生命來自哪裡？我們的宇宙如此和諧地演化著

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構，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係是什麼？這一系列的問題已經隨著天文學的理論和技術的發展迎刃而解。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在貴州喀斯特窪坑中落成，從可見光到射電波段、紅外和紫外等，天文學已經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、嚴謹的科學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，並且與宇宙中的生命起源有著直接關係。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「粗略的線性關係」，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，現在的宇宙是由一個極端高熱、高密的原始原子大爆炸產生，他的這一假設形成了大爆炸宇宙學的雛形。基於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繫起來，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。在宇宙大爆炸之後短短的幾分鐘內，便形成了輕元素H、He和Li，確定了輕元素的種類和數量，這個過程被我們後人稱之為「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

恆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，在大爆炸發生之初，宇宙的溫度或可達到100億攝氏度，並且其中充斥著中子、質子、電子、正電子和反電子。關於後期重元素的形成，科學家發現很多重元素的原子核是融合了大量輕元素的，後期的科學家稱之為核聚變，即從一個較輕的原子經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，從而引發碰撞，生成新的質量更重的原子核。

同樣的道理，在宇宙大爆炸的最初三分鐘內，氫元素作為原子核比較輕的元素，經過高溫高壓會形成氫元素的同位素——氘元素，氘元素再結合一個氫原子形成氦元素，以此類推，之後還會形成氦元素，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

基於這個原理，大質量恆星燃燒氦核形成更重的元素，例如碳、氧、硅、硫和鐵，那麼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，並引發幾百種核反應，溫度隨之越來越高。這是恆星生命的最後階段，這些化學反應的突發性也越來越強，越重的元素燃燒的時間就越短，我們假定一個25倍太陽質量的「標準星」，對於這顆星中的各種元素，碳的燃燒持續600年，氖是1年，氧是6個月，而硅只有1天。核轉變並不能以這種速率無限制地繼續下去，最後都會朝著一個元素彙集：鐵。

鐵的原子核較特殊，其中的56個質子和中子結合的非常緊密，沒有一種聚變能量能使它們分開，於是鐵就成了大質量恆星核心的最後灰燼。恆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，恆星會不斷地膨脹其外殼以調節平衡，它會膨脹到一個巨大的尺度，成為超巨星。二是超新星爆炸，對於一顆穩定的恆星，核心溫度的理論上限為60億K，超過這個溫度，會讓恆星失去穩定，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後短期內高溫高壓時形成的。

圖8：宇宙的大尺度結構

生命來自哪裡

宇宙在誕生之初只包含能量，暴漲結束後通過再加熱過程轉化為物質，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，我們的生命是基於碳水化合物的，我們每天飲用的水，呼吸的氧氣都是來源於宇宙形成之初。無法想像如果我們生存的環境只有類似於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生在我們現實的宇宙當中，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於宇宙大爆炸，而是來源於早期的大質量恆星，這些大質量的恆星命運都是短暫的，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恆星，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子和中子包含了宇宙中4.4%的質量和能量，而所有的生命都是從這4.4%中誕生的，宇宙中第一個恆星的形成是在發生大爆炸後的2億年後形成的，這足以顯示，較重元素的形成也是需要經歷相當漫長的過程的，那麼，是什麼「力量」形成這些行星或者恆星的呢？這個「力量」是非常微妙的，在宇宙大爆炸之初的幾秒內，亞原子正在進行「有規模」的運動，這些微小的量子擾動促進了宇宙中的行星、恆星以及生命的誕生。

量子擾動是物質存在狀態的一種隨機的自然現象，在這些非常小的亞原子尺度中，這些物質的飛逝從10-9秒到1秒數量級，隨著宇宙的膨脹，這些微小的量子擾動開始從物質的數量上有著變化，並且從一個地方轉移到另一個地方。不管是從數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，那麼我們今天看到的行星或者恆星都是不存在的，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量物質從而形成大質量物質。

行星的形成都需要如此長的時間，那麼我們人類形成的最原始狀態也是由元素組成，這個過程豈不是需要更久？宇宙的起源來源於高密度高溫的環境，而這個「適宜」的環境就是我們人類生命的起源的必要條件。

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，想要獲得大規模的改變是需要時間來顯現的，如果我們的宇宙只持續了一秒鐘，或一年，或一百萬年，它將不會是我們現在認識的樣子，因此宇宙是由物質、能量和時間的基本規則來控制的，我們如今的發展便是經歷的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。

那麼為什麼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；如果宇宙中物質太少，則沒有足夠的質量形成恆星、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，生命才得以發展。總之，宇宙目前的狀態恰到好處，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，美國社會民主已經極度不和諧，才最終導致今天大選的混亂狀態。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，其本質也是和諧。現實中，我們也都在期望和諧，如歐洲法航的超音速飛機-協和飛機(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嚮往。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，並且演化出了現在的生命。

結論

經歷如此漫長的演化，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生什麼情況呢？我們的地球會發生地震、海嘯、雪崩等自然災害，那麼放眼宇宙中，星系的碰撞、超新星的爆發、甚至於小行星撞擊地球……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於我們生命形成的，雖然還有很多難題困擾著我們去探索，人類可能還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，會有很多恆星發生超新星爆炸等，到時候的衝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展的重要課題。

出品：科普中國

製作：北京師範大學天文系宇宙之美科普團隊許文張同傑

監製：中國科學院計算機網路信息中心