久久一区二区三区超碰国产精品,亚洲人成在线网站,国产在线精品一区免费香蕉,国产精品免费电影

第1部分 恒星、行星和生命第1章 天文數(shù)字和宇宙尺度

尼爾·德格拉斯·泰森

我們首先關(guān)注恒星，接著探索星系、宇宙，以及更遙遠(yuǎn)的世界。巴斯光年在《玩具總動員》中說過什么？“無窮無盡！”

這個宇宙極其浩瀚，我想讓你了解它的廣闊和層級。它遠(yuǎn)超你的認(rèn)知范圍，它的溫度遠(yuǎn)超你的認(rèn)知極限，它的密度遠(yuǎn)超你的認(rèn)知標(biāo)準(zhǔn)，它遠(yuǎn)超你的認(rèn)知稀疏。你關(guān)于宇宙的所有構(gòu)思，與宇宙的真實面貌相比，都顯得平淡無奇。

啟動之前，先來備好所需物品。咱們先來熟悉一下各種不同量級的數(shù)值，以便于后續(xù)討論時表達(dá)更便捷，也能讓咱們對宇宙中不同事物的尺度有個形象認(rèn)知。從數(shù)字1講起。這個數(shù)大家都很熟悉，它不包含零。若以指數(shù)方式表示，則為十的零次方，也就是100。數(shù)字1緊隨其后，沒有出現(xiàn)零，這就是零次方的含義。十可以記作十的1次方，也就是101。接下來是1000，也就是103。表示1000的詞頭是千，千克意味著1000克，千米意味著1000米。再添上3個零，就得到百萬，即106，它的詞頭是兆。或許這就是擴(kuò)音器發(fā)明時人們接觸過的最大數(shù)字了。倘若知曉尚有十億，即再增加三個零，便是109，或許會稱作“吉音器”吧。若觀察電腦中文件容量，便會十分熟悉“兆字節(jié)”與“吉字節(jié)”這兩個名稱。一吉字節(jié)即等于十億字節(jié)。不確定你是否清楚十億究竟有多龐大。讓我們環(huán)顧四周，尋找以十億為計量單位的事物。

現(xiàn)在全球人口超過七十億。比爾·蓋茨？這與這有何關(guān)聯(lián)？當(dāng)我上次查閱資料時，他的財富大約有八百億美元。他是科技愛好者的精神領(lǐng)袖，這是科技愛好者首次主導(dǎo)世界。在人類歷史長河中，這種情況很少見。時代已經(jīng)轉(zhuǎn)型了。

你感受過1000億的概念嗎？其實并非正好是1000億這個數(shù)。麥當(dāng)勞的廣告宣稱“招待了990多億顧客”，這是你在戶外能夠看到的最大數(shù)字了。我清楚記得他們開始統(tǒng)計客流量的時候。在我成長的歲月里，麥當(dāng)勞自豪地公示過“招待了80多億顧客”。麥當(dāng)勞的門店招牌從未顯示過1000億這個數(shù)，由于他們的漢堡統(tǒng)計裝置只有12位數(shù)字。因此，計數(shù)過程停留在990億這個階段。接著他們迅速替換成了另一個卡爾·薩根指數(shù)，因此目前的目標(biāo)是“惠及所有生靈”。

用一萬個億個面包圈，一個接一個地擺放，從紐約往西邊擺放，能夠擺放到芝加哥嗎？當(dāng)然可以。能夠擺放到加利福尼亞嗎？當(dāng)然可以。用某種方式讓它們懸浮起來。接下來的計算采用面包圈的直徑（十厘米），因為面包圈比漢堡本身要稍微大一些。因此，為了方便理解，這個計算以面包圈為參照物。此刻你正攜帶萬億個面餅，橫渡大洋，兜一個大圈，然后把每塊面餅依次擺放。如此一來就穿過了太平洋，途經(jīng)澳洲、非洲，再穿過大西洋，最終抵達(dá)紐約。事實上在繞行地球一圈之后，你手里依然有不少面餅。清楚還剩多少嗎？你可以依照這個路線繼續(xù)……二百一十五趟！此時你手中仍然剩余面餅。你總是覺得圍繞地球轉(zhuǎn)膩了，那么可以嘗試些別的活動。你可以把面包疊起來。疊到多高呢？環(huán)繞地球216圈后剩余的面包，如果每個高5厘米，疊起來就能抵達(dá)月球，然后再返回。這樣就能消耗完你那1000億個面包。這也是牛對麥當(dāng)勞感到不安的原因。相比之下，銀河系大約有3000億顆恒星。所以，麥當(dāng)勞已經(jīng)達(dá)到了宇宙級別。

