《給忙碌者的天體物理學》1:幸運是這個宇宙的通行證

宇宙是完全不可知的嗎？我們可能是生活在一個電子游戲之中嗎？物理學家對這個宇宙到底知道多少呢？

今天對宇宙的了解，跟一百年之前、甚至幾十年之前都非常不一樣。已經有很大的把握知道這個宇宙是怎么回事，而你也有權知道。

偶爾仰望天空的時候，會想到什么呢？文藝青年卻可能想到宇宙之博大和個人之渺小，想到真理，想到公平和正義……

現代天體物理學比文藝青年想象的東西要豐富很多很多倍，也精彩很多很多倍。讀了這本書，下次仰望天空的時候，你會是個更有內涵的人。

比如說，當看太陽的時候，你應該想什么呢？

首先應該想……光譜 。

1.哪里都好使

牛頓之前的人一般認為天上有天上的法則，跟地球上是完全不同的。牛頓的萬有引力定律是歷史上第一個宣稱不僅僅適用于地球，而且適用于整個宇宙的理論。他的理論還真的解釋了天體運行！天上和地上在這個定律眼中是平等的！對當時的人來說，這是一個多么震撼的知識。

一直持續(xù)到十九世紀。物理學家發(fā)現，每個化學元素的光譜都有自己唯一的特征。隨便給一堆氣體，物理學家拿光一照，看看吸收光譜，就能準確判斷這里面都有些什么元素。

物理學家馬上就分析了太陽的光譜。

原來太陽里的各種元素基本都是地球上也有的，無非是氫、碳、氧、氮、鈣等等。只有一個元素地球上沒有，那就是“氦”（He）—— 不過元素周期表里已經給它留了位置，現在也可以在地球上制造氦。

這是人類第一次得知，原來構成太陽的物質不是什么神秘的東西，就是我們地球上也能找到的普通元素！再分析遠處那些星星發(fā)光的光譜，結果也都是平常的元素。

這是一個非常了不起的發(fā)現。并未離開地球，但是我們知道了，別處的物質跟我們這兒的并沒有什么不同。那么如果真有外星人造訪地球，他們乘坐的那個飛碟，也應該是用“普通”元素建造的。

而且別處的物理定律也跟我們這里是一樣的?？疾焯丈钐幍囊粋€雙星系統(tǒng)，他們的軌道在引力作用下互相影響 —— 軌道正好能用牛頓力學解釋。

而且過去的物理定律也跟現在是一樣的。光是有速度的，看幾十億光年以外的地方的星體，看到的其實是那些星體幾十億年以前的樣子。這就讓物理學家能觀察到早期的宇宙。物理學家測量很遠很遠的地方發(fā)來的星光的光譜，發(fā)現它們跟地球上元素的譜線完全一樣，紋絲不差。這就意味著早期宇宙的原子物理學跟現在完全一樣！更進一步，考察太陽發(fā)光的情況，物理學家知道引力常數（G）也從來都沒變過。

昨天、今天和明天，東方、南方和北方，這里、那里和所有地方，構成這個宇宙的物質和物理定律都是一樣的！

對想要殖民太空的人來說這可能不是個好消息，這意味著你走到哪也開采不到我們認知范圍以外的元素。

可是對物理學家來說這是個好消息 —— 物理定律到處都管用，“普天之下莫非王土”。

既然如此，就可以用同樣的物理定律計算……宇宙的起源。

2.宇宙的起源

物理學家的觀測和計算結果是宇宙起源于137億年以前的一次“大爆炸”。

已知的物理定律只能從宇宙起源10^(-43)秒之后開始起作用 —— 這就是“普朗克時間”，物理學一共有四種基本相互作用：引力、強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用。在普朗克時間之前，四種相互作用是統(tǒng)一在一起的，描述那樣的狀態(tài)需要把廣義相對論和量子力學統(tǒng)一在一起，而這個工作現在還沒做好。

