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地球生命简史-电子书下载

人文社科 4周前 (07-14) 54次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

人类的存在要归功于6亿年前一颗“不错彗星”对金星的影响,但这也只是为什么地球如此特殊的天文和物理原因之一。约翰·格里宾把影响地球并产生智慧文明的整个宇宙事件联系起来,他认为,这种文明在银河系中是专享的。即使其他星球是常见的,生命本身也可能是常见的,也只能在地球上出现智能、技术文明。如果人类在目前的环境危机中能够生存下来,那整个银河系可能会成为我们的家园。如果不能,人类的灭亡可能是一个具有普遍意义的事件。

作者介绍

[英]约翰·格里宾(John Gribbin) 剑桥大学天文物理学博士,畅销书作家,被英国科学作家协会授予“终身成就奖”。 畅销作品:《寻找薛定谔的猫》《深奥的简洁》等,其中,《寻找薛定谔的猫》被认为是《时间简史》之前优选的一部有关量子物理学的著作。

部分摘录:
见识一下万亿分之一 宇宙很大。我们所在的空间像一个不断膨胀的泡泡,从一个非常热、密度非常大的状态——137亿年前的大爆炸之中诞生。而这个泡泡只有137亿年的历史,因此我们能观测到的极限距离——无论朝哪个方向——理论上最多也只是光用137亿年前进的距离。自然,这段距离就是137亿光年,因为光年就是光用一年时间前进的距离。
1光年约为9.5×1015米。因此可观测的宇宙就是一个以地球为中心的泡泡,直径为27.4亿光年(1)——每年还会增加2光年。
但这并不意味着我们处在宇宙的中心,就像看不见陆地的水手也不会在大海的中心一样;水手只是处在自己视野的中心。大海上其他地方的水手也都处在自己那个“可观测世界”的中心,周围就是自己的视野。
宇宙的范围自然远不止我们能观测到的范围,就像大海也远不止目力所及的范围,而宇宙(和大海不同)很可能还是无限的。但可观测的宇宙之外有什么,我不打算在本书中讨论。
在可观测宇宙这个泡泡之中,跟太阳类似的明亮恒星会聚集成一个个“岛屿”,也就是星系。根据哈勃望远镜等设备的观测结果,可观测宇宙内可能有数千亿甚至数万亿个星系。
我们肉眼可见的所有恒星都是这众多星系的一部分,我们所在的星系叫银河系,也可以简称“银河”。但我们还远无法观测到银河系的真实面貌。粗略估计一下,银河系中恒星的数量,与可观测宇宙中星系的数量大约在一个数量级。
我在20世纪60年代刚接触天文学时,人们还常说银河系中约有一千亿颗恒星;随着时间的推移和观测水平的提升,这个数字变成了一两千亿,然后变成了“几”千亿。
我们的望远镜越造越好,观测成果也越来越多,粗略地说银河系中有一万亿颗恒星,应该问题也不大。这意味着太阳是万亿分之一,我们的银河系也是万亿分之一。而据我们的观察,太阳是颗很普通的恒星(当然还有些细微的地方很特别,后面会讲到)。
横跨银河系 这个由一万亿颗恒星组成的岛屿,既充当了智慧生命诞生在地球上这个故事的背景,又是宇宙中是否还有其他智慧生命这个问题的背景。以当下我们对宇宙的认知和理解,在探索智慧生命如何诞生这个问题时,唯一合理的思路就是回溯银河系的历史和形态,并尝试理解智慧生命是为什么、怎么样在地球上诞生的,以及我们在银河系中其他“地球”上找到智慧生命的概率究竟多大。
如果宇宙中的恒星和行星足够多,那一定还有类似地球的行星;但在我们自己的后花园(银河系)里,会有其他文明诞生在类似地球的行星上吗?
按照这个条件,虽然银河系包罗万象,但我们的关注点应该只在类似太阳的恒星周围、类似地球的行星上。太阳,以及太阳系内的行星,是至少45亿年前,由一团气体和尘埃坍缩形成的,那时宇宙的年龄还只有现在的三分之二。
太阳系在宇宙诞生之后那么久才成形,也不完全是巧合。有非常充足的证据表明,大爆炸之后大量产生的元素只有氢和氦。更重的元素都是之后在恒星中,通过恒星核聚变过程形成的,恒星消亡之后这些元素也散落在太空中。因此需要经历几代恒星的诞生和消亡,太空中才能有足够的硅、氧、碳、氮等元素,形成地球这样的行星。
