科普知识

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1、认识宇宙
人类经过很长时间的努力才认识到我们脚下的大地是个球体.大地这个球体该放在宇宙的什么地方呢?开始人们把它放在了宇宙的中心.后来,有个叫帕拉多喜的人发现天上的星星有一些在动——人们叫它们行星,与之相应,不动的星星便叫恒星.于是人们就说,天上的月亮、太阳、行星及所有恒星都绕着地球做圆周轨道运动.托勒密第一个用数学方法确定了地球与行星的关系,给古希腊人心目中的宇宙图景做出了定量的描绘.这个图景后来成了基督教神学的理论基础.直至1543年哥白尼出版《天体运行论》,才把地球从宇宙中心移开.在哥白尼的体系中,地球不再是宇宙的中心,而是与其他行星一样沿正圆形轨道绕太阳旋转.
17世纪之前,人们—直都是凭借肉眼来观察大象,并借助一些简单的度量仪器来研究天体,主要是太阳、月球和可以用肉眼看到的五大行星.中国人用他们所熟知的金木水火土五行,古希腊、古罗马人用他们熟悉的神来给这些行星起了名字.1610年,伽利略发明了天文望远镜,从而拓宽了人们的视野,看到了用肉眼无法看到的新的宇宙图景.
从18世纪到19世纪上半叶是近代天文学大发展的时期,这时期建立了完整的大行星、地球和彗星运动理论,发现了一些新的行星、行星的卫星和小行星,并且把观察的视野从太阳系扩展到了银河系的其他恒星系.19世纪下半叶,天文学家将当时物理学中的一些新的理论和方法引入到天体研究中,创立了天体物理学,从此开始了现代天文学阶段.
进入20世纪之后,无论是天体物理理论,还是天体观测方法都取得了很大的进展.在传统的光学天文学领域,随着反射天文望远镜的出现,一改19世纪折射天文望远镜的局限,天文望远镜的口径不断增大.1908年出现了1.5米镜、1918年出现了2.5米镜、1948年出现了5米镜、1976年出现了6米镜,1993年口径10米的巨型天文望远镜问世,使人们的视野进入到更为遥远的宇宙空间.
1932年,美国工程师央斯基发现了来自银河系中心方向的宇宙无线电波,后来将这种无线电波称为宇宙射线,由此发现了了解宇宙的新途径,并创立了射电天文学.手段的改进是天文学发展的前提,射电望远镜的出现使宇宙全波段地展现在人类的视野中,使人类了解到一些根据可见光无法了解的天体和物质,例如超新星痕迹、类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射等.
20世纪60年代开始,人类探索宇宙的立足点不再局限于地球,1962年,美国探空火箭携带X射线探测器飞离地球150公里,发现了在地球表面无法接收的来自宇宙的强X射线,开创了空间天文学时代.1998年6月,美国航天飞机发现者号携带着有中国科学家参与研制的α磁谱仪,试图寻找宇宙中的反物质.
2、宇宙的结构
●梯级分布和各向同性
宇宙是自然科学最大的研究对象,关于宇宙,人类已经有了越来越多的知识.这些知识包含了可能对宇宙进行某种科学解释、建立某种模型所必需的东西；已经让我们能够理性地推断可测范围之内宇宙的起源和不很久远时段内宇宙的未来；已经让我们能够发射地球卫星和为各种不同目的服务的太阳系际探测器；已经让我们能够以科技的方式展开对宇宙间智能生命伙伴的搜寻……
我们现在对宇宙的基本认识是：在相对较小的时空内,宇宙中的物质依次聚集为星体、星系、星系团、超星系团、超超星系团…….宇宙在整体上是均匀的、各向同性的,宇宙没有中心,任何典型星系的观察者所看到的宇宙规律是一样的.
●宇宙在大尺度上是膨胀着的
人们发现天空中有许多云雾状的天体,名之为星云.1924年哈勃把天文望远镜对准仙女座大星云,分辨出构成该星云的单个星体,使河外星系和尘埃云得以区分,并发现仙女座大星云不是银河系中的天体,而是距地球约220万光年之遥的与我们的银河系一样的星系,谓之河外星系.继而他又对河外星云做了更深入细致的研究,发现了许多更为遥远的星系.
