第二章
宇宙是如何被点亮的

地球和生命的诞生我们了解了，那么宇宙的诞生呢？如今，我们仰望夜空，繁星点点。哈，对于生活在大多数城市中的人来说，这可能需要加上相当的想象力，因为在城市的夜晚，你实在看不到几颗星星。但你依然知道，壮观的银河就在那里，因为在某些时刻某些地方你曾见过它。银河非常美丽，它是宇宙的一部分。我们都知道，宇宙源于大爆炸，但爆炸之后又发生了什么，你可能不是很清楚。本文要讲的就是宇宙最初的那10亿年岁月。

宇宙是如何被点亮的

为什么金银首饰那么贵？

因为宇宙为了生产它，曾经报废过无数颗巨大的恒星。

星系的产生

要追溯一个事物的产生，毫无疑问要从它产生前开始。为了搞清楚星系的产生，我们干脆从宇宙的诞生开始，这肯定是位于星系诞生之前了。那有人会说为什么不再远点，从宇宙诞生之前开始呢？我们知道宇宙诞生于大爆炸（尽管没有目击者，但各种证据表明这是目前最合理的解释），整个宇宙是从一个密度无限大、能量无限高、体积无限小的点炸出来的，这个点被称为奇点。现有的一切物理定律在奇点处失效，时空在这里终结或说创生。因此，即便在奇点之前还发生过什么事情的话，也不会对奇点之后的事情产生影响，二者之间没有因果关系，奇点使这种联系断掉了。从奇点爆炸的那一刻开始，时间、空间，以及整个宇宙才开始工作。

 

从宇宙爆炸到最初的10-37秒这段时间，被称为宇宙的量子引力纪元。此时的宇宙中还没有物质，只有能量，只有力，这是一个宇宙的所有四种力，引力、电磁力、核子的强力与弱力被合为一体的完美时刻。

紧接着，在10-37秒和10-34秒之间，由于能量从这个不稳定的闷锅中不断地沸溢出来，使宇宙在这个短得不可思议的时间段里经历了一次“暴胀”，也就是以宇宙大爆炸理论中两倍的速度极速膨胀。

随后，这四种力分手的时刻到来了，伴随体积的膨胀、温度的降低，最小的物质单位夸克从能量中析出，汹涌的夸克流从旷世的能量中澎湃而出，瞬间使整个宇宙成为一盆电子夸克汤。又过了稍微长一点的一段时间，在宇宙爆炸后的10-6秒后，夸克们互相寻找着结合成质子、中子。

 

大约在大爆炸发生三分半钟之后，伴随着质子和中子的结合，最初的轻量级原子核出现了，在数千万度如此舒适的温度下，4个氢核激动地拥抱在一起聚变为一个氦核。但膨胀导致的温度下降是如此迅速，以致还没有聚变出多少氦，温度就已经下降到无法再进行核聚变了。但不管怎么说，此时宇宙的温度仍然极高，电子以高能剧烈运动，原子核还无法俘获这些疯狂的电子。在此后漫长的三十万年的冷却和膨胀之中，随着电子能量的降低，运动减慢，原子核才开始把宇宙中这些游荡的电子一一捕获，最初的原子出现了。但这时只有氢、氦这些构造简单的轻量级原子。

喜欢开动脑筋的人们可能会问，为什么没有其他更复杂的原子呢？这个问题就像是问为什么早期的地球上只有单细胞生物一样，你能够想象地球上出现的第一个生命就是一只会吐泡泡的顽皮的海豚吗？创造是最艰苦的工作，即使是对宇宙这样的旷世大师也不例外，任何创造都只能遵循从简单到复杂的循序渐进的过程。

尽管此时整个宇宙都过着只有氢和氦的单调生活，但宇宙善于从无聊中钻探出快乐。尽管充斥整个宇宙的氢气和氦气都在膨胀，但在一些比平均水平稍密集的区域，膨胀会在额外的微小但无法阻止的引力的作用下逐渐慢下来，最终会停止，进而开始缓慢但不可节制地互相靠拢、聚集，一片片直径以光年计的巨大而稠密的云朵在弥漫整个宇宙的云气中渐渐显出身形。与此同时，在这些稠密云朵之外的云气的引力拉力使这些云朵开始非常缓慢地几乎难以察觉地旋转起来。云朵在引力作用下进一步塌缩，它的转速开始缓慢地加快，正如我们看到花样滑冰运动员，在冰上旋转时，缩回手臂时会自转得更快，这就是所谓的角动量守恒。最终，当这些云朵收缩得足够小时，自转产生的离心力平衡了引力，塌缩停止了，一个如我们的银河般气势磅礴的旋涡状星系诞生了。

