宇宙沒有義務(wù)讓你理解

尼爾·德格拉斯·泰森

有史以來最偉大的故事

起初，將近140億年前，已知宇宙所有的空間、所有的物質(zhì)、所有的能量，都包含在一個(gè)極小極小的尺度之內(nèi)，比這句話末尾的句點(diǎn)的一萬億分之一還要小。

那時(shí)的溫度是如此之高，自然界中描述這個(gè)宇宙的四種基礎(chǔ)作用力還是統(tǒng)一的。雖然我們依然不知道它是如何出現(xiàn)的，但這個(gè)比針尖還要小的宇宙只能膨脹。急速膨脹。我們將其稱之為大爆炸。

愛因斯坦在1915年提出的廣義相對(duì)論，為我們提供了關(guān)于引力的現(xiàn)代理解，即物質(zhì)和能量的存在彎曲了圍繞它們的空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)。在20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)被發(fā)現(xiàn)，為我們提供了微觀世界的現(xiàn)代觀念：分子、原子和亞原子粒子。但是這兩種對(duì)自然界的理解在形式上是彼此不相容的，這使得物理學(xué)家們開展了一場競賽，要將微觀理論與宏觀理論融為一種內(nèi)在一致的量子引力理論。雖然我們還沒有到達(dá)終點(diǎn)，但我們知道最大障礙的確切位置。其中之一是在早期宇宙的“普朗克時(shí)期”。那是大爆炸之后時(shí)間間隔從t=0到t= 10- 43秒（1秒的千億億億億億分之一），并在宇宙尺度增長到10-35米（1米的千億億億億分之一）之前。這些難以想象的小量被命名為普朗克時(shí)間和普朗克長度，馬克斯·普朗克（MaxPlanck）是德國科學(xué)家，他在1900年引入了量子化能量的概念，被譽(yù)為“量子力學(xué)之父”。

引力和量子力學(xué)之間的沖突對(duì)當(dāng)代宇宙沒有什么實(shí)際的影響。天體物理學(xué)家們把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的原理和工具應(yīng)用于不同種類的問題。但在宇宙開始的時(shí)候，也就是普朗克時(shí)期，極大也是極小，我們懷疑兩者一定曾經(jīng)有某種強(qiáng)制聯(lián)姻。唉，然而我們對(duì)它們?cè)谀莻€(gè)儀式上交換的誓言一無所知，所以沒有任何（已知的）物理定律能夠描述宇宙在那個(gè)時(shí)期的行為。

盡管如此，我們預(yù)計(jì)在普朗克時(shí)期結(jié)束時(shí)，其他三種自然力仍然統(tǒng)一，引力逐漸分離出來，成為我們目前的理論可以很好地描述的獨(dú)立作用力。隨著時(shí)間達(dá)到10-35秒，宇宙繼續(xù)膨脹，稀釋了所有曾集中的能量，剛才還保持統(tǒng)一的作用力分裂成“弱電力”和“強(qiáng)核力”。后來弱電力分裂成電磁力和“弱核力”，從而使得我們已經(jīng)能夠認(rèn)識(shí)到的四種作用力顯露了出來：決定放射性衰變的弱核力，把原子核束縛起來的強(qiáng)核力，使得分子結(jié)合在一起的電磁力，把大團(tuán)物質(zhì)聚集在一起的引力。

從宇宙誕生開始，至此過去了萬億分之一秒。

在那個(gè)時(shí)間，以亞原子粒子的形式存在的物質(zhì)，與以光子的形式存在的能量（光子既是粒子又是波）之間的相互作用持續(xù)不斷。那時(shí)的宇宙溫度足夠高，這些光子會(huì)自發(fā)地把它們的能量轉(zhuǎn)換為成物質(zhì)—反物質(zhì)粒子對(duì)，緊接著又彼此湮滅，把能量重新轉(zhuǎn)換為光子對(duì)。是的，反物質(zhì)是真實(shí)的，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了它，這并不是科幻作家的想象。這種能量和物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)換完全遵守愛因斯坦最著名的質(zhì)能方程：E=mc2，它既可以用來算你的能量“值”多少物質(zhì)，也能用來算你的物質(zhì)“值”多少能量。方程里c2是光速的平方，它是個(gè)巨大的數(shù)字，用它乘以質(zhì)量，讓我們知道在這個(gè)“運(yùn)算”中我們可以獲得多么巨大的能量。

