一部關于宇宙歷史的通俗作品《極簡宇宙史》，近日由上海三聯書店出版社出版。
這本書的作者、法國人克里斯托弗·加爾法德，是劍橋大學理論物理學博士。進入劍橋9個月后，大名鼎鼎的史蒂芬·霍金就邀請他做博士研究生，從事有關黑洞信息悖論、宇宙起源的研究。他還和霍金及其女兒露西·霍金合作出版了一部兒童文學作品——《喬治的宇宙秘密鑰匙》，講述了一個普通少年喬治如何開始對科學感興趣，并成長為科學家的故事。
霍金的《時間簡史》已是全球科學著作的典范，克里斯托弗·加爾法德繼承了導師的這一傳統，用簡單、感性的文字講述宇宙起源、發展等深奧問題。《極簡宇宙史》囊括了迄今為止所有的宇宙學知識，如果你是文科生，《時間簡史》也看得懵懵懂懂，那么這本就是專為文科生特供的。有人把這部《極簡宇宙史》形容為“一本寫給星空的情書”，書里沒有圖標，除了愛因斯坦那個著名的質能方程E=MC2外，沒有其他方程式。全書的開篇是這樣的：“夏夜，你躺在沙灘上，仰望夜空。一顆小小的流星安靜滑過，還來不及許愿，不可思議的事情發生了：你一下子穿越五十億年，走進時光的旅行……”《新發現》雜志評價：“可以說這是一部關于宇宙的公路電影，即在茫茫宇宙中的遨游，在宇宙理論世界中的漫步。這同樣是一場關于如今解釋宇宙兩大理論——愛因斯坦的相對論和量子力學——的旅行，讓我們用想象重新構造宇宙。”
以下是《極簡宇宙史》中有關“太陽”的一章，澎湃新聞獲得授權轉載。
如果人類能夠以某種方式收獲太陽在一秒鐘內輻射出的所有能量，它就足以滿足我們全世界五億年的能量需求。
你已離我們的恒星越來越近，意識到現在的太陽比你在五十億年后看到的小很多，那時的太陽已瀕臨死亡。然而，即便如此，現在的它依然很大。直觀地說，如果把太陽縮小到一只大西瓜那么大，我們的小小地球將會處于四十三米之外，而且你需要放大鏡才能看到它。
你已經飛到了離太陽表面幾千英里的高處。在你身后，地球已成為一個小小的亮點，隱藏于一片星光背景之中。在你前面，太陽占據了一半天空。到處都是等離子體氣泡的噴發。幾十億噸紅熱的物質就在你的眼前爆發，看上去就像被太陽磁場打開的隨機圓環，穿過你幽靈般的身體。即使以最苛刻的標準來看，這也是一種無與倫比的景象，看著這種巨大的能量，你不解是什么讓太陽這么獨特，與地球完全不同。恒星怎么會成為恒星的呢？這些能量從何而來？而這樣一個龐然大物又怎么會有死去的一天？
為了回答這些問題，你飛向最險惡的地方：日核，太陽的心臟，太陽表面之下約五十萬公里的深處。對比一下，地核大約只有六千五百公里深。
你頭朝下躍入這個明亮的火爐，還記得我們所呼吸、看見、觸摸或檢測到的，甚至構成你自己真正身體的所有物質，都由原子構成。原子是建造一切物質的基本構件。你可以把它們看成是你所在環境的樂高積木。與樂高積木不同的是，原子的形狀不是長方體。它們主要呈球形，具有一個緊密的球狀原子核和一些微小的電子在遠處高速旋轉。與樂高相同的是我們可以依據原子的大小將它們分類。它們中最小的一個被稱為氫原子。第二小的被稱為氦原子。這兩種原子加在一起構成了已知宇宙的百分之九十八的物質。的確很多。但與以前比，這個比例現在已經變小了，大概一百三十八億年前，這兩種原子幾乎構成了宇宙中所有的已知物質。今天我們可以看到的除了氫與氦之外的原子還包括氮原子、碳原子、氧原子或銀原子等。它們顯然是后來才出現的。這個過程是什么樣的呢？你要去尋求答案。
隨著你在太陽中越潛越深，溫度變得越來越高，熱得難以想象。當你來到日核時，溫度大概是一千六百萬攝氏度，甚至更高。到處都有足夠多的氫原子，雖然它們都已被周圍的高能量剝光：它們的電子已經被松開，只留下孤獨的原子核。這兒的壓力非常高，原子核們被整個恒星加于自己核心的重量壓迫著幾乎無法動彈。這還不夠，它們還被迫彼此融合，變成一個更大的原子核。這一切就活生生地在你眼前發生：熱核聚變，一個用較小的原子核產生較大的原子核的過程。
原子核們一旦生成，在離開誕生它們的火爐時，這些較重的原子核與那些被剝離氫原子核而獨自作著自由運動的電子們結合到一起，成為新的更重的原子：氮原子、碳原子、氧原子、銀原子……
