給孩子講宇宙：第3講宇宙是怎麼起源的_李淼

我們已經知道了宇宙一望無際，至少包含2000億個星系，每個星系又含有1000億顆以上的恆星。在20世紀，天文學家通過測量遙遠天體的距離，才發現我們的宇宙居然這麼大。更加開腦洞的發現是，這麼大的宇宙居然來自一場大爆炸。

也就是說，我們的宇宙並不像我們平時抬頭看天時那樣，安安靜靜的、一點變化都沒有，這些都是假象。真相其實是，宇宙在不停地膨脹。發現宇宙膨脹的那個人，就是上一講中提到的哈勃。哈勃不僅發現了在我們的銀河系之外還有像銀河系一樣的星系，他還發現，這些星系相互之間的距離越來越遠。打個比方，宇宙就像一塊被拉伸的橡皮，如果我們在橡皮上畫上星系，這些星系之間的距離會隨著橡皮的拉伸而變得越來越大。

哈勃是個勤勤懇懇的天文學家，每天用望遠鏡看星象，並把看到的現象記錄下來。但最早從哈勃的記錄中發現宇宙在變化的並不是哈勃本人，而是一個比利時的研究神學的天文學家勒梅特。勒梅特不僅第一個發現了宇宙在膨脹，他還由此推測，宇宙在很多年前應該起源於一場大爆炸。他給這個大爆炸起了一個十分有趣的名字：原始原子。

聰明的小朋友會問：「為什麼根據宇宙在膨脹就能推論出宇宙起源於大爆炸呢？」我們前面用一塊被拉伸的橡皮來比喻宇宙膨脹，但這個比喻還不夠好。這裡有一個更好的比喻：將宇宙想像成一個在烤箱中的巨大的麵包，隨著加熱，這塊麵包變得越來越大，因此，在過去的某個時刻，這塊膨脹的麵包一定是一小團面。

當然，由此還不足以推斷出這一小團面剛被放進烤箱時就發生了一場大爆炸。要推出宇宙起源於大爆炸還需要別的東西支持，也就是愛因斯坦的廣義相對論。我們在下一講中會談談愛因斯坦的故事。現在，我們暫時不會用到他老人家的高深理論；我們只用一個最簡單的現象就能解釋為什麼宇宙起源於一場大爆炸。

我們在地球上總是能感受到重力，對吧？我們自身有體重，我們伸手拿一杯水也會感受到它的重量。這些重量是哪裡來的呢？其實，早在三百多年前，牛頓爵士就已經知道它們來自地球和這些物體之間的萬有引力。牛頓發現，所有物體之間都有萬有引力，我們在地球上不會飛走是因為地球的引力，地球繞著太陽轉是因為太陽和地球之間的萬有引力。那麼，星系和星系之間有沒有萬有引力？當然有。因此，兩個星系雖然隨著宇宙膨脹變得越來越遠，但它們飛離彼此的速度會因為引力而變得越來越小。

勒梅特推測，既然速度在將來會變小，那麼過去的速度就會比現在大。他用愛因斯坦的廣義相對論一算就得出結論，宇宙在開始的時候像一個小原子，就像烤箱中一個小得看不見的麵團，彭的一下被烤炸了。他將這個事情告訴愛因斯坦，愛因斯坦根本不信。

勒梅特這個人放在今天就是一個典型的跨界人物，也就是說他喜歡學習研究很多不同方面的事物。其實，在他那個時代，這樣的人有很多，只不過他跨得有點與眾不同。他比愛因斯坦小15歲，按今天的話來說，是個90後，不過是早一百年的90後。17歲那年，他進了比利時魯汶天主教大學，學習建築工程。20歲時，他中斷大學學業，去參加了第一次世界大戰，擔任炮兵軍官，並於戰爭結束後拿到了棕櫚勳章。戰後他決定學習數學和物理，同時為成為天主教神父做準備。他跟當時比利時的一個很有名的數學家學習數學，26歲時靠一篇數學論文獲得了博士學位。過了三年，他才成了神父，可見，神學對他來說或許比數學更難。成為神父的同一年，他還去了英國劍橋大學學習天文。在小朋友們的眼裡，他算不算一個典型的學霸？

