《極簡宇宙史》：踏上關於宇宙的驚奇之旅

試想：夏夜，你躺在沙灘上，仰望夜空。一顆小小的流星安靜滑過，還來不及許願，不可思議的事情發生了：你一下子穿越五十億年，走進時光的旅行……

你是否心動於來一場這樣的旅行？今天，霍金親傳弟子、物理學博士克里斯托弗·加爾法德就將帶領我們踏上一場關於宇宙的過去、現在和未來的驚奇之旅。

薦讀者：夏穆，新媒體工作者。

（本文已獲授權轉載，來源一隻水餃跳過去，微信公眾號ID: aiyuedu_xmu）

想像現在是一個溫暖無雲的夏夜，你在一個遙遠孤獨的火山島上，和你的朋友，吃著火鍋還唱著歌，突然，你穿越了！

很莫名其妙對不對？但更莫名其妙的還在後面，所以不要在意這些細節，你就這麼穿越了，沒有一點點防備。

當然，你不是穿越回去成為太子妃，去上演一場曠世絕倫的宮廷虐戀，而是到了五十億年之後的外太空，準備見證一場安靜的大爆炸！

你看到了這樣的場景：一顆巨大的行星旋轉著朝你飛來，它的表面儘是熔化了的岩石。到底是什麼樣的能源可以提供這麼多的熱量熔化整個世界？你一臉驚呆。

然後，在你的右邊，出現了一顆更為巨大的星球，並且看起來它還在變得更大。它散發著紅色光芒，如同暴怒的怪獸般吐出有幾百萬度高溫的巨大等離子火舌。

是的！這顆恆星還在變大，它已經大到了你無法想像的地步！行星已經被它熔化，摧毀一切的能量正源源不斷地從它身上襲來，吹向虛空。同時它依然不管不顧地繼續膨脹，直到它原先大小的約一百倍。

然後，突然之間，它爆炸了，把組成它自身的所有物質送入太空。衝擊波穿過你幽靈般的身體，然後是塵埃，現在剩下的只有飄往各個方向的星塵。

簡直是世界末日有木有！你目睹了這一切，覺得還是地球舒服啊，你好想回到那裡繼續吃著火鍋唱著歌，哪怕被麻匪綁走也比現在強。

但事實真是這樣嗎？如果我告訴你，你剛剛看到的巨大星球不是別人，正是我們的太陽，而被熔化的行星則是地球，你還想回去吃火鍋嗎？

這不是什麼危言聳聽，而是五十億年後的真實景象。太陽耗盡了它的燃料，先塌縮後膨脹，最後爆炸滅亡，順帶把我們的地球也摧毀了。

那麼，故事到這裡結束了嗎？並沒有，事實上我們的旅程才剛剛開始。看到太陽終要滅亡的結局，你為人類的未來感到擔憂。我們應該怎麼辦？

關於人類所有可能的未來，只有一條小道，能夠指引人類在太陽終將到來的死亡以及其他許多可能降臨的巨大災難之後依然存續。這條小道就是知識、科學。

宇宙是由什麼構成的？地球周圍是什麼？再遠些呢？我們可以看多遠？我們對宇宙的歷史知道多少？宇宙真有歷史嗎？對於這些問題，你是不是特想知道？

算了，不管你想不想知道，反正我都要強行給你科普，這裡只是禮貌性地問一下。所以，準備好了嗎？我們開始吧！

你仍然在外太空，幸運的是這回沒有大爆炸，現在是2017年。你的意識，如同靈魂出竅，開始朝著月亮飛去。很快，你便到達了這裡。

大概四十億年前，我們年輕的地球與另一顆火星般大小的行星撞在一起，這次撞擊把地球撞出了內傷… 哦不，外傷。一塊物質被從地球上扯了下來，進入太空，在隨後的幾億年時間裡，所有那次撞擊產生的碎片聚到一起，就形成了現在你所看到的月球。

你來到坑坑窪窪的月球表面，正驚嘆這是怎樣的一種暴力，突然一團明亮的光球在你身後升起，這個東西是一顆恆星，是我們所居住的行星附近最牛逼的大boss，我們稱它為太陽。你迫不及待地朝它飛去，去探尋它的秘密。

