TNT1520 / 科技探索 / 《极简宇宙史》:踏上关于宇宙的惊奇之旅

分享

   

《极简宇宙史》:踏上关于宇宙的惊奇之旅

2017-04-19  TNT1520

试想:夏夜,你躺在沙滩上,仰望夜空。一颗小小的流星安静滑过,还来不及许愿,不可思议的事情发生了:你一下子穿越五十亿年,走进时光的旅行……

你是否心动于来一场这样的旅行?今天,霍金亲传弟子、物理学博士克里斯托弗·加尔法德就将带领我们踏上一场关于宇宙的过去、现在和未来的惊奇之旅。

荐读者:夏穆,新媒体工作者。

(本文已获授权转载,来源一只水饺跳过去,微信公众号ID: aiyuedu_xmu)

想象现在是一个温暖无云的夏夜,你在一个遥远孤独的火山岛上,和你的朋友,吃着火锅还唱着歌,突然,你穿越了!

很莫名其妙对不对?但更莫名其妙的还在后面,所以不要在意这些细节,你就这么穿越了,没有一点点防备。

当然,你不是穿越回去成为太子妃,去上演一场旷世绝伦的宫廷虐恋,而是到了五十亿年之后的外太空,准备见证一场安静的大爆炸!

你看到了这样的场景:一颗巨大的行星旋转着朝你飞来,它的表面尽是熔化了的岩石。到底是什么样的能源可以提供这么多的热量熔化整个世界?你一脸惊呆。

然后,在你的右边,出现了一颗更为巨大的星球,并且看起来它还在变得更大。它散发着红色光芒,如同暴怒的怪兽般吐出有几百万度高温的巨大等离子火舌。

是的!这颗恒星还在变大,它已经大到了你无法想象的地步!行星已经被它熔化,摧毁一切的能量正源源不断地从它身上袭来,吹向虚空。同时它依然不管不顾地继续膨胀,直到它原先大小的约一百倍。

然后,突然之间,它爆炸了,把组成它自身的所有物质送入太空。冲击波穿过你幽灵般的身体,然后是尘埃,现在剩下的只有飘往各个方向的星尘。

简直是世界末日有木有!你目睹了这一切,觉得还是地球舒服啊,你好想回到那里继续吃着火锅唱着歌,哪怕被麻匪绑走也比现在强。

但事实真是这样吗?如果我告诉你,你刚刚看到的巨大星球不是别人,正是我们的太阳,而被熔化的行星则是地球,你还想回去吃火锅吗?

这不是什么危言耸听,而是五十亿年后的真实景象。太阳耗尽了它的燃料,先塌缩后膨胀,最后爆炸灭亡,顺带把我们的地球也摧毁了。

那么,故事到这里结束了吗?并没有,事实上我们的旅程才刚刚开始。看到太阳终要灭亡的结局,你为人类的未来感到担忧。我们应该怎么办?

关于人类所有可能的未来,只有一条小道,能够指引人类在太阳终将到来的死亡以及其他许多可能降临的巨大灾难之后依然存续。这条小道就是知识、科学。

宇宙是由什么构成的?地球周围是什么?再远些呢?我们可以看多远?我们对宇宙的历史知道多少?宇宙真有历史吗?对于这些问题,你是不是特想知道?

算了,不管你想不想知道,反正我都要强行给你科普,这里只是礼貌性地问一下。所以,准备好了吗?我们开始吧!

你仍然在外太空,幸运的是这回没有大爆炸,现在是2017年。你的意识,如同灵魂出窍,开始朝着月亮飞去。很快,你便到达了这里。

大概四十亿年前,我们年轻的地球与另一颗火星般大小的行星撞在一起,这次撞击把地球撞出了内伤… 哦不,外伤。一块物质被从地球上扯了下来,进入太空,在随后的几亿年时间里,所有那次撞击产生的碎片聚到一起,就形成了现在你所看到的月球。

你来到坑坑洼洼的月球表面,正惊叹这是怎样的一种暴力,突然一团明亮的光球在你身后升起,这个东西是一颗恒星,是我们所居住的行星附近最牛逼的大boss,我们称它为太阳。你迫不及待地朝它飞去,去探寻它的秘密。

