01.介绍与回顾

《起源：NASA天文学家的万物解答》01.介绍与回顾,页面无弹窗的全文阅读!

INTRODUCTION AND OVERVIEW

而我只不过是一个在海滨嬉戏的顽童，在我眼前展现的，是尚未发现的真理的无尽大洋。

——艾萨克·牛顿

（Isaac Newton）

当追随真理超出了我们的能力时，我们应该追随最可能是真理的东西。

——勒内·笛卡儿

（Rene Descartes）

本章研究目标

本章内容将涵盖：

· 对宇宙与生命的历史的总结

· 宇宙的时间线

· 自然界的基本常数

· 定义和测量单位

· 自然基本定律

· 物理定律起源的探索

· 大自然的对称

这本书的标题是对其所述内容的一个说明：它是在各个学科的边界之间往复运动的一种多学科探索。尽管是在差别很大的不同领域之间进行研究，但我们的视线始终聚焦于“起源”这个问题：我们观察与体验的这个世界的一切是怎样变成它们现在这个样子的？我们看到了各种自然现象，并认为它们理应如此。然而，我们在物质世界中观察到的一切，都很可能有着与此不同的开始，然后才因为某种原因变成了它们今天的样子。我们在这里的目标是深刻地挖掘，寻找这一切的起源，看看这些似乎彼此不相干的现象是怎样汇聚到一起，让世界变成了当前我们看到并体验的状态的。

科学是通过与实验和观察对照的模型来解释自然的方法。这需要我们对一种观察到的现象进行批判性思考和概念化，然后试图通过已有的定律对其进行解释，并通过实验加以检验。通过科学，人们可以让自己的好奇心得到满足——使用陆基的最大望远镜和空间探测器、强大的粒子加速器和放大倍数最大的电子显微镜，对苍茫无涯的空间、原子内部的奥秘，或者是生物细胞的结构进行探索。通过运用基本的科学原理，人们发展并改进了技术，而反过来，技术对于更准确的测量和观察又是极其重要的，有可能导致新的科学发现。对于起源的研究将有助于我们更好地了解世界，并由此更深刻地了解人类自身和我们在这个世界上所处的位置。本章的目标是给出一份非常简短的概要，让读者了解本书后续其他部分的大致内容。本章将总结万物的历史，并介绍对自然基本定律和控制我们周围世界的物理常数的研究。它将为我们提供理解本书其余部分所需的一般背景。

万物历史之回顾

曾有充分的证据表明，我们的宇宙诞生于大约138亿年前的一次大爆炸，即所谓的“宇宙大爆炸”（Big Bang）。空间与时间就是在那一瞬间形成的。在那一瞬间，宇宙的密度与温度都处于极致。从那一刻起，由于空间的伸展，宇宙就一直在膨胀。第一批粒子出现在宇宙大爆炸之后远远小于1秒的时间内，而宇宙中最轻的原子核，即氢原子的原子核，是在大爆炸后大约1分钟形成的。一旦宇宙的温度因为自己的膨胀而下降，电子便会加入已经存在的原子核的行列，这就形成了原子。这导致了我们今天所知的物质的形成。在引力的作用下，原本均匀分布的物质受到了初始扰动，形成了包括星系和星系团的结构（图1.1）。平均每座星系包含1000亿颗恒星，在我们可观察的宇宙中，有大约1000亿座星系。

由于与其他星系之间的相互作用或者自身内部恒星的被动演变，星系的性质在宇宙整个生命过程中一直在变化。今天，我们对宇宙的成分有着准确的估计：暗物质占22%，暗能量占74%，正常物质占4%——尽管我们对于支配其不同成分的本质还不那么清楚。暗物质通过它们的引力吸引了星系，减缓了宇宙膨胀的速率，而暗能量在排斥星系，加快了膨胀速率（图1.1）。我们在夜空中看到的一切，以及我们在宇宙成分中看到的一切，只占整个宇宙的4%。

