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  起初,近140 亿年前,整个宇宙比这个句子末尾的句号还小。到底有多小呢?不妨把这个句号想象成一张比萨饼,然后再把这张比萨饼切成一万亿片。万事万物——包括组成你的身体、你窗外的树木或建筑、你朋友的袜子、矮牵牛花、你的学校、我们这颗星球上最高的山脉和最深的海洋、太阳系乃至其他遥远星系的粒子, 宇宙中所有的空间、能量和物质都挤在这个点里,而且它很烫。

  环境如此酷热,又有这么多东西挤在这么小的空间里,宇宙能做的事只剩下一件,那就是膨胀——飞快地膨胀。今天,我们将这个事件称为“大爆炸”,在亿万分之一秒(确切地说,是一千亿亿亿亿亿分之一秒)的时间内,宇宙急速膨胀。

  对于宇宙生命在最初这个瞬间的事情,我们到底了解多少?不幸的是,非常少。今天我们知道,四种基本力控制着世间的一切, 从行星的运行轨道,到组成我们身体的粒子。但在大爆炸之后的那个瞬间,这四种力仍纠缠在一起,宇宙在膨胀中冷却。

  这个瞬间被科学家称为“普朗克时期”,因德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)而得名。在这个瞬间快要结束的时候,有一种力从混沌中挣脱出来。这种力将组成星系的恒星和行星聚集在一起,让地球围绕太阳旋转,它便是引力。引力无处不在,我们可以通过一个简单的实验体验它:拿起一本书,把它举到离你最近的桌面上方几厘米的位置,然后放手。接下来,你看到的便是引力造成的结果。(要是你的书没往下掉,请立即联系离你最近的物理学家,告诉他宇宙出了大麻烦)

  不过,在早期宇宙最初的短暂瞬间,行星、书本等等你能想到的物体都不存在,所以引力也没处施展身手。引力最擅长操控庞大的物体,然而早期宇宙里的一切都小得超乎想象,但这只是开始,宇宙继续膨胀。

  接下来,自然界中另外三种主要的力彼此分开,这些力的主要任务是控制充斥宇宙的粒子,或者说小块物质。一旦这四种力完全分开,我们就拥有了搭建宇宙所需的工具。

  大爆炸万亿分之一秒后

  宇宙依然难以想象地小而热,但里面开始挤满粒子。这时候的粒子有两种,它们分别叫作夸克和轻子。夸克的性质十分古怪。你永远不可能抓到落单的夸克,它总是和附近的伙伴“勾肩搭背”,夸克就像那些不愿落单的孩子,哪怕上厕所都得搭伴。

  两个或两个以上的夸克被分开得越远,将它们束缚在一起的力就会变得越强——它们就像被某种看不见的微型橡皮筋绑在一起。但要是夸克被分开得足够远,橡皮筋就会绷断,储存的能量就会在断裂的两头分别创造出一个新的夸克,于是被分开的伙伴各自获得了一位新朋友。

  而另一方面,轻子却是“独行侠”。将夸克束缚在一起的力对轻子不起作用,所以它们不会聚集成群。最有名的轻子是电子。除了这些粒子以外,宇宙中还充斥着沸腾的能量,能量被裹在波状的小包裹里,这些光能量团叫光子。事情从这里开始变得奇怪起来。

  宇宙如此炽热,所以光子会不断转化成物质- 反物质粒子对,这些粒子对又会相互碰撞,再次转化为光子。但出于某些神秘的原因, 这种转化有十亿分之一的概率产生一个落单的物质粒子,没有反物质粒子与它配对。要是没有这些孤单的幸存者,宇宙中就不会有物质存在。这是件好事,因为我们都是由物质组成的。

