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宇宙已知和未知的一切-电子书下载

简介

大爆炸证明了神的存在吗?
我们的宇宙消失了大半?
你该如何在黑洞中生存?
UFO事件是真的吗?
火星人炸了我的狗?
天文学家为什么会谋杀他的宠物麋鹿?
……
在宇宙中,我们遇到了太多难以置信的东西,也面临了最大的谜团。
你想看的,这本书里都有!
充满激情的科学教育家蒂姆·詹姆斯继《元素周期表何以解释一切》和《量子和粒子物理学何以解释一切》之后,为我们带来了这部“科学三部曲”的收官之作!
现在,让我们把目光由微观转到宇宙,这个人类能研究的最大、最古老、最热、最冷、最奇怪的东西——一切的起点,一切的终点。

作者介绍

[英] 蒂姆· 詹姆斯 Tim James
高中教师,YouTube博主、博客博主以及Instagram博主,英国流行科学作家。他教授化学和物理,每年为物理研究所做讲座,也曾作为科学专家出现在BBC电台。
蒂姆是被尼日利亚的传教士抚养长大的。取得化学硕士学位后,他专攻量子力学。毕业后他直接进入课堂,把科学教给每一个愿意听的人。国内出版作品:《元素周期表何以解释一切》《量子和粒子物理学何以解释一切》《宇宙已知和未知的一切》。