從10^(-43)秒開始，引力就脫離出來，單獨起作用了。那時候宇宙還是個直徑為10^(-35)米的一個小點，但溫度無比的高。

到10^(-35)秒的時候，強相互作用和“弱電相互作用”分開了。到稍微更晚的時候，弱相互作用和電磁相互作用分開了。

到一萬億分之一秒的時候，宇宙里有了粒子 —— 夸克和輕子已經出現了。電子就是最熟悉的“輕子”。這時候宇宙里有夸克和電子，還有反夸克和反電子。2012年的時候，物理學家知道，在當時那個高溫條件下，夸克和電子都可以自由行動，宇宙就好像是一鍋夸克輕子粥。

這鍋粥里的主要活動是正反物質的產生和湮滅?？淇撕头纯淇?，電子和反電子一旦相遇就會湮滅并且釋放兩個極高能量的光子，而在這個時候宇宙的高溫之下，光子又會再產生正反夸克和電子。一個正電子剛剛產生之后，又馬上跟另外一個電子相遇，又湮滅成光。

這是一個非常有意思的機制。如果正反物質總是成對產生、成對消失，那為什么現在的宇宙里都是正物質，沒有反物質呢？出于某種還不為物理學家完全理解的原因，每十億對夸克和反夸克湮滅，會留下一個正夸克作為幸存者 —— 我們今天的世界，都是這樣的幸存者組成的。這些幸存者實在太幸運了，如果每個人都是早期宇宙中的一個正夸克，這就等于說今天活著的全體中國人中，只有一個人能幸存！

到百萬分之一秒的時候，整個宇宙已經膨脹到像太陽系這么大了，溫度進一步下降，? 夸克們會被三個一組束縛在一起，形成“重子” —— 也就是質子和中子。

但與此同時，質子和反質子，中子和反中子之間也要不停地發(fā)生碰撞湮滅變成光子，光子再生成正和反的質子和中子。正物質的質子和中子的幸存率，也是十億分之一。

到一秒的時候，宇宙已經膨脹到幾光年這么大了。更低的溫度使得質子和中子被結合在一起形成原子核，其中90%是氫原子核，剩下的10%是氦原子核，其他元素極少，都可以忽略不計。

這個時候，光子溫度只夠它產生正電子和反電子，但是電子和反電子之間也在不停地發(fā)生湮滅 —— 同樣的道理，因為十億分之一的幸存率，最后剩下的全是電子。

等到宇宙年齡是三十八萬年的時候，溫度低到讓所有電子都被原子核捕獲，變成氫原子和氦原子。

到十億年的時候，這些原子在引力的作用下結合在一起，就會變成恒星，然后這些恒星又會組成星系。那個時候，已經有了一千億個星系，每個星系里面會有幾千億個恒星。

其中有些比太陽大十倍的恒星，在高溫高壓之下，可以生產一些更重的元素，比如氧和碳之類。這些恒星最后會爆炸，重元素被傳播出來，散布在整個宇宙之中。正因為這樣，今天才會有這些重元素，否則宇宙中就幾乎全是氫和氦。

又過了九十億年，在宇宙中某個不起眼的地方產生了一個不起眼的恒星，這個恒星就是太陽。太陽所處的位置正好有很多重元素構成的氣體，這些氣體在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。

其中某一顆行星，距離太陽不遠不近，正好允許液態(tài)水的存在，這個行星就是地球。此后又經過無數機緣巧合，地球上有了生命，生命演化，最后終于有了你。

有個著名的說法說，每一個人都是一億分之一的幸運者。這因為當初精子和卵子結合，是一億個精子中只有一個最終能進入卵子形成受精卵，在這場競爭中，我們每個人都打敗了一億個精子。

但是你想想宇宙的起源！我們的幸運度其實比這要嚴重得多 —— 構成你身體的、你周圍環(huán)境的每一個原子，都是這么幸運。每一個原子身上的每一個質子、中子、電子，都是正反物質湮滅中十億分之一的幸存者！

