人类对宇宙的探索 --- 科普分享

凌善慧

现代科学对宇宙的探索从未止步，相比较100年前我们对宇宙的探索已经从理论转换为实践。我们来看一看人类是如何一步步认识宇宙的。
地心说、日心说

地心说是公元2世纪由古希腊学者欧多克斯首先提出，又经亚里士多德完善，最后由托勒密进一步发展而来，这种说法持续了13个世纪。
        日心说我们通常认为是在16世纪由哥白尼（1473~1543年）首先提出，其实日心说首次出现的时间比地心说还要早，是在公元前300多年由阿利斯塔克首先提出。地心说与日心说不必多说大家都理解。
初识宇宙 --- 观测宇宙

第谷·布拉赫（1546~1601年）第谷是最后一位也是最伟大的一位用肉眼观测的天文学家，同时他也是一位占星师。他的观测对人类推翻地心说起到了不可磨灭的作用。第谷编制的一部恒星表相当准确，至今仍然有使用价值。可以说，作为丹麦天文学家的第谷，是近代天文学的奠基人。
        伽利略·伽利雷（1564~1642）伽利略对近代科学做了太多的贡献，这里只讨论他对天文学的贡献。1609年他创造了天文望远镜用来观测天体，发现了月球表面凹凸不平，又发现了木星的四颗卫星，土星光环、太阳黑子、太阳自转、以及银河的组成。
        约翰尼斯·开普勒（1571~1630）开普勒发现了行星运动三大定律，即：轨道定律：所有行星分别是在大小不同的椭圆轨道上运行、面积定律：在同样的时间里行星向径在轨道平面上所扫过的面积相等、周期定律：行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。
其实，最早的天文学家都是一些占星师，他们为了谋生而夜观星象。
认知宇宙 --- 结合现实观测形成理论

艾萨克·牛顿（1643~1727）1672年制造了反射望远镜。他用质点间的万有引力证明，密度呈球对称的球体对外的引力都可以用同质量的质点放在中心的位置来代替。他还用万有引力原理说明潮汐的各种现象，指出潮汐的大小不但同月球的位相有关，而且同太阳的方位有关。牛顿预言地球不是正球体。牛顿提出的万有引力定律解决了当时的一个世纪性难题，“为什么行星运动会遵循开普勒定律？”当时许多天文学家试图从各个行星的运行轨迹中找到太阳系总体行星的运行规律，可是却始终找不到。直到牛顿提出万有引力。万有引力等于引力常量乘以两物体质量的乘积除以它们距离的平方。天文学家根据这一定律终于初步掌握了天体的运动。这一切还都需要感谢另外一位天文学家。
        埃德蒙多·哈雷（1656~1742）虽然他本身也是一位很著名的人物，我们唯一能用肉眼观测的彗星 --- 哈雷彗星 就是以他的名字命名的。但是他对这个世界的最大的贡献就是将牛顿定律应用到天文学中，牛顿定律能够被这个世界所熟知都是因为哈雷。牛顿这个人性格孤僻，不善交际，而且极度敏感，一般人不喜欢与他交朋友，但是哈雷情商特别高，摸清了牛顿的脾气，与牛顿成为了好友，哈雷初次拜访牛顿的时候牛顿已经完成了牛顿定律的研究，只是他自己没有在意，也没有对外公布，当哈雷问起他关于天体运动关系时，他随口即答，随后由于哈雷的原因，牛顿将自己的理论整理了出来，并公布于世。
        在牛顿之后的200年里人们不断的对宇宙进行探索，得到了大量的宇宙观测数据。但是又出现了许多牛顿物理解决不了的问题。
接近神的人 --- 爱因斯坦（广义相对论）

