宇宙与自然篇: 人类怎样认识宇宙-赵君亮www.249
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不过, Sheldon 可不是去捧场的,他想让佩尔穆特当场下不来台。考虑到老妈是一名虔诚的基督徒, Sheldon 邀请她参加演讲时体贴地提醒说:“ He will be stating that the universe is older than 6,000 years, but I thought you could stick your fingers in your ears and hum‘Amazing Grace’during those parts. ” 翻译成中文就是:“ 他[指佩尔穆特]会说宇宙比 6000 年更加古老,不过讲到这几段时,你用手指把耳朵堵起来,哼唱‘奇异恩典’这首基督教圣歌就好。”

  作为今天这个报告的结束,我们前面讲了人类怎样认识宇宙的三个主要里程碑:地心说到日心说、日心说到银河系、银河系到河外星系。那么我们来看看我们这个宇宙到底整体是个什么模样?它将来会向何处去?这就是宇宙学研究的内容。它从总体上整体角度探讨宇宙的结构和演化,那么这个历史过程很长,我讲了几个主要的阶段性,那么印度人又说大地是在几头大象上,大象在乌龟上,乌龟在海里游。古人都有各种各样的想法,那么到了十七世纪牛顿开始利用力学方法来研究宇宙,这个就是经典宇宙学。在牛顿时代这个时间和空间是分开的,时间和空间是没有关系的。到了二十世纪初,爱因斯坦发现了广义相对论,他开始用广义相对论来研究宇宙学。这就开创了现代宇宙学,那么在爱因斯坦时代时间和空间已经联系在一块儿,不分了。

2005 年美国宇航局雨燕卫星发现的 Ia 型超新星 2005ke 。上图分别为光学(左)、紫外线(中)及 X 射线(右)波长范围观测到的图像。(来源:NASA / Swift / S. Immler )

  内容简介:

佩尔穆特(Saul Perlmutter)是今年的诺贝尔物理学奖得主之一,他和布莱恩 · 施密特(Brian Schmidt)及亚当 · 里斯(Adam Riess)通过观测遥远星系中的 Ia 型超新星爆发 (参见下图) ,发现宇宙并非人们之前认为的那样正在减速膨胀,反而是在加速膨胀。如果你想知道这项研究有什么深远影响,请看 果壳网 2011 年诺贝尔科学奖(及搞笑诺贝尔奖)系列文章2011 年诺贝尔奖物理学奖:宇宙加速膨胀完整图文解读.

  天文学是最古老的自然科学学科之一。每天太阳从东方升起,从西方落下。古人于是就有了对宇宙的朴素认识。人类正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程,这一过程与历史上许多著名学者的辛勤劳动——细致的观测和深入的理论研究——是密切不可分的。

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  那么另一个结局闭宇宙,这个就比较差劲一点。这个闭宇宙就是说宇宙膨胀要停止了,然后这个宇宙就开始收缩,收缩过程和膨胀的过程恰好相反,就倒过来。开始收缩得很慢,然后变快,越来越快。那么膨胀是五百亿年,收缩也是五百亿年。所以一千亿年以后又回到大爆炸的那个状态,这个时候称为大暴缩。我想我们不需要担心,我今天讲这个课,你们也不会担心。这个时间尺度实在太长!将来怎么办完全不是我们考虑的问题,对吧!你像太阳,太阳已经生活五十亿年了。再过五十亿年,太阳要膨胀,那时怎么办?那是近的事情,太阳膨胀可能会把地球吞掉,等等这些问题呢,那只有靠我们科学技术的发展来解决。比如说把这个地球,我的设想,我们把整个地球当成一个宇宙飞船飞走。因为五十亿年以后,你想人类有文明史大概四千年吧,我们一百年前才发明的飞机,现在计算机发展快得不得了,所以我们对开宇宙也好,闭宇宙也好,都不要多去想,以前说杞人忧天,这个不要去杞人忧天,未来是美好的!

