《奇观》听读书笔记(547/FD420)

爱我羊 2023年7月25日10:06:20
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《奇观》听读书笔记(547/FD420)

【思维导图】

《奇观》听读书笔记(547/FD420)

【演讲实录】

今天我们讲的这本书叫作《奇观》,读完这本书之后,我的震撼之情无以言表。这是我最近跟身边所有人讨论的一本书。《奇观》这本书的作者是约翰·格里宾,他是一位著名的物理学家,同时也是一位伟大的科普作家。他曾经写过非常著名的一本书,叫作《寻找薛定谔的猫》;我们还讲过他另外一本书《深奥的简洁》。

这本《奇观》讲的是“月球之谜、宇宙之始以及生命的起点”。读完这本书之后,你会感受到宇宙的浩瀚与物理之精微,足以消解我们现实的烦恼。我为什么推荐我们普通人——每天都关心着自己的柴米油盐的人——要去读关于宇宙的书?因为你的烦恼可能就是来源于你只关心柴米油盐,如果你能够关注一点点宇宙,生活中的烦恼真的就不算什么;而且读完这本书,你会对物理学家有着发自内心的尊重。

物理学家是一群什么样的人呢?有两个非常重要的特点。第一个特点就是,如果一个物理学家心爱的物理理论被推翻了,用我们俗人的话讲叫被“打脸”了,这个人会怎么做呢?高兴都来不及!因为他知道,如果有一个非常确凿的证据能够证明他的理论是错的,那这就证明物理学也许又将迈进一大步。第二个特点就是理查德·费曼讲的,他说如果一个理论与实验相悖,那么它就是错的,无论这个理论是谁提出来的。哪怕是爱因斯坦提出来的理论,只要与实验和观测的结果相悖,那它就一定是错的。这就是物理学家的特征之一。

接下来,我们就进入奇观了。第一个奇观是关于月球。我在读完这本书之后,每天晚上看到月亮都会心生敬畏,为什么呢?虽然月球是从地球上分化出去的,但是我们可以讲,如果没有月球的话,就没有今天的地球。为什么这样讲呢?月球的直径是地球的四分之一,它是从(原)地球上被撞飞出去的。

“关于月球的身世之谜,目前最合理的解释是,地球在形成后的几百万年内,曾与另一颗火星大小的年轻行星相撞,这一次猛烈撞击产生的热量,熔化了原地球才刚形成的地壳,摧毁了来势汹汹的入侵行星。入侵行星的重金属核心与地核融为一体,逐渐凝聚成一个核心密度大、地壳极薄的新星体。新星体地壳之所以薄,是因为原地球与入侵者相撞导致双方星体表面熔化,熔化后混合在一起的熔融物在碰撞冲击下向外飞溅,有些完全逃逸到宇宙空间,有些停留在地球周围,形成一个环带,从中孕育出月球。”

“模拟结果告诉我们,撞击之后一个月之内就形成类似于月球的天体。通过测定月岩样本,我们推算出这场惊天动地的碰撞发生在大约44亿年前,它不仅孕育了月球,还导致地轴严重倾斜,地球飞速自转,四季因此形成。”

我刚说的所有的这些细节,都跟我们今天的生存有关系。为什么呢?首先我们讲关于地球磁场,地球的地壳很薄,你可以把它的内核理解成一个大金属球。所以,磁场笼罩在地球的外部,地球外部是有着一个巨大的磁场保护的。什么是磁场?你可以把它理解为一个力场,它就是一股力量。有这个磁场的保护,才会使得太阳风不能吹到地球上来。太阳风如果形成太阳风暴,它的速度是多高呢?差不多每秒1500公里,它是巨大的太阳风暴。而今天我们所看到太阳风暴的显现,最明显的是什么?就是极光。因为有的时候,太阳风暴会穿透地球的磁场被我们看到,那就是极光。如果太阳风暴更强烈一点儿,也许会在加拿大的很多地区造成停电,但是它没有造成更加严重的伤害,这全有赖于巨大的地球磁场的保护。

那你说像金星,它中间不也是金属的内核吗?为什么没有磁场呢?因为它内核小,而地壳厚。金星的地壳太厚、内核太小,所以外在的磁场是可以忽略不计的。这就是磁场对我们所形成的保护。但是,有一个坏消息:地球的磁场以每100年大概会减5%到每10年会减5%的速度在不断地减弱!这是我们跟原作反复确认过的数据,因为我当时看到这个数据时觉得非常吃惊——天文学的尺度里是没有这么短的年份的。但是,这本书里写:200~2000年之内,地球的磁场有可能会消失;而一旦地球磁场消失,那么地球就会有很大的危机。格里宾说这是一个坏消息,但是具体会怎么样发展,他也不敢下结论,从磁场的减缓速度来看是挺吓人的。

我们需要感激月球,如果没有月球的分离、月球把地球撞歪了,以及月球的引力保证了地球的平衡,地球上都不会存在人类。首先,地壳薄的作用是什么?地壳变薄了以后,才有可能产生板块漂移。我们知道非洲大陆、美洲大陆,这些板块是可以漂移的。而且最重要的是由于它很薄,所以地球经常会出现火山喷发,就把地下的二氧化碳和水蒸气这些东西喷到了大气中。当大气中存在二氧化碳和水蒸气以后(大家都知道,二氧化碳是温室气体),二氧化碳就使得整个地球的温度不断地升高——它会保温,使地球温度升高。但是温度高了以后,风化作用又能够降温。所以地球上二氧化碳的浓度高,使温度上升,然后(二氧化碳和其他物质反应)变成碳酸钙,使温度降低。

