今天和大家分享一本書《給忙碌者的天體物理學》
作者尼爾·德格拉斯·泰森是一位天體物理學家，還是美國自然歷史博物館海登天文館的館長。但他更著名的身份則是科普達人，曾經主持過系列紀錄片《宇宙》
宇宙
“天體物理學“似乎是個有點離我們大眾有點遠的題目，但是這本書曾經在《紐約時報》暢銷書排行榜卻排名第二。這就說明，雖然我們整天想著怎麼成功、怎麼提升工作效率，但每個人內心深處，可能都渴望知道我們生活的這個宇宙到底是怎麼回事。也就是說，宇宙觀不僅僅只屬於科學家，它屬於每一個人。
之所以要為你推薦這本書，最大的理由是這本書不僅可以讓你快速瞭解一些天體物理學知識，而且可以幫我們形成看問題的宇宙視角，讓我們更謙卑一點。
宇宙
第一部分
先看第一個觀點，物理定律在整個宇宙中都是適用的，用它可以推算出宇宙的由來，我們今天的世界是一個非常幸運的存在。
偶爾仰望天空的時候，你會想到什麼呢？文藝青年可能會想到宇宙之博大和個人之渺小，想到真理，想到公平和正義。但事實上，現代天體物理學比文藝青年想象的東西要豐富很多倍，也精彩很多倍。
宇宙
牛頓之前的人一般認為，天上有天上的法則，跟地球上是完全不同的。而牛頓的萬有引力定律是歷史上第一個宣稱不僅僅適用於地球，而且適用於整個宇宙的理論。他的理論還真的解釋了天體運行。人們發現，天上和地上在這個定律眼中是平等的。可以想象，對當時的人來說，這是一個多麼震撼的知識。
這個震撼一直保持到19世紀。那時候物理學家發現，每個化學元素的光譜都有自己唯一的特徵。物理學家隨便給一堆氣體，他們拿光一照，看看吸收光譜，就能準確判斷這裡面都有些什麼元素。
這個工具可太厲害了，物理學家馬上就分析了太陽的光譜。到這時候物理學家才知道，原來太陽裡的各種元素基本都是地球上也有的，無非是氫、碳、氧、氮、鈣等等。只有一個元素地球上沒有，就是“氦”元素。不過元素週期表裡已經給它留了位置，而且現在人類也可以在地球上製造氦。
宇宙
這是人類第一次得知，原來構成太陽的物質不是什麼神秘的東西，就是地球上也能找到的普通元素。再分析遠處那些星星發光的光譜，結果也都是平常的元素。這是一個非常了不起的發現，科學家並未離開地球，但是他們知道了，別處的物質跟我們這兒的並沒有什麼不同。而且宇宙其他地方的物理定律也跟我們這裡是一樣的。考察太空深處的一個雙星系統，它們的軌道在引力作用下互相影響，計算一下，軌道正好能用牛頓力學解釋。
既然如此，我們就可以用同樣的物理定律計算出了宇宙的起源，大爆炸。
我們已知的物理定律只能從宇宙起源10^(-43)秒之後開始起作用——這就是所謂的“普朗克時間”，人類已知的最小時間存在。物理學一共有四種基本相互作用，也可以叫四種基本力：引力、強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用。在普朗克時間之前，四種相互作用是統一在一起的，描述那樣的狀態需要把廣義相對論和量子力學統一在一起，而這個工具現在人類還沒掌握。
宇宙
從10^(-43)秒開始，引力就脫離出來，單獨起作用了。那時候宇宙還是個直徑為十的負三十五次方米的小點，但溫度無比的高。到10^(-35)秒的時候，強相互作用和弱電相互作用分開了。到稍微更晚的時候，弱相互作用和電磁相互作用分開了。
到一萬億分之一秒的時候，宇宙裡有了粒子——夸克和輕子已經出現了。電子就是我們最熟悉的“輕子”。還有反夸克和反電子。2012年的時候，物理學家知道，在當時那個高溫條件下，夸克和電子都可以自由行動，宇宙就好像是一鍋夸克輕子粥。這鍋粥裡的主要活動是正反物質的產生和湮滅。夸克和反夸克，電子和反電子一旦相遇就會湮滅並且釋放兩個極高能量的光子，而在這個時候宇宙的高溫之下，光子又會再產生正反夸克和電子。一個正電子剛剛產生之後，又馬上跟另外一個電子相遇，又繼續湮滅成光。
