普通天文学/宇宙简史
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自古以来，人类一直对创造感到着迷。我们以及我们所居住的宇宙来自哪里？在《梨俱吠陀》中，有人提出，在创造之前，既没有存在，也没有不存在。拉丁语短语“ex nihilo nihil fit”（“无中不能生有”）概括了人类目前关于起源的看法。
《古兰经》中包含以下关于宇宙起源的经文：“难道不信道的人没有看见，天地本来是连在一起的，然后我们才使它们分开吗？” [古兰经 21:30]
几千年来，科学家们已经考虑了许多可能性。宇宙是突然“发生”的吗？……它是由上帝快速创造的吗？……它一直存在吗？……或者它是否处于持续的创造状态，即使是现在？
就像我们可以使用尺寸尺度来粗略比较宇宙中物体的尺寸一样，我们也可以使用时间尺度来比较事件发生的持续时间。例如，哈雷彗星绕太阳运行一周大约需要 75 年，所以我们可以说哈雷彗星轨道周期的时间尺度与人类寿命的时间尺度大致相同。
宇宙在空间上很大，但在时间上也很大。宇宙的年龄似乎是 137 亿年。就像巨大的空间尺度一样，对于一个寿命远小于 140 亿年的人来说，难以想象 140 亿年的跨度。为了更好地理解非常长的时间尺度，我们可以将宇宙年龄这样的长时间段“压缩”成更短的时间段，比如人类的一生。
一个典型的人大约会活 80 年。这意味着地球将在一个人的平均寿命中绕太阳运行 80 圈。人类生命的时间尺度和人类历史的时间尺度远小于宇宙变化的时间尺度。天文学家通过研究宇宙存在的短暂瞬间，了解了宇宙整体是如何形成的。为了更清楚地了解宇宙时间尺度的相互关系，让我们考虑一位假想的宇航员，他的生命“延伸”到宇宙的整个历史。
如果人类的寿命远远长于现在，地球绕太阳运行的轨道可能太快，无法成为衡量年龄的有用方式。相反，从更慢的事物中衡量时间可能更实用。太阳绕银河系运行一周需要 2.3 亿年。这意味着“银河年”将比普通年份长 2.3 亿倍。
假设我们的古老宇航员的寿命是 80 个“银河年”，而不是 80 个普通年。这样，宇航员将有足够长的寿命来目睹发生在宇宙时间尺度上的事件，而不是人类时间尺度上的事件。宇航员的生活以极慢的速度进行。他的成长和行动被减缓了 2.3 亿倍。以这种速度，宇航员仅仅眨眼就需要 4 个普通月。
天文学家推测，宇宙在开始时非常小、很热、很稠密。从那时起，它一直在膨胀和冷却。最初，宇宙几乎完全包含氢气和氦气。宇宙非常均匀，没有星系、恒星或行星。我们将主角的出生时间定为大爆炸的时间。
我们的宇航员太年轻，不记得大爆炸后宇宙的早期发展。当宇航员只有两岁时，原子已经在宇宙中形成，宇宙已经冷却到足以让结构开始在均匀地充满整个空间的气体中形成。请记住，这位假想的长寿宇航员的时间度量要慢得多——对宇航员来说是两天，相当于普通时钟上的 100 万年。虽然 100 万年似乎是一个极其漫长的时间，但这只是宇宙历史的一小部分。
我们的宇航员最早的童年记忆将包括第一批恒星和星系的形成，这些形成开始于宇航员大约 5 个“银河年”大时。星系将在宇航员的青少年时期继续形成和发展，那时宇宙已经有数十亿年的历史了。如今，星系仍在不断演化和变化。
关于宇宙是如何形成的，有两种学说：“自上而下”和“自下而上”。“自上而下”理论认为，大爆炸后首先形成大型星团，这些星团后来分解成恒星和星系。“自下而上”理论则认为，物质最初在大爆炸中相当均匀地分散，后来聚集在一起形成恒星和星系。哈勃深空场照片的最新数据似乎支持了“自下而上”理论。这些照片显示了来自 110 亿光年之外的年轻星系。这些来自宇宙早期历史的年轻、小型星系，支持了大型结构是由小型结构形成的理论。这些星系看起来像是模糊的蓝色斑点，具有模糊的螺旋结构，跨度为 2000 到 3000 光年。
生命的出现需要一个重要的条件，那就是重元素。由于在大爆炸期间只形成了氢气和氦气，比它们重的所有元素都必须在之后的恒星中形成。这些其他元素——周期表上所有的元素——都是在恒星中形成的。
恒星利用氢气和氦气等轻元素作为燃料。就像核弹一样，它们利用原子的力量来获取能量。然而，恒星与核弹不同，大多数核弹从钚和铀等重原子中获取能量。在核弹中，能量来自将重元素转化为轻元素。这个过程被称为裂变。在恒星中，能量来自将轻元素转化为重元素。这个过程被称为聚变。宇宙中比氢气和氦气重的所有物质都是由恒星中的聚变产生的。
一颗普通的恒星可以制造许多元素，尤其是对生命最重要的元素。但它不能制造所有的元素；它不能制造任何比铁更重的元素。更重的元素是在超新星中产生的。当一颗大质量恒星到达生命尽头时，就会发生超新星爆发。超新星非常亮，也非常热。这就是宇宙中最重的元素形成的地方。
制造岩石行星所需的所有物质都是在恒星中产生的，其中一些是在超新星中产生的。这意味着，在恒星经历完其生命周期并变成超新星之前，行星不可能存在。然后，这些物质会被喷射回太空，并形成一颗新的恒星，可能还会形成行星。这也意味着，世界上的所有事物，包括你，都来自一颗恒星。正如天文学家卡尔·萨根所说，“我们都是星尘”。
