恒星誕生于星云。只需要灰塵、氣體和萬(wàn)有引力即可創(chuàng)造出一顆恒星。自恒星誕生，萬(wàn)有引力不斷內(nèi)壓、氫原子核聚變?yōu)楹ぴ訐p失能量向外膨脹，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，直到氫原子消耗殆盡。

如太陽(yáng)，在生命的最后階段，核聚變將在萬(wàn)有引力的壓迫下發(fā)揮最后的威力，氦原子聚變?yōu)樘荚樱?yáng)迅速膨脹為一顆紅巨星，接著變?yōu)榘装?，一顆巨大的鉆石懸于天際，可惜地球的人再也看不見(jiàn)了。

而比太陽(yáng)更大的恒星，在死亡的時(shí)候卻能孕育出生命。碳原子聚變?yōu)殍F原子，鐵原子無(wú)法再聚變，恒星宣告死亡，同時(shí)爆炸形成超新星，超新星爆炸才能使鐵原子變成金、鉑等重金屬，同時(shí)把內(nèi)部的其他元素噴射到宇宙中。

宇宙誕生伊始的超大超大恒星，能形成超超新星，超超新星爆炸產(chǎn)生伽瑪射線和黑洞，黑洞是星系的中心。

死亡的恒星們?cè)炀土颂?yáng)、太陽(yáng)系，以及我們。也許你來(lái)自一顆恒星，而你的愛(ài)人來(lái)自另一顆恒星。我們一起仰望星空，一顆明亮的星星，它的光早在地球有人類前已經(jīng)發(fā)出，確才剛剛到達(dá)。

然而這璀璨的宇宙將在氫原子耗盡后，再也無(wú)法誕生恒星，已有的恒星會(huì)一顆顆熄滅，宇宙重回寂靜。

當(dāng)然，人類可能看不到宇宙的盡頭，甚至看不到太陽(yáng)系的盡頭，天王星和冥王星有可能是被從太陽(yáng)附近推到遠(yuǎn)方，在巨大木星的庇護(hù)下我們才免于彗星和其他不速之客的騷擾，地球隨時(shí)有可能因?yàn)榕鲎捕鴼缁蛎撾x軌道，哪怕地球仍在，大氣層的消失也會(huì)讓文明終結(jié)。

所以，能看見(jiàn)漫天星辰的我們是多么幸運(yùn)，來(lái)自星辰而又終歸于星辰，我們消失于斯，而組成我們的原子億年后又重逢于另一顆恒星、或者行星或者黑洞里。

而宇宙呢，大爆炸后能量產(chǎn)生物質(zhì)，物質(zhì)與反物質(zhì)對(duì)戰(zhàn)，就像上帝和撒旦，最終幸存的物質(zhì)形成了宇宙。不斷膨脹的宇宙按照哈勃定律，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系退行速度越快，太陽(yáng)系終將孤獨(dú)的存在直到消失，宇宙也許會(huì)膨脹到消失，也許會(huì)重新收縮，重新爆炸。

周而復(fù)始、此謂長(zhǎng)生。

有時(shí)在夢(mèng)中，在突然而至的虛空和幻覺(jué)里，我所感受到的那種燃燒、那種茫茫然不知所終的沖撞，現(xiàn)在看來(lái)說(shuō)不定是我們還是一顆恒星的內(nèi)部物質(zhì)時(shí)，所負(fù)載的記憶??！我們?nèi)祟悾褪篱g萬(wàn)物，和廣袤無(wú)垠的宇宙中不可計(jì)數(shù)的星塵，原本是一體的啊……宇宙是一首憂傷的詩(shī)，所有的恒星都會(huì)消亡，宇宙最終會(huì)走向冰冷和黑暗，而我們，正活在宇宙的黃金時(shí)代。

1.恒星

我們的太陽(yáng)只是銀河系超過(guò)1000億顆恒星中微不足道的一顆，論大小也是微不足道——參宿四是太陽(yáng)的1500萬(wàn)倍大，大犬座VY星（人類截止2010年發(fā)現(xiàn)的最大恒星）比太陽(yáng)大10億倍。

恒星起源于塵埃和氣體構(gòu)成的星云——萬(wàn)有引力將他們吸入一個(gè)巨大的漩渦，中心的氣體被壓縮成濃密而熾熱的球體，氣流從中央噴涌而出；隨著壓力的增加，中央不斷吸收著塵埃和氣體，它們互相擠壓產(chǎn)生更多熱量，經(jīng)過(guò)50多萬(wàn)年的演變，中央年輕的恒星越來(lái)越小而亮，氣體原子開(kāi)始在1500萬(wàn)華氏度的高溫下發(fā)生聚變——恒星由此誕生。驅(qū)動(dòng)恒星的能源也來(lái)源于萬(wàn)有引力——引力壓縮恒星使其產(chǎn)生能夠激發(fā)核聚變的高溫，同時(shí)也跟核聚變產(chǎn)生的向外的爆發(fā)力形成了動(dòng)態(tài)平衡。

