一切天体都沉泡在暗物质天体里,且天体还被渗透了,天体有的声,光,热,电…… 暗物质天体且都有这性质

1.滇西科技师范学院 数理系,云南 临滄 677000

2.陕西师范大学 数学与信息科学学院,陕西 西安 710062

作者简介:杨光弟(1965-),男,云南人,教授,主要从事理论物理教学与研究.E-mail:.

基金: 云南省应用基础研究计划项目(); 国家自然科学基金 ().

2016年3月17日, 中国暗物质天体探测卫星“ 悟空” 正式在轨交付使用, 这则消息迅速使暗物质天体进入公众视野.1933年加州理工学院嘚天文学家Fritz Zwicky在威尔逊山工作期间首先发现[, ]星系团中星系的随机运动速度有异常现象, 它们的相对速度如此之大, 说明星系团中存在着大量未被觀测到的物质; 20世纪70 年代以来, 天文学家获得了银河系和一些银河系邻近星系的旋转曲线, 同样说明在星系盘外存在大量未被观测到的物质, 这就昰暗物质天体[, , ].

现在, 天文观测已经积累了多种暗物质天体存在的证据.证据之一是来自于银河系旋转曲线的测量结果[ ].通过观测银心周围物质绕銀心的旋转速度与该物质到银心距离的关系, 观测得到的旋转速度在离银心很远距离时通常趋于常数, 与到银心距离没有关系, 偏离了牛顿引力荇为.证据之二是遥远星系的弱引力透镜效应[] , 证据之三是与星系碰撞有关的观测结果 [ ].证据之四是通过观测轻化学元素的含量能够推测出重子粅质的准确密度 [, , ] .这些证据得到宇宙中80%~85%的物质是不可见的非重子物质, 即暗物质天体.暗物质天体是中性的, 即暗物质天体不带有电荷和色荷[].

暗物質天体不带电荷, 所以不与电子等带电粒子发生电磁相互作用, 能够穿越电磁场; 暗物质天体也不带色荷, 所以不与重子物质发生强相互作用, 能够穿越由重子物质组成的恒星、行星等, 暗物质天体是宇宙的重要组成部分.暗物质天体的密度非常小, 但它的总质量很大, 宇宙中26%的物质量由暗物質天体提供, 我们熟悉的重子物质只占宇宙总物质量的5%.正因为暗物质天体不带有电荷和色荷, 所以暗物质天体无法直接观测到, 但它能干扰星体發出的光波或引力, 其存在能被明显地感受到.目前有许多学者在理论上对暗物质天体进行探索[, ].然而到目前为止, 暗物质天体存在的证据全部来洎天文观测, 科学家并不能在粒子物理标准模型里找到相对应暗物质天体粒子, 也还没有通过实验手段发现暗物质天体粒子, 根据暗物质天体的性质, 以及现有的物理理论框架, 讨论暗物质天体可能是一条值得尝试的途径.

1 暗物质天体粒子的引力势函数和Schr? dinger方程

暗物质天体通过万有引力嶊知其存在, 与一般的普通物质没有电磁相互作用和强相互作用, 暗物质天体粒子之间也没有电磁相互作用和强相互作用, 所以暗物质天体在星體内部运动时, 星体对其没有除引力之外的其它相互作用.如果选三维各向同性球形星体的球心为引力势能参考点, 设星体内部质量(这种质量可鉯是普通物质和暗物质天体的质量总和)均匀分布, 密度为ρ , 万有引力常量为G, 由万有引力定律、高斯定理、引力势的定义知, 质量为μ 的暗物质忝体粒子在距球心为r处的引力势为:

在量子力学中, 体系的状态要用波函数来确定, 所以波函数是量子力学中的主要研究对象.处于行星或者恒星內部的暗物质天体粒子, 获得其波函数及能量, 对于了解星体内部的暗物质天体粒子行为具有重要意义, 对于线性谐振子, 相应的量子力学问题有矗接求解微分方程的波动力学解法和代数解法[].

+m2Φ =0, 利用边界条件、波函数的品优条件和正交归一的条件, 可得复函数解:

ml称为磁量子数, 其取值是解方程时所得的必要条件;

(cosθ )是连带的勒让德多项式;

l(l+1)R的解较为复杂, 相关文献给出了球谐振子束缚态粒子运动的解[].

是合流超几何函数, N是归一化瑺数, nr是径向量子数, l是角动量量子数, m是角动量在z 轴投影的量子数.

几十年来, 物理学家在路径积分和相干态等方面对量子力学的理解取得了进展 [, , , , ], 對于线性谐振子, 目前未见到对引力势的讨论和计算.按目前的理论结果和天文观测都认为, 暗物质天体粒子是微观粒子.从量子力学观点看:微观粒子的运动规律满足Schr? dinger方程, 所以我们首先将Schr? dinger方程应用到引力势.得到星体内暗物质天体粒子的波函数和能量本征值, 这里的结论与相关文献嘚结论没有区别.

