宇宙|宇宙自然生命简史，烧脑慎入
科学家告诉我们物质的基本构成单位是原子 ， 而原子则是由原子核与电子构成的 ， 原子核中又有两种粒子 ， 它们是质子和中子 ， 这两种粒子都极其微小 ， 实际上你再怎么努力想象 ， 也都无法真正理解它们到底有多小 。
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我可以打一个比喻来帮助你想象一下质子的尺度 ， 比如你拿起一根最小的缝衣针 ， 在这个缝衣针的针眼里面 ， 就能将 5000亿个质子一个挨着一个地给平铺开 ， 那么这 5000 亿又是一个什么样的概念呢 ， 如果你 1 秒钟数 1 个数的话 ， 那么你差不多要数上 1.6 万年才能数完 。
【宇宙|宇宙自然生命简史，烧脑慎入】
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怎么样？
有没有点感觉呢？
那质子是不是宇宙中最小的粒子了呢？
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不是 ， 还有比质子更小得多得多的基本粒子 ， 不过现代的物理学家们认为 ， 宇宙中存在着一个最小的极限尺度 ， 不可能有比这个尺度更小的粒子了 ， 这被称之为普朗克尺度 ，
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它差不多是 10^(-35) 米的数量级 。 也就是要比质子还要再小上个 1 万亿亿倍 ， 实际上这个尺度也被称为空间的最小单位 ， 空间是无法被无限细分下去的 ， 看上去连续的空间实际上是由 ， 一个个的小泡泡连在一起形成的 ， 而每一个泡泡空间都是一个整体 ， 无法分割 。
当然 ， 这些都是物理学家们用纸笔计算出来的量子理论的产物 ， 人类还没有能力去验证这个理论 。 据说 ， 宇宙就是在这样的一个小泡泡中被创造出来的 。
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现在 ， 让我们也试着来扮演一回上帝 ， 创造一个宇宙出来 ， 我们要创造的这个宇宙是按照当下最流行的“暴胀”模型来创造 ， 在这个模型之前 ， 还有一个已经过时了的“标准大爆炸”模型 。 那我们就不去管它了 ， 在创造宇宙之前 。 你需要把现在宇宙中的所有物质 ， 从宇宙诞生直到现在的每一个粒子 ， 全都集中起来 ， 压缩到一个单独的泡泡空间中 ， 这就是宇宙学中的“奇点” ， 表示奇异之点的意思 ， 但要理解奇点还真不是一件容易的事情 。
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接下去 ， 将会有一次剧烈的大爆炸 ， 你肯定会下意识地躲到一个安全的地方 ， 来观看这个宇宙奇观 ， 但我必须很不幸地告诉你 ， 你无处可藏 ， 因为奇点就是宇宙的全部 ， 它没有“外面” ， 它并不是你想象的那样 ， 物质在爆炸中填满外面的虚空 。
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实际上 ， 空间也是在大爆炸中创造出来的 ， 你可能会想当然地认为 ， 奇点是悬在无尽黑暗之中的一个原点 ， 但这是错误的 ， 没有空间 ， 也没有黑暗 ， 奇点没有四周 ， 没有地方供它存在 ， 我们甚至都不能问它存在了多久 ， 它是某种灵光乍现呢 ， 还是一直在等待着创世的那一刻 。
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因为 ， 时间还不存在 ， 没有过去和未来 。
我呢是绞尽脑汁想帮助你理解奇点的这种奇异性 ， 但确实很难 ， 不过我还是要努力一下 ， 现在让我们来设想一种这样的空间 ， 它在任何方向都是无限循环的 ， 也就是说你朝任何一个方向跑过去 ， 都会很快回到原点 ， 你朝前看能够看到自己的背影 ， 是真正的自己 ， 不是另外一个人 ， 回头看也能看到自己 。
