宇宙的未来是什么样的?
科学家提出了大爆炸假说,揭示了宇宙诞生于200亿年前且仍在膨胀的事实。这让人不禁要问,宇宙什么时候膨胀,会在哪里终结?
宇宙学家认为,宇宙可能有三个目的地,关键在于宇宙中所有物质的平均密度。
第一种情况,宇宙包含的物质太少,引力无法阻止宇宙膨胀,所以宇宙会无限膨胀。我们称这个宇宙为“开放宇宙”;第二种情况,宇宙有足够的物质逐渐降低膨胀速率,在某个时刻,膨胀最终会逆转为“大压缩”。我们称这个宇宙为“封闭宇宙”;第三种情况介于两者之间。宇宙中物质的平均密度刚好等于临界密度。此时宇宙会继续膨胀,但速度随着时间的流逝而逐渐变慢。我们称这个宇宙为“平地球”。银河系的中心是太阳吗?
在古代,人们总是把人类居住的地球视为宇宙的中心。公元前340年,希腊哲学家亚里士多德出版了一本书《论天》。他得到了地球是球形的理论,同时得到了一个我们批判了几千年的结论——地球是不动的,地球是宇宙的中心。后来托勒密描述了这个八天球的宇宙图像,可以说是——最早的完整宇宙模型。后来基督教认为这个模式和《圣经》很吻合。至少人们可以随意想象固定的恒星球体之外的天堂和地狱。
直到16世纪,哥白尼还把地球看作普通行星,把太阳看作宇宙的中心天体。太阳中心论使人类第一次把自己的位置从中心移开。17世纪,伽利略首次用望远镜观测到银河系是一个恒星密集的区域。在此基础上,英国人莱特提出了银河系的猜想。他觉得银河系的形状就像一个透镜,包括太阳在内的所有恒星都位于其中。他还描述了自己的猜想,方便大家理解。然而,这毕竟只是猜测。虽然有远见的科学家认为太阳确实在银河系中,但是它的位置还不清楚,所以太阳是否是银河系的中心还没有确定的答案。
一个真正的无底洞,一个黑洞。
说到黑洞,有没有人很容易想到一个大黑洞?其实不是,我们说的黑洞是一种天体。它的引力场强大到连光都逃不掉。是宇宙中“吞噬”物质和能量的陷阱,是真正的无底洞。
白色洞穴之谜
根据定义,白洞和黑洞是物理学家在爱因斯坦的广义相对论中提出的物体。物理学界和天文学界对白洞的定义是致密天体,与自然界的黑洞完全相反。白洞不吸收外界物质,而是不断向外围喷射各种星际物质和宇宙能量,是宇宙中的一种喷流源。简单地说
白洞可以说是时间呈现一个倒置的黑洞。进入黑洞的物质最终应该会从白洞出来,出现在另一个宇宙中。它被称为白洞,因为它具有与黑洞完全相反的性质。它有一个封闭的边界。聚集在白洞中的物质只能向外运动,包括基本粒子和辐射;但是不能向内移动。
因此
白洞可以向外区提供物质和能量,但不能吸收外区的任何物质和辐射。白洞是一种强引力源,其外部引力性质与黑洞相同,可以将周围的物质吸收到边界形成物质层。
白洞理论主要用于解释一些高能天体现象。目前,天文学家还没有真正发现白洞,但它只是一个理论术语。这是一个非常“学术”的理论产品,通过与理论中的黑洞进行类比而获得。
一颗小小的白矮星
1892年,有人发现了天狼星的伴星。根据对恒星数据的分析,这颗伴星的质量约为一个太阳质量,表面温度约为25000K,但其光度约为天狼星的万分之一——所以根据光度和表面积的关系,可以推断其大小与地球相当。这个密度是地球上的物质所达不到的。1917年,阿德里安发现了范马南,这是已知的离太阳最近的白矮星。在20世纪初马克斯普朗克等人发展了量子理论之后,拉尔夫福勒在1926年建立了一个基于费米-狄拉克统计的理论来解释白矮星的密度。1930年,苏布拉特的马尼扬钱德拉塞卡(Maniyan Chandraseka)发现了白矮星的质量上限(Chandraseka limit),为此他获得了1983年的诺贝尔物理学奖。
白矮星是低质量和中等质量恒星演化路径的终点。红巨星阶段末期,恒星中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段(产生比铁重的元素不能产生能量,需要吸收能量)而停止产生能量。恒星外壳的引力会压缩恒星产生高密度天体。