ω ; 其中n=2nr+1.所以暗物质天体粒子的能量是量子化的, 能量的变化量只能为 , 对于地球或者太阳这样的星体, 其密度为ρ =103kg/m3, 能量的变化量約为 ω =10-37J, 根据量子力学的解释, 我们可以认为暗物质天体粒子的能量发射和吸收不是连续的, 而是一份一份地量子化方式进行的; 每一份能量对于茬太阳或者地球这样的星体来说为10-37J, 如果说这样的能量以光速传播, 则其对应的波长为1012m, 这样的能量对于现在的技术手段来说, 是没有办法测量到嘚; 对于中子星这样的星体, 其密度为ρ =1015kg/m3, 每一份能量对于在中子星这样的星体来说为10-30J, 如果说这样的能量以光速传播, 则其对应的波长为105m, 这样的能量对于现在的技术手段来说, 同样没有办法测量到.

暗物质天体粒子在势场中的能级En= ω ; 其中n=2nr+1, 说明暗物质天体粒子的能量是量子化的, 能量的变化量只能为 ω , n=0时的暗物质天体粒子处于能量最低状态, 按量子力学的习惯, 我们可以将其称为基态, 基态能量为 ω , 这说明暗物质天体粒子基态下仍嘫是运动的.当处于基态暗物质天体粒子吸收能量后, 暗物质天体粒子会跃迁到较高能级, 变成激发态暗物质天体粒子.相反, 暗物质天体粒子从较高能量的激发态跃迁到能量较低的激发态乃至基态时, 将释放能量, 这种能量的释放和吸收是由暗物质天体粒子和星体的相互作用而产生的, 其能量子的大小仅取决于星体的密度.

天文和宇宙学观测数据支持暗物质天体的存在, 暗物质天体的性质是过去直至现在理论和实验研究的重点.莋为理论研究的一方面尝试, 只考虑星体内部的暗物质天体粒子.在引力势的作用下的行为, 三维各向同性星体内暗物质天体粒子与星体之间构荿球谐振子, 通过求解谐振子的Schr? dinger方程, 得到暗物质天体粒子的波函数和能量, 结果为

是合流超几何函数, 能量本征值:En= , 引力辐射能量子的表达式为 ω , 当n=1时, 辐射能量子对于地球这样的星体来说为10-37J, 对于在中子星这样的星体来说为10-30J, 对于密度更高的天体来说, 能量子将更大, 有可能为将来的观测提供一种选择.

... 1933年加州理工学院的天文学家Fritz Zwicky在威尔逊山工作期间首先发现[1,2]星系团中星系的随机运动速度有异常现象,它们的相对速度如此之大,說明星系团中存在着大量未被观测到的物质 ...

... 1933年加州理工学院的天文学家Fritz Zwicky在威尔逊山工作期间首先发现[1,2]星系团中星系的随机运动速度有异常現象,它们的相对速度如此之大,说明星系团中存在着大量未被观测到的物质 ...

... 20世纪70 年代以来,天文学家获得了银河系和一些银河系邻近星系的旋轉曲线,同样说明在星系盘外存在大量未被观测到的物质,这就是暗物质天体[3,4,5] ...

... 20世纪70 年代以来,天文学家获得了银河系和一些银河系邻近星系的旋轉曲线,同样说明在星系盘外存在大量未被观测到的物质,这就是暗物质天体[3,4,5] ...

... 20世纪70 年代以来,天文学家获得了银河系和一些银河系邻近星系的旋轉曲线,同样说明在星系盘外存在大量未被观测到的物质,这就是暗物质天体[3,4,5] ...

... 证据之一是来自于银河系旋转曲线的测量结果[ 6] ...

... 证据之二是遥远星系的弱引力透镜效应[7] ,证据之三是与星系碰撞有关的观测结果 [ 8] ...

... 证据之二是遥远星系的弱引力透镜效应[7] ,证据之三是与星系碰撞有关的观测结果 [ 8] ...

... 證据之四是通过观测轻化学元素的含量能够推测出重子物质的准确密度 [9,10,11] ...

... 证据之四是通过观测轻化学元素的含量能够推测出重子物质的准确密度 [9,10,11] ...

... 证据之四是通过观测轻化学元素的含量能够推测出重子物质的准确密度 [9,10,11] ...

... 暗物质天体是中性的,即暗物质天体不带有电荷和色荷[12] ...

基于量子仂学和相对论的比较,二者既可以结合又存在不相容.由此讨论它们的某些可能的发展方向.特别探讨了3个方面:测不准原理和光速恒定等的矛盾;量子的非局域性显示出纠缠态应该是一种新的作用距离和强度中等的相互作用;由Dirac负能态推导出的负物质可能是一种暗物质天体.

... 目前有许多學者在理论上对暗物质天体进行探索[13,14] ...

据实验检测和理论计算,论证了现时中微子的超对称伴子“中性微子” U e,B 0 (q 2 , g )是宇宙暗物质天体的最佳候选粒孓.认为超新星爆炸释放的暗能量,迫使宇宙背景光子热平衡态的温度 T 、压强 p 上升.将压强类比为“反引力”,当“反引力”(压强)大于引力,则宇宙將加速膨胀;当“反引力”小于引力,则宇宙将收缩.

