请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
 找回密码
 立即注册
戴客 首页 科技资讯 空间技术 查看内容

11个科学发现塑造了我们现在的宇宙观

2017-7-25 12:13| 发布者: 北极蚊子| 查看: 564| 评论: 0

摘要: 时间回到100年前,人类眼中的宇宙和现在大不相同。我们认为:银河系上千光年的遥远恒星就是宇宙的边际,天空中的漩涡星系和椭圆星系被认为就在银河系中。宇宙还被认为是静态的,并且牛顿的经典力学仍未被爱因斯坦的 ...

时间回到100年前,人类眼中的宇宙和现在大不相同。我们认为:银河系上千光年的遥远恒星就是宇宙的边际,天空中的漩涡星系和椭圆星系被认为就在银河系中。宇宙还被认为是静态的,并且牛顿的经典力学仍未被爱因斯坦的新理论所动摇。那时,还没有大爆炸、暗物质和暗能量的概念。随后的100年,一个个重要的科学发现逐渐让我们更清楚的认识宇宙…

斯隆数字巡天红外波段下的银河系。100年前,银河系就是我们概念中的整个宇宙。

Credit: ESA

1910s-广义相对论

爱因斯坦相对论被证实!广义相对论因能解释让牛顿经典力学费解的水星进动而闻名于世,但作为一个科学理论,仅仅解释已有现象是不够的,需要能够正确的预测未知,并能够被进一步验证。此后的一个世纪里,相对论预测的时间膨胀、引力透镜效应、惯性系拖曳效应和引力红移等,均被一一验证。第一个成功预言而被验证的是引力场下星光弯曲。1919年,爱丁顿和他的伙伴远征观测日全食。经测量,星光在太阳附近的弯曲程度与爱因斯坦的测算值相近。从此,我们的宇宙观发生了非常大的变化。

1919年伦敦新闻报道这一事件的插图

1920s-银河系外的世界

在此之前,人们认为银河系就是宇宙的全部,哈勃彻底改变了这一认知。他持续观测天空中的几个涡状星云,通过比对那些“星云”中的和银河系内的造父变星,认为这些昏暗的恒星是在百万光年以外,远超过银河系的范围。除此之外,哈勃还测量了很多星系的距离和退行速度,揭示了庞大的、膨胀中的宇宙。

哈勃对仙女座星系造父变星的研究

Credit: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team.

1930s-暗物质

之前,很长时间人们认为测量出恒星的质量,还有气体和尘埃的质量,如果把这些加起来基本就是宇宙的质量。弗里茨·兹威基通过观测致密的星系团,发现仅仅是星系团中的恒星、尘埃和气体,无法解释他们的内部运动速度。他认为存在我们直接观测不到的暗物质,这一重大发现一直到七十年代才被重视起来,现在我们认为暗物质大量存在于宇宙当中,这些暗物质与常规物质的质量比大约是5:1。

后发座星系团中心两个明亮的大星系NGC4889(左)和NGC4874(右),他们的直径都超过100万光年。但他们外围的星系正快速分离,说明很有可能存在庞大的暗物质环贯穿整个星系团。

Credit: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

1940s-大爆炸

这个年代,虽然大量的实验和观测资源投入到火箭和核技术上,理论物理学家仍未停止努力工作。1945年,乔治·伽莫夫做出宇宙大爆炸的猜想:如果宇宙在膨胀和冷却,那在过去它一定是炽热和致密的。在过去的某个时间,它的炽热和致密程度足以让中性原子无法形成,在此之前甚至原子核也无法形成。这样,在恒星还没有形成的时候,最初的宇宙会存在特定比例的轻量“元素”,而现在宇宙的各个方向应该残存略高于绝对零度的“余光”。

大爆炸后的可见宇宙

Credit: NASA/WMAP Team

1950s-恒星物质演化

霍伊尔等科学家并不认同大爆炸理论,他们坚守“稳恒态宇宙模型”,双方阵营激烈辩论重元素是何时和如何产生的。后来,“稳恒态宇宙模型”渐渐退出理论物理学的舞台,但是霍伊尔为代表的科学家关于重元素形成的理论是成功的,宇宙中的重元素并不是在大爆炸时形成的,比如地球上的重元素是太阳系几代恒星演化的产物。

