极简宇宙史

霍金亲传弟子写给看不懂《时间简史》的你

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    (法)克里斯托弗·加尔法德(Christopher Galfard) 著;童文煦 译
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    极简宇宙史
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    目录

    前言
    第YI部分 宇宙
    第1章安静的爆炸
    第2章月亮
    第3章太阳
    第4章我们的天体家庭
    第5章太阳之外
    第6章庞然大物
    第7章银河系
    第8章宇宙尽头的第YI道墙
    第二部分 理解外部空间
    第1章定律与秩序
    第2章讨厌的石头
    第3章一九一五年
    第4章过往层层
    第5章膨胀
    第6章感受引力
    第7章宇宙学
    第8章宇宙地平线之外
    第9章大爆炸的铁证
    第三部分 快
    第1章作好准备
    第2章奇特的梦
    第3章我们自己的时间
    第4章如何才能永远不老
    第四部分 跃入量子世界
    第1章金块与磁铁
    第2章如同海里的鱼
    第3章跃入原子世界
    第4章坚强的电子世界
    第5章一所特别的监狱
    第6章ZUI后的力量
    第五部分 到达空间与时间的源头
    第1章要自信
    第2章没有什么“什么都没有”
    第3章反物质
    第4章墙外有墙
    第5章遗失的过去无处不在
    第六部分 意料之外的谜团
    第1章宇宙
    第2章量子无限
    第3章活着,或是死去
    第4章暗物质
    第5章暗能量
    第6章奇点
    第7章灰色就是新的黑
    第七部分 迈向已知世界之外的第YI步第1章回到起点
    第2章许多大爆炸
    第3章宇宙无疆
    第4章一片尚未被探索的现实
    第5章一个关于弦的理论
    后记

    作者简介

    克里斯托弗·加尔法德,剑桥大学理论物理学博士,史蒂芬·霍金的亲传弟子,于2000—2006年师从霍金,从事有关黑洞信息悖论的研究。与史蒂芬·霍金及其女儿合著有儿童文学作品《乔治开启宇宙的秘密钥匙》,在全球45个国家出版发行。目前,加尔法德主要致力于向公众传播现代科学知识,并长期做客法国电视台和广播节目。

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    霍金亲传弟子写给看不懂《时间简史》的你

    主编推荐


    迄今为止所有的宇宙学知识,专为文科生提供

    看完本书,你可以:
    *提到天体物理或者霍金的黑洞,不会立时大脑瘫痪
    *减少对辐射、核能的恐惧
    *理解爱因斯坦的相对论,明白时间旅行的前提条件
    *可以更加自信地看硬科幻(小说或电影)
    *认识到生命的无常和独特,人生观可能有所改变……  

    内容简介

    《极简宇宙史》我们的存在的确让太阳系与众不同。夏夜,你躺在沙滩上,仰望夜空。一颗小小的流星安静滑过,还来不及许愿,不可思议的事情发生了:你一下子穿越五十亿年,走进时光的旅行……
    霍金亲传弟子、物理学博士克里斯托弗·加尔法德带领我们踏上一场关于宇宙的过去、现在和未来的惊奇之旅。不需要图表和方程式,只需凭着奇诡的想象,我们就可走向衰亡的太阳表面,飞越遥远的星系,感受来自黑洞的死亡魅力……你可以轻松读懂时至今日的宇宙神奇,继续探究关于上帝的存在、时间的起源以及人类的未来。

    精彩内容

        第1章   安静的爆炸


        想象现在是一个温暖无云的夏夜,你在一个遥远孤独的火山岛上,围绕在你周围的海面风平浪静,如同内陆的湖泊,只有极小的波浪冲刷着白色沙滩。周遭一切都是那么宁静。你躺在沙滩上,闭着眼睛,被白天阳光烘烤过的温暖细沙将热量缓缓地传递给空气,空气里弥漫着香甜迷人的异域气味。
        万籁俱寂。
        突然,远处传来的一声动物尖叫让你一跃而起,你紧张地注视着眼前的黑暗。
        什么都没有。
        刚才那个发出尖叫的不明生物现在已经安静下来。说到底,你并没有什么可害怕的。对某些动物或鱼类来说,这个小岛可能隐藏着危险,于你却完全不同。你是人类,所有捕猎者中*强大的一种。你的朋友马上就会过来与你喝一杯,你们正在度假,所以你躺回沙滩,继续自己那些作为人类成员的思考。
        广阔的夜空中有无数光点在闪烁。它们是星星。只需依赖裸眼,你就能在各个方向上看到它们。你小时候就有的疑问再次出现在你脑中:这些星星都是什么样的?为什么它们不停闪烁?它们离我们多远?现在的你还增添了疑惑:我们真的了解这一切吗?一声叹息后,你再次躺回沙滩,放松自己,把这些愚蠢的问题扔到一边:这些想法与我有什么关系?
        一颗小小的流星静静地滑过你头顶的天空,你正要许愿,一件不可思议的事发生了:就像要回答你刚才的问题似的,你一下子穿越了五十亿年时光,你意识到自己不再躺在沙滩上,而是处于外太空,漂浮在真空里。你的视觉、听觉和感知力都在,但身体却不见了。你已成仙,只剩下灵魂,你甚至还来不及回想自己到底经历了什么或喊声救命,因为你现在正处于一种*常特殊的状态。
        在你眼前几十万英里的地方,一个球状物正从遥远的星空背景下飞过。它带着深橙色的光芒,旋转着朝你飞来。你很快就意识到这个球体的表面是熔化了的岩石,你所面对着的是一颗行星。一颗液态的行星。
        震惊之余,你不由发问:什么样的能源可以提供这么多的热量熔化这整个世界?
        然后,在你的右边,出现了一颗星球,*常巨大。与那颗行星相比,这颗星星的体积大得出乎想象。它也在旋转。它也同样在空间移动,而且看起来它还在变得更大。
        那颗行星,虽然离你近许多,现在看起来就像是一个微不足道的橙色玻璃珠儿童玩具,被放在一个体积已经巨大却还依然以惊人速度变大的球体边上。与一分钟前相比,那颗巨星又大了两倍。现在,它散发着红色光芒,如暴怒的怪兽般吐出有几百万度高温的巨大等离子火舌,以接近光速的速度掠过星际空间。
        你所看到的一切都带着一种怪异的美感。事实上,你正经历着某个宇宙中*剧烈的事件,诡异的是这整个过程没有一丝声音。一切都那么安静,因为声音无法在真空中传播。
        当然,这颗恒星无法维持这么大的膨胀速率,但事实却是现在它还在变大。它已经大到了你无法想象的地步,行星已被它熔化,摧毁一切的能量正源源不断地从那颗巨星上袭来,吹向虚空。那颗星星依然不管不顾地继续膨胀,直到它原先正常大小的约一百倍,然后,突然之间,它爆炸了,把组成它自身的所有物质送入太空。
        冲击波穿过你幽灵般的身体,然后是尘埃,现在剩下的只有飘往各个方向的星尘。星星已经不见了,变成了一片壮观而多彩的尘埃云,以可与上帝媲美的速度向星际真空中扩散。
        慢慢地,*常缓慢地,你恢复了意识,明白了刚才所发生的一切,你的大脑终于对这可怕的现实有了清晰的认知。那颗死去的星星并不是天边随意的一颗普通星球,而是太阳。我们的太阳。而那颗在阳光里熔化了的行星就是地球。
        我们的星球,你的家园,没有了。
        你所见证的是我们的世界末日。这并不是一个想象中的终结,也不是玛雅文明所作出的牵强附会的毁灭暗示。这是真实景象,早在你出生之前,你所见到的事件发生的五十亿年之前,人们就已确信这是终会发生的真实景象。

