《给忙碌者的天体物理学》1:幸运是这个宇宙的通行证

宇宙是完全不可知的吗？我们可能是生活在一个电子游戏之中吗？物理学家对这个宇宙到底知道多少呢？

今天对宇宙的了解，跟一百年之前、甚至几十年之前都非常不一样。已经有很大的把握知道这个宇宙是怎么回事，而你也有权知道。

偶尔仰望天空的时候，会想到什么呢？文艺青年却可能想到宇宙之博大和个人之渺小，想到真理，想到公平和正义……

现代天体物理学比文艺青年想象的东西要丰富很多很多倍，也精彩很多很多倍。读了这本书，下次仰望天空的时候，你会是个更有内涵的人。

比如说，当看太阳的时候，你应该想什么呢？

首先应该想……光谱 。

1.哪里都好使

牛顿之前的人一般认为天上有天上的法则，跟地球上是完全不同的。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。他的理论还真的解释了天体运行！天上和地上在这个定律眼中是平等的！对当时的人来说，这是一个多么震撼的知识。

一直持续到十九世纪。物理学家发现，每个化学元素的光谱都有自己唯一的特征。随便给一堆气体，物理学家拿光一照，看看吸收光谱，就能准确判断这里面都有些什么元素。

物理学家马上就分析了太阳的光谱。

原来太阳里的各种元素基本都是地球上也有的，无非是氢、碳、氧、氮、钙等等。只有一个元素地球上没有，那就是“氦”（He）—— 不过元素周期表里已经给它留了位置，现在也可以在地球上制造氦。

这是人类第一次得知，原来构成太阳的物质不是什么神秘的东西，就是我们地球上也能找到的普通元素！再分析远处那些星星发光的光谱，结果也都是平常的元素。

这是一个非常了不起的发现。并未离开地球，但是我们知道了，别处的物质跟我们这儿的并没有什么不同。那么如果真有外星人造访地球，他们乘坐的那个飞碟，也应该是用“普通”元素建造的。

而且别处的物理定律也跟我们这里是一样的。考察太空深处的一个双星系统，他们的轨道在引力作用下互相影响 —— 轨道正好能用牛顿力学解释。

而且过去的物理定律也跟现在是一样的。光是有速度的，看几十亿光年以外的地方的星体，看到的其实是那些星体几十亿年以前的样子。这就让物理学家能观察到早期的宇宙。物理学家测量很远很远的地方发来的星光的光谱，发现它们跟地球上元素的谱线完全一样，纹丝不差。这就意味着早期宇宙的原子物理学跟现在完全一样！更进一步，考察太阳发光的情况，物理学家知道引力常数（G）也从来都没变过。

昨天、今天和明天，东方、南方和北方，这里、那里和所有地方，构成这个宇宙的物质和物理定律都是一样的！

对想要殖民太空的人来说这可能不是个好消息，这意味着你走到哪也开采不到我们认知范围以外的元素。

可是对物理学家来说这是个好消息 —— 物理定律到处都管用，“普天之下莫非王土”。

既然如此，就可以用同样的物理定律计算……宇宙的起源。

2.宇宙的起源

物理学家的观测和计算结果是宇宙起源于137亿年以前的一次“大爆炸”。

已知的物理定律只能从宇宙起源10^(-43)秒之后开始起作用 —— 这就是“普朗克时间”，物理学一共有四种基本相互作用：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，四种相互作用是统一在一起的，描述那样的状态需要把广义相对论和量子力学统一在一起，而这个工作现在还没做好。

从10^(-43)秒开始，引力就脱离出来，单独起作用了。那时候宇宙还是个直径为10^(-35)米的一个小点，但温度无比的高。

到10^(-35)秒的时候，强相互作用和“弱电相互作用”分开了。到稍微更晚的时候，弱相互作用和电磁相互作用分开了。

到一万亿分之一秒的时候，宇宙里有了粒子 —— 夸克和轻子已经出现了。电子就是最熟悉的“轻子”。这时候宇宙里有夸克和电子，还有反夸克和反电子。2012年的时候，物理学家知道，在当时那个高温条件下，夸克和电子都可以自由行动，宇宙就好像是一锅夸克轻子粥。

这锅粥里的主要活动是正反物质的产生和湮灭。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，而在这个时候宇宙的高温之下，光子又会再产生正反夸克和电子。一个正电子刚刚产生之后，又马上跟另外一个电子相遇，又湮灭成光。

这是一个非常有意思的机制。如果正反物质总是成对产生、成对消失，那为什么现在的宇宙里都是正物质，没有反物质呢？出于某种还不为物理学家完全理解的原因，每十亿对夸克和反夸克湮灭，会留下一个正夸克作为幸存者 —— 我们今天的世界，都是这样的幸存者组成的。这些幸存者实在太幸运了，如果每个人都是早期宇宙中的一个正夸克，这就等于说今天活着的全体中国人中，只有一个人能幸存！

