给孩子讲太空

　　20世纪末天文学家通过观测遥远的超新星得到一个惊人的判断，遥远的天体相对于我们的退行速度越来越大。这意味着在我们的宇宙中存在一种无所不在的特殊能量，这种能量被称为暗能量。因为它的唯一作用是提供斥力，使得宇宙中天体之间的退行速度越来越大，我们还没发现有其他什么办法直接和这种能量打交道。
　　最近几年来，天文学家和物理学家合作研究暗能量的性质，提出了各种各样的可能。有人认为暗能量密度是一个恒量，大小不依赖地点也不依赖时间。如果是这样，宇宙将无止境地膨胀下去，恒星和星系将消失，人类也很难维持文明。另一种可能是能量密度越来越小，对人类来说这是最好的可能。第三种可能是密度越来越大，天体之间的斥力也越来越大，最终导致大撕裂，即所有物质，包括分子和原子都被撕裂，这是宇宙的终结。令人害怕的是，有一些观测证据支持这种观点。
　　1、宇宙撕裂，万物消失
　　自然界最大的秘密是所有现象都遵循规律，这些规律在物理学中就是定律，行星遵循万有引力定律围绕太阳转，电子遵循电磁定律和量子力学围绕原子核转，太阳遵循核物理定律发光发热。过去，物理学家和普通人一样，认为物理定律就该是这个样子，从来没有问过物理定律为什么是这样子，还有没有可能是别的样子。物理学和宇宙学的发展使得科学家们开始提出这些问题，而问题的回答可能并不简单，也许是物理学的终极答案。
　　宇宙是复杂的，地球上的很多现象是复杂的，如果没有这些复杂现象，我们的生活就少了很多乐趣，例如美就是建立在复杂现象的基础上的。甚至可以说，没有复杂性，就没有生物，就没有人类、没有喜怒哀乐。物理学家喜欢研究小系统，因为简单。但一个复杂的现象必然与比较大的系统有关，复杂性往往就是系统中很多部分合作产生的。生命的基础建立在蛋白质、基因等大分子和分子集团之上，这些复杂的结构是怎么来的？我们能从简单的物理规律推出它们的起源吗？
　　如果暗能量的密度越来越大，我们的宇宙前景可不怎么样，但即使是这样，也要几百亿年甚至上千亿年宇宙大撕裂才会发生。仅就目前我们掌握的情况来看，怀疑宇宙会发生大撕裂有点杞人忧天，要肯定暗能量密度越来越大，至少需要我们做10年甚至20年的实验。也许暗能量密度不会变大也不会变小，也许会变小，谁知道呢？西方人特别在乎宇宙未来会不会崩溃或者死寂，哪种结果都是他们不希望看到的。在不远的将来，也许我们能够确定宇宙将如何结束。
　　人的存在在我们眼中是天经地义的，就像日月星辰、山川土地的存在一样自然。物理学学习到一定程度，我们就会知道，世界上有很多存在和现象与物理定律密切相关。如果我们稍微改变一点物理定律，世界可能就完全不同，例如，将万有引力的强弱变化一些，太阳也许还存在，但大小完全不是现在这个样子。将电子电荷变化一点，分子原子的大小完全不同，人类也许因此不复存在。每一个物理定律和物理常数就像一个收音机调台钮，旋动一点，生命和智慧就会消失。
　　2、创造宇宙
　　几乎每一个神话都有上帝创世说，最著名的故事当然是《圣经·旧约》中上帝用了6天时间创造了世界。在中国的神话中，创世的时间要长得多，先是盘古的出生到长大，花了1.8万年，然后开辟了天地。印度婆罗门教是梵天创造了世界，而日本神话则用天之御中主神代替了梵天。
　　代宇宙学虽然不是创世说，有一点和创世说类似，就是我们现在能够看到的宇宙起源于一个有限的时间之前，这个有限的时间大约是137亿年，比所有神话传说中的时间都要长。在137亿年前，宇宙是一团灼热的气体，温度和密度都是不可想象地高（高到即使现在的恒星内部也不可能达到）。这个名为大爆炸的学说有一个重要之处和炸弹爆炸不同：当炸弹爆炸时，有一个中心点，在这个中心点之外所有的炸弹碎片都向外飞，而中心点原则上是不动的。大爆炸不同，它没有中心点，每一点都在爆炸，很像烤面包，面包的每一块同时在膨胀。和烤面包不同的是，大爆炸时的膨胀速度大得不可想象。
　　宇宙大爆炸学说在20世纪60年代之后成为公认的科学，那时大多数人认为这就是宇宙创生的最终答案，不必再追问大爆炸之前发生的事情了。二十多年的时间过去了，没有人再说暴涨宇宙论是画鬼的理论，因为越来越多的观测事实支持这个理论，使得暴涨论成为目前宇宙学和天体物理领域最热门的理论之一。
　　如果真的存在一位上帝，让他准备热大爆炸这样的条件，的确非常困难，因为均匀性的条件实在太苛刻，这就像两列火车相撞，你希望看到相撞的结果不是杂乱无章的，而是一块看起来很匀称的铁块。所以，没有人会问我们能否扮演上帝这个角色，在实验室内实现大爆炸时的物理条件。而暴涨的情况很不同，在暴涨发生的时候，宇宙不需要很均匀，初始条件没有那么苛刻。此时，我们就可以问，人类能够在实验室中实现暴涨发生时的物理条件吗？换句话说，我们能够在实验室中创生一个宇宙吗？这是一个不可思议但十分诱人的问题。
　　3、探测宇宙最初的一刹那
　　一门学科成熟的标志是研究进入误差很小的定量化阶段。仅仅是20年前，我们还不能说宇宙学是一门严密的学科，因为那时许多重要的宇宙学参数还非常不确定。我们可以举一个例子看看宇宙学那时是一个什么样的状况。大家都知道宇宙在膨胀，膨胀的最重要的标志是远方的天体在退行，越远的天体退行的速度越快——这就像一个膨胀的气球，气球上的任意两点之间的距离都在变大，本来距离较大的两点以较大的速度相互离开。天体和我们之间的距离每增大一倍，其退行的速度就增大一倍，这就是有名的哈伯定律。决定宇宙膨胀速度的叫哈伯常数，这个常数的测量在宇宙学史上一直是一个核心问题，20年前的测量误差是100%。
　　大爆炸宇宙论中有一个非常重要的领域，是研究宇宙间的结构如何产生的，如恒星的起源，像银河系一样的星系的起源，以及由一些星系组成的星系团的起源，这些结构在宇宙学中统称为大尺度结构，因为涉及的尺度非常大，经常在百万光年以上（1光年是光走了1年的距离，大约是9万亿公里）。最初，有很多学说解释这些结构如何产生于宇宙创生的不久之后。这些学说的共同之处是假定宇宙中的一切不均匀性，包括物质组成的星系、星系团，以及微波背景辐射中的不均匀性，都来源于宇宙在极早期的原始不均匀性。爱因斯坦的引力理论告诉我们，宇宙中任何不均匀性都会导致引力的不均匀性，而引力的不均匀性也会反应在微波背景辐射中。可以说，被探测到的微波背景辐射的不均匀性虽然非常小，却是宇宙留给我们的最原始的化石。
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