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幸運是這個宇宙的通行證

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好了，我們第一次的周末放送，選自《萬維鋼·精英日課》里的一篇文章，《幸運是這個宇宙的通行證》。光聽這個題目就覺得很有意思哈，讀了這篇文章，你就會知道，我們生活在地球上的每一個人，都是十億分之一的幸運者！話不多說，來聽萬維鋼老師的這篇精彩文章。

幸運是這個宇宙的通行證

摘自訂閱專欄《萬維鋼·精英日課》

今天開始，我們來說一本新書：《給忙碌者的天體物理學》（Astrophysics for People in a Hurry）。

作者是一位天體物理學家，但他更著名的身份則是科普達人，有個拍得特別漂亮的系列紀錄片叫《宇宙》就是他主持的，他就是尼爾·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）。

“天體物理學”似乎是個有點不明覺厲的題目，但是這本書目前在《紐約時報》暢銷書排行榜排名第二！它是一本寫給普通讀者看的天體物理學。你整天忙著要成功，還要平衡工作和家庭！但是忙歸忙，每個人內心深處，都想知道我們生活的這個宇宙到底是怎么回事。

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？

答案是很多很多。我們今天對宇宙的了解，跟一百年之前、甚至幾十年之前都非常不一樣。我們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，你會想到什么呢？你可能覺得理科生沒有什么情趣，看見天空無非就是想想“光譜”之類的物理學知識。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……

但事實上，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，當你看太陽的時候，你應該想什么呢？

你首先應該想……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！你可以想象，對當時的人來說，這是一個多么震撼的知識。

這個震撼一直持續到十九世紀。那時候物理學家發現，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。

這個工具可太厲害了，物理學家馬上就分析了太陽的光譜。

到這時候物理學家才知道，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，而且現在我們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！你再分析遠處那些星星發光的光譜，結果也都是平常的元素。

這是一個非常了不起的發現。我們并未離開地球，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。你考察太空深處的一個雙星系統，他們的軌道在引力作用下互相影響 —— 你一算，軌道正好能用牛頓力學解釋。

而且過去的物理定律也跟我們現在是一樣的。我們知道光是有速度的，我們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來的星光的光譜，發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我們現在完全一樣！更進一步，考察太陽發光的情況，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，我們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我們這個宇宙起源于137億年以前的一次“大爆炸”。

我們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”，也是咱們《精英日課》專欄的更新時間：晚上10:43分。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，四種相互作用是統一在一起的，描述那樣的狀態需要把廣義相對論和量子力學統一在一起，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。電子就是我們最熟悉的“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。夸克和反夸克，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，那為什么我們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，我們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，今天我們才會有這些重元素，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，我們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？

不過，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”。

前面說了，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，幾個美國物理學家使用三個理論，預言了微波背景輻射的存在。這三個理論是 ——

1916年愛因斯坦提出的廣義相對論；

1929年哈勃發現宇宙正在膨脹；

二戰前后，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。

他們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！你想想，當初我們用了三個在地球上發現的物理知識，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。……然后你找了找，居然果然找到了這個遺跡，而且數值相差不到兩倍？！

有個天文學家形容，這就好比你坐在房間里算卦，說某月某日將會有個直徑50英尺的飛碟降落在白宮草坪 —— 而到了那一天，居然真有個飛碟降落在了白宮草坪，只不過飛碟的直徑不是50英尺，而是27.2英尺 —— 飛碟能來就是奇跡了好嗎？！

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。物理學家從它被激發的情況，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 ——

我們看到，這張圖并不是完全均勻的。“宇宙微波背景輻射”帶來的，是宇宙剛剛產生38萬年時候的信息。我們可以據此推測當時的物質在宇宙的分布情況。再根據這一點，我們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。

泰森說，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！現在你有任何理論

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