        在你试图理清思绪时,你的意识又被瞬间送回现在,再次回到了你躺在沙滩上的身体之中。
        你的心脏狂跳不止,坐起身来环顾四周,如同从一个怪梦中醒来。树木、沙滩、大海和微风依然在那里。你的朋友们正走过来,出现在你的视线之中。刚才发生了什么?你睡着了吗?你看到的一切是个梦境吗?一种不安的感觉开始在你身体里弥漫,你不禁自问:这可能是真情实境吗?太阳真的会在某天爆炸?如果真的发生,人类又会怎么样?有人能够从这种大毁灭中幸存吗?我们的所有记忆,甚至关于我们自身存在的印迹都会湮没在浩瀚宇宙之中吗?
        再一次抬头看着星光照耀下的一切,你竭力想要给自己一个答案。内心深处,你知道自己所经历的不仅仅是一个简单的梦境,虽然你的意识已经回来,与自己躺在沙滩上的身体合二为一,但你的确经历了一次超越时空的旅行,去了一个*常遥远的未来,窥得了一些本不该示人的秘密。
        深呼吸慢慢地让你平静下来,你开始听到一些奇怪的声音,似乎微风、细浪、小鸟和星辰都以只有你能听到的声音向你轻声吟唱,突然之间,你听懂了它们的歌词。它是一种警告,也是一种邀请。它们喃喃地告诉你,关于人类所有可能的未来,只有一条小道,能够指引人类在太阳终将到来的死亡以及其他许多可能降临的巨大灾难之后依然存续。
        这条小道就是知识、科学。
        它是只有人类才拥有的旅程。
        也就是你将要走上的那条。
        又一声尖叫划过夜空,但这次它几乎没有引起你的注意。如同在你内心播下的种子正在发芽,你迫不及待地想去了解自己所在的宇宙。
        你再一次抬起你谦逊的视线,以一个孩子的目光注视着满天星辰。
        宇宙是由什么构成的呢?地球周围是什么?再远些呢?我们可以看多远?我们对宇宙的历史知道多少?宇宙真有历史吗?
        波浪轻拂沙滩,和大多数人一样,你怀疑人类是否能够真正了解这些宇宙秘密,那些闪烁的群星似乎将你的身体带入一种半催眠状态。你能听到那些正在走近的朋友们的交谈,但奇怪的是,你感觉到这个世界变得与几分钟前不一样了。周围的一切都变得更加丰富和深刻,你的心灵和身体似乎成为某种巨大存在的一部分。这种存在远大于以前你所能想象的一切。你的手、腿、皮肤……物质……时间……空间……围绕在你周围的互相纠缠的各种力场……
        一层你从未意识到的面纱显然已被揭开,展现在你眼前的世界显出了神秘而出乎意料的真实。你的意识迫不及待地想再次飞往星空,你感觉到一次非凡的旅行正要把你带到那离你家园很远很远的地方。
        ?



        第2章   月亮


        如果你还在阅读本书,说明你已穿越进入了五十亿年后的未来。无论用什么标准看,这都是一个不错的开端。所以你可以自信地说自己的想象力很好。这是至关重要的一点,因为想要了解在二十一世纪初期我们理解宇宙真相的视角,就需要穿越时间、空间、物质、能量,而实现这种穿越所需要的全部技能,就是想象力。
        虽然你没有主动要求,但你还是在偶然间看到了人类,以及地球上一切生命所终将面临的命运。如果我们不努力了解自然运行的规律,这个命运将成为现实。为了不被残暴的濒死太阳所吞噬并得以长期生存,了解如何才能将自己的命运掌握在自己的手中将是我们仅有的机会。要实现这一点,我们必须揭开自然所遵循的法则,并学会如何利用它们。客观地说,这是一项艰巨的任务。但在本书接下来的篇幅中,你将会看到至今为止我们已经积累起来的所有知识的大概。
        通过在我们的宇宙里的穿行,你将会了解什么是引力,原子与其他粒子如何在互不接触的情形下相互作用,你会发现构成我们宇宙的各种谜团,而这些谜团带给了我们新的物质与能量。
        在你看过所有已知的知识之后,你将跃入未知世界,看看几位当今世界上*聪明的理论物理学家所研究的课题,以及他们为了解释我们碰巧所在的宇宙中*常奇怪的现实所作出的努力。平行宇宙、多元宇宙和超维度将出现在那里。随后,你的眼睛会被从这些奇迹所激发出来的、人类历经千年所积累的知识与智慧点亮。你应作好准备。过去数十年的发现改变了我们曾经确信的知识:我们所在的宇宙不仅比我们期待的深邃广阔许多,更有着超越我们所有祖先所有想象力的美丽。还有一个好消息:我们所了解到的知识已经让我们——人类——不同于地球上曾经存在过的任何其他生物。这是一件好事,因为其他生物中的大多数都已经灭绝。恐龙曾经统治了地球表面约两亿年,而我们的时代才过去区区几十万年。它们有着足够时间对环境提出问题并作出一些解答,但它们没这么做。它们灭绝了。今天,我们人类至少有希望可以提前探测到威胁地球的小行星并使其转向。因此,我们已经具有了恐龙所不具备的力量。虽然作为事后诸葛亮这么说有些不公平,但我们多少可以把恐龙的灭绝与它们缺少理论物理学知识联系起来。

