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好了标捺，我們第一次的周末放送懊纳，選自《萬維鋼·精英日課》里的一篇文章，《幸運是這個宇宙的通行證》亡容。光聽這個題目就覺得很有意思哈嗤疯，讀了這篇文章，你就會知道闺兢，我們生活在地球上的每一個人茂缚，都是十億分之一的幸運者！話不多說屋谭，來聽萬維鋼老師的這篇精彩文章脚囊。
幸運是這個宇宙的通行證
摘自訂閱專欄《萬維鋼·精英日課》
今天開始，我們來說一本新書：《給忙碌者的天體物理學》（Astrophysics for People in a Hurry）桐磁。
作者是一位天體物理學家悔耘，但他更著名的身份則是科普達人，有個拍得特別漂亮的系列紀錄片叫《宇宙》就是他主持的我擂，他就是尼爾·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）衬以。
“天體物理學”似乎是個有點不明覺厲的題目，但是這本書目前在《紐約時報》暢銷書排行榜排名第二校摩！它是一本寫給普通讀者看的天體物理學看峻。你整天忙著要成功，還要平衡工作和家庭衙吩！但是忙歸忙备籽，每個人內心深處，都想知道我們生活的這個宇宙到底是怎么回事分井。
宇宙是完全不可知的嗎车猬？我們可能是生活在一個電子游戲之中嗎？物理學家對這個宇宙到底知道多少呢尺锚？
答案是很多很多珠闰。我們今天對宇宙的了解，跟一百年之前瘫辩、甚至幾十年之前都非常不一樣伏嗜。我們已經有很大的把握知道這個宇宙是怎么回事坛悉，而你也有權知道。
偶爾仰望天空的時候承绸，你會想到什么呢裸影？你可能覺得理科生沒有什么情趣，看見天空無非就是想想“光譜”之類的物理學知識军熏。文藝青年卻可能想到宇宙之博大和個人之渺小轩猩，想到真理，想到公平和正義……
但事實上荡澎，現(xiàn)代天體物理學比文藝青年想象的東西要豐富很多很多倍均践，也精彩很多很多倍。讀了這本書摩幔，下次仰望天空的時候彤委，你會是個更有內涵的人。
比如說或衡，當你看太陽的時候焦影，你應該想什么呢？
你首先應該想……光譜封断。
1.哪里都好使
牛頓之前的人一般認為天上有天上的法則斯辰，跟地球上是完全不同的。牛頓的萬有引力定律是歷史上第一個宣稱不僅僅適用于地球澄港，而且適用于整個宇宙的理論椒涯。他的理論還真的解釋了天體運行！天上和地上在這個定律眼中是平等的回梧！你可以想象废岂，對當時的人來說，這是一個多么震撼的知識狱意。
這個震撼一直持續(xù)到十九世紀湖苞。那時候物理學家發(fā)現(xiàn)，每個化學元素的光譜都有自己唯一的特征详囤。隨便給一堆氣體财骨，物理學家拿光一照，看看吸收光譜藏姐，就能準確判斷這里面都有些什么元素隆箩。
這個工具可太厲害了，物理學家馬上就分析了太陽的光譜羔杨。
到這時候物理學家才知道捌臊，原來太陽里的各種元素基本都是地球上也有的，無非是氫兜材、碳理澎、氧逞力、氮、鈣等等糠爬。只有一個元素地球上沒有寇荧，那就是“氦”（He）—— 不過元素周期表里已經給它留了位置，而且現(xiàn)在我們也可以在地球上制造氦执隧。
這是人類第一次得知揩抡，原來構成太陽的物質不是什么神秘的東西，就是我們地球上也能找到的普通元素殴玛！你再分析遠處那些星星發(fā)光的光譜捅膘，結果也都是平常的元素添祸。
這是一個非常了不起的發(fā)現(xiàn)滚粟。我們并未離開地球，但是我們知道了刃泌，別處的物質跟我們這兒的并沒有什么不同凡壤。那么如果真有外星人造訪地球，他們乘坐的那個飛碟耙替，也應該是用“普通”元素建造的亚侠。
