奇怪的知識增加了

馬庫斯·喬恩

【內(nèi)容簡介】

這是一本由50個古怪又奇妙的科學(xué)事實組成的科普書。

隨著科技的進(jìn)步和飛躍，人類對世界的理解不斷加深，這一切都揭示了一個遠(yuǎn)比我們想象中更為奇怪的宇宙。作者用輕松幽默的語言，向我們闡釋了宇宙中所暗藏的巨大能量，也揭示了關(guān)于生命存在的有趣細(xì)節(jié)，讓人在腦洞大開之余，獲得豐富的科學(xué)知識。發(fā)掘那些控制我們?nèi)粘Ｉ畹碾[藏真理，有助于解釋我們存在的巨大復(fù)雜性，也能夠改變我們的思維方式和對萬事萬物的看法。

3萬年前的光

愉快的回憶讓我重回往日的時光。

——托馬斯·穆爾

科學(xué)史上有一張十分神奇的照片，深藍(lán)色背景上面有一個橘黃色、充滿顆粒感的光斑。我在科普演講的時候，總喜歡把這個圖投影在大屏幕上讓大家猜。有人說是個正在爆炸的恒星，有人說是個原子，還有人說是一坨熔化的金屬球。反正答案千奇百怪，但很少有人答對。這樣才好，我就能用夸張的語氣給出這個讓人驚奇的答案：“這是太陽??！晚上的太陽?！?/p>

“你可得了吧，”總有人會站起來質(zhì)疑，“晚上？太陽不是在地球另一邊嗎？”

“對呀，可不就是地球另一邊的太陽！這張照片不是抬起頭拍攝的，而是埋著頭拍攝的，隔著8000多英里地球直徑拍攝到的地球另一邊的太陽。這也不是借著光拍攝的，而是借著中微子。”

中微子是一種來去無蹤的亞原子粒子，是太陽核心核反應(yīng)的生成物，數(shù)量龐大到不可思議。你現(xiàn)在如果伸出拇指，1秒內(nèi)就有1000億個中微子穿過你的指甲蓋。你對此毫無覺察，因為它們非常不喜歡社交，它們一般不跟任何原子交流。要尋覓它的蹤跡就只能使用充滿大量原子的探測頭，希望哪個原子能攔住一個中微子。

這張地球背面的太陽照片是由超級神岡中微子探測器拍攝的，探測器深埋在日本岐阜縣下方的大洞穴里。探測器就像一個10層樓高的紅燒肉罐頭，灌滿了5萬噸的水。偶然間會有一顆太陽的中微子穿過探測器并很罕見地和水分子里的氫原子核，也就是質(zhì)子互相作用。然后這個亞原子彈片被炸出水罐，這個過程會發(fā)出像超聲速沖擊波一般的光。你很可能都見過這種切倫科夫光的照片，其實就是在核反應(yīng)堆旁放射性廢料發(fā)出的藍(lán)瑩瑩的光亮。

在超級神岡探測器那巨大的罐頭內(nèi)，滿滿覆蓋著11146個直徑50厘米的“燈泡”。它們就是名為“光電倍增管”的光探測器。只要記錄下哪些光探測器被激活（探測到光線），以及激活的順序，物理學(xué)家就能推測出中微子產(chǎn)生切倫科夫光的路徑。

但這些細(xì)節(jié)都不重要。只要知道中微子幾乎不和其他物質(zhì)互相作用，因此從太陽核心往表層發(fā)散的時候才能暢通無阻地走直線，僅2秒就能抵達(dá)太陽表層。之后又花了約8.5分鐘飛到地球。

再一次豎起你的大拇指?，F(xiàn)在正穿過你拇指的中微子在約8.5分鐘之前還在太陽核心呢。

然而，太陽光雖然也是由內(nèi)核核反應(yīng)產(chǎn)生的，卻和中微子的際遇大相徑庭。光是一束由無數(shù)光子組成的粒子流，它們從太陽內(nèi)核去往表層的路程異常艱辛。光子們就像圣誕節(jié)搶降價商品的中年婦女一樣，在異常擁擠的街道上殺出一條血路。它們可走不了直線，被擠到懷疑人生的它們只能Z字形前行。在太陽內(nèi)部，光子走不到一厘米就會被其他物質(zhì)反射向另一個方向。事實上，對光子來說，從太陽內(nèi)核到外層的路途實在是太曲折了，要花上3萬年的時間才走得完。對的，你沒看錯，是3萬年！再想想中微子只需要2秒，不禁心疼一下光子。然后，光子從太陽外層抵達(dá)地球只要8.5分鐘。

綜上所述，你今天看見的陽光已經(jīng)有3萬歲了，它們差不多是在最后一個冰河時期誕生的呢！

暗

暗物質(zhì)無處不在，它就在你房間的每個角落。

——法比奧拉·賈諾蒂

97.5%的宇宙是不可見的，不管從哪個角度看，這都堪稱科學(xué)史上最令人訝異的發(fā)現(xiàn)。然而，大部分科學(xué)家對這一事實的認(rèn)識仍然不夠深刻。很多人仍未意識到，過去350多年以來科學(xué)家致力于的事業(yè)不過只是宇宙極小一部分，就像巍峨大山中散落的雪花。