太阳和地球大约在 45 亿年前形成，那时我们长寿的宇航员已经 37 个“银河年”大了。太阳系的形成速度相对较快，我们的太阳系可能只用了大约 1 亿年。太阳和行星都是由银河系中的一团稀薄气体形成的，这些气体凝结并合并。发生这种情况后，地球变得非常热。它是一个完全熔化的岩石球体，并且已经完全融化，其稠度类似于水。当然，在非常年轻的地球上不可能存在生命。
然而，地球上的条件很快变得适合生命。为了使我们碳基生命类型发展起来，一个星球需要有
- 有机物（构成 DNA 的物质），
- 液态水，
- 能量来源，以及
- 合适的温度。
地球在早期历史中就具备了所有这些条件。科学家不确定生命第一次出现在地球上的时间，但一些证据表明最早的生命可以追溯到 35 亿年前，那时我们的宇航员已经 47 个“银河年”大了。
证据表明，生命在年轻的地球上满足了必要条件后几乎立即出现，但这个新星球的第一个居民没有表现出强烈的演化成更高级生命形式的倾向。在原始的单细胞微生物进化成多细胞生命之前，又过了 20 亿多年。然而，一旦它进化出来，高级生命就迅速占据主导地位。这段生命复杂性快速发展时期被称为寒武纪生命大爆发。
寒武纪生命大爆发发生在我们的宇航员 56 个“银河年”大时。在我们的减缓的宇宙时钟上，已经过去了 10 年。这段历史时期，从某种意义上来说，是地球上智慧发展中最深刻的一步。
自寒武纪生命大爆发以来，地球上发生了很多有趣的事情。当原始的多细胞生物进化成恐龙时，我们的宇航员仅仅老了一岁。与之相比，恐龙的复杂程度和进化程度都难以置信地高。我们现在已经进入近代，因为恐龙的出现距离我们宇航员生命的这一刻仅仅 12 个月。
我们现在可以看出，我们必须占据宇宙时间轴中非常小的一部分。根据什么标准，恐龙时代可能被认为是最近发生的？根据宇宙标准。恐龙在 地球上的停留时间很短。它们在 6500 万年前消失了，或者按照宇航员的时钟来说，是 4 个月前。这给了哺乳动物崛起的机会，并占据主导地位。
按照我们的宇航员的时钟，第一个人类出现在地球上仅仅8 小时前。文明只占这段时间的一小部分。第一个文字系统和第一个文明的证据可以追溯到 6000 年前，或者按照我们的宇航员的时钟来说，是 15 分钟前。在宇宙的寿命中，所有的文化和所有书面历史都可以容纳在一次咖啡休息时间里！
当我们与宇宙的时间尺度相比时，与人类寿命更接近的时间段变得更加微不足道。仅仅是在最近，人们才开始尝试用我们今天所理解的方式用科学来了解世界。这些最早的科学家，他们认为观察和实验是对宇宙本质的最终解释，他们仅仅生活在四百年前，或者在我们宇宙时钟上的仅仅一分钟前。
当我们逐渐接近现在，我们的生命似乎也越来越短暂。我们的社会、文化和思想究竟能持续多久？只有时间才能证明。按照目前的速度，社会似乎很快就会发生某些事情，以阻止其退化。
我们对地球在未来一千年内会发生什么所知甚少，更不用说未来一百万年或十亿年了。与此同时，银河系将继续按照其正常轨道运行，这个轨道恰好直指与最近的星系在约 12 个“银河年”内发生碰撞。这不太可能成为地球的灾难，正如它可能出现的那样——星系合并期间任何恒星之间的碰撞实际上都极其不可能发生。太阳系将在碰撞后的余波中诞生的新星系中找到自己的位置。
从现在起五十亿年后，太阳将耗尽其燃料并死亡。此时，大约在宇宙大爆炸后 200 亿年，这位长寿的天文学家将迎来 80 岁。太阳死亡后，地球将不再适合生命生存，太阳系将变得相当荒凉。宇宙整体将在太阳和我们的天文学家都死亡很久之后继续存在，但它也将缓慢地走向死亡，最终随着不断膨胀而变得寒冷和空旷。
回顾宇宙的尺度，看到人类在空间和时间上的微不足道的地位，人们可能会怀疑科学是否为人类描绘了一幅黯淡、令人沮丧和绝望的画面。有些人会这么说，而另一些人则在宇宙的宏伟和壮丽中找到慰藉，以及未来可能带来的可能性。就目前而言，人类在这个混乱而广阔的宇宙中的未来仍然不确定。
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| 宏观图景 | 宇宙简史 | 科学记数法 |
| 事件 | 真实时间尺度 | 压缩时间尺度' |
|---|---|---|
| 结构形成开始 | 大爆炸后 100 万年 | 2 天 |
| 最早的恒星和星系形成 | 大爆炸后 20 亿年 | 6 年 |
| 太阳和地球形成 | 大爆炸后 90 亿年 | 37 年 |
| 地球上生命的第一批迹象 | 大爆炸后 100 亿年 | 47 年 |
| 地球上的高级生命形式 | 5 亿年前 | 57 年 |
| 第一批恐龙 | 2.3 亿年前 | 58 年 |
| 恐龙灭绝 | 6500 万年前 | 4 个月前 |
| 人类出现 | 20 万年前 | 8 小时前 |
| 文字的出现 | 6000 年前 | 15 分钟前 |
| 现代科学思想 | 400 年前 | 一分钟前 |
| 现在 | 大爆炸后 137 亿年 | 59 年 |
| 人类寿命 | 80 年 | 十秒钟 |
| 银河系与仙女座星系碰撞 | 大爆炸后 170 亿年 | 71 年 |
| 太阳死亡 | 大爆炸后 200 亿年 | 80 年 |