科學也可以如此靠近

如果把宇宙的一生,壓縮成一年

7月
06
2018

2018年7月06日08時 今日科學 原理

原理

○ 圖片來源:Malcolm Godwin

在廣袤的空間和無限的時間中,能與你共享同一顆行星和同一段時光是我的榮幸。

——卡爾·薩根

如果時光能夠倒流,讓我們回到最初的那一刻。

138億年前,宇宙剛剛誕生。那時候,宇宙中沒有生命,沒有行星,也沒有恆星、星系、或星系團。在巨大和複雜的結構形成之前,宇宙自身首先經歷了非常複雜的過程,製造出了一系列的擁有獨特性質的原子。這些原子,是萬物的基本構築。它們與引力、電磁力和核力支撐著整個今天已知的宇宙。

隨著時間的流逝,宇宙不斷地膨脹,從一個緻密、熾熱的狀態演變成如今我們所棲息的廣漠、寒冷的宇宙。今天,宇宙中包含了數以萬億的星系,每個星系中又包含了數以千億的恆星系統。這些恆星無論是類似我們太陽的系統,或者是像我們最近的鄰居——半人馬座阿爾法星,都有專屬於它們的獨特的行星和衛星,如果足夠幸運的話,甚至還能夠孕育出生命。

現代科學最偉大的成就是我們不僅可以理解整個宇宙由什麼構成,同時還能知道它是如何演化成今天的樣子。但對我們而言,138億年太過漫長。為了更好的描繪宇宙的歷史,讓我們把它的一生壓縮成地球上的一年。

○ Cosmos: A Spacetime Odyssey (2014)

一月(Jan)

宇宙從何而來?這是世界上最大的未解之謎,它是所有其它謎題的根源。一個最簡單的答案或許就是宇宙起源於一個開端。但如果深入思考就會發現,這個答案假定了一個最重要的東西,那就是宇宙有一個開端。當前的天文觀測都支持大爆炸理論,這是目前描述宇宙最好的宇宙學模型。有一些人則開始提出其他的可能性,他們認為,宇宙或許是從上一個宇宙的坍縮中反彈而生的,即所謂的大反彈理論。或許在很長的一段時間內都不會有終極的答案,但這並不阻礙我們繼續探索、辯論。

○ 循環宇宙?| 圖片來源:Claus Lunau

1號

在元旦這天,宇宙度過了許多重要的時期。

就在宇宙誕生後的10^-43秒,宇宙進入了普朗克時期,當時的溫度和壓力是如此之高,以至於自然界中的四種基本力(引力、電磁力、弱核力和強核力)在那個時期並無區別,換句話說,如果我們能夠創造出當時的環境,就能統一這四種基本力。很快,宇宙迎來了一場指數式的膨脹,稱為暴脹時期。四種基本力在夸克時期(10^-12秒)已經完全分離成現在的形式,這是我們在大型強子對撞機(LHC)所能模擬的最早的環境。接著,就到了重子時期,夸克相互結合開始形成質子和中子,這發生在大爆炸的1秒鐘之後。在大約10秒後,宇宙進入了光子時期,充滿了原子核、電子和光子組成的等離子體。但是當時的溫度太高,無法形成穩定的原子。

○ 宇宙最古老的光——微波背景輻射。| 圖片來源:ESA

就這樣,宇宙度過了大約38萬年。緊接著,有趣的事情開始發生了,宇宙的溫度已經降低到足以使電子和原子核結合形成穩定的中性氫原子和氦原子。這段時期被稱為複合時期。自此,宇宙開始變得透明。光子終於可以自由的在空間中傳播,形成了今天天文學家觀測到的宇宙微波背景輻射(CMB)。通過CMB,天文學家破譯了宇宙的年齡,揭示了宇宙的成分,為我們探索早期宇宙提供了無比珍貴的信息。

3號

儘管光自由了,但接下來宇宙經歷的時期被稱為黑暗時期。在接下來的幾百萬年中,宇宙非常平靜,充滿了中性原子,大部分是氫氣以及混合了一些氦氣。這個過程一直持續,直到有足夠的氣體聚集在一起點燃了核聚變,形成了第一批恆星。