1927年他發現宇宙膨脹時，已經33歲了。這個年紀在當時不算特別年輕，因為愛因斯坦做出好幾個重大發現的時候才26歲，但是，在今天的科學界，33歲是個很小的年紀，好多人才剛剛在大學裡任教。可惜的是，他將宇宙膨脹這個了不起的發現發表在比利時一家很不出名的刊物上了，導致後人誤以為哈勃才是第一個發現宇宙膨脹的人，還將一個定律安在哈勃頭上。但愛因斯坦知道勒梅特發現了宇宙膨脹，因為他們在這一年碰面了，不過，愛因斯坦當時根本不相信宇宙是膨脹的，他和其他人一樣，相信宇宙就像我們仰望天空時看到的那樣，是靜止的。他對勒梅特說了一句著名的話：「你的計算是正確的，可你的物理是惡毒的。」這句話真的很惡毒。過了五年，他倆在比利時又遇上了，這個時候，勒梅特不僅認為宇宙在膨脹，還發明了宇宙大爆炸理論，這下徹底得罪了愛因斯坦。但勒梅特一點也沒有灰心，1935年，他趁著愛因斯坦去美國巡迴演講時，找了個理由陪同愛因斯坦，不停地給愛因斯坦講他的宇宙大爆炸。到了最後，愛因斯坦終於相信了，並且鼓掌說：「這是我聽到的最美妙、最讓人滿意的宇宙創生故事」。

但宇宙大爆炸這個故事並沒有被天文學家當真事看待，因為它還缺乏直接證據。一直拖到勒梅特發明「原始原子」這個詞之後的三十多年，宇宙大爆炸才被大家接受。這是為什麼呢？下面我們就說說這個故事。

故事的主角彭齊亞斯和威爾遜是兩位美國人。彭齊亞斯出生的那一年，比勒梅特想出宇宙大爆炸還晚了一年。這兩個幸運的人在1964年遇到了天上掉餡餅的好事，說明「機會總是青睞有準備的人」的說法根本不值得信賴。這句話應該改成「機會其實是死老鼠，有時會碰上瞎貓」。他們遇到了百年難得一見的大發現，並在十四年後獲得了諾貝爾物理學獎。

如果要寫小說，我們可以這麼寫：「1964年，新澤西州五月的一個早晨，陽光照在霍姆德爾鎮巨大的圓形草坪上，也照在一個以45度角仰望藍天的儀器上，巨大的斗形喇叭口上，一堆堆鴿糞清晰可見。這一天，31歲的彭齊亞斯同往常一樣，吃了早餐就來到輻射計邊上的小木屋，檢查輻射計在昨天累計的信號。在打印機打出的條狀記錄紙上，他驚訝地看到滿滿的都是噪聲信號。稍後，比他年輕三歲的威爾遜也到了，彭齊亞斯將記錄帶遞給威爾遜，威爾遜看後也無語了半天。」

右邊就是這兩人當時使用的巨大儀器，科學家管它叫狄基輻射計。大家可以看到這台儀器有多大，因為彭齊亞斯和威爾遜就站在下面。

他們確實發現了噪聲信號，這是一種叫無線電的電磁波，也就是我們平時看電視接收到的那種波。電磁波就像水波一樣，有波峰和波谷，兩個相鄰波峰之間的距離叫波長。彭齊亞斯和威爾遜看到的電磁波噪聲的波長大約是1毫米。什麼叫噪聲呢？我們平時說話的聲音不是噪聲，大街上亂七八糟的聲音是噪聲。電磁波雖然不是聲音，但同樣有亂七八糟的信號，所以也叫噪聲。

他們不相信這是真實的信號，就清除了斗形天線上的鳥糞，但奇怪的信號依然存在。他們以為附近有一個發射電磁波的東西。雖然他們是貝爾實驗室的工程師，彭齊亞斯還曾在軍隊做過雷達軍官，知道必須排除軍方的信號。可是，無論將天線指向天上的哪個角度，在一天的任何時刻，信號都繼續存在，而且仍然是噪聲形狀。他們不得不得出一個匪夷所思的結論：這個信號來自天空的每一個方向。

