我们为什么在这里
我们究竟来自何方
这些问题由来已久
而寻找答案是人类的天性
如果要追根溯源
我们的足迹可以回溯到几十万年前
人类刚刚出现的时候
但我们的故事还要延伸到更早的年代
故事要从宇宙的开端讲起
一百三十七亿年的历史
遍布其间的无数恒星和星系
这个宇宙充斥着我们难以想象的奇迹
其中每一个 都与我们息息相关
说到底 我们也是宇宙的一部分
所以宇宙的故事 便是我们的故事
这个故事中有一个不能缺少的要素
在宇宙中无处不在的要素
这就是时间
时间在我们的生存经历当中
是最根本的一项要素
时间对地球的影响随处可见
最终它将引领地球走向灭亡
但如果没有时间
我们所认知的世界根本不会存在
如果我们生活的世界完全静止不变
昨天和今天就不会有任何差别
时间与生活融为一体
我们几乎不会去质疑时光的流逝
但在这集节目中
我们要提出最深奥 最根本的问题
为什么我们必须从过去步入未来
宇宙的奇观
天地宿命
这里是秘鲁西北海岸的长基罗
在南美的考古遗址中知名度并不高
大约两千五百年前
一个我们知之甚少的文明
在荒漠中筑起了这座坚固的庙宇
它的外墙本是亮白色
墙上曾画着各种图案
如今 这段文明的点点滴滴
及其文字记载或已不复存在
但考古学家伊凡·盖齐发现
我们正是从这里 开始了解了时间
我当初来这里主要是为了研究这座要塞
伊凡·盖 教授 秘鲁天主教大学
之前来这里的人也都是抱着这个目的
但长基罗有一排著名的塔
被人们称为“十三塔”
我们最近才了解了它们的神秘功能
当伊凡带着他的研究团队
在日出时分测量十三塔时
这些塔的真正功能第一次显露出来
那是一个非常激动的发现时刻
我们几乎不敢相信眼前的景象
我们发现这些塔是地平线上的刻度
标记着太阳的移动
就像是测量天空的标尺
地球以一定的倾斜度自转
一年中 地平线上的日出点也在变化
长基罗的这些塔与日出点完全对应
所以在一年中的任何时候
通过观察日出所对应的塔楼位置
就可以确定当时的日期
长基罗就是古代的日历
只用石制工具 泥土 水还有双手
他们就建起了这些了不起的建筑
塔楼的位置非常精确
与一年之中日出的位置完全吻合
这真是一项非凡的成就
今天我们仍能真切感受到石塔的奇妙
一如它刚建成的那一天
太阳在第五和第六座塔之间
因为今天是9月14日
令人惊叹的是 建成两千五百年后
长基罗塔仍然十分精确
误差不会超过一两天
我认为这是一种神奇的体验
站在这个神圣的地方
很久以前的人们建造的地方
这里不是博物馆
我们在亲身体验 在观看
在感受那些人建造的杰作
长基罗塔楼至今仍可用作日历
因为地平线上日出的位置
与石塔建成之日没有差别
耸立在山脊上的十三座塔楼
印证了人类对宇宙节奏的探究
以及时间对人类生活的影响
从最早期的人类社会开始
记录时间就是维持生存的一个关键
狩猎 收获
旅行或海上航行
做这些事都必须掌握时间
方法就是观察星星
太阳和月亮的位置
日出日落形成了地球的主旋律
如同史诗般的地球脉搏
让人类能够标记时间的痕迹
一天为二十四个小时
也就是地球绕轴自转一周的时间
一年为三百六十五又四分之一天
这是地球绕太阳公转一周的时间
越到宇宙深处 时间的周期越长
宏大的时间尺度周而复始
海王星是太阳系中最远的行星
它的一年是六万个地球日
太阳自身则固定在巨大的轨道上
绕着银河系中心公转
周期为一银河年
一银河年相当于
两亿两千六百万个地球年
但是 在宇宙的时间单位中
即使银河年也不过是短短一瞬间
宇宙起源于一百三十多亿年前
那时还没有恒星与行星
之后 宇宙开始了百亿年的演变
迈向遥不可知的未来
时间将揭示超乎我们想象的奇迹
时间也改变着我们身边的一切
改变的力量是时间最本质的属性
这种力量给地球带来了显著的变化
在宇宙深处也是一样
这里是莫雷诺冰川
位于阿根廷的巴塔哥尼亚
