第1部分 恒星、行星和生命
第1章 天文数字和宇宙尺度
尼尔·德格拉斯·泰森
我们从恒星开始，然后去往星系、宇宙和更远的地方。巴斯光年在《玩具总动员》里怎么说来着？“超越无限！”
这是一个很大的宇宙，我希望向你介绍它的大小和尺度。它要比你想象的还大，它的温度要比你想象的还高，它的密度要比你想象的更高，它要比你想象的更加稀薄。你关于宇宙的一切想象跟宇宙的实际状况比起来还不够奇特。
在开始之前，让我们先一起准备一些工具。我想先带你对一些大大小小的数字进行一次巡礼，这样能够让我们用的词汇轻松一些，让我们对于宇宙里各样东西的大小感觉直观一些。我们从数字1开始。你以前见过这个数字，这个数字里没有零。如果我们把它写成指数形式，就是十的零次方，即100。数字1的后面没有零，这里的零指数就表示这个意思。当然，10可以写成十的一次方，即101。让我们跳到1000，即103。代表1000的词头是什么？就是千，千克即1000克，千米即1000米。让我们再增加3个零，就是百万，即106，它的词头是兆。可能这就是发明扩音器（megaphone）时人们学过的最大的数字了吧。如果他们知道还有10亿，也就是再添上3个零，即109，他们就会称之为“吉音器”（gigaphone）了吧。如果你看一下计算机里文件的大小，你就会对“兆字节”和“吉字节”这两个词非常熟悉。1吉字节就是10亿字节。我不确定你是否知道10亿究竟有多少。让我们环顾世界，看看有什么东西是用10亿来计数的。
首先，世界上如今有70多亿人口。比尔·盖茨？他跟这有什么关系？上一次我查看数据时，他拥有约800亿美元。他是极客守护神，这是极客们第一次控制了世界。人类历史上的大部分时间都不是这样的。时代已经改变了。
你见过1000亿吗？噢，也不是正好1000亿。麦当劳的口号“服务过990多亿人”，这是你在街上能见到的最大数字了。我记得他们开始计数的时候。在我的童年时代，麦当劳骄傲地展示过“服务过80多亿人”。麦当劳的招牌从来没有展示过1000亿，因为他们的汉堡计数器只有12位数。这样一来，计数就停在990亿。然后他们很快换上了一个卡尔·萨根数[1]，所以现在就是“服务亿亿万万人”。
拿1000亿个汉堡包，挨个将其排列起来，从纽约开始往西边排，能够排到芝加哥吗？当然可以。能排到加利福尼亚吗？是的，当然。用某种方法让它们浮起来。下面的计算使用面包的直径（10厘米），因为汉堡本身比面包还要小一点儿。所以，为了便于理解，这里的计算用到了面包。现在你带着1000亿个面包漂洋过海，绕一个大圈，将手中的面包一个接一个地排列起来。这样你就跨过太平洋，经过澳大利亚、非洲，再经过大西洋，最后你回到了纽约。实际上在绕地球一圈后，你还剩下不少面包。你知道还剩下多少吗？你可以沿着上述路线再走……215次！现在你手里仍有剩下的面包。你老是绕着地球转都厌烦了，那么你可以做点别的什么呢？你把它们摞起来吧。你会摞到多高呢？将你环绕地球216次后剩下的面包（每个高5厘米）摞起来，你会到达月球，然后回来。只有这样，你才能用完你的1000亿个面包。这也是为什么牛会害怕麦当劳。作为对比，银河系有大约3000亿颗恒星。所以，麦当劳已经达到了宇宙级别。
当你的年龄是31岁7个月9小时4分钟20秒的时候，你已经迎来你人生的第10亿秒了。当年我到这个年龄的时候，我开了一瓶香槟来庆祝，是一小瓶。你不会经常遇到10亿这个数字。