1912年始,致力于天体光谱研究的美国天文学家斯莱弗发现,几乎所有河外星系的光谱线都存在着向红端移动的现象.如果按照多普勒效应解释,这就意味着这些星系都在远离地球而去,而且运行速度相当大,比如室女座大星云的运行速度是每秒1000千米.1929年,哈勃考察了斯莱弗的工作,结合自己对河外星系的研究,把运行速度的研究范围扩展到每秒2万公里,提出著名的哈勃定律：星系光谱线的红移量同它们与地球的距离成正比.哈勃的理论被后来的观测进一步证实.也就是说,河外星系的红移是反映宇宙整体性特征的系统性红移——从宇宙中的任何一点都能看到几乎所有的天体都在远离该点而去——宇宙在膨胀.这是一种全方位的无中心膨胀,其情形类似于膨胀的气球上各点之间相互远离.
●宇宙的时空是柔性的
在牛顿时空观中,空间是三维平直的,是绝对均匀、各向同性的；时间是单向一维的,像河流一样匀速地流淌着.时间和空间与物质无关,它们就像是盛装物质的容器,亘古存在,永远不变.
爱因斯坦1905年和1915年先后提出狭义相对论和广义相对论,狭义相对论初步建立了时间、空间的统一性,以及时间空间与物质运动的联系.在狭义相对论中,时空度规随物质的运动而变化.
广义相对论统一了引力质量和惯性质量,引力场等效于具有相当加速度的参照系.他还揭示了四维时空与物质的统一关系,指出空间一时间不能离开物质而独立存在,物质的质量及其分布状况决定时空的结构.反过来看,引力场是空间几何弯曲的表现,空间的曲率体现引力场的强度.
有人依据爱因斯坦的理论推论,在极强引力场,比如黑洞中,空间收缩为1维的,时间扩张为3维的；而超强理论又认为在极微观高能的世界中时空可能是11维的.
爱因斯坦指出大引力场周围可测到空间弯曲,并预言在日全食的时候观测太阳背景处的恒星位置可以证实这种现象.1919年爱丁顿率队赴非洲观测日全食验证了爱因斯坦关于光线在引力场中发生弯曲的预言,也就是证实了爱因斯坦关于物质与时空结构关系的理论.
3、太阳系
直至目前,太阳系依然是我们在宇宙中了解最多的天体系统.哥白尼之后的几个世纪中,太阳系一直是天文学研究的重点.到了19世纪末,科学家们已经发现了除冥王星之外的其他八大行星和将近500颗小行星.20世纪二三十年代,天文学家们又发现了太阳系中的一颗新的大行星——冥王星,并且发现了一些大行星周围的卫星、7000多个小行星,以及若干颗彗星,从而绘制出更加完备的太阳系图景.
●太阳
太阳是与人类的生活最密切相关的天体,万物生长*太阳,我们地上生命的全部能量几乎都来源于太阳.但是由于研究手段的限制,直到20世纪,随着物理学和天文学的发展,更精密仪器的问世,特别是太阳空间探测器的发射,人类对于太阳才有了深入的了解.
现在我们知道,太阳是个主要成分为氢的气体球,太阳的能量来自其本身氢原子的核聚变；太阳表面平均温度为五六千度,中心温度达数千万度；太阳每时每刻都在向外辐射巨大的能量,辐射到地球上的只是其中极其微小的部分；太阳既是生命的源泉,又是巨大的杀手.因为它有强大的磁场,内部温度极高、进行着剧烈的核反应,所以自然界各种相互作用的机制随时在其中起作用,所形成的强大的由紫外线、x射线等高频段电磁波及各种粒子流组成的太阳风笼罩在地球上.
太阳风是地球所承受的宇宙射线的重要来源.如果宇宙射线长驱直入,地球上绝不会有生命可言,是地球的大气层特别是臭氧层和强大的地球磁场保护着我们,这也是我们今天为南北极的臭氧空洞忧心,并极力倡导保护臭氧层的原因.太阳的寿命约为100亿年,它现在已经走完了大约一半的旅程.
