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银河系里的一颗行星,又绕它的恒星转了一圈

Sheldon 发表于  2016-01-01 01:00

年,不过是地球人主观定义的计时系统的一个单位。如果你在每天固定的地方固定的时刻,沿着固定的角度拍摄太阳的位置,坚持一“年”后,你大概会看到一个闭合的8字形。在遥远的古代,地球人的祖先最初可能就是用类似的方式定义时间单位的。

一年中的日行迹。图中的点是24节气。图片来源: http://g.udn.com.tw/

在太平洋东岸,秘鲁西部的沿海沙漠中,坐落着公元前4世纪建造的十三座石塔。日出的时候站在塔的西面的某个特定地点向东看,你会发现太阳每天升起的位置就在这十三座塔之间的十二个缺口里。太阳一年来回一遍,古代秘鲁原住民或许也就是用这十二缺口将一年分成了二十四个部分。

从左至右,分别是冬至、分日和夏至日的日出位置。图片来源:http://www.sciencemag.org

时间,在日常生活中的起源就是这么简单。地球人在日复一日的劳动中观察到了很多周期性的运动。太阳东升西落,这是一日,因为地球在周期性自转。月有阴晴圆缺,这是一月,因为月球在绕地球周期性公转。太阳绕完一圈8字形,背景天空上的恒星也回到了原来的位置,这是一年,因为地球和月球一起绕太阳周期性公转。随着科技的发展,地球人学会了利用水滴的滴落、钟摆的摆动、擒纵装置的张弛和铯原子能级跃迁引起的电磁振荡,拥有了更加精确的计量时间的工具。

从物理学的意义上看,地球人庆祝新年的行为似乎毫无根据。过年,实际上是地球人在可以计时的数千亿种周期性运动中选择的一种主观上最易于认知的运动在大约完成一个周期后回到任意指定的初始位置上的标志事件。地球人完全有理由选择其他的时间计量单位。在物理学家看来,每隔31556926秒过一次年,和每秒钟过10^43次年(每一个普朗克时间庆祝一次新年)并无本质区别。其实,新年每时每刻都过。

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“新年并不是每时每刻都可以过,”如果你咨询未来事务管理局常驻古生物学家Ent,他一定会这样一脸严肃地说。“地球人一共也没好好过上几次年。”

过年的概念和农业的起源密不可分。上一次冰期在大约一万年前结束,从此地球进入间冰期,地球人的农业也在这一时期前后开始。而后地球人定居下来,渐渐有了文明。但是,现在的稳定期后不会一直维持下去。在未来的百年间,气候变化将使地球人获取食物的能力受到极大考验;而就算熬过了这一关,数万年后下一个冰期也将到来。

即使地球人熬过了未来所有的气候巨变,时间仍然会把新的难题推送到他们面前。太阳的辐射功率一直在增加,6亿年后将使目前的碳酸盐-硅酸盐循环发展到失控的程度。那时大气中的二氧化碳将大幅下降,大部分光合作用将难以为继。

30亿年之后,太阳的辐射功率逐渐提升到一个新的台阶。地球表面的温度将超过100摄氏度。就连那些几十亿年前就已学会在严酷环境中生存的微生物都难以幸存。

即使地球人足够幸运,熬过了50亿年后仙女座星系和银河系的大碰撞事件,逃过了80亿年后太阳吞没地球,又没遇到物理学家猜测200亿年后可能发生的时空大撕裂,却依然躲不过时间的惩罚。再过100万亿年,宇宙中最后一颗恒星必将熄灭。宇宙重回一片黑暗之中。

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是的,宇宙早期曾经历一段几亿年的黑暗时期。那时,宇宙的大爆炸刚刚熄灭,第一颗恒星还没有点燃,寒冷的宇宙空间中只有氢、氦和少量的锂三种元素组成的乏味尘埃。那时候不可能产生任何生命,因为寻遍宇宙你也找不到一颗碳原子。

