《极简宇宙史》:没有复杂公式,跟着霍金亲传弟子体验宇宙的浩瀚与神秘

今天讲一本有趣的书《极简宇宙史》,作者是克里斯托弗加尔法德,他是霍金的亲传弟子。很多人听到物理知识就头疼,更别说什么宇宙大爆炸、相对论、时空扭曲这些词了,外行人表示完全不懂。以前我也这么认为,但这本书看起来真的通俗易懂,全书也只有E=MC²这一个公式。下面就跟我一起去领略宇宙的浩瀚与神秘吧!

整本书采用独特的第二人称叙事,全程带着“你”沉浸式遨游宇宙,穿越太阳系、银河系、抵达宇宙边缘,再回溯138亿年前的宇宙奇点,拆解时空、粒子、恒星,黑洞的秘密。

旅程从地球上最惬意的地方开始,一个温暖无风的夏夜,你躺在海边沙滩上,仰望星空,你的意识开始离开身体,朝着星空飞去……

“你”最先到达月亮之上,月球是怎么诞生的?40亿年前,地球和一颗如火星大小的恒星相撞,从地球上硬生生扯出一大块物质,被带入太空。随后的几亿年里,那些碎片慢慢聚拢,形成了一个球体绕着地球旋转,这就是月球的由来。

从地球之外看去,月亮如同太阳一般发着白光。但月球上没有蓝天,也没有风,在月球上看到的星星比在地球上任何一个地方看到的都要多,但星星不闪烁。这一切都是因为月球上没有大气层。

月球表面到处都是陨石坑,在漫长的时间里,数以万计的巨石击打着月球,它们也同样击打着地球,只是地球上有生命,用不停变化着的土壤掩埋了伤痕。我们地球上美丽的潮汐,都是因为月球隔着38万公里,还在跟地球互相牵引。

我们居住的地球附近最亮、最狂暴的天体非太阳莫属了,它距我们约1.5亿千米,是我们所用一切能源的来源。

说到太阳,你可能会觉得它是一团永恒燃烧的火焰,但作者告诉我们五十亿年后的某个星期四,(前后误差各三天)太阳将迎来死亡。

这个庞然大物为什么会死亡呢?在此之前我们先了解一下原子。原子具有一个紧密的球状原子核,还有一些微小的电子在远处高速旋转。我们呼吸、看到、触摸、包括我们的身体都是由原子构成的。最小的是氢原子,第二小的是氦原子,两种原子加在一起构成了已知宇宙的98%的物质。碳原子、氧原子、银原子等都是后来才出现的。

太阳深处的温度高达1600万摄氏度,这里有足够多的氢原子,电子已被松开,只留下孤独的原子核。原子核们被迫彼此融合,变成一个更大的原子核,这就是热核聚变,一个用较小的原子核产生较大的原子核的过程。

构成一切物质的并不只有氢原子和氦原子,还有碳原子等其他原子,由此可以推断太阳是一颗第二代甚至第三代恒星。第一代或第二代恒星已经爆炸,它们的星尘才变成太阳、地球和我们。

核聚变产生的能量会向外扩张,与将一切向内压缩的引力平衡,这样太阳可以保持一个稳定的大小。但太阳内部可供燃烧的氢原料有限,当太阳用光它的聚变燃料,内核不再有足够的,向外辐射来对抗引力,太阳一步步经历红巨星、行星状星云阶段,最终沦为不再发光发热的致密残骸。

你飞出太阳系,看看宇宙有多大。先越过火星,那颗红色的星球越来越小,再飞过木星和土星,然后是天王星、海王星,再穿过柯伊伯带,那里有成千上万颗冰冻的矮行星,冥王星就在其中。当你再回过头去看,太阳已经变成了一颗,比其他星星稍亮一点的光点。

再往外飞,你进入了奥尔特云,一个包裹着整个太阳系的巨大“冰球壳”。里面有无数彗星在沉睡。

而当你飞出银河系,眼前出现了更惊人的景象——几万亿个星系散布在广袤无垠的宇宙深处。你眼看着数百万个星系像发光的沙粒一样在你四周旋转,形成奇怪的纤维状结构,蜿蜒穿过目力所及的整个宇宙。

曾有宇航员表示,在太空中看到我们地球的美丽及渺小让他们满怀谦逊之感,现在如此,将来也一定如此。

前面我们提到了引力,什么是引力?你每一次摔倒、站立,每一次抬起重物都能感受到引力存在。牛顿描述了引力的规律:引力是两个有质量物体之间一种直接的相互作用力:只要物体有质量,就会向外产生拉力,隔空拉扯别的物体,地球拽住我们、太阳拉住行星绕转,都是这种看不见的“拉力”。这种隔空的力到底靠什么传递?但牛顿解释不了为什么不用接触就能产生拉扯?