当然，并不是所有的云朵最终都能形成高雅的旋涡状星系，因为这取决于是否产生了恰到好处的旋转。一些没能转起来的云朵最终会形成一些诸如椭球状的星系，这些星系之所以没有塌缩成一个蛋蛋，是因为星系中存在着局部的围绕星系中心的旋转，但整个星系并没有转起来。

 

在星系宏观逐渐成形的同时，星系内部也在发生着类似的事情。在引力作用下，星系中的一些区域偶尔会聚集起更多的气体，而这种聚集本身又产生更大的引力，从而吸引来更多的气体，一个越来越大的气体球开始渐渐成形，它的半径大约是太阳的一千万倍。与此同时，一亿个类似的气体球也几乎同步在星系中缓慢地凝聚。宇宙在使用时间上是相当奢侈的，当然，这可以理解，毕竟它所创造出的每一件作品都是精品，而且够分量。仅仅为了把分散的气体凝聚成这样一个个的球球就花去了几千万甚至上亿年的时间。不过，在随后的日子里宇宙加快了工程进度。尽管从远处看这些气体球已经很有些球模球样了，但如果走进看，你会发现此时的气体球仍然几乎是透明的。但是，随着气体球外围的物质不断在引力的作用下向气体球的中心坠落，物质在中心处的密度越来越大，而且增大的速度越来越快，处于中心处的气体分子所辐射出的热开始由于受到阻挡而无法再释放到周围宇宙中，从而导致中心区域开始升温。在随后的几十万年里，中心区域的温度逐渐提升到2000度（摄氏温度，下同），此时氢气开始重新分解成氢原子。随着温度的进一步提高，氢原子中的电子怀揣着更多的能量离开原子核独自上路了，这时的气体球中心区域变成了一个如太阳般巨大的等离子体，发出大量的光和热。由于这时的中心区外面还有气体构成的厚厚的外壳，因此，尽管这大球内心如火，但外面依然漆黑一片。随着越来越多的外层物质坠落到中心区并与中心区联成一体，光亮才渐渐从逐渐变薄的外壳里透射出来，气体球开始发出暗淡的光辉。当中心温度升至1000万度时，久违的核聚变回来了，氢聚变成氦，气体球的光芒骤然间猛增亿万倍，一颗恒星被点亮了。

一颗年轻的恒星

也就在差不多的时间里，其余一亿颗恒星也同时点亮了，整个星系被点亮了，不仅仅是一个星系被点亮了，其余1000亿个星系也同时被点亮了，整个宇宙都被点亮了。宇宙，在黑暗中度过了10亿年，从这一刻开始，灯火通明，而且再也没有熄灭过。

我希望我们的太阳就是照亮宇宙的第一批恒星，但有点遗憾的是，我们的太阳可能是第二代、第三代，也可能是更多代之后的恒星，不会是第一代。因为，根据太阳的光谱，我们发现太阳中含有包括铜、铁等重元素在内的90多种元素。而像太阳这种规模的恒星，无论如何，靠其自身是无法生产出这些重元素的。太阳只能通过氢到氦的聚变生产出氦，因此，对太阳中的重元素的唯一解释只能是来自继承先辈恒星们的遗产。更准确地说，是那些质量超过太阳8倍以上的恒星。

 

在恒星界，仅仅几倍的质量差就能对恒星的行为产生巨大的影响。太阳所进行的聚变到氦就结束了，然而，那些质量超过太阳8倍的恒星，却能勇敢地将聚变一往无前地进行下去。在这里，我们需要知道的一点就是，恒星越大，寿命越短，而且是急剧地缩短。质量差1倍，寿命就差250倍。也就是说，比太阳质量大8倍的恒星，其寿命只有几百万年。在这样的大恒星上，氢在几百万年内就消耗完了（都聚变成氦了）。氢燃烧完了以后，恒星内部失去了向外的压力，再一次开始引力塌缩，核心的温度变得更高，达到1亿度以上。这样，就又点燃了第二次核聚变，使三个氦原子聚变成一个碳原子。当氦消耗殆尽后，恒星的引力和斥力又一次失去平衡，开始进一步塌缩，当核心的温度达到8亿度时，碳被点燃，聚变出氧、氖、钠、镁。随着核聚变反应的逐步升级，更重的元素被一一锻造出来。温度达到15亿度时点燃氖，20亿度时点燃氧，30亿度时点燃硅，直到聚合出铁元素。自然界在元素铁处设置了一个极限，铁元素的结构极其稳定，它在聚变时不释放能量，相反会消耗能量。而巨大的恒星又必须靠不断释放的核能来支撑自身。因此，当聚变来到终结者铁的面前时，巨大的恒星将会因核心失去支撑而坍塌。然而，巨大的恒星度过光辉的一生，在生命的尽头却爆发出一生中最耀眼的光芒，它的光度相当于整个银河系的总光度。巨大恒星粉碎性的爆炸，能量的狂飙扫荡天庭，这就是超新星爆发。此刻，它的能量相当于正常恒星的100亿倍。在这个超能量爆发的瞬间，宇宙中所有的元素都被聚变出来了。像金、银这种重元素，就是在超新星的爆炸中产生的。因此，当我们佩戴它们时，要知道它们的确来之不易，宇宙制造高档产品的代价是巨大的，它需要报废一颗至少比太阳大8倍以上的恒星，才能使我们披金戴银。