宇宙僅有4.9%是由原子組成的，比如說你和我、天上的繁星等。然而通過望遠(yuǎn)鏡，我們僅能看到這4.9%的一半。天文學(xué)家懷疑另一半由原子組成但又看不見的物質(zhì)是星系之間游蕩的氣體，它們不夠冷，也不夠熱，無法發(fā)出光亮。近期有科學(xué)研究表明，我們已經(jīng)在熱氣體細(xì)絲中找到了一部分這種看不見的物質(zhì)。熱氣體細(xì)絲是星系之間稀薄的網(wǎng)狀物質(zhì)。

宇宙中4.9%為普通物質(zhì)，26.8%（大概為普通物質(zhì)的6倍）為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)不發(fā)光，或者發(fā)出的光芒過于暗淡，以至于我們最為靈敏的天文設(shè)備都無法探測到。我們能覺察到暗物質(zhì)的存在，完全是因為暗物質(zhì)對可見星體和星系有引力作用，使得它們的運(yùn)動軌跡與牛頓引力定律的計算結(jié)果不符。

至于暗物質(zhì)究竟是什么，我也并不比你多知道些什么。對此猜測很多，從未知的亞原子到自大爆炸就存在的冰箱大小的黑洞。還有種可能就是，我們正處于倒流的時間中，而暗物質(zhì)是未來遺留下來的產(chǎn)物（沒開玩笑）。如果暗物質(zhì)是由前者構(gòu)成的，那它現(xiàn)在就真的充斥在你周圍的空氣中?？茖W(xué)家也曾希望有疑似暗物質(zhì)的亞原子，會在位于瑞士日內(nèi)瓦附近的大型粒子加速器內(nèi)現(xiàn)身，但至今為止并沒有任何驚喜。閑來無事之時，我也會胡亂猜測一下是否會有暗恒星、暗行星、暗生物之類的東西。也會猜測，科學(xué)家近50年來不斷試圖尋找外星文明但一無所獲的原因沒準(zhǔn)就在這些“暗”的事物上，沒準(zhǔn)我們周圍正熱鬧地開展著星系間商務(wù)文化交流，只是我們看不見而已。

除去4.9%的普通物質(zhì)、26.8%的暗物質(zhì)，另外占據(jù)68.3%宇宙質(zhì)量的是暗能量（記住，所有能量都有對等的質(zhì)量，按照愛因斯坦質(zhì)能方程E=m? 換算）。暗能量不可見，它充斥著整個宇宙且?guī)в胸?fù)引力。負(fù)引力會加速宇宙膨脹，這也是為什么我們能在1998年發(fā)現(xiàn)暗能量的存在。試想一下，直到20多年前，科學(xué)界才開始意識到那些一直以來忽略掉的絕大部分宇宙。

如果說物理學(xué)家們被暗物質(zhì)難住了，那么暗能量簡直讓他們無從下手。當(dāng)今最先進(jìn)的物理理論是量子理論，它十分成功，我們從它那里獲得了激光、電腦和核反應(yīng)堆。它也解釋了太陽為什么發(fā)光，我們腳下的土地為什么堅實。但是，當(dāng)我們將量子理論用于預(yù)測暗能量的能量時，得出的計算結(jié)果比我們實際觀測到的結(jié)果大了1后面加120個0那么多倍。這是科學(xué)史上理論值與觀測值差異最大的一次。也許我們對“真實世界”的含義有些誤解。

“現(xiàn)代宇宙學(xué)面臨最尷尬的問題是，宇宙絕大部分構(gòu)成是不可見的，”美國天文學(xué)家史黛西·麥高說道，“暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成了宇宙約95%的質(zhì)能，但我們也僅僅知道它們存在罷了。”

靜靜地想一想，我們竟然僅靠望遠(yuǎn)鏡中看見的2.5%的宇宙，就勾畫出現(xiàn)代宇宙學(xué)的基石，即宇宙模型。舉個例子，這就像是，19世紀(jì)的査爾斯·達(dá)爾文如果只知道青蛙，但不知道樹、狗、螞蚱或鯊魚什么的，那么他又能在生物學(xué)理論，如進(jìn)化論上，做出多少成就呢？現(xiàn)代天文學(xué)家就處于這種尷尬的境地。顯而易見，現(xiàn)代宇宙學(xué)缺失了一大塊知識點。希望有朝一日，新發(fā)現(xiàn)能彌補(bǔ)這些盲點，讓暗物質(zhì)和暗能量這些在大爆炸理論中的搗蛋鬼能有機(jī)地整合成完美無瑕的理論。希望科學(xué)前行的道路上會有驚喜等著我們——那種能徹底改變我們看待宇宙方式的驚喜。

