萬物是如何開始的?


書名 ∣ 萬物視覺化 
收藏大霹靂到小宇宙:人類與物質的科學資訊圖
(The Origin of (almost) Everything)
作者 ∣ Graham Lawton 
出版社 ∣ 大寫出版
出版日期 ∣ 2018年7月 5 日

「我們來自哪裡?一切從何而來?幸運的是,科學可以幫忙解答,這本書將讓你清楚看到這一點。」──史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking)
全球最具影響力國際性科學雜誌《新科學人》策劃撰寫∕Google創意總監、《紐約時報》名插畫家繪圖解說著名物理學家史蒂芬∕霍金專文引言
從宇宙大爆炸到戀愛背後的基因驅動,從生命起源到巧克力的致命吸引力,橫跨物理學、天文學、生物學、化學、歷史學與社會學,52張圖秒懂關於一切的開端,提供最權威、最有趣的解答。
 《新科學人》雜誌主編格雷恩‧羅騰和得獎畫家珍妮佛‧丹尼爾聯手,精選六大主題,將充滿意外與驚奇的萬物起源視覺化,說明宇宙如何形成、什麼是暗物質、人類的進化過程、酒的歷史、財產觀念的成形、人類情感背後的基因驅動與鼻屎的秘密。直擊核心的敘述,隨時顛覆你的常識!

編輯室推薦
從星星、隕石、黑洞的由來到氣候變遷與我們所吸入的每一種氣體,再從動物的睡眠聊到社交圈,這本書最後甚至還討論起政治信念的生物根源。「萬物從何而來?」這充滿哲思與玄奇的一句話,卻引發一連串的知識大爆炸。人們從何時開始埋葬死者、崇拜神祇?輪子的發明,能夠追溯到什麼樣的演化遺跡?現在,就踩著淺顯、趣味的文字與簡單俐落的圖像,來考一場生命的古吧!

宇宙很大,或該說是非常大,只不過,如果我們對於宇宙起源的說法是對的,那麼宇宙曾經很小,甚至可說是非常非常小。的確,宇宙一度是不存在的。大約在138億年前,發生了我們所知道的「大霹靂」(Big Bang),物質、能量、時間及空間從空無中自發創生出來。

那是怎麼發生的?或者換個問法:萬物的起源是什麼?

這是最典型的起源之謎。對於歷史上的大多數人來說,唯一的合理答案就是「神創造的」,有很長一段時間,連科學都避開這個議題。20世紀初,物理學家普遍認為宇宙是無限且永恆存在的,但在1929年,哈伯發現星系就像炸彈爆炸後的碎片般,正在彼此遠離,這項發現首次暗示,宇宙並非大家所想的那樣。

合乎邏輯的結論是,宇宙必定在擴張,因而過去一定更小。天文學家假想宇宙擴張的過程往回倒退,就像倒放電影,結果得出了另一個合乎邏輯、卻非常奇怪的結論:宇宙一定有個起點。

最初的起點
起先,許多科學家並沒有欣然接受宇宙有最初起點的這個想法,所以又提出了不需要起點的其他解釋,其中最有名的,大概就是在1948年提出的穩態宇宙。根據這個假說,宇宙恆久以前就一直存在,而且看起來一直是相同的。天文學家很快就找到一些方法檢驗這個說法,結果發現它不夠好。有些天體,譬如類星體(quasar),只有在離我們很遠的地方才找得到,這代表宇宙並非一直不變。儘管如此,支持穩態理論的人倒是留下了永久的遺產,把他們的用語「大霹靂」留給我們,而他們最初創造這個用詞是出於嘲諷。

致命的一擊在1965年出現,當時科學家無意間發現太空中瀰漫著微弱的輻射。根據他們的解釋,這種宇宙微波背景是一個溫度與密度比今天高出許多的宇宙遺留下來的「餘暉」。

這些觀測結果很快就得到理論的支持。霍金和潘若斯證明,廣義相對論如果是正確的,那麼在某個時刻宇宙一定是有無窮小的體積和無限大的密度──也就是時間起始的那一刻。

大霹靂模型現在是主流科學。宇宙學家認為,他們可以描繪出宇宙從創生後的瞬間一直到當今的演變過程,包括很短暫的飛速擴張時期,稱為暴脹(inflation),以及第一批恆星的誕生過程。然而,實際創生出來的那一刻仍然只是臆測,在那個起點,我們解釋真實世界的理論開始站不住腳,為了有所進展,我們必須研究出如何讓廣義相對論與量子理論達成一致。不過,儘管花了數十年腦力,物理學家仍舊不改初衷。但是我們確實大概知道,該如何回答在大霹靂理論的核心糾纏不去的問題:如何無中生有?