熱核聚變反應（以小原子創造大原子）能夠發生的一個必要條件是巨大的能量，太陽壓倒一切的自身引力就是這種巨大能量的來源。這個引力將一切物質拉向太陽的核心，以巨大的壓力擠壓它們。熱核聚變反應無法在地球表面（或內部）自然發生。我們的行星體積太小，而且不夠致密，因此自身引力不足以讓其內核達到足以觸發熱核聚變反應的溫度和壓力。在定義上，這就是行星與恒星的主要差別。兩者都是大致呈球形的天體，行星的體積和質量基本上都比較小，有著巖石內核，有時候外面包裹大氣。而恒星可被視為巨大的熱核聚變反應工廠。它們的引力能量大到可以憑借自然的力量在其內核將物質壓縮以產生新的物質。地球上所有的重原子，生命所必需的所有重原子，包括構成你身體的所有重原子，都是在某顆恒星內部被創造出來的。當你呼吸時，你吸入它們，當你觸摸自己的皮膚或者別人的皮膚，所觸到的都是星塵。你早先疑惑為什么像太陽那樣的恒星在壽命將終時會死亡和爆炸，答案就在這里：如果沒有這種結束，構成我們的物質將無法被釋放。地球也無法誕生，生命無法形成，世界中將只有氫原子與氦原子存在，被鎖定在永不死亡的恒星內部。
從另一個角度看，因為構成我們的并不只是氫原子和氦原子，我們的身體、地球和周圍的一切都含有碳原子、氧原子和其他原子，所以我們能夠以此推斷太陽是一顆第二代甚至第三代恒星。第一或第二代恒星已經爆炸過，它們的星塵才變成太陽、地球和我們。那么，是什么原因造成了它們的死亡？為什么那些恒星會以這種慘烈爆炸的方式結束自己閃亮的一生？
核聚變反應有一個神奇的特點，不管反應開始時需要多少能量——整個恒星的重量！——反應一旦開始，就會釋放出更多能量。
這背后的原因看起來讓人難以相信，實際上它就發生在你眼前，除了相信，你別無選擇：當兩顆原子核融合在一起變成一個更大的原子核時，它們的一部分質量消失了。聚合而成的新核比創造它的兩顆舊核的總質量來得輕。這就像你將一公斤香草冰淇淋與另一公斤同樣的冰淇淋混合在一起后，你得到的不是兩公斤冰淇淋，而是少了一些。
在日常生活中，這種現象不會發生。然而，在原子核的世界，這是尋常事兒。對于我們來說幸運的是，這些質量并沒有憑空消失，而是轉化為能量，愛因斯坦著名的質能轉換方程E=MC2給出了這種轉化的兌換率。
在我們的日常生活中，我們對兌換率的概念更多被用于不同貨幣之間，而非質量與能量。所以，要理解E=MC2這個自然界的兌換率是否公平，就要把它想象成在紐約肯尼迪機場將英鎊（最初的質量）換成美元（用質量換來的能量）。兌換率就是C2，C代表光速，C2代表將光速乘以它自己。一英鎊可以換到九億億美元。我覺得這是一個很好的生意。事實上，這大概是自然界里最好的兌換率了。
顯然，在每次核聚變反應中兩個原子核融合后失去的質量非常小。但在太陽內部，許許多多原子同時發生融合，這樣釋放出來的能量就相當巨大。這些能量必須找到一個出口，因此它們往外擴張，以各種可能的方式離開日核。最后，這種核聚變產生向外擴張的能量與引力帶來的向內壓縮的力量平衡，令我們的恒星擁有一個穩定的大小。如果沒有這種能量釋放，只有引力作用，太陽就會塌縮變得很小。
核聚變釋放出巨量的光和粒子，這些光與粒子又將它們周圍的一切都剝離成原子核與電子。這種原子核與電子分離的物質狀態被稱為“等離子體”。
這種光、熱與能量的大規模釋放就是恒星之所以發光的原因。
作為恒星的太陽并不是一個巨大的燃燒火球——火焰燃燒需要氧氣，雖然太陽會創造出一些氧原子以及其他重原子，但外層空間里沒有足夠的游離氧氣來支撐哪怕最小的火。在太空里，你永遠擦不著一根火柴。與天空中所有的恒星一樣，太陽是一大團閃閃發光的等離子體，一個由電子、失去了部分電子的原子（它們被稱為離子）、失去所有電子的原子（僅剩下原子核）所組成的熾熱混合物。
只要太陽核心處還有足夠多的微小原子核可以壓縮融合，太陽的引力與聚變反應能量之間就能維持平衡，我們就能足夠幸運地生活在一個處于這樣狀態的恒星邊上。
事實上，這和運氣也沒什么關系。
如果我們的太陽不處在這樣的狀態，我們也將不復存在。
現在你已知道，太陽不會永遠處于這種狀態：我們恒星的內核有一天會用光它的聚變燃料。當那天到來時，內核不再有足夠的向外輻射來對抗引力。引力將打破平衡并引發我們恒星的最終一系列反應：太陽將塌縮而變得更緊密，直到核聚變再次被點燃，但這次核聚變發生的場所將不再是內核，而是發生在離表面更近的地方。這時再次開始的核聚變將無法與引力平衡，而是超過引力，太陽表面將被推開，令恒星體積變大。你已經在通向未來的旅程中見過這一幕。能量的最后釋放預告著你已見過的恒星死亡的開始，太陽將自己一生所創造的各種原子噴向太空，同時，還創造出更多、更重的原子，如金原子。最后，這些原子與周圍其他死去的恒星殘骸混合在一起，變成星塵，形成巨大的星云，或許，在很遠很遠的未來，又成為新世界產生的種子。
科學家們通過估算太陽內核中氫原子的含量來推測這次爆炸將會發生的時間，計算結果是：太陽的爆炸將發生在五十億年后的某個星期四，前后誤差各三天。（文/林夏）
轉自澎湃新聞：http://www.thepaper.cn/