○ 第一批恆星。| 圖片來源:NASA

11號

NASA的哈勃空間望遠鏡在這一天發現了迄今為止已知宇宙中最遙遠的星系。這顆亮度驚人、大小只有銀河系1/25的星系被稱為GN-z11。

○ GN-z11。| 圖片來源:NASA/ESA

18號

天文學家發現了迄今為止最遙遠的超大質量黑洞,它位於一個超級明亮的類星體J1342 + 0928的中心。它的發現使天文學家倍感困惑,它究竟是如何形成的?為什麼能在這麼短的時間內形成如此巨大的黑洞?

○ 最遙遠的類星體。
|圖片來源:Jinyi Yang/Reidar Hahn/M.Newhouse

31號

天文學家利用一系列望遠鏡發現了處於最初發展階段的星系團,這也是在早期宇宙觀測到的最遙遠的原星系團。早期的原星系團非常罕有,並且極難定位。(星系團是由上百個單獨的星系,在引力的作用下束縛在一起形成的。一個典型的星系團包含了50到1000個星系。銀河系是室女座星系團的一員,該星系團包含了大約2000個星系。)

○ 最遙遠的原星系團。| 圖片來源:Subaru/ P. Capak (SSC/Caltech)

二月(Feb)

14號

宇宙在不同的物理尺度上都呈現出了結構——從環繞行星的衛星,到跨越可觀測宇宙大範圍的超星系團、星系的薄片、纖維狀結構和空洞。後者通常被稱為宇宙中的「大尺度結構」。宇宙中的大尺度結構在情人節這天開始慢慢形成。

○ 大尺度結構。| 圖片來源:NASA

三月(Mar)

11號

2016年,NASA的錢德拉X-射線天文台及其他望遠鏡發現了最遙遠的星系團——CL J1001+0220。該星系團最令人驚奇的是,其核心區域包含了11個大質量星系,其中9個正瘋狂地產生著恆星,形成率相當於每年3000個太陽。

○ CL J1001+0220。| 圖片來源:NASA、ESO

四月(Apr)

17號

在天文書籍中,通常會把星系描述為壯麗的孤島——一個閃爍著繁星的世界。但是星系也有動態的一面。在空間中,不期而遇的星系最終會合併成一個更加龐大的星系,觸發恆星的誕生。星系的合併在過去更加的普遍,因為膨脹的宇宙更加的小。在宇宙誕生後的40億年,有大量的大型螺旋星系合併形成橢圓星系。

○ 星系的合併。| 圖片來源:NASA/ESA/A. Evans

六月(Jun)

3號

恆星並不是亘古不變的閃爍著光芒,它們自誕生以來就註定了滅亡。在這一天,第一批類似太陽的恆星耗盡了自身的燃料,在一場煙花般的行星狀星雲中結束自己的生命。

○ 行星狀星雲是宇宙中最耀眼的演出。| 圖片來源:ESA/Hubble & NASA, ESO

從1月3日第一批恆星誕生起,它們就不斷地經歷著演化-滅亡-誕生-演化-滅亡

恆星的註定毀滅聽起來像是個悲傷的故事,但卻是至關重要的,它們是重元素的工廠。我們血液中的鐵,骨頭中的鈣,肌肉中的碳和肺里的氧,所有的這些都是在恆星的內部中製造出來的。因此可以說,我們都是星塵。回顧整個宇宙的歷史長河,正是有數十億恆星的饋贈才有了今天的我們。

○ 鷹星雲中的「創生之柱」包含了大量的氣體和塵埃,是恆星的誕生之所。| 圖片來源:NASA

九月(Sep)

3號

這一天,迎來了重要的一刻。我們的太陽和原行星盤誕生了!圓盤中的氣體和碎石逐漸凝聚成行星,小行星等等。這其中一員便是我們的星球——地球。地球在誕生之初並沒有現在的寧靜,它飽受撞擊。

