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本书从历史和现状两个方面科普了我们难以理解的黑洞、宇宙、时间以及万物之理。
书中我最有兴趣的是宇宙的起源与归宿。科学家为解释观测结果,提出了多种宇宙模型。其中大部分模型关于宇宙之起源描述均为“宇宙起源于奇点大爆炸”,大爆炸理论也得到大多人的认可。但宇宙的归宿则无法达成多数共识。文中提到宇宙有三种归宿:一直膨胀下去;先膨胀到临界点,然后宇宙趋于稳定态;先膨胀、然后稳定、再塌缩。
何为“宇宙”?四方上下谓之宇,古往今来谓之宙。宇宙是时间和空间的结合体,也就是我们所处的“四维”空间,我认为宇宙(或者说时空)是不可以分开讨论的,我想象的宇宙模型应该是“轮回宇宙”。空间起源于奇点,经过膨胀、稳定态,最后塌缩成一个奇点;时间始于大爆炸、终于塌缩至奇点。奇点应该是一个只有能量没有质量的一个点,奇点大爆炸的那一刻就是空间、时间的起点。当然探究奇点之外的时空是没有意义的。根据质能转换理论,奇点所储存的能量转换为正反物质,当然不可能完全转换,能量储存于物质和空间本身中,这就是为什么目前所观测到的微波背景辐射是2.725K的原因。根据熵增原则,微波背景辐射会随着宇宙的膨胀逐渐变为0K,从而使宇宙处于稳定态。然后因引力作用空间塌缩,质量重新转换为能量,微波背景辐射增大,直至回归到奇点。然后进入下一个宇宙轮回。在单个宇宙轮回过程中,时间的方向是不变的(原因:热力学时间箭头和心理学时间箭头方向相同),从宇宙尺度上观测,时间的尺度和方向应该是像光的速度一样是绝对值。所以在宇宙塌缩阶段不会出现时间倒回现象,也不会出现打碎的杯子回复到原样的情况。
从古至今,科学家们在孜孜不倦的探索是否有一条或一系列定律能完美解释宇宙。哲学家们也在苦思冥想“我是谁?我从哪里来?我到哪里去?”。西方神话体系说宇宙是上帝创造的,中国道家阐述世界是“道生一、一生二、二生三、三生万物”。西方神话体系无法解释“上帝悖论”,中国道家的阐述能更好地解释世界的来龙。至于世界的去脉,根据科学家的观测,目前宇宙仍处于膨胀状态,宇宙才138亿岁,距离稳定态还有100亿年,年轻着呢,我们只要不自我毁灭,还有足够多的时间去探索。
在牛顿时代,受过高等教育的人能掌握人类知识的全貌。随着知识的大爆炸,已不再可能做到这一点。感谢有霍金这样的大科学家致力于科普事业,才让普罗大众理解并参与讨论前沿科学的主要原理,而不是只限于少数科学家。
有关宇宙的科普文
面对宽广无边的夜空,你有没有好奇过?
赏月看星是人类自古以来的爱好。随着科学技术的发展,人类的赏月看星也从肉眼仰望,变成了各种天文望远镜和观测仪器传回的星系图。几千年前的天文学家肯定不知道,宇宙里的星系是多么美妙。而这个时代的我们,只要随意打开电脑或手机,就能看到这些壮美的景象。这是我们的幸运。
《宇宙之美》是法国的一本宇宙学科普书籍。全书既是一部讲述人类目前所知宇宙历史的宇宙史书籍,也是一本知识点大合集。《宇宙之美》不但讲述了138亿年前的宇宙大爆炸,也预测了77.6亿年后可能的“大坍缩”。书中宇宙学知识的广博,完全可以满足一般的宇宙学和天文学爱好者。书中摘取了宇宙史最重要的200个大事件,每个事件都配有相关的艺术作品或照片。这里不仅有绝美的宇宙,也有人类的精美艺术品。宇宙的美和人类艺术的美,都可以在这一本《宇宙之美》之中领略到,是一本兼具科普与人文素养的宇宙学科普书籍。
这本《宇宙之美》的作者有两位,雅克·保罗和让-吕克·罗贝尔-艾斯尔。雅克·保罗是法国原子能和替代能源委员会(CEA)、萨克莱核研究中心(CENS)的科学顾问,让-吕克·罗贝尔-艾斯尔是法国国家科学研究院(CNRS)、巴黎第七大粒子天体物理与宇宙学实验室研究工程师。这两位作者都是宇宙学领域的著名科学家,这本书也透着浓浓的学术气息。
值得一提的是,这本书的两位译者林明和陶奕,也是相关领域的清华大学物理系博士。其中,林明对宇宙大尺度结构、高红移宇宙,以及大型宇宙学数值模拟很有科研兴趣。陶奕有一定天体物理和宇宙学背景。正是因此,这本书的译文才能既准确又符合中文语境。不得不说,科普类书籍的翻译太重要了,很多非常好的国外书籍没有遇到合适的译者,读起来晦涩难懂。这里面的根本原因,是翻译本人的双语功底和相关知识背景。如果没有这个领域的知识背景,要想翻译不出错,几乎是不可能的。隔行如隔山,对于翻译来讲,也是一样的。很庆幸,这本《宇宙之美》遇到了这样专业的译者。
这本《宇宙之美》的编排非常有心,是按照时间顺序来排列的。所以,第一个解释的词条,是多重宇宙。摊开书里的这一部分,左边的页面是词条,右边的页面是。在左边页面的词条最后,会有一个“相关内容”的部分,将与这个词条相关的其他词条及其页码都备注在这里。每一个词条都是这样编排的。这样直观形象的科普,对于萌新爱好者非常友好,也适合小孩子的科普学习。
另一方面,每个词条的左边页面下方,有两个不同的时间轴提示。左下角是以大爆炸为起点纪年的事件日期,右下角是公元纪年的事件日期。可以说是非常严谨了。作者甚至严谨到,如果这本书在宇宙其他地方发表,还应采用别的年表。
