀疏了,所以探测不到并不令人惊讶。比如,为了辩论我们假设在大爆炸中产生了100万亿个这种粒子,那么我们会感到奇怪为什么一个都没有发现。但是如果同样数目的粒子被散布在比暴胀之前大几十亿倍的宇宙中,那么在我们可观测的宇宙范围内找不到这种粒子就很有可能了。暴胀的力度是如此之大,就在它起作用的短暂时间里,它所产生的宇宙也比传统大爆炸理论所预计的大了不知道多少倍。暴胀为这些失踪的粒子提供了一个解释:它们被过度稀释了。
生活在一个平坦的宇宙中
    看似荒唐的暴胀观点的第三根支柱,可能也是最有说服力的一个,涉及宇宙的几何学。大多数人都很熟悉我们在学校可能还有点不情愿学习的欧几里得几何学,我们被告知三角形内角和等于180度。但事情并不总是这样。比如想象画一条线,从北极出发沿格林尼治子午线到赤道,再沿赤道向东转过90度,最后沿子午线穿过俄罗斯回到北极完成一个三角形。那么我们就经过了2个90度的转角,90+90=180度。而我们还需要加上两条子午线之间的那个顶角。欧几里得几何学仅适用于平面。
    而宇宙中的几何学又会是一种什么样的形式呢?事情要复杂得多,因为我们面对的是一个四维空间(三个熟知的空间坐标,加上时间),而非一个二维的表面。让我们考虑最大的尺度,而忽略物质造成的局部畸变。宇宙有无数种可能的几何学,而我们的宇宙似乎精心地选择了一个特殊的类型。观测表明(见第三章中宇宙微波背景辐射),我们生活在一个平坦的宇宙中,在这里,欧几里得几何学即使在最大的尺度上也成立。为什么事情会这样?要达到一个平坦的宇宙,宇宙中必须具有确切数量的物质,差异仅在几个原子之间。换句话说,要是我们的宇宙中少了或多了几个原子,那么它的几何特性就会变得远非平坦。
    重申一下,我们所掌握的观测事实,固然可以归因于支配大爆炸自身的早期物理学的某些特殊性质,而暴胀理论指出了另一条途径,并获得了更加令人满意的解释。它们之间的分歧在于暴胀可以得出一个比简单大爆炸大得多的宇宙。
    下面通过一个三维情形的类比来帮助我们理解四维空间。任何一个站在保龄球上的人,当他掉下来时马上就会意识到这是一个球面。那么对于一个很大的球,比如我们幸福地生活其上的地球,又会如何呢。即便不是一目了然,我们也很容易发现自己是站在一个曲面上。超出我们印象的是,远在古希腊时期人们就已经知道地球是个球体,他们甚至还成功地测量出了它的直径。而看到一艘船消失在地平线下提醒人们地球表面是弯曲的。现在想象我们正在一个比地球大上万亿倍的球面上,那么所有的实验都会显示这是一个真正的平面。球面的曲率是如此之小,根本测量不出来。出行的船只似乎永远也走不到地平线下。
暴胀之后
    经过暴胀之后的宇宙就像上面最后的球面一样,因为它膨胀到了如此巨大的地步,我们所能观察到的宇宙仅仅是整体的极其微小的一部分,所以只能够测量出它的局部性质。因此可以得出这样的结论,即我们看到的宇宙是平坦的。在这个巨大的宇宙中我们无法获知自己观测范围之外的几何学是什么样子的。不管在宇宙中可能存在多少种几何学,暴胀说明了为什么我们看到的宇宙是平坦的。
    上面的三个问题被暴胀设想利落地解决了,其代价是引入了一个我们知之甚少的、神秘的、暂时的加速,也许当我们对大爆炸本身有了更为深入的了解之后会有其他的答案,但在目前阶段暴胀不失为一个很好的解释。
    在暴胀之后,宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却。大爆炸后3秒,温度降低到约10亿开。宇宙中3/4的物质是氢,其余几乎都是氦。氦原子有2个电子,环绕着由2个质子和2个中子组成的原子核。
    大爆炸理论预言每有10个质子,即10个氢原子核,就会相应地产生1个氦原子核。现在氢和氦的比例依然是10比1。这可能是对大爆炸理论最为简明有力的验证。恒星将氢转化为氦,所以我们可以预料氦的比例会有所提高。如果我们在宇宙某处发现了一个孤立的物体,其中氦的含量比预计的低,那就必须开始彻底地重新考虑我们的理论。到目前为止还没有发现这种情形。
    所以我们是否相信大爆炸?它的主要竞争对手--稳恒态理论看上去已经寿终正寝了。现在,大爆炸占据了舞台。必须记住,理论是无法证明的。我们只能够尽力使其与所有的已知事实相符。带有暴胀的大爆炸理论看起来满足这个要求。但是,任何时候都有可能冒出新的发现,使我们看到原有理论的致命裂痕。不过在一个新的牛顿或者另一个爱因斯坦变出另一套更好的理论之前,我们还要和大爆炸待在一起。
章序
  第二章 于是有了光  大爆炸后30万~7亿年
    在暴胀这一灾变时期后的30万年里没有什么大的变化发生。支配宇宙演化的物理环境几乎保持不变。宇宙成为一个变动不那么剧烈的地方。随着温度的降低,质子和中子的速度也减慢了。但就像我们将要看到的那样,物质和辐射依然混合在一起。从我们的观点看,这一时期的宇宙和今天看到的最初的恒星宇宙间的最大差异是,在这极早期阶段,宇宙是完全不透明的。
    包括可见光在内的电磁波也可以看成是光子流。光子是一种没有质量的粒子,以每秒30万千米的速度运动。在量子力学(可能是现代科学中经过最好验证的理论)的奇妙世界中,我们不再能够明确地区分“波”和“粒子”,而要接受任何物质都会表现出介于两者之间的“波粒二象性”。就像我们传统上认为是粒子的那些实体--例如电子和质子--一样,光在某些时刻也表现得像一个粒子,叫做“光子”,而在其他时候像一个波。
    每个光子都携带一份确定的能量,能量大小由光的颜色决定,所以确实可以说电磁波是一个光子流。现在让我们追踪其中一个光子的轨迹。它可能产生于极早期宇宙中的一次质子和反质子的碰撞。在这种非常密集的环境中,这个光子走不了多远就会碰上一个电子并被吸收掉,而电子则获得了能量。其后,光子可能又被发射出去,但这时和它原来的方向已是毫无关系了。这个过程在不断地重复,其结果是光子在任何方向上都走得很慢。
    但是当宇宙在大爆炸后30万年,恰好冷却到3000度时,一个突然的变化发生了。在这个临界时刻之前,电子这种组成普通原子物质的最轻,因而也是运动最快的粒子,运动得太快,以至于较重的原子核无法将其捕获。但到了3000度的温度时,它们就再也无法逃脱原子核的捕捉了,最初的中性原子产生了。从原子的尺度上看,被捕获的电子在一个很远的距离上环绕原子核,但如果与原子间的距离相比,电子离原子核是极近的。这样,新形成的原子之间的空间变得空旷了,光子突然能够不受阻碍地运动很长的距离。换句话说,物质和辐射分离开来,在大爆炸后30万年,宇宙变得透明了。
大爆炸的回声
    电子捕获进程对于宇宙的温度相当敏感,一旦温度降低到上述临界值之下,捕获过程就以惊人的速度发生。由于暴胀的原因,宇宙温度在整个空间范围内几乎完全一样,这意味着这一过程几乎在整个宇宙内同时发生,其结果是光线可以不受阻碍地穿越宇宙,使我们在134亿年后仍然能够看到这幅我们宇宙演化的特殊时刻的快照。这种观察过去某个特定时刻的景象的能力是天文学所独有的。通常当我们试图观察比较遥远的宇宙区域时,视线会被邻近的星系所遮挡,它们发出的光线还是比较近期的。宇宙变得透明这个不可思议的事件现在可以不受遮挡地观测到,我们称之为宇宙微波背景,或CMB。
    无论有意无意,我们的很多读者都曾亲身感受过这种伴随大爆炸的“大火球”熄灭时的微弱回声。把电视天线拔掉或者调谐到没有频道的地方,你会看到黑白的天电干扰。这种干扰中的1%来自宇宙微波背景。在它最初发出134亿年后,仍能干扰你的电视图像。
    现在,这种微波辐射的频率等效为一个平均温度仅比绝对零度高2.7K的发射机。如果这个辐射真是大爆炸自己的回声,那为什么会如此之冷?其原因是很直接的。这些辐射在发出时,宇宙的温度是3000度,在它传向我们的过程中,它所穿过的空间一直在膨胀,使得光的波长越来越长,于是表观温度越来越低。这是我们首次遇到这种叫做红移的现象,它具有极端的重要性。
    宇宙微波背景的发现为大爆炸理论的若干预言提供了强有力的支持。例如,发出的辐射与一个黑体的特征相符合。黑体是一个假设能吸收所有进入它的辐射的物体,如果被加热,则它的辐射能谱中任意频率上的强度只取决于它的温度。在实际应用中,我们可以据此得知发射体的性质。例如,它应该与外界的影响相隔绝。在大爆炸和30万年后的透明期之间的那个炽热、高密度和不透明的宇宙正是这样的一个发射体。理论和观测结果之间符合得是如此之好,在大多数数据曲线上,表示预测值的线宽要大于测量的不确定量。这在科学上是很少见的情况,在观测天文学中更是独一无二。
    最初,辐射似乎是绝对均匀的,与方向无关。即使把我们自己的星系所发出的微波辐射造成的前景辉光减去,在宇宙微波背景上较亮的天区看上去也和其他部分几无二致。但我们今日看到的宇宙却是明显“结块”的。星系组成星系团,星系团又构成超星系团,而它们之间隔着巨大的距离。这些地方正由诸如英澳2度视场巡天计划和斯隆(Sloan)巡天计划进行详尽的检查,而且已经延伸到距离地球10亿光年之遥的地方。无论从这些观测结果中我们绘制出怎样的宇宙画像,毋庸置疑的是它绝不是均匀的,所以很清楚有什么地方搞错了。在看上去均匀的早期宇宙里,一定隐藏着生成我们今天看到的不均匀结构的原因。
    宇宙背景辐射是当今天体物理学最集中研究的对象,它还能告诉我们很多东西。它标志着宇宙中最早结构的景象。最近对于宇宙微波背景更为细致的研究揭示出小于万分之一度的温度起伏。这个差异很微小,但正是形成我们今天看到的周围结构的起因。通过温度来测量物质密度差异的想法听上去有些奇怪,却有充分的理由。就像宇宙背景探测(COBE)卫星显示的那样,在发出宇宙微波背景时的物质密度不是绝对均匀的。在比平均值更为密集的区域内,引力会吸引更多的物质,这种挤压会把这个区域略微地加热,这就是我们去探测并测量到的温度起伏。
    如果没有这些涨落来让引力发挥作用,那么从一个在产生宇宙微波背景时完全均匀的宇宙中形成现在看到的这种非均匀的、有疏有密的宇宙的历程就不可能完成。但是,空间中涨落的尺度也十分重要。对宇宙微波背景的观测得到的全天图中可以看出,每个蓝色(略冷)和红色(略热)的区域大小是很相似的,平均起来是1度宽,就是满月视角的两倍。根据以上事实经过缜密思考,宇宙学家们确定宇宙是平坦的。其理由是,我们的理论能够预言早期宇宙中涨落的实际物理尺寸,将期望值与实际值相比较,可以告诉我们光线自从源头发出后被弯折了多少,这取决于宇宙中物质的数量:物质越多,光线弯曲得越厉害。在封闭宇宙中,光线弯曲较显着,造成涨落区域看上去比预计的要大;而在开放的宇宙中,物质较少,所以涨落区看上去会小很多。事实上,将仿真结果与实际情况比较后发现宇宙恰恰含有临界数量的物质,因而是平坦的。
    这种讨论既让宇宙学家们兴奋也令他们沮丧。兴奋的是,对微波背景的研究不仅能够告诉我们辐射发出的那个极早时刻的情况,还能揭示此后宇宙的整个历史。但问题是要想对早期宇宙得出确切的结论,就必须排除后期各种因素的影响,而这是很难做到的。
光的屏障
    我们已经知道在微波背景辐射产生之前宇宙是不透明的,光线无法在里面传到远方。就像在地球上没法看到云层里面一样,我们也没法看到这一时刻以前的情况。这个类比不完全准确,因为云朵自身不发光。太阳是一个更好的例子。从外面看,太阳有一个确切的表面:光球,但实际上我们看到的仅仅是物质开始变得透明的那个边界。光球内,气体是如此炽热、明亮和密集,光子无法不受碰撞地穿透出去,就像紧接着大爆炸后的那段时间一样;光球之外,气体变得透明了,光子能够自由地穿越,就像宇宙刚刚变得透明的那一时刻--宇宙微波背景产生的时刻。
    要看透云层,我们有一个替代方案:无线电波可以轻易地穿过云层,所以可以得到云层之外或者云朵里面的信息。这种技巧在宇宙微波背景这里不起作用。30万年是对所有电磁辐射的限制,似乎是难以克服的障碍。那么我们怎么能够在前面如此自信地描述在这一时刻之前的那些情况呢?此时我们需要依靠理论。这些理论中有许多曾成功地预言了微波背景辐射是什么样子,这样我们就能够将理论和实际的宇宙微波背景作比较,得出合适的结论。
    但更为理想的当然是我们希望能够越过这个障碍看到过去。为了达到这个目标出现了不少想法。比如去探测那些在微波背景辐射时代之前就幸存下来、未曾变化的高能粒子。现在已经开始寻找这种以微小的、几乎无质量的中微子或其他怪异的物质形态出现的粒子。但真正能够探测到并确定其来源的中微子望远镜,还有待建造。
在时间上回看
    和化学家或者物理学家不同,宇宙学家们没法拿到他们的研究样品并送到实验室中进行分析。但他们却有一个巨大的优势,就是可以逆着时间向回看,并且观察到研究目标在几百万年前的样子。记住,只要观测离地球越来越远的天体,就可以看到离现在越来越久远的事情。这不适用于在透明时刻前发生的事件,它们隐藏在不透光的婴儿期宇宙里。从现在起我们讨论那些有可能直接观测到的事件。
    这一章的内容始于宇宙变得透明的那一刻,就是最终作为宇宙微波背景回声为我们所观测到的时刻。近期的实验,例如Boomerang,Maxima和WMAP已经证实了COBE卫星探测到的背景辐射的微弱温度起伏,我们将此解释为宇宙密度在这一时间点上万分之一的变化。而我们今天看到的这种不均匀性要大得多:既有超星系团、数千个星系聚集在一起的区域,又有几乎没有任何物质的空间。
    我们自己的银河系仅是数百万个旋涡星系之一。当然可以去设想,没有任何理由怀疑这些星系或星系群是随机地分布在宇宙中的。但是对星系的大尺度巡查表明,在最大尺度上存在着许多蜂窝状的结构,包括长度有3000万光年的一条巨壁。宇宙是如何从那种早期刚刚变得透明、几乎但又不完全均匀的状态演化成现在的模样呢?
