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美妙的世界史:起源的秘密


美妙的世界史:起源的秘密

作  者:[法] 于贝尔·雷弗 等 著

出 版 社:西南大学出版社

出版时间:2022年06月

定  价:50.00

I S B N :9787569714753

所属分类: 人文社科  >  哲学/宗教  >  哲学    

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TOP内容简介

  《美妙的世界史》是一套在法国人气颇高的人文、历史和科学普及读物,从2003年开始出版,至今已延续十几年,中文系列共选取7本。我们来自哪里?我们是什么?我们要到哪里去?曾今,只有宗教与信仰给我们提供解答。而今天,科学提供了另一种答案。《美妙的世界史》以科学的知识、科学进步的视角给大家阐释全新的世界史。本书叙事比较宏大,各要素虽以比较复杂的结构结合在一起:宇宙的物质构造、地球的生命运动和人脑神经元的关系等,但杂而不乱,逻辑严密,生动有趣。  

  这是一部关于世界起源的美妙历史,也是一段长达150亿年的发现之旅:混沌的宇宙,广袤的地球,神秘的物种......为什么会有这样一个世界?我们为什么在这里?我们终究要到哪里去?科学记者和三位严谨又有趣的科学家将带领我们借助探测器、天文望远镜、大型粒子加速器以及遗传学、化学知识,一起探寻宇宙和生命的奥秘。

  掩卷沉思,我们明白了,我们只是生活在浩瀚宇宙中小小银河系“郊野”的一颗普通星球上的一粒粒尘埃,是毫不起眼的火花!我们要仰望广袤无垠的星空!我们更要致敬壮丽辽阔的地球!

 

TOP作者简介

  [法]于贝尔·雷弗(Hubert Reeves),天体物理学家

  [法]若埃尔·德·罗奈(Jo?l de Rosnay),科学博士,科学工业城主任

  [法]伊夫·科庞(Yves Coppens),古生物学家,法兰西工学院教授

  [法]多米尼克·西莫内(Dominique Simonnet),科学记者、作家

TOP目录

01序言

001第一幕 宇宙

003第一场 混沌

025第二场 宇宙在行动

045第三场 地球!

063第二幕 生命

065第一场 原始汤

083第二场 生命在行动

105第三场 物种爆炸

129第三幕 人类

131第一场 非洲摇篮

153第二场 我们祖先在行动

173第三场 人类的征服

191尾声 

TOP书摘

第二场  宇宙在行动

  按照出场顺序,先是无法描述的混乱中的微粒子,然后是微粒子揭合的结果,即最早的原子,也在炽热的天体中心跃跃欧试爆炸性地结合。

  多:复杂性的历史开始了。我们处于一百五十亿年前的过去。当时的宇宙是由什么构成的?

  于:宇宙是基本粒子的均质泥糊。这些粒子是电子(电流中的电子)、光子(光的颗粒)、夸克、中微子以及一系列被称为引力子、胶子等的元素。我们将它们称为“基本”元素,是因为我们无法将它们分解为更小的元素,至少我们认为如此。

  多:这是我们通称的原始“土豆泥”。也就是说,所有这一切都是混合的、无序的、无结构的。

  于:我喜欢把它比喻成我小时候喝的汤,汤里有字母形状的意大利面,我们会用字母面团拼写我们的名字。在宇宙中,这些字母,即基本粒子,将组合成单词,单词将联合成句子,句子之后也将组装成段落、章节、书籍……… 在每个层次上,元素聚合在一起形成更高层次的新结构。每个结构都拥有个体元素不具备的属性,我们这里指的是“新兴属性”。夸克合成质子和中子。后两者将合成原子,原子组成简单的分子,简单分子组成更复杂的分子·.·….这是大自然的字母金字塔。

  多:这一切花了多少时间?

  于:在大爆炸之后的最初十微秒内,宇宙是由夸克和胶子组成的巨大岩浆。在接近第四十微秒,当温度下降到低于10”开氏度(一百万乘以一百万)时,这些夸克聚集在一起生成了第一波核子:质子和中子。

 

  第一秒

  多:好精确啊!我们都不知道宇宙到底有一百亿年还是一百五十亿年,那是怎么知道宇宙的第一秒,甚至第一秒中的微小分解?