宇宙
這是一個非常有意思的機制。如果正反物質總是成對產生、成對消失，那為什麼我們現在的宇宙裡都是正物質，而沒有反物質呢？目前科學家還回答不了。出於某種還不為物理學家完全理解的原因，每十億對夸克和反夸克湮滅，會留下一個正夸克作為倖存者——我們今天的世界，都是這樣的倖存者組成的。這些倖存者實在太幸運了，打個比方，如果我們每個人都是早期宇宙中的一個正夸克，這就等於說今天活著的全體中國人中，只有一個人能倖存。
等時間推進到百萬分之一秒的時候，宇宙已經有太陽系這麼大了，溫度進一步下降，夸克們被三個一組束縛在一起，形成“重子”——也就是質子和中子。但與此同時，質子和反質子，中子和反中子之間也要不停地發生碰撞湮滅變成光子，光子再生成正和反的質子和中子。正物質的質子和中子的倖存率，也是十億分之一。
到一秒的時候，宇宙已經幾光年這麼大了，這時候宇宙的溫度也更低。更低的溫度使得質子和中子被結合在一起形成原子核，其中90%是氫原子核，剩下的10%是氦原子核，其他元素極少，都可以忽略不計。這個時候，光子溫度只夠它產生正電子和反電子，但是電子和反電子之間也在不停地發生湮滅——同樣的道理，因為十億分之一的倖存率，最後剩下的全是電子。
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等到宇宙年齡是三十八萬年的時候，溫度低到讓所有電子都被原子核捕獲，就形成了氫原子和氦原子。到十億年的時候，這些原子在引力的作用下結合在一起，就會變成恆星，然後這些恆星又會組成星系。那個時候，我們已經有了一千億個星系，每個星系裡面會有幾千億顆恆星。其中有些比太陽大十倍的恆星，在高溫高壓之下，可以生產一些更重的元素。這些恆星最後會爆炸，重元素被傳播出來，散佈在整個宇宙之中。正因為這樣，今天我們才會有這些重元素，否則宇宙中就幾乎全是氫和氦。
又過了九十億年，在宇宙中某個不起眼的地方產生了一個不起眼的恆星，它的名字叫太陽。太陽所處的位置正好有很多重元素構成的氣體，這些氣體在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。其中某一顆行星，距離太陽不遠不近，正好允許液態水的存在，它就是地球。此後又經過無數機緣巧合，地球上有了生命，生命經過漫長的演化，最後終於有了你。
宇宙
有個著名的說法說，我們每一個人都是一億分之一的幸運者。這因為當初精子和卵子結合，是每一億個精子中只有一個，最終能進入卵子形成受精卵，在這場競爭中，我們每個人都打敗了一億個精子。
你覺得很幸運嗎？但是你想想宇宙的起源，我們的幸運度其實比這要厲害得多——構成你身體的、周圍環境的每一個原子，都是這麼幸運。每一個原子身上的每一個質子、中子、電子，都是正反物質湮滅之後，十億分之一的倖存者。
我們能有今天難道不是奇蹟嗎？不過，如果你是物理學家的話，你會更幸運。 比“存在”更幸運的是，我們不但存在，而且我們還可以回過頭去理解這個宇宙。大爆炸不但創造了宇宙，而且還給天體物理學家留下一個禮物，這個禮物就是“微波背景輻射”。
宇宙
前面我們說了，原子是在宇宙年齡38萬年時形成的。在此之前的宇宙你就算去了，你也看不遠，因為溫度太高，光子隨時都會被電子碰撞，走不遠。
從那個時候開始，光子終於自由了。它們在宇宙中飛翔，一直存在到今天。隨著宇宙膨脹，這些光子的能量變得越來越低，到今天它們的能量已經降低了一千倍，就變成了微波，遍佈於整個宇宙。這就是“ 宇宙微波背景輻射 ”。
