人是获得了生命的星尘 |《给忙碌者的天体物理学》

现在的人都很忙碌。你或许认为自己不需要知道天体物理学。这本书在忙碌者的舒适区上空捅了一个小窟窿，带你爬出舒适区，站在上面向上眺望看宏大而无意义的星空，然后探寻我们无知的边界。

《给忙碌者的天体物理学》，这本书的作者尼尔•德格拉斯•泰森（Neil deGrasse Tyson），是美国家喻户晓的天体物理学家，科普作家。还曾经在著名美剧《生活大爆炸》第四季中客串，饰演自己。

一、大爆炸

宇宙起源于一粒尘埃。极小的尘埃，一个非常非常小的点，比一个标点符号的一万亿分之一还要小。里面包含了现在宇宙世界的所有能量和物质。

没有人知道这粒尘埃之前的宇宙是什么样。当天体物理学家认识到这样一粒尘埃的存在时，它就嘣的一声爆炸了。 

就像一部好莱坞大片，宇宙开始了。

最开始的千亿亿亿亿亿分之一秒内，天体物理学家也不知道发生了什么。这个瞬间就是从时间t=0到t=10 ^-34秒。他们把这段时间叫做普朗克时期，这个时候宇宙的长度是10^-35米，叫普朗克长度。普朗克成了“我不知道”的代名词。

在尴尬的普朗克时期之后，天体物理学家说，宇宙是一锅沸腾的粒子汤。

即使你坐在最前排，也什么都看不到。汤里面没有任何我们熟悉的物质，一块肉也没有。只有基本粒子和它们的反物质。

如果物质是1，反物质就是-1。它们结合就会变成一道光，一粒光子。如果你有一天遇到反物质的“你”，一握手你们俩都会合成一道光，消失在宇宙中。

那个时候的世界温度足够高，只有比电子还小的夸克和轻子和他们的反物质兄弟。

光子自发地把能量转换成物质和反物质粒子对，物质和反物质彼此握手湮灭，重新转换成能量——光子对。物理学家已经可以用E=mC2来理解这一刻的宇宙。

随着宇宙继续膨胀到大于现在太阳系尺度时，宇宙温度迅速下降到1万亿开尔文以下。这时时间过去了百万分之一秒。

夸克轻子汤变成强子汤。每10亿次粒子湮灭（由此留下10亿个光子），才会有一个强子幸存。这些孤独的幸存者最终将笑到最后：它们是产生星系，恒星，行星和牵牛花的终极物质来源。

如果没有在物质和反物质之间十亿零一与十亿的不平衡，宇宙中的所有物质都将自我湮灭，留下一个由光子组成的宇宙，没有别的----永远是“要有光，就有光”的景象。

大爆炸的第一秒，宇宙的温度是10亿开尔文。宇宙这个大锅里现在煮的是电子和正电子。10亿分之一的电子幸存下来，其他的电子和他们的反物质伙伴握手湮灭在光的海洋。

在38万年的时间里，宇宙温度降到3000开尔文，就是太阳表面温度的一半。宇宙这锅汤不再沸腾，自由电子跟原子核发生结合，留下无处不在的可见光。最后慢慢形成元素，星系，恒星和行星，然后是地球。

从无数10亿分之一的概率中幸存下来的一个电子到幸存下一个适合生命生长的地球，到“幸存”下来的有智慧的生命，人只是获得了生命的星尘，是宇宙在这一瞬间偶然的过客。宇宙不是为人类而存在。

没有了电子的骚扰，光子在没有间断的路径上穿越宇宙。

随着光子的能量越来越弱，可见光变成红外线，再变成微波。微波可以存在500亿年。现在的宇宙当中充满了这种微波光子。天体物理学家把它叫做宇宙微波背景CMB。凭借这个发现美国贝尔电话实验室的物理学家彭齐亚斯和威尔逊获得了1978诺贝尔奖。

光从宇宙遥远的地方达到我们这里需要时间。如果我们向太空深处眺望，实际上是在从时间上往回看。光子在穿越宇宙时与不同的物质相遇，而表现出不同的温度。

人们借助CMB，解释宇宙的过去，现在和未来，这是宇宙的“颅相学”。

二、暗物质，暗能量和牛顿，爱因斯坦

CMB成了天体物理学家认识宇宙的起点和工具。

那么天体物理学家在宇宙里找到了什么呢？

暗物质的存在。暗物质有着超过普通物质6倍以上的引力，却没有相对应巨大的质量。

如果所有质量都对应有引力，那么所有的引力都对应有质量吗？我们不知道。也许对物质来说这样没错，但是对引力我们还并不理解。

质量很小，引力巨大，天体物理学家把这些有着与质量不相称的引力的存在叫做暗物质。

宇宙中存在很多星系团，它的成员星系运动速度比星系团逃逸速度更快。暗物质带来的引力维持了星系团的稳定，让他们即使历经100亿年依然存在。

我们已经知道天体物理学家是通过微波光子CMB来观测宇宙中的物质。暗物质不与光发生作用，只是可以通过牛顿万有引力定律推算到它的存在。也就是说，暗物质是根本不是由物质组成。

