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宇宙中最神秘的6個(gè)現(xiàn)象,搞明白其中一個(gè),科學(xué)都將突飛猛進(jìn)

 tjboyue 2020-11-03

雖然我們生活在宇宙之中,雖然我們是宇宙的一部分,雖然我們是由宇宙中隨處可見(jiàn)的物質(zhì)組成的,但是我們現(xiàn)在對(duì)宇宙可以說(shuō)只了解到了一點(diǎn)點(diǎn)皮毛。

宇宙依然有很多的未知等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn),依然有很多的秘密等著我們?nèi)フ业酱鸢浮?/p>

今天我就說(shuō)下在宇宙中,目前顯而易見(jiàn)的幾個(gè)未知現(xiàn)象,人類雖然發(fā)現(xiàn)了它們的存在,但是依舊對(duì)它們背后隱藏的真實(shí)原理并不清楚。

宇宙中最神秘的6個(gè)現(xiàn)象,搞明白其中一個(gè),科學(xué)都將突飛猛進(jìn)

這幾個(gè)未知現(xiàn)象分別是黑洞奇點(diǎn)、反物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量和快速無(wú)線電爆發(fā)。

雖然這些現(xiàn)象令現(xiàn)在的人們難以捉摸,但是它們確實(shí)是我們宇宙的一部分。了解這幾個(gè)現(xiàn)象背后的真理,將會(huì)為我們揭開(kāi)宇宙基本原理的神秘面紗。

首先是黑洞,它一直挑戰(zhàn)著現(xiàn)有的物理學(xué)。

宇宙中最神秘的6個(gè)現(xiàn)象,搞明白其中一個(gè),科學(xué)都將突飛猛進(jìn)

黑洞這個(gè)天體是上世紀(jì)二十年代廣義相對(duì)論預(yù)言的產(chǎn)物,雖然它是廣義相對(duì)論的一個(gè)數(shù)學(xué)解,但是就連愛(ài)因斯坦本人都不相信在現(xiàn)實(shí)宇宙中真實(shí)存在這樣的天體,并認(rèn)為這種現(xiàn)象只是數(shù)學(xué)上的奇跡。

但直到上世紀(jì)六十年代人們才發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級(jí)黑洞Cyg X-1的存在,以及后來(lái)在我們所處的銀河系中心通過(guò)計(jì)算周圍恒星的運(yùn)動(dòng)軌道,確定了在銀河系的中心確實(shí)存在一個(gè)質(zhì)量達(dá)到了400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng),且不發(fā)光的天體。

越來(lái)越多的證據(jù)表明,這種天體并不是數(shù)學(xué)上的一種可能,而是真實(shí)的存在與我們的宇宙中。

隨著觀測(cè)設(shè)備的發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在我們不僅確定了它的存在,還利用望遠(yuǎn)鏡獲得了第一張黑洞的照片,這顆黑洞位于M87星系中心,質(zhì)量達(dá)到了65億個(gè)太陽(yáng),是一個(gè)非常活躍的黑洞。

至于什么是黑洞?它的定義其實(shí)非常簡(jiǎn)單,就是時(shí)空中一個(gè)強(qiáng)大的引力區(qū)域,這個(gè)區(qū)域有一個(gè)界面,進(jìn)入這個(gè)界面的物體,包括光都會(huì)因?yàn)橐Φ脑驘o(wú)法逃脫出來(lái),這也是為什么我們要叫它黑洞的原因。

至于黑洞是如何形成的?現(xiàn)在我們只確定了一種途徑,就是質(zhì)量至少在15倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星,在燃燒完自己的燃料以后核心坍縮形成的,并且伴隨著巨大能量的爆發(fā),就是超新星爆發(fā)。

而核心坍縮就會(huì)留下一個(gè)密度無(wú)限大、體積無(wú)限小的點(diǎn),就是所謂的奇點(diǎn),這也是一顆黑洞的中心。

在這個(gè)核心的周圍就會(huì)存在一個(gè)視界面,穿過(guò)這個(gè)視界面的任何物體都會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地墜落到黑洞的奇點(diǎn)。