引力,宇宙的力
    通常认为,在天文距离上唯一起作用的力是万有引力。对一个物体,无论是恒星、行星、一个人还是一片云,引力的强度取决于它里面包含多少物质。注意质量和重量是不同的。质量表示存在多少物质,而重量表示由于重力产生的力的大小。所以一个在地球轨道上的宇航员处于失重状态,但并没有失去质量。可以把引力定义为:使质量产生重量的力。例如,月亮是太阳大家庭中较小的一个成员,其引力小到无法保持住大气。地球质量比月球大得多,把物体吸引住的能力也强得多,所以幸运的是它保持了我们呼吸所需的大气层。类似地,早期宇宙中物质密集的区域比稀疏的区域有更大的引力,可以把周围的物质吸引过来,而这又进一步增强了它的引力。所以这一过程一直在加速,就像常说的那样:富者愈富,贫者愈贫。
    在这些比较致密的区域中也存在局部的密度差异,所以有同类的过程发生。质量越大,引力越强,从周围吸引的物质聚集得越多。使用计算机能够重构当时的情景,从而建立一个比较好的模型来反映早期宇宙是如何演化成现在宇宙的大尺度结构的。
    不论这种结构在哪里形成,都必须考虑两种对立的因素:从大爆炸开始的空间的膨胀和引力作用下的局部物质的收缩。一旦天体在形成过程中积累了足够的质量,它就能抵御总体的膨胀而收缩到一起。
    一个星系团的始祖最开始时是很小的,其体积随着宇宙的膨胀而增加,并持续地从周围把物质吸纳过来。随着可以积累的物质的耗尽,它增长得越来越慢,直至停止扩张,这个原始的星系群达到了它最大的范围,并有能力凝聚到它最终的大小。引力随距离的增大而变弱,所以在宇宙演化的这个阶段,收缩仅可能发生在很小的尺度上。这样,还仅仅是气体团的原始星系开始形成。
昏暗时代
    这种聚合是什么样子的?我们什么都看不到,因为正处在被第15任皇家天文学家马丁·里斯所称的“黑暗年代”。这个时代紧接着产生微波背景辐射的时刻,当时还没有任何恒星在宇宙中发光。
    当然那里还充斥着在宇宙开始透明时产生的、还没有多久的回声。这种辐射(此时应称为宇宙电磁背景辐射,而非微波背景辐射)在3000度时开始出现,这个温度和乙炔焊焰的温度差不多。因而在此期间实际上存在着逐渐变暗、逐渐变红的弥漫的辉光。所以宇宙并未彻底黑暗过,只是昏暗而已。
    随着宇宙的冷却,在愈来愈微弱的辉光中,物质的引力收缩将最终形成星系。于是一个剧烈的变化发生了,大量的恒星爆发,昏暗的宇宙忽然被照亮,宇宙中充满了耀眼的光芒。这一刻来得有多突然还有争议,但无论如何,我们已经进入了开始形成最早的恒星的新纪元。
    在大爆炸中,实际上只有3种元素被创造出来:氢、氦和少量的锂,其他元素的含量可以忽略。我们已知的所有其他元素都是在恒星内部形成的。人们常说:我们是星尘,这是十分贴切的。我们太阳和太阳系的物质很可能已经经历过两次恒星形成的循环。其后可以看到,很多恒星在其火爆的生命史中将氢和氦转化成较重的元素。例如金元素的出现就清晰地表明它是来自超新星的爆炸。相比之下,第一批恒星在形成时只含有最轻的3种元素。
    要形成星系,气体团必须收缩。而气体要收缩,温度必须降低。在现在的宇宙中,气团收缩释放的能量可以被碳和氧原子发出的辐射带走。但在我们描述的这个时代,除了通过氢分子外没有其他的途径进行冷却。而氢分子冷却过程的效率是很低的。其结果是,只有大团的气体才能收缩,而从中形成的恒星也特别巨大。第一批恒星的质量可能有太阳质量的数百倍。既然储存了这么多燃料,那么这些巨无霸的发光时间一定比太阳寿命长很多吧?恰恰相反,这些早期恒星来也匆匆,去也匆匆,仅能存在几百万年。相比之下,太阳的整个活跃期可达90亿年。
恒星能量的源泉(1)
    要理解这点,就要考虑恒星中心深处的情形。只有一颗恒星允许我们做近距离研究,那就是太阳。太阳,像所有普通恒星一样,是个白热的大气体球,是可以吞没100万个地球这么大的球体。它的表面温度有5600℃,而在核心产生能量的地方,温度高达1500万摄氏度。我们无法看到太阳内部较深的地方,但可以检测它的构成。我们建立的数学模型可以做到符合观测结果,所以才确信对于核心温度的预测。占太阳质量70%的物质是氢,这也是它的燃料,和原始恒星的情况一样。
    我们知道氢是最简单的原子,由一个质子和一个环绕的电子组成。恒星内部是如此之热,电子被从原子核边剥离走,剩下不完整的原子称为“电离”。在恒星核心,压力和温度都极端地高,这些原子核的速度是如此之大,当它们互相碰撞时核反应就会发生。氢原子核结合成次轻的元素,即氦原子核。大家公认这一过程是间接而曲折地发生的,其最终效果是4个氢原子核结合成1个氦原子核。这个过程除了产生我们看到的恒星发出的光芒外,同时还产生另一个叫做中微子的副产品,这种奇特的粒子以后还要谈到。在形成氦的过程中要损失点质量,同时释放出很多能量。正是这些释放出的能量使得恒星发光。而对太阳来说,每秒钟要损失400万吨的质量。现在太阳的质量已经比你刚开始阅读这段话时少了许多。氢燃料不可能永远地提供下去,但目前还没有危险。太阳大约在50亿年前诞生,以恒星的标准来看正值壮年。当所有的氢耗尽后,太阳并不是简单地暗淡下去,而是会发生另一段故事,这在以后的章节中会讲到。
    所以至少在太阳中,能量来源于在4个氢原子核结合成为1个略轻的氦原子核时损失的质量。自然界中最着名的公式E=mc2告诉我们质量(m)等效于能量(E),而换算系数c2是光速的平方,非常大。所以很小的一点质量消耗就会产生出巨大的能量,而太阳每秒钟要损失400万吨的物质并转化成能量!
    这些消失的质量从何而来?氢原子是最简单的原子,只有1个电子环绕1个质子。所以4个氢核中的每个都是1个单独的质子;氦核则由2个质子和2个中子组成。但是,中子比质子稍微重一点,所以如果把这些粒子的质量直接加起来就会发现,1个氦核比4个氢核要重,质量反而增加了!但实际上,尽管氦原子核由重一些的粒子构成,然而其总质量却确实比4个质子要小。要记住这一领域是由量子力学和其关联效应所主宰的,答案也就在这里。如果我们测量单个质子的质量,那么它确实比中子轻。但这些亚原子粒子不是自由的。在氦原子核中它们被强核力束缚在一起,无法自由运动。在亚原子粒子形成这种束缚时会释放出能量,我们测量到的结果就是质量的降低。
恒星能量的源泉(2)
  为什么产生的原子核要有2个质子和2个中子?如果2个单独的质子之间能形成稳定的约束关系,那么天体物理学家们对于核反应的研究就会变得简单得多。因为那样的话两个质子迎头相撞就能结合成这种“轻氦核”,并释放出电磁波。然而,两个质子带有相同的正电荷,电磁力使它们互相排斥,而它们之间的作用力不足以将它们约束在一起。因此,与这种简单的结合质子的方式所不同的是,在太阳和其他恒星内部,这一过程相当错综复杂而且惊人地缓慢。
    由于无法把两个质子简单地结合到一块,我们必须绕过这一阻碍形成更复杂的原子核的状态。在下面的讨论中只需要考虑原子核,而非整个原子。因为在恒星内部这样的高温下,环绕原子核并组成原子的电子早已因能量过高而无法捕获。唯一起作用的是弱核力,它会造成质子自发地衰变成中子,并释放出1个正电子和1个中微子。新产生的中子可以被一个经过的质子捕获,形成一个氘核。氘实际上就是重的氢,等于1个中子加上1个质子。弱力真是名副其实,这一步骤会耗费很长时间。在太阳中心,一个质子可能平均要等上50亿年才会形成一个氘核,而此后的一切就进行得快多了。
    在平均1秒左右的时间里,氘核就会抓获另一个质子结合成一种有2个质子和1个中子的稳定的原子核,即氦-3,氦的一种较轻的形式。经过约50万年,这个原子核会撞上另外一个,形成我们更为熟悉的有2个质子和2个中子的氦核,同时释放出2个质子,它们会参与到下一个循环中。这个步骤要把两个带正电的原子核结合到一起,难度较大因而较为缓慢。只在极近的距离内才起作用的强力把两个原子核吸引到一起,而电磁力又抵抗强力使它们互相远离。最后原子核会靠近到使强力发挥作用的地步。这样我们最终获得了辐射形式的能量,一个正电子--它会和它的反粒子结合释放出能量--及一个中微子。
    中微子是以高速运动的微小粒子,几乎不与其他粒子发生作用。所以在从太阳中心发出后相对不受周围气体的阻碍。它们中的一些会到达地球,被我们建造的大型探测器所发现。许多年以来都有这样一个问题,就是我们预计每一次产生氦核的碰撞过程中都会产生一个中微子,而探测到的中微子太少。不过中微子有一个惊人的本领,就是在途中改变“味道”或者类型。粒子物理学家发现存在3种中微子,而且它们能够随着时间互相转化。原来的实验都只对其中一个特定类型的中微子敏感,而无法探测到其他类型。总之,这些实验告诉我们,在太阳中心,这一比地球上进行的任何实验都高得多的温度下所发生的反应,我们对它的认识是基本正确的。这些实验也首次提供了可靠的证据,证明中微子具有有限(虽然很小)的质量。因为如果它们像以前认为的那样不具有质量,那么就不可能从一种粒子类型转化成另一种类型。
光谱
    艾萨克·牛顿爵士首次将一束阳光穿过一只玻璃棱镜,证明了阳光是由从红色(长波长)到紫色(短波长)的各种波长的光线的混合。他把阳光通过小孔和棱镜,射出后形成一条彩色光带,这是首个有意制成的光谱。牛顿并未做进一步的实验,可能因为那时棱镜的玻璃质量欠佳,无疑更为可能的是还有其他的事情正等待他去考虑。下一个真正的进展来自英国科学家W.H.渥拉斯顿。1801年,渥拉斯顿在屏上用一道狭缝代替了小孔,得到了里面横跨着许多暗线的带状太阳光谱。渥拉斯顿认为这些线仅是各种颜色之间的分界,从而与一项重大发现失之交臂。十多年后,德国光学家约瑟夫·夫琅禾费做到了这点。
    像渥拉斯顿一样,夫琅禾费获得了太阳光谱。他把暗线描画下来,发现它们的位置和强度是不变的。例如在光谱黄色的部分有两条非常明显的暗线。这些线条是如何形成的?1858年古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生给出了答案,同时奠定了现代光谱学的基础。
    就像望远镜收集光线一样,光谱仪把光分解成彩虹样的光谱。观察发光的固体或者液体的光谱,你可以看到彩虹似的连续谱带;而低压气体的光谱却大不一样,与一条彩带不同,只能看到分立的亮线,即发射光谱。基尔霍夫和本生发现,每条谱线都是某种特定元素或者元素组合的标志,而且不会重复。例如钠会产生2条明亮的黄线以及其他亮线。有些元素的光谱比较复杂,比如铁有数千条谱线。而他们伟大的洞察力在于,发现太阳光谱中的暗线和实验室里发光气体光谱中的亮线是一一对应的。现在知道每条谱线都产生于气体原子外层电子某个特定的状态跃迁。如果气体很热,电子的能级降低时就会放出能量,我们就能看到发射线;如果气体较冷并且背景光是像阳光那样的连续谱的话,我们就会看到一条暗线,因为电子在相同的频率上吸收了能量,并跃迁到上面的能级。在太阳光谱黄色部分里的那一对特殊的暗线就是相对较冷的钠蒸汽存在的明确迹象。通过对这些夫琅禾费线的研究,可以得到被称为“反变层”的太阳内层大气中所有气态元素的丰度。
    被称作夫琅禾费线的这些暗线还可以提供运动的信息,继而间接地告诉我们天体的距离。注意一下救护车鸣笛的声音。与静止时相比,当汽车朝我们开来时,每秒钟内有更多数量的声波进入耳朵,其效果是波长变短了,所以声调听上去越来越高;而当汽车经过后驶离我们时,每秒钟进入耳朵的声波数减少,波长增大,所以音调变低。奥地利科学家多普勒首先对这种现象做出了解释,后来这种现象被称为“多普勒效应”。对光来说也存在同样的现象。对于一个正在靠近的源,波长的缩短令光线变蓝;对于正在退行的源,光线变红。这种颜色变化极其微弱,难于察觉。但是会在夫琅禾费线中有所反映。如果所有的谱线都向红端,即长波长端移动,那么光源就正在远离我们。红移越大,退行速度就越大。
    现在回到太阳光谱。太阳的明亮表面,即光球,产生连续光谱。其上的是一层压力低得多的大气(色球层),所以预计应该产生发射光谱。事情也确实如此,然而在一个明亮的彩虹背景的映衬下,这些谱线被“反转”了,看上去不是亮的,而是暗的。但是它们的位置和强度不受影响。日光光谱黄色部分的两条暗线对应着钠的发射线,所以我们断定太阳上存在钠。
首批恒星的命运
    随着最早的恒星出现在宇宙中,它们的光芒终结了黑暗时代。这些恒星质量巨大,每个可能相当于150个太阳。伴随着巨大体积而来的不断增加的重力把它们的核心加热到非常高的温度。为恒星提供能量的核反应继而加速进行,所以物质被迅速地消耗掉。最早的恒星有可能在100万年里就把自己的燃料用光。
    在首批恒星诞生之前,宇宙是一片原子的海洋,主要是氢原子。巨大的恒星开始发光后,其辐射四处传播,将电子踢出原子,使之电离。逐渐地,每个新恒星的周围都围绕着一个电离气体的气泡。恒星能量越大,产生的气泡就越大。恒星的能量只能影响有限范围内的气体,但这些恒星的体积和能量是如此巨大,它们造成的电离气泡可能有数万光年大小。
    接下来会发生什么?围绕着两个不同恒星的气泡会偶尔相遇,一旦如此,里面的所有物质都会处在两颗恒星共同的辐照之下,被两倍的能量所激励。气泡扩展得更为迅速和庞大。这意味着有很大的可能这个扩大的气泡又和另一个邻居相接,于是整个过程进一步加速。经过相对短暂的时间,在原来充满中性氢的宇宙中,99%以上的物质都被电离了!
