在浩瀚的宇宙中，有深邃的星空、月亮、地球、星系，一直到星系團和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，當然還有我們渺小的人類。我們的人類從何而來？生命是由哪些元素組成？這些元素與宇宙大爆炸的關(guān)系是什么？這一系列的問題已經(jīng)隨著天文學的理論和技術(shù)的發(fā)展迎刃而解。
從1609年伽利略第一次將望遠鏡指向天空，到全球最大的500米口徑球面射電望遠鏡FAST在貴州喀斯特洼坑中落成，從可見光到射電波段、紅外和紫外等，天文學已經(jīng)邁入了全波段的觀測時代。宇宙學作為天文學的重要分支，以其精確、嚴謹?shù)目茖W特點吸引著天文學家，我們可以形象地稱之為富有詩意的科學，并且與宇宙中的生命起源有著直接關(guān)系。為何這樣說？讓我們從宇宙大爆炸開始說起。
▲圖1：不同波段及高度對應的天文儀器
▲圖2： Steven Weinberg 《最初三分鐘》
最初的三分鐘
1929年，著名的天文學家哈勃證實了星系紅移與距離之間有“粗略的線性關(guān)系”，也就是我們所說的哈勃定律，即：離我們越遠的星系，遠離我們的速度越大。1932年，比利時著名的物理學家勒梅特提出，現(xiàn)在的宇宙是由一個極端高熱、高密的原始原子大爆炸產(chǎn)生，他的這一假設(shè)形成了大爆炸宇宙學的雛形。基于兩位偉大科學家的深入研究，1984年，俄裔美國科學家伽莫夫等人運用原子核和基本粒子物理學與宇宙膨脹聯(lián)系起來，建立了大爆炸元素形成理論——宇宙大爆炸理論。
▲圖3：Georges Lema?tre，比利時天文學家
▲圖4：哈勃定律：橫坐標表示距離，縱坐標表示退行速度。
宇宙大爆炸的第一個重要預言是輕元素的合成。在宇宙大爆炸之后短短的幾分鐘內(nèi)，便形成了輕元素H、He和Li，確定了輕元素的種類和數(shù)量，這個過程被我們后人稱之為“宇宙最初的3分鐘”。這三分鐘可以說是宇宙中生命的孕育期。
▲圖5：大爆炸宇宙學的雛形
▲圖6：氫原子聚變成氦原子
恒星世界中重元素的形成
宇宙大爆炸理論預言早期的宇宙是一個炙熱的地方，在大爆炸發(fā)生之初，宇宙的溫度或可達到100億攝氏度，并且其中充斥著中子、質(zhì)子、電子、正電子和反電子。關(guān)于后期重元素的形成，科學家發(fā)現(xiàn)很多重元素的原子核是融合了大量輕元素的，后期的科學家稱之為核聚變，即從一個較輕的原子經(jīng)過聚變形成比它更重的其他的原子。例如，由氫原子聚變形成氦原子。當然，這需要非常苛刻的條件，只有在極高溫度和極大壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，從而引發(fā)碰撞，生成新的質(zhì)量更重的原子核。
同樣的道理，在宇宙大爆炸的最初三分鐘內(nèi)，氫元素作為原子核比較輕的元素，經(jīng)過高溫高壓會形成氫元素的同位素——氘元素，氘元素再結(jié)合一個氫原子形成氦元素，以此類推，之后還會形成氦元素，這一系列由輕元素演變到重元素的過程我們稱之為大爆炸核合成。
▲圖7：宇宙演化時間簡圖
基于這個原理，大質(zhì)量恒星燃燒氦核形成更重的元素，例如碳、氧、硅、硫和鐵，那么比鐵更重的元素是如何形成的呢？科學表明，重元素的形成有兩種方法，一是超巨星外部，在大約10億攝氏度時，氖核奪得一個氦核而形成鎂，在大約15億攝氏度時氧也開始聚變，產(chǎn)生一系列更重的元素，如硫、硅和磷，在大約30億攝氏度時硅開始聚變，并引發(fā)幾百種核反應，溫度隨之越來越高。這是恒星生命的最后階段，這些化學反應的突發(fā)性也越來越強，越重的元素燃燒的時間就越短，我們假定一個25倍太陽質(zhì)量的“標準星”，對于這顆星中的各種元素，碳的燃燒持續(xù)600年，氖是1年，氧是6個月，而硅只有 1天。核轉(zhuǎn)變并不能以這種速率無限制地繼續(xù)下去，最后都會朝著一個元素匯集：鐵。