地球可以自主调节温度,这使得地球几乎是一个恒温星球,这也就能够保证液态水可以在地球上长期存在。液态水能够长期存在,我们人类将来的生存才有了保障。那有人就说,咱们现在这么担心温室气体,地球不是可以自己调节冷暖吗?地球自己调节冷暖的能力,还不能够涵盖工业革命以来人类温室气体的排放。所以控制碳排放,依然是一件非常重要的事。

地球的磁场曾经消失过,并不是没有消失过,我们从地质学的证据上能够看得到。当地球磁场消失的时候,陆地生物就会灭绝,所以有很多陆地生物灭绝的证据。最近有一个研究说:人类是从鱼进化过来的。这个研究是很靠谱的,因为陆地生物灭绝以后,海洋生物还存在,所以大量的海洋生物逐渐地演化成了我们今天的这些陆地生物。

有一个非常有意思的事:月亮在不断地远离地球。这个大家应该知道。那远离速度是多少呢?每年4厘米。你不要觉得这个数字很小,我告诉你,月亮刚刚形成的时候,距离地球是25000公里,就是月球刚刚在天上被撞出去形成的时候,距离地球是25000公里。现在多远呢?现在是384000公里。那你说这两个数字代表什么?潮汐。各位知道,月球在离地球近的时候,潮汐的作用是很强的,强到什么程度呢?那时地球上的海浪高度平均是几千米高,而且那时候月球吸地球上的水,不是光吸水,当时的潮汐作用是把地球上所有的东西连地壳一块儿吸起来。所以,地球上有大量熔融状态的、像一片火海的岩浆,每天火海和潮汐一块儿掀起几千米高的大浪。这是地球刚形成时的样子。

现在潮汐的力量下降到什么程度呢?现在地球每天两次潮汐,海浪的平均高度只有一米高。随着月亮每年4厘米地逃逸,每年4厘米地逃逸,总有一天月亮会离开地球。一旦月亮离开地球,地球绕太阳公转的斜角就没有了。一旦没有这个斜角,地球就不适合人类、生物生存了。

这个23.4°的斜角让四季得以产生,我们才能够有春夏秋冬,才能够有适合人类居住的温带、寒带……如果没有这个斜角,一半的地球将常年酷热,一半的地球将常年酷寒,生物是没法生存的。所以,月球一旦走了,现在的地球也就不存在了。将来让地球上的人类毁灭的,恐怕不是太阳爆炸,人类可能等不到太阳爆炸,只要月亮离开了我们,人类基本上就已经毁灭了。

“初始时(月球的幼年期)地球自转很快,一天只有5小时左右。”唰!一天5小时过去了。“今天,地球上的海水每天有规律地升落2次,掀起的潮水约1米高,一次潮汐涨落的时间大概是半天。……但是在月球形成之初(距离撞击约100万年后),地球每2.5小时就会涨一次潮,浪高数千米。约5亿年前,海洋中的生物开始爬上陆地。4亿年前,地球的一年有400天,这两个数字巧得令人难忘。当时,地球自转的速度比今天快10%,一天仅21个多小时。然而,在月球形成后的几十亿年里,有一样东西一直不曾变过,那就是地轴的倾斜角,这依旧与月球有着千丝万缕的联系。”

大家如果玩过陀螺,就会知道一个陀螺“啪”这么一下,它会沿着一个角度旋转,但是一个倾斜的陀螺在旋转的时候,一定会出现一次突然的抖动。其他星球都有这样突然的抖动,像木星、土星,都会有一种突然的抖动,这种突然的抖动就会导致整个星球气候大变。虽然你是突然之间的抖动(这个所谓的突然也是以10万年为单位的),但是这个以10万年为单位的突然的抖动,会导致整个气候发生变化。但是地球的抖动微乎其微,为什么?全靠月亮。全靠月亮的引力在制衡着地球,所以地球能相当稳定地转动着。这里有一个公转轨道面垂线,地球绕着太阳转形成一个公转轨道面,轨道面垂线和地轴的夹角是23.4°。大概几万年会摆动一次,月球在这里起到了非常重要的稳定作用。

“如果没有月球,地轴倾斜角会在10万年时间里从0°变成90°,引起气候的巨大变迁。当一个极点指向太阳,该极点所在的半球将持续处于炎热难耐的白昼,另一半球则处于天寒地冻的黑夜。6个月后,风水轮流转,白天与黑夜颠倒,曾经太阳永不落下的热带,将处于冰雪永不消融的黑夜。”也就是说,如果没有这个23.4°的夹角,咱们全都得完蛋,这将是个没法生活的地球。地球如此之巧地让人类存活下来,希望大家能够善待地球,善待月球。

那么接下来第二个谜题,就是宇宙之始。宇宙到底是怎么开始的?这个要从谁开始说呢?爱因斯坦。当年爱因斯坦发表了广义相对论以后,他通过对广义相对论的测算,算出来宇宙不可能静止:宇宙要么膨胀,要么收缩。但是他认为宇宙既没有膨胀,也没有收缩,所以爱因斯坦就加了一个宇宙学常数。这个宇宙学常数是为了平衡广义相对论的方程,但实际上,后来研究证明这个常数其实不一定对。后来乔治·勒梅特发现星系团正在远离彼此,他观测天上的星系团正在彼此远离。埃德温·哈勃通过红移现象,发现宇宙在不断地膨胀。

英国的天文学家弗雷德·霍伊尔提出了稳恒态的理论,他说宇宙肯定是一个稳恒态(一个不变的状态)。在电视节目采访的时候,他把那些认为宇宙在不断膨胀的理论叫作“Big Bang”(大爆炸),这是一个戏谑的说法,后来“Big