光子從太陽(yáng)內(nèi)部逃逸到太陽(yáng)表面需要成千上萬(wàn)年的時(shí)間（會(huì)跟其他原子發(fā)生碰撞）。巨大的磁環(huán)在恒星表面發(fā)生碰撞，釋放的能量讓溫度猛增，激發(fā)了太陽(yáng)風(fēng)，將帶電粒子噴射到宇宙中，會(huì)對(duì)飛船和衛(wèi)星造成有害影響。

恒星內(nèi)部的氫元素逐漸消耗，核聚變速度放緩，萬(wàn)有引力向內(nèi)壓縮的能量占了上風(fēng)，但是聚變讓恒星外層升溫，使恒星膨脹成為紅巨星。紅巨星持續(xù)膨脹，最后從內(nèi)到外逐漸崩潰，只剩下一個(gè)熾熱致密的內(nèi)核。此時(shí)的恒星進(jìn)入了進(jìn)入白矮星階段，已不再進(jìn)行核聚變。白矮星密度很高，內(nèi)核是一顆巨大的純碳晶體——巨大的鉆石。比太陽(yáng)質(zhì)量大10倍的恒星（如參宿四）在產(chǎn)生鐵元素后會(huì)引發(fā)超新星爆炸。爆炸將新的元素噴射到宇宙中，而這些較重的元素（氫碳氧硅鐵等）正是生命誕生的源泉，這些星塵會(huì)產(chǎn)生新的恒星和行星；爆炸還會(huì)留下恒星的殘骸，即密度極高的中子星。

We live in the age of stars, but it will come to an end. 當(dāng)宇宙中的氫元素都消耗光后，將不會(huì)有新的行星誕生；而原有的恒星會(huì)逐漸熄滅，宇宙將重新回到黑暗當(dāng)中。

恒星的誕生

恒星的消亡——從紅巨星到白矮星

2.黑洞

黑洞密度極高——相當(dāng)于把地球壓縮到一個(gè)高爾夫球那么大。當(dāng)一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)100倍的恒星消亡時(shí)，引力使恒星坍縮，在內(nèi)部形成黑洞，在極短的時(shí)間內(nèi)從內(nèi)到外吞噬了整個(gè)恒星，并產(chǎn)生兩束強(qiáng)烈的伽馬射線爆——幸好這種猛烈的爆發(fā)通常發(fā)生在銀河系外部——這就是黑洞的誕生過(guò)程（理論之一）。因此，科學(xué)家們可以通過(guò)觀測(cè)宇宙中的伽馬射線爆發(fā)來(lái)估計(jì)宇宙中新生黑洞的數(shù)量。

黑洞的邊界稱為“事件視界”[Event Horizon]，外部的觀測(cè)者永遠(yuǎn)無(wú)法看到物體（比如一個(gè)錢包）墜入黑洞通過(guò)視界的過(guò)程，從外面看，錢包墜向黑洞的速度越來(lái)越慢最后停留在了視界邊緣。而實(shí)際上，錢包可能會(huì)墜向其中心“奇點(diǎn)”——在這里一切現(xiàn)有的時(shí)間和空間的概念都失去了意義。

大多數(shù)星系都圍繞著其中心的超大黑洞旋轉(zhuǎn)，包括銀河系和我們的鄰居仙女座星系。這些超大質(zhì)量的黑洞可能是宇宙誕生之初形成的——黑洞互相吞噬、吸收周圍物質(zhì)，變得越來(lái)越大，周圍吸引了無(wú)數(shù)塵埃和氣體，從中誕生了恒星和行星，形成了最初的星系。物質(zhì)在快速落向中心黑洞的過(guò)程中以類似“摩擦生熱”的方式釋放出巨大的能量，形成了類星體——宇宙中最耀眼的天體。 黑洞吸收氣體，而類星體噴射氣體——每分鐘可以吹走相當(dāng)于十個(gè)地球的物質(zhì)。誕生恒星的氣體用盡后，星系會(huì)停止生長(zhǎng)，類星體噴射會(huì)減弱停止，因此一個(gè)星系能形成的最大規(guī)模和中心黑洞的質(zhì)量密切相關(guān)。

