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我们对宇宙观念是如何一次一次的改变的?

已知的总是有限的,未知的则是无限的;从知识上说,我们像是处在一个令人费解的无边海洋中的小岛。我们每一代人的任务就是多回收一点土地。

1910s:爱因斯坦的理论得到验证!

广义相对论因解释了牛顿引力无法解释的水星近日点进动问题而名声大震。但是,一个成功的科学理论不仅仅需要能够给出符合所有现有观测的理论的结果,它还需要做出可被检验的新预言。而在这一方面,广义相对论表现的相当出色。1919年,广义相对论的第一个预言被验证:在日全食期间观测到遥远星光发出的光线,在经过太阳时发生了弯曲。而星光弯曲的程度与爱因斯坦的理论预言的相一致,但不符合牛顿理论的预测。从此,我们对宇宙的看法就彻底发生了变化。此外,广义相对论还预言的引力时间膨胀、强和弱引力透镜、惯性系拖曳效应、引力红移等等都被后来的实验或观测所证实。

△ 1919年,天文学家爱丁顿对日全食的观测结果显示,广义相对论完美地描述了星光在大质量物体附近发生了偏折,推翻了牛顿的图景。

1920s:哈勃的发现

上个世纪20年代,人们依旧认为银河系就是整个宇宙,而Edwin Hubble的工作一下子拓宽了我们的视野——银河系不过是众多星系中的一员。

哈勃测量了十几个星系的退行速度和距离,从而发现了宇宙正在膨胀,而不是静止不变的!

△ 哈勃在仙女座星系中发现的造父变星,才使我们意识到宇宙的广漠。

1930s:暗物质的提出

科学家曾一度认为如果我们可以测量包含在恒星内的所有质量,或许再加上气体和尘埃,就可以计算出宇宙中的所有物质。

在上个世纪30年代,当Fritz Zwicky观测了一个致密的星系团中的星系后发现,恒星和我们所谓的“普通物质”不足以解释星系团的内部运动。因此,他推断必然存在着额外的新物质,称其为暗物质。不幸的是他的观测结果一直被忽略。直到20世纪70年代,当天文学家发现暗物质普遍存在于单独的旋转星系后,暗物质才成为了研究热点。

△ 后发星系团中两个明亮巨大的星系。NGC4889(左)和稍微小一点的NGC4874(右),各自的大小都超过百万光年。但是在外围的星系运动的如此之快,暗示着整个星系团应该存在着一个巨大的暗物质晕。

1940s:宇宙源于大爆炸

这段时期,虽然大部分的实验和观测资源都花在了间谍卫星、火箭技术和核技术的发展,但理论物理学家并没有停止对宇宙进行探索。1945年,George Gamow对膨胀的宇宙做出了终极推论:如果今天的宇宙正在不断膨胀和冷却,那它应该有一个更加炽热和致密的过去。回溯过去,肯定有一段时间由于宇宙的温度太高、密度太大,以至于无法形成稳定的中性原子,而在更早之前,甚至连原子核都无法形成。如果这是对的,那么在任何恒星诞生之前,宇宙最初的材料中,最轻的元素应该有一个特定的比例,并且今天我们应该能够观测到宇宙早期遗留下来的余晖,这些余晖的温度刚好在绝对零度以上,并且散布在各个方向。这个框架便是今天所谓的大爆炸理论,这是在那个动荡年代中最美妙的思想。

△ 可观测宇宙的历史的时间线。自大爆炸以来,可观测宇宙膨胀的越来越大。

1950s:来自Hoyle的轻蔑

大爆炸理论并不是解释宇宙起源的唯一理论,它强有力的竞争理论被称为稳恒态模型,由Fred Hoyle和同时代的其他科学家提出。

Hoyle和他的同事认为这些重元素并不是在早期炽热和致密的状态下产生的,而是由前代的恒星制造出来的。Hoyle和他的合作者详细地描述了当恒星内发生核聚时,元素是如何一步步地构建起元素周期表。在Hoyle提出的几年后,这种新的态被Willie Fowler发现,今天被称为霍伊尔碳态(Hoyle state of carbon)。从他们的工作中,现在我们知道地球上现有的所有重元素都来源于一代又一代的恒星的熄灭与诞生。