1948年的時候，幾個美國物理學家使用三個理論，預測了微波背景輻射的存在。這三個理論是：第一， 1愛因斯坦提出的廣義相對論；第二，哈勃發現宇宙正在膨脹；第三，美國為搞原子彈的曼哈頓計劃中一系列原子物理實驗結果。他們僅僅利用這個三個知識，就推算出來，“宇宙微波背景輻射”的溫度應該是 5K，這個 K 就是開爾文，溫度的單位。
宇宙
1964年，兩個貝爾實驗室的工程師偶然測量到了“宇宙微波背景輻射”，他們算出來，這個大爆炸之後的遺蹟溫度是2.72K。你看，他們真實的計算結果，跟最開始用實際理論預測的結果差了不到兩倍，這就是物理學的偉大勝利。要知道，之前的那三個物理學家，他們是用了三個在地球上發現的物理知識，就推算出了宇宙的起源遺蹟。
後來有個天文學家打了個比方，來形容這件事的神奇程度。他說，這就好像你坐在房間裡算卦，說某月某日將會有個直徑50英尺的飛碟降落在白宮草坪，而到了那一天，居然真有個飛碟降落在了白宮草坪上，只不過飛碟的直徑不是50英尺，而是27.2英尺。要知道，飛碟能來就是奇蹟了。
我們可以想象一下，如果微波背景輻射在今天測不到，如果物理定律和物質在別處跟在我們這裡不一樣，如果元素光譜並沒有那麼簡潔漂亮的性質，那我們就不可能理解這個宇宙。所以這本書的作者泰森有句名言：“這個宇宙根本沒有義務讓你理解。”
宇宙
第二部分
好了，在上面的觀點中，我們講了關於這個宇宙中，物理學家知道的事情。下面我們看第二個觀點，物理學家也有不知道的事，比如說，暗物質。物理學家發現了暗物質，但還沒有完全弄清楚暗物質是怎麼工作的。
要說暗物質，我們得先從望遠鏡說起。在望遠鏡剛剛出來的時候，它的放大倍數很低，既沒有軍事用途也沒有科學用途。最早的望遠鏡被稱為“偷窺鏡”，因為人們買望遠鏡主要是為了偷窺鄰居。
從某種意義上說，天文學家乾的事兒和偷窺者差不多，他們都是充滿好奇心地觀察一些東西。也許最大區別的是，天文學家看的東西更多、看的時間更長，而且看得非常非常用心。每個星系中可能有千億，甚至萬億顆恆星，就好像行星圍繞恆星轉一樣，星系中的恆星也繞著星系的中心轉，而天文學家看著這些星系和星系團，看得實在著迷。
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1937年的時候，天文學家弗裡茨·茲威基仔細觀察了一個星系團，叫“后髮座星系團”，“後發”就是“皇后的頭髮”那兩個字，它是由於這個星系團很像埃及王后的一個髮型，所以命名的。茲威基在觀察這個后髮座星系團的時候，就看出一個問題。他發現，在星系團外面，繞著這個星系團中心旋轉的那些星系的速度非常快，快的有點不正常了。
我們來打個比方。你拿一個耳機線，拿著這個線頭開始轉耳機的話，那你就會發現，旋轉的速度越快，你的手指就要使更大的力氣。如果轉動速度特別快，你的手抓不住了，耳機就會飛出去。地球繞著太陽轉也是這個道理，中心提供的引力越大，能支持的旋轉速度就越大。
宇宙
星系繞著星系團中心轉，也是這個道理。茲威基估算了后髮座星系團內部大概有多少星系，這些星系總共有多大的質量，同時能提供多大的引力。他發現這個引力根本支撐不了外面星系旋轉的速度。那麼高的速度，那幾個星系都應該被甩出去才對。茲威基非常相信自己計算的準確性，他提出，星系團內部必定還有一些我們看不到的物質，提供了額外的引力。此後天文學家們陸續考察了別的星系團，結果每個星系團都有同樣的現象。
打個比方，這就好像你在密切觀察你家的鄰居，詳細記錄了每一個人的出行情況，發現他們平時都不出門，只在週末出去買點東西回來吃。你仔細測算了他們每週末買回來的食物都有什麼，總共能提供多少熱量，結果你發現這些買回來的食物根本不夠一家人吃一週。那這一家人是怎麼活下來的？