Bang”就成了大爆炸理论的命名。实际上,更早提出稳恒态观点的是爱因斯坦,但是爱因斯坦的广义相对论又计算出宇宙是要么膨胀,要么收缩的。1948年,拉尔夫·阿尔珀和罗伯特·赫尔曼测定出宇宙的平均温度是5K。5K是多少呢?就是-268℃。然后人们在宇宙中捕捉到了宇宙的微波辐射。如果宇宙发生过大爆炸,那么它的温度经过测算,应该是这么一个个位数的几K的温度。这里边测量的过程是非常有意思的,你需要知道这么几个数字:“星系离我们远去的速度(不难测量)、星系与我们之间的距离(很难测量)。”

如果你知道了这两个数字,你就可以像计算一个中小学生的题一样,把宇宙大爆炸的时间推算出来。那么,怎么才能知道星系与我们的距离呢?比如我们可以根据它的亮度来推算。“如果我们知道一个星系的绝对亮度,就可以根据它看上去有多亮(视亮度),算出它离我们有多远。……有一个常数可用于描述河外星系退行速度与距离之间的关系,它就是‘哈勃常数’,用‘H’表示。H值越大,宇宙膨胀得越快,离大爆炸过去的时间也越短。”这一段,我读的时候心潮澎湃!虽然你不能够完全懂这些,这对于咱们来讲有点儿难,但是你会极其钦佩这些物理学家在干的这件事。

“1989年11月,美国国家航空航天局(NASA)发射了一颗名为‘宇宙背景探测者’(简称COBE)的卫星,开始了这项精密的测量。卫星上的仪器很快就探测出了宇宙微波背景辐射的平均温度为2.725K,比以往的测量都要精确多了。……在一年多的时间里,COBE上3台独立的仪器孜孜不倦地扫描整个天空,进行了7000万次温度测量。”也就是说,这个数据得有7000万个之多。

“负责这项任务的团队需要分析庞大的测量数据,将它们减去平均温度后,绘制出宇宙微波背景辐射全景图,体现各天区温度的微小差异。这张图于1992年完成:天空中最热的区域比平均温度高了十万分之三开氏度(K),最冷的区域比平均温度低了十万分之三开氏度。请记住平均温度只有2.725K,因此这里的‘冷’和‘热’只是相对的。”其实相差不大。“今天,天文学家已经找到了不均匀分布的物质在引力作用下聚集成星系的痕迹,这为大爆炸理论提供了更多有力的证据,但是并没有为宇宙年龄提供准确独立的测量手段。”

人们通过COBE的这种探测,收集了7000万个不同位置的温度之后,我们能够证明肯定有大爆炸。但是大爆炸到底在什么时候发生的,还需要进一步的研究。

“21世纪的前20年里,有两颗卫星对微波背景做了功率谱研究。第一颗是NASA的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),于2001年夏天发射,携载比COBE还要敏感45倍的探测器,能够以0.2°左右的跨度,测量任一天区的温度。”在天上以0.2°划分的一个天区,探测器可以测量这里的温度,“它一直工作到2010年才退役,被转移到停泊轨道上,为未来其他卫星让路。”天上有个停泊轨道,像废旧的停车场一样,这些卫星用完了以后开到那儿,不要挡住别人的路。“早期数据得出的哈勃常数是72±5,对应的宇宙年龄是(134±3)亿岁。……后来宇宙年龄被微微调高到(137.72±0.59)亿岁。到了WMAP退役并进入停泊轨道的时候,另一颗卫星接过了它的棒子,它就是欧洲航天局的普朗克探测器。”

“普朗克探测器于2009年5月发射,灵敏度比WMAP高3倍,可以测量两个天区之间低至百万分之一摄氏度的温度差,而它一次测量的区域跨度可以小至0.05°。”太精微了。作者说,你到这儿你停一停,你换算一下。“有人可能觉得‘百万分之一摄氏度’没什么,但是直到21世纪的第二个10年,天文学家才终于可以对着一块相当于满月视直径六分之一的天区,告诉你它与隔壁天区的温度差是多少,精确度达到百万分之一摄氏度。如果这还不够震撼,那这世上就没有什么能让你震撼的了。”百万分之一摄氏度的差异,用探测器能够分辨出来。

普朗克探测器一直工作到2013年,才进入WMAP同一个停泊轨道,也到“停车场”去了。然后经过计算它们传回的数据,欧洲航天局公布了宇宙年龄为138.19亿岁,后来修正为(137.99±0.21)亿岁。这是科学史上最伟大、最不可能的成就之一。人竟然能够通过探测和计算,如此精确地算出宇宙的起点,发生在大概140亿年之前!

那么你说,奇点到底怎么来的?为什么会有这么一个点?这个现在还是有争论的,但是大家至少一致同意的是,当时一定有一个密度极大、温度极高、类似于大火球这样的东西突然之间膨胀。这个膨胀的速度有多大呢?作者说,你设想一下你手里边有一个网球,然后这个网球一下子膨胀到宇宙这么大,就是这个速度。

“大爆炸发生的时刻是在零点之后的第一万分之一秒。零点过后半小时,宇宙温度仍为300000000K,是太阳中心温度的20倍。”就是大爆炸以后半小时,整个宇宙的温度是太阳温度的20倍。“自第一万分之一秒以来发生在宇宙中的事,都可以在今天的物理学中找到完美的解释。”

这里边有一个非常神秘的东西,需要让大家了解。就是咱们这个宇宙是在加速膨胀,还是在减速膨胀?根据我们对一场爆炸的理解,我们会觉得“嘭”一声爆炸结束了,宇宙应该是减速膨胀,膨胀速度越来越慢。但是物理学家经过测定发现,宇宙在加速膨胀,以更高的速度膨胀。这是怎么回事呢?