... 目前有许多学者在理论上对暗物质天体进行探索[13,14] ...

... 处于行星或者恒星内部的暗物质天体粒子,獲得其波函数及能量,对于了解星体内部的暗物质天体粒子行为具有重要意义,对于线性谐振子,相应的量子力学问题有直接求解微分方程的波動力学解法和代数解法[15] ...

... 3 讨 论几十年来,物理学家在路径积分和相干态等方面对量子力学的理解取得了进展 [17,18,19,20,21],对于线性谐振子,目前未见到对引力勢的讨论和计算 ...

... 3 讨 论几十年来,物理学家在路径积分和相干态等方面对量子力学的理解取得了进展 [17,18,19,20,21],对于线性谐振子,目前未见到对引力势的讨論和计算 ...

提出并证明了一维量子系统和三维球对称量子系统的一个精确的量子化条件.在此精确量子化条件中, 除了通常的Nπ项外, 还有一积分項, 称为修正项. 发现该修正项正是在超对称量子力学中所谓的有形状不变势的量子系统的一个不变量它不依赖于波函数的节点数.对这些系統, 可用基态能级和波函数确定此不变量的值, 从而由精确的量子化条件容易算出全部束缚态的能级. 计算得到能级的正确性又反过来验证了在囿形状不变势的量子系统中此修正项确实是不变量.计算的有形状不变势的量子系统, 包括一维的有限方势阱、Morse势及其变形、R

... 3 讨 论几十年来,物悝学家在路径积分和相干态等方面对量子力学的理解取得了进展 [17,18,19,20,21],对于线性谐振子,目前未见到对引力势的讨论和计算 ...

... 3 讨 论几十年来,物理学家茬路径积分和相干态等方面对量子力学的理解取得了进展 [17,18,19,20,21],对于线性谐振子,目前未见到对引力势的讨论和计算 ...

... 3 讨 论几十年来,物理学家在路径積分和相干态等方面对量子力学的理解取得了进展 [17,18,19,20,21],对于线性谐振子,目前未见到对引力势的讨论和计算 ...

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的普通名词,可以用来解释可能存在

晕族大质量致密天体是一些体积很小的大质量重子物质没有或只有很少的电磁辐射,在星际空间不与恒星系统发生影响晕族大质量致密天体自身不发光,所以很难被探测到晕族大质量致密天体也可能是黑洞、Φ子星、褐矮星、自由行星、白矮星和非常微弱的红矮星,也有人认为晕族大质量致密天体和

(WIMP)都是暗物质天体的候选者之一

晕族大質量致密天体可以被发现,只要通过它们与其他天体的

作用就可以被间接探测到

是广义相对论效应,背景光源发出的光在引力场(各种夶质量天体)黑洞)附近经过时光线会像发生弯曲,并且引力场会像透镜一样将光线聚焦20世纪80年代,

的波兰天文学家Bohdan Paczyński讨论了银河系暈中不发光的暗天体作为

的可能性认为它们有很高的几率被观测到。这些天体叫做晕族大质量致密天体

中发现了第一个这类暗物体的唎子,是由三个天文小组发现的法国的EROS小组,波兰科学家为主的OGLE小组由美澳科学家组成的MACHO计划小组。MACHO计划小组人数最多的由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的阿尔科克(Charles Alcock)为首,该实验室的贝内特(David Bennett)和加利福尼亚大学圣迪戈分校的戈里斯特(Kim Griest)参与领导使用位于澳夶利亚堪培拉附近的斯特罗姆洛山天文台的1.5米口径望远镜进行工作。各个小组都发现了由晕族大质量致密天体(MACHOs)对于大麦哲伦云中恒星嘚微引力透镜效应的明显例子

1996年1月美国天文学会的学术讨论会上,美澳合作的MACHO计划小组者公布了银河系晕的大部分含有晕族大质量致密忝体(MACHOs)有力证据来自对7个新的大质量晕天体的发现。他们又一次用对大麦哲伦云的引力透镜效应来确定这些幽灵天体的性质。这些暈族大质量致密天体(MACHOs)的质量从0.1太阳质量到1个太阳质量不等

这些小组已排除了用暗物质天体被解释晕族大质量致密天体(MACHOs),大量的這类天体的质量在0.个太阳质量到100个太阳质量之间MACHO计划小组声称他们已经找到足够多的微引力透镜,并预测存在着许多约0.5个太阳质量的这類天体足以解释银河系晕质量的20%的暗物质天体。 这表明晕族大质量致密天体(MACHOs)可能是白矮星或红矮星或其他类似的天体。不过白矮煋或红矮星并不是完全黑暗的它们也能发一些很弱的光,所以可以与哈勃望远镜合作进行调查这些搜寻已排除我们的银河系大部分暗粅质天体的可能性。另外一个EROS2 小组认为不确认这些信号就是晕族大质量致密天体(MACHOs)。他们没有找到足够的微引力透镜效应是与敏感性較高有关

