改变我思想的佳作，包含了我们认识自己和宇宙的基本知识体系，画面也美不胜收

这部纪录片是我在zx的大电视上看的，高清，周末下午，一口气全部看完。以前，我看过BBC的《冰冻星球》、《旅行到宇宙边缘》、《自然大事件》这样一些佳作。里面壮美的画面、新奇的科普知识、大自然的奇妙美丽让我惊叹。然而这一部，是让我不断起鸡皮疙瘩的作品。除了寒冷、快感，极致的震撼也能让我起鸡皮疙瘩。我被这部影片不断震撼着，被里面奇妙而深邃的科学知识、宇宙和自然的胜景、人类对科学的求索精神所震撼，它带领我进行了一次改变我思想，触动我心灵的奇异旅程。BBC出品，有4集。第一集是“信使”，第二集是“引力”，第三集是“星尘stardust”，第四集是“时间之箭”。信使说的是光。解说的布莱恩教授以十分生动的方式，告诉我们，光传播是有速度的，而不是瞬间的，就像声音一样。首先，他带领我们突破了“音障”，教授乘坐超音速战斗机，飞上了一万多米的高空，然后飞机以急速俯冲，此时，战斗机就突破了音速，及340米每秒，当然，在高空中，空气稀薄，音速没有那么大，可不论如何，我们已经突破了音速。至于人们发现光是有速度的，也是近几百年的事情。某位科学家发现木星卫星出现时间不准确，即当地球远离木星时，木卫观测到的出现时间要晚一些，离木星近时，则早一些，于是他就开始猜测光是有速度的。根据测量，光速为30万公里每秒，所以，像地球距离太阳1.5亿公里的话，阳光传播到地球上就要花费8分多钟，也就是说，我们看到的，永远是8分钟前的太阳。之所以把光称为信使，是因为它带给我们了关于外太空的，其他天体的信息。在秘鲁的长基罗地区，荒凉的山坡上被修建了13座石质塔，它们被用来观测日出。可以通过其上日出的位置，来计量我们处在一年中的哪个月哪一天，误差不会超过5天。这是在2500年前，某个文明所建的。布莱恩在那里远观日出，场面壮美得不行。他说他很想在自家的花园中建一个这样的建筑——我也想。这是古代人类探索自然的一种伟大尝试。由于光速是恒定的，故可以用“光年”来衡量天体与我们的距离。同时，我们可以通过光，来考察过去的宇宙，因为光芒带给我们的都是过去的信息。距离我们最近的一颗恒星，有4.2光年，故我们当前看到的，是4.2年前的这颗星球。冬季夜空中，最耀眼的天狼星（视等为-1），距离我们约9亿光年，比太阳亮20多倍，直径也约为太阳的2倍。我们现在观测到的，是9年前的天狼星。冬季夜空中著名的参宿四（猎户座的红超巨星，这颗星在第三集中也提到过），质量为太阳近20倍，光度为太阳的12万倍，体积为太阳的325万倍（如果把它放在太阳的位置，它将把木星也“吃进”体内），可由于它距离地球太远，有约640光年，所以它的亮度反倒不如天狼星。来自遥远星空的光传到地球后，光谱是向红段移动的，表明宇宙时在膨胀的。光携带有能量和辐射，并且有波长。人只能看到一定波长内的光线，即为可视光，对于波长过短或过长的光，人看不到，可也属于光，并且包含有各种信息。宇宙微波背景辐射，来自宇宙初期，宇宙大爆炸时的光，来到地面之时，它已经在空中穿越了130多亿年（宇宙年龄为137亿年）。布莱恩教授坐在沙丘顶端，用一架收音机接收它，也就是收音机中的噪音，其中有10%为宇宙微波背景辐射。它们在各个方向是均匀的。光还包含了星球的元素构成信息，因为不同元素燃烧发出的光的颜色是不同的，同时，每种元素都有它特定的吸收光谱。这在第三集中有介绍。第一集有些短，20多分钟。感觉布莱恩教授挺爽的，可以坐超音速战斗机体验超音速，也可以到世界各个景点旅游。第二集讲的是引力。为了让观众切身感受引力，布莱恩教授和BBC的研究者们乘坐客机飞上了2万多米的高空，然后自由落体落下，飞机上的所有人和物体都处在了失重的状态。他们以1个重力加速度向下坠落，十分有趣。