理想国imaginist2024-06-06 08:06
理想国imaginist/文 好久没有这么、这么、这么、这么开心了。
合上最后一页，就像在课堂上放了暑假：让勾股定理回到勾股定理，让牛顿定律回到牛顿定律，知识背后不再背着考试的尾巴，不再背着成绩和排名表带来的的恐惧。
于是，可以在无关生存之处，纯粹一把，体味宇宙的悠远、定律的简洁、论证的真诚......集权威与简明于一身的《万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起》，带给我们就是这样的体验。
《万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起》来自耶鲁大学的一门本科研讨班课程，由本书作者大卫·贝尔科维奇教授。这本书聚合了大量新进科研成果，就像放映一场电影般，从时间的起点开始，播放从宇宙到行星，从大陆到海洋，从生命到人类的历程，漫长而神秘。
那种接触到新知识的体验是无与伦比的，就像第一次接触一门外语，从你嘴里吐出那陌生而神奇的发音，或者收到第一个相机，骑上第一辆自行车，一个新的世界都能够在你的面前徐徐展开——
阅读《万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起》，像打开窗户，让宇宙的风光透进来。
《万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起》总共八章，分别是宇宙与星系、恒星与元素、太阳系与行星、大陆与地球内部、海洋与大气层、气候与宜居性、生命、人类与文明。我们选取其中最神秘的第一章，讲述未有星球之前，那个充斥着大爆炸、宇宙暴胀、巨型星云、暗物质的神秘之所。
01 0.04秒与24小时
要讲述宇宙的历史，也许最好的办法是逆流而上，按正好相反的时间顺序来讲述。无论以宗教还是科学的名义，我们对宇宙初创时刻的痴迷，都来自我们对自身何以至此的好奇。
如果从当前出发，倒带7000年抵达人类有记载的历史之初，我们会发现尚有700万年的人类演化史横亘在前。要是这就让你气馁了的话，还有6亿年的动物演化史、30亿年的生命演化史，以及再早十几亿年的太阳系及我们地球的诞生。从这儿再往前90亿年，我们才抵达已知时间的起点。
如果将宇宙的历史压缩成一天的24小时，就像一部超级冗长的先锋电影那样倒序播放，那人类文明史将如白驹过隙，只有0.04秒的时长，连演职员表都还来不及闪现。最早的动物出现在大约1小时后，这尚可容忍 ；但要再过7个小时，才能看到太阳系和地球的诞生，至于抵达宇宙的起点则还有漫漫16个小时。
02 纯能量球体
大爆炸理论绝不仅仅是在讲述宇宙如何从很小的一点变成今天的巨大尺寸。
从大爆炸初始状态开始的一连串事件，掌控着物质的性质及宇宙的结构。简单说来，在大爆炸之后紧跟着的几微秒（1微秒即百万之一秒）到1分钟之内，发生了很多事情。
在我们展开细节之前，可以回想一下最初的宇宙是如此的致密和炽热，只是一个极小的有巨大纯能量的球体，而随着它膨胀和冷却，各种形态的物质、能量乃至自然作用力都从中凝结而出，这一过程可大致想象为水蒸气的冷却，先从气态变成液态水，再从水变成固态冰。每一步都有新形态的物质生成（气态、液态或固态），这就是相变。
只是这些发生在宇宙诞生最初几个瞬间的变化要远比相变奇异，而我们对作为起点的最初状态也还谈不上有充分的认识。
03 普朗克时间
一般认为，在大爆炸开始的第一个瞬间，温度非常之高，因而压力也非常之高，因此宇宙也就仅容纳了唯一一种形式的极高能量，存身于无法想象的极小体积内，远远小于一个原子甚至亚原子粒子。
这一状态延续了最早的 10–43 秒。这段时间被称为普朗克时期，以公认的量子力学之父、20世纪德国物理学家马克斯·普朗克命名。
在这段时期，自然界的基本作用力也仅有一种形式。具体来说，作用力涉及粒子交换，比如厨房磁力贴就是通过交换名为光子的粒子吸附在你的冰箱上，而光子就是传递电磁力的光粒子。