让我们继续。下一个数字是什么？万亿（trillion），即1012。我们给它个国际单位制词头：太（tera-）。你无法数到1万亿。当然，你可以尝试一下。即使你1秒钟数1个数，也得数上31年的1000倍——31000年，这就是为什么我不推荐你这么做，在家里也不要。1万亿秒之前，克罗马农人正在他们居住的洞穴的岩壁上画画。
在纽约的罗斯地球与太空中心，我们展出了一条螺旋形的宇宙时间线，从大爆炸开始，展开138亿年。如果不卷起来，它相当于一个足球场的长度。你每一步都会跨越5000万年。当你走到这条线的尽头时，你会问：“我们在哪里？我们人类历史的尽头会在哪里？”从1万亿秒之前到今天，从爱好涂鸦艺术的穴居人到现代人，整个人类史仅仅相当于一缕头发的宽度，只是我们占据了时间线的末端。你可能认为我们的寿命很长，认为我们的文明已经持续了很长时间，但从宇宙的角度来看并非如此。
下一个数字是什么？1015。那就是1000万亿（quadrillion），词头为拍（peta-）。它是我最喜爱的数字之一。研究蚂蚁的生物学家E. O. 威尔逊说，在地球上生活的蚂蚁有10拍只。
接下来是什么？1018，100亿亿（quintillion），词头为艾（exa-）。这是10个大型海滩上沙粒的估计数目。全世界最著名的海滩之一是里约热内卢的科帕卡巴纳海滩。它的长度为4.2千米，宽度曾经为55米。后来人们又倾倒了350万立方米沙子，将其拓展到140米。科帕卡巴纳海滩在海平面高度上的沙粒的平均大小为1/3毫米。也就是说，每立方毫米有27粒沙子，所以350万立方米这种沙粒的数目为1017。这是如今那里的绝大多数沙子了。所以，10个科帕卡巴纳海滩就会有大约1018粒沙子。
再乘以1000，我们就得到1021，10万亿亿（sextillion）。我们从千米的“千”到扩音器的“兆”，到麦当劳汉堡的“千亿”，到克罗马农人，到蚂蚁，到沙滩上的沙子，最终到了这里的10万亿亿——这是可观测宇宙中的恒星数量。
在我们的周围，有很多人断言我们在这个宇宙中是孤独的。他们根本没有大数字的概念，没有宇宙大小的概念。后面，我们将会更多地了解我们所说的可观测宇宙，也就是我们所能看到的这部分宇宙。
在这里，请允许我临时跳过这一步，让我们看看比10万亿亿更大的数字，比如1081，怎么样？据我所知，这个数字还没有特殊称呼。
它是可观测宇宙中的原子总数。为什么你需要比它更大的数字呢？你“在地球上”到底在数什么呢？比如说10100，这个数字看起来挺漂亮。它叫1古戈尔（googol）。不要与谷歌（Google）弄混了，这家互联网公司是故意把“googol”拼错的。
在可观测宇宙中没有要计算的对象会用到古戈尔。这只是一个有趣的数字。我们可以写它为10100，如果你没有编辑上角标，将其写成10^100也行。不过，在某些情况下，你仍然会使用这么大的数字——不是数东西，而是计算某些事情可能发生的方式。例如，国际象棋总共有多少种可能的棋局？下面3种状况都会被判定为和棋：（1）同一局面出现了3次；（2）在50回合之内，没有任何一个棋子被吃掉，而且没有任何一方的兵移动过；（3）剩余的棋子数量不足，无法将军。倘若遇到这些状况，两个对弈者之一肯定会利用和棋的规则，那么我们就能计算出可能的棋局的数目。戈特计算了一下，发现答案是小于10^（10^4.4）的一个数字。这个数要比古戈尔大得多，古戈尔是10^（10^2）。如果你不是在数东西，而是在数做某些事情的可能的方法，那么数字就会变得非常大。