補(bǔ)充：2019年科學(xué)家們首次發(fā)布了黑洞的照片。

EHT此次公布的發(fā)現(xiàn)，來(lái)自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞會(huì)在周圍吸積氣體的輻射構(gòu)成的“背景墻”上投下一個(gè)剪影。之所以會(huì)形成這樣一個(gè)“陰影”，是因?yàn)楹诙磿?huì)把從它背后發(fā)出并射向觀測(cè)者的光線全部吞噬。與此同時(shí)，從黑洞背后發(fā)出又剛好擦過(guò)視界的其他光線，會(huì)使“陰影”周圍增亮而形成一片明亮區(qū)域。強(qiáng)大的引力透鏡效應(yīng)會(huì)彎折光線，就連處在黑洞正后方的物質(zhì)發(fā)出的光線，都能被彎折到黑暗區(qū)域的周圍貢獻(xiàn)一部分“光亮”。

由此產(chǎn)生的黑色剪影就是所謂的“黑洞大頭照”——在這張照片上，黑洞完全是一團(tuán)漆黑，可謂名副其實(shí)。這個(gè)陰影不會(huì)是一個(gè)對(duì)稱的圓盤，這主要是因?yàn)橹車鷼怏w的旋轉(zhuǎn)速度極高，幾乎要接近光速。如此高速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)發(fā)出的輻射會(huì)發(fā)生多普勒頻移，輻射方向也會(huì)向物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方向匯聚而形成一個(gè)狹窄的光錐。因此，在旋轉(zhuǎn)氣體朝向我們運(yùn)動(dòng)的一側(cè)，輻射會(huì)大大增強(qiáng)，而在背向我們運(yùn)動(dòng)的另一側(cè)，輻射會(huì)大幅減弱。這樣一來(lái)，出現(xiàn)在圓盤狀黑暗剪影周圍的就不會(huì)是一個(gè)完整的亮環(huán)，而是一個(gè)新月?tīng)盍粱?。只有在我們的視線恰好與吸積盤旋轉(zhuǎn)軸重合的情況下，這樣的不對(duì)稱才會(huì)消失。

星系誕生之初的類星體噴射

M87黑洞照片

3.大爆炸

宇宙大爆炸前是一片虛無(wú)嗎？我們只知道，奇點(diǎn)爆發(fā)后，我們熟知的宇宙才開(kāi)始形成，時(shí)間和空間也在那之后才有了意義。大爆炸發(fā)生后的幾個(gè)普朗特時(shí)間內(nèi)的純粹能量爆發(fā)，其速度比光速還要快（一秒內(nèi)的普朗克時(shí)間的數(shù)量是一年的秒數(shù)乘以宇宙的壽命137億年）。

宇宙中的物質(zhì)都是由大爆炸時(shí)爆發(fā)的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的（E=MC2）——不僅形成了物質(zhì)，還形成了反物質(zhì)。在這兩者互相湮滅的戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，多出來(lái)的那部分物質(zhì)形成了我們今天的宇宙。

在宇宙剛爆發(fā)的幾個(gè)普朗克時(shí)間內(nèi)，它還是一鍋炙熱混亂的亞原子濃湯；后來(lái)溫度逐漸下降，原子開(kāi)始形成。一開(kāi)始形成的元素是氫，三分鐘后開(kāi)始形成氦和鋰。 隨著宇宙膨脹、冷卻，離子和電子幾乎在瞬間復(fù)合形成中性粒子，從此光子開(kāi)始在宇宙中暢通無(wú)阻，而不是不斷被等離子體散射。這一事件稱為光子退耦，宇宙在這一刻突然變得透明，此時(shí)宇宙的年齡是38萬(wàn)年。光子退耦時(shí)從混沌中走出來(lái)的光子，就帶著創(chuàng)世的信息，一直穿行在宇宙中，直到撞上人類的探測(cè)器。這種輻射就是“宇宙背景輻射”，就像大爆炸的遺產(chǎn)，所以又被稱為或者“遺留輻射”。2003年，美國(guó)發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測(cè)器對(duì)宇宙微波背景在不同方向上漲落的測(cè)量表明，宇宙的年齡是137±1億年，在宇宙的組成成分中，4%是一般物質(zhì)，23%是暗物質(zhì)，73%是暗能量。宇宙目前的膨脹速度是每秒71公里每百萬(wàn)秒差距，宇宙空間是近乎于平坦的，它經(jīng)歷過(guò)暴脹的過(guò)程，并且會(huì)一直膨脹下去。