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最合理的解釋，就是鄰居吃了一些你看不到的東西。物理學家把提供多餘引力的東西，稱為“暗物質”。計算表明，想要維持外面星系那麼高的速度，暗物質不但要提供多餘引力，而且必須提供很多很多引力才行。暗物質的總質量，必須是已知物質總質量的6倍之多。目前所有的儀器都測不到暗物質，物理學家知道的四種相互作用，暗物質很可能除了引力之外，其他三種，它都是不參與的。
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這就是說，你的房間裡遍佈著一種特殊粒子構成的氣體，或者說，你可以把它想象成氣體。這種粒子可能比質子、中子都大很多，也很重。可是你摸不著它、看不到它，就算用上各種先進儀器，也完全感受不到它的存在。你任憑它在你的身體中穿來穿去。
所以現在物理學家正在上天入地，去探測暗物質。他們把專門的衛星送上天空，在地底下挖了很深很深的坑，在實驗室裡用最高能級的粒子加速器搞碰撞，都是希望能夠找到一、兩個“暗物質粒子”。但是從1937年茲威基的發現至今八十年過去了，物理學家對暗物質的瞭解，仍然沒有突破。
宇宙
第三部分
第三個觀點，宇宙絕對不是這個永恆不變的樣子，它有個開始，還會有個終結。
就算到了今天，宇宙大爆炸理論早已被物理學家廣泛接受了，可是有些民間哲學家一說起宇宙來還是那兩句話，就是“在空間上無邊無際、在時間上無始無終”。我們傳統想象中的宇宙是無限大的，曾經存在過無窮長的時間，並且將永久地存在下去。但是現在所有證據都表明，宇宙絕對不是一個永恆不變的樣子。宇宙有個開始，而且還會有個終結。如果你覺得這不好接受，那你不是唯一持這個觀點的人，因為當年，連愛因斯坦都認為宇宙應該是靜態的。
宇宙
在廣義相對論的引力場方程中有個希臘字母 Λ，被稱為宇宙常數，而它所在的那一項本來是沒有的。最開始，愛因斯坦用沒有宇宙常數 Λ 的場方程對整個宇宙求解，發現得出的結果是宇宙會膨脹。他覺得這肯定不對，宇宙應該是靜止的，這才加入了宇宙常數 這一項。在數學上，有沒有這一項，引力的性質都一樣。而Λ只是為了不讓宇宙膨脹，所以被稱為“宇宙常數”。
這個人為的做法有兩個缺陷。首先，宇宙常數的物理意義是什麼呢？它代表一種什麼力呢？又是怎麼在宇宙中實現的呢？這些問題都沒有答案。它僅僅是為了得到一個靜態的宇宙而存在。
而第二點就更讓物理學家不舒服了，也就是，有宇宙常數的宇宙是不穩定的。後來有一位蘇聯數學家做了計算，方程中加入一個宇宙常數的確能得到一個靜態宇宙解，但是這個靜態宇宙是個不穩定的平衡。就好像把一個鉛筆用筆尖立在桌子上一樣，只要有一點擾動它馬上就會倒下了。這樣的靜態宇宙其實是沒有什麼意義的。那麼真實的宇宙到底應該是什麼樣的呢？
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到了1929年，美國天文學家哈勃迎來了一個改變世界觀的時刻。當時哈勃對銀河系以外那些廣闊空間中的星系，做了一個系統性的觀測。他發現，那些遙遠星系發出的光的光譜，有一個往紅端移動的趨勢。這就是所謂“紅移”現象，也就是頻率都變小了一些，我們在生活中也能遇到。比如說有一列火車朝你開過來的時候，你會覺得鳴笛的聲音更尖銳一點，而如果火車是離你而去，你會覺得鳴笛的聲音更低沉。
所以，星系光譜的紅移就只能說明一個問題：所有這些遠方的星系，都在離我們而去。而且通過精準測量各個星系光譜紅移的程度，哈勃還發現，這些星系離我們而去的速度，和它們到我們的距離成正比。
哈勃發現的，就是“宇宙正在膨脹”這個理論。既然宇宙正在膨脹，那我們馬上就知道，以前的宇宙肯定沒有現在這麼大。那麼我們逆推回去 ，宇宙就一定有一個開始。這就是大爆炸理論的起源。