而且別處的物理定律也跟我們這里是一樣的。你考察太空深處的一個雙星系統(tǒng)俗扇，他們的軌道在引力作用下互相影響 —— 你一算硝烂，軌道正好能用牛頓力學解釋。
而且過去的物理定律也跟我們現(xiàn)在是一樣的铜幽。我們知道光是有速度的滞谢，我們看幾十億光年以外的地方的星體，看到的其實是那些星體幾十億年以前的樣子除抛。這就讓物理學家能觀察到早期的宇宙狮杨。物理學家測量很遠很遠的地方發(fā)來的星光的光譜，發(fā)現(xiàn)它們跟地球上元素的譜線完全一樣到忽，紋絲不差橄教。這就意味著早期宇宙的原子物理學跟我們現(xiàn)在完全一樣！更進一步喘漏，考察太陽發(fā)光的情況护蝶，物理學家知道引力常數(shù)（G）也從來都沒變過。
昨天翩迈、今天和明天持灰，東方、南方和北方帽馋，這里搅方、那里和所有地方比吭，構成這個宇宙的物質和物理定律都是一樣的！
對想要殖民太空的人來說這可能不是個好消息姨涡，這意味著你走到哪也開采不到我們認知范圍以外的元素衩藤。
可是對物理學家來說這是個好消息 —— 物理定律到處都管用，“普天之下莫非王土”涛漂。
既然如此赏表，我們就可以用同樣的物理定律計算……宇宙的起源。
2.宇宙的起源
物理學家的觀測和計算結果是我們這個宇宙起源于137億年以前的一次“大爆炸”匈仗。
我們已知的物理定律只能從宇宙起源10^(-43)秒之后開始起作用 —— 這就是“普朗克時間”瓢剿，也是咱們《精英日課》專欄的更新時間：晚上10:43分。物理學一共有四種基本相互作用：引力悠轩、強相互作用间狂、弱相互作用、電磁相互作用火架。在普朗克時間之前鉴象，四種相互作用是統(tǒng)一在一起的，描述那樣的狀態(tài)需要把廣義相對論和量子力學統(tǒng)一在一起何鸡，而這個工作現(xiàn)在還沒做好纺弊。
從10^(-43)秒開始，引力就脫離出來骡男，單獨起作用了淆游。那時候宇宙還是個直徑為10^(-35)米的一個小點，但溫度無比的高隔盛。
到10^(-35)秒的時候犹菱，強相互作用和“弱電相互作用”分開了。到稍微更晚的時候骚亿，弱相互作用和電磁相互作用分開了已亥。
到一萬億分之一秒的時候，宇宙里有了粒子 —— 夸克和輕子已經出現(xiàn)了来屠。電子就是我們最熟悉的“輕子”虑椎。這時候宇宙里有夸克和電子，還有反夸克和反電子俱笛。2012年的時候捆姜，物理學家知道，在當時那個高溫條件下迎膜，夸克和電子都可以自由行動泥技，宇宙就好像是一鍋夸克輕子粥。
這鍋粥里的主要活動是正反物質的產生和湮滅磕仅∩罕夸克和反夸克簸呈，電子和反電子一旦相遇就會湮滅并且釋放兩個極高能量的光子，而在這個時候宇宙的高溫之下店茶，光子又會再產生正反夸克和電子蜕便。一個正電子剛剛產生之后，又馬上跟另外一個電子相遇贩幻，又湮滅成光轿腺。
這是一個非常有意思的機制。如果正反物質總是成對產生丛楚、成對消失族壳，那為什么我們現(xiàn)在的宇宙里都是正物質，沒有反物質呢趣些？出于某種還不為物理學家完全理解的原因仿荆，每十億對夸克和反夸克湮滅，會留下一個正夸克作為幸存者 —— 我們今天的世界喧务，都是這樣的幸存者組成的赖歌。這些幸存者實在太幸運了枉圃，如果每個人都是早期宇宙中的一個正夸克功茴，這就等于說今天活著的全體中國人中，只有一個人能幸存孽亲！
到百萬分之一秒的時候坎穿，整個宇宙已經膨脹到像太陽系這么大了，溫度進一步下降返劲， 夸克們會被三個一組束縛在一起玲昧，形成“重子” —— 也就是質子和中子。
但與此同時篮绿，質子和反質子孵延，中子和反中子之間也要不停地發(fā)生碰撞湮滅變成光子，光子再生成正和反的質子和中子亲配。正物質的質子和中子的幸存率尘应，也是十億分之一。
