广袤的浩瀚星辰和人类的渺小谦卑

梦_呓语
2018-02-03 14:47:54

以下为笔记

第一部分 宇宙 声音无法在真空中传播。 第2章 月亮

过去数十年的发现改变了我们曾经确信的知识:我们所在的宇宙不仅比我们期待的深邃广阔许多,更有着超越我们所有祖先所有想象力的美丽。 尘世间物种的生死对它们也毫无影响。看上去那些在外太空流逝的时间所作用的尺度远不是你的身体所能感受。地球上一整个物种的存在时间在那些遥远闪亮的天神眼中不过是弹指一瞬……

月球上没有大气层,没有蓝天没有风,在月球上看到的星星比地球多,还不闪烁。

大概四十亿年前,地球与火星大小的行星撞在一起,从地球上扯下一块物质,随后的几亿年时间里,那次撞击产生的碎片聚到一起,形成一个球体绕着地球运行,月球诞生了。 我们称它为太阳。 它距离我们居住的世界一亿五千万公里。 它是我们所用一切能量的来源。

第3章 太阳

如果把太阳缩小到一只大西瓜那么大,我们的小小地球将会处
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以下为笔记

第一部分 宇宙 声音无法在真空中传播。 第2章 月亮

过去数十年的发现改变了我们曾经确信的知识:我们所在的宇宙不仅比我们期待的深邃广阔许多,更有着超越我们所有祖先所有想象力的美丽。 尘世间物种的生死对它们也毫无影响。看上去那些在外太空流逝的时间所作用的尺度远不是你的身体所能感受。地球上一整个物种的存在时间在那些遥远闪亮的天神眼中不过是弹指一瞬……

月球上没有大气层,没有蓝天没有风,在月球上看到的星星比地球多,还不闪烁。

大概四十亿年前,地球与火星大小的行星撞在一起,从地球上扯下一块物质,随后的几亿年时间里,那次撞击产生的碎片聚到一起,形成一个球体绕着地球运行,月球诞生了。 我们称它为太阳。 它距离我们居住的世界一亿五千万公里。 它是我们所用一切能量的来源。

第3章 太阳

如果把太阳缩小到一只大西瓜那么大,我们的小小地球将会处于四十三米之外,而且你需要放大镜才能看到它。 原子核们一旦生成,在离开诞生它们的火炉时,这些较重的原子核与那些被剥离氢原子核而独自作着自由运动的电子们结合到一起,成为新的更重的原子:氮原子、碳原子、氧原子、银原子……

太阳的自身引力产生的巨大能量为热核聚变(以小原子创造大原子)反应提供条件。地球体积太小不够致密,自身引力不足以让其内核达到足以触发热核聚变反应的温度和压力。在定义上,这就是行星与恒星的主要差别。 核聚变反应中两个原子核融合后失去质量,释放能量,向外扩张。这种核聚变产生向外扩张的能量与引力带来的向内压缩的力量平衡,令我们的恒星拥有一个稳定的大小。核聚变释放出巨量的光和粒子,这些光与粒子又将它们周围的一切都剥离成原子核与电子。这种原子核与电子分离的物质状态被称为“等离子体”。 这种光、热与能量的大规模释放就是恒星之所以发光的原因。 我们恒星的内核有一天会用光它的聚变燃料。内核不再有足够的向外辐射来对抗引力。引力将打破平衡并引发我们恒星的最终一系列反应:太阳将塌缩而变得更紧密,直到核聚变再次被点燃,但这次核聚变发生的场所将不再是内核,而是发生在离表面更近的地方。这时再次开始的核聚变将无法与引力平衡,而是超过引力,太阳表面将被推开,令恒星体积变大。太阳将自己一生所创造的各种原子喷向太空,同时,还创造出更多、更重的原子,如金原子。最后,这些原子与周围其他死去的恒星残骸混合在一起,变成星尘,形成巨大的星云,或许,在很远很远的未来,又成为新世界产生的种子。科学家们通过估算太阳内核中氢原子的含量来推测这次爆炸将会发生的时间,计算结果是:太阳的爆炸将发生在五十亿年后的某个星期四,前后误差各三天。

