这是高更的名画《我们从哪来?我们往哪去?我们是谁?》,也是本文标题的由来。“我们是谁”这个话题可以说达尔文一个人就基本搞定了,但另外两个问题,在牛顿、爱因斯坦领衔的成百上千个顶级牛人努力下,可能也就才摸着一点门槛。当然,就信息量和难度而言,两者毕竟是数量级上的差距。
一、我们从哪来?
1、无中生有——宇宙之起源
1964年5月,美国新泽西州的太阳刚刚升起,物理学家彭齐亚斯和威尔逊就中了一个的超级巨奖,才吃完早餐的他们悠闲地来到工作屋,发现辐射计记录纸上满满的都是噪声信号——“宇宙微波背景辐射”就此发现,证实了宇宙有一个非常致密的开端,就此,“大爆炸”理论成了主流科学。
有了“大爆炸”理论,以及广义相对论,霍金和彭罗斯就可以大胆地说,那么必定存在一个奇点,在那个点上,宇宙无限致密,时空曲率无限大,时间从此开始——普朗克时间(10的—43次方)。
即在大约138—137亿年前,奇点暴涨,随即引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用依次开始独立作用;一万亿分之一秒时,夸克和轻子出现,以及反夸克和反电子,那时宇宙就好像是一锅夸克轻子粥;百万分之一秒时,宇宙已经膨胀到像太阳系那么大,温度进一步下降,质子和中子形成;一秒时,宇宙已经膨胀到几光年那么大,原子核开始形成,其中90%是氢原子核,剩下的10%是氦原子核;三十八万年时,温度低到让所有电子都被原子核捕获,变成氢原子和氦原子;十亿年时,这些原子在引力作用下结合在一起变成恒星,组成星系……
这就是“无中生有”的过程,一个奇点的今生今世(你不用问任何人它的前世)。但如果你把如今宇宙中所有物质和能量加在一起,包括所有负能量的引力,结果是零。
也就是说,宇宙仍然是由“无”组成的……
2、简洁之美——万物之组成
先引述一段《七堂极简物理课》的话:“屈指可数的几种基本粒子,不断地在存在和不存在之间振动、起伏,充斥在似乎一无所有的空间中。它们就像宇宙字母表里的字母,以无穷无尽的组合,讲述星系、繁星、阳光、山川、森林、田地,以及节日里孩子脸上的笑容和星光璀璨的夜空的漫长历史”。
这张小图就把宇宙最主要构成成分说清楚了,六种夸克、六种轻子和四种基本的力。
牛顿的《自然哲学的数学原理》法则1被称作“简单性原则”,爱因斯坦说,“从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中,不断有人力图把表面极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本概念和关系,这就是整个自然哲学的基本原理”。
其实,宇宙的本源就是如此简单,处处透露出简洁之美。它仿佛昭告世人,“简洁”是人与宇宙和谐相处的“第一性原理”,它甚至启示我们,如果“简洁”如此重要,那些我们所观察到的无比繁复的“宇宙膨胀”、“黑洞”这些都是有必要的。
3、星山星海——我们之所在
大爆炸发生后九十亿年左右,在宇宙中一个偏远星系的偏远区域,一个小星系逐步形成,这就是太阳系。太阳是二代或三代恒星,包含大约2%的重元素,一些重元素聚集形成了行星,其中两颗行星轨道接近最终发生撞击,融为一体,而一部分物质被抛射出去,这就是今天的地球和月亮。
这张图显示了太阳系在银河系的位置,你可以粗略估计地球在哪。
一个行星要想适合生命存在,必须有合适的质量、轨道、温度、元素等等,地球都满足。然而,仅仅银河系里就有千亿甚至万亿颗恒星,其类地行星就至少四百亿颗。
写到这里,我抬头看了看夜空,我想,也许,我们并不孤单,从不……
二、我们往哪去?