當(dāng)你年齡達(dá)到31歲7個月9小時4分鐘20秒時，你人生的第10億秒便已到來。記得我處在同樣年紀(jì)時，曾開啟一瓶香檳來紀(jì)念這個時刻，那是一支小瓶裝。十億這個數(shù)字，人們并不會時常遇見。

我們接著說。下一個量級是多少？是萬億（），也就是10的12次方。我們?yōu)樗∫粋€國際單位制前綴：太（tera-）。你不可能數(shù)到1萬億。當(dāng)然，你可以試一試。即便你每秒數(shù)一個數(shù)，也得數(shù)上三千一百年——31000年，所以我不建議你這樣做，家里也不應(yīng)該嘗試。1萬億秒之前，克羅馬農(nóng)人正在他們居住的洞穴的巖壁上畫畫。

在紐約的羅斯地球與太空中心，我們陳列了一條盤旋狀的宇宙時間軸，從宇宙起源算起，歷經(jīng)138億年歷程。如果不將其收束，其長度堪比一個足球場。你每行進(jìn)一小段，便相當(dāng)于穿越了5000萬年時光。當(dāng)你抵達(dá)這條時間軸的終端時，不禁會思索：“我們究竟身處何方？人類文明的最終界限又會在何處顯現(xiàn)？”在久遠(yuǎn)的歲月里，從最早會畫畫的古人到現(xiàn)在的人，全人類的經(jīng)歷其實非常短暫，就像發(fā)絲那么細(xì)，我們只是處在時間鏈條的最后一小段。也許你會覺得咱們活了很久，覺得咱們的社會已經(jīng)發(fā)展了許久，但跟浩瀚的宇宙比起來天體物理學(xué)起步網(wǎng)校，這點時間并不算長。

下一個數(shù)是什么？是1015。這就是1000萬億，單位是拍。拍是詞頭。這個數(shù)是我特別喜歡的數(shù)字之一。研究螞蟻的科學(xué)家E. O. 威爾遜指出，地球上生活的螞蟻數(shù)量達(dá)到10拍。

下面將要介紹什么？數(shù)值為1018，相當(dāng)于100億億倍，單位是艾（exa-）。這個數(shù)字是用來形容十座大型沙灘上沙粒的總數(shù)。全球聞名的海灘之一位于里約熱內(nèi)盧，名叫科帕卡巴納。該海灘最初長度有4.2千米，寬度曾達(dá)到55米。后來又增加了350萬立方米沙石，使寬度擴(kuò)大到140米。科帕卡巴納海灘沙粒平均直徑為三分之一毫米。每立方毫米包含二十七顆沙粒。因此，三百萬立方米沙粒總數(shù)達(dá)到一千零一十七。這些正是當(dāng)?shù)厝缃竦闹饕沉！Ｈ魧⑹幙婆量ò图{海灘的沙粒數(shù)量相加，總計約為一千零一十八。

將數(shù)值放大一千倍之后，便得出1021這個結(jié)果，也就是十萬億億，這樣的數(shù)字。從度量長度的“千”字開始，逐步擴(kuò)展到音響設(shè)備的“兆”字，再聯(lián)想到快餐品牌漢堡中的“千億”概念，接著思考遠(yuǎn)古人類的“克羅馬農(nóng)”，然后觀察微小的“螞蟻”，再進(jìn)一步看到沙粒般細(xì)小的“沙子”，最終抵達(dá)了這個數(shù)字——它代表了我們能夠觀測到的整個宇宙里所有的恒星總數(shù)。

世間常有論調(diào)，稱我們在浩瀚宇宙中孑然一身。這些人對于天文數(shù)字毫無認(rèn)知，也全然不了解宇宙的廣闊無垠。接下來，我們將要深入探討我們所說的可觀測宇宙，那便是我們能夠目及的宇宙范圍。