几亿年之后,一团比太阳还要重百倍的恒星亮起来了。由于缺乏金属元素,那时的恒星形成速度很慢。就像漆黑的海面刚刚亮起的微弱灯塔,聊以慰藉,却无法照亮海面。第一代恒星很快就熄灭了,它们的核反应熔炉里炼成的金属元素被抛洒到太空中,成为下一代恒星的食粮。

不知经过了几代恒星的冶炼,直到46亿年前,一块各个元素比例恰当、总质量恰好得以长时间保有大气、到新恒星的距离恰好能够允许液态水存在的炉渣形成了。这块炉渣还有成千上万个兄弟姐妹,但它们都没有它这么幸运。

站在几代恒星的遗骸上,一种新的物质形式——生命——诞生了。几十种碳元素形成的微小分子开始进行微弱的化学反应,依靠数千度的低温和交换核外电子产生的几个电子伏特的能量延续了几亿年。

那时的地球在后来的许多生命看来是一座炼狱。大气中根本没有氧气,反而充满了二氧化碳和氮气。那时的生命在现在看来也都是怪胎,它们在高温又充满毒物的环境中怡然自得,却在新的生命利用光合作用产生大量氧气后纷纷中毒灭绝。

就这样,原始的生命一边演化,一边改造地球的环境。经过几十亿年的漫长历程,地球才偶然产生了人类;经过两百多万年的艰苦生存,人类才偶然拥有了文明;又经过数千年的积累和毁灭,人类才偶然发明了科学。当第一个地球人仰望星空时,他已经并不自知地见证了一个伟大的事实:我们所处的时代并不普通。

前不见古人,后不见来者。这是一个弥足珍贵的时代。

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“昨日重现……”

这是几个天文学家在2015年12月16日上传的一篇论文的标题。他们曾经在2014年时在天空中发现四个排列成十字型的亮点。那是一颗遥远的超新星。超新星的星光在路过一团质量巨大的星系团时发生偏折,星系团像透镜一样将发散的星光汇聚起来,让地球人看到四个亮点。

2015年12月11日,天文学家又在8角秒外的天空发现一颗超新星,它的光谱学行为与一年前的四个亮点一模一样。但是他们并未因此感到惊讶——一切都在预料之中。实际上,那就是同一颗超新星的同一次爆发。天文学家之前早已计算出星系团会让星光沿着一条耗时更长的路线偏折,并在大约一年之后观察到超新星的“昨日重现”。

上图和中图中S1, S2, S3, S4组成的十字就是超新星Refsdal。图片来源:http://arxiv.org/abs/1512.04654

这颗超新星爆发的时候,太阳和地球远未诞生。它的星光花了几十亿年的时间穿越宇宙空间,才被地球人的感光设备记录下来。地球人看到的正是它几十亿年之前的样子。所见皆是昨日。

然而,昨日毕竟不可能真正重现。

如果说宇宙中存在两个普适的物理法则,一个是万有引力,另一个就是热力学定律。描述引力的广义相对论融合了空间与时间,而热力学定律明确指出时间与空间的本质不同:当你在四维时空的连续体中四处漫游,熵持续增大的那个方向就是时间流逝的方向。

地球人也懂得用热力学运动计量时间。一袋烟叶燃烧光了,这是一袋烟的时间;一盏茶水变凉了,这是一盏茶的时间;一对情侣的脸上爬满了皱纹,这是一辈子的时间。这样的时间的指向,正是熵持续增大的方向。

熵衡量的是物体微观层面的“混乱”程度。假如一副扑克牌按照花色和大小整齐排列,我们就说它的熵很小。假如一副扑克牌被洗成了完全随机的排列,我们就说它的熵增大了。

将宇宙中的每一个基本粒子都想象成一张扑克牌。这副包含10^90个基本粒子的扑克牌已经持续洗了138亿年,熵越洗越大,你不可能再次将它洗成以前出现过的排列。实际上,宇宙现在的熵可能比我们想象的扑克牌的混乱程度大得多——根据物理学家估计,宇宙的熵大约是10^122——即使你穷尽宇宙中的所有粒子,都无法清晰地将这个数字展示出来。

