「我们是获得了生命的星尘，然后被宇宙赋予了发现自我的使命——而我们的旅程才刚刚开始。」

起初，将近140亿年前，已知宇宙所有的空间、所有的物质、所有的能量，都包含在一个极小极小的尺度之内，比这句话末尾的句号的一万亿分之一还要小。

那时的温度是如此之高，自然界中描述这个宇宙的四种基础作用力还是统一的。虽然我们依然不知道它是如何出现的，但这个比针尖还要小的宇宙只能膨胀。急速膨胀。我们将其称为大爆炸。

爱因斯坦在1916年发表的广义相对论，为我们提供了关于引力的现代理解，即物质和能量的存在弯曲了围绕它们的空间和时间结构。在20世纪20年代，量子力学被发现，为我们提供了微观世界的现代观念：分子、原子和亚原子粒子。但是这两种对自然界的理解在形式上是彼此不相容的，这使得物理学家们开展了一场竞赛，要将微观理论与宏观理论融为一种内在一致的量子引力理论。

虽然我们还没有到达终点，但我知道最大障碍的确切位置。其中之一是在早期宇宙的“普朗克时期”。那是大爆炸之后时间间隔从t=0到t=10^-43秒（1秒的千亿亿亿亿亿分之一），并在宇宙尺度增长到10^-35米（1米的千亿亿亿亿分之一）之前。这些难以想象的小量被命名为普朗克时间和普朗克长度，马克斯·普朗克（Max Planck）是德国科学家，他在1900年引入了量子化能量的概念，被誉为“量子力学之父”。

引力和量子力学之间的冲突对当代宇宙没有什么实际的影响。天体物理学家们把广义相对论和量子力学的原理和工具应用于不同种类的问题。但在宇宙开始的时候，也就是普朗克时期，极大也是极小，我们怀疑两者一定曾经有某种强制联姻。唉，然而我们对它们在那个仪式上交换的誓言一无所知，所以没有任何（已知的）物理定律能够描述宇宙在那个时期的行为。

尽管如此，我们预计在普朗克时期结束时，其他三种自然力仍然统一，引力逐渐分离出来，成为我们目前的理论可以很好地描述的独立作用力。随着时间达到10^-35秒，宇宙继续膨胀，稀释了所有曾集中的能量，刚才还保持统一的作用力分裂成“弱电力”和“强核力”。后来弱电力分裂成电磁力和“弱核力”，从而使得我们已经能够认识到的四种作用力显露了出来：决定放射性衰变的弱核力，把原子核束缚起来的强核力，使得分子结合在一起的电磁力，把大团物质聚集在一起的引力。

从宇宙诞生开始，至此过去了万亿分之一秒。

接下来，宇宙不断膨胀，并且冷却。宇宙增长到大于我们的太阳系尺度时，温度已经迅速下降到1万亿开尔文以下。这时，百万分之一秒过去了。

到了两分钟的时候，宇宙的温度降到1亿开尔文以下。

宇宙演化（图源：phys.libretexts.org）

在第一个10亿年里，宇宙持续膨胀并冷却。物质因为引力作用聚集成团，形成了我们所称的星系，数量近1000亿，每个星系都含有几千亿颗恒星，恒星核心发生着热核聚变。那些质量超过太阳数十倍的恒星，其核心具有足够高的压力和温度，从而制造了比氢要重的几十种元素，正是基于这些元素，才构成了行星，为生命勃发提供了场所。

如果这些元素停留在它们形成的地方，那它们将毫无用处。不过，大质量恒星会发生不可预料的大爆炸，把元素种类丰富的内核抛撒到整个星系，这种重元素丰度（即数量密度）增加的过程，称为增丰。这样的增丰过程持续90亿年之后，在宇宙的一个平凡角落（室女超星系团的外围），一个平凡的星系（银河系）中，一块平凡的区域（猎户旋臂）上，一颗平凡的恒星（太阳）诞生了。

从其中形成太阳的气体云包含了足够多的重元素，凝聚生成了一系列相互绕转的天体，其中包括几颗岩石行星和气态行星、数以万计的小行星和数十亿颗彗星。在最初的几亿年里，在轨道上残留的横冲直撞的大量碎片被吸积到更大的天体上。这是以高速、高能撞击的形式发生的，从而熔化了岩石行星的表面，阻止了复杂分子的形成。