冰川表面宽三公里 深七十米
已经存在了一万年
这片巨大的冰体看似坚固不动
但戴维·艾伯特教授知道
冰川其实在不断变化
每时每刻 冰川都在慢慢下移
我站在冰川的顶部
站在一条巨大的冰河上方
戴维·艾伯特 哥伦比亚大学
冰面覆盖了几百平方公里的面积
厚度达到七十米
冰川在缓慢地 不可逆转地
沿着山坡向下移动
事物随时间的流逝而变化
这是世人共有的基本体验
我们大多对此习以为常
但是 我们的世界为何如此运行
这是最深奥的科学谜团之一
为此戴维等哲学家
已经苦苦思索了几十年
如果没有时间
世界完全不会是现在的样子
不同之处会多得数不胜数
我们在世间最基本的体验之一
就是过去与未来是截然不同的
这片冰在过去的最初形态是雪
飘落在远处的山上
这里是阿根廷湖
大块的冰雪掉进湖里
将来它们会融化 消失无踪
哇 太棒了
简直不敢相信 看啊 听那声音
天哪 太壮观了
一大块冰掉了下来
非常 非常震撼
我真的看呆了 我从没见过这景象
这样的事情总是按一定的顺序发生
在我们对时间的认知中 这是核心
这些现象 比如刚刚看到的冰川消融
它们只会朝着一个方向发展
我们从没见过冰块从湖里跳出来
重新凝结到冰川上去
从来没见过这种现象
在我们眼前的世界里
事物总是朝着一个时间方向推进
但是在肉眼看不到的世界
即分子与原子组成的世界里
研究显示事物不一定要这样单向发展
我们掌握的最好的证据
来自细致的微观研究
研究自然世界的积木如何组合
这些证据告诉我们 明确地告诉我们
世上发生的任何事
逆向发展也是完全可以的
正如这艘船可以毫无障碍地返航
冰川以及宇宙间的其他事物
也同样可以倒退回去
至于为何我们从没见过 这是一个谜
这个问题有着极其强大的诱惑力
吸引着物理学家和哲学家去思考
这是我们在世间最基本的体验
同时也是最神秘的一种体验
有一种力量迫使时间只能单向推进
科学家把这种现象称为“时间箭头”
时间箭头推动万物单向改变
而万物也必须如此
否则 世界可以向前发展
也完全可以退回到从前
那样的话 世界将陷入静止
时间箭头把今天变成明天
这意味着一切都不会一成不变
宇宙的循环周期看起来十分稳定
我们可以据此设定时钟和日历
宇宙的节奏似乎永恒不变 静止不动
然而 这其实是假象
因为时间箭头会迫使节奏改变
天文学家保罗·罗奇博士认为
我们不必看向宇宙深处
也能够观察到这种变化
我们正站在南威尔士的南沙滩
保罗·罗奇博士 卡迪夫大学
这个地方是英国的塞文河口
在这里可以看到世界罕见的潮水落差
从水流冲向这片海滩的速度
可以看出潮汐对大洋的显著影响
日复一日
海洋在地球的表面被来回拉动
海水与海底不断摩擦
产生了重大而深远的影响
摩擦延缓了地球的转动
这意味着 一天的时间正在变长
每年 一天大概会延长七十微秒
你我或许不会感觉到什么
但历经百万年 就会积少成多
这意味着 恐龙时代的一天
比现在的一天要短十五到十六分钟
随着时间的流逝
地球自转会越来越慢
最终 地球日将远远长于二十四小时
潮汐作用随着时间逐渐积累
地球的自转会不断变缓
最后在我们的地球上
一天将远远超出二十四小时
我们现在认为一天是二十四小时
并不表示永远会是这样
过去的一天比较短 未来的一天较长
这会随着时间的流逝而变化
未来的人类后代
或许根本不记得一天是二十四小时
此外 变化的不仅是地球的自转
月球也在变动之中
月球牵引着地球上的海水
地球也同样吸引着月球
潮汐在地球上引起海水的涨落
海水的重力变化影响着地球引力
进而产生连锁反应 影响月球轨道
地球把月球往前拉
月球在轨道上加速转动 越转越远
月球以每年四厘米的速度远离地球
速度似乎不快 但会逐渐累加起来
如果回到恐龙的年代
一亿年 或者六千五百万年前
月球和地球之间的距离要小得多
夜空中的月亮显得更大
所以恐龙看到的满月