爱因斯坦给出了答案,引力不是一种作用力,它是时空本身的弯曲。宇宙不是空无一物的平整虚空,而是由空间和时间交织而成的四维时空;有质量、有能量的物体会压弯周围的时空结构,让时空出现曲率。

你可以把它想象成一张拉紧的橡皮膜,你在膜上放一个保龄球,膜会凹下去一个坑。在坑的边缘放一颗弹珠,弹珠会顺着弯曲的膜面滚向保龄球。表面看来像是膜在推着弹珠滚向保龄球,实际上,弹珠只是在弯曲的表面上沿着最短路径运动。

这就是广义相对论的精髓。地球等行星,不是被太阳的引力吸引,而是在弯曲的时空轨道中,做自由的匀速运动。

质量越大的天体,对时空的弯曲程度就越大,时空曲率越高。黑洞、引力透镜、行星轨道,所有宇宙现象,都可以用时空弯曲完美解释。

这里有个公式,也是全书唯一的公式:E=MC²。E表示能量,M是质量,C是光速。能量和质量可以互相转化,质量和能量本质是同一种东西的两种表现形式。


如果说宇宙的浩瀚让你震撼,那么量子世界的微小尺度则会让你怀疑现实本身。

这次作者将你缩小了数万亿倍,变成一颗粒子,让你跳进物质的最深处,亲眼看看原子核内部到底发生了什么。

原子核由质子和中子组成,每一个质子和中子里面有三个叫做夸克的更小的粒子,被胶子牢牢粘在一起。

在量子世界里,在你观察它之前,一切都还没有确定。这是什么意思呢?拿一个电子来说,它可以同时出现在任何地方,这叫做“量子叠加态”,只有当你测量它的时候,它才会坍缩成一个确定的位置。

有一个著名的思想实验,叫薛定谔的猫。把一只猫关在一个盒子里,盒子里有一瓶毒液和一个放射性原子,如果原子衰变,就会打碎瓶子,放出毒液,猫就死了,如果原子不衰变,猫会活着。

按照量子力学的说法,在你打开盒子观察前,原子同时处于衰变与未衰变的叠加态,因此,猫既是活的也是死的。也就是说,如果你打开盒子里面的原子,恰巧没有衰变,那么你会看到一只活的猫,那么,那只没被观察到的死猫去哪里了呢?

物理学家艾弗雷特认为,宇宙中的一切都由量子物质构成,因此所有一切都应被看作一个各种可能性同时存在的巨大量子波。按照这个说法来看,我们的周围到处都是平行宇宙。所以你永远无需悲伤,任何时候,你遭受的诸多不快,在无穷多的平行宇宙,你正因为躲过这个坏消息而满心欢喜。

最后,作者带你走向宇宙的深处,大约138亿年前,光线变得越来越微弱,出现了一堵不透明的时空之墙,这是宇宙的临界最后散射面。那里没有时间和空间。

直到38万年后,宇宙冷却到足以让电子和原子核结合成中性原子,光子才第一次能畅通无阻地奔跑。从那之后传来的光,就是我们今天探测到的宇宙微波背景辐射。而那堵“墙”就是那个时代的遗迹,任何电磁波都无法穿透它。

这堵墙不是宇宙的边界,墙的另一边就是宇宙大爆炸,大爆炸并不是真的有什么东西爆炸,而是宇宙的膨胀,远处的星系都在远离我们,越远的星系远离的越快。如果把时间倒回去,宇宙曾经必然是一个密度无限大,体积无限小的奇点,从那个奇点开始,空间和时间才诞生了。

既然有开始,那有结束吗?这取决于宇宙中的能量与物质的总和,如果物质足够多,引力会拽住膨胀,让宇宙停止膨胀然后收缩,最后缩为一个奇点,这叫大收缩。如果物质不够多,膨胀会永远持续下去,宇宙会越来越冷,越来越暗,所有恒星烧完燃料后熄灭,黑洞慢慢蒸发,最终宇宙会进入一片永恒的黑暗和寒冷,这叫热寂。

据目前观测,宇宙的膨胀不但没有减速,反而在加速,原因是有一种暗能量在推动宇宙膨胀。如果暗能量一直存在下去,宇宙将不断膨胀走向热寂。当然,那是很遥远的未来。宇宙不像恒星和生命一样,有一个明确的终点,而是缓慢又安静的走向黑暗。

整个宇宙没有一个绝对的中心,你自己就是你可见宇宙的中心,这是基于宇宙膨胀的对称性得出的科学结论。无论你处于宇宙的哪个位置,从任何一个方向眺望到最远距离都是相同的。从这个角度看,每一个观察者都拥有一个以自己为中心的宇宙,你就是你自己的宇宙的中心。

最后,借书中的一段话送给大家:“下一次当你仰望星空,希望你能够记起这个宇宙是多么的神奇、广袤和美丽。在探索不为人知的美与神秘的同时,正因为我们不断充实自己的知识,放飞想象,才有可能为人类找到一条长久生存下去的道路。”

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