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这也是牛顿杂志社2020年的增刊，用一本精美图册展现了截至目前人类能了解到的最大尺度宇宙的来龙去脉。 宇为上下四维，空间，先从宇来看我们的位置。 太阳系大概位于银河系核心外围的三分之一处，距离银河系的核心有2.6万光年，而整个银河系的直径为10万光年左右。相当于在北京的三环。 太阳系自身有多大呢，太阳系的直径大概是1.6光年，太阳系的最外围是奥尔特云。奥尔特云其实是一大堆以冰为主要成分的小天体集团，数量大概是5-6万亿个，也就是说，从2光年以外的地方来看太阳系，是被一团沙粒裹着的球壳。太阳系的直径，是日地距离的10万倍。 走出奥尔特云，离太阳系最近的恒星，为半人马座的比邻星，它们距离有4.2光年。扩大到100光年的范围，周围的恒星有2500颗，肉眼可见的有500颗，夜空中最闪耀的1等星，有21颗。再走出去400光年，开始接触到太阳系之外的恒星团——昴星团，640光年处，是一个即将死亡的恒星——参宿四，它已经进入了红巨星阶段，可能会有超新星爆发。 走一步大的，到2600光年处，可以看到天琴座方向上的环状星云，所谓环状星云，就是恒星死亡后的状态——我们的太阳在80亿年之后，也会变成这样——死亡的美丽幻象。 再到6000光年处，天鹅座X-1，就是人类看到的，也是距离我们最近的一个黑洞。天鹅座X-1是一颗巨大的蓝色恒星，现在正在被旁边的黑洞吞噬，其形式就跟洗脸池里的水从底洞旋转流入一样。 到2.6万光年处，基本上能到达银河系的中央了，有一个巨大的黑洞——质量是太阳的400万倍。目前，我们已经观测到了这个位置处多个恒星受到黑洞牵引运动的现象。 再放大到300万光年的范围，也就是以银河系为中心，跨度300万光年范围内，大致有40个星系，也就是离银河系最近的40个星系，我们把这个范围的星系称为“本星系群”。知名的如仙女星系，距太阳系有250万光年。1924年，美国天文学家哈勃观测后提出，仙女星系不是之前我们认为的星云，而是银河系外的星系，1929年哈勃进一步提出，离我们越远，红移越大，也就是其他星系离我们远去的速度越大——这是人类第一次认识到，银河系并不是宇宙的全部。之后，地球上就因为经济危机爆发了世界大战——也可视为人类这个物种发现自己并不是宇宙中心后的焦虑吧。 关键在于，看到6000万光年之外时，发现了室女星系团，也就是上述“本星系群”以外的又一个星系团，那个星系团中星系的密度，远远高于我们的本星系群——也就是说，银河系所在的这个本星系群，其实还挺稀疏和偏远的。 那么，宇宙最大尺度上，即138亿光年尺度上，到底是个啥样子？据估计，就我们能看到的范围里（133亿光年），大概有1000亿个星系分布着，这些星系团和星系群，是相互联系的，构成了一个巨大的网络——星系构成了渔网上的绳子，中间那些格子则是巨大的空洞，几乎找不到星系分布于其中。2012年，哈勃太空望远镜的clash项目组，观测到了133亿光年外的星系。 10亿光年尺度上的网状结构 还能再远吗？再远就是138亿年的宇宙背景辐射了——也就是138亿年前，宇宙暴胀的那一瞬间的射线电波。 距我们133亿光年的星系照片，也就是133亿年前的星系 宙为古往今来的时间，再从时间来看宇宙的历程。 最著名的假说是1982年美国物理学家维兰金根据广义相对论和量子力学推导出来的假说——宇宙产生自“无”，宇宙诞生的瞬间极其微小，小于基本粒子。从“无”中产生的瞬间，产生了空间和时间，仅仅10^-36秒的时间内，宇宙就扩张到了诞生时期的10^43倍大小。无法想象这种膨胀的速度！ 从一无所有，到时间空间的诞生，在那一瞬，暴涨到如此规模，人类的想象力能企及这个瞬间发生的事件的，估计也就佛陀本人了。 物理学家们在提及这个宇宙暴胀理论时，借用了经济学上的词汇——inflation，通胀。不知是有意还是无意，联想到今天一个朋友发的朋友圈，说在西单买了一个煎饼吃，要18元，无法想象煎饼的价格能涨到这个地步。也许，通胀带来的涨价速度对人的震撼，才能赶得上宇宙暴胀速度对人的震撼力吧。 刚刚诞生的宇宙，没有物质，没有光，只有至今未知的能量。此时宇宙的温度超过一万亿度，大小在1立方厘米左右，里面只有基本粒子——上夸克（三分之二正电）、下夸克（三分之一负电）、电子，暴胀带来了温度下降。