这个问题其实无法回答,因为未知太多,悲观说就是哪都不能去,或你想去也去不了。
比如,尽管现在已经有一个很牛逼的“标准模型”,能无比精确地把宇宙——除引力之外——都描写清楚。这个模型有19个参数,都是被实验测定出来的。物理学家就搞不明白为什么这些参数恰好是这样,比如光速、四种基本作用力的强度、夸克的质量等等,为什么是这个数值?他们不知道。
但细思极恐,因为若不是这样的数值,宇宙可就麻烦了……这就好像有人事先把这些参数调好了,就是为了给我们一个能孕育生命的宇宙。
更神奇的是,这些参数并不都是允许生命出现的最佳状态,数值还可以进一步优化、微调,让生命更容易出现……我的个妈呀……
好了,这种短期说不清楚的不说,比较玄幻的比如《星际穿越》里的“虫洞”也不说,我们来谈谈跳一跳够得着的。我恰好知道,要迈出地球,去银河系奇幻漂流,迫切需要搞清楚两件事和在两方面有突破。
第一件事:暗物质是个什么鬼?
2015年12月16日,中国发射了科学系列首发星“悟空号”,主要目标就是探测暗物质,首发,牛逼吧!重要吧!而且,这是世界上最先进的暗物质探测卫星。除了天上,地下也没闲着,在西昌锦屏山的山洞里,清华大学、上海交大有关团队也在那展开研究。
可能不禁有人要问,暗物质都没发现,最初你怎么知道有这个东西呢?算出来的,不是掐指一算,而是推理计算。
我们知道,像银河系,我们围着太阳转,太阳围着银河系中心转,若干星系一圈又一圈地转动,而万有引力由内向外是递减的,那么,星系内恒星转速更快,离星系中心越远的速度越慢——不然就甩出去了。以上从理论和逻辑都是对的,但是现实不是如此,20世纪30年代,荷兰天文学家奥尔特率先发现这种反常现象,尔后瑞士天文学家茨威基观察到银河系的边缘恒星速度并未降低,接下来的几十年间在更大范围内也发现了这种情况。最合理的解释就是,有另一种力把边缘恒星拴住没让他脱离星系,这种力也是引力,就来自暗物质。暗物质主要集中在星系周围的球形晕轮中,这样就说得通了。
那暗物质究竟是什么呢?它不发光也不吸收光,有质量有引力,至于温度和速度以及能不能形成天体还说不清。
如果没有暗物质提供的额外引力,星系就不会足够快地形成,进而形成我们今天宇宙的模样。所以,搞清楚暗物质很重要,更重要的事,这货大约占宇宙的26%,我们竟然不了解。
当然,没有最惨,还有更惨。因为目前可见物质约占宇宙的4%,还有一种东西,约占宇宙的70%,我们更不清楚。
第二件事:暗能量又是什么鬼?
1917年,爱因斯坦意识到引力会导致宇宙向内坍缩,但他观察到的是既未膨胀也未坍缩,于是他在广义相对论方程补充了一个修正因子——宇宙学常数,简单说就是一种反引力力量。
1929年,哈勃通过星系光谱“红移”发现宇宙正在膨胀。得知这个消息,爱因斯坦的心是崩溃的,于是他把这个“反引力”去掉了。
1998年,美国两个团队独立发现宇宙不仅在膨胀,还在加速膨胀——比如,今晚你到郊外点5根火把,每一百米放一根,离你越远的看上去应该亮度越低,但,它不仅低,还越来越低。这些团队就是通过这种道理观察超新星得出的结论,世界哗然!于是我们又把这个“反引力”放回来,爱因斯坦九泉之下也安息吧。
这个“反引力”就是暗能量——约占宇宙70%。
回到最初宇宙大爆炸,为什么会剧烈膨胀,就是这个“反引力——万有斥力”的作用,只不过如今这个力没当初那么大了。
令人寝食难安的是,暗能量是真空中的能量。即宇宙越膨胀,真空越大,暗能量就越大,宇宙膨胀加速度就越大。也就是说,远方的星系离我们越来越远了,据估算,再过一万亿年,我们抬头看天,就只能看见银河系的星星了。
最后,就是宇宙大撕裂。
或是,重新坍缩回奇点。