此處，我暫且忽略這一環(huán)節(jié)，接著探討超越百億億億之上的數(shù)值，諸如10的81次方，這類數(shù)目前似乎尚未獲得專屬名稱。

這是宇宙中所有原子的數(shù)量。為何要追求比它還要龐大的數(shù)值呢？你在地球上究竟在統(tǒng)計什么？比如10100，這個數(shù)似乎很可觀。它被稱為1古戈爾（）。注意不要把它和谷歌（）相混淆，那家網(wǎng)絡(luò)企業(yè)特意把字母拼錯了。

宇宙所有能觀察到的范圍內(nèi)，沒有任何需要計算的項目會用到古戈爾這個數(shù)值。它僅僅是一個頗為特別的數(shù)字。可以表示為10100，倘若沒有輸入上標(biāo)，寫成10^100同樣可以。然而，在某些情形下，人們依然會運用這么龐大的數(shù)字，目的并非計數(shù)，而是推算某些事件出現(xiàn)的所有可能性。譬如，國際象棋總共會有多少種不同的棋局布局？出現(xiàn)三種情形時，將認(rèn)定比賽為和局：某個棋局呈現(xiàn)三次，五十回合內(nèi)無人被吃，且雙方兵都沒有移動，剩余棋子不夠?qū)④姟Ｈ魠①愓咧杏腥藭\用和局規(guī)則，我們就能推算出所有可能棋局的總量。戈特估算了一下，得出一個數(shù)值，該數(shù)值小于10的10的4.4次方，這個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過古戈爾，而古戈爾等于10的10的2次方。假如不是在清點對象，而是在統(tǒng)計執(zhí)行某些活動的方案數(shù)，那么數(shù)字就會急劇膨脹。

我另有一個數(shù)字更為可觀。假設(shè)1古戈爾即為1后面連接著100個零，那么10的1古戈爾次方該怎樣書寫？它同樣擁有一個專門稱謂：古次冪，意譯為“古戈爾普勒克斯”。這個數(shù)字就是1后面緊跟著1古戈爾個零。你或許能夠嘗試記錄下這個數(shù)值，但實際操作中難以完成。畢竟它包含的零的數(shù)量達(dá)到了1古戈爾之多，而1古戈爾這個數(shù)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙內(nèi)所有原子的總和。所以，你只能從以下幾種形式中挑選一種：、1010的100次方或者10的10的100次方。如果你已經(jīng)迫不及待了，我可以建議你試著寫出1019個零，也就是在宇宙的每一個原子上都寫一個零。不過，你也許有更值得投入精力的事情。

我要說的這些并非多余之談。有一個數(shù)值，其規(guī)模超越了古次冪。雅各布·貝肯斯坦提出了一個方程式，使我們能夠推算出質(zhì)量與體積堪比我們可見宇宙的各類量子狀態(tài)所能達(dá)到的最大數(shù)目。鑒于我們觀察到的量子不確定性效應(yīng)，這個數(shù)值將是我們此類宇宙中的極限值。這個數(shù)是10的10^124次方，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“古戈爾普勒克斯”的規(guī)模。無論是在主要由黑洞組成的恐怖空間，還是在與我們所處空間極為相似的領(lǐng)域，這個數(shù)值都能涵蓋所有情形。具體而言，在特定宇宙里，人類鼻腔中會缺少一個氧原子，而在某些異星生物的鼻腔里則會多出一個氧原子。

因此，確實可以給那些非常巨大的數(shù)找到一些實際價值。我不知道比10^（10^124）還要大的數(shù)有什么用途，不過數(shù)學(xué)研究者們當(dāng)然清楚。

某個定理涉及一個極其龐大的數(shù)值10^(10^(10^34))，該數(shù)值被稱為史丘斯數(shù)。數(shù)學(xué)家們熱衷于從遠(yuǎn)超物質(zhì)世界范疇的思辨中獲得精神滿足。

讓我們聊聊宇宙中其他的極端情況。

說說密度這個概念吧，你憑感覺應(yīng)該明白密度指什么，不過咱們還是來研究一下宇宙里的密度。先看看我們身邊的空氣，我們正吸入的空氣每立方厘米包含2.5×1019個分子，其中78%是氮氣成分，21%是氧氣成分。

