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跨越 200 亿年的宇宙之美,尽在这些图片和文字之中

曾梦龙2018-01-02 19:00:31

读这本书,就像沿着时间行走,一路上有让人惊愕的天空、刻画了天空的科学家的肖像,还有梦想天空的艺术家的作品。——《东部共和报》(L’Est)

作者简介:

雅克•保罗(Jacques Paul),法国原子能和替代能源委员会(CEA)、萨克莱核研究中心(CENS)科学顾问。

让-吕克•罗贝尔-艾斯尔(Jean-Luc Robert-Esil),法国国家科学研究院(CNRS)、巴黎第七大学粒子天体物理与宇宙学实验室研究工程师。

书籍摘录:

前言

可怜的人类,犹如婴儿,蜷缩一角,迷失在巨大的宇宙摇篮中,努力探索着自己小小世界的边际。不触及宇宙边缘,人类永远不会停下探索的脚步!天文学已超出了一门科学的意义,它还代表了我们与宇宙这个万物之源、人类诞生之所的基因联系。有朝一日,当太阳变得过于炎热、地球不再宜居之时,人类将再次深入宇宙,寻找栖身之地。

人类意识到自我与世界之后,便将目光投向天空。 50 年前,一名年轻的苏联空军飞行员就乘坐装备并不先进的宇宙飞船进入太空,实现了伊卡洛斯(Icarus)古老的梦想。但若要进一步迈向天空,唯有求助天文学。为了促进天文学的发展,科学家使用各种具备强大识别能力的电子眼探索太空,如伯纳德 · 勒博弈尔 · 丰特奈尔(Bernard Le Bovier de Fontenelle)所说,宇宙“ 如同剧院里上演的一场大戏”。

我们心怀喜悦,撰写本书,为的是与读者分享这笔无与伦比的天文学财富。本书也完全可以命名为《美丽的宇宙》,因为天文观测为我们提供了无数美到窒息的图像,人们有时候禁不住思忖,究竟哪位现代艺术大师能有如此手笔!在欣赏图像之美的同时,我们还应向所有醉心于观测太空秀美绝伦景象的男士和女士致敬。正是这些科学工作者和艺术家的努力,我们如今才得以一窥宇宙大戏的幕后究竟……

自本书初版面世以来,人类关于宇宙的认识仍在不断拓展。在这一新版(原书第 3 版)中,我们以时间为序列出 200 个主题,从已证实的宇宙起源(大爆炸)直至宇宙可能的结局(大坍缩),全面梳理了宇宙的历史。读者在本书中可以看到天文台观测整个宇宙时捕捉到的新图像、试图揭开宇宙谜团的科学家的肖像,还可以欣赏到艺术家创作的宇宙幻想作品……我们希望能够把本书描绘成一幅新印象派(Neo-impressionism)画作,逐步为读者揭开宇宙最神秘的一面。

本书每个主题页面均采用双年表:左下角为以大爆炸为起点纪年的事件日期;右下角为公历纪元的事件日期,公元前发生的事件标注为负数。但是,请读者注意,因为阿尔伯特 · 爱因斯坦(Albert Einstein)提出光总是以恒定的速度传播,否定了19 世纪科学家提出的绝对时间,同时性的概念被限制于同一参考系内发生的事件,所以,本书所采用的年表仅适用于地球,而非绝对时间观。倘若本书有幸在宇宙其他地方发表,则应采用另一年表。

本书中某些事件因在宇宙层面具有意义而收录,如宇宙形成之初或宇宙可能结局中的事件。其他某些事件则更契合太阳系的具体情况,如从太阳形成直至其必然结局。此外,本书中的许多事件发生于人类历史这个短暂的时期内,尤其是近4 个世纪以来,重大发现发生的频率越来越高。

事实上,直至 17 世纪晚期,彼时自信而强悍的欧洲人方才勉强把星象学与天文学区分开来,并开始接受宇宙极有可能是无止境的,甚至其中存在无数与地球相似的世界的概念。更令人惊讶的是, 19 世纪的大多数学者仍然认为人类所处的银河系就是整个宇宙。而仅仅在20 年前,人类对宇宙加速膨胀及其主导因素暗能量仍然一无所知。然而,如今所有的科学家都确信宇宙的四分之三都由仍然神秘的暗能量构成。

最后,我们简要解释本书在科学与历史上所做的内容选择。有些内容体现的是所谓的“普遍共识”;有些则是本书作者在权衡多个解释或假说后的选择结果,这些解释或假说有时可能同样有理有据。读者可从书末参考文献中了解本书某些内容在选择上的科学依据。

