宇宙的奥秘

作者简介

作者英国Future出版公司，是出品了全球近400万读者，英国本土发行量超27万册的青少年科普杂志《万物》（How it works）的英国百年科普教育品牌。 译者曾宪坤，有电子译作《智障女孩谋杀案》《爱马传奇——拯救稀有马群》等，纸质版译作有《萧伯纳传》等。

内容简介

''-宇宙及其起源 大爆炸理论是什么？ 科学家是怎么解释我们的宇宙起源的 撰文：伊丽莎白·豪厄尔（Elizabeth Howell） 大爆炸理论是关于宇宙起源的主流解释。简而言之，它提出，我们所知道的宇宙始于一个小奇点，然后在接下来的138亿年里膨胀成我们今天所知道的宇宙。 由于目前的仪器无法让天文学家回溯宇宙的诞生，我们对大爆炸理论的理解大部分来自数学公式和模型。然而，天文学家可以通过一种被称为宇宙背景辐射的现象看到膨胀的“回声”。 虽然天文学界的大多数人都接受这一理论，但除了大爆炸理论，还有一些理论家提出了其他的解释——比如永恒的膨胀或振荡的宇宙。 “大爆炸理论”这个词在天体物理学家中流行了几十年，但在2007年哥伦比亚广播公司播出同名喜剧节目之后，它成了主流。这部剧讲述了几位科学家的家庭和学术生活，其中包括一位天体物理学家。 第一秒，以及光的诞生 据美国宇航局称，宇宙在开始后的第一秒，周围的温度约为100亿华氏度（55亿摄氏度）。宇宙包含了大量的基本粒子，如中子、电子和质子。随着宇宙变冷，这些物质会衰变或结合。 这种早期的混沌物是不可能被看到的，因为光不能在里面传播。“自由电子会导致光（光子）散射，就像阳光从云层中的水滴散射一样。”美国宇航局表示。然而，随着时间的推移，自由电子与原子核相遇，形成了不带电的原子。这使得光在大爆炸大约38万年后才照射出来。这种早期的光——有时被称为大爆炸的“余晖”——更确切地说是宇宙背景辐射（又称“微波背景辐射”）。拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和其他科学家在1948年首次预测了它，但在近20年后才被偶然发现。 据美国宇航局称，1965年，新泽西州默里山贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories in Murray Hill, New Jersey）的阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）正在建造一台无线电接收器，他们接收到了高于预期的温度。起初，他们以为这种异常是鸽子和它们的粪便引起的，但即使在清理了粪便并杀死了试图在天线内栖息的鸽子之后，这种异常仍然存在。 与此同时，普林斯顿大学的一个研究团队（由罗伯特·迪克[Robert Dicke]领导）正试图寻找宇宙背景辐射的证据，他们意识到彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了它。1965年这两个团队分别在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上发表了论文。 确定宇宙的年龄 宇宙背景辐射已经在许多任务中被观测到。其中最著名的太空任务之一是美国宇航局的宇宙背景探测者卫星（COBE），该卫星于20世纪90年代发射，用于绘制大片天空。 其他几个项目也跟随宇宙背景探测者的脚步，比如银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目（BOOMERanG实验）、美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局的普朗克卫星（Planck）。 