想要從頭開始做一個蘋果派,你必須先創造宇宙

想要從頭開始做一個蘋果派,你必須先創造宇宙。

在具有里程碑意義的紀錄片《宇宙》中,卡爾·薩根穿著他標誌性的紅色高領毛衣,轉頭面向鏡頭,說出了這句話。

人們通常喜歡用更浮誇的術語來表述理解萬物的終極起源,比如霍金口中的「上帝之心」,但薩根則選擇了一種更「腳踏實地」的表達。

即使像蘋果派這樣不起眼的東西,也深深植根於這場宇宙大戲之中,想要真正理解它,就要理解宇宙和我們自己在其中的一小部分。

如果我們從一個蘋果派開始,把它分解成更基本的成分,並試圖弄清楚它們是如何做出來的,我們最終會到達終點嗎?

暴脹

暴脹究竟是如何發生的,或者說暴脹是否真的發生過,目前還不確定,但它是我們宇宙學故事中被普遍接受的一部分。

人們認為,在一段極短的時間內,可能僅僅是萬億分之一的萬億分之一的百億分之一秒,宇宙就膨脹到了原來的至少10²⁵倍。

暴脹理論實際上講述了一件難以置信的事情,那就是,我們在宇宙中看到的所有結構,最終都是量子漲落的結果,這些漲落髮生在遠小於原子的距離上,並被暴脹撐大到絕對巨大的尺度。

換句話說,可觀測宇宙中的無數星系最終是在宇宙時間的第一瞬間,在量子水平上的微小抖動所孕育的

所以,當你創造宇宙時,小心不要讓暴脹持續太長時間,否則你只會以一片虛空而告終,搞砸整道菜。

暴脹後,你會發現宇宙溫度急劇上升。接著,請打開希格斯場,設置在246GeV上下。

如果你想知道為什麼是這個數字,非常抱歉,物理學家還沒有答案。我們只知道,246GeV恰到好處地賦予了粒子有限但又不是特別大的質量,它創造了一個充滿了有趣物質的宇宙,而不是一團無質量粒子,也不是一堆黑洞。

但要獲得如此令人滿意的理想值,自然法則中需要存在一系列不可思議的巧合

此外,你可能還需要超對稱或者額外維度來讓希格斯場保持穩定。至於想選擇哪個,全憑你喜歡!

為了製造物質,試著確保希格斯場不均勻地開啟,在混合物中形成膨脹的小泡,優先吸收夸克而不是反夸克。同時,使用斯帕萊龍(sphaleron)將反夸克轉化為小泡之外的夸克。

首先要說明的是,斯帕萊龍不是粒子,相反,它是更微妙的東西,是幾個場作為一個整體共同移動的巴洛克式的混合體。一個斯帕萊龍可以作為一臺製造物質的機器,你需要做的就是放入一些反物質,普通的物質粒子就會出現。

這種神奇的能力使斯帕萊龍成了標準模型框架內唯一能夠打破粒子和反粒子之間完美平衡的物體,它在我們理解物質起源的過程中發揮著獨一無二的重要作用

一旦你的希格斯場達到了想要的一致性,你就會發現夸克比反夸克要多。你現在有了一碗夸克和膠子的熱湯。

讓這碗夸克和膠子熱湯繼續膨脹,並再冷卻幾百萬分之一秒,直到它開始凝結形成質子和中子。讓反物質和物質湮滅,只留下大約百億分之一的原始物質

別擔心,這對做蘋果派來說應該足夠了。

再過一會兒,混合物應該已經冷卻到10億度以下,你可以開始製造氫之後的第一種元素。現在你的混合物裡大約每7個質子就對應一個中子,還有一堆光子。在逐漸降低的溫度下慢燉約10分鐘,直到核聚變產生輕核的混合物,大約是每一份氦對應三份氫,再加上少量鋰

讓氫氦混合物繼續冷卻38萬年,如果一切正常,你應該會注意到,當電子與氫核和氦核結合形成第一個中性原子時,熾熱的混合物開始變得透明。你現在可以讓溫暖的氣體在無人看管的情況下再冷卻1億到2.5億年。

好吧,除了等待,似乎沒什麼好做的。

接下來,你可以用坍縮的巨大氣體雲形成

接下來,你可以用坍縮的巨大氣體雲形成第一批恆星。在它們的核中,首先將氫轉化為氦,然後將氦轉化為碳。你可能會發現,這第一批恆星足夠大,可以繼續將所有元素聚變一直形成鐵,然後利用超新星將混合物散播出去。

再過約90億年,在隨後幾代恆星、超新星和中子星碰撞中,繼續製造大量重元素,直到形成一種從氫一直到鈾的混合。

如果你的運氣夠好,就能從這些混合物中得到一顆完美的岩石球體。確保生成的行星有足夠量的氫和氧(最好以水的形式出現)、碳和氮。

接著進行一些生物學的步驟。老實說,我也不確定接下來要做什麼。但在45億年後,如果運氣夠好,你最終會得到蘋果、樹、奶牛和小麥,以及其他一些有用的生物。

沒錯,這些就是你需要的。現在你可以盡情享受美味的蘋果派了!

我們能從頭開始學做蘋果派嗎?

量子力學和引力似乎在告訴我們,宇宙開始的那一刻,當引力、空間、時間和自然的量子場都統一在一起時,它本質上或許就是不可知的

但這並不是令人沮喪的理由,事實上應該截然相反。在理解物質的基本成分及其宇宙起源方面,我們已經走了很長一段路,但還有很長很長的路要走。

故事還沒有結束,它仍在被繼續書寫著。現在,我們可以跟隨劍橋大學粒子物理學家哈里·克利夫的腳步,開啟一段史詩般的傳奇征途。

一路上,我們將與過去和現在的化學家、天文學家、物理學家和宇宙學家不期而遇,探索物質的基本成分,揭示它們背後的歷史。我們將直面那些懸而未決的謎團,追尋是否有我們永遠無法回答的問題。

我們會跨越各大洲,穿越數個世紀。從原子起源到大爆炸,尋求宇宙的配方

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【溫馨提示】圖書由中信出版社直接發貨。

#創作團隊:

文字:Takeko

設計/排版:毛尖尖 雯雯

#參考來源:

文字內容整理自《如何從頭開始做一個蘋果派:從原子起源到大爆炸,探索我們宇宙的配方》,經出版方授權使用。

#圖片來源:

封面 & 首圖:@broussaille私制/中信出版·鸚鵡螺,經授權修改使用。

圖書詳情圖由中信出版·鸚鵡螺提供。