“20世纪80年代,那时,美国天文学家维拉·鲁宾与她的同事正在研究个别星系的旋转方式,测量离星系中心不同距离处的恒星的多普勒频移及其他特征。他们原以为那些恒星会以和太阳系相同的方式旋转,即离中心更近的天体旋转得更快,离中心更远的天体旋转得更慢。这个规律在太阳系确实存在,因为太阳系的质量大部分集中在中心,也就是太阳,所以离中心越远的行星,感受到的引力就越小,旋转得也越慢。星系的大部分恒星、尘埃、气体也都聚集在中心,因此大家想当然地认为,星系边缘的物质不会受到太大的引力拉扯,旋转的速度也没有靠近中心的物质那么快。然而,鲁宾观测的那些和银河系一样的圆盘星系却不是这样,它们从中心到明亮恒星组成的外围,旋转速度都一样。唯一说得通的解释是,有一个由‘暗物质’组成的巨大暗晕牢牢地抓住整个星系,质量大约是明亮恒星的10倍。”

“即使将所有气体和星系的质量加起来,再加上这一极限值所允许的其他重子质量,仍远远低于整个星系团预期的总质量,这表明星系团内存在大量非重子物质。这些家伙既冷又暗,没人知道它们是什么,只能从逻辑上将它们命名为‘冷暗物质’(cold dark matter,CDM),方便记忆。它们与我们的组成方式不一样,而且只通过引力影响重子物质——它们不与光子相互作用,也不与其他电磁辐射(比如无线电波或X射线)相互作用,难怪它们是黑暗的。它们不像重子物质那样在总密度上受到大爆炸模型的约束,但这反过来让人很难直接探测到它们,至今仍不知它们的庐山真面目。”

“如果宇宙是平坦的,重子和暗冷物质只占30%,另外70%便是来自宇宙学常数,后来又被叫作‘暗能量’(dark energy)。但这是一个深奥又极不可能的想法。”就是依然有未知的东西。“1998年,两个团队不约而同地发现,他们的测量结果暗示宇宙在遥远的过去膨胀得更慢。或者反过来说,今天的宇宙膨胀得比过去更快——宇宙正在加速膨胀!两支团队通过独立观测,得到了相同的结论。”就是它跟我们想象的地球上发生的爆炸不一样,它有着大量的暗物质和暗能量的参与,所以早期的爆炸速度可能反而比今天还更慢一点。

“如果这就是宇宙的全部,而且未来不会出现任何变化,那么宇宙会膨胀得越来越快,最终走向所谓的‘大撕裂’。”“Big Bang”是大爆炸,“Big Rip”是大撕裂,就是宇宙万物最终将被暗能量所撕毁(我们是没机会看到那一天了)。宇宙整个膨胀得裂开了,然后被暗能量和暗物质所吞噬,这是一个大撕裂的过程。这一段是全书当中可能最难理解的,因为它需要很多的数据,你可能只能听到一个感觉,但接下来这段你能够听得懂,就是天上黑洞的并合。

这个事要从爱因斯坦讲起。爱因斯坦说,引力并不存在,牛顿所说的引力是一个模拟值。爱因斯坦认为引力是怎么来的呢?巨大的物质使周围的空间和时间产生扭曲,这个扭曲形成了一个场,这是引力的来源。你怎么理解这件事呢?你可以想象把一个很重的保龄球放到一个席梦思床垫上,你会发现那个席梦思床垫产生了一个扭曲,这个扭曲就形成了一个轨道。如果你把一个球扔到那个轨道里边去,它会沿这个轨道转,这就是地球绕着轨道转的一个很重要的原因,因为它形成了周围时间和空间的扭曲。但是如果你把这个保龄球突然从床垫上拿开会怎么样?当你把这个保龄球从床垫上突然拿开的时候,你会发现这个床垫会弹起来,在恢复的过程中弹起来以后会产生一个波,这个波就会产生传递,如果能量足够大的话,就会传递得很远,这就是引力波。保龄球拿走以后所产生的这个涟漪,就是引力波。

爱因斯坦在1918年发表了关于引力波的预测论文。他说,我们在地球上应该能够接收到来自外太空的引力波。但是这个引力波是极其难以捕捉的,为什么呢?一个典型的产生引力波的方式是:脉冲双星(两个中子星)相对转,它们俩是一对。距离有多远呢?大概距离一个太阳那么宽,有时候更宽一点,有时候更近一点,最终它们会转到一起。两个脉冲双星在高速旋转的过程中,是可能产生引力波的,但是这个引力波到达地球的力度有多大?为什么难以捕捉?这个力度连一个原子的力量都不到,人类要挑战捕捉到这个引力波,这简直太酷了。

“脉冲星是高速旋转的中子星,即某些比太阳大得多的恒星经过超新星爆发后坍缩形成的致密星体,直径往往只有10千米左右。”它的密度是极大的。“我们能够探测到脉冲星,是因为它们有着强大的磁场,并发射出无线电波,像灯塔的光束一样明亮。”所以人们把天空中的脉冲星当作灯塔,它可以稳定地定期发射信号。而如果两个脉冲星在一起高速旋转,就会产生引力波。“它们离彼此最近时,相距约1.1个太阳半径,离彼此最远时,相距约4.8个太阳半径。种种特征近乎完美,像是为生成引力波‘量身打造’的系统。”就是说,它特别适合生成引力波。

“1978年12月,泰勒终于能够宣布,该系统轨道周期的衰减,完全符合广义相对论的预言。广义相对论是对的,引力波是真的。今天,我们探测到的脉冲双星已经超过50个,为检验广义相对论的准确性提供了更多的依据。”人们在天空中观测到这个脉冲双星,收到它的信号以后开始研究,发现它跟爱因斯坦的预测是一样的,但是人们依然没有捕捉到引力波。

其实我们讲过《史蒂芬·霍金》那本书,霍金是爱因斯坦衣钵的继承人,他研究黑洞大爆炸理论。在霍金的理论中,就包含对引力波的捕捉和预测。霍金有生之年,人们还没有捕捉到引力波,但是有一批物理学家开始做这件事情。怎么做呢?如果两个中子星旋转,产生的引力波太微小了,我们捕捉不到,那如果是两个黑洞产生并合呢?你想黑洞的质量比太阳还要大得多,两个黑洞的质量并合起来的时候释放出来的能量,就会比中子星释放出来的大得多,那么地球上是有可能捕捉得到的。