星系的分布

由于星系是产生于邻近气体的凝聚，因此，就整个宇宙来看，星系的分布是均匀的，大约1000亿个星系均匀地分布在目前这个已经膨胀至半径465亿光年的宇宙中（半径465亿光年，指的是对地球上的观察者而言，基于目前的理论可观测的宇宙半径）。但是，星系的体积差别巨大，我们银河系的直径约为10万光年，算是中等个头。最小的星系直径只有几百光年，比如几年前美国科学家发现的一个距离地球134亿光年的星系。由于宇宙也不过140亿年的历史，因此，这个星系是宇宙形成初期的产物，是个真正的“婴儿星系”，它的体积也是婴儿级的，直径只有500光年。这个小星系处于阿贝尔2218星系的后面，幸好阿贝尔2218星系巨大的质量使时空发生了弯曲，才使得这个小婴儿发出的光线绕过了阿贝尔2218星系得以被我们看到。最大的星系直径可以达到5亿光年，这甚至比一些星系团都大。最大的星系团可以达到10亿光年，星系团是宇宙中最大的构造体，由许多个星系组成。一些距离较近的星系有时会发生相撞事故。尽管从望远镜中看去两个星系撞在了一起，但由于恒星间有巨大的距离，这个距离较之恒星的体积来说大得多，因此，两个各携带1000亿颗恒星的星系的相撞并不会引发大规模的恒星间的大碰撞（当然，碰巧有一两个不走运的恒星撞在一起的情况也是有可能的）。这种星系间的碰撞往往会导致两个星系的融合，两个星系可以通过一次碰撞在不损失任何恒星的情况下融合成一个规模更宏大的星系。

宇宙与我们

在宇宙面前，人类的手段实在是贫乏得令人羞愧。在我们为掌握了核裂变这种巨大的能源而沾沾自喜的时候，宇宙已经在它所有的恒星上使用高级得多的核聚变上百亿年了。为了进行核裂变，我们四处寻找昂贵又稀有的铀，同时，很快又发现产生的放射性核废料无法处理。而恒星却使用宇宙中储量最丰沛的氢来进行核聚变，只产生没有任何放射性的氦。我们已经开始进行可控核聚变的研究，而且我国在这一领域已经走在了世界的前列。2003年建立了世界上第一个全超导托卡马克（Tokamak）HT-7U，并在2012年获得创纪录的超过400秒的两千万度高参数偏滤器等离子体，但距离达到初级工业实用还有相当漫长的路要走。你肯定希望我解释一下什么是托卡马克，以及为什么我们需要它。托卡马克是“有轴性磁场的环形线圈室”的俄文缩写。这是一个由封闭的磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离了的等离子体。我们知道，要进行核聚变，需要1000万度的高温，而地球上的任何物质都不能承受这样的高温。因此，唯一的办法就是用能量来约束能量，用强磁场来悬浮聚变的核能，而托卡马克就是用来构造这样一个强磁场的，根本不接触任何有形的物体，也就不必担心高温了。目前的全超导托卡马克可以维持一刻钟的供电，还无法达到商用的要求。真希望人类的可控核聚变能够早日实现商用，永远摆脱核泄漏的危险，也结束目前对核聚变的唯一应用就是制造氢弹的尴尬。

 

宇宙的最不可思议之处，就是一个纯粹的物质世界却演化出了智能。宇宙在把一切都安排妥当后，才温柔地在一些星球播下生命的种子，好好地看护着，让这些生命得以进化，最终产生了像我们人类这样拥有智慧的生命。而我们又反过头来研究宇宙，我们越研究宇宙就越发现宇宙的美。也许，宇宙创造了我们，就是为了能有人来欣赏它的壮美，欣赏它的杰作。大师也希望有观众。