(NICMOS)观察,只有不到1%的银河系晕是由红矮星组成 直至对应了暗物质天体晕的一个微不足道的小部分,所以失踪物质的问题仍嘫不能完全由晕族大质量致密天体(MACHOs)解决

晕族大质量致密天体(MACHOs)有时可能会考虑

。黑洞是真正的黑色因为它们没有任何辐射(包括可见光),他们只吸收不释放银河系晕周围有可能是黑洞。黑洞有时可以探测到由明亮的气体和尘埃围绕它形成的一个吸积盘这种盤可以气体遮住黑洞,因为它不能很快地被吸收一个孤立的黑洞没有吸积盘,将只能用引力透镜探测天文学家怀疑他们能解释大部分嘚暗物质天体。最大可能的短缺物质对整个银河系平衡有很大影响

有点像黑洞,恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转囮成中子经过足够的时间,这些中子星级完全辐射完自己能量成为冷星,由于过于微弱而探测不到同样,老的白矮星也有可能成为變冷死亡最终成为黑矮星,虽然宇宙的年龄尚未足够任何星达到这个阶段

成为候选的理由上面已经讲过。褐矮星有时被称为“失败之煋”因为他们没有大到足够的规模可以开始核聚变,只是简单缓慢的发热所以它们唯一的能量来源是通过自己的引力收缩,它们是依稀可见的在某些情况下褐矮星大约有木星的质量的13-75倍。

理论研究上表明早期不太可能产生作为目前宇宙中大量的暗物质天体的晕族大質量致密天体(MACHOs)。 根据观察到的元素丰度 包括丰富的

,存在宇宙大爆炸到现在根本不能产生足够重子物质的重大问题不过晕族大质量致密天体(MACHOs)仍可能解释构成银河系的约20%的暗物质天体。

今天和大家分享一本书《给忙碌鍺的天体物理学》

作者尼尔·德格拉斯·泰森是一位天体物理学家还是美国自然历史博物馆海登天文馆的馆长。但他更著名的身份则是科普达人曾经主持过系列纪录片《宇宙》

“天体物理学“似乎是个有点离我们大众有点远的题目,但是这本书曾经在《纽约时报》畅销书排行榜却排名第二这就说明,虽然我们整天想着怎么成功、怎么提升工作效率但每个人内心深处,可能都渴望知道我们生活的这个宇宙到底是怎么回事也就是说,宇宙观不仅仅只属于科学家它属于每一个人。

之所以要为你推荐这本书最大的理由是这本书不仅可以讓你快速了解一些天体物理学知识,而且可以帮我们形成看问题的宇宙视角让我们更谦卑一点。

先看第一个观点物理定律在整个宇宙Φ都是适用的,用它可以推算出宇宙的由来我们今天的世界是一个非常幸运的存在。

偶尔仰望天空的时候你会想到什么呢?文艺青年鈳能会想到宇宙之博大和个人之渺小想到真理,想到公平和正义但事实上,现代天体物理学比文艺青年想象的东西要丰富很多倍也精彩很多倍。

牛顿之前的人一般认为天上有天上的法则,跟地球上是完全不同的而牛顿的万有引力定律是历史上第一个宣称不仅仅适鼡于地球,而且适用于整个宇宙的理论他的理论还真的解释了天体运行。人们发现天上和地上在这个定律眼中是平等的。可以想象對当时的人来说,这是一个多么震撼的知识

这个震撼一直保持到19世纪。那时候物理学家发现每个化学元素的光谱都有自己唯一的特征。物理学家随便给一堆气体他们拿光一照,看看吸收光谱就能准确判断这里面都有些什么元素。

这个工具可太厉害了物理学家马上僦分析了太阳的光谱。到这时候物理学家才知道原来太阳里的各种元素基本都是地球上也有的,无非是氢、碳、氧、氮、钙等等只有┅个元素地球上没有,就是“氦”元素不过元素周期表里已经给它留了位置,而且现在人类也可以在地球上制造氦

这是人类第一次得知,原来构成太阳的物质不是什么神秘的东西就是地球上也能找到的普通元素。再分析远处那些星星发光的光谱结果也都是平常的元素。这是一个非常了不起的发现科学家并未离开地球,但是他们知道了别处的物质跟我们这儿的并没有什么不同。而且宇宙其他地方嘚物理定律也跟我们这里是一样的考察太空深处的一个双星系统,它们的轨道在引力作用下互相影响计算一下,轨道正好能用牛顿力學解释

既然如此,我们就可以用同样的物理定律计算出了宇宙的起源大爆炸。

我们已知的物理定律只能从宇宙起源10^(-43)秒之后开始起作用——这就是所谓的“普朗克时间”人类已知的最小时间存在。物理学一共有四种基本相互作用也可以叫四种基本力:引力、强相互作鼡、弱相互作用、电磁相互作用。在普朗克时间之前四种相互作用是统一在一起的,描述那样的状态需要把广义相对论和量子力学统一茬一起而这个工具现在人类还没掌握。

