给忙碌者的天体物理学
给忙碌者的天体物理学
空间和时间的本质是什么？宇宙如何起源的？我们是否是宇宙中唯一的智慧生命？这是萦绕在每个人心灵深处的追问。但当今的时代，人们更加忙碌，更没有时间通过读大部头的专业书来获取相关知识。这本书言简意赅、通俗...
城市
“宇宙没有义务让你理解。”
尼尔·德格拉斯·泰森：美国家喻户晓的天体物理学家、科普作家、科普节目主持人，美国自然博物馆海登天文馆馆长。
泰森被誉为卡尔·萨根的接班人，主持了近年来大热的科普纪录片《宇宙：时空之旅》（1980年史诗级科普片《卡尔·萨根的宇宙》更新版）。他是热门科普节目StarTalk 的主持人,还曾经在著名美剧《生活大爆炸》第四季中客串，饰演自己。
泰森获得的主要荣誉有： 2017 年“斯蒂芬·霍金科学传播奖”； 2008 年《发现》杂志（Discover Magazine）“科学界最聪明的 50 人之一”； 2007 年《时代》周刊（TIME）“100大全球最具影响力人物”； 2007 年《哈佛校友》（Harvard Alumni）杂志“最具影响力的 100 名哈佛校友之一”； 2004 年 NASA “杰出公共服务奖章”； 2001 年小行星 13123 以他的名字命名； 2000 年《时人》杂志（People）“最性感天体物理学家”。
自序
最近几年，几乎每个星期，都会有一个值得上新闻头条的宇宙新发现。尽管这有可能是媒体把关人对宇宙产生了兴趣，不过这些新闻数量的上升更可能来自公众科学兴趣的真正提升。相关的证据有很多，从受科学启发或包含科学内容的热门电视节目，到由大牌明星主演、著名电影公司和导演拍摄的科幻影片的成功。最近，以重要的科学家为主角的传记电影已经自成流派。科学节、科幻大会和科普纪录片也在世界各地广为流行。
在这类科幻影片中票房颇高的，是由一位著名导演拍摄的，发生在绕着遥远恒星运行的一颗行星上的故事，一位著名女演员扮演的天体生物学家在电影中占据了非常重要的角色。虽然在这个时代，大多数科学分支都有长足发展，但天体物理学一直是其中的翘楚。我想我知道原因：我们每一个人在某个时间都曾仰望夜空，都想知道：这一切意味着什么？它是如何运行的？我在宇宙中处于什么位置？
如果你实在太忙了，没空通过上课、读教科书或看纪录片来理解宇宙，可你仍在寻找对这个领域简短而有意义的介绍，那么我为你提供了这本《给忙碌者的天体物理学》。在这本小书里，你将对推动当代宇宙学的所有主要思想和发现获得基础而连贯的了解。如果我讲得还不错，你就会从人文意义上通晓我的专业领域，那时你可能会渴望进一步深入了解宇宙。
1. 有史以来最伟大的故事
世界已经存在很多年了，
它一旦被设定了合适的运动，
其他的一切都随之而来。
卢克莱修，古罗马哲学家，约公元前 50 年
起初，将近 140 亿年前，已知宇宙所有的空间、所有的物质、所有的能量，都包含在一个极小极小的尺度之内，比这句话末尾的句点的一万亿分之一还要小。
那时的温度是如此之高，自然界中描述这个宇宙的四种基础作用力还是统一的。虽然我们依然不知道它是如何出现的，但这个比针尖还要小的宇宙只能膨胀。急速膨胀。我们将其称之为大爆炸。
爱因斯坦在 1916 年提出的广义相对论，为我们提供了关于引力的现代理解，即物质和能量的存在弯曲了围绕它们的空间和时间结构。在 20 世纪 20 年代，量子力学被发现，为我们提供了微观世界的现代观念：分子、原子和亚原子粒子。但是这两种对自然界的理解在形式上是彼此不相容的，这使得物理学家们开展了一场竞赛，要将微观理论与宏观理论融为一种内在一致的量子引力理论。虽然我们还没有到达终点，但我们知道最大障碍的确切位置。其中之一是在早期宇宙的 “普朗克时期”。那是大爆炸之后时间间隔从 t = 0 到 t =10^−43 秒（1秒的千亿亿亿亿亿分之一），并在宇宙尺度增长到 10^‒35 米（1米的千亿亿亿亿分之一）之前。这些难以想象的小量被命名为普朗克时间和普朗克长度，马克斯·普朗克（Max Planck）是德国科学家，他在 1900 年引入了量子化能量的概念，被誉为“量子力学之父”。