翻开这本《宇宙之美》,你一定会惊讶于它的全面和严谨,以及那些非常美的。比如大家对宇宙的印象,大概就是一个个星系和周围的黑暗。这种星系图中,那一个个如同盘子的星系,叫做星系盘。它是暗物质晕中的重子物质向内坍缩,形成的自转速度很大的薄盘。星系盘中,弥漫着星际气体云,形成了几十亿颗恒星。而这个星系盘周围的螺旋长条状,叫做星系的旋臂结构。一个“星系盘”的词条,就能将这些知识都讲清楚。
当然,讲宇宙史,就不得不提一些对于天文学和宇宙学做出巨大贡献的人物。关于“银河系”的词条中,就提到了威廉·赫歇尔对天文学的贡献。他原本是一名军乐团乐手,曾经创作出许多优秀的交响乐和协奏曲。但是,他最大的爱好是天文学。有着同样爱好的妹妹帮助他,他自学成才,观测太空,一生制作了超过400架望远镜。在1781年,他发现了天王星,入选英国皇家学会,得到了国王的津贴。他把津贴都用在了天文学研究上,不断制造出更先进的仪器。他的一生有很多意义重大的天文学新发现,包括发现天王及其两颗卫星,发现红外辐射,构造出一个太阳在圆盘中央、圆盘平面与银河系对齐的模型,还将成千上万星云汇编成表,为一个多世纪后探索整个可观测宇宙的天文学家铺平了道路。
《宇宙之美》不仅讲述了宇宙的历史,也告诉我们这些是如何观察到的。天文学家可以真正地“看”到宇宙在某一演化阶段的大概样子,并不像考古学家那样用遗迹和文物来推测。只要在天空某一范围内选择处在一定距离上的所有天体,就可以观察到。这背后的原理,就是因为光以有限速度传播,所以在空间上遥远,就是在时间上久远。于是,我们可以观测到几十亿年前的星系演化情况。
总之,这是一本难得的宇宙学科普读物。如果是给小孩子看的话,建议家长陪着一起看,可以为小孩子讲解。对于家长来说,也是一种很不错的学习和成长方式。
大爆炸宇宙学
现代宇宙学中最有影响的一种学说。与其它宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密 到稀地演化。这一从冷到热从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。根据 大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,在 100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有 中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整 个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子 开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等 元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度 后,早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子 和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气 态物质,气体逐渐凝聚成气云,在进一步形成各种各样的恒星体系,成为我 们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实:
1大爆炸理 论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温 度至今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明 了这一点。
2观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成 正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。
3在各种 不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以 说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效 率也很高,则可以说明这一事实。
4根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等,可以 具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言 今天的宇宙已经很冷,只有绝对温度几度。1965年,果然在微波波段上 探测到具有热辐射谱的微波背景辐射,温度大约为3K。这一结果无论在定 性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。但是,在星系的起源和各向同 性分布等方面,大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。
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