极简宇宙史《The Universe in Your Hand》

对世界的认识!
去探访我们今天的科学所认识的宇宙。

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1.宇宙

• 关于人类所有可能的未来，只有一条小道，能够指引人类在太阳终将到来的死亡以及其他许多可能降临的巨大灾难之后依然存续。
  这条小路就是知识，科学。
  它是只有人类才拥有的旅程。
• 与天空所有的恒星一样，太阳是一大团闪闪发光的等离子体，一个由电子、失去了部分电子的原子（它们被称为离子）、失去所有电子的原子（仅剩下原子核）所组成的炽热混合物。
• 星系、星系群、星系团和超星系团被广袤的空间分割，银河系只是所有这些小点中的普通一个。这是人类已知的事实。不管你的意识朝着那个方向开始你的旅程，最后都会碰到一道墙，那个在它外面光线就无法自由传播的界限--临界最后散射面。如果临界最后散射面包围着地球，那地球就一定是那道墙所包围的球体的中心，地球就真的位于它可见宇宙的中心。

2.理解外部空间

• 尺度才是关键，与宇宙相比，地球再怎么看都实在微不足道。一个微小尘埃上正确的规律或许未必在整个星系的尺度上依然正确。
• 物理学研究的一个优点就是当观察与理论不符时，大多数时候我们首先觉得肯定是观察的错。然后我们试图重复实验，如果实验不为所动地重复给出错误答案，我们就会查查看，有没有某个不知名的人，曾经碰巧利用另一种理论预见过这种结果。如果答案还是否定的，基本上我们可以认为对于自然界的这种行为我们目前没有任何解释。最保险的办法就是尝试一切可能。
• 引力原来是宇宙的构造被它所含的物体弯曲所引起的。
• 宇宙第一原则：为了了解大自然，我们必须超越我们的感观所告诉我们的感知，而为了实现这一点，我们必须假定，在相似条件下，大自然在任何时间与空间都遵循同样的定律--无论在此处还是彼处，在现在还是过去或未来，在我们看到的时候还是没看到的时候。
• 要猜想离地球很远很远的地方所发生的事情，人类必须假定宇宙中没有一个特别的位置--这是宇宙第二原则
• 如果某个观察者在宇宙各处观察，对于他来说，任何方向看出去都是一样的。远处的星系总是远离他所在的观察点，同那些星系远离地球一样--这是宇宙第三原则（宇宙第三原则不是用在你附近的事物上的。它管的是大场面。它适用的尺度比星系都要大得多得多。它说的是，在极大的尺度上，宇宙无论从哪个方向看都是一样的。）
• 引力只是一种几何学，是曲线与斜坡，由质量和能量所产生。
• 科学进步是一步步实现的，有时候，会跨出巨大的一步，带来理解上的革命。健康的看法依然是，将科学整体看作是帮助我们思考的脚手架，通过一代代人的努力，尽可能地接近我们所生活其中的真相，通过实验来揭示真实中隐藏着的神秘。虽然不管未来会有怎样的变化，但至今为止，在所有人类活动中只有科学才能带领我们发现自然界中的未知。无论人类在大自然面前应该如何保持谦虚，科学，只有科学，能给我们以眼睛来看清我们的身体所无法感知的世界。
• 我们从地球上能看到的可见宇宙是一个半径为一百三十八亿光年的球。
• 大自然不会在意某些人的意见，即便它们是大多数的意见。实验证据永远是必须的。

