给忙碌者的天体物理[美]尼尔·德格拉斯·泰森

释放双眼,带上耳机,听听看~!
空间和时间的本质是什么?宇宙如何起源的?我们是宇宙中唯一的智慧生命吗?这是萦绕在每个人心灵深处的追问。但当今时代,人们更加忙碌,更没有时间通过读大部头的专业书来获取相关知识。 谁能引导我们去追索这些知识呢?没有比尼尔·泰森更合适的人了 。他的这本《给忙碌者的天体物理学》简洁而清晰,处处闪烁着智慧的火花,你可以在繁忙的日常里随时随地享受其中隽永的章节。 当你品呷早间咖啡的时候,当你在乘坐地铁、等侯火车或航班的时候,《给忙碌者的天体物理学》会用最易懂的语言,为你讲述你最关心的宇宙问题:从大爆炸到黑洞,从夸克到量子力学,从搜寻宜居行星到寻找地外生命……

更大的世界更好的我大家好这里是励耘书屋我是小云今天我推荐的书是给忙碌者的天体物理学

现代社会节奏非常快很多人一天到晚都很充实往往没有时间去思考头顶的一些问题星星从何而来宇宙是什么样子它的外面又是什么如果您愿意抽出一些零碎时间寻找一下答案那么今天我推荐的这本书非常适合您

记得两年前的一个早上大家不约而同地被同一条新闻刷屏这一天美国激光干涉引力波天文台的天文学家宣布他们探测到了一个清晰的引力波信号世界各地的多个天文台也几乎同一时间见证了一对中子星的亲密接触天文学家估计这次事件产生了相当于 10 个地球质量那么多的黄金和铂金以至于国际市场上的黄金价格都出现了跳水式的下跌

与学术界的狂欢形成鲜明反差的是许多人被一连串的高深词汇弄得云里雾里只能安静地做一名吃瓜群众中子星是什么引力波又是什么发生在 1.3 亿光年外两个星体的碰撞真能让你的首饰变得一钱不值吗这本给忙碌者的天体物理学能够给你答案它在欧美是一本现象级的畅销书上市刚刚第一年就卖出了 100 万册荣登纽约时报评选的非虚构类畅销书排名榜的榜首而这本书的作者尼尔·泰森曾经获得哥伦比亚大学的天体物理学博士学位之后又出任过世界知名的纽约海登天文馆的馆长更是主持过一系列的电视节目在美国可称得上家喻户晓2007 年时代周刊曾把他评为全球百大最具影响力人物之一

上面介绍完了这本书的基本情况和作者接下来我就详细说一下内容这本书总共由 12 个短篇构成每个短篇都自成体系相互之间又紧密联系从宇宙星系恒星行星这四个层面勾勒出了宇宙的基本图景我们不妨带着下面四个问题开始我们的阅读

第一个问题宇宙是如何诞生的

第二个问题宇宙又是被什么样的力量主导的

第三个问题我们中学曾经学习过的元素周期表上的化学元素都是从哪里来的呢

最后一个问题如何才能找到太阳系以外的行星上存在的生命

我们先来看第一个问题宇宙是如何诞生的呢让我们把时间倒回到宇宙刚诞生的 140 亿年前

那时我们的宇宙所有已知的空间物质能量都包含在一个极小的尺度中宇宙的温度非常高目前已知的四种基本相互作用也就是万有引力电磁力强相互作用和弱相互作用都是统一在一起的虽然我们目前还没有理论能够描述这种状态但是我们知道这个阶段所持续的时间长短——10 的 -43 次方秒也就是所谓的普朗克时间

在这之后引力逐渐分离出来成为我们目前所理解的一种基本相互力当指针来到 10 的 -35 次方秒时核强力从另外三种基本相互力中分离出来最后分离的弱力与电磁力这时我们已知的自然界四种基本相互作用力就到齐了它们是主导放射性衰变的核弱力把原子核束缚在一起的核强力让原子结合成分子的电磁力以及在更大尺度上将恒星行星星系等大团物质束缚在一起的万有引力

这时的宇宙是由夸克轻子以及反物质还有传递这些基本相互作用力的玻色子构成的一大锅浓汤有证据表明在这个宇宙极早期的某一段时间当某种作用力与其他作用力分离的时候宇宙中正物质粒子的数量略微超过了反物质粒子产生了一种非同寻常的不对称性超过的数量是多少呢非常微小只有十亿分之一