这验证了广义相对论的一个预言——在局部惯性系中（以重力加速度自由下落的体系内），不存在引力。根据牛顿的万有引力定律，物体所受的引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比。也就是说，在质量越大的星球上，人们所受的重力越大。这种重力的模拟可以通过离心机的旋转来实现，正如电影《星际穿越》中表现的那样。布莱恩教授置身于离心机中，不断加速旋转，据说，这种体验比乘坐超音速战斗机难受10倍。教授不断体验了几个质量更大的星球的重力，最终达到了5倍重力时，他视线出现了模糊，手臂根本抬不起来，连脸上的皮肤和嘴唇都被往下来，他彷佛一下衰老了几十岁，然后他让离心机停止了旋转，他终于回复了过来。据他介绍，如果他被放在质量是地球许多倍的某一颗星球上，那么他的血液将无法达到头部，他将在一分钟内死亡。引力是可怕的。牛顿的万有引力解释不了水星的运动轨道。爱因斯坦的广义相对论却能完美地解释包括这在内的一切宏观的天体运动。根据广义相对论，时空是可以被任何有质量的物体弯曲的，质量越大，弯曲得越厉害，造成的引力也就越大，这也是万有引力定律的另一种表述。所以，像太阳这样的庞然大物，就弯曲了周围的时空，把在它附近的，本来沿直线匀速运行的行星，变成了围绕着它旋转的模式了。如上所证实的，在局部惯性系中，不存在引力。而在其他任何参考系中，存在引力。引力引起了时空弯曲，弯曲为有曲率的黎曼空间。实际上，引力是时空局域几何性质的表现。这时，描述物体的运动方程，就必须用该弯曲空间的测地线方程，也即爱因斯坦给出的场方程。爱因斯坦考察了把时间加入在内的四维时空，并成功用引力场方程描述了弯曲时空中物体运动的方程，它是一个二阶双曲型偏微分方程。它根据的原理之一是，物体在任何空间中的运动，走的都是最短距离。根据广义相对论，时空局域（一个四维空间）的几何性质表现为引力，也即时空局域的几何性质让其中运动的物体有了加速度——弯曲的时空让其中的物体沿着它弯曲而行，这还好理解，可弯曲时空的几何性质让其中的物体有了加速度，这就让我难以理解了。引力在这里是否被抛开了，还是参与了其中？这种烧脑的事情，就不去考虑了，毕竟我不是科学家。另外，爱因斯坦广义相对论的关键解答，来自于研究四维空间的黎曼几何，这是数学几何领域高精尖的研究成果，不得不说，数学才是科学中最深奥的学科，欧几里得、高斯、黎曼等这些大数学家的脑袋，丝毫不输给爱因斯坦。据说欧几里得还考虑了任意高维度的欧式空间——想想都觉得头晕。影片中，还提到了黑洞。黑洞引力太大，连光都无法逃离，所以人们无法直接观测到黑洞。在黑洞中心，有一个密度无限大的奇点。人在进入黑洞时，会因为头与脚的重力相差太大，被拉成面条。我最近浏览了一本书，叫《平行宇宙》，里面就猜测了黑洞可能是通往另一个宇宙的通道，黑洞中很可能有虫洞，人们进入黑洞，就能从虫洞中穿越到另一个宇宙。书中还讲到，从无可以生有，宇宙或许真的是从无产生的，只要它的正能量和负能量为零即可。问题是，在进入黑洞时，人体就被压死了，连身体里的原子都被压爆了，那么即便能从黑洞进入另一个宇宙，又有什么意义呢？在本影片的第四集《时间之箭》中，描述了我们宇宙的结局，一个没有时间的，熵无法再增大的，冰冷死寂的黑暗空间，如果存在平行宇宙，我们又能够活着穿越过去，就可能让人类的生命永远延续下去。影片中还讲到，原子是由原子核和核外电子组成的，电子绕原子核旋转。布莱恩教授站在旷野中，指着一块小石头说，如果这是原子核的话，他指着远方说，那么核外电子就在一公里以外。所以，原子内部有99.999%以上的空间是虚空的，同样组成包括人类、万物、宇宙的空间，同样有99.999%以上是虚空的。所以万物挤压的空间很大。