黑洞,一个单向的旅程
    这种最初的电离相当不合逻辑地被称为“再电离时期”,它的产生还有另一个可能的原因。包括我们星系在内的几乎每一个星系,其中心都有一个大质量黑洞。黑洞是大质量恒星坍缩的产物,它的引力是如此之强,即便光也无法逃离出来:它的逃逸速度太大了。逃逸速度的概念一目了然,就是一个物体要脱离某个质量更大的物体的重力场时,所必须具备的速度。最终,一个坍缩恒星的逃逸速度会达到每秒300.000千米,即光速。光是宇宙中最快的,而当光都无法再从那里传出,那么在这个古老恒星的四周就会形成一个禁区,没有任何东西能从那里逃逸。当然我们无法直接看到黑洞,因为它根本不发出任何辐射。但我们可以确定它的位置,因为能够探测它对其他天体的引力效应,例如当黑洞是双星系统的一个成员时。
    结果是黑洞与其周围被割裂开来。因为任何辐射都无法逃出,所以我们没有办法探索其内部,而只能猜测里面的情况。如果掉落到黑洞里自然是有去无回,所以我们强烈地建议不要这样做。科学家们创造了一个新词叫“抻面条”来形容这个过程,相信任何人想到这点就都不会贸然前往了。
    黑洞通常是由大于太阳质量8倍的恒星坍缩形成的,而在星系中心,等于数百万个太阳质量的巨大黑洞可能另有来历。这些庞大的黑洞可能是在宇宙非常早期的阶段形成的。如果这样,那么第一缕光线可能还不是由恒星发出的,而是物质掉落进黑洞时被加热的结果,这也足以造成普遍的电离。如果是这种情况,那么这些黑洞依然存在着,在目前仍然隐藏在星系的中心。现在还不清楚,这两种可能的再电离机制中到底是谁在起作用。我们必须对这个时期有更多的了解,才有可能平息这场争论。
超新星
    无论哪种理论正确,这种最早的庞大怪异的恒星都存在过,而且在再电离时期,它们对周围的影响也未结束。我们已经看到它们的寿命短暂,而其灭亡的过程却很激烈。不像正在等待我们太阳的相对平静的未来,这些巨星的终点是灾难性的爆炸。
    一颗恒星的外层是由中心发生的核反应所产生的能量来支撑的。当这一过程的燃料耗尽时,外层就会坍塌,增加了内部核心的压力和温度。这种变化会使得以前一系列反应所生成的氦核互相碰撞、反应并结合成更重的元素。同时,内核外围的氢还在继续燃烧,其结果就像一层层的洋葱一样,重元素不断地在中心形成。最后,铁的产生中止了这个循环。铁原子核是最为稳定的,当它们相互碰撞时会损失能量而不是释放能量。一旦一颗巨型恒星生成了铁核,就没有什么能够阻止外层向内的坍缩。很快一个致密的核心形成了,冲击波激荡在星体内,将其余的物质向外抛出,一个光和热的巨大爆炸发生了,这就是我们看到的超新星。
    超新星的爆发已经相当猛烈,更厉害的是特超新星:无比巨大的恒星由于同样的原因发生的爆炸。这也还不是最极端的情况。我们所知的最具灾难性的事件叫做伽马射线暴。
伽马射线暴
    伽马射线是电磁辐射中能量最高的形式,它的波长甚至比X光还要短,在0.01纳米以下(1纳米是10-9 米)。尽管在全天有一个几乎是恒定的均匀伽马射线背景,但在其中确实发现了一些分立的源。这些持续几分钟的伽马射线的突然爆发极有威力,它能够穿过可视宇宙被探测到。伽马射线最初的爆发后,在其他频谱段会出现一个“余晖”。找到这支正在暗淡下去的“冒烟”的枪,对于天文学家们确定我们离最近的爆发的距离非常关键。我们现在知道这些伽马射线暴是十分遥远的。一个单独的爆发所发出的能量超乎想象,太阳在整个生命中发出的能量尚不及伽马射线暴在几分钟内释放的能量多。
    尽管不同爆发的原因似乎不同,但许多伽马射线暴产生于超大质量恒星死亡之时。记住一旦这些恒星中用于核反应的燃料枯竭,从中心发出的辐射就消失了。重力最终赢得了战斗。恒星的外层向内塌陷,中心区域彻底坍缩形成黑洞,同时外层被反弹回来并以极高的速度被抛出。释放的能量是如此巨大,在恒星的一生中所合成的原子核又重被打碎,一切几乎又变回了氢。但是,这种巨大爆炸中的能量又会引发进一步的核反应,将氢原子聚变成更重的元素,其中特别包括那些比铁重的元素。
    爆发是否较弱,从而意味着距离较近;或者是非常强劲,即十分遥远。现在我们相信这些爆发是从离我们10亿光年的源头发出的,而且不可思议地强大,可能是自大爆炸以来最大的爆炸!
    如果这个爆炸的恒星像第一代恒星那样大,那么向外释放的能量就足以产生一次伽马射线暴。在我们邻近的宇宙中,最大的恒星只有太阳的20~30倍,我们看到它们以相对温和的超新星方式灭亡。但是一颗超新星的光芒已足以盖过它所在的整个星系,所以一颗特超新星可以穿过整个可视宇宙被看到。
    伴随这激烈的灭亡,爆炸产生的冲击波以接近光速横扫过去,相似的过程可以在哈勃太空望远镜拍摄的附近超新星的照片上看到。濒死的第一代恒星产生的冲击波除了加热周围的气体外,还使得周围的气体云随之收缩,触发了下一代恒星的形成。这些新恒星在形成过程中吸收了第一代恒星产生的元素,这些元素在更早的时期还不存在。这些原子,尤其是碳和氧,能有效地把收缩云气中的能量辐射出去,这促使气体团冷却碎裂,形成更小的团块,进而形成较小的恒星。结果是,这些第二代的恒星与我们现在看到的恒星非常相似。它们中最小的那些,也就是寿命最长的,可能今天还在闪烁,并且可以在银河系里找到。
    这些恒星的确切质量对于其命运有着决定性的影响。例如,300个太阳质量以上的恒星会直接坍缩成大质量黑洞,既没有物质被抛出也没有冲击波扩散出来。而在160个太阳质量上下的恒星则会形成成对不稳的超新星。这种爆炸正好产生大量的正电子,即电子的反粒子。当正反粒子相遇时,它们会在湮灭的同时产生能量。这些超新星中的这种能量足以防止核心的坍缩,这样黑洞和中子星都不会生成,而所有的物质都被抛出,进入第二代恒星的形成过程。我们相信在宇宙早期有大量的这种尺寸的恒星形成,并按照这种机制进行演化。
相对论——观测者的指南
    黑洞的物理学通常是用广义相对论的语言来描写的,所以值得花点时间做些了解。根据爱因斯坦的理论,两个拥有各自独立的参考系的观测者,当相对加速(或减速)时,它们的时标无法保持一致。换句话说,我觉得经过了10秒钟,而如果你正在加速离开我,那么会感到只过去了6秒钟。
    人们首先会想到“哪个人是正确的”,然后去检查时钟是不是被动了手脚。然而相对论明白无误地告诉您,两者都是对的,这里面没有人施展诡计。不同观测者的时间确实在以不同的速度流逝。不过一些常识性的原则被保留下来。例如两人观察到的事件发生的顺序是一致的。故而尽管可能其中一人看到A在B之前一分钟发生,而另一人看到A和B同时发生,任何人不可能看到B先于A发生。所以因果关系保持不变。但许多其他我们认为是理所当然的常识都不再成立了。
    为什么在日常生活中从未经历过这种类似悖论的事情?为什么我们从未见过时钟在以不同的速率走动?答案是,我们很幸运没有生活在黑洞附近。在没有极端的加速度,或接近光速的高速,或非常巨大的质量聚集在一起的条件下,这些改变微乎其微,牛顿的运动定律可以很好地得到符合。爱因斯坦并没有去证明牛顿错了,而是扩展了牛顿的思想,使之在更为极端的情况下依旧准确。
    黑洞除了对时间的流逝有如此作用外,相对论还告诉我们巨大的质量是如何影响周围的空间的。相对论难于理解的原因之一是其数学框架是四维形式的:三个我们所熟悉的空间维度加上一个时间维度,空间和时间不再独立存在。为相对论提供了大部分数学架构的闵可夫斯基曾这样说道:单独的空间和单独的时间消失得无影无踪,而这两者的复合体开始大放异彩。
    如何去想象一个四维的球体?我们都不能。但可以通过只考虑两个维度来对它的特性有所认识。把时空想象成一条四角拉紧的平展的床单。现在在中间放上一只圆球或其他重物,床单就会变形。就像理论告诉我们质量使得时空扭曲一样。穿越这个畸变时空的光线,其路径也会被扭曲。在一个大质量黑洞附近,这种效应会强大到使一个观测者在某个合适角度能同时看到周围星盘的正面和反面。
虫洞,现实还是科幻小说
    对黑洞里面的情形,我们只能猜测。难道这个倒霉的恒星真把自己挤压成不存在的东西了吗?有人提出这样一种想法,就是黑洞使得时空畸变到出现一条连接宇宙间不同地点和时间的,甚至连接不同宇宙间的通道。这种叫做虫洞的观点目前还处在科幻小说的范畴,它为里面的人物提供了一种有用的武器使之可以摆脱现代物理学的束缚。但是必须提到,在对黑洞这种怪异物体的严肃的科学研究之中,虫洞的观念也包含在研究内容里。
    目前的状况也许可以这样说:任何经过检验的理论都没有排斥虫洞的观点,而同时也没有任何倾向于这种观点的证据。无论如何,在黑洞内部,所有的普通科学规律似乎都已失灵,我们深信不疑的那些常识也不再管用。
章序
  第三章  演化中的宇宙  大爆炸后7亿~90亿年
    在前两章的讲述之后,我们到达了宇宙演化史上出现能够实际看到的分立天体的时间点。甚至在最早的恒星出现之前,物质收缩形成星系的过程就已经开始。哈勃太空望远镜的深空图像揭示出大爆炸后7亿年时的星系景象--它们看上去与在我们附近的天体不同。许多都较小,而且有各式各样奇怪而美妙的形状,有些里面还有大质量黑洞。占主导地位的是神秘的类星体,现在知道这种能量源是非常活跃的星系核,其光度等效于几千个银河系。因为它们如此明亮,所以可以从很远的地方看到,也就是可以追溯到宇宙相当年轻的那些日子。
超大质量黑洞
    在这些星系的中心,甚至在很早的阶段就存在着数百万太阳质量的超大质量黑洞。就像我们前面提到过的,它们可能直接由坍缩的气体形成,也可能是大质量恒星的残余又吸附了大量的额外物质而形成的。无论如何,这一尺寸的黑洞其引力都十分巨大,能够吸引庞大数量的物质。
    看来在星系形成的早期,当恒星刚开始形成时,有大量的尘埃和气体存在。这些物质的存在为黑洞提供了燃料,并向内旋转形成圆盘状。这时,它所发出的光线分成多个束流,当我们沿着其中一束的方向看过去时,就看到了被称作类星体的威力巨大的信标。在宇宙演化的这个早期阶段,这些原始星系之间的碰撞是很平常的。而当两个星系合并时,新的物质被吸入一个或几个黑洞中,类星体发出闪亮。实际上,所有大质量星系,包括我们的银河系,在演化过程中都经历过类星体的阶段。而近来对某些类星体的研究发现,在其他方面它们就是普通星系。当燃料最终耗尽时,星系就稳定下来。
    这个在地球轨道上运行的天文台将望远镜指向了一块以前从未引起过任何兴趣的天空。长达100万秒(略长于11天)的极端长时间曝光使得来自最暗
    弱天体的光线也能积累到可被探测到的水平,将这块似乎空无一物的天区变成充满成千上万个星系的地方。图中每一个斑点都代表一个背景星系,而不是背景恒星。并且尽管有少量较近的星系看上去完全平常,大多数则是小很多,暗很多,且明显怪很多。即使根据直观印象也能得出一些结论。例如,颜色发红的星系是最远的,因为红移很大。所以我们可以把这些探测到的天体按照大致的演化顺序分类排列。
    通过观察这些最早的星系并尝试以上的分析,可以获得对今天星系如何形成的深入认识。我们不再认为每个星系都是相互隔绝地形成的,否则,在超深空照片中,较大的“普通”星系应该少些。根据模拟结果提出的新的图景是:早期的坍缩会导致较小的结构,然后再经过一系列的碰撞合并形成较大的系统。在可观测宇宙最远古的区域里的这些大量的小星系正是这一过程的原料。探测到的这些星系为这一理论增加了砝码。在超深空视野照片中所看到的正是建造我们所熟悉的现代宇宙的砖石。这一进程甚至可能仍在继续,近年来我们已经认识到银河系也是一个吞食同类的巨物,因为天文学家观测到它正在把一些矮星系撕裂。
    这些小系统环绕大星系运动,但渐渐地被拉了过来。最终它们的轨道变形到经常穿越大星系的星系盘。而每次穿越都会被大星系夺走气体和尘埃。经过这样的几个回合,小星系彻底丧失了自己,成为更大的系统的一部分。这就是等待银河系最显着的两个伙伴--大小麦哲伦云的命运。
    哈勃太空望远镜拍摄的美丽的超深空视野照片,在它的继任者出现之前可能一直是独一无二的。图中那些星系的异常颜色体现出我们所掌握的、本书中心议题的最根本的证据,这就是宇宙确实在膨胀。这众多天体的不同颜色代表着不同的红移。天体越红,看上去就离开我们越快。我们看到的光线在大爆炸后7亿年--宇宙年龄的5%--时就离开了它们。通过对地基望远镜获得的这些星系的谱线位置的分析,已经证实了这一点。
    贯穿这一时期,这些结构还是通过自身引力造成的物质收缩来形成,就像在黑暗(或昏暗)时期那样。这当中也包括最后形成银河系的种苗。银河系的大小超过了平均值,但也不是非常特别。它相当于1000亿个太阳的质量,但赶不上邻近的仙女座旋涡星系。本星系群也不是特别突出,其他的星系群要庞大得多。平均在6000万光年处的室女座星系团包括1000多个星系。
我们的星系:银河系
    年轻的星系中储备有大量的气体和尘埃,可以转变成恒星。这些星系的光芒主要发自明亮年轻的蓝色恒星,看上去和我们的星系--一个非常正常的旋涡星系很相似。在讨论其他星系之前,有必要详细地了解一下银河系。我们知道它是旋涡状的,其中心距离我们26000光年。整个系统的总直径超过10万光年,看上去像一个双凸透镜(或两个背靠背叠在一起的煎蛋)。沿着这个系统的平面望去,可以看到许多星星几乎排在一条线上,形成了从太古时代起就被称为银河的横跨夜空的壮丽的光带。中心核球(煎蛋蛋黄)的直径约2万光年。平面之外离开星系盘,在我们称之为银晕的地方有巨大密集的球状星团和许多流浪的恒星。
    银心不易看到,因为中间有太多遮蔽的物质。但是射电波和X射线则不受阻碍。银河系中心位于人马座的繁星之后,其精确位置是人马座A*(读作人马座A星),是一个很强的射电源。在中心区有盘绕的尘埃云和能量巨大的恒星组成的星团。在很靠近真正的中心的地方有一个260万倍太阳质量的黑洞。其证据来自星表编号为S21、质量是太阳15倍的一颗恒星。长期的跟踪研究发现它在围绕着一个中心天体以15.2年的周期运动。它离中心天体最近的距离只有17光时(光速×小时),已经贴近黑洞“事件边际”的边缘。在那个界限之内,任何东西都无法逃出。它绕行的速度是惊人的每秒5000千米。从它运动的方式可以推断出中心天体的质量。这一质量是如此巨大而又局限在如此狭小的体积内,除了黑洞,别无可能。
    星系在旋转。太阳大约要用2.25亿年转完一周。这一周期通常叫做宇宙年。在一个宇宙年前,地球上最高级的生命形式是两栖动物,甚至恐龙都还没有出现。设想一下一个宇宙年之后的地球是什么样子将是十分有趣的。我们在离星系主平面不远处运动,并刚刚离开其中一条旋臂--猎户臂。所以我们现在位于一个相对空旷的区域。
旋涡星系