  于:无论何时发生,都会有这第一秒。我们必须了解这个词组的确切含义。“第一秒”表示的是宇宙处于一百亿度温度的时期。在第一秒之前,它的温度更高。问题在于如何在我们一百五十亿年的历史上设定这第一秒。大型粒子加速器能够让我们在很短的时间里重建当时能量的超高密度。它们的温度达到1016开氏度,在宇宙场景中仅占一微微秒。不过还要重复一遍,这个定时只有在大爆炸理论中才有意义。这是一个约定俗成的时钟,是一种定位。

  多:可是我们也注意到物理的局限性,面对大爆炸这种事件,它也显得无能为力。

  于:我们有两个很好的理论,非常精确的量子物理学,它说明粒子的表现,只要后者不落入太强的引力中;和爱因斯坦的引力理论,它解释了恒星的运动,却忽略了粒子的定量行为。物理极限是在1032开氏度左右的温度(这是“普朗克温度”)。在此温度下,粒子正好受到非常强大的引力场!我们就不知道如何计算它的属性了…………. 还没有人能解决这个问题。这是我们这五十年来的极限。我们需要一个新的爱因斯坦。

  多:我们暂且先知足于第一秒吧。为什么宇宙没有停留在土豆泥的状态?是什么促使它开始组织的呢?

  于:物理的四个力负责粒子的组装,然后是原子、分子和大型天体结构的组装。强核力焊接原子核;电磁力确保原子的相干性;引力组织大型运动——恒星和银河系的运动;弱核力介入被称为中微子的粒子中。但在早期,热量分解一切,并阻止结构的形成,好比在我们今天的温度下难以结冰一样。所以宇宙必须降温,才能使这些力发起作用并尝试物质的第一波组合。

 

  力量与我们同在

  多:可是这些著名的力来自哪里呢?

  于:这是个宽泛的问题,几乎涉及形而上学了......为什么会有力?为什么它们具有我们所了解的数学形式?现在我们知道,这些力在宇宙中的任何地方都是一模一样的,无论是在这里还是在宇宙的角落,并且自大爆炸以来它们没有丝毫变更。这在变化的宇宙中令人记异···

  多:怎么知道这些力没有改变呢?

  于:我们可以通过几种方式对其进行验证。几年前,采矿工程师在加莲发现了一种成分非常特殊的矿床。一切都表明该矿床受到过强烈的放射辐照。大约十五亿年前,一种自然反应在这座矿山中自发启动。通过比较这些原子核的丰度和我们反应堆的丰度,我们证明了当时的核力具有与今天的核力完全相同的特征。同样,通过比较年轻光子和老化光子的性能,我们可以知道电磁力是否改变。

  多:如何操作呢?

  于:我们可以用分光镜来检测一个遥远星系的铁原子发出的光子。这些是“老”光子,已经旅行了一百二十亿年。

  多:这个说法很难理解。我们真的收到了可以抓住的老粒子吗?

  于:是的。在实验室,我们可以比较它们的特性与带有铁电极的电弧发出的年轻光子的特性。结果是:在这两代粒子的间隔时期, 电磁力没有变化。同样,对弱核丰度的分析表明,从宇宙一百亿度的时期以来,即一百五十亿年前,引力和弱力没有受到任何更改。

  多:如何解释力是如此一成不变的呢?

  于:如同摩西的石碑,在哪些石碑上刻有这些法则?在柏拉图主义珍视的这个思想世界中,这些法则凌驾于宇宙“之上”吗?这些问题并不是新近提出的,我们已经讨论了两千五百年。

  天体物理学的进步把这场哲学辩论重新提到议事日程上来,却无力解答。我们只能说, 与不断变化的宇宙不同,这些物理法则在空间和时间上都不会改变。在大爆炸理论的范畴里,它们主宰了复杂性的发展。而且,这些法则的特性更加令人惊叹。它们的代数形式和数值似乎更是天作之合。

  多:它们是如何“合”的呢?

  于:我们的数学模拟表明,如果它们之间存在微小差异,那么宇宙就永远不会摆脱最初的混乱,任何复杂的结构都不会生成,甚至没有一颗糖分子。

  多:那是什么原因呢?

  于:假设核力稍微强一些,所有的质子就会迅速合成为重核,这样就没有氢可确保太阳的寿命并形成陆地的含水层。核力刚好足够强烈生产了几个重核(碳核、氧核),但为了不完全消耗氢又不能搞得太多。准确的剂量······从某种意义上我们可以说,复杂性、生命和意识从宇宙开启的瞬间就已经非常强大。作为一种可能性,而不是“必要性”,它们已经被载入这些引领世界的物理法则。

 

  月球的教训

  多:这难道不是后脸推理吗?现在我们认识到是这些法则统领进化直到人类诞生。这并不意味着这些法则是因此而产生的。

  于:这个问题很有价值:自然界有“意图”吗?这不是一个科学问题,而是一个哲学和宗教问题。就我个人而言,我倾向于回答“有”。但是这种意图采取什么形式?这种意图是什么?这些才是我最感兴趣的问题。 但我没有答案。我们可以用寓言的方式来说,加上很多引号:如果“大自然”(或者宇宙,或者现实)有“意图”创造有意识的生命,那么它就会完全按照自己已经做过的方式去“做”。当然,这是后验推理,但这不会减损它的意义。

  多:我们了解这些大自然法则的存在有多久了?

