科学|从相对论到引力波，百年宇宙发展史，宇宙比任何人想象的都要神秘
1835年 ， 法国哲学家奥古斯特·孔德断言 ， 没人会知道恒星由什么构成 。
他写道：“我们可以确定恒星的形状 ， 距离 ， 大小和运动硅基 ， 但是我们将永远不知道如何研究其化学成分或矿物结构 ， 甚至可能存在于其表面的有组织的生物 。 ”
如果孔德还在世 ， 从那时起的科学发现将使他震惊 。
今天 ， 我们知道宇宙比任何人所想象的都要大得多而且陌生 。 它不仅扩展到银河系之外 ， 还扩展到无数其他星系 ， 这使我们的银河系成为“宇宙”的19世纪和20世纪初的天文学家感到惊讶 ， 而且宇宙的边界每天都在增加 。
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现在 ， 我们可以追溯到138亿年的宇宙历史 ， 直到大爆炸之后仅十亿分之一秒的时刻 。 天文学家已经将我们的宇宙膨胀率 ， 主要成分的平均密度以及其他关键数字固定在1％或2％的精度上 。 他们还制定了宇宙空间的物理学法则——广义相对论和量子力学 ， 这些定律反过来预测了诸如黑洞 ， 中子星和引力波之类的宇宙奇数 。 人类如何知晓这些宇宙科学的故事充满了偶然、惊喜和坚持不懈 ， 顽强的科学家们追求别人认为无法实现的目标 。
人类对恒星本质的第一个理解是在1860年 ， 当时古斯塔夫·基希霍夫意识到太阳的光谱中的暗线是由吸收特定波长的不同元素造成的 。 天文学家根据其他的恒星分析了相似的特征 ， 发现它们是由地球上发现的相同元素组成 ， 而不是古代人认为的某种神秘的“第五要素” 。
但是花了更长的时间才知道是什么使恒星发光 。 开尔文计算出 ， 如果恒星仅从重力获得能量 ， 并随着辐射泄漏而缓慢收缩 ， 那么太阳的年龄就是2000万至4000万年 ， 这比查尔斯·达尔文或当时的地质学家所计算的时间要少得多 ， 如果是这样 ， 阳光已经在地球上消失了 。 在1908年发表的有关该主题的最后一篇论文中 ， 开尔文坚持自己的估计：“除非恒星有其他能源使其发光” 。
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事实证明 ， 这种来源是核聚变 ， 原子核通过该过程聚集成一个更大的核并释放能量 。 1925年 ， 天体物理学家塞西莉亚·佩恩·卡波什金使用恒星的光谱计算恒星化学元素丰度 ， 发现与地球不同 ， 它们主要由氢和氦组成 。 她在天文学家奥托·斯特鲁夫所说的“最杰出的博士学位”中揭示了自己的结论 。 ” 十年后 ， 物理学家汉斯·贝特发现 ， 氢原子向氦中的融合是普通恒星的主要动力来源 。
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同时 ， 恒星变得越来越不神秘 ， 模糊“星云”的性质也变得更加清晰 。 1920年4月26日 ， 在华盛顿美国国家科学院举行的一次“大辩论”中 ， 哈洛·沙普利坚持认为 ， 我们的银河系非常重要 ， 所有星云都是其中的一部分 。 相比之下 ， 希伯·柯蒂斯认为 ， 天空中的一些模糊物体是独立的星系“岛屿宇宙” ， 完全等同于我们的银河系 。 1924年 ， 埃德温·哈勃测量了到许多星云的距离并证明它们不在银河系的范围之内 ， 这个问题才解决 。
不仅如此 ， 哈勃意识到宇宙比许多人想象的要大得多 ， 而且发现宇宙还在增长 。 1929年 ， 他发现来自遥远星系的星光中的光谱特征比附近恒星的特征更红（也就是说 ， 它们的波长更长） 。 如果将这种效应解释为多普勒频移 ， 则意味着其他星系正在彼此远离并远离我们 。 确实 ， 他们离得越远 ， 衰退似乎就越快 。 这是我们宇宙膨胀的第一个线索 。
