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(tuán)和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，當(dāng)然還有我們渺小的人類。我們的人類從何而來(lái)？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(wèn)題已經(jīng)隨著天文學(xué)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(yuǎn)鏡指向天空，到全球最大的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST在貴州喀斯特洼坑中落成，從可見(jiàn)光到射電波段、紅外和紫外等，天文學(xué)已經(jīng)邁入了全波段的觀測(cè)時(shí)代。宇宙學(xué)作為天文學(xué)的重要分支，以其精確、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)特點(diǎn)吸引著天文學(xué)家，我們可以形象地稱之為富有詩(shī)意的科學(xué)，并且與宇宙中的生命起源有著直接關(guān)系。為何這樣說(shuō)？讓我們從宇宙大爆炸開(kāi)始說(shuō)起。

▲圖1：不同波段及高度對(duì)應(yīng)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(xué)家哈勃證實(shí)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(shuō)的哈勃定律，即：離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度越大。1932年，比利時(shí)著名的物理學(xué)家勒梅特提出，現(xiàn)在的宇宙是由一個(gè)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(xué)的雛形。基于兩位偉大科學(xué)家的深入研究，1984年，俄裔美國(guó)科學(xué)家伽莫夫等人運(yùn)用原子核和基本粒子物理學(xué)與宇宙膨脹聯(lián)系起來(lái)，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(shí)天文學(xué)家

▲圖4：哈勃定律：橫坐標(biāo)表示距離，縱坐標(biāo)表示退行速度。

宇宙大爆炸的第一個(gè)重要預(yù)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(gè)過(guò)程被我們后人稱之為“宇宙最初的3分鐘”。這三分鐘可以說(shuō)是宇宙中生命的孕育期。

▲圖5：大爆炸宇宙學(xué)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(yù)言早期的宇宙是一個(gè)炙熱的地方，在大爆炸發(fā)生之初，宇宙的溫度或可達(dá)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(xué)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(xué)家稱之為核聚變，即從一個(gè)較輕的原子經(jīng)過(guò)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(dāng)然，這需要非?？量痰臈l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(guò)高溫高壓會(huì)形成氫元素的同位素——氘元素，氘元素再結(jié)合一個(gè)氫原子形成氦元素，以此類推，之后還會(huì)形成氦元素，這一系列由輕元素演變到重元素的過(guò)程我們稱之為大爆炸核合成。

▲圖7：宇宙演化時(shí)間簡(jiǎn)圖

基于這個(gè)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(xué)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(shí)，氖核奪得一個(gè)氦核而形成鎂，在大約15億攝氏度時(shí)氧也開(kāi)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(shí)硅開(kāi)始聚變，并引發(fā)幾百種核反應(yīng)，溫度隨之越來(lái)越高。這是恒星生命的最后階段，這些化學(xué)反應(yīng)的突發(fā)性也越來(lái)越強(qiáng)，越重的元素燃燒的時(shí)間就越短，我們假定一個(gè)25倍太陽(yáng)質(zhì)量的“標(biāo)準(zhǔn)星”，對(duì)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(gè)月，而硅只有 1天。核轉(zhuǎn)變并不能以這種速率無(wú)限制地繼續(xù)下去，最后都會(huì)朝著一個(gè)元素匯集：鐵。

鐵的原子核較特殊，其中的56個(gè)質(zhì)子和中子結(jié)合的非常緊密，沒(méi)有一種聚變能量能使它們分開(kāi)，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(gè)已停止熱核反應(yīng)的核心和仍在接連地燃燒的外層組成的，恒星會(huì)不斷地膨脹其外殼以調(diào)節(jié)平衡，它會(huì)膨脹到一個(gè)巨大的尺度，成為超巨星。二是超新星爆炸，對(duì)于一顆穩(wěn)定的恒星，核心溫度的理論上限為60億K，超過(guò)這個(gè)溫度，會(huì)讓恒星失去穩(wěn)定，最終在一場(chǎng)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(shí)形成的。

▲圖8：宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)

生命來(lái)自哪里

宇宙在誕生之初只包含能量，暴漲結(jié)束后通過(guò)再加熱過(guò)程轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，隨著宇宙漫長(zhǎng)的演化，逐漸形成了我們中學(xué)化學(xué)學(xué)過(guò)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(lái)源于宇宙形成之初。無(wú)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(méi)有鋰、碳等這些相對(duì)重的元素，我們的人類是否還可以生存。當(dāng)然這一切還沒(méi)有發(fā)生在我們現(xiàn)實(shí)的宇宙當(dāng)中，相對(duì)這些更重的元素其實(shí)是必不可少的，這些較重的元素不是來(lái)源于宇宙大爆炸，而是來(lái)源于早期的大質(zhì)量恒星，這些大質(zhì)量的恒星命運(yùn)都是短暫的，它們消耗自身的氫、氦、鋰等元素來(lái)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(cè)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(gè)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(dāng)漫長(zhǎng)的過(guò)程的，那么，是什么“力量”形成這些行星或者恒星的呢？這個(gè)“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(jìn)行“有規(guī)?！钡倪\(yùn)動(dòng)，這些微小的量子擾動(dòng)促進(jìn)了宇宙中的行星、恒星以及生命的誕生。