這個發現很快傳到新澤西州的普林斯頓大學，它離彭齊亞斯和威爾遜住的霍姆德爾鎮只有幾公里。非常有意思的是，彭齊亞斯和威爾遜用的狄基輻射計是普林斯頓大學一位教授發明的，他的名字就是狄基。

48歲的狄基很相信勒梅特的宇宙大爆炸，他不僅相信宇宙大爆炸，還相信這場大爆炸遺留下了充滿整個宇宙的電磁波噪聲，他甚至還做了計算，算出這種噪聲的波長大約就是1毫米。那時，只有很小的一個圈子知道宇宙大爆炸理論，在這個小圈子裡，充滿整個宇宙的電磁波噪聲被稱為宇宙微波背景輻射。

彭齊亞斯和威爾遜發現宇宙中有無線電信號的消息傳到他耳朵裡的時候，他正和自己手下的一些人忙於設計實驗，尋找這種噪聲呢。聽到這個消息時，他對手下說：「我們被別人搶先了。」有準備的人沒有做出實際發現，而無準備的彭齊亞斯和威爾遜則根本不知道他們發現了什麼。霍姆德爾鎮和普林斯頓的兩撥人跑到一起開了個會，得出結論說彭齊亞斯和威爾遜發現的就是微波背景輻射。他們決定讓狄基團隊寫一篇關於霍姆德爾鎮發現的就是宇宙微波背景輻射的論文，而讓彭齊亞斯和威爾遜寫一篇介紹實驗發現的論文。兩篇論文一前一後地發表在1965年的《天體物理雜誌》上，狄基團隊的論文放在前面。但是，諾貝爾物理學獎後來卻只給了彭齊亞斯和威爾遜。

霍姆德爾鎮至今一直以它是發現宇宙微波背景輻射的地點為榮。這不奇怪，因為它畢竟只是一個人口不足兩萬人的小鎮。同樣值得驕傲的是，貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克利也是在這個小鎮發明了晶體管。我們在《給孩子講量子力學》中已經講過晶體管的故事了。

彭齊亞斯後來成了一個科學與技術團隊的老闆，甚至還跑去經商。從1998年開始，他成了世界最大風險投資公司之一的恩頤投資的合夥人，那時他65歲，剛從貝爾實驗室退休。可見，科學家要去賺錢，什麼時候開始都不晚。

宇宙微波背景輻射很難用其他的宇宙學理論解釋，因此從20世紀60年代開始，大家漸漸相信我們的宇宙真的來自一場大爆炸。後來，科學家又找到了更多關於大爆炸的證據。現在，大家早已放棄了勒梅特「原始原子」的說法，而叫「宇宙大爆炸」。美劇《生活大爆炸》的原名就是「宇宙大爆炸」，可見這個名字多麼深入人心。

說起「宇宙大爆炸」這個名字，我們不得不提一下英國天文學家弗雷德·霍伊爾，因為這個名字是他發明的。1948年，美國物理學家伽莫夫和他的學生阿爾法一起計算了宇宙大爆炸所導致的微波背景輻射。霍伊爾從來都不相信宇宙大爆炸，看到伽莫夫的論文就火了。一天，他找來兩位朋友，去一家小酒館喝點酒，順便為宇宙的起源操操心。小朋友們記得，我們前面說過，勒梅特和哈勃發現了宇宙在膨脹，但既要解釋宇宙膨脹又要避免宇宙大爆炸可不是一件簡單的事。為什麼呢？大家想想，在萬有引力的作用下，宇宙膨脹會越來越慢，這意味著宇宙在過去膨脹得更快，而那時的宇宙也更小，這讓勒梅特得出宇宙在很早的時候一定是個很小很小的火球的結論。霍伊爾和另外兩個人——湯米·戈爾德和赫爾曼·邦迪，在酒店喝酒，大概喝多了，靈感就來了。他們合計一下，覺得要避免宇宙大爆炸，就得讓宇宙不斷在空間中無中生有地產生物質，這樣宇宙膨脹的速度就不會變化。