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现在 ， 你把这样一个恐怖的空间缩小、缩小再缩小 ， 无限地缩小下去 ， 这就成了奇点 ， 这就是奇点没有“外面”的基本概念 ， 随着砰的一声巨响
就这样 ， 我们的宇宙从无到有地诞生了 ， 这是一个如此光辉的时刻 ， 难以用任何语言去形容它的神奇和壮丽 ， 奇点以令人不可思议的方式创造出了空间和时间 ， 创世的第一秒是充满活力的 ， 众多的宇宙学家耗尽毕生的精力想把这一秒钟的内容 ， 分割成越来越小的部分 ， 引力以及物理学的所有定律 ， 常量都产生于这头一秒钟 ， 在不到一分钟的时间里 ， 宇宙已经扩大到了 1600 万亿千米之大 ， 此时的温度是 100 亿摄氏度 ， 核聚变反应就开始了 ， 宇宙中的轻元素诞生了 ， 它们主要是氢原子和氦原子 ， 以及少量的锂原子 ， 大约 1000 万个原子中有一个是锂原子 ，3 分钟后 ， 宇宙中 98% 的物质都被创造了出来 。
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我们拥有了一个美丽的、神奇的、充满无限可能的宇宙 ， 所有这一切 ， 只不过用了制作一个三明治的时间 ， 关于宇宙的年龄 ， 宇宙学家们在 100亿年还是 200亿年上争论了好久 ， 最后在欧洲航天局发射的普朗克卫星的精密测量下 ， 2015 年得出的最佳结论是 137.98 ± 0.37 亿年 。
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但这肯定不是测量的终点 ， 但有一点却是可以肯定的 ， 在很遥远的过去的某一个无法准确定位的时刻 ， 由于某种不知道的原因 ， 我们的宇宙开始上路了 ， 而这个时刻 ， 宇宙学家们称为 t = 0 ， 关于宇宙的诞生 ， 我们知道的其实并不多 ， 还有许多我们想搞清楚的事情 ， 也有许多我们原以为已经清楚的事情 ， 后来发现其实并不是那么回事儿 ， 大爆炸理论提出的时间也不算太长 。
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上世纪 20 年代 ， 有一位比利时的牧师兼学者 ， 名叫乔治·勒梅特 ， 首次非正式地提出了这个假说 ，
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但是此后的 40 年中 ， 这个假说在宇宙学界并不吃香 ， 直到 1965 年之后 ， 由于两个美国通讯工程师无意中的非凡发现 ， 才使得大爆炸理论一下子在学界中炸开了 ， 这两位美国工程师一个叫阿诺·彭齐亚斯 ， 一个叫罗伯特·威尔逊 ，
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1965 年 ， 他们在新泽西州的霍尔姆德用一台属于贝尔实验室的 ， 巨大射电天文望远镜做研究的时候 ， 发现有一种稳定的背景噪音干扰了他们想做的一切研究 ， 这种噪音来自天空的所有方向 ， 一年四季 ， 从早到晚从不间断 ， 怎么都消除不掉 ， 这哥俩儿就花了一年的时间想去掉这个噪音干扰 ， 他们检查了所有的电子元件 ， 甚至把整个天线给拆了 ， 小心地擦拭了每一个零件 ， 然后再重新组装起来 ， 但是没有用 ， 于是他们又爬进号角型天线的喇叭口 ， 用管道胶布盖住了每一条接缝 ， 每一个铆钉 ， 但是依然不管用 。
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不甘心的他们拿上抹布和扫帚再次爬进天线的喇叭口中 ， 小心翼翼地把一种他们在论文中 ， 称为“白色电解质”的东西给消除干净 ， 其实这就是鸟粪 ， 但是 ， 所有这一切都是白费功夫 ， 噪音不但没有被清掉 ， 还比之前更加清晰了 ， 彭齐亚斯和威尔逊不知道 。
