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1700921604 开普勒
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1700921606 前面我们谈了黑洞和超新星,它们都能发出巨大的能量。不过在这些天体之外,还有一种能量更大的天体,那就是伽马暴。
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1700921608 什么是伽马暴呢?我们在《给孩子讲量子力学》中提到过伽马射线,它是一种能量很高的光子。所谓的伽马暴,就是一种能释放出大量伽马射线的天体爆发现象。它的爆发时间可以很短,短到只有百分之一秒,也可以很长,长到超过几小时。伽马暴发射出来的能量有多大呢?这么说吧。如果我们的银河系内有伽马暴出现,而且它发射的能量正好对准地球,那地球上的所有生命都会被毁灭。小朋友们应该还记得,银河系的直径有10万光年。隔着这么远的距离,依然能毁灭地球,大家可以想象伽马暴到底有多可怕。甚至有人猜测,地球历史上的某些生物大灭绝事件就是由银河系内的伽马暴所导致的。关于生物大灭绝,我们会在第四讲中详细说明。
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1700921610 有趣的是,伽马暴其实并不是由天文学家发现的。20世纪60年代,美国和苏联之间的竞赛很激烈,不仅体现在航天方面,也体现在核武器竞赛方面。为了探测苏联人有没有偷偷地试爆核弹,美国在60年代发射了12颗贝拉卫星,这些卫星可以探测到核弹爆炸之后发射的伽马射线。结果,贝拉卫星探测到了大量来自宇宙深处的伽马射线。观测表明,这些射线都来自固定的方向,所以只可能是某个天体发射出来的。伽马暴就这么阴差阳错地被这些军事卫星给发现了。
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1700921612 伽马暴的爆发其实也是巨大的恒星燃烧到最后的结果,有的可能是黑洞和中子星合并的结果。幸好,目前所有探测到的伽马暴都来自银河系之外,离我们非常遥远。此外,伽马暴发出的能量都集中在一个比较窄的圆锥里,就像是手电筒发出的光。所以,伽马暴扫到地球的可能性是微乎其微的。
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1700921617 当然,银河系内伽马暴的爆发导致了地球上的生物大灭绝只是一种猜测,但也有这种可能。所有的伽马暴都只能出现在星系早期的历史中;由于我们的银河系已存在了好几十亿年,它就不会再出现伽马暴了。为什么有这种猜测呢?因为目前看到的所有伽马暴都离我们很遥远,这意味着当我们发现它们的时候,距离它们的爆发时间已经过去了好几亿年。
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1700921619 总结一下,在这一讲中我们讲到了宇宙诞生于137亿年前的一场大爆炸。我们的宇宙不是静止不变的,它的年龄也是有限的。在整个宇宙中,存在着大量有趣的天体,例如黑洞、超新星和伽马暴,也许还有一些我们尚未发现的。人类在过去50年中对宇宙的认识发生了很大的变化,在未来的50年中还会发生更大的变化。
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1700921621 延伸阅读
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1700921623 1 在不同的古代文化中有类似宇宙大爆炸的神话传说。比如,在中国的神话中,创世之初有一个中央大帝叫混沌,还有南北两个大帝分别叫倏和忽。混沌经常款待倏和忽,于是倏和忽为了报答混沌,决定为其凿开七窍,但混沌却死在了这场“手术”中。混沌死之前,还生了一个儿子,名叫盘古,盘古开天辟地,才有了我们这个宇宙。
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1700921625 2 当然,不论是中国古代神话,还是希腊古代神话和埃及古代神话,都是为了解释天地宇宙的起源而想象出来的,与现代宇宙学不同。这从一点就可以看出:在很多神话中,天与地占有同样重要的位置。今天我们知道,大地只是地球,地球是宇宙中很小的一部分。
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1700921627 3 根据大爆炸理论,宇宙在开始的时候由一团很热的粒子组成,温度比太阳中心的温度还要高很多。时间越向前推,温度越高,甚至不会有上界。当然,事实不是这样,因为当温度高到一定程度,我们使用的物理学定律就失效了。由于这个极高的温度的确定和普朗克有关,因此它叫普朗克温度,大约是一亿亿亿亿摄氏度。
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1700921629 4 正文中提到的阿尔法是著名物理学家伽莫夫的学生。伽莫夫研究原子核,他最先想到,如果勒梅特的宇宙大爆炸理论是对的,那么在大爆炸的最初时期,原子核是不存在的,只存在组成原子核的核子。当温度稍稍降低后,核子才会形成比较轻的原子核,例如氦和锂。
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1700921631 5 伽莫夫和学生阿尔法一起写了一篇论文,谈元素在宇宙中是怎么合成的。伽莫夫这个人擅长恶搞,将当时并没有和他们一起研究宇宙的贝塔也加进了论文作者名单中,于是,这篇论文的作者就是:阿尔法、贝塔、伽马(伽莫夫)。
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1700921633 6 我们一般用宇宙大爆炸来指宇宙开始含有炙热的粒子的阶段。后来,有人问粒子是从哪里来的?为了回答这个问题以及其他问题,美国人古斯提出了暴涨宇宙。也就是说,宇宙大爆炸只适用于暴涨宇宙之后的宇宙发展。在宇宙暴涨那一刻,宇宙的大小差不多有篮球大小,可能小一些,也可能大一些。
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1700921635 7 暴涨宇宙是怎么回事呢?是这样的,宇宙在空空的、没有粒子的时候,经过了一段十分短暂的迅速膨胀期,从一个微观的宇宙膨胀到一个篮球的大小,且是一种巨大但不是粒子的能量使宇宙迅速膨胀。物理学家对这种能量有好多种猜测,但并不确定。在迅速膨胀结束后,驱动宇宙暴涨的能量变成了粒子。
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1700921637 8 暴涨宇宙可以用来解释我们宇宙中各种壮美结构的起源,这些结构包括恒星、星系以及更大的结构。但现在还没有支持暴涨宇宙最可靠的证据。物理学家还在紧张地为证明暴涨宇宙做实验。
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1700921639 9 科学家掌握了原子核合成之后的宇宙发展过程,包括宇宙微波背景辐射的来历,很多元素的合成,恒星的形成,星系的形成……其中有很多曲折的历程。在淼叔做研究生的时候,宇宙发展的这些细节还没有出现呢。
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1700921641 10 当然,如果我们将时间推到原子核合成之前,就有很多不解之谜。例如,为什么宇宙中有粒子,却没有多少反粒子?苏联物理学家萨哈罗夫对此有一些推测,但需要更多的细节和证据。
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1700921643 11 另外,早在20世纪30年代,美国天文学家茨维基就觉得星系中存在暗物质。现在,暗物质的存在被主流天文学家接受。大家一致认为暗物质不会是黑洞和温度很低的天体。
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1700921645 12 如果暗物质不是黑洞和温度很低的天体,那它到底是什么?多数人认为是一些新粒子,和我们的物质世界中的粒子不怎么发生作用。中国科学家在锦屏山的隧道中进行了探测暗物质的实验,其结果和目前为止国际上其他类似的实验一样,并没有探测到暗物质粒子。
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1700921647 13 过去一段时间,中国学术界在争论到底是否要建造大型粒子对撞机。建造大型粒子对撞机的目的之一是探测暗物质粒子,但这种尝试有点危险,因为暗物质粒子与粒子之间的作用很可能比我们想象的还要弱很多,这样就不会在粒子对撞机上出现。
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1700921649 14 当然,我们需要保持开放的心态,如果有条件,就要探索未知。目前,宇宙中最大的未知就是暗物质,以及下一讲中将要解释的暗能量。
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