一立方公分里含有2.5×10的19次方個分子這種密集程度或許超乎你的預(yù)料。現(xiàn)在讓我們審視一下我們最頂尖的實驗室真空條件。如今我們已能將其密度削減到每立方公分大約只有100個分子。那么星際空間中又是什么景象呢？抵達(dá)地球的太陽風(fēng)里，每立方公分大約分布著10個質(zhì)子。在此處提及密度，是指構(gòu)成該種氣體的分子、原子或自由粒子的多少。恒星彼此之間，即星際空間是怎樣的呢？它的密度變化無常，這要看你在何處游蕩，但密度低至每立方厘米僅有一個原子的地帶并不罕見。在星系與星系之間的地帶里，這個數(shù)值要小得多，每立方米才有一個原子。

當(dāng)今最先進(jìn)的實驗室也無法復(fù)制太空的真空狀態(tài)。有觀點認(rèn)為自然界厭惡真空。持這種看法的人從未踏出地球范圍。實際上自然界對真空極為偏愛。宇宙絕大部分區(qū)域都是真空。人們提及“自然”，所指的僅是我們當(dāng)前的所在地，位于我們稱作大氣層的厚重覆蓋物之下，大氣無時不刻不在填滿它所能到達(dá)的范圍。

如果我把一根粉筆向黑板上扔去，接著撿起一小片。那根粉筆已經(jīng)摔成了碎塊。如果這些碎塊每塊直徑大約一毫米。設(shè)想一下，如果它們是基本粒子。你知道構(gòu)造最簡單的元素是什么嗎？氫，你可能已經(jīng)了解。它的原子核心里只有一個基本粒子，而常見的氫原子中，還額外有一個電子沿著圍繞原子核心的路徑運行。氫原子有多大？倘若粉筆末是質(zhì)子，原子將似沙球般龐大嗎？并非如此，它將更為巨大。其直徑可長達(dá)百米，約等于三十層高樓的高度。這是為何呢？由于原子內(nèi)部極為稀疏。在原子核與那唯一電子之間并無其他粒子，電子在原子的初始軌道上運行，這是量子力學(xué)揭示的，電子圍繞原子核呈現(xiàn)球形散布。我們深入到極其微小的尺度，去探索宇宙的某個極端范圍。我們所面對的測量對象極其渺小，小到無法進(jìn)行測量。目前我們還不清楚電子的直徑究竟有多大。這個尺寸已經(jīng)超出了我們能夠測量的界限。然而，超弦理論指出，它或許是一根極其微小的振動弦，其大小達(dá)到了1.6×10–35米的程度。

原子的尺寸大約是一百億分之一米長。十萬億分之一米或百億分之一米有多小呢？這種尺度的東西包含只有一個電子的鈾，還有由一個質(zhì)子和一種叫繆子的特殊粒子組成的奇異氫原子。這種怪異的氫原子體積僅是常規(guī)氫原子體積的兩百分之一。繆子會自然消失，因此這種氫原子的存在時間大約只有兩萬二千分之一秒。必須達(dá)到10至14米或10至15米的深度，才能探測到原子核的尺寸。

我們換個角度，往更高層次密度行進(jìn)。以太陽為例，它的密度真的很高嗎？其實并非如此。太陽核心部分異常密集，同時溫度極高，然而其外圍密度卻小很多。太陽整體密度約為水密度的1.4倍。水的密度是1克每立方厘米。太陽核心密度達(dá)到160克每立方厘米，不過就密度而言，太陽的表現(xiàn)相當(dāng)平凡。某些恒星會展現(xiàn)出極為反常的現(xiàn)象，有的會急劇膨脹，體積變得異常龐大，內(nèi)部密度卻驟降至極低水平，另一些則急劇收縮，壓縮成極度致密的形態(tài)天體物理學(xué)，需要思考我那由質(zhì)子構(gòu)成的部分，以及它所處的四周遼闊而空寂的宇宙環(huán)境，宇宙里確實存在某些機(jī)制，能夠使物質(zhì)不斷坍塌、粉碎，直至壓縮到原子核的密度，在這樣的恒星內(nèi)部，每個原子核都與其他原子核緊密相鄰，幾乎沒有空隙。具備這種屬性的物體，基本上都源自中子，那里是宇宙密度極高的地方。

