宇宙自然生命簡史,燒腦慎入

2021-01-12 半山烤鴨

科學家告訴我們物質的基本構成單位是原子,而原子則是由原子核與電子構成的,原子核中又有兩種粒子,它們是質子和中子,這兩種粒子都極其微小,實際上你再怎麼努力想像,也都無法真正理解它們到底有多小。

我可以打一個比喻來幫助你想像一下質子的尺度,比如你拿起一根最小的縫衣針,在這個縫衣針的針眼裡面,就能將 5000億個質子一個挨著一個地給平鋪開,那麼這 5000 億又是一個什麼樣的概念呢,如果你 1 秒鐘數 1 個數的話,那麼你差不多要數上 1.6 萬年才能數完。

怎麼樣?

有沒有點感覺呢?

那質子是不是宇宙中最小的粒子了呢?

不是,還有比質子更小得多得多的基本粒子,不過現代的物理學家們認為,宇宙中存在著一個最小的極限尺度,不可能有比這個尺度更小的粒子了,這被稱之為普朗克尺度,

它差不多是 10^(-35) 米的數量級。也就是要比質子還要再小上個 1 萬億億倍,實際上這個尺度也被稱為空間的最小單位,空間是無法被無限細分下去的,看上去連續的空間實際上是由,一個個的小泡泡連在一起形成的,而每一個泡泡空間都是一個整體,無法分割。

當然,這些都是物理學家們用紙筆計算出來的量子理論的產物,人類還沒有能力去驗證這個理論。據說,宇宙就是在這樣的一個小泡泡中被創造出來的。

現在,讓我們也試著來扮演一回上帝,創造一個宇宙出來,我們要創造的這個宇宙是按照當下最流行的「暴脹」模型來創造,在這個模型之前,還有一個已經過時了的「標準大爆炸」模型。那我們就不去管它了,在創造宇宙之前。你需要把現在宇宙中的所有物質,從宇宙誕生直到現在的每一個粒子,全都集中起來,壓縮到一個單獨的泡泡空間中,這就是宇宙學中的「奇點」,表示奇異之點的意思,但要理解奇點還真不是一件容易的事情。

接下去,將會有一次劇烈的大爆炸,你肯定會下意識地躲到一個安全的地方,來觀看這個宇宙奇觀,但我必須很不幸地告訴你,你無處可藏,因為奇點就是宇宙的全部,它沒有「外面」,它並不是你想像的那樣,物質在爆炸中填滿外面的虛空。

實際上,空間也是在大爆炸中創造出來的,你可能會想當然地認為,奇點是懸在無盡黑暗之中的一個原點,但這是錯誤的,沒有空間,也沒有黑暗,奇點沒有四周,沒有地方供它存在,我們甚至都不能問它存在了多久,它是某種靈光乍現呢,還是一直在等待著創世的那一刻。

因為,時間還不存在,沒有過去和未來。

我呢是絞盡腦汁想幫助你理解奇點的這種奇異性,但確實很難,不過我還是要努力一下,現在讓我們來設想一種這樣的空間,它在任何方向都是無限循環的,也就是說你朝任何一個方向跑過去,都會很快回到原點,你朝前看能夠看到自己的背影,是真正的自己,不是另外一個人,回頭看也能看到自己。

現在,你把這樣一個恐怖的空間縮小、縮小再縮小,無限地縮小下去,這就成了奇點,這就是奇點沒有「外面」的基本概念,隨著砰的一聲巨響

就這樣,我們的宇宙從無到有地誕生了,這是一個如此光輝的時刻,難以用任何語言去形容它的神奇和壯麗,奇點以令人不可思議的方式創造出了空間和時間,創世的第一秒是充滿活力的,眾多的宇宙學家耗盡畢生的精力想把這一秒鐘的內容,分割成越來越小的部分,引力以及物理學的所有定律,常量都產生於這頭一秒鐘,在不到一分鐘的時間裡,宇宙已經擴大到了 1600 萬億千米之大,此時的溫度是 100 億攝氏度,核聚變反應就開始了,宇宙中的元素誕生了,它們主要是氫原子和氦原子,以及少量的鋰原子,大約 1000 萬個原子中有一個是鋰原子, 3 分鐘後,宇宙中 98% 的物質都被創造了出來。

我們擁有了一個美麗的、神奇的、充滿無限可能的宇宙,所有這一切,只不過用了製作一個三明治的時間,關於宇宙的年齡,宇宙學家們在 100億年還是 200億年上爭論了好久,最後在歐洲航天局發射的普朗克衛星的精密測量下,2015 年得出的最佳結論是 137.98 ± 0.37 億年。