普朗克卫星的观测结果于2013年首次发布，它绘制了细节前所未有的背景图，并显示出宇宙的年龄比之前认为的要老：138.2亿年，而不是137亿年。该研究天文台的任务正在进行中，宇宙背景辐射的新地图会定期发布。然而，这些地图也带来了新的谜团，比如为什么南半球看起来比北半球更红（更热）。宇宙大爆炸理论认为，无论你往哪里看，宇宙背景辐射基本上都是一样的。 研究宇宙背景辐射也为天文学家提供了关于宇宙组成的线索。研究人员认为，宇宙的大部分是由传统仪器无法“感知”的物质和能量组成的，这也引出了“暗物质”和“暗能量”的概念。宇宙只有5%是由行星、恒星和星系等我们可以看到和感知到的物质组成的。 引力波争议 天文学家了解了宇宙的起源，与此同时他们也一直在寻找宇宙快速膨胀的证据。理论认为，在宇宙诞生后的第一秒，我们的宇宙膨胀的速度比光速还快。顺便说一下，这并没有违反阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的光速限制，他说宇宙中最快的速度是光速，但这并不适用于宇宙本身的膨胀。 2014年，天文学家表示，他们在宇宙背景辐射中发现了有关“B模式”的证据，这是宇宙变大时产生的一种极化，会产生引力波。研究团队利用一架设在南极、名为“宇宙河外偏振背景成像”（BICEP2）的望远镜发现了这一证据。 “我们非常有信心，我们看到的信号是真实的，它就在天空中。”哈佛-史密森尼天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的首席研究员约翰·科瓦奇（John Kovac）在2014年3月告诉太空网。 但到了2019年6月，同一个研究团队表示，他们的发现可能是因为星系尘埃挡住了视野而发生了变化。“基本的结论没有改变，我们对我们的结果充满信心。”据《纽约时报》（New York Times）报道，科瓦奇在新闻发布会上这样说。“来自普朗克卫星的新信息表明，在普朗克卫星发射之前对尘埃的预测程度似乎太低了。”他补充道。 来自普朗克卫星的结果于9月以预发表的形式被发布在网上。到2015年1月，两个团队的研究人员共同“证实了，“宇宙河外偏振背景成像”发回的信号显示，就算不是全部，大部分也是星际尘埃”，《纽约时报》在另一篇文章中报道说。 另外，在讨论比太阳大几十倍的黑洞的运动和碰撞时，引力波得到了证实。 自2016年以来，激光干涉引力波天文台（LIGO）多次探测到这些波。随着该天文台升级，变得更加敏感，预计人们将会频繁发现与黑洞相关的引力波。 越来越快的膨胀，多元宇宙，绘制起源 宇宙不仅在膨胀，而且膨胀得越来越快。这意味着，随着时间的推移，将无法从地球或银河系内的任何其他有利位置发现其他星系。 “我们将看到本就遥远的星系还在远离我们，而且它们的速度正随着时间的推移而加快，”哈佛大学天文学家阿维·勒布（Avi Loeb）在2014年3月发表于太空网的一篇文章中说，“所以，如果你等待的时间足够长，最终，某个遥远的星系将达到光速。这意味着即使是光也无法弥合星系和我们之间正在打开的鸿沟。一旦那个星系相对于我们的速度超过光速，那个星系的外星人将无法与我们交流，他们发送的任何信号都无法到达我们这里。” 一些物理学家还认为，我们所在的宇宙只是众多宇宙中的一个。在“多元宇宙”模型中，不同的宇宙就像并排躺着的气泡一样共存。该理论认为，在第一次大膨胀中，时空的不同部分会以不同的速度增长。 这可能会分割出具有不同物理定律的不同宇宙。“很难建立出不导致多元宇宙的膨胀模型，”麻省理工学院的理论物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）在2014年3月关于发现引力波（古斯没有参与那项研究）的新闻发布会上说，“并非不可能，所以我认为肯定还需要继续研究。