随着宇宙的不断冷却正物质的粒子与反物质发生湮灭每湮灭一次就会产生一个光子但是由于存在这种微小的不对称性每产生 10 亿个光子才会有一个正物质的粒子幸存下来而这些十亿分之一比率的幸运儿构成了我们今天所看到的星系恒星和行星以及我们的身体和身边所见的万物

当宇宙的温度继续降低质子与中子之间相互发生融合形成原子核这时一个婴儿宇宙就基本孵化出来了这时的宇宙里 90% 的原子核是氢10% 是氦还有少量的氢的同位素——氘以及痕量的锂等非常轻的原子核

宇宙诞生后 38 万年来到了下一个标志性的时间点在这之前能量极高的电子在光子之间穿梭不停地碰撞吸收和发射着光子但是在这个时间点之后电子被牢牢束缚在了原子核的周围光子可以自由地在宇宙空间中行走而不用担心与电子发生碰撞那一刻宇宙初期的粒子和原子的形成过程宣告完成天空中留下了永恒的印记这就是我们今天所观测到的宇宙微波背景辐射1964 年美国贝尔实验室的两名工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在调试一种新设计的喇叭状天线时无意之中找到了它们开启了宇宙学的新时代

好了上面我们简单回顾了宇宙诞生初期的基本历史那么我们再来看下一个问题宇宙是被什么样的力量所主导的呢

1937 年一位美国籍瑞士天文学家弗里茨·兹威基测量了一个遥远的星系团中单个星系的运动这个星系团要比我们银河系所在的本星系团远得多位于后发座方向称为后发座星系团它至少由上千个星系组成像一群蜜蜂一样簇拥着蜂巢飞舞兹威基发现这些星系的运动速度都大得惊人要想束缚住如此高速运动的星系整个星系团必须要拥有极大的质量但是从这些星系本身的数量来判断它们无论如何凑不齐所需的质量

正当天文学家逐渐接受这个令人不安的事实的时候这些不可见的物质再一次露出狰狞的面目1976 年一位美国女天文学家薇拉·鲁宾测量了旋涡星系中恒星的运动速度一般来说距离中心越远速度应当越慢就拿我们的太阳系举例来说地球环绕太阳公转的平均速度大约是每秒 30 千米离太阳最近的水星大约是每秒 47 千米而距离太阳最远的海王星只有每秒 5 千米星系中恒星围绕中心运动的速度理应类似但是鲁宾发现随着到星系中心距离的增加恒星的运动速度却基本保持不变仿佛有一些质量被天文学家漏掉了

今天我们知道这些失踪的质量确实存在而且是以几乎不发出辐射的形式存在于差不多所有的星系中也包括我们的银河系我们给这些神秘的物质取名为暗物质在我们的银河系中暗物质的质量是可见物质的 10 倍而在整个宇宙中暗物质的引力大约是所有可见物质总引力的 6 倍

一些粒子物理学家相信暗物质是由一类尚未被发现的粒子所组成的它们像幽灵一般通过引力与普通物质发生相互作用但在其他方面与普通物质或光的相互作用非常微弱甚至根本不发生作用如今世界上最大的粒子加速器正在试图让粒子以极高的速度相互碰撞并在碎片中寻找暗物质粒子的蛛丝马迹还有一些设在地下几千米深的实验室正在日复一日地等待来自宇宙空间的暗物质它们之所以位于地下是因为这样可以最大程度地屏蔽那些普通的宇宙射线粒子防止它们被误认为是暗物质

说到这里如果你觉得宇宙最大的秘密就是这看不见的幽灵一般的暗物质那么你就错了因为在 20 世纪 90 年代另一项借助 Ia [段段 1] 型超新星的发现再一次动摇了人们的基本宇宙观

什么是 Ia 型超新星呢宇宙中有相当一部分恒星是位于双星系统中的当这一对双星之一演化到了晚期变成了一颗白矮星而它的伙伴又恰好是一颗巨星那么在一些机缘巧合的情况下白矮星通过引力吸取巨星表面的一部分物质质量不断长大当达到某一个临界点时会发生一场猛烈的核爆炸这就是Ia 型超新星爆发有意思的是对于不同的恒星这个临界质量都是同一个确定的值因此这场核爆炸的亮度基本都是一致的天文学家把这种天体叫作标准烛光