但這肯定不是測量的終點,但有一點卻是可以肯定的,在很遙遠的過去的某一個無法準確定位的時刻,由於某種不知道的原因,我們的宇宙開始上路了,而這個時刻,宇宙學家們稱為 t = 0,關於宇宙的誕生,我們知道的其實並不多,還有許多我們想搞清楚的事情,也有許多我們原以為已經清楚的事情,後來發現其實並不是那麼回事兒,大爆炸理論提出的時間也不算太長。

上世紀 20 年代,有一位比利時的牧師兼學者,名叫喬治·勒梅特,首次非正式地提出了這個假說,

但是此後的 40 年中,這個假說在宇宙學界並不吃香,直到 1965 年之後,由於兩個美國通訊工程師無意中的非凡發現,才使得大爆炸理論一下子在學界中炸開了,這兩位美國工程師一個叫阿諾·彭齊亞斯,一個叫羅伯特·威爾遜,

1965 年,他們在新澤西州的霍爾姆德用一臺屬于貝爾實驗室的,巨大射電天文望遠鏡做研究的時候,發現有一種穩定的背景噪音幹擾了他們想做的一切研究,這種噪音來自天空的所有方向,一年四季,從早到晚從不間斷,怎麼都消除不掉,這哥倆兒就花了一年的時間想去掉這個噪音幹擾,他們檢查了所有的電子元件,甚至把整個天線給拆了,小心地擦拭了每一個零件,然後再重新組裝起來,但是沒有用,於是他們又爬進號角型天線的喇叭口,用管道膠布蓋住了每一條接縫,每一個鉚釘,但是依然不管用。

不甘心的他們拿上抹布和掃帚再次爬進天線的喇叭口中,小心翼翼地把一種他們在論文中,稱為「白色電解質」的東西給消除乾淨,其實這就是鳥糞,但是,所有這一切都是白費功夫,噪音不但沒有被清掉,還比之前更加清晰了,彭齊亞斯和威爾遜不知道。

就在離他們只有 50 公裡的普林斯頓大學,有一組科學家,在羅伯特·迪克(Robert Dicke)教授的領導下,正在尋找一種東西,而這種東西恰恰就是哥倆兒,正在孜孜不倦地想要消除的東西,普林斯頓的這些科研人員正在研究的課題,就是俄裔美國物理學家喬治·伽莫夫,

在上世紀 40 年代提出的一種理論,這種理論指出,大爆炸在宇宙中留下了遺蹟,這就是微波背景輻射,伽莫夫計算出了這種微波背景輻射,穿過茫茫宇宙到達地球之後的溫度,在一篇論文中,他甚至已經提到利用貝爾實驗室在霍爾姆德的,射電天文望遠鏡就可以檢測到這種宇宙微波背景輻射。

但不幸的是,不論是彭齊亞斯還是威爾遜,還是普林斯頓大學的那些專家們,都沒有看過伽莫夫的這篇論文,彭齊亞斯和威爾遜聽到的噪音正是伽莫夫預言的,宇宙微波背景輻射。

換句話說,他們看到了宇宙的邊緣,至少可以說看到了 138 億光年之外宇宙的可見部分,那是宇宙誕生時的第一束光,時間和距離已經把它們轉變成了微波的形式,伽莫夫的預言是對的。

艾倫·古思(Alan Guth)在他的那本《暴脹的宇宙》,一書中打了一個形象的比喻來描述這種輻射的古老,他說如果我們把宇宙比作是 100 層的帝國大廈,樓頂是現在,而地面代表大爆炸發生時的0時刻,這樣一來我們向宇宙深處的凝望,就好比我們從樓頂向地面觀望,威爾遜和彭齊亞斯早些時候發現的,那些遙遠的星系大約是在第 60 層,而更古老的類星體,大約是在第 20 層。

但是微波背景輻射的發現卻把我們對可見宇宙的,認識推進到了離地面不到 1 釐米的地方,回到前面說的彭齊亞斯和威爾遜一直找不到那些可惡的噪音來源,於是他們想到了向普林斯頓大學求助,電話就恰巧打到了迪克教授那裡,他們在電話中詳細地描述了所遇到的困擾,而迪克教授聽完他們的描述,立刻就明白了這哥倆兒發現了什麼,他心裡頓時就哇涼哇涼的,他掛上電話後,對同事們說了一句話:「好了,孩子們,我們出局了。」不久之後,《天體物理學》雜誌上登出了兩篇文章,一篇是彭齊亞斯和威爾遜所寫的,描述了他們所發現那些噪音的經歷,而另一篇是迪克團隊寫的,解釋了這些噪音產生的自然原理,雖然彭威倆人從未想過要去尋找什麼宇宙背景輻射,當他們無意中發現的時候也並不曉得那是什麼,更沒有發表過任何論文來描述或解釋它們的性質。