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宇宙似乎也包含了许多我们看不到的东西 。 1933年 ， 弗里茨·兹维基估计了昏迷星系群中所有恒星的质量 ， 发现它们仅占该恒星团的质量的1％ 。 这种差异被称为“遗漏的质量问题” ， 但是当时许多科学家对兹维奇关于存在隐藏物的理论表示怀疑 。 这个问题一直存在分歧 ， 直到1970年代 ， 维拉·鲁宾和肯特·福特等科学家发现 ， 银河系盘的外部也会飞散 ， 除非它们受到约束比单独的恒星和气体所能提供的引力要强 。 最后 ， 大多数天文学家被迫接受一定存在的“暗物质” 。 鲁宾写道：“我们凝望了一个新世界 ， 并且它比我们想象的更加神秘和复杂 。 ” 现在 ， 科学家们认为 ， 暗物质的数量比可见物质大约大五倍 ， 但我们几乎比1930年代更了解暗物质的含义 。
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引力 ， 揭示了所有暗物质的力量 ， 几乎令人困惑 。 1915年是一个关键时刻 ， 阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论 ， 该理论超越牛顿力学 ， 并揭示出引力实际上是时空结构的变形 。 这个新理论很难被接受 。 即使通过观察1919年的日食证明它是正确的 ， 许多人还是认为该理论是一个有趣的另类 ， 毕竟牛顿定律仍然足以计算大多数东西 。 天文学家WJS Lockyer对《纽约时报》说：“这些发现虽然非常重要 ， 但并没有影响到地球上的任何事物 。 ”日食之后 。 提出相对论后的半个世纪 ， 广义相对论依旧被物理学的主流拒之门外 。 然后 ， 从1960年代开始 ， 天文学家开始发现只有爱因斯坦的思想才能解释的新的宇宙极端现象 。
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一个例子潜伏在蟹状星云中 ， 这是天空中最著名的天体之一 ， 它是由公元1054年中国天文学家目睹的超新星不断膨胀的碎片组成的 。 自从出现以来 ， 该星云就一直保持着蓝色而明亮的光芒 ， 但是它的光源是一个长期的难题 ， 直到1968年 ， 它中心的昏暗恒星被发现 。 它实际上是一颗超紧凑的中子星 ， 比太阳重 ， 但半径只有几英里 ， 并且以每秒30转的速度旋转 。 发现者之一乔斯林·贝尔·伯内尔说：“这是一种完全出乎意料的 ， 全新的天体 ， 其行为方式是天文学家从未想到 ， 从未梦想过的 。 ” 恒星的快速自旋发出快速电子风 ， 产生蓝光 。 在如此难以置信的稠密物体表面的重力远远超出了牛顿定律-火箭需要以光速的一半发射 ， 才能逃避其引力 。 在这里 ， 必须考虑到爱因斯坦预测的相对论效应 。 已经发现了成千上万个这样的旋转中子星（称为脉冲星） ， 这些都是超新星爆炸的恒星核心的残留物 ， 为研究极端条件下的自然规律提供了理想的实验室 。
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爱因斯坦理论最奇特之处是黑洞的概念 ， 黑洞坍塌 ， 甚至连光也无法逃脱其引力 。 几十年来 ， 这些只是猜测 ， 爱因斯坦在1939年写道 ， “它们不存在于物理现实中” 。 但是在1963年 ， 天文学家发现了类星体：在某些星系中心存在着神秘的 ， 发光的信标 。 在人们达成共识之前 ， 已经有十多年的历史了 ， 这种强烈的亮度是由气体旋入潜伏在星系核心中的巨大黑洞中产生的 。 迄今为止 ， 最有力的证据表明 ， 这些关于广义相对论的奇怪预测确实存在 。
宇宙什么时候开始的？
宇宙有一个开始吗？在20世纪中叶 ， 两种相互竞争的理论给出截然不同的答案 ， 天文学家们一直在争论这些问题 。 “大爆炸”模型认为 ， 宇宙由热而密奇点爆炸产生 ， 然后随着时间的流逝而冷却并散开 。 “稳态论”假设认为 ， 宇宙本质上永远以相同的形式存在 。 争论因偶然的发现而解决 。
