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这期音频
我们要讲的书是迷人的温度
它还有一个副标题
叫做温度计里的人类
地球和宇宙史
很明显
从书名就可以听出来
这是一本讲温度的科普书
不过呢
跟其他的科普书最不一样的地方就是
别的科普书
比如说讲物理的
那一般呢就只讲物理
讲生物的
往往就只聊生物
但是这本书
却以温度为线索
从宇宙讲到了地球
从生命讲到了人类
甚至物理
化学 生物
地质等等等等
几乎是无所不包
不听这本书啊
你就一定不会知道
温度原来是这样一个神奇的概念
从最大的宇宙到最小的原子
从地球的演变到人类的进化
温度几乎决定了这个世界上所发生的一切
而听完了这本书
你就可以感受到大自然的奇妙之处
它在各个方面
各个层次上都是互通的
只要把握住温度这个核心概念
你就可以把万事万物都连在一起
而这
也正是这本书真正迷人的地方
在正式开始之前
我们先来介绍一下这本书的作者
吉诺 塞格雷
他是一位美籍的意大利物理学家
老话说将门出虎子
其实在科学史上
也有很多这样的科学世家
比如说著名的伯努利家族
就是在同一个家族里出现了好几位大数学家
而这本书的作者吉诺
塞格雷就是出生在一个典型的物理世家
他本人是宾夕法尼亚大学的物理教授
而他的叔叔埃米里奥
塞格雷更是大名鼎鼎
曾经拿过诺贝尔物理学奖
另外他的兄弟
外甥
表叔等等
也都是研究物理的
不仅如此
吉诺
塞格雷的夫人也同样是出自物理世家
赛格雷的岳父联金等等
在物理界都非常有名气
所以啊
连塞格雷自己都说
干物理对他来说呀
其实就相当于是从事家族事业
不过
塞格雷的才华可不光是局限在物理上
他对历史也很有研究
这就可以让他以温度为线索
信手捏来
全方位的去讲述一段关于自然的大历史
那接下来
我们就跟随他的脚步
围绕着温度这个主题
去探索四段不同的历史
分别是科学史
人类史
地球生命史以及宇宙史
好
首先我们来回顾一下科学的历史
而这就要从温度这个概念本身说起了
现在温度这个词儿早就已经成了一个日常用语
经常被挂在嘴边
谁也不会觉得它有什么特别的
但是你可能不知道
其实温度这个概念在历史上才出现了三百多年
在古代
人们虽然知道冷
也知道热
但是却从来没有温度这个概念
换句话说
就是古人从来没有想过冷和热是一种可以被量化的东西
事实上
温度这个词的提出
是科学史上非常重要的事件
它直接导致了近代科学的重大革命
而这一切的导火索
却是一种看上去不怎么起眼的小小仪器
也就是温度计
最早的温度计到底是谁发明的
有很多种不同的说法
不过可以肯定的是
它的发明时间大概是在公元一六零零年之后
那时候正好是近代科学革命爆发前的关键时刻
在这个时间段
出现了好几种非常重要的发明
包括望远镜
显微镜还有温度计
望远镜帮助人们提高了天文观测精度
促成了牛顿力学的诞生
显微镜帮助人们发现了细胞等微小结构
促成了近代生物学的诞生
而温度计呢
它带来的革命虽然要晚一点
但是重要程度和望远镜
显微镜是不相上下的
它第一次让人们有了温度这个概念
也就是说
我们可以把冷和热定量化
数字化
咱们熟悉的摄氏温度
华氏温度
就是在那个时候定下的两个量化标准
一直沿用到了今天
为什么说定量化非常重要呢
可以说啊
没有定量化就没有科学研究
温度计发明之后
有了温度的概念
人们才第一次能对热这个东西展开系统的研究
这其实是一段非常精彩和曲折的历史
而关于这段历史