在星系中的冷气体坍缩形成恒星之后，行星也登上了舞台，围绕着恒星旋转。在人类文明史上，我们第一次能够发现并研究太阳系以外的行星，这将帮助我们理解我们的行星——地球——在大约46亿年前形成的初级阶段。恒星是生产重元素的主要工厂。在把所有轻元素转变为较重的元素之后，它们的燃料最终耗尽了。如果一颗恒星足够大，它会作为超新星爆发，把其中生成的重物质散布到星际空间内，用重化学元素丰富这种介质。这就是地球上发现的重元素的来源，也是让生命得以诞生的元素。

地球上第一批生物存在的证据可以追溯到大约35亿年前，它们是原始细胞，即既没有细胞核也没有其他细胞膜的细胞。接着出现了能够执行多种任务的更为复杂的细胞（图1.2）。这些细胞都是在海洋深处开始生成的，并在地球的大气层形成时向陆地迁徙。最先出现的活体生物不需要氧气存活，而是将氧气作为废料排出体外。这导致了氧气在大气层中的积蓄，以及后来臭氧层的形成。臭氧在地球周围形成了一个保护层，保护它不致遭受来自太阳的强烈紫外辐射的荼毒，让地球上的陆地成为宜居场所。

地球上的生命进化是一个极端复杂的过程。只有那些能够适应它们所处环境的系统才能存活并繁荣。基因突变导致了我们今天观察到的动植物多样化。第一批灵长目的历史可以一直追溯到6 500多万年前，而我们最近的祖先——最初的智人（Homo sapiens）则在15万到10万年前生活在这颗星球上。灵长目不断进化，适应了周围的环境。它们的大脑尺寸增加了，智力也加强了。早期哺乳类动物的出现和进化发生在非洲。随后，一批智人开始离开非洲，在大约3万年前进入了现在的欧洲和亚洲。在某个时间点上，他们开始建立群体、相互交流并开发让自己变得自由的新途径。人类在大约1万年前发明了农业，我们的祖先也学会了驯化动物。一旦他们发现了更有效地为自己生产食物从而能够养活更多人的方法，他们就有了更多的时间做其他的事情，比如创建公民社会。图1.2展示了生命在地球上一步步发展的过程。

图1.1 宇宙发展的不同阶段，从宇宙大爆炸到星系、恒星和行星的形成

插图出处：图1.1: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CMB_Timeline75.jpg.

图1.2 复杂生物体的发展，从单一细胞到更复杂的系统

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插图出处：图1.2f: http://freestockphotos.biz/stockphoto/15174.

插图出处：图1.2g: http://freestockphotos.biz/stockphoto/15174.

插图出处：图1.2h: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Muskellunge_USFWS.jpg.

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插图出处：图1.2l: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth_Western_Hemisphere_transparent_background.png.

为了让读者领会有关的相对时间尺度概念，将宇宙和地球上的生命的历史浓缩为一年来考虑是很有指导意义的（图1.3）。在这种情况下，考虑到宇宙的历史是138亿年，则每个月对应着10亿多年，每天代表着约4 000万年，每秒大约为400年。不妨想象宇宙诞生于1月1日0时，则在这一时间尺度下，银河系在5月形成，而太阳系在9月初登台亮相。地球上的原始生命开始于9月末，而更复杂的生命系统在11月形成。更高级的生命形式直到12月中旬才出现。鱼是第一批动物，它们在12月17日走上前台，而陆生动植物出现于12月20—23日。恐龙大约在12月25—26日在地球上生活。12月31日上午9时，原始人类（我们的早期祖先）开始在地球上占据支配地位。农业的发展开始于午夜前25秒，金字塔在午夜前11秒开始建造。按照这种时间尺度，整个人类历史出现在宇宙历史的最后4分钟之内（图1.3）。

图1.3 将宇宙描述为一年的历史

插图出处：图1.3: Copyright © Efbrazil (CC BY-SA 3.0) at https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Cosmic_Calendar.png.

