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智能

眼睛是如何演化出來(lái)的，以及關(guān)于存在的 52 個(gè)問(wèn)題，都在這

作者簡(jiǎn)介：

《新科學(xué)家》（著(zhù)）創(chuàng )建于 1956 年，是一家國際性科學(xué)周刊，在科學(xué)出版界具有世界性的聲望，在全世界有超過(guò) 500 萬(wàn)讀者。

格雷厄姆·勞頓（文），《新科學(xué)家》雜志執行主編，畢業(yè)于英國帝國理工學(xué)院，獲得生物化學(xué)學(xué)士學(xué)位和科學(xué)傳播碩士學(xué)位，在科學(xué)寫(xiě)作方面獲得過(guò)許多獎項。

珍妮弗·丹尼爾（繪），《紐約時(shí)報》著(zhù)名插畫(huà)設計師， Google 創(chuàng )意總監。 

書(shū)籍摘錄：

導言 我們從哪里來(lái)？

斯蒂芬·霍金

我們?yōu)槭裁磿?huì )在這里？我們是從哪里來(lái)的？根據中非博松戈人的說(shuō)法，起初只有黑暗、水和大神本巴。一天，本巴胃痛發(fā)作，吐出了太陽(yáng)。太陽(yáng)燒干了一些水，露出了土地。仍感不適的本巴又吐出了月亮和星辰，然后是豹、鱷魚(yú)、烏龜，最后吐出了人。

和其他很多創(chuàng )世神話(huà)一樣，這個(gè)神話(huà)要努力解決的各種問(wèn)題我們今天仍在追問(wèn)。幸運的是，我們現在有了科學(xué)這個(gè)工具來(lái)提供答案，這一點(diǎn)我們很快就會(huì )看清楚。

關(guān)于這些存在的奧秘，第一項科學(xué)證據是在 20 世紀 20 年代被發(fā)現的，當時(shí)埃德溫·哈勃開(kāi)始用加利福尼亞威爾遜山上的一架望遠鏡進(jìn)行觀(guān)測。哈勃驚訝地發(fā)現，幾乎所有星系都在離我們而去。不僅如此，越是遙遠的星系，遠離我們的速度就越快。宇宙的膨脹是古往今來(lái)最重要的發(fā)現之一。

這一發(fā)現改變了關(guān)于宇宙是否有開(kāi)端的爭論。如果諸星系此時(shí)正在彼此遠離，那它們在過(guò)去必定離得更近。如果其速度保持恒定，那么數十億年前，它們應該是擠在一起的。這就是宇宙的起源嗎？

當時(shí)，許多科學(xué)家都不滿(mǎn)意宇宙有開(kāi)端的說(shuō)法，因為這似乎意味著(zhù)物理學(xué)已經(jīng)崩潰。我們不得不援引一個(gè)外在的動(dòng)因——為方便起見(jiàn)，可以稱(chēng)之為上帝——來(lái)決定宇宙如何開(kāi)始。于是，他們提出了一種理論：雖然宇宙目前正在膨脹，但它并沒(méi)有一個(gè)開(kāi)端。

也許最著(zhù)名的理論是在 1948 年被提出的。它叫作穩恒態(tài)理論，暗示宇宙過(guò)去一直存在，而且無(wú)論什么時(shí)候看上去都一樣。最后這個(gè)特性是一項可以檢驗的預言，可檢驗性是科學(xué)方法的一個(gè)關(guān)鍵要素。但事實(shí)表明，它并不成立。

1965 年 10 月，人們發(fā)現整個(gè)空間中有一個(gè)微弱的微波背景，這是最早的觀(guān)測證據，表明宇宙有一個(gè)非常致密的開(kāi)端。唯一合理的解釋就是，這個(gè)“宇宙微波背景”是一種熾熱而致密的早期狀態(tài)所遺留的輻射。隨著(zhù)宇宙不斷膨脹，輻射冷卻下來(lái)，直至成為我們今天看到的殘余。

很快就有理論支持這個(gè)想法。我和牛津大學(xué)的羅杰·彭羅斯認為，如果愛(ài)因斯坦的廣義相對論是正確的，那么必定存在一個(gè)奇點(diǎn)，在那個(gè)點(diǎn)上，宇宙無(wú)限致密，時(shí)空曲率為無(wú)限大——時(shí)間本身正是從這里開(kāi)始的。

