幸运-天体物理学

《给忙碌者的天体物理学 》( Astrophysics for People in a Hurry )


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。

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。电子就是我们最熟悉的“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,那为什么我们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,我们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,今天我们才会有这些重元素,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,我们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!

过去这一百多年间,物理学家做了非常了不起的事情。我们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。

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。

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”,我们就不会站在这里仰望天空。

我们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。

如果你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。 


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。

咱们想想这个东西。除了引力,我们在生活中,在原子核之外,所能感受到的所有“力” —— 我们能看到光、我们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。

我们知道大爆炸以来,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,我们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,才有我们这个宇宙的今天。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。

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。但是我们至今对暗物质还没有任何直接的观测。

爱因斯坦说,你可以把引力当成是空间的弯曲。用一句话概括他的思想,就是“物质告诉空间怎么弯曲,空间告诉物质怎么运动。”大质量物体改变它周围空间的弯曲程度,其他物体根据感受到的弯曲空间运动,引力不再是超距作用了,它通过空间传递。

十三亿年以前,在距离地球十三亿光年远的地方,有两个黑洞发生了碰撞。这次碰撞带来的引力波,向全宇宙传播。碰撞发生的时候,地球上只有一些最原始的单细胞生物。引力波慢慢传递过来……在此期间,地球上演化出了智人、智人有了文化、爱因斯坦出生,写下了广义相对论的引力场方程……然后一直到2016年,也就是碰撞发生十三亿年以后,我们截获了这个引力波!

物理定律要求是任何东西的移动速度不能超过光速 —— 但是请注意,这说的是物体在空间中的移动,可不是空间本身的移动。

事实上,宇宙膨胀的速度可以超过光速。在大爆炸刚开始的时候,早期的宇宙的膨胀速度到处都超过光速。而在现在,那些距离我们特别特别遥远的星系,他们的离我们而去速度也是超光速的。

现在更进一步的估算,我们这个宇宙现在的全部能量之中,寻常的物质只占大约4%,暗物质占26%,暗能量占70%。 

过去三十年中,物理学最惊人的一个发现就是宇宙正在加速膨胀。把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中,可以让宇宙加速膨胀,但是这个宇宙常数到底有什么物理意义,物理学家一无所知。暗能量和暗物质到底是什么,是两个谜。

物理学家计算,再过一万亿年,除了银河系以外,我们的天空中将会再也看不到其他的星星。

如果我们这个文明不能把现在关于宇宙的知识流传到那个时候,如果那时候还有智慧生命的话,那时的天文学家将会认为宇宙里就只有一个银河系。他们的宇宙观会跟我们很不一样,他们将无从知道宇宙里其实有那么多星系!

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仰望星空,可以看到自己的渺小和偶然,当然更能看到我们的幸运。

人的思维带宽非常有限,容易被各种世俗的琐碎占领,陷入精神的囹圄,不能自拔,而这样的历史就像黑暗中一道闪光,让人突然意识到世界和时间有更恢弘的维度。从物理层面的环境的演绎有了理解。

我们存在是一个过程,从出生到gg。

我觉得最有意义的事情,就是在生命的过程发现意义,并且不断的实现和靠近意义。

我在想宇宙的未来是因为逃逸忒快,所以某个点看不到当下看到的星空。那么倒退很多亿年前,恐龙看到的星空必然和我们也不一样,历史上发生了什么,我们现在的宇宙的理解也仅限于当下看到和测量的光的形态来倒退,是否曾经出现过那么一个阶段,可以观察到宇宙的很多现象,更能帮助我们理解宇宙的起源,而因为过了很多年,已经无法观测到了,所以无法给出结论。所以我们的判断依据往往是根据当下或者近期的观察。

就好像资本市场一样,我们大多观察了10年的演绎,而100年的历史曾经发生过什么呢?或者未来会发生什么历史上从来没有出现过的呢。因为出现了新的变量,然后诞生新的规则演绎呢?毕竟技术的进步,让某类企业的发展的速度远远超过了几十年前。

需要学习的历史和逻辑忒多忒多,真是越来越觉得自己的匮乏。等懂得越多的时候,你才能更多维度看懂当下,才不会被细枝末叶的别有用心或者狭隘的视角带偏,才不会被类似娱乐新闻的信息所浪费时间,才不会过度局限在一个视角看问题。

伟大和牛逼是因为对大家没察觉的细小进行了敏感的观察,然后洞察了未来。但是感知到这种细小,反而是需要宏大的历史观和对变化的理解。

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