第4章 我们的天体家庭 水星、金星、地球与火星是四颗较小也是离太阳最近的岩石状行星。小行星带后,木星、土星、天王星与海王星。气态行星,只有一个相对很小的岩石内核深深地隐藏在巨大而骚动的大气层下。这几颗行星都有着美丽的星环,土星环尤其出色,不管从大小上还是美丽程度上,其他几个行星的环加起来都及不上它。 你所看到的所有的行星、矮行星、小行星和彗星几乎都处在一个扁平的圆盘之中,太阳在圆盘的中心闪闪发光。一个储存着几千亿亿亿个可能彗星的彗星库形成一个巨大的球状星云,占据了太阳与其他恒星之间的所有空间。这个彗星库被称为“奥尔特云”。 它大得难以想象。它标示着我们这颗恒星的地盘,包含了我们这个宇宙家庭的所有成员,这个宇宙家庭被称为太阳系

离我们最近的恒星比邻星。那颗恒星发现于一九一五年。 第5章 太阳之外 比邻星属于那种被称为红矮星的家族。它比太阳小很多(只有太阳的大约七分之一大),色调偏红。这也是红矮星名字的来源。红矮星非常普遍,天空里大多数恒星都属于红矮星。因为比太阳小,它微小的内核里原子聚合的速度比太阳慢好多好多。对恒星来说,体积越大,寿命越短。比邻星这颗恒星能活很长很长时间。我们的太阳爆炸时,它也依然年轻。 太阳光需要八分二十秒才能到达地球答。但在宇宙中,太阳到地球的距离只能说是近邻。如果现在你从比邻星边上(太阳系边上)致电地球,电话铃声将在四年两个月后响起。 第6章 庞然大物 到二〇一五年为止,人类所知道的宇宙中移动最快的天体,取名为S2,或2源。束缚S2不让它飞走的天体是一个质量惊人的黑洞,有着四百万颗太阳质量。 科学家们称其为人马座A*(念成A星)

那颗恒星也一样,跌下去的速度太快,在到达那个看不见的黑洞之前就已被甩出,它的质量被转化成人类所知能量最高的两种光线——X光与伽玛射线——所构成的两道激流,一道朝上,一道朝下,就像两道灯塔的灯光,射向银河系恒星间巨大的空间,以及更远、更大的虚空。

第7章 银河系

最初进入太空的人们在回来后都表示,在一片黑暗海洋中看到我们地球的美丽及渺小让他们满怀谦逊之感。但这只是开端。你现在看到的景象让你更为谦逊。

如果你把太阳系看成我们在宇宙里的家庭,把比邻星当作我们的邻居,那么银河系就是我们在宇宙中的大城市,一个由三千亿颗恒星构成的繁华都市,而我们的太阳,只是其中的一颗。 找一个一米见方的纸箱,将它用你所在的海滩上的沙子填满。再用同样的沙子装满三百个同样的纸箱,我们的银河系里恒星的数量就和这三百个纸箱里沙粒的数量差不多。将这三百个箱子里的沙子倒在特拉法尔加广场上,铺成盘状,分出四条旋臂。这就是你现在看到的三千亿颗恒星组成的银河系景象。在将一切混在一起前给某粒沙子打上黄色标记,然后再在沙堆中找出这颗沙粒,就能体会到你在银河系上方想要找出太阳时的内心感受,更不要提寻找那个比太阳还小一百倍的地球了。找出一颗恒星就已如此困难。 太阳系位于从中心的黑洞到银河系边缘约三分之二距离的地方,四条明亮旋臂中的一条之内。不管我们觉得银河系有多大,实际上从整个宇宙的角度看,银河系作为星系也不过是普普通通的一个。 而且地球的自转轴碰巧与公转平面有个夹角,这个角度让南半球一直对着银河系的中心,而北半球总是对着边缘的方向,恒星数量也少许多。因此,北半球的星空与南半球相比无趣很多它是仙女座星系,我们的近邻星系大哥。

一千多年之前,当时全世界许多人将自己短暂的一生投入到互相征战、发明各种折磨人的精巧刑具以及对于即将来临的世界末日的巨大恐惧之中,而他却坚持观察星空。波斯天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲是巴格达黄金时代最伟大的天文学家之一,虽然他把仙女座星系中心突起描述成只是一片微弱的光云,他不可能知道那是另一个星系。他甚至不知道星系是什么东西。

仙女座星系是宇宙中离我们最近的银河系外实体。带有一万亿颗恒星。银河系与这个的仙女座星系互相绕着对方旋转,看着宇宙地平线,一种异乎寻常的宏大感觉涌上你的心头,它包含了银河系、仙女座星系与其他或远或近的星系。 仙女座星系与银河系的确正互相接近,而且速度高达惊人的每秒一百公里,按这个速度,四十亿年后两个星系将撞在一起。 它们将在太阳爆炸前十亿年就融合到一起。星系太大了,其所含的恒星之间有着巨大的空隙,星系的碰撞很少会引起恒星之间的碰撞。