现在你飞到了离太阳表面几千英里的高处,俗话说高处不胜寒,但在这里,你懂的… 你看到到处都是等离子气泡的喷发,几十亿吨红热的物质就在你眼前爆发。究竟太阳经历了什么,让它成为了现在这个模样?为了回答这个问题,你飞向了最险恶的地方:日核。

在这里,你看到了构成我们宇宙98%物质的两种原子:氢和氦。但在宇宙诞生之初,这两种原子几乎构成了宇宙中所有的已知物质。那么今天我们看到的氮原子、碳原子、氧原子是如何出现的呢?

答案是:恒星内部极高的压力和能量让原子们发生热核聚变,一个用较小的原子核产生较大原子核的过程。较重的原子核生成后便与那些被剥离氢原子核而独自作着自由运动的电子们结合到一起,成为新的更重的原子:氮原子、碳原子、氧原子等等。

看到这里你就好奇了,为什么我们的地球不会发生这样的反应?原因在于我们的行星体积太小,而且不够致密,自身引力不足以让其内核达到足以触发热核聚变反应的温度和压力。在定义上,这就是行星与恒星的主要差别。

热核聚变产生向外扩张的能量与引力带来的向内压缩的力量平衡,使得恒星拥有一个稳定的大小。但地主家的余粮也有耗尽的一天,氢原子反应完后,内核饿着肚子不再有足够的向外辐射来对抗引力,这时太阳开始塌缩变得更紧密,直到核聚变再次被点燃。

但这次核聚变反应的场所将不再是内核,而是离表面更近的地方。再次开始的核聚变可就牛逼了,它并不与引力平衡,选择直接干掉引力,太阳表面将被推开,令恒星体积变大。接下来要发生的事你已经在文章开头见过了。

科学家们通过估算太阳内核中氢原子的含量来推测这次爆炸将会发生的时间,计算结果是:太阳的爆炸将发生在五十亿年后的某个星期四,前后各误差三天。

真是一个神准的预测。

告别太阳,你继续往宇宙深处飞去。首先你看到的是我们的太阳系,包括八大行星。离太阳最近的四颗,看上去像小小的岩石世界,而更远的四颗则主要由气体构成。最远处的冥王星,由于体积太小已被剥夺行星资格,降级为矮行星。

再往前飞,你看到了离我们最近的恒星——比邻星。它属于红矮星家族,比太阳小很多,色调偏红。对于恒星而言,体积小有一个很大的好处——寿命长。因为比太阳小,它微小的内核里原子聚合的速度就比太阳慢好多,从而可以存在很长的时间。

接下来的旅程你加快了速度,先是飞往一个由至少三千亿颗恒星组成的庞大集合——银河系的中心,在这里你看到了一个质量惊人的黑洞,科学家们称其为人马座A*。而后你来到了离我们银河系最近的星系——仙女座星系,这是一个带有一万亿颗恒星的大哥大!

正当你再次感到一脸惊呆时,你忽然看到了一切:数十、数百、数千、数百万、数亿的星系,到处都是,形成大大小小不同的分组,填满你目所能及的整个宇宙。

你已经来到了这样一个观察点,从这里看去,宇宙中一个个闪亮的小点已不再是单独的恒星,而是星系组合,每个组合又含有上千的星系,每个星系又含有数亿或数十亿个恒星,银河系也只不过是这样的星系之一。

所以,人类究竟有多渺小?不敢想象,不能理解,不可描述。

那么问题来了,宇宙究竟有多大?如果你向着自己能够看到的方向直线飞行,直到尽头,会遇到什么?为了找到答案,你决定亲自去看一下。

你信心满满地随便挑了个方向,开始飞向你的目标。一亿光年…十亿光年…一百亿光年…你一路向前,无暇回头…

突然,你来到了一个光穿不过的地方,这是一道时间与空间的墙——临界最后散射面。接下来的内容比较高能,我需要详细给你解释一下。

我们之所以能观测宇宙,是因为光的存在,也就是说如果没有光,我们将成为睁眼瞎。你现在遇到的这道墙后面其实是有东西的,但是我们看不到,因为墙的后面能量太高(你看,真的高能,我没骗你…),光被束缚了无法传播。就像是在墙里面点了一个火炬,虽然光线在里面,但它被束缚其中,没有运动的自由。