“干涉测量技术能够用于搜索引力波,离不开引力波扭曲时空的独特方式。它们不会像水波纹那样沿着波的传播方向产生涟漪,而是会改变垂直于传播方向的空间形状,有规律地拉伸和压缩空间。如果某一方受到挤压,与挤压方向垂直的另一方就会受到拉伸。”这是引力波的一个非常重要的特征,所以大家就理解了,为什么LIGO(就是捕捉引力波的仪器,即激光干涉引力波天文台)一定是垂直的、大的管子,它是垂直的两个管子连接形成L形管道。

“因此,物理学家认为,如果他们能够拥有一台两臂垂直且等长的探测器,就像一个大写字母‘L’,那么当引力波造访地球时,其中一臂会被拉长,另一臂被压短,两臂臂长的变化,将成为引力波来过的‘标记’。只要两臂够长,探测器够灵敏,就能用干涉测量技术监测此类‘标记’。”

这个事情的经费预算是多少呢?“1983年,美国提出了关于建造引力波探测器的正式提案。……项目花费7000万美元。”最令人吃惊的是,这个项目竟然被批了!“1986年,美国国家科学基金会批准了提案,但是要求将臂长控制在4千米以内。”因为没有哪儿能够有这么大的地方放这个装置,而且他们一次要在美国建两个。“20世纪90年代中期,项目开工了。”而且,“后来的经费预算达到了10亿美元以上”。

为什么要花这么多的钱?你就想想看,引力波到达地球上的力度是以原子数来计的,是非常微小的。如果周围有一辆汽车经过,你说这震动有多大?地震产生的震动有多大?旁边有人走路、跑步,都会产生震动。所以这个仪器一定要设计得对那个光毫无干扰,建筑可以抖,但光不会抖,这个需要10亿美元。

“一个在华盛顿州的汉福德,一个在路易斯安那州的利文斯顿,它们被命名为‘激光干涉引力波天文台’(简称LIGO)。……2015年9月,当它终于有所发现,证明钱没白花时,大家都松了一口气。”因为这个经费预算实在是太高了。

你知道这个事神奇的地方在哪儿吗?我读这一段的时候,觉得极其心潮澎湃。你们知道当人们建好了LIGO以后,多长时间之内捕捉到了引力波吗?当天。就是宇宙在等着你,你建好了这个东西以后,刚刚试运行第一天,就收到了引力波,就是这么精确,就是这么吓人!要探测到的是两个黑洞的并合。“黑洞的质量比脉冲星大得多,两个黑洞相互碰撞,会引发更强大的引力波爆发。……这类黑洞并合事件将产生一个独特的特征,他们将其称为引力波的‘啁啾’,随着两个黑洞离得越来越近,时空涟漪的波长将越来越短,频率越来越高,在并合时达到尖峰,然后迅速归零。”你可以想象两个旋转着的黑洞,在一块儿碰撞,最后并合起来,那个声音极其尖利(当然,没有空气你也听不到声音),它的频率在不断地升高。

“为了屏蔽外部干扰,LIGO引入了四级摆,用于悬挂每个重达40千克的测试质量。”它周围挂了很多测试质量的摆,这样的话,如果有晃动,那个摆就会晃动。就跟我们今天看到那些高楼不晃的原理是一样的。刮大风的时候,高楼会晃,但它中间有一个摆,那个摆晃,楼不晃,用这种方式消除震动。“这个镜悬挂系统有一部分是‘被动’的,允许悬挂着测试质量的建筑物晃动,但它还有一个很聪明的‘主动’减震系统,能够测量地震干扰,往反方向轻轻一推,产生反向振动,从而抵消地震。这跟降噪耳机的工作原理是一样的:识别外部噪声,发出与噪声频率相反的声音,从而抵消噪声。”这个LIGO用的是降噪耳机的原理。

“2015年9月正式投入运行。……9月14日星期一晚上又做了一次测试运行。在测试之间的空当,探测器始终处于观测状态,尽管没人在用。但是,在汉福德当地时间凌晨2点50分、利文斯顿当地时间凌晨4点50分,两地的探测器几乎同时‘聆听’到了一声持续200毫秒的‘啁啾’。”就是探测器刚建好放在那儿,测试的时候两地同时捕捉到!“它们捕捉到了一个强烈的引力波信号,这个信号比他们预想的更强,也来得比他们预想的更快。它只晚了6.9毫秒就到达第二台探测器,证明了引力波确实以光速传播。”跟爱因斯坦的预测是一样的。

“‘啁啾’声的特征与双黑洞旋近并合的预测相吻合,其中一个黑洞的质量约为太阳的29倍,另一个黑洞的质量约为太阳的36倍,合并后形成一个大约62倍太阳质量的黑洞。”各位加一下,29加36等于65。但是,形成的黑洞质量是62倍太阳质量,还有三个太阳的质量哪儿去了?有三个太阳质量的物质都被转化成了能量,以引力波的方式在宇宙当中散布。你可以把它理解为一个超大号的核爆炸,E=mc²,三个太阳的质量同时爆掉,然后有那么一点点来到了地球上,被我们人类捕捉到。

“LIGO团队反复核查观测结果,确保没有任何错误之后,于2016年2月11日正式宣布这一重大发现,几乎正好是在广义相对论发表100年以后。”就是人们对于黑洞并合的观测,以及怎么样用LIGO来捕捉到引力波。太震撼了!

