得到上面的《精英日课》解读了《给忙碌者的天体物理学》(Astrophysics for People in a Hurry),作者尼尔·德·格拉斯·泰森( Neil deGrasse Tyson)。书中详细解释了宇宙的起源、现状、和未来,以及什么是暗物质,什么是暗能量,最后告诉我们如何用宇宙视角看待这个世界。
我这里把书中的主要内容做了一个总结,算是梳理一下自己对这个话题的理解,也希望对你有所帮助。

宇宙的起源
1929年,美国天文学家哈勃发现,远方星系照过来的光都有红移的现象。红移就是光的频率变小,根据波普勒效应,这说明远方的星系在离我们而去。如果我们反向推导,这些星系很久以前应该距离我们很近才对,同时基于爱因斯坦的广义相对论(见《爱因斯坦亲自告诉我,相对论到底是什么?》),科学家提出了大爆炸理论,即宇宙起源于一个密度极大的点,之后爆炸,膨胀,温度下降,才形成了今天的宇宙。
具体的过程是这样的。
大爆炸后的10^(-43)秒之后,我们已知的物理定律才起作用。这个时间之前宇宙遵循什么样的物理定律科学家还不知道。物理学共有四种基本的相互作用:引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。在这个时间之前,四种相互作用是统一在一起的,描述这个状态需要把广义相对论和量子力学统一在一起,而这个工作物理学家还没有做好。在这之后,四种作用力才开始分开。
大爆炸后一万亿分之一秒的时候,宇宙中有了粒子,夸克和电子出现了,还有反夸克和反电子。夸克和反夸克、电子和反电子相遇后会湮灭并释放出两个光子。因为这个时候宇宙的温度极高,所以光子会再产生正反夸克和正反电子。出于某种未知的原因,每十亿分之一对正反夸克湮灭会留下一个夸克作为幸存者,电子也是如此。
大爆炸后百万分之一秒的时候,宇宙已经像太阳那么大了,温度进一步下降。这时候,夸克被三个一组束缚在一起,形成了质子和中子。与此同时,质子和反质子,中子和反中子也不停的碰撞湮灭。正的质子和正的中子的幸存率,也是十亿分之一。
大爆炸后一秒的时候,宇宙已经膨胀到几光年大了,温度进一步降低。这时候,质子和中子被结合在一起形成原子核,其中90%是氢原子核,10%是氦原子核。
大爆炸后三十八万年的时候,温度进一步降低,所有电子都被原子核捕获,变成氢原子和氦原子。
大爆炸后十亿年的时候,原子在引力的作用下结合在一起,变成恒星,恒星又组成星系。那些比太阳大十倍的恒星,在高温的作用下,可以产生一些更重的元素,比如氧元素和碳元素,这些恒星爆炸之后,重元素被传播出来,散步在整个宇宙中。
大爆炸后一百亿年的时候,太阳产生,太阳附近的重元素气体聚集在一起,形成了太阳的行星,就包括地球。
宇宙的现状和未来
大爆炸之后,我们的宇宙就一直在不停的膨胀,现在仍然如此,并且这个膨胀的速度还越来越快。换句话说,宇宙中所有的星系都在离我们而去,而那些距离我们特别遥远的星系,它们离开我们的速度甚至已经超过了光速。
科学家计算,再过一万亿年,除了银河系以外,我们的天空中将看不到银河系外的其它的星星。因为它们离开我们的速度已经超过光速,所以它们的一切我们也观测不到。如果我们不把我们现在掌握的宇宙知识传递下去,那时候银河系中的人,将会认为宇宙中只有一个星系。
暗物质
我们的宇宙中有至少有一千亿个星系,星系们又组成星系团,星系中的恒星围绕着星系的中心旋转,星系团中的星系又都围绕着星系团中心旋转。
科学家在观察「后发座」星系团的时候,发现它们旋转的速度太快了,星系团中所有星系的恒星加在一起的质量根本不能提供足够的引力,用来支撑那么快的速度。科学家发现,所有的星系团都有这个现象,而且恒星围绕着星系中心旋转也存在速度过快的现象。
于是科学家认为存在一种看不见的物质,即暗物质,他们提供了额外的引力,用来支撑恒星和星系的旋转速度。为了支撑多余的速度,暗物质的总质量,需要是已知物质质量总和的6倍。
但是暗物质到底是啥,科学家还搞不清楚。暗物质不是黑洞、不是星际间气体,不是流浪行星,也不是高维空间的影响。我们不知道暗物质是如何产生的,它们没有参与大爆炸时候的核反应。我们目前所有仪器都检测不到暗物质。物理学中的四种相互作用,除了引力,其他任何相互作用暗物质都不参与。
暗能量
1998年,天文学家通过观测「la型」超新星爆发的光谱,计算出了宇宙的膨胀速度,他们发现宇宙膨胀的速度在加速。但是科学家并不能解释为什么宇宙膨胀会加速,如果想让宇宙膨胀加速,必须有一种东西提供真空中的排斥力,于是科学家把这种可能的东西命名为暗能量。但是暗能量的底层物理机制到底是什么,科学家还没有找到答案。
我们宇宙中的全部能量,已知物质占4%,暗物质占26%,暗能量占70%。
宇宙视角
了解了天体物理学,了解了宇宙的昨天、今天和明天,我们就多了一个看待世界的视角,即宇宙视角。具体来说,有以下几个方面。
宇宙很大,我们很渺小。宇宙中有一千亿个星系,每个星系系又有几千亿颗恒星,科学家估计光银河系中就有四百亿颗类地行星。从这个角度来说,宇宙中有外星生命的可能性还是很大的,不过他们可能距离我们非常遥远,所以无法了解彼此的存在。
与此同时,我们每个人都是幸运的。构成我们身体的、我们周围的,每一个原子,都是当初正反物质湮灭的十亿分之一幸存者。再者,精子和卵子结合,一亿个精子中只有一个最终能进入卵子形成受精卵。此外,生命的产生,并进化成人类这样的高等生物,也有非常多的机缘巧合。
但是,我们和宇宙是联系在一起的。我们身体中最关键的四个元素,氢、氧、碳、氮,都来自早期的宇宙,某些大质量的恒星爆炸,这些元素才得以在宇宙中传播开来。如果有外星人存在,他们身上的原子,很可能和你身上的原子是几十亿年前由同一颗恒星制造出来的。另外,因为分子很小,我们吸入的每一口空气中的分子数,要比地球上所有空气的「口数」大很多,所以你吸入的某些空气分子很有可能曾经被孔子、关公、苏轼等名人呼吸过。

