宇宙中有哪些超出常人想象的现象？

a四四

果壳画的真实比例月食示意图
源：Sina Visitor System【刷屏醒目】真实比例的月食示意图

Q8612

没想到收到这么多赞。借着这个答案写一点题外话。因为这点题外话好懂，所以写在前面了。其实是两个话题，我写在自己的个人公众号里面了。除了写这个，我最近还写了一些关于古罗马历史的东西。小小的公众号求关注：younglings_2011
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我想在这里写写，我们是怎么适应了我们的宇宙，我们观察到的宇宙为什么是这个样子，最后说一点题外话。
初级版本
高中物理教材在讨论黑体辐射的时候，都是把太阳当做理想黑体的。太阳的温度是6000开尔文左右。太阳发出的光最大功率的频段就是可见光。有些宗教人士会说“这是上帝给人的恩惠”。其实是我们的眼睛为了适应太阳光而进化。因为太阳的温度是六千度左右，所以在某一频段上辐射的强度最大。而人类在昼间活动，自然要能看到最强的光线，也就是太阳光。
为什么25摄氏度是我们最舒服的温度，也不是什么上帝的恩惠，而是我们就是在这样的温度下进化而来。
远古的海洋盐度是0.9%，我们今天医院里用的生理盐水浓度也是0.9%。
知乎上有过一个很有趣的问题，为什么这个世界上没有哥斯拉那样可怕的巨兽？其实不是没有，而是我们人类就是。这个世界上绝大多数动物都是昆虫的大小，而在蚂蚁和蚂蚱面前，我们就是哥斯拉一样的存在。
我还真的想要讨论动物的大小问题。
在恐龙时代，不光恐龙长得那么巨大。白垩纪的蜻蜓也能长到一米长。我们知道，维持一个物体的形状不变，这个物体越大，表面积/体积的比值就越小，而对于生物体来说，这个比值太小，会导致生物体和外界物质交换困难。而所有的生物体，都需要排出废物，不断吸收营养。这也是为什么无论多大的生物，细胞只能长那么大。
对动物来说，想要得到足够的氧气。动物长得越大，就需要更大的肺。更大的肺，是指肺在身体中占据的比例也更大。
中生代的空气中，氧含量高达32%，而现在的空气中含氧量21%左右。所以中生代的空气足以支持恐龙那样的巨兽，今天的空气不能。
进阶版，进阶到真正物理的梗了呢。
真正物理的梗，我们观测到的宇宙为什么是这个样子的？
霍金在《果壳中的宇宙》里面讨论了几个很有趣的问题。其中一个就是“人存定理”，用我们的存在本身，来解释为什么我们观测到的宇宙是现在这个样子。因为只有在这样的宇宙中，我们才能生存，所以我们观察到的宇宙只能是这个样子。似乎能解释很多不好解释的问题：
为什么空间是三维的？或者说，为什么空间不是二维的？不能是四维甚至更高维度的？
二维的空间不足以容纳生命的复杂结构。霍金在《果壳中的宇宙》里面就给了一个例子：二维的骆驼。二维的骆驼怎么吃掉一个苹果？把自己分成两半吗？



为什么空间不能是四维甚至是更高维度的？
我们知道静电力和万有引力都是与距离的平方成反比的。我想这是因为我们生活在三维空间当中，而三维空间中存在着高斯定理。对电场来说，在一个封闭曲面上做对电场做积分，积分得到的通量和曲面内包含的电荷量成正比。而高斯定理使得这些力成为平方反比的作用力。



如果空间是四维的，电场力和万有引力想必会和距离的三次方成反比吧。三次方反比的结果，是电场力和万有引力的梯度太大，会撕裂我们所见的所有物体，就像土星撕裂土星环一样。
为什么土星环不能聚合成一颗真正的大卫星，而是只能形成一团尘埃和碎石漂在轨道上？土星环离土星太近了，它被土星引力的梯度撕裂，不能构成一个卫星。绝大多数星球都是靠引力来凝聚的。而在土星这样一个大家伙面前，土星环上的那些尘埃，不能靠自身的引力来对抗土星环的引力梯度，所以被撕裂。
在强大的引力梯度影响下，靠自身引力聚集已然不可能。所以只好靠分子间的作用力来聚合。可是聚合出来的东西，自然不会是那些大块头。毕竟只有引力的作用距离有那么远。



