您的位置 : 首页 >> 科学与自然电子书

140亿年宇宙演化全史

下载方式

Origins:fourteen billion years of cosmic evolution

140亿年宇宙演化全史(一本书读懂诺贝尔物理奖,一口气读懂宇宙!万维钢罗振宇力赞的霍金奖得主尼尔·泰森经典大作!写给忙碌者,重塑宇宙观) (未读·探索家)

本书作者:(美) 尼尔·德格拉斯·泰森 ,(美)唐纳德·戈德史密斯

本书读后感· · · · · ·

通俗易懂,令人震撼。感谢木星和地球大气的守护,感谢爱因斯坦等学者前辈的努力,我们能够安坐窗前读到这样尚不完整但已足够精彩的故事是一件多么幸福的事情。我们体内的每一个原子都能够追溯到宇宙大爆炸的一刻,生命的出现,有偶然,也有必然,然而我们不必自满或怅惘,未来哥白尼原则会将这个故事讲得更加完整和生动。

我的学习笔记

随着天体化学、天体生物学、天体粒子物理学等新兴学科的涌现,天体物理学家发现,学科的交叉与融合能为他们带来莫大的益处。 P10

整个宇宙有数百亿个星系,银河系只是其中之一,我们的地球所围绕运行的太阳,也只是银河系边缘一颗再普通不过的恒星。 P11

从500年前开始,一种理解自然的新方法渐渐成形。 P12

科学家不会放过证伪同行理论的机会,却也支持彼此为拓展人类知识所做出的尝试,他们由此创造出了用于理解自然最有效、最高效的工具。 P13

140亿年宇宙演化全史 科学与自然电子书 第1张科学的进步由两类人推动:那些设法获取更好的数据,并根据数据小心推理的人,还有那些冒着极高的风险挑战已被广泛接受的结论的人——当然,一旦成功,他们也将得到极高的收益。 P14

有人直率地承认,这个世界完蛋了,在行星中,在苍穹中,他们正在探寻那么多新的东西;他们看到,这个(世界)再次崩塌成原子。 P15

其他传统宗教的徒子徒孙倒是常常强调二者之间的分野,他们更愿意从心理上划分自然和超自然掌管的领域,通过这种方法来调和二者。 P16

——卢克莱修(Lucretius)大约140亿年前,在那时间的开端,已知宇宙中所有的空间、物质和能量都挤在针尖大的一个小点里。 P17

这个被称为“暴胀时期”(epoch of inflation)的阶段抹平了宇宙中的物质和能量,从此以后,宇宙相邻部分的密度差降低到了十万分之一以下。 P18

创世之初的10亿年里,宇宙继续膨胀冷却,物质在引力作用下聚集形成星系。 P19

在宇宙早期那锅翻滚的粒子汤里,夸克和反夸克、电子和反电子(它更广为人知的名字是“正电子”)、中微子和反中微子不断地诞生、湮灭,然后再次诞生,你很难注意到物质和反物质数量的细微差别。 P32

这些孤独的强子最终将享受到身为物质的最大乐趣:它们将创造出星系、恒星、行星和人类。 P33

从这时候开始,直到38万年以后,氢原子核、氦原子核、电子和光子组成的粒子汤才会再次发生巨变。 P34

黑洞有可能消耗自身大得惊人的引力能,创造出粒子-反粒子对。 P35

这里隐藏着一个十分有趣的分野。 P36

作为科幻故事里的常客,反物质真实地存在于我们的宇宙中。 P37

厄莱尔特的团队在第一轮实验中就制造出了9个反氢原子。 P38

物理学家无法保证某个方程的所有解都能与现实世界中的事件对应起来,但如果某个物理现象的数学模型正确无误,那么琢磨方程总比琢磨整个宇宙简单,而且同样有用。 P39

根据狄拉克最初的解释,γ射线光子会将电子从负能量的领域中激发出来,由此创造出一个普通的电子和一个电子洞。 P40

根据恒稳态理论,宇宙在膨胀过程中将始终保持不变——简洁是这套假说最诱人的特质。 P48

要捕捉微波,科学家需要能对波长更短的波进行探测的探测器和灵敏的天线。 P49

彭齐亚斯和威尔逊在清理鸟粪的时候,普林斯顿大学的一群物理学家正在罗伯特·H.迪克(Robert H. Dicke)的带领下修建一台探测器,这台探测器将专门用来寻找伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼预测的CBR。 P50