太空中的灯塔——脉冲星
脉冲星是一种变星。脉冲星首次发现于1967年。当时还是女研究生的贝尔发现处女座有一颗恒星发出的周期性无线电波。经过仔细分析,科学家认为这是一个未知天体。由于这种恒星不断发出电磁脉冲信号,人们将其命名为脉冲星。
人们最初认为星星永远不会改变。而且大部分明星的变化过程都很漫长,人们甚至察觉不到。然而,并不是所有的明星都这么淡定。后来发现有些明星也是“调皮”多变的。因此,喜欢变化的星星被赋予了一个特殊的名字,叫做“变星”。
不可预测的新星
有时候,仰望星空,我们可能会惊讶地发现,在某个恒星区域,出现了一颗我们从未见过的亮星,但仅仅过了几个月甚至几天,它就逐渐消失了。这种奇怪的恒星被称为新星或超新星。古代又叫“客星”,意思是“来做客”的星。
中国《明史稿》记载:“明六年在隆庆东北看到彗星,万历二年四月未发现。”30多年后,开普勒于1604年在蛇夫座发现了一颗新星。这是中国史书记载的客星,出现在明朝万历三十二年。这样,“星空依旧”的旧观念就被打破了。其实,公元前204年蛇夫座出现的一颗新星,在中国史书《汉书》中就有记载:“汉武帝三年七月,大角星(蛇夫座A星)有一颗,为男十余年。”这是人类历史上最早的新星记录之一。
佛陀不存在的暗物质
暗物质是什么?暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题。它代表了宇宙中90%以上的物质含量(暗物质加暗能量),而我们能看到的物质却占宇宙总质量的不到10%(约5%)。
1957年诺贝尔奖得主李政道甚至认为它占宇宙质量的99%。暗物质无法直接观察到,但它可以干扰恒星发出的光波或引力,可以清晰地感受到它的存在。科学家们提出了许多关于暗物质特性的假说,但直到现在都没有得到充分的证明。
然而,最近对星系和亚星系结构的分析表明,这一假设与观测结果之间存在差异,同时为许多可能的暗物质理论提供了有用的地方。通过研究小尺度结构的密度、分布、演化和环境,可以区分这些潜在的暗物质模型,为暗物质性质的研究带来了新的曙光。
一个神秘的反物质世界。
人们普遍认为宇宙是由物质构成的。然而,现实世界中的物质从何而来?要回答这个问题,我们不得不求助于物质的对立面——反物质。
随着20世纪物理学的发展,微观物质的研究取得了重要进展。
1928年,英国物理学家狄拉克预言,有-种带电粒子的电性质与电子相反,但所有其他性质都是一样的。——有些科学发现往往让人傻眼,难以置信。正是这些不可思议的发现,推动了人们对客观世界的认识和科学进步。这就是反物质的发现。1932年,美国物理学家安德森发现了这种带电粒子——正电子,并因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。正电子的发现在科学界引起了震动和轰动。是偶然还是普遍?如果是普适的,那么其他粒子都有反粒子吗?因此,科学家们又增加了一个探索微观世界的目标。
中国物理学家赵忠尧在正电子研究方面也做出了重要贡献。此后,许多反物质粒子被发现,如反质子和反中子。
危险的太空垃圾
太空垃圾是人类探索宇宙过程中有意或无意遗弃在太空中的各种碎片和废弃物,如废弃的卫星、轨道器、火箭碎片等。漂浮在太空中,形成太空垃圾。
太空垃圾有很多名字。
许多已经“死亡”但仍在太空轨道上盘旋的卫星、空间站等航天器,被废弃用来运载火箭推进的残骸。其中一些有意外爆炸形成的碎片。例如,1996年6月3日,一枚飞马座火箭在美国爆炸,产生了大约300,000个危险碎片。有一些备件,比如爆炸螺栓、卫星带和用于将卫星与火箭分离的弹簧,还有宇航员“到处乱扔”的垃圾。例如,1965年,美国第一次太空行走时,宇航员爱德华意外丢失了一只手套(幸运的是,一个月后,这只手套的时速接近28000公里,人类历史上最致命的手套坠入大气层并被烧毁)。还有一些是极其微小的太空粒子,比如从飞船上掉下来的油漆颗粒。