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地球是多彩的,生活在這裡的我們已經真切感受到了生命的繽紛美妙,不僅如此,在仰望星空時,各種奇妙的天文現象也勾起了人們的遐想。月亮的陰晴圓缺映照著地球人或者曠然或者惆悵的心情,流星的出現代表著轉瞬即逝的願望,一次日全食或日環食也會吸引人們駐足觀看,還有夜空中的繁星,它們構成的星座,以及天文望遠鏡拍攝的彩色的星雲,看起來宇宙是如此繽紛和諧。

然而,隨著科學對宇宙的探索,我們開始意識到,宇宙的本質並不是我們祖先所想的那樣,尤其是隨著航天科技的發展,越來越多的宇宙奧祕呈現在我們眼前。我們知道了黑洞將會吞噬掉一切,小行星會給天體帶去毀滅性的撞擊,太陽的輻射會導致死亡,量子力學的研究告訴我們,暗物質才是宇宙的核心構成。

在宇宙探索中,我們對那個未知世界有了更加濃厚的興趣。人們開始從最初的幻想,轉而思考宇宙的起源、粒子的形態、時空的構成,以及銀河系之外的宜居星球。這將會是一個漫長的探索過程,並且,它的終點或許註定將是虛無與失敗,但這條探索之路卻已經成為人類射向宇宙深處的一道亮光。

今天我們探索到的一切祕密,都來自於人類敏銳的觀察力與天馬行空的想象。從身邊日常的觀察入手,到複雜的物理公式和量子力學的設想,在這場探索中,人類逐漸揭開了宇宙的面紗。然而,面紗背後並不是宇宙的完整面孔,而是一層又一層新的面紗。


本文出自《新京報·書評週刊》11月26日專題《繽紛與冷酷 宇宙探索簡史》的B02-03。

「主題」B01丨繽紛與冷酷 宇宙探索簡史

「主題」B02-03丨本質:尋找宇宙為我們留下的線索

「主題」B04-B05丨星座:環繞地球的幻想之夢

「主題」B06-B07丨威脅:潛伏的危機與未來的地球

「主題」B08丨觀星:失傳的渾天儀

最初的觀測


ΛCDM宇宙模型呈現的宇宙時間線。在宇宙誕生之初,它是一個光子與物質的混合物。大爆炸之後宇宙急速膨脹,星系擴散,逐漸形成今天的樣子。

如今我們已經有能力將探測器發射到曾經想都不敢想的宇宙遠方,然而,目前人類天文物理學所探索的盡頭可能也不過是宇宙奧祕的5%(即物質在宇宙中所佔據的部分)而這個探索,卻從公元前開始,花費了我們整整兩千年。

人們意識到地球是一個天體,就耗費了不少波折。大部分文明的神話中都認為地球是平的,天空是固定不動的、地平面之上的帷幕。我們當然可以像福爾摩斯那樣表達對天文學的不屑,地球是繞著月亮轉還是繞著太陽轉,是圓的還是平的,對我們的日常生活能有什麼影響呢?但只要有一部分人存在著好奇與探索欲,這些問題就必然要在研究中得以解答,哪怕只是日常生活中那些常見到令人忽視的細節。

沒錯,你或許難以想象,人類第一次意識到地球可能並不是一個平面,正是從一個常見的線索中得出的。這個線索就是影子。回到公元前3世紀,古埃及亞歷山大圖書館的館長埃拉托色尼走在港灣的路上,突然發現夏至日地上的物體應該近似於沒有影子,因為陽光在夏至這天是垂直射到地面上的,但石廟前的一些柱子還是

存在著影子。於是,他做了一個實驗,在亞歷山大石廟前豎起了一根柱子,然後又在幾百公里外的賽伊尼豎起了一根柱子,結果柱子分別投下了不同長度的陰影——這就說明陽光與地面的角度並不是垂直的。就這樣,埃拉托色尼第一個發現了,人類居住的地面並非是平面,而是一個球體。

不僅如此,他還先測量了兩個不同地方柱子與影子的夾角,得到的答案是相差7°,相當於360°的五十分之一,然後僱人測量亞歷山大和賽伊尼兩地之間的距離,是800公里。800乘以50,得出的答案是40000公里,這就是地球的周長。

那麼,現代科技計算出的地球周長(赤道周長)是多少呢?

