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天体物理学
一个月前读了尼尔泰森的《给忙碌者的天体物理学》，终于在黑暗的考试月后，整理出来。
在对话宇宙的过程，我们能否从生命起源的最初，去更好的认清自己，和这个世界的联系。
关于宇宙，你应该知道的常识有3个： 1.宇宙起源于137亿年前的一次“大爆炸”。
2.在引力平衡的前提下，宇宙存在暗物质，但目前还没有观察到。
3.宇宙也存在暗能量，正是这个暗能量，让宇宙加速膨胀！（暗物质和暗能量对于我们而言，现在还是个谜） 为了不让我自己写不下去，我尽量挑有趣的现象着墨，同时，我们可以来一道开胃菜：这是一张在地球上、晚上拍摄的太阳照片。
注意，晚上，太阳可是在地球的另一面。
物理学家把照相机镜头向下，透过地球，拍到了太阳！那是因为这张照片拍的不是太阳光，而是太阳发射的中微子。
中微子，是最难跟任何仪器发生相互作用的东西，它们横穿整个地球都畅通无阻……但最终还是被物理学家捕捉到了。
所以只要暗物质存在，物理学家就一定有办法“看到”它。
以下是几个耳能详熟，但又不太容易理解的概念，我认为你应该知道。
1.广义相对论 牛顿的万有引力定律是个非常漂亮、也相当精确的理论，但是它有一个本质的缺陷。
牛顿引力是一种“超距作用”。
这里有个质量很大的物体，你立即就感受到它的引力 —— 可是这个力是怎么传播的呢？连光速都有限，引力信息难道能瞬间到达吗？牛顿自己也意识到了这个问题，但是他没办法。
直到1916年，爱因斯坦提出广义相对论。
爱因斯坦说，你可以把引力当成是空间的弯曲。
用一句话概括他的思想，就是“物质告诉空间怎么弯曲，空间告诉物质怎么运动。
”大质量物体改变它周围空间的弯曲程度，其他物体根据感受到的弯曲空间运动，引力不再是超距作用了，它通过空间传递。
因为引力是一个可传递的东西，广义相对论马上就预言了“引力波”的存在。
然后等到2016年，物理学家果然观测到了引力波。
咱们想想这件事吧。
十三亿年以前，在距离地球十三亿光年远的地方，有两个黑洞发生了碰撞。
这次碰撞带来的引力波，向全宇宙传播。
碰撞发生的时候，地球上只有一些最原始的单细胞生物。
引力波慢慢传递过来……在此期间，地球上演化出了智人、智人有了文化、爱因斯坦出生，写下了广义相对论的引力场方程……然后一直到2016年，也就是碰撞发生十三亿年以后，我们截获了这个引力波！ .2.宇宙膨胀 我先来解释一下，“宇宙膨胀”到底是什么意思。
宇宙大爆炸和寻常一颗炸弹的爆炸可不一样，大爆炸带来的膨胀，是空间本身的膨胀。
广义相对论认为“空间”并不是一片虚空，而是一个可以传播引力、可以变形可以弯曲的实实在在的东西。
在宇宙起源之前，时空根本不存在。
大爆炸以后空间膨胀了，日月星辰才有了在其中玩耍的场所。
我们可以把空间想象成一张实实在在的网 —— 所有东西都是放在这张网上，而网本身可以变大。
3.哈勃改变了世界观 到了1929年，美国天文学家哈勃迎来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，星系发出的光的光谱，有一个往红端的移动。
这就是所谓“红移”，也就是频率都变小了一些。
这种现象我们在生活中也能遇到。
波动都是这样的，当这个物体向你跑过来的时候，它的频率会增加；当这个物体离你而去的时候，他的频率会减少。
比如一个火车鸣笛，如果是火车面向你开过来，你会觉得鸣笛声音更尖锐一点；如果是火车是离你而去，你会觉得鸣笛声音更低沉。
