读书笔记之《给忙碌者的天体物理学》

文库        2019-06-13   来源:笔上有魂

【引言】

    我们能确定宇宙有一个开始,宇宙还在继续演化,但宇宙诞生之前是什么发生了什么、宇宙是否是一个永恒的存在,我们还无从得知。宇宙从来都是激发人类永无止境向前探索的不竭源泉,而从地球出发的探索愈远,未知的则愈多,就像一个不断扩大的圆球,其代表已知的半径越大,代表未知的球面也越大。对于宇宙的认知过程一直在提醒人类,“不知道”才是天体物理学家的自然心态。这本书可以让没有专业背景甚至是基础的你在忙碌的日常中可以快速理解宇宙。
【宇宙的矛盾和统一】
    1)爱因斯坦在1916年发表的广义相对论,提供了关于引力的现代理解,即物质和能量的存在弯曲了围绕它们的空间和时间结构。20世纪20年代,量子力学的发现提供了微观世界的现代观念,即分子、原子和亚原子粒子。但这两种对自然界的理解方式在形式上是不相容的,促使物理学家们开始了建立一种将微观理论与宏观理论融合、内在一致的量子引力理论的努力,但现在还没有达成。
    2)宇宙的诞生和成长是从一个极小到极大的过程。将近140亿年前,宇宙包含在一个极小的尺度内,其大爆炸之后,从t=0到t=10-43秒的时间间隔内,宇宙尺度增长到10-35米,这个时间和尺度被命名为普朗克时间和普朗克长度。将近40亿年前,在宇宙的一个平凡角落(室女超星系团的外围),一个平凡的星系(银河系)中,一块平凡的区域(猎户旅臂)上,一颗平凡的恒星(太阳)诞生了。
【三个常识】
    1)氦是元素周期表中第一个也是唯一一个在地球以外被发现的元素。它是对太阳光谱的分析中发现的。
    2)超新星是完美的“标准烛光”,因为超新星爆发时的质量都是一定的,又都以同样的方式爆发,在相同的时间里释放出同样多的能量,从而达到的最高亮度也是相同的。因此超新星能作为一种标尺,通过测量亮度就可以计算其所在星系的宇宙距离。
    3)脉冲星完全由中子组成,密度极大,表面引力极高,因而被认为是宇宙中形状最完美的球体。且以精确的时间间隔重复发送射电脉冲,是宇宙中最可靠的计时器。
【光的特殊性】
    1)光永远不会被超越。虽然过去诸如“我们永远不会飞”,“飞机永远不具有商业可行性”,“人类永远到不了月球”之类的科学断言大大低估了人类的智慧,但“我们永远不会超越一束光”的说法是一个性质完全不同的预测,因为它经过了无数次的检验,是一条恒定的物理定律。
    2)光的传播不需要任何介质,可以愉快穿过太空里的真空,与由空气振动形成的声波不同,光是自我传播的能量包。
【几个发现】
    1)一个新的光带——不可见光的发现
英国天文学家赫歇尔在1800年无意中发现了红外线在天文学中的地位,相当于荷兰科学家列文虎克发现了一滴湖水中“有许多非常小的生物,动得飞快”。列文虎克发现了一个关于单细胞的生物学的宇宙,赫歇尔发现了一个可见光之外的新的光带。这两者都隐藏在众目睽睽之下。
    2)百年预言终被证实——引力波的探测
    爱因斯坦在1916年发表的广义相对论描述了宇宙万物在引力作用下运动的数学细节。每隔几年,实验科学家们就会设计出更多的精密实验来测试这个理论,但结果更多的是进一步扩大了该理论精确性的范围。最新的例证是2016年在地球上的激光干涉仪引力波天文台探测到的引力波(13亿光年远的两个黑洞碰撞造成的巨大的引力扰动产生的,并在宇宙中旅行了13亿年才到达了地球并被捕获)。从科学史角度来看,捕捉到引力波直接存在的证据,就是补上了爱因斯坦广义相对论实验验证的最后一块拼图。