        现在,你依然躺在沙滩上,虽然,那个关于死亡太阳的记忆还在你的脑中栩栩如生。老实说,你还没有太多知识,夜空中闪烁的星辰与你自身的存在看上去毫无关联。尘世间物种的生死对它们也毫无影响。看上去那些在外太空流逝的时间所作用的尺度远不是你的身体所能感受。地球上一整个物种的存在时间在那些遥远闪亮的天神眼中不过是弹指一瞬……
        三百年前,从古至今*出名同时也是*出色的科学家之一,那位发现万有引力的英国物理学家、数学家艾萨克?牛顿,就以下述方式看待时间:他认为,有一种人类的时间,被我们感知,并以钟表计量;还有一种上帝的时间,是瞬间而非流动的。人类时间这条无限长直线,向前也向后延伸到无穷,在牛顿的上帝眼中,却只是一个瞬间。他只在眨眼之间就已看到一切。

        当然,你不是上帝,你观看星空时,你的朋友在一旁为你静静地斟酒,你却因巨大的使命感而无所适从。所有这一切都太大、太遥远、太怪异……从哪里下手呢?你并不是理论物理学家……但你也从不轻言放弃。你有眼睛,也有好奇的大脑,所以你选择从你能关注到的东西开始。
        天空一片黑暗。
        有星光闪耀。
        在群星之中,你的裸眼可以感觉到一条黯淡的光带泛着白色微光。
        不管这些白光到底是些什么,你知道这条光带名叫银河。它的宽度大概是满月直径的十倍大小。年轻时你就已多次看过银河,近来它却很少被你注意。你现在注视着它,感到它在夜空里如此明显,你的祖先们一定早就注意到了银河的存在。你猜对了。不过想起来颇具讽刺意味,虽然经过几百年来人们对银河本质到底是什么的争辩之后,我们现在已经知道了答案——但现代的光污染却让我们在绝大多数人类聚居之处无法看到银河。
        然而,从你所在的热带小岛上看去,它真切地挂在空中,显现着自己。随着地球的自转与时间的流逝,银河由东向西移过天空,就像白天运行的太阳一样。
        未来人类的可能生存地或许就在其中,在那远在地球天空之外的某处,这一想法在你的脑海中逐渐清晰,并深深根植心中难以摆脱。你聚精会神,想用肉眼看穿整个宇宙。终于,你还是摇了摇头放弃了这个野心。你知道太阳、月亮,一些行星如金星、火星和木星,你看得见的那几百颗恒星①,还有那条模模糊糊发着白色微光的灰尘般的银河远远不是宇宙中的一切。宇宙中还隐藏着许多奥秘,无法看见,或许就在那些星星之间,等着我们去揭示……如果你能够观察一切,你会怎么做?当然,你会从地球近处开始,然后……然后你会飞向远方,越远越好,然后呢……你的思维已无法想象!
        看起来不可思议,但你的意识的确开始离开你的身体,向上,朝着星空飞去。
        看着小岛以及躺在上面的自己的身体迅速向下离去,一种天旋地转的感觉向你袭来。你的意识,如同灵魂出窍,正在向上和向东飘升。虽然你还不知道这一切怎么可能发生,却已经升到了比地球上*高峰还高的空中。一个带着异乎寻常红光的月亮进入你的视野,挂在远处的地平线上,在你还来不及想好该如何描述这件奇事的片刻之中,你的意识就已经朝着月亮飞去。你发现自己已经飞离了地球大气层,飞行在位于我们所居住的行星和它*一的自然卫星之间的三十八万公里虚空之中。从地球之外看去,月亮如同太阳一般发着白光。
        你的知识之旅开始了。

        在你之前,只有十几位人类成员到达月球,现在你虚幻的身子也成为他们中的一员,与他们一样行走在月球表面。地球早已消失在月球的地平线下。你的意识带着你进入了所谓的“黑暗面”,那个从未朝向过地球的一面。月球上没有蓝天,也没有风,在月球上你能看到的星星比在地球上任何一个地方看到的都多得多,而且它们还不闪烁。所有这一切都是因为月球上没有大气层。
        在月球,地面之上一毫米就是太空了。遍布月球表面的伤痕从未被气候的变化抹平。到处都是陨石坑,都是那贫瘠的土地遭受撞击的冰冻记忆。
        当你准备走向月球朝向地球的那一面时,月球的历史猛地涌入你渴求的大脑,你看着脚下的月球大地,目瞪口呆。
        这是一种什么样的暴力!
        大概四十亿年前,我们年轻的行星与另一颗行星撞在一起,后者大概有火星那么大,这次撞击从地球上扯了一块物质下来,被带入太空。在随后的几亿年时间里,所有那次撞击产生的碎片聚到一起,形成了一个球体绕着地球运行。等这一切尘埃落定之时,就是你现在置身其上的月球的诞生之日。
        如果这次撞击发生在今天,其剧烈程度足以将地球上的一切生命抹去。而当时,我们的地球上还是一片荒芜,没有生命。有趣的是,如果没有这次灾难性的碰撞,我们就不会有月亮照亮我们的夜晚,没有潮汐变化,而地球上可能也不会出现如我们现在所熟悉的生命形式。当那颗蓝色的地球跃过月平线,出现在你眼前时,你意识到这场**的灾难事件所带来的创生与破坏一样伟大。