那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。
而且通过精确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。
这就好比说你站在一个大广场上，你发现周围所有人都在离你而去，而且距离你越远的人，跑得越快！ 哈勃发现的，就是宇宙正在膨胀。
科学家再通过超新星亮度算的实际距离，比用宇宙膨胀历史算的距离长了15%。
这就意味着，宇宙膨胀不但没有减速，而且还加速了！ 这个发现历经检验确认无疑，最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。
如果以上的知识太过于枯燥，你可以直接看这一段： 暗能量是真空中的能量。
宇宙越膨胀，真空越大，暗能量就越大。
现在物理学家知道，在50亿年以前，暗能量的比例达到一定数值，宇宙就已经开始加速膨胀了。
而随着空间越来越大，暗能量越来越多，宇宙膨胀的加速度也会越来越大。
这就意味着远方的星系是以越来越快的速度离我们而去，不可能再回头。
物理学家计算，再过一万亿年，除了银河系以外，我们的天空中将会再也看不到其他的星星。
如果我们这个文明不能把现在关于宇宙的知识流传到那个时候，如果那时候还有智慧生命的话，那时的天文学家将会认为宇宙里就只有一个银河系。
他们的宇宙观会跟我们很不一样，他们将无从知道宇宙里其实有那么多星系！ 因为缺少关键信息，他们永远都想不到宇宙曾经有过这样的历史。
但是还有更可怕的。
泰森说他做了一个噩梦。
如果说一万亿年以后的人缺少关键信息，那么我们这一代人，是不是也缺少了某些关键信息，以至于有关这个宇宙，有些东西是我们永远都不能理解的呢？要知道，这个宇宙根本没有义务让你理解。
宇宙观： 我们这个宇宙不太可能是一场计算机模拟游戏。
因为如果你只是为了哄地球人玩，模拟这么一个世界的话，你完全没有必要把宇宙场景设定得这么大。
如果宇宙的绝大部分是我们永远都不可能访问的，那那些遥远星系的存在对我们到底有什么意义呢？ 宇宙学视角的一个重要意义就是让我们谦卑一点。
泰森说，比如你观察小孩。
小孩总是把身边一点小事儿当成天大的事儿。
玩具坏了，他就哭闹。
膝盖擦破一点皮，他就大喊大叫。
他们以为自己是世界的中心，因为他们经验太少，不知道世界上有比这些大得多的事儿。
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；别人跟你政治观点不一样，你就想控制。
如果你有点宇宙学视角，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！ 最后让我们再看一张图片这是一张著名的照片。
1990年，旅行者1号探测器即将飞出太阳系的时候，在距离地球60亿公里的地方，美国国家航空航天局命令它回头再看一眼，拍摄了60张照片。
照片上的光带是相机镜头反射的太阳光。
其中的这一张上正好包括了地球 —— 就是图中那个亮点这就是我们的家！泰森的老师，天体物理学家、也是著名的科学作家卡尔·萨根，看了这张照片非常感慨，他在1996年的一个颁发学位典礼上就此说过一段非常著名的话： 这本书无疑激起了我对宇宙的的向往，而这种向往在长大以后，就再也没有被想起来了。
越长大越生活在小小的个体里，能了解到宇宙的历史宏伟之后，方知道作为个体的渺小。
心存敬畏，时常感恩。
暗物质和暗能量是什么 ???