行星的引力梯度尚且如此，宇宙中最可怕的引力梯度就是黑洞。黑洞的引力梯度，大到可以撕裂比太阳大几百倍的恒星。



而真正接近黑洞的视界时，面对强大的引力，所有的物质结构都会被撕裂，包括我们刚刚说过的靠分子间作用力聚合的物体。即使是那些我们所以为牢不可破的结构，分子，原子，核子，那些我们所知道的最强的力：电磁力、强相互作用，面对真正的奇点，统统都是战五渣。
在四维的空间中，就会出现类似的问题。四维空间中，代入高斯定理，引力的表达式呈现三次方反比。而这个三次方反比的引力，无疑会有更大的梯度。这样引力梯度会撕裂我们。所以，我们不能生活在四维空间中。
霍金用人存定理解释的又一个问题是，为什么宇宙存在至今，是150亿年？
化学元素的产生，来源于大恒星内部的核聚变。碳、氧、氮，这些元素支撑着我们的生命。一颗大恒星从氢开始，在自身引力的作用下聚集，塌缩。在这一过程中，引力势能转化为这些氢分子的动能，也就是内能。内能不断积累，高温高压之下，氢聚变。聚变的结果，就是形成了更多更复杂的化学元素。
需要产生真正足够数量的重的化学元素，需要无数大恒星前仆后继地聚变，自然是需要更多的时间。
大恒星完成了它们的生命周期之后，这些化学元素在宇宙中游荡，重新在引力的作用下聚集，形成了像地球这样的行星。地球上无机物之间的化学反应，机缘巧合形成了有机物。有机物的化学反应更加复杂，慢慢出现了生命。一切等待都是那么漫长，150亿年之后，终于出现了我们人类这样的生命体。所以，我们观测到的宇宙是150亿年。