        从这里看出去,你所居住的行星,大小大概有在地球上看月亮时的四个月亮之大,它像是漂浮在有着星光闪烁的黑暗背景之上的一颗蓝色珍珠。
        从太空中观看我们所在的世界是一种让自己谦逊的方式,现在如此,将来也一定会如此。
        你继续在月球漫步,看着地球在月球的天空中升起,虽然一切看起来都宁静安全,你还是知道自己没有被这种表面的平静所蒙蔽。在这里,时间又有了另一层含义,地质年代中以往和现在的宙(地质年代中*大的年代单位)中发生的一切都被完好保存,宇宙中的暴力无时不在。伤痕累累的月球表面那些陨石坑就是这些暴力的*好提醒。在漫长的时间里,那些漂浮在太空里数十万计的大山般的巨石不停地击打着月球。它们也同样击打地球——只是地球上的伤痕已经愈合,因为我们的世界有生命,用不停变化着的土壤将自己的过往深深掩盖。
        尽管如此,你忽然意识到,在这个残酷的宇宙里,尽管地球有着自愈的能力,但依然如此脆弱,几乎毫无防卫……
        几乎没有。
        不是完全没有。因为它有我们。有你。

        那种创造了月球的撞击大体来说只会发生在过去。因为今天已经不再有大的行星到处乱跑来威胁我们的世界,只剩下一些小行星和彗星了——而且月亮也承担了一部分从这些威胁中保护我们的责任。然而,还是处处都有危机潜伏,当你注视着挂在黑暗天幕中的蓝色地球时,一团明亮的光球在你身后突然升起,提醒你未来地球的命运。
        这个东西是一颗恒星,是我们所居住的行星附近*亮*狂暴的天体。
        我们称它为太阳。
        它距离我们居住的世界一亿五千万公里。
        它是我们所用一切能量的来源。
        这盏非凡的天体灯泡所发出的强光让你目眩神迷,你发现自己已飞离月球,向着我们自己的恒星飞去,去探寻它的秘密。
        ?



        第3章   太阳


        如果人类能够以某种方式收获太阳在一秒钟内辐射出的所有能量,它就足以满足我们全世界五亿年的能量需求。
        你已离我们的恒星越来越近,意识到现在的太阳比你在五十亿年后看到的小很多,那时的太阳已濒临死亡。然而,即便如此,现在的它依然很大。直观地说,如果把太阳缩小到一只大西瓜那么大,我们的小小地球将会处于四十三米之外,而且你需要放大镜才能看到它。