但大多数膨胀模型确实导致了多元宇宙，膨胀的证据将推动我们严肃对待多元宇宙。” 虽然我们可以理解我们所看到的宇宙是如何形成的，但有可能大爆炸并不是宇宙经历的第一个膨胀时期。一些科学家认为，我们生活在一个会经历规律膨胀和紧缩周期的宇宙中，我们只是碰巧生活在其中一个阶段。 -太阳系 行星 虽然许多人可以指着木星或土星的照片称其为“行星”，但这个词的定义要微妙得多，而且随着时间的推移，它已经发生了变化 撰文：罗伯特·罗伊·布里特（Robert Roy Britt） 自1930年发现冥王星以来，孩子们从小就在学习太阳系的“九大行星”。这一切从20世纪90年代末开始改变，当时天文学家开始争论冥王星是否为一颗行星。2006年，国际天文学联合会做出了一个极具争议的决定，最终将冥王星列为“矮行星”，将太阳系中“真正的行星”的名单减少到8颗。然而，天文学家们现在正在寻找太阳系中的另一颗行星，即真正的第九大行星，它存在的证据于2016年1月20日公布。科学家们称之为“第九大行星”，它的质量大约是地球的10倍、冥王星的5000倍。 类地行星 靠近太阳的四颗内行星被称为“类地行星”，因为它们和地球一样，表面都是岩石。冥王星也有固体表面（而且处于冰冻状态），但从未被归为四颗类地行星之一。 类木行星 木星、土星、天王星和海王星这四个大的外行星被称为“类木行星”（意为“类似木星”），因为与类地行星相比它们都很大，而且它们本质上是气态的，没有岩石表面（尽管天文学家说，它们中的一些或全部可能有固体内核）。火星轨道外的两颗行星——木星和土星——被称为气态巨行星；更远的天王星和海王星被称为冰巨星，这是因为，前两颗以气体为主，而后两个有更多的冰。这四颗外行星的主要成分都是氢和氦。 矮行星 国际天文学联合会对成熟行星的定义是这样的：一个绕太阳运行的天体，且不是其他天体的卫星，它的体积足够大，可以靠自己的引力形成球体（但又没有大到像恒星那样发生核聚变），并且已经“清除了它附近的”大多数其他天体。是的，有点拗口。 冥王星的问题除了体积小、轨道离奇，还在于它与海王星外侧柯伊伯带的许多其他天体共享空间。尽管如此，冥王星的降级仍然存在争议。 国际天文学联合会的行星定义将其他小而圆的星球归为矮行星，包括柯伊伯带的阋神星、妊神星和鸟神星。 另一颗新发现的矮行星是谷神星，它是位于火星和木星之间的小行星带中的一颗圆形天体。谷神星在1801年首次被发现时被认为是一颗行星，但后来被认为是一颗小行星。一些天文学家喜欢把谷神星视作第十颗行星——不要把它跟尼比鲁星（或X行星[ X也代表10。尼比鲁星是一颗在苏美人历史遗迹中发现的假想行星，从现实角度看它并不存在。——译者注]）混淆了，但这种想法开辟了有13颗行星的可能性，肯定还会发现更多的行星。 -宇宙现象 银河系有多重？ 我们银河系的重量相当于1.5万亿颗太阳 撰文：麦克·沃尔（Mike Wall） 我们可能终于知道银河系有多重了。对银河系质量的估计差异很大，从约5000亿到3万亿倍太阳质量不等。这个数字很难确定，因为暗物质约占了银河系质量的85%——暗物质是一种既不吸收也不发射光的神秘物质（也因此得名）。 “我们无法直接探测到暗物质，”德国加兴欧洲南方天文台（European Southern Observatory in Garching, Germany）的劳拉·沃特金斯（Laura Watkins）在一份声明中解释道，“这就是目前银河系质量不确定的原因——你无法准确测量你看不见的东西!” 因此，沃特金斯和她的同事们想出了一个变通办法，并在一项新研究中报告了这一方法。他们通过测量球状星团的速度来反推银河系的质量，球状星团是围绕我们熟悉的银河系螺旋盘旋转的星团（但仍然是银河系的一部分）。 “星系质量越大，其星团在星系引力作用下运动得越快。”