年龄问题:天文学家喉咙里的一根刺

6000 年这个数字可不是 Sheldon 随口瞎编的,而是确有出处。直到 20 世纪初,英王钦定版《圣经》的 “创世纪” 章节的栏边注解中,还赫然印着上帝创造我们这个世界的日期——确切来说是时刻:公元前 4004 年 10 月 23 日星期天夜晚来临前的那个傍晚。这是 18 世纪爱尔兰圣公会主教詹姆斯 · 乌舍尔(James Ussher)在《圣经》中所记载的族谱的基础上进行了复杂计算,从一些历史事件发生的时间倒推出来的。照这么算来,上帝创世距今真的不过才 6000 年挂零而已。

或许在当时的人们看来,好几千年的历史对于这个世界来说似乎已经足够悠久。然而没过多久,地质学就找到了证据,表明地层沉积所需的时间远远超过千年量级;达尔文提出的进化论更是对《圣经》中记载的族谱提出了质疑。越来越多的证据表明, 6000 年远远不够形成我们这个世界。到了 20 世纪初,这个日期终于从那个版本的《圣经》中被删去。

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18 世纪爱尔兰圣公会主教詹姆斯 · 乌舍尔(James Ussher)以《圣经》中记载的族谱为基础,结合历史事件发生的时间推算得出:上帝创造我们这个世界的日期是在公元前 4004 年 10 月 23 日星期天夜晚来临前的那个傍晚。上图为当时发表乌舍尔推算结果的《旧约记事,从创世之初推断起》(Annals of the Old Testament, Deduced From the First Origins of the World)。(来源:wired.com)

在天文学历史上,类似的年龄问题其实并不罕见。 19 世纪末,天文学家还不知道太阳的如何发光发热。假设太阳就像一颗燃着的巨大煤球,通过物质燃烧这样的化学反应来发光发热,那它最多就只够燃烧几百万年。而地质学证据早已经断言,地球的年龄至少有上亿年了。太阳反倒比地球还要年轻,这让科学家如鲠在喉。直到很久以后,科学家发现为太阳提供能量的是核心处的核聚变,氢燃料足够太阳照耀上百亿年,这根“刺”才被咽了下去。

  (全文)

www.2492777.com,加速膨胀:让宇宙年龄再古老一些

不过,一波未平一波又起。哈勃发现宇宙膨胀之后,将星系彼此远离的膨胀速度逆着时间倒推回去,便可以推算出宇宙年龄。

1933 年 9 月,大科学家阿瑟 · 爱丁顿爵士(Sir Arthur Eddington)在英国科学促进会举办了一场关于宇宙膨胀的演讲,提到宇宙出现于 “不超过 20 亿年前” 的某一时刻。这一估算还没有考虑到引力对宇宙膨胀的减速作用,如果算上引力的话,宇宙年龄可能更短, “比方说只有 10 亿年” —— 而在当时,人们已经知道地球至少有 30 亿岁了!天文学家再次被郁闷到了,这一次似乎轮到宇宙本身比地球更加年轻了。

问题出在天文学家对星系距离的测定上——当时的测距方法大大低估了星系的距离,由此推算出的宇宙年龄自然也就被低估了。到上世纪 50 年代,随着对距离测定方法的进一步改进,宇宙年龄终于如天文学家所愿那般比地球年龄更加古老了。 (不容易啊……)

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几种不同的宇宙模型。其中,宇宙加速膨胀模型(最右)的研究获得了 2011 年诺贝尔物理学奖,这在某种程度上更是加长了对宇宙年龄的估算。(编译自 Adam Reiss / Hubblesite.org)

今年,2011 年诺贝尔物理学奖的获奖研究发现了宇宙在加速膨胀,这在某种程度上更是加长了对宇宙年龄的估算(死理性派可以开动脑筋想想为什么)。结合包括宇宙加速膨胀在内的所有宇宙学观测数据,天文学家如今已经将宇宙年龄限定在了(137.3 ± 1.2 )亿年的范围之内,比已经观测到的所有天体都更加古老,当然也比出自《圣经》的 6000 年古老太多了。(嗯,天文学家终于可以松口气了……)

对于理论物理学家 Sheldon 来说,佩尔穆特凭借观测成果拿到今年的诺贝尔物理学奖,显然太过 “儿戏” 了。难怪他坚持要去听演讲,好提些问题让佩尔穆特答不出来。不过,佩尔穆特的好心情估计不会因 Sheldon 的刁钻问题而受到影响,因为他终于凭借诺贝尔奖,拿到加利福尼亚大学伯克利分校的永久停车位了!

