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探索文学领域品味人文历史深入科学科普哲学心理的奥妙思辨让杨照台书成为您探索知识世界的指南欢迎收听
各位听众朋友大家好,非常欢迎收听杨赵谈书本节目与台北公众电台每周三点一每个星期一到星期五晚上九点为他播出我是杨赵在今天的节目当中要为大家介绍这是应出版的新书作者是一位天文物理学家、宇宙论学家他的名字是 Katy Mack 他是加拿大高等研究院的全球学者
北卡拿那州州立大学物理学教授他的研究涉及暗物质造气宇宙星系形成黑洞宇宙旋和宇宙的最终命运而这个领域宇宙的最终命运就促成
他写了这样的一本书这个书的书名非常的直接非常的简单叫做 The End of Everything 不过他有个括号跟在后面说 Extraphysically Speaking
指的是什么呢万物的终结所有的一切的终点而这是在宇宙尺度上去进行的思考在这本书里 Katy Mac 尽量用常识的语言跟我们沟通她在这些我们看起来觉得很奇特的学科当中她们在如何研究她们又知道了什么
例如在北半球,如果是秋季漆黑五月的夜晚仰望天空,你应该可以找到宽 W 形的仙后座。凝视它下方的空间几秒钟,如果天空够黑,你会看到一片几乎宽如满月的模糊光影,那片模糊光影是仙女座星系。
星宇宙星系是什么样呢?它是一个大约有万亿颗恒星和一个超大质量黑洞所组成的巨大螺旋盘它以每秒 110 公里的速度向我们猛冲过来
大约 41 年以后仙女座星系和我们的银河系会发生碰撞创造出绚丽的光影秀恒星会被混乱的泡利轨道形成恒星流以优雅的弧线横跨宇宙星系氢突然碰撞能够引发让恒星诞生的小爆炸
先前休眠的中央超大质量黑洞周围的气体感起黑洞在一片混乱当中碰撞互相吞噬强烈的辐射和高能量的粒子喷流会刺穿产生一团的气体跟恒星倒霉的物质在新银纤细的中央区域泛散出热如 X 色线的光辉然后被卷入更为巨大的新黑洞当中
即使在这场巨大的银河列车失事当中恒星之间的巨大距离使得恒星遭受正面撞击的可能性不大因此太阳系整体而言或多或少可能会幸存下来但地球则不然到那时太阳早已经膨胀到红巨星的大小使地球升温到海洋沸腾并且彻底消灭地表所有生命的存在
然而如果任何人类聪明才智的结晶能够在太阳系中幸存下来并持续观察就会看到这两个巨大螺旋星系的结合会是多么令人惊叹和美丽的过程
而且会持续几十亿年等到粒子盆流汗超新星火焰平静下来的时候产生的物质会是古老和垂死恒星的巨大妥求体集合尽管对身处其中的人来说这是大难临头但从宇宙的角度来说星系的合并是日常事件如果从非常遥远的位置观察而且显得非凡夺目
大星系会撕裂并且蚕食较小的星系,相邻的恒星系统会相互合并。我们自己的银河系也残留着吞吃了几十个比较小邻居的证据,我们还能够看到恒星在我们自己的星盘周围画出了巨大弧线的痕迹,就像星际车祸当中的残骸碎片一样。
然而在整个宇宙当中,这样的碰撞会越来越罕见宇宙正在膨胀,空间本身也就是物体之间的空间而不是其中的物体正在变大这就意味着,平均而言孤立的单一星系和星系群之间的距离会越来越远在各个团群之内,合并仍然可能发生和我们紧邻的恒星系统集团
就同样隶属于名字有点平淡的称之叫 Local Group 真的名字很平淡这星系当中多半是小型而且不规则星系所组成的乌合之中只有两个是巨大螺旋星系而且我们注定会随着时间更加的贴近
然而再往更远的地方看在几千万光年以外一切都在扩散从长远来看最大的问题是这种扩张会无限期的持续下去还是终将停止逆转让万物撞毁在一起但我们又怎么知道扩张正在发生呢当你身处在一个朝向各个方向以相同方式膨胀的宇宙它本身看起来不像膨胀
更像是一切都在远离你的奇怪现象无论你在哪里从我们的角度来看我们看到的遥远星系都在远离我们就好像我们发出了某一种排斥力但如果我们突然身处在十亿光年以外的星系当中我们也会看到相同的现象银河系和一定距离以外的其他一切都在远离那一点这