宇宙從大爆炸開(kāi)始，然后快速膨脹。這被稱(chēng)為“暴漲”，過(guò)程極為迅速：經(jīng)過(guò) 1 秒鐘的極小一部分，宇宙的尺寸就增加了很多很多倍。

暴漲使宇宙變得廣袤而平滑。但它并不是完全平滑的，不同位置之間有微小的差異。這些差異最終導致了星系、恒星和太陽(yáng)系的產(chǎn)生。

我們的存在便緣于這些差異。如果早期宇宙是完全平滑的，就不會(huì )有星星，也不會(huì )發(fā)展出生命。我們是原始量子漲落的產(chǎn)物。

我們將會(huì )看到，仍然存在許多巨大的謎團。不過(guò)，我們正在逐步接近以下古老問(wèn)題的答案：我們從哪里來(lái)？我們是宇宙中唯一會(huì )問(wèn)出這些問(wèn)題的生命嗎？

第一章 宇宙（節選）

宇宙是由什么構成的？

宇宙不只包含我們眼睛看得到的東西，而是比這多得多。事實(shí)上，就宇宙的絕大部分而言，人是種怪異的存在，微不足道。構成你以及你所關(guān)心的一切事物的普通材料只占宇宙不到 10% 的內容；宇宙的其余部分則是由被稱(chēng)為暗物質(zhì)和暗能量的神秘物質(zhì)構成的，這是我們這個(gè)時(shí)代最偉大的宇宙奧秘之一。至于它們到底是什么，誰(shuí)也說(shuō)不準。

這些讓人不舒服的東西中首先被注意到的是暗物質(zhì)。早在 20 世紀 30 年代，荷蘭天文學(xué)家揚·奧爾特就發(fā)現銀河系的一些恒星的運行有些反常。要解釋這種情形只有設想有些不可見(jiàn)的黑暗物質(zhì)占據了很大一部分空間。

瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基后來(lái)觀(guān)察到，距地球 3.2 億光年的一個(gè)星系團中存在類(lèi)似的反常情形。他發(fā)現各個(gè)星系彼此圍著(zhù)旋轉的速度要比引力基于星系中恒星的聯(lián)合質(zhì)量所推論的速度大得多。這表明，要么星系包含著(zhù)遠多于可見(jiàn)之物的物質(zhì)，要么牛頓的引力定律是錯誤的。茲威基選擇了前者，并認為這多出來(lái)的物質(zhì)是大量看不見(jiàn)的氣體。

• 不知如何是好
  

20 世紀 70 年代，天文學(xué)家們對幾個(gè)星系做了一次類(lèi)似的觀(guān)測，結果發(fā)現，這些星系旋轉得如此之快，以至于應該分崩離析。他們最初選擇了茲威基關(guān)于看不見(jiàn)的氣體的解釋?zhuān)龅搅寺闊?。如果看不?jiàn)的東西是由質(zhì)子、中子和電子組成的正常物質(zhì)，那我們關(guān)于恒星和星系如何形成的理解就必定是錯誤的：它們永遠不會(huì )足夠快地瓦解，以形成最初的恒星和星系。

因此，他們開(kāi)始認為有其他東西存在，這種神秘的物質(zhì)不吸收或發(fā)射光和其他電磁輻射，這就是我們看不到它的原因。但它與引力相互作用，因此我們可以看到它對普通物質(zhì)的影響。他們稱(chēng)它為暗物質(zhì)。

宇宙學(xué)家們現在認為，暗物質(zhì)是宇宙的一種重要成分，構成了大約 27% 的宇宙。如果沒(méi)有暗物質(zhì)提供的額外引力，星系就不會(huì )足夠快地形成，進(jìn)而形成我們今天觀(guān)測到的星系團和超星系團。

暗物質(zhì)主要集中在星系周?chē)那蛐螘炤喼?。事?shí)上，像我們銀河系這樣的螺旋星系，大部分質(zhì)量并不包含在恒星和行星中，而是包含在它們周?chē)床灰?jiàn)的物質(zhì)中。