△ 图中显示了太阳的表面和内部的不同区域,包括发生核聚变的核心。

1960s:关键性的证据

经历了20多年的辩论,科学家终于发现了决定宇宙历史的主要观测证据:预言中的大爆炸遗留下来的余晖被发现了!1965年,Arno Penzias 和 Bob Wilson 观测到了天空中均匀分布着2.725开尔文的辐射(即所谓的微波背景辐射),但他们一开始并没有意识到他们的发现意味着什么。后来,科学家测量到了这个辐射的完整的黑体辐射光谱,甚至测量到它的涨落,这就证明了宇宙始于一场大爆炸。

△ 如果我们能够看见微波,夜空看起来像是温度为2.7开尔文的绿色椭圆,而中心会出现“噪声”,这是来自更热的银道面。这个温度一致的黑体辐射谱正是大爆炸所预言的遗留的余晖:微波背景辐射。(图片来源:NASA / WMAP science team)

当你今晚走到户外,并摘下帽子,你的头皮就能感受到大爆炸带来的一丝温暖。如果你有一个品质良好的调频收音机,而且你站在两个微波中继站之间,你就会听到“嘶-嘶-嘶”的声音。你可能听到过这样的哔哔声。它像是一种抚慰。有时它很像海浪的拍击声,你听到的声音,大约有千万分之五是来自数十亿年前传来的噪声。

—— Arno Penzias

1970s:一次指数式的膨胀

在1979年末,一个年轻的科学家的脑海中冒出了一个让他为之奋斗一生的想法。Alan Guth提出了宇宙暴胀模型,以解释大爆炸理论无法解释的问题,例如为什么宇宙为何在空间上如此平坦?为什么各个方向的温度都一样?为什么没有产生超高能量的残留物。Guth的暴胀模型指出,在宇宙处于炽热致密的状态之前,事实上它经历了一次指数式的膨胀,所有的能量都束缚在空间的自身结构中。Guth的最初想法经历了几次演变才形成了今天的暴胀理论,之后的一些天文观测都证明了暴胀理论的预测,比如微波背景辐射的涨落、宇宙中的大尺度结构、星系聚集、团簇和形成的方式。

△ 在大爆炸之前,宇宙最早期的阶段,建立了初始条件,才演变成了我们今天所观测到的宇宙。

1980s:爆发的超新星

1987年,天文学家观测到了近100年来距离地球最近的超新星爆发。这也是我们拥有可探测到这些事件发出的中微子的探测器以来,首次探测到的超新星爆发。 虽然我们在其他星系中看到了超大型的超新星爆发,但我们从未有过距离如此之近的超新星爆发,使我们能够观测到这些中微子。 这20个中微子的发现标志着中微子天文学的开始,随后的发展又使我们发现了中微子振荡、中微子具有质量,以及探测来自百万光年外的超新星爆发所产生的中微子。如果目前的探测器仍然在运行,我们将能从银河系里下一个出现的超新星中探测到超过数十万个的中微子。

△ 超新星1987a爆发后的遗迹,位于165000光年外的大麦哲伦星云。这是在过去超过3个世纪中,观测到离我们最近的超新星。

1990s:加速膨胀的宇宙

而在1998年对遥远超新星的观测表明,宇宙正在加速膨胀,并且随着时间流逝,遥远的星系间会加速相互远离。宇宙不仅会变冷,那些没有被束缚的星系最终会消失在我们的视界之外。除了在本星系群中的星系,没有其它的星系会遇到我们的银河系,我们注定会在寒冷中孤独的存在。而在另一个1000亿年后,我们将无法看到任何超过我们自身的星系。