这种行为就是空间各处以同样的方式、同样的速度一直在变大所产生有点反视觉的结果。结果是,宇宙当中的每一点都是看似强大而均匀的次理核心。严格来说,宇宙没有中心,但我们每个人都是自己可观测宇宙的中心。
从我们的角度来看,除了我们近邻以外的信息,全都是以最快的速度,摇摇摆摆地远离我们,不是因为我们,而是因为 cosmology,因为宇宙学。
宇宙膨胀比你想象的更难发现虽然从 1700 年代以来我们就可以透过望远镜观测到银河系以外的星系但它们的距离如此之远它们的运动如此之慢这是根据人类时间尺度来判断的以至于要判断它们相对于我们确实在移动甚至它们其实就是星系变化
便花了两个多世纪的时间即使是现在最强大的望远镜也无法直接看到星系的运动每次我们观察的时候星系似乎没有变得更远但我们还是检测到了透过仔细梳理星系一个看似无关的属性那就是星光的颜色
如果你曾经听过赛车试过身边的时候爆起暴落的轰轰轰的声音或者是紧提声接近跟远离的时候音调的变化你就不会对都普勒效应感觉到陌生一般人常遇到的都普勒偏移现象是这样的当发出声音的呼吸朝你移动的时候声音的音调会变高当它远离你的时候音调就会下降
这跟空气当中的压力波在靠近的时候堆积跟离开的时候拉伸的方式有关因为就改变了你听到的声音的频率毕竟频率就是波浪一次又一次袭向你的速度以声音来说这些波浪就是压力波而频率越高音调也就越高
事实证明光也有类似的反应一束快速朝你移动的光将转变成为较高的频率而一束远离你的光当然就相对转变成为比较低的频率光的频率对应于颜色因此这种转变看起来像是颜色的变化电子拼图远远超过了可见光的范围但简单来说
当光发生都普洛天移的时候,上移我们称之为叫做蓝移,下移我们称之为叫红移。极度蓝移的可见光可能会转变成为伽马射线,而极度红移的光会以无线电讯号的形式出现。这种现象在天文学当中是最重要的。
也是最万用的工具之一让我们能够只是看到恒星或者是星系的颜色就能够判断它们到底是在朝我们移动还是在远离我们当然这在实物上没有理论上说的那么样简单
有一些恒星跟星系本来就比其他的恒星跟星系更红那我们怎么知道是本来就红所以呈现红色还是因为它正在后退所以看起来是红的呢?关键在于光从来就不是单一颜色而是跨平谱的分布
这里就产生了光谱一颗恒星光谱的特征图案来自恒星大气当中不同化学元素吸收跟发射的光当你透过能镜来折射光线的时候不同的颜色以不同的强度出现并且在那颗恒星大气当中原子吸收光的特定频率处就出现了暗线或者是间隙
这些频率的光在送到你的眼睛之前被气体给移除了这些特征就像每一个元素独有的条嘛天文学家一眼就能够辨识出这些线条模式举例来说穿过青云的光经过折射分散成为光谱之后会出现特定的书状暗线图案我们从实验室测试当中知道线条应该在哪里图
图案应该长什么样子我们就可以拿其他元素的图案重复这个比对的过程如果一颗恒星的光谱有一个可识别的舒畅图案但这些普现出现在错误的频率那就表示来自这颗恒星的光因为这个恒星的运动而产生了偏移如果每一条线条都以相同的方式
移动到比较低的频率那就称之为叫红移那就表示恒星正在远离倒过来如果每一条线条一向高频率那是蓝移表示恒星正在接近而线条移动的距离还可以告诉我们恒星移动的速度到底有多快
这样我们就明白天文学家是如何在观测宇宙为什么光从宇宙的光接受分析就能够知道这么多关于宇宙过去和未来的事情我们休息一会儿等我回来继续聊台北好声音庆在台北广播电台 FM93.1AM1134 陪伴您的幸福好时光大家好我是月爱玲
就像让台北停灯的声音被救了就像和听见台北的声音
感谢您去收听洋车谈书本节目以台北公民电台 FM930 每个星期一到星期五晚上九点会来播出到九点半今天为大家介绍这是英出版非常有意思的一本科普书书名就叫做 The End of Everything 万物的终结作者 Caddy Mack 他是天文物理学家他
他告诉我们一件很有趣的事情他说我最早的一个天文学记忆是 1995 年在 Discover Magazine 的封面故事上面标题写着宇宙危机因为数据呈现出不可能的状况那时宇宙似乎比宇宙当中的一些恒星更年轻据将当前的膨胀往回推断到大霹雳