  于:经过好几个世纪,这些法则才得以被承认。古希腊哲学家已经在寻找主宰宇宙发展的“首要因素”了。亚里士多德把世界一分为二:“月球下面”的世界(我们的世界)千变万化,木头会腐烂, 金属会生锈;和“月球上面”的空间,那里住着完美无瑕、永恒不变的天体。

  多:唯美世界,尽善尽美。

  于:天体完美的这一概念长期以来一向影响着西方思想。伽利略之前,西方从来没有提到过肉眼可见、古代中国人已知的黑子。“当我看到它时才会相信”,这句话也可以反过来说,“当我相信时才会看到它”。当伽利略用他的望远镜第一次观察月球上的山脉时, 一切都被质疑了。“月亮如同地球,地球是一个天体。没有两个世界,而是完全受相同法则支配的同一个世界。牛顿走得更远:对他而言,是同一种力使苹果坠落、把月亮拽在地球轨道上、把地球拽在太阳轨道上。这就是他用来解释行星运动的“万有”引力。地球上的物理法则适用于整个世界。

  多:但是这里只有一种力………

  于:19世纪的时候,我们早已知道了用琥珀吸引细毛的电力,以及引导罗盘针的磁力。许多物理学家的工作表明,实际上这是被称为电磁力的同一种力,在不同的环境下会有不同表现。 20世纪时,人们发现了两种新力:强核力和弱核力。1970年左右,我们又证明了弱核力和电磁力也只是所谓的“电弱”力的表现。物理学家很想统一所有的力,但目前这还只是一个梦想……

  多:在20世纪,已经找到了两种力。为什么不会有其他力呢?

  于:这是有可能的。物理学家在给各种力编目,如同植物学家编目花卉一样。没有什么迹象可以说明我们已经完成了盘点。十年前,有人提出了第五种力的说法,但它未能经得起实验分析。

 

  最初的几分钟

  多:这四种万能之力是如何在我们的历史之初就开始作用的?

  于:当温度很高时,热搅动会迅速分解所有可能形成的结随着温度的降低,力按照功率顺序发挥作用。首先是核力:当宇宙大约在二十毫秒时,夸克会三个三个地组装成核子(中子和质子)。

  多:为什么三个三个地组装?

  于:这些粒子随机缔合,但某些组合不能成立。若两两耦合,它们的结构就不稳定,飞快瓦解。只有两种三个才能维持下来:两个“上”夸克和一个“下”夸克构成质子,两个“下”夸克和一个“上”夸克组成中子。不久之后,核力会刺激这些新结构进行两个质子和两个中子的组装,从而构成第一个原子核 即氨核子。那时温度下降到一百亿度,宇宙业已存在一分钟了。

  多:第一个原子核的形成居然花了一分钟!

  于:力只能在一定的温度条件下表现出来,有点儿像水结成冰一样。太热不行,太冷也不行。在这最初的几分钟之后,宇宙开始冷却,它再次抑制了核力的活动。那时的宇宙由75%的氢核(质子)和25%的氨核组成。然后的几十万年里则沉烽静柝,索莫乏气。

  多:一分钟的搅动,数十万年的等待!这可是个不稳定的演变啊!

  于:复杂性不是一號而就的。当温度降至三千开氏度以下时,电磁力上场了。它把电子释放到围绕原子核的轨道上,从而创造了第一波氢原子和氨原子。自由电子的消失让宇宙变得透明:光子,这些光的颗粒,就不再受宇宙物质的影响。它们在太空中游荡,能量逐渐降低。老化、退化的光子如今余韵犹存,构成了化石幅射………… 然后演变又进入第二次停顿,这下要等上一亿年。

 

  最初的星系

  多:这次是什么促成的呢?

  于:在引力的作用下,一直以来均匀的物质开始形成团块。自从电子被原子核捕获,大规模的结构就可以毫无障碍地组合了。在此之前,任何物质浓缩的尝试都立马因光子与电子之间的相互作用而抵消。这次,它将成功凝聚成星系··

  多:我们忍不住要再问,为什么呢?