当我们每时每刻在四维时空连续体中沿着时间方向以光速飞逝时,我们只能通过天然或人造的感光设备来重温昨日的时光。很快,我们也被熵的洪流吞没,成为后人偶尔提及的昨日时光。

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在某些特定的物理理论中,昨日并非不可重现。

如果一个宇宙能被物理学分辨的状态足够模糊,比方说,时间和空间可以划分成普朗克时间和普朗克空间大小的格子;如果宇宙中的物质和能量既不增加,也不减少,也不和外界发生交换;那么这个宇宙可能经历的状态的数目就是有限的,我们就可以将它看作一副牌数有限的扑克牌。

一副由2张牌组成的扑克牌,只要你持续洗上2次,总会有一次排列重复出现。

一副由54张牌组成的扑克牌,只要你持续洗上10^71次,总会有一次排列重复出现。

一个熵等于10^122的孤立宇宙,只要等它持续演化10^(10^122)年,它总会重新回到之前经历过的某个状态。

这是所谓“庞加莱重现定理”的一种表现。假如(注意,是假如)我们的宇宙满足这个定理成立的前提,那么,不论山崩地裂还是海枯石烂,不论星系碰撞还是太阳熄灭,不论黑洞肆虐还是宇宙黯淡,此时此刻都有可能在遥远的未来重现。那时恰好存在一个星系,其中的一颗中年恒星附近恰好围绕着一块幸运的炉渣,炉渣进入间冰期后有一种裸猿恰好拥有了农业、文明和科技,其中一只裸猿恰好要求另一只裸猿写下了同一篇文章。

只是,等待的时间过于漫长,以至于你把10^(10^122)之后的时间单位写成秒或千年都看不出有多少差别。对于宇宙中任何一种运动过程而言,这个时间都漫长得无法理解。

正因为如此,公元2016年1月1日——哪怕它只是一个武断的人为单位——无论如何都是一个值得珍惜的日子。或许昨日不可重现,这个日子是人类短暂历史中独一无二的新篇章的开端。或许这一天正巧是庞加莱重现定理中昨日重现的那个特殊时刻(你不可能分辨是或不是),它真的是值得全体人类共同庆祝的新的开始。(编辑:Ent)

本文首发于《不存在日报》。

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热门评论

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全部评论(35)
  • 1楼
    2016-01-01 01:49 cccp

    2016杀

    [2] 评论
  • 2楼
    2016-01-01 03:26 Ops.Nirvana

    裸猿用了名为中文的语言也是奇迹啊,哈哈哈

    来自 果壳的壳
    [5] 评论
  • 3楼
    2016-01-01 03:54 5美金

    远在庞加莱回归,近在F5与F9之间。

    [13] 评论
  • 4楼
    2016-01-01 03:58 蓑雨吟

    已经是古生物学家了吗

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 5楼
    2016-01-01 08:33 北海牧羊
    引用@Ops.Nirvana 的话:裸猿用了名为中文的语言也是奇迹啊,哈哈哈

    是猴子请来的翻译吗?

    [0] 评论
  • 6楼
    2016-01-01 10:49 有个好头像也很重要

    比朋友圈里的无病呻吟好太多了

    [5] 评论
  • 7楼
    2016-01-01 11:07 D.S.filwaline_Luo

    科学的情怀~

    [2] 评论
  • 8楼
    2016-01-01 12:26 q68257962

    序号用复数是因为复数没全序吗?

    [2] 评论
  • 9楼
    2016-01-01 13:27 官明彦

    地球上太阳一年转个8字形

    就是

    求日一年一发。

    [0] 评论
  • 10楼
    2016-01-01 15:06 donpock

    这是我这些年来看过的最有料的一篇新年文章。

    [2] 评论
  • 11楼
    2016-01-01 15:35 萌萌哒彩色兔

    银河系第三旋臂上的一群碳基生物体们又在庆祝自己的星球完成了一次公转。

    [17] 评论
  • 12楼
    2016-01-01 16:11 tarli152

    对于庞加莱重现定理有一个不明白的地方,一个膨胀的宇宙是否符合庞加莱重现定理的前提?感觉膨胀宇宙必定会冷却至死的说

    [0] 评论
  • 13楼
    2016-01-01 16:25 梦游侠

    那,我们啥时候能到萌王星上过年?