人存原理的逻辑是这样的：因为只有这样的世界能容纳我们，只有在这样的世界中我们才能存在，所以我们观察到的世界是这个样子的。
进阶+1版
万有引力是怎么产生的，有个很有趣的解释。
有个解释是，广义相对论所讲，物体的质量使空间弯曲。物体在空间中运动，而空间被庞大质量所扭曲，就出现了万有引力的效果。
然而我想讨论的是另一种解释。
两个物体，构成了一个势阱。根据不确定性原理，空间中波函数的位置和动量不能同时精确地测量。这个“不能精确测量”的意思，不是我们技术手段不够，而是说粒子和波的运动本身就是不确定的。势阱中的波函数不能是零。如果波函数是零的话，就违反了不确定性关系。所以，空间中的波函数一定是某一个基态。现在我改变两个物体之间的距离，也就改变了这个势阱。这个势阱中波函数的基态也就相应地改变，也就改变了波函数基态的能量。
物体的位移导致了能量的改变，这正是一个保守力的特征，所以万有引力诞生了。
终极版，接下来的内容是关于相对论的，可能对不懂物理的同学造成成吨伤害。
我直接略去了相对论发现的过程，感兴趣的亲们可以看霍金《果壳中的宇宙》第一章《相对论简史》；我也略去了相对论的公式推导，感兴趣的亲们可以去看大学物理教材。舒幼生《力学》北京大学出版社。这本书折磨了我一个学期之久。
其实为了写这一段，我确实花了一天时间从头到尾地推公式，然而我决定在这里把公式都略掉，毕竟我没在写教材。
狭义相对论中提出了不同于常识的时空变换：在不同的参考系下观测，时间和空间都会变化。洛伦茨变换引出了“动钟变慢”和“动尺收缩”的效应：如果一个物体，相对于我，以接近光速的速度在运动，我认为它的时间变慢了，我认为它的长度缩短了。
一个例子是来自宇宙射线中的μ子，在10-20km的高空中产生（大概是二次粒子吧）。实验测量之下，μ子的寿命（半衰期）大概是2.2μs（                    ）。就算μ子用光速飞行，它们再衰变之前能走过的平均距离也只有0.66km。然而，我们在地面上就能观测到大量的μ子。
在μ子的参考系看来，地球在以接近光速运动，而动尺收缩效应，使得大气层变薄了。μ子认为自己并没有走10km，它走的距离还是0.66km。
在地球参考系看来，大气层还是那么厚。但是因为动钟变慢的效应，μ子的寿命大大延长了。也就是说，运动中的μ子寿命是远大于2.2μs的，μ子可以走完10km到达地球。
如果是一列火车，以接近光速的速度开进山洞呢？假设火车和山洞在静止时长度是相等的。那么在火车司机看来，山洞是运动的，所以缩短了，比火车短。在山洞门口的保安看来，火车是运动的，所以火车比山洞短。
现在保安做这样一件事情：在关上山洞后门的同时，打开山洞的前门。达到的效果就是，有那么一瞬间，火车是整个被关在山洞里面的。把火车关在山洞里面，就证明火车真的比山洞短了，对吗？然而在火车司机的参考系看来，火车还是比山洞长的，这怎么解释呢？
然而，在火车司机的视角来看，是山洞的前门先打开了，若干时间以后，山东的后门关上了。其实火车还是比山洞长的。
时间是什么？我们日常生活中对时间的测量，是基于对同时事件的观测。“两点钟我出门”也就是，钟的指针指向两点钟的时候，我出门了。但是我们用什么办法来对钟？我的意思是说，想要确定两件事情是“同时”，本身就很难。我们怎么知道时间？看表吗？但是看表的时候，信息也是以光速到了我的眼睛里啊。
对时间的测量，只有完全在同一地点，才是完全准确的。我在看表的过程中，“六点钟”这个信息以光速传递到我的眼睛里，这已经经历了一段时间。所以，这个测量其实是不严格的。
对距离的测量，只有同时测量，才是准确的。我测量一个桌子的长度，只有在t1时刻测量桌子的左边是x1, 右边是x2, 这样测出来的长度是准确的。如果我在t1时刻测量桌子左边x1,在t2时刻测量右边是x2，谁又知道这段时间里桌子动过没有呢？
洛伦茨变换本质上强调的是同时，同一地点的相对性：同时和同地的观测需要信息的传递，而信息的传递需要时间。因此，在不同的坐标系中，对不同的观察者而言，会出现不同的同时、同地标准。理解了这一层，就明白为什么长度和时间会随着坐标系的变换而改变。
洛伦茨变换的基础是：所有的参照系都是平等的，没有一个绝对静止的参照系；在各个参照系中，光速都是不变的。然后就是一系列推导了。
有了洛伦茨变换，动钟变慢和动尺收缩，就不难推导了。
想要测量时间，必须同地。想要测量空间，必须同时。而相对论对传统时空观真正的颠覆，就是提出在不同的参考系下“同时”和“同地”的标准都会变的。
而在刚刚山洞关火车的例子里：在火车司机的视角看来，保安测量火车长度这个行为并不同时，所以测量得不对。
相对论的另一个有趣的问题是双生子佯谬了。
双胞胎兄弟，一个留在地球上，一个坐着飞船去旅行。运动是相对的，所以在飞船上的哥哥看来，地球上弟弟的时间变慢了；在地球上的弟弟看来，飞船上的哥哥的时间变慢了。所以问题来了，哥哥和弟弟到底谁更年轻？
一直以来，很多人认为这个题目要诉诸广义相对论：哥哥在飞船上，要返回地球，要做加速运动。作加速运动的结果就是，他比弟弟更年轻。
在这里我想说的是，其实这个问题在狭义相对论的框架内就能解决。相对论的基本假设在于，在任何参考系中真空光速不变、两个事件之间的间隔不变。间隔的表示如下