太阳的结构

Credit: Wikimedia

1960s-宇宙微波背景辐射

经过20年的争论,一个重大发现确立了大爆炸理论!1965年,彭齐·亚斯和罗伯特·威尔逊发现了宇宙大爆炸残留2.725开尔文的宇宙微波背景辐射。

如果我们可以看到微波,整个夜空都应该是像绿色区域这样的背景辐射

Credit: NASA/WMAP Team

1970s-宇宙暴涨理论

1979年,美国科学家阿兰·古斯提出了“暴涨理论”:宇宙的初期是一个异常炽热和致密的状态,是一个指数级膨胀的状态,所有的能量都束缚在宇宙结构中。也就是在大爆炸前也存在着一个快速演化的状态和过程。后来,更多研究让阿兰·古斯的理论更加丰满,逐渐发展成现在我们的宇宙膨胀理论。

宇宙膨胀示意图

ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF task on CMB research

1980s-超新星

1987年,位于大麦哲伦云的一个超新星被观测到,这是自1604年以来有历史记录的第一个可以被肉眼观测到的超新星。因为距离相对较近,这次超新星能够让我们捕捉到它带来的中微子,这次超新星让全世界多个探测器探测到20多个信号,标志着中微子天文学的开始,分支研究包括中微子振荡、中微子质量以及百万光年外超新星的中微子研究。

2011年拍摄的超新星1987A的残迹,位于16.5万光年的大麦哲伦云

Credit: ESA/ESO/NASA

1990s-宇宙膨胀的结局

对宇宙膨胀的未来,之前我们会有几种猜想:从膨胀到收缩、加速膨胀或趋向于匀速的膨胀。1998年,科学家通过对大量Ia型超新星的观测,提出震惊的结论:宇宙在加速膨胀。这样,宇宙的结局不仅将进入冷寂,而且星系之间的距离将越来越远,1000亿年以后,我们很可能看不到其他星系。

猜想中的几种宇宙膨胀发展

Credit: E. Siegel

2000s-宇宙的物质构成

1965年发现宇宙微波背景辐射之后,我们继续深入研究,逐步了解了宇宙的构成。从宇宙背景探测器到威尔金森微波各向异性探测器,再到普朗克卫星,获取了大量宇宙背景辐射的数据,再加上诸如斯隆数字巡天等对宇宙大尺度结构的研究以及遥远的超新星数据,现代宇宙的构成包括:

  • 0.01%光子辐射

  • 0.1%中微子

  • 4.9%通常的物质(即由原子构成的物质)

  • 27%暗物质

  • 68%暗能量

普朗克卫星数据的宇宙微波背景辐射波动

Credit: ESA and the Planck Collaboration

2010s-宜居带行星、引力波等

这个十年还没有结束,但目前为止我们通过开普勒等任务已经从成千上万的地外行星中发现了宜居带类地行星。并且,我们通过激光干涉引力波观测台首次直接探测到引力波,这是爱因斯坦1915年基于相对论的一个大胆预测。

恒星系统开普勒186、开普勒452和太阳系的对比

Credit: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt

示意图展示了计算机模拟中的黑洞合并,即首次探测到的引力波的来源

Credit: black-holes.org

对宇宙的探索还在继续,我们还有很多疑惑。这11个重要发现,让我们的视野扩大到银河系外;让我们认知了暗物质和暗能量的存在;让我们知道138亿年前宇宙发生了大爆炸;让我们了解了宇宙在加速膨胀。我们窥探到了宇宙的起源还有未来的宿命,今后伴随着科技进步,还会发现更多惊天的奥秘!

本文源自福布斯宇宙大爆炸专栏,作者Ethan Siegel

翻译:毛明远 | 校对:李可为

编排:毛明远 | 配乐:解仁江

本账号系网易新闻·网易号“各有态度”签约账号

截止2014年7月28日,地外探测车的行进距离