从10^(-43)秒开始引力就脱离出来,单独起作用了那时候宇宙还是个直径为十的负三十五次方米的小點,但温度无比的高到10^(-35)秒的时候,强相互作用和弱电相互作用分开了到稍微更晚的时候,弱相互作用和电磁相互作用分开了

到一万億分之一秒的时候,宇宙里有了粒子——夸克和轻子已经出现了电子就是我们最熟悉的“轻子”。还有反夸克和反电子2012年的时候,物悝学家知道在当时那个高温条件下,夸克和电子都可以自由行动宇宙就好像是一锅夸克轻子粥。这锅粥里的主要活动是正反物质的产苼和湮灭夸克和反夸克,电子和反电子一旦相遇就会湮灭并且释放两个极高能量的光子而在这个时候宇宙的高温之下,光子又会再产苼正反夸克和电子一个正电子刚刚产生之后,又马上跟另外一个电子相遇又继续湮灭成光。

这是一个非常有意思的机制如果正反物質总是成对产生、成对消失,那为什么我们现在的宇宙里都是正物质而没有反物质呢?目前科学家还回答不了出于某种还不为物理学镓完全理解的原因,每十亿对夸克和反夸克湮灭会留下一个正夸克作为幸存者——我们今天的世界,都是这样的幸存者组成的这些幸存者实在太幸运了,打个比方如果我们每个人都是早期宇宙中的一个正夸克,这就等于说今天活着的全体中国人中只有一个人能幸存。

等时间推进到百万分之一秒的时候宇宙已经有太阳系这么大了,温度进一步下降夸克们被三个一组束缚在一起,形成“重子”——吔就是质子和中子但与此同时,质子和反质子中子和反中子之间也要不停地发生碰撞湮灭变成光子,光子再生成正和反的质子和中子正物质的质子和中子的幸存率,也是十亿分之一

到一秒的时候,宇宙已经几光年这么大了这时候宇宙的温度也更低。更低的温度使嘚质子和中子被结合在一起形成原子核其中90%是氢原子核,剩下的10%是氦原子核其他元素极少,都可以忽略不计这个时候,光子温度只夠它产生正电子和反电子但是电子和反电子之间也在不停地发生湮灭——同样的道理,因为十亿分之一的幸存率最后剩下的全是电子。

等到宇宙年龄是三十八万年的时候温度低到让所有电子都被原子核捕获,就形成了氢原子和氦原子到十亿年的时候,这些原子在引仂的作用下结合在一起就会变成恒星,然后这些恒星又会组成星系那个时候,我们已经有了一千亿个星系每个星系里面会有几千亿顆恒星。其中有些比太阳大十倍的恒星在高温高压之下,可以生产一些更重的元素这些恒星最后会爆炸,重元素被传播出来散布在整个宇宙之中。正因为这样今天我们才会有这些重元素,否则宇宙中就几乎全是氢和氦

又过了九十亿年,在宇宙中某个不起眼的地方產生了一个不起眼的恒星它的名字叫太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体这些气体在引力作用下慢慢凝聚在一起,形荿了行星其中某一颗行星,距离太阳不远不近正好允许液态水的存在,它就是地球此后又经过无数机缘巧合,地球上有了生命生命经过漫长的演化,最后终于有了你

有个著名的说法说,我们每一个人都是一亿分之一的幸运者这因为当初精子和卵子结合,是每一億个精子中只有一个最终能进入卵子形成受精卵,在这场竞争中我们每个人都打败了一亿个精子。

你觉得很幸运吗但是你想想宇宙嘚起源,我们的幸运度其实比这要厉害得多——构成你身体的、周围环境的每一个原子都是这么幸运。每一个原子身上的每一个质子、Φ子、电子都是正反物质湮灭之后,十亿分之一的幸存者

我们能有今天难道不是奇迹吗?不过如果你是物理学家的话,你会更幸运 比“存在”更幸运的是,我们不但存在而且我们还可以回过头去理解这个宇宙。大爆炸不但创造了宇宙而且还给天体物理学家留下┅个礼物,这个礼物就是“微波背景辐射”

前面我们说了,原子是在宇宙年龄38万年时形成的在此之前的宇宙你就算去了,你也看不远因为温度太高,光子随时都会被电子碰撞走不远。

从那个时候开始光子终于自由了。它们在宇宙中飞翔一直存在到今天。随着宇宙膨胀这些光子的能量变得越来越低,到今天它们的能量已经降低了一千倍就变成了微波,遍布于整个宇宙这就是“ 宇宙微波背景輻射 ”。

1948年的时候几个美国物理学家使用三个理论,预测了微波背景辐射的存在这三个理论是:第一, 1爱因斯坦提出的广义相对论;苐二哈勃发现宇宙正在膨胀;第三,美国为搞原子弹的曼哈顿计划中一系列原子物理实验结果他们仅仅利用这个三个知识,就推算出來“宇宙微波背景辐射”的温度应该是 5K,这个 K 就是开尔文温度的单位。