在強(qiáng)核力和弱電力分道揚(yáng)鑣之前、之中、之后這段極短的時(shí)間里，宇宙變成了由夸克、輕子和它們的反物質(zhì)兄弟——還有承擔(dān)它們相互作用力的玻色子——共同組成的一大鍋沸湯。這些粒子家族每一類都有好幾個(gè)變種，但它們都被認(rèn)為無法再分割成更小或更基本的粒子了。普通的光子是玻色子家族的一員。對(duì)于非物理學(xué)家來說最熟悉的輕子就是電子，可能還有中微子。至于最熟悉的夸克……好吧，沒有你們熟悉的夸克。夸克一共有六種，每一種都被賦予了一個(gè)抽象的名稱，這些名字不具有真正的語言學(xué)、哲學(xué)，或教育學(xué)的目的，只是為了區(qū)別彼此：上夸克和下夸克、奇異夸克和粲夸克、頂夸克和底夸克。

玻色子，順便說一下，是根據(jù)印度科學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色而命名的?！拜p子”這個(gè)詞來源于希臘文leptos，意思是“輕”或“小”。然而“夸克”這個(gè)名字則有一個(gè)頗具文學(xué)色彩也更富想象力的起源。物理學(xué)家莫瑞·蓋爾曼在1964年提出存在夸克，它們是中子和質(zhì)子的內(nèi)部成分，他當(dāng)時(shí)認(rèn)為夸克家族只有三名成員，所以從詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》里一句含義出名模糊的句子“向麥克老人三呼夸克”（Three quarksforMusterMark）借用了夸克（quark）這個(gè)詞。這些夸克有一個(gè)共同的特征：他們的名字都特別簡單——這似乎是當(dāng)化學(xué)家、生物學(xué)家，特別是地質(zhì)學(xué)家在給他們自己的研究對(duì)象命名時(shí)無法做到的事情。

夸克是古怪的野獸。它們跟質(zhì)子和電子有個(gè)不同的性質(zhì)，每個(gè)質(zhì)子擁有+1電荷，電子擁有的電荷為–1，可是夸克具有的電荷為分?jǐn)?shù)——只能是1/3或2/3。而且你永遠(yuǎn)不可能抓住一個(gè)單獨(dú)的夸克；它總是跟附近的其他夸克抱成團(tuán)。事實(shí)上，你把兩個(gè)或更多個(gè)夸克分開的距離越遠(yuǎn)，把它們束縛在一起的力量也會(huì)隨之增強(qiáng)——它們就像是被原子核內(nèi)的某種橡皮筋拴在一起?？淇吮环蛛x得足夠遠(yuǎn)時(shí)，橡皮筋斷裂，原本儲(chǔ)存的能量會(huì)“召喚”質(zhì)能方程E=mc2在橡皮筋兩端各產(chǎn)生一個(gè)新的夸克，把你又帶回到了出發(fā)的起點(diǎn)。

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我在宇宙中處于什么位置？

最近幾年，幾乎每個(gè)星期，都會(huì)有一個(gè)值得上新聞?lì)^條的宇宙新發(fā)現(xiàn)。盡管這有可能是媒體把關(guān)人對(duì)宇宙產(chǎn)生了興趣，不過這些新聞數(shù)量的上升更可能來自公眾科學(xué)興趣的真正提升。相關(guān)的證據(jù)有很多，從受科學(xué)啟發(fā)或包含科學(xué)內(nèi)容的熱門電視節(jié)目，到由大牌明星主演、著名電影公司和導(dǎo)演拍攝的科幻影片的成功。最近，以重要的科學(xué)家為主角的傳記電影已經(jīng)自成流派。科學(xué)節(jié)、科幻大會(huì)和科普紀(jì)錄片也在世界各地廣為流行。

在這類科幻影片中票房頗高的，是由一位著名導(dǎo)演拍攝的，發(fā)生在繞著遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)行的一顆行星上的故事，一位著名女演員扮演的天體生物學(xué)家在電影中占據(jù)了非常重要的角色。雖然在這個(gè)時(shí)代，大多數(shù)科學(xué)分支都有長足發(fā)展，但天體物理學(xué)一直是其中的翹楚。我想我知道原因：我們每一個(gè)人在某個(gè)時(shí)間都曾仰望夜空，都想知道：這一切意味著什么？它是如何運(yùn)行的？我在宇宙中處于什么位置？

如果你實(shí)在太忙了，沒空通過上課、讀教科書或看紀(jì)錄片來理解宇宙，可你仍在尋找對(duì)這個(gè)領(lǐng)域簡短而有意義的介紹，那么我為你提供了這本《給忙碌者的天體物理學(xué)》。在這本小書里，你將對(duì)推動(dòng)當(dāng)代宇宙學(xué)的所有主要思想和發(fā)現(xiàn)獲得基礎(chǔ)而連貫的了解。