科學也可以如此靠近

從相對論到引力波,百年宇宙發展史,宇宙比任何人想象的都要神秘

11月
18
2020

2020年11月18日01時 寒武紀科學館

學生,優質創作者

本文參加百家號 #科學了不起# 系列征文賽。

天文學家如何改變我們對宇宙的看法,宇宙比任何人想象的都要更大、更怪異

1835年,法國哲學家奧古斯特·孔德斷言,沒人會知道恒星由什麼構成。

他寫道:“我們可以確定恒星的形狀,距離,大小和運動矽基,但是我們將永遠不知道如何研究其化學成分或礦物結構,甚至可能存在於其表面的有組織的生物。”

如果孔德還在世,從那時起的科學發現將使他震驚。

今天,我們知道宇宙比任何人所想象的都要大得多而且陌生。它不僅擴展到銀河系之外,還擴展到無數其他星系,這使我們的銀河系成為“宇宙”的19世紀和20世紀初的天文學家感到驚訝,而且宇宙的邊界每天都在增加。

現在,我們可以追溯到138億年的宇宙曆史,直到大爆炸之後僅十億分之一秒的時刻。天文學家已經將我們的宇宙膨脹率,主要成分的平均密度以及其他關鍵數字固定在1%或2%的精度上。他們還制定了宇宙空間的物理學法則——廣義相對論和量子力學,這些定律反過來預測了諸如黑洞,中子星和引力波之類的宇宙奇數。人類如何知曉這些宇宙科學的故事充滿了偶然、驚喜和堅持不懈,頑強的科學家們追求別人認為無法實現的目標。

發現之旅

人類對恒星本質的第一個理解是
在1860年,當時
古斯塔夫·基希霍夫意識到太陽的光譜中的暗線是由吸收特定波長的不同元素造成的。天文學家根據其他的恒星分析了相似的特征,發現它們是由地球上發現的相同元素組成,而不是古代人認為的某種神秘的“第五要素”。

但是花了更長的時間才知道是什麼使恒星發光。開爾文計算出,如果恒星僅從重力獲得能量,並隨著輻射泄漏而緩慢收縮,那麼太陽的年齡就是2000萬至4000萬年,這比查爾斯·達爾文或當時的地質學家所計算的時間要少得多,如果是這樣,陽光已經在地球上消失了。在1908年發表的有關該主題的最後一篇論文中,開爾文堅持自己的估計:“除非恒星有其他能源使其發光”。

事實證明,這種來源是核聚變,原子核通過該過程聚集成一個更大的核並釋放能量。1925年,天體物理學家塞西莉亞·佩恩·卡波什金使用恒星的光譜計算恒星化學元素豐度,發現與地球不同,它們主要由氫和氦組成。她在天文學家奧托·斯特魯夫所說的“最傑出的博士學位”中揭示了自己的結論。” 十年後,物理學家漢斯·貝特發現,氫原子向氦中的融合是普通恒星的主要動力來源。

同時,恒星變得越來越不神秘,模糊“星雲”的性質也變得更加清晰。1920年4月26日,在華盛頓美國國家科學院舉行的一次“大辯論”中,哈洛·沙普利堅持認為,我們的銀河系非常重要,所有星雲都是其中的一部分。相比之下,希伯·柯蒂斯認為,天空中的一些模糊物體是獨立的星系“島嶼宇宙”,完全等同於我們的銀河系。1924年,埃德溫·哈勃測量了到許多星雲的距離並證明它們不在銀河系的範圍之內,這個問題才解決。

不僅如此,哈勃意識到宇宙比許多人想象的要大得多,而且發現宇宙還在增長。1929年,他發現來自遙遠星系的星光中的光譜特征比附近恒星的特征更紅(也就是說,它們的波長更長)。如果將這種效應解釋為多普勒頻移,則意味著其他星系正在彼此遠離並遠離我們。確實,他們離得越遠,衰退似乎就越快。這是我們宇宙膨脹的第一個線索。

宇宙似乎也包含了許多我們看不到的東西。1933年,弗裏茨·茲維基估計了昏迷星系群中所有恒星的質量,發現它們僅占該恒星團的質量的1%。這種差異被稱為“遺漏的質量問題”,但是當時許多科學家對茲維奇關於存在隱藏物的理論表示懷疑。這個問題一直存在分歧,直到1970年代,維拉·魯賓和肯特·福特等科學家發現,銀河系盤的外部也會飛散,除非它們受到約束比單獨的恒星和氣體所能提供的引力要強。最後,大多數天文學家被迫接受一定存在的“暗物質”。魯賓寫道:“我們凝望了一個新世界,並且它比我們想象的更加神秘和複雜。” 現在,科學家們認為,暗物質的數量比可見物質大約大五倍,但我們幾乎比1930年代更了解暗物質的含義。