对普朗克时期的宇宙自身究竟是什么状态，我们还所知甚少。而关于宇宙究竟如何抵达这个原点，此前又是什么样子，我们同样不甚了了。无论如何，在普朗克时期结束时，被牢牢束缚的小小宇宙并不稳定，而大爆炸就这样开始了。
04 暴胀
宇宙接下来的 10–35 秒真可以算作大爆炸中的“爆炸”期，这段极短的时间发生了极速膨胀，因而叫暴胀时期。
暴胀使宇宙的体积增加了许多许多个数量级（大约1070倍），虽说在尺寸上只是变成了几米的大小，还不怎么大，但膨胀的速度可是光速的许多倍。
膨胀被认为是由能量的释放所驱动，这能量仅有一种形式，储存在单一的作用力场中，喷薄而出的能量则成为接下来已知宇宙的物质和能量的来源。
暴胀时期之后，释放的能量扩散，密度降低到了一个恰好的程度，从中凝结出了物质。能量可以转换成物质，根据的是爱因斯坦少数几个人们耳熟能详的方程之一：E=mc2，其中E代表能量，m是转换而成的物质质量，c则代表光速。最早出现的物质主要以亚—亚原子尺度粒子夸克的形态呈现为夸克汤 ，这是构建质子和中子的基础材料，而质子和中子又一起构建了原子核。
05 强子与轻子时期
故事进行到这里时，宇宙的温度仍然太高，夸克还不能彼此结合。
但在接下来的 10-5 秒中，有更多事情发生。
物质和所谓反物质（比如电子的反物质是正电子，与电子质量相同而所带电荷相反）以几乎相等的数量存在。物质与反物质一旦接触就会一起湮灭，只能共存极短暂的时间。湮灭会释放出更多能量，但也会留下“少”量的常规物质，其数量略微丰富些，因而存留至今。被认为是宇宙质量最主要存在形式的暗物质，也很可能是在此期间产生的。
这段时期的最后阶段则涉及夸克的结合，那时候温度已经足够低到夸克终于能彼此结合产生质子和中子了，但对中子与质子结合为原子核的过程来说还是过高，更不必说生成完整的原子了。由于质子和中子一般被叫作强子，10-5 秒期间的这一最后阶段就称为强子时期。
在这 10-5 秒过后，温度仍然很高，光子也仍具有充足的能量，因此可以将能量转变为物质，并继续生成轻子。但在1秒之后，环境冷却，轻子不再生成。这期间生成的轻子数量，差不多就是存留至今的量（除了那些后来由核反应生成的轻子），因此 10-5 秒到1秒这段时间就称为轻子时期。
06 辐射时期
在1秒后直到约100秒的期间，宇宙冷却到了能让中子与质子结合生成第1个原子核的温度。
但自由中子本身并不稳定，倾向于衰变成1个电子和1个质子。于是到 100秒时，剩下的中子就不算多了，在每16个强子中，只有2个是中子，另外14个全是质子。在这16个强子中，2个中子将与2个质子相结合，组成1个氦原子核，剩下的12个质子，则每个都形成1个氢原子核。
在接下来的10万年中，宇宙温度仍然太高，原子核无法俘获电子形成完整的原子。物质和光子能量的密度也仍然太大，于是彼此卡住，动弹不得。这就是说，物质太致密，光无法穿透 ；能量也太高，物质无法凝结起来，原子核和电子只能保持分散。
由于这期间的宇宙整个沐浴在光子中，人们通常称之为辐射时期。
07 我们仍身处其中的物质时期
到大约10万年时，物质和光子的密度都降低到了光能从中逃逸的地步。到大约38万年时，温度则降到允许原子核与电子结合形成原子，这就开启了我们基本上至今仍身处其中的物质时期。
这一最后的结合也释放了大量的能量，残留下的就是暗淡的宇宙微波背景辐射。最后的核结合及能量释放也携带了在暴胀时期之后各向均一、略有涨落的夸克汤的迹象，因此宇宙微波背景辐射的这种有轻微涨落的均一性模式，如今被认为是宇宙第一个指纹剧烈扩张的一丝反映。
辐射时期的光逃逸一空，以及原子结合的能量井喷后，宇宙在接下来的 3亿年里陷入了黑暗，这就是黑暗时期。简而言之，宇宙温度降得太低，而物质也稀释得太厉害，再也没有什么东西能发光了。
08 星球世界