物理常数

为什么宇宙会以它现在的方式存在？生命形成的条件是怎样演变的？我们的行星是如何形成、演变并成为宜居星球的？这些问题以及其他许多基本问题，都可以通过自然界的物理常数的值加以解答。尽管我们不清楚为什么这些常数会有今天的数值，或者它们是怎样起源的，但它们仍是塑造我们周围世界的最基本的参数。

一些最重要的物理常数包括：光速（c）、普朗克常量（h）、电子电荷（e）、电子质量、牛顿引力常数（G），以及对应自然基本力强度的常数。最基本的常数有量纲，它们是以质量、长度和时间的基本数量为基础的。还有一些完全没有任何单位的物理常数，也就是说，它们是无量纲常数。这里仅举一例：精细结构常数e2/hc。这个常数的数值是1/137.036，代表着电磁相互作用的强度。有关无量纲单位的有趣的一点是，它们表达的有关宇宙的事实与我们对单位的任何选择完全无关。如果这些常数具有不同的数值，宇宙将是一个非常不同的地方。

只有在物理常数具有它们现在的数值的情况下，以当前的形式与条件支持地球上的生命的宇宙才能存在。如果这些常数略有不同，我们将不会在这里生存。下面我将试举几例，清楚地说明这一点。让我们考虑自然的四种基本力：引力（决定宇宙中的大型结构）、电磁力（让原子得以成为一个整体）、弱力（决定粒子的衰变）和强力（让粒子聚集在原子核内部）；我们将在第4章中更详细地讨论这些力。（1）如果令原子核（由质子与中子组成）不至于崩溃的强力的强度增加2%，则两个质子将聚合成另一种由它们组成的原子核，它将是仅次于氢的最轻的原子核。在我们现在的宇宙中，这是氦的一种非常不稳定的同位素，它将在形成之后立即衰变。然而，更强的强力将使它变得稳定，从而在更长的时间内存在。于是，这时候还大量存在的氢就可以聚合成这种原子。这种聚合反应将消耗早期宇宙的全部氢元素，让恒星中的核反应过程发生重大改变，让整个世界的情况与今天截然不同。（2）上面用精细结构常数表达的电磁力的强度是引力的1 036倍。如果电磁力略微减小，宇宙将会变小，宇宙的寿命也会缩短，让生命根本没有进化的机会。（3）2个质子和2个中子将结合，形成一个氦原子的原子核。然而，这4个粒子的总质量只有氦核质量的99.3%——多出的0.7%（质量的0.007）是作为能量释放的，是我们的太阳和其他恒星的能源。这个数字是由保持原子核作为一个整体的强力的强度决定的。如果这个数字略小一点，从0.007下降到0.006，质子和中子就不会结合到一起，宇宙中将只有氢，不会生成任何比它更重的元素，宇宙中也不会存在生命。现在，如果这个数字略大一点，从0.007上升到0.008，则所有的质子都将与中子结合，不会在宇宙中留下任何氢，这将会是一个非常不同的宇宙。我们有大量的例子说明，物理参数数值的微小变化能够影响宇宙与生命的演变。我们稍后讨论一些这种令人惊异的“微调”。

定义、度量系统和单位

大约400年前，伽利略·伽利莱伊（Galileo Galilei）曾经这样说：“测量那些能够测量的量，并设法让那些无法测量的量变得能够测量。”测量是给科学观察定量的过程。有些测量是独立的，有些则需要用其他测量表达。比如，长度是一个独立量，面积需要用两个长度测量表达，而体积则需要用三个长度测量表达（长、宽、高）。质量与时间都是独立的测量，可以用它们定义力/能量或者速度/加速度。测量是用单位表达的。除了上面解释过的自然单位制外，单位是任意指定的实体，物理量则因人们选择的单位而有不同的数值。当早期的人们意识到需要用单位表达测量时，他们定义的单位全都是主观决定的。例如，长度单位（英寸和英尺）与身体的部位有关（英寸的英语为inch，最初的定义是3个衔接在一起的大麦种子的长度，或者成人男子的脚长的1/12，英尺的英语为foot，是成人男子的脚长；质量单位取决于小麦颗粒的质量（小的质量单位是格令，英语为grain，1格令是0.064 8克，grain也是“粮食颗粒”的意思）或者石头的质量（比较大的质量单位是英石，英语为stone，1英石是6.350 29千克，stone即“石头”的意思）；时间的单位是由巴比伦人（Babylonians）创造的，其基础是将一天分为小时、分和秒。因此，当时采用的一些单位只有历史意义而没有科学意义。我们现在使用单位的现代定义，并采用表1.1中列举的不同尺度表达我们测量的系统，无论是宇宙还是细胞的大小。

