|
|
全书总结：开始读这本书是因为2019年4月人类第一次拍到了黑洞的照片。在知乎等地方搜了一圈，很多人推荐这本书作为了解天文的入门书。这本书出了中文版的，将4个部分分别出了一本，一共四本。但是没有电子书。我在网上搜到了英文的电子版，于是就决定读英文版的了。第一次读这么厚的非专业的英文书，有800多页。放到手机上，每天看一点，边看边做笔记。其实我的笔记几乎就是翻译了，只是没有逐词翻译。天文学我以前也很感兴趣，也看了一些科普书。但是很多天文科普书是讲怎么辨认星座，怎么拍到好的星空照片之类的。这些我倒是没太大兴趣，虽然也曾经为观星去露过营。想看星空照片上NASA官网就行了。我感兴趣的是天文学背后的原理和理论。这本书在这方面做得很好，讲得很详细很系统，不光是讲知识，还介绍了这些知识是怎么来的。即天文学的研究方法，基本思想等。另一方面书里有没有多少公式，适合入门。花了半年的时间，终于把这本书给读完了。下面就先总结一下。
首先是天文知识，我按照宇宙自己的时间顺序来，而且只讲结果了。
宇宙诞生于大爆炸(the Big Bong)。约140亿年前，宇宙中所有物质与能量都汇聚在一个体积无限小，温度和密度无限高的单独的点上，成为原始火球（primeval ireball）。大爆炸没有中心，它涉及整个宇宙，是宇宙本身。由于大爆炸是宇宙空间和时间的起点，因此可以认为大爆炸以前是没有意义的，因为没有时间就不存在“以前”。可以把大爆炸以后的宇宙分成三个时期，分别是能量主导时期，物质主导时期和暗能量主导时期。越靠近大爆炸，辐射的密度增加要快于物质，而辐射和物质的密度增长速度都要快于暗能量。宇宙演化又可以细分成八个阶段。
①普朗克期，Planck，大爆炸-10-43秒的范围，四种自然力不可区分，自然中只存在一种力。
②大统一时期，GUT，10-43秒-10-35秒，温度下降到1032K，引力与其它三种力分开，强力、弱力和电磁力仍然统一在一起。在大统一时期中，由于量子水平的随机涨落，宇宙的区域会处于增长状态，虚空会获得“真空能量”，在一个短暂的时间里（10-34秒），由于增加的额外的能量，宇宙会膨胀。而且加速度会增加。这个时期称为暴涨时期，整个过程持续了10-32秒，宇宙的大小膨胀了1050倍。暴涨结束，宇宙重新获得“正常”的真空状态，当物质和能量解耦的时候，辐射冲击普通物质形成了重子声学振荡，这是形成宇宙大尺度结构的一个原因。
③夸克时期，Quark, 10-35秒-10-4秒，，温度低于1028K，强力与弱电力分开，许多重的基本粒子形成，与普通物质只有极微弱的相互作用。所有的“重”粒子——质子、中子及组成其的夸克与辐射形成热力学平衡的阶段。大爆炸后10-10s，温度低于1015K，组成电弱力的电磁力和弱力显示出各自的性质。大爆炸后0.1毫秒，温度降到1013K以下，足以形成质子和中微子，夸克阶段结束。由于某些原因，正粒子比反粒子多十亿分之一，因此形成的宇宙为正物质占主导的宇宙。
④雷普塔时期，Leptons，10-4秒-100秒，宇宙主要成分是轻粒子——μ子、电子、中微子，及其反粒子，大爆炸后1秒，温度降低到3×1010K,宇宙变得对中微子透明。
⑤核形成时期，100秒-5万年，质子和中子聚合形成重原子核，温度十亿K，核聚变迅速发生，形成氘和氦核。15分钟时，今天所见大部分氦核已经形成。辐射仍超过物质，但逐渐失去主导地位。
⑥原子时期，5万年-两亿年，原子核与电子结合形成原子，物质占主导地位。大爆炸两亿年后，第一代恒星形成。
⑦星系时期：两亿年-30亿年，星系形成，在该时期末期，大尺度结构和大部分星系已经形成。