我們能有今天難道不是奇跡嗎？

如果你是天體物理學家的話，你會更幸運。

3.天體物理學家的禮物

比“存在”更幸運的是，我們不但存在，而且還可以回過頭去*理解*這個宇宙。大爆炸不但創(chuàng)造了宇宙，而且還給天體物理學家留下一個禮物。

這個禮物就是“微波背景輻射”。

原子是在宇宙年齡是38萬年的時候形成。在此之前的宇宙你就算去了也看不遠，因為溫度太高，光子隨時都會被電子碰撞，走不遠。

從那個時候開始，光子終于自由了。它們在宇宙中飛翔，一直存在到今天。隨著宇宙膨脹，這些光子的能量變得越來越低，到今天它們的能量已經降低了一千倍，變成了微波，遍布于整個宇宙。這就是“ 宇宙微波背景輻射 ”。

1948年的時候，美國物理學家使用三個理論，預言了微波背景輻射的存在。

1916年愛因斯坦提出的廣義相對論；

1929年哈勃發(fā)現宇宙正在膨脹；

二戰(zhàn)前后，美國為搞原子彈的曼哈頓計劃中一系列原子物理實驗結果。

僅僅利用這個三個知識，就推算出來，“宇宙微波背景輻射”的溫度應該是5K。

到1964年，兩個貝爾實驗室的工程師偶然測量到了“宇宙微波背景輻射” —— 現在最精確的結果，這個溫度應該是2.72K。

這是物理學的偉大勝利！當初用了三個在地球上發(fā)現的物理知識，只是用一個模型去推測宇宙應該起源于大爆炸，然后算出這個大爆炸有個溫度是5K的遺跡?！缓竽阏伊苏?，居然果然找到了這個遺跡，而且數值相差不到兩倍？！

更慶幸的是，宇宙中遍布一種叫做“氰”（符號是CN，cyanogen）的氣體分子，這個分子受到微波輻射會被激發(fā)。物理學家從它被激發(fā)的情況，就可以判斷宇宙微波背景輻射在各處的溫度有什么細微的差異。

現在借助衛(wèi)星觀測，天文學家可以精確繪制整個宇宙的微波背景輻射地圖 ——

這張圖并不是完全均勻的?！坝钪嫖⒉ū尘拜椛洹睅淼模怯钪鎰倓偖a生38萬年時候的信息?？梢該送茰y當時的物質在宇宙的分布情況。再根據這一點，就可以推測宇宙現在的物質是怎么分布的，宇宙的未來將會怎么演變。

正因為有了“宇宙微波背景輻射”這個東西，天文學才變成真正的科學！ 現在有任何理論模型，都可以計算一番去跟微波背景輻射信息做個比對，驗證不了就只能淘汰。 宇宙學成了精確科學！

| 由此得到

過去這一百多年間，物理學家做了非常了不起的事情。通過地球上得到的物理學，居然能精確了解這個宇宙的早期是怎么回事。以人類的生存偏見眼光去看，這個大歷史的主題應該是幸運—— 我們經歷的是動不動就十億分之一的中獎機會。

| 禪定時刻

因為微波背景輻射的存在，宇宙中哪怕最空曠的地方，也不是完全冷的絕對零度，至少有2.72°K的溫度。宇宙中最冷的地方在哪嗎？

科羅拉多大學物理系。其中有個實驗室，為了研究玻色-愛因斯坦凝聚，物理學家在里面制造了比宇宙微波背景輻射還低的溫度。

現代物理學就這么厲害。但這個厲害的背后是慶幸。

如果正反物質湮滅沒有十億分之一的幸存率，那上帝創(chuàng)造宇宙的時候說完“要有光”……也就只能有光。如果沒有大恒星生產重型元素，宇宙中就只能有氫和氦。如果沒有后來的一系列“如果”，就不會站在這里仰望天空。

如果微波背景輻射在今天測不到，如果物理定律和物質在別處跟在我們這里不一樣，如果元素光譜沒有那么簡潔漂亮的性質，就不可能理解這個宇宙。

“這個宇宙根本沒有義務讓你理解。”

