《深時(shí)之美：從宇宙星塵到人類文明，跨越45億年的地球故事》

[美]賴?yán)げ既R克 著 劉小鷗 譯 邢立達(dá) 審訂

北京科學(xué)技術(shù)出版社/2023.6/198.00元

[美]賴?yán)げ既R克

專門研究古生物學(xué)的科學(xué)作家，“侏羅紀(jì)世界”系列電影常駐古生物學(xué)家。著有《恐龍時(shí)代》和《史前掠奪者》。

劉小鷗

挪威科技大學(xué)地質(zhì)工程與地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)碩士，現(xiàn)任科普公眾號(hào)“原理”主筆。譯有《地球的故事》等。

“深時(shí)”是塑造我們星球地質(zhì)事件的時(shí)間尺度，這一尺度十分巨大，甚至挑戰(zhàn)了人類的理解極限，但關(guān)于它的證據(jù)卻是隨處可見的。本書匯集了“深時(shí)”前沿研究成果與近200幅精美圖片，按照時(shí)間順序，從古代巖層到“天外來客”，從鯊魚牙齒化石到水下森林，逐一探討了地球歷史上的精彩時(shí)刻與重大事件，揭示了“深時(shí)”存在的證據(jù)。

時(shí)間是什么

我們的生命被時(shí)間支配著。我們的生命、我們的期許，還有我們對(duì)未來的希望都有特定的時(shí)間跨度，所有這些都是長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億甚至上百億年的歷史的一部分。事實(shí)上，時(shí)間太像是永恒存在的了，以至于我們很容易把它視為理所當(dāng)然。但正如我們所知的那樣，時(shí)間不必像我們以為的這般存在。在我們的深時(shí)之旅啟程之時(shí)，首先值得一問的便是：時(shí)間究竟是什么？

你的手表、電腦或者手機(jī)可能會(huì)給出一些關(guān)于時(shí)間的膚淺回答，但這些只是我們計(jì)時(shí)的方式，并不能反映時(shí)間本身。從某個(gè)角度看，時(shí)間是從過去到現(xiàn)在再延伸到未來的一系列事件。變化和差異是時(shí)間本身的固有屬性，如果沒有任何改變，宇宙就真成永恒的了。

接下來，我們也許可以嘗試更專業(yè)地回答這個(gè)問題。時(shí)間實(shí)際上是一個(gè)維度，也就是構(gòu)成我們宇宙的一個(gè)部分，它允許空間中的一個(gè)物體在該空間中處于多個(gè)位置。回想一下上次你在去某個(gè)地方的路上，從街道的一端走到另一端的情景。你在一個(gè)螺旋的星系中，在太陽系里一顆圍繞太陽運(yùn)行的行星上，從街道的起點(diǎn)開始，沿著人行道移動(dòng)到空間中一個(gè)完全不同的位置，這就是一種跡象，表明我們生活在一個(gè)有時(shí)間的宇宙中。

時(shí)間之箭

以上內(nèi)容并不是在說這就是時(shí)間的全部，這只是一個(gè)起點(diǎn)，一個(gè)最起碼的起點(diǎn)，它打開了通往其他可能性的大門。時(shí)間的一個(gè)基本層面是它的方向性。時(shí)間并不是一種過去變成了現(xiàn)在然后又回到過去的循環(huán)。我們的宇宙是由時(shí)間之箭塑造的，始終是單向的，從過去到現(xiàn)在，再前往存在諸多變數(shù)的未知未來。我們處于這支箭的尖端，過去的時(shí)刻和未來同樣遙不可及。

另一種思考時(shí)間的方式是通過熵（entropy）的現(xiàn)象，或者說一種所謂的無序性的度量。如果你做了一個(gè)三明治，把它放在桌子上，即使沒有饑餓的寵物沖進(jìn)房間吃了它，微生物和其他過程最終也會(huì)分解掉你的午餐，讓它變得面目全非。從某種意義上來講，宇宙差不多也是如此。熵從時(shí)間的第一刻起就一直在增加，這是生命逃脫不了的事實(shí)。

讓物理學(xué)家和宇宙學(xué)家百思不得其解的是，為什么我們的宇宙在開始時(shí)熵相對(duì)較低，但隨著時(shí)間的推移，熵卻不斷增加？這種熵的增加同時(shí)可能是其他一些東西的線索。我們經(jīng)常談?wù)摯蟊ǎ˙ig Bang），似乎它是憑空出現(xiàn)的，是一切的開端，但這只是一種假設(shè)。如果大爆炸脫胎于某些更古老的東西，那些更早的條件可能已經(jīng)影響了早期宇宙的模樣，也會(huì)影響我們體驗(yàn)到的這種時(shí)間流逝。

