生命来自哪里？我们的宇宙如此和谐地演化着
2017/1/11 17:02:46 中国科普博览
在浩瀚的宇宙中，有深邃的星空、月亮、地球、星系，一直到星系团和宇宙大尺度结构，当然还有我们渺小的人类。我们的人类从何而来？生命是由哪些元素组成？这些元素与宇宙大爆炸的关系是什么？这一系列的问题已经随着天文学的理论和技术的发展迎刃而解。
从1609年伽利略第一次将望远镜指向天空，到全球最大的500米口径球面射电望远镜FAST在贵州喀斯特洼坑中落成，从可见光到射电波段、红外和紫外等，天文学已经迈入了全波段的观测时代。宇宙学作为天文学的重要分支，以其精确、严谨的科学特点吸引着天文学家，我们可以形象地称之为富有诗意的科学，并且与宇宙中的生命起源有着直接关系。为何这样说？让我们从宇宙大爆炸开始说起。
▲图1：不同波段及高度对应的天文仪器
▲图2： Steven Weinberg 《最初三分钟》
最初的三分钟
1929年，著名的天文学家哈勃证实了星系红移与距离之间有“粗略的线性关系”，也就是我们所说的哈勃定律，即：离我们越远的星系，远离我们的速度越大。1932年，比利时著名的物理学家勒梅特提出，现在的宇宙是由一个极端高热、高密的原始原子大爆炸产生，他的这一假设形成了大爆炸宇宙学的雏形。基于两位伟大科学家的深入研究，1984年，俄裔美国科学家伽莫夫等人运用原子核和基本粒子物理学与宇宙膨胀联系起来，建立了大爆炸元素形成理论——宇宙大爆炸理论。
▲图3：Georges Lema?tre，比利时天文学家
▲图4：哈勃定律：横坐标表示距离，纵坐标表示退行速度。
宇宙大爆炸的第一个重要预言是轻元素的合成。在宇宙大爆炸之后短短的几分钟内，便形成了轻元素H、He和Li，确定了轻元素的种类和数量，这个过程被我们后人称之为“宇宙最初的3分钟”。这三分钟可以说是宇宙中生命的孕育期。
▲图5：大爆炸宇宙学的雏形
▲图6：氢原子聚变成氦原子
恒星世界中重元素的形成
宇宙大爆炸理论预言早期的宇宙是一个炙热的地方，在大爆炸发生之初，宇宙的温度或可达到100亿摄氏度，并且其中充斥着中子、质子、电子、正电子和反电子。关于后期重元素的形成，科学家发现很多重元素的原子核是融合了大量轻元素的，后期的科学家称之为核聚变，即从一个较轻的原子经过聚变形成比它更重的其他的原子。例如，由氢原子聚变形成氦原子。当然，这需要非常苛刻的条件，只有在极高温度和极大压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，从而引发碰撞，生成新的质量更重的原子核。
同样的道理，在宇宙大爆炸的最初三分钟内，氢元素作为原子核比较轻的元素，经过高温高压会形成氢元素的同位素——氘元素，氘元素再结合一个氢原子形成氦元素，以此类推，之后还会形成氦元素，这一系列由轻元素演变到重元素的过程我们称之为大爆炸核合成。
▲图7：宇宙演化时间简图
基于这个原理，大质量恒星燃烧氦核形成更重的元素，例如碳、氧、硅、硫和铁，那么比铁更重的元素是如何形成的呢？科学表明，重元素的形成有两种方法，一是超巨星外部，在大约10亿摄氏度时，氖核夺得一个氦核而形成镁，在大约15亿摄氏度时氧也开始聚变，产生一系列更重的元素，如硫、硅和磷，在大约30亿摄氏度时硅开始聚变，并引发几百种核反应，温度随之越来越高。这是恒星生命的最后阶段，这些化学反应的突发性也越来越强，越重的元素燃烧的时间就越短，我们假定一个25倍太阳质量的“标准星”，对于这颗星中的各种元素，碳的燃烧持续600年，氖是1年，氧是6个月，而硅只有 1天。核转变并不能以这种速率无限制地继续下去，最后都会朝着一个元素汇集：铁。
铁的原子核较特殊，其中的56个质子和中子结合的非常紧密，没有一种聚变能量能使它们分开，于是铁就成了大质量恒星核心的最后灰烬。恒星便是由一个已停止热核反应的核心和仍在接连地燃烧的外层组成的，恒星会不断地膨胀其外壳以调节平衡，它会膨胀到一个巨大的尺度，成为超巨星。二是超新星爆炸，对于一颗稳定的恒星，核心温度的理论上限为60亿K，超过这个温度，会让恒星失去稳定，最终在一场巨大的爆炸中毁灭，而比铁更重的元素都是在大爆炸后短期内高温高压时形成的。
▲图8：宇宙的大尺度结构
生命来自哪里
宇宙在诞生之初只包含能量，暴涨结束后通过再加热过程转化为物质，随着宇宙漫长的演化，逐渐形成了我们中学化学学过的100多种元素。作为地球上的人类，我们的生命是基于碳水化合物的，我们每天饮用的水，呼吸的氧气都是来源于宇宙形成之初。无法想象如果我们生存的环境只有类似于氢元素一类的轻元素，而没有锂、碳等这些相对重的元素，我们的人类是否还可以生存。当然这一切还没有发生在我们现实的宇宙当中，相对这些更重的元素其实是必不可少的，这些较重的元素不是来源于宇宙大爆炸，而是来源于早期的大质量恒星，这些大质量的恒星命运都是短暂的，它们消耗自身的氢、氦、锂等元素来形成新的较重的元素。这些较重的元素再次凝聚形成新的行星和恒星，威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)显示，
