蒸馏:匆忙中的人们的天体物理学

作者:尼尔·德格拉斯·泰森

想象一个世界,每个人,尤其是拥有力量和影响力的人,都对我们在宇宙中的位置有更广阔的视野。 从这个角度来看,我们的问题将缩小(或根本不会出现),我们可以庆幸我们的世俗差异,同时避免因前任而相互残杀的前辈的行为。


如果天体物理学看起来像与普通男人或女人无关的深奥科学领域,请再考虑一下。 不需要每个人都成为专家,但是拥有我们对宇宙的了解的基本能力可以说是人类进步的必要条件。 如果要取得重大进展,关于这类事情的讨论将变得越来越普遍。 科学家将继续努力,发现和理论化,但我们整个物种将因拒绝相信或理解宇宙科学基本原理的人们的普遍愚昧而受阻。

上一章讨论了“宇宙观”。如果没有别的,这仅仅是对所有被赋予它的人的礼物。 如果您已经具有天生的好奇心和远见,那么只有通过教育才能增强这种好奇心。 对于许多其他人来说,仍然笼罩着他们短暂存在的细节的重要性,这种新发现的观点可以改变人们的生活。 仅对于那些不完全了解和欣赏宇宙的人而言,这才是不适和沮丧的根源。 如果您对自己的宇宙微不足道感到不自在,则只需了解更多信息。 对我而言,这种观点一直是激励,灵感和舒适感的重要来源,而这本书才使这种观点更加重要。

它以通俗的英语编写,并且经过精心设计,可以简化比实际更重要的概念。 稍有先验知识会有所帮助,但是您无需了解任何有关宇宙的知识即可阅读并从中受益。 我选择间歇性地停下来,对某些主题进行更深入的研究,这些主题的成果都出现在我的笔记中。 但是,本书提供的顶级信息足以作为了解新科学发现不断发展的基础和背景。

我花了两天时间完成了这本书,但我的读者比较慢。 对于无价的知识来说,这是非常少的时间投入。 考虑到主题的重要性和作者的才华,我很难合理地给这本书打出一个完美的分数,但这确实值得我们的尊重。


有史以来最伟大的故事

与质子不同,质子的电荷分别为+1,而电子的电荷为-1,而夸克的分数电荷为三分之一。 而且,您将永远不会自己碰到一个夸克。 它总是会抓住附近的其他夸克。 实际上,将两个(或多个)保持在一起的力实际上越强,则分离得越多。

如果没有物质与反物质之间的一十亿一十亿的不平衡,宇宙中的所有质量都会自灭,留下由光子组成的宇宙。 [这是人们在谈论宇宙中物质的不对称性时所指的。]

对于夸克来说,对强子来说,对电子也是如此:最终,十亿分之一的电子得以幸存。 其余的人在光子海中用正电子,它们的反物质同伴歼灭。

随着宇宙继续降温,降到一亿度以下,质子与其他质子以及中子融合,形成原子核并孵化一个宇宙,其中百分之九十的原子核是氢,百分之十的原子核是氦,还有微量数量的氘(“重”氢),tri(甚至重氢)和锂。

这些元素如果保留在它们形成的地方,将毫无用处。 但是,高质量的物质开始发生爆炸,将其化学丰富的内脏散布在整个银河系中。

在化学丰富的液态海洋中,由于尚未发现的机制,有机分子转变为自我复制的生命。 这种原始汤中主要是简单的厌氧菌。 生活在无氧环境中壮成长,但会排出化学上有效的氧气作为其副产品之一。 这些早期的单细胞生物不知不觉地将地球上富含二氧化碳的大气层转变为一种具有足够氧气的大气层,从而使好氧生物得以出现并主导海洋和陆地。

相信自己一无所知的人们既没有寻找也没有偶然发现宇宙中已知与未知之间的界限。

我们被带上了星尘,然后被宇宙赋予了自我思考的能力,而我们才刚刚开始。

在地球上就像在天堂

光谱不仅美丽,而且包含有关发光物体的信息,包括其温度和组成。 化学元素通过跨越光谱的亮带或暗带的独特图案来显示自己。

对太阳光谱的进一步分析揭示了地球上没有已知对应物的元素的签名。 属于太阳,这种新物质的名称来源于希腊语helios (“太阳”),后来才在实验室中被发现。 因此,氦成为化学家元素周期表中除地球以外的其他地方发现的第一个也是唯一的元素。

我们无法看到,触摸或品尝到我们在宇宙中测量的百分之八十五的引力源。 这种神秘的暗物质,除了我们看到的引力作用外,至今仍未被发现,它可能由我们尚未发现或识别的奇异粒子组成。 [眼见为实!]