对于天文距离的测量有不同的单位，取决于人们考察的系统。在我们的行星系（太阳系）内一般使用天文单位（AU），它的定义是日地间的距离，等于149 597 871千米。太阳系外的更大的系统用秒差距〔parsec（pc）〕来测量，它的定义是：在这个距离上，一个天文单位的距离形成的张角是1弧秒（弧秒是角度的度量单位，1弧秒是1°的1/3 600。简单形象地说，1秒差距是以1个天文单位的长度为底做等腰三角形，当顶角为1弧秒时两腰的长度[1]。这个长度对应3.26光年或31万亿千米。天文距离的另一个单位是光年，即光在1年内传播的距离，等于9.46×1012千米。更长的距离用千秒差距（kiloparsec，kpc，即103秒差距）或者百万秒差距（megaparsec，Mpc，即106秒差距）表达。

表1.1 测量单位的数字表达

日常生活中的通用质量单位是千克（kg），这一质量是存放在位于法国的国际度量衡局（International Bureau of Weights and Measures in France）内的一个圆柱体的质量。这不是一个令人满意的定义，因为它取决于一个物体，没有法定基础。下面是通过物体的运动加以表达的一个更合乎物理学标准的质量定义：物体具有保持其静止状态或者做匀速直线运动的倾向，它的这一性质叫作惯性。物体的质量是对其惯性的度量。质量不应与重量混淆，后者是引力在物体上的作用的总和。无论在什么地方，一个物体的质量是恒定的，而它的重量则会因为它在地球上或者任何天体上的位置而有所不同。一个天体的质量经常用我们的太阳的质量为单位度量，后者为1.989×1030千克。

时间的基本单位是秒。这个单位的最初定义是一个太阳日的1/86 400。然而，因为太阳日在一年中的长短并不固定，因此，这样定义的秒也不固定。为此，人们现在将1秒定义为铯原子的90亿次振动历经的时间。这便为时间单位提供了一个精确度达到几百万分之一秒的定义。天文与地质时间经常用数百万年或数十亿年表达。

人们将一个物体的速度定义为它在单位时间内相对于某个固定点的距离的改变。如果在时间t内这一距离的改变为d，则其速度v表达为v=d/t。加速度a定义为速度在单位时间内的变化。如果一个系统的速度在一段时间间隔Δt内从v1变为v2，则其加速度为a=（v2-v1）/Δt，如果这一数值为负值，则称减速。加速度的单位是米/秒2，即m/s2。

人们把温度定义为一个物体或者系统中分子的平均动能（速度）。换言之，温度是对于一个物体因其中分子运动的平均速度而具有的内能的度量。温度与热不同，人们将后者定义为能量是怎样从一个系统向另一个系统转移的。在科学文献中使用的温度单位是开尔文（Kelvin，K）。人们称0开尔文为绝对零度，即-273摄氏度。在绝对零度下，一个物体的原子和分子完全不运动。开氏温标中没有负值温度。要把一个开氏温度转化成摄氏温度，只要在开氏单位上减去273，例如，3开尔文等于-270摄氏度。[2]

图1.4 波长的定义，是波的连续两个波峰之间的距离

对于基本粒子，质量与能量是等价的，联系二者的是著名的爱因斯坦质能方程E=mc2，其中E是能量，m是质量，c是光速。以此为基础，质量与能量是相互关联的。能量的单位是电子伏，其定义为经过1伏特的电势差加速的一个电子（单位电荷）取得的动能。能量经常以百万电子伏（MeV）或者10亿电子伏（GeV）作为单位，与此类似，基本粒子的质量也可以用这种能量单位表示。

