1700903018
1700903019
我们的确生活在宇宙生命中一个特殊的时刻。以对宇宙膨胀加速的最简单的解释宇宙常数而言（“奥卡姆剃刀原理”也鼓励我们这样做），100亿年前红移为2，暗能量对宇宙密度的贡献只有10%。但是在100亿年后，暗能量将占到宇宙总密度的96%。在更早和更晚些时候，其间的差异更大——例如，在重组（recombination）时期，物质的密度是暗能量密度的10亿倍。现在暗能量与物质对宇宙能量密度的贡献大致相同（差异只有一到两个小数点），这真的是怪事一桩。但至少这对于观测者来说有帮助。由物质主宰的减速膨胀宇宙变成由暗能量主宰的加速膨胀宇宙，红移从0.1变成了1.7，这便于我们用下一代的卫星探测器对这种变化作出观测。
1700903020
1700903021
与此同时，理论家对于暗能量和物质对平坦宇宙产生的差不多的贡献将继续发出疑问。如果宇宙常数真的是不变的常数，这就等于问为什么暗能量的密度如此之小。由于能量密度非常小，在很长时期内，λ场对宇宙膨胀的早期所产生的效用很小，即使宇宙正在不断扩大，恒星、星系和星系团还是形成了引力坍缩。我们将在下面的章节中看到，最初的恒星走过其生命周期，并为星系播撒出形成行星和生命的必要的原料，是需要时间的。然后，又过了更长的时间，智能生命出现在了其中至少一颗行星上。这一切发生的时候，宇宙的物质密度已经低于暗能量密度，而宇宙的加速膨胀也才刚刚开始能够被人注意到。但是，在宇宙不太遥远的未来，宇宙膨胀失控有可能让生命无法存活，而且无论怎么说，宇宙中都将变得一无所有，什么也看不到了。人类是一种有趣而复杂的实体，而且我们也生活在宇宙最有趣最复杂的时期之中，因为只有在这段时期之中，像我们这样的生物才可能存在。
1700903022
1700903023
但是，所有这一切只适用于非常小的暗能量密度。暗能量密度值超出这个范围，对于任何其他值，像我们这样有趣而复杂的事物就永远无法存在了。如果暗能量密度大，它会超过早期宇宙中物质的引力作用，在失控膨胀的宇宙中将物质变得日益稀薄，使得恒星、行星和人类永远不会形成。另一个极端的可能是λ场的值是负数。如果λ场值为正，对应的是暗能量与反引力；λ场值为负，对应的是暗能量以及某种额外的正引力。除了物质引力之外再加上这样的效应，宇宙会很快坍塌向自身，恒星、行星和人类也无法形成。因此，现在宇宙学家面临宇宙常数的大小这一问题所感到的困惑，和上一代天文学家遇到宇宙是平坦的时候所感到的困惑一样，不明白宇宙为什么能够处于扩张和崩溃之间这种微妙的平衡状态。这一难题的解决到头来却是一个全新的概念，即暴涨理论。我猜想，对宇宙常数问题的解决最终也将是一种全新的东西，它到底是什么，现在任何人可能都还没有想到，而且这种理论会告诉我们关于宇宙性质的某种新的深层真相。不过，在这一伟大的想法产生之前，对如此的“巧合”最好的解释，来自于一种被称为“人择宇宙论”的理论。一些科学家认为这是身处绝境中的权宜之计。不过我却比较喜欢它，而且对于宇宙为何是生命如此舒适的家园这一命题，这无疑是最好的解释。
1700903024
1700903025
人择原理背后的基本思路是，宇宙比我们可以看到的还要多许多，甚至可能是无限的多。所谓的多，并不是说在明亮的恒星有更多的暗物质，而是说在可观测宇宙之外，还有更多的时空。我们可以将这种“超级宇宙”称为“大宇宙”，以避免混淆。如果时空（大宇宙）是无限的，那么我们的膨胀的宇宙可能只是这一无垠的海洋里的一个泡沫，并且可能有许多的泡沫（甚至无穷多！）型的“宇宙”，每一个都出现了暴涨，但从我们的宇宙永远无法看到或触到它们。正如我们已经了解到的，我们的太阳系并不是惟一的，银河系也不是惟一的，也许现在是时候该认识到我们的宇宙可能也不是惟一的宇宙了。有些版本的暴涨理论暗示，在这种无限的时空海洋中必须存在无穷多个泡沫宇宙。人择理论则说，没有任何的物理定律规定宇宙常数应该具有特定的值，48因此不同的泡沫宇宙中的宇宙常数应该有不同的值。
1700903026
1700903027
在有些泡沫（宇宙）中，该常数的值较大，从宇宙形成时扩张就在加速，不会形成恒星、行星或人类。而在其他泡沫宇宙中，宇宙常数是负值，该泡沫在像生命等有趣的事发生之前就会崩溃坍塌。只有在某些具有较小的宇宙常数，而且其他条件也“恰到好处”的泡沫中，生命才会出现。总体而言，将会有多种可能的宇宙，我们则恰好生活在一个允许人类存在的宇宙中。