●月球
月球是地球的卫星,是离我们最近的天体,它那肉眼看上去亮丽晶莹的外表曾经寄托过人类数不尽的美好心愿.
从17世纪伽利略第一次把望远镜指向月球看到环形山以后,直到20世纪人类才逐渐了解了月球的物理特性.20世纪20年代,法国科学家利奥推测出月球表面有一层由火山灰构成的灰土,50年代末,人类所进行的首次空间探测就是针对月球.1959年,前苏联发射了第一颗月球探测器,发回来的照片使人类第一次看到月球背面的情况.很快,美国也相继发射了一系列月球探测器.1972年7月20日,美国阿波罗11号宇宙飞船的登月舱在月球着陆,宇航员阿姆斯特朗成为第一位登上月球的人,迄今为止,一共有12个人分6次登上了月球.
现在我们已经知道,月球是个死寂的天体,它既没有大气、没有水、没有活火山,也基本没有“地质运动”,它除了寂静地绕着地球旋转、接受来自宇宙空间的各种撞击和辐射之外基本上已经结束了自己天文学意义上的进化历程.可能只有人类才能赋予月球新的生命.
关于月球的起源有三种主要的说法：一种认为月球是在地球产生过程中与地球同时形成的,是早期地球星胚旋转处于吸积盘阶段时盘面上扰动积聚的结果；另一种说法认为月球的起源远比地球晚,月球是从地球上抛出去的,太平洋就是月球脱离地球后留下的痕迹；第三种说法认为月球是地球掠获的小行星.但三种说法都有解释不清的问题,所以关于月球的起源至今还是个未解之谜.
现在,一些国家包括我国都有自己探测开发月球的愿望或已经制定了计划,人类未来宇宙空间的第一个落脚点恐怕还得是月球.
●行星
在19世纪下半叶天体物理学创立之前,太阳及太阳系中的行星、彗星和月球一直是天文学家研究的重点.随着航天飞行器的问世,人类得以近距离观察一些大行星.从60年代开始,美国、苏联和德国等国家先后发射了多个星际探测器,主要对火星、金星和水星等内太阳系天体进行科学考察,其中美国的火星探测器“海盗1号”和“海盗2号”于1975年在火星上着陆；1997年,美国的火星探测器“探路者”又在火星上着陆,进一步探索火星的地形地貌,为人类将来可能登陆火星进行深入的考察.从70年代开始,一些行星探测器又飞向外太阳系,考察木星、土星、天王星和海王星.
火星是目前为止人类了解得最多的行星,也是各种天文地质状况与地球最接近的太阳系天体.人类在梦想着以各种物理、化学和生物的办法对火星进行地球化改造,使它在不远的将来呈现出适合于人类居住的条件,以便在人类走出地球这个人类童年的摇篮,迈开向宇宙空间移民的第一步的时候落户火星.
除九大行星外,太阳系火星和木星之间还有一个奇异的小行星带.小行星的最初发现是起因于人们的一种困惑——在太阳系中每一颗行星与太阳的距离都大约是其前一颗的1.3～2.0倍,惟一的例外就是第五颗行星——木星到太阳的距离大约是第四颗行星——火星到太阳距离的3.4倍.受由理论推导而发现天王星的鼓舞,德国的天文家们认为在火星和木星之间应该还有一颗行星,还组织了一个小组准备搜寻.然而,第一颗小行星却是意大利天文学家皮亚齐在无意中发现的.1801年1月1日,皮亚齐在火星和木星之间发现了一个每天都改变位置的暗淡天体,德国数学家高斯推算出它的轨道正是在人们期待发现新行星的空间内,证明它是一颗行星,皮亚齐名之为谷神星.然而,谷神星太小,半径只有1000千米,只有月球的1／50大,似乎不足以填补火星和木星之间空旷的空间,于是天文学家们继续搜寻.1807年奥伯斯在这个空间内又发现了三颗新行星,分别命名为智神星、婚神星和灶神星.天文学家赫歇尔建议称这些行星为小行星,这种叫法延用下来.
