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100年内人们发现的10大宇宙奥秘

看我们如何从银河迈向宇宙。

人类对宇宙的了解程度。斯隆数字化巡天

100年前,人类对宇宙的认识还非常有限。那时人们认为,构成整个宇宙的,只是银河内的恒星、星团和星云。构成物质的,也只不过是原子核和电子。那时人们认为宇宙间只存在两种基本作用力——引力和电磁力。那时的科学,自1600年代以来,一直被牛顿引力学说统治着。但在两个月间,就遭遇了爱因斯坦广义相对论强有力的挑战。

在随后的100年间,每隔10年,就会有一个大发现,这些发现重塑了我们脑海中和宇宙有关的概念。

1919年11月10日的《纽约时报》(左)和1919年11月22日的《伦敦插画新闻》(右)。

1910年代——广义相对论

爱因斯坦的学说被证实。广义相对论解释了牛顿引力学说无法解释的现象:水星轨道的进动。作为一种科学理论,解释已知现象显然还不够,它还需预言我们未曾见到的事件。于是在这100年中,引力时间膨胀、强引力透镜和弱引力透镜、惯性系拖拽、引力红移等现象被一一发现。第一种现象是1919年,由爱丁顿等人在一次日全食期间,观察被弯曲的星光时发现的。太阳周围被弯曲的星光总量与爱因斯坦的预言相符,而与牛顿学说相悖。由此,我们对宇宙的看法被永远改变。

埃德温·哈勃 / NASA / ESA / R. Gendler / Z. Levay / 哈勃遗产小组

1920年代——膨胀的宇宙

在此之前,我们不知道银河系以外还有宇宙。但这种看法被1920年代的埃德温·哈勃改变。他在观察天空中的所谓“旋涡星云”时发现,那里存在和银河系变星相似的天体。它们的亮度是如此之低,因此必然存在于数百万光年以外。哈勃并未就此停止探索,他还测算出了大量星系的后退速度和与我们的距离,把一个膨胀着的浩瀚宇宙捧到了我们面前。

后发座星系团。Adam Block / 莱蒙山天空中心 / 亚里桑那大学

1930年代——暗物质

人们一直以来都认为,如果我们能够测出所有恒星的质量,再加上气体和尘埃,便能够获知宇宙中究竟有多少物质。但是弗里茨·兹威基在观察了高密度星系团(如上图的后发座星系团)后发现,恒星和我们所知的“普通物质(如原子)”质量总和不足以解释这些星系团内部的高速运动。他称这些缺失的质量为“dunkle materie”,也就是德语的“暗物质”。人们直到1970年代,在对普通物质有了更好的了解后,才对这方面的观察加以重视。暗物质广泛地分布在各个星系中。据我们现在所知,它们和普通物质的比例高达5比1。

1940年代——宇宙大爆炸

在这个时期,虽然大量的实验和观测资源涌向间谍卫星、导弹和核技术的研发领域,理论物理学家也没有停止努力。1945年,乔治·伽莫夫根据宇宙的膨胀学说,作了一个大胆的推论:假如宇宙今天在持续地膨胀和冷却,那它必然有一个炽热和致密的过去。继续追溯宇宙的过往,必然存在一个炽热和致密到中性原子无法存在的时期,在此之前,连原子核也无法存在。如果确实是这样,那么在宇宙中第一颗恒星诞生之前,宇宙必然是由数种最轻的元素按一定的比例构成的,那么到了今天,在宇宙的所有方向上,必然渗透着大爆炸的余晖,它的温度必然只比绝对零度高了那么一点。这个理论框架就是今天我们所知的“宇宙大爆炸”,而这个伟大的观点就出自1940年代。

1950年代——重元素从何而来

与大爆炸竞争的便是霍伊尔的恒稳宇宙学说。这个学说中最引人注目的观点是,他认为今天的所有重元素并非是在宇宙早期形成的,而是由前几代恒星制造出来的。在霍伊尔和剑桥大学其他学者的努力下,人们从细节上了解了这些元素是如何在恒星内部的核聚变反应中出现的。最突出的一点是,他们认为氦聚变为碳的方式是人们前所未见的:3α过程(氦原子核又被称为α粒子),这一过程产生的碳,其存在的方式是一种新的状态。这种新的状态在数年后被别的科学家发现,今天被称为“碳的霍伊尔状态”。由此我们知道,今天地球上的所有重元素,都源自前几代的恒星。