太阳这样的恒星之所以能发光,是因为经历了核聚变过程中的部分步骤。在太阳的核心处,极高的温度和压力让氢原子核聚合在一起,产生了氦原子核,同时还会释放能量。其他恒星在不同的生命阶段中,氦原子核也会聚合形成碳、氧等元素的原子核。
这整个过程都发生在一个由恒星、气体、尘埃等组成的圆盘中,直径大约10万光年。天文学家们尽力观测银河系内这些物质的扩散轨迹,并结合我们对其他星系的观测结果,发现银河系呈螺旋状结构,明亮的早期恒星组成一条条的结构(旋臂),从盘状星系的中心旋转发散出来。过去我们认为银河系的螺旋结构非常清晰,共有4条大的旋臂,还有一些小的弧状结构;但最近的观测结果显示,银河系的结构要更混乱一些,有的大旋臂会伸出小的分支,有的旋臂分成了几段,甚至还有一条横跨整个银河系的旋臂带。
没人知道螺旋状结构是如何产生的,但很多星系都是这个形态。最合理的推测是银河系是一团密度波,恒星和气团围绕着中心旋转,并在某些地方聚集起来,就像高速上遇到行驶缓慢的路段时,车辆也会聚集起来。气团遇到物质聚集的区域会被压缩,有些就会坍缩形成新的恒星,凸显出螺旋状的结构。但单个恒星的体积比气团小得多,围绕中心旋转时即使穿过密度波,也几乎不受影响。
粗略地说,银河系分为四个部分。绝大多数恒星,包括太阳,都集中在一个薄薄的盘状结构中,厚度大约1000光年。盘状结构的中心还有凸起,就像背靠背贴在一起的煎蛋。这个盘状结构和中心的凸起包含了银河系中约90%的恒星。这个薄薄的盘状结构还嵌在一个更厚但恒星更稀薄的盘状结构中,笼罩在一个直径至少30万光年的球状光晕中,光晕内部还零星散落着几十个恒星聚集区。跟发光的恒星有关的部分只有这些。不过还有其他两个部分,我们只能根据它们对发光部分产生的引力效应推断出它们的存在。这两个部分都很奇妙,但跟寻找类似地球的行星没有什么关系。
银河系正中心的巨型黑洞,直径是地月距离的20多倍,质量是太阳的数百万倍。这些数字看起来很了不得,但这个黑洞的质量只有银河系全部恒星质量的百万分之几。在另一个极端,银河系中所有发光的物质都嵌在一团暗物质中,正是这团暗物质的引力维持了银河系的形态。这些暗物质组成了一个球状结构,直径约有几十万光年。从原子层面看,这些暗物质就是一大团微小的粒子。但这些粒子的总质量足有银河系全部恒星质量的十倍。
我们对太阳之外其他行星的搜寻,目前也只局限在薄薄的盘状结构之中。截至20世纪末,我们的科技水平刚好够寻找附近的恒星周围是否有行星,而我们的搜寻工作(当然,在各个方向上的进展是不一致的)也只延伸到了几百光年之外——大约是盘状结构直径的千分之一。但好消息是,无论朝哪个方向观测,我们都能发现行星。因此,我们肉眼可见的恒星中,至少有一半都有行星环绕。
“火热的木星” 目前为止,太阳系外存在其他行星的证据大部分都是间接的。我们基本无法直接观测到或是拍摄行星的照片,只有少数几个例外,但这几颗行星在照片里也只是模糊的球状物;我们是通过行星对母星的影响探测到其存在的。
行星围绕恒星运转时,两者之间的引力会使恒星产生微小的扰动,而通过观测恒星的光谱,可以探测到这种扰动的存在。恒星在朝我们运动时,光谱会向着蓝端移动;恒星在远离我们运动时,光谱会向着红端移动。这就是多普勒效应,天文学中最有用的理论工具之一;用这种方法测出的恒星扰动的速度——虽然恒星离我们有几十光年——跟奥运会短跑运动员奔跑的速度差不多。
对母星影响最大的行星,即体积很大、离母星又很近的行星,用这种方法最容易探测出来。目前我们发现的行星体积都很大,离恒星都很近,这也是理所当然的。不过随着时间的推移,更小的行星,以及离恒星更远的行星,也在被我们慢慢发现。
刚好,我们发现的第一批“日外”行星都很不寻常,它们也都配得上这个位子。它们围绕的恒星跟太阳一点儿也不一样,是一颗中子星,有着一个无趣的名字:PSR B1257+12。PSR代表脉冲星(pulsar),后面的数字代表了这颗中子星在天空中的坐标——相当于在太空这张地图上给它定了位。
比太阳大很多的恒星接近生命的终点时,就会形成脉冲星。恒星的外壳通过一次超新星爆炸全部散去,内部则坍缩成了一个由中子组成的球体(因此称为中子星),直径大约只有10千米,但质量和太阳差不多(地球质量的33万倍)。