        你已经飞到了离太阳表面几千英里的高处。在你身后,地球已成为一个小小的亮点,隐藏于一片星光背景之中。在你前面,太阳占据了一半天空。到处都是等离子体气泡的喷发。几十亿吨红热的物质就在你的眼前爆发,看上去就像被太阳磁场打开的随机圆环,穿过你幽灵般的身体。即使以*苛刻的标准来看,这也是一种无与伦比的景象,看着这种巨大的能量,你不解是什么让太阳这么独特,与地球完全不同。恒星怎么会成为恒星的呢?这些能量从何而来?而这样一个庞然大物又怎么会有死去的一天?
        为了回答这些问题,你飞向*险恶的地方:日核,太阳的心脏,太阳表面之下约五十万公里的深处。对比一下,地核大约只有六千五百公里深。
        你头朝下跃入这个明亮的火炉,还记得我们所呼吸、看见、触摸或检测到的,甚至构成你自己真正身体的所有物质,都由原子构成。原子是建造一切物质的基本构件。你可以把它们看成是你所在环境的乐高积木。与乐高积木不同的是,原子的形状不是长方体。它们主要呈球形,具有一个紧密的球状原子核和一些微小的电子在远处高速旋转。与乐高相同的是我们可以依据原子的大小将它们分类。它们中*小的一个被称为氢原子。第二小的被称为氦原子。这两种原子加在一起构成了已知宇宙的百分之九十八的物质。的确很多。但与以前比,这个比例现在已经变小了,大概一百三十八亿年前,这两种原子几乎构成了宇宙中所有的已知物质。今天我们可以看到的除了氢与氦之外的原子还包括氮原子、碳原子、氧原子或银原子等。它们显然是后来才出现的。这个过程是什么样的呢?你要去寻求答案。
        随着你在太阳中越潜越深,温度变得越来越高,热得难以想象。当你来到日核时,温度大概是一千六百万摄氏度,甚至更高。到处都有足够多的氢原子,虽然它们都已被周围的高能量剥光:它们的电子已经被松开,只留下孤独的原子核。这儿的压力*常高,原子核们被整个恒星加于自己核心的重量压迫着几乎无法动弹。这还不够,它们还被迫彼此融合,变成一个更大的原子核。这一切就活生生地在你眼前发生:热核聚变,一个用较小的原子核产生较大的原子核的过程。
        原子核们一旦生成,在离开诞生它们的火炉时,这些较重的原子核与那些被剥离氢原子核而独自作着自由运动的电子们结合到一起,成为新的更重的原子:氮原子、碳原子、氧原子、银原子……
        热核聚变反应(以小原子创造大原子) 能够发生的一个必要条件是巨大的能量,太阳压倒一切的自身引力就是这种巨大能量的来源。这个引力将一切物质拉向太阳的核心,以巨大的压力挤压它们。热核聚变反应无法在地球表面(或内部)自然发生。我们的行星体积太小,而且不够致密,因此自身引力不足以让其内核达到足以触发热核聚变反应的温度和压力。在定义上,这就是行星与恒星的主要差别。两者都是大致呈球形的天体,行星的体积和质量基本上都比较小,有着岩石内核,有时候外面包裹大气。而恒星可被视为巨大的热核聚变反应工厂。它们的引力能量大到可以凭借自然的力量在其内核将物质压缩以产生新的物质。地球上所有的重原子,生命所必需的所有重原子,包括构成你身体的所有重原子,都是在某颗恒星内部被创造出来的。当你呼吸时,你吸入它们,当你触摸自己的皮肤或者别人的皮肤,所触到的都是星尘。你早先疑惑为什么像太阳那样的恒星在寿命将终时会死亡和爆炸,答案就在这里:如果没有这种结束,构成我们的物质将无法被释放。地球也无法诞生,生命无法形成,世界中将只有氢原子与氦原子存在,被锁定在永不死亡的恒星内部。
        从另一个角度看,因为构成我们的并不只是氢原子和氦原子,我们的身体、地球和周围的一切都含有碳原子、氧原子和其他原子,所以我们能够以此推断太阳是一颗第二代甚至第三代恒星。**或第二代恒星已经爆炸过,它们的星尘才变成太阳、地球和我们。那么,是什么原因造成了它们的死亡?为什么那些恒星会以这种惨烈爆炸的方式结束自己闪亮的一生?
        核聚变反应有一个神奇的特点,不管反应开始时需要多少能量——整个恒星的重量!——反应一旦开始,就会释放出更多能量。
        这背后的原因看起来让人难以相信,实际上它就发生在你眼前,除了相信,你别无选择:当两颗原子核融合在一起变成一个更大的原子核时,它们的一部分质量消失了。聚合而成的新核比创造它的两颗旧核的总质量来得轻。这就像你将一公斤香草冰淇淋与另一公斤同样的冰淇淋混合在一起后,你得到的不是两公斤冰淇淋,而是少了一些。
        在日常生活中,这种现象不会发生。然而,在原子核的世界,这是寻常事儿。对于我们来说幸运的是,这些质量并没有凭空消失,而是转化为能量,爱因斯坦著名的质能转换方程E=mc2 给出了这种转化的兑换率①。
        在我们的日常生活中,我们对兑换率的概念更多被用于不同货币之间,而非质量与能量。所以,要理解E=mc2 这个自然界的兑换率是否公平,就要把它想象成在纽约肯尼迪机场将英镑(*初的质量)换成美元(用质量换来的能量)。兑换率就是c2,c代表光速,c2代表将光速乘以它自己。一英镑可以换到九亿亿美元。我觉得这是一个很好的生意。事实上,这大概是自然界里*好的兑换率了。
        显然,在每次核聚变反应中两个原子核融合后失去的质量*常小。但在太阳内部,许许多多原子同时发生融合,这样释放出来的能量就相当巨大。这些能量必须找到一个出口,因此它们往外扩张,以各种可能的方式离开日核。*后,这种核聚变产生向外扩张的能量与引力带来的向内压缩的力量平衡,令我们的恒星拥有一个稳定的大小。如果没有这种能量释放,只有引力作用,太阳就会塌缩变得很小。
        核聚变释放出巨量的光和粒子,这些光与粒子又将它们周围的一切都剥离成原子核与电子。这种原子核与电子分离的物质状态被称为“等离子体”。
        这种光、热与能量的大规模释放就是恒星之所以发光的原因。
        作为恒星的太阳并不是一个巨大的燃烧火球——火焰燃烧需要氧气,虽然太阳会创造出一些氧原子以及其他重原子,但外层空间里没有足够的游离氧气来支撑哪怕*小的火。在太空里,你永远擦不着一根火柴。与天空中所有的恒星一样,太阳是一大团闪闪发光的等离子体,一个由电子、失去了部分电子的原子(它们被称为离子)、失去所有电子的原子(仅剩下原子核)所组成的炽热混合物。
        只要太阳核心处还有足够多的微小原子核可以压缩融合,太阳的引力与聚变反应能量之间就能维持平衡,我们就能足够幸运地生活在一个处于这样状态的恒星边上。
        事实上,这和运气也没什么关系。
        如果我们的太阳不处在这样的状态,我们也将不复存在。
        现在你已知道,太阳不会永远处于这种状态:我们恒星的内核有一天会用光它的聚变燃料。当那天到来时,内核不再有足够的向外辐射来对抗引力。引力将打破平衡并引发我们恒星的*终一系列反应:太阳将塌缩而变得更紧密,直到核聚变再次被点燃,但这次核聚变发生的场所将不再是内核,而是发生在离表面更近的地方。这时再次开始的核聚变将无法与引力平衡,而是超过引力,太阳表面将被推开,令恒星体积变大。你已经在通向未来的旅程中见过这一幕。能量的*后释放预告着你已见过的恒星死亡的开始,太阳将自己一生所创造的各种原子喷向太空,同时,还创造出更多、更重的原子,如金原子。*后,这些原子与周围其他死去的恒星残骸混合在一起,变成星尘,形成巨大的星云,或许,在很远很远的未来,又成为新世界产生的种子。

        科学家们通过估算太阳内核中氢原子的含量来推测这次爆炸将会发生的时间,计算结果是:太阳的爆炸将发生在五十亿年后的某个星期四,前后误差各三天。
        ?



        第4章   我们的天体家庭


        现在你对太阳的了解已经超过了所有生活在二十世纪中期的人。每一天照射在你身上的阳光来自太阳内核那些原子的融合,以及因此被转化为能量的部分质量。但是,地球并不是接受太阳能量恩惠的*一天体。