40075.7公里。

古埃及人與標準答案只差75.7公里。

這就是我們人類認識宇宙,認識地球的開始,有時候那些原理簡單到我們都可以操作,只需要兩個木棍就能測量出地球的周長。在重讀人類天文觀測歷史的時候,不得不為人類大腦呈現的智慧與思路感嘆,很多時候就是身邊最簡單的現象,幫助我們推導著宇宙的本質。

兩位里程碑人物

當然科學有時也嚴重禁錮住了人類的思維。接下來要說的,是兩個在天文學方面具有革命性創造的人物,他們的名字大家也很熟悉,一個叫開普勒,一個叫牛頓。

開普勒生活於16世紀的德國——是的,人類的天文簡史一下子就從公元前跳躍到了16世紀,因為在這一千年裡,斷斷續續的發現是有的,但並沒有什麼突破性的創造,唯一值得一提的或許只有哥白尼的日心說了。形成這種限制的,除了古埃及、古巴比倫、古希臘等天文發達的文明逐漸消逝外,神學的權威不容置疑以及前人留下的理念模型也成為限制天文科學發展的因素。


《給忙碌者的天體物理學》,(美)尼爾·德格拉斯·泰森 著,孫正凡 譯,未讀丨北京聯合出版公司2018年6月版。

開普勒對宇宙感興趣時,他面對的,是由畢達哥拉斯、柏拉圖、托勒密等人留下的一個奇奇怪怪的固體模型。畢達哥拉斯和柏拉圖充分發揚了古希臘的幾何體精神,他們是這樣認識宇宙的——當時人類只觀測到了六顆行星,除了地球外,只有水星、金星、火星、木星、土星。那麼,為什麼是6顆星星呢,因為宇宙是個完美的正六面體巢狀結構,所以容不下其他行星。唯一的困惑是,正六面體一共有5種,人們暫時無法確認6個行星的支撐結構究竟是哪一種幾何體。開普勒思考後,給出的答案更離譜——這隻有一個解釋,是上帝用完美的幾何體安置了這一切。

但好在,開普勒作為科學家有一個人性最大的優點——不自信。幾年後,人類的天文觀測顯示,那個完美幾何體的說法根本站不住腳,土星之外還有天王星、海王星和冥王星,土星和木星自己還有好幾顆衛星,請問,一個六面體哪來的這麼多頂點來巢狀這些星球呢?

那麼,開普勒提出的設想是什麼呢?

開普勒在得知了新觀測到的星球后,就打破了宇宙是幾何體模型的認知,然後他繼續觀測火星,通過火星移動的軌跡,判斷出托勒密和哥白尼對於地球及行星軌道是正圓形的認知也是錯誤的。按照他觀測的資料,行星軌道不是正圓形的,而更近似於橢圓形,太陽也不在這個橢圓形的中間,而是旁側的位置,這樣,就可以解釋為什麼火星在靠近太陽的時候移動得快,在遠離太陽的時候移動得慢了。最後,為什麼所有行星都要繞著太陽轉而不是地球轉呢,開普勒提到了一個詞——磁力。他認為太陽是憑藉著某種磁力,讓行星繞著自己運轉並且不會撞上自己的。

沒錯,開普勒的“磁力”和後來人類開啟科學新篇章的“萬有引力”,只有一步之遙了。

開普勒的很多想法都有謬誤,比如他憑藉著月球上有圓坑,就斷言那肯定是外星人的建築物,大自然不會產生那麼完美的圓形(其實,這是因為開普勒當時還沒有觀測到任何隕石撞擊的現象)。但“開普勒定律”依然在物理中適用,最容易理解的是第二定律(儘管目前證明只適用於巨集觀執行的天體)——在相等的時間內,恆星與行星連線掃過的面積相等。

開普勒開啟的新篇章,讓人類在天文上,不再是僅僅依靠肉眼,數學公式的推導又重新回到了文明當中。他的限制在於,一切推導依然是從肉眼觀察中得來的。

而到了牛頓的時代,他將物理提升到了一個新的階段——開始研究肉眼根本無法直接看到的東西了。


《光年之外》,(法)埃瑪紐埃爾·博杜安、埃瑪紐埃爾·德洛爾 著,劉存孝、劉思瑞 譯,後浪丨北京聯合出版公司2021年6月版。

萬有引力定律有多麼重要呢,它絕對不是我們上學時做物理題,給小木塊標註一個下箭頭那麼簡單。萬有引力定律是一個放在宇宙任何角落都可以適用的偉大發現,而且它給後來的物理學家提供了新的思路,因為引力不是均衡的,按照慣性理論,如果沒有引力的牽扯,物體將會在直線上一直勻速運動下去,那麼,在宇宙中推動著某些物體運動的又是什麼呢?以及,物體之間的距離越遠,所聯絡的引力就越少,那麼這個空間的極端在哪裡,引力作用中產生的波動又如何解釋?