⑧恒星时期，30亿年-今，恒星演化，形成新的恒星和行星，演化出生命。在这个阶段也进入了暗能量主导的时期。
原子形成以后，在宇宙中形成了气体云。由于宇宙结构的不均匀性，在某些区域物质聚集比其它区域稍密，在引力作用下，气体云就向这些区域聚集。这些气体云密度很低，横跨数十秒差距，温度仅10K，包含数百倍太阳质量的物质，主要是冷原子和分子气体。周围恒星爆炸的震动或者恒星形成时产生的扰动，或者星云磁场变化是恒星形成的原动力。一旦收缩开始，一块星云会分裂成数个碎片，然后又分裂成更小的碎片。碎片在数百秒差距范围内可以互相碰撞。随着碰撞，碎片不断积聚，核心区域温度不断增加，从而吸引更多的碎片。原恒星形成了，在碎片形成十万年后，核心温度达到一百万K，能量来源主要是引力势能。随着原恒星继续吸收气体云物质，其质量进一步增大，内核进一步压缩，温度升高。当温度升高到一千万K，足以进行氢聚变的时候，恒星诞生了。之后恒星有吸收更多的物质，密度进一步增加，温度增加到一千五百万K，表面温度达到6000K，其压力与引力终于平衡了，由核聚变为恒星的辐射提供能量，一颗主序星就诞生了。在同一片气体云中形成的恒星倾向于成团聚集，称为星团。其中范围较大而恒星较少的星团称为星协。还有聚集成球的星团称为球状星团，其中含有较多年龄较大的恒星。
随着主序星内部氢不断的经由核聚变消耗转变为氦，随着氢的减少，氦开始发生聚变生成更重的元素并放出能量，这需要更高的温度。氦聚变需要超过108K的核心温度。氦核的引力使得恒星收缩，温度上升，氢聚变更加剧烈。形成一个没有核聚变的氦核外包裹着一个正在核聚变的氢核。恒星半径扩大到太阳的三倍，称为亚巨星。氦核不稳定继续收缩，氢聚变速率更快，这种聚变产生的压力使恒星外层未聚变部分半径扩大，恒星变成红巨星。随后氦开始在核心发生核聚变，恒星的内核靠电子简并力维持与引力的平衡，内核变得很不稳定，核反应速率上升时，压力基本保持不变，温度在一个叫氦闪的过程中急剧上升。内核扩展，密度下降，重新回到平衡。氦闪使内核扩大密度降低，从而降低了恒星的能量输出。随着氦聚变为碳，核心中的碳含量增加，氦耗尽，核反应停止。周围的氦壳和氢壳的聚变率增加，恒星外层膨胀，第二次变成红巨星。随着外围膨胀，内核温度降低，碳不能继续聚变。在不断的加热、膨胀、冷却、收缩、加热的循环中，恒星的外层物质不断被抛入宇宙空间中，形成行星状星云。恒星的内核继续演化，逐渐缩小，最后缩小到地球大小，甚至更小，质量约为太阳的一半，发光的能量是剩余的热量，而不是核反应。 这称为白矮星。白矮星随着时间逐渐冷却和暗淡，最后形成黑矮星，靠电子简并力支撑，维持在地球的大小，温度接近绝对零度。双星系统中的白矮星会将其伴星中的物质吸引过来，落入白矮星，在这个过程中被吸引的物质互相碰撞，释放大量的能量，形成新星。新星可爆发多次。
影响恒星演化的主要因素是其质量。对于星云碎片太小，不足以形成足够质量的以形成核聚变的原恒星（质量大于木星质量12倍小于木星质量的80倍），叫做棕矮星。而小于木星质量12倍的星体就叫行星了。宇宙中有大量的棕矮星。而质量大于12倍太阳质量的恒星，其内部核聚变反应不会停留在氦聚变，会继续聚变产生更重的元素，如碳、氧、氖、钠、硅等，最后在中心是铁层。每一步核反应的时间越来越短，当到达铁聚变时，其聚变反应需要能量，而不是释能，反应停止。核心温度降低，压力降低，无法阻挡引力收缩，高温高密度使得质子和中子结合形成中子和中微子，大部分中微子携带能量离开内核，使内核压力进一步降低。中子之间彼此接触，阻止进一步坍缩。当达到再平衡时，内核开始再膨胀，一个巨大的能量激波以极高的速度通过整颗恒星，将所有外层物质，包括形成的重元素抛入空间中，这就是超新星爆炸。这样形成的超新星称为二型超新星。还有一种超新星是白矮星吸收伴星物质，当质量超过1.4倍太阳质量的钱德拉塞极限的时候，就会发生超新星爆炸，形成所谓的碳爆超新星。两颗白矮星碰撞形成一个质量更大的不稳定恒星，最终也是形成碳爆超新星。也称为一型超新星。二者释放能量相似，但彼此是没有联系的。宇宙中绝大多数重元素，都是在恒星内部形成的。