    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 14楼
    2016-01-01 17:00 天降龙虾
    引用文章内容:或许这一天正巧是庞加莱重现定理中昨日重现的那个特殊时刻(你不可能分辨是或不是),它真的是值得全体人类共同庆祝的新的开始。

    而在这一时刻,俺却在无聊地刷着果壳。。。。

    [1] 评论
  • 15楼
    2016-01-01 18:40 Mr.Tech 摄影爱好者,汽车专业学生

    好文采!看过的最漂亮的新年文章了

    [0] 评论
  • 16楼
    2016-01-01 19:15 果壳小满

    每次仰望星空都会感觉到自己的渺小。生命是一系列巧合中的巧合才得以产生,只能称之为奇迹

    [0] 评论
  • 17楼
    2016-01-01 20:06 supersarah

    开始以为哪个巡天计划又发现凌星了..... 后来才发现是在说蓝星人的母星

    [1] 评论
  • 18楼
    2016-01-01 22:48 西泽.贝叶斯
    引用文章内容:一个熵等于10^122的孤立宇宙,只要等它持续演化10^(10^122)年,它总会重新回到之前经历过的某个状态。

    就算重现了,现在的我们,现在的文明,现在宇宙中的一切也被打扫得一干二净,就如同没有存在过一般。

    [0] 评论
  • 19楼
    2016-01-02 02:13 李子李子短信 社科硕士,博物馆爱好者,果壳作者

    好文唉,近期看讲时间讲得最诗意的一篇。

    那么长,那么宏大,那么不可逆。煤渣上的裸猿依旧无药可救。

    不过,“宇宙中穷尽一切粒子”都无法表达的概念,人类能够用数字去轻描淡写地一笔带过,这大概也是一种神奇啰。

    [1] 评论
  • 20楼
    2016-01-02 12:18 瘦哥

    好洗欢这种文风,大赞~(/≧▽≦/)

    [0] 评论
  • 21楼
    2016-01-02 21:46 Uhuru

    赞周期编号

    [0] 评论
  • 22楼
    2016-01-02 21:48 Uhuru
    引用@q68257962 的话:序号用复数是因为复数没全序吗?

    应该是用复平面上的单位圆周来对应周期运动

    [1] 评论
  • 23楼
    2016-01-03 01:06 linbo87

    我表示完全看不懂

    [0] 评论
  • 24楼
    2016-01-03 10:03 青ing鸟

    小编真有才华

    [0] 评论
  • 25楼
    2016-01-03 11:39 rrrrr5r

    因为每个复杂原子都是恒星里产生的,所以可以说我们都是由星尘(star dust)组成的;当然炉渣也完全合乎逻辑...

    祝各位看这篇文章看的很high的裸猿此刻愉快,要凑齐这么一群裸猿也得弄个122次方神码的,颇为不易。

    [1] 评论
  • 26楼
    2016-01-03 13:52 finaljoy

    所以说下辈子我还是只有1个老婆

    [0] 评论
  • 27楼
    2016-01-04 03:31 盗梦失

    大赞我 庞加莱重现定理!!

    [0] 评论
  • 28楼
    2016-01-04 09:07 大头米少
    引用文章内容:在物理学家看来,每隔31556926秒过一次年,和每秒钟过10^43次年(每一个普朗克时间庆祝一次新年)并无本质区别。其实,新年每时每刻都过。

    看到这段我就觉得是谢耳朵的即视感,然后我回头看到了作者的名字和头像。果然……

    [2] 评论
  • 29楼
    2016-01-04 23:31 boansmith_47395

    I just wanna say, there are no accidents, neither the appearance of human beings.

    [0] 评论
  • 30楼
    2016-01-05 12:11 没皮儿大饺子
    引用文章内容:其中一只裸猿恰好要求另一只裸猿写下了同一篇文章

    简直笑喷了,求写文章裸猿心理阴影面积!

    @Sheldon

    [0] 评论

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Sheldon
Sheldon 理论物理博士,科学松鼠会成员

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