我还有个比这更大的数字。如果1古戈尔是1后面跟100个零，那么10的1古戈尔次方如何表示？它也有一个名字：古次幂（googolplex，音译为“古戈尔普勒克斯”）。它是1后面跟着1古戈尔个零。你还能写出这个数字吗？不可能。因为它有1古戈尔个零，而1古戈尔已经比宇宙中的原子总数还要大了。因此，你就只能在这几种写法里选择一个了：10googol、1010^100或10^（10^100）。如果你已经跃跃欲试了，我想你可以尝试写1019个零，也就是在宇宙中的每个原子上写一个零。但你可能有更好的事情要做。
我接下来要讲的内容并不是要浪费你的时间。我有个数字比古次幂还要大。雅各布·贝肯斯坦发明了一个公式，让我们可以估计不同量子态的最大数量，它们的质量和大小可与我们观测到的宇宙相媲美。考虑到我们所观察到的量子模糊现象，这将是在像我们这样的可观测宇宙中的最大数字。它是10^（10^124），这个数字比“古戈尔普勒克斯”还要大得多。从那些大部分是由黑洞构成的可怕宇宙，到那些跟我们所在的宇宙很类似的宇宙，这个10^（10^124）描述了各种类型的宇宙。只是在那些宇宙里，你的鼻孔中少了一个氧分子，而某些外星人的鼻孔中多了一个氧分子。
因此，事实上，我们确实能够给那些极大的数字找到一些用处。我不知道比10^（10^124）更大的数有什么用，但数学家当然知道。
一个定理曾经包含了大到蛮不讲理的数字10^（10^（10^34）），它叫史丘斯数。数学家从远远超越物质现实的思考中获得乐趣。
让我们聊聊宇宙中其他的极端情况。
聊聊密度如何？你从直觉上知道密度是什么，但是让我们来考虑宇宙中的密度。首先，探索我们周围的空气。我们正在呼吸的空气每立方厘米中有2.5×1019个分子——78%是氮气，21%是氧气。
每立方厘米中有2.5×1019个分子这个密度可能比你想象的要高。让我们看看我们最好的实验室真空环境。我们今天已经做得很好了，使密度降低到每立方厘米约100个分子。那么行星际空间是什么样呢？到达地球的太阳风中，每立方厘米包含大约10个质子。在这里谈论密度时，我指的是组成那种气体的分子、原子或自由粒子的数量。恒星之间，也就是星际空间是什么样呢？它的密度起伏不定，这取决于你在哪里闲逛，但是密度降到每立方厘米1个原子的区域并不少见。在星系之间的空间里，这个数字要小得多，每立方米才有1个原子。
我们在如今最好的实验室里都找不到像太空那样的真空环境。有句老话说：“大自然痛恨真空。”说这种话的那些人从来没有离开过地球表面。事实上，大自然简直爱死真空了，因为宇宙的大部分都是真空。当人们说“自然”的时候，他们指的仅仅是我们现在所处的位置，在我们称之为大气层的这条厚厚的毯子的底部，大气在任何时候都会冲进它可以填满的空间。
假设我把一支粉笔朝黑板扔去，然后拿起一块碎屑。我已经把那支粉笔摔成了碎屑。假设一块碎屑的大小为1毫米左右。想象一下，假设那是个质子。你知道最简单的原子是什么吗？氢，你可能已经知道了。它的原子核中包含一个质子，而普通的氢原子中有一个电子占据着环绕原子核的轨道。氢原子有多大？如果粉笔碎屑是质子，原子会像沙滩球一样大吗？不，要更大。它的直径将达到100米，大约相当于30层楼的高度。这是怎么回事呢？因为原子内部非常空。在原子核和那个孤独的电子之间没有粒子，电子在原子的第一个轨道上运动，这是我们从量子力学那里知道的，电子在原子核周围形成球形分布。让我们进入更小更小更小的尺度，以达到宇宙的另一个极限。它代表我们要测量的东西是如此之小，以至于我们甚至不能测量它。我们还不知道电子的直径是多少。它比我们能测量的极限还要小。不过，超弦理论表明，它可能是一个微小的振动弦，小到1.6×10–35米的尺度。
