【指南】给忙碌者的天体物理学 下-新东方前途出国

　　好了，在上面的观点中，我们讲了关于这个宇宙中，物理学家知道的事情。下面我们看第二个观点，物理学家也有不知道的事，比如说，暗物质。物理学家发现了暗物质，但还没有完全弄清楚暗物质是怎么工作的。

　　要说暗物质，我们得先从望远镜说起。在望远镜刚刚出来的时候，它的放大倍数很低，既没有军事用途也没有科学用途。最早的望远镜被称为“偷窥镜”，因为人们买望远镜主要是为了偷窥邻居。

　　从某种意义上说，天文学家干的事儿和偷窥者差不多，他们都是充满好奇心地观察一些东西。也许最大区别的是，天文学家看的东西更多、看的时间更长，而且看得非常非常用心。每个星系中可能有千亿，甚至万亿颗恒星，就好像行星围绕恒星转一样，星系中的恒星也绕着星系的中心转，而天文学家看着这些星系和星系团，看得实在着迷。

　　1937年的时候，天文学家弗里茨·兹威基仔细观察了一个星系团，叫“后发座星系团”，“后发”就是“皇后的头发”那两个字，它是由于这个星系团很像埃及王后的一个发型，所以命名的。兹威基在观察这个后发座星系团的时候，就看出一个问题。他发现，在星系团外面，绕着这个星系团中心旋转的那些星系的速度非常快，快的有点不正常了。

　　我们来打个比方。你拿一个耳机线，拿着这个线头开始转耳机的话，那你就会发现，旋转的速度越快，你的手指就要使更大的力气。如果转动速度特别快，你的手抓不住了，耳机就会飞出去。地球绕着太阳转也是这个道理，中心提供的引力越大，能支持的旋转速度就越大。

　　星系绕着星系团中心转，也是这个道理。兹威基估算了后发座星系团内部大概有多少星系，这些星系总共有多大的质量，同时能提供多大的引力。他发现这个引力根本支撑不了外面星系旋转的速度。那么高的速度，那几个星系都应该被甩出去才对。兹威基非常相信自己计算的准确性，他提出，星系团内部必定还有一些我们看不到的物质，提供了额外的引力。此后天文学家们陆续考察了别的星系团，结果每个星系团都有同样的现象。

　　打个比方，这就好像你在密切观察你家的邻居，详细记录了每一个人的出行情况，发现他们平时都不出门，只在周末出去买点东西回来吃。你仔细测算了他们每周末买回来的食物都有什么，总共能提供多少热量，结果你发现这些买回来的食物根本不够一家人吃一周。那这一家人是怎么活下来的?

　　最合理的解释，就是邻居吃了一些你看不到的东西。物理学家把提供多余引力的东西，称为“暗物质”。计算表明，想要维持外面星系那么高的速度，暗物质不但要提供多余引力，而且必须提供很多很多引力才行。暗物质的总质量，必须是已知物质总质量的6倍之多。目前所有的仪器都测不到暗物质，物理学家知道的四种相互作用，暗物质很可能除了引力之外，其他三种，它都是不参与的。

　　这就是说，你的房间里遍布着一种特殊粒子构成的气体，或者说，你可以把它想象成气体。这种粒子可能比质子、中子都大很多，也很重。可是你摸不着它、看不到它，就算用上各种先进仪器，也完全感受不到它的存在。你任凭它在你的身体中穿来穿去。

　　所以现在物理学家正在上天入地，去探测暗物质。他们把专门的卫星送上天空，在地底下挖了很深很深的坑，在实验室里用最高能级的粒子加速器搞碰撞，都是希望能够找到一、两个“暗物质粒子”。但是从1937年兹威基的发现至今八十年过去了，物理学家对暗物质的了解，仍然没有突破。

