不如问问宇宙,为什么是我

发布网友 发布时间：2022-12-29 14:08

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热心网友 时间：2023-06-25 06:05

生活不总是以我们期望的样子呈现，假如哪天你觉得不幸，“为什么是我”这样的问题，不要只是在心里问自己，不如也抛给宇宙，听听它的答案。

1、探索的礼物

宇宙是不是可知的？

宇宙是如何形成的？

它的年龄有多大？

它有没有边际？……

当有人向你问起这些，你可能会说，宇宙的事情交给物理学家、天文学家好了，我只是个普通人，你问的跟我没有关系，我不知道也不想知道。

但是有一些人，比如你口中的物理学家、天文学家，他们就对此抱着巨大的好奇和热情。他们前赴后继的研究，取得一次又一次进展。

万有引力定律

1687年，艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》上发表了“万有引力定律”。这是具有里程碑意义的重大发现。

在此之前，人类对于宇宙的探索虽然古已有之，不过早期的都和中国古人曾经提出的盖天说、浑天说意思差不多，都是基于比较原始的观测和想象，直到公元2世纪，托密勒提出“地心说”，1543年哥白尼提出“日心说”，人类的这种探索才真正进入科学的轨道。

在此之后，万有引力定律不仅在当时巩固了哥白尼“日心说”的科学基础，更在后来成为一条普适理论，适用于整个宇宙。

光谱学

同样还是牛顿。1666年，他通过棱镜分光实验把太阳光分解成从红光到紫光的各种颜色的光谱，发现白光是由各种颜色的光组成的。这是人类最早对光谱的研究，只是并未观察到光谱谱线。

一百多年后，德国科学家约瑟夫·冯·夫琅和费站在了巨人的肩膀上。1814年，夫琅和费发现了太阳光谱中的许多暗线，1822年，他成为第一位用衍射光栅测量波长的科学家，因此被誉为光谱学创始人。

再之后的约两百年，名可见经传的科学家就有十余位为了光谱学的研究作出努力和卓越的贡献。这期间，光谱学的发展可谓惊心动魄。

说惊心动魄，是讲它在分析和天文领域的广泛应用。通过光谱学研究，人类发现每一个化学元素的光谱都有自己唯一的特征，任何物质，只要看看吸收光谱，就能准确判断里面有什么元素。

然后人类把眼光投向了宇宙，竟发现宇宙中的物质并不多么神秘，其他地方有的元素，我们地球上也有。都是“平常的”元素，都是“普通的”物质，没有什么不同。

如此结合万有引力定律，我们知道了别处和地球物质是一样的，物理定律是一样的，而且过去和现在都是一样的。宇宙似乎就此变得可知了许多。

宇宙背景辐射

然而，仅靠万有引力定律和光谱学，我们还是不能更深程度的认知宇宙。好在，我们庆幸地获得了探索带来的第三份礼物，那便是宇宙背景辐射。

宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为微波背景辐射，产生于大爆炸后的38万年。

那时候宇宙非常年轻，温度非常高，但是之后随着自身不断膨胀，便开始慢慢降温，到现在约138.2亿年后，仅残留着3°K左右的热辐射，遍布在整个宇宙。

这种热辐射由于具有黑体谱的特征，我们断定它们只能产生于宇宙形成的早期。所以说宇宙背景辐射也是宇宙大爆炸的遗迹。

这个遗迹其实在1948年就由美国科学家阿尔弗和赫尔曼预言到了其存在。两位科学家甚至推算出“宇宙微波背景辐射”（早期的文献中称“遗留辐射”）的温度应该是5°K。不过他们的预言没有引起人们的重视。

到1965年，两个贝尔实验室的工程师才偶然测量到了“宇宙微波背景辐射”—— 现在最精确的结果，这个温度应该是2.72°K。

现在借助卫星观测，天文学家可以精确绘制整个宇宙的微波背景辐射地图—— 

这张图告诉了我们宇宙刚刚产生38万年的时候物质的分布情况。根据这一点，我们可以推测宇宙现在的物质是怎么分布的，未来又将如何演变。

宇宙学视角

如果前述是对宇宙的探索送给我们的三份更具有工具意义的礼物，那么宇宙学视角则能给我们提供更多思考问题的角度和方法。

在1990年2月14日，正当时旅行者1号太空船刚完成其首要任务之际，美国国家航太总署发出指令指示太空船向后看以拍摄它所探访过的行星。美国国家航天总署最终从这个动作中编译出60帧照片，辑成了一幅太阳系全家福。当中一张照片刚好把地球摄于镜内。地球在这张从64亿公里外拍摄的照片中，只是在粒状照片里一个渺小的“暗淡蓝点”——