原子的直径约为10–10米（1米的百亿分之一）。10–12米或10–13米是多少呢？已知这样大小的物体包括只有一个电子的铀，以及一种由一个质子和一个叫缪子的电子的重量级表兄组成的奇特氢原子。它的大小大约是普通氢原子的1/200。由于缪子的自发衰变，它的半衰期大约为2.2微秒。只有深入10–14米或10–15米的尺度，你才能测量出原子核的大小。
现在让我们走向另一个方向，上升到越来越高的密度。比如，太阳怎么样？它的密度是不是很大，还是并不大？太阳中心相当稠密（也超级热），但边缘的密度要小得多。太阳的平均密度大约是水的1.4倍。我们知道水的密度是1克/厘米3。太阳中心的密度是160克/厘米3，但是太阳在这方面的表现很普通。很多恒星会有惊人的表现（或者说不正常的表现）。有些恒星膨胀变大，成了大洋葱，密度变得非常低，而另外一些恒星则坍缩得很小很致密。考虑一下我的质子碎屑和包围它的孤独、空旷的空间。宇宙中有一些过程会导致物质坍缩、粉碎，直至达到原子核的密度。在这样的恒星中，每个原子核都与相邻的原子核摩肩接踵。那些具有这些特性的物体恰好大部分是由中子组成的——这是宇宙的超高密度区域。
在我们天文学家的职业中，我们倾向于对我们所看到的东西进行准确命名。我们称又大又红的恒星为红巨星，称又小又白的恒星为白矮星。当恒星由中子组成时，我们称它们为中子星。发出电磁脉冲的恒星称为脉冲星。在生物学中，学者用大写的拉丁语为物种命名。医学博士用这些古老的语言写处方，病人无法理解，而把它们交给药剂师时，药剂师能看懂它们。有一些英文名称包含很多音节的奇特的化学物质是我们每天都要吃下去的。在生物化学中，最流行的分子的英文名称包含10个音节：deoxyribonucleic acid（脱氧核糖核酸）！然而关于宇宙中所有空间、时间、物质和能量的开始，我们可以用两个简单的英文单词“big bang”（大爆炸）来描述。天文学家喜欢用单音节描述研究对象，因为宇宙已经令人难以理解了，进一步用大字眼让人感到困惑是没有意义的。
想要看到更多的例子吗？在宇宙中，有些地方的引力是如此之强，以致连光都出不来。要是你掉进去了，你也不出来，那就是黑洞。我们在这里又一次使用单音节词（black hole），讲完了整个故事。对不起，关于这一切，我实在是不吐不快。
一颗中子星有多么致密？让我们来一点点儿（相当于顶针那么大的一点儿）中子星物质。顶针是什么？很久以前，人们会手工缝制所有的东西，顶针可以保护你的指头不被针刺到。为了达到中子星的密度，你得召集1亿头大象，然后把它们塞进这个顶针里。换句话说，如果你把1亿头大象放在跷跷板的一侧，另一侧有一个用中子星物质制成的顶针，它们就会平衡。中子星就是如此致密的东西。中子星的引力也很大。有多大？让我们去它的表面看看。
衡量某物具有多大引力的一种方法是问举起它需要多少能量。如果引力很大，你就需要很多能量来举起它。我用一定数量的能量爬上一层楼，这个量在我的能量储备范围之内。但是想象一下，在一颗跟地球引力类似的假想的巨型行星上，悬崖高达2万千米。从悬崖底部爬上顶部，你时刻需要对抗我们在地球上爬山时所体验到的重力加速度，现在测算一下你从底部爬到顶部所需的能量。这就需要很多能量。它比你在悬崖底下时所储存的能量还要多。在路上，你需要吃一些能量棒或其他高热量、容易消化的食物。好，以100米/小时的速度快速攀登，每天24小时不停歇地往上爬，你将用22年以上的时间才能达到悬崖顶部。但是，要是在中子星表面上，你爬上一张纸的高度就需要与此相当的能量。看来，中子星上面可能是没有生命的。
