馬庫(kù)斯·喬恩

【內(nèi)容簡(jiǎn)介】

這是一本由50個(gè)古怪又奇妙的科學(xué)事實(shí)組成的科普書。

隨著科技的進(jìn)步和飛躍，人類對(duì)世界的理解不斷加深，這一切都揭示了一個(gè)遠(yuǎn)比我們想象中更為奇怪的宇宙。作者用輕松幽默的語(yǔ)言，向我們闡釋了宇宙中所暗藏的巨大能量，也揭示了關(guān)于生命存在的有趣細(xì)節(jié)，讓人在腦洞大開之余，獲得豐富的科學(xué)知識(shí)。發(fā)掘那些控制我們?nèi)粘Ｉ畹碾[藏真理，有助于解釋我們存在的巨大復(fù)雜性，也能夠改變我們的思維方式和對(duì)萬(wàn)事萬(wàn)物的看法。

3萬(wàn)年前的光

愉快的回憶讓我重回往日的時(shí)光。

——托馬斯·穆爾

科學(xué)史上有一張十分神奇的照片，深藍(lán)色背景上面有一個(gè)橘黃色、充滿顆粒感的光斑。我在科普演講的時(shí)候，總喜歡把這個(gè)圖投影在大屏幕上讓大家猜。有人說(shuō)是個(gè)正在爆炸的恒星，有人說(shuō)是個(gè)原子，還有人說(shuō)是一坨熔化的金屬球。反正答案千奇百怪，但很少有人答對(duì)。這樣才好，我就能用夸張的語(yǔ)氣給出這個(gè)讓人驚奇的答案：“這是太陽(yáng)??！晚上的太陽(yáng)。”

“你可得了吧，”總有人會(huì)站起來(lái)質(zhì)疑，“晚上？太陽(yáng)不是在地球另一邊嗎？”

“對(duì)呀，可不就是地球另一邊的太陽(yáng)！這張照片不是抬起頭拍攝的，而是埋著頭拍攝的，隔著8000多英里地球直徑拍攝到的地球另一邊的太陽(yáng)。這也不是借著光拍攝的，而是借著中微子?！?/p>

中微子是一種來(lái)去無(wú)蹤的亞原子粒子，是太陽(yáng)核心核反應(yīng)的生成物，數(shù)量龐大到不可思議。你現(xiàn)在如果伸出拇指，1秒內(nèi)就有1000億個(gè)中微子穿過你的指甲蓋。你對(duì)此毫無(wú)覺察，因?yàn)樗鼈兎浅２幌矚g社交，它們一般不跟任何原子交流。要尋覓它的蹤跡就只能使用充滿大量原子的探測(cè)頭，希望哪個(gè)原子能攔住一個(gè)中微子。

這張地球背面的太陽(yáng)照片是由超級(jí)神岡中微子探測(cè)器拍攝的，探測(cè)器深埋在日本岐阜縣下方的大洞穴里。探測(cè)器就像一個(gè)10層樓高的紅燒肉罐頭，灌滿了5萬(wàn)噸的水。偶然間會(huì)有一顆太陽(yáng)的中微子穿過探測(cè)器并很罕見地和水分子里的氫原子核，也就是質(zhì)子互相作用。然后這個(gè)亞原子彈片被炸出水罐，這個(gè)過程會(huì)發(fā)出像超聲速?zèng)_擊波一般的光。你很可能都見過這種切倫科夫光的照片，其實(shí)就是在核反應(yīng)堆旁放射性廢料發(fā)出的藍(lán)瑩瑩的光亮。

在超級(jí)神岡探測(cè)器那巨大的罐頭內(nèi)，滿滿覆蓋著11146個(gè)直徑50厘米的“燈泡”。它們就是名為“光電倍增管”的光探測(cè)器。只要記錄下哪些光探測(cè)器被激活（探測(cè)到光線），以及激活的順序，物理學(xué)家就能推測(cè)出中微子產(chǎn)生切倫科夫光的路徑。

但這些細(xì)節(jié)都不重要。只要知道中微子幾乎不和其他物質(zhì)互相作用，因此從太陽(yáng)核心往表層發(fā)散的時(shí)候才能暢通無(wú)阻地走直線，僅2秒就能抵達(dá)太陽(yáng)表層。之后又花了約8.5分鐘飛到地球。

