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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950076]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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读小学时，有一天早上醒来后，我看到一则令人困惑的新闻，说我们的宇宙（至少以我当时的理解）突然变老了一倍。我被这个改变吓坏了。怎么可能有像宇宙年龄这么重大的事情会随便发生如此巨大的改变，却没有将我们所知道的一切都毁灭呢？
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现在，让我惊讶的事情发生了改变。我对人类能够精确测量宇宙及其历史的纵深程度感到惊讶。现在我们不仅比以往都更准确地知道了宇宙的年龄，还知道了宇宙如何随时间演化、核子如何产生、星系与星系团如何演化等。以前，我们只有关于这些演化的定性图像，但现在我们已经有了准确的科学图像。
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宇宙学已经进入了一个卓越时代，实验与理论的革命性进展已经取得了更广泛和更详细的解释，这对生活在哪怕只有20年前的任何人来说也是难以置信的。通过将革新的实验方法与扎根于广义相对论和粒子物理学的计算结合起来，物理学家已经建立了一个关于宇宙早期面貌以及它如何演变成今日之貌的具体图像。
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迄今为止本书主要关注于小尺度，在此之上我们研究物质的本质。到达了我们向物质内部探索的极限之后，现在我们继续第5章的内容，完成此次尺度上的旅行。我们将把注意力转向外部，考虑外部空间中物质的尺度。
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我们需要警惕本次旅行中的宇宙尺度与前文的巨大差别，因为我们不再仅仅根据尺度来划分宇宙的各种事物。观测不只记录今天的宇宙。因为光的传播速度有限，所以观测也回顾了过去的宇宙。我们今天所观测到的结构可能是早期宇宙所具有的结构，它所发出的光线通过几十亿年才传播到我们的望远镜中。当前急剧膨胀的宇宙围绕在早期宇宙的外面，是其规模的很多倍。
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然而，尺度在对当前宇宙及其历史观测的分类中起着至关重要的作用，本章将在这两个方面展开讨论。后文，我们将考虑整体的宇宙演化，从初始的小尺度到我们现在观测到的巨大尺度。但是首先我们将着眼于宇宙现在的样子，以此来熟悉一些能将周遭事物进行分类的尺度。然后我们将走向大尺度和远距离的物体——地球上的以及宇宙中的，来对外部空间中我们要探索的巨大类型的结构形成一个概念。这种大尺度旅行比我们前文在物质内部的旅行要简短。尽管宇宙结构非常丰富，绝大多数我们所看见的都可以被物理定律解释，而不涉及更基本、更新颖的定律。恒星与星系的形成依赖于已知的化学和电磁学定律，它们是我们已经讨论过的基于小尺度上的科学。然而，引力现在也起着至关重要的作用，最好的叙述依赖于它所作用的物体的速度和密度，因此也导致了理论表述的多样性。
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宇宙的冒险之旅
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《十的次方》（Power of Ten ）这本书与同名电影[1] ，是一次关于距离尺度的标志性旅行，它从有一对情侣坐着的芝加哥格兰特公园（Grant Park）出发，最后又回到该地，对于我们来说这也是一个很好的出发点。我们先将镜头在地面上停留片刻，看一看我们周边熟悉的长度和尺度。在短暂地回顾了人的尺度——大约两米左右之后，让我们离开这个舒适的位置，向更大的高度与尺度迈进（关于本章的尺度示例见图19-1）。
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图19-1 一个关于各种尺度的旅行，以及用来描述它们的长度单位。
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我曾见过的最吸引眼球的一次演出，是伊丽莎白·斯特布的舞蹈公司关于人体对高度的反应的表现。她的舞蹈演员（“行为工程师”）从一个横梁上跳下，腹部落地，而横梁上升得越来越高，直到最后一名舞蹈演员从9米高的地方跳下。那绝对超出了我们感受的舒适区，现场许多的观众都发出重重的惊讶声。因为人们往往不会从那么高的地方跳下，更不会面部朝下地跳下。