你只要记住两点就可以了
第一
在对热的研究过程当中
人们发明了蒸汽机
直接导致了工业革命的开始
第二
对热的研究导致了热力学这门学科的出现
它和经典力学
经典电磁学一起构成了经典物理学的三大支柱
所以
从某种意义上来说
对于温度的研究
是工业革命和近代科学爆发的一个关键因素
那也经常有人会问
为什么在中国古代就没爆发工业革命
没有诞生科学呢
其实除了缺乏历史传统和思想基础之外
还有人提出了一个很重要的技术原因
那就是中国古代的玻璃制造技术不行
为什么这么说呢
你看
不能造玻璃
你当然也就造不出望远镜
显微镜
温度计这样的仪器
而没有这些仪器
你就没有办法精确的量化一个概念
也就谈不上科学研究
所以
千万不要小看温度计这个东西
正是它给我们带来了近代科学的重大革命
从此
我们就有了温度这把尺子
而对于科学来说
这就好像是打开了一扇新世界的大门
如果说温度对于科学的起源有重大帮助
那么它对于科学的未来也同样是不可或缺的
因为进入了二十世纪后
物理学界又爆发了两场新的革命
一个是相对论
一个是量子论
而温度同样是在其中扮演了非常重要的角色
尤其是对于量子轮来说
温度更是一个核心因素
在量子的世界里
物质在接近绝对零度的超低温状态下
会展现出非常奇妙的性质
我们经常听到的超导
超流
以及由此衍生开来的一系列前沿技术
都是量子效应在低温下的宏观体现
我们也可以想象
在未来
温度仍然会是科学研究里最重要的课题之一
它几乎牵涉到一切重大的物理和化学问题
可以说
温度贯穿了整部科学史
甚至毫不夸张的说
它是人类作为一种智慧生物
在历史上发现的最重要的科学概念之一
好
以上是第一点
我们围绕着温度回顾了科学史
接下来
让我们同样从温度出发
来重新审视一下我们人类自己的进化历史
我们知道
一个人的正常体温大概是在三十七摄氏度
不管是男是女
皮肤是黑是白
也不管是婴儿还是百岁老人
住的地方是在北极还是在赤道
所有人的体温都是一样的
但是
你可别觉得这就是一个常识
如果我们把镜头拉远
从整个自然界的角度来看
这其实是一个奇怪的现象
因为除了人类之外
其他能够保持恒定体温的动物
比如说大多数哺乳类动物
它们的体温也都是在摄氏三十七度左右浮动
另外呢
鸟类也是恒温动物
体温虽然稍高一点
但也就是在四十二度左右
跟我们的差距并不大
你看
是不是好像有一只看不见的魔力之手
把各种动物的体温都精确的调控在三十七这个数字附近
而这是为什么呢
这里面呀
其实包含了两个问题
第一是为什么我们的体温是恒定不变的
第二是为什么这个恒定的数字正好是三十七
关于这两个问题呢
其实在科学界也是众说纷纭
并没有统一的公认答案
不过有一些说法很有意思
也得到了一定程度的认同
在这里我就跟你分享一下
为什么人类的体温是恒定的呢
其实很容易发现
所有的恒温动物
比如说鸟类和哺乳类
它们的共同特点是进化的非常复杂
特别是都拥有一个复杂的大脑
而更简单一点的动物
比如说爬行类和两栖类
像蛇或者青蛙
它们就不是恒温的
而是所谓的冷血动物
相对来说
它们的大脑结构就比较简单
嗯
所以有一种说法是
我们的身体之所以会进化出恒温的机制
是为了让大脑发挥出最佳的性能
因为我们的脑子是一个极其精巧的仪器
在那里会产生各种复杂的化学反应
会有无数的信号在神经细胞之间传送和接收
而所有的这些化学反应都极其依赖于温度
那对于精密仪器来说
工作环境的稳定才是重中之重
只有让大脑保持在一个稳定的恒温环境里
它才能够稳定的发挥作用
