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第一节 无中生有

    小时候,我经常问妈妈的一句话是,“妈妈我是从哪里来的啊?”,妈妈经常会说:“你是从垃圾堆里捡来的。”于是我又会去问:“我为什么会出现在垃圾堆里呢?”……

 慢慢地长大以后,我开始对周围的事物很好奇,于是我不停地在问,这个东西是哪里来的,那个东西是哪里来的?,以至于我终于有一天问出了“宇宙是怎么来的?”。

 宇宙是怎么来的,可能现在还没有人给出一个确定的答案,唯一还算是被广泛认可的就是大爆炸理论。

大爆炸

 大概100年前,美国天文学家埃德温·哈勃(图1-1-2),通过大量的观测和计算发现了星体红移现象, 所谓的红移现象就是当一个光源远距离离开我们时,它的颜色会变得偏红一些。而距离越远颜色越红,与之相反的就是蓝移现象,蓝移是指光源离我们越来越近的时候,它的颜色会变得偏蓝一些。


图1-1-2 爱德文·鲍威尔·哈勃

 哈勃研究发现,所有的恒星都有红移现象,也就是说所有的恒星都在以一定的速度向着远离我们的方向移动。

 到了1929年,哈勃通过将红移和视亮度的比较,逐步计算出星系的红移与它们到我们的距离成正比的关系,这个关系就是著名的哈勃定律。

哈勃说:不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去,而近处的星系正在向我们靠近。

简单来说就是遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去,同时它们的红移随着它们的距离增大而成正比地增加。

这种感觉就好像星系受到了一次剧烈的爆炸一样(宇宙来源于一次大爆炸),从而不断奔向四面八方。有关“宇宙大爆炸”的观点也由此开始形成。

这意味着,在很早以前,各个星体相互之间离得非常近。有人计算过并且还给出了一个大概的时间表:

大约150亿年前,宇宙还是一个体积无限小,密度无限大,温度无限高,时空曲率无限大的点,这个小点就是我们常说的奇点。

然后宇宙开始大爆炸,大爆炸后10-43秒(普朗克时间,1普朗克时等于0.0000000000000000000000000000000000000000001秒),宇宙从量子背景里出现,这个阶段称为普朗克时间。

大爆炸后10-35秒:强力、电弱力和引力开始形成。

大爆炸后10-12秒:宇宙温度仍然高达10万亿度,这时质子和中子及其反粒子开始形成,玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子等稳定下来。

大爆炸后13秒后:宇宙温度降低到大约30亿度,最基本的化学元素开始生成,比如,氘和氦。

大爆炸后35分钟后:宇宙温度降低到大约3亿度,原初核合成过程停止。

大爆炸后104年后:宇宙物质已经基本形成了,然后就一直慢慢地生成到我们现在看到的这个样子。

质能方程

大约46亿年前,由一片巨大分子云中逐渐相互吸引形成了太阳系,其中,最大的部分形成了一个核心,这个核心就是太阳,其余部分继续摊平并形成了一个原始的行星盘,继而再形成了行星、卫星、陨星和其他小星体等。

太阳不停地发光发热,每时每刻都向外辐射出巨大的能量,它就像一个巨大的大火球,给地球带来光和热。可就算如此,我们地球所接受到的太阳能,也不过是太阳全部辐射能的二十二亿分之一。太阳为什么能够持续的发光发热,直到1938年人们通过原子核反应的原理才最终解开了这个谜题。

原来太阳含有极为丰富的氢元素,这些氢原子核在太阳中心的高温(大约1500万摄氏度)、高压环境下,结合成氦原子核,同时释放出大量的能量,并以光和热的形式辐射出来。

有人统计说:太阳平均每秒钟通过氢-氦核聚变所产生的能量相当于几百万个原子弹的那么大,而且这种聚变至少还会持续50亿年,毕竟太阳相当大嘛。

 学过初中化学的时候我们都知道,氢和氦明明都是气体元素,他们怎么还可以相互转变呢?好吧,就算是他们可以相互转化,但是为什么氢转变成氦还会释放出能量呢?而能量和气体根本就是完全不同的一种东西嘛。

 著名科学家爱因斯坦(图1-1-3)结合前辈的经验给出了一个合理的解释,这个解释就是原子核聚变。核是指由质量小的原子,主要是指氘,在一定条件下(如超高温和超高压),只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚,让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核相互聚合作用,从而生成新的质量更重的原子核(如氦),中子虽然质量比较大,但是由于中子不带电,因此它能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而被释放出来,大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。

与核聚变相反的核反应形式是核裂变,核裂变就是一个大质量的原子核分裂成两个比较小的原子核,在这个变化过程中同样会释放出巨大的能量,当然实验证明还是核聚变时释放的能量更大。

 为了方便人们计算,损失了多少质量能够换来多大的能量,爱因斯坦给出了著名的质能方程E=mc²,E是能量,单位是焦耳(J)。M是质量,单位是千克(kg),而c则表示光速(常量,c=299792.458km/s)。

图1-1-3 爱因斯坦

希格斯玻色子

 质量可以转换成能量,那么与之相反的能量是否能够转换成质量呢?1964年,英国物理学家彼得·希格斯(图1-1-4),提出了一种粒子场,并预言说一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子(一种自旋为零的粒子)的存在。

他认为,这种玻色子是物质的质量之源,是电子和夸克等形成质量的基础,其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性,进而形成质量,构筑成大千世界。