霍伊爾覺得他們的想法很好，就跑到英國的一家電台去做宣傳。他管這個想法叫穩恆態宇宙，因為宇宙雖然也在膨脹，但從過去、現在和未來看上去一模一樣。他還很鄙視勒梅特、伽莫夫和阿爾法的「原始原子」的想法，就發明了「宇宙大爆炸」這個名字來嘲笑它。當然，後來有越來越多的證據證明宇宙大爆炸是對的，而穩恆態宇宙是錯的。不過霍伊爾也是一個很了不起的天文學家，他創建了劍橋大學天文研究所。

今天，大家相信宇宙起源於137億年前的一場大爆炸，在最初的三分鐘裡合成了最簡單的元素——氫和氦。這個故事還能解釋為什麼恆星裡有大約四分之三是氫，只有四分之一是氦。當然，除了氫和氦，恆星裡也有一點其他元素，霍伊爾就是最早解釋這些其他元素來源的人。

關於霍伊爾，我們還可以講講他的其他事跡。儘管他創辦了劍橋大學天文研究所，但在五十多歲的時候，他與劍橋大學的領導不和，就離開了劍橋大學，去當一個獨立科學家。這種行為如今非常罕見。今天，我們經常能看到不屬於任何單位的文學家，但幾乎看不到沒有單位的科學家。霍伊爾也是一個文學家，除了寫點科普，還寫科幻小說和電影劇本，一共寫了十多部。他最有名的科幻小說叫《黑雲壓境》，講述了一個星雲來到太陽系的故事。後來人們發現，這個星雲具有智慧，人類根本無法傷害它。這種具備高級智慧並試圖和人類對話的東西，很容易讓人想到一部叫《星際迷航》的電影，以及科幻作家劉慈欣的科幻小說《詩雲》。

我們的宇宙非常神奇，不僅有數不勝數的恆星和星系，還有很多神奇的天體。接下來，我和大家談談這些奇妙的天體。

小朋友們肯定聽說過黑洞。黑洞是一種最為神奇的天體。愛因斯坦的廣義相對論是允許黑洞存在的。但愛因斯坦對這種想法深惡痛絕，一直到他去世的那一年，即1955年，人們也沒辦法說服他。原因是這樣的，假如一顆恆星或者別的天體變成黑洞，它的萬有引力就會變得特別大，從而導致它內部所有的東西都跑到一個地方，就連時間也會在那個地方消失——這很神奇、很難想像吧？小朋友們可能會問：「時間消失了是什麼意思？」其實科學家也沒有弄清楚，只能用很複雜的數學來描述它。如果非要用比喻來解釋時間消失，就是任何時鐘都不動了；不僅任何時鐘都不動了，在時間消失的時候，根本就不存在時鐘了。由於這個原因，愛因斯坦根本無法想像有這樣的天體存在。

黑洞還有一個特點，就是在黑洞的最外層，引力大到連光都跑不出來，這正是這種神奇的天體被叫作黑洞的原因。這個名字是由美國物理學家惠勒在1969年提出的。從那以後，人們才開始相信黑洞真的存在，並且推測，如果一顆恆星的質量是太陽的8倍，它燃燒到最後一定會變成黑洞。

黑洞雖然不發光，但能吸引它附近的物質；這些物質在掉進黑洞之前，要麼飛快地向黑洞跑去，要麼拚命繞著黑洞轉，這樣就會發光了。其實，多數黑洞外面都會有一圈發光的物質，叫作吸積盤，這些物質是被黑洞引力吸引而堆積在那裡的。我們都知道，一個天體外面如果有一個盤，這個盤就會繞著天體轉，比如土星外面的那個環，以及我們人類發射的大量衛星。如果不轉的話，它就會被天體的萬有引力吸得掉下來。下面就是一個黑洞吸積盤的示意圖。

惠勒

其實，這張圖中間是兩個黑洞，每個黑洞都帶著一個發光的盤。為什麼要展示兩個黑洞呢？因為在2015年，惠勒的學生索恩發起的一個超大規模實驗發現了兩個黑洞合併發出的引力波。惠勒是一個傳奇人物，他的學生索恩也同樣傳奇。