  广义相对论将引力场解释为时空的弯曲，他的存在解决了许多无法解释的天文现象 如：水星近日点进动、光线在引力场中的弯曲、光谱的引力红移、引力透镜等，这些都是因为光线在经过大质量天体附近时由于引力场的存在导致空间弯曲。不过广义相对论在创立之后的半个世纪都被当做牛顿物理体系的一个修正工具。直到上个世纪60年代发现了强引力天体、宇宙微波背景辐射、黑洞等天文学现象广义相对论才被真正的重视起来。   
        广义相对论所得出的都是一些预言，都是后来被一点点证实，2016年2月11日，美国科研人员宣布人类首次观测到引力波，至此广相对论才被完整证实。此次观测到的是两个黑洞于13亿年前碰撞，两个巨大质量结合所引起的时空扭曲。
        广义相对论的两个基本原理：
1.等效原理：惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的。
理解：这个原理在我们高中的时候就有所接触。假设将你在一个密闭的箱子里并且处在一个未知空间中，此时如果箱子以一定的加速度持续向上运动你会感觉到自己的重量，但是你不知道这个重量的来源，你会有两个猜测
1.此时箱子在一个星球上，你所感受到的是由万有引力提供的重力。
              2.此时箱子正在以一定的加速度向上运动，你所感受到的是惯性力。
2.广义相对性原理：所有的物理学定律在任何参考系中都取相同的形式。
理解：我们平时所说的参考系无非就是平面直角坐标系与三维坐标系又叫做笛卡尔坐标系。这些坐标系的一个共同特点就是他的每一个维度都是直线，这是欧几里得空间的特性。还有非欧几里得空间，非欧空间是弯曲的，就像我们现在生活的地球，你觉得地面是平的，但是他有一定的曲率。


爱因斯坦还提出了光速不变原理即：无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这也为我们探测宇宙提供了有力帮助。
现代宇宙探测 --- 看不见的宇宙

宇宙大爆炸论：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。
宇宙大爆炸论认为，宇宙在达到一个临界密度之后就会开始收缩，最终整个宇宙会是大爆炸的逆过程---大坍缩。爱因斯坦通过现有数据计算出来宇宙的临界密度，但是现实世界中根据我们所能探测到的所有物质计算出来的临界密度却远小于临界密度。按照大爆炸理论，当宇宙密度大于临界密度的时候宇宙处于膨胀阶段，当密度小于临界密度的时候宇宙开始收缩。但是现在的情况却是宇宙密度远小于临界密度，但是宇宙却在加速膨胀。这就说明宇宙中有我们探测不到的东西。
        暗物质、暗能量
        暗物质最早在1932年被提出，他是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。虽然暗物质我们不能直接观测，但是可以通过各种天文观测知道它的存在。最好的方法就是引力透镜，当光线通过大质量天体的时候会发生弯曲。现在已经确定了暗物质的存在。
        至于暗能量，你可以将它理解为反引力，宇宙膨胀的主要推动者。新的一项研究发现，一部分暗物质正在消失，而导致他们消失的原因则是暗能量。暗能量很有可能在消耗着暗物质，如果这一推论正确那这种现象将对宇宙的未来产生重大的影响。
现代科学认为我们所能观测到的质量只能占整个宇宙的4%，剩余26%为暗物质，70%为暗能量。
人类的极限--- 可观测宇宙

先来说明一个长度单位 --- 光年 即 ：光在一年的时间内走过的距离。假设我们探测到一个距离我们3万光年的恒星，那么我们所看到的光是这个星球3万年前发出的，这个光行走了3万年的时间才到达地球。
        人类的可观测宇宙范围是半径为460亿光年的球体。可能有人会有如下疑问
    1.人类是如何探测出460亿这一距离的？
    2.不是说宇宙爆炸才137亿年么，怎么出来了460亿年？