但就算是需要恒温
那为什么非得是三十七度
而不是其他的数值呢
这个问题很有意思
因为这很可能是一个在进化中博弈取舍的结果
总的来说
体温高对于生命是更有好处的
因为首先
高温就意味着各种化学反应的效率高
代谢速度快
你的动作就可以更快更敏捷
而对于生物来说
动作灵活肯定要比慢吞吞好
其次
高温的环境可以杀死大部分有害的真菌
防止对健康造成危害
同时还可以提高免疫能力
实际上
我们生病的时候会发烧就是这个道理
面对入侵的病菌
身体系统会特意提高温度
以便更有效率的对抗细菌
当然
这也不是说体温越高就越好
因为很明显
保持高体温是要付出代价的
需要消耗更多的能量
所以这里肯定有一个平衡点
那这个平衡点在哪儿呢
其实进化早就已经给出了答案
因为神奇的是
几乎所有的恒温动物在演化过程中都不约而同的选择了三十七度
这说明这个体温很有可能就是在地球环境里
对于恒温动物最优化的一个选择
如果这种说法是真的
那温度可以说是我们人类诞生的非常重要的前提
你可以想象一下
最早的时候
生命的祖先是以一种很简单的形式生活在海里的
海水的温度相对稳定
所以生物本来也没有必要进化出保持恒温的功能
但是后来
一部分动物从海里走上了陆地
它们面对着一个完全不同的环境
在陆地上
日夜和四季会产生出非常大的温差
在这种情况下
陆地生物想要获得更多的生存优势
一个恒温的环境就显得越来越重要
非常幸运的是
有一部分动物真的就偶然进化出了精确控制体温的能力
而长期的自然选择
把这个体温调整到了最佳的三十七度
有了稳定的体温
这些动物的大脑才得以向更精密的方向演化
变得越来越发达
从此
这些动物就走上了一条朝着智慧进化的路
而其中走的最远的那一群
就是我们人类
从这个角度来说
稳定的温度
很有可能是地球上智慧生命诞生的关键所在
好
以上是第二点
我们从温度出发
探讨了人类为什么进化出智慧
接下来
让我们再把眼光放大到整个地球
来说说温度对地球上的生命会造成什么样的影响
咱们都知道
生命需要氧气
但你知道吗
其实在很长的一段时间里
地球大气层里的氧气含量非常少
而且它对于当时的生命来说
其实是一种毒药
那为什么今天大部分的生物都变成了需要呼吸氧气的生物呢
这其实也和历史上一次温度大变迁有关
最初的地球是一个炙热的大火球
经过了七八亿年之后
它终于冷却到了液态水可以存在的程度
在那之后很短的时间里
生命就出现了
我们刚才也说了
对生物来说
保持稳定的温度非常重要
但是
地球并不是恒温的
它的平均温度在漫长的岁月里有过数不清次数的起伏变化
而决定地球温度的因素有很多种
比如说它围绕太阳运行的轨道
自转轴的倾斜角度
乃至它在银河系中的位置等等
都会影响整体气候
除此之外
地球自身的因素
比如大气成分
洋流
甚至生物本身
也能够让温度产生变化
在这么多综合因素的影响下
地球有时冷有时热
冷的时候
冰川覆盖了大地
就形成了地质学上说的冰漆
冰期的出现和消失
不但改变了地质环境
更对生物的发展造成了难以估量的影响
比如说
一直到大概二十七亿年前
地球还都非常炎热
因为当时地球的大气成分和今天非常不一样
几乎没有氧气
充斥着二氧化碳和甲烷
我们知道
这两种都是温室气体
由此造成的结果就是
当时的气温可能要比今天高五十度之多
在这种环境里
生命进化的就非常缓慢
要知道
这时候啊
生命已经出现了将近二十一年了
但是形态还是非常简单
当时地球上的生命基本上都是生活在海洋里的厌氧性原核生物
也就是不需要氧气