現在，天文學家已經發現了很多黑洞，包括可以通過合併發出引力波的黑洞（大約是太陽質量的10倍）、銀河系中間的超大黑洞（大約是太陽質量的400萬倍），以及某些星系中間的超級黑洞（最大能達到太陽質量的上億倍）。

右邊這張藝術照片模擬了科幻電影《星際穿越》中名叫卡岡都亞的黑洞，這顆黑洞有一億倍的太陽那麼重。它當然是電影導演諾蘭和電影編劇之一兼科學顧問索恩想像出來的，藝術照片也是通過電腦特效製作出來的，但十分逼真。

索恩曾經和著名宇宙學家霍金打賭。索恩說我們遲早會在宇宙中找到黑洞，霍金說肯定找不到。後來，當然是霍金輸了。據霍金說，他之所以願意打這個賭，是因為他穩賺不賠。因為霍金研究了大半輩子黑洞，非常希望別人能找到它。如果他打賭輸了，心裡還是會很高興，因為終於找到黑洞了；如果他打賭贏了，儘管會對找不到黑洞感到失望，但畢竟可以用贏得賭局來作為補償。

右圖是青年霍金，那時他因病剛剛坐上輪椅。據說，霍金的第一任太太有四分之一的華人血統。霍金的故事現在家喻戶曉，我們就不談了。我給大家講講索恩的故事。

索恩是惠勒的學生，曾在美國發起探測引力波的實驗。2015年，當這個實驗終於探測到黑洞合併發出的引力波時，索恩早已退休，但他卻因電影《星際穿越》出名了。他是這部電影的編劇之一，也是這部電影的科學顧問，現在，他在美國的知名度大增，主要是因為這部電影。至於引力波的發現，可能會讓他獲得諾貝爾獎，但不會讓他更有名了。

霍金

索恩之所以能進入電影圈，得益於他的老朋友薩根，也就是我們在第一講的最後提到的那個人。據索恩自己講，1980年，薩根邀請他去參加薩根自己製作的紀錄片《宇宙》的首映，同時還建議他和一位名叫琳達的女人一起去。當然，薩根的意思是介紹單身漢索恩認識一下琳達，也許他們將來會在一起。那一次，索恩距離電影圈還很遙遠，不懂規矩，在大家都穿正裝的情況下穿了一件淺藍色燕尾服。不過，他就此認識了琳達，而琳達正好是電影圈裡的人。儘管後來他們沒有在一起，卻一直是很好的朋友。

2005年，琳達產生了拍一部科幻電影的想法，想把蟲洞放進去，這個想法持續了9年，終於實現了，這部電影就是《星際穿越》。聰明的小朋友馬上會說：「我聽說過蟲洞，可是蟲洞到底是什麼呢？」

我們先講一個故事。薩根在更早的時候發表過一篇科幻小說，關於蟲洞最早的想法是那時就有的。作為天文學家，薩根一直對外星人感興趣，不僅研究如何在太空中搜索外星人，還想拍一部電影，講一個尋找外星人的女科學家的故事，當然這個故事是薩根自己編出來的。1979年，他和好萊塢合作拍了這部片子。在拍攝期間，薩根想到一個故事情節：女主角從地球上跑出去了，跑到遠離銀河系的一個地方。但是那時他並不知道人類如何才能迅速跑出銀河系，於是就想出了蟲洞這個主意。什麼是蟲洞呢？建議小朋友們拿一張紙，在紙的兩頭用筆各畫一個小圓。比方說，兩個小圓在紙上的距離有20厘米，一隻螞蟻的爬行速度是每秒1厘米，那麼這只螞蟻要花20秒鐘從一個小圓爬到另一個小圓。這只螞蟻無論如何也不可能在一秒鐘內就從一個小圓爬到另一個小圓。

現在，將紙折疊一下，讓兩個小圓相對。我們再用紙做一個圓柱，用圓柱連接原來紙上的兩個小圓，如下圖所示。如果這個圓柱足夠短，短到不到一厘米，螞蟻當然就可以在一秒之內從一個小圓爬到另一個小圓了。