当超新星爆发时，其内部的中子球保持接触，在爆炸后剩下了，称为中子星。其体积极小，质量极大，密度极高，是白矮星的十亿倍。由于角动量守恒，中子星形成时会快速旋转，其旋转周期非常恒定。再加上其强大的磁场，就形成了强大的很窄的方向的电磁辐射，就是脉冲星。但不是所有中子星都是脉冲星，因为其旋转周期会随时间推移逐渐变慢。双星系统的中子星有可能吸引其伴星的物质，在落入中子星的过程中加热达到核聚变的条件，发生短促的核聚变，以X射线的形式发射出来，形成X射线爆。物质不断加入还可能使中子星加速，长期加速形成毫秒脉冲星。
当中子星质量大于3倍太阳质量时，中子也无法阻止其继续坍缩。中子星会继续坍缩，形成黑洞。黑洞是逃逸速度大于光速，任何辐射都无法从其上逃离的天体。逃逸速度等于光速的界限就是视界。黑洞是质量为25-30倍的大质量恒星的最终归宿。质量、电荷和角动量就可以决定黑洞的性质。物质在进入黑洞前会在吸积盘中互相摩擦产热，产生X射线辐射。接近黑顶的物体会经历引力红移和时间缩短。视界以内的区域是视界之外不可见的，描述视界之内的奇点需要结合相对论和量子物理。探测黑洞，可以靠黑洞的引力透镜效应，黑洞与恒星组成的双星系统，以及黑洞吸积盘所发射的辐射。较近的探测手段是引力波。黑洞的存在是爱因斯坦相对论的理论推论，但是在实际研究中发现了很多黑洞存在的证据。
星系（以银河系为例）是从一片收缩的气体云中产生的。当第一批恒星和球状星团形成时，银河系还没有形成盘状。它们在空间中广泛的无规则分布，大致相当于今天银晕的范围。在恒星合并入星系的时候，由于星际气体的碰撞有更多的恒星形成。旋转使得银河系的气体趋近于一个相对薄的盘面。随着气体落入银河系平面，银晕中的恒星形成停止了很长时间。银盘形成以后，形成的恒星继承了形成其的气体和尘埃的旋转运动，以一种一致的圆形轨道运动。银河系有数个悬臂，从银核一直延伸到银盘边缘。我们太阳在银河系的一个悬臂的边缘。对悬臂一个主流的解释是这是银河系的螺旋密度波。通过研究银盘中气体云和恒星的运动来计算银河系的质量，计算发现在银河系的外侧有比我们能看见的更多的物质，这被认为是暗物质。暗物质是指在所有电磁波频率上均无法发现的物质，我们仅能够通过其引力而发现其存在。棕矮星，弱相互作用重粒子等是暗物质的候选者。可以通过引力透镜的方法来搜寻恒星级的暗物质。星系的中心在很多尺度下都显现出复杂的结构和强烈的活动。银心区域有很强的射电源和X射线源。根据观测其需同时满足大质量和小体积两个要求，因此其是一个大质量黑洞。黑洞本身不是能量的来源，能量来自于气体和尘埃在黑洞周围的吸积盘的气体摩擦。通过观测银心附近恒星的运动轨道，根据开普勒定律计算出来的银心天体的质量为四百万个太阳质量。通过VLBI，已经能够“看到”星系中心的黑洞的视界了。