那么接下来的问题就是蝴蝶效应。为什么会突然谈到蝴蝶效应呢?宇宙中有一个三体问题。而三体以及三体以上的问题,对于初始条件的要求都特别高,只要初始条件有一点点变动,后期就会产生完全不一样的结果,这就是蝴蝶效应。蝴蝶效应是一个容易被大众误用的东西。蝴蝶效应的本质是说什么呢?就是(混沌)系统对初始条件具有极为敏感的依赖性。

这里边有一个非常棒的比喻:加拿大、美国那儿有一个落基山脉,落基山脉上面下雨,雨水从落基山脉顶上落下来,两滴一块儿落下来的雨水,一滴滴在了左边,一滴滴在了右边,初始条件看起来没多大区别,可能它们俩的距离只有几厘米,但是最后你会发现,左边的一滴进入了大西洋,右边的一滴进入了太平洋。这就是典型的蝴蝶效应,初始条件只相差几厘米,就因为落基山脉把它们隔开了,一个进了太平洋,一个进了大西洋,老死不相往来了,当然有可能在天上再见。总之,初始条件的一点点差别,会导致后期结果的极大变化。

1959年,洛伦茨在做天气预测的时候,发现了蝴蝶效应。他把小数点后六位省略为小数点后三位,导致预测出来的结果完全不一样。而我们整个宇宙,就是一个巨大的混沌系统。混沌系统会有吸引子,咱们在《深奥的简洁》里专门讲过吸引子这件事,大家可以把《深奥的简洁》拿出来再听一听,是同一个作者写的。比如河水从上面流下来,被岩石挡住了以后就会产生漩涡,因为水流速度变慢了就会产生漩涡。所谓的漩涡就是一个吸引子,有东西就一定会往那个漩涡底下钻,那是一个吸引子。但是随着水流慢慢地加速,漩涡消失,这个混沌体系被打破,它就会接着往前走。这和整个地球生态的形成之间有着很大的关系。

“今天的蝴蝶效应背后隐藏着一个令人不安的趋势。一些气候学家认为,地球整体气候有几种可能的稳定态(也就是我们所说的吸引子),第一种是维持过去几千年的气候模式。”就是咱们现在所适应的这种模式,你可以把它理解为河流中的一个漩涡,只不过这个漩涡的时间比较长,这是一个吸引子,是一个稳定态。“第二种是对应于上一次冰河期的寒冷态(就是冰天雪地那种状态),第三种是比当前气温平均高6℃的炎热态。大气中的二氧化碳增多,会造成地球气候变暖,全球暖化的标准模型显示,自工业革命以来,大气中二氧化碳含量持续增加,温度持续升高,今天大气中二氧化碳的浓度已经达到了工业革命之前的2倍左右,温度也升高了3℃多一点儿。”

“盖亚假说的提出者詹姆斯·洛夫洛克认为,21世纪末地球气候将进入炎热态。根据他的说法,我们可以将当前的状态与未来可能发生的炎热态比作相空间里的两个吸引子,中间隔着一个小沙洲,随着气温不断升高,轨迹在当前状态的池子上空不断回旋,最终突然跨入另一个池子领域。如果真被他说中了,那么留给我们遏制全球变暖的时间已经不多了。”

什么意思呢?我们现在处在这个漩涡的吸引子当中,但是旁边就有一个比现在温度高6℃的吸引子,而且那个吸引子还可能变得更大,我们有可能突然跨过这个相变到高6℃的吸引子,这时候人类是没法生存的。整个温度高6℃的话,我们人类是难以生存的。这就是为什么对气候的改变来说,减少排放是非常严肃的当务之急。

“未来的几十亿年中,基本上直到太阳死亡的那一天,太阳系八大行星的轨道只有极小的概率会发生剧烈变化。……地球的最终位置可能会有微小的变化,但它始终处于公转轨道的某个地方,不会突然‘说走就走’。光这一点,大家至少可以放宽心了。整个地球轨道其实就是一个吸引子,类似于墨西哥草帽帽檐上势能最低的凹陷处。”

也就是说,你不要担心宇宙。你会想:“这么混沌、这么多的不可知因素,一点点微小的变化,被不断地放大,如果地球跑出了轨道怎么办呢?那流浪地球了怎么办?”基本不可能,就是因为这个吸引子非常巨大,就好像你把一个弹球扔到了一个墨西哥帽子里。墨西哥帽子不是两边翘起来吗?有那样的一个圈儿,你把弹珠扔到那个帽子边上去的时候,它就在圈里边转,它出不来的,这个你可以放心。但问题是地球温度上升这件事,这是当务之急,可能很快就会发生了。

下边的这个奇观,就是我们生命的来源。因为这本书讲三件事:月球、宇宙和生命的起点。关于生命的起点,有一个非常有意思的事情,就是我们跟蘑菇也是亲戚,我们跟蘑菇差别不远。往上倒到生命的起源,我们都是同一个单细胞的后代。

“我的意思不是说每个复杂生命都由一个受精卵发育而来,而是说它们都有一个共同的始祖——大约20亿年前全世界诞生的第一个细胞。所有的植物、真菌、动物、藻类,均来源于同一个单细胞生物。进化生物学家很喜欢指出这一点:人类的细胞与蘑菇的细胞并无明显差异。”就是我们都在不断地翻译DNA指令,然后合成蛋白质。”

“地球上还存在另外两种细胞,它们与真核细胞不同,没有成形的细胞核。一直到20世纪70年代,生物学家才弄清楚这两种单细胞生物的区别。在那之前,所有原核生物都被归类到细菌,尽管他们发现了某些不寻常的细菌。随着细胞基因物质研究技术的进步,这些不寻常的‘细菌’后来被分了出去,独立成界。生物学家认为它们比细菌还要古老,说不定是细菌的老祖宗,便将它们命名为‘古细菌’。”后来发现“古细菌”并不贴切,就把它叫作“古菌”。所以细菌和古菌,这是两种过去不同的细胞,是跟我们人类不一样的原核细胞。