所幸的是宇宙還是給物理學家提供了“知識服務”。今天居然能在這么大程度上理解這個宇宙，而且還理解得如此精確，你說這生活是多么美好。

《給忙碌者的天體物理學》2:暗物質的陪伴

從某種意義上說，天文學家干的事兒和偷窺者差不多，都是充滿好奇心地觀察一些東西。最大區(qū)別的是，天文學家看的東西更多、看的時間更長，而且看得非常非常用心。

1.少了很多東西

滿天星斗并非是雜亂無章的。古人的思路是把星星劃分成“星座”，而今天的天文學家對星星之間的關系看得更清楚，他們的劃分思路是“星系”和“星系團”。

太陽，就處在“銀河系”這個星系之中。從地球上看，銀河是帶狀的 ——

但是如果能換個遠方太空中居高臨下的視角，銀河系其實是盤狀的。它有若干條螺旋臂，太陽就位于銀河系的某個不起眼的螺旋臂的某個不起眼的位置。

每個星系中可能有千億、甚至萬億顆恒星。就好像行星圍繞恒星轉一樣，星系中的恒星也繞著星系的中心轉 —— 這當然是因為星系內部這一大堆恒星集合在一起，給外面的恒星提供了一個向內的引力。

像銀河系這樣的星系，宇宙中至少有千億個。星系們又組成星系團，然后每個星系都繞著它所在星系團的中心轉。

在星系中間那廣闊的空曠地帶，其實也有很多物質，包括矮星系、不屬于任何星系的孤單恒星、星系間氣體等等。但是總體來說，結構就是這樣。如果把宇宙想象成一個國家，星系團就好像是城市，這些城市就好像一個一個的島嶼散布在宇宙之中。

天文學家看著這些星系和星系團，實在著迷

咱們可以做個實驗體會一下。你拿一根比較長繩子，比如說耳機線吧，抓住一端快速甩動，讓繩子繞著你手指旋轉。很明顯，轉動速度越快，你的手指就要越用力。如果轉動速度特別快以至于你的手抓不住了，這個繩子就會飛出去。地球繞著太陽轉也是這個道理，中心提供的引力越大，能支持的旋轉速度就越大。

星系繞著星系團中心轉，也是這個道理。星系團內部大概有多少星系，這些星系總共有多大的質量，能提供多大的引力。這個引力根本支撐不了外面星系旋轉的速度！那么高的速度，那幾個星系都應該被甩出去才對！

據此判斷，星系團內部必定還有一些我們看不到的物質，提供了多余的引力。

此后天文學家們陸續(xù)考察了別的星系團，結果每個星系團都有這個現象。

到了1976年的時候，一個叫薇拉·魯賓（Vera Rubin）女天文學家又把目光對準了恒星圍繞星系的轉動。首先她注意到，在一個星系的可見部分之中，越往外的恒星，旋轉速度就越快。這個是可以理解的，越往外的恒星，它里面的恒星就越多，能提供的引力就越大。

在星系的最邊緣找了幾個恒星，結果發(fā)現這幾個恒星也是越往外速度越快。這就不對了，因為從這里再往外，就已經沒有多少恒星給它們提供更多的引力。

不論星系繞著星系團轉，還是恒星繞著星系轉，轉速都比天文學家計算的快得多。

2.黑暗的物質

物理學家把提供多余引力的東西，稱為“暗物質”。計算表明，想要維持那么高的速度，暗物質不但要提供多余引力，而且必須提供很多很多引力才行 —— 暗物質的總質量，必須是已知物質總質量的6倍。

考慮到暗物質，銀河系的圖像應該是這樣的 ——?

整個星系被一層厚厚的暗物質包圍。暗物質在星系中間比較濃，遠離星系的地方慢慢變淡。因為我們的太陽系只是整個星系中間的一小塊區(qū)域，行星和衛(wèi)星都太小，運動不會受到暗物質影響，沒感覺到。但是考察星系邊緣那些恒星的運動，影響就非常明顯了。

暗物質到底是什么東西呢？第一反應，也許暗物質就是一些比較“暗”的正常物質，因為太暗了沒看到而已。而物理學家已經排除了這種可能性。

暗物質是黑洞嗎？ 黑洞其實是可以探測到的。黑洞在很小的區(qū)域內產生很大的引力，周圍星體會繞著黑洞轉，一看那些星體的軌道，就知道中間有個黑洞。

暗物質是星際間的氣體云嗎？ 也不是。遙遠的星光穿過氣體云，會受到影響，但沒有發(fā)現到這種影響。

暗物質有沒有可能是一些散布在空間沒有恒星“主人”的流浪行星呢？這也不太可能。太陽系總重量的4/5在太陽上，而不是行星上 —— 宇宙中不太可能是行星集中那么大比例的質量。