在黑暗时期末期，氢氦混合气体中轻微的密度涨落导致了指向高密度区域的引力，也就使这个区域能吸引更多物质。更多的物质又进一步使密度涨落更大，又吸引更多物质，如此往复，就形成了第一批巨型星云形式的引力束缚结构。在这些气态的星云中，那些最大的第一代恒星诞生了。
第一代恒星应当仅由氢与氦组成，它们的亮相标志着黑暗时代的结束，时间在大爆炸之后3亿年。那些最大的第一代恒星诞生而又复归死亡，创造出更重的物质，其他较小的恒星则由巨大星云的驱动而形成，并因引力束缚而集结，从而有了第一批真正的星系，这一过程在大爆炸之后的10亿—30亿年达到鼎盛。
尽管总体而言宇宙中的星系在膨胀中彼此远离，但它们并非完全自由地飘荡，其中一些会因为彼此的引力束缚而形成星系团。
星系团在引力下形成纤维状结构。这些纤维组成的网是宇宙中最大的结构，纤维之间则是空洞 。这样的结构充斥着宇宙。
我们自己的星系—银河系，就是由仙女座星系的引力束缚着（在遥远的将来它们甚至会相撞），而它们也都是室女座星系团中的大型星系，后者又是更大的拉尼亚凯亚超星系团的一部分。不过在大爆炸之后10亿年的第一批星系形成之后，可能又花了10亿到20亿年才形成这些星系团和纤维状结构。
09 暗物质
在太阳系这样的系统中，坍缩星云的中心通常拥有更多质量，对一个太阳系来说这就是恒星。而在星系中，中心拥有过多质量，因而会形成超大质量的黑洞，它的质量和密度是如此之大，甚至连靠太近的光都无法逃出它的引力。
某些方面的证据表明，已观测到的星系质量只是星系总质量的一小部分，尚有大量看不见的质量存在于星系中，人们恰如其分地称之为暗物质。
近年来，天文学家不得不得出结论，宇宙中的物质有相当大的一部分都是暗物质，而最早星系的组成也被认为其中的暗物质成分要多于氢和氦。
由于对暗物质的存在只能间接探测，其基本组成仍然是一个谜。
既然从大爆炸以来宇宙就一直在向外膨胀，自然就会有这样一个关于未来的问题：膨胀是会在引力的作用下慢下来，但凭着充足的初始爆炸能量仍能一直持续，还是说它总有一天会精疲力竭，在引力的作用下宇宙将向内坍缩回到中心？
最近的发现表明这两种设想都大错特错，宇宙的膨胀正在加速。在这之前，引力被认为是仅有的长程力，并且在质量的吸引下会造成宇宙膨胀的减速（或可能的坍缩）。
加速膨胀的结论实在出人意料，因而为另一种迄今为止尚未探测到的作用力提供了证据。这种作用力产生于一种名为“暗能量”的能量场，最终提供了使宇宙膨胀得更快的推动力。
暗能量是一种超长程的作用力，只在跨越超星系团的尺度上发挥作用，也只有当宇宙膨胀到足够大时才变得重要。暗物质和暗能量仅仅在星系和星系团的尺度上才可知晓，这不是我们人类能感觉、能确实体验或是凭直觉能形成概念的尺度。
重力基本是我们能时时切身感知并在起床、爬楼梯、倒咖啡等等日常中驾驭的唯一作用力。但是如果我们跟小虫子或微生物一样大小，我们的生活就将更多被电磁力支配，比如因电磁力而产生的静电效应，比如水的表面张力。我们将发现重力不再那么重要甚至几乎注意不到了，蚂蚁爬墙几乎不会被重力阻滞，从高楼上掉下也不会受重力影响。与此类似，对于感知暗物质和暗能量而言，我们降到了小虫子的尺度。
10 尾声
但到了最后，我还是愿意认为我们毕竟与培养皿中的细菌有所不同。
从我们做过的其他所有事情里，无论好的坏的，我们形成了积累知识的方法，并由此构筑更多知识。
有了语言、历史和科学，我们在这个星球上（或者就我们目前所知的，在全宇宙中）第一次能对未来提出颇有见地的猜想—不是近在眼前的未来，而是更为遥远的时间。因此，我们有能力也有潜力去先发制人而非亡羊补牢，或者更糟地等到为时已晚。
用不了很久，就在这一代或是下一代人，我们就会看到，我们到底能不能挺身而出，能不能运用我们所有的知识，为未来人类的生存而奋斗。
如果我们真的那样做了，它就会成为生命史上甚至宇宙史上，一个独一无二的时刻。
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