在我们平时对间隔的定义下，两点之间直线最短。然而在这个公式对“间隔”的定义之下，就成了两点之间直线最长。图中红线是坐飞船的哥哥在时空中的路线，蓝线是留在地球上的弟弟。

那么，不管哥哥飞出去多远，他想要回到地球跟弟弟比谁更老，都要走一条折线。两点之间直线最长，所以，弟弟走过的间隔线是比哥哥更长的。那么，这个问题的结论是：在任何一个参考系眼里，哥哥都比弟弟要年轻。
最后一个问题是爱因斯坦的那个著名的公式  

讲的是质量和能量的对应关系。这个公式到底是什么意思？我还特意讨教过好几个老师。答案是，其实在狭义相对论的语境之下，我们是不区分能量和质量的。质量就是能量，能量就是质量。就像我们在称体重的时候不会区分地球的重力和我们身体的质量一样。
质量守恒在相对论的语境之下，则表示动质量守恒。（洛伦茨变换的另一个结果，运动的物体质量会变大）而物体动质量与静止质量之差，就是它的动能了。

星星糖SUNG

小时候我就梦想做一个宇航员，对神秘莫测的宇宙充满了兴趣，但是这辈子也难以窥得其中亿分之一。网络上有很多关于宇宙的视频，所以我花时间整理了其中的一部分，管中窥豹吧。还可以通过软件，比如目前已知的自由和最真实多样性的宇宙沙盘——Space Engine，去模拟的宇宙空间里自己探索。
对于一个这辈子都不可能走出地球之外的普通人来说，我希望有更多的人收藏这个回答，当我们有时间的时候，能够停下脚步静下心来，忘记一天的烦恼，沉浸在浩瀚神秘的宇宙之中。
同时，我还为所有知乎的知友准备了一份大礼，让大家方便快捷的找到知乎各个话题下的精彩问题，请看————
史上最全的知乎话题整理，没有之一！
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http://www.acfun.tv/v/ac1144268                18分钟讲述宇宙的历史
http://www.bilibili.com/video/av1581611/  20分钟宇宙诞生到地球毁灭
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http://www.bilibili.com/video/av327446/    90分钟浓缩呈现世界的历史

