Question

天体物理学

Answer 1

一个月前读了尼尔泰森的《给忙碌者的天体物理学》，终于在黑暗的考试月后，整理出来。在对话宇宙的过程，我们能否从生命起源的最初，去更好的认清自己，和这个世界的联系。

关于宇宙，你应该知道的常识有3个：

1.宇宙起源于137亿年前的一次“大爆炸”。

2.在引力平衡的前提下，宇宙存在暗物质，但目前还没有观察到。

3.宇宙也存在暗能量，正是这个暗能量，让宇宙加速膨胀！（暗物质和暗能量对于我们而言，现在还是个谜）

为了不让我自己写不下去，我尽量挑有趣的现象着墨，同时，我们可以来一道开胃菜：

这是一张在地球上、晚上拍摄的太阳照片。注意，晚上，太阳可是在地球的另一面。物理学家把照相机镜头向下，透过地球，拍到了太阳！

那是因为这张照片拍的不是太阳光，而是太阳发射的中微子。中微子，是最难跟任何仪器发生相互作用的东西，它们横穿整个地球都畅通无阻……但最终还是被物理学家捕捉到了。

所以只要暗物质存在，物理学家就一定有办法“看到”它。

以下是几个耳能详熟，但又不太容易理解的概念，我认为你应该知道。

1.广义相对论

牛顿的万有引力定律是个非常漂亮、也相当精确的理论，但是它有一个本质的缺陷。牛顿引力是一种“超距作用”。这里有个质量很大的物体，你立即就感受到它的引力 —— 可是这个力是怎么传播的呢？连光速都有限，引力信息难道能瞬间到达吗？牛顿自己也意识到了这个问题，但是他没办法。

直到1916年，爱因斯坦提出广义相对论。爱因斯坦说，你可以把引力当成是空间的弯曲。用一句话概括他的思想，就是“物质告诉空间怎么弯曲，空间告诉物质怎么运动。”大质量物体改变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，引力不再是超距作用了，它通过空间传递。

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。然后等到2016年，物理学家果然观测到了引力波。

咱们想想这件事吧。十三亿年以前，在距离地球十三亿光年远的地方，有两个黑洞发生了碰撞。这次碰撞带来的引力波，向全宇宙传播。碰撞发生的时候，地球上只有一些最原始的单细胞生物。引力波慢慢传递过来……在此期间，地球上演化出了智人、智人有了文化、爱因斯坦出生，写下了广义相对论的引力场方程……然后一直到2016年，也就是碰撞发生十三亿年以后，我们截获了这个引力波！

.2.宇宙膨胀

我先来解释一下，“宇宙膨胀”到底是什么意思。 宇宙大爆炸和寻常一颗炸弹的爆炸可不一样，大爆炸带来的膨胀，是空间本身的膨胀。广义相对论认为“空间”并不是一片虚空，而是一个可以传播引力、可以变形可以弯曲的实实在在的东西。

在宇宙起源之前，时空根本不存在。大爆炸以后空间膨胀了，日月星辰才有了在其中玩耍的场所。我们可以把空间想象成一张实实在在的网 —— 所有东西都是放在这张网上，而网本身可以变大。

3.哈勃改变了世界观

到了1929年，美国天文学家哈勃迎来一个改变世界观的时刻。当时哈勃对银河系以外那些广阔空间中的星系，做了一个系统性的观测。他发现，星系发出的光的光谱，有一个往红端的移动。

这就是所谓“红移”，也就是频率都变小了一些。这种现象我们在生活中也能遇到。波动都是这样的，当这个物体向你跑过来的时候，它的频率会增加；当这个物体离你而去的时候，他的频率会减少。 比如一个火车鸣笛，如果是火车面向你开过来，你会觉得鸣笛声音更尖锐一点；如果是火车是离你而去，你会觉得鸣笛声音更低沉。

那星系光谱的红移就只能说明一个问题：所有这些远方的星系，都在离我们而去。而且通过精确测量各个星系光谱红移的程度，哈勃还发现，这些星系离我们而去的速度，和它们到我们的距离成正比。

这就好比说你站在一个大广场上，你发现周围所有人都在离你而去，而且距离你越远的人，跑得越快！

哈勃发现的，就是宇宙正在膨胀。

科学家再通过超新星亮度算的实际距离，比用宇宙膨胀历史算的距离长了15%。这就意味着，宇宙膨胀不但没有减速，而且还加速了！

这个发现历经检验确认无疑，最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。

如果以上的知识太过于枯燥，你可以直接看这一段：

暗能量是真空中的能量。宇宙越膨胀，真空越大，暗能量就越大。现在物理学家知道，在50亿年以前，暗能量的比例达到一定数值，宇宙就已经开始加速膨胀了。

而随着空间越来越大，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，我们的天空中将会再也看不到其他的星星。

如果我们这个文明不能把现在关于宇宙的知识流传到那个时候，如果那时候还有智慧生命的话，那时的天文学家将会认为宇宙里就只有一个银河系。他们的宇宙观会跟我们很不一样，他们将无从知道宇宙里其实有那么多星系！

因为缺少关键信息，他们永远都想不到宇宙曾经有过这样的历史。

但是还有更可怕的。泰森说他做了一个噩梦。如果说一万亿年以后的人缺少关键信息，那么我们这一代人，是不是也缺少了某些关键信息，以至于有关这个宇宙，有些东西是我们永远都不能理解的呢？

要知道，这个宇宙根本没有义务让你理解。

宇宙观：

我们这个宇宙不太可能是一场计算机模拟游戏。因为如果你只是为了哄地球人玩，模拟这么一个世界的话，你完全没有必要把宇宙场景设定得这么大。如果宇宙的绝大部分是我们永远都不可能访问的，那那些遥远星系的存在对我们到底有什么意义呢？

宇宙学视角的一个重要意义就是让我们谦卑一点。

泰森说，比如你观察小孩。小孩总是把身边一点小事儿当成天大的事儿。玩具坏了，他就哭闹。膝盖擦破一点皮，他就大喊大叫。他们以为自己是世界的中心，因为他们经验太少，不知道世界上有比这些大得多的事儿。

那我们作为大人，是不是也有同样幼稚的想法呢？我们是不是也会不自觉地认为世界应该绕着自己转呢？别人跟你信仰不同，你就要打击；别人跟你政治观点不一样，你就想控制。如果你有点宇宙学视角，你可能会觉得人跟人的区别不但不是坏事，反而还值得珍视。

探索宇宙可能会给我们带来一些实际的物质好处，也可能纯粹是因为有趣。 但是泰森说，探索宇宙还有一个功能，就是让我们保持把眼光放远的态度。

如果你只看自己这一亩三分地，你慢慢总会认为世界就应该绕着你转，你一定会变得无知和自大。愿意向外探索，实在是事关谦卑的美德。

好在我们这个宇宙没有义务让我们理解。它现在还充满未知！

最后让我们再看一张图片

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

这就是我们的家！

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：

这本书无疑激起了我对宇宙的的向往，而这种向往在长大以后，就再也没有被想起来了。越长大越生活在小小的个体里，能了解到宇宙的历史宏伟之后，方知道作为个体的渺小。心存敬畏，时常感恩。