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眼睛是如何演化出来的,以及关于存在的 52 个问题,都在这

曾梦龙2017-05-03 18:00:32

“我们从哪里来?我们是宇宙中唯一会问出这些问题的生命吗?”

作者简介:

《新科学家》(著)创建于 1956 年,是一家国际性科学周刊,在科学出版界具有世界性的声望,在全世界有超过 500 万读者。

格雷厄姆•劳顿(文),《新科学家》杂志执行主编,毕业于英国帝国理工学院,获得生物化学学士学位和科学传播硕士学位,在科学写作方面获得过许多奖项。

珍妮弗•丹尼尔(绘),《纽约时报》著名插画设计师, Google 创意总监。 

书籍摘录:

导言 我们从哪里来?

斯蒂芬·霍金

我们为什么会在这里?我们是从哪里来的?根据中非博松戈人的说法,起初只有黑暗、水和大神本巴。一天,本巴胃痛发作,吐出了太阳。太阳烧干了一些水,露出了土地。仍感不适的本巴又吐出了月亮和星辰,然后是豹、鳄鱼、乌龟,最后吐出了人。

和其他很多创世神话一样,这个神话要努力解决的各种问题我们今天仍在追问。幸运的是,我们现在有了科学这个工具来提供答案,这一点我们很快就会看清楚。

关于这些存在的奥秘,第一项科学证据是在 20 世纪 20 年代被发现的,当时埃德温·哈勃开始用加利福尼亚威尔逊山上的一架望远镜进行观测。哈勃惊讶地发现,几乎所有星系都在离我们而去。不仅如此,越是遥远的星系,远离我们的速度就越快。宇宙的膨胀是古往今来最重要的发现之一。

这一发现改变了关于宇宙是否有开端的争论。如果诸星系此时正在彼此远离,那它们在过去必定离得更近。如果其速度保持恒定,那么数十亿年前,它们应该是挤在一起的。这就是宇宙的起源吗?

当时,许多科学家都不满意宇宙有开端的说法,因为这似乎意味着物理学已经崩溃。我们不得不援引一个外在的动因——为方便起见,可以称之为上帝——来决定宇宙如何开始。于是,他们提出了一种理论:虽然宇宙目前正在膨胀,但它并没有一个开端。

也许最著名的理论是在 1948 年被提出的。它叫作稳恒态理论,暗示宇宙过去一直存在,而且无论什么时候看上去都一样。最后这个特性是一项可以检验的预言,可检验性是科学方法的一个关键要素。但事实表明,它并不成立。

霍金,来自:维基百科

1965 年 10 月,人们发现整个空间中有一个微弱的微波背景,这是最早的观测证据,表明宇宙有一个非常致密的开端。唯一合理的解释就是,这个“宇宙微波背景”是一种炽热而致密的早期状态所遗留的辐射。随着宇宙不断膨胀,辐射冷却下来,直至成为我们今天看到的残余。

很快就有理论支持这个想法。我和牛津大学的罗杰·彭罗斯认为,如果爱因斯坦的广义相对论是正确的,那么必定存在一个奇点,在那个点上,宇宙无限致密,时空曲率为无限大——时间本身正是从这里开始的。

宇宙从大爆炸开始,然后快速膨胀。这被称为“暴涨”,过程极为迅速:经过 1 秒钟的极小一部分,宇宙的尺寸就增加了很多很多倍。

暴涨使宇宙变得广袤而平滑。但它并不是完全平滑的,不同位置之间有微小的差异。这些差异最终导致了星系、恒星和太阳系的产生。

我们的存在便缘于这些差异。如果早期宇宙是完全平滑的,就不会有星星,也不会发展出生命。我们是原始量子涨落的产物。

我们将会看到,仍然存在许多巨大的谜团。不过,我们正在逐步接近以下古老问题的答案:我们从哪里来?我们是宇宙中唯一会问出这些问题的生命吗?

来自:pixabay

第一章 宇宙(节选)

宇宙是由什么构成的?

宇宙不只包含我们眼睛看得到的东西,而是比这多得多。事实上,就宇宙的绝大部分而言,人是种怪异的存在,微不足道。构成你以及你所关心的一切事物的普通材料只占宇宙不到 10% 的内容;宇宙的其余部分则是由被称为暗物质和暗能量的神秘物质构成的,这是我们这个时代最伟大的宇宙奥秘之一。至于它们到底是什么,谁也说不准。

这些让人不舒服的东西中首先被注意到的是暗物质。早在 20 世纪 30 年代,荷兰天文学家扬·奥尔特就发现银河系的一些恒星的运行有些反常。要解释这种情形只有设想有些不可见的黑暗物质占据了很大一部分空间。

