星空天文 2022-02-10 11:31
這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，卻足足困擾了人類(lèi)200年。
夜晚的天空中除了數(shù)千顆閃亮的恒星，背景一片黑暗
寂靜的深夜，每當(dāng)我們抬頭仰望天空，只能看到漆黑一片。那么，夜晚的天空為什么是黑色的呢？這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，卻足足困擾了人類(lèi)200年。
一切要從我們?cè)鯓涌匆?jiàn)物體開(kāi)始講起。光線(xiàn)進(jìn)入我們的眼睛后，通過(guò)晶狀體折射成像在視網(wǎng)膜上，連接視網(wǎng)膜的視覺(jué)神經(jīng)再把這些信號(hào)報(bào)告給大腦，我們就看到了這個(gè)紛繁復(fù)雜的世界。無(wú)論是能夠發(fā)光的手機(jī)屏幕、路燈等，還是能夠反射光線(xiàn)的書(shū)本、桌椅、樹(shù)木等，當(dāng)它們的光線(xiàn)傳到我們的眼睛時(shí)，就會(huì)在我們的腦海中呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的影像。
在浩瀚的宇宙中，我們能看到北斗七星、月球等天體，也是基于同樣的道理。不過(guò)，因?yàn)樗鼈兣c地球之間存在一定的距離，光線(xiàn)從發(fā)出到傳到我們的眼睛需要一定的時(shí)間。
以太陽(yáng)為例，太陽(yáng)光從太陽(yáng)表面射出后大約需要8.3分鐘才能到達(dá)地球。如果某顆星與我們距離過(guò)遠(yuǎn)，而光速是有限的，它發(fā)出的光就沒(méi)有足夠的時(shí)間到達(dá)我們的眼睛，我們也就無(wú)法看到它。宇宙誕生于約138億年前的大爆炸，在有限時(shí)間內(nèi)，大量遙遠(yuǎn)恒星的光線(xiàn)還沒(méi)有到達(dá)地球，也就是說(shuō)，光線(xiàn)沒(méi)有填滿(mǎn)整個(gè)宇宙空間，所以夜晚的天空看上去就是黑色的。
三角星系中許多恒星發(fā)出的光已經(jīng)到達(dá)地球
夜空黑暗之謎通常被稱(chēng)為“奧伯斯佯謬”，這一概念由德國(guó)天文學(xué)家海因里希·奧伯斯傳播并普及。奧伯斯等學(xué)者認(rèn)為，我們無(wú)法在夜空的每個(gè)角落看到恒星，恰恰證明了宇宙不可能是無(wú)限且永恒的：如果宇宙是無(wú)限的，天空中將綴滿(mǎn)恒星，而無(wú)限的時(shí)間足以讓恒星炫目的光芒到達(dá)地球，夜晚將和白天一樣明亮。
看似尋常的現(xiàn)象實(shí)際蘊(yùn)藏著宇宙奧秘。
今天我們推薦的書(shū)是《宇宙的本質(zhì)：夜晚的天空為什么是黑的》。許多類(lèi)似的問(wèn)題都可以在這本書(shū)中找到答案。比如宇宙是會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去還是會(huì)坍縮為一個(gè)點(diǎn)？時(shí)間是從過(guò)去流向未來(lái)嗎？除了我們這個(gè)宇宙，還有其他宇宙嗎？宇宙中有沒(méi)有其他智慧生命呢？等等。
本書(shū)的脈絡(luò)從恒星的命運(yùn)輪回開(kāi)始，一直到到宇宙波瀾壯闊的終極宿命；在搜索地外生命方面又開(kāi)拓出另一個(gè)維度，涉及相對(duì)論、多重宇宙、暴脹理論、量子力學(xué)等大量前沿領(lǐng)域。
時(shí)空中的奇點(diǎn)的示意圖。它既能描述坍縮中的黑洞，也能描述膨脹中的宇宙
宇宙的命運(yùn)是很多朋友關(guān)心的問(wèn)題。宇宙學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)宇宙所擁有的質(zhì)量產(chǎn)生的引力足夠?qū)蛊渑蛎洉r(shí)，我們稱(chēng)之為閉合宇宙。反之，如果一個(gè)宇宙質(zhì)量不大，引力就不足以降低其膨脹速度，我們稱(chēng)這種宇宙為開(kāi)放宇宙。除此之外，還存在一種特殊情況——平直宇宙（也稱(chēng)平坦宇宙）。三者分別對(duì)應(yīng)著宇宙最后的3種可能結(jié)局：坍縮、永遠(yuǎn)膨脹、平衡。
斯蒂芬·霍金