星系是构成宇宙的材料，是组成宇宙的“原子”。哈勃将星系分为四类：螺旋星系、棒旋星系、椭圆星系和不规则星系。每一类又可以分成更多的亚类。星系跟恒星一样，往往聚集成团。我们银河系周围一百万秒差距范围内有很多星系和其它天体。最大的邻居是仙女座星系。总的来说，我们银河系周围有55个星系，其中三个（银河系，仙女座星系和M33）是螺旋星系，其它的是小的不规则星系和椭圆星系。它们组成了所谓本星系群(Local Group)。其直径约一百万秒差距。大约占星系总数40%的亮星系，亮度极大，被归为“活动星系”。活动星系在所有波段上的辐射强度都比较大。塞福特(Seyfert)星系和射电星系是其中两大类。大部分星系中央都有大质量黑洞，普通星系与活动星系的区别是黑洞与其余部分的比例。在距离我们十分遥远的地方（红移很大），发现很多类星体，这些遥远的天体代表了宇宙的过去，它们是遥远的活动星系的核心，其星系由于太遥远，而看不到。目前的主流观点认为活动星系中央的能量产生方式是我们银河系中央产生X射线和其它能量的方式的放大版，即气体落入星系中央的大质量黑洞释放出能量。加速是将物质(以气体的形式)转换为能量(以电磁辐射的形式)的非常有效的方式。计算表明约有10%-20%的物质在落入黑洞视界并消失以前转化为能量。在星系团之中的暗物质甚至比星系中更多，达到可观测的物质总量的10-100倍。星系团中的暗物质不属于任何星系，随着我们观察的范围越来越大，越来越多的物质是暗物质。在星系团中星系之间，发现了高温（一千万K）的气体充斥于其间，这些气体温度如此之高的原因是星系团的引力使这些气体快速运动。它们如此之多，不太可能是星系中排出来的。天文学家认为它们是原始的，即从宇宙形成时就存在且从未作为星系的一部分。对于比较密集的星系团，星系碰撞的概率很大。碰撞会极大改变星系的大尺度结构，但对单独的恒星几乎没影响。大多数星系是聚集成团的，它们会与其它星系发生接触、碰撞，使星系内部结构重新排列，星际气体压缩，突然触发恒星形成和爆发。碰撞也为系核的黑洞带去原料，在一些系核激发剧烈的活动。一个质量较小的星系与较大的星系接触，其物质会被分割到大星系的系核附近，这叫星系蚕食(galaxies cannibalism)，也能解释为何星系中央常有大质量黑洞。如果两个星系一大一小，但都比银河系大，小星系会扰乱大星系的结构。两个大小和质量相当的星系合并，螺旋星系的系盘将被破坏，制造星系范围的爆发。最终倾向于形成椭圆星系。当星系合并时，它们的中心的大质量黑洞（一百万至十亿太阳质量的黑洞）也一样合并，一些大质量黑洞是高密度的前星系碎片直接碰撞形成的。
星系团们也会组成更大的结构，叫做超星系团（Superclusters）。银河系和附近的星系团组成了本超星系团(Local Supercluster)，也叫处女座超星系团。范围两千万至三千万秒差距。总质量约1015个太阳质量，含有数万个星系，形状是极不规则的。其在银河系到处女座星系团之间连线方向上拉长了，其中心在处女座星系团附近。因此本星系团也不是本超星系团的中心。系统的测量星系的红移，发现在超星系团之上，宇宙还是有结构的。星系倾向于沿弦状的网络分布，其中有很多没有星系分布的空洞（void）。空洞占了银河系周围空间的50%，但质量只占5%-10%。最大的空洞范围约一亿秒差距。另外还有星系团聚集形成的“长城”(Great Wall)结构。这是宇宙中我们所知的最大的结构。这些结构与宇宙形成时背景辐射的轻微的不规则，和重子的声学振荡有关。