現在，讓我們想像這張紙被放大了很多倍，變成像銀河系一樣大，但圓柱的長度還是保持不變。連接小圓的圓柱以及兩個小圓本身，就組成了能夠連接兩個本來距離遙遠的地方的蟲洞了。當然，這是薩根設想的蟲洞的二維版本，因為紙片是二維的。他腦中的蟲洞是這種二維蟲洞在我們真實世界中的版本。

可是，我們生活的世界並不是一張紙片。紙片是二維的，扁平的，而我們的世界是三維的，有三個獨立的方向，比紙片多了一維。三維蟲洞很難想像，但也可以借助幾何學來想像。薩根把這個想法告訴了在加州理工學院工作的索恩，問他愛因斯坦的廣義相對論是否可以容納蟲洞。索恩很快做了計算，發現不行，因為構造一個蟲洞需要負能量！但我們的世界中所有的能量都是正的，並不存在負能量。於是他就跟薩根講，這個想法不行，不能用在電影裡。但薩根是個天文學家，對世界上各種可能出現的東西態度更加開放，就不理索恩，在劇本裡寫了一個可以製造蟲洞的機器。

可惜，當時很多條件不夠，這部電影沒有拍成。薩根不甘心，就把電影劇本改編成小說。1981年，一家名叫西蒙·舒斯特的出版社答應出版薩根的小說，還預先付給他200萬美元，這打破了當時的預付金紀錄。薩根沒有讓出版社失望，1985年，小說出版了，名叫《超時空接觸》，首印就印了26萬多冊，並且很快賣完了。出版商趕緊加印，在出版後的前兩年，《超時空接觸》就賣出了170萬冊。

薩根去世的一年後，也就是1997年，好萊塢終於拍出了精彩的電影，名字也叫《超時空接觸》。在電影中，我們可以看到那台製造蟲洞的機器，也可以看到女天文學家如何穿越蟲洞，但電影並沒有展示蟲洞的外觀。到了2014年，薩根的老朋友索恩的電影《星際穿越》也上映了，裡面真的出現了蟲洞在我們人類眼裡的外觀，看起來像一個浮在黑暗太空中的一個很大的肥皂泡。

小朋友們可能會問了：「哪裡有蟲洞？」事實上，蟲洞的整體是無法從外面看到的。回到我們前面說的那張螞蟻爬行的紙，看看螞蟻能看到什麼。那個二維蟲洞是用一個圓柱紙片連接兩個圓，在螞蟻爬上圓柱之前，它看到的是一個圓的一邊。而這個浮在黑暗太空中的肥皂泡就是蟲洞入口球面的一面，只有當我們跨進這個球面，才會進入蟲洞，並通過蟲洞跑到遙遠的宇宙的另一個地方。大家可能還會說，這個看起來像肥皂泡的東西裡面好像還有很多天體。沒錯，這些天體其實在宇宙的另一端，天體發出的光穿過了蟲洞，才會被我們看到。電影裡的假想蟲洞應該很逼真，因為索恩在聽到薩根的建議後確實研究了很多年蟲洞，還發表了不少關於蟲洞的學術論文。

不過科幻電影畢竟是電影，天文學家至今還沒有在宇宙中找到蟲洞。天文學家的確找到了很多黑洞，因為構造黑洞只需要正能量，而且正是過於強大的正能量才將巨大的恆星壓垮，形成了黑洞。而蟲洞需要負能量，未來人類會找到或者製造出負能量嗎？很多物理學家對此不抱任何幻想。但是，如果沒有蟲洞，人類真的很難走出銀河系。

儘管我們很難走出銀河系，但是天文學家可以通過望遠鏡等各種手段來研究各類神奇的天體，包括遠在銀河系之外的天體。下面我再給大家介紹幾種非常神奇的天體。

有一種神奇的天體來自恆星爆發，它叫超新星。所謂的超新星，顧名思義就是那些超級亮、新出現的星星。前面我們談到了一類來自恆星的黑洞，其實就是這種爆發留下來的。人類歷史記錄的第一顆超新星是中國人發現的。當然，那時人類還不知道宇宙中存在超新星現象，所以中國人就將天上突然出現的很亮的星稱為客星，因為它們就像新來的客人。《後漢書》中就記錄了一顆客星，出現在公元185年，正是東漢末年。到了宋代，公元1054年，又出現了一顆客星，宋代天文學家楊惟德細緻地記錄了他的觀測。這顆客星同時也被阿拉伯天文學家記錄了下來。