至今,在火星和木星间的这个空间内已经发现了数千颗小行星,因此人们称其为小行星带.现在一般认为这个小行星带是由于太阳系内最大的行星木星的强大引力加之火星引力的共同摄动导致的结果.这种摄动使小行星带内的物质难以聚合成星子,故而形不成大行星.
除小行星带内的小行星外,还有一些分布在太阳系内其他行星轨道上或自己拥有独立轨道的小行星.这些小行星的轨道曲率往往特别大,也就是说特别扁长,远日点特别遥远,近日点特别近,与地球等其他行星轨道有交*.天文学家把轨道近地点比金星与地球的距离还近的小行星称为掠地小行星.与大行星轨道交*以至可以达到相当*近的距离,这一方面导致小行星有可能被大行星掠获,成为大行星的卫星；另一方面,虽然可能性极小,但一旦发生就是灭顶之灾——小行星们有可能与大行星相撞,当然最令人担忧的是与我们的地球相撞.这也是人类必须在宇宙中寻找更多的栖身之所的一个重要理由.著名科普作家卡尔·萨根曾引用西方的一句俗语来解释这个理由说：“我们不能把所有鸡蛋都放在同一只篮子里.”
●卫星
月球是地球唯一的卫星,也是直至近代之前人类知道的太阳系中惟一的一颗卫星,所以自古人们都是把它与金木水火土等行星一道等而观之,并没觉出它与其他行星有什么不同.1610年,伽利略用自制的望远镜观天,发现了木星的四颗卫星.这件事在当时可谓是引起了轩然大波,因为这就意味着不但地球不是宇宙的中心,太阳也不是宇宙惟一的中心,而这样的结论是为当时的“正统思想”所绝对不能容忍的.现在,人类已经在太阳系中发现了至少64颗卫星；并且知道土卫六上有大气,这是目前所知惟一的一颗拥有大气的卫星.有大气是非同小可的事情.因为有大气就多了一重地球化的可能,而存在地球化可能的地方都有可能成为人类的未来家园.
●彗星
长期以来,无论在东方还是西方,彗星的出现都被视为是不祥的征兆.对于西方人来说这种情况在1682年彻底改变了.这一年牛顿的朋友哈雷发现了当年出现的彗星原先也曾经进入过人类的视野,而且他计算出这颗彗星每76年会再来一次.1758年,这颗彗星果然光临.但是,人们长期以来还是不知道为什么彗星在太阳系运行时形状会发生变化.直到20世纪,人们才知道彗星原来也是以椭圆轨道绕太阳运行的天体,但它们的轨道比行星的扁得多,因此近日点往往很近,远日点却非常远.
彗星主要是由冰雪物质和尘埃组成,有人形象地说彗星是个“脏雪球”.彗星远离太阳时,为完全的固体状态,当它*近太阳时,因为炽热,会形成水蒸汽和尘埃,因此,形状变化较大,会有明显的膨胀,多数情况下还会拖出或长或短的彗尾.我们现在还知道,彗星因为每次经过太阳附近时都会损失一些物质,在经过太阳若干次之后,彗星就全部因蒸发和分解为尘埃而消失,或者留下一个由岩石组成的核.
关于彗星的起源,还是个未解之谜.
4、银河系
银河系是一个拥有上千亿颗恒星和大量星际物质的天体系统,太阳是银河系中一颗极其普通的中等恒星.我们在夏夜晴朗的天空中看到的银白带子是银河系在天球上的投影,熠熠的白色是密集的恒星发出的光辉.