在这本书中广泛使用的一个概念是波长，它的定义是一列波重复自己的一个波形经过的距离。换言之，波长即一列波的两个连续波峰之间的距离（图1.4）。波长使用长度单位，而且常用希腊字母λ来表示。频率的定义是振荡系统一秒内完成的完整周期数，对应于在单位时间内同一个序列重复自身的次数。我们用字母f代表频率。频率的单位是赫兹（Hz）。更大的频率单位包括千赫（kHz；103Hz）、百万赫（MHz；106Hz，即兆赫兹）、十亿赫（GHz；109Hz，即千兆赫）和万亿赫（THz；1012Hz，有人称之为太赫）。对于一列以速度v、频率f和波长λ运动的波，联系这些性质的方程是f=v/λ。

表1.2 电磁波和它们的对应波长

光的波长范围从长波（无线电波）到短波（X射线和γ射线）。可见光（我们的眼睛对它们最敏感）的波长仅仅覆盖了一个很小的范围，它们都是电磁波，而且按照波长的大小，我们用不同的单位表达它们，见表1.2。

通常使用的单位为纳米（10-9米；nm）、埃（10-10米；Å）和微米（10-6米或104埃；µm）。

自然基本定律

自然遵守一套物理定律，这些定律让自然按照它现在的方式运转。下面几个分节讨论了行星围绕太阳运动时遵守的定律、原子和粒子的行为遵守的定律，以及我们周围的世界在日常运转时遵守的定律。

万有引力定律

因为引力的存在，地球上所有的物体都只能“留在”地上。这是一种宇宙中所有物体之间的吸引力。与地球吸引我们的方式相同，我们也对地球施加了同样大小的力，但方向相反。同样的力也在天体之间起作用，让月球围绕地球旋转，地球围绕太阳旋转。这就是万有引力定律，由艾萨克·牛顿（1642—1727年）在一本题为《自然哲学的数学原理》[3]（Mathematical Principles of Natural Philosophy）的书中首次提出，这本书是人类历史上最著名的图书之一，出版于1687年，拉丁原文题为Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica，人们普遍简称为《原理》（Principle）。万有引力定律宣称，一个质量为m1的物体受到另一个质量为m2的物体的吸引，吸引力与二者之间的距离r的平方成反比，与它们的质量的乘积成正比，表达形式为

F=Gm1·m2/r2

此处G为万有引力常数，经实验测定的值为G=6.67×10-11N·m2/kg2。

运动定律

牛顿的运动三定律是力学的基础。我们将它们总结如下。

第一运动定律：在不受外力作用的情况下，任意物体都将保持静止状态或者沿一条直线做匀速运动。这就是引入了惯性的定律，惯性是抗拒出现运动状况改变的倾向，这一倾向是伽利略第一个提出的。

第二运动定律：一个运动物体的加速度a与作用在它身上的净力F成正比，与这个物体的质量m成反比。

a=F/m

第三运动定律：当两个物体相互作用时，在其中一个物体上作用的力与在另一个物体上作用的力大小相等、方向相反。换言之，对于任何作用力，都有一个与之大小相等、方向相反的反作用力。

动量守恒定律

动量p的定义是物体的质量m与它的速度v的乘积，表达式为

p=m·v

动量的单位是kg·m/s。当一个物体自转即围绕自己的某根轴旋转时，它具有角动量，其定义是它的质量m、速度v和大小r的乘积，

角动量=m·v·r

动量守恒定律称，在不存在外力作用的情况下，相互作用的物体的总动量保持恒定。

能量守恒定律

运动物体具有力的作用，一旦它与另一个物体相撞，两者的速度会降低，其中一个物体会把力转移给另一个物体。运动物体带有的能量的叫作动能（KE）。质量为m，运动速度为v的物体的动能为