比我们看到的更美更圆
今天看到的事物以前未必是这样
以后也不一定会永远不变
地球上一切看似稳定的节奏
甚至夜空中常见的月亮 都在变化
这些变化逐渐积累
时间箭头推动着宇宙的演化
宇宙并非陷入无休止的循环
而是无可逆转地迈向未来
宇宙的演变经历了许多不同的时期
每一个漫长的时期
都有其独特的起止标志
三百万年前 地球上还没有人类
五十亿年前 宇宙中还没有地球
但是 宇宙的历史更为悠久
经过巨大的时间跨度
我们回到近一百四十亿年前
一个古老而原始的时期
那时的宇宙与现在大不相同
那个遥远的时期
深深吸引着天文学家尼亚尔·坦维尔
越是向太空深处探索
他看到的过去便更加遥远
我们观察太空深处时会看到
光历经漫长的时间向我们传播
光的传播速度非常快
尼亚尔·坦维尔 莱斯特大学
但星系之间隔得非常远
光也需要几百万年 甚至几十亿年
才能到达地球
这意味着 我们观察远处的星体时
其实也是在看向过去
尼亚尔办公室上方六百公里处
斯威夫特望远镜正在太空中漂浮
在天空中搜索来自过去的微弱信号
尼亚尔在寻找宇宙中最古老的星体
一连四年 他查看了每张传回的图像
却始终一无所获
然而 2009年4月23日
望远镜在狮子座中拍到了一小片天空
其中就隐藏着尼亚尔苦苦寻找的目标
这是望远镜拍到的第一批图像
图像就是这样的
我们开始处理数据 查看图像时
在图像上看到了一个明显的光源
就是中间这个红色的东西
这块小红斑并不起眼
但却是一次宇宙大爆炸后的余辉
宇宙深处的一颗恒星就此灭亡
这颗恒星巨大无比 异常炙热
亮度是太阳的一万倍
由于它燃烧得十分迅猛
所以寿命极其短暂
灭亡时 它发生了爆炸
瞬间发出的光相当于一亿亿个太阳
爆炸释放出大量高能量光束
也就是伽马射线
这次伽马射线的爆发
在地球上看来就是一个模糊的小红点
这些恒星离我们很远
我们没法通过现有的技术看到它们
但它们爆炸时会发出伽马射线
这意味着突然之间
它们有那么一瞬会变得异常明亮
穿越整个宇宙都能看到
进一步的分析证明
这个红斑发出的光
经过一百三十亿年才到达地球
尼亚尔发现了一个最古老的星体
我们在宇宙中还没见过比它更古老的
它是宇宙中最早诞生的恒星之一
这当然很让人兴奋
能够亲眼见证发现的时刻
这标志着宇宙中最重要时期的开始
也就是“恒星时代”的开始
第一批恒星出现了
这是宇宙演化历程中最重要的转折点
如今的宇宙里满是恒星 多不胜数
星光赐予我们白昼 装饰我们的夜空
但是 既然恒星时代有起始
依照时间箭头指示 它必然要有终结
可是为什么一定要这样呢
为什么会存在时间箭头呢
在宇宙学家布鲁斯·巴塞特看来
了解时间箭头的关键
在于探索我们眼前的这个世界
时间箭头的力量在这里清晰可见
让人难以置信的是
这片沙漠曾是百万富翁的家园
他们在沙子里找钻石 获取财富
这里是卡曼斯科
1954年以前 是热闹的钻石之城
布鲁斯·巴赛特 开普敦大学
但钻石枯竭之后 人都离开了
大自然成为了主宰
眼前的情景完全是可以预料到的
屋顶塌陷 墙漆脱落
沙丘侵入屋子里
现在这里满眼狼藉 一片混乱
在卡曼斯科 时光流逝
一幢幢建筑变成了断壁残垣
逐渐被沙土淹没
我们在卡曼斯科看到的衰亡并不罕见
事实上 衰亡是宇宙中常见的景象
万物总归会逐渐变得紊乱
而不会历久弥新
这是一个非常基本的事实
为什么会这样
时间箭头决定
万物终将紊乱 破碎 归于尘埃
万物都会老化
这是我们基本的人生体验
令人惊讶的是
这其中的缘由非常简单
只用一桶沙土就可以说明
为什么我们总是看到事物日渐紊乱
而不是更有条理
为什么有这样一个时间箭头
总是指向无序状态
为了说明这一点 我们要堆一个沙堡
如果我要建造沙堡这样规整的东西
就必须确保我的沙子全部准确就位
我们来看看结果会是什么样
这座沙堡是一个规整的建筑