现在回过来看我们的太阳系。约50亿年前，在银河系银盘中部的一片区域，有一团气体云。由于附近的大质量恒星多次形成并爆炸，气体云中除了氢和氦之外，还有很多重元素。受周围恒星爆炸的影响，气体云开始收缩，聚集，最后在中心形成了一颗主序星——太阳。在周围的气体云中，形成很多尘埃，作为聚集核心，形成小的物质团。在接近太阳的内侧，其成分主要为岩石，在远离太阳的外侧，其成分为冰块。它们彼此碰撞结合，不断增大。当它们大到可以影响其轨道上的邻居，就成为微行星或星子（planetesimals）。它们是建筑太阳系的基石。它们可以将其轨道上的其它物质清除干净。最后，只有一小部分直径10km-100km的流星体和彗星能逃出行星的引力。大概花了一亿年形成了八大行星，再用10亿年经过不断的碰撞，基本将太阳系清理干净，形成太阳系。在太阳系以外，通过测量行星掩食，行星引力使恒星发生轻微移动等方法，发现了很多恒星有行星。
让我们先看太阳系的主导——太阳。太阳是一个中等大小的典型的恒星，半径为70万千米，质量为为2.0×1030千克，平均密度1400kg/立方米，与木星类似，是地球密度的1/4。自转周期约一个月，极地最慢，赤道区域最快。表面温度约5800K。太阳分成光球层(photosphere)，色球层(chromophere)，过渡层(transition zone)，日冕(Corona)。光球层以内为对流层，辐射层和日核。日核是核聚变发生的区域，氢聚变为氦，释放能量和中微子，很大一部分能量以中微子的形式以光速进入空间。太阳处于流体力学平衡状态(hydrostatic equilibrium)。即向外的压力与向内的引力拉力互相平衡。这是太阳既不坍塌到核心也不扩散到空间中的原因。能量从日核向外的过程中，温度逐渐下降，粒子运动没那么剧烈，有机会形成原子。气体由相对透明变得不透明。在辐射区边缘，距离核心约50万公里，太阳核心所产生的光子被吸收，没有光子能到达太阳表面。这些能量通过对流形式传递，在整个对流区，能量通过气体物理运动传递到太阳表面。离核心越远，气体变得越薄，不足以进行核聚变。理论建议正好在光球层范围以内。随着气体变透明，辐射再次变成能量传递的最主要机制。数以百万计的米粒组织存在于对流层，在光球层以下。每个米粒组织是由对流元胞的最顶端形成的。这是对流确实发生的证据。在色球层，常有成为日针(spicule)的小的太阳风暴，将物质喷射到太阳上层大气中。日冕的温度更高，超过光球层，在一万公里的高度，超过一百万度，磁场分布可能是其原因之一。太阳时刻以太阳风的形式放出电磁辐射和快速运动的粒子，主要是质子和中子。每秒有两百万吨物质以太阳风的形式离开太阳。太阳有一个强烈和复杂的磁场，太阳磁场形成了太阳黑子，黑子区域比周围区域温度低约1000K。黑子的磁场常比其附近的光球层磁场强1000倍。黑子是磁力线进出太阳表面的区域。日珥是受太阳磁场影响下从日冕内层射入太阳表面的物质。耀斑是太阳大气中接近活动区域发生的另一种比日珥更剧烈的太阳活动。
太阳系的八大行星可分为类地行星和类木行星两大类。类地行星包含水星，金星，地球，火星；类木行星包括木星、土星、天王星和海王星。水星：离太阳最近，被太阳潮汐锁定，没有大气，环形山很多。金星：浓密的大气，以二氧化碳为主，温度高，大气活动剧烈。没有磁场。没有明显的地质活动。亮度高。地球：目前已知唯一有生命存在的星球，以氮气和氧气为主的大气，固态内核和液态外核，有适宜的磁场。有液态水。有一颗卫星——月球。月球被地球的引力潮汐锁定了。火星：与地球类似，有大气但较稀薄，有干冰形成的季节变化。有曾经存在液态水和生命的迹象，但现在没有了。有太阳系的最高峰奥林匹斯山。木星：质量最大的行星，气态行星，有固态内核，大气组成主要是氢气和氦气。大气有特征性的条带和大红斑。有强磁场。有卫星系统，其中最大的四颗形成了轨道共振。有微弱的环系统。土星：第二大的卫星，也是气态行星，密度较低，大气活动性低于木星。自转较快。有特征性的明显的环系统，环中间有很多裂隙。有60多颗卫星组成的卫星系统，其中土卫六泰坦有大气和水，可能存在生命。天王星：自转轴与公转轨道平面平行，躺着绕太阳转的。大气主要由氢气组成，大气活动不活跃，有卫星系统和微弱的环。海王星：距太阳最远的行星，大气活动剧烈，有类似大红斑的大暗斑，但已经消失。同样有卫星系统和微弱的环。