KE=½m·v2

动能的单位是焦耳。

一个物体因自身所处的位置而具有的能量叫作势能。例如，把一个物体从一座建筑物的一楼带到二楼时，这个物体便存储了势能。我们称这种势能为重力势能，因为它是由重力的吸引产生的。一个质量为m，距离地面的高度为h，并处于引力常数g的引力吸引下的物体，其重力势能的表达式为

重力势能=m·g·h

此处的mg等于该物体的重量。势能的单位是牛·米（N·m），即焦耳（J）。

能量守恒定律称，能量既不能被创造也不能被摧毁，只能从一种形式转变为另一种形式，而且总能量恒定。

普朗克定律与黑体辐射

普朗克定律是有关黑体辐射的光谱能量分布（即一个物体以某种波长发射的辐射能量在总能量中所占的比例）的定律。辐射源是振荡的原子，它们的振动能量只具有不连续的数值（即量子化的）。当一个振子从它的初始能量状态E1变为一个较低的能量状态E2时，放出能量的数值是辐射频率f和一个叫作普朗克常量的常数h的乘积：

E1–E2=h·f

普朗克常量h=6.626×10-34焦·秒。

黑体是一种假想物质，它能够吸收照射在它上面的一切辐射能，直到达到某个平衡温度。然后它将在整个波长范围内放出它吸收的能量。

探索物理定律的起源

人们在宇宙中观察到的秩序，如太阳在过去46亿年间在地球上空的起起落落、行星的运动、主宰着生命体的生物过程和我们周围万物的化学原理，所有这些都是物理定律的表现形式。这些定律是以一种合理且可以理解的方式来表达的。我们不知道这些定律是不是偶然出现的。与之类似，这些定律之间现在有着相互和谐的关系，在绝大多数基本科学观察中，它们是互补的，没有出现相互矛盾的现象。与我们前面讨论过的有关物理常数的情况类似，如果物理定律与现在的形式稍有不同，我们就不可能存在并在这里讨论它们了。关于这一点，有一个直截了当的解释来自所谓的人择原理（anthropic principle）。这个原理声称，宇宙之所以是如今这种情况，或者说之所以物理常数具有今天这些数值，物理定律具有当前的这种形式，是因为：物质宇宙必须与观察它的智慧生命相互适应，相互匹配。

为了探索物理定律的起源，我们首先需要对这些定律的定义达成共识。传统意义上，定律描述自然界的规律，并把偶然发生的事件与无论在何种条件下都会发生的事件相区别。一项定律也能够给出可靠的预言。物理定律是宇宙的合理秩序的表现。因此，科学家的任务就是要承认这些定律，假定它们在宇宙中不受时间与地点的限制，并用它们解释自然现象。

这些物理定律是偶然的结果吗？或者说，有一系列惊人的事件在管理宇宙时进行了抉择，物理定律是它们在可能的情况下用最佳规则微调造成的结果吗？我们可能永远也无法知道这个问题的答案。无论是在早期宇宙还是在我们的太阳系的邻域，或者是在一个原子内部，这些物理定律都是绝对的、不可更改的，与它们被应用的地点的局域条件无关。物理过程对于决定它们的定律没有任何影响，这些定律是完全独立于这些过程的。