对科学家而言,物理定律的普遍性使宇宙成为了一个极其简单的地方。 相比之下,人的本性(心理学家的领域)无限地令人生畏。 [在与对尝试了解宇宙不感兴趣但清楚地喜欢分析和解释人类行为的人的相遇中,请记住这一点。]

放光

随着温度下降,粒子运动越来越缓慢。 就在那时,当宇宙的温度首次下降到炽热的3000开尔文以下时,电子的速度下降到足以被质子传递捕获的速度,从而将成熟的原子带入了世界。 这使先前被骚扰的光子得以释放,并在整个宇宙的不间断路径上传播。

随着宇宙继续冷却,在光谱的可见部分中诞生的光子将能量损失给了膨胀的宇宙,并最终滑落了光谱,变形为红外光子。 [并且最终,冷却得更多,并变形成微波; 因此,宇宙微波背景。 总有一天,当宇宙变得更冷时,它将成为宇宙无线电波的背景。

当某物因加热而发光时,它会在光谱的所有部分发出光,但始终会在某处达到峰值。 对于完全使用发光金属丝的家用灯,灯泡都在红外光中达到峰值,这是导致其作为可见光光源效率低下的最大原因。 我们的感觉仅以温暖的形式检测到我们皮肤上的红外线。

作为曾经辉煌的东西的残留物,[宇宙微波背景]具有我们期望的辐射但冷却的物体的轮廓:它在光谱的一部分达到峰值,但在光谱的其他部分也辐射。 [还发出无线电波和几乎消失的光子。]

这些微波[CMB]的精确测量温度为2.725度。 [这是开尔文宇宙的一般温度,约-500华氏度。]

因为光要花时间从宇宙的遥远地方到达我们,所以如果我们在深空望出去,我们实际上会看到时光倒流。

直到大爆炸发生38万年前,宇宙才是不透明的。 [正如在前面的章节中所解释的,这是因为在宇宙降到3,000开尔文以下之前,电子在空间周围自由反弹,撞击成光子并将它们散布到整个位置。

普通的事情就是我们所有人组成的。 它具有重力并与光相互作用。 暗物质是一种具有重力但不会以任何已知方式与光相互作用的神秘物质。 暗能量是太空真空中的一个神秘压力,它以相反的重力方向作用,迫使宇宙膨胀得比其他情况快。

星系之间

我们探测了[星际空间],并揭示了各种难以发现的东西:矮星系,逃逸恒星,爆炸逃逸恒星,百万度X射线发射气体,暗物质,淡蓝色星系,无处不在的气体云,超级杜珀高能带电粒子和神秘的量子真空能。 [量子真空能量是暗能量的另一个名称。]

有质量的地方就有重力。 根据爱因斯坦的广义相对论,在有重力的地方有弯曲的空间。 在空间弯曲的地方,它可以模仿普通玻璃镜片的曲率,并改变光通过的路径。

银河系空间定期被超Duper高能,快速移动,带电的亚原子粒子刺穿。 我们称它们为宇宙射线。 它们的起源仍然是个谜,但是这些带电粒子大多数是质子,即氢原子的核,并且以光速的99.9999999999%移动。

在太空和时间的真空中,星系之间(之中)之间最奇特的事件可能是虚拟粒子的沸腾海洋-不可探测的物质和反物质对,突然出现并消失。 这种对量子物理学的特殊预测被称为“真空能”,它表现为在完全没有物质的情况下壮成长的向外压力,与重力相反。 加速的宇宙,化身为暗能量,可能是由这种真空能量的作用所驱动的。

暗物质

暗物质是我们的敌人。 我们不知道这是什么。 有点烦人。 但是我们迫切需要在计算中使用它来获得对宇宙的准确描述。

与由空气振动组成的声波不同,发现光波是自传播的能量包,完全不需要帮助。

我们不是在狭小的空间里发明暗物质; 相反,我们从观察事实中推断出它的存在。

可能发生的最坏情况是,我们发现暗物质根本不是由物质组成,而是由其他物质组成。 [这很酷,因为我们无需更改数学公式中暗物质的处理方式,而保留已建立的标准。 只有我们对物质的理解会改变。]