140亿年宇宙演化全史 科学与自然电子书 第2张

如果某种微波的温度高于现在的CBR,那么氰分子被激发的程度也会略高于CBR。 P51

这些物质富集的区域为超星系团的形成播下了种子,与此同时,其他区域相对比较空旷。 P52

我们会在第五章中介绍暗能量,它加快了宇宙膨胀的速度,如果没有暗能量,宇宙就不会膨胀得这么快。 P53

一方面,观测为宇宙学奠定了坚实的基础,在其他很多科学领域里,这样的基础完全是默认的,因为它们早就形成了成熟的实验室观测体系;另一方面,理论家曾在缺乏观测手段的年代凭空提出了大量不着边际的假说,新的数据必然会肯定其中的一部分,打破另外一部分。 P54

20世纪最睿智、最具影响力的科学家爱因斯坦又进一步发现,我们可以将引力的远距离作用更准确地描述为物质和能量的任意组合造成的时空构造弯曲。 P55

兹威基研究的是一个巨型星系团内的星系运动,这些天体来自后发座(Coma Berenices,这个名字的意思是“贝蕾妮丝的头发”,贝蕾妮丝是埃及古代的一位王后),远离银河系的本地恒星。 P56

如果太阳突然变得更重,地球和太阳系里的所有天体都必须加快速度才能停留在目前的轨道上。 P57

如果我们没算错的话,这个星系团应该迅速分崩离析,只余下些许痕迹供人缅怀它蜂巢般拥挤的过往,这个过程只需要几亿年到10亿年。 P58

鲁宾研究的是恒星围绕自己所在的星系中心旋转的速度,刚开始她观察到的现象完全符合预想:在每个星系可见的星系盘内,远离星系中心的恒星运动速度大于更内侧的恒星。 P59

这些不发光的物质会不会藏在黑洞里?不可能,要是真有这么多黑洞,它们的引力必然影响周围的恒星,那我们早就发现不对劲了。 P60

但实际的观测结果却告诉我们,星系团内绕轨运行的星系所占据的空间里到处都有暗物质。 P61

据我们目前所知,事实并非如此。 P62

这套理论的确可以解释很多旋涡星系外围孤立天体的运动,但它带来的问题比答案还多。 P63

哈勃常数等于天体远离地球的速度除以它和我们之间的距离(离我们越远的星系“后退”的速度越快),这个常数的值非常非常小,所以只有在观测那些非常遥远的天体时,我们才能发现空间的弯曲。 P75

到20世纪90年代中期,宇宙学家发现,就算把目前(通过对可见物质产生的引力)探测到的所有暗物质都算进来,宇宙中的物质密度也只有临界值的四分之一左右。 P76

暴胀理论还有其他一些深受宇宙学家青睐的优点,我们现在暂不赘述;最重要的是,暴胀模型提出了一个直接的、可验证的预测:宇宙中的空间应该是平坦的,它的曲率既不是正数也不是负数,恰恰就是零,这完全符合我们的直觉。 P77

然后,嘲笑声突然消失了。 P78

与临界密度对比的时候,我们必须采用这个新的总密度。 P79

最后,等温度升高到1000万摄氏度,整颗白矮星就会再次被核聚变点燃,这样的爆炸——原理类似氢弹,但爆炸强度是氢弹的几万亿倍——会将白矮星彻底撕碎,形成Ia型超新星。 P80

整个20世纪90年代,哈佛大学和加州大学伯克利分校的两组超新星专家都在优化这种测量技术。 P81

星系距离与后退速度之间直接的比例关系体现在哈勃定律(Hubble’s law)的代数表达式中,这个简单的方程描述了宇宙的基本行为:v=H0×d。 P82

由于两个团队主要的怀疑目标都是对方,所以双方都在殚精竭虑地给对方的数据和解释挑错。 P83

Λ在这里代表宇宙常数。 P84

不过,在消化了一颗卫星提供的新的观测数据以后,所有的怀疑者几乎都打消了疑虑。 P85

我们发现,来自某些位置的CBR比其他地方偏强或者偏弱了一点点。 P86

要理解空间曲率如何影响宇宙背景辐射的特征角度尺寸,我们不妨想象一下,这些辐射终于停止与物质互动那一刻的情景。 P87

从另一方面来说,平坦的宇宙将永远保持平坦,从大爆炸开始直到无限远的未来。 P88

考虑到实验精确度误差,这两个值基本是一回事。 P89

时至今日,为了弄清宇宙加速膨胀背后蕴含的意味,宇宙学家已经奋斗了好些年。 P91

根据量子力学的一部分理论,我们所谓的“真空”中其实充斥着“虚粒子”(virtual particle),这些小家伙的状态在存在与不存在之间频繁切换,所以我们永远不可能直接锁定它们,只能观察到它们产生的效果。 P92