　　这就是我们给你总结的第二个观点，这个宇宙里有一种物理学家还弄不懂的暗物质。

　　第三部分

　　接下来看第三个观点，宇宙绝对不是这个永恒不变的样子，它有个开始，还会有个终结。

　　就算到了今天，宇宙大爆炸理论早已被物理学家广泛接受了，可是有些民间哲学家一说起宇宙来还是那两句话，就是“在空间上无边无际、在时间上无始无终”。我们传统想象中的宇宙是无限大的，曾经存在过无穷长的时间，并且将永久地存在下去。但是现在所有证据都表明，宇宙绝对不是一个永恒不变的样子。宇宙有个开始，而且还会有个终结。如果你觉得这不好接受，那你不是仅有持这个观点的人，因为当年，连爱因斯坦都认为宇宙应该是静态的。

　　在广义相对论的引力场方程中有个希腊字母 Λ，被称为宇宙常数，而它所在的那一项本来是没有的。最开始，爱因斯坦用没有宇宙常数 Λ 的场方程对整个宇宙求解，发现这样得出的宇宙会膨胀。他觉得这肯定不对，宇宙应该是静止的，这才加入了宇宙常数 这一项。在数学上，有没有这一项，引力的性质都一样。宇宙常数仅仅是为了让宇宙不膨胀而存在，所以被称为“宇宙常数”。

　　不过这个人为的做法有两个缺陷。首先，宇宙常数的物理意义是什么呢?它代表一种什么力呢?又是怎么在宇宙中实现的呢?这些问题都没有答案。它仅仅是为了得到一个静态的宇宙而存在。

　　而第二点就更让物理学家不舒服了，也就是，有宇宙常数的宇宙是不稳定的。后来有一位苏联数学家做了计算，方程中加入一个宇宙常数的确能得到一个静态宇宙解，但是这个静态宇宙是个不稳定的平衡。就好像把一个铅笔用笔尖立在桌子上一样，只要有一点扰动它马上就会倒下了。这样的静态宇宙其实是没有什么意义的。那么真实的宇宙到底应该是什么样的呢?

　　到了1929年，美国天文学家哈勃迎来了一个改变世界观的时刻。当时哈勃对银河系以外那些广阔空间中的星系，做了一个系统性的观测。他发现，那些遥远星系发出的光的光谱，有一个往红端移动的趋势。这就是所谓“红移”现象，也就是频率都变小了一些，我们在生活中也能遇到。比如说有一列火车朝你开过来的时候，你会觉得鸣笛的声音更尖锐一点，而如果火车是离你而去，你会觉得鸣笛的声音更低沉。

　　所以，星系光谱的红移就只能说明一个问题：所有这些远方的星系，都在离我们而去。而且通过精准测量各个星系光谱红移的程度，哈勃还发现，这些星系离我们而去的速度，和它们到我们的距离成正比。

　　哈勃发现的，就是“宇宙正在膨胀”这个事实。既然宇宙正在膨胀，那我们马上就知道，以前的宇宙肯定没有现在这么大。那么我们逆推回去 ，宇宙就一定有一个开始。这就是大爆炸理论的起源。

　　可以想象爱因斯坦得知了哈勃的观测之后是个什么心情。他本来已经算出来宇宙应该是膨胀的了，是为了让宇宙不膨胀，才自作聪明地加了宇宙常数那一项，结果错过了对宇宙膨胀的理论预测。那现在既然知道宇宙是膨胀的，爱因斯坦就放心地把宇宙常数那一项去掉，引力场方程变得更简单了。方程预言了宇宙膨胀，宇宙也的确在膨胀，现在一切都和谐了。

　　不过，谁能想到，爱因斯坦去世的43年后，天文学家的世界观又改变了一次。 我们知道，物理定律的要求是，任何东西的移动速度都不能超过光速。但是请注意，这说的是物体在空间中的移动，可不是空间本身的移动。

　　事实上，宇宙膨胀的速度可以超过光速。在大爆炸刚开始的时候，早期的宇宙的膨胀速度到处都超过光速。而在现在，那些距离我们特别特别遥远的星系，离我们而去的速度也是超光速的。

