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从相对论到暗物质,过去100年人类对宇宙认知的10大颠覆!

2016.01.12

三体网【宇宙探秘专栏】对于人类来说,20世纪是至关重要的一个世纪,在这个100年里,人类开始真正地打开双眼来认识我们所处的奇妙的宇宙。在这意义重大的100年里,每隔十年,我们都对宇宙有了颠覆性的认识!

1910s:爱因斯坦的相对论解释了牛顿的理论无法解释的现象——水星绕太阳的轨道。这当然还远远不够,一个科学理论除了能解释我们现在所观测到的现象,还需要能预测我们尚未察觉到的事实。爱因斯坦的相对论显然做到了,比如时间膨胀、引力透镜、红移以及黑洞等,都逐步得到了验证。自此,人类的宇宙观发生了翻天覆地的变化!

1920s:我们原本还不知道我们的银河系之外的宇宙,直到埃德温·哈勃1920s的伟大工作才改变了这一切。哈勃在观测一些螺旋星云时,发现了一些与银河系中类型相似的独特的变星。根据它们的光度可以推测它们位于数百万光年之外,这远在银河系范围之外。哈勃没有就此止步,进一步测量了数十个星系的距离和退离速度。哈勃给了人类一个更广阔的宇宙,哈勃望远镜就是为了纪念其作出的突出贡献而命名的!

1930s:在很长一段时间,人们认为如果能够计算出所有天体和宇宙气体、尘埃的质量,就能得出宇宙的总质量。然而,通过观察位于密集的星系群的星系,弗里茨·兹威基发现仅凭我们所谓的“正常物质”还不足以解释星系群内部的运动情况。他推测还存在一种不同于“正常物质”的东西,称之为暗物质。但是,直到1970s弗里茨·兹威基的发现才得到重视。现在,我们知道,暗物质和暗能量占据了我们宇宙的绝大部分。

1940s:尽管大量的资源被用于间谍卫星、火箭以及核技术的发展,理论物理学家们仍旧在默默无闻地努力。1945年,伽莫夫提出了宇宙膨胀的推断:如果宇宙正在膨胀和冷却,那么它过去的温度和密度必然是更高的,让时间倒流,就会出现一个极度炙热和致密的点。如果这是真的,那么在恒星形成之前,宇宙应该始于特定比例的最轻的元素,并且在宇宙中应该有一个稍高于绝对零度的余晖向所有方向渗透。这就是“大爆炸”理论的框架,是20世纪40年代最伟大的理论。

1950s:随后,弗莱德·霍伊尔和一些人提出了大爆炸的竞争理论——宇宙恒稳态理论。最引人注目的是,他们认为地球上目前的重元素并非在宇宙早期形成的,而是由前几代恒星的产生。霍伊尔和他的同时还详细地解释了元素是如何在恒星核聚变的过程中产生。他们在未经观测的情况下成功预测了氦通过聚变转换成碳的过程。在这个意义上来说,我们了解到了地球上的所有重元素的起源都归功于前几代恒星。

1960s:经过了20年的争论,一次至关重要的观测揭开了宇宙历史的真相:人类发现了宇宙大爆炸的余晖,或称为宇宙微波背景。 Arno Penzias和Bob Wilson在1965年发现了宇宙中2.725K的辐射,然而他们俩都没有意识到他们成了这一伟大发现的首创者。随着时间的推移,宇宙微波背景进一步被测量,宇宙大爆炸理论得到有力地证实。

1970s:1979年底,一个科学家提出了一个贯穿他一辈子的想法。 AlanGuth希望找到解决大爆炸理论中无法解释的问题的方法。在大爆炸理论中,宇宙为什么如此平坦?宇宙中所有方向的温度为何如此一致?宇宙为什么就没留下超高能量遗迹?Guth引入了一系列的改进来建立一套现代的大爆炸理论模型。之后的观测——包括宇宙微波背景的波动、宇宙中大尺寸结构以及星系团的特性都证实了他的预言。

1980s:在1987年,人类观测到了离地球最近的一次超新星爆发,这也是人类在具备中微子探测器后的第一次超新星爆发。虽然我们在其他星系观测过许多超新星爆发,但是如此之近的还是第一次,以至于让我们有可能探测到中微子。这也是中微子天文学的开端,人类开始深入地研究中微子。

1990s:如果你认为暗物质和宇宙的起源是个大命题,那么1998年关于宇宙灭亡的结局发现将更让你吃惊。历史上,我们对宇宙的灭亡提出了三种可能:

  1. 引力最终获胜:如果宇宙有足够多的物质和能量,那么最终引力将克服膨胀趋势。宇宙的尺寸将会达到最大值,直到其膨胀速度将为零。经过一段充足的时间,宇宙将变回最初炽热、致密的状态,宇宙的命运将终结于所谓的“大紧缩”。

  2. 膨胀最终获胜:如果宇宙没有足够的物质和能量,那么最终引力将无法克服膨胀趋势。遥远的星系将继续远去,尽管其远去的速率再下降,但不会下降到零,这将无法逆转。最终,一切都会变得相距如此遥远,宇宙将终结于所有的一切都接近绝度零度的状态:“大冻结”。

  3. 临界状态:在这种情形下,如果宇宙中多一个质子,那么宇宙将坍塌,终结于“大紧缩”;如果宇宙中少一个质子,那么宇宙将无限膨胀,终结于“大冻结”。这样,宇宙膨胀的速率将无限逼近零,同时也无限接近坍塌。

但是,1998年的一份研究数据惊呆了全人类——这份数据显示,我们的宇宙竟不是按照上面三种情况的任一种在发展。宇宙的膨胀速率不会持续下降,所有的星系将离我们越来越远,而且离得越来越快,加速离我们而去。宇宙终将消逝,留下一片孤寂。

2000s:对宇宙微波背景的观测并没止于1965年,对宇宙微波背景辐射的波动的测量,给了我们对宇宙更进一步的认识。比如,在宇宙中我们所知的正常物质只占了4.9%,神秘的暗物质和暗能量各占了27%和68%。

那么。2010s我们会有哪些重大的突破呢?我们将迎来引力波天文学吗?我们会发现暗物质究竟是什么?或者,我们会发现宇宙中地球以外的生命?

这一切,都只能让时间来回答!

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来自:崔竣豪  > 待分类
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