如何從無生有?
這是個非常合理的問題,因為某些基本物理學顯示,宇宙幾乎不可能存在。熱力學第二定律說,無序的狀態(或熵)永遠會隨著時間增加。「熵」(entropy)就是在衡量能有多少種方法,把系統的組成構件重新排列,又不會改變總體外觀。以高溫氣體中的分子為例,這些分子可以有許多排列方法,來產生相同的總體溫度以及壓力,所以這種氣體是高熵的系統。相較之下,生物的分子就不太能重新排列,而又不會把它變成非生物,這就使我們成為低熵的系統。

由同樣的邏輯,空無是熵最高的狀態;你可以對它為所欲為,結果看起來仍然像什麼事也沒發生。

根據這個定律,我們很難理解怎麼可能從無生有,更別說誕生出宇宙了。但熵只是故事的一部分。另外一部分是一種特性,物理學家稱為對稱性──這與我們平常跟形狀聯想在一起的那種對稱性,不完全相同。對物理學家來說,一件東西具有對稱性,是指我們可以對這樣東西做某種運作,而在做完之後它看起來沒變。由這個定義,空無是全然對稱的:你可以對它做任何事,而結果仍然是什麼也沒有。

物理學家已經明白,對稱性就是等著被打破,而當對稱性一打破,就為宇宙帶來深遠的影響。

量子理論事實上在告訴我們,沒有空無這樣的東西。空無的完美對稱性太過完美,無法長久,結果被粒子渾湯打破,這些粒子只是突然出現接著就消失了。

這產生了一個違反直覺的結論:儘管有熵,「有」是比「無」更自然的狀態。在這種意義上,宇宙萬物都只是量子真空的激發(excitation)。

會不會有類似的東西能真正解釋宇宙的起源?很有可能。也許大霹靂只是空無的狀態在做自然而然發生的事:在做一次讓整個宇宙突然形成的量子起伏(quantum fluctuation)。

空間與時間之外
這當然引出了另外的問題:在大霹靂之前有什麼?這個事態持續了多久?不幸的是,我們覺得是常識的一些概念,譬如「以前」,在此刻變得毫無意義。

這還引出了一個更棘手的問題。對於宇宙創生的這份認識,取決於物理定律是否站得住腳,但這等於在暗示,這些定律在宇宙存在前就這麼存在了。

物理定律怎麼有辦法存在於空間與時間之外,而沒有自己的來由?或者換個說法,為什麼會有東西,而不是空空如也?

為什麼星星會發光?
看向夜空時,你其實是看著過去。天空中最亮的天狼星A(Sirius A)發出的星光,需要大約八年半的時間穿越星際空間,才能抵達地球。肉眼能看見的最遙遠恆星天津四(Deneb),距離我們差不多2,600光年遠。說不定這兩顆恆星現在根本都不存在了。

朝更遠方看去,我們看著的是更久遠前的過去。2012年,哈伯太空望遠鏡公布了一張取名為極深空(eXtreme Deep Field)的影像,是在23天內從天空的一小塊區域收集微弱星光,再合成出來的。照片裡妝點著遠方的星系,有的星系距離我們實在遙遠,所發出的星光來自才誕生了五億年的宇宙。

這個影像證實了天文學家長久以來的疑惑:宇宙在各個方面基本上是相同的,以恆星與星系為主,這些恆星和星系與我們的太陽和銀河系並不相似。但如果哈伯望遠鏡可以看到更早的過去,說不定會看見一個截然不同的宇宙。

現在普遍相信,剛開始宇宙是個由物質與能量組成的火球,這顆火球的體積極小,密度極大,溫度極高。這個宇宙裡沒有恆星和星系,接下來的五億年也不會有。

我們所知最古老的星系是EGSY8p7,大約誕生於大霹靂過後六億年。等到宇宙充滿星系後五億年,每個星系裡都有了幾千億顆恆星。到底是怎麼從一個極端走到另一個極端的?