現(xiàn)在關(guān)于黑洞,我們只能知道它的視界面以外的事情,也能知道它的視界面范圍,但是關(guān)于視界面的里面我們就不知道了。

尤其是我們所說(shuō)的那個(gè)無(wú)限密度、體積又無(wú)限小的奇點(diǎn),到底是啥東西,我們不得而知。因?yàn)樗械目茖W(xué)家會(huì)說(shuō),在黑洞的起點(diǎn)處我們目前掌握的所有的物理學(xué)都不再成立。

因此黑洞現(xiàn)在對(duì)我們來(lái)說(shuō)依然是個(gè)大大的謎題,黑洞的奇點(diǎn)是否是通往其他星系或者是宇宙的通道呢?一切都是猜測(cè)。

還有,我們現(xiàn)在解釋了恒星質(zhì)量黑洞的形成,一般這些黑洞的質(zhì)量都很小,從數(shù)倍的太陽(yáng)質(zhì)量到數(shù)十倍的太陽(yáng)質(zhì)量不等;

但是我們還知道,基本上所有的星系中心都有一個(gè)龐然大物,這些黑洞的質(zhì)量都是數(shù)百萬(wàn)到數(shù)十億倍的太陽(yáng)質(zhì)量不等;

關(guān)于這些黑洞的形成現(xiàn)在依然是猜測(cè),有大爆炸形成的原初黑洞的說(shuō)法,有恒星級(jí)黑洞合并、吸積形成的說(shuō)法,但是我們無(wú)法驗(yàn)證確實(shí)。

宇宙中最神秘的6個(gè)現(xiàn)象,搞明白其中一個(gè),科學(xué)都將突飛猛進(jìn)

反物質(zhì)

反物質(zhì)的問(wèn)題是宇宙學(xué)中排名第一的謎題。

組成我們這個(gè)世界中普通物質(zhì)的亞原子粒子都有自己的反版本,這個(gè)不僅是在狄拉克的方程中被預(yù)言了出來(lái),而且我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)在云室中也檢測(cè)到了正電子的存在。

在往后人類建造得更加強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)中,我們發(fā)現(xiàn)了更多物質(zhì)粒子的反物質(zhì)版本。這說(shuō)明反物質(zhì)是宇宙的真實(shí)本質(zhì)。

現(xiàn)在可以十分確定,在標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子中都有自己的反版本。

例如構(gòu)成我們這個(gè)世界的電子,質(zhì)子和中子,它們都有自己的反粒子為反電子、反質(zhì)子和反中子。

這些反粒子同樣也可以構(gòu)成一個(gè)反物質(zhì)世界,區(qū)別就是反粒子的電荷相反。

根據(jù)現(xiàn)在我們對(duì)能量創(chuàng)造物質(zhì)過(guò)程的了解(對(duì)撞機(jī)中的數(shù)據(jù)),我們知道在大爆炸初期,能量創(chuàng)造物質(zhì)的時(shí)候,同樣也誕生了等量的反物質(zhì)。

但是我們現(xiàn)在看到的宇宙確實(shí)只存在正物質(zhì),反物質(zhì)卻消失了。關(guān)于為何反物質(zhì)會(huì)消失,這讓所有的科學(xué)家都感到頭疼。

現(xiàn)在我們可以在對(duì)撞機(jī)中制造十分微量的反物質(zhì),而且當(dāng)這些反物質(zhì)和正物質(zhì)相遇的時(shí)候就會(huì)發(fā)生湮滅,將兩個(gè)粒子中包含的所有的質(zhì)量都會(huì)在瞬間轉(zhuǎn)化為純能量。

這個(gè)現(xiàn)象,也讓人類產(chǎn)生了利用反物質(zhì)作為燃料,制造宇宙飛船的想法。

因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了極致,因?yàn)槿绻磺Э宋镔|(zhì)與一千克反物質(zhì)相互作用,將產(chǎn)生相當(dāng)于43兆噸TNT的能量。

但是想要制造1毫克反物質(zhì)要花費(fèi)1000億美元,而且時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年。

