宇宙起源于大爆炸,这是目前最普遍的对于宇宙的基础认知。
偶尔仰望星空的时候,你会想些什么?这段时间只要天空晴朗,可以在天空中清晰的看到猎户座的几颗主星。我们载宝也喜欢看星星,每个孩子在看到星星的时候不知道会想些什么,至少小时候的我会觉得星星那么小,是什么做的?
牛顿之前的人一般认为天上有天上的法则,地上有地上的规矩,这是两个不同的系统,在中世纪教会甚至认为地球才是宇宙的中心,哥白尼因为提出日心说在1543年被教会处以死刑。

(中世纪地心说)
到了牛顿时代,牛顿的万有引力定律是历史上第一个宣称不仅仅适用于地球,而且适用于整个宇宙的理论。物理学家用牛顿的理论发现天上和地上的规律真的是一样的,这个很震撼。19世纪的时候科学家能够利用分析光谱来分析物质,他们通过分析太阳光谱,发现太阳上的物质跟地球上一模一样,无非就是氢、碳、氧、氮等等,这是人类第一次知道,原来构成太阳的物质不是什么神秘的东西,就是地球上普通的元素。在分析其他星星的光谱也发现这些元素都是平常的。
这是一个非常了不起的发现,科学家没有离开地球,但是他们知道,别处的物质和我们这儿没有什么不同,如果真的有外星人乘坐飞碟来到地球,他们的飞船也是用“普通”元素制造的。而且宇宙中其他其他地方的物理定律跟我们这里也是一样的,也就是说我们可以通过计算就可以得出重力、引力等等。
随着科学的深入,科学家普遍认为宇宙起源于10^(-43)秒,这就是所谓的普朗克时间,这是目前人类已知的最小的时间存在。它的公式是(普朗克长度/光速)。
物理学一共有四种最基本的力:引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。在普朗克时间之前这四种力是相互统一的,描述这样的状态需要把广义相对论和量子力学统一在一起,但是人类目前还没有掌握。
从10^(-43)秒开始,引力开始脱离出来,单独起作用。那个时候的宇宙还是一个直径为10^(-35)的点,但是温度奇高无比。时间到了10^(-35)秒,强相互作用和弱相互作用分开了,稍晚一会弱相互作用和电磁相互作用也分开了。
到了一万亿分之一秒的时候,出现了夸克和轻子,电子是我们最熟悉的轻子。宇宙中有夸克和电子,也有反夸克和反电子,在当时的高温条件下这些粒子是可以自由流动的,宇宙好像是一锅夸克电子粥。在这锅粥里最主要的活动就是物质的产生和湮灭。
夸克和反夸克,电子和反电子一旦相遇就会湮灭并且释放两个极高能量的光子,在高温作用下,光子又会再产生夸克和反电子。一个正电子产生之后,又继续跟另一个电子相遇湮灭,产生光。
如果物质都是成对的出现,成对的湮灭,那我们这个世界是没有办法形成的,当时不知道是怎么样的特殊情况,在每十亿对夸克和反夸克的湮灭中会留下一个正夸克作为幸存者,而我们——今天的世界,我们所有生物,都是这样的幸存者组成的。十亿对夸克是什么概念,就好像整个中国的人口里面只有一个幸存者。
等到时间推进到百万分之一秒,宇宙已经膨胀到太阳系那么大了,温度进一步下降,夸克们被三个一组束缚在一起,形成了“重子”——也就是质子和中子,同夸克和电子一样,质子和中子也会两两进行湮灭产生光子,质子和中子的存活率也是十亿分之一。
到了一秒的时候,宇宙已经膨胀到几光年那么大了,这时候宇宙的温度也更低,这时候质子和中子就结合起来形成了原子核,其中90%是氢原子核,10%是氦原子核,其他元素很少,可以忽略不计。这个时候光子还在继续产生电子和反电子——同样的道理——因为十亿分之一的幸存率,剩下的都是电子。
宇宙年龄到了三十八万年的时候,温度低到所有的电子都被原子核捕获,就形成了氢原子和氦原子。到了十亿年的时候,这些原子在引力的作用下结合起来慢慢形成恒星。这些恒星又会组成星系。在那个时候,我们就已经有了一千亿个星系,每个星系里面会有几千亿颗恒星。其中有些比太阳大十倍的恒星,在高温作用下会产生一些更重的元素。这些恒星会爆炸,它们爆炸之后就把这些重元素散发出来,散布在宇宙的各个角落。正是因为这样,我们现在才会有这些重元素,否则宇宙中只有氢和氦。