即使在人类混乱的历史上最黑暗的日子里,也有些人勇敢地挑战宗教权威,坚信其他世界的存在。意大利天主教教士乔达诺·布鲁诺就是其中的一个,因为公开宣传这种异教思想,他在一六〇〇年的意大利罗马被活活烧死。他宣称“有无数太阳与无数的地球存在,这些地球围绕着各自的太阳旋转”。他因这些信念而痛苦地死去。 今天,在我看来,有更多人(甚至在最发达的国家),宁愿对科学已经揭示的事实视而不见、听而不闻,而我们所处的时代已经不再有宗教裁判所。类似地球的行星尚未被发现,但类似布鲁诺的人们却已经被定罪许多次,有些就在不久的过去。

到今天为止,已经有超过六千个潜在世界被我们探测到。其中约二千个已被证实是围绕遥远的太阳旋转的行星。有一些还是双星系统(行星绕着两颗太阳转),未来肯定还有更多惊奇出现。为了与太阳系内如金星、木星及其他行星相区别,那些遥远的世界被称为“外行星”。顺便说一句,那二千个已被证实的外行星中大约有十来个可能与地球类似。其中甚至有一个,在二〇一四年被证实与我们的地球具有令人吃惊的相似性(它的名字是开普勒186f)

第8章 宇宙尽头的第一道墙 银河系属于一个由五十四个不同星系通过引力相互纠缠而构成的一个小小星系群“本星系群”。它的区域覆盖了宽度大约八百四十万光年的球状区域。银河系是其中第二大的成员,大王是仙女座星系。好几百个星系组成“星系团”。巨大的星系团组成“超星系团”,这些超星系团是一种大得无法想象的结构。 在那里,第一颗恒星都还没有诞生。因为这个原因,你所穿过的地点与时代被称为“宇宙黑暗世纪”。我们所看到从那里发出的光都已经在宇宙中走了一百三十五亿年。就是在那个时期,大概持续了八亿年,第一颗恒星开始将氢与氦这些小原子聚合成后来构成我们以及其他行星和恒星的重原子。这些是第一代恒星。太阳则是第二或第三代恒星

一个光穿不过的地方。 这是一道时间与空间的墙。我们可见宇宙的尽头。这个尽头,这道光线无法透过的墙被称为“临界最后散射面”。 第二部分 理解外部空间

第2章 讨厌的石头 所有的行星都会在天空里画出一个鸡蛋的外形,一个被压扁的圆环,一条年复一年不断重复的轨迹。但水星例外。水星那个鸡蛋状的轨道自己会旋转,因此水星每次画出的轨迹并不与上次重合。这几乎都是其他行星造成的——每次靠近时它们都将这微小的水星拉向自己。虽然误差很微小,但确实存在。 第3章 一九一五年

引力原来是宇宙的构造被它所含的物体弯曲所引起的。 他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦,我们刚才介绍的理论——那个将物质与宇宙的局部几何联系起来并用以解释引力本质的理论,被称为广义相对论。 此理论首次发表于一九一五年,一百年以前。科学家们花了一些时间才意识到爱因斯坦捎带着改变了我们对所有事物的看法。与在他之前的人们所相信的相反,他发现了我们的宇宙不仅可能有形状,而且这个形状还是动态的,也就是说会随着时间而变化。当恒星、行星以及其他一切东西运动时,它们在我们宇宙构造中造成的弯曲也随之改变。适用于这些物体周围的规律同样适用于整个宇宙。换句话说,虽然爱因斯坦自己并不相信,但他发现了我们的宇宙会随时间而变化,它有未来。如果某个东西有未来,它就应该有过去,有历史,甚至有开端。 在爱因斯坦之前,根据牛顿看来,我们的宇宙一直“如此”。现在我们知道它并非如此,至少不是如我们所经历的方式。我们已经知道这个事实一百年了。所以,就从知识上来说,我们所生活其中的宇宙,我们的宇宙,才一百岁。

第4章 过往层层 我们已经解开的一个秘密就是物理学的定律在各处都适用因为光是我们了解宇宙的关键。光,别名电磁辐射,可被认为既是微粒(光子),又是波(波粒两相性)。

包围着我们的各种光线,从最低到最高能量依次是:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X光和伽玛射线。无线电波有着很长的波长,波峰之间距离可从一米到十万公里或更长,而伽玛射线,其波长短于一毫米的十亿分之一——但它们都是光线。我们所建造的所有望远镜都是为了捕捉它们的,无论它们来自何处,强度如何,我们能通过各种技术从各个不同窗口观察宇宙。