到百万分之一秒的时候，整个宇宙已经膨胀到像太阳系这么大了，温度进一步下降，  夸克们会被三个一组束缚在一起，形成“重子” —— 也就是质子和中子。

但与此同时，质子和反质子，中子和反中子之间也要不停地发生碰撞湮灭变成光子，光子再生成正和反的质子和中子。正物质的质子和中子的幸存率，也是十亿分之一。

到一秒的时候，宇宙已经膨胀到几光年这么大了。更低的温度使得质子和中子被结合在一起形成原子核，其中90%是氢原子核，剩下的10%是氦原子核，其他元素极少，都可以忽略不计。

这个时候，光子温度只够它产生正电子和反电子，但是电子和反电子之间也在不停地发生湮灭 —— 同样的道理，因为十亿分之一的幸存率，最后剩下的全是电子。

等到宇宙年龄是三十八万年的时候，温度低到让所有电子都被原子核捕获，变成氢原子和氦原子。

到十亿年的时候，这些原子在引力的作用下结合在一起，就会变成恒星，然后这些恒星又会组成星系。那个时候，已经有了一千亿个星系，每个星系里面会有几千亿个恒星。

其中有些比太阳大十倍的恒星，在高温高压之下，可以生产一些更重的元素，比如氧和碳之类。这些恒星最后会爆炸，重元素被传播出来，散布在整个宇宙之中。正因为这样，今天才会有这些重元素，否则宇宙中就几乎全是氢和氦。

又过了九十亿年，在宇宙中某个不起眼的地方产生了一个不起眼的恒星，这个恒星就是太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体，这些气体在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。

其中某一颗行星，距离太阳不远不近，正好允许液态水的存在，这个行星就是地球。此后又经过无数机缘巧合，地球上有了生命，生命演化，最后终于有了你。

有个著名的说法说，每一个人都是一亿分之一的幸运者。这因为当初精子和卵子结合，是一亿个精子中只有一个最终能进入卵子形成受精卵，在这场竞争中，我们每个人都打败了一亿个精子。

但是你想想宇宙的起源！我们的幸运度其实比这要严重得多 —— 构成你身体的、你周围环境的每一个原子，都是这么幸运。每一个原子身上的每一个质子、中子、电子，都是正反物质湮灭中十亿分之一的幸存者！

我们能有今天难道不是奇迹吗？

如果你是天体物理学家的话，你会更幸运。

3.天体物理学家的礼物

比“存在”更幸运的是，我们不但存在，而且还可以回过头去*理解*这个宇宙。大爆炸不但创造了宇宙，而且还给天体物理学家留下一个礼物。

这个礼物就是“微波背景辐射”。

原子是在宇宙年龄是38万年的时候形成。在此之前的宇宙你就算去了也看不远，因为温度太高，光子随时都会被电子碰撞，走不远。

从那个时候开始，光子终于自由了。它们在宇宙中飞翔，一直存在到今天。随着宇宙膨胀，这些光子的能量变得越来越低，到今天它们的能量已经降低了一千倍，变成了微波，遍布于整个宇宙。这就是“ 宇宙微波背景辐射 ”。

1948年的时候，美国物理学家使用三个理论，预言了微波背景辐射的存在。

1916年爱因斯坦提出的广义相对论；

1929年哈勃发现宇宙正在膨胀；

二战前后，美国为搞原子弹的曼哈顿计划中一系列原子物理实验结果。

仅仅利用这个三个知识，就推算出来，“宇宙微波背景辐射”的温度应该是5K。

到1964年，两个贝尔实验室的工程师偶然测量到了“宇宙微波背景辐射” —— 现在最精确的结果，这个温度应该是2.72K。

这是物理学的伟大胜利！当初用了三个在地球上发现的物理知识，只是用一个模型去推测宇宙应该起源于大爆炸，然后算出这个大爆炸有个温度是5K的遗迹。……然后你找了找，居然果然找到了这个遗迹，而且数值相差不到两倍？！

更庆幸的是，宇宙中遍布一种叫做“氰”（符号是CN，cyanogen）的气体分子，这个分子受到微波辐射会被激发。物理学家从它被激发的情况，就可以判断宇宙微波背景辐射在各处的温度有什么细微的差异。

现在借助卫星观测，天文学家可以精确绘制整个宇宙的微波背景辐射地图 ——

这张图并不是完全均匀的。“宇宙微波背景辐射”带来的，是宇宙刚刚产生38万年时候的信息。可以据此推测当时的物质在宇宙的分布情况。再根据这一点，就可以推测宇宙现在的物质是怎么分布的，宇宙的未来将会怎么演变。