对宇宙年龄的所有机密计算都指出宇宙的年龄大概在 100 到 120 年左右但是对附近古代星短当中最古老恒星的测量却给出了接近 150 亿年的数字当然估计恒星的年龄并不总是一门精确的科学因此有可能会有更好的数字能够证明恒星其实比它们看起来年轻一些
从而将差距缩小个十一、二十一年但延长宇宙年龄来解决这个问题会产生更大的问题要让宇宙变得更古老就需要废除宇宙暴涨理论而这是从大霹雳发现以来早期宇宙研究当中最重要的突破
天文学家还要再花三年的时间来梳理数据修正理论并且创造出全新的宇宙测量方式才能够找到一个不会破坏早期宇宙模型的解决方案只不过其他的都被破坏了
最终达尔规则为一种融入宇宙结构的新形态物理学它从根本上改变我们对宇宙的看法并且彻底改变了我们所认识我们所推测的宇宙的未来 1990 年代末期发现解决宇宙年代危机方案的科学家并没有试图要彻底改变物理学他们只是试着要回答一个看似简单的问题
宇宙膨胀减慢的速度有多快当时的常识是宇宙的膨胀是由大霹雳引发的从那个时候开始宇宙内部的所有物体的重力就一直在减慢宇宙的膨胀速度透过这两个数字所谓的减速参数可以告诉我们大霹雳向外的动量和构成宇宙以及物质的重力向内的拉力之间的平衡
减速参数越高重力对宇宙膨胀裁削的刹车也就越重数字高表示宇宙注定要会发生大崩坠数字比较低则表示尽管扩张正在放缓但它永远不会完全停止
当然要测量去找到这个减速参数要找到一种方法来测量宇宙过去膨胀的速度跟现在膨胀的速度来进行比较幸运的是我们可以透过观察遥远的事物来直接看到过去再加上宇宙的膨胀使得一切看起来都在远离我们这就意味着测量完全是可能的
我们要做的那是先看附近的东西再看看远处的东西看他们离开我们的速度有多快然后再运用一些数学知识这很简单吧
好吧,但实际操作起来一点都不简单因为你必须要知道距离跟红移而在深空当中很难测量到距离不过至少测量是有可能的尽管非常非常的困难也幸好天文学家拥有庞大而多样的工具能够测量宇宙中的事物
事实证明遥远恒星的灾难形成和爆炸刚好可以解决这个问题
简而言之,某种类型的超新星爆炸的性质有可预测的规律,可以作为宇宙的里程标记,只要涉及到白矮星天崩地裂的死亡,在白矮星王玉爆炸的时候,我们的太阳在经历行星毁灭的红巨星阶段之后,最终成了这种缓慢冷却的恒星残骸。
然而当白爱星增长到一定的零件质量的时候它就会爆炸这被称为叫 IA 型超新星会产生一种特有的亮度升降跟光谱让我们可以轻易的和其他宇宙大火区分开来原则上如果你非常了解这种爆炸的物理原理就可以知道它在近距离的时候会有多亮
接着就去计算我们从这么远的地方来看它多亮可以推断出光转播了多远的距离称之为叫标准烛光法一旦测足了距离接着你需要知道超新星后退的速度有多快
而你可以利用恒星爆炸所在星系所发生的光的红移告诉你这个时候宇宙膨胀的速度有多快再使用距离跟光速来计算出这整个事件发生在多少之前于是我们就可以测量出过去的膨胀率 1998 年就在 Discovery Magazine 发表文章对宇宙年龄发出警报的几年之后
两个收集遥远超行星观测数据的独立研究小组得出了完全不合理的结论那就是减速参数是负值扩张速度丝毫没有放缓而且还在加速当中如果宇宙循规蹈矩那么宇宙膨胀所涉及的基本物理是像球占到空中一样的简单
但如果扔得太慢它会上升也就是如果扔得太慢它会上升一点减慢速度停止然后再次落下这就像一个有足够无耻的宇宙重力获胜使得宇宙再次崩塌
如果快得不像凡力的速度,如果用非常快的速度把球扔出去,那它有可能会逃脱地球的重力,就变成永远在太空中飘荡,而且不断在减速当中,也就是在膨胀跟重力之间取得了完美平衡的宇宙。
在这里扔得更快一点,意味着它会逃脱并且永远滑行,随着地球重力的影响越来越小而接近恒定速度,就像一个永远膨胀的宇宙,其中没有足够的物质来扭转、扩张,甚至无法减慢扩张的速度多少。这些可能的宇宙类型当中的每一种,都有一个名称和特定的集合。