    3)宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)的发现把宇宙学从聪明的但不成熟且尚未经受检验的想法,带入到了精确的实验科学范畴,使宇宙学超越了神话猜想而变成了现代科学。CMB是信息丰富的时间胶囊,揭示了宇宙早期曾经走过的那扇门,使天体物理学家能够反过来重建宇宙的历史。
【光年是距离还是时间?】
    从物理学上讲光年是距离单位,但从天文学上讲光年也是时间单位,距地球的光年越大,代表时间越早。因为光从宇宙遥远的地方到达我们这里需要时间,你看到的天体和现象并不是它们现在的样子,而是它们曾经的样子。如果我们向太空深处眺望,实际上是在从时间上往回看。
【一个传言的真假】
    从轨道高度约400千米的国际空间站窗口看出去,在白天你可能会认出巴黎、伦敦、纽约和洛杉矶,不过这是因为你在地理课上学过它们的位置。到了晚上,它们向四处蔓延的城市灯光使其显得更加明显。在白天,与传言不同,你看不到埃及的大金字塔,也看不到中国的长城,它们毫不醒目的很大一部分原因是它们都是用取自周围环境的土和石头建成。虽然长城有万里之长,但它只有6米宽——比公路还窄,在飞机上都快看不到公路了,何况是在更高的空间站上看长城。
【几段哲学思考和有趣表达】
    作者在解释天体物理学时,有很多哲学上的思考,并且常常拿日常生活的例子进行对比。-比如在说到物理定律时写道:相比人性和心理是无限而不可捉摸的,宇宙则会因某些物理定律的普适性而相对简单。-比如在说道物理定律的日常作用时写道:无论何时何地,人们的讨论中只要能够援引物理定律,那么这时的辩论一定是简短的。例如你无法建造时间机器回到你出生之前杀死你的母亲,因为这违反了因果律。

    -比如在说道存在暗物质时写道:其他怀疑论者可能会宣称“眼见为实”——这种生活态度在许多方面都行之有效,包括机械工程、捕鱼,也许还有约会。但它并不是好的科学思路。科学不只是要看到,它是关于测量的,最好是用一些不是你自己眼睛的东西去测量,因为眼睛所见无法摆脱脑中的包袱。而这些包袱往往是一大堆先入为主的观念、僵化的成见和彻头彻尾的偏见。

    -在“元素周期表里的宇宙”一章中,写道:至今我还不能理解,为什么那么多人不喜欢化学制品,还有人要求食物中禁用化学物质。也许那些又长又难懂的化学名称听起来很可怕,但这应该怪罪化学家,而不是化学物质本身。就我个人而言,我对无论存在于宇宙何处的化学物质都没有什么不适。我最喜欢的恒星,以及我最好的朋友们,都是由化学物质构成的。

    -在描述一个“多重宇宙”的版本(它认为多重宇宙并非由完全独立的宇宙组成,而是在一个连续时空结构之内,由彼此孤立、相互无接触的口袋空间组成)时打比方道:这就像大海上的许多艘船,它们彼此距离足够远,因此它们的圆形地平线并不相交。就其中任何一艘船而言,它都是大海上唯一的船只,尽管它们共享着同一个海洋。

    -在阐述人类从发现不可见光带,到想到建造不可见光望远镜的过程有些慢的原因时,写道:技术尚未完备肯定是重要原因,但人类的傲慢也要承担一部分责任。宇宙怎么可能向我们发出我们神奇肉眼看不到的光?超过三个世纪——从伽利略时代,直到哈勃时代,建造望远镜只意味着一件事,即制造一种捕捉可见光的仪器,增强我们天赋的视力。然而天上发生的事情,并不只局限在人类方便观测的可见光波段。相反,它们通常在多个波段同时发出不同数量的光。因此,如果望远镜和探测器不能感知整个光谱,天体物理学家们将会错过许多宇宙中令人兴奋的东西。只有在看到了不可见之物后,人类才获得了真实的、跨越时间和空间的、丰富灿烂的宇宙图景。

    -在说明“天眼”(一种探测不可见光的望远镜)的作用和意义时,作者写道:如果外星人给我们打电话,中国人将第一个知道。FAST,全称500米口径球面射电望远镜,是世界上最大的射电望远镜在2016年于中国贵州省完工。

    -在“行星之间”这章中对木星对地球的保护打比方道:木星充当了地球的引力盾牌,以其强大的引力场拦住了许多彗星的去路,否则它们将在内太阳系内肆虐。就像一个魁梧的大哥哥,让地球有了长期(数亿年)的相对和平和安宁。没有木星的保护,地球上的生物将很难进化成有趣的复杂生命,并且总是会生活在毁灭性撞击带来的灭绝危机中。