3.快

• 几百万年来，我们对于我们匆匆命名的“真实世界”的直觉只是建立在感观之上的感受而已。
  现在已经不再如此。
  我们可以看得更远。
  在远处，真实世界发生了改变。
• 你发现了牛顿曾经认为宇宙中普遍存在的万有引力实际上并不万有。引力，按照爱因斯坦的说法，只是时空弯曲引起的效应而已，它并不是简单的作用力。
• 牛顿教会了我们如何用语言和方程式来描述并预言我们通过感观感知的世界如何行事。而爱因斯坦通过他的广义相对论让你走得更远，你用以跟随他的不是动物直觉，而是你的大脑；通过大脑，你发现了一个将空间、时间、物质和能量都融合在一起的引力理论。这是你的第一次“超越”。
• 钟表并不以相同的速度运行，实际上，时间的流逝取决于物体间的相对运动速度。更妙的是，利用这个理论，还能依据两个人之间的相对速度算出他们两人时间上的预期差异。这个理论被称为狭义相对论
• 空间与时间互相交织在一起：如果时间发生了改变，距离也一定会改变。
• 将你的现在快进到别人的未来在理论上是可能的（甚至有可能在某一天在实际上也成为可能，但回来，却是不可能的。）想要通过快速移动而活得更长久则不会实现。

4.跃入量子空间

• 外太空远远不是空的。
  作为鱼类，当你短暂的跃出海面时，你进入了另一个世界，一个主要由气体和尘埃，而不是液体构成的世界。
  现在，你将要进入的世界比你刚才见到的更广泛。它被称为“量子世界”，它是基本物质与光的世界。
• 物质与光可以也的确在互相转化。
  在我们这个世界，所有一切都是物质与光的游戏。
  但不止于此。
• 地球上生命的存在只需要六中原子：碳、氢、氮、氧、磷、硫，即所谓CHNOPS。
• 你、我和我们的朋友们每天经历的所有事情，都由物质与光的互相作用、互相转化以及电子们断然拒绝与另一个完全相同的电子分享哪怕一点点自己的时空所支配。
• 在恒星内部深处，引力的能量被用来合成原子，这个过程又会让质量被转化成光和热，以及其他许多虽然存在但无法被我们眼睛看见的粒子。虽然我们生活中的大多数真相都隐藏在我们的感官之外，但一切都在我们的宇宙中被联系到了一起。
• 如果没有放射性，就不会有地震或火山爆发，地球表面早在几十亿年前就会是一片冰冷。我们所知的生命或许不会存在。
• 原子能作为整体，通过原子核的裂变或聚变，能释放出他们所隐藏的巨大能量，人类试图在核电站中以各种效率利用这些能量。我们只能希望有一天，技术的发展能让这些技术变的更加安全清洁，因为他们有着巨大的潜力。

5.到达空间与时间的源头

• 在宇宙中，所有的基本粒子，都诞生于同一个背景场中，也会在任何时候被同一个背景场所吞噬湮灭：某个量子场的真空。那些不可见的、充满我们整个宇宙的背景海洋。
• 当科学家们说你的宇宙年龄是一百三十八亿年，他们指的是你所熟悉的时间与空间这两个概念开始在你的宇宙中有意义，时空变得有意义以来，时间已经过去了一百三十八亿年。那个时刻大概发生在临界最后散射面后面三十八万年，在宇宙微波背景辐射开始布满我们宇宙空间的三十八万年前。那个时刻又是热大爆炸发生前的大概几万亿亿亿亿分之一秒的时候。最后，科学家们可以正确地说从空间与时间诞生以来，这些时间过去了，但这并不意味我们的宇宙从那里开始，也不意味着这是唯一存在着的宇宙，也不是曾经存在过的唯一一个宇宙。
• 要想了解宇宙，你需要两方面信息。第一方面是一条规则，或者一组规则。另一方面是初始条件。
• 以地球为中心，存在着一个半径为一百三十八亿年的球体，包含着人类可能用光收集到的关于宇宙过去的全部信息。在它外面，还存在着另一个层三十八万年的现实。再外面呢？没有人知道。

