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赠书 | 当宇宙还是一个baby的时候？

关注杭图君☞ 杭州图书馆 2021-04-15

在很久很久之前的某个时刻，整个宇宙比原子还要小。不仅如此，我们还可以推算，数千亿计的星系是如何从一个比一粒微尘还要小的亚原子大小的空间里产生的，如此看来，人类似乎能够了解宇宙的起源。

宇宙学无疑是最为大胆的科学分支。我们所在的星系——由四千亿颗行星组成的银河系，曾经被当作比一粒微尘还要小的空间，这个想法已经是奇思异想。而整个可观测宇宙中的所有星系都曾经不过是一个亚原子大小的空间，这种说法听上去就像痴人说梦。然而，对于许多宇宙学者来说，这个主张几乎连半点争议也没有。

《宇宙从一粒尘埃开始》中的9堂极简宇宙课，都是用一些并不高深的的理论知识，教普通大众如何通过科学来理解宇宙。可能你会认为，一个普通人是不可能对宇宙有仔细的钻研的：难道我们不需要哈勃空间望远镜和大型强子对撞机吗？

答案是：不见得。

一些很基本的问题，比如对地球、太阳、太阳系甚至之外的有关宇宙的问题，都可以从你家的后花园里找到答案。

它们存在多久了？

它们有多大？

它们有多重？

科学能够给我们答案。

我们可以通过观察、测量和思考得出答案。

宇宙是如何从一个亚原子大小变成如今的样子的？

宇宙是如何从一个亚原子大小的空间转化成如今我们看到的无穷的星系海洋的？

我们先回到大爆炸之前的宇宙。这里所说的“大爆炸”指的是在138亿年前，组成可观测宇宙的所有物质以高温稠密基本粒子等离子体的形式出现的事件。在此以前的宇宙是截然不同的。它相对较冷、无颗粒，而且空间本身以非常快的速度在膨胀，也就是说，宇宙中包含的所有粒子都在以高速彼此远离。颗粒间的平均距离每10^-37秒就增加一倍。这是一种几乎令人无法理解的惊人的膨胀率，两个曾相隔一厘米的粒子，在仅仅4×10^-36秒以后就相距100亿米，这比地球到月球距离的20倍还要多。我们不知道宇宙这样膨胀了多久，但至少持续了10^-35秒。宇宙学家称这个快速膨胀的大爆炸前阶段为暴胀时期。

让我们集中关注一个只有质子（氢原子的原子核）的十亿分之一大小的空间。乍一看，它没有什么特别的，只是浩瀚的膨胀的宇宙中极其小的一个组成部分，而且和它周围众多的空间没什么两样。这块空间值得我们注意的唯一原因是，它注定将在138亿年间成长为可观测宇宙，即我们现在从地球上能看到的包含所有星系、类星体、黑洞、恒星、行星、星云等的宇宙。而整个宇宙比可观测宇宙要大得多得多，但是我们没有办法看到全部，因为光在138亿年的时间里所走的距离是有限的。

在大爆炸之前，宇宙充满了一种叫“暴胀”场的东西，它就像由静止的海洋构成的物质空间。暴胀场内的能量在引力的作用下，导致了宇宙的指数性增长，这也是它名字的来源：它就是导致宇宙膨胀的场。总体而言，暴胀场在宇宙增长的时候一直不受影响，但是它也不是完全均匀的。正如量子物理定律要求的那样，它有很多微小的波纹。

当我们的可观测宇宙到了一个瓜那么大的时候，暴胀时期由于驱动能量的耗竭已快到尾声。但这个能量不是没有了，而是转变成了大量的基本粒子。一瞬间，一个冰冷的空洞的宇宙变成了一个炽热而稠密的宇宙。膨胀就这样结束，大爆炸开始，形成了一个新的宇宙，其中充满了注定要进化成星系、恒星、行星和人类的粒子。

我们目前还不知道在大爆炸过程中有哪些粒子在场，但是我们确实知道，那些最重的粒子很快就衰变，生成了较轻的粒子，即我们现在所知的电子、夸克、胶子、光子、中微子以及暗物质等。我们对宇宙在万亿分之一秒时存在的粒子很有信心，因为我们能够在地球上通过大型强子对撞机再造这些条件。这就是空荡荡的空间被希格斯场填充，导致其中一些基本粒子获得质量的时刻。导致恒星发光的弱核力也在此时与电磁力分道扬镳。