随着在太阳系中留下来的可吸积物质越来越少，行星表面开始冷却。被我们称为地球的这颗行星形成于太阳周围的宜居地带，这里的海洋主要以液态形式存在。如果地球离太阳更近，海洋就会蒸发掉；如果地球离得更远，海洋就会结冰。无论哪种情况，我们所知道的生命都不会进化出来。

地球（图源：pixabay.com）

在富含化学物质的液态海洋中，通过一种尚未发现的机制，有机分子转变为可自我复制的生命。在这个原始汤中占主导地位的是简单的厌氧菌——在无氧环境中繁衍的生命，但会排泄出作为副产物的氧气。这些早期的单细胞生命体不知不觉地将地球上富含二氧化碳的大气层转化为富含氧气的环境，使需氧生物体能够出现并主宰海洋和陆地。相同的氧原子通常以氧气（O2）的形式成对出现，也能在大气层高处形成臭氧（O3）层，它就像盾牌一样吸收了阳光中大部分紫外光子，从而保护地球的表面不受其伤害——紫外线能破坏分子结构。

我们把令人惊奇的生命多样性归功于地球，当然我们假设在宇宙其他地方也有丰富的碳，也有无数含碳的简单或复杂的分子。毫无疑问：碳基分子的复杂多样要远超其他元素组合出来的分子结构。

但生命是脆弱的。地球偶尔会与个头较大又任性的彗星和小行星相撞，这种事件在历史上很常见，足以毁掉我们的生态系统。仅仅6500万年前（距离我们的时间不到地球历史的2%），一颗百亿吨的小行星撞击了现在墨西哥的尤卡坦半岛，抹杀了超过70%的地球动植物种类——包括所有著名的超级恐龙。这次大灭绝使我们的哺乳动物祖先能够填补新的空缺，而不是继续充当霸王龙的开胃小菜。这些哺乳动物中一个脑袋很大的分支，我们称之为灵长类，其中一个属种（智人）拥有了足够的智慧来发明科学的方法和工具——去推断宇宙的起源和演化。

在这一切之前发生了什么？在开始之前发生了什么？

天体物理学家不知道。或者，相反，我们最有创意的想法在实验科学看来几乎或者完全缺乏基础。一些宗教人士用一种带有正义色彩的断言作为回应，认为所有这一切必须有某种东西作为启动：一种比其他所有力量都要大的力量，一个一切问题的源头，一个原动力。当然，在这样的人士心目中，某种东西就是上帝。

但是，会不会宇宙是永恒的存在，只是它的状态我们尚未认识到呢——比如，它是一个不断诞生宇宙的多重宇宙？或者，如果宇宙仅仅是从一无所有中冒出来的呢？或者，如果我们所知道和热爱的一切都只是一个具有超级智慧的外星物种为了好玩而做的计算机模拟游戏呢？

这些哲学上有趣的想法通常满足不了任何人。然而，它们总能提醒我们：“不知道”才是科学家的自然心态。那些相信自己无所不知的人，既没有寻找更没有看过宇宙中已知和未知的界限。

我们所知道的是，我们可以毫不犹豫地断言的是，宇宙有一个开始。宇宙在继续演化。而且，是的，我们身体里的每一个原子都可以追溯到宇宙大爆炸，以及50多亿年前发生爆炸的大质量恒星里的热核反应。

我们是获得了生命的星尘，然后被宇宙赋予了发现自我的使命——而我们的旅程才刚刚开始。

作者简介

尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）美国著名天体物理学家、科普作家、科普节目主持人，美国自然博物馆海登天文馆馆长。著名物理学家霍金去世两周前，还参加了他主持的脱口秀节目《Star Talk》。后台回复“star talk”，获取视频链接。

（本文经授权摘编自未读·探索家·北京联合出版公司出版的《给忙碌者的天体物理学》（2018年7月，[美] 尼尔·德格拉斯·泰森/著，孙正凡/译）第1章《有史以来最伟大的故事》，略有修订，标题为编者所加。点击阅读原文购买《给忙碌者的天体物理学》）

文章头图及封面图片来源：wikiart

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