接下來,物理學的進度開始大幅度起飛,然而,也到了我們貌似明白、但其實並不怎麼能理解的篇章了。

推算取代觀測


光在真空中的傳播速度為300000千米/秒,因此我們看得越遠,瞭解到的過去就越多。在拉尼亞凱亞超星系團之外,我們看到的超星系團都是它們幾十億年前的樣子。目前我們觀測到的最遙遠星系為GN-z11,距離我們134億光年,誕生於4億年前。

如今,物理學家們對宇宙的探索變成了以下幾個相關的主題——宇宙的起源、宇宙與時空的模型、暗物質、反物質等等。這些主題裡幾乎沒有任何一個是可以在日常經驗中觀測到的(可以用特殊手段儲存下來的反物質或許勉強算是一種),承載它們的是物理學家們的公式,推理,以及大量普通人根本難以理解的理論知識。現代科學與往日科學研究之間最大的區別在於,現代科學很多時候需要人類首先提出一個總結性的定律模型,然後在矛盾的現實中不斷完善,如果一個理論被提出後,後續的觀測能在其中得到解釋,那麼這個理論就會在物理學界得以公認。宇宙暴脹理論正是這樣一種型別。

暴脹理論是目前被普遍接受的關於宇宙大爆炸的說法,很明顯,對於宇宙是怎麼形成的,我們不可能有任何觀察與實驗的機會,目前,它只能通過宇宙微波觀測的資料得以不斷證實。暴脹理論很難通俗形象地轉述出來,我們只能舉一個粗糙的譬喻。我們可以在腦中想象一下雪崩。在靜謐的雪山中,突然,一個區域性的積雪結構發生了變化,於是積雪突然坍塌,覆蓋面積大範圍擴張,這大概就是暴脹理論的情境——不過宇宙發生這一切只用了千億分之一秒。那個區域性發生改變導致雪崩的地方,我們可以將之理解為奇點。然後,不同的雪花相互碰撞,類似於粒子間的撞擊,在這個過程中產生了不少飛迸而出的雪球——即新誕生的粒子。目前,歐洲的強子對撞機正在實驗室中模擬宇宙大爆炸的這個情境。不過讓人沮喪的是,強子對撞機模擬執行了這麼多年,目前還沒有對撞誕生出哪怕一個新的粒子。

這就是暴脹理論遭遇的挑戰。它儘管被普遍接受,但在很多最原始的問題上存在著極大的漏洞。首先,根據愛因斯坦的廣義相對論,密度和質量是不可能存在無窮大這種說法的,它們肯定有一個限度。然而暴脹理論模型中的奇點,必然要是一個密度與質量無窮大的中心,否則不足以支撐宇宙的急速膨脹。另外,如果暴脹理論是現實的話,那粒子們肯定會留下歷史痕跡。目前科學家們正在探測的,一個是引力波,一個是宇宙微波。宇宙微波與溫度相關,通過觀測到的宇宙不同部分的溫度差異,來佐證暴脹理論的正確性。但更重要的是引力波。2013年,人類曾一度宣稱探測到了引力波的存在,但在幾年後證實不過是宇宙塵埃造成的觀測干擾。

暴脹理論存在著如此多的漏洞,那麼,是否有可能,我們的宇宙並非常規認知中的那樣呢?

今天的圈量子理論與弦理論


2014年,天文學家發現我們的星系——銀河系——是一個直徑超過5億光年的巨大的超星系團的一部分。他們稱其為“拉尼亞凱亞”。

牛頓和愛因斯坦的成就都與引力相關,但引力究竟是個什麼,人們今天還是沒有完全搞清楚。我們現在對世界的認知是,一切都是由粒子構成的,例如構成物質的原子,以及構成光的元素(至於光究竟是粒子還是波則是一個有趣的觀測謎題,有興趣的讀者可以搜尋一下“雙縫干涉實驗”,就會感受到光彷彿靈異現象一樣的存在)。然而,引力又是如何構成的?這個問題涉及時間和空間的存在方式,而目前沒有物理學家能對此給出解釋。如果能觀測到中微子的話,或許能給這個問題一個答案,但中微子究竟什麼模樣,人們也不知道。