鐵的原子核較特殊，其中的56個質(zhì)子和中子結(jié)合的非常緊密，沒有一種聚變能量能使它們分開，于是鐵就成了大質(zhì)量恒星核心的最后灰燼。恒星便是由一個已停止熱核反應的核心和仍在接連地燃燒的外層組成的，恒星會不斷地膨脹其外殼以調(diào)節(jié)平衡，它會膨脹到一個巨大的尺度，成為超巨星。二是超新星爆炸，對于一顆穩(wěn)定的恒星，核心溫度的理論上限為60億K，超過這個溫度，會讓恒星失去穩(wěn)定，最終在一場巨大的爆炸中毀滅，而比鐵更重的元素都是在大爆炸后短期內(nèi)高溫高壓時形成的。
▲圖8：宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)
生命來自哪里
宇宙在誕生之初只包含能量，暴漲結(jié)束后通過再加熱過程轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，隨著宇宙漫長的演化，逐漸形成了我們中學化學學過的100多種元素。作為地球上的人類，我們的生命是基于碳水化合物的，我們每天飲用的水，呼吸的氧氣都是來源于宇宙形成之初。無法想象如果我們生存的環(huán)境只有類似于氫元素一類的輕元素，而沒有鋰、碳等這些相對重的元素，我們的人類是否還可以生存。當然這一切還沒有發(fā)生在我們現(xiàn)實的宇宙當中，相對這些更重的元素其實是必不可少的，這些較重的元素不是來源于宇宙大爆炸，而是來源于早期的大質(zhì)量恒星，這些大質(zhì)量的恒星命運都是短暫的，它們消耗自身的氫、氦、鋰等元素來形成新的較重的元素。這些較重的元素再次凝聚形成新的行星和恒星，威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）顯示，
原子包括原子核中的質(zhì)子和中子包含了宇宙中4.4%的質(zhì)量和能量，而所有的生命都是從這4.4%中誕生的。
”
宇宙中第一個恒星的形成是在發(fā)生大爆炸后的2億年后形成的，這足以顯示，較重元素的形成也是需要經(jīng)歷相當漫長的過程的，那么，是什么“力量”形成這些行星或者恒星的呢？這個“力量”是非常微妙的，在宇宙大爆炸之初的幾秒內(nèi)，亞原子正在進行“有規(guī)模”的運動，這些微小的量子擾動促進了宇宙中的行星、恒星以及生命的誕生。
量子擾動是物質(zhì)存在狀態(tài)的一種隨機的自然現(xiàn)象，在這些非常小的亞原子尺度中，這些物質(zhì)的飛逝從10-9秒到1秒數(shù)量級，隨著宇宙的膨脹，這些微小的量子擾動開始從物質(zhì)的數(shù)量上有著變化，并且從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方。不管是從數(shù)量還是位置的變化都需要宇宙這個載體，宇宙的變化是一個大尺度的變化，如果沒有宇宙，那么我們今天看到的行星或者恒星都是不存在的，我們的宇宙將會充滿冷的薄霧似的顆粒。如果沒有量子擾動，我們的宇宙將不能聚集小質(zhì)量物質(zhì)從而形成大質(zhì)量物質(zhì)。
行星的形成都需要如此長的時間，那么我們?nèi)祟愋纬傻淖钤紶顟B(tài)也是由元素組成，這個過程豈不是需要更久？宇宙的起源來源于高密度高溫的環(huán)境，而這個“適宜”的環(huán)境就是我們?nèi)祟惿钠鹪吹谋匾獥l件。
▲圖9：宇宙的膨脹
宇宙與人的和諧之美
早期的宇宙是由大量的粒子充斥其中，想要獲得大規(guī)模的改變是需要時間來顯現(xiàn)的，如果我們的宇宙只持續(xù)了一秒鐘，或一年，或一百萬年，它將不會是我們現(xiàn)在認識的樣子，因此宇宙是由物質(zhì)、能量和時間的基本規(guī)則來控制的，我們?nèi)缃竦陌l(fā)展便是經(jīng)歷的137億年才得以形成的。隨著宇宙的演化，在合適的時期和合適的地點，銀河系中的太陽系的地球上孕育出了人類文明。