○ 太陽和原行星盤。| 圖片來源: NASA/FUSE/Lynette Cook

4號

在所有撞擊地球的天體中,有一顆火星大小的天體,被稱為Theia。科學家認為這次撞擊殘留的碎片形成了月球。但科學家對月球樣本的化學分析中,並沒有發現任何微量Theia的成分。因此有科學家認為月球或許是通過一系列的撞擊產生的,而非一次巨大的撞擊。

○ 月球是在連續地撞擊中誕生的嗎?| 圖片來源:R. RUFU ET AL

13號

這一天,暗能量迎來了歷史性的一刻,它開始統治宇宙:物質的密度低於暗能量的密度(真空能),因此空間的膨脹開始加速。儘管如此,我們對暗能量的真實面目依然一無所知,它是現代物理學最大的一朵烏雲之一。

○ 宇宙正在加速膨脹。| 圖片來源: Coldcreation

21號

有證據表明,地球上的生命大約誕生於這一天。我們依舊不知道生命起源於何處,或許它來自外太空的隕石。生命是如何起源的?這個問題一直是科學中最基本的大問題之一,無論是化學家、生物學家、地理學家、或是天文學家都希望能找出答案。雖然目前有許多理論試圖解釋,但沒有一個具有說服力。

○ 生命是如何起源於地球上的?生命在宇宙中是普遍的嗎?還有許多的問題等待著我們去揭開。

十月(Oct)

12號

火星一直是科學家所熱衷的研究對象,也是伊隆·馬斯克征服外太空的首選目標。在這一天,火星失去了磁核,這意味著它失去了保護屏障。很快,它的大氣層就被太陽風剝離,才演變成今天我們所看到的紅色星球。

○ 或許在不就的將來,我們就能踏上火星這片土地。| 圖片來源:NATIONAL GEOGRAPHIC

十一月(Nov)

9號

在11月9號這天,地球上的生命開始呼吸、移動、進食,並對周遭環境做出反應。多虧了這些開拓性的微生物。它們還發明了繁殖。

○ 海洋中包含了大量的微生物。| 圖片來源:Istockphoto

十二月(Dec)

17號

寒武紀大爆發,絕大多數的動物「門」都在這一時期出現。海洋中的生命開始蓬勃發展,形形色色的大型動物和植物開始爆炸式的發展。

○ 寒武紀大爆發。

28號

森林、恐龍、鳥類、昆蟲,都在12月的最後一周進化而來。地球上的第一朵花,盛開在28日。

○ 第一朵花可能長這樣。| 圖片來源:Nature

30號

6:25AM:最後一次大滅絕事件發生,小行星撞擊尤卡坦半島,導致了希克蘇魯伯隕石坑的形成,作為地球上曾經的霸主——恐龍,因此徹底地被毀滅了。這顆小行星改變了一切,如果不是它,恐龍或許還在,而我們卻未必了。

○ 恐龍滅絕。| 圖片來源:MARK GARLICK, SCIENCE SOURCE

31號

在漫長的歷史中,人類出現在最後一天的最後一個小時。我們曾經是流浪者,是獵人,是採集者,我們製作工具、生火、捕食。直到11:59:46PM,人類發明了書寫方法來記錄事物,所有能被記載的歷史都發生在最後的14秒內。統治者、戰爭、發明和愛情……歷史書中記錄的一切都發生在宇宙年曆中的最後這幾秒。

○ 踏足太空只是人類征服太空的第一步。| 圖片來源:NASA

11:59:59PM:在最後一秒中,我們使用科學的方法,去探索大自然的奧秘和規則。從伽利略的望遠鏡第一次指向太空,到人類第一次在月球上留下足跡。科學讓我們越過空間和時間的限制,去觀測我們在宇宙時空中的位置。科學使我們有了理解宇宙本質的方法,在黑暗之中探索光明。正如卡爾薩根所說的:「科學,照亮黑暗的蠟燭。」

參考來源:

<1> Cosmos: A Spacetime Odyssey

<2> https://medium.com/starts-with-a-bang/all-the-universe-in-one-year-6288cc26e72


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