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2011年诺贝尔物理学奖得主,索尔 · 佩尔穆特展示他在加利福尼亚大学伯克利分校永久停车位的证书。(看他笑得那么开心,加州大学伯克利分校的停车位是有多难抢呀 -_- | | |

不知道 Sheldon 有一天拿到诺贝尔物理学奖时,最让他开心的会是什么事情,反正肯定不会是获得永久停车位——他连驾照都没有嘛……

主讲人简介:

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  天文学是最古老的自然科学学科之一。人类正确认识宇宙以及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程,这一过程与历史上许多著名学者的辛勤劳动——细致的观测和深入的理论研究——是密切不可分的。早在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”,即认为地球位于宇宙的中心。同时早在两千多年前,古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的“日心说”。

  赵君亮,中科院上海天文台原台长,研究员。发表多篇天文学术著作,同时致力于天文科普事业,亦有多篇天文科普著作问世。

  地球的地位从居宇宙之中的特殊天体降为绕太阳运动的一颗普通行星。1608年,荷兰人李波尔赛在一次偶然的机会中发明了望远镜。翌年,意大利物理学家、天文学家伽利略在得知这一消息后,立刻亲自动手制作了第一架天文望远镜,并不断加以改进。伽利略利用他的望远镜发现了月球表面的环形山、金星月相、木星的卫星、太阳黑子,发现了茫茫银河由无数个恒星所组成。早在15世纪中叶,德国大主教尼古拉就已猜测黑夜天穹中的恒星都是一个个十分遥远的太阳。1584年,意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的,恒星都是遥远的太阳,太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年,英国天文学家赖特指出,银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统,由于太阳连同地球位于这一系统的内部,从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年,英籍德国天文学家威廉·赫歇耳利用他自制的当时世界上最大的46厘米望远镜,通过长期的实际观测,并经过精心的分析研究,建立了第一个银河系模型。在这一模型中,太阳仍然位于当时人们所认识的宇宙范围——银河系的中心。由于赫歇耳个人在当时的威望,这一观念一直维持了130余年之久。恒星这一名称,无论在中国还是在西欧,它的含义都是“恒定不动的星体”。因为在很长时间内人们都发现恒星间现对位置固定不动,故而取了这么个名字。1718年,英国天文学家哈雷通过观测和分析,首次指出恒星不动的概念是错误的。后来,赫歇耳正确地认识到,我们所观测到的恒星运动是由恒星自身的运动和太阳的空间运动两部分合成的结果。1783年,他通过对所观测到的大量恒星运动的统计分析,发现太阳以大约每秒20千米的速度朝着织女星方向运动。太阳空间运动的发现彻底动摇了哥白尼日心体系中太阳固定不动的观念。1917年,美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析,确认太阳并不位于银河系的中心,而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方,从而纠正了赫歇耳银河系模型的错误。这样,太阳的地位也发生了变化,从居于银河系中心的特殊恒星,降为银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星,地球在宇宙中的地位也就更无特殊性可言了。银河系是否已经包括了宇宙的全部内容呢?早在赫歇耳尝试确定银河系结构之前,人们就已观测到天空中除恒星外还存在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体,取名为“星云”。比如,1612年德国天文学家马里乌斯率先用望远镜发现了仙女大星云。1750年赖特天才地猜想,这类星云中有一些可能是同银河系相似的巨大恒星系统。1755年德国人康德首次明确提出在银河系外的宇宙空间中存在着无数个类似的天体系统,称为河外星系,或简称星系,甚至确指仙女大星云即是一个很好的例子。可是当时人们对星云的精细结构缺乏了解,更不知道它们的距离,无从妄下断语。因为尽管在赫歇耳时代之后,观测手段不断改进,物理学研究方法不断介入天文学,但直到20世纪初,关于星云的本质仍然没有明确的定论。但是康德的猜想可以说是一个天才的猜想,这是天文学上三个天才的猜想之一。

  1584年,意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的,恒星都是遥远的太阳,太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年,英国天文学家赖特指出,银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统,由于太阳连同地球位于这一系统的内部,从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年,英籍德国天文学家威廉·赫歇耳建立了第一个银河系模型。1917年,美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析,确认太阳并不位于银河系的中心,而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方,从而纠正了赫歇耳银河系模型的错误。

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