该研究报告的合著者、英国剑桥大学的N．温·埃文斯（N. Wyn Evans）在同一份声明中说。 “以前的大多数测量已经发现了星团接近或远离地球的速度——也就是我们视线方向的速度，”埃文斯补充说，“然而，我们也能够测量星团的横向运动，从中可以计算出总速度，从而计算出星系的质量。” 算出的数字是1.5万亿颗太阳质量（具体来说，计算的是在距离银河系中心12.9万光年范围内的质量）。这几乎就在之前的研究划定范围的中间。 该团队依靠两种最强大的天文工具进行观测——美国宇航局的哈勃太空望远镜和欧洲航天局的盖亚探测器。盖亚探测器于2013年12月发射升空，能够精确测量数亿个天体的位置和运动，帮助研究人员绘制出了迄今为止最详细的银河系3D地图。 这个团队研究了46个球状星团的运动，其中34个由盖亚观测，12个由哈勃测量。研究人员说，这些恒星团中最遥远的距离地球约12.9万光年——为便于理解：银河系的圆盘直径约10万光年。 -太空探索 哈勃太空望远镜 通过科学史上一个最伟大的救赎故事来了解这个标志性的仪器 撰文：卡拉·科菲尔德（Calla Cofield） 具有标志意义的哈勃太空望远镜于1990年4月24日发射升空，它在整个太空生涯中展现了很多壮观的宇宙景象，向人们揭示了非凡的宇宙真相。但曾经也有一些时候，几十年的努力，加上纳税人数十亿美元的钱，似乎突然就打了水漂，有人担心这个项目可能会彻底失败。 但哈勃克服了这些障碍，成为有史以来最成功的望远镜之一，无论是在科学回报方面，还是在对公众的影响方面。天文学家说，运行了这么多年，哈勃最好的日子可能还在后头。 “回到1990年，即使是最乐观的人，也无法预测哈勃望远镜会在多大程度上改写我们的天体物理学和行星科学教科书，”美国宇航局前局长查尔斯·博尔登（Charles Bolden）在2015年庆祝哈勃望远镜问世25周年的活动上说，“四分之一个世纪后，哈勃从根本上改变了我们对宇宙以及我们在其中的位置的理解。” 博尔登说，以目前的速度，哈勃望远镜每年会产生10TB的新数据，这些数据量等同于美国国会图书馆的全部藏书。在同一场活动上，负责哈勃科学项目的巴尔的摩太空望远镜科学研究所临时主任凯西·弗拉纳根（Kathy Flanagan）说，科学家利用哈勃望远镜的数据已经发表了近1.3万篇科学论文。 向成功攀登 哈勃望远镜项目从近乎失败的深谷中爬到了现在的成就巅峰。科学作家罗伯特·齐默尔曼（Robert Zimmerman）在他的书《宇宙是一面镜子：哈勃太空望远镜和建造它的梦想家们的传奇》（Princeton University Press, 2008）中记录了哈勃望远镜项目团队几十年来的奋斗历程。首先，要说服天文学界同意投资这样一个昂贵的项目，然后让国会为它提供资金，并在建设期间继续提供资金，这并不容易。在那些年里，不仅仅是望远镜本身不容易，齐默尔曼还写了一些人，他们为了哈勃而牺牲了自己的事业，甚至个人生活。 哈勃太空望远镜原计划于1983年发射升空，但直到1990年才升空。在望远镜发射后不久，科学团队意识到他们接收到的图像是模糊的。原来是望远镜的镜面被磨得太薄了。（这个缺陷是由于建造镜片过程中使用的测试设备出了错。） 1993年，第一次哈勃维修任务安装了可以调整镜面缺陷的硬件，望远镜很快就发挥出了全部潜力。它揭示了从太阳系到整个可观测宇宙的各种尺度的新信息。哈勃望远镜发现了冥王星周围的四颗新卫星，证明了星系经常碰撞和合并，极大地改进了对宇宙年龄的测量精度，并向世人表明宇宙不仅在膨胀，而且膨胀得越来越快。 到2003年，哈勃望远镜已经提供了十多年宝贵的科学真相和美丽照片。本来那个时候，它可以功成名就，隐退天宇。但是人们计划再为哈勃增加两个新仪器，并修复两个已经停止工作的仪器。 2009年，人们对哈勃进行了第五次也是迄今为止最后一次载人维修任务。