    -在假想有外星人也在寻找相对于它们而言的外星生命时,作者特别强调了这种搜寻的难度。1990年,“旅行者1号”在海王星轨道外拍摄的一张著名照片,证明了从宇宙深空看来,地球是多么平淡无奇——“暗淡蓝点”,这是美国天体物理学家卡尔·萨根给它的称呼。这已经很大方了,如果不是特地加上辅助说明,你甚至可能都不知道它在那儿。地球的亮度不到太阳的十亿分之一,而且离太阳很近,这使得任何人想用可见光望远镜直接看到地球都非常困难。这就像在好莱坞的一盏探照灯附近探测萤火虫的发光一样。外星人可能会采取监视恒星的方式来找寻。行星不是简单地绕其主星公转,而是和主星一起围绕它们共同的质心一起转动,因而一颗恒星的周期性晃动就说明它周围存在行星。而行星越大,恒星晃动的幅度就越大。不幸的是地球很小,所以太阳几乎不怎么晃动,这将进一步挑战外星工程师们的技术水平。
【宇宙的视角】

    1)我们不只是生活在这个宇宙之中,宇宙就存在于我们的身体之中。因为宇宙演化产生的各种化学元素也是组成地球生命体的元素。

    2)宇宙视角表明地球是一颗尘埃。但它是一颗珍贵的尘埃,目前它是我们唯一的家园。

    3)宇宙视角提醒我们在没有空气的太空中,旗帜不会飘扬——这也许是象征着在太空探索中我们不必掺杂进任何狂热的爱国情绪。

    4)宇宙视角不仅包含了我们与地球上所有生命的遗传亲缘关系,而且也珍视我们与在宇宙中任何尚未发现的生命之间的化学亲缘关系,以及我们与宇宙本身的原子亲缘关系。

【暗物质与暗能量】
    “我知道你一定在,但我不知道你是谁,也从未见过你。”这个可以用来描述暗物质和暗能量。这是两个经过科学推算并验证过的存在,虽然从未眼见过。
    1)失踪的能量-暗物质dark matter。这是天体物理学中至今最长久的未解之谜。
    我们在宇宙中测得的大部分引力产生于并不与我们所能探测的物质或能量发生相互作用的物质或能量,被认为是失踪的物质或能量,故称为暗物质。整个宇宙中,暗物质的引力(质量)大约是所有可见物质总引力(质量)的6倍。
    进一步研究表明,暗物质不可能是由发光较少或不发光的普通物质组成,即并不是碰巧由黑暗物质构成的,而完全是另外一种东西。普通物质的本质在于能够参与原子力和核力作用从而形成的,而暗物质不参于宇宙大爆炸后的核合成,所以不能形成原子核,不会产生分子或聚集成致密的暗物质球,既不吸收、发射光,也不反射或散射光。暗物质也遵守引力定律,对普通物质存在引力,但也仅此而己,因为我们未探测到其他任何作用。虽然这个概念提出八十多年来一直未直接探测到暗物质,但暗物质一直在发挥作用,其引力效应是真实存在的。
    2)暗能量dark anergy
    暗能量是在宇宙真空中存在的神秘压力,它的作用方向与引力相反。这种“反引力”最终将赢得这场与引力的宇宙拔河大战,因为它会迫使宇宙膨胀以指数形式加速。如今在夜空中可见的遥远星系,最终会消失在人类可以企及的视野之外,而它们离我们远去的速度比光速还快。
    虽然暗能量是什么东西迄今一无所知,但它的提出使大爆炸理论能够合理解释已知宇宙的整体性质,是理论家和观测家两大阵营关于宇宙组成科学分歧的伟大调解者。迄今为止最精确的测量结果显示,暗能量是宇宙中最主要的东西,占据了所有质量-能量的68%,暗物质占了27%,一般普通物质仅占5%。【猛人——爱因斯坦】
    1)爱因斯坦曾在1931年了解到有一本名为《100个作者反对爱因斯坦》的书,他对此的回应是,如果他是错的,那么只有一个就足够了。
    2)20世纪的美国理论物理学家John Wheeler把广义相对论总结为:物质告诉空间如何弯曲,空间告诉物质如何运动。

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