        眨眼之间,你的意识回到了热气腾腾的太阳表面,你环顾四周,如同老鹰。远处群星看起来似乎是固定在天空里的背景纹丝不动,但其中有八个亮点在明显移动着。这些亮点就是行星,它们也是圆球状,但体积太小,无法成为恒星。离太阳*近的四颗,看上去像小小的岩石世界,而更远的四颗则主要由气体构成。那四颗气体构成的行星与太阳相比依然微小,但与地球相比却如同巨人,虽然地球已经是那四颗岩石行星里*大的一颗。这些行星与地球一样,都诞生于同一片早已死去的恒星所留下的星云,但它们以及上百颗围绕这些行星旋转的月亮们都不能够在将来成为人类的庇护所。它们都被太阳的引力所束缚,也都会随着太阳*终的爆炸而毁灭。如果我们想要寻找避难所,一定要去更远的地方。
        这种紧急感让你发力一蹬,意识以*快的速度离开,想去看看太阳控制之外的世界。在这旅程中,你将顺道拜访一下你的远房表兄弟,那些我们太阳系里的巨人们。
        你现在离太阳的距离大约是地球离太阳距离的三倍。水星、金星、地球与火星是四颗较小也是离太阳*近的岩石状行星,它们已经被你甩在身后。从这里看过去,我们的恒星太阳是一个闪闪发亮的圆点,大约就像伸长手臂看你手中拿着的一个一分钱硬币的一半大小。如果地球处在这个位置,英国一个典型的炎热七月中午,一年中*热的时候,在气温上也会给你比南极洲的严冬更寒冷的感觉。①
        当你离它越来越远时,阳光就会变得越来越稀少。
        你又飞过一些石块,它们是太阳系诞生初期留下的遗迹。大多是些土豆形状的小行星,这些漂浮转动着的石块一起构成了一个围绕太阳旋转的巨大圆环,即天文学家所称的“小行星带”。小行星带将四颗较小的类地行星与巨人的世界间隔开来。这些石块分得挺开,当你飞越小行星带时,你意识到自己撞上它们的可能性微乎其微。许多人造卫星都曾飞越其中,毫发无损。
        离开小行星带后,你又飞越了木星、土星、天王星与海王星。这些都是气态巨人,只有一个相对很小的岩石内核深深地隐藏在巨大而骚动的大气层下。这几颗行星都有着美丽的星环,土星环尤其出色,不管从大小上还是美丽程度上,其他几个行星的环加起来都及不上它。
        你一个个地飞过它们,满怀崇敬地看着这一个个巨大的世界,虽然它们不能孕育生命,也不适合人类居住。
        海王星是离太阳*远的太阳系行星,你或许以为在它之外一无所有,但实际情况远远不是这样。这里还有一个环带,里面满是各种种类和大小的脏雪球,很可能也是太阳系以及它的成员们从很久以前死去的恒星留下的星云形成时的副产品。这个环带被称为柯伊伯带。从这里看,太阳就像黑幕上的一个小针孔,与别的恒星没什么两样。几乎没有什么热能会传到这么遥远的地方,但这里并不孤寂,还是会有些热闹事儿发生。
        时不时地,因为碰撞或其他某种扰动,某个或某些脏雪球会脱离它们原本安静而遥远的绕日轨道。当它们朝向太阳飞行时,会慢慢来到较暖的环境并在太阳辐射的照耀下融化并留下长长的尾巴,这条尾巴里是微小的冰块或石块,在黑暗的背景下被阳光照得闪闪发光。这就是我们称之为“彗星”的天体。欧洲航天局在二〇一四年十一月将一个坚固的探测器“菲莱号”降落在一颗彗星表面进行研究,而带着这个探测器过去的“罗塞塔号”太空飞船则依然围绕这颗彗星旋转,观察这颗彗星在接近太阳时其表面和*外层如何被气化……
        可怜的冥王星——*近它被剥夺了行星资格,降级为矮行星——成为那个冰雪柯伊伯带的一名成员,与至少两颗类似矮行星(妊神星和鸟神星)一起。冥王星与它的卫星卡戎离太阳实在太远了,从冥王星被发现并被称为太阳系第九大行星到这个称号被剥夺、归于矮行星的七十六个地球年里,它们绕太阳一周都没走完,也就是这一切都发生在冥王星上的一年时间里,想想也算是有趣。在地球上,天文学家花了几十年才找到它,因为其大小只有我们月亮的四分之一。当然,这种地位变化丝毫没有影响到这颗你刚飞过的土棕色星球。很快,你就把它抛在身后,接着向更远的地方飞去,仍然在我们闪亮的恒星太阳的保护之下①。你与路上更多的矮行星及更多彗星擦肩而过,甚至看到了更多人类尚未发现的冰雪世界。但你的注意力迅速转向了这个包含了你至今所见到过的所有东西的巨大球体。
        你所看到的所有的行星、矮行星、小行星和彗星几乎都处在一个扁平的圆盘之中,太阳在圆盘的中心闪闪发光。但你现在看到的景象却又有所不同。一个储存着几千亿亿亿个可能彗星的彗星库形成一个巨大的球状星云,看起来就像占据了太阳与其他恒星之间的所有空间。这个彗星库被称为“奥尔特云”。
        它大得难以想象。
        它标示着我们这颗恒星的地盘,包含了我们这个宇宙家庭的所有成员,这个宇宙家庭被称为太阳系。
        再远处,你进入了尚未被了解的空域,朝着离我们*近的恒星飞去。那颗恒星发现于一九一五年,在一个世纪之前,正是我们刚开始了解我们宇宙的时候。它的名字是比邻星。
        ?



        第5章   太阳之外


        你的身体依然躺在我们地球的某个沙滩上,但你的意识已经飞到人造物体所到过的*远处①。当你穿过奥尔特云的边际时,就已离开了太阳系,进入了另一颗恒星的领地。你穿过这条模模糊糊的界线时,已经见证了这个分界线的意义,因为你看到太阳系*远处的几颗彗星改变了轨道,从以太阳为中心的曲线远点,进入另一条曲线远点,那条曲线的中心是另一颗恒星,那颗你正要飞去的恒星:比邻星。
        比邻星属于那种被称为红矮星的家族。它比太阳小很多(只有太阳的大约七分之一大),色调偏红。这也是红矮星名字的来源。红矮星*常普遍,天空里大多数恒星都属于红矮星。
        当你离它越来越近时,它的亮度会产生剧烈变化,并将巨量炽热的物质随机抛出。
        好了,那么有没有行星围绕这颗疯狂的红矮星旋转?你找不到。
        真可惜啊,你觉得就算在围绕比邻星旋转的行星上的生活不太容易,至少这颗恒星能活很长很长时间。我们的太阳爆炸时,它也依然年轻。就我们现在所知,从宇宙诞生开始算起直到现在,哪怕再过三百倍这么长的岁月,比邻星也将依然如现在一样闪耀。无论以什么标准看,这都是一个相当长的时间。
        因为比太阳小,它微小的内核里原子聚合的速度比太阳慢好多好多。对恒星来说,大小,的确至关重要:体积越大,寿命越短……而对于那些围绕它们旋转的行星来说,距离才是至关重要的因素。要想在其表面拥有液态水(因此能够让我们所知道的生命形式生存),行星必须不太冷,也不太热。为了满足这个条件,它的轨道不能离它所围绕的恒星过远或过近。对于一颗恒星来说,有一个特别的距离范围,在这个范围内运行的行星将有可能在自己表面保持液态水,这个距离范围被称为“宜居带”。所以,如果你能找到另一颗红矮星,并且在它的宜居带中又恰好有一颗类似地球的行星转动,那么它就有可能与我们温柔的家园相似,并且基本上可以永远存在……