· 多重宇宙

多重宇宙是所有可能存在的宇宙的假设性总和,其中各宇宙有其自身的物理定律。出于偶然,一些宇宙的

物理常数之间的关系刚好有利于生命诞生。人类所处的宇宙便是其中之一。

多重宇宙由美国哲学家与心理学先驱威廉 · 詹姆斯(William James)于 1895 年提出。这一术语的出现,首先带来的是 20 世纪科幻小说的繁荣,其后才高调进入科学领域,成为理论物理学的前沿。

事实上,只要空间无限,那么在可观测的宇宙之外,应该存在无数肉眼与仪器观测不到的实体。多重宇宙的概念基于已证实的物理理论(广义相对论),而另一种正统理论(量子力学)认为不同宇宙的存在是可能的,在不同宇宙中任一量子物体的所有状态应均可实现,由此同样可推出多重宇宙这一假设。

依据理论物理学中最迷人的观点,多重宇宙应是一种量子泡沫,其中的每个气泡将发展成一个宇宙。在能量涨落的影响下,量子气泡将经过膨胀阶段,最终诞生拥有其自身物理定律的宇宙。这种猜测无法得到验证,因此确切而言并非科学的研究方法,但它却高明地解决了物理学中最恼人的问题:为何万有引力常数、电子质量等基本常数会出现调整,促使我们的宇宙演化出智慧生命?确实,如果一个宇宙的形成是多重宇宙中的一个普通事件,那么我们身处的宇宙拥有孕育智慧生命的基本常数也就无甚稀奇了。

对于某些物理学家而言,多重宇宙概念的计算机模拟图表现为泡沫,其中每个气泡都将发展成一个宇宙。在能量涨落的影响下,量子气泡将经过膨胀阶段,最终诞生拥有其自身物理定律的宇宙。

· 太阳的诞生

在恒星繁多且部分恒星质量很大的宇宙环境中,一片星云向内坍缩。物质的主体演化为太阳,剩余的则变平,变成圆盘状。圆盘中形成了太阳系的其他天体。

大爆炸 90 多亿年过去了,距离宇宙完成最新的重要演化已有一段时间。这一演化就是暗能量成为宇宙的主要构成。本超星系团是巨大的宇宙网的节点之一,拥有超过 1  万个个体。其外侧有一个较小的星系群—本星系群。本星系群拥有 30 多个星系,银河系是其中最明亮的星系。 40 多亿年来,银河系在其大质量暗物质晕的作用下,演化为由恒星与气体构成的薄盘状天体系统。

此时银河系中气体整体十分稀薄(低于1 个原子每立方厘米),四处聚集后形成密度更大的涡旋。这些星际云在分子和尘埃颗粒的辅助作用下,变得不透光。其中某一星际云在距离银河系中心 27000 光年处飘浮着。突然,或许是在附近超新星爆发的影响下,该星云的一部分向内坍缩。这个球状体在自引力作用下收缩成为原恒星,其引力能则转变为辐射。当球状体核心温度升高至发生热核反应并引起氢聚变时,收缩停止。一颗恒星诞生了……

可见宇宙中每秒钟就有数千个同类事件发生。这颗恒星的诞生对于可见宇宙而言实在微不足道,但对于人类来说却是关键转折点,因为这颗恒星在未来的某一天会被我们称为太阳。另一方面,这颗原恒星收缩的最后阶段,外围弥散着气体和尘埃,形态呈盘状,随后碎裂成无数小天体。小天体有时会聚集成为更大尺度的结构,我们的地球即由此诞生。

斯皮策空间望远镜于 2003 年在红外波段下拍摄的象鼻星云。图像上有 6 个原恒星(图像亮红点处)。

· 亚里士多德的《论天》

柏拉图的学生亚里士多德在雅典创立了自己的哲学学派,建立了吕刻昂学园,他提出的世界观基础直至中世纪依然具有权威性,如《论天》(On the Heavens)中的天体理论等。

亚里士多德是首位撰写真正宇宙学论文的希腊人。尼古拉 · 哥白尼(Nicolas Copernic)出现前的两千年中,他始终是西方文化的权威。他重申并发展了毕达哥拉斯、柏拉图和欧多克索斯的观点。此外,亚里士多德还是第一位证明地球呈球形的希腊人,海上消失于地平线后的远帆和月食时月面上的圆形地影均是证据。

