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宇宙中最神秘的6个现象,搞明白其中一个,科学都将突飞猛进

2020-11-03

虽然我们生活在宇宙之中,虽然我们是宇宙的一部分,虽然我们是由宇宙中随处可见的物质组成的,但是我们现在对宇宙可以说只了解到了一点点皮毛。

宇宙依然有很多的未知等着我们去发现,依然有很多的秘密等着我们去找到答案。

今天我就说下在宇宙中,目前显而易见的几个未知现象,人类虽然发现了它们的存在,但是依旧对它们背后隐藏的真实原理并不清楚。

这几个未知现象分别是黑洞奇点、反物质、暗物质、暗能量和快速无线电爆发。

虽然这些现象令现在的人们难以捉摸,但是它们确实是我们宇宙的一部分。了解这几个现象背后的真理,将会为我们揭开宇宙基本原理的神秘面纱。

首先是黑洞,它一直挑战着现有的物理学。

黑洞这个天体是上世纪二十年代广义相对论预言的产物,虽然它是广义相对论的一个数学解,但是就连爱因斯坦本人都不相信在现实宇宙中真实存在这样的天体,并认为这种现象只是数学上的奇迹。

但直到上世纪六十年代人们才发现了第一颗恒星级黑洞Cyg X-1的存在,以及后来在我们所处的银河系中心通过计算周围恒星的运动轨道,确定了在银河系的中心确实存在一个质量达到了400万个太阳,且不发光的天体。

越来越多的证据表明,这种天体并不是数学上的一种可能,而是真实的存在与我们的宇宙中。

随着观测设备的发现,现在我们不仅确定了它的存在,还利用望远镜获得了第一张黑洞的照片,这颗黑洞位于M87星系中心,质量达到了65亿个太阳,是一个非常活跃的黑洞。

至于什么是黑洞?它的定义其实非常简单,就是时空中一个强大的引力区域,这个区域有一个界面,进入这个界面的物体,包括光都会因为引力的原因无法逃脱出来,这也是为什么我们要叫它黑洞的原因。

至于黑洞是如何形成的?现在我们只确定了一种途径,就是质量至少在15倍太阳质量的恒星,在燃烧完自己的燃料以后核心坍缩形成的,并且伴随着巨大能量的爆发,就是超新星爆发。

而核心坍缩就会留下一个密度无限大、体积无限小的点,就是所谓的奇点,这也是一颗黑洞的中心。

在这个核心的周围就会存在一个视界面,穿过这个视界面的任何物体都会不可逆转地坠落到黑洞的奇点。

现在关于黑洞,我们只能知道它的视界面以外的事情,也能知道它的视界面范围,但是关于视界面的里面我们就不知道了。

尤其是我们所说的那个无限密度、体积又无限小的奇点,到底是啥东西,我们不得而知。因为所有的科学家会说,在黑洞的起点处我们目前掌握的所有的物理学都不再成立。

因此黑洞现在对我们来说依然是个大大的谜题,黑洞的奇点是否是通往其他星系或者是宇宙的通道呢?一切都是猜测。

还有,我们现在解释了恒星质量黑洞的形成,一般这些黑洞的质量都很小,从数倍的太阳质量到数十倍的太阳质量不等;

但是我们还知道,基本上所有的星系中心都有一个庞然大物,这些黑洞的质量都是数百万到数十亿倍的太阳质量不等;

关于这些黑洞的形成现在依然是猜测,有大爆炸形成的原初黑洞的说法,有恒星级黑洞合并、吸积形成的说法,但是我们无法验证确实。

反物质

反物质的问题是宇宙学中排名第一的谜题。

组成我们这个世界中普通物质的亚原子粒子都有自己的反版本,这个不仅是在狄拉克的方程中被预言了出来,而且我们通过实验在云室中也检测到了正电子的存在。

在往后人类建造得更加强大的对撞机中,我们发现了更多物质粒子的反物质版本。这说明反物质是宇宙的真实本质。

现在可以十分确定,在标准模型的基本粒子中都有自己的反版本。

例如构成我们这个世界的电子,质子和中子,它们都有自己的反粒子为反电子、反质子和反中子。

这些反粒子同样也可以构成一个反物质世界,区别就是反粒子的电荷相反。

根据现在我们对能量创造物质过程的了解(对撞机中的数据),我们知道在大爆炸初期,能量创造物质的时候,同样也诞生了等量的反物质。

但是我们现在看到的宇宙确实只存在正物质,反物质却消失了。关于为何反物质会消失,这让所有的科学家都感到头疼。

现在我们可以在对撞机中制造十分微量的反物质,而且当这些反物质和正物质相遇的时候就会发生湮灭,将两个粒子中包含的所有的质量都会在瞬间转化为纯能量。

这个现象,也让人类产生了利用反物质作为燃料,制造宇宙飞船的想法。

因为这个过程中能量的转化效率已经达到了极致,因为如果一千克物质与一千克反物质相互作用,将产生相当于43兆吨TNT的能量。

但是想要制造1毫克反物质要花费1000亿美元,而且时间长达数百年。

暗物质,宇宙中消失的质量

现在我们在地球上、甚至在宇宙中能看到的物质都有由电子、质子和中子组成的。按理来说,宇宙中现在存在的物质就是我们现在看到的所有物质。

但是现在又有很多的证据表明,宇宙中还存在一些我们看不见、且难以发现的物质粒子,这些粒子具有质量,可以提供引力、以及感受到引力作用,但是就是无法发生电磁相互作用,可以说除了引力以外,和正常物质没有任何的关系,这导致我们根本无法确定它们到底是什么。