現在你飛到了離太陽表面幾千英里的高處，俗話說高處不勝寒，但在這裡，你懂的… 你看到到處都是等離子氣泡的噴發，幾十億噸紅熱的物質就在你眼前爆發。究竟太陽經歷了什麼，讓它成為了現在這個模樣？為了回答這個問題，你飛向了最險惡的地方：日核。

在這裡，你看到了構成我們宇宙98%物質的兩種原子：氫和氦。但在宇宙誕生之初，這兩種原子幾乎構成了宇宙中所有的已知物質。那麼今天我們看到的氮原子、碳原子、氧原子是如何出現的呢？

答案是：恆星內部極高的壓力和能量讓原子們發生熱核聚變，一個用較小的原子核產生較大原子核的過程。較重的原子核生成後便與那些被剝離氫原子核而獨自作著自由運動的電子們結合到一起，成為新的更重的原子：氮原子、碳原子、氧原子等等。

看到這裡你就好奇了，為什麼我們的地球不會發生這樣的反應？原因在於我們的行星體積太小，而且不夠緻密，自身引力不足以讓其內核達到足以觸發熱核聚變反應的溫度和壓力。在定義上，這就是行星與恆星的主要差別。

熱核聚變產生向外擴張的能量與引力帶來的向內壓縮的力量平衡，使得恆星擁有一個穩定的大小。但地主家的餘糧也有耗盡的一天，氫原子反應完後，內核餓著肚子不再有足夠的向外輻射來對抗引力，這時太陽開始塌縮變得更緊密，直到核聚變再次被點燃。

但這次核聚變反應的場所將不再是內核，而是離表面更近的地方。再次開始的核聚變可就牛逼了，它並不與引力平衡，選擇直接幹掉引力，太陽表面將被推開，令恆星體積變大。接下來要發生的事你已經在文章開頭見過了。

科學家們通過估算太陽內核中氫原子的含量來推測這次爆炸將會發生的時間，計算結果是：太陽的爆炸將發生在五十億年後的某個星期四，前後各誤差三天。

真是一個神準的預測。

告別太陽，你繼續往宇宙深處飛去。首先你看到的是我們的太陽系，包括八大行星。離太陽最近的四顆，看上去像小小的岩石世界，而更遠的四顆則主要由氣體構成。最遠處的冥王星，由於體積太小已被剝奪行星資格，降級為矮行星。

再往前飛，你看到了離我們最近的恆星——比鄰星。它屬於紅矮星家族，比太陽小很多，色調偏紅。對於恆星而言，體積小有一個很大的好處——壽命長。因為比太陽小，它微小的內核里原子聚合的速度就比太陽慢好多，從而可以存在很長的時間。

接下來的旅程你加快了速度，先是飛往一個由至少三千億顆恆星組成的龐大集合——銀河系的中心，在這裡你看到了一個質量驚人的黑洞，科學家們稱其為人馬座A*。而後你來到了離我們銀河系最近的星系——仙女座星系，這是一個帶有一萬億顆恆星的大哥大！

正當你再次感到一臉驚呆時，你忽然看到了一切：數十、數百、數千、數百萬、數億的星系，到處都是，形成大大小小不同的分組，填滿你目所能及的整個宇宙。

你已經來到了這樣一個觀察點，從這裡看去，宇宙中一個個閃亮的小點已不再是單獨的恆星，而是星系組合，每個組合又含有上千的星系，每個星系又含有數億或數十億個恆星，銀河系也只不過是這樣的星系之一。

所以，人類究竟有多渺小？不敢想像，不能理解，不可描述。

那麼問題來了，宇宙究竟有多大？如果你向著自己能夠看到的方向直線飛行，直到盡頭，會遇到什麼？為了找到答案，你決定親自去看一下。

你信心滿滿地隨便挑了個方向，開始飛向你的目標。一億光年…十億光年…一百億光年…你一路向前，無暇回頭…

突然，你來到了一個光穿不過的地方，這是一道時間與空間的牆——臨界最後散射面。接下來的內容比較高能，我需要詳細給你解釋一下。

我們之所以能觀測宇宙，是因為光的存在，也就是說如果沒有光，我們將成為睜眼瞎。你現在遇到的這道牆後面其實是有東西的，但是我們看不到，因為牆的後面能量太高（你看，真的高能，我沒騙你…），光被束縛了無法傳播。就像是在牆裡面點了一個火炬，雖然光線在裡面，但它被束縛其中，沒有運動的自由。