悦刈

来来来，做个扫盲启蒙教育。看图说话：

理论上来说，任何有质量的物质，只要它的“自然半径”小于它的“史瓦西半径”，就可以变成黑洞。


假设使用外力作用将我们的太阳挤压到只有一个小城镇那么大，那么开始挤压吧：


一下变小了好多，但是你以为这样就够了吗？


又变小了好多，但是你以为这样就够了吗？


刚刚才挤压到能匹配地球的尺寸，还早呢。那么继续。


压的比已经比地球要小了，但是还要继续。


差不多压倒这么大。


我们的太阳就变成黑洞了。


或者是将我们的地球挤压到花生壳这么大，地球也会变成黑洞。

现在我们对一个物质的自然体积尺寸和黑洞体积尺寸已经有了初步的概念，接下来，开始脑洞大开。

这时，飘来一个叫做XTE J1650-500的黑洞。


实际上它也就是和曼哈顿城区的大小差不多，是目前我们已知的最小黑洞。


这个小黑洞的质量大约是我们太阳的3-4倍。


让我们继续脑洞大开，缩小视图，忽略这个小黑洞吧。


结果就飘来这么一个东西，名叫M82 X-1的黑洞。


这个黑洞的体积和火星的大小差不多。根据之前的史瓦西半径的比例来进行反推的话，它的质量是。。。


等于多少个我们的太阳质量呢？


其实还没有完。。。




这个黑洞的自身质量相当于1000个太阳，而它的体积只是和火星相当。这个黑洞在我们人类的认知领域中还只算是中级黑洞。那么，更牛逼的是什么呢？


中级黑洞，拜拜吧。我们来点击“Bai度地图”上的“减号”按钮，拼命的缩小视图。


点击几百次的“减号”按钮，好像还是没有任何反应，所以继续点击，缩小视图，扩大视野范围。

。。。
。。。

不知道点击了多少次的“减号”按钮。等等，好像有东西来了。


来了来了，就是这么个东西。来自凤凰星云团中心的超大黑洞。它到底有多大呢？


是的，你没看错。中间那一小片就是我们的整个太阳系。这个黑洞的直径是太阳到冥王星距离的19-20倍。这家伙的体积尺寸实在是太。。。。太大了。

再次根据“史瓦西半径”比例来进行反推，你能想象到这个超级黑洞的质量有多大吗？
来吧，放飞你的想象力：



你以为这样就完了吗？ 拿衣服！



相当于我们多少个太阳的质量？不知道。但是，你以为这样就完了吗？
拿衣服！！




自觉点，接着去拿衣服。



你们就静静的看着我继续装逼。




结束了，真的结束了。
这个超级黑洞的质量相当于20000000000个（200亿）太阳的质量。


而这个黑洞只是茫茫超级黑洞中的其中一个而已。。。


我们太阳系所位于的银河系中央也有一个黑洞，它的质量相当于400万个太阳。


上图为人类探索到的已知超大黑洞排行榜的前10名，刚刚那个200亿的凤凰星系中心黑洞，也不过刚刚排到老六的位置而已。。。

扫盲启蒙普及结束，我也是现学现卖。请各位毫不吝啬地赞美吧。
原视频百度盘下载：http://pan.baidu.com/s/1sjACm41
在线视频原始链接：https://www.youtube.com/watch?v=QgNDao7m41M

boma

最奇妙的地方莫过于我们和宇宙之间的关系，我们所见到的一切包括我们自己身上的绝大多数元素都来自宇宙最具毁灭性的现象——超新星爆炸。


超新星爆炸来源于恒星爆炸，我们的太阳就是一个恒星，但因为质量太小不足以引起超新星爆炸。但所有的恒星都是一个元素合成装置，我们的太阳先把最小的原子氢合成成氦，当氢元素用完时，恒星会把氦合成成碳，碳再合成成氧。从相对原子质量表中可以看出元素越来越重，恒星正在“组装”元素。但我们的太阳因为质量不够大，把元素组装成碳就已经是极限了，如果我们的太阳开始合成碳，说明也寿命将至。


如果是我们的太阳大小的恒星耗尽所有核燃料。它最后会坍缩成只有地球般大小的白矮星，如果这是个双星系统（没有基础知识的话可以想象成两个太阳的系统），它就会开始吸引另一个恒星的物质，碳和氧会继续合成成铁，一旦吸积了足够多的物质并达到了约为1.38倍太阳质量，达到一个叫钱德拉塞卡极限的时候，这颗白矮星将会爆炸，我们称为Ia型超新星。



Ia型超新星爆炸后把大量铁元素抛向宇宙空间，最后变成了每一个在你体内为你运送氧气的铁元素和你家的锅。因为白矮星每次都在到达约1.38倍太阳质量爆炸（钱德拉塞卡极限），所以每次的亮度是一样的。这个特性也让Ia型超新星成为极佳的宇宙里程标，对比每颗Ia超新星的明亮程度我们就可以知道它离我们的距离，点亮宇宙的超新星也是天文学家测量宇宙的明灯。


那铁以上的元素怎么办，比如人人都想要的金。因为原来只能合成铁的原因是因为我们太阳的质量太“小”了，无法再合成更重的元素，那更重的恒星是不是可以合成更重的元素？答案是肯定的，更重的恒星会在死亡时坍缩，引发更大的压力，从而制造出更重的元素。
你体内的各种重元素、手中的金戒指也许有的就来自这个级别的恒星坍缩时的内核。这些恒星有多大呢？