不过
接下来的一个偶然事件就彻底改变了这一切
事情的起因众说纷纭
有的说可能是由于某种能够进行光合作用的海藻出现
增加了地球上氧气的产量
有的说可能是因为产生甲烷的细菌突然减少了
总之
大气里的氧气开始慢慢的增多
氧气的增多
一方面杀死了大量的厌氧生物
而另一方面让大气里的甲烷氧化
所以大气里的甲烷越来越少
温室效应逐渐下降
地球的温度也开始慢慢降低
最终形成了全球性的冰期
这场大冰期可能让当时
地球上的绝大多数生物都灭绝了
但是
它同样也给生命创造了机会
新生的能够进行光合作用的生物熬过了这场冰封浩劫
最终占据了生命的主流
它们不但改变了地球的大气成分
也彻底改变了演化的方向
从此之后
生命开始更多的依赖于氧气
它们使用能量的效率提高了
形态也开始变得更加复杂
这就是地球演化史上最重要的事件之一
史称大氧化
另一次决定命运的冰期出现在大约七亿年前
当时啊
地球上还没有七大洲
所有的陆地都是聚在一块
形成了一个巨大的大陆
而位置正好是在赤道附近
有意思的是
因为大陆能够反射更多的太阳光
而赤道上的阳光正好是最多的
这样一来
地球接收太阳的总能量就减少了
就导致气温稍微下降了一点儿
可别小看这下降了一点点温度
它就造成了一连串的连锁反应
温度下降一点
地球上的冰川面积就扩大一点
而冰川是白色的
反射太阳能量的能力更强
这就进一步造成了气温的下降
你看
这就变成了一个死循环
冰川造成温度下降
温度下降又生成了更多的冰川
无限反馈放大之后
地球就进入了寒冬
当时的气温可能低达零下五十度
所以从太空里看
地球上白茫茫一片
这就是所谓的雪球地球
那后来地球又是怎么解冻的呢
原因也很偶然
科学家推测
可能是地球内部的火山运动向大气里喷发了大量的二氧化碳
二氧化碳是温室气体
当它在大气中积累到一定程度的时候
就能够让气温显著的上升
很快
冰川开始融化
这又引发了反向循环
导致气温进一步上升
于是
在很短的时间里
地球的温度整整上升了一百度
从零下五十度上升到零上五十度
海水解冻
生命重新开始萌发
而且和前一次冰期一样
虽然绝大多数生命都没有挺过冰封时代
但是那些少数幸存下来的物种
却在气候回暖后爆发出了惊人的能量
雪球地球之后
无论是生物的种类还是数量
都产生了爆炸式的增长
造就了著名的寒武纪大爆发
现在地球上的生物门类
有很大一部分就是在寒武纪的这场大爆发里产生的
所以你看
生命的演化和温度是多么的息息相关
实际上
在地球漫长的历史里
随着气温的上下起伏
生命已经经历了五次大灭绝
而且神奇的是
每次大灭绝之后
生命的发展都比之前更加繁盛
比如六千五百万年前
一颗小行星撞击了地球
扬起了漫天的灰尘
挡住了阳光
随之而来的寒冬灭绝了恐龙
却给哺乳动物带来了发展机会
再比如一万三千年前
可能又是一颗彗星造成了同样的降温
美洲的猛犸象
剑齿虎等等动物纷纷灭绝
但正是这次事件
给人类造成了不可估量的影响
因为动物突然减少
我们的祖先不得不放弃狩猎的生存模式
开始了农业种植
而从此
我们的文明又进入了一个新的时代
生命就是在这样不停的冷热循环当中生生不息
演奏出了一曲波澜壮阔的冰与火之歌
好
以上是第三点
我们探讨了温度和地球生命的关系
最后咱们再把脑洞开到天际
来说说温度是怎么决定整个宇宙的命运的
为什么说温度决定了宇宙的命运呢
你可能不知道
宇宙里的每一个原子核
它的来历都是传奇
我们的世界之所以这样的丰富多彩
本质上取决于每个不同元素的原子