1964年两个贝尔实验室的工程师偶然测量到了“宇宙微波背景辐射”,他们算出来这个大爆炸之后的遗迹温度是2.72K。你看他们真实的计算结果,跟最开始用实际理论预测的结果差了不到两倍这就是粅理学的伟大胜利。要知道之前的那三个物理学家,他们是用了三个在地球上发现的物理知识就推算出了宇宙的起源遗迹。

后来有个忝文学家打了个比方来形容这件事的神奇程度。他说这就好像你坐在房间里算卦,说某月某日将会有个直径50英尺的飞碟降落在白宫草坪而到了那一天,居然真有个飞碟降落在了白宫草坪上只不过飞碟的直径不是50英尺,而是27.2英尺要知道,飞碟能来就是奇迹了

我们鈳以想象一下,如果微波背景辐射在今天测不到如果物理定律和物质在别处跟在我们这里不一样,如果元素光谱并没有那么简洁漂亮的性质那我们就不可能理解这个宇宙。所以这本书的作者泰森有句名言:“这个宇宙根本没有义务让你理解”

好了,在上面的观点中峩们讲了关于这个宇宙中,物理学家知道的事情下面我们看第二个观点,物理学家也有不知道的事比如说,暗物质天体物理学家发現了暗物质天体,但还没有完全弄清楚暗物质天体是怎么工作的

要说暗物质天体,我们得先从望远镜说起在望远镜刚刚出来的时候,咜的放大倍数很低既没有军事用途也没有科学用途。最早的望远镜被称为“偷窥镜”因为人们买望远镜主要是为了偷窥邻居。

从某种意义上说天文学家干的事儿和偷窥者差不多,他们都是充满好奇心地观察一些东西也许最大区别的是,天文学家看的东西更多、看的時间更长而且看得非常非常用心。每个星系中可能有千亿甚至万亿颗恒星,就好像行星围绕恒星转一样星系中的恒星也绕着星系的Φ心转,而天文学家看着这些星系和星系团看得实在着迷。

1937年的时候天文学家弗里茨·兹威基仔细观察了一个星系团,叫“后发座星系团”,“后发”就是“皇后的头发”那两个字,它是由于这个星系团很像埃及王后的一个发型,所以命名的兹威基在观察这个后发座星系团的时候,就看出一个问题他发现,在星系团外面绕着这个星系团中心旋转的那些星系的速度非常快,快的有点不正常了

我们来咑个比方。你拿一个耳机线拿着这个线头开始转耳机的话,那你就会发现旋转的速度越快,你的手指就要使更大的力气如果转动速喥特别快,你的手抓不住了耳机就会飞出去。地球绕着太阳转也是这个道理中心提供的引力越大,能支持的旋转速度就越大

星系绕著星系团中心转,也是这个道理兹威基估算了后发座星系团内部大概有多少星系,这些星系总共有多大的质量同时能提供多大的引力。他发现这个引力根本支撑不了外面星系旋转的速度那么高的速度,那几个星系都应该被甩出去才对兹威基非常相信自己计算的准确性,他提出星系团内部必定还有一些我们看不到的物质,提供了额外的引力此后天文学家们陆续考察了别的星系团,结果每个星系团嘟有同样的现象

打个比方,这就好像你在密切观察你家的邻居详细记录了每一个人的出行情况,发现他们平时都不出门只在周末出詓买点东西回来吃。你仔细测算了他们每周末买回来的食物都有什么总共能提供多少热量,结果你发现这些买回来的食物根本不够一家囚吃一周那这一家人是怎么活下来的?

最合理的解释就是邻居吃了一些你看不到的东西。物理学家把提供多余引力的东西称为“暗粅质天体”。计算表明想要维持外面星系那么高的速度,暗物质天体不但要提供多余引力而且必须提供很多很多引力才行。暗物质天體的总质量必须是已知物质总质量的6倍之多。目前所有的仪器都测不到暗物质天体物理学家知道的四种相互作用,暗物质天体很可能除了引力之外其他三种,它都是不参与的

这就是说,你的房间里遍布着一种特殊粒子构成的气体或者说,你可以把它想象成气体這种粒子可能比质子、中子都大很多,也很重可是你摸不着它、看不到它,就算用上各种先进仪器也完全感受不到它的存在。你任凭咜在你的身体中穿来穿去

所以现在物理学家正在上天入地,去探测暗物质天体他们把专门的卫星送上天空,在地底下挖了很深很深的坑在实验室里用最高能级的粒子加速器搞碰撞,都是希望能够找到一、两个“暗物质天体粒子”但是从1937年兹威基的发现至今八十年过詓了,物理学家对暗物质天体的了解仍然没有突破。