後來我們為什麼認定1054年的那顆客星是超新星，也就是一顆恆星爆炸的結果呢？這就要說到美麗的蟹狀星雲，右頁的圖就是它的照片。蟹狀星雲很早就被人們看到了，但直到20世紀初，天文學家在對比不同時期的蟹狀星雲的照片時，才發現它在不斷變大，也就是說，這塊星雲正以一定的速度向外膨脹。由此可以推斷，900多年前蟹狀星雲應該是一顆恆星的大小；正好，1054年古人在同樣的位置記錄了客星。

在我們的銀河系內，平均每隔50年就會出現一顆超新星。超新星有不同種類，像我們說的蟹狀星雲來自一顆不大不小的恆星爆炸。它的質量比太陽大，爆炸之後會留下一顆密度非常大（不過比黑洞要小很多）的中子星。所以別看中子星的體積很小，有的還不如地球大，但它的質量卻比太陽還要大。中子星會轉動，會發射無線電波。現在，世界上剛剛出現一個最大的接收宇宙中無線電波的望遠鏡，就是中國貴州平塘縣的射電望遠鏡，它的直徑有500米。人們希望用它來發現銀河系外的中子星。

剛才我們說過，超新星在銀河系內平均每50年才爆發一次，但是，如果我們把望遠鏡指向銀河系外，能看到的超新星就多得多了。一般來說，業餘的天文愛好者以及專業的天文學家一年能發現好幾百顆。

我們還沒有提到過著名天文學家第谷，這個人在科學史上的地位很高，主要是因為他詳細地觀測了太陽系中幾個行星的軌道，讓後來的開普勒總結出了關於行星運動的三大規律，更讓牛頓發現了萬有引力。其實，第谷還在1572年看到了一顆超新星。1572年11月11日，他在仙後座方向看到了一顆很亮的新的恆星，就對這顆星進行了長時間的觀測，直到它1574年3月變暗到看不見為止。第谷長達16個月的觀察和記載在學術界產生了很大的影響，因為那時的西方人普遍認為，在行星之上，天空中所有物體都是永恆不變的。通過對這顆超新星的觀測，第谷證明了這種說法是錯誤的。

第谷的人生經歷非常傳奇。他有一個親戚是非常富有的大貴族，卻沒有自己的孩子。所以在第谷出生前，他的父母就與這個貴族親戚達成了一個協議，說要把第谷過繼給這個親戚。但第谷出生以後，他的父母又後悔了，不想再把第谷交出去了。但大貴族哪有那麼好忽悠？那個貴族親戚直接派人綁架了第谷，從此以後，第谷就過上了貴族的生活。

第谷

20歲的時候，第谷與另一位貴族子弟在別人的婚禮上發生口角，進而引發了一場決鬥。第谷在決鬥中被人打斷了鼻樑，之後就不得不一直戴一個假的金屬鼻樑。盛傳第谷的假鼻樑很值錢，是用金子或銀子做的。但1901年，有人挖出第谷的墓，發現假鼻樑是銅的。這也很合理，因為銅比金銀要輕。第谷死於撒不出尿，而這個毛病據說是因為他在參加一個宴會時，不好意思中途離開，就憋尿憋出了膀胱病。他活到55歲，死後開普勒繼任了他的職位，同時也獲得了第谷生前不願意給開普勒的行星資料。可以想像，如果第谷活得更長些，開普勒也許就發現不了行星運動的第三定律。什麼是開普勒第三定律呢？它說的是行星繞太陽一周的時間與這顆行星和太陽之間的距離有一個固定的關係。這個第三定律是開普勒行星運動三定律中最重要的，因為它直接導致了萬有引力的發現。

