大爆炸发生的下一秒,宇宙暴胀的速度慢了下来。此时的宇宙已经出现了我们今天熟知的各种物质,包括质子和电子(组成原子的基本成分)以及至少四种基本形式的能量。这时的宇宙仍比太阳中心还要炽热,充斥着“等离子体”,这是一种由能量和带电粒子组成的杂乱的混合。大约38万年后,宇宙开始经历另一个“阶段变化”。此时的宇宙温度继续下降,使得带正电的质子能够捕获带负电的电子,形成最早的原子。原子呈电中性,于是突然之间,物质不再与电磁辐射相互作用。在今天所谓的宇宙背景辐射中,我们仍可以探测到宇宙在这个历史节点上释放的能量。宇宙背景辐射可以对老式电视机产生静电干扰,它的存在是上述故事真实可靠的最有力证据之一。
在这个阶段,物质的存在形式都极其简单。大多数物质都由自由移动的氢原子和氦原子组成。氢原子由一个质子和一个电子组成,而氦原子由两个质子和两个电子组成。在千百万年间,早期宇宙是由这种氢原子和氦原子构成的大片星云组成的。那时的宇宙没有星体,唯一将其点亮的是穿行其中的巨大能量。
随后,这个现代创世故事出现最神奇的转折之一,物质由此开始变得复杂起来。第一个出现的复杂物质是恒星,造就早期恒星的“工程师”当属引力。
早在17世纪,艾萨克·牛顿就已经向我们展示了物体和物体之间存在引力,这解释了为什么我们能牢牢站立在地球上。阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期进一步证明,物质和能量其实是同一实质的不同形式,这解释了为什么能量也会产生引力。就这样,引力逐渐将飘浮在早期宇宙中的大片氢原子和氦原子云拉拢聚合。
思想实验
人类试图了解自己在宇宙中的位置,但不一定能达成共识。参考一下作家马克·吐温的看法,他写道,人类总是把自己视为宇宙的中心——或者至少是整个历史的中心。1903年,在题为《世界是为人类而造的吗?》( Was the World Made for Man? )的文章中,马克·吐温写道,“如果埃菲尔铁塔代表宇宙的历史,那么它顶端的球形构造上,那层薄薄的油漆就代表着我们人类的历史,没有人会认为那层薄薄的油漆是建造埃菲尔铁塔的目的。但我想有人就是这么认为的。”想一想我们该如何回应马克·吐温的这篇文章。我们人类是否应当总是把自己视为宇宙的中心?或者我们可以换个角度思考?人类如何看待自己在宇宙中的位置,这一点重要吗?
万有引力简称引力,可以将物质聚集在一起,所以在恒星和行星的形成过程中起着至关重要的作用。爱因斯坦的广义相对论解释了引力的作用。
接下来,数以亿计的星云出现了,并在引力的作用下收缩。在收缩过程中,它们开始升温。随着温度上升,星云内部的原子运动得越来越快,相互间的碰撞也变得越来越激烈。最终,当星云中心的温度达到10℃左右,氢原子开始聚合,在此过程中,一部分原子转化成纯能量。氢弹爆炸时,其内部氢原子的聚合也是如此。此时,由这些星云内部“超级氢弹”爆炸释放出的能量冲破引力的阻挡,向寒冷、空寂的星际空间倾泻而出。
在宇宙出现的大约2亿年后,第一批恒星诞生了。它们中间的大多数,比如太阳,将持续燃烧几十亿年。
在引力的相互作用下,恒星开始聚合成为“星系”。每个星系都由数以亿计的恒星组成,比如我们所在的星系——银河系。接下来,星系还可以组合成星系团。在极大的尺度上,引力的拉拢力量实在太弱,不足以抵抗宇宙的扩张力。因此,尽管星系在引力的作用下聚合在一起,它们之间的距离还是随着宇宙的膨胀变得越来越远。
恒星能产生新的物质,使宇宙进一步变得复杂。最大的恒星产生最大的压力,通常也产生最高的温度。在恒星中心,聚合反应迅速发生,直至它诞生数百万年后,恒星逐渐耗尽自身的氢元素。此时,恒星的中心坍缩,产生更高的温度,直到氦原子开始聚合,产生更复杂的元素,比如碳。
经历一系列这样的剧烈坍缩,新的元素不断诞生,直至出现原子核中拥有26个质子的铁元素。产生含有更多质子的元素需要更高的温度,没有恒星(无论其体积大小)能达到如此高的温度。当一颗体型巨大的恒星坍缩时,它会在巨大的爆炸中走向消亡,成为一颗“超新星”。正是在此过程中产生了各种重元素,直到最重的元素铀,其原子核中含有92个质子。至此,组成我们世界的化学元素大多在大体积恒星的死亡剧痛中产生了。超新星使得化学反应成为可能,没有它们,人类就不会存在,地球也不会存在。
第一批超新星很可能是在大爆炸发生之后10亿年内消亡的。从那时起,超新星就一直将更复杂的化学元素抛撒到星际空间。尽管氢和氦仍是宇宙中占绝对优势的主导元素,但是其他元素的储量也有了显著的积累和提高。这些元素可以通过各种复杂的方式合成化合物,进而形成更加复杂的物质——包括我们人类本身。
行星是第一批由这些更加复杂的物质组成的天体。在像银河系一样的大星系中,星际空间中遍布这些新型化学元素。因此,当新恒星诞生时,形成它们的物质不仅来自氢、氦组成的星云,还来自碳、氧、氮、金、银、铀等其他元素组成的星云。事实上,化学元素周期表中的所有元素都可以在这些星云中找到。
我们的太阳正是45亿年前,由这些物质组成的星云构成的。这片“太阳星云”(人们这样为其命名)在引力的作用下坍缩,直至氢原子开始在中心发生聚合,形成我们称之为“太阳”的恒星。大部分的太阳星云被太阳本身吞噬了,只有极微量的物质继续在年轻太阳的外部空间沿轨道绕行。
在每一条绕日轨道上,原子相互碰撞、挤压,最终慢慢形成大一点的物质,这有点儿像滚雪球。(事实上,一些彗星就类似巨大的雪球,是行星形成过程中的遗留物。)这些物质相互碰撞、挤压,逐渐形成较大的天体,如陨石或微小行星,我们将其统称为“小行星体”。随后,在每一条绕日轨道上,所有碎片相互碰撞、挤压,逐渐形成各种星体,我们将这些星体称作“星子”(Planetesimols)。太阳的热量将气态物质从星系中心驱散,这解释了为何内圈行星(水星、金星、地球和火星)呈固态,而外圈行星(木星、土星、天王星和海王星)呈气态。
早期地球是一个炎热、危险的地方。它被陨石和小行星轮番撞击,随着体积越来越大,压力使地球中心温度上升,而大量的放射性物质加快了热量积累。很快,早期地球由于温度过高开始熔化,在此过程中发生了我们称之为“重力分异”的现象。比较重的元素,如铁和镍,沉积到地球中心,形成了地核。金属构成的地核能够产生磁场,保护我们免受太阳的一些有害辐射。稍轻的物质组成了熔融态、瓜瓤状的中层,我们称之为“地幔”。更轻的物质则停留在了表层,这些物质迅速冷却,形成了蛋壳一般薄薄的一层,我们称之为“地壳”,地壳仅有几千米厚。而最轻的物质是气体,这些气体从地球表面的火山喷薄而出,形成了早期的大气层。