    许多星系是螺旋状的,除了唯一一个令人困惑的反例之外,所有的旋臂都由于星系的旋转而呈现拖尾状。现在认为旋臂是由回荡在系统内的压力波造成的,里面的某些区域里星际物质的密度比平均值要高,这将引发恒星的形成。最容易看到的恒星质量很大,以宇宙学的标准来看,在它最终爆炸成超新星前的寿命是较短的。但它们明亮的光芒使得旋臂变得明显。当压力波扫过后,激烈的恒星形成过程停顿了,这个旋臂变得不那么突出。而扫荡的压力波又会造就一条新的旋臂。如果这种图景是正确的,那么在几千万年的时间里,我们的银河系仍会有旋臂,只是这些旋臂是由另外的恒星构成的。
    支配星系旋臂的物理学规律可用一个日常的问题来类比,就是交通拥堵。想象一下M25--伦敦的环路--上的交通,所有汽车都以几乎相同的速度前进,但是如果道路较挤,一辆车稍微减速就会让它后面的车排起队来。这正是聚集在环绕星系核心的旋臂上的气体或尘埃的情况。每辆具体的汽车只会在有限的时段里成为拥堵的一员,而之后仍会在环路上继续前行。但拥堵会持续下去,只是换成了后面跟上来的车辆。
    通过多普勒效应,我们已经测量出很多星系的旋转。如果一个旋涡星系正在旋转,那么在一侧的所有物质将朝向我们运动,而另一侧的所有物质将远离我们(当然要排除星系自身的整体运动)。这种运动将表现在谱线的位置上,所以可以据此测量出旋转的速率。而星系旋转的一个奇怪的特征还具有更深刻的意义。
神秘的暗物质
    在我们太阳系中,行星绕日公转的速度随着它们到太阳距离的增加而减少,因为离太阳越远,引力越弱。顺理成章地,同样的规律也应该体现在旋转的星系上。靠近中心的星的运动应该比远离中心的星的运动快得多。然而天文学家惊奇地发现,不是这么回事。远处恒星的宇宙年比预计的要短,所以旋臂不会很快地卷绕起来。星系的情况似乎介于太阳系和一个刚体之间。刚体的情况像一个旋转的自行车轮子,在车轴附近的一块泥点的移动比在车圈上的移动慢得多,但两者用同样的时间走完一周。
    如果星系里的恒星像行星环绕太阳那样简单地围绕着一个中心质量旋转,就无法解释这种奇怪的现象。唯一可能的答案是这个系统的质量并不是集中在中心或中心附近,而是分布在整个星系盘和星系的外侧。最有可能的解释是存在分布在整个星系晕内的暗物质。暗物质完全不可见,只有万有引力才能泄露它们的所在。
    暗物质是否就是普通的物质?比如大量非常暗弱的低质量恒星,除非它们按照宇宙标准来看聚集得很近,否则我们将无法看到。当然恒星的数量是很多的,最新的估计是在可视宇宙中恒星的总数达到7×1022个,但似乎它们的总质量也无法与暗物质总量相匹配。
    这些质量是否有可能被禁锢在黑洞中了?我们可以计算现已掌握的这类质量,发现还是远远对不上。史蒂芬·霍金曾预言存在地球质量级别的黑洞,但还从未发现过。曾经看起来更有希望的一种方案涉及中微子--没有电荷的快速粒子,不易检测但数量极其丰富,在驱动恒星的反应中大量产生。每秒钟有数千个中微子穿过我们的身体,如果中微子具有一点质量,那么就可以为暗物质提供一种解释。与几年前相比,现在我们对此有了更深入的了解:尽管中微子不是完全没有质量,但它的质量远不够解决这一问题。
    我们还剩下两种选择。一是暗物质可能是由现在还未知的基本粒子构成,每个质量很小,但数量足够多,可以解释这种差异。这种假设的粒子叫做弱相互作用重粒子,即WIMP。而粒子物理学已经对它们应该是什么样子给出了具体的预言。另一种解释是暗物质由普通物质构成,以暗弱而大质量天体的形式存在,例如行星,或棕矮星一类的小恒星。对这类称为大质量致密晕族天体,即MACHO的探测已经在进行,据信它们潜伏在大质量星系的星系晕中。探测已经取得了一些积极的结果,现在我们在等待发现一个经过的WIMP。然而事情并未就此完结。
为什么有暗能量
    根据最新的估计,可视宇宙--即我们可以看到的所有的东西:星系,恒星,行星等--仅占宇宙中能量的4%,另有23%是以暗物质的形式存在。而剩余的73%要归于所谓的“暗能量”。
    直到宇宙史上的这个阶段--大爆炸后约70亿年时,在引力的影响下膨胀变慢了。引力是唯一能在天文距离上造成显着差别的力,而且这是一种将物质拉到一起的吸引力。我们或许可以预料,引力的强度将决定宇宙的终极命运。
    在我们讨论的这个时代,宇宙在膨胀。而且直到今天它仍在膨胀。但是这个膨胀会永远持续下去吗?还是说在至少800亿年后星系会掉转头来再次冲到一起形成一次大坍塌?所有这些都取决于宇宙中物质的平均密度,用希腊字母 表示。如果 大于1,引力占据上风,在时间终结之时会有一次大坍塌;如果 等于1,那么膨胀会逐渐减慢但永远不会完全停止,这被称为一个平坦的宇宙。如果 低于这个临界值,膨胀将变慢,但将一直持续下去。在讨论暴胀时说过,我们掌握的证据似乎说明宇宙是平坦的。但是对一种特殊类型的超新星:Ia型超新星的观测提醒我们,事情可能复杂得多。
    让我们通过这些超新星回顾一下位于大爆炸和今天的中间点的关键时代。为什么这种类型的爆炸如此特别?因为这些爆炸的极大光度即内禀亮度都是相同的,所以可以作为标准烛光使用,让我们能够测量距离。我们将超新星爆炸时在天空中的视亮度和它的内禀亮度相比较,其差值就表示距离有多远。看起来更亮的超新星一定是距离我们更近。
    为什么这些超新星都具有相同的内禀亮度?据认为这类超新星产生于一颗普通恒星的白矮星伴星的彻底毁灭。较小而致密的矮星从它的较大的伙伴那里吸积了过多的物质,最终它自身变得不稳定。这颗矮星在一次巨大的热核爆炸中把自己炸成了碎片。由于这种爆炸总是发生在同样的临界质量下,爆炸的光度在每种情况下都是一样的。
    我们有两种方法计算包含超新星的星系的距离:通过谱线的红移和超新星的峰值光度。但在什么地方出了问题,使得超新星看上去比它们本应具有的亮度要暗,所以似乎比预计的遥远。这也正是天文学家们期待的最后一件事情。只有一种可能的解释,现在宇宙膨胀的速度一定比以前要快。宇宙的膨胀正在加速而非减速,这种使宇宙膨胀加速的能量我们称之为暗能量。
第五种力
    这是怎么回事?在整个物理学史上,有四种力被认为是足以解释物质之间的所有可能的相互作用:电磁力(造成异性电荷之间的吸引力)、强核力(将原子核约束在一起)、弱核力(造成放射性衰变)和引力(在整个宇宙范围内起作用的吸引力)。引力是四种力中最弱的,但在天文学家们关心的领域里它是最重要的。因为这是唯一在很远的距离上仍起作用的力(虽然电磁力也能产生长程作用,但因为物质平均起来是电中性的,所以这种力被抵消了)。而一个加速中的宇宙需要一种先前未曾显示出效应的第五种力。
    对于起这种作用的力已经有了许多理论性的假设,基本上大多数都是才一提出即遭抛弃。它把我们带入了奇异的真空力和虚粒子的世界。我们自然而然地把真空想象成不存在任何物质的地方,但是量子物理学告诉我们,这种想法过于简单了。任何真空都充满了沸腾起伏的大量的“虚粒子”。它们总是以粒子和反粒子的形式成对出现。这些带有相反电荷的虚粒子在互相碰撞湮灭之前只能存在不到10-43秒的短暂时间。这一过程可以描述为真空首先借来用以产生粒子的能量,然后在宇宙的其他部分觉察到之前,通过湮灭将能量返还。但在虚粒子短暂的存在期内对其周围却会产生影响。实际上在实验室中发现在某些情况下它们会产生斥力。这可能正是我们寻找的东西。而且,真空的体积越大,力就越强。所以我们预计随着宇宙的膨胀力会变大--恰如我们观测到的。
宇宙剪切
    暗能量存在的进一步证据来自意想不到的一个方面。通过观察几十万个星爱因斯坦在黑板前。1923年12月6日系的形状,天文学家能够测量出自光线从每个星系发出后宇宙的膨胀。这种方于荷兰莱顿。法被叫做宇宙剪切,它依赖于光线路经质量时产生的弯曲。这种效应最壮观的例子是爱因斯坦环。来自遥远星系的光在从近邻系统的旁边经过时被严重扭曲,扩散成一个环形。近邻的系统位于中心。星系的图像也常常被扭曲和拉伸成弧状。除了这些极端的例子,我们看到的每个星系的图像都存在某种程度的畸变,畸变的大小反映出光线在到达观测者之前经过的质量总量。对大多数星系而言这种效应很微弱,只表现为星系在天空中位置上的小小偏移。这就存在一个问题,我们只能看到星系发生偏移后的景象,而要测量出途经的质量及计算出膨胀的大小,我们需要与一个从星系发出后未经任何畸变的光线作比较。对任何特定的星系,这都是不可能的。然而通过天文学家设计的对庞大数量星系的巡查,可以对很多星系作统计平均来提取出这类信息。其结论是明白无误的:光线从星系到我们之间所走过的路径需要用一个加速的膨胀来解释。
    不过这里又冒出一个漏洞。在发现宇宙加速膨胀之前,粒子物理学家们找到了一大堆理由来解释由他们的许多理论所预言的这种效应为什么在宇宙中没有表现出来。实际上我们处于这样一种境地,就是能够解释为什么要么根本没有互斥力,要么存在一种极强的排斥效应。不幸的是,我们观测到的只是一种非常弱的力(尽管在宇宙范围内累积起来这种效应非常显着),而且与预言差距甚大。实际上,天文观测结果与最好的理论模型之间的差别高达10120倍。这是有史以来在科学上理论和实验之间最大的误差。但是,这就是我们已知的最佳解释。
    而情况可能更为复杂。我们曾假设互斥力是不随时间变化的,这个假设只是出于不要把事情弄复杂的愿望,而无其他确实的理由。(要知道科学家们常常引用奥卡姆的剃刀原则:当其他方面都相同时,最简单的方案就是正确的方案。)有些宇宙学家则相信,造成加速的力的强度的确随时间变化。
    这些问题即将开始解决。今后20年中的进一步观测已经计划好。不过公平地说,在很大程度上我们还在黑暗中摸索。
章序
  第四章   恒星与行星  大爆炸后90亿~92亿年
    在前面的章节中,我们看到宇宙被第一代恒星所点亮,以及星系的形成。现在,当大爆炸过去90亿年时,宇宙看上去很像我们现在所见到的周围的情况,星系中充满了第二代恒星。现在到了仔细谈论恒星演化的时候了。我们已经对第一代恒星作了一些介绍,但对它们实际的形成过程一带而过,因为当时关注那些能够延展到整个宇宙间的效应。我们知道它们会在耀眼的闪光中结束自己短暂的生命,它们的超新星爆炸将重元素撒向四方。另外,还有一个极为重要的效应,爆炸形成的冲击波将激发新恒星在周围气体云中的形成。
    很长时间里类星体都是最显着的天体。它们中心的黑洞吞噬着其所能够得到的巨量的气体和尘埃,释放出庞大的能量。当这些尘埃和气体消耗殆尽后,类星体暗淡下去,宇宙里剩下大量的“正常”星系。50亿年前,气体转化成恒星的速率加快了,宇宙变得更加明亮。后来,40亿到50亿年期间,燃料开始耗尽,垂死的恒星超过了正在诞生的恒星。同时,就在这一时段,在一个不起眼的旋涡星系中,我们的太阳开始形成。下面让我们仔细地探查一下恒星形成的过程。
恒星的诞生
    恒星在星系中的形成并不是均匀地发生的,周围物质的条件会对收缩产生影响。像我们自己的星系的旋臂就是一个很好的例子。对任何旋涡星系的光学照片一眼看去就能发现,旋臂上的恒星趋向于蓝色,而核球处的则呈黄色。以宇宙标准来看,旋臂上的炽热大质量蓝星寿命是较短的,只能维持几千万年。这意味着无论我们在何处看到了蓝色恒星,就可以确定这片区域内的恒星是在相对较近的时期内形成的。所以可以得出结论,在旋涡星系中恒星的形成集中在旋臂上。
    包括太阳在内的所有恒星都是在巨大的恒星孕育区内形成的,我们称之为星云,可看作是气体和尘埃的仓库。在星云之内,充满宇宙其他地方的强烈辐射被挡在外面,故而物质能够冷却到非常低的温度,而如何达到这点对于整个恒星形成过程是非常关键的。最初,冷却是由于氢分子能够向外辐射出能量,能量的流失冷却了云气,温度降了下来。其后这项工作由碳或氧原子更加高效地完成了。在这一气体区域中,由引力作用造成的收缩与粒子的随机运动相对抗,如果这些粒子运动很快,就可以克服引力带来的紧缩,这个气团就永远不会收缩到形成恒星的程度。对恒星生成区的现代观测表明,这是一个持续进行的过程,气团不断地形成和消散着。
    不过请记住,粒子的速度由温度决定。温度越低,粒子运动得就越慢。如果气体能足够冷却,引力就会赢得这场较量,冷却的气体团会趋于收缩。
    一旦收缩达到某一程度就不可能逆转,一个原恒星的核心就会形成。这样的核心包含大量的、天文学家称之为“尘埃”的小粒子。它们像沙粒一般大小,主要是碳和硅的化合物。正是这些尘埃使得对恒星形成的研究非常困难,尤其是在光学波段。因为可见光几乎完全被尘埃所阻挡。对于稍热的尘埃区域,红外观测非常有用。但是,在恒星形成的早期阶段,温度可能低至10K,这时甚至红外波也无能为力。要观测这种宇宙间最冷的地方,我们必须转到亚毫米波。
    星云内的温度是如此之低,以至气体凝固在尘埃上。气体主要是氢,也有简单的化合物,例如一氧化碳。每类分子都形成一个冰层。不过最近的研究表明这种层次结构可能过于简化了,冰是由不同分子混合而成。
    气体在很低的温度下运动很慢,再加上难以想象的低密度,分子之间的碰撞相当稀少,即便发生,能量也很低。值得注意的是,天文学家所称的“比较致密的云团”,若是在地球上的实验室中我们会认为那是极好的真空。所以,相对只有很少的化学反应发生。
    而当分子凝结在尘埃颗粒的表面后,情况就大不相同。分子被紧靠在一起,而且有人猜测分子或原子(特别是像氢一样的轻原子)可能会自然而然地沿着颗粒表面四处移动。这样当分子相遇时,化学反应就会迅速发生。所以包含十个甚至更多原子的相当复杂的分子就可以构成。但所有这些对天文学家而言是不可见的。这个过程很重要,因为这意味着复杂分子的产生是恒星形成过程的自然结果,而当行星从剩余的残块中产生时,这些物质已经存在了。
    与此同时,收缩还在继续,中央核心的温度也持续地升高。这一阶段,气团的尺度有几个光日,是我们太阳系大小的几十倍。最后,密度大到氢原子能够以足够的能量碰撞生成氦,在相对黑暗的气团块的深处,恒星已经点亮。不过这时还无法看见它,因为被四周的尘埃遮蔽着。
    这种情况一发生,周围的气体尘埃团块就迅速被加热,变成了我们所称的“热核心”。这有些名不副实,所谓的热不过是300K,就像在9月份Selsey地区(作者帕特里克位于英格兰南部西苏塞克斯的家)的温度。不过冰已经溶化,并将新形成的化合物释放到气体中。在那里形成了复杂分子的混合浆液,这能够被对亚毫米波敏感的望远镜探测到。这一阶段持续不超过1万年,以宇宙的标准看仅是一瞬间。
生命的化学
    在这些温热的区域内,目前已探测到100多种分子,许多因出现在我们地球上的生命中而被人熟知,例如甲醇和乙醇。甚至还有希望探测到一些基本的氨基酸,这是构成所有蛋白质进而组成我们所知晓的所有生命的基础。如果复杂化合物是伴随恒星产生而自然形成的,并保持在形成行星系统的物质中,那么就为更加复杂的生命化学提供了一个跳跃的高起点。