当天文学家找到这样一颗超新星时就可以记录它们的实际亮度亮度越暗表明距离越远通过比较实际亮度和理论亮度之间的差异就可以立刻知道这颗超新星的距离与此同时宇宙在膨胀遥远的星光在传播过程中被拉长了光谱朝着波长较长的红端方向移动天文学家记录下 Ia 型超新星的光线被拉长的程度也就是红移1998 年来自美国和澳大利亚的两个研究团队几乎同时发表了根据 Ia 型超新星红移与距离得到的结论就是我们的宇宙正在加速膨胀

如果暗物质的存在是一个令人吃惊的发现那么加速膨胀简直让天文学家烧脑在 20 世纪爱因斯坦提出广义相对论的引力方程时他加入了一个所谓的宇宙学常数用大写希腊字母 Λ [段段 2] 表示这个常数并不是必须的加上去只是为了让空间本身具有一种排斥力这样得到的宇宙模型就能保持一种静止和稳定的状态因为在那个时代人们普遍相信宇宙是静止不变的

1929 年美国天文学家哈勃发现距离越远的星系远离的速度就越快这说明宇宙并非是一成不变的爱因斯坦在获知这个结果后决定放弃宇宙学常数 Λ认为加入这个常数是他一生中所犯的最大的错误1998 年宇宙加速膨胀的发现令人们开始重新思考这个曾经被爱因斯坦弃之不用的宇宙学常数的含义它自然而然地成为导致宇宙加速膨胀的候选体之一

加速膨胀意味着宇宙空间存在一种神秘的压力它来自真空中而非产生于任何物质它的作用与引力相反引力倾向于将物质聚拢在一起而暗能量却将物质推开如同反引力天文学家给这种能量形式起名为暗能量

量子理论认为真空实际上并不空而是充斥着大量的粒子对也就是各种粒子与其对应的反粒子它们不断地产生而后快速湮灭这些粒子虽然转瞬即逝却也携带着能量称为真空能而宇宙学常数则完全等效于真空能密度但是按照量子理论的估算真空能的密度非常高竟然比驱使宇宙加速所需要的能量密度高出了 120 个数量级堪称史上最差劲的理论估算

随着宇宙的膨胀空间变得越来越大而宇宙的物质总量却保持不变也就是说密度会逐渐减小引力终究会落于下风最终暗能量迟早会赢得这场宇宙的拔河大战宇宙终究会陷入无休止的加速膨胀如今在夜空中可见的遥远星系最终都会消失在视野之外没有任何物理规律能阻止这一点或许再过大约一万亿年银河系里的生命根本就无法知道还有其他星系存在在我们视野可及的范围里宇宙终究会只剩下一颗恒星除此之外就是无尽的虚空与黑暗

好了起初天文学家曾经以为望远镜所能观测到的发光天体就是这个宇宙的全部物质后来发现宇宙中暗物质的总量其实要比这些发光物质多得多但是现在我们知道了最终主导我们这个宇宙命运的将会是暗能量而我们对于暗能量究竟是什么从哪里来近乎一无所知

我们再来看下面一个问题元素周期表上的化学元素是从哪里来的如果你在中学的化学课上问化学老师那么他八成会告诉你是从地壳里来的那么地壳里的元素又是从哪儿来的呢

前面已经说过在宇宙刚刚诞生的初期绝大部分是氢和氦除此之外还有少量的氢同位素——氘以及痕量的锂等元素其余的元素都是从恒星的核心恒星演化到生命末期发生爆炸后的余烬中锻造出来的这些重元素被抛洒到宇宙空间与遍布宇宙的尘埃和气体相混合继而在合适的时间重新凝聚成恒星其中的一小部分构成了恒星周围的行星继而组成了我们身边的万物

下面我就挑选出一些对宇宙有重要意义的元素从天体物理学的角度来解读一下

氢是宇宙中最轻和最简单的元素完全是大爆炸时期产生的它由一个原子核和一个电子组成原子核里只有一个质子在 94 种天然化学元素里氢占据了人体内所有原子数目的三分之二还多在宇宙的所有原子中更是超过了 90%在太阳的核心区域每一秒钟就有 45 亿吨高速移动的氢原子核撞击形成氦转变成能量