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1965年 ， 射电天文学家亚诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊试图在新泽西州的贝尔实验室校准新天线 。 他们有一个问题：无论如何减少背景干扰 ， 他们都在各个方向上测量的噪声水平一致 。 他们甚至驱逐了一直在天线中的居住的一对鸽子 ， 希望鸽子导致这个问题 。 但是信号仍然存在 。 他们发现星际空间并不完全寒冷 。 取而代之的是 ， 通过弱微波将其加热至近三个开尔文（仅在绝对零值以上） 。 彭齐亚斯和威尔逊无意间发现了“宇宙大爆炸的余辉” ， 那个时代的冷却和稀释的遗物 ， 当时宇宙中的一切都被挤压到炽热而稠密 。
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这一发现有力地支持了宇宙学的大爆炸理论 。 根据该模型 ， 在最早 ， 最热的时期中 ， 宇宙是不透明的 ， 就像恒星内部一样 ， 并且光被电子反复散射 。 然而 ， 当温度降至3,000开尔文时 ， 电子的速度下降到足以被质子捕获并产生中性原子 。 此后 ， 光可以自由传播 。 贝尔实验室的信号就是这种古老的光 ， 它是在宇宙诞生后大约30万年首次释放的 ， 至今仍弥漫着宇宙-我们称之为宇宙微波背景 。
这一发现让发现它的科学家沉迷宇宙 。 “我们很高兴为天线噪声提供一个可能的解释 ， 但是我没有 认为我们中的任何一个一开始都不会真的非常重视宇宙学 。 ”威尔逊说 ， “那时我开始思考 ， 也许我应该要认真对待这种宇宙学 。 ”
此后 ， 对宇宙辐射的测量使科学家了解星系如何出现 。 对微波的精确观察表明 ， 它们在宇宙中并不完全均匀 。 有些区域温度较高 ， 有些则温度较低 。 这些波动的幅度只有十万分之一 ， 但它们是当今宇宙结构的种子 。
对宇宙微波辐射背景的建模不仅使我们了解的宇宙的婴儿时期 。 一系列发现还揭示了恒星 ， 行星甚至我们地球形成演化的历史 。
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从1950年代开始 ， 原子物理学的进步使科学家对恒星表面精确建模 。 同时 ， 不仅对氢和氦原子的原子核 ， 而且对其余元素的核子的详细了解 ， 使科学家能够计算出哪些恒星核反应在恒星生命的不同阶段占主导地位 。 天文学家开始理解核聚变如何在大质量恒星中形成洋葱皮结构 ， 因为原子先后聚变形成越来越重的元素 ， 最后在最内层、最热的层中形成铁 。
天文学家还了解到恒星在耗尽氢燃料时如何死亡 。 然后 ， 较轻的恒星安静的死亡时形成白矮星 ， 但较重的恒星会发生超新星爆炸 ， 驱逐自身的物质 ， 这些被驱逐的物质对于我们自身的生存至关重要 ， 它混入星际介质中 ， 再凝结成由诸如地球这样的行星轨道运行的新恒星 。 弗雷德·霍伊尔等物理学家在1957年发表的经典文章中分析了超新星爆炸所涉及的核反应网络 ， 并发现了元素周期表中大多数原子是如何存在的 。 他们计算了为什么氧气和碳很常见 ， 而金和铀却很少 。 事实证明 ， 我们的银河系是一个巨大的生态系统 ， 我们每个人体内所包含的原子都是由分布在银河系中数十个不同恒星中锻造而成 ， 这些恒星在45亿年前就已经存在和死亡 。
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至此 ， 科学家们了解了几乎所有构成行星 ， 恒星和星系的元素的起源 。
广义相对论预言了一种称为引力波的现象 ， 这是由巨大物体运动产生的时空波纹 。 尽管科学家进行数十年的搜寻 ， 但直到2015年9月为止 ， 仍未见到任何波浪 。 2015年9月 ， 激光干涉仪引力波天文台首次检测到引力波的证据 ， 轻微摇动加速的时空消失了 。 在这种情况下 ， 引力波由双星系统中的两个黑洞引起 ， 这些黑洞开始彼此绕行 ， 但逐渐螺旋在一起 ， 最终汇聚成一个大质量的洞 。 黑洞融合事故发生在十亿光年之外 。
