宇宙的10個關鍵瞬間

「我們將不停探索,而我們一切探索的終點,將是到達我們出發的地方。」

開始的開始

開始的開始

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我們完全不清楚,在大爆炸最初的最初時刻,宇宙到底是什麼樣子。這個最初時期被一些科學家稱為「普朗克時期」,因為它是從大爆炸的時刻到普朗克時間(~10-43秒)的階段,宇宙只有普朗克長度(~10-35米)的範圍。所有已知的物理學都無法描述這一無比短暫的時期。我們有充分的理由懷疑,在宇宙最初的極端溫度和壓力下,只存在一種超級力。但這種超級力在接下來不到一秒的時間內,一個接一個地分裂出來,形成了我們熟悉的四種基本力——引力強核力弱核力電磁力

急速膨脹

急速膨脹

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當大爆炸之後約10-36秒,宇宙開啟了一段頗具爭議的時光,它急速變大,這一事件被稱為暴脹。巨大的能量向外釋放,此時的宇宙正以一種無可想象的速度擴張,宇宙的大小在極短時間內增長了至少1050倍。雖然我們沒有直接觀測到這一重大的宇宙事件,但一些間接的觀測證據表明,宇宙曾經歷過這樣一段指數式的膨脹。

物質的勝利

物質的勝利

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隨著宇宙年齡的增長,神祕的事件繼續發生著。我們生活在一個「物質」的宇宙中,而每種物質粒子在「鏡子」裡都有一個夥伴,兩者具有完全相同的性質(比如質量、自旋等),但電荷相反,這些「鏡中夥伴」就被物理學家被稱為反物質。物質遇見反物質就會發生湮滅。物理學家現在已經有能力製造出反物質,同時,他們也注意到了一個有趣的現象。在宇宙初期,所有物質都應該和它的反物質「夥伴」完美配對,按理來說,它們應該是對稱的。但不知出於什麼原因,在之前基本力分離的時候,物質和反物質的對稱性被「打破」了——每誕生10億個反物質粒子,相應地會出現10億零1個物質粒子。千萬不要小瞧了這個不起眼的差距,正因為這種微小的不平衡,才有瞭如今這個物質主宰的宇宙。

要有光

要有光

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在接下來的幾十萬年間,宇宙好像沒有發生太多的事情,物質和能量糾纏,攪成一鍋「濃湯」。這一時期,我們無法「看見」宇宙,因為光子在進入你的眼睛之前就會被你面前的電子彈開。直到宇宙約38萬歲時,它已經冷卻到足以讓原子凝結,光子也可以自由地傳播,宇宙從此開始變得清晰。隨著宇宙的膨脹,光子會逐漸損失能量。那些高能光子的波長會被不斷拉長,變成紫外線、可見光、紅外線,直到今天,它們已經成了微波光子,形成了微波背景輻射(CMB)——這是一幅真實的宇宙「照片」,透露了許多早期宇宙的奧祕。如果再過1000億年,仍然存在「天體物理學家」這份職業,那時的天體物理學家可能會把這種背景輻射稱為「宇宙射電背景輻射」。

宇宙「黎明」

宇宙「黎明」

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原子非常非常慢地聚集在一起,形成了原子團。這些團塊越變越大,它們對周圍環境產生了更強的引力作用,從而吸引到更多原子的加入,這進一步加速了它們的成長。這時,故事的時間尺度也開始變成「天文數字」。每個星際塵埃微粒都由數十萬甚至數百萬個原子組成,密集的氣體和塵埃組成雲團。在數億年的過程中,其中一些雲團的密度增長,在自身引力的作用下坍縮。這樣的坍縮會使引力勢能轉化為熱能,坍縮內部的溫度迅速上升,恆星就此誕生,並被「點燃」。隨後,恆星在其內部把氫和氦變成更重的元素,開始了創造元素的新紀元。

再電離

再電離

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在宇宙年齡到了5億年左右的時候,人們推測,一些最古老的超大質量恆星(星族Ⅲ恆星)開啟了一種猛烈的轉變。它們發著紫外線和X射線的光,在災難性的超新星爆發中自我毀滅,並坍縮成「貪得無厭」的黑洞。它們用強烈的輻射淹沒了宇宙,這種輻射穿透剩餘的中性氫,使氣體再度變回電離的等離子態。宇宙中經歷了又一次偉大的相變,第一批恆星開啟了宇宙黎明,接著就是再電離時期。但這僅僅是再電離的能量來源的其中一種假設。事實上,有關這段時期的諸多細節仍然是空白。