  随着时间的流逝,宇宙不断膨胀、冷却。在它膨胀得比我们的太阳系还大的过程中,它的温度也在迅速下降。虽然这时的宇宙还很热,但它已经降到了1 万亿开氏度以下。

  大爆炸百万分之一秒后

  宇宙已经从句号的亿万分之一膨胀到了和我们的太阳系差不多大,也就是说,直径近3 000 亿千米。

  1 万亿开氏度,这个温度比太阳表面热得多,但比大爆炸之后的那个瞬间已经冷却了不少。这个温吞吞的宇宙温度和密度都不足以继续“烹制”夸克,所以夸克纷纷抓紧“舞伴”,创造出更重的粒子。它们的组合很快带来了我们更熟悉的物质形态,譬如质子和中子。

  截至现在,大爆炸刚刚过去了1 秒

  宇宙的直径已经膨胀到了几光年,大约相当于太阳和离它最近的恒星之间的距离。温度降到了10 亿开氏度。这还是很热,足以“烹制”小小的电子和它们的搭档——正电子。这两种粒子不断诞生,彼此湮灭,然后消失。但电子和其他粒子都遵循同一条法则: 它们有十亿分之一的概率幸存下来,其余的则相互摧毁。宇宙的温度降到了1 亿开氏度以下,还是比太阳表面热。

  更大的粒子开始彼此聚合。组成我们今天能看见的宇宙—— 包括恒星和行星、你窗外的树木或建筑、你朋友的袜子、我的胡须——的原子所需的基本元素终于走到了一起。质子与中子、其他质子共同组成原子的核心,我们称之为“原子核”。

  大爆炸已经过去了2 分钟

  正常情况下,宇宙中呼啸而过的电子会被质子和原子核吸引。电子带有一个负电荷,质子和原子核则携带正电荷,异性相吸。可这些粒子为什么会携带正电荷和负电荷呢?或者你还会问,异性为什么相吸呢?

  它们就是这样。

  我真想告诉你一个更好的答案,但宇宙没有义务为我们提供合理的解释。只能说,这两个概念背后都有很多很多年的科学研究支持。

  既然异性相吸,那么接下来你肯定觉得质子和电子会紧紧黏在一起。不过在接下来的几千年里,宇宙的温度还是太高,这些粒子根本无法安定下来。电子自由游荡,撞得质子东倒西歪,自由电子就爱干这事儿。

  宇宙温度降到3 000 开氏度(大约相当于太阳表面温度的一半) 时,这样的局面就结束了,所有自由电子都和带正电的质子结合在了一起,它们结合产生的所有光子至今仍原封不动地在宇宙中穿行——直到今天,科学家仍能探测到这些光。

  大爆炸之后38 万年

  这幅通过望远镜拍摄的画面让我们看到了银河系中心附近的数十万颗恒星。

  宇宙继续膨胀,像一只不会爆炸的气球。膨胀过程中,宇宙逐渐冷却,引力开始起效。最开始的几十万年里,粒子到处乱跑,就像幼儿园操场上的小朋友。然后引力将这些碎片凝聚起来,形成宇宙中的城市,我们称之为星系。近一千亿个星系成形了。每个星系拥有几千亿颗恒星。

  这些恒星像高压锅一样,迫使微小的粒子聚合形成越来越大的元素。最大的恒星积聚了极高的热和压力,制造出铁这样的重元素。巨型恒星内的元素如果一直停留在自己诞生的地方就没什么用处。但这些恒星并不稳定。它们会爆炸,将自己内部的物质抛洒出去。

  宇宙诞生90 亿年后,在宇宙中一个平凡星系的一块平凡区域里, 一颗平凡的恒星诞生了,它便是太阳。

  它是怎么形成的?引力慢慢聚集起一大片气体云,里面充斥着粒子和包含多余质子、中子的重元素。在这些粒子围绕彼此旋转的过程中,引力迫使它们不断靠近,最终发生碰撞,聚合在一起。