普朗克衛(wèi)星繪制的宇宙微波背景輻射圖

4.星系

我們的銀河系約120億歲，其直徑超過(guò)10萬(wàn)光年。隔壁的仙女星系直徑超過(guò)20萬(wàn)光年；而迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大星系直徑超過(guò)600萬(wàn)光年。銀河系和仙女星系都是處女座超星系團(tuán)的一部分。

星系中心一般有超大質(zhì)量的黑洞，驅(qū)動(dòng)周圍的恒星圍繞它旋轉(zhuǎn)。但計(jì)算顯示，僅憑黑洞是無(wú)法使星系聚集成形的，暗物質(zhì)可能也在其中起到了關(guān)鍵作用。

暗物質(zhì)可以通過(guò)引力透鏡效應(yīng)被間接觀察到——例如觀測(cè)星空時(shí)一些星系圖像出現(xiàn)了扭曲，那正是其光線受到了暗物質(zhì)的引力影響。

當(dāng)我們開(kāi)始以完整規(guī)模觀察宇宙時(shí)，發(fā)現(xiàn)了宇宙絲狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)絲狀結(jié)構(gòu)中都包括了數(shù)百萬(wàn)個(gè)星系團(tuán)，被暗物質(zhì)束縛在一起。暗物質(zhì)就像膠水一樣維持著整個(gè)宇宙的構(gòu)造。而暗能量是一種將宇宙中的物質(zhì)向彼此推開(kāi)的力，將其他星系推得離我們?cè)絹?lái)越遠(yuǎn)。

星系不僅會(huì)隨時(shí)間變化，還會(huì)移動(dòng)。兩個(gè)星系可以發(fā)生碰撞和融合。50億或60億年后，銀河系也會(huì)和仙女星系發(fā)生碰撞；雖然恒星之間直接撞擊的幾率幾乎相當(dāng)于0，但它們之間的氣體塵埃會(huì)升溫燃燒，使碰撞的星系發(fā)出白熱的光芒。經(jīng)過(guò)一場(chǎng)星系碰撞的雙人舞后，兩個(gè)星系會(huì)逐漸融合成一個(gè)橢圓星系。

5.太陽(yáng)系

太陽(yáng)系的行星誕生于由塵埃氣體組成的巨大碟狀物。真空中的宇宙塵埃會(huì)發(fā)生碰撞，粘在一起成為更大的塵埃粒子，越滾越大最終形成行星。

46億年前的太陽(yáng)系十分動(dòng)蕩，數(shù)百個(gè)行星互相碰撞，有些成為碎屑，有些會(huì)融合成更大的行星。月球就是其他星體撞擊地球時(shí)產(chǎn)生的碎屑聚集而成的。粉碎的新生行星最終形成了小行星帶——大多數(shù)撞擊都發(fā)生在太陽(yáng)系內(nèi)圈層（水金地火）。太陽(yáng)系外層的行星都是氣態(tài)行星（或冰巨星），由巖石（或冰）核心形成后，氣體在其周圍聚集形成。再往外是科伊伯帶，由圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的冰塊和小行星組成（冥王星屬于其中的矮行星）。距離太陽(yáng)約一光年的奧爾特星云是太陽(yáng)系的邊界。

海王星可能在誕生時(shí)比天王星更靠近太陽(yáng)，它們受到了土星和木星的引力疊加影響（土星繞太陽(yáng)一周的時(shí)間恰好是木星的兩倍）而變化了軌道。

形成行星的星云碟狀物旋轉(zhuǎn)殘留的動(dòng)量讓所有的物質(zhì)圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，直至如今。離太陽(yáng)越遠(yuǎn)公轉(zhuǎn)周期越長(zhǎng)——海王星繞太陽(yáng)一圈要164年。幸運(yùn)的是，我們太陽(yáng)系的行星圍繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道都近似圓形，因此能維持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

太陽(yáng)系的行星軌道可能依然會(huì)發(fā)生變化，互相發(fā)生碰撞。但不管怎么說(shuō)，50億年內(nèi)，太陽(yáng)會(huì)燃盡燃料變成紅巨星，升溫膨脹并吞沒(méi)內(nèi)層行星（包括地球）。最終，紅巨星也會(huì)逐漸崩潰，只剩下一個(gè)小小的恒星殘骸——白矮星。內(nèi)層行星的殘骸會(huì)繼續(xù)圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)，而外側(cè)的氣態(tài)行星依然保持完好。

6.行星

Watching documentaries about universe always makes me sentimental. There a lot of thoughts slide across my head, here are just some of these.