1700903028
1700903029
虽然人择宇宙论受到了暴涨理论以及发现的宇宙常数非常小这两者的推动，但是实际上这一理论有着悠久的历史。现代版的人择宇宙论是由英国的研究员布兰登·卡特（Brandon Carter）在20世纪70年代初提出的，虽然在此之前，伟大的物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）在20世纪50年代曾使用过某种具体的人择论点作出了一个重要发现（我们将在下一章讨论此问题）。卡特在1973年波兰的一次会议上指出，“我们所能期望观测的内容，必须受到某种限制，限制条件就是人类必须存在并作为观察者”，到目前为止，这仍然是对人择原理最好、最简洁的阐述。但是，即使早在1903年，在他的《人在宇宙的地位》（Man’s Placein theUniUerse）一书中，阿尔弗雷德·罗素·华莱士（Al-fred RusselWallace，他最知名的一点是独立发现了“达尔文的”自然选择进化论）写道：
1700903030
1700903031
我们知道自己周围存在着一个巨大而复杂的宇宙……这可能是为了产生一个适于生命演化的世界绝对必需的。
1700903032
1700903033
但是，要想进行人择观点的推理，我们无需遍览整个宇宙。例如，在我们的太阳系中，可能纯粹是由于机缘巧合，而非出于任何人择的意义，在靠近太阳周围的轨道上有四个岩石构成的行星（水星、金星、地球和火星），而不是三颗或五颗。没有任何根本性的原因规定地球上天文学家的产生和进化只能在有另外三个岩石行星存在的情况下进行。但是，为何天文学家在地球上演化产生了，而不是在其他三个岩石行星上，却是有根本性的原因。在我们所处的太阳系中，已经出现了某种人的“选择效应”。在这三个邻近的行星中——金星、地球和火星——只有地球适合像我们现在这样的生命形式存在。像我们这样的生命形式只能生存在地球上，所以当我们环顾四周会毫不奇怪地发现，地球恰好是我们生活的星球。假设在某种意义上，宇宙有自己的选择，可以具有不同的物理性质，那么与此完全相同的逻辑会说，只有在像我们这样的适宜生命存在的宇宙中，像我们这样的生命形式才会出现，观察周围发生的一切，并测量像宇宙常数之类的事物——这不仅仅是反复的唠叨，其他行星的例子就可以证明。既然我们都活着，因此这一论点还可以继续下去，我们会毫不奇怪地发现，我们生活在一个有利于生命的宇宙中，这一点并不比发现鱼类生活在水中更令人惊讶。
1700903034
1700903035
不论你是喜欢还是痛恨这个想法，这基本上是一个个人问题。即使是那些喜欢这一论点的人，如果发现存在一些根本的原因，能够解释暗能量的密度为何如此之小，也会感到很高兴。不过，问题的底线的是，我们确实存在，我们生活在一个年龄大约是140亿年的平坦的宇宙中，直到最近，这个宇宙中的暗能量开始超过引力，增大了膨胀的速率。考虑到宇宙的性质，我们是如何到这里来的呢？为了回答这个问题，我们首先必须知道构成我们自身的东西，以及除了氢和氦以外所有产生自大爆炸的重子物质，都来自何处。现在，我们暂时抛开宇宙这个整体，开始关注当宇宙还年轻的时候，我们自己的星系（以及数千亿个像它一样的星系）所发生的事情。
1700903036
1700903037
1700903038
1700903039
1700903041
宇宙传记 第七章 化学元素从何而来？
1700903042
1700903043
虽然阿尔弗雷德·罗素·华莱士在一百多年前，尚不知道宇宙的真实面目和复杂程度，但是他关于地球上的生命和宇宙之间的关系的言论，时至今日，依然能引起我们的共鸣。在另一个以人类为中心的推理的例子中，一个非常巨大而古老的宇宙，有数十亿岁的年龄，似乎完全有可能是为像我们这样的生命形式提供“舞台”的一个必然的要求。我们确实存在这一事实，意味着每当我们仰望夜空，看到的必然是一个巨大而古老的宇宙。
1700903044
1700903045
