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双信使天文学纪元来临,空间引力波天线,听宇宙最初的心跳

字号+ 作者:米人网 来源:www.lilin111.com 2020-01-23 06:00 我要评论( )

对于每一个热爱科学的人来说,没有什么能比找到宇宙演化的秘密更令人激动和兴奋的事情。相比于人类的历史,宇宙的历史其实简单明了,然而限于我们今天的技术能力,......

对于每一个热爱科学的人来说,没有什么能比找到宇宙演化的秘密更令人激动和兴奋的事情。相比于人类的历史,宇宙的历史其实简单明了,然而限于我们今天的技术能力,人类对于宇宙的探查止步于宇宙诞生之后40万年。我们这里就来探讨一下,如何倾听宇宙诞生之初的“心跳”。

双信使天文学纪元来临,空间引力波天线,听宇宙最初的心跳

一、宇宙的演化与物理定律的对称性

20世纪初,科学家们普遍认为 :宇宙是永恒的,没有开始也没有结束,是 一个稳定的宇宙。但是到了20世界的20年代,天文学家们的观测有了惊人的发现:宇宙在膨胀,星系彼此之间正在远离。但是对物理学不了解的小伙伴还是会问:科学家们,是哪里来的勇气可以推演宇宙的演化?

其实,这源自物理学的对称性。我们向天上扔一个石头,它向上的运动速度就会越来越慢,直到速度为零,然后下落,速度又越来越快。如果我们把这个过程用摄像机拍下来,然后倒序播放给观众看,观众并不会发现其中有什么不对。

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在宇宙的大尺度范围内,发挥重要作用的是引力,而引力正是一种保守力。保守系具有时间反演对称性,这就是科学家们有能力推演宇宙演化的依据。如果星系正在退行,那么它们以前一定是比较近地靠在一起。

星系汇集在一起,物质的密度增加了,温度升高。原子溶解到它们的组成部分中。质量变成纯能量。这个倒放的电影放出137亿年或许是更久远之前的场景——我们现在观测到的整个宇宙的星系——塌缩为无限小、无限紧密的、无限热的数学奇点。

时间走到了零,宇宙开始了!

如果您对保守力的反演对称性还不甚了解,可以订阅我的专栏《零基础物理学入门——力学篇》,专门有一节专门讲述了这个内容。春节期间价格大放送,仅售9.9元,欢迎订阅。

二、宇宙年龄的测定

永恒的宇宙难以想象,而宇宙有一个开始就更难想象了。它是从哪里来的?是什么导致了它的开始?但天文学的观测数据不容否认。星系退行的速度可以通过它们发出的光线到达地球之后被望远镜观测量出来。

星系的距离是从星系中星星的表观亮度——已知亮度的超新星或某些类型的变星的表观亮度——或从整个星系的表观亮度估算出来的:亮度越小的星星或者星系就会离我们越远。这个道理就跟我们看距离越远的路灯会越暗的道理是一样的。

从这个测量星系距离的方法上看,精度是很差的,这就会导致对宇宙年龄的估算要相差几十亿年。不过还好,可以确定的是,宇宙的年龄要远大于地球的年龄(46亿年),否则我们的天文观测和物理定律就一定出了什么问题。

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第一种测量宇宙年龄的方法在20世纪20年代就被发展出来。利用白矮星的冷却速度来测量其年龄,这是因为,慢慢消失余烬的星星不再产生能量。

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