在大爆炸的百万分之一秒之后，当炽热的等离子体降温到10万亿摄氏度时，夸克和胶子组成了质子和中子，即原子核的构成部分。尽管这个原始的宇宙所包含的粒子成分几乎一样，但其中粒子的稠密度还是有些许差别的，这就是暴胀场内量子导致产生的波纹的痕迹。这些变化就是星系日后发展壮大的种子。

在大爆炸一分钟之后，宇宙温度冷却到约10亿摄氏度的时刻，一些质子和中子可以配对聚合形成氘核了。其中大多数又继续和其他质子和中子配对形成氦核，以及少量的锂核。这是一个核合成的时期。

在接下来10万年左右的时间内，宇宙持续扩张和冷却，除此之外没有多大变化。然而在接近这一时期的尾声时，暗物质逐渐开始聚集在暴胀场内波纹播下的种子周围。宇宙中暗物质较多的地方就变得略微稠密一些，而它们的引力也吸附了更多周围的物质，这就是物质引力聚集的开始，最终将导致星系的形成。同时，光子、电子和原子核彼此频繁交错碰撞，从而形成了一种类似液体的物质。

38万年以后，当可观测宇宙达到现在的一千分之一时，温度已经降到了太阳这类平均大小的恒星的表面温度，冷到了能够让电子被带电氢核和氦核俘获并围绕它们旋转的程度。刹那间，在整个宇宙中，第一批原子诞生，宇宙经历了一个巨大的变化，从一团炽热的电等离子气体，变成了一团炽热的电中性的粒子气体。这一事件具有重大后果，因为光子和电中性的原子之间的反应要少得多。宇宙变得透明了，意味着光子不再进行之字形运动，而是开始做直线运动。

在接下来的138亿年里，这些光子大部分都做直线运动，其中一些刚刚以微波的形式到达我们今天的地球。这些古老的光子就是远古时代的信使，它们带来了大量的信息宝藏，供宇宙学家们破解。

红移为0.00655 的星系NGC4535

随着宇宙的继续膨胀，在引力的作用下，它主要由暗物质组成的稠密区域变得越来越稠密了。氢与氦原子在暗物质周围聚集，旋转的原子云继续成长，直到最稠密的部分向内塌陷，增加了其内核的压力和温度，导致它们最终形成了核熔炉；氢聚合为氦的过程被引发，恒星在全宇宙范围内诞生。

大爆炸的一亿年以后，宇宙的黑暗时代结束，取而代之的是一片熠熠星光。最大质量的恒星只有短暂的生命，当它的氢燃料耗尽时，在与引力进行的徒劳角斗中，它开始元素聚变，产生了更重些的元素如碳、氧、氮、铁等：这些形成生命的元素就是这样产生的。当燃料最终耗尽，这些恒星就瓦解成闪亮的行星星云或者爆炸中的超新星，同时把它们新造成的重元素散布到宇宙空间各处。在它们回光返照的最后一刻，每颗爆炸中的超新星的剧烈震荡合成了那些最重的元素，包括金和银。新的恒星从旧恒星的碎片中产生，数千亿计的恒星聚集在最初的星系里。而在暗物质引力的作用下，数千亿计的星系凝聚在浩瀚宇宙中如同蛛网般密布的网格上。

在46亿年前的银河系，一朵充满恒星碎片的气体云瓦解，形成了我们的太阳。不久后，地球从气体云的残留物中产生。

38亿年前，在地球的一片海洋（它是由在宇宙生命的第一分钟中形成的氢，以及从那些陨灭很久的恒星造成的氧组成的）中，年轻的地球从地球化学的存在变成了生物化学的存在：生命开始了。

1687年，艾萨克·牛顿发表了《自然哲学的数学原理》。显然，我们在这里跳过了一些生物学介绍。

这就是宇宙从大爆炸之前到艾萨克·牛顿的进化的大轮廓介绍。看起来，似乎只要从冷却的灰尘里取得一些原子的集合，再掌握一点点叫作科学的神奇东西，我们就有机会窥探创世之火的真谛。

——本文摘自《宇宙从一粒尘埃开始》

《宇宙从一粒尘埃开始》 9堂极简宇宙课

[英]布莱恩·考克斯，[英]杰夫·福修

张辉译

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