又过了九十亿年,在宇宙的某个不起眼的地方形成了一颗恒星,这颗恒星就是太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体,这些气体在引力的作用下慢慢凝聚在一起,形成了行星。其中有一颗行星距离太阳的位置不远不近,正好允许液态水的存在,它就是地球,也就是我们现在生活的地方。经过多少的机缘巧合,地球上有了生命,经过漫长的演化,才最终有了你。

(太阳系示意图)
我们的存在无疑是幸运的,但是更幸运的是我们不光存在,我们还能回过头去理解这个宇宙。宇宙大爆炸不光产生了宇宙,也留下了宇宙微波背景辐射。原子在宇宙年龄38万年时形成。在此之前的宇宙,你即使去了也看不远,因为温度太高,光子随时会被电子碰撞,走不远。但是宇宙三十八万年的时候,光子自由了,它们可以自由在宇宙中飞翔,一直到今天。随着宇宙的膨胀,这些光子的能量已经很微弱了,到今天下降了一千倍,变成了微波,这就是宇宙微波背景辐射。
1948年,几个美国科学家通过三个理论预测宇宙微波背景辐射的存在。这三个理论分别是:1916年爱因斯坦的广义相对论;1929年哈勃发现宇宙在膨胀;二战后曼哈顿计划中一系列的原子核物理实验。
1964年的时候两个贝尔实验室的工程师偶然测得了宇宙背景微波辐射,这个大爆炸的遗迹温度是2.72K。K是开尔文,一个温度单位。知道这个有什么用?就是宇宙中最冷的地方温度就是2.72K。
宇宙有开始就会有结束。爱因斯坦是坚定的静态宇宙论,在广义相对论里面有一个希腊字母“Λ”这个数在数学上并不存在,只是爱因斯坦通过这个数来稳定宇宙模型,所以这一项被称为“宇宙常数”。但是这个思想是错误的。
1929年,美国天文学家哈勃对广阔的星河进行了观测,他发现那些遥远星系发出的光谱,有一个往红端移动的趋势,这就是“红移现象”。你可以这样理解:当一辆车离我们近的时候,汽车声音我们听起来更清晰也更刺耳,当汽车离我们远去的时候声音听起来就很微弱。
红移说明:所有这些远方的星系,都在离我们而去。而且哈勃还发现,这些星系离我们远去的速度和它们到我们的距离成正比。爱因斯坦晚年接受了这个事实,并且修改了广义相对论的公式,其实广义相对论中是可以推测出宇宙在膨胀的,只不过爱因斯坦认为这是不合理的,就强行加入了“宇宙常数”这个概念。我想告诉你什么?即便是最聪明的大脑也会被一些主观常识所蒙蔽,但是爱因斯坦可贵的地方是他能积极认识到自己的错误并且改正过来。
爱因斯坦去世43年之后,几个科学家发现宇宙居然是超光速在膨胀,物理学界为此不得不把爱因斯坦的宇宙常数概念重新找回来放到爱因斯坦场方程中,只不过数值进行了修正,是为了满足超速扩张的宇宙模型。
宇宙的诞生基本上就是这样的情况,但是里面还有很多未解之谜,直到今天都没有答案,还需要我们不断去探索。里面的概念爸爸说的是不够全面的,但我想作为一个孩子能知道这些就够了,剩下的等你长大之后,你可以去继续探索。
我们知道这个有什么用?宇宙远比我们想象的要大,我们的出现是非常幸运的,几乎都是中了大乐透,宇宙跟我们每个人都息息相关,组成生命的碳氢氧氮都不是本地原创的,都来自早期宇宙,是由那些恒星爆炸后散步到整个宇宙的,如果真的有外星人那么组成它的物质也和组成我们的物质是一样的。
有时候孩子会因为一些事情哭闹,我想孩子的经历还太少,不知道世界上有比眼前的事情还要大得多的事情。宇宙学视角让我们变得谦卑,我们不能光顾着自己的一亩三分地,以为世界就应该围着你转,但是如果眼光放长远一点,格局大一点,我们对于很多事情的看法就会更加超脱。更加客观、更加谦虚、更加长远,人格上更自由。
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