那么為什么地球上會誕生我們的人類？從宇宙學的角度如何解釋？宇宙中的質(zhì)量和能量不多不少，恰能支持在宇宙中的生命。如果宇宙中物質(zhì)太多, 在生命還沒有形成之前，宇宙就在引力作用下塌縮回去；如果宇宙中物質(zhì)太少，則沒有足夠的質(zhì)量形成恒星、行星，生命也就無法形成。此外，超新星的觀測和威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）都證實了暗能量的存在，
暗能量充當著一個反引力的角色，驅(qū)動了宇宙的加速膨脹，有了早期的暗能量，宇宙才會膨脹，生命才得以發(fā)展。
”
總之，宇宙目前的狀態(tài)恰到好處，密度不高也不低，即宇宙在和諧地演化著。
▲圖10：中國古代的美女
一個國家不和諧，可能會改朝換代，被另一個朝代取代。當今美國大選清晰地表明，美國社會民主已經(jīng)極度不和諧，才最終導致今天大選的混亂狀態(tài)。此外中國古代描寫美女有“增之一分則太長，減之一分則太短”、“施朱則太紅，著粉則太白”等，即輪廓尺寸搭配合理，讓人看著賞心悅目，其本質(zhì)也是和諧。現(xiàn)實中，我們也都在期望和諧，如歐洲法航的超音速飛機-協(xié)和飛機(Concorde)，我國動車和高鐵也以和諧號命名，這些都表明了人類對和諧美好的向往。英文Cosmos的中文釋義是“和諧, 秩序”。宇宙學“Cosmology”這個詞從Cosmos衍生出來 ，隱含著對宇宙和諧的期望。宇宙學的理論和觀測都表明，我們的宇宙就是在如此和諧地演化著，并且演化出了現(xiàn)在的生命。
結(jié)論
經(jīng)歷如此漫長的演化，我們的人類可以在宇宙中生存，當然離不開和諧，如果宇宙不和諧而失去平衡將會發(fā)生什么情況呢？我們的地球會發(fā)生地震、海嘯、雪崩等自然災害，那么放眼宇宙中，星系的碰撞、超新星的爆發(fā)、甚至于小行星撞擊地球……都會讓我們的宇宙失去平衡。
我們不知道在我們認識到的宇宙之外是否還有更有智慧的生命，但是到目前為止，我們看到的宇宙是有利于我們生命形成的，雖然還有很多難題困擾著我們?nèi)ヌ剿鳎祟惪赡苓€會面臨被滅絕的命運，但是我們依舊探索不止。
未來的上億年，我們賴以生存的太陽可能會燃燒殆盡形成白矮星，會有很多恒星發(fā)生超新星爆炸等，到時候的沖擊波可能會波及人類，影響我們的生命，探尋地外文明或許會成為人類未來發(fā)展的重要課題。
參考文獻：
1．www.nature.com/scientificreports《科學報告》
出品：科普中國
制作：北京師范大學天文系宇宙之美科普團隊 許文 張同杰
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
“科普中國”是中國科協(xié)攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權(quán)威品牌。
本文由科普中國融合創(chuàng)作出品，轉(zhuǎn)載請注明出處。
▼▼▼
近期熱點
褪去毛發(fā)又穿上了衣服，人類這是鬧的哪一出？
科幻與科學：《星際穿越》中的黑洞卡岡都亞
超導的世界沒有單身汪~
為何長時間看同一個字會越看越陌生？
給人換副豬內(nèi)臟已不再遙遠
心靈深處的'殺手'，別被“微笑抑郁”蒙蔽
兩個人相處久了會越來越像嗎？
海平面真的是平的嗎？
在沒有飛機和飛船的時代，人們?nèi)绾紊咸欤?/p>
高溫氣冷堆核電站能否改變污染現(xiàn)狀？
潛艇潛航信號從哪來？沒它可不行
核輻射食品 VS 輻照食品，傻傻分不清！
姚檀棟：一片“冰芯”在高原
中國科普博覽