到目前为止，物理学家和天文学家根据观测事实和理论推测，构建出各种各样的宇宙模型，其中最成功的是大爆炸宇宙模型，宇宙在加速膨胀也是公认的事实。
而暗物质是基于现有引力理论的一种假想物质，暗能量是基于现有宇宙模型的一种假想能量。
暗物质和暗能量的存在能够解释一系列令人困扰的天文观测现象，也能在现有理论模型下能够很好地解释宇宙的演化和存在，可是还没有实验能够直接探测到暗物质和暗能量并为它们的存在进行决定性地描述。
但是，很多新的观测现象都指向同一个事实：暗物质和暗能量是真实存在的。
一直以来，物理学对于物质本质的描述，朝着两个极限不断前进。
一个是微观极限，现在已经深入到原子核内部；另外一个是宏观极限，现在已经扩展到整个宇宙。
从微观上讲，标准模型能够解释到目前为止发现的大部分粒子，标准模型也是基于地球上的物质、对撞机产生的粒子以及宇宙射线而构建的；但是当人类将探索的触角伸向浩瀚无垠的宇宙的时候，发现了一些令人费解的现象。
20世纪30年代到70年代间，不少科学家在观测不同星系时发现引力质量比星系的光度质量大的多。
自此，科学家指出宇宙间存在大量看不见的物质——如果只有可见物质参与引力相互作用，那么从星系中心到旋臂，随着半径的增大，旋转的速度会越来越低。
根据天体物理的理论，这样会导致星系的不稳定。
我们通过中学物理学过的引力圆周运动公式，也可以简单地得到这一结论。
但实际观测表明，稳定星系旋臂的转动速度随着半径增大，呈现出一个恒定速度，这样才会使星系保持稳定。
而这个现象也说明，星系的大部分质量并不是集中在星系中心，而是有许多看不见的“暗物质”分布在整个星系，可见物质只是星系质量的一小部分。
我们知道，物理学发展至今，虽然理论物理已经可以完全独立发展，但理论正确与否，最终要经过可靠实验的检验，理论和实验相辅相成。
暗物质的提出，虽然只是来源于科学家们的头脑风暴和数学计算，但是对于人类认识宇宙有着重要意义。
至于理论最终会得到证实还是被推翻，还是要靠具体的实验探测来说话。
纯能量与暗能量是什么？怎样区分它们，它们是怎样提炼出来的
在天文学史上最大的一个意外是，人们发现我们在太空中看到的所有东西只占据宇宙所有物质能量的1%不到。
而星系之间难以探测的稀薄气体连带所有其他形式的常规物质，总量只占据万物的大约4.5%。
占据约26%更大比例的“非重子物质”由某类奇异的不可见粒子组成，它们并不形成原子。
暗物质的引力支配着宇宙，塑造着宇宙的历史，并施加引力使得常规物质可以积累形成星系，就好象是在不可见的池塘上形成的浮渣斑块一样。
剩下的大约70%是所谓的“暗能量”，它们导致了宇宙的加速膨胀。
其本质是更大的未知。
但是更多的线索继续被人揭示出来。
在美国天文学会会议6日召开的新闻发布会上，4个小组宣布了新的发现，可以改进我们对这些现象的认识。
倾斜的银晕：长时间以来天文学家就知道，像我们的银河系这样的大型星系位于名为星系晕的大型暗物质池中央。
由UCLA的戴维·劳（David Law）领导的小组确定出，银河系的暗物质晕并非球形，而是被挤压过的形状。
令人吃惊的是，它变平的轴向相对在夜空中定义为人熟知的银河的可见恒星盘倾斜了90度角。
该小组通过分析“人马座星流”（见下图）中上千颗恒星的运动得到的这个结论。
星流是一个矮星系的残余，该星系在近距离经过银河系的时候被引力扯碎，剩下的是长长的纤维状结构，当下在银河系之外环绕了两周。
星流不同部分的恒星运动揭示出了不同部位的银晕对它们施加的引力。
人马座星流的一个模型，早先靠近银河系的一个矮星系被银河系的潮汐力扯碎，形成了该星流。
星流环绕于银河系两周，一部分在矮星系后方，一部分在前方。
恒星的运动泄露出了暗物质的存在。
（图片提供：David R. Law / UCLA）人们发现，银晕是个三轴球体，这意味着它在3个方向上的直径各不相同。
劳说：“如果将银晕比作海滨气球，它的一侧是被挤扁的。
”这一点参见下面的示意图。