你的確來自天堂

在我心里，一彎草葉可比天上繁星起落。

——沃爾特·惠特曼

你血液中的鐵、骨骼中的鈣、肺中吸入的氧都是遠(yuǎn)在地球誕生之前，在漫天繁星內(nèi)部形成的。事實上，我們與星系之間的關(guān)系緊密到任何占星家都無法想象，而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這一驚人事實的道路是漫長而曲折的。

第一步是發(fā)現(xiàn)宇宙間萬物生靈都是由原子構(gòu)成。理查德·范曼曾提出一個問題：“如果有大災(zāi)難發(fā)生，所有科技科學(xué)都將毀于一旦，我們卻只能為后世留下一句話，那么怎樣才能用最少的話語傳遞最多的科學(xué)信息呢？”他斬釘截鐵地自問自答道：“萬物皆由原子構(gòu)成。”

在漫長的幾個世紀(jì)里，人們曾經(jīng)不斷嘗試將一種物質(zhì)煉制成另一種物質(zhì)，比如說把鉛變成金子。有趣的是，在經(jīng)歷了幾百年的嘗試失敗之后，人們突然發(fā)現(xiàn)世界是由微小而不可分的粒子構(gòu)成的，這些基本粒子并不能從一種變成另一種。原子不僅是基本元素，它還是譜寫萬物的字母表。正如前文所言，將原子按不同方式、不同類別組合在一起，能構(gòu)成一個星系、一棵樹或者一只在山間嬉戲的猿猴。世間繁復(fù)多變的事物只是虛幻，萬物的本質(zhì)都十分簡單，只是自然基礎(chǔ)元素的排列組合而已。

自然界一共有 92 種自然存在的原子或者說元素，從質(zhì)量最輕的氫元素到最重的鈾元素，其中一些元素在宇宙中很常見，另一些則不然。到了 20 世紀(jì)，我們又發(fā)現(xiàn)另一個古怪的事實，一個元素在宇宙中含量多少與其原子核構(gòu)造有關(guān)。比如說，原子核最輕的元素最為常見。

那么，究竟為什么元素在宇宙中的含量會和元素原子核結(jié)構(gòu)相關(guān)呢？唯一行得通的解釋是，核反應(yīng)過程也參與到原子形成的歷程中了。換句話說，創(chuàng)世神并不是一次性創(chuàng)造出這 92 種元素。真實情況是，當(dāng)宇宙還處于幼年階段時，它只擁有最簡單的原子——氫原子。而其他更重的元素都是由氫元素組合形成的。

原子核內(nèi)的質(zhì)子之間排斥力異常強(qiáng)，要想靠核力將它們像《星際迷航》中“牽引光束”那樣束縛住并且黏合在一起，就必須把質(zhì)子們放置到足夠近的地方。這就意味著，質(zhì)子們必須以極高的速度“砰” 的一下撞擊在一起。溫度是微觀運(yùn)動的量尺，也就是說這種核反應(yīng)需要極高的溫度。

20 世紀(jì)的物理學(xué)家們面臨的問題是：宇宙中什么地方的溫度可以達(dá)到讓原子核融合，從而形成新原子的高溫熔爐呢？最初，科學(xué)家們認(rèn)為是各大恒星表面，但即便是那兒的溫度似乎也不夠高。他們發(fā)現(xiàn)找錯了地方，于是把目光轉(zhuǎn)移到宇宙誕生之初的那一瞬間：宇宙大爆炸的火球就是最初的熔爐。

但是，大自然做事才不會如此簡單，煉造出 92 種元素的宇宙熔爐并不止這一處。質(zhì)量極輕的一些元素，比如說氦，的確是在宇宙誕生那最初幾分鐘里煉化而成的。而所有重一些的元素則是由各恒星內(nèi)核自大爆炸起就苦心經(jīng)營、費力煉化而來的。

太陽這般的恒星不夠熱、密度也不夠大，煉化不出任何比氦元素更重的元素。但大質(zhì)量恒星內(nèi)部則能煉制出重至鐵元素的原子。到最后，這類恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)就如洋蔥一般，每一層的構(gòu)成元素都比它外面一層的構(gòu)成元素更重。

如果這些恒星始終保持穩(wěn)定，也沒有演化到超新星爆炸階段，那么這些新的更重的元素便一直封鎖在恒星內(nèi)部。這樣一來，我們也不會存在了。幸好，這些恒星不僅會借助自身爆炸將核熔爐中融合的新元素分享給全宇宙，在爆炸過程中還會生產(chǎn)出更重的元素來。

這些元素與星際云的氣體和塵埃混合在一起，豐富了星際云中的重質(zhì)量元素，與星際云一起孕育新恒星和行星。正因如此，重元素才會在地球上出現(xiàn)。正如美國天文學(xué)家艾倫·桑德奇所言：“我們都是兄弟姐妹，我們都來自同一次超新星爆炸?！?/p>

如果從恒星上挖一小塊物質(zhì)會是什么樣的呢？如果好奇的話，不如舉起自己的手看一看，畢竟你就是星塵所化。

（可可摘自湖南科技出版社《奇怪的知識增加了》）