這就是為什麼說,儘管人類社會文明已經發展了大約三千年,對宇宙的認知卻可能連0.001%都不到。人們對宇宙的認知,只能先通過理論來猜測,儘可能提供能解釋已有觀測資料的模型,於是,就要提到接下來幾個和宇宙起源相關的概念。

首先是暴脹理論和宇宙大爆炸理論遭遇的質疑,讓物理學家提出了一個新的概念——宇宙大反彈。和宇宙大爆炸的區別在於,宇宙大爆炸理論認為宇宙在奇點膨脹之前不存在,而宇宙大反彈認為,宇宙之前就存在,它運動的過程像個海綿,先是收縮,等縮小到一定程度後再開始膨脹。宇宙大反彈的理論起碼在理論上解決了廣義相對論無法包容無限大這一度量的漏洞。它還有另一個有趣的地方,就是按照它的收縮-膨脹理論,曾經存在的那個龐大的宇宙是和我們今天的宇宙截然相反的映象。看起來,連人們爭議的“平行世界”“多重空間”也順帶著解決了。


《量子宇宙》,(英)布萊恩·考克斯、傑夫·福修 著,王一帆 譯,果麥丨上海科學技術文獻出版社2021年9月版。

與“平行世界”另一個看似有些關聯的概念,是反物質。與詭異的暗物質和中微子不同,反物質可以被觀測到,但不會被保留。它的存在就像是世界上有左手就會有右手,磁鐵有正極就會有負極一樣。反物質的一切都與我們今天看到的物質相反,當它遇到正物質的時候,就會瞬間湮滅。反物質的應用在未來或許非常重要,如果人類要進行星際旅行的話,理想的動力就是《星際迷航》中的反物質動力結構,它提供的能量足以支撐起以光年計算的星際旅行。目前這個能源已經在開發當中,具體進度大概是——現在反物質運動提供的能量為理想標準的百萬分之一。


電影《星際迷航》(2009)劇照。

而後,在理論方面,量子物理學目前有兩個水火不容的理論。還記得《生活大爆炸》裡有一集,謝爾頓因為和一位女性探討到未來該如何教育小孩子認識宇宙,結果一個認為應該用弦理論解釋,另一個認為應該用圈量子理論解釋,於是分道揚鑣了嗎?事實上,這兩個理論在物理學界的關係真是這樣。它們的研究方法截然相反,提出的模型格格不入,弦理論的優點恰好是圈量子理論的漏洞,反之亦然。那麼,這兩個理論到底在研究關於宇宙的什麼祕密呢?

我們還是用一個粗糙的比喻來形容吧,它不是特別精準,但也是這兩個抽象理論最大差異的體現了。

把宇宙想象成一座公寓樓,從路邊看,它是一個整體。

圈量子理論認為,構成這個公寓宇宙的基本概念,是房間,不同的房間由不同的粒子(居民)控制,同時,這個宇宙的空間只是看起來連貫,其實存在著很多真空。圈量子理論中的真空概念認為,真空是一片徹底的虛無,裡面沒有任何原子,也沒有時間。什麼時候這個空間裡出現了原子,有了居民,就成了一個具有了時空的房間。

弦理論的原始出發點恰好相反,他們先從不同的粒子(居民)出發,但居民們也不是構成空間的元素,宇宙構成的基本單位,是“弦”——可以在這個比喻中粗略地理解為居民和居民之間的最小距離。宇宙的四個基本力和六種不同型別的粒子,都在不同振動幅度的弦上誕生,由此串聯起了整個宇宙。

兩個理論相比,弦理論更像是當下物理學界的明星,它試圖用這個方式解釋萬物,它不僅能解釋剛才比喻的公寓樓,也能以弦的概念解釋露天廣場的人群,野外的自然,相比之下,圈量子理論以巨集觀的空間為出發點,在微觀上存在著大量需要補充的細節。但反之,弦理論的弱點就是背景的獨立性,這些弦背後的空間又是怎麼存在的呢,對此它的解釋又不如圈量子理論。

目前,兩種學說都在天文觀測中尋找著能夠支援自己的證據,如果未來哪一方在自己的領域中取得了實質性的突破,那麼諾貝爾獎自不必說,人類文明對宇宙本質的認知,也會發生翻天覆地的改變。那將是人類對宇宙探索的未來。

作者|宮子

編輯|重明

校對|薛京寧



原文連結:https://inewsdb.com/數碼/尋找宇宙為我們留下的線索

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