第5章 膨胀 电子离原子核越远,其所携带的能量就越高。因此当一个电子从离原子核较近的轨道跳跃到另一个较远的轨道时,它必须吸收一些能量。相反,要移到离原子核更近的轨道,电子需要释放一些能量。 科学家们精确地了解了某种原子内电子从一个轨道跳跃到另一个轨道所需要的能量值不同的能量值对应不同的光源,并且利用望远镜,我们自然能够获得来自任何地方的光。 原子会吸收光的能量,从自己所在的轨道跳跃到一个更高能量的轨道上去。你能找出那个原子都吸收了哪些波长的光,只要看看它的影子里少掉了哪些波长就行。那些没有被吸收的光线都顺利通过。另一方面,在由各种颜色和其他光线组成的连续彩虹中有几小块颜色变暗,就对应了被原子吸收的波长。这个图表被称为光谱,暗淡的部分被称为吸收线。 科学家们只需要看一眼光谱中缺少了哪些光的波长,就能够知道位于你与光源之间的是哪种原子。 这样,你就有了一种方法,通过光线来了解远处有什么物质而无需亲临其境。 如果宇宙的构造不是被拉紧一次,而是因某种原因永远处于被连续稳定的拉紧状态中,那么光线传播得越远,它到达地球时红移得就越厉害。从很远的地方传来的光线,蓝色会渐渐变成绿色,然后又渐渐变成黄色,再变成红色,再后面变成不可见的红外线和微波……通过从远处恒星所发的光在地球上看到的颜色与它们自己原先真正颜色的差别,你可以据此算出该恒星离地球的距离。 是星系间虚空的空间本身在变大。科学家们给这个现象起了更专门的名词,他们称其为“宇宙膨胀”。宇宙从内部不停地向外膨胀和生长。

宇宙第一原则:在相似条件下,大自然在任何时间空间都遵循同样定律。

宇宙第二原则:宇宙中没有一个特别的位置。

宇宙第三原则:在极大尺度上,宇宙无论从哪个方向看都是一样的。 第6章 感受引力

你听说过,面对即刻到来的死亡之时,人们会记起早已忘记的记忆,或看见自己的一生在眼前展开。

当光路过星系、恒星、行星,甚至一小块石头附近时,光线变弯了。物体密度越大,光线路径离它越近,弯曲程度就越明显。当星系、恒星、行星移动时,它们所引起的曲线和斜坡也一并移动,跟着它们一起互相舞动、融合。在我们的宇宙里,一切都在移动,所有地方,所有事物,包括宇宙构造本身。 想要离开地球表面进入太空,你向上扔出去的物体速度必须高于每小时40320公里。慢于这个速度它就会掉回来。这就是地球逃逸速度。 从天空之顶到最里面的地心,最轻的粒子在上面,最致密的在最深处。其致密的内部完成整个平衡花了几十亿年时间。 事实上,你现在所感受到的引力是你周围所有东西产生的斜坡之和,包括墙、天花板,甚至某只从你头顶高高飞过的小鸟或飞机。 但那些现在位于你下方的东西与你上方的东西相比远为显著。你脚下的地球比你头顶的天空含有更多质量与能量。因此它产生的斜坡最陡。因此你首先会沿着它滑下,并感觉最强。那就是地球的引力。 事实上是爱因斯坦搞明白了这个问题。 通过公式E=mc?,他告诉我们质量与能量的差别只是表面的,质量与能量只是同一样东西的两面。那是在一九〇五年。到了一九一五年,爱因斯坦又表示宇宙在任何一个地点的形状由位于该处的质量与能量决定。在这个过程中,他抛弃了把引力看作一种作用力的观念。引力只是一种几何学,是曲线与斜坡,由质量和能量所产生。

外太空,虽然看起来是一片虚空,但实际上并不空。同样,它也并非静止不变。

让它成为一个运动和变化着的几何实体的,正是我至今以来一直称之为“宇宙构造”的东西。 爱因斯坦发现这个构造是空间与时间的混合,因此“时空”是个更好地形容宇宙构造的名词。

月球本身也在时空中造成弯曲。月亮造成的时空弯曲让存在于地球表面的水向月球滑去。这就是水面跟随着围绕地球旋转的月亮而产生潮汐的原因。 银河系中所有恒星对时空的弯曲加在一起就成为银河系对时空的弯曲,与我们邻近星系的弯曲竞争,然后我们本星系群的弯曲又与其他星系群的总体弯曲竞争,永无止境。而爱因斯坦用一个公式就解释了这一切。 第7章 宇宙学 任何声称所有被我们的可见宇宙所包含在内的一切在过去的某个时段曾经大小为零(或非常接近于零)的理论都被称作“(热)大爆炸理论”