但是,他們卻意外地收穫了 1978 年的諾貝爾物理學獎,而迪克和他的團隊只收穫了無數的同情,丹尼斯·奧弗比寫的《宇宙孤心》這本書中甚至說,彭齊亞斯和威爾遜自己也是閱讀了《紐約時報》之後,才明白自己的發現有多麼重大的意義,你看這哥倆兒運氣好的

在這裡我順便說一下,這種宇宙背景輻射幹擾其實我們都經歷過,你把電視機調到一個沒有信號的頻道,畫面上的雪花點中,有大約百分之一就是宇宙大爆炸殘留的遺蹟。

所以,下次你別再抱怨電視上什麼也沒有,你至少在觀看宇宙的誕生呢。雖然我們稱為大爆炸,但許多書上都提醒我們那不是一次普通的爆炸,而是一次突然的超大規模的膨脹。

那麼,這到底是什麼原因導致的呢,有一種觀點就認為,奇點是上一代宇宙大塌縮而成的,宇宙就像是一個氣球,不斷地膨脹又收縮,收縮又膨脹,循環往復,我們現在剛好處在膨脹中而已,還有些人把大爆炸歸因於一些深奧難懂的概念,比如什麼「負真空」、「標量場」、「真空能」之類的,反正就是某種東西,能給本來什麼也沒有的虛無帶去不穩定因素,從無到有看上去是沒有可能的,但我們的宇宙卻偏偏證明了這是可能的,因為我們的這個宇宙就是這樣來的嘛,也許我們的宇宙只是無數大小不一的宇宙中的一個,大爆炸到處不斷地發生著,也許在大爆炸之前,時間和空間是另一種我們完全無法理解和想像的形式,而大爆炸則是一種時空轉變的過程,宇宙從一種我們完全無法理解的形式,轉變成了我們大致能理解的形式。

史丹福大學的安德烈·林德博士,在 2001 年回答《紐約時報》的記者說,大爆炸的原因其實很像一個宗教問題,大爆炸理論其實並不是關於爆炸本身的理論,而是研究爆炸之後的時間中都發生了什麼,注意!

這裡指的是爆炸之後的很短很短的一段時間,科學家們通過仔細觀察粒子加速器中的情況,然後再輔以大量的數學計算,他們相信自己已經能夠回溯到大爆炸發生之後的 10-43 秒,那時的宇宙還小到要用顯微鏡才能看清,在宇宙學中會出現很多數字,雖然我們沒有必要去搞清每一個數字的概念。

但我至少想讓你理解其中的一個數字,這會讓你對宇宙學中那些令人難以想像的尺度多少有一點初步的概念,

比如這個 10^(-43) 秒,它也可以寫成這樣,或者一千億億億億億分之一秒,這些關於早期宇宙的知識,大部分我們自認為已經搞清楚的都要歸功於一個,叫艾倫·古思的美國粒子物理學家,他在 1979 年提出了暴脹理論,那時他還很年輕,只有 30 歲,名不見經傳,那年他在史丹福大學工作,古思自己說要不是聽了一場關於宇宙大爆炸的講座,自己很可能永遠也不會提出這個偉大的理論,而那次講座的主講人不是別人,正是我們前面提到過的迪克教授,他讓古思對宇宙的誕生問題產生了濃厚的興趣,最終提出了暴脹理論,在古思的理論中,我們的宇宙在誕生後的極短時間內,經歷了一種急劇的、突然的暴脹,頗有點戲劇性的味道,那麼這個暴脹的速度是多快呢?

古思他們的計算表明,宇宙在 10^(-35) 秒到 10^(-33) 秒之間,也就是十億億億億分之一秒的時間內,宇宙的尺度突然增大了 10^(26) 倍,也就是一百億億億倍,那這是一個什麼概念呢?

我簡單做了一個計算,相當於一粒塵埃瞬間膨脹成十個銀河系這麼大,暴脹理論解釋了為什麼我們的宇宙會出現旋渦星系,如果沒有這種暴脹,物質也就不會結成團,也就不可能出現恆星和星系,整個宇宙將只有漂浮的氣體和永恆的黑暗。

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