这个几何并不是指宇宙的外部形状像球体或立方体什么的而是一种内部的属性它可以告诉你当巨型雷射光束在巨大尺度上射过宇宙的时候会如何表现
注定大崩坠的宇宙被称为封闭宇宙因为两个平行的类似光束最终会朝彼此弯过去就像地球上的金线一样这种宇宙的情况是在封闭宇宙当中物质多到所有空间都向内弯曲
完全平衡的宇宙则是平坦的因为光束会永远保持平行就像两条平行线在一张平坦的纸上保持平行一样膨胀程度远大过于重力的宇宙称之为开放宇宙在这种情况底下你应该已经猜到了两束镭射光会随着时间过去而逐渐分离
这 2D 表面类比是马鞍形试着在马鞍上绘制平行线它会随着移动而越来越远这些形状代表的是宇宙大尺度的区域整个空间被其中的物质和能量扭曲了量所有这些可能性的第一个共同点它们在物理上都是有意义的它们都符合爱因斯坦的重力方程式
另外一个共同点是这几种宇宙目前的扩张都正在放缓在进行超新星测量的时候还没有合理的物理机制可以使宇宙加速膨胀这就像你把一个球扔到了空这就像你把一个球扔到了空中它放慢了一点然后突然无缘无故的一飞冲天同样的奇怪但就这么奇怪但这是怪的是整个宇宙
测量结果被检查了一遍又一遍但他们不断迫使物理学家得到相同的结论扩张正在加速这真的令人绝望所以
所以物理学家采取了非常手段天文物理学家在走投无路之下援引了巨大宇宙能量场的存在可以使空间本身的真空在各个方向产生内在的向外推力这是一种以前未被发现的时空特性它会使得宇宙永远膨胀全靠宇宙自身的力量
来自永远存在的能量永远不会靠近那就叫做 Cosmological Constant 宇宙常数不同于物理学基础的大多数重新修订宇宙常数根本不是一个新的想法
事实上最初这是爱因斯坦的创意而且非常适用于他所推导出规范宇宙演化的重力方程式但它是基于一个严重错误的观念照理说一开始就不应该被写下来
爱因斯坦却是用心良苦,宇宙长守的目的是使宇宙免于灾难性的崩溃,或者更准确的说,免于早该发生的灾难性崩溃。身为重力领域的专家,爱因斯坦知道所有可得的数据都指向一个令人不安的结论——重力早该已经摧毁宇宙了。
那时候是 1917 年距离大批的理论被广泛接受还有半个世纪当时人们仍然普遍认为宇宙是静态而不变的恒星可以生存和死亡物质可能会稍微重新排列但太空就是太空它只是其他事情发生的背景因此当爱因斯坦看到夜空当中看似静止的星星的时候他知道宇宙遇到的麻烦
他认为这些恒星当中的每一颗都应该透过重力吸引其他所有的恒星,并随着时间流逝,被越拉越近。就算其他恒星隔得很远,也没有用,重力是一种无限而纯粹的吸引力。在一个不变的宇宙当中,你永远不可能和某一个物远道无法感受到它的吸引力。
随着时间流逝这种吸引力失照就是为了让所有的一切靠近爱斯坦做了计算之后指出任何充满大质量物体的宇宙都应该已经自行塌陷宇宙的存在本身就是一个矛盾这看起来当然非常不妙幸好爱斯坦发现他的广义相对论有空间可以再进一些拯救宇宙的小调整
太空当中没有任何东西可以对抗恒星的重力但也许太空本身可以做得到这一点埃斯坦因而提出了一个美丽的方程式来描述空间的形状如何回应宇宙当中所有物质的重力为了确保万有引力不会立即使太空坍塌
爱斯坦要做的就是决定他的方程式是不完整的而添加了一个可以在重力物体之间拉伸空间的像如此完美平衡重力所引起的收缩
这个像代表的不是宇宙的新组成部分而是空间本身的一种属性其中每个空间都具有一种排斥能量当空间很大而物质不多的时候排斥能量就可以抵消万有引力这就是宇宙常数的来源但今天我们把宇宙常数的概念重新再拿回来这就牵涉到观众的观众朋友
观察宇宙并且预测宇宙的未来这是非常有意思帮我们整理究竟现在我们在天文物理学上已经累积了哪一些探讨哪一些知识哪一些观察结果写成了一本完整的书用一个很有趣的主题来予以开展引导
这个宇宙会结束吗会如何结束宇宙的结束当然也就是 The end of everything 这么说的书名就叫做万物的终结宇宙毁灭的无中方式感谢你的收听我们明天的时间再会