每颗沙粒都必须符合一定秩序
才能形成一座沙堡
如果我们在夜间不管沙堡
沙粒就会被风吹散
但也存在着微乎其微的可能
在一粒沙被吹走时
另一粒吹过来 恰巧补上吹走的沙粒
但这几乎是不可能的
要实现这一点
每粒沙子都必须被吹到特定的位置
而通常情况下
风只会把沙堡吹散 变成一座沙丘
因为要形成沙丘 只需沙粒随意散落
如果要堆沙丘 堆一个小沙丘
我只要随意撒些沙子就行了
最后堆出来的东西
总归会有一个沙丘的大致形状
所以这并非完全不可能
一栋规则的建筑 如沙堡
也可能由风天然吹筑而成
只是这种可能性接近于零
正因为可能性极低
所以我们在日常生活中从没见过
这条规律当然不仅仅适用于沙堡
事实上 它适用于宇宙中的万物
随着时光流逝 万物总会变得无序
这是一条基本的自然规律
也就是物理学家所说的“熵”
时间推进 一切都会逐渐变得无序
这也就给了时间一个确定的方向
把过去和未来区分开来
过去比较有序
而未来会不可避免地变得无序
无序状态必定会日渐显著
因此过去必定与未来有差别
这样便形成了时间箭头
衰退和毁灭是时间推移的必然结果
宇宙万物的命运都是如此
日复一日 时时刻刻
世间的一切都在慢慢走向
无序 毁灭和衰亡
没有什么能够摆脱时间的无情推进
就连星体也不可能
包括离我们最近的星球
由此给人类带来的影响将是一场浩劫
太阳和太阳系中的行星
已经存在了大约四十六亿年
保罗·罗什 卡迪夫大学
在人类看来 这算得上是永恒了
但是 太阳正在衰亡
它在不断消耗自身质量
它在把氢转化为氦 并在这一过程中
每秒钟损失约四百五十万吨质量
太阳正在以不可思议的速度瘦身
大约五十亿年后 太阳将燃烧殆尽
但它不会轻易消失得无影无踪
太阳即将燃尽的时候
它的核心将会坍塌
额外产生的热量将促使它的外层膨胀
太阳将成为一颗红巨星
最终 太阳变得无比巨大
从地球上看 它将占据整个地平线
地球上的生命将全部灭亡
只剩下一片烧焦的荒芜岩石
见证那颗恒星最后的垂死挣扎
红巨星的状态持续几十万年后
太阳会进入一个脉动阶段
它的内部变得很不稳定
不断膨胀 收缩 膨胀 收缩
最终 太阳的外表开始脱离
渐渐散入太阳系中
到最后 太阳会完全失去外层大气
膨胀成行星状星云
太阳的剩余体积会和地球差不多
但质量只有原来的一半
变成我们所说的白矮星
白矮星只是一堆隐隐发亮的余烬
曾经的辉煌只剩下这一点残骸
太阳灭亡了
残骸在广袤寒冷的太空中逐渐冷却
从地球现在所处的位置看
它的光芒只相当于
晴空中满月的光亮
太阳的命运也是所有恒星的命运
终有一天 它们都会消亡
宇宙将陷入永恒的黑暗之中
这是时间箭头的最终指向
因为我们居住的这个有序的宇宙
以及宇宙中所有的奇迹都无法永存
我们看过了壮丽的恒星时代如何开始
也知道了它将如何终结
这是半人马座比邻星
除太阳之外 离地球最近的恒星
然而即使在晴朗的夜空中
我们也无法用肉眼看到比邻星
因为它的质量仅是太阳的十分之一
亮度只有太阳的一万八千分之一
比邻星是一颗红矮星
它体积小 引力小
比起大恒星来 它承受的压力低得多
所以燃烧得缓慢得多
像比邻星这样的恒星
寿命长达数万亿年
太阳消亡后的漫长时间中
红矮星将是宇宙中最后存留的恒星
不过 红矮星最终还是会燃尽
同样慢慢坍塌 变成白矮星
大约一百万亿年之后
白矮星将是宇宙中仅存的星体
在冰冷的宇宙深处慢慢冷却
恒星时代终结了
宇宙变得寒冷 荒凉 毫无生气
但即使到了这时
宇宙的生命也只是过去了一小半
此后还有极其漫长的路要走
漫长得让我们难以想象
但是地球上有些地方
可以帮助我们展开想象
物理学家布赖恩·考克斯
来到地球上最荒凉的地方之一
了解时间箭头可能带来的后果
这里是纳米比亚的骷髅海岸
布赖恩·考克斯 曼彻斯特大学
在这里 南大西洋的寒流
撞上纳米布沙漠边缘
