光譜：物理定律的通用性#
牛頓的萬有引力定律是歷史上第一個宣稱不僅適用於地球、而且適用於整個宇宙的理論。到 19 世紀物理學家發現每個化學元素的光譜都有自己唯一的特徵——隨便給一堆氣體、拿光一照、看吸收光譜就能準確判斷有什麼元素。
這個工具太厲害了，物理學家馬上分析出太陽的光譜——原來太陽的物質就是地球上也有的普通元素：氫、碳、氧、氮、鈣等等。只有「氦」（He）是地球上當時還沒有的。
這是人類第一次得知：構成太陽的物質不是什麼神秘的東西。
所有地方的物理定律都一樣#
- 太空深處的雙星系統軌道正好能用牛頓力學解釋。
- 看幾十億光年外的星光，光譜跟地球上的完全一樣——早期宇宙的原子物理學跟現在完全一樣。
- 引力常數 G 也從來沒變過。
昨天、今天和明天，東方、南方和北方，這裡、那裡和所有地方，構成這個宇宙的物質和物理定律都是一樣的。
宇宙大爆炸的時間線#
物理學家的觀測和計算結果是——宇宙起源於 137 億年以前的一次「大爆炸」。
我們已知的物理定律只能從宇宙起源 $10^{-43}$ 秒之後開始起作用——這就是「普朗克時間」。之前的狀態需要把廣義相對論和量子力學統一在一起，這工作現在還沒做好。
關鍵時間點#
- $10^{-43}$ 秒：引力脫離出來單獨起作用。宇宙直徑 $10^{-35}$ 米，但溫度無比高。
- $10^{-35}$ 秒：強相互作用和弱電相互作用分開。
- 萬億分之一秒：夸克（quark）和輕子（lepton，例如電子）出現。宇宙像一鍋「夸克輕子粥」。
- 百萬分之一秒：宇宙膨脹到太陽系大小，夸克三個一組形成「重子」（質子和中子）。
- 1 秒：宇宙膨脹到幾光年大，原子核形成——90% 氫原子核、10% 氦原子核。
- 38 萬年：溫度低到電子被原子核捕獲，變成氫原子和氦原子。
- 10 億年：原子在引力下結合成恒星，恒星組成星系——1,000 億個星系、每個有幾千億個恒星。
- 100 億年後：不起眼的位置產生太陽。距離太陽不遠不近的一顆行星——地球。
十億分之一的倖存者#
宇宙剛誕生時正反物質成對產生、成對消失。夸克和反夸克、電子和反電子一相遇就湮滅變成光子；高溫下光子又產生正反粒子。
那為什麼現在的宇宙都是正物質、沒有反物質呢？
出於某種還不完全理解的原因——每 10 億對夸克和反夸克湮滅，會留下一個正夸克作為倖存者。我們今天的世界都是由這樣的倖存者組成的。
如果每個人都是早期宇宙中的一個正夸克——等於說今天活著的全體中國人中只有一個人能倖存。
我們到底有多幸運#
有個說法：每個人都是一億分之一的幸運者——因為一億個精子中只有一個能進入卵子。
但宇宙的起源讓幸運度要嚴重得多：
- 構成你身體、你周圍環境的每一個原子都是這麼幸運。
- 每個原子身上的每一個質子、中子、電子，都是正反物質湮滅中十億分之一的倖存者。
我們能有今天，難道不是奇蹟嗎？
微波背景輻射：大爆炸的禮物#
比「存在」更幸運的是——我們不但存在，還可以回過頭去理解這個宇宙。大爆炸給天體物理學家留下了一個禮物：宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background）。
1948 年：預言輻射存在#
1948 年幾個美國物理學家用三個理論預言了微波背景輻射的存在：
- 1916 年愛因斯坦的廣義相對論。
- 1929 年哈伯發現宇宙正在膨脹。
- 二戰前後曼哈頓計畫的原子物理實驗結果。
他們僅用這三個理論推算出——宇宙微波背景輻射的溫度應該是 5K。
1964 年：真的找到了#
1964 年兩個貝爾實驗室的工程師偶然測量到了宇宙微波背景輻射。現在最精確的結果——這個溫度是 2.72K。
這就好比你坐在房間裡算卦，說某月某日將會有個直徑 50 英尺的飛碟降落在白宮草坪——結果那天真的有個飛碟降落，只不過直徑不是 50 英尺而是 27.2 英尺。飛碟能來就已經是奇蹟了。
宇宙學成了精確科學#
泰森（Neil deGrasse Tyson）說：正因為有了微波背景輻射，天文學才變成真正的科學。現在你有任何理論模型都可以計算一番去跟微波背景輻射信息做比對、驗證不了就只能淘汰。
禪定時刻#
因為微波背景輻射的存在，宇宙中哪怕最空曠的地方也不是完全冷的絕對零度，至少有 2.72K 的溫度。
你知道宇宙中最冷的地方在哪兒嗎？就在作者家附近——從他家開車 25 分鐘是科羅拉多大學物理系。其中有個實驗為研究玻色-愛因斯坦凝聚，製造了比宇宙微波背景輻射還低的溫度。
現代物理學就這麼厲害——但這個厲害的背後是慶幸。
- 如果正反物質湮滅沒有十億分之一的倖存率，上帝創造宇宙說完「要有光」——也就只能有光。
- 如果微波背景輻射在今天測不到、如果物理定律在別處跟我們這裡不一樣、如果元素光譜沒那麼簡潔漂亮的性質——我們就不可能理解這個宇宙。
這個宇宙根本沒有義務讓你理解。所幸宇宙給物理學家提供了「知識服務」。我們今天居然能在這麼大程度上理解這個宇宙，而且還理解得如此精確——你說這生活是多麼美好。