    另外还有其他次要的证据证明,构成地球上生命的化学物质是在太空中开始它们的存在的。就我们所知,地球和其他行星上的生命都完全基于一种原子:碳。每个碳原子能和类型广泛的其他分子形成至多4个稳定的键,而正好能与4个分子结合成键的能力带来了一种叫做手性的属性。没有其他的分子具备如此的灵活性。硅比较接近,但是除了在科幻小说中,其他地方还没有发现任何基于硅的生物存在的证据。
    想象一下碳原子和4个不同类型的分子的结合,其排列有两种可能性,每个都是另一个的镜像,分别称为“左手”和“右手”形式的。它们两个都有同样的分子式,并包括相同的5个单元部分。除此之外,这两种排列的物理和化学属性有稍许差别。所有简单的化学过程都会产生同样数量的左手性和右手性分子。
    然而,那些在生命体中进行的复杂的化学过程的确具有选择性。引人注目的是,我们所看到的生命都做出了同样的选择--所有地球上的生物都只使用左手性的分子。为什么会这样?如何从一个两方相等的混合体中形成仅由左手性分子构成的生命?在孕育恒星的星云中,被尘埃所散射的光线由于圆偏振的特性有可能会破坏右手性分子而保留下左手性分子不受损伤。这种有利于左手性分子的模式在恒星开始形成时可能就已决定了。
    关于在原恒星内保留的物质的情况先介绍到这里,在探讨行星形成时我们会再次提及。新诞生的恒星自身情况如何?激烈变化而不稳定的雏星依旧包藏在尘埃和气体中,向外发出强大的恒星风。星风由从恒星表面吹出的粒子组成,这阻止了其他物质继续向内收缩。从恒星的极区也可能发出强大的喷流,会清除掉周围大部分的星云物质。收缩开始100万年后,到达了恒星演化的金牛座T型星阶段,恒星在继续紧缩并不规则地闪耀。一个物质构成的圆盘围绕着恒星,从新恒星附近延伸到几百个天文单位远。在接下来的1000万年里,围绕恒星的云团剩余部分被逐渐扫清,只留下圆盘。其中一个最好的实例是一颗很靠南的星:绘架座 。使用一种叫做日冕仪的特殊仪器,挡住恒星自身的明亮光芒,就可以很容易地观测到它的圆盘。
中年的恒星
    到这时恒星已经停止收缩,进入所谓主星序上的稳定的中年阶段。换句话说,核心的反应可以提供足够的能量抗衡引力向内的拉力,支撑恒星的外层。恒星被炽热气体的压力(或者推力,如果愿意这么叫的话)和核心产生的辐射所支赫兹普龙-罗素图将光度表示为温度持。恒星如此巨大,一个单独的光子--携带光能量的粒子--要从核心逃出需要花费很长的时间,对太阳而言需要100万年。这个过程通过自然的热平衡实现自动调节。如果恒星在引力作用下收缩,那么核心的温度就会升高,核反应就进行得更加迅速,就会产生更多的能量,强迫恒星扩张到原来的大小。平衡已经达到,重力和压力互相抵消,恒星可以自在地停留在主星序中达几十亿年。
    我们从恒星在巨大的星云中形成开始,再集中描述了一颗独立恒星的形成,这可能会造成某种误导。每个活跃的恒星生成区域会同时产生很多恒星,而大多数在这种条件下形成的恒星将作为星团的一员开始它的生命。一个很好的例子是在猎户座大星云这个离我们最近的大型恒星生成区中,4颗明亮的年轻恒星组成的四重星团。多数类日恒星会组成双星或多星系统,两颗或多颗恒星互相靠得很近,最终进入环绕对方的轨道。这样的系统可能是不稳定的。三星系统通常--但不总是--会通过引力作用把质量最小的成员甩出去,这个弹出速度常常很高。在星团中也会发生类似的过程:恒星会以高速被抛出。而当以高速离开时,它们也带走了引力能。这种能量损失令星团中余下的恒星在其邻居引力的拉力下束缚得更紧,直到形成一个稳定的星团。尽管存在上述进程,通常还是会造就某类多重恒星系统。像我们太阳这样独立的状态是很少的不寻常的情况。
太阳系的形成
    围绕着原始太阳,剩余物质形成扁平旋转的圆盘。物质变成扁平形状的事实解释了为什么行星的轨道倾角如此地接近。相对于地球轨道,水星的倾角仅为7度,而所有其他大行星的倾角均小于4度。这也解释了为什么行星在轨道上以和地球相同的方向运转。如果从太阳极区的上面看去,所有行星在以同一方向绕转。
    甚至小行星以及柯伊伯带成员(新近发现的位于太阳系外侧深处的小天体群)也遵循大部分规则。没有小行星或者柯伊伯带天体在“错误”的方向上绕行。而最早发现的100颗小行星中仅有4颗的轨道倾角大于20度。彗星则不同,它们质量很低,易受行星摄动的影响,所以其轨道偏心率和倾角的变化范围很大。而包括哈雷彗星在内的长周期彗星是逆行的,即它们的绕行方向与行星相反,就像在交通环路上逆行的一辆汽车。
    研究人员已经建立了复杂的模型,来说明观测到的围绕年轻恒星的圆盘是如何形成太阳系的。在离主星较近的地方,氢和其他较轻的气体被恒星风吹走,形成较小、岩质的行星。在太阳系,这类行星包括水星、金星、地球和火星,以及稍远一点的位于火星和木星轨道之间的小行星带。这里由于木星引力牵引的破坏作用,无法形成大的行星。
    再远一点的情况则有所不同。较轻的气体没有被驱逐开,一旦有一个行星核形成,它就会收集这些气体成为巨大的大气层,从而变成一颗巨型的气态行星。在我们太阳系中木星和土星无疑是最好的例子。这些巨行星的视表面实际上就是它们大气层的顶端。这也适用于小些的大行星天王星和海王星。
    再向外,我们来到了被小得多的天体占据的区域,这里物质较为稀少,因此此处形成的天体的大小无法达到能够吸住明显大气的临界质量。在太阳系的边缘有柯伊伯带,冥王星是其中最有名的成员,尽管它的直径2320千米比月球还小。除冥王星之外的第一个柯伊伯带天体是在1992年发现的,目前已经知道有数百个。现在冥王星被认为是这类天体中最大的一个,而非真正的大行星。离太阳更远的地方也有零星的环绕太阳的天体。在这片昏暗的地方,至少有两个天体--Quaoar和Sedna的大小与冥王星相当。
    以上这些概况基本正确,但故事并未到此为止。当气体巨行星在圆盘中部(就像木星在太阳系中的位置)形成后,物质会被行星所扫清,从而在圆盘中形成空隙。我们可以观察到正在进行的这种过程。在围绕一些年轻恒星的圆盘中已经探测到了空隙。在这种情况下,行星和圆盘之间产生一种竞争,行星的引力将物质从圆盘中吸出,累积到行星身上;而圆盘则把物质向回拉。净效应是行星受到阻尼力进而损失能量,并向内侧朝着中心星盘旋过去。
    一旦一颗巨行星开始向内侧移动就很难停止。要创造一种理论既允许这些行星移动到正在形成的太阳系的内侧,又防止它们落入到太阳之中的残酷结局,是一个巨大的挑战。有人提出在某些情况下这正是曾经发生的事情,而我们只是看到了在已经形成并向内侧运动直至毁灭的一长串行星中的最近的几个。但有希望的是,最近的研究已经表明巨行星最终有可能战胜圆盘,捕获周围所有的物质而避免进一步的拖曳。这时转移就会停止,巨行星找到了永久的归宿。
    我们的太阳系似乎已经逃离了被一颗大行星犁过圆盘内侧造成的混乱时期,但这并不意味着所有东西从一开始就都是稳定的。也许一个后继的木星大小的行星会形成并向内侧运动,掉入太阳之中并毁灭。不论这些行星是否存在,最终都会形成两个大的物质团块,它们大到其引力足以捕获氢气,而两个团块将迅速增大质量形成木星和土星(土星最明显的特征:土星环,只可能在最近100万年前后生成,可能是因为一颗卫星在一次猛烈的撞击中破碎。因为固有的不稳定,它们只能再维持100万年。我们能够欣赏到这样的美景的确十分幸运)。
    在原土星附近,同时还会有另两个团块从圆盘中凝结出来。它们小很多,所以虽然能够捕获气体,但速度要慢得多。天王星和海王星两颗大行星将从这些团块中形成。它们刚好在区分岩质行星和气态行星的临界质量之上,最初这些行星距离太阳要比现在近得多。但在木星引力以及与圆盘的相互作用的共同影响下它们逐渐向外移动到现在的位置上。这产生了戏剧般的效果。圆盘外所剩余的大部分物质过于寒冷又不足以聚集成行星大小的团块,又因为过于靠近天王星或海王星而被抛出了它稳定的轨道。它们大部分终老在太阳系最为遥远的地方,现在我们称之为奥尔特云。这是离最近的恒星都相当远的储存有巨量物质的地方,而且远离行星破坏性的引力效应的影响。
    偶尔地,奥尔特云内的物质会被奥尔特云天体自己的相互作用或一颗经过的恒星所扰动,被投入了内太阳系。于是我们看到了流浪者般的彗星,在太阳的照耀下挥发出它们的冰态物质。这类事情现在比较少见,但在我们的故事正在讲述的这个时代,由于天王星和海王星对物质向内的牵引,这种现象经常发生。从月球上环形山的记录可以发现这个“大轰炸”的踪迹,显示出内太阳系曾经被大量小天体撞击。它们亦曾撞击过地球,但其痕迹早已被掩盖住了。
今日太阳系
    最不可能的事就是我们的太阳系是独特的,但它确实是相当不平常。所以让我们再仔细地考察一下。除了行星和小行星大小的天体,还有被称作“脏雪球”的彗星。彗星真正实在的部分是它的核,由混有碎砾的冰雪构成。当彗星靠近太阳时,冰蒸发形成彗头,通常还带有一条长尾巴或几条尾巴。也会有尘埃粒子--实际上是彗星碎片--闯入地球上层大气时在海拔65千米高处燃烧形成流星。
    大些的天体可能会完整掉落地面形成撞击坑,这就是陨星。应该注意陨星并不简简单单地等同于大的流星。这两类天体相当不同。陨星是从小行星带被逐出的天体,与彗星没有直接联系。
    行星围绕太阳运动的轨道与一个圆形差不多,而大多数彗星则在一个非常偏心的轨道上运动。行星公转周期的范围从水星的68天到海王星的接近165年。正如我们看到的,行星是在环绕年轻太阳的扁平物质圆盘中形成的,所以它们的轨道倾角都很接近。这也适用于柯伊伯带天体和彗星的情况。
    最着名的彗星当然就是哈雷彗星,它将于2061年再次回归。现在它过于暗淡无法看到,但无疑在下一次过近日点(距离太阳最近的位置)之前很早就会被找到。偶尔能够看到的超明亮的彗星周期要长得多,有些显然能够亮到产生影子的程度,尽管我们这代人还没有看到。最后,太阳系中还包含大量的行星际尘埃。
    在4个内行星中,地球和金星的个头相似。尽管在大小和质量上像孪生子,但它们是完全不同的。金星有一个主要由二氧化碳构成的非常浓密的大气层,在云朵中饱含硫酸,它的表面温度有500℃。地球类型的生命看来完全不可能存在。最里面的行星--水星则过小,无法保持住可以观测到的大气。在地球轨道之外是火星,已经有很多宇宙飞船被发送到那里,而且已经有计划发射载人飞船,尽管这还是相当遥远的未来的事情。
    很明显,那些巨行星和较小的内行星完全不同。它们在离太阳较远的距离上形成,故而得以保留较轻的气体--最明显的是氢。木星和土星确定具有一个高温的硅酸盐的核,并被一层液氢所包围,在其上是我们看到的大气。天王星和海王星则不同。它们更适于用冰巨行星而非气态巨行星来描述。木星质量比其他行星的质量总和还大,所以有一种说法叫做太阳系只不过是由太阳、木星和各式各样的混杂的碎片组成。
    在行星的卫星中,我们的月亮比较独特。因为它是唯一由较小的行星所拥有的大卫星。其余的,木星有4颗大的卫星和很多较小的卫星。土星有一颗大的随从--土卫六提坦,和许多中等和小型的卫星。天王星有5颗普通大小的卫星,海王星有海卫一(Triton)和一群小卫星。所有卫星中,只它有提坦有较稠密的大气。火星有两个小月亮,火卫一(Phobos)和火卫二(Deimos),是它很久以前捕获的游离的小行星。大行星中只有水星和金星是宇宙中的独行侠。
岩质行星
    如果气态巨行星向内侧的迁移是很平常的话,我们探测到岩质的类地行星的机会将大大减少。即使它们在某个太阳系的历史早期形成,也很容易因一个木星大小的行星从附近经过而被带离轨道或者破坏掉。地球的存在似乎取决于木星保持在了它所形成的位置上,其原因尚不清楚。实际上在我们写这本书时,在大多数探测到的太阳系中,在我们预计存在岩质“地球”的位置上是一个气态巨行星。应当承认我们的技术有利于探测离恒星较近的大型行星。而进一步观测可能说明我们的太阳系终究一点也不特殊。这是一个基础问题,我们在接下来的10年中将有能力解答这一问题,直接寻找其他“地球”的任务已经在计划中。
    有些时候观测者从地球上可以幸运地看到一颗行星从它所环绕的恒星前面横穿而过。在我们自己的太阳系中可以看到水星凌日和更为罕见的金星凌日。最近一次金星凌日发生在2004年,下一次在2012年。在此后要经过一个多世纪才会发生另一组2次凌日。那些太阳系外行星所绕转的恒星都很遥远,我们无法看出视面。所以当行星从恒星前经过时,它会将恒星的光部分地遮挡住,这样我们所观察到的是恒星的亮度略微变暗。这种方法可以实现大尺度的巡查,每晚可以观测成千上万颗星。而亮度上任何可疑的小下降都会被跟踪。这类天文观测将不再纯粹是职业天文学家的工作,这种行星环绕恒星的迹象也能被业余天文学家捕捉到。实际上令人兴奋的是,业余天文学家们已经因为共同发现了一些太阳系外行星而建立了声誉。
    现在我们已经知道了170多个环绕其他恒星的太阳系外行星,几乎所有都是通过各种间接方法发现的。其中最成功的方法涉及探测行星的母恒星而非行星自身。尽管就像在我们太阳系中那样,太阳包含了多于99%的总质量,中央恒星的质量比行星大得多,但行星对恒星的引力作用仍会产生效应,使恒星在空间中的运动发生摇摆。这个摇摆虽极为微小,但通过仔细的观测仍能测量出来。通过这种方式可以确定行星的存在。而行星的质量越大,摇摆就越大。
暗棕矮星
    即便最冷的棕矮星也和一颗行星有本质的区别。一颗真正的恒星的质量必须至少为太阳的8%,即木星质量的75倍。低于此值则无法引发核反应,因为核心的温度不够高。由于棕矮星如此暗淡不易发现,因此直到1995年才作出了第一个证认。但现在已经确认了许多。大部分都与普通恒星相关联,可能因为这比孤立的矮星更容易被发现。现在已知最暗的棕矮星是Gliese570D,距离19光年。它的表面温度仅为480℃,只比日常用的炉子的温度略高。它环绕一个三合星系统运动,其直径大致与木星相当,但质量要大50倍。过重的质量使之难以被归类为行星;另一方面,它也无法被归于真正的恒星类,因为在大气中发现了锂的踪迹,而锂是无法在普通恒星的温度下存在的,它会被分解。矮星至少会发光,尽管很微弱。而行星则完全依赖于反射其主恒星的光芒。
    有一族孤立的棕矮星不与任何恒星相关联,它们可能数量众多,但其起源尚存争议。这些孤立的天体也曾被称为“流浪行星”,经由引力作用被抛出了它们所形成于其中的系统,但似乎这种方式并不能产生所需的足够数量。
    持续增长的太阳系外行星的清单,使我们愈发确信类地行星在宇宙星系中是很平常的,至少在单恒星附近是这样。对于双星系统,一颗小的行星难于维持很长时间不被抛出去,然而我们至少知道一个例外,就是在一个三合星系统中探测到了一颗大型行星在围绕着一颗类日恒星运动。