很久以前,粒子物理学家和宇宙学家就知道,量子力学预测的宇宙常数值大得令人无法接受。 P93

时至今日,在这个ΩM = 0.27、ΩΛ = 0.73的宇宙中,这两个值的数量级完全一样,而且ΩΛ的值明显大于ΩM。 P94

这个解释将宇宙常数的值与客观的事实联系到了一起:我们生活在一个普通星系内绕着一颗普通恒星公转的行星上。 P95

由于多重宇宙的假设从理论上排除了各个宇宙发生互动的可能性,我们显然无从验证它的真实性,自然也就不可能去证明它——除非有哪个更聪明的天才能想出办法来测试多重宇宙模型。 P96

我们不如跳过“人择方法”,继续相信那些以人类为中心的更古老的创世神话。 P97

现在我们倒是知道,这套假设毫无道理,因为多面体的嵌套并不完美,而且(更重要的是)我们找不到任何理由来解释行星轨道为什么会遵循这样的规则。 P98

接下来的30年里(第二次世界大战拖慢了研究的步伐),天文学家一直按照哈勃的思路观测、归类星系,这幅音叉图将所有星系分成了三类:椭圆星系、旋涡星系和棒旋星系,不规则星系被归类为一个独立的子集,因为这些星系的形状太奇怪,音叉图上根本没有它们的身影。 P107

而在目前,天文学家只能继续从银河系内部测绘我们的星系,透过树木般林立的恒星和星系描摹这片森林的轮廓。 P108

如果将一张哈勃望远镜拍摄的这些美丽动物,尤其是(相对于那些更近的星系而言)距离我们1000万~2000万光年的那些星系的图片放到你眼前,那就无异于开启了一个充满无限可能性的奇观世界。 P109

这场爆炸发生的时间必然是公元前16万年前后,因为它的光芒在1987年传到了地球。 P110

简单地说,你需要一台计算机。 P111

但我们无法在现实世界中观察那么长时间,只能利用计算机将1亿年的时间压缩到几分钟内,通过这种方式观察跨越漫长时间尺度的奇景。 P112

要理解如今组成可见宇宙的这些天体源自何方,我们必须弄清一个问题:是什么样的机制将宇宙中弥散的物质凝聚成了高度结构化的元件?要完整描述宇宙中的结构是如何出现的,我们必须将现实的两个方面融合到一起,不过对于这个问题,目前我们仍力有未逮。 P113

一个拥有一千亿颗恒星的星系显然不会在意自己内部构成行星系统和气体云的原子和分子遵循怎样的物理规则。 P114

比如说,地球上的经线就不是均匀分布的,因为它们在某些地方的距离较近,某些地方距离较远;不过有两个地方的经线各向同性,那就是所有经线汇集的南北极点。 P115

宇宙中占地最广袤的星系际空间,平均每10立方米内连一个原子都没有,它的物质密度比行星际空间还要小9个数量级。 P116

天体物理学家在研究空间星系分布的时候发现,哪怕从1亿光年的尺度上看,星系就像相互交缠的薄片和细丝,它们之间仍有相对空旷的宽阔沟壑。 P117

但是,如果物质均匀分布在一个无限的空间中,那它永远无法凝聚成一整个大团,而是这里聚成一小团,那里聚成一小团,由此产生无限多个大型物质团块;这些物质团块散落在无限的空间中,彼此相距遥远。 P118

早期宇宙膨胀的速度极快,如果当时的宇宙在所有尺度上严格遵守均匀且各向同性的规则,那引力根本没有获胜的机会,今天的宇宙中也不会有星系、恒星、行星和人类,只有均匀散落的原子——这个无聊的宇宙既没有观察者,也没有可供观察的物体。 P119

在这段相对比较短暂的时间里,时空构造膨胀的速度比光还快,短短的10-33秒内,宇宙的尺寸就从质子的1/1020膨胀到了10厘米左右。 P120

如果暴胀理论正确无误,而量子力学告诉我们,均匀且各向同性的流体内部必然存在细微的差别,所以暴胀时期的宇宙必然存在最初的涨落,因此空间中有可能出现物质和能量相对比较密集或稀疏的区域。 P121

本文版权归原作者所有,请支持正版。此处仅提供个人读书笔记 https://yigefanyi.com/140yinianyuzhouyanhuaquanshi/
返回顶部