  于:必须承认,我们对这段历史知之甚少。英国的研究人员也称其为“宇宙学的黑暗时代”。COBE卫星的观测结果向我们表明,当时物质还不是完全均匀且恒温的。比平均密度稍高的区域将扮演星系的“胚芽”角色。它们的引力使得周围的物质逐渐朝着它们汇聚,因此它们的体积增加。这种“雪球”效应使它们得以生长,直到形成我们今天在天空中看到的壮观星系。

  多:这个现象是否在所有地方同时发生?那么宇宙中是没有沙漢的啰?

  于:宇宙的等级分成是——星系群、星系、恒星群和单个例如,我们的太阳系属于一个星系,叫银河系,由数干亿颗恒星组成的一个直径为十万光年的圆盘。

  多:宇宙里的一粒尘埃··

  于:我们的银河系属于一个小型本星系群,这个星系群由二十几个其他星系组成(包括仙女座星系和麦哲伦星云),而它本身又隶属于另一个更大的星系团,即室女座超星系团,后者又聚集了数千个星系。这个超级星系团在其中心还有一个巨大的星系,比我们的银河系大一百倍,吸引着其他星系朝它靠拢。我们在说一个食人星系。

  多:真够劲啊!

  于:在超过十亿光年的规模里,宇宙是极其匀称的。星体均匀密布,没有“沙漠”,每个宇宙的区域都如出一。

  多:那个时期的宇宙变了模样。

  于:大爆炸之后大约一亿年时,它不再是早期的均一泥糊了。它具有了我们所知的相貌:一个广漠而稀疏的空间,上面点缀着这些美丽的银河群岛,后者的密度高于太空一百万倍。在银河群岛内, 物质在引力的作用下凝聚并形成恒星。这导致了温度升高,恒星因此逃避了周围的持续冷却。它们自热,释放能量:星星开始闪耀。比我们的太阳大五十倍的大恒星,将在三四百万年内耗尽它们的原子燃料。较小的还将存活数十亿年。

  多:为什么恒星是球状的?

  于:引力有什么作用?它吸引物质。使所有元素彼此最接近的形状是什么?球形!这就是原因。如果它们不太小的话,恒星和行星会成为球状。在半径超过一百千米的天体内部,引力取代了化学力量,使物质具有刚度,并追使它采纳球形:月亮是球形的,木星的卫星也是。不过,火星的卫星太小,引力不足以将其岩体修圆,它们就不呈球形。

  多:但是星系却不是球形,为什么?

  于:因为它们的旋转压平了它们,形成我们所知的圈盘形状。我们的地球本身因为旋转而略微扁平,太阳也是。

 

  为什么星星不会掉下来

  多:为什么这些星星没有被此吸引呢?

  于:牛顿提出过这个问题。他自问,恒星是质量巨大的物体,它们彼此吸引,为什么它们却不会一颗掉落在另一颗上?如果月亮没有坠落在地球上,那是因为它绕着我们旋转:它的运动引起的离心力抵消了引力。地球和太阳也是如此:正是因为我们的行星绕着恒星旋转,阻止了它撞向恒星。那么恒星呢?牛领从未解开这个谜团。

  多:那么答案是什么呢?

  于:在牛顿时代,我们还不知道星系的存在。今天,我们知道太阳系围绕着银河系的中心核旋转。正是这种运动把它维持在轨道上,并阻止它以及其他千亿颗恒星往中心核坠落。

  多:可是,是什么阻止了星系互相撞落呢?据我们所知,宇宙是没有中心的。

  于:当然。这次答案在宇宙的膨胀中,在星系的基本运动中。我们观察到它们彼此远离。这个初始驱动的原因仍然是个思辨的话题。

  多:这种运动还会持续多久?

  于:这个问题没有最终的答案。想象一下,您在自己上方的蓝天中看到一块石子。有两种可能:或许这块石子朝着您坠落,或许这块石子会上升。如果是后面这种情况,又会发生什么?仍然有两种可能性:要么它将很快落向地球,要么它摆脱引力,再也不会落到地面。这完全取决于它被发射的速度。如果速度低于每秒十一千米,它会掉下,否则它就会脱离地球的引力。

  多:所以星系也一样?

  于:它们正在远离我们,然而它们的运动却由于自身施加的引力而减慢。它们的彼此吸引取决于它们的数量和质量,即宇宙物质的密度。如果密度低,星系将无止境地远离(这是“开放宇宙”的版本);如果密度大,星系最终将反转其运动,互相回走(这是“封闭宇宙”的版本)。这是宇宙未来的两种可能性。

  多:我们更倾向于哪个版本呢?

  于:第一个版本。宇宙将继续无限膨胀和冷却。然而这个结果尚未最终确定。但无论如何,我们已经知道宇宙的扩张至少还会持续四百亿年。

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