最初发现它们存在的人是上世纪30年代的一位天文学家叫弗里茨·兹威基,他在观察彗发星系团时,注意到了一个反常的现象。

就是其中的星系运动速度高于可见物质质量所能提供的引力,按理来说,这些星系这样快速的运动就会导致星系团解体。

但真实的情况是星系团好好的,这就说明在星系团中还有我们没有发现的物质在提供着巨大的引力。

兹威基当时的结论就是宇宙中有缺失的物质,由于它们看不见,因此称为暗物质。

但是当时并没有太多的人重视这个发现,直到30年后,美国天文学家维拉·鲁宾在研究单个星系的时候,根据星系所能提供的引力,以及星系外围的旋转速度得出,在单个星系中也缺失质量,不然按照星系的旋转速度,星系也会解体。

在此之后,暗物质才真正引起了天文学家的注意,经过了几十年的研究,但现在都是个谜题。

暗物质是什么?现在我们并不知道,只能说它们是一种具有质量的冷粒子,并且在宇宙中这种暗粒子的质量是所有可见物质的6倍,占了宇宙总质能的27%。

而我们能看见的正常物质,只占了宇宙总质能的5%。

这是天文学上的第二大谜团。

暗能量,一种神秘的、控制着宇宙的能量

上文说了,正常物质占了总质能的5%而暗物质占27%,那么剩下的大部分是什么?

剩下的68%就是我们现在要说的“暗能量”。

从名字可以看出来,我们并不知道这种能量形式是什么,但是它的效益且真真切切地影响着宇宙,左右着我们的未来。

上世纪二十年代,在哈勃的发现下,我们已经了解到了宇宙在膨胀。但问题是宇宙的未来是一直膨胀下去,还是引力最终获胜,宇宙转而收缩,还是引力和膨胀率最后相互平衡呢?

这是当时人们关于宇宙未来结局的三种猜想,但是到了1998年的发现,才让科学家知道以上的三种可能都不对,两个独立的天文小组通过对遥远超新星的观测发现,现在的宇宙不仅仅是在膨胀,而且是在加速膨胀。

也就是说宇宙在未来会膨胀的愈来愈快,这也说明了宇宙中有一种未知的能量为宇宙提供了抵抗引力的斥力,并且这种能量在宇宙膨胀的过程中,能量密度不会像物质密度、辐射密度一样不断的下降,而是一直保持着一个常数。

因此科学家将这种未知的能量称为暗能量。

类星体

类星体就是类似于恒星的天体,但它们并不是恒星,只是看起来像恒星而已。这类天体距离地球十分遥远,动辄数十亿光年,甚至是数百亿光年。

所以我们对它们的了解非常小,虽然现在知道类星体比星系要小得多,但它们的中心有一个庞然大物的黑洞,这个黑洞为整个星核提供着能量。

上世纪五十年代,我们第一次捕捉到了类似恒星的来源不明的无线电波,现在我们知道类星体发射的辐射横跨整个电磁频谱,由于距离我们很遥远,光线红移的作用,导致我们在地球上接受到类星体产生的强辐射,红移到了无线电波段。

但是我们知道,黑洞并不发光,那么类星体中心的黑洞如何给它提供非常大的能量辐射的?

这是因为在这些黑洞附近有很多的物质、尘埃和气体,它们进入黑洞的引力范围,就会在其周围形成高速旋转的吸积盘。

吸积盘中的物质会一直往下落,摩擦产生的能量会以电磁辐射的形式释放出来,由于黑洞具有强的磁场,磁场也会导致带电粒子被喷射出来,形成物质喷流。

因此类星体辐射的能量非常巨大,强大的类星体比整个银河系要亮一千倍以上。

2017年,我们发现了迄今为止最远的类星体,它距离我们超过130亿光年,是在大爆炸后6亿年产生的。

由于类星体非常明亮,所以我们可以通过观察它数十亿年前的样子,了解宇宙早期星系演化的过程。

快速无线电爆发,一种难以捉摸的短暂无线电信号

这种短暂的无线电信号是在2007年发现,至于它的来历现在依旧没有一个公认的解释。

这种信号持续的时间非常短只有几毫秒,虽然我们接受到它们的时候是在无线电波段,能量比手机信号的能量还要低。

但是要不是因为红移的作用,那么这种短暂爆发释放的能量将比太阳在一个世纪内释放的能量的总和还要多。

现在关于这些短暂、且零星的无线电爆发还有很多未知的地方,因为我们不知道它的来源。

但也有人认为是快速旋转的中子星、黑洞、或者是外星生命所为。

具体是哪种我们并不清楚。

总结

宇宙对我们来说充满了太多的未知,如果它是一本书,那么我们人类现在了解的只是零星的几页。以上6个问题,只要能搞明白一个,那么人类将进入新的科学时代,至少会给我们带来前所未有的惊喜。

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来自:tjboyue  > 天文地理
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