一万分之一秒后，温度降至1万亿度，原来自由飞动的基本粒子，开始组成质子和中子。两个上夸克和一个下夸克组成带有正电的质子——氢原子核——注意，还只是原子核而已；两个下夸克和一个上夸克组成电中性的中子。 不就是老子说的，道生一，一生二，二生三，三生万物。三个基本粒子，构成了万物的起源。 3分钟后，温度下降到10亿度，原子核开始结合，氢原子核（即质子）与中子结合，构成包含1个质子1个中子的氘原子核，两个氘原子核结合（即包含1个质子1个中子的原子核）结合，释放1个中子，形成了有2个质子1个中子的氦3原子核。 继续玩组合游戏——佛学中所说的有增有减，有生有灭——氘核与氦3核结合（即1个质子1个中子的原子核，与2个质子1个中子的原子核），释放1个质子出来，形成了氦原子核（2个质子，2个中子）。 20分钟后，温度继续下降，原子核聚变所需的条件没有了，聚变终止。宇宙中已经有了氢、氦和锂。 以上是宇宙诞生的最初时间。不过这个理论推测上有一个漏洞——反物质到哪去了？每一种基本粒子，都有与其相似的反粒子。如电子有正电子，氢原子也有反氢原子——1个反质子和1个反电子构成的原子。正反粒子相遇会发生湮灭，释放巨大能量。按照这个道理，在宇宙诞生的初期，那么多的反粒子在哪里？为什么现在的宇宙中基本上不存在反粒子？这是宇宙诞生历史上的最大谜团之一。 现在的理论假说是这么解释的，在宇宙刚诞生时，出于某种原因，基本粒子的数目一开始就比反粒子的书目多了10亿分之2左右，即10亿零2个基本粒子，只有10亿个反粒子对应，这10亿个反粒子与10个基本粒子一起湮灭了，剩下来那俩基本粒子幸存了下来，构成了我们现在的宇宙！ 这个概率是5亿分之一。 差异，就是差异，差异造成了一切。 此外，宇宙暴胀一结束，还产生了另一种基本粒子——暗物质。暗物质是看不到的，只能通过它们对周围物体施加的引力，间接感知到它们的存在。其实方法也很简单，就是用简单的万有引力公式就可以计算出来，绝大多数星系之所以能够构成现在这个样子，光是以能见到的这些恒星和行星的引力，是不可能的，早就飞散解体了。之所以大家还能相互公转绕行，成为一个星系，就是因为还有这些看不见的暗物质的存在，它们的质量产生的引力，才是把看得见的星体维系在一起的原因。 此后38万年，什么也没有发生，只有这几个原子核和电子在飞来飞去。温度持续下降到3000度，由于粒子运动速度下降，原子核得以可以俘获电子，产生了原子。原子是在宇宙诞生后38万年才出现的。 由于大量电子被原子核俘获，由是此前一片混沌的宇宙逐渐变得清晰透明起来——光可以直线行进了。这时的宇宙大概是1000万光年大小。 这个时候的光，是可观测到的，宇宙中最古老的光——上帝说的那个光。这束光，已经在宇宙内穿行了138亿年，随着宇宙的膨胀，这束光的光波已经被拉长了1000倍，是一种微波。这个微波在1965年被观测到，成为了宇宙暴胀或者说爆炸的证据。 原子产生后，宇宙再次进入了一个长达3亿年的沉默期，只有原子，没有其他任何物质。宇宙中分布着氢气和氦气，如果它们的分布是完全均匀的，那么也不会有后来发生的事了。它们在宇宙的初始分布和密度是有差异的，这样才会让万有引力起作用，密度越大者可以吸引越多的气体，宇宙中气体的密度差异就会越来越大。这些密度大的气体开始形成气团，也就是恒星的雏形。 所以说，差异是一切的起源，差异才是本质。 别急，其实还有暗物质的缘故，之所以会有氢气氦气的密度差异，其根源也在于暗物质本身分布的密度差异，肯定是暗物质的分布密度差异，吸引带动氢气和氦气的分布产生差异。 3亿年之后，氢气和氦气的聚合开始形成第一批恒星。这个阶段的恒星的温度和亮度都非常之高，原因是这个阶段还没有重原子，氢气和氦气相对来说比较难以收缩形成星体，所以需要非常庞大的质量才能形成星体。这第一批亮星发出的是蓝白光——亮度是太阳的100万倍。 有了恒星，在其核心内部才能有足够的高温高压，开始核聚变——氦原子核继续结合，构成诸如碳原子等其他元素。核聚变会持续发生，一直到恒星的中心全部转变为铁原子——原子序数26，核聚变就会停止。这是因为铁是最为稳定的原子核，不会发生核聚变反应。没有了核聚变的能量，恒星就进入衰老阶段，发生超新星爆发而最终死亡。——为啥我们老说铁了心铁了心，心成了铁，也就意味着死心了。 据推测，这第一批恒星大概都是在300万年之后发生超新星爆发。