基于這三種宇宙模型，科學(xué)界對(duì)宇宙的命運(yùn)眾說(shuō)紛紜，這些觀點(diǎn)中備受關(guān)注的當(dāng)屬霍金的宇宙假說(shuō)。20 世紀(jì)80 年代初，英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出了一種假說(shuō)，認(rèn)為宇宙是閉合的。他假設(shè)，宇宙必然沒(méi)有邊界（無(wú)論是在時(shí)間還是空間上都沒(méi)有“邊緣”）。這其實(shí)不難理解，假設(shè)我們能站在大爆炸發(fā)生的瞬間，就相當(dāng)于站在地球的北極點(diǎn)上，這時(shí)，所有方向都是南方，空間上是沒(méi)有邊緣的。
同理，時(shí)間的每個(gè)方向也都走向未來(lái)。霍金認(rèn)為，這種宇宙的引力足夠大，膨脹將趨于停止，空間必然會(huì)在達(dá)到最大值之后朝著大擠壓的方向坍縮。在宇宙進(jìn)入坍縮的半程之后，時(shí)間有可能會(huì)倒流。
在一個(gè)正在坍縮的宇宙之中，時(shí)間會(huì)倒流，因此水滴將從池塘里的漣漪處“向上飛起”
霍金的這一理論是以多世界概念為基礎(chǔ)的?！岸嗍澜纭币辉~，不禁讓我們聯(lián)想到很多影視作品，它們都引入了平行世界的概念，比如美國(guó)科幻電影《彗星來(lái)的那一夜》、Netflix燒腦德劇《暗黑》，還有各種穿越劇等等，都是以交錯(cuò)的平行世界為背景，為我們講述了主人公的奇遇。你是否想象過(guò)，有一天你走在路上，另一個(gè)你自己會(huì)迎面走來(lái)呢？
由埃爾溫·薛定諤設(shè)計(jì)的思想實(shí)驗(yàn)“薛定諤的貓”
平行世界是否存在則又是另一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。這其實(shí)涉及量子多重宇宙的相關(guān)知識(shí)。我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)“薛定諤的貓”實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，讓我們想象一下，把貓放入一個(gè)充滿(mǎn)毒氣的封閉盒子，貓存活和死去的概率各為50%。在打開(kāi)盒子之前，我們不知道是死還是活。量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)詮釋認(rèn)為，盒子里的貓屬于既死又活的疊加態(tài)，打開(kāi)盒子時(shí)收縮成“活”與“死”中某一個(gè)本征態(tài)。而量子力學(xué)的多世界詮釋則認(rèn)為，存在兩個(gè)世界，打開(kāi)盒子時(shí)活著的貓和死去的貓分別存在于兩個(gè)平行世界。所以根據(jù)這一理論，有人認(rèn)為這個(gè)世界的你正在看這篇文章，而另一個(gè)世界的你可能已經(jīng)下單本書(shū)了。
甚大陣（Very Large Array，VLA）這樣的射電天文觀測(cè)站，將多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，以達(dá)到更大尺寸的設(shè)備的分辨率
前沿的宇宙研究成果，都經(jīng)歷了一個(gè)艱難且漫長(zhǎng)的探索過(guò)程。以測(cè)量天體距離的方法為例：最初，人們使用三角測(cè)量法進(jìn)行天體測(cè)距，但這種測(cè)繪方法只能測(cè)量距地球較近的天體，如月球、火星。依巴谷衛(wèi)星這類(lèi)空間探測(cè)器發(fā)射升空后，人類(lèi)才開(kāi)始以較高的精度測(cè)出諸多恒星與地球之間的距離。在光譜分析等測(cè)量技術(shù)的輔助下，恒星的大小、距離，乃至其構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)速度與質(zhì)量等數(shù)據(jù)逐漸清晰。