引力,揭示了所有暗物質的力量,幾乎令人困惑。1915年是一個關鍵時刻,阿爾伯特·愛因斯坦發表了廣義相對論,該理論超越牛頓力學,並揭示出引力實際上是時空結構的變形。這個新理論很難被接受。即使通過觀察1919年的日食證明它是正確的,許多人還是認為該理論是一個有趣的另類,畢竟牛頓定律仍然足以計算大多數東西。天文學家WJS Lockyer對
《紐約時報》說:“這些發現雖然非常重要,但並沒有影響到地球上的任何事物。
日食之後。提出相對論後的半個世紀,廣義相對論依舊被物理學的主流拒之門外。然後,從1960年代開始,天文學家開始發現只有愛因斯坦的思想才能解釋的新的宇宙極端現象。

一個例子潛伏在蟹狀星雲中,這是天空中最著名的天體之一,它是由公元1054年中國天文學家目睹的超新星不斷膨脹的碎片組成的。自從出現以來,該星雲就一直保持著藍色而明亮的光芒,但是它的光源是一個長期的難題,直到1968年,它中心的昏暗恒星被發現。它實際上是一顆超緊湊的中子星,比太陽重,但半徑只有幾英裏,並且以每秒30轉的速度旋轉。發現者之一喬斯林·貝爾·伯內爾說:“這是一種完全出乎意料的,全新的天體,其行為方式是天文學家從未想到,從未夢想過的。” 恒星的快速自旋發出快速電子風,產生藍光。在如此難以置信的稠密物體表面的重力遠遠超出了牛頓定律-火箭需要以光速的一半發射,才能逃避其引力。在這裏,必須考慮到愛因斯坦預測的相對論效應。已經發現了成千上萬個這樣的旋轉中子星(稱為脈沖星),這些都是超新星爆炸的恒星核心的殘留物,為研究極端條件下的自然規律提供了理想的實驗室。

愛因斯坦理論最奇特之處是黑洞的概念,黑洞坍塌,甚至連光也無法逃脫其引力。幾十年來,這些只是猜測,愛因斯坦在1939年寫道,“它們不存在於物理現實中”。但是在1963年,天文學家發現了類星體:在某些星系中心存在著神秘的,發光的信標。在人們達成共識之前,已經有十多年的曆史了,這種強烈的亮度是由氣體旋入潛伏在星系核心中的巨大黑洞中產生的。迄今為止,最有力的證據表明,這些關於廣義相對論的奇怪預測確實存在。

宇宙什麼時候開始的?

宇宙有一個開始嗎?在20世紀中葉,兩種相互競爭的理論給出截然不同的答案,天文學家們一直在爭論這些問題。“大爆炸”模型認為,宇宙由熱而密奇點爆炸產生,然後隨著時間的流逝而冷卻並散開。“穩態論”假設認為,宇宙本質上永遠以相同的形式存在。爭論因偶然的發現而解決。

1965年,射電天文學家亞諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜試圖在新澤西州的貝爾實驗室校准新天線。他們有一個問題:無論如何減少背景幹擾,他們都在各個方向上測量的噪聲水平一致。他們甚至驅逐了一直在天線中的居住的一對鴿子,希望鴿子導致這個問題。但是信號仍然存在。他們發現星際空間並不完全寒冷。取而代之的是,通過弱微波將其加熱至近三個開爾文(僅在絕對零值以上)。彭齊亞斯和威爾遜無意間發現了“宇宙大爆炸的餘輝”,那個時代的冷卻和稀釋的遺物,當時宇宙中的一切都被擠壓到熾熱而稠密。

這一發現有力地支持了宇宙學的大爆炸理論。根據該模型,在最早,最熱的時期中,宇宙是不透明的,就像恒星內部一樣,並且光被電子反複散射。然而,當溫度降至3,000開爾文時,電子的速度下降到足以被質子捕獲並產生中性原子。此後,光可以自由傳播。貝爾實驗室的信號就是這種古老的光,它是在宇宙誕生後大約30萬年首次釋放的,至今仍彌漫著宇宙-我們稱之為宇宙微波背景。

這一發現讓發現它的科學家沉迷宇宙。“我們很高興為天線噪聲提供一個可能的解釋,但是我沒有 認為我們中的任何一個一開始都不會真的非常重視宇宙學。”威爾遜說,“那時我開始思考,也許我應該要認真對待這種宇宙學。”

此後,對宇宙輻射的測量使科學家了解星系如何出現。對微波的精確觀察表明,它們在宇宙中並不完全均勻。有些區域溫度較高,有些則溫度較低。這些波動的幅度只有十萬分之一,但它們是當今宇宙結構的種子。

對宇宙微波輻射背景的建模不僅使我們了解的宇宙的嬰兒時期。一系列發現還揭示了恒星,行星甚至我們地球形成演化的曆史。

從1950年代開始,原子物理學的進步使科學家對恒星表面精確建模。同時,不僅對氫和氦原子的原子核,而且對其餘元素的核子的詳細了解,使科學家能夠計算出哪些恒星核反應在恒星生命的不同階段占主導地位。天文學家開始理解核聚變如何在大質量恒星中形成洋蔥皮結構,因為原子先後聚變形成越來越重的元素,最後在最內層、最熱的層中形成鐵。