“在格陵兰岛西南部一些有38亿年历史的岩石上,科学家们发现了与生命代谢活动有关的化学特征,从中找到了地球最初的生命证据。……总而言之,种种证据表明,地球上的生命大约起源于40亿年前,即地球形成5亿年后便出现了生命形式,并且出现了两次。”中间消失过一次。

“生物学家仔细研究了古菌和细菌的内部结构,它们只有不到三分之一的基因是相同的。……它们使用相同的遗传密码,却用不同的方式复制它。……这两种细胞竟然有着同一个祖先,怎么想都觉得‘不合逻辑’。它们虽然走上了独立的演化路径,但是它们一定起源于同一池化学温水。”就是我们今天讲的“原始汤”,原始汤孕育了生命。原始汤在哪儿呢?原始汤一般来讲应该是在深海的热液喷口周围。

这个地壳不是薄吗?海底下有喷涌熔岩的地方,那里温暖、富有营养。“那里喷出的矿物成分为化学反应提供能量,催化了蛋白质和RNA等复杂物质的合成。……这股源源不断的能量足以让熵‘逆向化’,诞生出最原始的细胞。”这个逆熵的过程是需要能量的,所以那时候提供的能量流,使得这些熵逆向化,从而诞生了最原始的细胞。“也许当时地球上还涌现了其他原始原核生物,只不过没有留下后嗣罢了。我们知道的是,从大约40亿年前开始,地球上一直生活着两类独立的单细胞生物,这意味着在这个适者生存的星球上,它们(细菌和古菌)是极其成功的生存者。……细菌细胞直径一般是0.2~2.0微米,有些可能又细又长,古菌的大小也差不多。”

你们注意这个奇迹是怎么爆发的。“(古菌群落)在调节一系列生态过程中发挥着重要作用,包括固碳和氮的循环。它们也是真核生物‘内部环境’(微生物)的成员,分布在我们的肠道、口腔以及皮肤等部位。”大家不要以为古菌已经都没有了,咱们体内多的是,在我们体内依然有很多。“参与了许多宿主的生理过程,在保持人体正常生理功能方面功不可没。目前已知的古菌都不会致病。”

“大约20亿年前,这样的事曾发生过,并且可能不止一次:某天,一个古菌突然‘胃口’大开,‘吞噬’了另一种特殊的细菌,这个细菌没有被消化掉,而是神奇地保留了自主性,与宿主形成一个内共生体,成为所有真核生物的祖先。与细胞起源一样,这样的合并可能上演了不止一次,但是今天地球上所有复杂生命的遗传信息如此相似,意味着也许只有一个合并体的后代存活了下来。”这个真核细胞出现了以后,开始有DNA(脱氧核糖核酸),然后有线粒体开始制造能量,它一旦能够有线粒体制造能量,就开始不断地、疯狂地分裂,这叫指数型组织开始发展,一生二、二生四、四生八、八生十六……开始不断地、愈演愈烈地快速分裂。这就是我们整个生命的起源。

理查德·道金斯(《自私的基因》的作者)曾经说过,他说:“原始原核细胞与细菌共生形成了真核细胞的理论,是20世纪进化生物学取得的伟大成就之一,我对提出该理论的人肃然起敬。”当然这是一种说法,可能过一段时间有了更新的证据,也可能推翻它。但是目前看来,大家认为这个说法是靠谱的,就是古菌对于细菌的吞噬,产生了我们今天的真核细胞。

那么,关于宇宙其他星球是否存在生命,这个故事给了我们什么启发?你们听到地球20多亿年诞生了这么一群真核细胞的生物,那别的星球会怎么样呢?“好消息是,如果地球一冷却下来,就有两种不同形式的单细胞生物横空出世,那么其他星球上存在生命的可能性一定很高。坏消息是,如果地球花了20亿年的时间,才等到两个原核生物偶然相遇,孕育出第一个真核生物,那么其他星球上存在复杂生命体的可能性一定很低,也许比我们想象的还要低。”

你想,多不容易,地球花了5亿年的时间从热变冷了,冷了以后才出现古菌和细菌,又过了20亿年它们才开始交融,然后才开始慢慢地进化,一直到我们今天。所以外星生物是不是真的有,这是很难讲的一件事。真核细胞能够有线粒体供能以后,开始疯狂地复制,它才能够脱离能量源。也就是说,我们今天不用生活在火山口,不需要在火山口吸取能量,我们有自己制造能量的能力,才能够走向五湖四海。所以人类的出现堪称奇迹,这又是一个20亿年的故事。

最后一个奇观是关于人类的成长。人类是在什么时候成长起来的?各位可能很难想象,人类是在冰期中成长的。“有地质学证据表明,6500万年前地球上没有大面积的冰盖,只有高山上可能存在季节性降雪,直到大约1300万年前,南极大陆缓慢漂过南极点,形成覆盖东南极洲的冰盖,才改变了这种情况。到了1000万年前,阿拉斯加山脉覆上了小型冰川。大约600万年前,向北方漂移的澳大利亚大陆和南美大陆为强大的南极环流让出通道,形成了一个环绕南极洲的巨大水圈。”你注意,南极洲能够终年被冰雪覆盖,跟这个水圈有很大的关系,寒冷的水圈把南极洲隔开来了。

“这时候使南极大陆完全封闭,保留巨大冰盖,常年冰封。北半球的情况可就不同了,起初暖水流向北极,使北冰洋不结冰。后来,亚欧大陆和北美大陆漂移到今天的位置,环抱住北冰洋,导致暖水流动受阻,大大减少了流向北极的暖流,使北冰洋开始结冰。于是,南半球有一个终年被冰雪覆盖的大陆,北半球也有一个常年被冰雪覆盖的海洋。”就是地球开始变冷了。白垩纪的时候,恐龙存在的时候,地球上几乎都是热的,现在开始变冷了。