△ 宇宙的四种可能命运。最底下的那个跟观测数据最为吻合,是一个由暗能量驱使的宇宙。

2000s:宇宙的成分

宇宙微波背景辐射的发现并不止于1965年,我们对大爆炸的余晖的涨落的测量告诉了我们宇宙是由什么构成的。来自COBE卫星的数据被WMAP卫星取代,而之后的Planck卫星又更进一步。此外,结合来自大型星系巡天项目(比如2dF和SDSS)的大尺度结构数据和遥远的超新星爆发的数据,才有了现代宇宙的图景:

  • 0.01%的辐射以光子的形式存在,

  • 0.1%的中微子,

  • 4.9%普通物质,包括所有由原子构成的物体,

  • 27%的暗物质,或者说神秘、不与任何物质发生相互作用(除了引力)的粒子,它们构成了今天我们观测到的宇宙的结构,

  • 68%的暗能量,来自空间自身固有的属性。

△ 上个世纪90年代,微波背景辐射的起伏最初由COBE卫星精确的测量,更精确的测量来自20世纪初的WMAP以及这个世纪20年代的Planck。

2010s:未结束的时代

△ 开普勒-186系统、开普勒-452系统和太阳系。

这个时代还没有结束,但到目前为止,我们已经在NASA的开普勒卫星探测到的上千颗系外行星中,发现了潜在的可宜居的类地行星。但是,可以说这并不是这个时代最大的发现,因为LIGO第一次直接探测到的引力波验证了爱因斯坦在百年前对引力所描绘的图景。爱因斯坦提出的理论取代牛顿引力后的一个世纪,广义相对论无与伦比地经受住了每一次的实验和观测的检验。而引力波的发现更是开启了引力波天文学时代,帮助我们更好的理解宇宙。

△ 合并黑洞产生的引力波。(图片来源:SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project )

在这100年里,我们从以为银河系就是整个宇宙,以及对宇宙的年龄一无所知,到现在我们知道宇宙诞生于约138亿年前,是一个由暗物质、暗能量和普通物质驱使的膨胀和冷却的宇宙,并且充满了潜在可宜居的行星。我们知道宇宙起源,它的命运,它今天看起来是什么样的,以及它是如何演变成今天这个样子的。科学的故事还没有结束,因为宇宙中还有许多未知的事物等待着我们去发现。我们完全可以期待在未来的100年里,科学的进步和革命会继续带给我们惊喜。

上海科技报科普问答主持人:主任记者 吴苡婷

大众对宇宙的认识反映出社会的基本教育水平。从古至今人们对宇宙的认识经历了多个阶段。

天圆地方:1000多年前,古人认为天圆地方,大地平直的被踩在脚下,天空则像锅盖一样覆盖着大地。太阳和月亮则分别在天盖上围着地球转。

大地的形状:一段时间里人们都认为大地是平的,而人们在码头时却发现一些奇怪的现象,远处回来的船总是先看见船帆再看见船身。这种奇特的现象让科学家认为大地可能是圆的,直到后来哥伦布极其船员(哥伦布中途病逝)的环球航海的成功人们才真正接受大地是球体的说法。

地心说:西方的宗教认为大地处于宇宙中心静止不动。从地球向外依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星,在各自的轨道上绕地球运转。

日心说:哥白尼经过大量的观测和计算发现地球并不是宇宙的中心,地球和其他的行星都是围着太阳在旋转且太阳静止在太阳系的中心不动。后来伽利略等科学家公开支持了哥白尼的日心说。

漩涡说:漩涡说由笛卡尔创立。他认为真空中充满了空间物质,它们围绕太阳形成漩涡,这种漩涡导致了太阳系的形成。

星云说:康德认为太阳系是由一团星云物质通过万有引力等自然规律作用而收缩形成的,先形成的是太阳,然后剩余的星云物质进一步收缩形成行星。

大爆炸假说:比利时天文学家和宇宙学家勒梅特在1927年提出大爆炸假说,他认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。这也能解释现宇宙的膨胀现象,并且人们也在1946年发现了大爆炸留下的痕迹—宇宙微波背景辐射。这个假说也是目前为止接受度最高的假说。

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