科学不仅仅在于看,还在于测量,最好是用不是您自己的眼睛测量的东西,这些东西与大脑的包容密不可分。 这种包than往往不是先入为主的思想,后继构想和彻底的偏见。

来自太阳的大量中微子通量(每个在太阳热核芯中的氢与氦原子融合的氦原子核都有两个中微子)离开太阳,不受太阳本身的干扰,以接近光速的速度穿过空间真空,然后穿过地球好像它不存在。 [Neutrinos太棒了! 这些“鬼粒子”几乎没有质量,并且不会与大多数其他物质发生相互作用,几乎可以穿过任何物体。 来自太阳的数十亿个中微子每秒都通过您身体的每一厘米! 它们仅在某些情况下是可阻止的。]

如果您完全可以停止粒子,那么您已经检测到它。

现在,我们必须保持满足,将暗物质作为一个陌生的,看不见的朋友携带,在宇宙需要我们的地方和时间调用它。

黑暗能量

对于二十世纪物理学中最令人反感的想法,只怪爱因斯坦。

质量集中会导致时空结构变形(实际上是酒窝)。 [时空的这种扭曲是引力。]

您不能断言整个宇宙是一个永远永久保持平衡的特例,在科学史上,从未有过任何见过,无法衡量或想像过的事情,这开创了有力的先例。

不断扩大的宇宙使远处的物体比附近的物体更快地离开我们。 [这是“宇宙距离阶梯”中用于确定远处物体距离的一种方法。

迄今为止,最精确的测量结果表明暗能量是该镇最突出的事物,目前占宇宙所有质量能的68%; 暗物质占27%,常规物质仅占5%。

无论暗能量到底是什么,我们都已经知道如何测量它,以及如何计算它对宇宙的过去,现在和未来的影响。

毫无疑问,爱因斯坦最大的错误就是宣布lambda是他最大的错误。 [Lambda是爱因斯坦在广义相对论中用来表示“宇宙常数”的变量,后来在哈勃发现不断膨胀的宇宙后作为错误被收回,然后在被发现时恢复并重命名为“暗能量”。有必要解释宇宙膨胀的加速。]

现在在夜空中可见的遥远星系最终将消失在遥不可及的地平线之外,以比光速快的速度从我们后退。 一项壮举之所以被允许,不是因为它们以如此高的速度在太空中移动,而是因为宇宙本身的结构以如此高的速度承载着它们。 物理学定律无法阻止这一点。

桌上的宇宙

大爆炸只制造了三种自然发生的元素。 其余的则是在高温的心中锻造的,还有垂死的恒星的爆炸性残骸,使后代的恒星系统能够吸收这种浓缩物,从而形成行星,就我们而言,就是人类。

氦是宇宙中的第二简单元素和第二最丰富的元素。

基于硅元素的生命怎么样? 硅直接位于周期表中碳的下方,这意味着,从原理上讲,硅可以产生与碳相同的分子组合。 [根据《科学美国人》,这不太可能,因为硅不会形成许多具有“手性”特征的化合物,这将使其很难与其他化合物相互作用以发挥有用的功能。

关于圆

使用新生等级的演算,您可以证明,对于封闭体积而言,唯一且具有最小表面积的形状是理想球体。

建造宇宙山脉的方法很简单:物体表面的重力越弱,山脉可以达到的高度就越高。 [在地球上,如果不自行塌陷,山脉将无法达到比珠穆朗玛峰更高的位置。]

银河系的恒星描绘出一个大而平坦的圆圈。 直径与厚度之比为千比一,我们的银河系比有史以来最平坦的烙铁头更扁平。 [我一直想银河系会更厚,但实际上它与黑胶唱片的比例相似!]