引力和量子力学之间的冲突对当代宇宙没有什么实际的影响。天体物理学家们把广义相对论和量子力学的原理和工具应用于不同种类的问题。但在宇宙开始的时候，也就是普朗克时期，极大也是极小，我们怀疑两者一定曾经有某种强制联姻。唉，然而我们对它们在那个仪式上交换的誓言一无所知，所以没有任何（已知的）物理定律能够描述宇宙在那个时期的行为。
尽管如此，我们预计在普朗克时期结束时，其他三种自然力仍然统一，引力逐渐分离出来，成为我们目前的理论可以很好地描述的独立作用力。随着时间达到 10^‒35 秒，宇宙继续膨胀，稀释了所有曾集中的能量，刚才还保持统一的作用力分裂成“弱电力”和“强核力”。后来弱电力分裂成电磁力和“弱核力”，从而使得我们已经能够认识到的四种作用力显露了出来：决定放射性衰变的弱核力，把原子核束缚起来的强核力，使得分子结合在一起的电磁力，把大团物质聚集在一起的引力。
从宇宙诞生开始，至此过去了万亿分之一秒。
在那个时间，以亚原子粒子的形式存在的物质，与以光子的形式存在的能量（光子既是粒子又是波）之间的相互作用持续不断。那时的宇宙温度足够高，这些光子会自发地把它们的能量转换为成物质—反物质粒子对，紧接着又彼此湮灭，把能量重新转换为光子对。是的，反物质是真实的，我们已经发现了它，这并不是科幻作家的想象。这种能量和物质之间的转换完全遵守爱因斯坦最著名的质能方程： E=mc^2 ，它既可以用来算你的能量“值”多少物质，也能用来算你的物质“值”多少能量。方程里 c^2 是光速的平方，它是个巨大的数字，用它乘以质量，让我们知道在这个“运算”中我们可以获得多么巨大的能量。
在强核力和弱电力分道扬镳之前、之中、之后这段极短的时间里，宇宙变成了由夸克、轻子和它们的反物质兄弟——还有承担它们相互作用力的玻色子——共同组成的一大锅沸汤。这些粒子家族每一类都有好几个变种，但它们都被认为无法再分割成更小或更基本的粒子了。普通的光子是玻色子家族的一员。对于非物理学家来说最熟悉的轻子就是电子，可能还有中微子。至于最熟悉的夸克……好吧，没有你们熟悉的夸克。夸克一共有六种，每一种都被赋予了一个抽象的名称，这些名字不具有真正的语言学、哲学，或教育学的目的，只是为了区别彼此：上夸克和下夸克、奇异夸克和粲夸克、顶夸克和底夸克。
玻色子，顺便说一下，是根据印度科学家萨特延德拉·纳特·玻色而命名的。“轻子”这个词来源于希腊文leptos，意思是“轻”或“小”。然而“夸克”这个名字则有一个颇具文学色彩也更富想象力的起源。物理学家莫瑞·盖尔曼在 1964 年提出存在夸克，它们是中子和质子的内部成分，他当时认为夸克家族只有三名成员，所以从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》里一句含义出名模糊的句子“向麦克老人三呼夸克”（Three quarks for Muster Mark）借用了夸克（quark）这个词。这些夸克有一个共同的特征：他们的名字都特别简单——这似乎是当化学家、生物学家，特别是地质学家在给他们自己的研究对象命名时无法做到的事情。
夸克是古怪的野兽。它们跟质子和电子有个不同的性质，每个质子拥有 +1 电荷，电子拥有的电荷为 –1 ，可是夸克具有的电荷为分数——只能是 1/3 或 2/3 。而且你永远不可能抓住一个单独的夸克；它总是跟附近的其他夸克抱成团。事实上，你把两个或更多个夸克分开的距离越远，把它们束缚在一起的力量也会随之增强——它们就像是被原子核内的某种橡皮筋拴在一起。夸克被分离得足够远时，橡皮筋断裂，原本储存的能量会“召唤”质能方程 E = mc^2 在橡皮筋两端各产生一个新的夸克，把你又带回到了出发的起点。
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