天文學家還了解到恒星在耗盡氫燃料時如何死亡。然後,較輕的恒星安靜的死亡時形成白矮星,但較重的恒星會發生超新星爆炸,驅逐自身的物質,這些被驅逐的物質對於我們自身的生存至關重要,它混入星際介質中,再凝結成由諸如地球這樣的行星軌道運行的新恒星。弗雷德·霍伊爾等物理學家在1957年發表的經典文章
分析了超新星爆炸所涉及的核反應網絡,並發現了元素周期表中大多數原子是如何存在的。他們計算了為什麼氧氣和碳很常見,而金和鈾卻很少。事實證明,我們的銀河系是一個巨大的生態系統,我們每個人體內所包含的原子都是由分布在銀河系中數十個不同恒星中鍛造而成,這些恒星在45億年前就已經存在和死亡。

至此,科學家們了解了幾乎所有構成行星,恒星和星系的元素的起源。

廣義相對論預言了一種稱為引力波的現象,這是由巨大物體運動產生的時空波紋。盡管科學家進行數十年的搜尋,但直到2015年9月為止,仍未見到任何波浪。2015年9月,激光幹涉儀引力波天文台首次檢測到引力波的證據,輕微搖動加速的時空消失了。在這種情況下,引力波由雙星系統中的兩個黑洞引起,這些黑洞開始彼此繞行,但逐漸螺旋在一起,最終匯聚成一個大質量的洞。黑洞融合事故發生在十億光年之外。

自從首次發現以來,已經發現了十多個類似的事件,從而開辟了一個新領域,探索太空本身的動態。一個事件具有特殊的天體物理學意義,因為它標志著兩個脈沖星的合並。與黑洞合並不同,這種碰撞是兩個超稠密恒星之間的飛濺,產生一束光,X射線和伽馬射線。這一發現填補了弗雷德·霍伊爾1957年經典著作中的空白,作者已經解釋了太空中許多元素的成因,但卻為金元素的形成感到迷惑。在1970年代,科學家推測,與脈沖星假設的合並有關的奇異核過程可能起到了作用,現在,此理論已得到證實。

宇宙學的未來

盡管在過去的百年中,天文學取得令人難以置信的進步,但與現在相比,我們現在所面臨的問題也許更多。

暗物質,在20多年前科學家就預測暗物質的性質和起源。但是,暗能量卻是另一回事。1998年,當研究超新星的距離和速度的研究人員發現宇宙膨脹實際上正在加速時,暗能量進入科學家的視野。

兩個星系彼此之間的空曠空間中似乎被一種的神秘力量所淹沒,該力將星系推開,使其彼此遠離,這種力後來被稱為暗能量。到目前為止,科學家對暗能量一無所知。研究弦論或環量子引力的理論家正在解決這一挑戰,但是這種現象似乎還遠未能通過任何實驗得以解決。

然而,好的一面是,可以解釋宇宙真空中能量的理論也可能對我們宇宙的開始產生深刻的見解,量子漲落可以撼動整個宇宙。

這使我們面臨另另一些主要問題:
宇宙是如何開始的?是什麼引起了開始我們宇宙的大爆炸?我們宇宙大爆炸可能只是廣闊群島中的一個時空島,而在許多群島中也發生一個大爆炸。如果這個假設是正確的,那麼不同的大爆炸可能會有所不同地降溫,從而導致每種情況下的獨特物理定律即“多重宇宙”。一些物理學家討厭多元宇宙的概念,因為這意味著我們永遠不會對控制我們的物理定律的基本數字進行簡潔的解釋。

那麼我們這個宇宙或多重宇宙將會發生什麼呢?在即將到來的更冷,更空的宇宙面前,星系將加速消失,質子可能會腐爛,暗物質顆粒可能會被殲滅,黑洞蒸發時偶爾會出現閃光,然後消失。

這個可能的未來基於暗能量保持恒定的假設。但是,如果它衰變了,則宇宙可能會自身收縮,從而產生“重大危機”。或者,如果暗能量增強,那麼當星系,恒星甚至原子被撕裂時,就會出現“大裂痕”。

還有一些更重要的問題是,人類發現的一些新星球上都有生命嗎?還是地球只是宇宙的幸運兒?到目前為止,宇宙學和天體物理學計算得出95%的概率存在外星生命,地球只是唯一的概率還不到5%,科學家希望這種平衡將持續下去。哈勃(Hubble)在1930年代寫的話今天仍然是一個很好的格言:“直到地球資源資源用盡,我們才需要轉到夢幻般的投機領域”

在過去的近百年中,有許多特別令人振奮的時代。1920年代和1930年代,當我們意識到宇宙不僅僅局限於銀河系,以及1960年代和1970年代,當我們發現不符合經典物理學的天體,例如中子星和類星體,以及有關宇宙微波背景下時間開始的線索。

從那以後,進步的步伐是加重而不是放松。

當科學史被寫下來時,一些驚人的進步被譽為最大的勝利之一,那裏是板塊構造,基因組和粒子物理學的標准模型。天文學的一些主要領域正在發展,系外行星研究只有25年的曆史,而真正的天體生物學工作才剛剛開始,一些系外行星可能有生命,甚至可能藏有已經知道所有答案的外星人,而人類卻還未踏出太陽系。

本文來源於《美國科學人》

——全文完——

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