其他宇宙？

很多事情仍然是假設(shè)性的，但我們的宇宙有可能是作為另一個(gè)宇宙的一部分而誕生的，而那個(gè)宇宙并不像我們這里一樣存在著方向性的時(shí)間。如果沒有時(shí)間之箭，原先的宇宙將擁有一種無法感知的時(shí)間，因?yàn)槟抢锊淮嬖凇爸啊被颉爸蟆?。但是，如果大爆炸是從這樣一個(gè)已經(jīng)存在的宇宙中分裂而來的，也許就可以解釋為什么我們的宇宙在早期經(jīng)歷了一段低熵的時(shí)期，并且隨著時(shí)間的推移熵逐漸增加。這個(gè)開始或許不是終極的開始，而是一種帶有某些條件的開始狀態(tài)。

盡管我們對(duì)“時(shí)間是什么”的理解發(fā)生了變化，也提出了新的問題，但我們知道時(shí)間存在是因?yàn)槲覀兏兄搅怂?。我們?cè)谧约旱纳眢w里感受到了時(shí)間的流逝，我們親眼看到了它，這也是我們希望追尋這一切的部分原因。早在很久很久之前，人們就已經(jīng)懂得記錄時(shí)間。古人通過挖坑來追蹤月相，他們創(chuàng)造日晷、發(fā)明歷法，甚至給神命名［比如古希臘神話中的克羅諾斯（Chronos）］，以試圖理解這一自然事實(shí)。時(shí)間從何而來仍然很難理解，它被困在一段難以看清的過去中，但我們至少可以回到宇宙時(shí)鐘開始轉(zhuǎn)動(dòng)的那一刻。即使存在一個(gè)更古老的開始，也沒有比大爆炸更好的開始了。

重子聲學(xué)振蕩

雖然很難找到所有事物的標(biāo)準(zhǔn)度量，但宇宙本身存在一種被科學(xué)家稱為標(biāo)準(zhǔn)尺（standard ruler）的東西。這是一種理解和比較宇宙距離的方法。

標(biāo)準(zhǔn)尺長(zhǎng)4.9億光年（light year）。雖然標(biāo)準(zhǔn)尺聽上去像是一把非常長(zhǎng)的尺子，但別忘了宇宙有多大。物理學(xué)家估計(jì)，可觀測(cè)宇宙的直徑約930億光年，有超過189個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺那么寬。

科學(xué)家通過研究一種被稱為“重子聲學(xué)振蕩”（baryon acoustic oscillations）的現(xiàn)象確定了標(biāo)準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度。重子（baryon）是一種復(fù)合的亞原子粒子，由至少3個(gè)夸克組成。我們最熟悉的重子是質(zhì)子和中子，分別由3個(gè)夸克組成，這兩類重子構(gòu)成了大部分可見物質(zhì)的質(zhì)量。

粒子守恒

由于物質(zhì)和能量的守恒，宇宙中的粒子數(shù)量自大爆炸以來一直保持不變。然而，不斷膨脹的宇宙改變了這些粒子的行為，膨脹帶來了更大的體積，導(dǎo)致宇宙內(nèi)部物質(zhì)的密度越來越低。這種膨脹改變粒子行為的方式在空間中留下了真實(shí)的漣漪。

讓我們回溯到大爆炸之后不久，宇宙開始膨脹的時(shí)刻。大爆炸后，快速的冷卻讓中微子在宇宙的第1秒就變得非常中性，此時(shí)的宇宙是由一種格外熾熱且極度致密的等離子體（plasma）組成的，其中充滿了電子、質(zhì)子和中子等亞原子粒子。

帶電等離子體

等離子體是一種難以分類的物質(zhì)，是一種類似氣體的物質(zhì)狀態(tài)。但在等離子體中，部分甚至全部電子都被篩選掉了，因此帶正電的離子可以自由移動(dòng)。實(shí)際上，等離子體是一種帶電氣體，盡管它在地球上鮮少出現(xiàn)，但它大概是整個(gè)宇宙中最常見的物質(zhì)狀態(tài)了，在我們宇宙的早期階段同樣如此。當(dāng)時(shí)，原始等離子體在宇宙中創(chuàng)造了一片帶電離子的廣袤海洋，但原始等離子體并不是均勻的，其中一些地方要比其他地方致密得多，這是在宇宙中產(chǎn)生那些本質(zhì)上是沖擊波的現(xiàn)象的關(guān)鍵。

宇宙中聚集的物質(zhì)團(tuán)塊獲得了引力，并將更多物質(zhì)拉向自身，這就是包括行星在內(nèi)的許多天體最終形成的方式。隨著時(shí)間的推移，物質(zhì)團(tuán)會(huì)吸引更多物質(zhì)和它們?nèi)跒橐惑w，而在宇宙早期，這種形式的相互作用更為復(fù)雜。引力將不斷增長(zhǎng)的致密物質(zhì)團(tuán)緊密結(jié)合，讓更多粒子聚集在一起，這一過程同時(shí)產(chǎn)生了熱能。以光子形式出現(xiàn)的熱能帶來了一種會(huì)將物質(zhì)分開的壓力。當(dāng)這些物質(zhì)冷卻后，引力再次占據(jù)上風(fēng)，并開始將更多物質(zhì)拉到一起。隨著宇宙在早期階段的持續(xù)膨脹，這一循環(huán)不斷重復(fù)出現(xiàn)。