如果从银河系之外看银河系,它应该是一个带旋涡结构的铁饼形星系.银河系的盘面直径约为10万光年,核球直径大约为1万光年,银核直径大约为3光年.我们的太阳处在银河一条旋臂上,距银心约4万光年远的地方.因此在地球上看银河,朝向银心的一侧密集明亮,另一侧则稀疏暗淡.银盘中恒星相对密集,尤其是旋臂上集中着一些比较年轻的甚至是形成中的恒星、疏散星团、星际介质和气体星云；年老的球状星团分布在银晕中；大质量的银核中心有一个巨大的黑洞.银河系的总质量为1400亿个太阳质量,其中90％为恒星、10％为气体和尘埃组成的星际介质.银河系整体绕过银心垂直于银盘的轴旋转,太阳所在处的转速为每秒220千米.
5、恒星的演化
古人将天空中的星体分为行星和恒星,前者有明显的运动,后者不动.1718年,天文学家哈雷发现三颗最亮的恒星——天狼星、南河三和大角星的位置与希腊时代天文学家的记录有较大的偏差并且不可能是正常的误差,于是得出结论说恒星并非不动,只是因为与我们的距离相当遥远而显得运动相当缓慢,所以看上去好像不动一样.在19世纪,人们发现宇宙中的恒星具有不同的光谱,于是有人提出,恒星是否也发生演化.对于这个问题,直到20世纪50年代才找出答案.在这期间,美国天文学家史瓦西经过系统研究,将恒星的能源和恒星的结构与恒星的演化结合了起来.弗里德曼·霍伊对恒星演化给出了科学的解释,将恒星生命周期划分为起源、主序星、红巨星、矮星等几个阶段.其中恒星在主序星阶段停留的时间最长,我们的太阳现在正处于这一阶段.对恒星的演化过程,科学家以赫—罗图描述.对恒星演化过程的研究是人类迄今为止对天体问题最精确的科学研究.
恒星的前身是弥漫稀薄的星际物质,由于引力收缩而成为密度较大的星胚.在收缩过程中,星胚中心密度增大,引力势能转化为热能,温度增高,并逐渐发光发热,当中心温度达到1000万度时,在高温高压下,氢聚变为氦的热核反应成为主要能源,星胚成为一颗真正的恒星.当向外的辐射能足以与万有引力引起的向内的收缩相抗衡时,收缩停止.恒星内部的氢燃烧转变为氦,随着时间的推移,恒星中便积累了大量的氦,随着氢燃料逐渐耗尽,氦逐渐增多,氢聚变为氦的热核反应产生的热量减少,温度降低,向外的辐射能不足以抵抗因巨大质量而拥有的引力所导致的向内的压力时,恒星在引力的作用下坍缩,星体密度增加,同时内部压力急剧增大,引力势能迅速转变为热能,温度陡增,氦被点燃,氦聚变产生碳,燃烧重新开始,向外猛烈辐射能量,导致外壳急剧膨胀,恒星体积急剧增大,表面温度迅速降低,成为红巨星.红巨星之后,如果恒星质量足够大,还会重复如上的过程,点燃碳聚变而为以硅为主的元素,之后如果恒星质量更大,还会发生硅聚变而为铁族元素的反应,甚至发生超新星大爆发.再后,恒星便逐渐走向它的末日.在恒星演化的末期依据恒星质量从小到大的不同可能依次出现四类演化结局：黑矮星、白矮星、中子星和黑洞.
6、宇宙中的未解之谜
著名科普作家阿西莫夫说：“在科学上每一个新的发现都会打开通往新的神秘的大门,同时最大的发展往往来自意外的发现,即推翻原有观点的发现.”对人类现有的理解能力和科学水平而言,宇宙深奥而神秘,下面所列的只是几个有代表性的现象.
●暗物质
美国女天文学家葳拉·罗宾依据已经发现的一些天文现象及人类已知的一些科学规律,提出宇宙中应该存在大量的暗物质,否则许多现象都无法解释.暗物质可能是黑洞和矮星,但暗物质中的绝大多数应该是一些不发光、不反光、不挡光的透明物质,科学家们有的说是重子物质、有的说是光子、有的说是中微子,总之,宇宙间的暗物质还是个未解之谜.