这些物理定律是为某种目的服务的吗？换言之，在许多不同的可能性下，它们最终成为现在的这种形式，是因为只有通过这样一种方式，它们才能控制并维持宇宙而不至于相互矛盾吗？为了用物理定律来解释宇宙，这些定律必须在宇宙形成之前，甚至在空间和时间诞生之前便已经存在。如果情况确实如此，宇宙则是以一种具有确定命运的形式形成的，所有的事件都是可以根据这些定律预测的。我们能否证明这一点？人们一直在尝试统一自然基本力，这些努力打开了一道大门，或许有一天我们能够发现这些定律来自何方，它们又为何是这个样子的。这表明在今天，所有这些自然力都是单一的一种力的表现形式，这种力来自宇宙历史之初，那时宇宙的密度和温度都处于极端状况之下。因此，最基本的定律很有可能存在于宇宙出现的一瞬，然后（很可能是偶然地）引出了我们今天看到的一切定律。如果情况果真如此，那么这些定律又是怎样产生的呢？处理这个问题的一种方式是在多元宇宙的框架下考虑问题。按照这种设想，人们假定曾经存在着大量宇宙，而我们的宇宙只不过是其中的一个。主宰着我们的宇宙的物理定律起源于另一个宇宙，并扩展到了这里。然而，这种说法只不过把问题推给了一个“不同的宇宙”，而无法接受实验的检验。我们现在确定的一点是，这些物理定律只是真理的近似。它们能够在何等程度上解释自然、预测未来事件，这一点取决于我们的测量的准确性。

自然的对称

在自然定律的背景下，对称的概念扮演了一个重要角色。在不同的时间地点重复同一个实验并得到同样的结果，这种能力依赖于自然定律在时空变换下的不变性。这一特性让自然定律具有与生俱来的规范性，没有这一点，我们就不可能发现它们。我们可以在与自然力相关的粒子的特性（即粒子是由场方程确定的）中看到有关这一点的一个明显的例子，其中预言粒子的性质在场中的任何地方都是相同的。我们将在第4章中再次讨论这一点。

有时候，因为无法预测的强制性初始条件，定律在预期中的规范性和对称被藏匿或者违背了。当研究在较高能量与较小尺度下的自然定律时，我们便越来越多地发现了在较低能量下被藏匿或者违背的对称。所以，这些对称在今日宇宙的低能量状态下无法显现，但它们在宇宙诞生之后不久便存在了。

让我们想象处于极高温度（1032开尔文或者1019GeV数量级，你可以在这里看到用开氏温标和用GeV表达的温度之间的一致性）下的早期宇宙。那时，自然的四大基本力，即电磁力、弱力、强力和引力是不可区分的（我将在第4章中详细解释这一点），所有的粒子都是没有质量的。因此，如果你在那时把一件事物变成另一件事物，没有谁会注意到你的行为，因为所有的一切都是一样的。那时的力和粒子之间存在着一种对称。当宇宙冷却下来的时候，它的温度下降到大约1022开尔文（1014GeV），这时，由于某种物理过程（我将在本书稍后揭示），这一平衡被打破了。于是，粒子得到了它们今天具有的质量，而四大基本力的性质也有了不同。这一状况仍在持续。平衡因为温度下降而被打破，我们今天在自然界中观察到的一切粒子和力的不同特性都得到了揭示。

守恒定律的起源

自然的守恒定律属于最基本的定律之列。一切物理过程都必须遵守这些定律。能量、质量和动量等物理量的总数为什么必须守恒？为此，数学家艾米·诺特（Emmy Noether，1882—1935年）进行了揭示守恒定律的第一次尝试，其结果被称为诺特定理。这一定理声称：自然界物理量总数守恒这一状况的存在是自然定律对称（即自然定律独立于时间这一事实）的结果。它们同样适用于过去、现在与未来发生的事件。因为自然定律在空间中的任何地方都是一样的，以物体的质量与速度的乘积表示的动量也是守恒的。这就意味着，如果一个物体是静止的，则在不受外力作用的情况下，它的动量为零，而且将一直为零。

总结与悬而未决的问题

围绕着我们的一切自然事物很可能都有自己的起源。为了理解我们看到的世界是如何发展到今天的形式的，研究它们的原因与起源至关重要。这也是探讨我们观察到的现象是如何随着时间变化（即进化）的第一步。这样的“探险”需要结合多种学科的方法，越过特定学科的边界。本书的目标是对自然界可观察现象的起源进行科学研究，寻找世界按照它自己的方式运转的原因。