  太阳诞生之初,这团气体云里仍残留着足够多的宇宙原料,它提供的物质足以制造出几颗行星、几十万颗被称为小行星的太空岩石和几十亿颗彗星。甚至到了这一步都还有富余,剩下的垃圾到处晃荡,常常撞上其他天体。

  从 700 千米的高度俯瞰地球,你就会明白为什么我们叫它蓝色星球。

  这样的撞击能量惊人,足以熔化岩石行星的表面。

  太阳系中左冲右撞的碎片越来越少,这样的撞击也逐渐减少, 行星表面开始冷却。被我们称为地球的行星形成于太阳周围的“金发姑娘带”。童话里的金发姑娘不喜欢粥太烫或者太冷,她想要温度刚刚好。同样地,地球和太阳之间的距离也刚刚好。要是地球离太阳更近一点,海洋就会蒸发;而要是再远一些,海洋就会封冻。

  无论是前者还是后者,我们所知的生命都不会演化出来。

  现在宇宙已经90 多亿岁了

  组成我们这颗年轻炽热星球的岩石中蕴含的水被释放到空中。随着地球逐渐冷却,这些水以雨的形式坠落下来,渐渐形成海洋。在这些海洋里,简单的分子以我们尚未发现的某种方式组合在一起, 形成生命。

  人类是需氧生物。我们需要富含氧的空气。主宰早期海洋的是简单的厌氧菌,这些显微级生命不需要氧气也能存活。多亏了厌氧菌, 它们能释放氧气,这些充盈在空气中的氧最终为我们人类提供了繁荣的基础。有了富含氧的新大气,越来越多的复杂生命形式得以兴起。

  但生命是脆弱的。偶尔会有大型的彗星和小行星撞击地球,造成巨大的破坏。

  白垩纪末期,小行星撞击了如今墨西哥的尤卡坦半岛。

  6 500 万年前,一颗重达10 万亿吨的小行星撞击了如今墨西哥的尤卡坦半岛。这块太空岩石在地球表面上撞出了一个180 千米宽、20 千米深的大坑。这次撞击,以及它扬起的尘埃和碎片,抹去了地球上的绝大部分生命,包括所有著名的大型恐龙。

  灭绝——生物或生命形式的绝对终点。这次大灾难让我们哺乳动物的祖先得以繁荣发展,而不是继续充当霸王龙的零食。这些哺乳动物中有一支脑袋特别大的,我们称之为灵长类,它们演化出了一个聪明得足以发明科学方法和工具甚至追寻宇宙起源和演化的物种——现代智人。那便是我们。

  大爆炸之前发生过什么?

  天体物理学家也不知道。或者说,对于这个问题,我们最具创造性的答案几乎得不到实验科学的任何支持。换句话说,我们无法证明它们。面对这个问题,有人坚持认为,一切必然有个开始:某种强于其他所有力的力,某个万物源头。他们脑子里的这个源头当然就是上帝。

  但是,也许宇宙早已存在,以某种我们尚未确认的方式——譬如说,有个不断创造出新宇宙的多重宇宙。会不会是这样呢?

  或者宇宙是从虚无中突然诞生的?又或者我们所知、所爱的一切不过是某个外星超级智慧物种创造出来的电脑游戏?

  一般而言,这些问题满足不了任何人。但它们却能提醒我们, 无知——而不是已知——才是研究型科学家的常态。聪明的年轻人往往不愿意说“我不知道”,但承认自己的无知是科学家必须面对的日常。如果有人相信自己无所不知,那他肯定没有寻找过宇宙中已知和未知之间的边界,更不曾被这边界绊倒过。

  我们确切知道的是,宇宙有一个起点。我们知道宇宙一直在演变。我们还知道,你身体里的每一个原子都能追溯到大爆炸那一刻,追溯到50 多亿年前将自己内部的物质洒遍星系的巨型恒星熔炉之中。我们是被赋予生命的星尘。宇宙赋予了我们探查它的力量——我们这才刚刚开始。


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