就在离他们只有 50 公里的普林斯顿大学 ， 有一组科学家 ， 在罗伯特·迪克（Robert Dicke）教授的领导下 ， 正在寻找一种东西 ， 而这种东西恰恰就是哥俩儿 ， 正在孜孜不倦地想要消除的东西 ， 普林斯顿的这些科研人员正在研究的课题 ， 就是俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫 ，
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在上世纪 40 年代提出的一种理论 ， 这种理论指出 ， 大爆炸在宇宙中留下了遗迹 ， 这就是微波背景辐射 ， 伽莫夫计算出了这种微波背景辐射 ， 穿过茫茫宇宙到达地球之后的温度 ， 在一篇论文中 ， 他甚至已经提到利用贝尔实验室在霍尔姆德的 ， 射电天文望远镜就可以检测到这种宇宙微波背景辐射 。
但不幸的是 ， 不论是彭齐亚斯还是威尔逊 ， 还是普林斯顿大学的那些专家们 ， 都没有看过伽莫夫的这篇论文 ， 彭齐亚斯和威尔逊听到的噪音正是伽莫夫预言的 ， 宇宙微波背景辐射 。
换句话说 ， 他们看到了宇宙的边缘 ， 至少可以说看到了 138 亿光年之外宇宙的可见部分 ， 那是宇宙诞生时的第一束光 ， 时间和距离已经把它们转变成了微波的形式 ， 伽莫夫的预言是对的 。
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艾伦·古思（Alan Guth）在他的那本《暴胀的宇宙》 ， 一书中打了一个形象的比喻来描述这种辐射的古老 ， 他说如果我们把宇宙比作是 100 层的帝国大厦 ， 楼顶是现在 ， 而地面代表大爆炸发生时的0时刻 ， 这样一来我们向宇宙深处的凝望 ， 就好比我们从楼顶向地面观望 ， 威尔逊和彭齐亚斯早些时候发现的 ， 那些遥远的星系大约是在第 60 层 ， 而更古老的类星体 ， 大约是在第 20 层 。
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但是微波背景辐射的发现却把我们对可见宇宙的 ， 认识推进到了离地面不到 1 厘米的地方 ， 回到前面说的彭齐亚斯和威尔逊一直找不到那些可恶的噪音来源 ， 于是他们想到了向普林斯顿大学求助 ， 电话就恰巧打到了迪克教授那里 ， 他们在电话中详细地描述了所遇到的困扰 ， 而迪克教授听完他们的描述 ， 立刻就明白了这哥俩儿发现了什么 ， 他心里顿时就哇凉哇凉的 ， 他挂上电话后 ， 对同事们说了一句话：“好了 ， 孩子们 ， 我们出局了 。 ”不久之后 ， 《天体物理学》杂志上登出了两篇文章 ， 一篇是彭齐亚斯和威尔逊所写的 ， 描述了他们所发现那些噪音的经历 ， 而另一篇是迪克团队写的 ， 解释了这些噪音产生的自然原理 ， 虽然彭威俩人从未想过要去寻找什么宇宙背景辐射 ， 当他们无意中发现的时候也并不晓得那是什么 ， 更没有发表过任何论文来描述或解释它们的性质 。
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但是 ， 他们却意外地收获了 1978 年的诺贝尔物理学奖 ， 而迪克和他的团队只收获了无数的同情 ， 丹尼斯·奥弗比写的《宇宙孤心》这本书中甚至说 ， 彭齐亚斯和威尔逊自己也是阅读了《纽约时报》之后 ， 才明白自己的发现有多么重大的意义 ， 你看这哥俩儿运气好的
在这里我顺便说一下 ， 这种宇宙背景辐射干扰其实我们都经历过 ， 你把电视机调到一个没有信号的频道 ， 画面上的雪花点中 ， 有大约百分之一就是宇宙大爆炸残留的遗迹 。
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所以 ， 下次你别再抱怨电视上什么也没有 ， 你至少在观看宇宙的诞生呢 。 虽然我们称为大爆炸 ， 但许多书上都提醒我们那不是一次普通的爆炸 ， 而是一次突然的超大规模的膨胀 。