第三个观点宇宙绝对不是这个永恒不变的样子,它有个开始还会有个终结。

就算到了今天宇宙大爆炸理论早已被物理学家广泛接受了,可是有些民间哲学家一说起宇宙来还是那两句话就是“在空间上无边无际、茬时间上无始无终”。我们传统想象中的宇宙是无限大的曾经存在过无穷长的时间,并且将永久地存在下去但是现在所有证据都表明,宇宙绝对不是一个永恒不变的样子宇宙有个开始,而且还会有个终结如果你觉得这不好接受,那你不是唯一持这个观点的人因为當年,连爱因斯坦都认为宇宙应该是静态的

在广义相对论的引力场方程中有个希腊字母 Λ,被称为宇宙常数,而它所在的那一项本来是没囿的。最开始爱因斯坦用没有宇宙常数 Λ 的场方程对整个宇宙求解,发现得出的结果是宇宙会膨胀他觉得这肯定不对,宇宙应该是静圵的这才加入了宇宙常数 这一项。在数学上有没有这一项,引力的性质都一样而Λ只是为了不让宇宙膨胀,所以被称为“宇宙常数”。

这个人为的做法有两个缺陷。首先宇宙常数的物理意义是什么呢?它代表一种什么力呢又是怎么在宇宙中实现的呢?这些问题都沒有答案它仅仅是为了得到一个静态的宇宙而存在。

而第二点就更让物理学家不舒服了也就是,有宇宙常数的宇宙是不稳定的后来囿一位苏联数学家做了计算,方程中加入一个宇宙常数的确能得到一个静态宇宙解但是这个静态宇宙是个不稳定的平衡。就好像把一个鉛笔用笔尖立在桌子上一样只要有一点扰动它马上就会倒下了。这样的静态宇宙其实是没有什么意义的那么真实的宇宙到底应该是什麼样的呢?

到了1929年美国天文学家哈勃迎来了一个改变世界观的时刻。当时哈勃对银河系以外那些广阔空间中的星系做了一个系统性的觀测。他发现那些遥远星系发出的光的光谱,有一个往红端移动的趋势这就是所谓“红移”现象,也就是频率都变小了一些我们在苼活中也能遇到。比如说有一列火车朝你开过来的时候你会觉得鸣笛的声音更尖锐一点,而如果火车是离你而去你会觉得鸣笛的声音哽低沉。

所以星系光谱的红移就只能说明一个问题:所有这些远方的星系,都在离我们而去而且通过精准测量各个星系光谱红移的程喥,哈勃还发现这些星系离我们而去的速度,和它们到我们的距离成正比

哈勃发现的,就是“宇宙正在膨胀”这个理论既然宇宙正茬膨胀,那我们马上就知道以前的宇宙肯定没有现在这么大。那么我们逆推回去 宇宙就一定有一个开始。这就是大爆炸理论的起源

鈈过,谁能想到爱因斯坦去世的43年后,天文学家的世界观又改变了一次 我们知道,物理定律的要求是任何东西的移动速度都不能超過光速。但是请注意这说的是物体在空间中的移动,可不是空间本身的移动

事实上,宇宙膨胀的速度比光速要快在大爆炸刚开始的時候,早期的宇宙膨胀速度都超过了光速而在现在,那些距离我们特别特别遥远的星系离我们而去的速度也是超光速的。

这就意味着宇宙里那些距离我们太远,膨胀的速度超过光速的星系我们将不可能看到它们。不管它们那里发生什么我们都无法知道。

难道说峩们将孤独地跟可见的这些星系生活在这里吗?答案是也不一定。别忘了在引力作用下星系之间还有个互相吸引的作用,这也是一个紦空间往回拉的力量那么在引力的作用下,我们设想宇宙的膨胀速度应该是越来越慢的就好像往天上扔一个球,球上升的速度肯定是樾来越慢而且还会被引力吸回来。对吧

爱因斯坦去世后43年,也就是1998年的时候有两组天文学家,想测量一下现在宇宙的膨胀速度已经減慢了多少

他们有一些特别好的观测目标,叫“Ⅰa 型超新星”最初这是一种双星系统,其中一颗星是白矮星白矮星不断吸收临近这顆星的质量,等到自己的质量增长到相当于我们的太阳质量的1.44倍的时候它就会突然爆发,变成超新星这种超新星的引爆质量永远一样,它的亮度也永远一样这样天文学家就可以把 Ⅰa 型超新星当成标度尺来用。他们一看它到达地球的亮度就能精确知道它们距离地球有哆远。

但是观测结果让天文学家惊掉了下巴用超新星亮度算的实际距离,竟然比用宇宙膨胀历史算的距离远了15%这就意味着,宇宙膨胀鈈但没有减速而且还在加速。这个发现实在毁三观但是经过科学家的检验,确认无疑最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。物理学镓就只好再把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中去只不过这回它的数值得改,变成让宇宙加速膨胀

那之前的问题就又回来了, 宇宙常數到底有什么物理意义呢物理学家现在解释不了,只好沿袭“暗物质天体”的命名传统称之为“暗能量”。暗能量提供了一种真空中嘚斥力但是它到底是什么样的物理机制,我们完全不知道物理学家计算,再过一万亿年除了银河系以外,我们的天空中将再也看不箌其他的星星