如此循环，新的恒星不断形成，又发生核聚变，制造出新的元素，宇宙中的物质就这样多了起来。 死亡的第一批恒星，也创造出了宇宙的第一批黑洞。黑洞就像是返回到宇宙初期一样，一切收缩为一个点，密度无穷大，大小为零。 5亿年之后，恒星越来越多，组成星系，星系与星系之间又发生碰撞和交换，小星系构成大星系。宇宙到达了现有宇宙的十分之一大小。每个星系的中间，都有一个巨大的黑洞，这些黑洞的大小大概是太阳的10亿倍。 目前的观测表明，宇宙诞生8亿年之后，就已经有质量是太阳10亿倍的黑洞存在了。其实可以想到，最初的黑洞应该都是小的——收缩嘛，为什么会有那么大的黑洞出现，推测认为要么是黑洞之间融合，或者黑洞不断吞噬周围气体和恒星而成长。 反复发生的恒星诞生和恒星爆发，不断把新生的物质原子抛射到宇宙中，重元素不断增多，因引力缘故结合到一起，就开始形成以岩石和冰的微粒为主材料的尘埃，这些尘埃就是形成行星的材料。 恒星首先会在自身周围把这些尘埃和气体吸引为一个圆盘，在圆盘中的尘埃和气体不断碰撞融合，形成小的聚合体，不断增长成为行星。太阳系就这样在宇宙诞生91亿年后产生的。 行星也会依据与恒星的距离远近形成不同的类型——距离恒星较近的原行星，其组成成分主要为岩石和金属，就是类似地球这样的岩质行星；距离恒星较远的原行星，有冰，物质成分会更多，而且因为距离恒星较远，原行星可以吸引更多的气体和尘埃，从而形成体积巨大的行星，如土星和木星。不过，距离也不能太远，太远了气体和尘埃也难以被捕捉和吸引到，就会变成类似天王星这样的小一点的冰质行星。 从现在开始往将来看，十数亿年之后，银河系将会与最近的一个大星系——仙女星系发生碰撞。目前，银河系正在以100公里每秒的速度向仙女系靠近——之所以确定是在靠近，就是多普勒效应——仙女星系到达地球的光波，发生了蓝移，红移意味着波长拉长，离我们远去，而蓝移则意味着越来越近。碰撞只是一个形象用词，实际上更接近穿插而过——因为星系内部的恒星之间距离都很大，比如离太阳最近的恒星是半人马座比邻星，离我们也有4.2光年！所以，星系内部是非常空旷的，因此，大概率两个星系的碰撞实际上是穿插。 哈佛大学的一个研究组进行计算机模拟，结果就是这样，银河系和仙女系就是会穿插而过，太阳系大概有3%的概率会被仙女系从银河系中带走。 继续，距今80亿年之后，此时宇宙的大小为现在的1.8倍，太阳进入衰老阶段，成为红巨星——膨胀到比现在大300倍左右，地球早就被太阳吞没了。地球被吞没的过程是，先是公转速度变慢，然后逐渐向太阳表面坠落，坠落过程中，被撕碎，随太阳风吹散。所谓飞灰湮灭。 太阳本身继续膨胀，然后向宇宙喷射气体，最终，太阳的核心部分会收缩为一个地球这么大的部分——白矮星，基本就是死亡阶段了。这时候原来的太阳部分会发散为围绕白矮星的星云，在白矮星的射线作用下，呈现出幻化的各种颜色，成为一片美丽的环状星云。 死亡之后的太阳系，目前距地球2600光年的天琴座环状星云，就是一个死亡的恒星 继续，距今1000亿年之后。宇宙大小为现在的200倍，银河系周围300万光年内大约有40个左右的星系，构成了天文学所谓的“本星系”，本星系的所有四十多个星系将会融合为一个巨大的椭圆形星系。又由于宇宙加速膨胀，本星系之外更远的400万光年以上星系，都会离我们而去，也就是说，1000亿年之后，我们只能观测到本星系，除此之外一片黑暗。 还继续吗？继续，距今100万亿年之后，所有恒星的燃料都消耗干净了——太阳这样的恒星寿命为100亿年，越年轻质量也越小的恒星寿命更长，但100万亿年之后，也都消耗干净了，只剩下黑洞等暗黑天体。 这个时候还会有一个现象——质子衰变。相对而言，质子是比较稳定的，不过它最终也会瓦解，质子瓦解了，原子也就不能存在了。 继续，距今1谷歌年之后，黑洞会逐渐变大，融合，然后再开始释放光子，又逐渐变小，蒸发。这时候，宇宙又回复到只有一堆基本粒子东游西荡的状态，只不过宇宙还在膨胀，基本粒子极其稀薄，游荡上多少年可能都碰不到另一个粒子。因此，那时候的宇宙，才会让人体会到什么叫荒凉。 人活90年，活动范围大部没有超过1000平方公里，意识不超过300万年，思绪和眼光却能看到133亿年。星辰大海之后，反观当下一瞬。 |
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