很难想象我们就生活在这个蓝点之上。而且即使相比这个蓝点，我们也渺小如蝼蚁。但是，我们并不因为自己渺小就停止对世界对真理的探索。现在如你所见，这种探索与追求已然获得了很好的回报。

我们不应一味强调自己的渺小。我们凭借在地球上得到的知识，就可以探知到整个宇宙的奥秘，难道这不是奇迹，难道我们还应该感到渺小？

谦卑是必要的，这是宇宙学视角给我们上的第一课。第二课是永远不要停止探索，因为只有探索才能够证明我们多么伟大。第三课，我们要倍加珍爱这个赖以生存的“暗淡蓝点”，这个我们目前所知的唯一的家园。

回到本文一开始提过的两个问题：宇宙是如何形成的？它的年龄有多大？

大爆炸模型

大爆炸模型基于爱因斯坦的广义相对论作为框架，于二十世纪中叶年由美国物理学家G.伽莫夫等人正式提出。

在包括从星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间元素的丰存度，而今大尺度结构和星系演化等证据的有力支持下，大爆炸宇宙模型成为标准宇宙模型。

大爆炸模型认为，宇宙起源于100多亿年前一个原始火球的大爆炸。之后在暗能量的助推作用下，宇宙就一直处于加速膨胀的进程中。

那么这个进程到现在持续有多久了呢？答案是138.2亿年。这就是我们这个宇宙的年龄，是依据大爆炸模型和最新的观测、计算得出的结果。

宇宙的演化

也许你会好奇，大爆炸发生前的宇宙是什么样子。这个问题按现在的研究还无法作出回答和描述。大爆炸是所有时间、空间、物质和能量的起源。大爆炸以前发生了什么，是什么引起了大爆炸，还需要进一步研究，相信在不久的未来，人类会知道这一切。

不用等到未来就已经确知的，是宇宙的演化（当然结局怎样又是另一说）。

说到宇宙的演化，我们得从宇宙起源10^(-43)秒之后谈起，因为在那之后，我们已知的物理定律才开始起作用。

从10^(-43)秒开始，引力脱离出来，单独起作用。那时候宇宙还是个直径为10^(-35)米的一个小点，但温度无比的高。

到一万亿分之一秒的时候，宇宙里有了粒子—— 夸克和轻子出现。电子就是我们最熟悉的“轻子”。这时候宇宙里有夸克和电子，还有反夸克和反电子。在当时那个高温条件下，夸克和电子都可以自由行动，宇宙就好像是一锅夸克轻子粥。

这锅粥里的主要活动是正反物质的产生和湮灭。夸克和反夸克，电子和反电子一旦相遇就会湮灭并且释放两个极高能量的光子，而在这个时候宇宙的高温之下，光子又会再产生正反夸克和电子。一个正电子刚刚产生之后，又马上跟另外一个电子相遇，湮灭成光。

这是非常有意思的机制。如果正反物质总是成对产生、成对消失，那为什么我们现在的宇宙里都是正物质，没有反物质呢？出于某种还不为物理学家完全理解的原因，每十亿对夸克和反夸克湮灭，会留下一个正夸克作为幸存者—— 我们今天的世界，都是这样的幸存者组成的。

到百万分之一秒的时候，整个宇宙已经膨胀到像太阳系这么大了，温度进一步下降， 夸克们会被三个一组束缚在一起，形成“重子”—— 也就是质子和中子。

但与此同时，质子和反质子，中子和反中子之间也要不停地发生碰撞湮灭变成光子，光子再生成正和反的质子和中子。正物质的质子和中子的幸存率，也是十亿分之一。

到一秒的时候，宇宙已经膨胀到几光年这么大了。更低的温度使得质子和中子被结合在一起形成原子核，其中90%是氢原子核，剩下的10%是氦原子核，其他元素极少，可以忽略不计。