暗能量

暗能量

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漸漸的,宇宙中出現了氣體團、恆星、星系,似乎剩下的就是無盡的「虛空」。看起來,宇宙好像已經把暴力激烈的過去拋諸腦後,開始了一種更為「安靜」的生活。然而,不要被表象矇蔽。宇宙的膨脹從未停止,甚至在宇宙演化的後期開始加速。20世紀末,兩組科學家幾乎同時從超新星爆發中發現了宇宙加速膨脹的證據,但我們不知道這是什麼原因造成的。基於現有的理論模型,解釋這一事實的一種主流假說理論被稱為暗能量。神祕的暗能量在今天的宇宙中依舊存在,甚至可以說是無處不在。它和暗物質在一起構成的「黑暗物理學」,是如今科學中最大的謎團所在,也是許多科學家追尋的目標。

地球誕生

地球誕生

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大約46億年前,一件看似毫不起眼的事情在宇宙中發生了。在某個普通星系(銀河系)的某片普通的區域(獵戶座旋臂)中,某個普通的氣體雲(太陽星雲)開始坍縮,這段「舞蹈」在宇宙中屢見不鮮。氣體雲形成一個圓盤,中心的核達到臨界閾值,成為一顆恆星(太陽)。殘存的碎片合併成了恆星周圍的行星。一些在圓盤靠外部分的行星體積巨大,包含大量的氫和氦。而內側的行星則要小巧的多,大多是巖質行星,擠在新生恆星周圍溫暖而舒適的地方。其中的一個就是我們今天的家園。

孕育月球

孕育月球

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在太陽系中,地球是一顆既普通又特殊的行星。在太陽系內側所有行星中,只有地球擁有體積較大的衛星,且僅有一顆長期穩定的衛星。原先,科學家對月球的形成有諸多猜想。直到半個多世紀前,阿波羅任務帶回的月岩提供了一些最直接的證據。這些月岩講述了一個看似矛盾的故事,月岩的成分與地球很相似,表明兩個天體並非全然無關;但兩者也存在著細微而關鍵的差別,說明月球並非完全來自地球。目前有一種主流的解釋是,月球是在太陽系初期的混亂時刻,某個火星大小的巨大天體與地球相撞的結果,所以月球既有來自地球的材料,又有一些外來物質。

我思故我在

我思故我在

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地球的特別之處還在於,它的位置絕佳。如果地球軌道離太陽更近一些,海洋就會蒸發,如果它離太陽更遠一點,海洋就會結冰。

當太陽系的混亂逐漸平息,這個「恰到好處」讓地球得以孕育生命。在所有生命中,一類名叫哺乳動物的群體裡,有一群腦袋特別大的靈長目,最終演化出了一個特殊的智慧物種——智人

我們智人花了很久才學會仰望並思考星空,又花了更長的時間才把那些有關宇宙的碎片拼湊起來。大約500年前,一種理解自然的新方法被建立,現在我們稱它為科學。作為科學中最年輕的領域之一,宇宙學是將整個宇宙作為一個單一的物理對象進行研究。直到100年前,埃德溫·哈勃發現了宇宙的膨脹,宇宙學才有了一個明確的開端。到了1965年,宇宙微波背景才被偶然發現。就在同一個十年裡,我們意識到恆星對重元素的誕生至關重要。暴脹理論最早是在20世紀80年代提出的,而我們對地球的認識也才剛剛起步。

20世紀中葉,哈勃曾說,「帶著自己的五感,人類開始探索周圍的宇宙,並將這場冒險命名為科學」。半個多世紀後,尼爾·泰森唐納德·戈德史密斯兩位天文學家風趣地將這句話改成,「帶著自己的五感,以及望遠鏡、顯微鏡、質譜儀、地震儀、磁力計、粒子探測器、加速器和記錄整個電磁波譜輻射的設備,我們開始探索周圍的宇宙,並將這場冒險命名為科學」。

在不斷的追問中,我們確實學到了很多,也還有更多問題等待著解答。

參考來源:

http://origins.osu.edu/connecting-history/top-ten-origins-universe-s-greatest-hits

尼爾·德格拉斯·泰森 & 唐納德·戈德史密斯,《140億年宇宙演化全史》,未讀,2019年8月

https://www.newscientist.com/term/dark-energy/

插圖設計:互動設計小能手雯雯子,幫了個小忙的嶽嶽

插圖素材:NASA/ESA/ESO/Wikicommons/Pixabay

封面來源:NASA