●类星体
类星体指一类特别明亮、体积特别小、运行速度特别大、发射出的能量特别强又有极快的明暗周期变化的一类天体.美国天文学家马丁·斯密特等人对类星体做了深入研究总结出一些现象,提出了一些令人费解的问题,但直至今天,天文学家们连在类星体到底是离我们较近的天体还是离我们非常遥远的天体这一点上还没有完全达成共识,类星体到底是什么东西就更是不得而知.
●黑洞、白洞,蛀洞
1939年奥本海默根据广义相对论预言,当恒星质量足够大(相当于我们太阳质量的3.2倍以上)时,可能会由于巨大的引力而坍缩；随着它的体积的变小,引力场会变得十分强大,以至大到将其引力范围(科学上称视界)内任何东西都吸进去的程度,连光线也无法逃逸,像一个无限深的洞.20世纪60年代,美国物理学家惠勒将其名之为黑洞.有科学家预言,银河系中应该有100万个黑洞.由于黑洞吞食一切物质和光线,起码现阶段人类还找不到直接观察黑洞的方法,不过科学家已经间接证明了若干个黑洞的存在.
白洞是科学家为平衡宇宙间物质的流动性而预言的一种与黑洞性质相反的天体,在视界之内的物质只向外流不向里流；蛀洞(亦有称虫洞)则是有了黑洞和白洞之后一种必然性的理论假说,它是科学家预言的弯曲空间不同区域间或不同宇宙间可能存在的联系通道.究竟在这样深的层次上宇宙如何结构自己,人类还不得而知.
7、大爆炸宇宙模型
自从爱因斯坦用他的广义相对论给出第一个宇宙模型之后,一门新的学科——宇宙学便诞生了.爱因斯坦1917年提出有限无边静态宇宙模型,在这个模型中物质均匀分布,宇宙的大尺度特征不随时间发生变化.1922年,苏联数学家弗里德曼提出了现代宇宙学中第一个动态宇宙模型,提出宇宙有膨胀和收缩两种可能.1932比利时天文学家阿贝·乔治·勒梅特依据宇宙膨胀逆推而提出宇宙中所有的物质最初应该聚集在一起.1946年,美籍俄裔科学家伽莫夫首次将广义相对论宇宙学和化学元素生成理论结合起来,提出宇宙开始于高温、高密度的原始物质,最初的温度高达几十亿度,很快便降低到10亿度,这时的宇宙充满了辐射和基本粒子,随后温度开始下降,宇宙开始膨胀,当膨胀持续100万年,温度降至一定程度时,宇宙物质逐渐凝聚成星云,再演化成今天所见的各种天体.后来伽莫夫的学生阿尔法推断150～200亿年前宇宙大爆炸的余烬,在今天应表现为温度为几K的背景辐射.这个理论在提出来的时候被很多人当作臆想,并未引起特别的关注.1965年,鲍伯·威尔逊和阿诺·彭齐亚斯用贝尔实验室的角形天线无意间测到了2.7K的微波背景辐射.宇宙微波背景辐射的发现使沉寂的大爆炸宇宙模型焕发出新的生命力.
在大爆炸宇宙模型中,宇宙诞生的时候密度极大,空间高度弯曲,能量集中为引力能；大爆炸发生后,空间中充满辐射、各向同性.这就产生了疑问——严格各向同性的均匀辐射场中何以能出现离散性的粒子?有人预言,这个辐射场中可能会出现细微的扰动,是扰动破坏了场的均质性,产生了粒子.1989年,美国发射“宇宙背景探索者”卫星,1992年正式宣布探测到微波背景辐射的不均匀性,这就使大爆炸在最初完全的能量状态：足可以产生出粒子进而演化成现今的宇宙有了前提.乔治·斯勒姆以计算机对数据进行处理得出早期宇宙图,这个图被形象地戏称为“宇宙蛋”.
不过,大爆炸宇宙学也还有许多不能解决的问题,比方说大爆炸之前的宇宙是什么样子?是整个宇宙都起源于这场爆炸,还是这场大爆炸仅仅是我们已知范围的宇宙的起源?爆炸之后如今还在膨胀的宇宙是要永远膨胀下去,还是有一天会停下来或转变为逆向的收缩?……