天文學(xué)家在職業(yè)中，習(xí)慣對所見之物賦予精確的稱謂。體積龐大且呈現(xiàn)紅色的恒星，我們稱之為紅巨星；體積微小且呈現(xiàn)白色的恒星，我們稱之為白矮星。當(dāng)恒星由中子構(gòu)成時，我們稱之為中子星。那些能發(fā)出電磁脈沖的恒星，我們稱之為脈沖星。在生物學(xué)領(lǐng)域，研究者采用大寫的拉丁文來為物種進(jìn)行命名。醫(yī)生用那些古老的文字開藥方，患者看不懂，但交給藥工后，藥工就能明白。有些英文名字由許多音節(jié)組成的奇特化學(xué)物，是我們每天都要服用的。在生物化學(xué)領(lǐng)域，最常用的分子的英文名字有十個音節(jié)：脫氧核糖核酸！但宇宙整體起源，涉及空間、時間、物質(zhì)及能量，可用簡短“大爆炸”概括。天文學(xué)家傾向使用短詞形容研究目標(biāo)，畢竟宇宙已極難理解，再用宏大詞匯只會增加認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

想見識更多案例嗎？宇宙里某些區(qū)域引力極強(qiáng)，連光線都無法逃逸。一旦墜入其中，便再也無法脫身，這就是所謂的黑洞。我們僅用黑洞這個單音節(jié)詞匯，就敘述了全部情節(jié)。抱歉，關(guān)于這些內(nèi)容，我實在忍不住要分享。

中子星的密度有多大？想象一下，取一丁點兒（和頂針差不多大）中子星物質(zhì)。頂針是啥？以前人們縫制衣物都用手工，頂針能防止手指被針扎破。要達(dá)到中子星的密度，需要聚集一億頭大象，再把它們?nèi)咳M(jìn)這個頂針里面。換言之，假設(shè)將一億頭大象安放在蹺蹺板的一個端點，若另一端放置由中子星物質(zhì)構(gòu)成的頂針，兩者便可達(dá)到均衡狀態(tài)。中子星是極為致密的星體。它的引力同樣非常強(qiáng)大。究竟有多強(qiáng)？我們不妨抵達(dá)其表面進(jìn)行考察。

判斷一個物體引力強(qiáng)弱的方式是觀察提起它時耗費的能量大小。引力越強(qiáng)，提升它就需要投入更多的能量。我消耗一定能量就能登上一個樓層的高度，這個數(shù)值在我的體力承受能力之內(nèi)。但設(shè)想一下，在某個與地球重力相近的虛構(gòu)超級大行星上，峭壁的高度可以達(dá)到兩萬公里。從懸崖底部攀至頂端，你必須不斷對抗地球上的重力作用，現(xiàn)在估算一下從底部到達(dá)頂部所需的能量消耗，這需要消耗大量能量，它比你在懸崖底部時體內(nèi)儲存的能量還要多，在攀爬過程中，你需要補(bǔ)充一些能量棒等高熱量且易于吸收的食物。以每小時百米的速率持續(xù)向上攀爬，全天候不停歇，也需要二十二年以上的光陰才能抵達(dá)懸崖頂端。然而，當(dāng)中子星的表面時，想要移動一張紙的厚度，就需要同等規(guī)模的力量。據(jù)此推斷，中子星的環(huán)境或許不適合生命存在。

我們已從每立方米含有一個質(zhì)子的情況，說到了一億頭大象堆滿每頂針的密度，期間忽略了什么？溫度具體是怎樣的？我們不妨先討論熱，從太陽表面說起，那里的溫度高達(dá)六千開爾文，任何物體放在那里都會立刻氣化，這就是太陽呈現(xiàn)為氣體狀態(tài)的原因，因為在如此高的溫度下，所有物質(zhì)都會轉(zhuǎn)化為蒸汽。（相比之下，地球表面的平均溫度只有287開爾文。）

太陽核心的溫度是怎樣的？你或許能夠想到，太陽的內(nèi)部區(qū)域比它的外殼要熾熱得多——這一點有充分的依據(jù)可以證明，本書的后續(xù)章節(jié)會詳細(xì)闡述。太陽中心的溫度大約達(dá)到1500萬開爾文。在這樣的高溫條件下，會出現(xiàn)一些非常奇妙的現(xiàn)象。質(zhì)子們正以驚人的速度飛馳，實際上它們的運動速率極高。