• 弱相互作用重粒子
  

但令人沮喪的是，我們仍然不知道暗物質(zhì)是什么。根據我們最好的理論，它是由弱相互作用重粒子這種假想的粒子構成的。如果這種說(shuō)法正確，那么每秒鐘必定有數萬(wàn)億個(gè)這樣的粒子穿過(guò)地球。許多實(shí)驗都試圖探測弱相互作用重粒子，或者在實(shí)驗室生產(chǎn)它們，但沒(méi)有一個(gè)獲得成功。

而且天文觀(guān)測越詳細，物體就變得越暗。有的時(shí)候，暗物質(zhì)似乎太多，比如繞銀河系運行的矮星系。它們旋轉得如此之快，必定充滿(mǎn)了暗物質(zhì)。但這與我們的星系形成理論告訴我們的正相反，后者說(shuō)，星系中暗物質(zhì)的量應當與星系的大小大致成正比。

在其他時(shí)候，我們看到的暗物質(zhì)又太少。整個(gè)宇宙中小星系的數量大約是我們星系形成理論預測結果的十分之一到百分之一。還有一些星系似乎不包含任何暗物質(zhì)，盡管環(huán)繞它們的星團似乎承受著(zhù)額外的引力。

• 引力問(wèn)題
  

底線(xiàn)是，我們迫切需要知道暗物質(zhì)是由什么構成的。如果它不存在，那么我們對引力的理解就是錯誤的。對于大多數天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這都是不可想象的，他們繼續把希望寄托在暗物質(zhì)上，并通過(guò)觀(guān)測星系的移動(dòng)和旋轉路徑來(lái)推測它的性質(zhì)。

如果說(shuō)我們對約占宇宙 27% 的東西近乎一無(wú)所知聽(tīng)起來(lái)不能令人滿(mǎn)意，那么，聽(tīng)到我們對另外 70% 的東西絕對一無(wú)所知又該作何反應？這正是宇宙學(xué)家們在 1998 年面對的艱難處境，那一年，一種古怪的反引力被發(fā)現，人們現在叫它“暗能量”。

這個(gè)發(fā)現始于一個(gè)測量宇宙膨脹率的常規實(shí)驗，隨著(zhù)引力逐步對大爆炸產(chǎn)生遏制，宇宙的膨脹預計將會(huì )放緩。天文學(xué)家們正在尋找超新星，即正在爆發(fā)的恒星，它們發(fā)出的光將會(huì )確證這些細節。

超新星有一個(gè)不同的故事。事實(shí)證明，那些遙遠的超新星距離我們比天文學(xué)家們根據宇宙膨脹放緩這個(gè)假設所預期的要遠得多。天文學(xué)家們被一個(gè)不可避免的結論驚呆了：宇宙的膨脹沒(méi)有放緩，而是在加速。但為什么會(huì )這樣？

這已成為天體物理學(xué)中最令人頭疼的問(wèn)題，我們對這個(gè)問(wèn)題的研究并沒(méi)有什么進(jìn)展。大多數物理學(xué)家都認為，解決方案在于設想一種難以捉摸的力——暗能量。它潛伏在空間的空虛地帶，約占宇宙中物質(zhì)和能量的 70%，導致宇宙以不斷增長(cháng)的速度膨脹。

這種暗能量究竟是什么？呃……我們不知道，但并不缺乏想法：它可能是空間自身的結構所固有的一種能量，也可能是一種被稱(chēng)為“第五元素”的以變化的速度擴張的奇異的場(chǎng)，還可能是一種不同形式的引力，在某些情況下排斥他者而不是吸引，甚至可能是一種幻覺(jué)。

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愛(ài)因斯坦的非凡錯誤

現代的暗能量概念被提出還不到 20 年，但阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在 1917 年發(fā)明了一個(gè)非常相似的東西，作為其廣義相對論的一個(gè)附加項。他意識到，引力會(huì )導致宇宙向內坍縮，于是他補充了一個(gè)修正因子——宇宙學(xué)常數，這是空虛空間所固有的一種神秘的反引力力量。

后來(lái)他改變了主意，稱(chēng)這是他一生中“最大的錯誤”。我們現在知道，他是超前于時(shí)代的。

題圖來(lái)自：維基百科