我们的太阳这么大，左下的小点是我们的地球。


为了合成更重的元素，恒星需要非常重的质量，这样的恒星不需要双星系统就可以自己引发超新星爆炸，比如海山二，质量约在太阳的150倍左右，亮度则约是太阳的500万倍。越重的恒星合成的元素越多，合成速度也越快。


但越重的恒星并不意味着越大。参宿四，质量仅为太阳的18-19倍，但体积比海山二还要大约300倍，约为太阳的7.29亿倍，如果它是我们的太阳，它可以触碰到木星的轨道。光度为太阳的12万倍，是全天第10亮星。


但这不是宇宙中最大的恒星，比如这颗——大犬座VY星，质量只是太阳的20倍左右，但体积是太阳的30亿倍左右。人类所观测到的宇宙中最大的恒星——盾牌座UY，体积则达到了太阳的50亿倍左右。


这就是为什么金子值钱的终极原因，因为越重的恒星越稀有。
越重的恒星越狂暴，它们会很快耗完自己的燃料，但同时他们也会快速地制造大量元素。它们会进一步合成钒、铬、锰、铁等重元素。但一旦出现铁（对就是你家用来炒菜那个锅），这颗恒星就药丸，铁会吸收掉核聚变的力量，这颗恒星一下失去了核聚变向外推的力量会被自己强大的引力回吸，一下子坍缩成一个点，超大的压力会使恒星内核进一步合成更重的元素，比如金。探索越过临界值则会引发超新星爆炸。把合成的钒、铬、锰、铁、金等重元素抛向太空，这些元素再慢慢聚合形成下一个恒星或行星，如此反复.......

如果像上面海山二这种级别的恒星如果死亡，将会引发更猛烈的爆炸——超超新星（Hypernova）。爆炸除了抛射出极大量元素到宇宙空间，还会留下一个遗产——黑洞。很多人都会觉得黑洞是个毁灭性的东西，但就跟超新星一样，宇宙中毁灭和创生就跟太极一样都是循环往复的，这玩意儿在我们银河系中心就有一个，这个黑洞在银河系的演化中扮演着极其重要的角色，如果没有这个超级黑洞，你我也将不复存在。



而我们的银河系是如此之大，以至于像太阳这种恒星就达到了4000亿颗。图中每个小光点就是一个像我们太阳系一样的恒星系统。银河系直径约为120,000光年。


但比起我们的邻居仙女座，我们还是嫌小了。



但比起M87星云，邻居仙女座还是相形见绌。


但比起我们找到最大的星系IC-1101，我们的银河系小到几乎不存在。


我们来看看组装到一起，整个宇宙长什么样。


然而这个我们所认知的最大的物体，居然和我们所知道的最精巧细腻的物体——大脑，在结构和构成过程上有惊人的相似之处。


也许下次你仰望星空，你知道我们都来自那里，来自能照亮宇宙的最绚烂烟花超新星爆炸，我们身体的每一个部分，所用的每一个部件，都来自极为狂暴的恒星内核。
是的，我们都是星尘之子。《圣经》说：“你本是尘土,仍要归于尘土。”
天文学家说“你本是星尘，仍要归于星尘。”


------------------------------------------------2016.2.10号更新线--------------------------------------------------------
今天看到了个非常有意思的视频，天体物理学家 Neil DeGrasse Tyson 接受《时代周刊》的一个采访时被问到，“关于宇宙，你觉得最震撼的事实是什么？”，有人将他的回答做成短片。
The Most Astounding Fact (Neil DeGrasse Tyson)—在线播放—优酷网，视频高清在线观看
Tyson给出的回答和这篇答案非常有趣地不谋而合，短片的音乐还配上了The Cinematic Orchestra的《To Build A Home》，歌词的最后几句贴在下面：

And I built a home
For you
For me

Until it disappeared
From me
From you
And now, it's time to leave and turn to dust.