BBC宇宙入门（怎样看待这个世界）

作者简介

【英】亚当·哈特-戴维斯（Adam Hart-Davis） 英国科学家、作家、摄影师，BBC电视节目著名主持人。他先后于牛津大学、约克大学获得硕士和博士学位，曾在牛津大学出版社担任科学图书编辑。亚当主持了《本地英雄》《古罗马的贡献》《维多利亚时代》等多部BBC纪录片，并编写了《DK伟大工程》《时间是什么》《薛定谔的猫》等众多科学著作。 【英】保罗·巴德（Paul Bader） BBC纪录片《宇宙入门:怎样看待这个世界》的执行制片人。保罗与亚当共事多年，并合著了多部图书。

内容简介

第一章 如何构建一个宇宙 想象一下，如果你能构建自己的宇宙。在过去，对那些认为是上帝创造了宇宙的人来说，光是这种念头都近乎是一种冒犯，或觉得这是荒唐可笑的。但在今天，尽管听起来不可思议，科学家们不仅仅在考虑构建一个宇宙，而且实际上已经开始着手行动了。超级计算机已经构建了一个充满数十亿个星系的虚拟宇宙，并且精确到每一个天体的物理参数。法国和瑞士边境的地底深处有一台机器已经轰然启动，它会释放出自大爆炸以来宇宙中从未有过的温度和力量，我们对宇宙 的理解也会被带到一个新的高度。 你很可能会问，为什么有人会不厌其烦地花钱去构建一个宇宙。一个简单直接的回答是: 他们想知道宇宙是如何形成的。我们无法让时间倒回，去看宇宙是怎样开始的，所以自己试着“做”一个宇宙看上去更可行。只要方法和原料合适，应该就能“做”出一个宇宙——就和我们现在的这个几乎一样。 几个世纪以来，人类一直都在仰望星空，思索宇宙起源的奥秘，也为此提出了不少假说。而理解宇宙的科学就叫作“宇宙学”。一开始这只是一门理论性的边缘学科，不为多数科学家所看重。但近来，宇宙学已经转变为一门实验科学，通过运用世界上最复杂的机器，开展着整个科学领域中一些规模最大、最昂贵的研究。 虽然我们现在使用高能物理仪器来探索宇宙，可是 20 世纪 20 年代开启的现代宇宙学的大发现却是通过一系列简单的望远镜观测完成的。那是物理学史上一个振奋人心的时代，科学界都在研读两篇文章——德裔天才科学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在 1905 年和 1915 年发表的两篇关于相对论的论文。其中第二篇引入了“时空”（spacetime）的概念，并提 供了一种认识引力的全新思路。自艾萨克·牛顿时代以来，人们一直认为引力是一种吸引力—— 一种将两个有质量的物体相互拉近的神秘力量。我们能待在地球表面，地球能沿着轨道绕太阳运行全是引力的功劳。尽管牛顿为我们描述了引力，并给了我们一些方便的数学工具，可关于引力还是有两大谜团无法解释。 第一就是，如果引力无处不在，就会把万事万物都拉向彼此，那为什么宇宙没有坍缩成一堆呢？1692 年，一位叫理查德·本特利（Richard Bentley）的英国牧师写信给牛顿指出了这一点，并表明没有发现恒星相撞的证据。牛顿必须想点办法。他有一个选择，可以声称宇宙是无限大的，由此可以推断出物体在每个方向都会均等地受到引力的作用，故而能保持稳定。可是牛顿不喜欢无限宇宙的概念，相反，他实际上编造了一个借口，说一切都是为了达到完美的平衡而建立起来的。 牛顿引力理论的第二个缺陷就是他无法解释引力是如何起作用的。引力是如何以看不见的方式，在超远的距离上，甚至从宇宙的一边到另一边，都能起作用的呢？看起来就好像变魔术一般。而爱因斯坦成功地用一种全新的方式诠释了引力，既可以解释苹果落地，也可以解释行星绕太阳公转。通过把空间（我们所生活的这个三维世界）与时间结合起来，爱因斯坦最终把引力解释为巨大的物体扭曲了我们所熟知的时空而发生的情景。