“第一个被归入人属的是能人,生活于大约250万年前的非洲东部,能够直立行走,体格矮小,身高1.2米左右,头颅相对较大,脑容量为675立方厘米,约为人属下现代物种智人的一半。150万年前,直立人出现了,身高1.6米左右,脑容量为925立方厘米,起源于非洲,后来扩散至亚洲。50万年前,直立人进化为智人,即最终扩散至整个大陆的现代人。”

从这儿以后的故事,大家可以去听我们讲过的《人类简史》那本书,就跟智人联系上了。“过去几百万年的冰河期分成了多个冷暖交替的时期,先是冰盖扩展,进入持续约10万年的冰期,接着气候转暖,冰盖退缩,进入持续约1万年的间冰期。几乎所有人类文明都涌现于末次间冰期,但是地球至今仍处于一个大冰期之中。”为什么间冰期很重要?就是特别冷的时候,这些分化出来的人类是很容易死的,他们没法形成文明。但是间冰期的时候,温度突然回暖,会给人类造成一个小阳春,人类会觉得气候不错,所以人类才得到了大幅的繁衍和发展。

“地球迎来约1万年的间冰期,森林重新变得富饶,食物多了起来,幸存者得以喘息,大量繁衍后代。冰川周期每循环一次,就会大大推动生物进化的进程。”所以大家理解了吗?就是把你赶出去的时候是很绝望的,感觉快要死了,就在要灭绝的时候,气候又变暖了,就在变暖的这一瞬间里,被赶出去的这些生物开始大幅进化。

这里边有一个问题是我特别感兴趣的,就是好多书友也会问,说这些科学家怎么知道呢?科学家怎么能够知道几百万年前的温度呢?几百万年前气候什么样,你凭什么这么说呢?我看过很多书友这样留言。所以我跟大家讲一下科学家是怎么知道的:

“大量地质遗迹揭示了冰河时期的发展全貌,有的持续数千万年乃至上亿年。过去几百万年的地质记录让我们看到了最近一次大冰期的细节,它们来自碳和氧等元素的同位素,被封存在南极冰川的气泡里,或以碳酸盐的形式存在于早已死去的生物壳体内,深埋在海底淤泥中。从冰或泥中钻取的岩芯包含了逐年沉积的地层样本,越深入岩芯,就越接近久远的过去,不同地层的年龄都可以用各种技术测定。”

你以为科学家是胡说的吗?人家有这个同位素探测的方法。“同位素保存了过去的气温记录,因为它们在空气中的比例,乃至气泡或壳体中的比例,取决于当时的气温。例如,氧18比氧16重,含有氧18的水更难从海洋中蒸发。深海沉积物的碳同位素比例,也揭示了这些沉积物形成时的气温。”从南极取一个冰芯,从地底下取一块岩石,从乌龟壳身上取留下来的元素,就能够知道几百万、几千万年前,甚至上亿年前地球温度变化的细节。真是不可思议!

人类被排挤出了森林以后——森林的面积在下降,人被排挤出来——人的其他能力就要得到锻炼,比如提高适应性。人的适应性不来自爪子,不来自力量,是来自智力,所以人的大脑得到了大幅发展。草原和森林的边缘地带,孕育了人类以及人类的文明。

最后回归到月亮,这一切都和月亮有关,为什么呢?季节之间的平衡,背后的推手是地球轨道的变化以及地轴的摆动变化,也就是冰期的变化是跟地球的摆动有关的。“最长的冰川周期与地球轨道相关。由于太阳系中其他天体的引力作用,地球轨道的形状每10万年就会从微椭圆形变成近乎圆形。目前的轨道是近乎圆形的。”就是现在地球绕太阳的轨道是近乎圆形的。

“但在几万年前,它曾是偏椭圆形的,偏心率约6%。另一个因素是地轴摆动导致的岁差,用一条线连接地球的南北极,再用一条线连接地球中心与太阳的中心,你会发现这两条线并不是垂直的,而是形成了约23.4°的夹角。……除此之外,在更长的周期上——大约4.1万年,地轴倾斜角也会变化,在21.8°~24.4°徘徊。目前的倾斜角大概在这两个极端的正中间,并在过去的1万年里逐渐缩小,意味着四季差异越来越小。”也就是越往古代,四季的差异越明显,我们现在的四季差异越来越小。

“1万年前,地轴倾斜得更厉害,四季差异也更大,因此上一个冰期刚结束,当前的间冰期刚开始,这并不是巧合。虽然不管倾斜角是多少,地球每年从太阳获得的总热量是相同的,但是间冰期出现的关键是北半球的夏天有多暖,而不是冬天有多冷。”

“是什么控制着地球的倾斜和摆动呢?答案是月球。……多亏了月球,地球气候才能拥有米兰科维奇预言的周期性变化,推动森林古猿进化成人。用这一奇观作为本章的结语,再合适不过了。”这也是全书的结语,就是月球一直照顾到人类出现。月球对地球的照顾,不仅仅让地球上有水,有熔岩,有潮汐,可以孕育出生命,一直到人类的出现都跟月球的照顾有关。所以在间冰期这一万年的时间里,孕育出了我们人类的高速的发展。

听完这本书之后,不知道大家有什么感觉,会不会像我一样兴奋和激动?下一次当你抬头看月亮的时候,我希望你能够有一些不一样的感受。同时在这儿推荐大家读一下格里宾的另外一本书《深奥的简洁》,这本书我曾经也讲过,而且比《奇观》的阅读难度还要稍微再高一点点。希望大家能够喜欢这样的科普著作,谢谢大家,我们下本书再见!

爱我羊
匿名

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