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不過，誰能想到，愛因斯坦去世的43年後，天文學家的世界觀又改變了一次。 我們知道，物理定律的要求是，任何東西的移動速度都不能超過光速。但是請注意，這說的是物體在空間中的移動，可不是空間本身的移動。
事實上，宇宙膨脹的速度比光速要快。在大爆炸剛開始的時候，早期的宇宙膨脹速度都超過了光速。而在現在，那些距離我們特別特別遙遠的星系，離我們而去的速度也是超光速的。
這就意味著，宇宙裡那些距離我們太遠，膨脹的速度超過光速的星系，我們將不可能看到它們。不管它們那裡發生什麼，我們都無法知道。
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難道說，我們將孤獨地跟可見的這些星系生活在這裡嗎？答案是，也不一定。別忘了在引力作用下，星系之間還有個互相吸引的作用，這也是一個把空間往回拉的力量。那麼在引力的作用下，我們設想宇宙的膨脹速度應該是越來越慢的。就好像往天上扔一個球，球上升的速度肯定是越來越慢，而且還會被引力吸回來。對吧？
愛因斯坦去世後43年，也就是1998年的時候，有兩組天文學家，想測量一下現在宇宙的膨脹速度已經減慢了多少。
他們有一些特別好的觀測目標，叫“Ⅰa 型超新星”。最初這是一種雙星系統，其中一顆星是白矮星。白矮星不斷吸收臨近這顆星的質量，等到自己的質量增長到相當於我們的太陽質量的1.44倍的時候，它就會突然爆發，變成超新星。這種超新星的引爆質量永遠一樣，它的亮度也永遠一樣。這樣天文學家就可以把 Ⅰa 型超新星當成標度尺來用。他們一看它到達地球的亮度，就能精確知道它們距離地球有多遠。
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但是觀測結果讓天文學家驚掉了下巴。用超新星亮度算的實際距離，竟然比用宇宙膨脹歷史算的距離遠了15%。這就意味著，宇宙膨脹不但沒有減速，而且還在加速。這個發現實在毀三觀，但是經過科學家的檢驗，確認無疑，最後三個科學家因此獲得2011年諾貝爾獎。物理學家就只好再把宇宙常數放回到愛因斯坦場方程中去，只不過這回它的數值得改，變成讓宇宙加速膨脹。
那之前的問題就又回來了， 宇宙常數到底有什麼物理意義呢？物理學家現在解釋不了，只好沿襲“暗物質”的命名傳統，稱之為“暗能量”。暗能量提供了一種真空中的斥力，但是它到底是什麼樣的物理機制，我們完全不知道。物理學家計算，再過一萬億年，除了銀河系以外，我們的天空中將再也看不到其他的星星。
以上就是第三個觀點，宇宙並不是一成不變的。
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第四部分
接下來看第四個觀點，天體物理帶給我們的“宇宙學視角”。
前面講了這麼多知識，那麼它們到底有什麼用呢？這本書的作者泰森說，天體物理學給我們的是一個“宇宙學視角”。
所謂視角，就是看問題的角度和方法。那宇宙學視角意味著什麼呢？最根本的一點，就是這個世界不是因為你而存在的。 而要得出這個結論，我們就要從地球說起。
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地球在太陽系中佔據了一個絕佳位置，這讓我們深感慶幸。一個行星要想適合生命存在，就必須得有液態水。這就意味著你的溫度不能太冷也不能太熱，所以你的軌道距離恆星不能太近也不能太遠，而地球正好處在這樣一個軌道上。地球的大小和密度也合適。如果太大，過高的重力就不允許大型動物出現，如果太小，什麼東西都太輕了也不行。