这一推理的出发点是这样的：宇宙是平坦的、不断扩张的，而且拥有一个很小的宇宙常数，并且包含不规则性。这种不规则性是在引力影响下由于物质集合成团而产生的。为何有些物质团块形成了恒星、行星或人类？这里我列举这些事物的顺序非常重要，因为正如我在其他地方所强调的，49生命早在恒星的形成过程阶段就开始形成了。我们是由各种不同的重子物质构成的，而不仅仅是氢和氦——事实上，我们体内根本就没有氦。我们身体中的每一种元素，除了氢原子以外，都是在恒星内部制造出来的，而且这需要时间——即宇宙不断扩张的那一段时间。因此，我们的存在就要求宇宙必须是巨大且古老的。
1700903046
1700903047
人们对于化学元素如何得以在恒星内部制造出来的新见解是又一个典型例子，表明了在物理学上，把关于大尺度（大至恒星）的知识与小尺度（小至原子核）的知识结合起来会有怎样的威力。这一次，研究恒星的物理学——天体物理学——指向的是量子物理学的一个主要特点，即与波粒二象性联系的不确定性。
1700903048
1700903049
对一个物理学家而言，一颗恒星从外部看是一个简单的事物。它是由引力结合在一起的一个球，并由其核心产生的热量阻止其进一步坍塌，这种热产生向外的力，与引力持平。如果我们知道一颗恒星的亮度以及它的体积，就很容易计算出（这确实只需要中学程度的数学知识）它的内核应该有多热，才能防止它坍塌。至于那颗恒星是什么构成的，或是它的能量来自何处，这些都无关紧要。关键是它必须有一定的内部温度，提供足够的压力来抵制引力的作用，并使其发光。由于太阳是一个相当普通的恒星，而且它与我们之间的距离很近，足以让我们研究其某些细节，因此，它是第一个被人类仔细观测过的恒星。不过，由于光谱学的发展，天文学家也可以测量其他恒星的温度；而且有赖于宇宙中还存在双星互相绕转的现象，许多情况下天文学家还可以测量它们的质量。
1700903050
1700903051
在20世纪20年代，天体物理学家已经能够进行简单的计算，确定像太阳一样的恒星中心的温度必须达到约1500万K。使太阳光辉灿烂的惟一可能的能量来源，必然是按照爱因斯坦的方程E=mc2由质量转换为能量所获得的——但是这里的质量m从何而来？那时，粒子物理学的技术已经足够成熟，可以比较精确地测量原子核的质量了，而且很明显，如果氢原子核聚合在一起形成较重的原子核，那么它可能（必然）会“失去”一定的质量。例如，由两个质子和两个中子构成的氦4的原子核，其质量是4.0026单位[这里将碳-12的原子核定义为12个原子质量单位（amu）]，但是4个独立的质子的总质量是4.0313amu。如果可以说服4个质子（氢核）结合在一起形成一个氦核，那么0.0287amu的质量将被以能量的形式释放——这仅仅是4个原始质子总质量的0.7%。50
1700903052
1700903053
但是，这里有一个障碍。如果有办法把4个质子足够紧密地挤压在一起，强核力将占主导地位，将它们紧密结合在一起，并把两个电子驱逐出去（这一过程称为β衰变），产生一个单一的氦4原子核。实际上，正是强力将带有正电的质子结合在一起，虽然质子所带的正电荷相互之间是排斥的。但是，强力的作用范围很小。当两个质子相互靠近时，首先是它们的正电荷所产生的斥力变得足够强大，在强力有机会起作用之前就使它们彼此远离。除非在极端的条件下，强力才可能占领先机。为了让两个质子足够接近以便使强力发挥作用，将它们结合在一起，从而释放出一个正电子形成一个氘核，质子就必须以非常快的速度移动，这意味着必须将它们置于高温高压之下。我们已经看到，在大爆炸发生后最初的几分钟内存在这种情况，不过20世纪20年代时人们还不知道这一点。当时人们确实知道的是，当温度“只有”1500万度时，根据当时已知的物理定律，原子核无法按所需的方式发生聚变，为太阳和其他恒星提供能量。只有当人们发现了量子的不确定性——一种新物理学——才解决了这一难题。
1700903054
1700903055
量子不确定性告诉我们，像质子这样的实体，在空间没有一个确切的位置，而是以一种模糊的方式散布在空间。大家可以根据波粒二象性将这想象成“粒子”的波动属性。波在本质上是一种蔓延出的东西。所以，当两个质子靠近对方时，它们各自的波有可能叠加，虽然此时旧的物理学认为它们还没有触及对方。当两者的波以这种方式叠加时，强力就能够起作用，将质子更紧密结合起来（在弱相互作用的帮助下），迫使它们释放出一个电子。这个过程有时被称为“隧道效应”，因为根据经典物理学，两个带正电荷的粒子之间的电斥力是一个难以逾越的障碍，而质子似乎是在量子的不确定性的帮助下，通过隧道穿越了这一障碍（当然，这一情况对其他粒子也适用）。在20世纪20年代后期，量子不确定性被提出以来，人们发现这一理论恰好足以解释为何在太阳的核心有足够的质子会结合在一起，释放出足够的能量让太阳光辉四射。