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自从首次发现以来 ， 已经发现了十多个类似的事件 ， 从而开辟了一个新领域 ， 探索太空本身的动态 。 一个事件具有特殊的天体物理学意义 ， 因为它标志着两个脉冲星的合并 。 与黑洞合并不同 ， 这种碰撞是两个超稠密恒星之间的飞溅 ， 产生一束光 ， X射线和伽马射线 。 这一发现填补了弗雷德·霍伊尔1957年经典著作中的空白 ， 作者已经解释了太空中许多元素的成因 ， 但却为金元素的形成感到迷惑 。 在1970年代 ， 科学家推测 ， 与脉冲星假设的合并有关的奇异核过程可能起到了作用 ， 现在 ， 此理论已得到证实 。
尽管在过去的百年中 ， 天文学取得令人难以置信的进步 ， 但与现在相比 ， 我们现在所面临的问题也许更多 。
暗物质 ， 在20多年前科学家就预测暗物质的性质和起源 。 但是 ， 暗能量却是另一回事 。 1998年 ， 当研究超新星的距离和速度的研究人员发现宇宙膨胀实际上正在加速时 ， 暗能量进入科学家的视野 。
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两个星系彼此之间的空旷空间中似乎被一种的神秘力量所淹没 ， 该力将星系推开 ， 使其彼此远离 ， 这种力后来被称为暗能量 。 到目前为止 ， 科学家对暗能量一无所知 。 研究弦论或环量子引力的理论家正在解决这一挑战 ， 但是这种现象似乎还远未能通过任何实验得以解决 。
然而 ， 好的一面是 ， 可以解释宇宙真空中能量的理论也可能对我们宇宙的开始产生深刻的见解 ， 量子涨落可以撼动整个宇宙 。
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这使我们面临另另一些主要问题：宇宙是如何开始的？是什么引起了开始我们宇宙的大爆炸？我们宇宙大爆炸可能只是广阔群岛中的一个时空岛 ， 而在许多群岛中也发生一个大爆炸 。 如果这个假设是正确的 ， 那么不同的大爆炸可能会有所不同地降温 ， 从而导致每种情况下的独特物理定律即“多重宇宙” 。 一些物理学家讨厌多元宇宙的概念 ， 因为这意味着我们永远不会对控制我们的物理定律的基本数字进行简洁的解释 。
那么我们这个宇宙或多重宇宙将会发生什么呢？在即将到来的更冷 ， 更空的宇宙面前 ， 星系将加速消失 ， 质子可能会腐烂 ， 暗物质颗粒可能会被歼灭 ， 黑洞蒸发时偶尔会出现闪光 ， 然后消失 。
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这个可能的未来基于暗能量保持恒定的假设 。 但是 ， 如果它衰变了 ， 则宇宙可能会自身收缩 ， 从而产生“重大危机” 。 或者 ， 如果暗能量增强 ， 那么当星系 ， 恒星甚至原子被撕裂时 ， 就会出现“大裂痕” 。
还有一些更重要的问题是 ， 人类发现的一些新星球上都有生命吗？还是地球只是宇宙的幸运儿？到目前为止 ， 宇宙学和天体物理学计算得出95％的概率存在外星生命 ， 地球只是唯一的概率还不到5％ ， 科学家希望这种平衡将持续下去 。 哈勃（Hubble）在1930年代写的话今天仍然是一个很好的格言：“直到地球资源资源用尽 ， 我们才需要转到梦幻般的投机领域”
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在过去的近百年中 ， 有许多特别令人振奋的时代 。 1920年代和1930年代 ， 当我们意识到宇宙不仅仅局限于银河系 ， 以及1960年代和1970年代 ， 当我们发现不符合经典物理学的天体 ， 例如中子星和类星体 ， 以及有关宇宙微波背景下时间开始的线索 。
从那以后 ， 进步的步伐是加重而不是放松 。
当科学史被写下来时 ， 一些惊人的进步被誉为最大的胜利之一 ， 那里是板块构造 ， 基因组和粒子物理学的标准模型 。 天文学的一些主要领域正在发展 ， 系外行星研究只有25年的历史 ， 而真正的天体生物学工作才刚刚开始 ， 一些系外行星可能有生命 ， 甚至可能藏有已经知道所有答案的外星人 ， 而人类却还未踏出太阳系 。
——全文完——
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