第1章 宇宙是由什么组成的?

你将发现自己

其实非常古怪、非常特别

如果你是一个人(从现在开始我们将一直这么假设),那么你大概会对周围的世界忍不住有些好奇。这是人性,也是你选择阅读此书的一个原因。

这不是一种新的感受。有史以来,人们一直想知道某些问题的答案,这些问题关乎我们周围这个世界的根本,我们对此产生好奇是非常合理的—

宇宙是由什么组成的?

大块的石头是由小块石头组成的吗?

为什么我们不能吃石头?

如果我变成一只蝙蝠会怎样? 1

第一个问题—宇宙是由什么组成的?—是个很大的问题。这不是因为这个话题很大(它不会变得比宇宙还大),而是因为这与所有人相关。这就好像是在问你房子里面的每件东西(包括你自己)是由什么组成的。你不需要丰富的数学或物理知识,就能明白这个问题影响着我们每一个人。

宇宙是由什么组成的?如果你是第一个试图回答这个问题的人,那么从最简单、最自然的想法开始思考会是个好主意。比如,你或许会说,宇宙是由我们能看见的东西组成的,于是你可以通过一张列表回答这个问题。这张列表或许是这样开头的:

但这个方法有很大的问题。你的列表会非常非常长,因为它需要包括宇宙中每个行星上的每块石头,还要包括你的这份列表本身(它也是宇宙的一部分)。如果你要用这张列表列出所有物体及其内部成分,那么它会无限长。如果你不需要列出物体的内部成分,那么这张表说不定只包含一项:“宇宙”。显然,不管你怎么做,这个方法都有很大的问题。

但更重要的是,列表并不能真正找到那个问题的答案。让人满意的答案不仅会记录我们眼中物质世界的复杂性—我们四周有无限多种类的东西—还会为我们进行简化。这正是元素周期表(就是那个包含氧、铁、碳等元素的表格)的重要之处。人们看见、摸到、尝到 2 ,或者丢给伙伴的每一个东西,全都基于元素周期表中的这些基本元素。它揭示了一点:宇宙的构成原理和乐高差不多。利用一堆小塑料块,你可以搭出玩具恐龙、飞机、海盗,或者创造一种你自己假想的会飞的恐龙海盗。

像乐高一样,积木(元素)能组建宇宙里的许多东西:恒星、岩石、尘埃、冰激凌、羊驼。复杂物体是由简单的物体排列组合起来的,通过简单的例子,我们会更深刻地理解这个组织原理。

可是,宇宙为什么遵循这种乐高式的组织原理呢?我们无从确定宇宙真的可以简化成积木。据原始人时代的科学家所知,这个世界或许在以许多不同的方式运转。原始人奥克(Ook)和古可(Groog)根据经验总结理论,而他们的经验其实可以有很多种解释,每种解释对应不同的宇宙观。

也许,东西的种类是无穷的。在这样一个宇宙里,石头可能是由石头元素粒子构成;空气可能是由空气元素粒子构成;大象可能是由大象元素粒子(让我们称它们为小小象)构成。这样一想,元素周期表会包含无数个元素。

也许事情更加奇怪,我们可能生活在另一个宇宙,那里的东西根本不是由微小粒子构成的。石头就是石头,我们可以无休止地把一块石头切成更小块的石头,只要你能找到足够锋利的刀。

这两种想法都可以解释奥克和古可教授在他们著名的岩石爆炸试验中收集到的数据。我们之所以提到了这些可能性,可不是因为我们认为宇宙就是这样的。我们只是在提醒你,我们所感知的这部分宇宙有可能是这样的,而宇宙中我们还未曾探索过的其他物质也有可能是这样的。

因此,在这本书里发现宇宙的未解之谜时,你应该感到鼓舞和激动,而不是变得沮丧和消沉。这将告诉我们,还有多少未知等待着我们去探索和发现。

在我们了解和喜爱的宇宙中,我们周围的事物看起来好像是由微小的粒子组成的。经过几千年的思考和研究,人们有了靠谱的物质理论 3 。从奥克和古可的第一个试验到现在,人们已经突破了元素周期表的尺度,看到了原子的内部情况。

据我们所知,物质是由元素周期表中这些元素的原子组成的。每个原子都有一个核,核周围是电子云。原子核包含质子和中子,它们由上夸克和下夸克组成。因此,有了上夸克、下夸克和电子,我们就能制造元素周期表中的任何元素。这可太棒了!我们把无穷无尽的宇宙成分列表简化为元素周期表,又进一步简化为三个粒子。我们看见的、摸到的、闻到的,还有用脚趾碰到的一切都能用这三个最小的积木构建起来。祝贺!这是千万个聪明的大脑共同的成就。