我们已经从每立方米1个质子谈到1亿头大象每顶针的密度。我漏掉了什么？温度是什么样？让我们谈谈热。从太阳表面开始吧，那里的温度大约是6000开。你往太阳表面放任何东西，它们都会汽化。这就是为什么太阳表面是气体，因为在那个温度下一切都变成了蒸气。（相比之下，地球表面的平均温度仅为287开。）
太阳中心的温度是什么样呢？正如你可能猜到的，太阳的中心比它的表面更热——”这是有足够的证据来支持的，本书后面会讲到。太阳中心的温度约为1500万开。在1500万开下会发生令人惊奇的事情。质子正在快速移动，事实上它们的速度极快。
两个质子通常相互排斥，因为它们具有相同的（正）电荷。但是如果质子运动得足够快，它们就能克服这种排斥作用。要是你可以让它们靠得足够近，就会有全新的力量加入进来——不是排斥性的静电力，而是在极小的范围内表现出吸引作用的力量。如果你让两个质子靠得足够近，在那个极小的范围内，它们将连接在一起。这种作用力有个名字，我们称之为强核力。是的，这就是它的正式名称。这种强大的核力可以使质子结合在一起，形成新的元素，例如在周期表中氢之后的下一个元素——”氦。恒星正在忙于制造比形成它们的那些元素更重的元素。这一过程发生在恒星核心的深处，我们将在第7章中进一步了解它。
我们去低温方向聊聊。整个宇宙的温度是多少？它确实有温度，是由大爆炸遗留下来的。回到138亿年前，你现在看到的所有空间、时间、物质和能量都挤压在一起。初生的宇宙是一个炽热的、沸腾的装满物质和能量的大熔炉。宇宙膨胀从那时起已经使宇宙冷却到了大约2.7开。
今天宇宙在继续膨胀和冷却。数据显示，我们正在进行单程的时空旅行。宇宙是从大爆炸中诞生的，它将永远膨胀下去。温度将继续下降，最后变为2开，然后变为1开，然后变为0.5开，渐近地接近绝对零度。最终，由斯蒂芬·霍金发现的、戈特将在第24章中讨论的效应出现了，宇宙的温度可能低至约7×10–31开。但这个事实并没有给我们带来任何安慰。恒星将会把它们所有的热核燃料耗尽，它们将会一个一个地死去，从天上消失。星际气体确实可以制造新的恒星，但显然这也会耗尽它们的气体供应。从气体开始制造恒星，恒星在它们的生命周期中不断演化，留下一具具尸体——”恒星演化后死亡的副产品（黑洞、中子星和白矮星）。这一过程一直持续到银河中所有的光源都熄灭，一个接着一个。星系变黑了，宇宙变黑了，只剩下黑洞，它们发出极其微弱的辉光。再次说明一下，这是斯蒂芬·霍金预测的。
宇宙就这样结束了，不是随着一声巨响，而是伴随着一声呜咽。
在这种情况发生之前很久，太阳按大小来说将增大。我向你保证，你不想在这种情况下出现。当太阳死亡时，它的内部会发生复杂的热物理过程，迫使它的外表面膨胀。太阳会变得越来越大，越来越大，它慢慢地在天空中占据你越来越多、越来越多的视野。太阳最终吞没了水星的轨道，然后吞没金星的轨道。50亿年后，地球将是一块被烧焦的余烬，在太阳表面之外环绕着它运动。海洋早已沸腾，水分蒸发到大气中。大气层将被加热到某种程度，所有大气分子都将逃逸到太空中。我们所知道的生命将不复存在，而其他力量在大约76亿年后会导致烧焦的地球螺旋式进入太阳，在那里汽化。
祝你今天愉快！
我试图让你对这本书涉及的数量和大小有所感觉。我刚才谈及的所有内容在后面的章节中都会进行更深刻更详细的讲述。欢迎来到宇宙！