量子擾動(dòng)是物質(zhì)存在狀態(tài)的一種隨機(jī)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(jí)，隨著宇宙的膨脹，這些微小的量子擾動(dòng)開(kāi)始從物質(zhì)的數(shù)量上有著變化，并且從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。不管是從數(shù)量還是位置的變化都需要宇宙這個(gè)載體，宇宙的變化是一個(gè)大尺度的變化，如果沒(méi)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(huì)充滿冷的薄霧似的顆粒。如果沒(méi)有量子擾動(dòng)，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(zhǎng)的時(shí)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(gè)過(guò)程豈不是需要更久？宇宙的起源來(lái)源于高密度高溫的環(huán)境，而這個(gè)“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(shí)間來(lái)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(wàn)年，它將不會(huì)是我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)的樣子，因此宇宙是由物質(zhì)、能量和時(shí)間的基本規(guī)則來(lái)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(shí)期和合適的地點(diǎn)，銀河系中的太陽(yáng)系的地球上孕育出了人類文明。

那么為什么地球上會(huì)誕生我們的人類？從宇宙學(xué)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(méi)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(méi)有足夠的質(zhì)量形成恒星、行星，生命也就無(wú)法形成。此外，超新星的觀測(cè)和威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）都證實(shí)了暗能量的存在，

暗能量充當(dāng)著一個(gè)反引力的角色，驅(qū)動(dòng)了宇宙的加速膨脹，有了早期的暗能量，宇宙才會(huì)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(guó)古代的美女

一個(gè)國(guó)家不和諧，可能會(huì)改朝換代，被另一個(gè)朝代取代。當(dāng)今美國(guó)大選清晰地表明，美國(guó)社會(huì)民主已經(jīng)極度不和諧，才最終導(dǎo)致今天大選的混亂狀態(tài)。此外中國(guó)古代描寫美女有“增之一分則太長(zhǎng)，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?，F(xiàn)實(shí)中，我們也都在期望和諧，如歐洲法航的超音速飛機(jī)-協(xié)和飛機(jī)(Concorde)，我國(guó)動(dòng)車和高鐵也以和諧號(hào)命名，這些都表明了人類對(duì)和諧美好的向往。英文Cosmos的中文釋義是“和諧, 秩序”。宇宙學(xué)“Cosmology”這個(gè)詞從Cosmos衍生出來(lái) ，隱含著對(duì)宇宙和諧的期望。宇宙學(xué)的理論和觀測(cè)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(zhǎng)的演化，我們的人類可以在宇宙中生存，當(dāng)然離不開(kāi)和諧，如果宇宙不和諧而失去平衡將會(huì)發(fā)生什么情況呢？我們的地球會(huì)發(fā)生地震、海嘯、雪崩等自然災(zāi)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(huì)讓我們的宇宙失去平衡。

我們不知道在我們認(rèn)識(shí)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?，人類可能還會(huì)面臨被滅絕的命運(yùn)，但是我們依舊探索不止。

未來(lái)的上億年，我們賴以生存的太陽(yáng)可能會(huì)燃燒殆盡形成白矮星，會(huì)有很多恒星發(fā)生超新星爆炸等，到時(shí)候的沖擊波可能會(huì)波及人類，影響我們的生命，探尋地外文明或許會(huì)成為人類未來(lái)發(fā)展的重要課題。

參考文獻(xiàn)：

1．www.nature.com/scientificreports《科學(xué)報(bào)告》

出品：科普中國(guó)

制作：北京師范大學(xué)天文系宇宙之美科普?qǐng)F(tuán)隊(duì) 許文 張同杰

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

“科普中國(guó)”是中國(guó)科協(xié)攜同社會(huì)各方利用信息化手段開(kāi)展科學(xué)傳播的科學(xué)權(quán)威品牌。

本文由科普中國(guó)融合創(chuàng)作出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

▼▼▼

近期熱點(diǎn) 

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(xué)：《星際穿越》中的黑洞卡岡都亞

超導(dǎo)的世界沒(méi)有單身汪~

為何長(zhǎng)時(shí)間看同一個(gè)字會(huì)越看越陌生？

給人換副豬內(nèi)臟已不再遙遠(yuǎn)

心靈深處的'殺手'，別被“微笑抑郁”蒙蔽

兩個(gè)人相處久了會(huì)越來(lái)越像嗎？

海平面真的是平的嗎？

在沒(méi)有飛機(jī)和飛船的時(shí)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(hào)從哪來(lái)？沒(méi)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(guó)科普博覽