这里是地球上最不宜居住的地区之一
早在十七世纪
葡萄牙水手就把这里称作地狱之门
浓雾加上变幻不定的沿岸沙丘
导致无数船只在这一带失事
即便你靠岸下了船
后面还会遇到其他难题
因为这里的水流非常猛
你根本没法再划回海里去
而另一边
那边是几百英里严酷的沙漠
所以 如果船在这里出了事
你的世界也就终结了
绵延的海岸线附近空空荡荡
即使是巨大的蒸汽班轮
也会渐渐地被时间彻底吞噬
这艘船慢慢腐朽分解
所需时间将远多于它发挥作用的时间
残余的恒星也将面临相似的命运
宇宙存在几十万亿亿亿年以后
残存的白矮星熄灭了最后一丝余热
宇宙间只剩下孤零零的黑矮星
留到最后的恒星最终将会变成黑矮星
它们是温度极低的白矮星
几乎不会发光发热
衰退中的一团物质 黑矮星是黯淡 高密度
只能说是恒星的灰烬
恒星要发光一百三十亿年
才会进入黑矮星的阶段
我们相信 目前宇宙中还没有黑矮星
这艘铁打的轮船
最终会生锈 腐蚀
残余物质被风吹散到沙漠里
我们现在认为
或者说 根据最可靠的理论
构成黑矮星的物质
也就是宇宙中最后的物质
最终也将会消失
变成放射物 进入虚无的宇宙
不留下任何痕迹
黑矮星消失后
不会残留哪怕一粒原子
我们这个曾经繁华的宇宙里
将只剩下穿梭的光粒子和黑洞
经过一段漫长得无法想象的时光
之后 黑洞也将消失不见
我说“漫长得无法想象”
这可不是夸张
那段时间足有几十万亿亿亿年
这个数字究竟有多大
如果我用一个原子代表一年
那么整个宇宙中所有的原子加起来
都无法接近这个时间长度
仅存的恒星只剩下最后一点物质
而这点物质也将完全消失殆尽
此时 宇宙的故事最终完结
在整个宇宙的历史中
宇宙将第一次保持永恒不变
它再也无法继续朝着无序的方向发展
因为它不再包含任何衰亡的物质
过去 现在与未来将不再有差别
时间箭头彻底消失
什么也不会发生 并且永远不会发生
永远不会
时间箭头指向了一个荒芜凄凉的未来
但是 如果这一过程能够逆转
如果我们能够阻止宇宙消亡
宇宙必然会有一部分缺失
那就是生命
时间箭头无情地指向毁灭 衰退
却为宇宙增添了美和奇迹
也给了我们生存的机会
同一颗太阳每天升起 落下
看起来是永恒的 实际却在不断消亡
但在这个过程中 太阳在释放光和热
正是阳光维系着地球上的生命
假设没有太阳 或者太阳不会消亡
地球完全不会是现在的样子
不会有地球这样一颗行星不会有生命
正是时间箭头
促成了生命的最初形成
因为恒星和行星的形成需要时间
物质的粒子需要时间
才能聚集并形成生命
朝着荒芜空虚的未来行进时
时间箭头打开了一扇窗
为生命提供了一个繁衍的机会
但这扇窗只是敞开一小会儿
生命存在的时间微不足道
从宇宙诞生到最后一个黑洞消失
我们所熟悉的生命只是宇宙寿命的
一万亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿分之一
与宇宙寿命相比就是这样
我认为这是一种让人不安的认知
生命在宇宙中的存在
或者说像我这样由碳元素组成的生命
在时间长河中只能存在极短的一瞬间
生命存在的时间虽然无限短
但并不是无足轻重
因为在这段短暂的时间里
生命从单细胞演化成复杂的人类
复杂到能够理解时间的真谛
两千五百年前
人类为测量时间的流逝
在山顶上建起了石塔
如今我们制造出能够看穿时空的设备
几乎能够一直看到时间的开端
我们坐在这里
从渺小的地球看向宇宙
只用了几十年时间
我们就描绘出了宇宙中的很多结构
现在我们大致上了解了
所有恒星和星系
从宇宙初始到现在的演变过程
我觉得这很了不起
我们是宇宙的一部分
恒星 行星和星系也同样如此
但作为宇宙一部分的我们
却能够观察视野之外的宇宙
思考人类在宇宙中的位置
人类是宇宙漫长黑暗中的瞬间光亮
我们存在的这段时间绝非无足轻重
这是最为珍贵的一个瞬间