除了八大行星，太阳系还有很多碎屑，包括小行星，彗星，柯伊伯带星体，流星体等，它们是太阳系起源的记录。小行星大多数直径小于300km，位于火星和木星之间的小行星带上，还有被称为特洛伊的小行星群，位于木星公转轨道前后的拉格朗日点上。近地小行星撞击地球可能是恐龙灭绝的原因。彗星轨道很大，会周期性接近太阳。接近太阳时受太阳风的吹击会形成很长的慧尾。按周期长短可以分为长周期彗星和短周期彗星。彗星由冰块和尘埃组成。短周期彗星来自于柯伊伯带，长周期彗星来自于奥尔特星云，其方向是随机的。冥王星因为其质量不足以清除其轨道上的其它星体，被认为是矮行星。类似的矮行星又发现了好几颗。小的流星体来自彗星的碎片，沿彗星轨道分布，当地球与其重合时就产生流星雨。大的流星体来自于小行星带，是偏移的小行星。没有在大气中完全烧毁落到地面上的流星体称为陨石，主要有石质陨石和铁陨石两种。它们都是太阳系最古老的物质。
一个很重要的问题：我们是不是宇宙中唯一的生命。我们面临的问题是，我们的行星是目前所知的唯一有生物和智慧生命存在的行星。宇宙的演化是从简单到复杂。我们是耗时上百亿年的难以置信的复杂事件链条的结果。生物体能对周围环境做出反应并修复损伤，能进行新城代谢，能产生后代并把自己的特性传递给后代，其遗传物质能够突变并以此来进化以适应环境。根据一些平庸假设，生命将在宇宙的各处起源和演化。也有相反的观点认为地球上的智慧生命是一系列极端幸运的事件，极不可能在宇宙的另一个地方再发生一次。米勒实验证实了可以从一些简单的物质中产生复杂的有机分子。也有观点认为有机分子起源于星际空间，然后通过彗星撞击等途径进入地球。生命通过进化在地球上逐渐由低级到高级的发展，最终产生了具有智能的生物，人类。人类又经历演化，形成了人类文明。太阳系中发现了一些生命迹象（或曾经有生命的迹象），但没有其它智慧生命存在的可能。通过德雷克公式，用一些主观的数值来计算银河系中可能存在的智慧文明的数量，与智慧文明存续的时间有关系。存续时间越长，银河系拥有的智慧文明就越多，智慧文明之间的平均距离就越短，智慧文明间的接触就越容易。搜索地外智慧文明的努力，主要是送出标志人类文明的探测器，先驱10号和旅行者号就带了这样的东西。但它是漫无目的的，耗时也非常长。另一个更现实的途径是通过电磁辐射。通过天文望远镜接收可能的地外文明的电磁信号。人类使用电磁波近百年，有很多电磁波辐射到了空间中。我们搜索的主要频率为波长介于18cm-21cm的水洞频段。正在进行的最著名的搜寻项目是SETI，目前为止没有发现地外生命的信号。
最后讨论一下宇宙的命运。宇宙学是研究整个宇宙的结构和演化的科学。宇宙中已知最大的结构，叫思隆长城(Sloan Great Wall)。没有证据显示宇宙在大于三亿秒差距的范围外有任何非随机的结构。通常假设宇宙在大尺度范围里是均一和各向同性的。这被称为宇宙学原理。根据宇宙学原理，宇宙没有边界也没有中心。由于奥伯斯佯谬(Olbers’s Paradox)——如果宇宙在空间和时间上都是无限的，我们看到的星光应该是无限亮的——宇宙必然不可能在空间和时间上都是无限的。由哈勃红移推测出宇宙在遥远的过去是聚集在一起的，称为原始火球。然后宇宙在一个称为大爆炸的过程中不断膨胀，产生了所有的物质和能量。宇宙在空间和时间上都不是无限的。