亚里士多德从变化中区分出不完美世界,即“月下”世界(月球下)。此世界中的运动为直线运动,由中心向高处或低处运动。而在月球外,存在着一个“以太”构成的永恒世界,该世界中的运动为匀速圆周运动。不动的地球位于这个球形世界的中心,月球、太阳、游星、不动游星(恒星)均在此世界中。在亚里士多德构建的体系中,每颗游星对应一个以地球为中心的球面,并不断自转。他认为彗星和陨星是地球摄动的结果,故均属于不完美世界。

他将宇宙比作生命体,空间有限而时间无限,像天空一样独一无二,且呈圆形。四元素的属性相互作用(土和水冷,水和气湿,气和火热,火和土干)产生了月下世界的变化,而永恒的“以太”使天空一成不变。

柏拉图和亚里士多德,《雅典学院》画作细部,该壁画由拉斐尔于 1509 ~ 1512 年作于教皇尤利乌斯二世的套房内,现展于梵蒂冈博物馆签字厅(拉斐尔房间)。

· 星座

《天文学大成》记录了 48 个星座。希腊文明在星空地理学和星座命名上发挥了最重要的作用,而伊斯兰文明则是近半数恒星名字的来源。

9 世纪时,古美索不达米亚变成知识和科技的聚集地。巴格达的科学家和文人来自整个伊斯兰世界。阿拔斯王朝建立的“智慧宫”是真正的智慧碰撞之地,影响着地中海地区。它集图书馆、翻译中心、集会场所于一身,以翻译天文学、星相学、诗歌和历史类书籍为目的。中心翻译工作使用阿拉伯语、波斯语、希腊语等多门语言,方便人们使用古老文献。“智慧宫”使科学获得前所未有的发展。

当时,数学家塔比 · 伊本 · 库拉(Abu alHassan Thabit ibn Qurra)将克罗狄斯 · 托勒密最主要的著作《天文学大成》译为阿拉伯语,译名为《至大论》。阿拉伯天文学家历时三个世纪,在最初 1028 颗恒星和 48 个星座的基础上改进,并加入了他们的发现,如欧洲看不到的麦哲伦云。

土耳其和蒙古的入侵带来新的“黄金时代”。1428 年,帖木儿(Timur)的孙子乌鲁伯格(Ulugh Beg)国王下令在撒马尔罕修建天文台,标志着这个时代达到发展顶峰。这个非凡的天文台影响深远,其制作的部分图表后来被北京古观象台接收。随着乌鲁伯格被其长子阿卜杜勒- 拉蒂夫(Abd ul-Latif)以醉心天文不理朝政为名杀害,伊斯兰天文学达到顶峰后迅速衰落。

意大利帕多瓦的拉乔内宫内描绘星座的15 世纪壁画。

· 猎户座星云

1610 年 11 月 26 日,文艺复兴转折期的学者尼古拉斯-克洛德 · 法布里 · 佩雷斯克(Nicolas-Claude Fabri de Peiresc)发现曾被托勒密当作一颗恒星的天体具有星云的特性,而它也由此成为宇宙中最著名的星云。

猎户座包含大量在地球任一角落均可轻易观测到的明亮星体,故很多文明都对此星群进行过各具特色的描绘。古希腊人将其视为自夸可杀死任何动物的传奇猎户俄里翁。三颗明亮恒星组成的腰带上挂着几颗天体绘成的宝剑,比托勒密、第谷 · 布拉赫等天文学家曾认为的略暗一些。伽利略的好友尼古拉斯- 克洛德 · 法布里 · 佩雷斯克用天文望远镜对其观测后,发现宝剑中部明亮天体具有星云的特性。

猎户座星云,又名 M42 ,位于猎户座宝剑区,恰处在三颗几近排成一线的明亮恒星(三王星)组成的腰带正下方,遂成为冬季天空中最易被观测到的天体。在无污染的夜空中,我们用小望远镜、两片望远镜镜片,甚至裸眼,便可对其观测。它是被业余天文学家观测到次数最多的天体之一,他们甚至用普通仪器也可描绘出猎户座星云的诸多细节。

猎户座星云距太阳 1350 光年,总跨度达 30 多光年,由大质量热星团照亮的气体和星际尘埃构成。在快速形成恒星的星云中心,一片螺旋形暗星际介质形成了著名的马头星云。

猎户座星云假色图,由哈勃空间望远镜所摄图片和斯皮策空间望远镜红外摄像合成。蓝色表示可见光,绿色表示近红外线,橙色和红色表示波长较长的红外线。


题图及文内图均由出版社提供

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