與第谷相比，開普勒的人生就淒慘多了。開普勒出身貧寒，一直都沒什麼錢。第谷死後，開普勒接替他成為神聖羅馬帝國的皇家數學家。這聽起來還挺高大上的，但事實遠沒有想像中那麼美好。由於不像第谷那樣在上流社會擁有廣泛的人脈，開普勒只能拿到第谷一半的薪水，而且還常常被欠薪。開普勒結過兩次婚，一共有過12個小孩，但大多數都因為貧窮而早早夭折。在1630年，開普勒被拖欠了好幾個月的薪水，家裡實在窮得揭不開鍋了。無奈之下，他只好做了一次長途旅行，跑到當時正在舉行帝國會議的雷根斯堡，去找皇帝魯道夫二世討薪水。結果不幸的是，開普勒剛到那裡就得了一場大病，薪水沒有討到，反而把自己的性命賠了進去。開普勒的苦難並沒有到此結束。他死後被葬在了一所教堂，但後來發生的一場延續三十年的戰爭，把那所教堂、包括開普勒的墳墓都夷為了平地。不過開普勒也有一座永遠無法被摧毀的紀念碑，它就矗立在人們的心裡。由於對天文學的偉大貢獻，開普勒被後世尊稱為「天上的立法者」。

開普勒

前面我們談了黑洞和超新星，它們都能發出巨大的能量。不過在這些天體之外，還有一種能量更大的天體，那就是伽馬暴。

什麼是伽馬暴呢？我們在《給孩子講量子力學》中提到過伽馬射線，它是一種能量很高的光子。所謂的伽馬暴，就是一種能釋放出大量伽馬射線的天體爆發現象。它的爆發時間可以很短，短到只有百分之一秒，也可以很長，長到超過幾小時。伽馬暴發射出來的能量有多大呢？這麼說吧。如果我們的銀河系內有伽馬暴出現，而且它發射的能量正好對準地球，那地球上的所有生命都會被毀滅。小朋友們應該還記得，銀河系的直徑有10萬光年。隔著這麼遠的距離，依然能毀滅地球，大家可以想像伽馬暴到底有多可怕。甚至有人猜測，地球歷史上的某些生物大滅絕事件就是由銀河系內的伽馬暴所導致的。關於生物大滅絕，我們會在第四講中詳細說明。

有趣的是，伽馬暴其實並不是由天文學家發現的。20世紀60年代，美國和蘇聯之間的競賽很激烈，不僅體現在航天方面，也體現在核武器競賽方面。為了探測蘇聯人有沒有偷偷地試爆核彈，美國在60年代發射了12顆貝拉衛星，這些衛星可以探測到核彈爆炸之後發射的伽馬射線。結果，貝拉衛星探測到了大量來自宇宙深處的伽馬射線。觀測表明，這些射線都來自固定的方向，所以只可能是某個天體發射出來的。伽馬暴就這麼陰差陽錯地被這些軍事衛星給發現了。

伽馬暴的爆發其實也是巨大的恆星燃燒到最後的結果，有的可能是黑洞和中子星合併的結果。幸好，目前所有探測到的伽馬暴都來自銀河系之外，離我們非常遙遠。此外，伽馬暴發出的能量都集中在一個比較窄的圓錐裡，就像是手電筒發出的光。所以，伽馬暴掃到地球的可能性是微乎其微的。

當然，銀河系內伽馬暴的爆發導致了地球上的生物大滅絕只是一種猜測，但也有這種可能。所有的伽馬暴都只能出現在星系早期的歷史中；由於我們的銀河系已存在了好幾十億年，它就不會再出現伽馬暴了。為什麼有這種猜測呢？因為目前看到的所有伽馬暴都離我們很遙遠，這意味著當我們發現它們的時候，距離它們的爆發時間已經過去了好幾億年。

總結一下，在這一講中我們講到了宇宙誕生於137億年前的一場大爆炸。我們的宇宙不是靜止不變的，它的年齡也是有限的。在整個宇宙中，存在著大量有趣的天體，例如黑洞、超新星和伽馬暴，也許還有一些我們尚未發現的。人類在過去50年中對宇宙的認識發生了很大的變化，在未來的50年中還會發生更大的變化。