忙碌者的天体物理学

今天月全食不知大家看的是否过瘾,咱们再把视线放远,放到整个璀璨的星空来一窥整个宇宙。


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宇宙空间模拟图


一  物理规则在整个宇宙中都是适用的

1. 牛顿的万有引力定律不仅仅适用于地球,也适用于整个宇宙。不仅万有引力是这样,科学家通过分析太阳的光谱,发现构成宇宙中物质的元素,和地球上几乎是一模一样的。这也就是说,物质和物理定律在整个宇宙中普遍适用,我们可以用物理定律计算宇宙的起源。

2. 宇宙起源于夸克和反夸克湮灭后留下的正夸克。如果每个人都是早期宇宙中的一个正夸克,相当于今天活着的全体中国人中,只有一个人能幸存。所以可以说,构成我们身体的、周围环境的每个原子都是幸运的,因为原子身上的每一个质子、中子、电子,都是正反物质湮灭中十亿分之一的幸存者。

3. “宇宙微波背景辐射”是光子变成微波之后,遍布于整个宇宙的状态。这可不是最近的新发现,在二战时期,美国物理学家仅仅使用当时已知的三个理论,便预言了微波背景辐射的存在,并且计算出了非常接近事实的结果。

4. “宇宙微波背景辐射”带来的是宇宙刚刚产生38万年时候的信息,我们可以据此推测当时的物质在宇宙的分布情况。再根据这一点,我们就可以推测宇宙现在的物质是怎么分布的,宇宙的未来将会怎么演变。

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宇宙物质分布图


二、人类科学家目前为止仍不太了解暗物质

1. 天文学家兹威基和鲁宾先后发现,有些星系中行星的运动速度快得不合常理,而星系中又没有那么多引力支持,这就好比,你发现邻居不怎么出门,每次出门却只买了一点点食物,唯一的解释是他家里有其他食物。由此,科学家发现,宇宙中存在着大量的、我们观测不到的暗物质。

2. 银河系整个星系被一层厚厚的暗物质包围。暗物质在星系中间比较浓,远离星系的地方慢慢变淡。因为我们的太阳系只是整个星系中间的一小块区域,运动不会受到暗物质影响,所以我们感觉不到。


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两个黑洞合并那一瞬间释放的能量,相当于天上突然多了10^21个太阳。


3. 暗物质既不是黑洞,也不是气体云,更不是流浪行星,科学家在上天入地寻找暗物质,但却一无所获。不过科学家发现,正是由于暗物质的陪伴,平衡了宇宙大爆炸的膨胀,让宇宙变成了现在这个样子。

三、宇宙不是永恒不变的,有开始就有结束

1. 爱因斯坦提出的“广义相对论”,主要意思是说,大质量的物体改变了它周围空间的弯曲程度,其他物体根据感受到的弯曲空间运动,引力通过空间传递。因为引力是一个可传递的东西,广义相对论马上就预言了“引力波”的存在。2016年,物理学家们果然观测到了引力波。

2. 爱因斯坦认为宇宙是静态的,因此在引力波方程式中加入了一个“宇宙常数”。哈勃用天文望远镜发现了“红移”现象,发现星系都在离我们远去,验证了宇宙膨胀这一现象,这就证明爱因斯坦错了。

3. 我们这个宇宙现在的全部能量中,寻常的物质只占大约4%,暗物质占26%,暗能量占70%。暗能量提供了一种真空中的斥力,但是我们完全不知道它的物理机制,也还没有找到它。

4. 随着空间越来越大,暗能量越来越多,宇宙膨胀的加速度也会越来越大。这就意味着,远方的星系是以越来越快的速度离我们而去,不可能再回头。物理学家计算,再过一万亿年,除了银河系以外,我们的天空中将再也看不到其他的星星。

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地球


这是一张著名的照片。1990年,旅行者1号探测器即将飞出太阳系的时候,在距离地球60亿公里的地方,美国国家航空航天局命令它回头再看一眼,拍摄了60张照片。照片上的光带是相机镜头反射的太阳光。其中的这一张上正好包括了地球 —— 就是图中那个亮点。

泰森的老师,天体物理学家、也是著名的科学作家卡尔·萨根,看了这张照片非常感慨,他在1996年的一个颁发学位典礼上就此说过一段非常著名的话。咱们就把这段话作为这个系列的结尾吧 —— 

我们成功地(从外太空)拍到这张照片,细心再看,你会看见一个小点。就是这里,就是我们的家,就是我们。在这个小点上,每个你爱的人、每个你认识的人、每个你曾经听过的人,以及每个曾经存在的人,都在那里过完一生。这里集合了一切的欢喜与苦难,数千个自信的宗教、意识形态以及经济学说,每个猎人和搜寻者、每个英雄和懦夫、每个文明的创造者与毁灭者、每个国王与农夫、每对相恋中的年轻爱侣、每个充满希望的孩子、每对父母、发明家和探险家,每个教授道德的老师、每个贪污政客、每个超级巨星、每个至高无上的领袖、每个人类历史上的圣人与罪人,都住在这里 —— 一粒悬浮在阳光下的微尘。

地球是这个浩瀚宇宙剧院里的一个小小舞台。想想从那些将领和帝王们挥洒出的血河,他们的光荣与胜利只为了让他们成为了这一点上一小部分的短暂主宰。想想栖身在这点上一个角落的人正受着万般苦楚,而在几乎不能区分的同一点上的另外一个角落里亦同时栖身了另一批人。他们有多常发生误解?他们有多渴望杀了对方?他们的敌意有多强烈?

我们的装模作样,我们的自以为是,我们的错觉以为自己在宇宙里的位置有多优越,都被这暗淡的光点所挑战。我们的星球只是在这被漆黑包裹的宇宙里一粒孤单的微粒而已。我们是如此的不起眼——在这浩瀚之中,我们不会从任何地方得到提示去拯救我们自身……

一直有人说天文学是令人谦卑,同时也是一种塑造性格的学问。对我来说,希望没有比这张从远处拍摄我们微小世界的照片更好的示范,去展示人类自大的愚蠢。对我来说,这强调了我们应该更加亲切和富同情心地去对待身边的每一个人,同时更加保护和珍惜这暗淡蓝点,这个我们目前所知唯一的家…

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