氦是宇宙中第二简单和第二丰富的元素它的含量是宇宙中除了氢之外所有其他元素总和的 4 倍以上人类第一次发现氦并非是在地球上而是在天体中在 1868 年发生的一次日全食期间天文学家在太阳日冕的光谱中找到了一条先前未知的发射线因此氦这个名字 Helium得名于希腊神话中的太阳神赫利俄斯Helios氦气的浮力仅次于氢气但又没有氢气那么易于爆炸所以在节日典礼的场合中经常用来灌各种气球

除了氢和氦锂也是大爆炸产生出来的一种化学元素如今基于锂的化合物制造的电池广泛用于手机笔记本电脑和电动汽车但是恒星的核反应可以轻易地破坏掉锂大爆炸预言宇宙中的任何区域锂原子的比例不超过 1%天文学家把锂元素的比例与氦元素相互对照成功地检验了大爆炸理论的正确性

我们目前所知的一切生命形式都离不开碳元素基于碳原子所形成的有机分子多种多样其种类比所有其他不含碳的分子还要多得多宇宙中的碳是在恒星的核心聚变产生的接着又被翻搅到恒星表面最后在恒星生命的末期被释放到宇宙空间里面

氧是现在的宇宙中除了氢和氦以外含量最为丰富的元素与碳元素类似氧也是在恒星的核心聚变形成的而后通过恒星生命晚期的爆发被注入到弥漫宇宙空间的气体和尘埃中氧和碳都是我们所知道的生命的组成部分

从很多方面来说铁都可以称得上是宇宙中最重要的元素大质量恒星在内部通过核反应不停地聚变合成越来越重的元素从氢到氦再到碳但是这一过程直到铁元素就戛然而止了铁元素的原子核里有 26 个质子和 30 个左右的中子它的特殊之处在于原子核里平均每个粒子所具有的能量最小也就是说当你通过比铁更轻的原子核聚变来制造铁是一个释放能量的过程而要想通过铁原子核的聚变来制造比铁更重的元素就需要一份额外的能量才行因此要想让恒星自发地创造比铁更重的元素就非常困难如果没有丰富的能量来源这颗恒星就会在自己的重量下坍缩紧接着反弹形成猛烈的超新星爆发在短短几天的时间里它的亮度会超过 10 亿个太阳的总和

那么是不是比铁重的元素就无法形成了呢并不是的当一个中子接近一个原子核的时候就有一定的几率被这个原子核俘获而后这个中子在原子核里会衰变成一个质子同时会释放一个电子和一个中微子比铁更重的元素就是通过这种所谓的中子俘获过程制造出来的但是这种核反应需要原子核浸泡在一个中子流密度足够高的环境中才有可能发生宇宙虽大但是能够满足中子俘获过程所需条件的场所并不多宇宙中一些非常剧烈的过程例如超新星爆发就是之一之前天文学家只是理论上推测并没有实际获得过充足的证据

直到 2017 年 10 月 16 日一个国际天文学家团队宣布他们发现了 1.3 亿光年外两颗中子星发生了合并这次事件不仅产生了如开头我们所说的一次清晰的引力波信号更是提供了足以产生比铁重的元素所需要的富含中子的环境天文学家随后在光谱中发现了重元素发生放射性衰变所产生的信号而像金铂这样的重元素正是在这样的环境中产生的

我们刚才简单回顾了化学元素是如何在宇宙中产生的现在我们来思考最后一个问题如何才能找到太阳系以外的行星上存在的生命

1990 年旅行者 1 号探测器运行到海王星轨道的外围在那里回首凝望地球拍摄了一张著名的照片证明了地球在宇宙中看来是多么平淡无奇美国天体物理学家卡尔·萨根称之为黯淡蓝点如果不是特别说明你很可能都不知道地球在哪儿

如果有一些具有高等智慧的外星人用先进的设备从远方观察太阳系它们是否会注意到太阳的旁边这颗小小的蓝色星球呢首先它们会发现地球最重要的特征就是表面大部分被液态水所覆盖这说明地球的温度和大气压都保持在一个合适的范围内其次它们会注意到地球南北极的冰盖随着季节的变化而此消彼长