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虽然绝大多数高耸入云的建筑给人的感觉不比上述表演更加摄人心魄，但它们也给人带来了从敬畏到恐惧的强烈震撼感。建筑师所面对的一个挑战是，赋予比我们大得多的物体一种人性化的结构。建筑与结构在尺度和形状上的差异很大，但是我们对于它们的回应反映了我们对尺度的生理和心理态度。
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世界上最大的人造结构是位于迪拜的哈利法塔（Burj Khalifa Tower），它高828米。虽然它高得离奇，但是它的大部分都是空的。电影《碟中谍4》所赋予它的文化感可能并不如《金刚》赋予帝国大厦的文化感。虽然纽约这座高381米的标志性建筑比哈利法塔矮一半还要多，但是它的知名度却高很多。
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我们生活在一个周围有着巨大自然实体的世界当中，它们中许多还激起了我们的敬畏之心。珠穆朗玛峰海拔8800多米，是世界第一高峰。欧洲的最高峰勃朗峰只有它的一半高，但是我却很开心我能登顶此峰，尽管我和朋友在登顶后拍摄的照片中都看上去很惨。马里亚纳海沟深11000米，它是海洋中最深的地方，也是地壳表面最低处。而詹姆斯·卡梅隆执导的3D电影《阿凡达》中则有一个异世界的海沟。
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大自然所创造出来的雄伟之作在地球表面伸展到很广的区域。太平洋宽20000公里，而俄罗斯领土宽大约为8000公里，几乎是太平洋宽度的一半。地球的形状接近球形，直径约12000公里。美国领土宽4200公里，占地球周长的1/10，但是比月球的直径（3600公里）还长。
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外部空间的物体尺度也很大。例如小行星之间的大小差异很大，有些小到只有鹅卵石那么大，而有些大到比任何地表所呈现的面貌还要大。太阳直径约为10亿米，该直径大约是地球的100倍。我所采取的太阳系尺度的计算方法是按照从太阳到冥王星（不管它是否还属于行星）的距离，这个距离是太阳半径的7000倍。
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日地距离相对小很多（约1000亿米），是一光年的十万分之一。一光年指的是光线一年所走过的路程——3亿米每秒（光速）乘以3000万秒（一年中的秒数）。因为光速有限，我们看到的太阳亮光事实上是8分钟以前从太阳发出的光。
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许多可见结构有着不同的形状和尺度，在我们的广博空间中存在着。天文学家根据绝大多数天体的类型对其归类。给定一些标准尺度，星系的大小通常是直径3万光年或者3×1020 米。包括我们的星系——银河系，它的尺度大约是这个大小的3倍。星系团一般含有从几十到几千个星系，尺度大约是1023 米，或者1000万光年。也就是说，光线从一个星系团的一端传播到另一端需要1000万年。
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尽管这些尺度巨大，绝大多数天体也还遵循牛顿定律。月球轨道、冥王星轨道或者地球轨道都可以通过牛顿引力定律解释。基于行星离太阳的远近，它的轨道可以由牛顿引力定律预测。这个定律同样是使牛顿的苹果落向地面的原因。
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尽管如此，行星轨道更精确的测量显示，牛顿定律不是终极理论。我们需要用广义相对论来解释水星的近日点进动，它的绕日运动轨道随时间的推移可以被观测到。广义相对论是更复杂的理论，当能量低、速度慢时它也会包含牛顿定律，但是在此范围之外广义相对论也仍然有效。
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然而，不必使用广义相对论来描述绝大多数物体的运动。但它的效应可以累积起来，并且当物体足够致密（如黑洞）时，它的效应就会非常显著。我们的星系中心是一个半径约为1013 米的黑洞，它所包含的质量非常巨大，约等于太阳质量的400万倍，与其他黑洞一样需要用广义相对论来解释它的引力性质。
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目前整个宇宙的直径是1000亿光年，即1027 米，是我们星系的100万倍。这个距离太大，令人震惊，因为它甚至比从大爆炸开始我们实际能观测到的距离——137.5亿光年更大。没有什么可以比光传播的速度更快，因此就宇宙年龄是137.5亿年来看，宇宙目前的尺度看似不可能。