仰望星辰-极简天体物理学/已知部分

一、宇宙的元素构成

1、牛顿万有引力定律震撼了人类的想象力

在引力定律被发现以前，人们认为，地球的运行有地上的规律，而天上有天上的法则。而牛顿定律宣称，他的理论可以解释宇宙，而且真的解释和预测了宇宙的运行。

2、光谱与元素的关系

19世纪，物理学家发现，每个化学元素的光谱都有自己的唯一特征。随便给一堆气体，用光一照，看看吸收光谱，就能精准的判断这里面都有什么元素。

由此太阳光一看，除了氦，其他元素地球上全有。而元素周期表上为所有元素都预留了位置，哪怕地球上不存在，也可以制造出来。

再分析远处发光星星的光谱，结果也是一样的。再远的星光也还是一样。

这意味着，走遍宇宙，你开采不到我们已知范围之外的元素。这个物理定律宇宙通用。

二、宇宙的起源

目前的观测和计算结果，宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸。

我们已知的物理定律只能从宇宙起源10-43秒之后开始起作用，这个时间称为普朗克时间。物理学有四种力的作用：引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。

在普朗克时间之前，四种力是统一在一起的，描述这样的状态需要把广义相对论和量子力学统一起来才能做到。用霍金在时间简史里的话说：广义相对论完美的解释了宏观宇宙，而量子力学解释了微观世界，但这两种理论不可能同时都对。传说中的统一场论是物理学王冠上的明珠。

从10的-43次方秒开始，引力脱离出来开始单独起作用。那时候的宇宙是一个10的-35次方米的一个小点，温度无比高。

从10的-35次方秒开始，强相互作用和弱相互作用就相互分开。更晚一点，弱相互作用和电磁相互作用分开。

从万亿分之一秒开始，宇宙有了粒子。宇宙像是一锅夸克轻子粥。这锅粥的主要活动是正反物质的产生和湮灭。

出于还不能解释的原因，每10亿对夸克和反夸克湮灭，会留下一个正夸克作为幸存者，我们今天的世界，是由这些幸运者所组成。宇宙间只有正物质没有反物质。

后面的大家都知道了，90亿年前，出现了恒星太阳，46亿年前有了行星地球。

三、认知的礼物—宇宙微波背景辐射

大爆炸创造了宇宙，还给留下了一个认知礼物—宇宙微波背景辐射。从38万岁开始，原子出现。在原子出现之前，光子随时会被电子碰撞，走不远。光子随着大爆炸后的宇宙膨胀，能量越来越低，到今天能量已经降低了1000倍，变成微波，遍布整个宇宙。这就是宇宙微波背景辐射。

1948年，美国物理学家使用三个理论，预测了宇宙微波背景辐射的存在。这三个理论是：

1、广义相对论

2、1929年哈勃发现宇宙正在膨胀

3、美国曼哈顿计划一系列原子物理实验

根据这三个理论，推算出宇宙微波背景辐射的温度应该是5K.

1964年，贝尔实验室的两个工程师测到了这个辐射，现在最精确的结果是2.72K。

更幸运的是，宇宙中遍布一种叫做氰的气体分子，受到微波辐射会被激发。从激发的情况，可以判断辐射在各处的温度有什么差异。

借助卫星观测，可以精确的绘制出整个宇宙的微波背景辐射地图。

宇宙微波背景辐射带来了宇宙在38万年时的信息。根据这一点，可以推测宇宙现在的物质分布及未来的演变。

有了这个辐射地图，你有任何模型或理论都可以计算后来验证，不符合就只能淘汰，宇宙学成了精确的科学。

有了这个辐射，宇宙最冷的地方，至少也有2.72K的温度。在科罗拉多大学物理系，物理学家制造了比微波背景辐射还低的温度。