这道墙距离我们地球一百三十八亿光年。事实上,墙后面还有三十八万光年的时空,接着会碰到第二道墙。这个地方我们永远无法通过望远镜观测到,在这里,我们的宇宙变得不透明,比这更远地方传来的光线无法被我们任何一台望远镜捕捉到。

到目前为止,你的宇宙之旅可以暂时告一段落了,一切都很顺利,似乎没有遇到什么困难。但是,隐约中你觉得我们好像漏掉了什么。是的,要想真正理解这个世界,你就必须了解20世纪物理学领域最伟大的两大发现——相对论和量子力学。

关于下面我要写的内容,你必须抛弃日常感官经验带给你的思维定式,否则必然无法理解。虽然极其不可思议,但却都是经过无数实验验证的事实。

我们的宇宙有一种神奇的物质,它叫光。有多神奇呢?首先,它拥有全宇宙最快的速度,c=299792458米/秒,没有任何东西能超过它。其次,它没有质量。这两项性质是有内在联系的,即爱因斯坦的质能方程E=mc2。

任何有质量的东西永远不可能达到光速,为什么?因为无论你给它施加多大的能量,只会让它的质量越来越大,加速越来越困难,光速是可望不可及的神圣般的存在。

注意到了吗?第一条颠覆你认知的结论出现了:根据质能方程,能量和质量是等价的!能量可以转换成质量,质量也可以转换成能量!以我们最熟悉的太阳为例,它的能量就是氢原子核聚变所减少的质量转化而来的。

所以,如果你想委婉地说一个人胖又要让对方觉得很开心,怎么办呢?答案就是:你真是浑身充满能量啊!

扯远了,言归正传。接着我们来谈谈时间。在我们的认知里,时间是恒定不变的,1秒就是1秒,1年就是1年。但是,爱因斯坦告诉我们,你太年轻了,时间是相对的!我的1秒可能对你来说就是1年,只要我速度足够快!并且越接近光速这种时间膨胀效应就越明显。

所以,第二条颠覆认知的结论出现了:时间是相对的,速度越快时间流逝得越慢!进一步地,空间也是相对的,速度越快,在速度方向上的空间压缩越明显(可简单理解为:速度越快距离越短)。

综合上述两个结论,你还可以知道:当速度达到光速时,时间是静止的,彻彻底底。而速度一旦超过光速,时间就会倒流!

难以理解对不对?事实上只要是个人就难以理解,因为我们的感官体验告诉自己这种事情不可能发生。在我们的认知里,看不到就意味着不存在。比如在发现原子之前,人们认为空气中什么都没有,但事实证明这是错的。

现在如果我说真空里什么都没有,对吗?仍然是错的,因为真空中有电磁场,充满了无数的电子、光子,你看不到不代表不存在。

明白了这一点后,我们就可以来说一下引力了。引力究竟是什么鬼?为什么地球会绕着太阳转?你好像并没有看到一根线把地球和太阳连在一起?答案是这样的:引力是时空弯曲的结果。那么什么是时空呢?所谓的时空是时间与空间的混合,它是作为我们宇宙最基本的构造所不能拆分的组成部分。

你可以想象一片橡皮膜,中间放一个有质量的铁球,那么在铁球的周围就会形成一个下凹的斜坡,就像下面这样:

这里的橡皮膜就是时空,记住:虽然我们看不到,但它是存在的!而铁球就是一切有质量的物体,所产生的的斜坡就是引力!我们来看一下原文作者是怎么说的:

所有东西都在任何方向上产生不可见的斜坡,我们称此为引力。物体越致密,其产生的斜坡就越陡。

至此相对论就讲得差不多了,一脸懵逼不?没关系,那是因为你还没看量子力学,它的诡异程度,更在相对论之上!准备好了吗?请深吸一口气,让我们一起跃入量子世界。

量子力学是用来描述微观世界的物理理论,其诡异程度令人难以想象,所以爱因斯坦在给他的学生上完一堂量子力学的课程后说了这样一句话:

如果你们理解了我所要告诉你们的事,那么显然我没有讲清楚。

服吗?服!