　　这就意味着，这个宇宙里存在的很多星系，因为它们距离我们太远，膨胀的速度超过光速，我们不可能看到它们。不管它们那里发生什么，我们都无法知道。女朋友坐飞机走了，飞机上总还能打个卫星电话。可是如果女朋友跑的比光速还快，你就再也没办法跟她取得联络了。

　　难道说，我们将孤独地跟可见的这些星系生活在这里吗?答案是，也不一定。别忘了在引力作用下，星系之间还有个互相吸引的作用，这也是一个把空间往回拉的力量。那么在引力的作用下，我们设想，宇宙的膨胀速度应该是越来越慢的。就好像往天上扔一个球，球上升的速度肯定是越来越慢，而且还会被引力吸回来。对吧?

　　爱因斯坦去世后43年，也就是1998年的时候，有两组天文学家，想测量一下现在宇宙的膨胀速度已经减慢到了什么程度。

　　他们有一些特别好的观测目标，叫“Ⅰa 型超新星”。最初这是一种双星系统，其中一颗星是白矮星。白矮星不断吸收临近这颗星的质量，等到自己的质量增长到相当于我们的太阳质量的1.44倍的时候，它就会突然爆发，变成超新星。这种超新星的引爆质量永远一样，它的亮度也永远一样。这样天文学家就可以把 Ⅰa 型超新星当成标度尺来用。他们一看它到达地球的亮度，就能精确知道它们距离地球有多远。

　　但是观测结果让天文学家惊掉了下巴。用超新星亮度算的实际距离，比用宇宙膨胀历史算的距离远了15%。这就意味着，宇宙膨胀不但没有减速，而且还在加速。这个发现实在毁三观，但是经过科学家的检验，确认无疑，最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。物理学家就只好再把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中去，只不过这回它的数值得改，变成让宇宙加速膨胀。

　　那之前的问题就又回来了， 宇宙常数到底有什么物理意义呢?物理学家现在解释不了，只好沿袭“暗物质”的命名传统，称之为“暗能量”。暗能量提供了一种真空中的斥力，但是它到底是什么样的物理机制，我们完全不知道。物理学家计算，再过一万亿年，除了银河系以外，我们的天空中将再也看不到其他的星星。

　　以上就是第三个观点，宇宙并不是一成不变的。

　　第四部分

　　接下来看第四个观点，天体物理带给我们的“宇宙学视角”。

　　前面讲了这么多知识，那么它们到底有什么用呢?这本书的作者泰森说，天体物理学给我们的是一个“宇宙学视角”。

　　所谓视角，就是看问题的角度和方法。那宇宙学视角意味着什么呢?最根本的一点，就是这个世界不是因为你而存在的。 而要得出这个结论，我们就要从地球说起。

　　地球在太阳系中占据了一个绝佳位置，这让我们深感庆幸。一个行星要想适合生命存在，就必须得有液态水。这就意味着你的温度不能太冷也不能太热，所以你的轨道距离恒星不能太近也不能太远，而地球正好处在这样一个轨道上。地球的大小和密度也合适。如果太大，过高的重力就不允许大型动物出现，如果太小，什么东西都太轻了也不行。

　　像这样难得的行星，天文学家称之为“类地行星”。宇宙中能有多少类地行星呢?答案是，有很多。现在已经找到了几千颗太阳系以外的行星，其中有几颗，看上去就跟地球有点相似。我们这几年就经常听说发现类地行星的报道。我们知道，仅仅是一个银河系里就有千亿颗，甚至可能万亿颗恒星。而天文学家估计，只是在银河系中，类地行星就至少四百亿颗。

　　在太阳系里，地球的确是非常特殊，而人类这个高等生物的出现也的确是难能可贵。可是放眼宇宙，甚至仅仅是放眼银河系，我们似乎一点儿都不特殊。这个宇宙不可能是为了我们而存在的。

　　作者泰森说：“当我思考宇宙的膨胀的时候，有时候我会忘记地球上还有饥寒交迫的人。当我在跟踪行星和彗星运行轨道的时候，有时候我会忘记地球上有的人不顾对子孙后代的责任，恶意破坏环境。”

　　因为不管你怎么想象，宇宙都比你想得更大。

　　所以我们现在有一个矛盾：考虑到生命、甚至组成生命的每个粒子出现的概率之小，我们应该觉得自己特别幸运;可是考虑到宇宙之大，我们又觉得自己特别渺小。

　　那从宇宙学的视角，到底让人何以自处呢?