隨著空間探索技術(shù)不斷取得新突破，天文數(shù)據(jù)日益完善，宇宙理論也不斷更迭。穩(wěn)恒態(tài)模型與大爆炸模型的競(jìng)爭(zhēng)一度勢(shì)如水火，各自的支持者就宇宙中的物質(zhì)怎樣被創(chuàng)造出來(lái)展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論。最終，天文學(xué)家在使用射電望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)太空進(jìn)行探索后，證實(shí)了宇宙會(huì)隨時(shí)間推移發(fā)生變化這一觀點(diǎn)。穩(wěn)恒態(tài)終成“模型”，而大爆炸則成了經(jīng)過(guò)證實(shí)的“理論”。
宇宙早期溫度極高，以奇點(diǎn)為中心不斷膨脹。隨著膨脹的進(jìn)行，宇宙逐漸冷卻，產(chǎn)生質(zhì)子、中子等粒子，進(jìn)而形成氘和氦等原子核
目前人類(lèi)了解的宇宙只是滄海一粟，隨著研究的深入，宇宙理論也需要不斷地修正。在建立宇宙模型時(shí)，即便是“最強(qiáng)大腦”愛(ài)因斯坦也難免出現(xiàn)失誤。愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論后，為了保證這個(gè)宇宙模型是靜態(tài)的，人為地創(chuàng)造了“宇宙學(xué)常數(shù)”這一概念，并引入了廣義相對(duì)論方程。然而，這一觀點(diǎn)在日后被證實(shí)是錯(cuò)誤的，恰恰是宇宙學(xué)常數(shù)的引入差點(diǎn)毀了廣義相對(duì)論方程。愛(ài)因斯坦表示，這是自己一生中最大的錯(cuò)誤。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論為人類(lèi)理解宇宙奠定了基礎(chǔ)
《宇宙的本質(zhì)：夜晚的天空為什么是黑的》中收入了230余幅精美的圖片，包括由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡等拍攝的天文照片，向我們展現(xiàn)了震撼壯美的璀璨星空；同時(shí)也穿插有計(jì)算機(jī)模擬圖、天文學(xué)家肖像，以及大量示意圖，兼具知識(shí)性和極好的視覺(jué)體驗(yàn)。
創(chuàng)生之柱
海山二（船底座η星）正在將物質(zhì)向外拋射
其他智慧生命生存環(huán)境的模擬圖
一顆爆發(fā)中的恒星所發(fā)出的不斷擴(kuò)張的激波（左側(cè)） 正在擠壓氣體塵埃云，并由此觸發(fā)新恒星的形成（右側(cè)）
不同波長(zhǎng)的電磁輻射能穿透地球大氣層的不同深度
《宇宙的本質(zhì)：夜晚的天空為什么是黑的》一書(shū)的作者是約翰·格里賓。約翰·格里賓是劍橋大學(xué)天體物理學(xué)博士，學(xué)術(shù)功底深厚，精通宇宙學(xué)知識(shí)，同時(shí)也是許多前沿理論的關(guān)注者，以及多部天文科普暢銷(xiāo)書(shū)作家，曾獲英國(guó)科學(xué)作家協(xié)會(huì)的終身成就獎(jiǎng)。約翰·格里賓的著作在國(guó)內(nèi)外都深受好評(píng)。作者《深?yuàn)W的簡(jiǎn)潔》一書(shū)更是獲得了樊登讀書(shū)創(chuàng)始人樊登博士的傾力推薦。
《宇宙的本質(zhì)：夜晚的天空為什么是黑的》中文版由中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)專(zhuān)家審定，書(shū)中的所有專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)有名詞都進(jìn)行了詳細(xì)的核實(shí)，并根據(jù)最新的研究進(jìn)展，加入了許多新鮮內(nèi)容。為便于理解，中文版內(nèi)還添加了一些專(zhuān)門(mén)針對(duì)中國(guó)讀者的注釋。
在本文留言區(qū)留言的朋友，將有機(jī)會(huì)免費(fèi)獲得網(wǎng)絡(luò)零售價(jià)99元的《宇宙的本質(zhì)》。一共兩本，我們將選取留言獲贊量最高的兩位朋友送出。截止時(shí)間2月12日23:59。
當(dāng)然你也可點(diǎn)擊文末的“閱讀原文”，現(xiàn)在就買(mǎi)。這么好的書(shū)，不能等。
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