這道牆距離我們地球一百三十八億光年。事實上，牆後面還有三十八萬光年的時空，接著會碰到第二道牆。這個地方我們永遠無法通過望遠鏡觀測到，在這裡，我們的宇宙變得不透明，比這更遠地方傳來的光線無法被我們任何一台望遠鏡捕捉到。

到目前為止，你的宇宙之旅可以暫時告一段落了，一切都很順利，似乎沒有遇到什麼困難。但是，隱約中你覺得我們好像漏掉了什麼。是的，要想真正理解這個世界，你就必須了解20世紀物理學領域最偉大的兩大發現——相對論和量子力學。

關於下面我要寫的內容，你必須拋棄日常感官經驗帶給你的思維定式，否則必然無法理解。雖然極其不可思議，但卻都是經過無數實驗驗證的事實。

我們的宇宙有一種神奇的物質，它叫光。有多神奇呢？首先，它擁有全宇宙最快的速度，c=299792458米/秒，沒有任何東西能超過它。其次，它沒有質量。這兩項性質是有內在聯繫的，即愛因斯坦的質能方程E=mc2。

任何有質量的東西永遠不可能達到光速，為什麼？因為無論你給它施加多大的能量，只會讓它的質量越來越大，加速越來越困難，光速是可望不可及的神聖般的存在。

注意到了嗎？第一條顛覆你認知的結論出現了：根據質能方程，能量和質量是等價的！能量可以轉換成質量，質量也可以轉換成能量！以我們最熟悉的太陽為例，它的能量就是氫原子核聚變所減少的質量轉化而來的。

所以，如果你想委婉地說一個人胖又要讓對方覺得很開心，怎麼辦呢？答案就是：你真是渾身充滿能量啊！

扯遠了，言歸正傳。接著我們來談談時間。在我們的認知里，時間是恆定不變的，1秒就是1秒，1年就是1年。但是，愛因斯坦告訴我們，你太年輕了，時間是相對的！我的1秒可能對你來說就是1年，只要我速度足夠快！並且越接近光速這種時間膨脹效應就越明顯。

所以，第二條顛覆認知的結論出現了：時間是相對的，速度越快時間流逝得越慢！進一步地，空間也是相對的，速度越快，在速度方向上的空間壓縮越明顯（可簡單理解為：速度越快距離越短）。

綜合上述兩個結論，你還可以知道：當速度達到光速時，時間是靜止的，徹徹底底。而速度一旦超過光速，時間就會倒流！

難以理解對不對？事實上只要是個人就難以理解，因為我們的感官體驗告訴自己這種事情不可能發生。在我們的認知里，看不到就意味著不存在。比如在發現原子之前，人們認為空氣中什麼都沒有，但事實證明這是錯的。

現在如果我說真空里什麼都沒有，對嗎？仍然是錯的，因為真空中有電磁場，充滿了無數的電子、光子，你看不到不代表不存在。

明白了這一點後，我們就可以來說一下引力了。引力究竟是什麼鬼？為什麼地球會繞著太陽轉？你好像並沒有看到一根線把地球和太陽連在一起？答案是這樣的：引力是時空彎曲的結果。那麼什麼是時空呢？所謂的時空是時間與空間的混合，它是作為我們宇宙最基本的構造所不能拆分的組成部分。