再一次豎起你的大拇指?，F(xiàn)在正穿過你拇指的中微子在約8.5分鐘之前還在太陽(yáng)核心呢。

然而，太陽(yáng)光雖然也是由內(nèi)核核反應(yīng)產(chǎn)生的，卻和中微子的際遇大相徑庭。光是一束由無(wú)數(shù)光子組成的粒子流，它們從太陽(yáng)內(nèi)核去往表層的路程異常艱辛。光子們就像圣誕節(jié)搶降價(jià)商品的中年婦女一樣，在異常擁擠的街道上殺出一條血路。它們可走不了直線，被擠到懷疑人生的它們只能Z字形前行。在太陽(yáng)內(nèi)部，光子走不到一厘米就會(huì)被其他物質(zhì)反射向另一個(gè)方向。事實(shí)上，對(duì)光子來(lái)說(shuō)，從太陽(yáng)內(nèi)核到外層的路途實(shí)在是太曲折了，要花上3萬(wàn)年的時(shí)間才走得完。對(duì)的，你沒看錯(cuò)，是3萬(wàn)年！再想想中微子只需要2秒，不禁心疼一下光子。然后，光子從太陽(yáng)外層抵達(dá)地球只要8.5分鐘。

綜上所述，你今天看見的陽(yáng)光已經(jīng)有3萬(wàn)歲了，它們差不多是在最后一個(gè)冰河時(shí)期誕生的呢！

暗

暗物質(zhì)無(wú)處不在，它就在你房間的每個(gè)角落。

——法比奧拉·賈諾蒂

97.5%的宇宙是不可見的，不管從哪個(gè)角度看，這都堪稱科學(xué)史上最令人訝異的發(fā)現(xiàn)。然而，大部分科學(xué)家對(duì)這一事實(shí)的認(rèn)識(shí)仍然不夠深刻。很多人仍未意識(shí)到，過去350多年以來(lái)科學(xué)家致力于的事業(yè)不過只是宇宙極小一部分，就像巍峨大山中散落的雪花。

宇宙僅有4.9%是由原子組成的，比如說(shuō)你和我、天上的繁星等。然而通過望遠(yuǎn)鏡，我們僅能看到這4.9%的一半。天文學(xué)家懷疑另一半由原子組成但又看不見的物質(zhì)是星系之間游蕩的氣體，它們不夠冷，也不夠熱，無(wú)法發(fā)出光亮。近期有科學(xué)研究表明，我們已經(jīng)在熱氣體細(xì)絲中找到了一部分這種看不見的物質(zhì)。熱氣體細(xì)絲是星系之間稀薄的網(wǎng)狀物質(zhì)。

宇宙中4.9%為普通物質(zhì)，26.8%（大概為普通物質(zhì)的6倍）為暗物質(zhì)。暗物質(zhì)不發(fā)光，或者發(fā)出的光芒過于暗淡，以至于我們最為靈敏的天文設(shè)備都無(wú)法探測(cè)到。我們能覺察到暗物質(zhì)的存在，完全是因?yàn)榘滴镔|(zhì)對(duì)可見星體和星系有引力作用，使得它們的運(yùn)動(dòng)軌跡與牛頓引力定律的計(jì)算結(jié)果不符。

至于暗物質(zhì)究竟是什么，我也并不比你多知道些什么。對(duì)此猜測(cè)很多，從未知的亞原子到自大爆炸就存在的冰箱大小的黑洞。還有種可能就是，我們正處于倒流的時(shí)間中，而暗物質(zhì)是未來(lái)遺留下來(lái)的產(chǎn)物（沒開玩笑）。如果暗物質(zhì)是由前者構(gòu)成的，那它現(xiàn)在就真的充斥在你周圍的空氣中。科學(xué)家也曾希望有疑似暗物質(zhì)的亞原子，會(huì)在位于瑞士日內(nèi)瓦附近的大型粒子加速器內(nèi)現(xiàn)身，但至今為止并沒有任何驚喜。閑來(lái)無(wú)事之時(shí)，我也會(huì)胡亂猜測(cè)一下是否會(huì)有暗恒星、暗行星、暗生物之類的東西。也會(huì)猜測(cè)，科學(xué)家近50年來(lái)不斷試圖尋找外星文明但一無(wú)所獲的原因沒準(zhǔn)就在這些“暗”的事物上，沒準(zhǔn)我們周圍正熱鬧地開展著星系間商務(wù)文化交流，只是我們看不見而已。