到一秒的時候吼虎，宇宙已經膨脹到幾光年這么大了犬钢。更低的溫度使得質子和中子被結合在一起形成原子核，其中90%是氫原子核思灰，剩下的10%是氦原子核玷犹，其他元素極少，都可以忽略不計洒疚。
這個時候歹颓，光子溫度只夠它產生正電子和反電子坯屿，但是電子和反電子之間也在不停地發(fā)生湮滅 —— 同樣的道理，因為十億分之一的幸存率巍扛，最后剩下的全是電子愿伴。
等到宇宙年齡是三十八萬年的時候，溫度低到讓所有電子都被原子核捕獲电湘，變成氫原子和氦原子隔节。
到十億年的時候，這些原子在引力的作用下結合在一起寂呛，就會變成恒星怎诫，然后這些恒星又會組成星系。那個時候贷痪，我們已經有了一千億個星系幻妓，每個星系里面會有幾千億個恒星。
其中有些比太陽大十倍的恒星劫拢，在高溫高壓之下肉津，可以生產一些更重的元素铆农，比如氧和碳之類伸蚯。這些恒星最后會爆炸，重元素被傳播出來晾嘶，散布在整個宇宙之中熟吏。正因為這樣距糖，今天我們才會有這些重元素，否則宇宙中就幾乎全是氫和氦牵寺。
又過了九十億年悍引，在宇宙中某個不起眼的地方產生了一個不起眼的恒星，這個恒星就是太陽帽氓。太陽所處的位置正好有很多重元素構成的氣體趣斤，這些氣體在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星黎休。
其中某一顆行星浓领，距離太陽不遠不近，正好允許液態(tài)水的存在奋渔，這個行星就是地球镊逝。此后又經過無數(shù)機緣巧合，地球上有了生命嫉鲸，生命演化撑蒜，最后終于有了你。
有個著名的說法說，我們每一個人都是一億分之一的幸運者座菠。這因為當初精子和卵子結合狸眼，是一億個精子中只有一個最終能進入卵子形成受精卵，在這場競爭中浴滴，我們每個人都打敗了一億個精子拓萌。
但是你想想宇宙的起源！我們的幸運度其實比這要嚴重得多 —— 構成你身體的升略、你周圍環(huán)境的每一個原子微王，都是這么幸運。每一個原子身上的每一個質子品嚣、中子炕倘、電子，都是正反物質湮滅中十億分之一的幸存者翰撑！
我們能有今天難道不是奇跡嗎罩旋？
不過，如果你是天體物理學家的話眶诈，你會更幸運涨醋。
3.天體物理學家的禮物
比“存在”更幸運的是，我們不但存在逝撬，而且還可以回過頭去*理解*這個宇宙浴骂。大爆炸不但創(chuàng)造了宇宙，而且還給天體物理學家留下一個禮物球拦。
這個禮物就是“微波背景輻射”靠闭。
前面說了，原子是在宇宙年齡是38萬年的時候形成坎炼。在此之前的宇宙你就算去了也看不遠，因為溫度太高拦键，光子隨時都會被電子碰撞谣光，走不遠。
從那個時候開始芬为，光子終于自由了萄金。它們在宇宙中飛翔，一直存在到今天媚朦。隨著宇宙膨脹氧敢，這些光子的能量變得越來越低，到今天它們的能量已經降低了一千倍询张，變成了微波孙乖，遍布于整個宇宙。這就是“宇宙微波背景輻射”。
1948年的時候唯袄，幾個美國物理學家使用三個理論弯屈，預言了微波背景輻射的存在。這三個理論是 ——
1916年愛因斯坦提出的廣義相對論恋拷；
1929年哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹资厉；
二戰(zhàn)前后，美國為搞原子彈的曼哈頓計劃中一系列原子物理實驗結果蔬顾。
他們僅僅利用這個三個知識宴偿，就推算出來，“宇宙微波背景輻射”的溫度應該是5K诀豁。
到1964年酪我，兩個貝爾實驗室的工程師偶然測量到了“宇宙微波背景輻射” —— 現(xiàn)在最精確的結果，這個溫度應該是2.72K且叁。