在一颗中子星上，由于原子间挤压得太厉害，被挤爆了，它们的原子核紧紧挨在一起，所以它们的密度大得超过想象。他拿着一块石头说，中子星上这样大小的一块石头，质量比地球上所有人类加起来的还要重。第三集是“星尘（stardust）”这一集是整部影片中最吸引人的一集。它用科学回答了“我们是从哪里来的”这一问题。这是所有宗教试图解决的基本问题。这次，布莱尔教授来到了尼泊尔的加德满都，这里有一条两岸是城镇的河流，印度教徒们络绎不绝地来到这里，焚烧他们亲友的尸体。因为印度教徒认为，尸体这样焚化后，教徒们的身体就会重组，获得重生。布莱恩教授说，这暗合了自然的规律。他说，宇宙是由92种元素组成的，这是可以证明了的。每种元素在燃烧时，都有不同颜色的光芒，比如铜燃烧是绿色的，铁燃烧是黄色的，硒燃烧是蓝色的。人们通过观察颜色的光芒，就可以推测对应的燃烧物，但更为准确的方法是，观察元素的吸收光谱，每种元素在发光时，都吸收某些光谱，所以可以很精确地由此来判定它们的元素组成。通过考察来自宇宙中的所有光线，人们发现各种天体，无一不是由这92种元素中的某种或某几种组成的。然而在自然界中，单种元素是很难找到的，因为它们在化学上不稳定。布莱恩教授来到丛林中，把一块钠投入了一瓶水中，水很快就沸腾起来。它们发生了化学反应。他说，如果把钠投入盐酸中，那么就会生成氯化钠，即盐。我们的身体，还有地球上的植物主要是由碳组成的，还有锌、钾、铁等含量很微小的元素，可地球本身不产生这些元素，那么这些元素是哪里来的呢？太阳内部温度在1000万以上，那里发生着核聚变反应，氢被聚合成了氦，从而释放出巨大的能量，以供太阳燃烧，抵抗它内部巨大的引力。氢可以被首先聚变成氘等同位素，原子核多了一个中子，可它还是属于氢，因为它的质子不变，当它的原子核变成了2个质子和2个中子时，就变成了氦。太阳内部如此高温高压的地方，也只能生成氦，而无法产生更重的元素，要产生更重的元素，就需要更高的温度。那么，更重的元素是在哪里产生的呢？答案是，大质量恒星的死亡。当供恒信聚变燃烧的氢全部耗尽，只剩下氦时，恒星的引力就占了优势，恒星就开始坍缩，为了抵抗坍缩，位于核心的氦就在高温高压下，开始聚变。于是，以上聚变的过程就不断重复，锂铍硼碳等元素就陆续产生了，可如果恒星不够巨大，聚变到铁元素时，整个过程就终止了。产生更重的元素，需要更重的恒星，而要在太空抛出这些元素，往往需要一种特殊的，壮美的现象——超新星爆发。在一个星系的一百年时间里，平均只有1次这种爆发。在我们的银河系中，从自然科学产生至今，都没有产生过一次（最近一次在1604年）。布莱恩教授来到南美的一个废弃的金矿中，百年前，淘金者们沿着矿脉，寻找黄金。他手中拿着一小块黄金，告诉我们这块黄金价值几千美元。地球上的黄金储量是有限的，人类至今挖掘出的黄金总量，只能填满三个奥运会场大小的游泳池。黄金稀有且珍贵，不是没有道理的。大质量恒星在生命的最后一刻，或许几分钟，或许只是几秒，巨大的引力让它像摩天大楼被爆破一样坍塌，它的内核由此产生了一千亿度的宇宙最高温，金以及元素周期表后面的元素由此产生，前所未有的巨大能量（千万个太阳的能量）释放出来了，强大的冲击波冲破了引力束缚，整个恒星爆炸了。这就是超新星爆发。科学家们用照片捕捉到了两次河外星系的超新星爆发，一次位于蜘蛛星系，一次位于距离我们5500万光年的另一个星系。照片中，两颗超新星的光芒让其星系中的其他恒星，乃至银心黯然失色。在我们的银河系内，近期最有可能出现超新星爆发的，是位于猎户座的参宿四，这是一颗超红巨星，前文提到过。在过去10年内，它的亮度减弱了15%，它可能在明天爆发，也可能在未来的一百万年内。它爆发一瞬间产生的能量，将超过太阳一生所产生的能量。