原子包括原子核中的质子和中子包含了宇宙中4.4%的质量和能量，而所有的生命都是从这4.4%中诞生的。
”
宇宙中第一个恒星的形成是在发生大爆炸后的2亿年后形成的，这足以显示，较重元素的形成也是需要经历相当漫长的过程的，那么，是什么“力量”形成这些行星或者恒星的呢？这个“力量”是非常微妙的，在宇宙大爆炸之初的几秒内，亚原子正在进行“有规模”的运动，这些微小的量子扰动促进了宇宙中的行星、恒星以及生命的诞生。
量子扰动是物质存在状态的一种随机的自然现象，在这些非常小的亚原子尺度中，这些物质的飞逝从10-9秒到1秒数量级，随着宇宙的膨胀，这些微小的量子扰动开始从物质的数量上有着变化，并且从一个地方转移到另一个地方。不管是从数量还是位置的变化都需要宇宙这个载体，宇宙的变化是一个大尺度的变化，如果没有宇宙，那么我们今天看到的行星或者恒星都是不存在的，我们的宇宙将会充满冷的薄雾似的颗粒。如果没有量子扰动，我们的宇宙将不能聚集小质量物质从而形成大质量物质。
行星的形成都需要如此长的时间，那么我们人类形成的最原始状态也是由元素组成，这个过程岂不是需要更久？宇宙的起源来源于高密度高温的环境，而这个“适宜”的环境就是我们人类生命的起源的必要条件。
▲图9：宇宙的膨胀
宇宙与人的和谐之美
早期的宇宙是由大量的粒子充斥其中，想要获得大规模的改变是需要时间来显现的，如果我们的宇宙只持续了一秒钟，或一年，或一百万年，它将不会是我们现在认识的样子，因此宇宙是由物质、能量和时间的基本规则来控制的，我们如今的发展便是经历的137亿年才得以形成的。随着宇宙的演化，在合适的时期和合适的地点，银河系中的太阳系的地球上孕育出了人类文明。
那么为什么地球上会诞生我们的人类？从宇宙学的角度如何解释？宇宙中的质量和能量不多不少，恰能支持在宇宙中的生命。如果宇宙中物质太多, 在生命还没有形成之前，宇宙就在引力作用下塌缩回去；如果宇宙中物质太少，则没有足够的质量形成恒星、行星，生命也就无法形成。此外，超新星的观测和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)都证实了暗能量的存在，
暗能量充当着一个反引力的角色，驱动了宇宙的加速膨胀，有了早期的暗能量，宇宙才会膨胀，生命才得以发展。
”
总之，宇宙目前的状态恰到好处，密度不高也不低，即宇宙在和谐地演化着。
▲图10：中国古代的美女
一个国家不和谐，可能会改朝换代，被另一个朝代取代。当今美国大选清晰地表明，美国社会民主已经极度不和谐，才最终导致今天大选的混乱状态。此外中国古代描写美女有“增之一分则太长，减之一分则太短”、“施朱则太红，着粉则太白”等，即轮廓尺寸搭配合理，让人看着赏心悦目，其本质也是和谐。现实中，我们也都在期望和谐，如欧洲法航的超音速飞机-协和飞机(Concorde)，我国动车和高铁也以和谐号命名，这些都表明了人类对和谐美好的向往。英文Cosmos的中文释义是“和谐, 秩序”。宇宙学“Cosmology”这个词从Cosmos衍生出来 ，隐含着对宇宙和谐的期望。宇宙学的理论和观测都表明，我们的宇宙就是在如此和谐地演化着，并且演化出了现在的生命。
结论
经历如此漫长的演化，我们的人类可以在宇宙中生存，当然离不开和谐，如果宇宙不和谐而失去平衡将会发生什么情况呢？我们的地球会发生地震、海啸、雪崩等自然灾害，那么放眼宇宙中，星系的碰撞、超新星的爆发、甚至于小行星撞击地球……都会让我们的宇宙失去平衡。
我们不知道在我们认识到的宇宙之外是否还有更有智慧的生命，但是到目前为止，我们看到的宇宙是有利于我们生命形成的，虽然还有很多难题困扰着我们去探索，人类可能还会面临被灭绝的命运，但是我们依旧探索不止。
未来的上亿年，我们赖以生存的太阳可能会燃烧殆尽形成白矮星，会有很多恒星发生超新星爆炸等，到时候的冲击波可能会波及人类，影响我们的生命，探寻地外文明或许会成为人类未来发展的重要课题。
参考文献：
1.www.nature.com/scientificreports《科学报告》
出品：科普中国
制作：北京师范大学天文系宇宙之美科普团队 许文 张同杰
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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