这种理论中的粒子后来被别人以“希格斯”的名称命名,外号“God Partical”,意思是上帝粒子(上帝好像就是通过它来创造世界万物的吧)。当其他粒子相继被发现时,在这48年中,“上帝粒子”始终遁形。

终于在2012年7月4日,当欧洲核研究组织才宣布发现一种与“上帝粒子”“一致”的亚原子粒子。

2013年3月,欧洲核子研究组织再次表示先前探测到的新粒子是希格斯玻色子。

图1-1-4 彼得·希格斯

水的三种形态

 前面说到了,原子核,粒子,玻色子什么的确实有点太晦涩了,不利于我们理解,其实我们完全可以不像科学家研究的那么高深莫测,因为我们身边就有很好的例子来说明这一现象(备注:也仅仅为了方便说明而已)

         我们就以水为例(图1-1-5),小的时候我们就知道,水在0ºC以下的时候结冰,在100ºC以上的时候变成水蒸气。

图1-1-5 水的三种形态

 冰是一种固体,水是一种液体,水蒸气则是一种气体,水的三种形态各不相同,但是他却在我们的世界上不停地变化着。

 冰我们看得见摸得着,水则千变万化,至于水蒸气我们则根本看不见,因为水蒸气其实是一种气体,我们之所以能看见,或者说看见了白色的气体其实是含有小水珠的水蒸气,这种水蒸气也叫水蒸汽,一个带三点水,一个不带三点水。

 一般来讲,大家都知道,冰变成水,水再变成水蒸气最简单的方法就是加热,其实除了温度,人们还可以通过减压的方法来让水进行气化,也就是说压力越小水越容易变成水蒸气,由于海拔越高气压越低,所以在青藏高原等高海拔地区,水的沸点是不到90。C的。一般海拔每上升1000米,水的沸点就下降3。C,而高压锅则正好相反,在120多摄氏度的时候,水还是液体状态的。

不止水是这样,其他气体,甚至金属也是这样。比如液化气、铁和氮气。说液化气大家可能觉得没什么,因为我们经常看见,但是氮气明明是惰性气体,它能够液化和固化就很不一般了。

氮气,通常状况下是一种无色无味的气体,而且一般氮气比空气密度小。氮气占大气总量的一半以上,是空气的主要成分。在标准大气压下,氮气在零下195.8℃时,变成没有颜色的液体,继续冷却至零下209.8℃时,液态氮就会变成雪状的固体。

可见,从水变成水蒸气是一个有变成无的过程,而反过来从水蒸气变成水则是一个从无到有的过程。

感知

 刚才我们谈到了水蒸气,说水蒸气我们看不到,这里所说的看不到其实是指肉眼看不到,并不是说我们不能通过其他仪器进行观测。仪器的精度决定了我们能够观测到物质的精度。

 比如你用皮尺去测量房屋或者操场的面积,这个很正常,但是你用皮尺去测量头发就很难了,但是你用游标卡尺可能就比较容易了。

 一根头发丝的粗细,用皮尺可能测不准,但是用游标卡尺就能够测得比较准,这说明了我们认识事物甚至是世界实际上是有一把尺子的,而这个尺子的精度是以人为中心的,当尺子的精度变化时,我们观测到时世界也随之发生了变化。

 每个尺子上都有自己的刻度,同时也有一个最小刻度,正是这样许许多多个的最小刻度构成了我们的尺子,当被测量的物体小于这个最小刻度时,我们一般忽略不计,只有大于这个最小刻度的时候我们才开始计数,实际上这个最小刻度就是它的精度,就是它的阈值。

 理论上讲,不论是宏观上还是微观上,其实我们的宇宙一直都是可以度量的,只是我们现在的人很难找到这个恰当测量仪器,不过随着科技的进步越来越多的观测仪器被制造了出来,相信不久的将来我们能够看到一个更加真实的宇宙。

 也许有人会问,那么我们以前观测到的宇宙就不真实吗?关于这个问题,很多人可能给出了不同的答案,但是思路却大同小异:

人们认识这个宇宙,其实是通过自己的感觉器官进行感知的,或者说我们的宇宙是一种被我们感知的存在,也就是说我感觉到了它,它才存在,我感觉不到它,它就是不存在的。

对于一个盲人来讲,光明是不存在的。而对于一个色盲来讲,彩色是不存在的。就算是健康人,我们也有很多的光是看不见的。于是科学家就把光线分为可见光和不可见光两部分,其中不可见光又分为红外线和紫外线。人类不借助工具是根本看不到紫外线的。声音也是这样,甚至同样是人类,在不同的年龄和不同的环境下也会有听力和视力的差别。

那么是不是说宇宙还是由非常小非常小的粒子构成呢,这些粒子小到你现在都观察不到,甚至比夸克都小,小到它就是一个简简单单的引力子?这其实还是有可能的,甚至可能我们所谓的魅力、毅力、魄力和想象力都是一种可以度量的力(图1-1-6)。

这几年,受到大布尔不等式的影响量子力学的发展与日俱增。甚至都已经开始了量子通信和量子计算。据说量子纠缠的速度是光速的上万倍,甚至有人曾经断言人类大脑的本身就是一个量子计算机。

由此也证实了:色即是空,空即是色!

图1-1-6 宇宙星云图

作者:岑子哥

原文链接:https://www.jianshu.com/p/7dc5b404914e

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