部分摘录:
第一章 很大,很老,很怪 天文的边界 无论哪位作家想要描述宇宙的大小,都会面临困境,因为其所涉及的数字非常极端,以至于有些人认为根本没有尝试的必要。但关于宇宙的书籍,有哪本会连试都不试一下的呢?
我们需要先了解空间物理所涉及的数字。在谈到“很多”的时候,我们会随意抛出“百万”“十亿”这样的词,但这些数字差别很大。举例来说,1百万秒相当于11天半,十亿秒相当于31年(如果你还感到好奇,那么1万亿(1)秒相当于32个千纪)。当我们竭力思考将要发生什么的时候,请记住这个比较。
我们还需要了解一个事实:地球到太阳的距离是1.5亿公里(9300万英里)。假设你决定乘坐世界上最快的载人飞机SR-71黑鸟式侦察机(Lockheed SR-71 Blackbird)从地球飞往太阳,它的速度可以达到约每秒1公里(0.6英里),以这个速度从伦敦到旧金山只需要2.5个小时。
现在想象一下,你在11岁生日那天乘坐SR-71黑鸟式侦察机向太阳出发。你匀速行驶,一秒也不减速,在抵达目的地的时候,你已经中学毕业了。而这仅仅是单程。
地球绕太阳转的速度是SR-71黑鸟式侦察机的30倍。所以,如果想要有直观的感受,你可以回忆一下昨天的此刻你在做什么。不管你在做什么,你当时的位置和现在的位置相差250万公里(160万英里)。你正在以比子弹快50倍的速度飞行,每秒钟的路程相当于攀登三次珠穆朗玛峰。但即便地球的速度如此惊人,环绕太阳一圈也要花整整一年时间。
太阳可不是简单的火球,它能容纳100万个地球,这就像是在孕妇用的健身球里装满米粒,每一粒米都代表一个地球。太阳的质量如此大,能够吸引一定距离内的行星,最远可以到45亿公里(28亿英里)外的海王星。SR-71黑鸟式侦察机走完这段距离需要142年。
继续往外,我们就到了太阳系最大、最边缘的结构:奥尔特云(Oort cloud)。这是一个环绕太阳的、由冰和岩石组成的泡泡,半径为15万亿公里(9.3万亿英里)。从地球到奥尔特云,一束光需要经历一年半时间,SR-71黑鸟式侦察机则需要耗费47.5万年——比人类存在的时间还久。
离我们第二近的恒星是南门二恒星系(Alpha Centauri)——一个由比邻星(Proxima Centauri)、半人马座α星A(Alpha Centauri A)和半人马座α星B(Alpha Centauri B)构成的三合星系统,它到地球的距离是奥尔特云到地球距离的两倍。从地球到南门二,光需要4年时间,SR-71黑鸟式侦察机则需要120万年。
再往外,我们就到了其他的“太阳系”,比如名字很好听的沃尔夫359(Wolf 359)和名字不那么好听的拉兰德21185(Lalande 21185)。从地球到这两颗恒星,光需要8年,SR-71黑鸟式侦察机则需要240万年。距离还可以继续增加。
恒星簇集成碟状云。在没有光污染的乡村,当我们仰望夜空的时候,可以看到碟状云的边缘,就像一条光带从地平线的一端延伸到另一端——仿佛是星尘做的飞机云。
希腊人相信,这条发光的带状物是从女神赫拉乳房中喷溅而出的乳汁(milk),用于哺乳被遗弃在凡间的婴儿赫拉克勒斯(2)。这也是“galaxy”(银河系)一词的来源,希腊语中的“galaxias”就是“牛奶”的意思。这个故事也催生了银河系的另一个名称:the Milky Way。
银河系的大小一直是科学史上最大的谜,但2019年3月,美国航空航天局(NASA)的哈勃空间望远镜和欧洲航天局(ESA)的盖亚卫星“合作”,通过测量光密度,谨慎地计算出银河系的质量是太阳系的1.5万亿倍,其中包含大约2000亿颗恒星。这个数字相当于一朵云中水滴的数量。这太酷了!从字面意义上讲,我们真的生活在星云之中。
从这朵“云”的一边到另一边距离是100千万亿公里(6亿2000万亿英里),光穿行其间需要10.6万年。我们的太阳系绕着银河系的中心在轨道上运行,大约1.12亿年后到达轨道的另一边。这个数字对我们而言毫无意义,人类的历史甚至都没有达到过。
离我们最近的星云是仙女座星系(Andromeda galaxy),距离23百万兆公里(14百万兆英里),我们无法客观地看待这个数字。最接近的做法可能是这样的:我们想一想自己的银河系(SR-71黑鸟式侦察机要走300万年),仙女座星系到我们的距离是银河系大小的23000倍,其中包含1万亿颗恒星。我们所知的宇宙中至少有1000亿个星系,以上只是其中两个。
如果你在夜空中举起一粒沙子,它覆盖的区域至少包含10000个星系,每个星系都有数十亿颗恒星。至于有多少颗行星,只有雷神索尔(3)才知道。宇宙之大,超越巨大,超越庞大,超越博大,超越广大,超越宏大,超越浩大。我们只能用一个词来形容:“天文”。
它也很老 对宇宙年龄最精确的测量值大约是138亿年,误差在几十万年左右。这段时间足以一口气看完《加勒比海盗》(Pirates of the Caribbean)的五部电影。(4)如果你不喜欢看电影,还有另外一个很好的方法来想象时间的尺度。
天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)在1977年提出,我们可以把宇宙的一生压缩成一个日历年:宇宙诞生于1月1日的零点,现在的时刻是12月31日的午夜。【1】
在这个尺度上,人类的历史只持续了4分钟(实际持续了20万年)。相应地,恐龙在地球上游荡了1.7亿年,换算到宇宙历中只有四天——从12月25日的午餐开始,一直到12月29日残羹剩菜被一扫而空。