令人惊奇的是，这的确在某处发生了，时空扭曲可以影响到遥远的天体。不妨想象一下两个人躺在柔软的床上，较重的那个人会产生一个凹陷，如果这个凹陷足够大，体重轻的人甚至会滚进去。爱因斯坦的“时空”就是一张床垫。 相对论的胜利 之前也有不少理论家提出过有关宇宙的假说，但爱因斯坦的不同之处在于，他的假说是可以被验证的。例如，他预言非常巨大的物体，比如太阳，会极大地扭曲时空，当光经过这样的物体时，就会发生弯曲。1919 年，英国天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）观测到从遥远的恒星发出的光经过太阳时的确发生了弯曲，从而证实了爱因斯坦理论的正确性。其实这样的验证是很难做到的，通常在白天你只能看到太阳，而看不到其他恒星。所以爱丁顿利用了一次罕见的日全食的机会，同时观测到了太阳和其他恒星。果然，太阳周围的恒星似乎在天空中发生了轻微的移动，显然是太阳的引力使光线弯曲了。这是第一个证实了爱因斯坦理论的实验，但绝非最后一个。事实上，在爱因斯坦的理论轰动世界后的 100 年间，检验他的理论一直都是推动实验宇宙学发展的因素之一。在 20 世纪 20 年代，爱因斯坦已经是一个家喻户晓的大科学家了。但是，另一颗新星即将登场，他的发现不仅会震动全世界，还会让爱因斯坦承认自己所犯下的最大错误。他就是美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）。 宇宙的尺度 威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）位于美国加利福尼亚州南部帕萨迪纳附近的威尔逊山，海拔 1 742 米，云朵都无法遮蔽它的视野，这里也因此成为伟大的 2.5 米胡克望远镜的理想观测之地。胡克望远镜在 1917—1948 年是世界上最大的望远镜。 可要这么大一台望远镜做什么呢？放大率高当然是很大的改进，但胡克望远镜最大的优势在于大的镜面可以收集到大量的光线，从而能够更容易观察到较暗的恒星和星云。星云是 20 世纪 20 年代天文学家特别感兴趣的研究对象。在拉丁语当中，星云（nebula）的意思是“雾”。星云光线微弱，呈云雾状，且大小不等。较大的在天空中看上去和满月差不多，而较小的星云在大型望远镜出现之前，则难以跟恒星区分开来。当使用足够大的望远镜进行观测，一些星云看起来似乎具有旋涡状结构，可它们究竟是什么呢？ 尽管在 20 世纪早期，我们就已经知道太阳系是银河系的一部分了，但那时的人们对宇宙的结构知之甚少。大多数天文学家认为银河系就是宇宙，你能在夜空中看到的一切都是这个宇宙体系的一部分。但旋涡星云令一些观察者感到疑惑，他们开始认为这些雾状天体根本不是银河系的一部分，而是“岛宇宙”（island universe），银河系本身就是一个“岛宇宙”。这是当时关于宇宙大小讨论的一部分，这一讨论将在美国天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）和希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）的世纪大辩论中达到高潮。 1920 年 4 月 26 日，美国国家科学院会议在华盛顿举行。威尔逊山天文台的沙普利认为宇宙有且只有一个星系，它非常庞大（直径超过 20 万光年），而且我们的太阳离其中心很远。旋涡星云是这个单一星系宇宙中遥远的气体或尘埃云。