物理學家還可以從另一個方面證明暗物質不是尋常物質。物理學家計算表明，大爆炸產生的氫原子和氦原子核的比例是 10 : 1，這個比例還可以跟宇宙微波背景輻射的觀測結果對上號 —— 宇宙創(chuàng)生中所有的核反應都在這里了。那也就是說，暗物質根本就沒參與核反應！

目前所有的儀器都測不到暗物質。物理學家知道的四種相互作用，暗物質很可能除了引力之外，其他都不參與。

除了引力，在原子核之外，所能感受到的所有“力” —— 能看到光、被什么東西打一下會疼，這些都是電磁力。可是暗物質不參與電磁力。

這就是說，你的房間里遍布著一種特殊粒子構成的氣體。這種粒子可能比質子、中子都大很多，也很重?？墒悄忝恢?、看不到它，就算用上各種先進儀器，也完全感受不到它的存在。你任憑它在你的身體中穿過。

3.各種可能性

物理學告訴我們，所有東西都有引力。但是不是“有引力”就一定“有東西”呢？這個現在很難回答。

連民間科學家都可能會想到，是不是愛因斯坦的廣義相對論，在星系這么大的尺度上，出錯了。有人在做這個工作，但大多數物理學家對廣義相對論非常有信心。廣義相對論是個相當精確的理論。

事實上，物理學家把民間科學家想不到的離奇可能性也想到了。比如說有沒有可能暗物質是我們感受到的來自“高維空間”的引力？也許存在多重宇宙，有一個“平行宇宙”跟我們的空間重疊在了一起，以至于這個平行宇宙中的物質的引力穿越了時空的維度，讓我們感受到了。這些可能性似乎都不大。

如果暗物質根本不參與引力之外的其他相互作用，那它到底是怎么從宇宙大爆炸中產生的呢？物理學家的一個指望是也許暗物質也參與強相互作用或者弱電相互作用，只不過實在太微弱了，不容易測到。

現在物理學家正在上天入地，去探測暗物質。他們把專門的衛(wèi)星送上太空，在地底下挖了很深很深的坑，在實驗室里用最高能級的粒子加速器搞碰撞，希望能找到一兩個“暗物質粒子”。

但是從1937年茲威基的發(fā)現至今八十年過去了，物理學家對暗物質的了解，仍然沒有突破。

但是物理學家回頭又算了一下。大爆炸以來，宇宙一直都在膨脹。在這個過程中有兩種力量在對抗 —— 一種力量是引力，引力是把東西聚集到一起；另一種是膨脹，是要把東西分散開。

這兩個力量如果平衡得不好，就不會有今天的日月星辰。引力太強，宇宙中的原子們剛剛出生就會都擠在一起；引力太弱，它們就不會有機會凝聚成恒星。

物理學家計算發(fā)現，已知的這些尋常物質的引力，原來根本對抗不了大爆炸的膨脹。原來非得依靠暗物質的陪伴，才有宇宙的今天。那到底需要多少暗物質，才能讓宇宙膨脹成今天這個樣子呢？

正好也是已知物質總質量的6倍。

| 由此得到

暗物質，完全是物理學家因為算數對不上，而認為必須存在的一種東西。但是至今對暗物質還沒有任何直接的觀測。

在物理學史上，這其實是司空見慣的局面。比如說十九世紀的時候，有人測量太陽光到達地球的能量，就發(fā)現太陽每時每刻產生的能量是非常巨大的。那太陽的能量來自哪里呢？太陽上到底要燒什么東西，才能產生這么大的能量呢？

當時的人還不知道核反應。甚至有人提出非?？尚Φ牟聹y，說太陽上燒的是煤！

但這個精神是一樣的：我這里數字對不上，你那里必定有別的東西。

只要暗物質存在，物理學家就一定有辦法“看到”它。