        对有这样的想法,你有些负罪感,于是你转过身来,看着你的家——太阳系,原以为太阳会比天空里所有其他恒星看上去更亮一些,但事实令你失望了。你突然真正感觉到了宇宙之间的距离。
        你不禁思考如果自己不是意识,而是一个真正的空间旅行者,将一个信号发回家需要多久?
        如果你有一台星际移动电话,你可以尝试在每一站致电你的朋友,告诉他们你的见闻。移动电话能将你的声音转换成以光速前进的信号,在地球上的两地之间传递,这看起来就像是毫无延迟的通信工具。在外太空,距离通常很大,不再有什么能够瞬间传递而没有延迟的通信了。从月球发出的光需要大约一秒到达地球,然后再花一秒返回。如果你问你在地球上的朋友能否用望远镜看到你自己,你只能在两秒后才能听到他的回答。
        太阳就更远了。光需要八分二十秒才能到达地球,对话变得有趣起来,因为一方要等超过十六分钟才能听到对方对自己问题的回答。但在宇宙中,太阳到地球的距离只能说是近邻。如果现在你从比邻星边上致电地球,电话铃声将在四年两个月后响起。你所提问题的任何回答*快也要在八年四个月后到达。

        而你不过还是在除了太阳以外离地球*近的恒星那里罢了,这就已经让你觉得离家很远,所以你开始寻找某样东西帮你定位自己,不要迷了路。
        你想起了自己在那个小岛沙滩上见到的美丽银河,你环顾四周,想看看那如云雾般的白色光带现在在哪里。你大吃一惊,因为现在它一点都不像一条粗粗的直线,而像是一个斜放的圆环,有些地方比另一些地方亮些,而你正身处其中,你意识到之所以在地球上它看起来像一条线,是因为在你脚下的地球本身将它遮掉了大半。
        既然在比邻星边上没有找到行星,你不假思索地朝着银河中*亮的部分飞去。
        虽然你自己还不知道,你飞去的方向是一个由至少三千亿颗恒星组成的庞大集合的中心。那个集合被称为“星系”。
        ?



        第6章   庞然大物


        只要仔细想想,你就应该明白一个有着三千亿颗恒星的星系中心一定会有些不同寻常之处。以地球为例,它的中心是(地球上)*致密、*炽热、*严酷的地方;以太阳系为例,其中心是太阳,又是(太阳系里)*致密、*炽热、*严酷的地方。当然这未必可以证明什么,但它多少提示着银河系的中心也应该不同寻常,或许藏着什么特别的东西。
        你的念头一起,就已飞过了几千万颗恒星。有一些比太阳大好多,注定有着一个很短的寿命,另一些则很小,寿命长得让人无法想象。你还飞过由成千上万颗已爆炸的恒星残骸所产生的星云构成的恒星养育所,以及一些刚死去的恒星的墓地,它们的物质正等待着融合以成为恒星养育所。你终于来到目的地,接近了我们银河系的中心,不管那是个什么东西,你突然停了下来。
        就在你眼前,又出现了一个环。一个不停旋转着的彩色圆环,里面分布着各种物质。你更仔细地观察,发现这个圆环由气体、上亿块岩石和彗星组成,它们都围绕着一个厚厚的甜甜圈形状的东西旋转,那个东西还发射出明亮炽烈的光线。
        这是怎么回事?这些石块和彗星围绕着的是什么东西?你又往四周的远处看去,几乎无法相信自己的眼睛……随着这个圆环旋转的不仅仅是那些巨石,还包括恒星。所有的恒星——不是行星——是恒星本身在旋转,而且速度还很快。
        到二〇一五年为止,人类所知道的宇宙中移动*快的天体就在其中。科学家给它取名为S2,或2源。从地球上看,科学家们发现它可在十五年半的时间里绕那个甜甜圈一圈。考虑到这一圈的长度,它的运行速度是惊人的每小时1770万公里。这怎么可能?什么样的怪物可以拥有如此强大的引力将以这么快速度运行的天体束缚在自己身边?实现这一切的力是否可能存在?