1700903056
1700903057
这里或许值得提一下，与地球表面的日常条件相比，发生这样的核相互作用的条件是多么的极端。在核反应发生并转换生成能量的地方是太阳的核心，它的半径只占太阳半径的四分之一，这意味着其体积只占整个太阳体积的百分之一点五。在这里，温度极高，电磁力无法将电子束缚在原子核上组成原子，而且原子核挤压的密度也相当于地球上固态铅的密度的12倍，或是水的密度的160倍。核心区域的压力是地球表面大气压力的3000亿倍。由于密度如此之高，太阳内部占其体积百分之一点五的核，实际上占到了太阳质量的一半。正如我们已经提到的，这里的温度最高达到了1500万K（其核心外缘的温度是约1300万K），但是由于原子核的体积远小于原子，即使在如此高的密度下，它们的行为几乎与在不那么极端的条件下气体（如诸位肺部的空气）原子的行为类似。它们快速移动，彼此反复碰撞。太阳的核心，恰似物理学家所描绘的所谓“完美”气体这种概念。
1700903058
1700903059
从人类的标准看，这些状况非常极端，但是比起宇宙大爆炸时的状况来，它们就不显得那么极端了。恒星核心与大爆炸相比的关键区别在于，前者在数百万甚至数百亿年里是保持不变的。而宇宙大爆炸几分钟就结束了，所谓的核合成进行不了多长时间。即使是在太阳的核心这种情况下，两个质子也只有在极为罕见的情况下才会发生正面碰撞，使它们足够接近彼此，发生隧道效应，在强力以及某种β衰变的作用下，制造出一个氘核，包含一个质子和一个中子。
1700903060
1700903061
物理学家花了二十多年的功夫，才弄清楚了使太阳发光的核聚变过程的所有细节。例如，物理学家使用粒子加速器测量了质子相互碰撞时相互作用的方式的细节（碰撞的截面），并计算出这种生成氘核的碰撞在太阳核心发生的频率。当然了，我们这里可以略去所有这些工作的细节，直接谈一谈其发现的结果。虽然每一秒钟都有许多质子相撞事件，但是平均起来，某一单个的质子，每10亿年才能有机会和另一个质子相撞。因此，假设我们有20亿个质子，那么一年后，它们之中只有一对结合起来形成了一个氘核。
1700903062
1700903063
这种情况一旦发生，在大约一秒钟以内，第三个质子会附着到氘核上，形成氦3的原子核。当其他质子碰撞到氦3的原子核时，它们都会弹开。比起质子来，氦3的原子核较少，因此它们彼此相撞的机会较少。但是，一旦它们碰撞，却更容易聚合。氦3的原子核在太阳核心游荡大约100万年后，会遇到另一个氦3原子核，两者聚合形成氦4原子核，释放出两个质子。
1700903064
1700903065
这一连串的事件称作质子-质子连锁反应，整个由氢到氦的转换过程（不论通过什么手段）有时也被称为“氢燃烧”。经过10亿多年，最终的结果是四个质子合成一个氦4原子核并释放能量。51对于每一个以这种方式制造的氦4原子核，0.048×10-27千克的质量会消耗掉。太阳内核中有成千上万亿的粒子，每秒中也会发生无数的核聚变反应，因此，总体上，太阳每秒都会“失去”430万吨的质量，6亿吨氢转换成了不到5.96亿吨的氦。52太阳上这样的反应已经进行了大约45亿年，迄今在这一过程中它释放的能量只相当于其初始状态下所拥有的氢的质量的万分之一都不到。这一比例是如此之低，大家应该不感到奇怪，因为每产生一个氦4原子核，只消耗4个质子原始质量的百分之0.7。即使太阳完全是由氢构成的（实际上不是），所有的氢都转化为氦4，它在这一过程中丧失的质量也只相当于其原始质量的0.7%。其实，这些数字真正要告诉我们的，是太阳究竟有多大！
1700903066
1700903067
所有这一切发生的速度都可以自我调节。如果太阳缩小一点，其核心的压力和温度将上涨，这样就会发生更多聚变，释放更多的能量。热量的增加将使太阳膨胀，从而降低了压力，并使其冷却。如果太阳扩大，其内核温度会降低，能量产生的速度将会减慢，这样它就会收缩，回到其稳定的体积。但是，当其核心的氢燃料耗尽（对太阳来说，核心的氢会在约40亿年的时间内耗尽），所有的一切都需要调整到一个新的稳定的平衡。
[
上一页 ]
[ :1.700903018e+09 ]
[
下一页 ]