這是物理學的偉大勝利都哭！你想想，當初我們用了三個在地球上發(fā)現(xiàn)的物理知識逞带，只是用一個模型去推測宇宙應該起源于大爆炸欺矫，然后算出這個大爆炸有個溫度是5K的遺跡≌姑ィ……然后你找了找穆趴，居然果然找到了這個遺跡，而且數(shù)值相差不到兩倍遇汞？未妹！
有個天文學家形容，這就好比你坐在房間里算卦空入，說某月某日將會有個直徑50英尺的飛碟降落在白宮草坪 —— 而到了那一天络它，居然真有個飛碟降落在了白宮草坪，只不過飛碟的直徑不是50英尺歪赢，而是27.2英尺 —— 飛碟能來就是奇跡了好嗎化戳？！
更慶幸的是埋凯，宇宙中遍布一種叫做“氰”（符號是CN点楼，cyanogen）的氣體分子，這個分子受到微波輻射會被激發(fā)白对。物理學家從它被激發(fā)的情況掠廓，就可以判斷宇宙微波背景輻射在各處的溫度有什么細微的差異。
現(xiàn)在借助衛(wèi)星觀測甩恼，天文學家可以精確繪制整個宇宙的微波背景輻射地圖 ——
我們看到蟀瞧，這張圖并不是完全均勻的沉颂。“宇宙微波背景輻射”帶來的黄橘，是宇宙剛剛產生38萬年時候的信息兆览。我們可以據(jù)此推測當時的物質在宇宙的分布情況。再根據(jù)這一點塞关，我們就可以推測宇宙現(xiàn)在的物質是怎么分布的抬探，宇宙的未來將會怎么演變。
泰森說帆赢，正因為有了“宇宙微波背景輻射”這個東西小压，天文學才變成真正的科學！現(xiàn)在你有任何理論模型椰于，都可以計算一番去跟微波背景輻射信息做個比對怠益，驗證不了就只能淘汰。宇宙學成了精確科學瘾婿！
| 由此得到
過去這一百多年間蜻牢，物理學家做了非常了不起的事情。我們通過地球上得到的物理學偏陪，居然能精確了解這個宇宙的早期是怎么回事抢呆。以人類的生存偏見眼光去看，這個大歷史的主題應該是幸運—— 我們經歷的是動不動就十億分之一的中獎機會笛谦。
今天說的是宇宙這么動人的故事抱虐，我想學學和菜頭，來個“禪定時刻” ——
| 禪定時刻
因為微波背景輻射的存在饥脑，宇宙中哪怕最空曠的地方恳邀，也不是完全冷的絕對零度，至少有2.72K的溫度灶轰。你知道宇宙中最冷的地方在哪嗎谣沸？就在我家附近。
從我家開車走25分鐘框往，就是科羅拉多大學物理系鳄抒。其中有個實驗室，為了研究玻色-愛因斯坦凝聚椰弊，物理學家在里面制造了比宇宙微波背景輻射還低的溫度。
現(xiàn)代物理學就這么厲害瓤鼻。但這個厲害的背后是慶幸秉版。
如果正反物質湮滅沒有十億分之一的幸存率，那上帝創(chuàng)造宇宙的時候說完“要有光”……也就只能有光茬祷。如果沒有大恒星生產重型元素清焕，宇宙中就只能有氫和氦。如果沒有后來的一系列“如果”，我們就不會站在這里仰望天空秸妥。
如果微波背景輻射在今天測不到滚停，如果物理定律和物質在別處跟在我們這里不一樣，如果元素光譜沒有那么簡潔漂亮的性質粥惧，我們就不可能理解這個宇宙键畴。
所以泰森有句名言：“這個宇宙根本沒有義務讓你理解⊥谎”
所幸的是宇宙還是給物理學家提供了“知識服務”起惕。我們今天居然能在這么大程度上理解這個宇宙，而且還理解得如此精確咏删，你說這生活是多么美好惹想。
當然，物理學家還有很多不知道的事兒督函。咱們下次再說嘀粱。
天文學是一門塑造性格的學問。
《給忙碌者的天體物理學》這本書目前沒有中文版辰狡，對這本書的解讀锋叨，萬維鋼老師在《精英日課》專欄中還有3篇，分別講了“暗物質”搓译、“暗能量”悲柱，和一個讓人震撼的宇宙學視角。
《萬維鋼·精英日課》專欄些己，每天為你帶來英文世界中最前沿豌鸡、最精英的內容，在它們還沒有被翻譯引進到中文世界之前段标，你就能收獲它涯冠，強烈推薦你去訂閱看一看。