由于它距离我们只有640光年，所以当它爆发时，如果是夜晚，它将会成为夜空中的最耀眼的星星，像是一轮满月，如果是白天，它将成为天空中的第二个太阳。远古人在岩画中，很可能就记录过一次超新星爆发。其中有一个手掌，一个月牙，和一个爆发的超新星。超新星爆炸后，形成星云，在星云中，新的恒星、行星正在诞生。在猎户座的星云中，这一幕正在上演。这或许就意味着死亡后的重生吧。第四集是“时间之箭”布莱恩教授站在溶解的冰川前方，看着一块冰川坠落入海面。它反映了时间的流逝。他说，时间就是一些事件按顺序发生，就如冰川坠落入海一样，冰川从剥离、到崩塌、到坠入海中，就是时间之箭在向前射出。正如没有人看到过相反的一幕一样，时间之箭只能向前，而不能回头，时间的流逝是不可逆的。正如《星际穿越》中，女博士在巨浪星球上对男主角说的，时间可以减缓，可以被压缩，但就是不能倒退，已经发生了的就是发生了，他们在巨浪星球上待了3个小时，外界已经度过了27年，这是不可逆的了。为了更形象地解说，布莱恩教授来到了一个废弃的小镇，这个小镇因盛产钻石而兴起，也因钻石的枯竭而被遗弃。教授在沙漠中，用模具建了一个沙堡，如果把这个沙堡放任不管，它应该很快就会被风沙吞噬。布莱恩教授告诉我们，在这样一个荒漠中，风沙堆成一个沙堡的可能性是有的，但微乎其微，人们所见的，只是它们形成的大大小小的沙丘。因为沙子要堆成沙堡，必须遵循许多堆放规则，而要堆成沙丘，只需把沙子随意堆放即可。于是称，前者比后者更有序。自然界总是向更无序的方向发展。衡量有序与无序的东西，科学家们称之为“熵（entropy）”。系统的越无序，则熵越大。自然界这种规律的准确描述，就是热力学第二定律，也即熵增原理。这也就是时间之箭只能向前的根源。查了一下，热力学第二定律的准确表述是“不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化”。熵增加原理的是“孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加”。布莱恩教授来到了一个海岸，这个海岸满是沙子，被称为“地狱之门”。古往今来，有无数船只在这里触礁搁浅，因为这里暗礁太多，即便船只成功靠岸了，也会因为海浪太大而无法回到海中，所以只能在这里等待灭亡。他来到了一艘巨轮的旁边，它已经锈迹斑斑，船身有不少位置已经被风化腐蚀了。它已经在这里搁浅了世纪之久，远远大于它服役的时间。这点和所有的遇难船只一样。宇宙的未来和这很像。天空中的恒星渐渐失去光泽，有的变为白矮星，有的变为黑矮星，有的变为脉冲星、中子星，有的则变为黑洞。黑矮星光芒黯淡，因为它燃烧所消耗的能源少，所以它也特别长寿，要形成它，也需要极长的时间。这世间太长，以至于宇宙诞生至今，似乎还没有形成一颗黑矮星。经过人类难以想象的时间以后（可能是数亿亿亿亿亿年以后），黑矮星也将熄灭，黑洞也将消失，宇宙进入了完全的黑暗之中，宇宙的温度变为绝对零度，熵不会再增加，因为宇宙不会变得更无序了，任何新的东西都不会产生，时间也走到了它的终点。这是我们宇宙的宿命，它是一个不可逆的过程。当然，这个世界绝对不会有生命了，人类要延续下去，可能唯有穿越到其他的平行宇宙，另一个熵不那么大的宇宙。不过我觉得，既然这是在经历了人类无法想象的时间之后发生的，考虑它也就没有什么意义。人类从诞生至今，顶多几百万年的历史。我们的宇宙创造了智慧的人类来理解其自身，这是伟大的奇迹，如果它终究要灭亡，人类的灭亡又算什么呢。如果它不会灭亡，那它必然会让人类，或者其他的什么创造物，寻得出路，代表着它去迎接新生。这两天在网上看到了另外的版本，似乎加了一些内容，比如其他科学家的客串出解说。“时间之箭”这一集被加长了，次序被调整到了第一集。我看的应该是原来的版本吧。