大爆炸同时发生在宇宙所有的地方——因为大爆炸时宇宙所有的地方都聚集在一个点里。宇宙本身膨胀引起的红移叫宇宙学红移，描述了从光发出以来宇宙膨胀的量。宇宙大爆炸是现代宇宙学的核心。宇宙的结局有两种可能:永远持续膨胀或停止膨胀，开始收缩。这取决于宇宙的平均密度是否达到了关键密度——足以让宇宙停止膨胀，开始收缩的密度临界值。广义相对论认为宇宙的几何学仅取决于宇宙实际密度与关键密度的比例。宇宙学家将这一比例称为宇宙密度参数，以Ω0表示。平均密度太大，Ω0大于1，宇宙将会停止膨胀，开始收缩，是闭合宇宙，用黎曼几何来描述。平均密度太小，Ω0小于1，宇宙将会永远膨胀，无限延伸，是开放宇宙，用马鞍形几何来描述。平均密度刚好等于关键密度，Ω0等于1，宇宙将会保持均衡，为平直宇宙，用欧几里得几何来描述。可见物质只是宇宙总质量的一小部分，如果这就是全部，宇宙将会是开放宇宙。暗物质质量是可见物质的约10倍，但是算上暗物质，Ω0仍然小于1，还是开放宇宙。普通物质和暗物质一共的密度只有关键密度的25%-30%。并不足以阻止宇宙的膨胀。但是通过研究遥远星系的超新星，发现宇宙在过去的膨胀速率比现在要小，即宇宙膨胀是在加速。推测其原因之一是暗能量。暗能量的排斥作用扩大了宇宙的大小，从而加速了宇宙的膨胀。在宇宙早期其效应微不足道，但是今天，它成为了宇宙膨胀的主要控制因素。随着宇宙的膨胀引力的作用在减弱，暗能量的排斥效应在持续增加，引力再也跟不上。宇宙将继续膨胀且速度会越来越快，宇宙将会永远膨胀下去。暗能量的来源可能是“真空能量”或者“第五元素”。按不同的膨胀速率假设推测宇宙的年龄为90亿年-140亿年，实际观测的宇宙年龄为138亿年。非常接近匀速膨胀的宇宙年龄。另外宇宙中发现的最古老的天体的年龄小于宇宙年龄。宇宙大爆炸时发出的光为伽马射线，经过138亿年的膨胀，红移，现在成为了射电波，温度约4K。射电观测发现宇宙各个方向遍布这样的均衡的背景辐射。这些都是大爆炸理论的证据。
接着，我们来总结一下天文学的思维方式和研究方法。
由于天文学的研究对象绝大多数离我们非常的遥远，除了研究地球（或者再加上月球和少量可以派探测器登陆的行星，小行星，彗星等）等极少数对象以外，我们只能依靠间接的方法进行观测。主要就是星体发出或反射的电磁辐射了（近期又增加了中微子、引力波等其它手段）。观察和实验成为探索天文奥秘的主要工具。主要方法是通过观测，建立理论——用来解释观察到的现象并对真实世界作出预测的想法和假设的框架，理论必须持续经受检验。天文学家常常建立关于物体和现象的已知性质的理论模型，然后用模型作出未知的预测。如果实验和观察证实了这些预测，这些模型就被暂时接受并继续发展，否则，这些模型就要作出修改或被放弃，无论一开始看起来这个模型是多么好。这套程序就叫科学方法，这将科学与伪科学、科幻区分开来。
这个过程是永远持续的，一个理论只要有一个观测或实验反例就可以被否定（证伪），而无论有多少正确的实验和观测都不能证明一个理论“正确”。随着理论被检测的情况增多，我们对理论的信心也增加，但随时可能有反例出现。现代科学理论的几个特点:①必须是可检测的(可证伪)，这与宗教等相区别；②它们必须持续被检验，检验的结果也同样要被检验；③它们必须是简单的(奥卡姆剃刀原理:如无必要，勿增实体。)；④多数科学家认为科学理论需要很优雅。在科学的前沿领域，常常出现不同理论之间难以下明确决断的情况，科学方法要求我们持续的检验相互竞争的不同理论。模型是科学方法的内在组成部分，只要模型的预测符合实际观测。对科学的理论的检验在于其在不同于其建立的条件下的预测能力。