光谱作为独特的化学指纹可以轻易地推断出一颗系外行星表面是否含有适合生命存活的分子如果一颗行星的表面布满了动植物它的大气层必将富含独特的生物标记这就是生命的光谱证据如果外星人观测地球的光谱就会注意到水分子氧气甲烷存在的证据甲烷是一个比较容易检测的分子地球大气里的甲烷大多数是由与人类有关的活动产生的如燃烧石油种植水稻甚至是饲养家畜自然环境产生的甲烷也大多与动植物的代谢息息相关然而甲烷并不一定意味着生命因为土星的卫星泰坦上充满了甲烷但那里却并没有发现动植物的影子

最有说服力的证据是我们的行星大气中自由飘浮的氧气它足足占据了大气比例的 1/5氧的化学性质很活泼很容易与其他元素相结合形成氧化物要想让行星大气里的氧气含量保持在一个稳定的状态必须存在某种机制让氧气产生的速率和消耗的速率一样快我们地球上的氧气就可以追溯到生命身上植物和细菌进行光合作用产生游离的氧一方面动物和人类依靠氧气进行必要的代谢如果外星人能够得到这些化学特征他们必定会把这些解释为行星存在生命的证据

第一颗太阳系以外的行星是在 1995 年发现的当你在阅读这本书时人们已经发现了 4000 多颗系外行星并且这个数字每个月仍在攀升但是类似我们地球一样的行星发现了多少呢答案是 0但是这并不是说银河系中我们的地球是独一无二的因为已知的宇宙蕴藏着数千亿个星系而单单一个银河系中有超过 1000 亿颗恒星到目前为止我们只是抽查了我们所居住的银河系里微不足道的一小块区域其中有相当一部分抽样是美国宇航局的开普勒望远镜做的从开普勒望远镜的统计数据推测仅在银河系里可能就有多达 400 亿颗类地行星其中一些很可能会成为我们后代所要造访的目的地

好了给忙碌者的天体物理学这本书讲得差不多了接下来我为你总结一下今天的要点宇宙诞生于 137 亿年前的一次大爆炸这次大爆炸是一切时间空间物质能量的起源起初宇宙只是一锅基本粒子组成的汤正物质与反物质之间出现了十亿分之一的微小不对称性当它们互相湮灭后残留的十亿分之一构成了我们今天所见的全部星系恒星行星以及宇宙中遍布的气体和尘埃但这远非我们宇宙的全部宇宙中更多的是几乎不产生任何辐射只能通过引力感知它们存在的暗物质它们的总量要远远多于我们所能看见的正常物质我们今天知道宇宙正在加速膨胀而对背后驱使这种膨胀的力量我们却一无所知这就是所谓的暗能量组成我们身体的氢元素在宇宙形成初期就诞生了而对生命来说必不可少的碳氧则来自恒星内部的核反应随后随着超新星爆发被抛洒到宇宙空间中而我们首饰上的金铂等元素则来自宇宙中一些最剧烈的爆炸过程

最后我们以自己居住的地球为样板探讨了在太阳系以外的行星上寻找生命的可能性当人们在阅读关于宇宙的书时面对诸多的不清楚不了解不知道常常会产生一种强烈的渺小感为人类面对众多宇宙未解之谜的渺小为地球在宇宙中的地位感到渺小但是也请反过来想一想人类拥有地球长达 40 多亿年的历史上最聪明的大脑人的大脑大约只有 1400 克重却令我们懂得使用工具进行社会分工与协作从事艺术创作还能理解数学和自然科学更让我们找到自己在宇宙中的位置从这个意义上说人类很伟大在人类创建的所有学科中天文学毫无疑问是最崇高和最有趣的宇宙的视角并不仅仅是科学家才有的它属于每个人它令我们睁开眼睛同时令我们的头脑保持开放让我们重新认识自我和我们所居住的地方我们的心灵因此超越了低级狭隘的偏见而得到升华

上面我讲述的内容基于 2018 年 6 月未读·探索家·北京联合出版公司出版的给忙碌者的天体物理学希望我的推荐能帮助你读懂这本书

愿每本好书都带你上一个小台阶

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