“热”是指只有一个非常热的过去才有可能将我们整个可见宇宙的所有能量容纳压缩在一个非常小的体积之中。太阳中心温度很高,是因为其中所含物质承受着因太阳自身的引力而带来的整个恒星的压力。将整个可见宇宙压缩在太阳大小的球体中,你遇见的是另一层次的热。

“大”是因为它含有整个可见宇宙。 “爆炸”是指在那个紧跟“热”的阶段之后的膨胀看起来就像是发生在过去的一次爆炸,发生在我们宇宙诞生之初。大爆炸并没有发生于时空中的某个特殊点,而是在一切地方。 第8章 宇宙地平线之外 使用望远镜或者其他强大的工具,你现在已经能够看到整个可被观察的宇宙,但它依然存在限制:临界最后散射面。 这个散射面位于我们的过去,大约一百三十八亿年以前。 它同样也位于空间中,离我们一百三十八亿光年处[1]。 它限制着我们所能看到的东西。注释:[1]事实上,它的位置比这更远,因为从那束现在到达我们的光离开光源之后宇宙又膨胀了不少。物理学家们估计现在的距离应该大约在四百六十亿光年。 在太空里,也是一样。 我们从地球上能看到的可见宇宙是一个半径为一百三十八亿光年的球。但这并不意味着外面就没有东西存在。位于另一个行星上的另一个人,会有另一个包裹着他的宇宙地平线,它的半径也是一百三十八亿光年,因为同这里相比,那里的宇宙没有理由更老或更年轻。你前面已经听过的三个宇宙原则就是为了保证下述结论而引入的:那些离我们非常遥远,因此它们与我们没有共同可见部分的可见宇宙应该看起来与我们相似,并且遵循同样的物理定律。 伴随而来的推论应该是住在整个宇宙(包括那些在可见宇宙之外的部分)里任何地方的人,他们所看到的可见宇宙应该也在膨胀,并且遵守爱因斯坦的方程式,如果他们按下时间的回放键,他们也将看到一个热大爆炸的宇宙,同我们在这里看到的相同。以他们为中心的热大爆炸,而不是以我们为中心。 从这样的视角看我们整个宇宙,完全没有所谓中心,大爆炸在各处发生。从这个视角,你能够体会到所谓“多重宇宙”的概念:一个由许许多多分离的宇宙所形成的大宇宙,各个分离宇宙之间无法互相交流,虽然它们都属于同一个整体。 第9章 大爆炸的铁证 它是一种温度的信号,对应于-270.42℃的温度。他们发现了位于可见宇宙尽头的临界最后散射面所残余的热量。这种辐射,热大爆炸理论的铁证之一,被称为宇宙微波背景辐射

那么,为什么这种辐射被称为“微波”? 答案又一次与宇宙的膨胀有关。 当宇宙变得透明时,也就是最后散射时所透出的光实际上是可见的,而且含有各种颜色、能量与频率,但现在它们已经无法被我们的眼睛所见——它们被散射掉了。 你还记得光波的颜色与能量取决于两峰之间的距离吗?经过时空长达一百三十八亿年的拉伸,这束光的颜色开始是靛色,然后变蓝、变绿、变黄、变橙、变红……接着就变得无法被我们的眼睛可见,变成红外线,后来是无线电波,最后是微波。 我们现在就在这个阶段。当光可见时,那里很热,现在可见光已经变成——经过一百三十八亿年的膨胀之后——270.42℃的微波冷光。 大爆炸位于那个表面之后。 但并不紧贴着临界最后散射面。 它发生在三十八万年之前。 比宇宙变得透明早三十八万年。 临界最后散射面的另一边(或者之外,或者之前),后来变成我们可见宇宙的东西可被形容为一团由物质、光、能量与曲率混合在一起的汤,越来越致密,越来越热。很快你就会去那里旅行,亲眼看看。但现在,就让我们先相信你进入那道墙后面越远,到达我们宇宙的更早部分,所有一切会变得越极端化。走到太远之后,你的周围一切都已不符常理。就连时间与空间都过于纠缠,连爱因斯坦的方程式都已不再适用,无法描述那里所有的一切是什么以及是怎么发生的。 在这种情形下,理论物理学家们就到了一个对于所有一切都无话可说的地方,这个时间点被认为是我们所认识的时间与空间的诞生点。根据我们将在本书中使用的定义,这个点在大爆炸之外。

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