瑞士天文学家弗里茨·兹威基后来观察到,距地球 3.2 亿光年的一个星系团中存在类似的反常情形。他发现各个星系彼此围着旋转的速度要比引力基于星系中恒星的联合质量所推论的速度大得多。这表明,要么星系包含着远多于可见之物的物质,要么牛顿的引力定律是错误的。兹威基选择了前者,并认为这多出来的物质是大量看不见的气体。

  • 不知如何是好

20 世纪 70 年代,天文学家们对几个星系做了一次类似的观测,结果发现,这些星系旋转得如此之快,以至于应该分崩离析。他们最初选择了兹威基关于看不见的气体的解释,但遇到了麻烦。如果看不见的东西是由质子、中子和电子组成的正常物质,那我们关于恒星和星系如何形成的理解就必定是错误的:它们永远不会足够快地瓦解,以形成最初的恒星和星系。

因此,他们开始认为有其他东西存在,这种神秘的物质不吸收或发射光和其他电磁辐射,这就是我们看不到它的原因。但它与引力相互作用,因此我们可以看到它对普通物质的影响。他们称它为暗物质。

宇宙学家们现在认为,暗物质是宇宙的一种重要成分,构成了大约 27% 的宇宙。如果没有暗物质提供的额外引力,星系就不会足够快地形成,进而形成我们今天观测到的星系团和超星系团。

暗物质主要集中在星系周围的球形晕轮中。事实上,像我们银河系这样的螺旋星系,大部分质量并不包含在恒星和行星中,而是包含在它们周围看不见的物质中。

来自:维基百科
  • 弱相互作用重粒子

但令人沮丧的是,我们仍然不知道暗物质是什么。根据我们最好的理论,它是由弱相互作用重粒子这种假想的粒子构成的。如果这种说法正确,那么每秒钟必定有数万亿个这样的粒子穿过地球。许多实验都试图探测弱相互作用重粒子,或者在实验室生产它们,但没有一个获得成功。

而且天文观测越详细,物体就变得越暗。有的时候,暗物质似乎太多,比如绕银河系运行的矮星系。它们旋转得如此之快,必定充满了暗物质。但这与我们的星系形成理论告诉我们的正相反,后者说,星系中暗物质的量应当与星系的大小大致成正比。

在其他时候,我们看到的暗物质又太少。整个宇宙中小星系的数量大约是我们星系形成理论预测结果的十分之一到百分之一。还有一些星系似乎不包含任何暗物质,尽管环绕它们的星团似乎承受着额外的引力。

  • 引力问题

底线是,我们迫切需要知道暗物质是由什么构成的。如果它不存在,那么我们对引力的理解就是错误的。对于大多数天文学家来说,这都是不可想象的,他们继续把希望寄托在暗物质上,并通过观测星系的移动和旋转路径来推测它的性质。

如果说我们对约占宇宙 27% 的东西近乎一无所知听起来不能令人满意,那么,听到我们对另外 70% 的东西绝对一无所知又该作何反应?这正是宇宙学家们在 1998 年面对的艰难处境,那一年,一种古怪的反引力被发现,人们现在叫它“暗能量”。

这个发现始于一个测量宇宙膨胀率的常规实验,随着引力逐步对大爆炸产生遏制,宇宙的膨胀预计将会放缓。天文学家们正在寻找超新星,即正在爆发的恒星,它们发出的光将会确证这些细节。

来自:pixabay

超新星有一个不同的故事。事实证明,那些遥远的超新星距离我们比天文学家们根据宇宙膨胀放缓这个假设所预期的要远得多。天文学家们被一个不可避免的结论惊呆了:宇宙的膨胀没有放缓,而是在加速。但为什么会这样?

这已成为天体物理学中最令人头疼的问题,我们对这个问题的研究并没有什么进展。大多数物理学家都认为,解决方案在于设想一种难以捉摸的力——暗能量。它潜伏在空间的空虚地带,约占宇宙中物质和能量的 70%,导致宇宙以不断增长的速度膨胀。

这种暗能量究竟是什么?呃……我们不知道,但并不缺乏想法:它可能是空间自身的结构所固有的一种能量,也可能是一种被称为“第五元素”的以变化的速度扩张的奇异的场,还可能是一种不同形式的引力,在某些情况下排斥他者而不是吸引,甚至可能是一种幻觉。

来自:维基百科

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爱因斯坦的非凡错误

现代的暗能量概念被提出还不到 20 年,但阿尔伯特·爱因斯坦在 1917 年发明了一个非常相似的东西,作为其广义相对论的一个附加项。他意识到,引力会导致宇宙向内坍缩,于是他补充了一个修正因子——宇宙学常数,这是空虚空间所固有的一种神秘的反引力力量。

后来他改变了主意,称这是他一生中“最大的错误”。我们现在知道,他是超前于时代的。

题图来自:维基百科

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