中子星的密度与原子核的密度一样。中子星刚形成时会飞速旋转,周围的磁场也非常强。这就形成了一股无线电波,向灯塔一样在太空中来回扫射;这股电波如果刚好扫过地球,我们的射电望远镜就能探测到扰动。脉冲星也正因这股无线电的“脉冲”而得名。有些“扰动”每隔几毫秒就发生一次,PSR B1257+12就是这样。
1992年,宾夕法尼亚州立大学的亚历山大·沃兹贞和戴尔·弗雷尔首次观测到了这颗中子星脉冲频率中的异常,并认为原因在于这颗濒死的恒星周围,环绕着两颗行星。
几年后,他们探测到了第三颗行星。这些行星的质量分别是地球的4.3倍、3.9倍和0.02倍,环绕恒星的周期分别是67天、98天和25天。
2005年,沃兹贞和同事马切·科纳奇宣布发现了第四颗行星,质量只有冥王星(质量相当于地球的万分之四)的十分之一,每1250天环绕脉冲星一周。目前至少还有一颗脉冲星——PSR B1620-26有着至少一颗行星。
形成脉冲星的那次超新星爆炸,这些行星是不可能撑得过去的。恒星原来的行星一定都在爆炸中毁灭了。因此这些行星只能是爆炸后中子星周围的残骸形成的,没有其他可能,比如,两颗恒星的碰撞或是近距离接触的情况。恒星之间的近距离接触非常罕见,恒星又都是由太空中的物质坍缩形成,因此很多恒星应该都有行星环绕。很快,更多的观测结果就证实了这一点。
我们第一次发现类似太阳的恒星周围有行星环绕,是在1995年。那颗恒星叫作飞马座51号,是两位瑞士科学家迈克尔·梅耶和迪迪耶·盖洛兹通过多普勒现象发现的。这次发现容易得让人出乎意料。之所以会这样,是因为发现的行星很大,离母星也很近,因此产生的“多普勒信号”很强。
在太阳系中,有四颗很小的岩石态行星在太阳附近环绕,还有四颗很大的气态行星在远处环绕。太阳系中的距离用天文单位(AU)来衡量,即地球和太阳之间的平均距离;质量则以地球为基准衡量。离太阳最近的行星——水星,距太阳0.39个天文单位,质量是地球的5%,但太阳系中最大的行星——木星,质量是地球的300多倍,约是太阳质量的千分之一,距太阳5.1个天文单位。
飞马座51号的行星质量超过了木星的一半(相当于水星质量的3000倍),但距恒星的距离只有0.05个天文单位(只相当于水星和太阳之间距离的0.1倍多)。
这些“火热的木星”的发现出乎大家的意料,也很快有了更多人知道。因为巨大的气态行星无法在母星附近形成,所以这些行星一定是在诞生后逐渐移动到现在的位置的。这为在宇宙中搜寻智慧生命提供了强有力的线索;不过这个发现——以及紧随其后的诸多类似发现——最重要的意义,就是告诉我们行星很常见。
第一次发现太阳系外的行星时,新闻媒体都非常激动,每次新发现都能单独成为一篇论文,很快发表在很有威望的学术刊物上,如《自然》周刊,也经常登上媒体的头条。不过十几年后,在本书创作时(1),我们已经发现了近400颗太阳系外的行星,每年也都能发现十几颗“新”的行星。但这些发现连科学杂志的头条都很难见到了,更不用说大众媒体了,除非发现了很特别的行星——尤其是跟地球很像,或者围绕母星的轨道跟地球很像时。而太阳系外的行星或地外行星多种多样,单独看这一颗颗的行星可是不够的。
这个故事有一部分是关于发现其他恒星周围的行星时,使用的不同方法。除了久经考验的多普勒效应,我们还可以靠行星对恒星亮度的影响发现新的行星。行星挡在恒星前面时会产生日食这样的现象,叫作“凌日”(这里非特指发生在太阳上的天文现象)。还有一些行星是通过其对恒星周围圆盘状尘埃的引力效应发现的,这些发现也再次证实了我们对于行星起源的推断。还有寥寥数颗行星是通过红外望远镜直接拍摄到的,在照片中只有很小的一点儿。此外还有其他方法。不过这些发现基本有一个共同点——都是使用地面望远镜发现的。但现在已经有了专为搜寻地外行星的太空天文台——包括2009年发射的开普勒号,它们离开了地球表面阻碍视线的大气层后,类似的发现急剧增加。因此,我们刚好可以审视一下观测地外行星的第一阶段。

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