这个时候，光子温度只够它产生正电子和反电子，但是正电子和反电子之间也在不停地发生湮灭—— 同样的道理，因为十亿分之一的幸存率，最后剩下的全是电子。

等到宇宙年龄是三十八万年的时候，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。

到十亿年的时候，这些原子在引力的作用下结合在一起，变成恒星，然后这些恒星又组成星系。

其中有些比太阳大十倍的恒星，在高温高压之下，可以生产一些更重的元素，比如氧和碳之类。这些恒星最后会爆炸，重元素被传播出来，散布在整个宇宙之中。正因为这样，今天我们才会有这些重元素，否则宇宙中就几乎全是氢和氦。

又过了九十亿年，在宇宙中某个不起眼的地方产生了一个不起眼的恒星，这个恒星就是太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体，这些气体在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。

其中某一颗行星，距离太阳不远不近，正好允许液态水的存在，这个行星就是地球。此后又经过无数机缘巧合，地球上有了生命，生命演化，最终有了你。

你看到这篇文字认真想了想，这是何其的幸运，构成我们身体的、周围环境的每一个原子，都是这么幸运。每一个原子身上的每一个质子、中子、电子，都是正反物质湮灭中十亿分之一的幸存者！

所以，假如哪天生活不是你想要的样子，你因此觉得不幸，但是当你问问宇宙“为什么是我”的时候，你难道不可以说你本身就是一个奇迹吗？带着宇宙给你的这份最初的幸运，你肯定可以活的很精彩。

让我们再次回到宇宙有没有边际的问题。到底宇宙有没有边际？宇宙是有限大，还是无限大的？

宇宙是平的

宇宙是有限大、没有边界的弯曲空间，这是十多年前科学家对于宇宙空间的标准想象。比如霍金的《时间简史》，里面讲的宇宙空间模型就是这样。

于是大多数人会认为宇宙是一个对称的球形——差不多像地球一样的球状。我们知道地球表面不是平的，在几何学中，这意味着地球表面上看似“平行”的线并不真正平行。所有的线，即使它们开始时候平行，最终也会有交点，并且它们之间的距离不是固定的。如下图所示：

所以说，如果宇宙是平面的话，平行线就会永远保持平行——这是问题的关键。而在实验中，科学家们发现，来自不同星系的光在很长距离上仍然保持平行。

重子振荡光谱测量（BOSS）望远镜也给出了一些非常有力的证据，证明了可观测宇宙确实是平坦的。即便测量结果还存在着误差小于1%的精度，仍然可以说在大尺度上，宇宙空间是“异乎寻常的平直”。

我们之所以关心这个问题，是因为如果宇宙是平坦的，就意味着它可能是无限的，没有尽头——它会在空间和时间中永远延伸。我们的结果可能会支持无限宇宙模型。

无限多个副本

宇宙是无限大的，或者说“几乎无限大”，意味着什么？有限大是可以想象的，无限大则不可想象。这会给你的想象力带来极大的刺激。

首先我们知道，宇宙没有中心。空间的膨胀是哪里都在膨胀，宇宙中遥远的区域应该跟我们这里差不多，有差不多密度的星体。从微波背景辐射图来看，宇宙各个地方大体上就是差不多的，我们这里，一点都不特殊。

其次，根据量子力学，给定一堆物质，不管他们的排列组合有多少不同的可能，也一定是有限的。这意味着所有可能的文明世界形态，也只有有限多种。

那么如果宇宙是无限大或者近乎无限大的，而我们这里并不特殊，文明又只有有限多种，会有什么结果呢？

每一种可能都有几乎无限多个副本。说白了，就是在非常遥远的某个地方，存在着一个跟地球一模一样的星球。在那个星球上，存在着和我们一模一样的人。其中就有一个一模一样的“你”。

当然，你和他的下一步行动可能是不同的—— 但不论如何，还存在另外无数个同样的你，他们中可能会与你的行动相同。

这样你大可以认为一切“有可能发生”的事情，都发生过、而且会发生几乎无数次。因为再小的概率乘以一个几乎无穷大的数也可以大于1。

下次买彩票没中奖，或者跟意中人失之交臂的时候，想到宇宙之大，那个你希望的可能性毕竟在某一处发生了，你也许会感到些许安慰。

PS. 本文部分内容选自万维刚“精英日课”的《幸运是这个宇宙的通行证》《宇宙是平的》。