正因为有了“宇宙微波背景辐射”这个东西，天文学才变成真正的科学！ 现在有任何理论模型，都可以计算一番去跟微波背景辐射信息做个比对，验证不了就只能淘汰。 宇宙学成了精确科学！

| 由此得到

过去这一百多年间，物理学家做了非常了不起的事情。通过地球上得到的物理学，居然能精确了解这个宇宙的早期是怎么回事。以人类的生存偏见眼光去看，这个大历史的主题应该是幸运—— 我们经历的是动不动就十亿分之一的中奖机会。

| 禅定时刻

因为微波背景辐射的存在，宇宙中哪怕最空旷的地方，也不是完全冷的绝对零度，至少有2.72°K的温度。宇宙中最冷的地方在哪吗？

科罗拉多大学物理系。其中有个实验室，为了研究玻色-爱因斯坦凝聚，物理学家在里面制造了比宇宙微波背景辐射还低的温度。

现代物理学就这么厉害。但这个厉害的背后是庆幸。

如果正反物质湮灭没有十亿分之一的幸存率，那上帝创造宇宙的时候说完“要有光”……也就只能有光。如果没有大恒星生产重型元素，宇宙中就只能有氢和氦。如果没有后来的一系列“如果”，就不会站在这里仰望天空。

如果微波背景辐射在今天测不到，如果物理定律和物质在别处跟在我们这里不一样，如果元素光谱没有那么简洁漂亮的性质，就不可能理解这个宇宙。

“这个宇宙根本没有义务让你理解。”

所幸的是宇宙还是给物理学家提供了“知识服务”。今天居然能在这么大程度上理解这个宇宙，而且还理解得如此精确，你说这生活是多么美好。

《给忙碌者的天体物理学》2:暗物质的陪伴

从某种意义上说，天文学家干的事儿和偷窥者差不多，都是充满好奇心地观察一些东西。最大区别的是，天文学家看的东西更多、看的时间更长，而且看得非常非常用心。

1.少了很多东西

满天星斗并非是杂乱无章的。古人的思路是把星星划分成“星座”，而今天的天文学家对星星之间的关系看得更清楚，他们的划分思路是“星系”和“星系团”。

太阳，就处在“银河系”这个星系之中。从地球上看，银河是带状的 ——

但是如果能换个远方太空中居高临下的视角，银河系其实是盘状的。它有若干条螺旋臂，太阳就位于银河系的某个不起眼的螺旋臂的某个不起眼的位置。

每个星系中可能有千亿、甚至万亿颗恒星。就好像行星围绕恒星转一样，星系中的恒星也绕着星系的中心转 —— 这当然是因为星系内部这一大堆恒星集合在一起，给外面的恒星提供了一个向内的引力。

像银河系这样的星系，宇宙中至少有千亿个。星系们又组成星系团，然后每个星系都绕着它所在星系团的中心转。

在星系中间那广阔的空旷地带，其实也有很多物质，包括矮星系、不属于任何星系的孤单恒星、星系间气体等等。但是总体来说，结构就是这样。如果把宇宙想象成一个国家，星系团就好像是城市，这些城市就好像一个一个的岛屿散布在宇宙之中。

天文学家看着这些星系和星系团，实在着迷

咱们可以做个实验体会一下。你拿一根比较长绳子，比如说耳机线吧，抓住一端快速甩动，让绳子绕着你手指旋转。很明显，转动速度越快，你的手指就要越用力。如果转动速度特别快以至于你的手抓不住了，这个绳子就会飞出去。地球绕着太阳转也是这个道理，中心提供的引力越大，能支持的旋转速度就越大。

星系绕着星系团中心转，也是这个道理。星系团内部大概有多少星系，这些星系总共有多大的质量，能提供多大的引力。这个引力根本支撑不了外面星系旋转的速度！那么高的速度，那几个星系都应该被甩出去才对！

据此判断，星系团内部必定还有一些我们看不到的物质，提供了多余的引力。

此后天文学家们陆续考察了别的星系团，结果每个星系团都有这个现象。

到了1976年的时候，一个叫薇拉·鲁宾（Vera Rubin）女天文学家又把目光对准了恒星围绕星系的转动。首先她注意到，在一个星系的可见部分之中，越往外的恒星，旋转速度就越快。这个是可以理解的，越往外的恒星，它里面的恒星就越多，能提供的引力就越大。

在星系的最边缘找了几个恒星，结果发现这几个恒星也是越往外速度越快。这就不对了，因为从这里再往外，就已经没有多少恒星给它们提供更多的引力。

不论星系绕着星系团转，还是恒星绕着星系转，转速都比天文学家计算的快得多。

2.黑暗的物质

物理学家把提供多余引力的东西，称为“暗物质”。计算表明，想要维持那么高的速度，暗物质不但要提供多余引力，而且必须提供很多很多引力才行 —— 暗物质的总质量，必须是已知物质总质量的6倍。