    这些奇特而美妙的行星系统世界是多么地迷人,而我们显然对一种特定类型的太阳系--包含一颗小型岩质而湿润的行星的太阳系含有特别的兴趣。现在让我们把焦点集中到新近形成的我们自己的行星--地球--上。
章序
  第五章  生命的诞生  大爆炸后92亿年到现在大约在46亿年前,地球诞生了,此时它处于熔融状态。在它的表面还没冷却下来的时候,发生了一件猛烈的事件,月球因之而生。目前被广泛接受的理论认为,这是源起于一次超级大碰撞:一个大小很可能与火星相似的星体和地球的碰撞。两个星球并合在了一起,四散的碎片残骸形成了月球。月球的密度比地球低的事实表明,这两个天体的实际核心并没有卷入到月球形成的过程中去,而是合并成了地球现在的核心。
月球的角色
    我们的月亮看上去是独一无二的,而且在地球生命的演化过程中扮演着举足轻重的角色。月球使得地球的自转轴倾角(现在是23.5度)稳定下来,使它的变化不超过1度。如果没有月亮,这个倾角将发生显着改变,地球上的气候环境也将大不一样。与没有类似的天然卫星的火星(它的两颗卫星:福博斯和德莫斯都太小了,它们的影响几乎可以忽略不计)相比,由于没有这种稳定力的作用,火星的自转轴以大约100000年的周期在11度到35度之间变化。生命的演化依赖于长期稳定的气候。如果地球的自转轴在较短的时间内发生剧烈变化,这种稳定性将丧失,我们所熟悉的生命就不会演化出来。看来我们要向月球表示由衷的感谢,正是它使我们的存在成为可能。
    月球对地球造成的最明显的影响是潮汐现象。潮汐摩擦使得地球的自转变慢,而且这个过程至今仍在持续。它导致的另一个重要的结果是使得地球和月球之间的距离变大,它们间的距离每年增大4厘米。
    不难想象,地球也对月球产生类似的效应,而且地球的质量是月球的80倍,因此它的影响应该更大。很久以前,月球的自转就因为潮汐摩擦而变慢,直到变成被“俘获”的状态,或称为“同步自转”,意思是说它的自转周期精确等于公转周期。结果就是月球总是以同一面朝向地球。请务必记住,虽然月球总是以同一面对着我们,但它并不总以同一面朝向太阳,认为月球的背面总是暗无天日的想法是完全错误的。事实是在月球的背面将永远看不到地球,但月球两面的昼夜情况是完全一样的。
    月球的自转速率很快就变成了一个常数,但是它在绕地球的轨道上的公转速度并不是固定不变的。根据太阳系里的普遍公转规律,月球在“近地点”(即它与地球最接近的那一点)时公转速度最快,在别处则要慢一些。因此,它在轨道上的位置和自转过的角度也不是完全一致的。结果,从地球上看,月球看上去在轻微地来回摆动。有时候我们能看到西部边缘更多一点的区域,有时又能看到东部边缘更多的区域。这种效应与其他一些更轻微的小“天平动”(即这种摆动的天文专业术语)叠加在一起导致的总效果就是,我们从地球上能看到月球总表面的59%,当然在同一时刻最多只能看到50%。只有41%的月表是我们无法看到的。
我们的行星--生命的摇篮
    最初,地球处于熔融状态,这对生命而言实在是太热了。在大约5亿年的时间里,它逐渐冷却下来,形成了一个固体外壳。原初的大气中绝大部分都是氢气,但这种状况并不持久。能量稍高的原子很快就逃逸到宇宙空间中了,因为当时(现在也是)地球的引力太弱而不足以束缚它们。甚至很可能在某个时期,地球上根本没有大气,但这种状况也发生了变化。其时的火山活动很可能活跃得多也猛烈得多,来自核心深处的爆发很快就释放出了足量的气体,形成了一层新的大气。当然,这层大气与现在也很不一样,最明显的区别就是它缺少氧气。然而随着大气中的水汽开始冷凝,随之而来的地球进入所谓“暴雨”(Great Rains)时代,它的持续时间很长,雨水足以将低洼区域填满,形成最早的海洋。
    地球形成时,也曾一度被残余的物质不停地“暴轰”。当我们观测月球时,能发现明显的证据,遍布其上的环形山就是在这一时期的撞击中产生的。当然,地球也经受了同样的撞击,但是它的绝大多数“伤痕”都被侵蚀掉了。值得指出的是,如果不是这种结构上的持续变化--平原相撞挤压出高山,今天的地球将是一个完全被水覆盖着的平整球体。地质变化的驱动力来自地心深处铀和其他不稳定重元素的衰变。正如我们已经看到的那样,这些重元素必定来自前代恒星的灾难性死亡。因此,适于生命出现的舞台能被搭建起来,许多发生在宇宙远处的天文事件是功不可没的。
    生命的出现比通常认为的时间要早得多。最早能自我复制的生物体很有可能是在大约43亿年前出现的。生命的最早证据(来自第一代显然非常原始的有机体),就是大气中氧气比例的显着上升。相当数量的氧气的存在,是生命存在的不可辩驳的信号,这一事实让那些有志于在其他恒星周围寻找地球大小的行星的天文学家们看到了希望。尽管星际旅行或许只是天方夜谭,但我们完全有可能看到遥远星球的生命信号。迄今为止,最古老的生命遗迹是在格陵兰西部阿卡利亚岛(Akilia)上远古时期的岩石中发现的,距今已有38亿年。
    生命起源的确切过程仍然不清楚,和众所周知的创世神话相反,现在还没人能在实验室里较为接近地重复这个壮举。理论认为(未经证实)化学反应是被诸如闪电和太阳的短波辐射等过程产生的能量激发的。随着时间流逝,越来越多的复杂分子被制造出来,直到最后出现了可以自我复制的分子。自我复制的能力,或繁殖的能力,是我们所谓的“生命”的基础。繁殖过程并不完美,每一代都可能发生随机的变化--复制过程中的误差。有些随机的“突变”(生物学上的术语)更加成功,比其他的变异存活得更长或者更易于繁殖,因此更有可能形成下一代,这种差异微小的形体之间的竞争就是进化论的核心要义。从那些原始可复制物质(仅仅是些复杂分子)演变出我们身边这些不计其数的生物的过程开始了,漫长而又神奇。
    已知的最早的化石是细菌化石。这些有机体很可能存活于当时地球上的热海洋中。我们对它们的年龄测定满怀信心,因为地质学方法能告诉我们保存了这些原始有机体残骸的岩石的年龄。在这一时期的岩石中,我们也找到了所谓的“叠层石”,即由蓝绿色的藻类构成的岩石状结构,也被称为“蓝细菌”(或蓝藻)。蓝藻可以追溯到35亿年前,并且令人吃惊的是,有些类型至今仍然存活,例如澳大利亚领地的北部区域就以此着称。在地球的早期历史中,蓝藻在制造游离氧原子中扮演了举足轻重的角色,这一过程启动了制造适于呼吸的大气的进程。
    我们已经发现生命具有极其丰富的多样性,有些生命形式的适应能力令人惊异,能在最严酷的环境中存活。例如,最早的生命可能出现的地方之一是在酷热的地壳裂缝口周围,也就是通常所说的黑烟口(black smoker)。其实就是海底的裂缝,炽热的酸液从下面涌出,由于恶臭的东西通常是黑色的,这一别名因此而来。从这些裂缝(至少在海平面下1英里处)涌出的酸水温度,可能高达400℃。水能够达到这么高的温度(远高于通常的沸点),是因为这里的压力是地表处大气压力的25倍。超乎想象的是,这些裂缝处有着相当丰富的特殊生命形式。像管状蠕虫、褐虾甚至蛤类,能在这种与醋一样酸的环境中生存并且不需要从太阳那里获取任何能量,而绝大多数其他海洋生物在这里将会立刻毙命。
    世界范围内的化石记录能让我们追踪生命的进化历程。一般而言,生命进化得相当缓慢,在很长一段时期内,它们仅局限于海洋中,直到大约4亿年前的泥盆纪时期,生命才扩张到了陆地上,先是植物,然后是节肢动物(诸如昆虫、蜘蛛和甲壳类动物)以及脊椎动物。植物在陆地上生长,持续地改变着大气的成分。它们的存活需要通过光合作用从空气中吸收二氧化碳来合成糖分子养料。这一过程的副产品就是氧气,是由植物释放到空气中的。
恐龙的梦魇
    生命史上最大的灾难发生于地质学上的二叠纪末期,距今2.5亿年。二叠纪持续了大约6000万年,可能是一个大面积沙漠化的时期。地球上的绝大多数陆地结合在一起形成了一片辽阔的大陆,称之为“大陆块”(Pangaea)。二叠纪的生物绝灭也经常被称为“物种大灭绝”,这可能是历史上最大规模的物种灭绝,其导致地球上绝大多数物种消失。这一结论当然能从化石记录中找到证据,但对灾难发生的原因,线索就不那么明显了,至少我们并没有看到陨击坑。相反,线索来自一种碳分子,即“球壳状碳分子”。这些分子形成一个笼状的结构,大多数都呈球形,它们在诞生时可以把单个的惰性原子俘获到“笼子”之中。人们在二叠纪末期的球壳状碳分子中发现了氦元素和氩元素,它们很可能来自宇宙其他恒星的大气,这些恒星在太阳尚未形成之前就以超新星爆发的形式结束了一生。这些被发现的化学分子可能是一个流星体的残余物,而该流星体所携带的物质来自太阳系形成初期。有理论认为,流星体撞击的结果引发了无数的火山活动,喷发的物质覆盖了整个陆地的表面达3米。因此,90%的海洋生物和70%的陆地脊椎动物没能存活下来也就不足为奇了。
    在二叠纪期间,爬行动物出现了,我们迎来了恐龙时代。有的恐龙是巨大而又凶猛的猎手,而有些却是矮小的素食动物,一个小的没有杀伤力的恐龙,甚至只和金丝雀一般大,被昵称为“雀龙”(Tweetieosaurus)。
    恐龙主宰了地球将近两亿年(与之相比,人类出现在地球上还不到20万年),但是之后,在地质学年表所称的“白垩纪”时期,即6500万年前,强大的恐龙家族突然消失了。不过它们也不是一只不剩,今天的鸟类看来应该是那些弱小的恐龙的后裔,只是长上了羽毛。在我们的立场看来,恐龙的离去或许是一件好事,因为这意味着哺乳动物的多样性得以保持,从小土拨鼠到我们今天看到的种类繁多的物种才可能诞生。猿类在中新世时期(至今2500万年到至今500万年前)进化出来,它们是我们的直接祖先。
    对物种大灭绝的原因的研究是一个热门课题,观点也五花八门。目前,就恐龙的灭绝而言,现在的主流理论是一个巨大的小行星撞击了地球,抛撒出了大量尘埃,并引发了全球性的灾难--甚至有人宣称撞击的地点业已被证认出来。
    在墨西哥湾附近有一个巨大的陨击坑,我们已探测到它被侵蚀的痕迹。这个证据主要基于一个事实,这一时期累积下来的岩石在一大片区域上包含比预期中更多量的铱元素,铱在地球上极为稀有,但却是流星体的特征元素。我们并不肯定是这次撞击毁灭了恐龙,但这个理论得到了广泛的支持。
    现在,让我们花些时间来讨论一下地球上的生命是很有必要的,因为接下来的问题将是,这一系列事件是否在别的星球上发生过?如果其他地方也有像地球这样的行星绕着与太阳类似的恒星旋转,那就有理由期望能在其中找到某些类型的生命,尽管我们对生命是如何开始的仍一无所知。不过我们永远也不能肯定,直到(假如有一天)我们探测到了来自另一个文明的信号。这种搜寻一直在继续,然而,所有直接搜寻其他文明信号的努力至今仍然只交了一张白卷。
火星上有生命吗(1)
    当我们计算我们搜寻成功的概率时,需要考虑哪些因素呢?首先必须明确一点:我们讨论的是我们所了解的生命。我们能理解的所有类型的生命都基于一种类型的原子--碳原子,只有它能连接足够多的其他原子来形成必须的复杂原子群或分子。这就是说,生命,不管它在哪里存在--这里,火星上或者在遥远星系中的一颗行星上--必须是碳基的。像月球这样没有大气的环境必须被剔除。在我们的太阳系,可能只有地球适宜形成复杂的智慧生命。当然,反过来说,我们可能完全错了,说不定还存在某种智慧生命,它们的身体由金原子组成,并且能在满是硫酸的空气中呼吸。这种类型的生命(BEM或称为异态生命),自韦尔斯(1866-1946, 英国作家)以来一直是科幻小说家们十分钟爱的话题。但如果它们真的存在,那么我们整个现代科学将被全盘颠覆,不过这看起来可能性不大。
    最低限度,我们已经知道许多恒星确实存在行星系统,但是一颗能支撑生命的行星,必须满足几个条件(我们再次强调,我们只考虑自己能理解的这种类型的生命。一旦我们把话题开放到所有类型的生命,就会陷入到无穷多的假想中去,所以,现在我们着意把讨论限制在碳基生命的范围内):行星必须具备包含了足够多自由氧气的大气;它必须有固态(或某些可能的液态)表面;行星上必须有足够的水资源;相对比较稳定的温度;以及很长的稳定期,在此期间环境没有发生剧烈变化。地球能满足所有这些条件,但太阳系其他天体都不行。
    不过,可能还有一些不那么明显的要求。例如,比较规律的昼夜交替看来也是很有必要的。如果行星的一半永远是黑暗,而另一半却永远曝晒于阳光下,那将会发生猛烈的飓风,降水也不再发生而且很难达到生命适宜的温度。当然在明暗半球的交界处或许存在合适的区域。
    现在让我们聚焦在温度上。在一颗恒星周围存在所谓“可居住带”,位于这里的行星不会太冷也不会太热,适宜生命繁衍。金星和火星都不在可居住带内:金星太靠近太阳、太热,而火星太远、太冷。只有我们居住的行星安安稳稳地位于可居住带的中央;地球的温度,就跟给婴儿喝的麦片粥一样,不冷不热。一颗比太阳亮度低的恒星,可居住带将靠得更近,而一颗能量更大的恒星,可居住带将位于更远处。许多要求都是不证自明的,它们将许多恒星剔出了行星系统候选者的行列。例如,一颗变化剧烈的恒星,将导致行星上的气候总是变化无常。
    我们已经知道银河系里拥有大约1000亿颗恒星,这是一颗大型星系中的典型恒星数量。从目前的观测来看,很可能大多数单颗恒星都有行星,于是我们周围很可能有大约400亿个“太阳系”。这些“太阳系”的行星中有多少颗位于中央恒星的可居住带内呢?从我们自身所在的太阳系的情况来看(这也是我们唯一能充分了解的行星系统),我们或许可以猜测每个恒星-行星系统中都有一颗行星位于可居住带内。但是,我们必须排除那些激变变星周围的行星,因此大概还剩下200亿颗处于适宜的位置的行星。它们中有多少是岩质行星?这又是个新问题--正如我们已知的那样,其他的恒星-行星系统中可居住带内的行星似乎都是巨型气态行星。要想计算出在位于适宜的位置上的岩质行星所占的比例是很困难的,但是在已知的约120个系统中,有30个没有气态行星,因此用这些已知的数据作为参考,可以估计出我们大约有50亿颗行星邻居,它们的条件能允许生命形成。其中有多少颗已经有生命形成了?这可能是所有问题中最难的一个,要回答这个问题,我们需要知道并了解生命形成的确切机制。老实讲,生物学家们还没有找到经过实验证实的详细理论,因此要想比较准确地得出这一数值极其困难。如果概率仅仅是万亿分之一,那么在银河系中能有一个像我们这样的文明就已经是一个不可思议的奇迹了。如果如有些人所料,概率接近百分之一,那么将可能有数百万颗行星值得我们去搜寻。这一疑点正是为什么寻找火星上的生命是如此重要的主要原因之一,如果生命能在同一个恒星-行星系统独立出现两次,那么整个银河系中遍布生命的概率必将极大增加。但是,即便这就是事实,我们的难题也并没有完结!