你可以想像一片橡皮膜，中間放一個有質量的鐵球，那麼在鐵球的周圍就會形成一個下凹的斜坡，就像下面這樣：

這裡的橡皮膜就是時空，記住：雖然我們看不到，但它是存在的！而鐵球就是一切有質量的物體，所產生的的斜坡就是引力！我們來看一下原文作者是怎麼說的：

所有東西都在任何方向上產生不可見的斜坡，我們稱此為引力。物體越緻密，其產生的斜坡就越陡。

至此相對論就講得差不多了，一臉懵逼不？沒關係，那是因為你還沒看量子力學，它的詭異程度，更在相對論之上！準備好了嗎？請深吸一口氣，讓我們一起躍入量子世界。

量子力學是用來描述微觀世界的物理理論，其詭異程度令人難以想像，所以愛因斯坦在給他的學生上完一堂量子力學的課程後說了這樣一句話：

如果你們理解了我所要告訴你們的事，那麼顯然我沒有講清楚。

服嗎？服！

為了方便你理解，下面的內容我都以電子為例。

這是統治微小世界的量子規則的後果之一：某事只要可能發生，它就一定發生。

我們來假想一個情境，比如有一個電子要去北京，它可以選擇坐飛機、高鐵、自駕甚至走路過去，每種交通方式都有可能。現在，你在北京見到了它，你知道它是從上海過來的，但不知道它具體是怎麼來的。那麼我問你，它是怎麼來的呢？

答案是：它同時坐飛機、高鐵並且自駕還走路過去！

你沒看錯，這就是量子世界的詭異之處，從起點到終點，所有運動路徑都有可能，並且都會發生！

再來假想一個情境，現在你手裡抓住了一個電子，你很興奮，把手握得緊緊的，一隻電子都跑不出去。然後，你慢慢張開手準備看看它長啥樣。結果你發現，電子不見了，它出現在了你100m之外的地方。

不可能！它是怎麼跑出去的？你十分肯定沒有看到它從你手裡飛走。這又是怎麼回事？那麼我來告訴你，它瞬間轉移了，即量子遂遷。它藉助電磁場的能量，從一個地方消失，在另一個地方冒出來，就是這麼神奇！

還是一個電子，還是從上海到北京，這回你想搞清楚它是怎麼去的，於是你到高鐵上去找它。結果，你真的發現它了！那麼，這回它是怎麼去的北京呢？沒錯，就是你所看到的，坐高鐵！

飛機、自駕、走路等等方式統統不存在了！因為你觀察了它，它就只有一種路徑！這便是量子波塌縮。也就是說你的觀察使它從一秒鐘的許多分之一之前的所有可能同時位於的位置之中選出了唯一一個。

很奇怪的行為，不是嗎？事實上，如果這種行為真的出現在我們宏觀世界，那將是多麼神奇的一件事！

當然，還真有人這樣想過。1935年，奧地利物理學家薛定諤設計了一個將量子效應帶入我們生活尺度的思想實驗。在實驗中，你把一隻貓放入一個完美封閉的盒子，一旦盒子關上，沒有人能夠從外面知道裡面的情況。

然後你在盒子中放入一种放射性材料，它在實驗過程中會有50%的機會產生射線，但很難預測結果。你又找了一瓶裝著致命毒藥的管子，一把鎚子和一個放射性探測器，並把它們都連在一起，一旦放射性物質放出射線，鎚子就會打破管子釋放毒藥。

在這個試驗中，有50%的機會小貓被毒死了，一切都取決於放射性衰變。那麼，小貓到底死了沒有？如果你沒打開盒子，你永遠也無法知道結果。

但是，根據量子規則，只要有可能發生，那麼一定會發生。也就是說，放射性材料衰變與不衰變都發生了，這兩種狀態同時存在。對應的，小貓既死了又活著，也是兩種狀態同時存在！

當你打開盒子觀察時，便出現了量子波塌縮，量子從兩種狀態中選擇了一種，要麼衰變要麼沒衰變，而你看到的結果就只有一種，小貓要麼死了要麼還活著。那麼，如果小貓還活著，那之前死了那種狀態的小貓去哪兒了？有科學家認為未被我們觀察到的可能性褪色了，就像湖裡滴入一滴墨水那樣消失，但事實如何，沒人知道。

事實上，量子力學遠不止上面我所寫的內容，但相信上面幾個知識點就已經能讓你了解到它的詭異之處了。

行文至此，寫了三天的這篇文章總算告一段落，如果你看到這裡，那就是真愛了！並且我也相信你絕對收穫巨大。

同樣，我極力推薦你去看一下這本書，霍金親傳弟子的著作，豆瓣評分高達9.2，如果你看不懂《時間簡史》，又對宇宙十分感興趣的話，那麼這本書絕對是不二之選。

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