它都是在不同温度的熔炉里打造出来的
这是怎么回事呢
你肯定知道
宇宙诞生于一场大爆炸
在最初的时刻
一切都处于极度的高温
当时各种基本粒子几乎没有区别
不过随着时间的流逝
宇宙的体积不断的膨胀
它的温度也不断下降
而到了宇宙诞生之后三分多钟
温度下降到了大约九亿度
终于能形成稳定的原子核
在那之后
宇宙的温度随着膨胀进一步下降
大约又过了三十八万年
本来处于自由形态的电子都被吸收到原子核附近
形成完整的原子
原子的形成
就意味着物质时代正式开始了
有史以来第一次
我们的宇宙里充满了不带电的普通物质
而这些物质慢慢的聚集起来
形成了无数的恒星
再次点亮了空间
这些恒星就像是一个个熔炉
不同的元素就是在它们内部打造出来的
因为在大爆炸之初
宇宙里基本上只有最轻的两种元素
也就是氢和氦
这两种元素也是元素周期表里最前面的两个
那元素周期表后面的元素是怎么出现的呢
在恒星内部高温高压的环境里
这两种元素才能进一步变化
从氦变成碳
从碳变成氧
从氧变成硅
恒星的温度越高
聚变就会向着更重
也就是元素周期表更靠后的元素进行
不光如此
温度更决定了恒星本身的命运
一般来说
比较小的恒星
它们的核心温度不高
这样的恒星会有很长的寿命
最终会变成红矮星或者白矮星
比如说太阳
它在几十亿年之后就会变成一颗白矮星
不过
如果恒星非常巨大
它的死法就完全不同了
因为大恒星的核心需要极高的温度来维持
这会加速它内部的元素向着更重的方向进行巨变
而不幸的是
元素的聚变只能一路进行到铁原子
因为铁是最稳定的元素
哪怕再聚变也释放不出更多的能量了
所以
当恒星内部的聚变进行到铁之后
它就再也维持不了自己的核心温度
也就抵抗不了自身的巨大压力
于是一瞬间
这样的恒星会释放出巨大的能量
把自己的外层甩到宇宙空间里去
只留下一个很小的内核
这个壮观的景象就是超新星爆发
至于爆发后留下的内核是什么样子
也和温度有关
如果原来的核心温度比较低
那就可能会是一颗中子星
但如果恒星特别巨大
温度特别高
那就会留下一个黑洞
顺便说一句
虽然恒星内部的自发聚变反应一般是到铁为止
不过在超新星剧烈爆发的过程中
会短暂的形成更高的能量和温度
就会把铁进一步变成更重的元素
所以
宇宙里所有比铁更重的东西
有很大一部分都是在超新星爆炸
或者在两颗中子星对撞的时候形成的
包括地球上的金银铜矿
也包括组成我们身体的很多原子
在电影复仇者联盟里
雷神说他的锤子是在中子星上锤炼出来的
听起来似乎很高大上
其实一点也不稀奇
因为实际上
我们戴的金项链
银耳环
甚至我们每个人本身
有很大一部分就是来自中子星的锤炼
从某种意义上来说
其实组成我们身体的几乎每一个原子核
来历都很传奇
他们要么是来自宇宙大爆炸的最初
要么是来自恒星内部的熔炉
要么是来自超新星爆发的尘埃
要么来自中子星碰撞的回响
而在这其中
最关键的因素还是温度
不同的温度铸造了不同的原子核
最终形成了这个变化万千的世界
好 以上呢
我们已经从四个不同的角度讲述了温度的传奇故事
我们看到
温度不仅在科学史上发挥过重大作用
它更是未来探索的前沿课题
温度是人类进化出智慧和文明的关键
也是影响地球生命演化的最重要的因素之一
温度不但决定了宇宙和恒星的命运
甚至可以说是形成万事万物的根本源头
一个在咱们生活里如此习以为常的概念
它背后却隐藏着这么重大的意义
不知道你有没有感到惊讶呢
也许啊
当下次别人再说起温度的时候
你就会觉得
嗯
这个词确实有一点与众不同的迷人之处