利克天文台的柯蒂斯则持相反观点，认为我们的星系要小得多，直径只有 6 万光年，太阳在其中心附近，而最关键的一点是他认为旋涡星云也是“岛宇宙”，是和银河系一样的独立星系。在他的模型中，宇宙是由许多“岛宇宙”组成的。 如果是往年，这样的辩论会还经常提供葡萄酒。但那时的美国，禁酒时代［3］才刚刚开始，葡萄酒也就无从谈起了。两位天文学家读读各自的论文，然后就对方的问题做出回应，却无法得出任何结论。当然，那时候也不可能有任何结论。沙普利和柯蒂斯的论点都是基于他们自己和其他人的现有数据，如果某一方的证据足够充分，这场辩论也就不会发生了。不过值得注意的是，关于银河系有多大，太阳是否在银河系中心，银河系是否等同于宇宙，旋涡星云究竟只是银河系的奇异特征还是完全独立的星系——“岛宇宙”，直到 20 世纪，当时主要的天文学家在这些问题上依然存在分歧。现在看来，当时的一些观点还是受这样一种信念的驱使，即人类必须是一切事物的中心。哥白尼否定了地球是太阳系的中心，但我们还是想至少能成为某些宇宙的中心。会议上柯蒂斯提出需要更多的证据，在这一点上大家达成了共识。而那个将为人们提供证据的人其实早就开工了，他的证据将永远地改变我们对宇宙的看法。 编辑推荐： 1. BBC经典纪录，英国开放大学公开课！ 《BBC宇宙入门：怎样看待这个世界》由BBC和英国开放大学联合打造，并作为英国开放大学的网络公开课。英国开放大学是拥有超过50年经验的世界远程教育先驱，目前学生超过200万，覆盖128个国家，是世界规模最大的大学之一。本书旨在面向大众，内容全面、通俗易懂、条理清晰，并以极富感染力的语言向我们介绍了人类在探索宇宙的历程中所取得的杰出成就。 2. 涵盖宇宙全主题，生命和万物的答案之书！ 本书涵盖了宇宙的各个主要议题，包括宇宙生灭、天文观测、太空探索、高能事件、地外生命等，你可以看到科学家是如何重现宇宙大爆炸最初的场景，从古至今人类又是怎样观测各种天文事件，逐步探索前行，直到离开地球家园进入太空并登上其他天体。它以严谨的逻辑串联人类天文研究的关键问题，通过科研进展为我们一一答疑解惑，并帮助我们构建完整的宇宙知识体系。 3. 从历史到前沿，以实践视角梳理人类认识和探索宇宙历程！ 从伽利略改造的简单望远镜到搜寻地外文明的大型艾伦望远镜阵列，从土星5号将人类送上月球到惠更斯号登陆土卫六，以及“雨燕”卫星观测伽马射线暴，阿雷西博天文台向外太空发射人类文明信息，使用超级计算机模拟宇宙，等等。本书从实践的角度，以技术和工程思维梳理了人类认识和探索宇宙的历程，从中可以看到人类科研能力的不断进步，以及宇宙中尚待解开的众多奥秘。 4. 深入科研一线，“零距离”感受大科学装置！ 在写作本书的过程中，作者深入当前的科研一线，实地观摩了大型强子对撞机、阿特拉斯探测器、室女座干涉仪、甚大望远镜等大型科学仪器，探访了超广角寻找行星、搜寻地外文明等科研项目，带领我们“零距离”感受了众多大科学装置，并与诺贝尔奖得主等一线科学家进行了深入交流，向我们展示了相关领域的前沿研究成果。 5. 手绘图解、实验演示，以简明方式阐释深奥原理！ 为了方便读者理解，书中还以细致的手绘图展示了阿特拉斯探测器、哈勃空间望远镜等复杂科学仪器的结构组成，同时还设置了一些简单直观的实验来辅助科学原理的讲解，比如用台球演示阿特拉斯探测器如何追踪质子碰撞后产生的粒子，用冰壶演示如何防御小行星的撞击等。既能让读者轻松理解专业的科学原理，也能激发他们探索宇宙的兴趣和热情。 6、译文优美，中科院天文学专家审定！ 《BBC宇宙入门：怎样看待这个世界》由中国科学院紫金山天文台专家审定，对书中的专业知识和专有名词进行了详细地核实，并根据相关研究的新进展，对内容予以了更新。