考虑到暗物质，银河系的图像应该是这样的 —— 

整个星系被一层厚厚的暗物质包围。暗物质在星系中间比较浓，远离星系的地方慢慢变淡。因为我们的太阳系只是整个星系中间的一小块区域，行星和卫星都太小，运动不会受到暗物质影响，没感觉到。但是考察星系边缘那些恒星的运动，影响就非常明显了。

暗物质到底是什么东西呢？第一反应，也许暗物质就是一些比较“暗”的正常物质，因为太暗了没看到而已。而物理学家已经排除了这种可能性。

暗物质是黑洞吗？ 黑洞其实是可以探测到的。黑洞在很小的区域内产生很大的引力，周围星体会绕着黑洞转，一看那些星体的轨道，就知道中间有个黑洞。

暗物质是星际间的气体云吗？ 也不是。遥远的星光穿过气体云，会受到影响，但没有发现到这种影响。

暗物质有没有可能是一些散布在空间没有恒星“主人”的流浪行星呢？这也不太可能。太阳系总重量的4/5在太阳上，而不是行星上 —— 宇宙中不太可能是行星集中那么大比例的质量。

物理学家还可以从另一个方面证明暗物质不是寻常物质。物理学家计算表明，大爆炸产生的氢原子和氦原子核的比例是 10 : 1，这个比例还可以跟宇宙微波背景辐射的观测结果对上号 —— 宇宙创生中所有的核反应都在这里了。那也就是说，暗物质根本就没参与核反应！

目前所有的仪器都测不到暗物质。物理学家知道的四种相互作用，暗物质很可能除了引力之外，其他都不参与。

除了引力，在原子核之外，所能感受到的所有“力” —— 能看到光、被什么东西打一下会疼，这些都是电磁力。可是暗物质不参与电磁力。

这就是说，你的房间里遍布着一种特殊粒子构成的气体。这种粒子可能比质子、中子都大很多，也很重。可是你摸不着它、看不到它，就算用上各种先进仪器，也完全感受不到它的存在。你任凭它在你的身体中穿过。

3.各种可能性

物理学告诉我们，所有东西都有引力。但是不是“有引力”就一定“有东西”呢？这个现在很难回答。

连民间科学家都可能会想到，是不是爱因斯坦的广义相对论，在星系这么大的尺度上，出错了。有人在做这个工作，但大多数物理学家对广义相对论非常有信心。广义相对论是个相当精确的理论。

事实上，物理学家把民间科学家想不到的离奇可能性也想到了。比如说有没有可能暗物质是我们感受到的来自“高维空间”的引力？也许存在多重宇宙，有一个“平行宇宙”跟我们的空间重叠在了一起，以至于这个平行宇宙中的物质的引力穿越了时空的维度，让我们感受到了。这些可能性似乎都不大。

如果暗物质根本不参与引力之外的其他相互作用，那它到底是怎么从宇宙大爆炸中产生的呢？物理学家的一个指望是也许暗物质也参与强相互作用或者弱电相互作用，只不过实在太微弱了，不容易测到。

现在物理学家正在上天入地，去探测暗物质。他们把专门的卫星送上太空，在地底下挖了很深很深的坑，在实验室里用最高能级的粒子加速器搞碰撞，希望能找到一两个“暗物质粒子”。

但是从1937年兹威基的发现至今八十年过去了，物理学家对暗物质的了解，仍然没有突破。

但是物理学家回头又算了一下。大爆炸以来，宇宙一直都在膨胀。在这个过程中有两种力量在对抗 —— 一种力量是引力，引力是把东西聚集到一起；另一种是膨胀，是要把东西分散开。

这两个力量如果平衡得不好，就不会有今天的日月星辰。引力太强，宇宙中的原子们刚刚出生就会都挤在一起；引力太弱，它们就不会有机会凝聚成恒星。

物理学家计算发现，已知的这些寻常物质的引力，原来根本对抗不了大爆炸的膨胀。原来非得依靠暗物质的陪伴，才有宇宙的今天。那到底需要多少暗物质，才能让宇宙膨胀成今天这个样子呢？

正好也是已知物质总质量的6倍。

| 由此得到

暗物质，完全是物理学家因为算数对不上，而认为必须存在的一种东西。但是至今对暗物质还没有任何直接的观测。

在物理学史上，这其实是司空见惯的局面。比如说十九世纪的时候，有人测量太阳光到达地球的能量，就发现太阳每时每刻产生的能量是非常巨大的。那太阳的能量来自哪里呢？太阳上到底要烧什么东西，才能产生这么大的能量呢？

当时的人还不知道核反应。甚至有人提出非常可笑的猜测，说太阳上烧的是煤！

但这个精神是一样的：我这里数字对不上，你那里必定有别的东西。

只要暗物质存在，物理学家就一定有办法“看到”它。