        想象一颗玻璃珠和一只大碗。
        你让玻璃珠贴着碗壁旋转,如果转速太慢,玻璃珠会马上落到碗底。如果转速太快,它就会沿着碗壁上升并*后飞出大碗,打破你厨房里的某样东西。如果速度刚刚好,它就会在碗壁稳定旋转一会儿,位于碗底与碗口中间,既不飞出去,也不落下去,直到摩擦力将它的速度变成热能减慢了它的转速。
        现在,想象那颗玻璃珠就是这速度惊人的S2,还有一只看不见的碗提供它围绕这甜甜圈里的神秘物件旋转的轨道。在太空中没有摩擦力,所有恒星都不会损失它们的动能。①从S2的转速上,我们可以想象出这只巨碗的形状及其底部所具有的质量。
        科学家们已经多次进行这种比较简单直接的计算,每次答案都让人难以置信:保持S2以这种速度旋转而不被甩出去,所需要的质量要超过四百万颗太阳。这会是一颗巨大的星星。
        但我们碰到了一个问题,在S2的轨道中心,我们看不到任何星体。不管你怎么费力寻找,但还是什么都找不到。
        从地球上,为了了解这个有着四百万颗太阳质量,束缚S2不让它飞走的天体到底是什么,科学家们专门建造了可以探测到我们眼睛所看不到的光线的望远镜,这些光线包括紫外线,以及为了得到更壮观的图像,用上了所有光线中能量第二高的一种——X光。使用这样的望远镜依然没有找到任何星体,不过他们还是看到了圆环中有高能光线被喷出,源头是个很小的位置。抓住S2的不仅不是一颗恒星,甚至远远没有它所应该具有的体积。根据这一切,科学家给出的*一可能的解释是:躲在那里的是一个黑洞。一个质量惊人的黑洞。
        科学家们称其为人马座A* (念成 A 星),但他们无法在地球上仔细研究它,因为位于它与我们的行星之间的各种恒星、星云、气体掩盖了它的细节。①但是,现在的你正站在它的边上,如果你想知道地球上的望远镜所探测到的高能光线爆发是什么所引起的话,现在正是寻找答案的好机会。
        可以理解,站在一个看不见的巨兽边上让你感到不安。谁知道黑洞的脾气?你的意识会不会被它吞噬,永远无法回到你的身体里面?它会不会被黑洞捕获,永远离开这个你熟悉的世界?或者那里有一个秘密通道,一个通往另一个宇宙、另一个现实的大门,就像你曾听人提起过的那样?
        犹豫不决中,你盯着那由数十亿微小灰尘和石块构成的明亮圆环。
        突然之间,一颗巨大的土豆形状的小行星以每小时一百万公里的速度从你身边飞过,你仔细地看着它。它飞速穿过圆环,熔化成微小的一块东西,被圆环上的星尘摩擦而燃烧发光。就像小石块进入地球大气层会变成流星,在降落到地球表面之前就会燃烧殆尽一样,这颗小行星远未到达那个甜甜圈中心,就已消失不见了。
        你转过头去看还有什么会发生,这次冲你而来的不是一大块石头,而是一颗恒星。一颗巨大、闪亮、狂热的恒星,与S2一样,而且更大。它也会被烧掉吗?能穿过去吗?你看着它以一个角度朝向自己的**命运——那个甜甜圈飞去。现在它已进入圆环,被圆环本身遮住了,但在旋转了半圈之后迅速再现,不过现在它已经发生了奇特的形变,就像某种力量影响了海市蜃楼,让幻影改变了形状。它继续朝下飞去。看上去正承受巨大的压力。行星般大小的物质从恒星表面撕裂飞出。你试图保持平静,祈祷这其实没什么可怕,但你的意识还是不由自主地感觉自己变得疲惫而沉重,准备迎接巨大的灾难……
        直到现在,你一直只是纯灵魂地存在,不受任何规范宇宙的力量所影响,但这次似乎不同了。满心沉重,你成为引力作用的对象,被推到了这个巨物面前。虽然不愿意,你还是被拖着往下掉去,被吸引着,如同身处一个看不见但又光滑的斜坡往下滑去。你穿过充满酷热物质的圆环,离那颗同样向下掉去的恒星越来越近。那颗恒星现在已经被完全撕裂,喷着白热的等离子火舌盘旋下降,也带着你,朝着依然不可见的黑洞跌去。
        不用说,你理所当然地感到恐惧。数万亿吨的等离子体与你一同下坠。随着你越来越快地盘旋下坠,你的心脏已跳出了胸腔,直到……直到一个巨大的力将你弹出。那颗恒星的残骸似乎变成了威力无比的急流,而这个急流的组成看起来似乎是从质量转换来的纯能量。你满心疑惑,怀疑自己是不是滑入了一个位于黑洞中心的平行宇宙,但很快你就意识到自己没有穿越,而是离那个怪物越来越远,你被这个质量怪兽拒绝并抛弃了。银河系的巨大圆环再次变得清晰起来,在很远的地方。
        就像孩子的玻璃珠在碗壁转得太快,你和那颗已经解体了的恒星的星尘在到达那个真正构成黑洞的核心之前就被抛了出来……你跌下去的速度太快,在到达那个看不见的怪物之前就已被甩出,那颗恒星也一样,它的质量被转化成人类所知能量*高的两种光线——X光与伽玛射线——所构成的两道激流,一道朝上,一道朝下,就像两道灯塔的灯光,射向银河系恒星间巨大的空间,以及更远、更大的虚空。
        这两条激流的速度惊人,你也一样。你被它带着飞过几百万颗恒星,就像有一根手指将银河系当作戒指戴着,而你正沿着这根手指所指的方向飞驰。
        或许现在还不是你跃入黑洞的时候,或许老天想让你在被死神抓住之前见证更多我们宇宙的美景……
        不管是基于什么理由,你的心脏恢复正常跳动,你的思维再次变轻,你的意识又摆脱了引力的作用。你已来到远处,恢复了自由移动的能力。你还趁此良机多跟了一会儿激流,看看它会带你去哪里。没过多久,你就又见到一些奇事:周围的恒星看上去不那么多了。很快,你的前面已经没有星星了。很远处还是有些光源,但那里与你目前已经见过的地方相比实在是太遥远了。奇怪的是,银河系的圆环也已经不见了。你正奇怪它们去哪儿了,低头一看,眼前是你所见过的*壮观的景象。没有一个人类或人造物体曾有幸见过这个景象。地球上的观察曾经瞥到过你刚逃脱的那个黑洞附近几眼,但你现在所见到的景象则完全没有被记录。如果你在现在这个地方打电话给地球,回复——如果有的话——得在九万多年之后才能被你接收到。

        你在银河系,你的星系之上。
        当你在那个沙滩上抬头看着夜空时,认为银河系一定是伸展到了宇宙的尽头,现在你已经看到事实并非如此。银河系远远不是宇宙里的一切。银河系不过是散布在尺度远为巨大的黑暗之中的一个恒星群岛而已。
        ?

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