在极早期的时刻，当宇宙的年龄远远小于1秒时，微观范围内的过程占据着主导地位。在那个时候，粒子物理与宇宙学之间的互动，导致了宇宙的最初演变。我们今天在宇宙中观察与测量的许多现象都是这种互动的结果。如果事情略微有所不同，今天的一切都会不一样。第一代恒星与星系是在宇宙事件中形成与演化的。此后，按照物理定律的规律，原子结合形成了分子，因此产生了化学。在合适的条件下，通过不同的化合物之间的复杂反应，生物分子得以形成，于是产生了生物学。这告诉我们，科学的不同分支似乎就是这样形成的。在对于起源的研究中，我们需要拥抱和链接所有这些学科。

物理定律是对称的——无论过去、现在和未来都同等适用，它们也都同等适用于空间中的一切地方。这种对称会产生一个结果。它或许能够揭示守恒定律的起源。例如，为什么在一个系统之内的质量和能量是守恒的？诺特定理给出的解释是：这是物理定律独立于时间的结果。而宇宙刚刚诞生那一刻形成的这种让粒子和力各自不可分辨的对称现在被打破了，因此我们现在在自然界中体验了不同的力（具有不同的特性）和粒子。

为了探讨包括宇宙、恒星和星系的物质世界的起源，我们需要将物理定律逆时间反向外推。科学家们在进行相关研究时假定这些定律适用于任何时间和地点。那么，摆在我们面前悬而未决的问题便是：物理定律的起源是什么？基本常数的起源是什么？为什么我们可以如此准确地应用守恒定律？一旦拥有了一个预言宇宙起源所有细节的框架，我们怎样才能证明它是正确的？宇宙的每一个角落都可以有神奇的现象。这就是启发人类这样的智慧生命，让我们去寻找这些基本问题的答案的东西。

回顾复习问题

1. 写下宇宙从诞生到出现生命这段时间的时间线。

2. 列举一些能让今天的我们不可能存在的主要宇宙事件。

3. 什么能让地球上的生命开始形成？

4. 为什么有些生命体能够维持生存，而其他的却不能？

5. 哪种生物过程让生物体如此多样化？

6. 我们知道，宇宙的年龄是138亿岁而地球的年龄是46亿岁，如果把宇宙的生命浓缩为一年，那么地球是什么时候形成的？

7. 与有量纲的单位相比，无量纲单位有什么优势？

8. 基本物理常数的定义是什么？

9. 质量和重量有什么不同？

10. 温度的定义是什么？怎样把热力学温度换算为摄氏度？

11. 对于基本粒子，科学家有时候用能量单位代替质量单位。解释一下他们是如何这样做的，并定义他们使用的能量单位。

12. 波长的定义是什么？说出从原子尺度到天文尺度的长度（距离）单位。

参考文献

Bennett, J., and S. Shostak. 2005. Life in the Universe. 2nd ed. Boston: Pearson/Addison-Wesley.

Hester, J., B. Smith, G. Blumenthal, L. Kay, and H. Voss. 2010. 21st Century Astronomy. 3rd ed. New York: Norton.

Larsen, C.S. 2014. Our Origins. New York: Norton.

Primackm J.R. and Arams, N.E. 2006, The view from the center of the Universe, Riverhad books--Penguin Group, PLC.

Rees, M. J. 2001. Just Six Numbers: The Deep Forces that Shape the Universe . New York: Basic Books.

Schneider, S.E., and T.T. Arny. 2015. Pathways to Astronomy. 4th ed. New York: McGraW-Hill.

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注释

[1] 更准确地说是底边上的高的长度，但在这种距离下，高长与腰长已经没有实际差别。——译者注

[2] 严格地说，0开尔文=-273.15摄氏度。人们对于处于绝对零度时分子与原子是否完全没有运动也有不同的看法。——译者注

[3] 艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》也简称《原理》，是用拉丁文写成的，于1687年出版，并由B.科恩（B. Cohen）和A. 威特曼（A. Wittman）翻译为英文，于1999年由加利福尼亚大学出版社（University of California Press）出版。人们认为这是科学史上最重要的著作，为经典力学和万有引力定律奠定了基础，并从理论上推导了开普勒的行星运动定律。