但是,尽管人类为此感到自豪,但是从两个非常重要的方面而言,这个结论还不完整。

第一,粒子还有其他类型,并不是只有电子和两种夸克。尽管构成普通物质仅仅需要这三种粒子,但是在20世纪,粒子物理学家们已经发现了其他九种物质粒子和五种传递力的粒子。这些粒子有的非常奇怪。比如,幽灵般的中微子可以穿过几万亿千米长的铅块,而不和其他粒子相撞 4 。对中微子来说,铅块就是透明的。其他的粒子与这三种构成物质的粒子非常相似,但是它们却非常非常重。

为什么会有这些额外的粒子?它们是用来干什么的?谁把它们“邀请”来的?还有多少种其他类型的粒子呢?我们不知道,我们无从得知。在第4章,我们会详细讨论一部分奇怪的粒子和它们身上有趣的模式。

第二,虽然三种粒子就可以构成恒星、行星、彗星和腌菜,但人们发现这些东西仅仅只占宇宙质量的很小一部分。我们所知道的唯一的物质,我们觉得很普通的物质,其实极不寻常。在宇宙的一切东西(包括物质和能量)当中,这种物质大约只占总量的5%。

宇宙中其余的95%是由什么组成的?我们不知道。

我们可以用饼图来概括一下,你翻到下一页就能看到它。

那幅饼图看起来相当神秘。我们仅仅了解宇宙中的5%,其中包括恒星、行星,还有这些星球上的一切。有27%的东西被我们称为“暗物质”。宇宙中剩余的68%是一些我们完全搞不懂的东西。物理学家称之为“暗能量”,我们认为是它使宇宙膨胀,除此之外,我们对它一无所知。我们将会在后面讲解暗物质和暗能量的概念,以及我们是如何得到这些确切数字的。

还有更糟的:在那5%中,仍然有很多我们不清楚的东西。(还记得那些额外粒子吗?)在某些情况下,我们甚至不知道该如何提问,才有助于揭开谜团。

这就是人类所处的位置。在几段文字之前,仅仅因为我们简单概括了已知的物质,我们就觉得人类的智慧在探索中获得了不可思议的成就。现在看起来,我们祝贺得太早了,因为大部分的宇宙是由其他东西构成的。打个比方:几千年来人们一直在研究一头大象,却突然发现大家一直在看的东西仅仅是它的尾巴!

知道了这个之后,你或许有点失望。也许你曾认为,人类对物质世界的了解和掌控已经达到了巅峰。(我们连扫地机器人都有了啊!)但你千万不要把这当作一件令人失望的事。这应该是一个难得的机会,一个可以让你探索、学习和获得见识的机会。如果人类仅仅开发了地球上5%的土地,你会怎样想?如果你只尝过世界上5%的冰激凌口味,你会怎样想?你内心的科学家像渴望冰激凌一样渴望谜底,为潜在的新发现感到激动。

回想一下,你上小学的时候一定在历史课上听到过伟大探险家的冒险故事。他们向着未知的世界前进,然后发现了新大陆,最终描绘了世界地图。如果你曾觉得这听起来很令人兴奋,那么现在你或许已经感觉到了失落,因为所有的大陆都已经被发现了,所有的小岛都已经被命名了。在这个卫星和GPS导航的时代,对新世界的探索似乎已经离我们远去。然而,好消息是事情其实并非如此。

我们还有很多很多要探索的东西。事实上,人类刚刚开启一个全新的探索时代。在这个我们刚刚进入的时代,我们对宇宙的理解很可能会被重新定义。一方面,我们知道自己所知甚少(还记得5%吗?),因此我们大概知道该提出什么样的问题。另外,我们正在建造一些了不起的新工具,比如大功率的新粒子对撞机、引力波探测器,还有望远镜,它们会帮助我们找到答案。而现在,一切都在按照预想发展。

激动人心的是,科学的谜团有确切的答案,我们只是暂时不知道而已。有些问题的答案有可能在我们的有生之年变得明确。比如—在地球之外有没有智能生物?这个问题应该是有答案的。马尔德(Mulder) 5 是对的:真相就在那里。这类问题的答案会从根本上改变我们对这个世界的认识。

科学的历史就是变革的历史,人类一次又一次突破狭隘的视角,发现世界的真相。地球是平的,太阳系以地球为中心,宇宙以恒星和行星为主—这些观点在很久以前都是合情合理的,但是现在我们觉得它们十分低级。可以肯定的是,在不远的将来还会有更多变革,我们现在所接受的一些重要观点,比如相对论和量子物理,可能被令人兴奋的新想法所颠覆并取代。200年之后的人看我们,就像我们现在看原始人。

人类理解宇宙的旅程远远没有结束,这也是你的旅程。我们保证这趟行程比馅饼还要棒。

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