第一个突破:引力波
前面两个是理解,因为不理解,这个宇宙的盲区就太多了,毕竟那占96%。引力波,则是突破。
2015年,LIGO团队两次探测到了引力波。如今,我们广泛运用的是赫兹发现的电磁波,比如广播、电报、电视、通信等等。如果说电磁波打开了全人类的肉眼,引力波就是给全人类开天眼。
在《三体》里,刘慈欣就已经让引力波大展身手了。具体讲,人类离开地球,最大的一个问题是如何通信,要知道电磁波只要遇到稍微厚一点的雾、水汽的阻隔就会失灵,所以我们如今靠的是卫星中继。而引力波不受物质阻碍,除了通信,还可以探测宇宙中更多的未知。
第二个突破:新能源
世间万事万物之变化,都离不开能量。
这可不是当下热炒的什么新能源车这么低端的东西,而是太空旅行的能源解决方案,要知道现在的火箭发射还是把液氧之类的化学能转化为热能,这种方式成本极高,效率极低。核能是很好的解决方案,但不同于原子弹那种核裂变方式,而是核聚变,即把宇宙中取之不尽的轻元素如氢、氦弄来进行可控核聚变。还有,就是直接转化恒星能,比如太阳能。
当然,这两个突破短期也难见效,据估计,大概需要三四个世纪。
但是,如果短期再出一个牛顿、爱因斯坦式的人呢?也说不清。
三、有什么意义?
每次,我都想在最后正儿八经地回答一些质疑,比如花这么多钱研究宇宙值不值?个人花这么多精力去读科普值不值?
1、意外
如果不去研究宇宙的由来、太阳为什么发光、地球为什么围着太阳转……我们就无法理解那么多深刻的事物运行规律,我们可能还处于蒙昧时代。同时,我们每次探索并不是为了一个具体的目标,我们探索还是为了意外,为了探索本身的副产品,电话、X光、微波炉这些我们都离不开的东西,都是意外的产物。
2、溯源
功利地说,你可以更好地认识自己,知道自己是个什么东西总好过不知自己是个什么东西。
超越功利层面,这也不仅仅是好奇,而是像翻家谱,为了让自己获得一种宇宙视角,以及一些全局感和历史观。在FACEBOOK的COO桑德伯格新书中就讲到教育孩子的一个好方法就是和他们谈论家族史。
我们都是孩子。
3、感恩
我们每一个人都是一亿分之一的幸运者——靠当初打败了一亿个精子。
但在宇宙的起源时,每十亿对正反质子、中子、电子中才有一个质子、中子、电子幸存下来(其它都湮灭了),而你身上有多少粒子?而你身体里的除氢以外的19种元素,全是超新星爆发形成的。
你说你有多幸运?
你说你有多幸运?
你说你有多幸运?
你还不以感恩之心来面对每一天?
4、谦卑
先看一幅图:
这是1990年,旅行者1号探测器即将飞出太阳系的时候,在距离地球60亿公里的地方,美国国家航空航天局命令它回头再看一眼,拍摄了60张照片。照片上的光带是相机镜头反射的太阳光。其中的这一张上正好包括了地球——就是图中那个亮点。
那个点,就是我们的家,就是我们。
我们是如此的不起眼……
最后,我想以一个真实的故事结束:
几年前,一个同事,也是一位博士,在一个非常正式的场合轮流发言中大谈特谈与会议无关的天体物理以及宇宙和宗教,表现出过度的虚幻和极度的悲观,我们几欲当场哗然,事后皆当经典笑谈……
当我再看那个暗淡的“亮点”,发现我和他都错了,错在不懂“谦卑”,错在误以为“世界因我而存在”,那时我们互相以为真理在握,他认他的虚幻,我认我的世故,以己度人而不是知彼解已,旁观者清反倒因为“自大”而旁观者迷……
当我以距离60亿公里的眼光,再去看某个恩怨、心结、成见,不就是一粒微尘吗?
我想,宇宙视角给我最大的启示是“谦卑+豁达”……
此文参考了万维钢《精英日课》、李淼《宇宙的一生》、史蒂文温伯格《最初三分钟》、格雷厄姆劳顿《万物起源》,以及纪录片《和摩根弗里曼一起穿越虫洞》。