火星上有生命吗(2)
  接下来我们必定会问,一旦那些地外生命形成了,它们演化成可以和我们交流的智慧生命的可能性有多大?有些生物学家相信,生命一旦产生,就必定会演化成智慧生命,但另一些生物学家也同样振振有词地认为像我们这样的智慧生命是绝无仅有的。这些文明中有多少能被我们探测到?它们必须已经达到或者超越人类在近一百年才达到的科技水平。接下来我们必须考虑,一个文明由于自然灾害或自身过失在毁灭之前(以现阶段的我们自己为例,后者的可能性似乎更大),它有能力与外界通信的时间能持续多久。至此,我们的估算中的不确定性是来自生物学而非天文学了,我们等待着生物学的进一步发展。现在,请记住到目前为止我们考虑的仅仅是我们的银河系--数十亿个星系中的一员。那种认为在整个宇宙中我们都是绝无仅有的想法令人恐惧。
    如果地外文明确实存在,有没有什么方法可以和他们进行有意义的联络?现代宇宙飞船可以被排除掉,这一点无需多伤脑筋。因为即便我们能以光速旅行,要想到达哪怕是最近的恒星系统中的行星上,也要花费几年的时间,而且根据爱因斯坦的相对论,以光速飞行要消耗无穷多的能量--也就是说那是不可能的。显然,用现代火箭的话,这个旅行需要持续好几个世纪,而且必须准备诸如“太空方舟”这样的设备,因为最初的旅行者在旅程早期就已逝世了,只有他的后代能活着登陆目标行星。现阶段,这种想法看来只存在于科幻小说中。星际旅行要求的是一种革命性的技术,或许明天、明年、100年后甚至100万年后才能实现,又或许永远也实现不了。就算实现了这个技术,从唯物主义的观点看来,我们也只能局限在太阳系内活动。
    至于星际通信,至今我们只尝试了一种方法:电磁波。电磁波以光速穿行,因此我们与最近的候选恒星间的通讯时间只需要几年。而且,用我们现有的仪器可以把通信电波发送到很远的地方(数十光年)。假设有天文学家生活在环绕波江座 星运行的行星上,距离我们11光年,我们现在发出的电波信号已足够强大,足以让他们接收到。
    我们可以根据数学逻辑制定传送信息的编码方式,毕竟数学不是我们发明的,我们只是发现了它。人们已经向许多候选恒星系统传送了编码后的信息,不仅仅包括波江座 星,还有许许多多别的恒星。当然联络的过程注定是漫长的,如果2006年我们向波江座 发送了一个信息,它将在2017年到达那里,因此在2028年之前都别指望会有回音。想要获得极快的回答相当困难,但是这可以作为改进我们现有想法(即这种类型的实验是值得去做的想法)的一种测试。如果我们根本收不到任何回音,或许就说明了我们正在做着错误的实验,也就是说在我们可以联络的范围内不存在科技文明,换句话说,人类确实是独一无二的。
    我们无法把宇宙飞船送往别的星球,但是一个更高级的文明可能完全有星际旅行的能力。我们没必要被任何飞碟故事、外星绑架或半人马座 上的侵略者的故事说服,但我们必须记住我们自己只是一个新的而且无疑是相当初级的文明。有人建议我们应该尽最大可能不被地外文明探测到,甚至召回那几个探测器,譬如正在永远离开太阳系的旅行者2号,但即便这在技术上能够实现(实际上实现不了),也不合逻辑。或许我们该听从珀西瓦尔·洛厄尔先生的劝告而放松一些:“一个有能力抵达地球的文明,会把战争抛诸脑后,将是为和平而来。”不管怎么说,现在让我们保持缄默已经为时过晚。我们从1920年就开始向地球外广播了,因此对80光年内的任一文明而言,我们都是一个聒噪的“射电源”。
    我们知道地球生命的未来是有限的,最终太阳光度的增加将摧毁我们的世界,使它变得不再适合居住。我们必须将眼光放长远些,因此让我们看看宇宙的未来。
章序
  第六章  透视未来  现在到大爆炸后187亿年
    追溯过去时,我们有确切的证据可以遵循:从地球的化石记录中我们可以一览这颗行星极早期的历史;从月球环形山我们发现了远古时期小行星激烈撞击的证据;从蟹状星云我们看到了将近1000年前的那次猛烈的超新星爆发;而当我们凝视遥远星系的暗弱星光时,我们看到的是它们在数百万年前的样子。如果我们测量出它们远离我们而去的速率,就能建立一幅关于数十亿年前时的宇宙的可靠图像,而且通过仔细研究微波背景辐射,我们可以勾勒出大爆炸后仅仅30万年时的宇宙图景。
    但未来则扑朔迷离得多:我们不可能看到恒星或星系在未来的样子,因此我们只能依靠演绎法,并且引入相当多的科学假设。尽管宇宙历史的许多页面已经被破译了出来,但我们对大约60亿岁之前的宇宙比从60亿岁到现今的宇宙了解得多得多。
    地球在宇宙中或许是无足轻重的,但对我们而言,它显然有着无可比拟的重要性,因此让我们首先来看看在这颗行星的未来面临着哪些威胁。平均而言,每过几十万年,地球就要被一颗大到足以引发巨大灾难的陨石撞击一次。事实上,最近我们已经跟踪到了几个小行星,它们在令人警惕的、离地球很近的地方飞过。有几颗在仅有几万英里的距离处与地球擦肩而过,比地月间的距离还小得多。它们被称为“潜在威胁小行星”(PHAs),如果直接撞上地球的话,其中任何一颗都可以引发又一次“物种大灭绝”。如果一颗潜在威胁小行星在它撞击地球之前就被仔细观测过了,我们可以对它做一点事情--或许可以在它附近引爆一颗核弹,改变它与地球相撞的命运。
    但是我们不得不承认,一个大小仅有几英里的小天体的碰撞就会给人类带来灾难,而我们能做的事情或许并不比恐龙高明。令人担忧的是,尽管我们正努力消除这种类型的威胁,但最近发现的例子中,有几个是在它们已经路过地球之后才被探测到的。
    还有一些具有相当可能性的自然灾难,会使得地球生命提前终结。近来,地质学家对超级火山的爆发潜力开始有了些了解,这种爆发可能由在极端压力下的巨大岩浆池引发,其中一个已经在怀俄明州黄石国家公园发现了。这些火山中的任何一个爆发都会导致在大气中产生全球范围内的尘埃残粒,它们相当密集而且持续时间很长,使得大多数动植物因缺少阳光而死亡。现在有人认为过去发生的一些大灭绝可能就是源于超级火山的爆发。
    而人为的灾难也是可能发生的。我们现在已经拥有了毁灭自身的能力,而且我们似乎还没有文明到不去这么做的程度。不管人类会做什么傻事,地球的最终命运是和太阳联系在一起的。我们的存在归功于太阳,而最终毁灭这颗行星的,也是太阳。
地球生命的结局
    太阳正在逐渐消耗它的核能,但令人吃惊的是,它正变得越来越亮。这个过程发生得非常缓慢,对我们而言,根本察觉不出来。随着太阳核心氢元素的慢慢消耗,它会略微收缩,导致核心压力增加并且温度升高。核反应的效率显着依赖于核心的温度,因此燃料也将加速消耗。10亿年后,太阳更加炽热,足以让地球上的气候变得酷热难耐,地球上的可居住区域将不得不远离赤道区域,向两极收缩。
    但这将仅仅提供一次短暂的避难。随着低纬度地区变得不再适宜居住,沙漠将开始扩张,而且适合农作物耕作的陆地面积将严重不足。大陆板块的漂移也早已破坏了现在我们所熟悉的大陆的形状。任何现存的冰盖都将融化,导致海平面剧烈上升,陆地的绝大部分都将被洪水淹没。
    温度还在无情地攀升,到至今30亿年的未来,将达到一个关键点。太阳将比现在亮40%,因此地球表面上的所有水分都被蒸发掉了,海洋消失了,我们的世界将变成炎阳炙烤下的炼狱。
    如果在地球环境如此剧变的时候,人类仍然存在,这些我们的遥远后裔将如何应对呢?这些变化初露端倪就会被探测到,警铃就会拉响,但即便是高度发达的文明也不太可能控制太阳。毫无疑问环境变化应对委员会将召开会议,但是议程表上该怎么写?把地球移动到一个更安全的位置或许是可行的,但正如我们后文将要讲到的,这也不是永久的解决之道。或许可以把地球整个从太阳系中移出,并且尽量让它能自给自足,这样生命就能在没有太阳的环境中存活。如果这实施起来困难太大,人类可能会考虑大规模地移民到别的地方去--到另一个太阳系或者建造一个巨大的、自给自足的空间站来收留幸存者。
    如果人类只能束手无策,随着时间的推移,整个地球很可能变成一片熔融而滚烫的岩浆世界。一切都不能幸免,最终所有的生物都将被一笔勾销。火星将变得比现在热得多,它那巨大的极冠(由二氧化碳和水组成)也将开始融化。大气也开始形成,短期内--大约几千万年的时间里,火星会暂时成为一处宜居的处所。但是这种环境不会保持很长时间。火星太小了,引力太弱而不能长期保持住在它表面刚形成的大气。
    有人提出人类可以找到一个避难所--土卫六,土星最大的卫星,它有着富含氮的稠密大气。可惜,事实绝非如此。土卫六的表面大气逃逸速度很低,之所以能保有大气是因为它非常寒冷,因为在低温下,气体分子的运动速度也很低。如果温度上升,哪怕仅仅只有几度,土卫六的整个大气就将消散无踪。
    在接下来的5亿年里,太阳将膨胀到现在的两倍大,尽管表面温度会降低,但它的光度将增加一倍。地球的轨道也会受到影响。太阳发出的恒星风将大大增强,质量不断损失,进入了红巨星阶段。质量变小意味着太阳的引力将减弱,相应地,行星轨道会向外扩展。地球将移动到距离太阳2亿千米处--当然,离它逃离炽热太阳的炙烤还远得很。
红巨星的太阳
    展望更遥远的未来,大约离现在50亿年,太阳核心的氢将燃烧完毕,再也没有氢剩余下来--它们全都在核反应的过程中被转化成了氦。核心突然失去了由核反应释放出来的辐射压力的支撑,在强大的引力作用下,坍缩不可避免地开始了。外层物质轰塌而来,压缩了核心并且加热了物质。直到现在,氦原子核还没有参与核反应。然而,在几秒钟的时间里,温度就将升高到足以触发新一轮的核反应的程度:氦原子核聚合形成铍原子和锂原子。这个核反应的效率要高得多,其后太阳的辐射将比现在强2000多倍,而且它的体积将急速膨胀,并将水星和金星吞没其中。太阳,终于变成了一颗红巨星。
    在演化过程中的某一阶段,红巨星的太阳变得不稳定起来。通过一系列剧烈的脉动,它的外部包层被吹离到遥远的星际空间中,形成所谓的“行星状星云”。
    需要指出的是,行星状星云和行星毫不相干,它只是一颗演化到了晚期的恒星抛射出的外包层。它们是宇宙中难得的奇观,有着绚丽多姿的美丽外表,但存在时间却只有几万年。其中最着名的是天琴座环状星云(M57),用一架小型望远镜即很容易地找到它,因为它正好位于两颗肉眼可见的恒星--天琴座 和天琴座 --的中间,靠近明亮的织女星,甚至用中等口径的双筒望远镜也能看到它。在望远镜中看,它像是一个发着微光的圆形轮胎。M57看上去是对称的,但是别的行星状星云的形态却千差万别,令人眼花缭乱,它们的形状取决于物质从中央恒星处抛射出来的确切物理过程。目前看来最常见的形状是沙漏形,即大多数物质都沿着恒星磁场的轴线方向分布。根据这个模型,行星状星云既可以是沙漏形的也可以是环形的,取决于我们看到的是它的侧面还是正面。粗略地讲,这一模型是准确的,但是还有许多细节有待于更详细的解释。从化学上看,行星状星云是宇宙中最令人感兴趣的区域之一。行星状星云形成的早期,在中央恒星发出的光辐射的作用下,形成了许多复杂的分子。
白矮星--坍缩了的太阳
    同时,回过头来看中央恒星,既然可供燃烧的燃料都耗尽了,就再也没有什么能阻碍恒星在它自身引力作用下的坍缩了,而且这种坍缩发生得非常快速。最终,恒星的密度变得如此之大,导致一种新的抵抗力--简并压力--的产生,开始发挥作用并与引力相抗衡。简并压力的产生是“不相容原理”的结果,这是量子力学理论中的一条基本原理,即不可能有两个粒子能处于同一种状态下,也就是说,如果两个具有相同的电量、质量和能量的粒子靠得太近,它们就会互相排斥。恒星会一直坍缩,直到简并压力和向内挤压的引力恰好达到平衡为止。在这个新状态下的恒星成为一个比地球还小但是密度却高得令人难以置信的致密球体,称为“白矮星”。一勺白矮星的物质即重达数吨。到这一阶段,地球将退离至距这个能源耗尽的太阳的虚弱残骸2.7亿千米的地方。
    接下来的命运又将如何?答案是“变化不大”。白矮星是资源枯竭的恒星,它没有能源,能做的唯一一件事就是在微弱的辐射中慢慢变暗,最后变得和周围环境温度相同。它变成一颗冰冷、暗淡的黑矮星所需要的时间之长超乎想象,事实上,相比之下宇宙都显得太年轻,还没能形成一颗黑矮星。或许我们的太阳将定格为一颗微小的、死亡的黑矮星,但仍然被残存的行星所环绕。
中子星和黑洞
    质量较大的恒星的结局则有所不同。尤其是当恒星质量很大时,它的核心变成白矮星后,质量仍超过了所谓“钱德拉塞卡质量”,即1.4倍太阳质量,这时量子简并压力也不足以和引力抗衡了。相反,引力是如此巨大,以至于质子和电子都被挤压在一起,变成了中子,恒星成为一颗“中子星”,它的密度比白矮星还要大得多,一勺中子星物质的质量就与全人类的总质量相当!中子星个头极小,直径不超过15千米,但它们的平均质量高达太阳质量的1.5倍。如果你能站在一颗中子星的表面,你的重量将达到百亿吨的量级。中子星实际上也是超新星遗迹中最常见的天体。我们看到的神秘天体--脉冲星,其实就是中子星的一种伪装。
    在超大质量的超新星爆发事件中,中子星也不是快速坍缩的恒星核心的最终结局。一旦它的核能被耗尽,坍缩开始了,但这次它是如此猛烈,以至于没有什么能阻止它。恒星不停地坍缩、坍缩,变得越来越致密,经历了中子星阶段也不会停止。在此过程中,逃逸速度不断增加。任何质量小于8倍太阳质量的恒星都将以白矮星或中子星的形式结束它的一生。如果恒星的质量比这更大,坍缩将势不可挡,正如我们已经看到的那样,一颗黑洞由此而生。
脉冲星
    脉冲星是快速旋转的中子星,在我们看来它们是射电脉冲的源头,每秒钟有几个脉冲到达地球。我们已经介绍过了角动量在行星形成中所扮演的角色,在这里,它也同样重要。当恒星物质在坍缩形成中子星时,它携带着角动量,就好像滑冰者把手臂收起来后就会增加旋转速度一样,正在形成中的中子星也自转得越来越快。一旦坍缩过程完成,脉冲星就将以基本稳定的速率自转。现在人们已经发现了许多每秒转动上千次的脉冲星,它们大多数都很年轻。随着时间的推移,中子星的旋转将会慢慢减慢。
    脉冲从何而来?从环绕着中子星的物质中发出的辐射被限定为靠近两极的狭窄射束。随着星体的旋转,射束不时扫过地球,就像海里的灯塔发出的光束瞬间扫过远处的船只或海滩上的行人一样。当射束正好指向我们时,我们的望远镜就探测到了一个脉冲。
    脉冲星是宇宙中最精确的时钟。在一种我们尚不明确的、发生于星体内部的物理过程的作用下,它们的自转偶尔也会发生突变,但除了这种偶发事件以及自转的长期变慢之外(在极其长久的时间尺度里),它们非常守时。因此它们为天文学家们提供了独一无二的时间实验室。还有些极为罕见的“双脉冲星”系统,我们将在后文中详细介绍。已有报道称在脉冲星周围发现了行星,有人就提出这些行星可能是造成脉冲星自转周期轻微变化的原因。然而,很难解释行星是如何在导致脉冲星形成的那次超新星爆发中幸存下来的。
    记住,我们讨论的是恒星核心的演化,事实上恒星外层发生的过程更加剧烈。当坍缩突然停止时,外部包层被反弹回去,释放出极其巨大的能量,这就是超新星爆发了。
碰撞的恒星世界
    和太阳也会变老一样,遍布于宇宙中的年老恒星也会衰亡,新的恒星将诞生。星系也是在演化和运动中的。我们的本星系群只包含3个主要的大星系,仙女座旋涡星系、三角座旋涡星系和银河系。其中仙女座星系最大,三角座星系最小。仙女座星系距离我们200万~300万光年之间,是离我们最近的星系,它被银河系和它之间的相互引力束缚,以300千米每秒的速度向我们靠近。因此,在大约30亿年之后,在我们所处的这个宇宙的角落里将发生一件惊天动地的事:两个巨大的星系将碰撞在一起。
    如果一个小星系和一个大得多的星系相撞,那么它将简单地被吸收掉,并且通常完全丧失掉它的独立特征。碰撞中,它的边界被潮汐力完全打乱,每次当它靠近那个大星系时,其中的恒星将被逐个剥离出去。两个大型星系碰撞时的情况则大不相同。
    也许最好在这里说明一下,尽管我们在讨论两个星系的碰撞,但我们并没有暗指单颗恒星也会撞到一起。恒星之间的距离--记得太阳和它最近的邻居(半人马座比邻星)间的距离超过了4光年--太大了,以至于恒星碰撞是极其罕见的事,即便在两个星系碰撞的混乱环境中也是如此。
    碰撞将持续数十亿年。如果计算机模拟是可靠的话,仙女座星系将首先摇摆着经过我们的银河系,对任何现场的观测者而言,那个小光斑将变得越来越大,直到碰撞开始发生时,它已成了夜空中的主宰。随着两个星系里储存的气体碰撞在一起,引起的激波触发数以万计的新恒星形成,其中许多都将位于明亮的星团中,星团被炽热的蓝色恒星主导。
    许多大质量恒星(因此年龄很短)的诞生,意味着超新星爆发将会非常普遍,它们爆发产生的激波将触发新一轮更大规模的恒星形成。天空将被炽热闪光的气体和尘埃云弄得一团糟。在仙女座星系经过银河系之后,其中剩下的物质在头前尾后地插进银河系以前的核心之前,将花费大约1亿年形成一个宏大的U形。许多物质就像长长的尾巴那样留在后面,但随着时间推移,它们也将掉进中心里去,结果大概会形成一个巨大的椭圆星系。最终,银河系中心的黑洞与仙女座星系中(那个几乎必定位于中心)的黑洞,很可能短兵相接,碰到一起。
    通常人们相信,两个黑洞碰撞到一起将形成一个质量更大的黑洞。同时也必将发出密集的辐射,与之相伴的还有所谓“引力波”。
引力波
    引力波是爱因斯坦广义相对论的一个预言,可以理解为空间本身的“涟漪”。只有在最高能量的事件中,引力波效应才能达到较为显着的程度。但即便在那些情况下,这些效应也十分微弱,引力波至今仍然没有被探测到。人们已经做了许多尝试,但是要探测到我们周围空间的波动效应,需要令人难以置信的精度--相当于要以小于一个原子核的大小的精度,来测量一根1英里长的棍子的长度。或许最有希望的探测手段是利用卫星,目前正有许多项目计划在酝酿中。探测引力波将使我们得以了解一系列全新的物理环境和天体,其中包括宇宙中一些极为罕见的现象。
    尽管我们还没有探测到引力波,但从一类称为(也是我们已知的唯一一类)双脉冲星的系统--两颗互相绕转的致密的中子星--中,已有了显着的证据表明了它的存在。由于这些令人惊异的天体发射出极其规则的能量脉冲,可以穿越遥远的宇宙距离,因此我们能够以极高的精度获得它们的轨道时间。天文学家们已经发现,双脉冲星正旋转着互相靠近对方,这意味着必定正有能量从系统中丧失。散失的能量,与理论预言中以引力波的形式释放出的能量吻合得相当好,但除非我们测量到引力波本身,我们还不能确定已得到了答案。
末日?