    3.为什么超过460亿光年的距离探测不到？

解答：
第一个问题：
    人类探测宇宙最原始的方法是通过肉眼观察，再加数学模型计算，接下来就是雷达探测，但是雷达探测基础是电磁波反射，只适用于近距离探测，如果距离是几光年那就不适用了，之后又发明了三角测距，不过也不适合远距离测距。直到发现了光线的红移这一现象。
    在讲解红移是什么之前先了解一下什么是声波的多普勒效应：
    多普勒效应：这个现象就是当同一个声源，在具有一定速度向我们靠近时，我们听到的声音会更尖锐；而以一定速度离去时，声音会变得更低沉。比如我们日常听到的汽车、火车、救护车鸣笛声音，向着我们开过来时和离开时就不一样，就有这样的效应。这是因为声源向我们靠拢时，波长和频率受到压缩，波长就会变短，频率就会变高；反之波长就会变长，频率变低，这样声音听起来就会有变化。这里面有一个线性关系，靠近或远离的速度越快，声音变化得就越大。因此凭着这个规律就可以计算出声源靠近或远离的速度，或者知道靠近或远离的速度，就能够计算出声波的波长和频率。
红移：我们知道太阳光是有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、七种颜色组成。光具有波动性，不同颜色的光具有不同的波长与频率，光由红到紫波长逐渐变短，频率逐渐增强。光线的红移指的就是光谱向红端移动，即波长变长、频率降低。通过红移的多少我们就能知道光线远离我们的速度，再通过哈勃定律，我们就可以探测出光源与我们的距离。
        哈勃定律表述为：v=Hd
其中 v就是我们通过红移计算出的速度，H为哈勃常数。d就是距离。将其变形就可得到
                        d=v/H.
由此我们便得知了光源与我们的距离。

第二个问题：
其实这个问题不用过多解释，因为只有一种可能，宇宙的膨胀速度超过了光速。
第三个问题：
简单的说不是我们探测不到，而是光始终不会到达地球，因为宇宙始终在膨胀。这个问题不是很好解释，我就举个简单的例子。
        假设，一只虫子，他的爬行速度是1个单位长度每秒，而你现在吹气球，你吹气球的时候气球均匀膨胀并且可无限膨胀下去，且变化速率为每单位面积的气球表面每秒膨胀0.1个单位。

        现在你将这个虫子放在距离终点10个单位长度的位置，试想一下如果虫子始终朝着终点前进，你始终匀速吹气球，会出现什么情况。

        答案就是，虫子始终在距离终点10个单位长度的位置。永远不会靠近终点一步。这可以用一个算式表达出来：
          我们就看一秒的变化即可，实验开始一秒后的算式为 ：
            0.1 * 1 *10 +10 - 1 * 1 = 10；
算式解释：0.1（一秒每个单位面积的膨胀速率）* 1（一秒的时间长度） * 10（10个单位面积） + 10 （原始长度） - 1 （虫子的爬行速度）*1（一秒的时间长度）= 10；
            由此可以得出，小虫始终在原点。但是如果小虫距离我们的距离为9.9个单位，那么由算式经过一秒后小虫距离我们9.9个单位长度那么经过100秒小虫就可以到达终点。
        这里小虫就是光，气球的膨胀就是宇宙的膨胀，终点就是我们，因此我们能观测的光也是有临界距离的。
人类探索到的宇宙可能只是冰山一角，也有可能我们目前正在被高级文明注视着，那些科幻电影并不是毫无道理，毕竟人类文明的出现时间也才只用5000年，与整个宇宙诞生的时间相比较根本没有任何可比性，谁知道在这几亿年的时光里是否在其他星球有其他生命诞生了文明。
        国家能够花费大量资金、人力、物力在探索宇宙上也充分说明了他的重要性，第一，地球上的资源是有限的，特别是煤炭资源，石油资源，这些不可再生资源必须要找到足够的替代品，以及一些金属资源。第二，对外星生命的探索，不仅仅是为了友谊，更是为了保护我们人类自身，先发制人的道理大家都懂。
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我们的宇宙是一朵非常巨大而且美丽的盛开中的莲花！我们的银河系在其中的一根花蕊之中。

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宇宙是一片向日葵花海，银河系是其中一株向日葵的一颗葵花籽

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