为了方便你理解,下面的内容我都以电子为例。

这是统治微小世界的量子规则的后果之一:某事只要可能发生,它就一定发生。

我们来假想一个情境,比如有一个电子要去北京,它可以选择坐飞机、高铁、自驾甚至走路过去,每种交通方式都有可能。现在,你在北京见到了它,你知道它是从上海过来的,但不知道它具体是怎么来的。那么我问你,它是怎么来的呢?

答案是:它同时坐飞机、高铁并且自驾还走路过去!

你没看错,这就是量子世界的诡异之处,从起点到终点,所有运动路径都有可能,并且都会发生!

再来假想一个情境,现在你手里抓住了一个电子,你很兴奋,把手握得紧紧的,一只电子都跑不出去。然后,你慢慢张开手准备看看它长啥样。结果你发现,电子不见了,它出现在了你100m之外的地方。

不可能!它是怎么跑出去的?你十分肯定没有看到它从你手里飞走。这又是怎么回事?那么我来告诉你,它瞬间转移了,即量子遂迁。它借助电磁场的能量,从一个地方消失,在另一个地方冒出来,就是这么神奇!

还是一个电子,还是从上海到北京,这回你想搞清楚它是怎么去的,于是你到高铁上去找它。结果,你真的发现它了!那么,这回它是怎么去的北京呢?没错,就是你所看到的,坐高铁!

飞机、自驾、走路等等方式统统不存在了!因为你观察了它,它就只有一种路径!这便是量子波塌缩。也就是说你的观察使它从一秒钟的许多分之一之前的所有可能同时位于的位置之中选出了唯一一个。

很奇怪的行为,不是吗?事实上,如果这种行为真的出现在我们宏观世界,那将是多么神奇的一件事!

当然,还真有人这样想过。1935年,奥地利物理学家薛定谔设计了一个将量子效应带入我们生活尺度的思想实验。在实验中,你把一只猫放入一个完美封闭的盒子,一旦盒子关上,没有人能够从外面知道里面的情况。

然后你在盒子中放入一种放射性材料,它在实验过程中会有50%的机会产生射线,但很难预测结果。你又找了一瓶装着致命毒药的管子,一把锤子和一个放射性探测器,并把它们都连在一起,一旦放射性物质放出射线,锤子就会打破管子释放毒药。

在这个试验中,有50%的机会小猫被毒死了,一切都取决于放射性衰变。那么,小猫到底死了没有?如果你没打开盒子,你永远也无法知道结果。

但是,根据量子规则,只要有可能发生,那么一定会发生。也就是说,放射性材料衰变与不衰变都发生了,这两种状态同时存在。对应的,小猫既死了又活着,也是两种状态同时存在!

当你打开盒子观察时,便出现了量子波塌缩,量子从两种状态中选择了一种,要么衰变要么没衰变,而你看到的结果就只有一种,小猫要么死了要么还活着。那么,如果小猫还活着,那之前死了那种状态的小猫去哪儿了?有科学家认为未被我们观察到的可能性褪色了,就像湖里滴入一滴墨水那样消失,但事实如何,没人知道。

事实上,量子力学远不止上面我所写的内容,但相信上面几个知识点就已经能让你了解到它的诡异之处了。

行文至此,写了三天的这篇文章总算告一段落,如果你看到这里,那就是真爱了!并且我也相信你绝对收获巨大。

同样,我极力推荐你去看一下这本书,霍金亲传弟子的著作,豆瓣评分高达9.2,如果你看不懂《时间简史》,又对宇宙十分感兴趣的话,那么这本书绝对是不二之选。

↓怎样加速成长,掌控人生?

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多