要回答這個問題,必須回溯到很早以前,回到大霹靂剛發生後的3×10–44秒。這是宇宙暴脹的起點,在僅僅幾分之一毫秒的暴脹過程中,宇宙呈指數擴張。

像吹氣球般變大
暴脹過程讓宇宙從一團翻騰的物質與能量,變成平滑、均勻許多的東西,有點像是把皺著的氣球吹大。然而結果並不是完全一致的:到處都有微小的變異,這些都是引起大霹靂的那些量子起伏留下的遺跡。暴脹結束後,宇宙以放慢許多的速度繼續擴張,進一步拉大這些變異。這些就是發展成恆星與星系的種子。

讓我們得知這一切的,是來自宇宙背景輻射的觀測結果,這種輻射是瀰漫整個太空的微波微光,我們通常把它稱為大霹靂的「餘暉」。一開始,宇宙微波背景看起來是處處等溫的:比絕對零度高2.7℃的低溫。但在1992年,美國航太總署(NASA)的宇宙背景探測者(COBE)衛星做了很詳盡的測繪,而且偵測到有些區域的溫度略低於平均溫度,有些區域則略高。
這些差距很微小,只有十萬分之幾,但已經很足夠了。

較冷的地點對應到的區域屬於早期宇宙,所含的物質比較多,主要是氫和氦,因而略高於平均密度。其餘則靠萬有引力(重力)的作用,把這些物質逐漸聚集起來,變成一團團體積和密度越來越大的結構,到最後,體積和密度大到讓核心點燃起核融合反應,恆星就誕生了。

重力也促成了星系以及星系團的形成,星系是許多恆星組成的群體,而星系團又是由多個星系聚集成的集團。星系團的範圍有可能大到超過一億光年。

我們的銀河系就是這樣形成的,而且仍在持續演變。舉例來說,銀河系目前正從附近兩個衛星星系(即大、小麥哲倫雲)吸納物質,同時也從太空中吸入氣體。巨大的銀河系已經比大部分的星系更大更亮,最後將與鄰近的仙女座星系合併,而變得更加壯大。

在星際塵埃密度較高、我們稱為恆星孵育場(stellar nursery)的區域中,也仍有恆星不斷形成。哈伯太空望遠鏡拍攝到壯觀的影像,氣體與塵埃形成的高聳雲柱深處有剛誕生的恆星,周圍環繞著原行星盤(protoplanetary disc),恆星系統最後將會從原行星盤發展成形。銀河系每年總共孕育大約十顆恆星。

恆星誕生的方式雖然大同小異,但各具特色。有的亮,有的暗;有的是藍色,有些則是白色、黃色、橘色或紅色的;有的很大,有的很小。

趁青春年華,盡情燃燒生命恆星之間的差異來自於質量的隨機變化。大約90%的恆星是主序星,主序星都在做同樣的事:把核心的氫核擠壓在一起,形成氦核,也就是進行核融合的過程。恆星的質量越大,核心的溫度越高,氫核就會融合得越快──於是亮度越亮。恆星越亮,顏色就越藍。

恆星的質量也決定了壽命有多長。雖然質量較大的恆星有較多燃料可燃燒,但也燃燒得更快,死亡得更早。那些質量最大的恆星,短短幾百萬年就會把氫消耗殆盡。相較之下,太陽已經燃燒了46億年,而且還會繼續燃燒數十億年。

每顆主序星終有一天會用完核心的氫,那時就會一邊膨脹冷卻,一邊開始燃燒核心外圍的氫,這時就成了一顆巨星或超巨星。

這些巨大的恆星過著短暫卻戲劇性的生活。它們開始融合氦、碳、氖、氧、矽和硫,矽和硫又會融合成鐵。但鐵不會融合成更重的元素,到了這個階段,這顆恆星就注定爆炸成為超新星。爆炸後,殘骸會塌縮成一個體積很小、密度卻很大的球體,這可能是黑洞,也可能是中子星。

較小型的巨星不會爆炸,而是慢慢縮成高溫、高密度的幽靈,稱為白矮星,如果經過的時間夠久,白矮星會完全變暗,成為黑矮星。不過目前還沒有黑矮星,因為宇宙還不夠老。

宇宙到底是由什麼組成的?
宇宙比你原先想的還要複雜,而且是複雜得多。事實上,就宇宙的大部分而言,你我是很奇怪且又微不足道的。組成我們自身和我們在乎的一切事物的普通物質,只占了宇宙的十分之一不到;其餘都是由暗物質與暗能量這些神祕的實體構成的。暗物質與暗能量共同組成了當今最大的宇宙謎團之一。然而,暗物質與暗能量究竟是什麼,誰也不曉得。

這兩種帶來不便的實體當中,第一個硬著頭皮登場的是暗物質。早在1930年代初,荷蘭天文學家歐特(Jan Oort)就注意到銀河中的恆星軌道運動有一些反常現象,唯一的解釋就是去假想大半個太空中充滿了某種黑暗、看不見的物質。