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暗物質(zhì),宇宙中消失的質(zhì)量

現(xiàn)在我們?cè)诘厍蛏稀⑸踔猎谟钪嬷心芸吹降奈镔|(zhì)都有由電子、質(zhì)子和中子組成的。按理來(lái)說(shuō),宇宙中現(xiàn)在存在的物質(zhì)就是我們現(xiàn)在看到的所有物質(zhì)。

但是現(xiàn)在又有很多的證據(jù)表明,宇宙中還存在一些我們看不見(jiàn)、且難以發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)粒子,這些粒子具有質(zhì)量,可以提供引力、以及感受到引力作用,但是就是無(wú)法發(fā)生電磁相互作用,可以說(shuō)除了引力以外,和正常物質(zhì)沒(méi)有任何的關(guān)系,這導(dǎo)致我們根本無(wú)法確定它們到底是什么。

最初發(fā)現(xiàn)它們存在的人是上世紀(jì)30年代的一位天文學(xué)家叫弗里茨·茲威基,他在觀察彗發(fā)星系團(tuán)時(shí),注意到了一個(gè)反常的現(xiàn)象。

就是其中的星系運(yùn)動(dòng)速度高于可見(jiàn)物質(zhì)質(zhì)量所能提供的引力,按理來(lái)說(shuō),這些星系這樣快速的運(yùn)動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致星系團(tuán)解體。

但真實(shí)的情況是星系團(tuán)好好的,這就說(shuō)明在星系團(tuán)中還有我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)在提供著巨大的引力。

茲威基當(dāng)時(shí)的結(jié)論就是宇宙中有缺失的物質(zhì),由于它們看不見(jiàn),因此稱為暗物質(zhì)。

但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有太多的人重視這個(gè)發(fā)現(xiàn),直到30年后,美國(guó)天文學(xué)家維拉·魯賓在研究單個(gè)星系的時(shí)候,根據(jù)星系所能提供的引力,以及星系外圍的旋轉(zhuǎn)速度得出,在單個(gè)星系中也缺失質(zhì)量,不然按照星系的旋轉(zhuǎn)速度,星系也會(huì)解體。

在此之后,暗物質(zhì)才真正引起了天文學(xué)家的注意,經(jīng)過(guò)了幾十年的研究,但現(xiàn)在都是個(gè)謎題。

暗物質(zhì)是什么?現(xiàn)在我們并不知道,只能說(shuō)它們是一種具有質(zhì)量的冷粒子,并且在宇宙中這種暗粒子的質(zhì)量是所有可見(jiàn)物質(zhì)的6倍,占了宇宙總質(zhì)能的27%。

而我們能看見(jiàn)的正常物質(zhì),只占了宇宙總質(zhì)能的5%。

這是天文學(xué)上的第二大謎團(tuán)。

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暗能量,一種神秘的、控制著宇宙的能量

上文說(shuō)了,正常物質(zhì)占了總質(zhì)能的5%而暗物質(zhì)占27%,那么剩下的大部分是什么?

剩下的68%就是我們現(xiàn)在要說(shuō)的“暗能量”。

從名字可以看出來(lái),我們并不知道這種能量形式是什么,但是它的效益且真真切切地影響著宇宙,左右著我們的未來(lái)。

上世紀(jì)二十年代,在哈勃的發(fā)現(xiàn)下,我們已經(jīng)了解到了宇宙在膨脹。但問(wèn)題是宇宙的未來(lái)是一直膨脹下去,還是引力最終獲勝,宇宙轉(zhuǎn)而收縮,還是引力和膨脹率最后相互平衡呢?