像這樣難得的行星，天文學家稱之為“類地行星”。宇宙中能有多少類地行星呢？答案是，有很多。現在已經找到了幾千顆太陽系以外的行星，其中有幾顆，看上去就跟地球有點相似。我們這幾年就經常聽說發現類地行星的報道。我們知道，僅僅是一個銀河系裡就有千億顆，甚至可能萬億顆恆星。而天文學家估計，只是在銀河系中，類地行星就至少四百億顆。
宇宙
在太陽系裡，地球的確是非常特殊，而人類這個高等生物的出現也的確是難能可貴。可是放眼宇宙，甚至僅僅是放眼銀河系，我們似乎一點兒都不特殊。這個宇宙不可能是為了我們而存在的。
作者泰森說：“當我思考宇宙的膨脹的時候，有時候我會忘記地球上還有飢寒交迫的人。當我在跟蹤行星和彗星運行軌道的時候，有時候我會忘記地球上有的人不顧對子孫後代的責任，惡意破壞環境。”
因為不管你怎麼想象，宇宙都比你想得更大。
宇宙
所以我們現在有一個矛盾：考慮到生命、甚至組成生命的每個粒子出現的概率之小，我們應該覺得自己特別幸運；可是考慮到宇宙之大，我們又覺得自己特別渺小。
那從宇宙學的視角，到底讓人何以自處呢？
在紐約市某個博物館，曾經放過一個關於宇宙的穹幕電影。觀眾沉浸其中，以一個假想的視角，從地球出發，飛出太陽系，再飛出銀河系，鏡頭越拉越遠，能直觀感到宇宙非常非常大，而地球非常非常小。
一個常青藤大學的一位心理學教授，看了這個影片深受震撼，感覺自己實在太渺小了。他就給泰森寫信，說他想用這個影片搞個現場觀影調查，來研究一下“渺小感”。可是泰森說：“我是專門研究天體物理學的，我整天面對宇宙，可是我並沒有‘渺小感’。我的感受是我是跟宇宙是連接在一起的，我感覺我更自由了。”
宇宙
如果你瞭解生物學，你大概不會認為人是地球的主宰者，你會認為人只是地球生物的一個成員。論數量，細菌比人多得多；論智力，人跟黑猩猩的基因只差了幾個百分點而已。如果這麼小的基因差異都能導致這麼大的智力差距，那如果真有一種什麼外星人，他們在基因上就比我們高級很多，那在他們眼裡我們人類又算什麼呢？
我們生命最關鍵的四個元素，氫、氧、碳和氮，遍佈於整個宇宙。這些元素都不是本地生產的，它們來自早期的宇宙，它們產生於某個大質量恆星，是恆星爆炸才使得它們在宇宙中傳播開來。
距離我們幾十億光年遠的地方可能就有個外星人，你跟他永遠都不可能見面。但是他身上的某個氧原子，和你身上的某個氧原子，是幾十億年以前在同一顆恆星上製造出來的。
宇宙
宇宙非常非常大，但哪怕再遙遠，我們每個人跟每個人都有聯繫。
宇宙學視角的另一個重要意義，就是讓我們謙卑一點。
泰森說，如果我們觀察小孩就會發現，小孩總是把身邊一點小事兒當成天大的事兒。比如玩具壞了，小孩就哭鬧，膝蓋擦破一點皮，小孩就大喊大叫。他們以為自己是世界的中心，因為他們經驗太少，不知道世界上有比眼前的事兒，大得多的事兒。
那我們作為大人，是不是也有同樣幼稚的想法呢？我們是不是也會不自覺地認為世界應該繞著自己轉呢？別人跟你信仰不同，你就要打擊別人；別人跟你政治觀點不一樣，你就想控制別人。而如果你有宇宙學視角，你可能會覺得人跟人的區別不但不是壞事，反而還值得珍視。
宇宙
探索宇宙可能會給我們帶來一些實際的物質好處，也可能純粹是因為探索宇宙很有趣。但是泰森說，探索宇宙還有一個功能，就是讓我們保持把眼光放遠的態度。如果你只看自己這一畝三分地，你慢慢總會認為世界就應該繞著你轉，你一定會變得無知和自大。願意向外探索，實在是事關謙卑的美德。
好在我們這個宇宙沒有義務讓我們理解。它現在還充滿未知。
題外話：讀書可以擴充我們知識邊界，獲得更多看問題的視角，但盲從是要不得的...
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