    无论星系中心的黑洞会发生些什么,到现在为止,地球早已不是一个宜居的世界了,而且,太阳作为一颗光芒四射的恒星的日子也接近尾声了,它甚至可能已经变成了白矮星。我们不可能亲临现场一睹它的状况--又有谁可以做到呢?
    星系碰撞时释放出来的大量能量是很危险的,例如其中的X射线,我们赖以生存的植物将被淹没在高能辐射中,辐射将摧毁新陈代谢作用并破坏活体细胞。这种辐射或许足以扫除哪怕科技最为发达的文明。我们能确信的一点是,最终狂暴的活动将减弱,新形成的星系会安静下来。在碰撞中,绝大多数气体都在新恒星的形成过程中消耗掉了,因此恒星形成率也会达到峰值。也许最后的结果将是一个祥和而安定的世界,但也是毫无生机的。
    从现在起,这些猛烈的过程将一直持续贯穿于接下来的50亿年中--恒星死亡、诞生,超新星爆发和星系碰撞。最显着的长期变化是,星系团之间的距离逐渐增加。我们正缓慢但是却无法逃避地卷入宇宙那漫长的演化中去。
章序
  第七章 宇宙的结局
大爆炸后187亿年向前
    宇宙的最终命运是什么?现在还很难在一系列可能性中给出选择,但是答案必定依赖于宇宙中两个博弈量的相对强度——引力和使宇宙加速的力(称为“宇宙常数”)。我们先来看看引力获胜时宇宙的未来如何。膨胀将趋于停止,然后逆转过
    来。我们不会再看到星系远离我们、光谱红移,相反,它们将靠近我们,我们会观测到蓝移的光谱。宇宙的温度会上升,星系团之间的碰撞也将更加频繁。
    夜空开始变亮,最终整个宇宙将在“大坍缩”(Big Crunch)中走向终结,就像是大爆炸反过来一样。
    那时会发生什么?也许宇宙会重新缩成一团,以至坍缩成为下一轮大爆炸的开端,如此反复以至无穷。我们曾不得不假设宇宙有一个创生时刻,时间从那时开端,而这种宇宙的大轮回可以让我们从这个假设中解脱出来,在某种程度上,这一想法令人欣慰。
    不幸的是,现在的理论认为“大坍缩”永远也不会发生。原因很简单,宇宙中的物质实在太少(即便把暗物质包括在内),不足以使膨胀逆转。引力还不够强大,而其博弈者——宇宙常数——的存在,只会把事情弄得更糟,看来宇宙将永远膨胀下去,而且膨胀得越来越快。接下来将发生什么,取决于“宇宙常数”的大小,但它真的是个常数吗?至今我们还没有证据来给出定论。目前,我们对它的所知仅限于知道它的斥力作用是恒定的,因此让我们暂且作此假设,并且看看将要发生些什么。
永不停息的膨胀
    在我们的太阳冷却、死亡很长时间之后,宇宙中许多其他恒星光彩依旧,此时星系团之间的距离正不断增大。一般认为,在星系团内,成员星系之间的距离相对较小,引力仍然起着支配作用,足以把它们约束在一起。但是,各个星系团之间的距离极远,宇宙常数导致的斥力会使得团与团之间的距离不停地增加。站在不同的星系中互望,对方都将变得暗淡异常,甚至在星系团内部,情况也在发生变化。随着时间流逝,光芒灿烂的恒星将在爆发中走向死亡,只留下暗淡的遗迹,同时黑洞的数目也将增加。可供形成新恒星的物质越来越少,星系的亮度在经历最初的平缓下降后,开始加速下降,步入黑暗。
    大约在1013年后,恒星停止辐射,所有的核能都消耗一空。引力效应持续起作用,黑矮星之间的近距离交会事件连绵不绝。一颗围绕着星系中心旋转的恒星将由于辐射引力波而损失能量,与其他许多恒星一道,慢慢向星系中心的黑洞靠近,最终结果就是形成一个超大质量黑洞。同样的基本规律或许也可以应用到超星系团的成员星系团上,例如由本星系群和室女座星系团组成的超星系团中,所有的物质正在向中心集中。
    大约1020年后(比宇宙目前的年龄老10倍),宇宙将是一片凄凉景象:死去的恒星和行星的亡灵,可怕的黑洞,四处穿梭的元素粒子和光子。整个空间将膨胀到一个我们无法想象的尺度,黑洞之间的距离将至少比现在的可观测宇宙还大100倍!任何生命都将消失。宇宙尚未灭亡,但生命游戏已经悄然终结了。
没有永恒
    甚至连黑洞也不是永生的。我们在前文曾提到过,空间中任意一团真空其实都被称之为“虚粒子”的东西充满,它们的寿命极其短促,因此通常无法转换成普通物质。这些粒子总是成对出现,除了电荷极性相反外,其他的一切性质都相同。它们会在一瞬间互相湮灭。
    然而,假设一个粒子和它的反粒子恰巧出现在黑洞视界的边缘,请记住视界就是黑洞吞噬万物的临界区域。这对粒子还来不及发生湮灭,其中之一可能就被黑洞拽进了视界之内,而另一个则向相反的方向逃逸而去。对一个位于黑洞之外的观测者而言,这也就等于从黑洞视界之内辐射出了一个粒子,因此黑洞的质量也减小了和辐射出的粒子相同的质量,视界的半径也随之缩小。这种过程不断在发生,称之为“霍金辐射”,黑洞变得越来越小,最终它将在一次辐射爆发中消失无踪。
    然后是最终的演出:质子衰变。人们认为质子是由称为“夸克”的粒子组成的,但是它可能最终会分解成为更轻的粒子和辐射。它可能先是衰变成为正电子(电子的反粒子)和 介子, 介子极不稳定,几乎是马上就衰变成为光子。质子的平均寿命据估计为至少是1031 年的量级,因此不必奇怪我们至今还没有发现质子衰变的实例--宇宙的年龄才只有1010年。但如果这种理论图景是对的,那么在1033 年后,宇宙中除了一片光子和基本粒子充斥的“汪洋”外,就一无所有了。
    空间的膨胀将导致令人难以置信的稀疏。据估计,在1066年里,普通电子之间的平均距离将超过我们现在所能看到的宇宙半径的几十万倍。10100年后,或许经历10116年,残余的粒子将衰变成辐射。宇宙会逐渐变得更黑、更冷,看来再也不会有什么特别的事件会发生了。
    请记住,我们所描述的现象都基于一个假设:斥力在强度上始终不变。如果不是这样,又会如何?如果它变弱(甚至完全停止起作用)的话,等待我们的仍将是之前我们已经描述过的阴暗、凄凉的未来,尽管过程更慢但是却不可避免。但如果宇宙常数变得更大,我们将遭遇更加戏剧性的未来。
大撕裂
    刚开始时,情况并没有什么明显不同。事情或许进展得更快,我们很快就会被遗弃在一个孤独的星系团中,那时星系团仍然在引力束缚下聚在一起。在小尺度上,当物体靠近到一起的时候引力最大,相反,斥力则随着距离增加而增加。即便如此,最终宇宙常数产生的斥力也将在越来越小的尺度上起支配作用。一开始是星系团四分五裂,在可观测宇宙的中心只留下一个形单影只的星系。这一阶段,宇宙中的结构的弥留期只有不到10亿年了。在它们走向终结之前6000万年,单个的星系也将溃散,恒星(或者只是残存的残迹)向四面八方逸散。宇宙现在更加空旷了,物质更加分散,完全超乎我们的想象,但这时还有更加惨烈的一幕等待上演,那就是所谓的“大撕裂”。
    宇宙膨胀持续不断而且越来越快,最终在万物完结之前30分钟,组成恒星的物质本身也将被扯成碎末--任何现在还幸存着的行星都将被摧毁。这时留给宇宙的是一片原子的海洋。甚至连这也还不是终结。仍在膨胀的宇宙继续将原子加速,直到它们也被撕裂开去,发出辐射,此时连原子中的强大核力也不是斥力的对手,宇宙变成了一个由辐射和基本粒子组成的汪洋,和大爆炸之初颇为相像,但是相比之下密度就低得微不足道了。
    这是严肃的科学,尽管可能会令人有一个直觉,相当荒诞地觉得是哪儿出了问题。一个会以上述任何一种方式死亡的宇宙都总让人觉得莫名其妙,很可能我们遗漏了一个关键参数。但如果最终没有更多的事情发生,那么我们就没什么参数可以测量,这时实际上我们认为时间已经终结了。如果时间终结了,我们就不能推测在那之后将发生什么,因为已经没有“之后”了。很难令人相信这个无所不包的复杂而又有序的宇宙将会在毫无意义的混乱中结束。科学并不能把我们带往未来,除非我们充分提升自身的理解力,并带来一个崭新的视野,我们只能如此。
平行的宇宙
    至少,我们知道我们的地球--生命赖以生息的家园,有一个有限的结局。宇宙的未来则宽泛得多,但如果现代理论是正确的,这个未来也不是无限的。因此,这是否意味着将会有某个时刻所有的智慧都将戛然而止?我们对自己的宇宙所知颇多,但也还有所谓“平行宇宙”的概念,和我们的宇宙共同存在,但是处于不同的维度,不可能和我们发生联系。这样的一个宇宙也许在所有方面都和我们不同,不同的组成部分,不同的起源,不同的时间尺度。如果平行宇宙确实存在,它们也会走向灭亡吗?
    假设它们存在,当然在这一点上我们还没有一丝一毫的证据,平行宇宙可能在我们的宇宙消亡之后还会持续很久,并且,如果它们也有智慧生命的话,那么最终的情景(一片死寂的天地)可能就不再正确。现在的问题在于,目前似乎还没有办法查个究竟。如果我们真的将归于一个毫无生气的结局,那么可以说整个“关于(各种)宇宙的所有经验”大概都毫无用处,这对很多人而言将会是难以接受的。
游戏的结局
    我们已经跟随着天文学家们目前所掌握的知识,尽力追溯了宇宙的历史。我们从大爆炸开始,历经了暴胀、辐射透明、第一代恒星、星系、行星和生命形成等历程,还有距今数十亿年之后的遥远、黯淡的未来。在撰写本书时,这个故事是我们已知的最具有说服力的一个,但100年甚至仅仅10年之后,这些说法仍然准确吗?哦,我们根本不知道!
尾声
    每天,凭借着更加强大的仪器,理论工作在复杂的计算机模型的助力下更加洞悉深入,天文学家们正对我们所处的精巧而又复杂的宇宙了解得越来越多。收集的数据越多,看上去更加符合一个看法:随大爆炸而来的每一类型的事件,在创造一个能够让人类和其他随我们一起而生的所有动植物等物种演化出来的蓝色星球上,都是必要的。当然,这并不是说我们比任何一个我们的同伴生物更加重要,或我们的统治时代比宇宙历史长卷中展开的其他章节更加重要。或许人类的进化只是宇宙的未来演化之路上的一个必要片段而已。
    我们希望,我们在以正确的次序在讲述这些故事,而不是按照我们做出发现的顺序,我们在和读者探讨的是贯穿于宇宙演化中的那条主线的不同寻常的威力,我们自身也无可逃避地联结在这条主线之中。我们知道的所有东西,包括我们自己,都起源于最初的大爆炸。并且在某种程度上而言,我们仍然处在大爆炸中。
    我们这些作者相信,在现有知识的基础上,这本历史书是一次对描绘世界如何而来的有益的尝试。很刻意地,对于它为什么而来,或者是否有些超人类智慧使得整个序列开始运转方面,我们没有做哪怕是小半步的冒险。在这方面,完全缺乏物理证据,属于神秘学和宗教的范畴。我们觉得,如果宇宙中的那些奇观所具有的美都能被正确地欣赏,在科学和宗教之间是没有冲突的,它们只是处理不同的领域。我们希望,在讨论目前盛行的有关我们星球的话题上,我们能尽绵薄之力,提供冷静和有益的视点。如果我们耗费一生来试图完全理解一朵水仙花是怎样生长起来的,我们就不会在理解为什么这种魅力会被展现给我们方面走得更远。虽然如此,能在这两方面满足我们的好奇心已带给我们无穷的乐趣。我们祝愿人类的乐趣没有止境。
    布赖恩·梅(Brian May)帕特里克·摩尔(Patrick Moore) 克里斯·林陶特(Chris Lintott)
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