以银河系为中心的三轴暗物质晕的“海滨气球”比方（海滨气球的颜色是随意选择的）。
（图片提供：David R. Law / UCLA）劳补充说，天文学家之前设想的银晕应该是沿与银盘相同的轴向被挤压的，这是由于普通物质和暗物质根据推测应该是来自同一源头的：被定义了引力通道的暗物质纤维所引导。
银晕的大小和形状受到了银河系新近与其他矮星系并合的影响，因此将来对银晕的详细研究应该能给出更多有关银河系吸收小型邻居的演化过程。
邻近的暗能量：10几年前，天文学家发现了宇宙的加速膨胀，这与他们的设想相反。
这一发现的关键是通过星系中的Ia型超新星视亮度来测量星系的距离，这类超新星的亮度与星系红移无关。
然后距离可以与红移（根据光线的变化给出宇宙的膨胀）相对照。
这样天文学家就可以知道膨胀速率在宇宙长久的历史中是如何变化的了。
从那时起，天文学家找到了大量的其他证据说明有同一种力量在使膨胀加速，还给出了加速的大小。
而关键的一点是，它看起来并不会随着空间的扩张而变弱或变强。
因为没有任何更好的名称，它被命名为“暗能量”。
现在一个国际小组在我们自己的本星系群内释放出了暗能量的效应。
本星系群包括银河系、仙女座大星云、M33，还有迄今为止辨认出的大约50个矮星系。
该小组分析了由由俄罗斯天文学家伊戈尔·卡拉切谢夫（Igor Karachentsev）领导的小组利用哈勃太空望远镜对本星系群星系运动的观测。
通过研究星系相对本星系群引力中心的运动，他们可以找到本星系群的引力在大尺度上让位于暗能量“反引力”效应的界限。
在此界限以外的星系将向外运动，最终迷失在宇宙中。
来自阿拉巴马大学的小组成员吉恩·伯德（Gene Byrd）说：“我们发现了暗物质外流的排斥力，它与通过研究数十亿光年之外的星系所找到的相同。
”他补充说，过去科学家通常会先在我们附近发现一个重要的效应，之后将其运用到更为遥远的天体上。
“这次我们是从整体效应走到了局域效应上。
”星系越小，暗物质越多：由马里兰大学的斯泰西·麦戈（Stacy McGaugh）领导的第三个小组搜寻了从大型星系团低端的矮星系到高端的星系，来寻找普通物质与暗物质的比例是否随星系尺度变化。
从最小到最大，星系的质量差别有1亿倍。
确实有个显著的趋势。
麦戈与他的同事发现，星系或者星系团的质量越大，其普通重子物质所占据的比例就越大。
在整个宇宙以及最大的星系团中，暗物质与重子物质的比例是5比1。
但是在较小的结构中，这一比例会增加，直到普通物质与暗物质相比为数甚少的矮星系。
麦戈说：“对于宇宙中的每一个（较小的）天体来说，并不能解释一些普通物质，而普通物质的一大部分都存在于小型天体内。
我们并不知道它们跑到哪里去了，这确实是个大问题。
”一个理论是，星系越小，就越难约束住早期超新星吹掉的气体；在引力较弱的星系中，气体逃逸到了星系际介质里。
与普通物质不发生作用的暗物质并不会受超新星爆发激波的影响，因而保留了下来。
星系的增长：由马普地外物理所的尼夫·德劳利（Niv Drory）领导的第四个小组分析了来自宇宙演化巡天（COSMOS）的个星系的数据，以确定在过去80亿年间星系的演化情况。
该小组的目标是确定不同质量的星系在宇宙历史不同时间上的数量。
如德劳利所说，“我们想了解我们邻近的星系动物园是如何形成的”。
起初星系是小而繁多的，随着时间的推移，这些小型结构并合到了一起，形成像银河系这样的大型星系。
不过显然这一过程不会是简单的。
该小组发现，星系质量的分布并非如猜测一般平滑：质量较小的矮星系数量急剧增加。
而大型星系在质量分布图上显示为一个显著的峰。
这些结果为暗物质晕并合方式随时间的演化以及反馈机制对宇宙演化的塑造（如超新星风从小型星系中赶出气体）提供了线索。
德劳利说：“有了这项巡天，我们就可以将这样的演化追溯到宇宙年龄相当于今日之半的时候。
”
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