　　在纽约市某个博物馆，曾经放过一个关于宇宙的穹幕电影。观众沉浸其中，以一个假想的视角，从地球出发，飞出太阳系，再飞出银河系，镜头越拉越远，能直观感到宇宙非常非常大，而地球非常非常小。

　　一个常青藤大学的一位心理学教授，看了这个影片深受震撼，感觉自己实在太渺小了。他就给泰森写信，说他想用这个影片搞个现场观影调查，来研究一下“渺小感”。可是泰森说：“我是专门研究天体物理学的，我整天面对宇宙，可是我并没有‘渺小感’。我的感受是我是跟宇宙是连接在一起的，我感觉我更自由了。”

　　如果你了解生物学，你大概不会认为人是地球的主宰者，你会认为人只是地球生物的一个成员。论数量，细菌比人多得多;论智力，人跟黑猩猩的基因只差了几个百分点而已。如果这么小的基因差异都能导致这么大的智力差距，那如果真有一种什么外星人，他们在基因上就比我们高级很多，那在他们眼里我们人类又算什么呢?

　　我们生命最关键的四个元素，氢、氧、碳和氮，遍布于整个宇宙。这些元素都不是本地生产的，它们来自早期的宇宙，它们产生于某个大质量恒星，是恒星爆炸才使得它们在宇宙中传播开来。

　　距离我们几十亿光年远的地方可能就有个外星人，你跟他永远都不可能见面。但是他身上的某个氧原子，和你身上的某个氧原子，是几十亿年以前在同一颗恒星上制造出来的。

　　宇宙非常非常大，但哪怕再遥远，我们每个人跟每个人都有联系。

　　宇宙学视角的另一个重要意义，就是让我们谦卑一点。

　　泰森说，如果我们观察小孩就会发现，小孩总是把身边一点小事儿当成天大的事儿。比如玩具坏了，小孩就哭闹，膝盖擦破一点皮，小孩就大喊大叫。他们以为自己是世界的中心，因为他们经验太少，不知道世界上有比眼前的事儿，大得多的事儿。

　　那我们作为大人，是不是也有同样幼稚的想法呢?我们是不是也会不自觉地认为世界应该绕着自己转呢?别人跟你信仰不同，你就要打击别人;别人跟你政治观点不一样，你就想控制别人。而如果你有宇宙学视角，你可能会觉得人跟人的区别不但不是坏事，反而还值得珍视。

　　探索宇宙可能会给我们带来一些实际的物质好处，也可能纯粹是因为探索宇宙很有趣。但是泰森说，探索宇宙还有一个功能，就是让我们保持把眼光放远的态度。如果你只看自己这一亩三分地，你慢慢总会认为世界就应该绕着你转，你一定会变得无知和自大。愿意向外探索，实在是事关谦卑的美德。

　　好在我们这个宇宙没有义务让我们理解。它现在还充满未知。

　　总结

　　好了，说到这，《给忙碌者的天体物理学》这本书就讲完了，我们最后再总结一下。

　　这本书告诉我们，物理规律在全宇宙都是适用的，由此我们可以计算出宇宙的起源，我们也知道宇宙在加速膨胀。但宇宙里还有更多的是我们还不知道的东西，比如暗物质存在于星系中，是一种虽然无法被观测到，但确实存在的物质。再比如，暗能量充溢在宇宙空间里，增加宇宙的膨胀速度，我们也很难察觉和观测。

　　了解得越多我们就越发现，宇宙没有义务让我们理解，这就是一种宇宙学的视角，它让我们看问题更谦虚、更长远，人格上更自由。

 

 

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