除去4.9%的普通物質(zhì)、26.8%的暗物質(zhì)，另外占據(jù)68.3%宇宙質(zhì)量的是暗能量（記住，所有能量都有對(duì)等的質(zhì)量，按照愛因斯坦質(zhì)能方程E=m? 換算）。暗能量不可見，它充斥著整個(gè)宇宙且?guī)в胸?fù)引力。負(fù)引力會(huì)加速宇宙膨脹，這也是為什么我們能在1998年發(fā)現(xiàn)暗能量的存在。試想一下，直到20多年前，科學(xué)界才開始意識(shí)到那些一直以來(lái)忽略掉的絕大部分宇宙。

如果說(shuō)物理學(xué)家們被暗物質(zhì)難住了，那么暗能量簡(jiǎn)直讓他們無(wú)從下手。當(dāng)今最先進(jìn)的物理理論是量子理論，它十分成功，我們從它那里獲得了激光、電腦和核反應(yīng)堆。它也解釋了太陽(yáng)為什么發(fā)光，我們腳下的土地為什么堅(jiān)實(shí)。但是，當(dāng)我們將量子理論用于預(yù)測(cè)暗能量的能量時(shí)，得出的計(jì)算結(jié)果比我們實(shí)際觀測(cè)到的結(jié)果大了1后面加120個(gè)0那么多倍。這是科學(xué)史上理論值與觀測(cè)值差異最大的一次。也許我們對(duì)“真實(shí)世界”的含義有些誤解。

“現(xiàn)代宇宙學(xué)面臨最尷尬的問題是，宇宙絕大部分構(gòu)成是不可見的，”美國(guó)天文學(xué)家史黛西·麥高說(shuō)道，“暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成了宇宙約95%的質(zhì)能，但我們也僅僅知道它們存在罷了?！?/p>

靜靜地想一想，我們竟然僅靠望遠(yuǎn)鏡中看見的2.5%的宇宙，就勾畫出現(xiàn)代宇宙學(xué)的基石，即宇宙模型。舉個(gè)例子，這就像是，19世紀(jì)的査爾斯·達(dá)爾文如果只知道青蛙，但不知道樹、狗、螞蚱或鯊魚什么的，那么他又能在生物學(xué)理論，如進(jìn)化論上，做出多少成就呢？現(xiàn)代天文學(xué)家就處于這種尷尬的境地。顯而易見，現(xiàn)代宇宙學(xué)缺失了一大塊知識(shí)點(diǎn)。希望有朝一日，新發(fā)現(xiàn)能彌補(bǔ)這些盲點(diǎn)，讓暗物質(zhì)和暗能量這些在大爆炸理論中的搗蛋鬼能有機(jī)地整合成完美無(wú)瑕的理論。希望科學(xué)前行的道路上會(huì)有驚喜等著我們——那種能徹底改變我們看待宇宙方式的驚喜。

你的確來(lái)自天堂

在我心里，一彎草葉可比天上繁星起落。

——沃爾特·惠特曼

你血液中的鐵、骨骼中的鈣、肺中吸入的氧都是遠(yuǎn)在地球誕生之前，在漫天繁星內(nèi)部形成的。事實(shí)上，我們與星系之間的關(guān)系緊密到任何占星家都無(wú)法想象，而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這一驚人事實(shí)的道路是漫長(zhǎng)而曲折的。

第一步是發(fā)現(xiàn)宇宙間萬(wàn)物生靈都是由原子構(gòu)成。理查德·范曼曾提出一個(gè)問題：“如果有大災(zāi)難發(fā)生，所有科技科學(xué)都將毀于一旦，我們卻只能為后世留下一句話，那么怎樣才能用最少的話語(yǔ)傳遞最多的科學(xué)信息呢？”他斬釘截鐵地自問自答道：“萬(wàn)物皆由原子構(gòu)成。”