質(zhì)子之間一般會相互推開，因為它們都帶有同種（正）電荷。不過，當(dāng)質(zhì)子高速移動時，它們能夠戰(zhàn)勝這種推開力。假如能讓它們彼此挨得很近，就會有另一種全新的力量參與其中——這種力量并非排斥性的靜電，而是在極小空間內(nèi)顯現(xiàn)出拉攏效果。只要把兩個質(zhì)子拉近到足夠小的距離，它們就會結(jié)合在一起。這種力有一個特定稱謂，我們稱作強(qiáng)核力。的確，這是它的規(guī)范叫法。該強(qiáng)大的核力能讓質(zhì)子聚合，生成新元素，比如在元素周期表里排在氫之后的那個——”氦。恒星正忙著合成比它們自身構(gòu)成元素更重的物質(zhì)。這一過程在恒星內(nèi)部的極深處進(jìn)行，我們將在第七章里更詳盡地探討它。

我們往低溫那邊談?wù)劙伞Ｕ麄€宇宙的冷熱程度是多少呢？它確實有冷熱，是大爆炸留下的痕跡。回到138億年前，此時此刻所有空間、時間、物質(zhì)和能量都緊挨著。初生的宇宙是一個高溫、翻滾的裝滿物質(zhì)和能量的大熔鍋。宇宙從那時起不斷膨脹，使得它冷卻到了大約2.7開。

當(dāng)前宇宙持續(xù)擴(kuò)張且溫度降低。資料表明，我們正經(jīng)歷單向的時空進(jìn)程。宇宙源自大爆炸，將永久膨脹。溫度會持續(xù)下降，最終降至2度，再降至1度，繼而降至0.5度，逐漸趨近絕對零度。最終，霍金揭示、戈特將在第24章探討的現(xiàn)象會出現(xiàn)，那時宇宙溫度或許會低到大約7×10–31度。然而這一情況并未使我們感到絲毫寬慰。恒星終將用盡自身的熱核物質(zhì)，它們會逐一消亡，從天空中隱去。雖然星際物質(zhì)確實能夠孕育新的恒星，但顯然這個過程也會使它們的氣體儲備逐漸枯竭。從氣體中誕生恒星，這些天體在生命歷程中不斷變化，最終會留下一些殘骸——即”恒星生命終結(jié)后的殘余物（黑洞、中子星和白矮星）。這一過程持續(xù)不斷，直至銀河中所有的發(fā)光體逐一隱沒，徹底熄滅。星系陷入沉寂，被黑暗籠罩，宇宙也失去了光芒，僅剩下黑洞，它們散發(fā)出微乎其微的微光。需要指出的是，這一景象正是斯蒂芬·霍金所預(yù)言的。

宇宙就這樣結(jié)束了，不是隨著一聲巨響，而是伴隨著一聲嗚咽。

在那種狀況出現(xiàn)之前很漫長的時間里，太陽的體積會變得十分可觀。我向你擔(dān)保，你絕不想在那種狀況下遭遇。太陽一旦消亡，其內(nèi)部將產(chǎn)生復(fù)雜的熱力學(xué)變化，從而推動它的外殼不斷擴(kuò)張。太陽的尺寸會持續(xù)增加，持續(xù)增加，它緩慢地在天空中占據(jù)你越來越廣闊、越來越廣闊的視角。太陽最終會覆蓋水星的運行路徑，接著會覆蓋金星的運行路徑。五十年億紀(jì)元時，地球會變成一堆焦黑的殘骸，圍繞太陽之外旋轉(zhuǎn)。海洋早已沸騰，水汽散入空中。大氣會被徹底加熱，所有氣體分子都將飛向宇宙深處。此時所有生命形式都將消失，而另一次災(zāi)難將在七十六億年后發(fā)生，那時焦黑的地球會開始向太陽螺旋靠近，最終在恒星內(nèi)部徹底熔化。

祝你今天愉快！

我想要讓你體會這本書里涉及的多少和大小，我剛才說的那些內(nèi)容，在接下來的章節(jié)里會有更深入更詳盡的解釋，很高興來到宇宙！