这次任务是哈勃生命故事的一个缩影：充满了差点给望远镜带来灾难的千钧一发时刻，比如一个固定扶手的螺栓无法松开，宇航员差点没法到达需要修理的仪器之一。最后，这次任务取得了圆满成功。宇航员们安装了两台新仪器，修理了两台损坏的仪器，安装了新电池、新陀螺仪和一台新的科学计算机，以延长哈勃的寿命。今天，它仍然是世界上最强大、最受欢迎的望远镜之一。 未来何去何从 那么，哈勃太空望远镜的下一步计划是什么呢？“坦率地说，我们从未想过哈勃望远镜会持续工作这么长时间，”博尔登在2015年的照片揭幕活动上说，“据我们所知，哈勃的寿命最初可能计划是15年。事实上，25年后，它仍然很强大，这要归功于哈勃团队的英雄……他们中的许多人你永远也不认识。” 哈勃总有一天会停止收集数据，但目前，美国宇航局还没有确定它的退役日期，因为它的运行情况比大家预期的要好，甚至在它最后一次维修后的时间里也是如此。 哈勃望远镜观测的主要是可见光和紫外光，而耗资88亿美元的詹姆斯·韦布太空望远镜观测的是红外光，它将比哈勃望远镜更深入地观察宇宙。詹姆斯·韦布望远镜的镜面更大——约6.5米宽，而哈勃望远镜的是约2.4米宽——并且摄像机也更强大。不过，现在很难想象这台望远镜将如何填补哈勃留下的空白。 哈勃望远镜不可能永远保持在它的轨道上运行——如果任其发展，它很可能会在21世纪30年代中后期坠毁在地球上。美国宇航局的官员表示，他们不会让哈勃不受控制地落到地球上，因为地面上的人可能会被掉落的部件伤到。因此，该机构有两个选择：要么引导哈勃在太平洋上空安全毁灭，要么将望远镜提升到更高的轨道（可能还要再翻新一次）。 哈勃最终命运的时间框架仍然悬而未决，因为没有人确切知道哈勃还能在多长时间内产生好的科学成果。齐默尔曼说，他敢打赌，如果到了该处理哈勃望远镜的时候它还在工作，美国宇航局会找到一种方法，把它放回一个稳定的轨道。 哈勃太空望远镜部署多年后，这个标志性天文台的生日庆祝活动绝不是一场纪念活动。哈勃目前的表现比它刚开始执行任务时还要好，而且没有显示出衰落的迹象。事实上，这架已经上升到如此高度的望远镜，截至目前所取得的惊人成就可能还没有达到其可以取得成就的顶峰。 1.10岁以上中、小学生独立阅读，自主学习天文学知识的工具书。 2.5大单元，从惊艳的太空照片，宇宙及其起源，太阳系，宇宙现象介绍到人类对太空的探索及创造建设。循序渐进，将令人震惊的宇宙奇观结合日常，展示天文学探索的前景，激发学习兴趣。 3.对标科目课程内容，聚焦小、初、高多年级知识点，学习就要先人一步。 4.这里有地球、月球、太阳、火星还有陨石的秘密资料库；这里还有哈勃太空望远镜、国际空间站、一代又一代更迭的卫星和人类创造的太空记录；书内还收录“惊艳的太空照片”“太空飞行网2019太空日历”。来看看人类为了探索宇宙做的那些不可思议的事吧！ 5.本书数据、图片资料详尽，名家论点交融，让孩子拥有放眼全球的视野。 6.收录内容取自太空网（Space.com），一个发布有关人类的太空探索、创新及相关天文学新闻的网站。由获得在线新闻协会颁发的突发新闻在线新闻奖、威比奖的新闻主播Lou Dobbs和Rich Zahradnick创立。太空网团队由有丰富太空相关知识与经验的资深编辑、摄影师及作家组成。 7.可视化图表解析，使遥远的天文变得触手可及。图片升级3D拆解，炫酷图像资料，模拟前沿科技实验室氛围。有效降低理解难度，轻松抓住孩子眼球。 8.书内各章还附有“你知道吗？”知识引文。带领读者走进神秘的太空世界。 9.条理清晰，层级板块图注详尽，逐步引导培养理科学习思维。 10.中国科普作家协会、工业科普创作专业委员会推荐。 11.高品质图文书，图文内容同时推进，适合青少年阅读。 12.16开全彩印刷，印刷用材安全环保，安心给孩子阅读。