1965年发现的宇宙微波背景。NASA / WMAP科研小组

1960年代——宇宙微波背景

在经历了20年的争论后,人们获得了能够决定宇宙历史的关键性发现——预言中的大爆炸余辉,也就是宇宙微波背景。这个统一的、温度只有2.725K的余辉是1965年由阿诺·彭齐亚斯和威尔逊发现的,但当时他们都没有意识到。直到这一幅射的完整黑体频谱及其涨落被测定之后。

1970年代——宇宙暴胀

1979年末,年轻的科学家阿兰·古斯突然意识到,如果宇宙有一个暴胀期,就可以解释宇宙大爆炸中的诸多未解之谜——为什么宇宙如此平坦?为什么宇宙的各个方向温度是相同的?为什么没有超高能量遗留下来?暴胀理论认为,在宇宙到达炽热、致密阶段之前,曾经有一个呈几何级膨胀的时期,此时,所有的能量都被束缚在空间本身之中。几经改进后,古斯不成熟的念头最后变成了现代暴胀理论。随后的诸多观测结果,如宇宙微波背景中的涨落、宇宙大尺度结构,以及星系的聚集和形成,都证实了暴胀理论的预言。由此我们知道,我们的宇宙不但起源于大爆炸,而且在大爆炸发生之前可能还存在着一个阶段。

ESA / 哈勃太空望远镜 / NASA

1980年代——中微子天文学

1987年,天空中出现了一颗超新星,这是100年以来离我们最近的一颗超新星。虽然星系中超新星众多,但由于它离我们相当近,我们可以直接观测这颗超新星释放出来的中微子。这标志着中微子天文学的开启,随之而来的就是诸如中微子振荡、中微子质量和百万光年外超新星中微子等发现。

1990年代——宇宙的命运

暗物质的发现是一件大事,但直到1998年人们才了解宇宙有可能会怎样死去。通常我们认为有这样三种可能性:

一是宇宙的膨胀无法克服物质的引力拖拽,最终在大坍缩中重新回归原点。

二是宇宙的膨胀超越了能将所有物质结合在一起的引力,宇宙中的一切将分崩离析,最终的结果是大冻结。

三是情况位于两者之间,膨胀速率将无限接近零,但永远不会到达零,这样的宇宙被称为临界宇宙。

然而,从对遥远超新星的研究结果中我们得知,宇宙的膨胀在加速,随着时间的推移,遥远的星系之间的距离将加速扩大。宇宙不但将面临大冻结,而且所有未被引力束缚在一起的星系最终都会从宇宙的视线中消失。除了我们本星系群中的星系,没有任何其它星系会靠近银河系,我们的命运注定是寒冷和孤寂。1千亿年后,我们将看不到除了我们自己所在星系以外的任何星系。

2000年代——宇宙的构成

对宇宙微波背景的发现并没有在1965年后终止,我们对大爆炸余辉的观测让我们有了一个非常了不起的发现:宇宙的构成。来自COBE、普朗克等卫星的数据,以及从大星系巡天中获得的宇宙大尺度结构和遥远超新星的数据,让我们对宇宙的构成有了一个新的认识,它包含:

0.01%的辐射,以光子形式存在;

0.1%的中微子,它构成了包围着星系和星系团的引力晕的极少一部分;

4.9%的普通物质,包括构成原子的一切;

27%的暗物质,这是一种神秘的,不与普通物质发生作用(除了引力以外)的物质,而我们看到的宇宙结构之形成却与它分不开;

68%的暗能量,这种能量是空间本身固有的能量。

宜居带内的小型系外行星。NASA

2010年代——?

2010年代又将如何奉献它的伟大发现?我们是否会迎来引力波天文学?我们是否会发现暗物质的真相?宇宙暴胀理论的最后一个预言是否会被证实?还是我们会在地球以外发现生命的存在?

让我们拭目以待。

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