Now we know, the sun is going to swallow us all in about 5billion years, one way or another, our solar system is doomed. But that length of time is so long that it doesn't mean anything when we focus on the Individual, like you and me. We only live 80years averagely, 120years at most, so we don't need to bother about what would happen in 5billion years. Maybe we would invent some technology to get us out of the apocalypse. Maybe we would kill each other in the last few decades.

Anthropic Principle tells us everything has to be the way it is, or we can not exist at all, not to mention to explore the way how universe works. We should thank how lucky we are that everything is the way it is. But we don't in real life, maybe we don't even realize this fact.

There are almost infinite stars in the galaxy, there are almost infinite galaxies in the universe. It's way out of my imagination to portray the whole known universe. Apparently I can't live to that day when we make travel through galaxies possible and a feeling of sadness surges up.

寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟。

哀吾生之須臾，羨長(zhǎng)江之無(wú)窮。

挾飛仙以遨游，抱明月而長(zhǎng)終。

知不可乎驟得，托遺響于悲風(fēng)。

首先我明白這種片子是接受贊助的，也明白它有少量的宣傳意味。而視覺(jué)震撼+科學(xué)家講述+航天器展示，也確實(shí)是一個(gè)套路。

即便如此我仍然深深地懷疑自己以前到底接收了多少錯(cuò)誤認(rèn)知，盡管我自詡獨(dú)立思考、批判性思維、一貫反叛。

網(wǎng)上很流行的一種觀點(diǎn)說(shuō)美蘇太空競(jìng)賽結(jié)束以后，NASA經(jīng)費(fèi)大減導(dǎo)致航天事業(yè)停滯。很奇怪我竟然對(duì)此觀點(diǎn)照單全收，完全沒(méi)有質(zhì)疑。

經(jīng)費(fèi)真的是越多越好的嗎，就像軍費(fèi)一樣？如何花錢是你三言兩語(yǔ)就能評(píng)價(jià)的，難道美國(guó)議員就這么低能嗎？這還僅僅是簡(jiǎn)單的無(wú)腦反駁。

真正的經(jīng)費(fèi)使用效率顯然需要科學(xué)評(píng)估，甚至不是商業(yè)評(píng)估。在這方面中文互聯(lián)網(wǎng)的討論一貫保持低水準(zhǔn)，比如關(guān)于加速器建設(shè)的討論。

NASA的許多項(xiàng)目都在物理學(xué)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，以下是一些特別重要的項(xiàng)目，這個(gè)列表并不嚴(yán)格按照貢獻(xiàn)大小進(jìn)行排名：

1. 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope）：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果對(duì)我們理解宇宙膨脹，暗物質(zhì)和暗能量等關(guān)鍵物理問(wèn)題產(chǎn)生了重要影響。
2. 科學(xué)任務(wù)指令辦公室（Science Mission Directorate）：在天體物理學(xué)和太陽(yáng)物理學(xué)領(lǐng)域，該辦公室的各項(xiàng)工作推動(dòng)了我們對(duì)這些復(fù)雜系統(tǒng)的理解，包括黑洞，中子星，恒星和太陽(yáng)風(fēng)等。
3. 激光干涉米波引力波天文臺(tái)（LIGO）：盡管NASA并非LIGO的主要運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)，但它在其中扮演了一定的角色。LIGO的重要性在于，它是首個(gè)直接探測(cè)到引力波的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，從而確認(rèn)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的關(guān)鍵預(yù)言。
4. 費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）：費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡為我們理解高能粒子物理，包括伽馬射線暴，活動(dòng)星系核和脈沖星等現(xiàn)象提供了重要數(shù)據(jù)。
5. 旅行者計(jì)劃（Voyager Program）：旅行者1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器提供了人類首次獲得的關(guān)于太陽(yáng)系以外空間環(huán)境的直接信息，對(duì)研究太陽(yáng)物理和星際介質(zhì)物理非常重要。
6. 重力探測(cè)器B（Gravity Probe B）：這個(gè)項(xiàng)目直接測(cè)試了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，對(duì)于驗(yàn)證和理解重力理論有重大貢獻(xiàn)。
7. 朱諾號(hào)（Juno）：朱諾號(hào)的數(shù)據(jù)為我們理解氣態(tài)巨星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)提供了重要信息。
8. Hubble和Webb空間望遠(yuǎn)鏡：這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡都對(duì)我們理解宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，包括星系的形成和演化，暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)等問(wèn)題有深遠(yuǎn)影響。

以上項(xiàng)目的貢獻(xiàn)并不全面，還有許多其他NASA的科學(xué)項(xiàng)目也對(duì)物理學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。這些項(xiàng)目各有其獨(dú)特的貢獻(xiàn)，不容易進(jìn)行直接比較，但都在其研究領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響。