後來,瑞士天文學家茨維奇(Fritz Zwicky)在一個三億兩千萬光年外的星系團中,觀測到類似的反常行為;他發現這些星系彼此繞行的速度,比重力根據星系內恆星的總質量,所推算出的應有速度快了許多。如果不是這些星系含有的物質必定比看得見的物質更多,不然就是牛頓的重力定律錯了。茨維奇選擇前者,把它歸為大片大片看不見的氣體。

團團轉
1970年代,天文學家針對個別星系做了類似的觀測,結果發現這些星系旋轉得非常快,快到應該會把自己扯開。起先他們選擇了茨維奇的解釋(看不見的氣體),但遇到瓶頸。如果這種看不見的物質是由質子、中子及電子組成的普通物質,那麼我們對於恆星和星系形成的理解就是錯的:這些東西應該永遠不會迅速塌縮,形成最初的恆星與星系。

因此他們開始認為有其他的東西,這是一種神祕的物質,不會吸收或發出光或其他的電磁輻射,這正是我們看不見它的原因。但這種物質與重力有交互作用,因此我們看得見它對普通物質的影響。他們把它稱為暗物質。

如今宇宙學家認為,暗物質是宇宙的重要成分,大約占了宇宙的27%。如果少了暗物質提供的額外重力,星系就不會那麼快形成,我們今天看到的星系團及超星系團也不會形成。

暗物質主要集中在星系周圍的球狀暈。事實上,像銀河系這樣的螺旋星系,大部分的質量不在恆星和行星上,而是集中在環繞這些星體的無形物質裡。

幫助弱小
然而令人沮喪的是,我們仍然不知道暗物質是什麼。根據現有最好的理論,暗物質是由一種叫做大質量弱作用粒子的假想粒子組成的,如果這是對的,那麼每秒一定有上兆個這種粒子通過地球。科學家已經做了許多實驗,想偵測到大質量弱作用粒子或在實驗室製造這種粒子,但都沒有成功。

而且,天文觀測越詳細,事情就越詭祕。有時候似乎有太多暗物質,就像環繞著銀河系的矮星系發生的情形。這些星系旋轉得非常快,因此必定充滿了暗物質,但這和我們從星系形成理論了解到的事理恰好相反;星系形成理論告訴我們,星系中的暗物質總量和星系大小應該是大致成比例的。

在其他時候,我們看到的暗物質又太少了。在整個宇宙中,小星系的數量比我們的星系形成理論所預測的少了百分之一到十分之一。此外還有一些星系,儘管環繞在周圍的星團有如受到額外引力似的,但看起來似乎完全不含暗物質。

重力問題
最根本的問題是,我們亟需知道暗物質的組成物。如果暗物質不存在,我們對重力的理解就是錯的。對大多數的天文學家來說,這件事難以想像,他們會繼續把希望寄託在暗物質上,並利用星系移動和旋轉的觀測結果,來確認暗物質的性質。

我們對大約27%的宇宙蒙昧無知,這個說法聽起來已經挺糟的,如果說我們對另外的70%根本什麼也不知道呢?宇宙學家在1998年發現一種奇怪的反重力時,就發覺自己身陷這尷尬的處境,這種反重力現在稱為暗能量。

這件事始於一個要測量宇宙擴張速率的例行實驗,當時大家預期重力會逐漸控制住大霹靂,而使宇宙擴張的速度放慢下來。天文學家當時在找尋超新星,這些爆炸恆星發出的光將確認這些細節。

超新星卻述說了不同的故事。結果發現,遠方的超新星比假設宇宙擴張一直在減速所預測出來的還要遙遠。這個結論讓天文學家大為震驚:宇宙在加速擴張,而非減速。但原因是什麼?

這成了天文物理學上最令人苦惱的問題,而且是我們還回答不出來的問題。大多數的物理學家認為,答案要從一種難以描述的作用力──暗能量中尋找,暗能量藏在空無一物的空間裡,大約占據了宇宙中物質與能量的70%,讓空間以不斷增加的速率膨脹。

這個暗能量究竟是什麼?呃……我們也不曉得。但還是有點概念。它也許是空間結構固有的能量,也可能是一種使空間以變動速率膨脹的奇異能量場,稱為第五元素(quintessence)又或許是改良的重力形式,在某些情況下是斥力而非引力。甚至可能只是一種幻覺。

對正確使用CRISPR達成共識?我們是否能夠防止CRISPR遭到濫用?

在我們能夠掌控生命密碼後,隨之而來的是身為個體和一個物種的責任,這是我們還沒完全準備好的。

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