如果是这样，我们所在的宇宙可能只是“多重宇宙”的无数个宇宙之一。听起来异想天开而且难以置信。但是比第一次提出地球是绕着太阳转的还要疯狂吗？比起太阳只是银河系中上千亿颗恒星之一呢？或者是银河系只是宇宙中千亿个星系之一呢？

暗能量，另一个烧脑的概念。

爱因斯坦广义相对论是最强大和应用范围最广的理论模型之一。广义相对论描述了宇宙万物在引力作用下运动的数学细节。

引力是质量对其他质量或者能量场导致的局域时空曲率的反映。换句话说，质量的集中会导致时空结构的弯曲。这些弯曲指引着运动质量沿着被称为“测地线”的直线运行。在我们看来测地线像是弯曲的轨迹，我们称之为轨道。

地球会绕着太阳转动，就是因为太阳巨大的质量在它周围“刻划”出一个个椭圆形的轨道，地球在引力的牵引下沿着其中一个轨道向前滚动。

20世纪美国理论物理学家约翰 惠勒说得最好，他把爱因斯坦的概念总结成“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动”。

爱因斯坦还在他的相对论里加了一个常数Λ，代表反引力。这样就可以把宇宙解释成静止的，一个不稳定的静态宇宙，这是爱因斯坦时代的著名的“迷信”。

1929年天体物理学家哈勃发现宇宙不是静止的，而是正在膨胀。爱因斯坦把Λ从公式中划掉，称这是他一生中“最大的错误”。因为这让他错过了预测宇宙膨胀的机会。

但是六十九年后科学又把爱因斯坦的Λ请回来。这回是天体物理学家发现宇宙膨胀速度比我们想象的还要快。这证明宇宙间确实存在一种排斥力。他们给Λ一个正式的名称“暗能量”。波尔马特，施密特和里斯因为这一发现分享了2011年的诺贝尔物理学奖。

迄今为止最精确的测量结果显示，暗能量是宇宙中最主要的东西，目前占据了所有质量-能量的68%，暗物质占了27%， 普通物质仅占5%。 地球还有地球上的人类创造的一切，全部的文明和财富，加起来只是宇宙的一个零头不到。

毫无疑问，爱因斯坦最大的错误是宣称那个Λ是他的最大的错误。

暗能量的斥力产生于真空，更大的斥力产生更多的真空，更多的真空产生更大的排斥力，迫使宇宙进入无休止的指数加速膨胀。任何没有被银河系束缚在附近的东西都将以越来越快的速度退行，如今夜空中可见的遥远的星系最终会消失在可以企及的视野之外，而它们离开我们的速度比光速还要快。

再过1万亿年，银河系的居民可能根本不知道其他星系存在，除了无尽虚空。除非当代天体物理学埋下可以保持万亿年的时间胶囊，否则末日之后的科学家将不知星系是何物。

“在我的梦中我不止一次想到：我们是否也错过了宇宙过去的一些章节？宇宙历史这部大书的那一部分被标记了‘拒绝访问’？我们的理论和方程式中还缺少什么本应存在的东西，让我们苦苦追寻却可能永远找不到答案？”

三、宇宙视角

知道我们是由什么构成的吗？

想知道我们是由什么构成的吗？又一次，宇宙视角提供了一个比你的预期更让你震惊的答案。宇宙中各种化学元素是在大质量恒星尤其是其生命结束时发生剧烈爆炸的火焰中锻造出来的，这些元素丰富了它们所在的星系。结果呢？宇宙中四种最常见的活跃元素氢，氧，碳和氮也是地球生命体中四种最常见的元素。碳更是生物化学的基础。

我们不只是生活在这个宇宙中，宇宙就存在于我们的身体之中。

当你在地球上游荡时，会看到高山和海沟。你应该知道，从最深海沟到最高山脉之间的高度只有20千米，但是地球直径将近13000千米。

当你在太阳系游荡时，用一只宇宙超级无敌手拂过高山深海的地球表面，你会感到地球像台球一样光滑，和一个完美球体并无二致。

1990年旅行者一号飞出太阳系时拍到的地球照片。照片上的光带是相机镜头发射的太阳光。

当你在银河系游荡时回望地球，地球不过是宇宙中一颗蓝色尘埃。

有人说过，天文学令人感到谦卑并能培养个性。除了这张从远处拍摄我们这个微小世界的照片，大概没有别的更好办法可以揭示人类妄自尊大是何等愚蠢。

宇宙视角使我们的眼界能够超越我们的环境，让我们超越寻找食物，住所和伴侣的原始需求。

宇宙视角让我们更自由，有更广阔的心胸格局，不再妄自尊大。人是获得了生命的星尘，是宇宙在这一瞬间偶然的过客。宇宙不是为人类而存在。

在纽约海登天文馆有一个叫做《通向宇宙的护照》游学活动项目，会带领游客经历一场从天文馆到宇宙边缘的虚拟旅程。在这场秀中，你会看到地球，然后是太阳，接着又看到银河系里亿万星辰渐渐缩小成穹幕下的一个几乎看不见的小点。

有了宇宙游学的经历的孩子，心胸格局一定会更不同吧。