这次平衡的打破，塑造了世间万物

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这次平衡的打破，塑造了世间万物
                               
                                现代宇宙学表明，宇宙在诞生初期具有惊人的简单性和均匀性。系外行星的发现则揭示出了当前宇宙的复杂性与多样性。
                               
                               



第21回 | 19年的诺贝尔物理学奖意义深远


撰文 | 弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）
翻译 | 胡风?梁丁当

2019年的诺贝尔物理学奖颁给了詹姆斯·皮布尔斯 （James Peebles）、米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）。其中，皮布尔斯因对宇宙物理理论的贡献独享一半奖金，而马约尔和奎洛兹因为发现了绕着类日恒星运动的太阳系外行星而共享另一半奖金。

这些方向的研究从不同的角度帮助我们认识宇宙以及地球在宇宙中的位置。现代宇宙学表明，宇宙在诞生初期具有惊人的简单性和均匀性。系外行星的发现则揭示出了当前宇宙的复杂性与多样性。两者的对比引发出一个很大的疑问：宇宙的复杂性是如何从均匀性中产生的？

在宇宙历史的初期，所有的物质都处于一种高温、致密、 近乎均匀的状态，并且迅速膨胀。这是标准宇宙大爆炸模型的核心思想。它能够解释许多天文观测结果，包括遥远星系远离我们的速度，以及不同化学元素的相对丰度。

尤其值得一提的是，该模型预测宇宙中还残存着大爆炸的余晖，即充满了整个宇宙空间的微波背景辐射。所以不出意外，这个余晖被观测到了，为我们展示了早期宇宙的概貌。皮布尔斯将这些证据结合起来，构建出一个连贯的宇宙历史框架，阐明了它们是如何影响星系的大小、形状和分布的。

充盈着早期宇宙的炽热气体的分子运动与化学组成完全是随机的，非常接近物理学家们称之为“ 完全热平衡”的状态。一般来说，当系统达到了热平衡后，就会一直处于这个态：始终保持一种均匀单调的状态，不会衍生出任何结构乃至生命。

幸运的是，我们的宇宙逃脱了这种悲惨的命运。在万有引力对广袤时空的作用下，均匀态不再稳定，物质更加倾向于聚集在一起。于是，在引力的作用下，高度均匀的宇宙逐渐四分五裂开来，形成了巨大的类云状结构。



刚开始，这些云还很稀薄飘渺。随着时间的推移，其中的物质在引力的持续影响下进一步发生凝聚。宇宙因而逐渐演化成今天的形态——在广袤、虚无的宇宙空间中零星散落着一个个星系，其中分布着恒星和行星。

构成行星的物质温度较低，密度较高。它们继续在一个新的层次上进行分化并衍生出更多的形式——形成复杂的化合物，甚至是形成智慧生命。由于行星相对较小，本身又不发光，我们很难从遥远的距离探测到它们的存在。马约尔和奎洛兹开创了系外行星探测技术的先河。从此以后，系外行星的探索不再只是科幻小说的情节。它迅速兴起为一个蓬勃发展的、由数据驱动的科技领域。

我们现在这个复杂宇宙大概就是这样形成的。人类已经建立了标准宇宙学来描述这一过程，虽然还有许多关键的细节尚待填补，但它的基本内容是很清晰并被广泛接受的，即从简单的初始状态按照简单的定律演化出丰富的复杂性，需要漫长的时间和大量的物质（也许不需要其他任何条件）。谢天谢地，我们的宇宙在这两方面都很丰富。