這是當(dāng)時(shí)人們關(guān)于宇宙未來(lái)結(jié)局的三種猜想,但是到了1998年的發(fā)現(xiàn),才讓科學(xué)家知道以上的三種可能都不對(duì),兩個(gè)獨(dú)立的天文小組通過(guò)對(duì)遙遠(yuǎn)超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在的宇宙不僅僅是在膨脹,而且是在加速膨脹。

也就是說(shuō)宇宙在未來(lái)會(huì)膨脹的愈來(lái)愈快,這也說(shuō)明了宇宙中有一種未知的能量為宇宙提供了抵抗引力的斥力,并且這種能量在宇宙膨脹的過(guò)程中,能量密度不會(huì)像物質(zhì)密度、輻射密度一樣不斷的下降,而是一直保持著一個(gè)常數(shù)。

因此科學(xué)家將這種未知的能量稱為暗能量。

類星體

宇宙中最神秘的6個(gè)現(xiàn)象,搞明白其中一個(gè),科學(xué)都將突飛猛進(jìn)

類星體就是類似于恒星的天體,但它們并不是恒星,只是看起來(lái)像恒星而已。這類天體距離地球十分遙遠(yuǎn),動(dòng)輒數(shù)十億光年,甚至是數(shù)百億光年。

所以我們對(duì)它們的了解非常小,雖然現(xiàn)在知道類星體比星系要小得多,但它們的中心有一個(gè)龐然大物的黑洞,這個(gè)黑洞為整個(gè)星核提供著能量。

上世紀(jì)五十年代,我們第一次捕捉到了類似恒星的來(lái)源不明的無(wú)線電波,現(xiàn)在我們知道類星體發(fā)射的輻射橫跨整個(gè)電磁頻譜,由于距離我們很遙遠(yuǎn),光線紅移的作用,導(dǎo)致我們?cè)诘厍蛏辖邮艿筋愋求w產(chǎn)生的強(qiáng)輻射,紅移到了無(wú)線電波段。

但是我們知道,黑洞并不發(fā)光,那么類星體中心的黑洞如何給它提供非常大的能量輻射的?

這是因?yàn)樵谶@些黑洞附近有很多的物質(zhì)、塵埃和氣體,它們進(jìn)入黑洞的引力范圍,就會(huì)在其周圍形成高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)。

吸積盤(pán)中的物質(zhì)會(huì)一直往下落,摩擦產(chǎn)生的能量會(huì)以電磁輻射的形式釋放出來(lái),由于黑洞具有強(qiáng)的磁場(chǎng),磁場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致帶電粒子被噴射出來(lái),形成物質(zhì)噴流。

因此類星體輻射的能量非常巨大,強(qiáng)大的類星體比整個(gè)銀河系要亮一千倍以上。

2017年,我們發(fā)現(xiàn)了迄今為止最遠(yuǎn)的類星體,它距離我們超過(guò)130億光年,是在大爆炸后6億年產(chǎn)生的。

由于類星體非常明亮,所以我們可以通過(guò)觀察它數(shù)十億年前的樣子,了解宇宙早期星系演化的過(guò)程。

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快速無(wú)線電爆發(fā),一種難以捉摸的短暫無(wú)線電信號(hào)

這種短暫的無(wú)線電信號(hào)是在2007年發(fā)現(xiàn),至于它的來(lái)歷現(xiàn)在依舊沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的解釋。

這種信號(hào)持續(xù)的時(shí)間非常短只有幾毫秒,雖然我們接受到它們的時(shí)候是在無(wú)線電波段,能量比手機(jī)信號(hào)的能量還要低。

但是要不是因?yàn)榧t移的作用,那么這種短暫爆發(fā)釋放的能量將比太陽(yáng)在一個(gè)世紀(jì)內(nèi)釋放的能量的總和還要多。

現(xiàn)在關(guān)于這些短暫、且零星的無(wú)線電爆發(fā)還有很多未知的地方,因?yàn)槲覀儾恢浪膩?lái)源。

但也有人認(rèn)為是快速旋轉(zhuǎn)的中子星、黑洞、或者是外星生命所為。

具體是哪種我們并不清楚。

總結(jié)

宇宙對(duì)我們來(lái)說(shuō)充滿了太多的未知,如果它是一本書(shū),那么我們?nèi)祟惉F(xiàn)在了解的只是零星的幾頁(yè)。以上6個(gè)問(wèn)題,只要能搞明白一個(gè),那么人類將進(jìn)入新的科學(xué)時(shí)代,至少會(huì)給我們帶來(lái)前所未有的驚喜。

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