科学理论总是对实验和观测数据的回应，先建立理论框架再填东西进去。科学是人的实践，科学家和其他人一样有情绪和个人价值观，但是经过不断的批评和辩论，科学议题将获得客观性。通过要求测试和提供证明，科学界能摆脱个人主观意见，在批评者中间达到更加客观的观点。理性的质疑和重复检验是现代科学方法的特征。对于很多难以精确量化的问题，可以对影响因素提出一些估计，给出一个预测值。一个误差很大的预测值总比没有预测值要好（例子：对银河系中存在智能生命的概率的推测）。天文学研究中有很多基本思想或假设，如物理定律的普适性：物理定律物理规律在遥远的地方与在地球上一样的有效；哥白尼原理：地球不是太阳系的中心、太阳不是银河系的中心、银河系也不是宇宙的中心，即宇宙中没有一个特殊的位置；宇宙学原理：宇宙在大尺度范围里是均一的和各向同性的，宇宙没有边界也没有中心。
下面来看看天文学的具体研究手段。天文学研究不能直接到达的天体的主要方法：运用我们从地球上得知的物理规律研究这些天体所发射出来的电磁波。可见光只是电磁波的一小部分，依靠很多设备，天文学家可以研究整个电磁波，包括无线电波，红外线，紫外线，x射线，γ射线等。区分电磁波的唯一特征是其波长或频率。黑体辐射的规律在物体温度与波长之间建立了联系，多普勒效应在电磁波源运动与电磁波波长改变之间建立了联系。光谱是将入射电磁波分割为其组成的不同波长的谱线。光谱分为连续谱线，间断谱线，发射谱线、吸收谱线，形成的原因各不相同，从而可以研究波源或波源与我们之间的介质的物质组成和性质。研究可见光的工具是望远镜，主要分为反射望远镜和折射望远镜，作用都是收集特定范围内的光线并汇聚到一起供分析的仪器。观察射电波用射电望远镜。研究红外线、紫外线、X射线、γ射线等频域的电磁波，由于地球大气的阻挡，主要通过空间望远镜来完成。现代天文学进入了全谱观测的时代，天文学是一个数据驱动的科学。
最后是我的个人收获和疑问：看了这本书，对现代天文学有了一个全面的了解，从起源的大爆炸一直到宇宙将来的命运。但是因为是入门的书，不可能太深入（主要是不能放太多太复杂的公式），只能给结果了。不过这本书好在还是基本上给出了这些结论是怎么来了，整本书也贯穿科学方法的介绍和应用。要想更深入，去看更多更具体的书吧。看完书还是有很多疑问：大爆炸这一时刻之前真的什么都不存在吗？（尽管作者说这个问题没意义，大爆炸就是时空的起点，起点之前无所谓“之前”）此时此刻我能在这里敲这些字，有太多的巧合：能量与物质解耦的时候，正物质比反物质多了十一分之一；宇宙的平均密度正好等于使宇宙保持平衡的关键密度；正好在太阳系的第三颗行星地球产生智慧生命......天文学有趣的就是这个地方，能让人感到自己的渺小。具体我感兴趣的领域，一个是天体力学，计算轨道什么的。另一个就是促使我看本书的原因，黑洞啦。再找书看吧。
完整的读书笔记有17万多字，最关键还有很多书里的截图，我做成pdf文件放到百度网盘上分享吧，不知道能存在多久。
https://pan.baidu.com/s/151EjC6WC9GcLy1gbHClSHA
我发文章的三个地方，欢迎大家在朋友圈等地方分享，欢迎点“在看”。
我的个人博客地址：https://zwdnet.github.io
我的CSDN博客地址：https://blog.csdn.net/zwdnet
我的微信个人订阅号：赵瑜敏的口腔医学学习园地 |
|
窥视卡
雷达卡
发表于 2023-3-1 18:05:50
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
抢沙发
显身卡