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那么 ， 这到底是什么原因导致的呢 ， 有一种观点就认为 ， 奇点是上一代宇宙大塌缩而成的 ， 宇宙就像是一个气球 ， 不断地膨胀又收缩 ， 收缩又膨胀 ， 循环往复 ， 我们现在刚好处在膨胀中而已 ， 还有些人把大爆炸归因于一些深奥难懂的概念 ， 比如什么“负真空”、“标量场”、“真空能”之类的 ， 反正就是某种东西 ， 能给本来什么也没有的虚无带去不稳定因素 ， 从无到有看上去是没有可能的 ， 但我们的宇宙却偏偏证明了这是可能的 ， 因为我们的这个宇宙就是这样来的嘛 ， 也许我们的宇宙只是无数大小不一的宇宙中的一个 ， 大爆炸到处不断地发生着 ， 也许在大爆炸之前 ， 时间和空间是另一种我们完全无法理解和想象的形式 ， 而大爆炸则是一种时空转变的过程 ， 宇宙从一种我们完全无法理解的形式 ， 转变成了我们大致能理解的形式 。
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斯坦福大学的安德烈·林德博士 ， 在 2001 年回答《纽约时报》的采访人员说 ， 大爆炸的原因其实很像一个宗教问题 ， 大爆炸理论其实并不是关于爆炸本身的理论 ， 而是研究爆炸之后的时间中都发生了什么 ， 注意！
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这里指的是爆炸之后的很短很短的一段时间 ， 科学家们通过仔细观察粒子加速器中的情况 ， 然后再辅以大量的数学计算 ， 他们相信自己已经能够回溯到大爆炸发生之后的 10-43 秒 ， 那时的宇宙还小到要用显微镜才能看清 ， 在宇宙学中会出现很多数字 ， 虽然我们没有必要去搞清每一个数字的概念 。
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但我至少想让你理解其中的一个数字 ， 这会让你对宇宙学中那些令人难以想象的尺度多少有一点初步的概念 ，
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比如这个 10^(-43) 秒 ， 它也可以写成这样 ， 或者一千亿亿亿亿亿分之一秒 ， 这些关于早期宇宙的知识 ， 大部分我们自认为已经搞清楚的都要归功于一个 ， 叫艾伦·古思的美国粒子物理学家 ， 他在 1979 年提出了暴胀理论 ， 那时他还很年轻 ， 只有 30 岁 ， 名不见经传 ， 那年他在斯坦福大学工作 ， 古思自己说要不是听了一场关于宇宙大爆炸的讲座 ， 自己很可能永远也不会提出这个伟大的理论 ， 而那次讲座的主讲人不是别人 ， 正是我们前面提到过的迪克教授 ， 他让古思对宇宙的诞生问题产生了浓厚的兴趣 ， 最终提出了暴胀理论 ， 在古思的理论中 ， 我们的宇宙在诞生后的极短时间内 ， 经历了一种急剧的、突然的暴胀 ， 颇有点戏剧性的味道 ， 那么这个暴胀的速度是多快呢？
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古思他们的计算表明 ， 宇宙在 10^(-35) 秒到 10^(-33) 秒之间 ， 也就是十亿亿亿亿分之一秒的时间内 ， 宇宙的尺度突然增大了 10^(26) 倍 ， 也就是一百亿亿亿倍 ， 那这是一个什么概念呢？
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我简单做了一个计算 ， 相当于一粒尘埃瞬间膨胀成十个银河系这么大 ， 暴胀理论解释了为什么我们的宇宙会出现旋涡星系 ， 如果没有这种暴胀 ， 物质也就不会结成团 ， 也就不可能出现恒星和星系 ， 整个宇宙将只有漂浮的气体和永恒的黑暗 。
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