在漫長(zhǎng)的幾個(gè)世紀(jì)里，人們?cè)?jīng)不斷嘗試將一種物質(zhì)煉制成另一種物質(zhì)，比如說(shuō)把鉛變成金子。有趣的是，在經(jīng)歷了幾百年的嘗試失敗之后，人們突然發(fā)現(xiàn)世界是由微小而不可分的粒子構(gòu)成的，這些基本粒子并不能從一種變成另一種。原子不僅是基本元素，它還是譜寫萬(wàn)物的字母表。正如前文所言，將原子按不同方式、不同類別組合在一起，能構(gòu)成一個(gè)星系、一棵樹或者一只在山間嬉戲的猿猴。世間繁復(fù)多變的事物只是虛幻，萬(wàn)物的本質(zhì)都十分簡(jiǎn)單，只是自然基礎(chǔ)元素的排列組合而已。

自然界一共有 92 種自然存在的原子或者說(shuō)元素，從質(zhì)量最輕的氫元素到最重的鈾元素，其中一些元素在宇宙中很常見，另一些則不然。到了 20 世紀(jì)，我們又發(fā)現(xiàn)另一個(gè)古怪的事實(shí)，一個(gè)元素在宇宙中含量多少與其原子核構(gòu)造有關(guān)。比如說(shuō)，原子核最輕的元素最為常見。

那么，究竟為什么元素在宇宙中的含量會(huì)和元素原子核結(jié)構(gòu)相關(guān)呢？唯一行得通的解釋是，核反應(yīng)過程也參與到原子形成的歷程中了。換句話說(shuō)，創(chuàng)世神并不是一次性創(chuàng)造出這 92 種元素。真實(shí)情況是，當(dāng)宇宙還處于幼年階段時(shí)，它只擁有最簡(jiǎn)單的原子——?dú)湓印６渌氐脑囟际怯蓺湓亟M合形成的。

原子核內(nèi)的質(zhì)子之間排斥力異常強(qiáng)，要想靠核力將它們像《星際迷航》中“牽引光束”那樣束縛住并且黏合在一起，就必須把質(zhì)子們放置到足夠近的地方。這就意味著，質(zhì)子們必須以極高的速度“砰” 的一下撞擊在一起。溫度是微觀運(yùn)動(dòng)的量尺，也就是說(shuō)這種核反應(yīng)需要極高的溫度。

20 世紀(jì)的物理學(xué)家們面臨的問題是：宇宙中什么地方的溫度可以達(dá)到讓原子核融合，從而形成新原子的高溫熔爐呢？最初，科學(xué)家們認(rèn)為是各大恒星表面，但即便是那兒的溫度似乎也不夠高。他們發(fā)現(xiàn)找錯(cuò)了地方，于是把目光轉(zhuǎn)移到宇宙誕生之初的那一瞬間：宇宙大爆炸的火球就是最初的熔爐。

但是，大自然做事才不會(huì)如此簡(jiǎn)單，煉造出 92 種元素的宇宙熔爐并不止這一處。質(zhì)量極輕的一些元素，比如說(shuō)氦，的確是在宇宙誕生那最初幾分鐘里煉化而成的。而所有重一些的元素則是由各恒星內(nèi)核自大爆炸起就苦心經(jīng)營(yíng)、費(fèi)力煉化而來(lái)的。

太陽(yáng)這般的恒星不夠熱、密度也不夠大，煉化不出任何比氦元素更重的元素。但大質(zhì)量恒星內(nèi)部則能煉制出重至鐵元素的原子。到最后，這類恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)就如洋蔥一般，每一層的構(gòu)成元素都比它外面一層的構(gòu)成元素更重。

如果這些恒星始終保持穩(wěn)定，也沒有演化到超新星爆炸階段，那么這些新的更重的元素便一直封鎖在恒星內(nèi)部。這樣一來(lái)，我們也不會(huì)存在了。幸好，這些恒星不僅會(huì)借助自身爆炸將核熔爐中融合的新元素分享給全宇宙，在爆炸過程中還會(huì)生產(chǎn)出更重的元素來(lái)。

這些元素與星際云的氣體和塵?；旌显谝黄穑S富了星際云中的重質(zhì)量元素，與星際云一起孕育新恒星和行星。正因如此，重元素才會(huì)在地球上出現(xiàn)。正如美國(guó)天文學(xué)家艾倫·桑德奇所言：“我們都是兄弟姐妹，我們都來(lái)自同一次超新星爆炸?！?/p>

如果從恒星上挖一小塊物質(zhì)會(huì)是什么樣的呢？如果好奇的話，不如舉起自己的手看一看，畢竟你就是星塵所化。

（可可摘自湖南科技出版社《奇怪的知識(shí)增加了》）