旋转物体的这种总体扁平化是为什么地球的极间直径小于其在赤道处的直径的原因。 [离心力的结果。 实际上,在赤道正下方,地球也是最宽的,这使它更具梨形。 这就是为什么将球形宇宙物体更正确地称为“球体”的原因。]

广受欢迎的多元宇宙概念有一个变体,其中构成它的多个宇宙不是完全独立的宇宙,而是在连续的时空结构中形成的孤立的,不相互作用的空间。 [超过一定距离,宇宙中的物体离开我们的速度比光速快。 这使得超出该距离的任何事物都不可能影响我们的宇宙部分,从而使这一理论变得可信。

看不见的光

按照从低能量和低频到高能量和高频的顺序填充整个电磁频谱,我们有:无线电波,微波,红外线,ROYGBIV,紫外线,X射线和伽马射线。 [ROYGBIV代表红色,橙色,黄色,绿色,蓝色,靛蓝和紫色光谱。]

行星之间

行星际空间是如此之空,以至于地球在每秒30公里的轨道飞行过程中,每天要掠过数百吨流星,其中大多数流星不超过一粒沙。

小行星带的总质量不到月球的百分之五,而月球本身仅略超过地球质量的百分之一。 [尽管如此,大多数将最终袭击地球,有些完全有能力对全球生态系统造成重大破坏。]

如果我们的眼睛可以看到磁场,那么木星看起来将比天空中的满月大十倍。

木星的月亮木卫二具有足够的H2O,以至于其加热机制(在Io上工作的同一个)融化了地下冰,在其下方留下了温暖的海洋。 如果有第二个寻找生活的最佳地方,那就在这里。 [这种加热机制是由附近引力场的拉力和拉力施加的结构应力引起的。]

太阳以每秒超过一百万吨的速度从其表面损失材料。 我们称其为“太阳风”,其形式为高能带电粒子。 [我们受到地球磁极的保护。]

系外行星地球

与大多数人的假设相反,行星没有绕其主恒星运行。 取而代之的是,行星及其宿主恒星都围绕着它们共同的质心旋转。 [同样适用于卫星及其各自的行星,以及所有其他绕行物体。 因此,轨道路径并不是完全椭圆形,而是摇摆不定。]

我们在长波中燃烧; 壮观的证据表明,这里发生了不寻常的事情,因为在自然状态下,小的岩石行星几乎不会发出任何无线电波。 [基本上,其他地方的智慧生活很可能会通过地球发出的大量异常无线电和微波来检测我们的存在。

每个元素,每个分子,无论它存在于宇宙中的何处,都以独特的方式吸收,发射,反射和散射光。 使光线通过光谱仪,您会发现可以正确地称为化学指纹的特征。

从目前的目录中推算出的最新估计数字表明,仅银河系就有多达400亿颗类似地球的行星。 这些是我们的后代有一天可能要选择访问的行星,即使不是必须的话。

关于宇宙观的思考

有时我忘记了,每天地球每旋转二十四小时,人们都会以别人对上帝的观念的名义杀人和被杀,而有些人不以上帝的名义杀人,而以人的名义杀人政治教条的需要或缺乏。

将社会种族,种族,宗教,民族和文化冲突的窗帘分开,您会发现人类的自我正在转动旋钮并拉动操纵杆。

想象一个世界,每个人,尤其是拥有力量和影响力的人,都对我们在宇宙中的位置有更广阔的视野。 从这个角度来看,我们的问题将缩小(或根本不会出现),我们可以庆幸我们的世俗差异,同时避免因前任而相互残杀的前辈的行为。

如果我们和我们的猿猴之间的微小遗传差异解释了智力上的巨大差异,那么也许智力上的差异毕竟不会那么大。

想象一下一种生活形式,其脑力对我们来说就像我们对黑猩猩一样。 对于这样的物种,我们最高的精神成就将是微不足道的。

如果巨大的遗传鸿沟将我们与动物界中最亲近的人分开,我们就可以合理地庆祝自己的辉煌。 我们也许有权利四处走走,以为我们与我们的同伴是遥遥而与众不同的。 但是不存在这样的差距。 取而代之的是,我们与大自然的其余部分合而为一,既不在之上,之下,也在内在。

可以想象,生命始于马特,后来播种了生命,这一过程被称为泛紫罗兰。 因此,所有地球人都可能是火星人的后裔。


此处 为急忙忙碌的人们准备天体物理学

Distilled是《副作用》博客的一个版本,我在完成一本新书后就将其发布。 我的评论反映了我对这本书的个人主观体验。 我会尽力描述它对我的影响以及从中吸取的所有教训。 包括的摘录和笔记是我在阅读时突出显示和注意的部分,它们代表了我认为最令人痛苦的信息。 通过在这里公开发布这些报告,我希望其他人能够从我的文学之旅中获得最好的知识和教训。