6.意料之外的谜团

• 艾弗雷特解读：宇宙根本就没有作出任何真正的选择。所有可能都实现了。只是你不知道而已。我们宇宙中的一切都由量子物质构成，因此所有一切都应被看作是一个各种可能性同时存在的巨大量子波。
  从这个视角看，那么没有什么坍塌发生。所有的可能性都依然存在。整个宇宙在每次作出选择时产生了分支，源于实验或是其他观察。因此应该存在着无法想象之多的许多平行宇宙，其中每一种可能性，每一种可能的后果都以事实存在。
  我们的周围到处都是平行历史。
• 根据NASA卫星的估算，我们宇宙的能量构成如下：暗能量：72%，暗物质：23%，我们已知物质（包括光）：4.6%（总数之和并不是100%，因为在所获取的数字中永远有不确定的误差存在）。其余都是未知。
• 时空在它所包含的物体周围弯曲和拉伸，不管那种物体是质量还是其他形式的能量。
• 当弯曲变得越来越厉害时，最初形成这种弯曲的不管什么东西都会被进一步挤压，让那里的密度更高，形成一个恶性循环，直到无情地让时空崩塌，这种崩塌蒙上了无限大所带来的灰尘，超出了广义相对论所能应对的范围。这种无限大被称为“奇点”。它们不同于早些时候看到的量子无限性。它们与量子进程毫无关系。它们的出现原因在于有太多质量或能量，出现在太小的体积里。它们是局部的。它们存在的可能性宣告了爱因斯坦引力理论的失效。
• 事实上，黑洞是空洞的极端反面：它们诞生于过小的空间里，却聚集了过多的物质与能量。需要巨大的能量才能创造出黑洞。就我们现在所知，只有最为巨大的那些闪亮的恒星死亡时，才能释放出足够的能量将自己的内核压缩成黑洞。
• 牛顿找到一种方式，能够在我们所熟悉的日常生活尺度上描述我们的世界。它符合我们的尝试。对于非常巨大和高能的世界，爱因斯坦的理论占据了主导地位。而对于很小的世界，是普朗克理论的天下，那就是量子世界。自然界中有一个常数告诉我们大概在什么尺度上，量子效应开始出现。它被称为普朗克常数。

7.迈向已知世界之外的第一步

• 人类在试图揭示自然规律的道路上已经走了几千年。
  我们对于这些规律的认知从那时到现在已经有了很大的变化和提高。
  一百年前，爱因斯坦提出了思考引力的一个新视角，我们知道不仅在我们脚下挖掘地球的考古工作能告诉我们历史，观察星空也一样能找出我们宇宙的过去。几乎就在同样的时期，许多科学家开始发现那些不可思议的量子理论统治着我们的微观世界。
• 在弦理论中，粒子就是弦的振动。
• 要想超越已知领域，就意味着总有一些东西需要被放弃。但现在，需要放弃的是所在宇宙的特殊性，也就是你或许认为你所在宇宙独一无二的这种想法。
• 从牛顿到爱因斯坦，放弃了宇宙是静态的和一成不变的，以及引力是一种作用力的想法，不得不引进时空这一概念，三维空间与一维时间交织在一起，成为思维的时空这一单一概念，而且时空自身还在质量与能量周围变形。从牛顿到量子物理学，你不得不放弃粒子是一个固定的点，你必须引入波、场、不确定性以及不同历史这些概念。现在，从引力理论、量子场理论到弦理论，你必须将所有一切基本概念转化成由闭合的或开放的弦所构成的理论。而且现在不得不放弃的是现实只有思维的概念。弦无法存在于一个只有思维的时空之中。它们需要更多空间。它们生活在一个十维宇宙中。

后记

• 想象实验：那些纯粹通过思想进行的实验。
• 人类生存的工具：我们的大脑。我们的意识。我们的想象力。科学。
• 当你仰望星空时，希望你能够记起这个宇宙是多么神奇、广袤和美丽。在探索不为人知的美与神秘的同时，正因为我们不断充实自己的知识，放飞想象，才有可能为人类找到一条长久生存下去的道路。