如果我们回到万物诞生之初,会发现在最开头的几千年里,一切都非常不同,因为那时还没有原子。当时,整个宇宙就像是发光的泡沫,充满了自由飘浮的电子、中子、中微子、质子和光子。直到38万年后,宇宙才冷却下来,足以让电子和质子结合并形成最简单的原子:氢和氦。或者,压缩到我们的宇宙历,1月1日零点后的大约14分钟,非原子的能量才形成稳定的粒子。
这些原子云叫作“星云”(nebulae),由于引力的作用,它们很快就开始向内收缩,原子核被压缩在一起,聚变成更重的元素。核聚变产生巨大的热量,足以对抗引力坍缩,从而使向内的引力与向外的热量辐射达到平衡。由此产生的热核等离子球就是第一个太阳——把轻元素烘烤成重元素的熔炉。不久,恒星摇篮也诞生了。
2016年3月,人类观察到了“GN-z11星系”,这是我们所知道的最古老的星系,似乎形成于宇宙诞生后的4亿年【2】;换算到宇宙历中是1月10日的下午3点,这个时候大概所有人都在想是否需要办一个健身房会员卡。
银河系中最古老的恒星表明,它形成于宇宙诞生后约8亿年,也就是1月21日左右,尽管那时诞生的恒星只剩下寥寥几颗。大多数初代恒星已经耗尽核燃料并解体,将更重的元素从恒星内部抛射出来,成为包括太阳在内的次代恒星的肥料。
形成我们太阳的物质在46亿年前(宇宙历8月31日夜晚)聚集在一起,但初代恒星的许多元素杂质并没有进入熔炉。相反,它们在太阳周围形成巨大的岩屑盘,这些岩石涡流最终变成了行星。
我们猜测行星是由岩屑凝结而成的,这并不是空穴来风:我们可以看到它正在发生。宇宙中有许多恒星等待观察,所以我们可以把望远镜对准那些刚刚凝聚起来的恒星。当然,每颗新生的恒星周围都有正在形成的行星。比如,七公增十七b行星(Smertrios)围绕着七公增十七恒星(HD 149026)运转,而名字不够有吸引力但更容易观察到的PDS 70b行星围绕着PDS 70恒星运转。【3】通过这些正在诞生的行星,我们可以实时观察行星诞生的每一个步骤。好吧,严格来说,这些行星诞生于很久以前,来自它们的光今天才到达地球。你知道我为什么这么说。
我们称之为“家园”的太阳系形成于宇宙历的9月1日正午,大约是太阳开始发光之后1亿年。四个内行星的外层大气被太阳风剥离,外行星的大气由于距离足够远而得以保留(5)。根据这一标准,太阳系可以划分为岩石内行星和气态巨行星两个区域。这两个区域之间有一圈小行星,它们是一颗夭折行星的残骸。
在宇宙历9月1日的大约下午6点,一颗叫“忒伊亚”(Theia)的小行星漫步到地球附近,并撞向了地球。撞击产生的碎片开始凭借自身力量绕着地球转动,最终在地球诞生1亿年后合并成另一个球体:月球。
在接下来的大约10亿年里,地球死气沉沉,遍地焦土。直到9月30日深夜以后,万物开始降温,大气中的水分凝结成海洋。不久之后,原始的生命形式开始在泥滩中发出咯吱咯吱的声音。这个过程仍然是科学界最令人兴奋的谜团之一。我们所知道的是,最早的植物在12月20日开始进行光合作用,并在5天后被前文提到的恐龙吃掉了。接着,人类出现了,在12月31日午夜前的4分钟大摇大摆地出现了。
我们可以想象在临近新年的时候每个人都大声地倒计时,那么苏美尔文明将在喊“十”的时候诞生,金字塔会在喊“九”的时候建成。倒数第四秒,罗马陷落了。倒数第三秒,维京人开始征服西欧。倒数第二秒,成吉思汗征服了亚洲,建立了史上最大的帝国。接着,在最后一秒,哥伦布登上了美洲的海岸,我们迎来了新一天的零点。
我们还可以放眼未来,继续拓展宇宙历的长度。关于下一个宇宙年太阳系将发生什么,我们可以做出可靠的预测。
从现在开始过3亿年,也就是1月8日,土星环会消失,变成雨水降落在土星表面(6)。如果你喜欢漂亮的行星环,不必担心:就在土星失去其装饰物的5000万年前,火星的卫星火卫一(Phobos)将在引力的作用下裂开,变成一个绕着火星的环,让火星拥有属于自己的呼啦圈。
再过50亿年,太阳中心的氢燃料也开始枯竭。目前,太阳的质量正在以每秒60亿千克的速度减少。一旦太阳消耗完氢能,引力就会占据上风,其外层就会崩溃。
与我们的直觉相反,在此之后,太阳的核心会继续受到长达数千年的压力,最终爆发出强烈的核聚变。它产生的能量将比以前任何时候都要高。太阳的外层会继续向太空中膨胀,它会变成一颗红巨星,吞噬水星、金星,最终也吞噬地球。在宇宙历的明年5月初,地球将永远消失。
再过10亿年,太阳的外层会溶解在周围的空间中,留下一个由发光原子组成的致密的核,这里曾是太阳燃烧的核心。我们把这个核叫作“白矮星”。白矮星是由氢、氦以及碳、氧等稍重元素组成的炽热的大晶体。说真的,白矮星就是炽热的大钻石,我不知道人们为什么通常不这样形容。
离我们最近的白矮星是大犬座(Canis Major)的天狼星B(Sirius B)。它比地球小得多,但在冬季,你可以用合适的望远镜看到它(至少在21世纪20年代初如此,之后它会隐匿在天狼星A后面,这是紧挨着天狼星B的大恒星)。其微弱的光点预示着我们的太阳将在宇宙历的明年6月变成什么样子。
太阳形成的晶体会缓慢散热,直到形成我们所说的“黑矮星”——恒星的冰冷残骸。然而,形成黑矮星所需要的时间比宇宙的年龄更长,因此宇宙中还没有这样的天体。但终有一天,太阳会凝结成一颗孤独的黑珍珠。巧合的是,这也是你刚刚看完的《加勒比海盗》电影中主船的名字。

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