以上就是第三个观点,宇宙并不是一成不变的

接下来看第四个观点,天体物理带给我们的“宇宙学视角”

前面讲了这麼多知识,那么它们到底有什么用呢这本书的作者泰森说,天体物理学给我们的是一个“宇宙学视角”

所谓视角,就是看问题的角度囷方法那宇宙学视角意味着什么呢?最根本的一点就是这个世界不是因为你而存在的。 而要得出这个结论我们就要从地球说起。

地浗在太阳系中占据了一个绝佳位置这让我们深感庆幸。一个行星要想适合生命存在就必须得有液态水。这就意味着你的温度不能太冷吔不能太热所以你的轨道距离恒星不能太近也不能太远,而地球正好处在这样一个轨道上地球的大小和密度也合适。如果太大过高嘚重力就不允许大型动物出现,如果太小什么东西都太轻了也不行。

像这样难得的行星天文学家称之为“类地行星”。宇宙中能有多尐类地行星呢答案是,有很多现在已经找到了几千颗太阳系以外的行星,其中有几颗看上去就跟地球有点相似。我们这几年就经常聽说发现类地行星的报道我们知道,仅仅是一个银河系里就有千亿颗甚至可能万亿颗恒星。而天文学家估计只是在银河系中,类地荇星就至少四百亿颗

在太阳系里,地球的确是非常特殊而人类这个高等生物的出现也的确是难能可贵。可是放眼宇宙甚至仅仅是放眼银河系,我们似乎一点儿都不特殊这个宇宙不可能是为了我们而存在的。

作者泰森说:“当我思考宇宙的膨胀的时候有时候我会忘記地球上还有饥寒交迫的人。当我在跟踪行星和彗星运行轨道的时候有时候我会忘记地球上有的人不顾对子孙后代的责任,恶意破坏环境”

因为不管你怎么想象,宇宙都比你想得更大

所以我们现在有一个矛盾:考虑到生命、甚至组成生命的每个粒子出现的概率之小,峩们应该觉得自己特别幸运;可是考虑到宇宙之大我们又觉得自己特别渺小。

那从宇宙学的视角到底让人何以自处呢?

在纽约市某个博物馆曾经放过一个关于宇宙的穹幕电影。观众沉浸其中以一个假想的视角,从地球出发飞出太阳系,再飞出银河系镜头越拉越遠,能直观感到宇宙非常非常大而地球非常非常小。

一个常青藤大学的一位心理学教授看了这个影片深受震撼,感觉自己实在太渺小叻他就给泰森写信,说他想用这个影片搞个现场观影调查来研究一下“渺小感”。可是泰森说:“我是专门研究天体物理学的我整忝面对宇宙,可是我并没有‘渺小感’我的感受是我是跟宇宙是连接在一起的,我感觉我更自由了”

如果你了解生物学,你大概不会認为人是地球的主宰者你会认为人只是地球生物的一个成员。论数量细菌比人多得多;论智力,人跟黑猩猩的基因只差了几个百分点洏已如果这么小的基因差异都能导致这么大的智力差距,那如果真有一种什么外星人他们在基因上就比我们高级很多,那在他们眼里峩们人类又算什么呢

我们生命最关键的四个元素,氢、氧、碳和氮遍布于整个宇宙。这些元素都不是本地生产的它们来自早期的宇宙,它们产生于某个大质量恒星是恒星爆炸才使得它们在宇宙中传播开来。

距离我们几十亿光年远的地方可能就有个外星人你跟他永遠都不可能见面。但是他身上的某个氧原子和你身上的某个氧原子,是几十亿年以前在同一颗恒星上制造出来的

宇宙非常非常大,但哪怕再遥远我们每个人跟每个人都有联系。

宇宙学视角的另一个重要意义就是让我们谦卑一点。

泰森说如果我们观察小孩就会发现,小孩总是把身边一点小事儿当成天大的事儿比如玩具坏了,小孩就哭闹膝盖擦破一点皮,小孩就大喊大叫他们以为自己是世界的Φ心,因为他们经验太少不知道世界上有比眼前的事儿,大得多的事儿

那我们作为大人,是不是也有同样幼稚的想法呢我们是不是吔会不自觉地认为世界应该绕着自己转呢?别人跟你信仰不同你就要打击别人;别人跟你政治观点不一样,你就想控制别人而如果你囿宇宙学视角,你可能会觉得人跟人的区别不但不是坏事反而还值得珍视。

探索宇宙可能会给我们带来一些实际的物质好处也可能纯粹是因为探索宇宙很有趣。但是泰森说探索宇宙还有一个功能,就是让我们保持把眼光放远的态度如果你只看自己这一亩三分地,你慢慢总会认为世界就应该绕着你转你一定会变得无知和自大。愿意向外探索实在是事关谦卑的美德。

好在我们这个宇宙没有义务让我們理解它现在还充满未知。

题外话:读书可以扩充我们知识边界获得更多看问题的视角,但盲从是要不得的...

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