從相對論到暗物質，百年間人類對宇宙十大顛覆性認知

從相對論到暗物質，百年間人類對宇宙十大顛覆性認知

每天漲知識

2016-12-08閱讀原文

對於人類來說，20世紀是至關重要的一個世紀，在這個100年里，人類開始真正地打開雙眼來認識我們所處的奇妙的宇宙。在這意義重大的100年里，每隔十年，我們都對宇宙有了顛覆性的認識！

1910s：愛因斯坦的相對論解釋了牛頓的理論無法解釋的現象——水星繞太陽的軌道。這當然還遠遠不夠，一個科學理論除了能解釋我們現在所觀測到的現象，還需要能預測我們尚未察覺到的事實。愛因斯坦的相對論顯然做到了，比如時間膨脹、引力透鏡、紅移以及黑洞等，都逐步得到了驗證。自此，人類的宇宙觀發生了翻天覆地的變化！

1920s：我們原本還不知道我們的銀河系之外的宇宙，直到埃德溫·哈勃1920s的偉大工作才改變了這一切。哈勃在觀測一些螺旋星雲時，發現了一些與銀河系中類型相似的獨特的變星。根據它們的光度可以推測它們位於數百萬光年之外，這遠在銀河系範圍之外。哈勃沒有就此止步，進一步測量了數十個星系的距離和退離速度。哈勃給了人類一個更廣闊的宇宙，哈勃望遠鏡就是為了紀念其作出的突出貢獻而命名的！

1930s：在很長一段時間，人們認為如果能夠計算出所有天體和宇宙氣體、塵埃的質量，就能得出宇宙的總質量。然而，通過觀察位於密集的星系群的星系，弗里茨·茲威基發現僅憑我們所謂的「正常物質」還不足以解釋星系群內部的運動情況。他推測還存在一種不同於「正常物質」的東西，稱之為暗物質。但是，直到1970s弗里茨·茲威基的發現才得到重視。現在，我們知道，暗物質和暗能量佔據了我們宇宙的絕大部分。

1940s：儘管大量的資源被用於間諜衛星、火箭以及核技術的發展，理論物理學家們仍舊在默默無聞地努力。1945年，伽莫夫提出了宇宙膨脹的推斷：如果宇宙正在膨脹和冷卻，那麼它過去的溫度和密度必然是更高的，讓時間倒流，就會出現一個極度炙熱和緻密的點。如果這是真的，那麼在恆星形成之前，宇宙應該始於特定比例的最輕的元素，並且在宇宙中應該有一個稍高於絕對零度的餘暉向所有方向滲透。這就是「大爆炸」理論的框架，是20世紀40年代最偉大的理論。

1950s：隨後，弗萊德·霍伊爾和一些人提出了大爆炸的競爭理論——宇宙恆穩態理論。最引人注目的是，他們認為地球上目前的重元素並非在宇宙早期形成的，而是由前幾代恆星的產生。霍伊爾和他的同時還詳細地解釋了元素是如何在恆星核聚變的過程中產生。他們在未經觀測的情況下成功預測了氦通過聚變轉換成碳的過程。在這個意義上來說，我們了解到了地球上的所有重元素的起源都歸功於前幾代恆星。

1960s：經過了20年的爭論，一次至關重要的觀測揭開了宇宙歷史的真相：人類發現了宇宙大爆炸的餘暉，或稱為宇宙微波背景。 Arno Penzias和Bob Wilson在1965年發現了宇宙中2.725K的輻射，然而他們倆都沒有意識到他們成了這一偉大發現的首創者。隨著時間的推移，宇宙微波背景進一步被測量，宇宙大爆炸理論得到有力地證實。

1970s：1979年底，一個科學家提出了一個貫穿他一輩子的想法。 Alan Guth希望找到解決大爆炸理論中無法解釋的問題的方法。在大爆炸理論中，宇宙為什麼如此平坦？宇宙中所有方向的溫度為何如此一致？宇宙為什麼就沒留下超 高能量遺迹？Guth引入了一系列的改進來建立一套現代的大爆炸理論模型。之後的觀測——包括宇宙微波背景的波動、宇宙中大尺寸結構以及星系團的特性都證實了他的預言。

1980s：在1987年，人類觀測到了離地球最近的一次超新星爆發，這也是人類在具備中微子探測器後的第一次超新星爆發。雖然我們在其他星系觀測過許多超新星爆發，但是如此之近的還是第一次，以至於讓我們有可能探測到中微子。這也是中微子天文學的開端，人類開始深入地研究中微子。

1990s：如果你認為暗物質和宇宙的起源是個大命題，那麼1998年關於宇宙滅亡的結局發現將更讓你吃驚。歷史上，我們對宇宙的滅亡提出了三種可能：

引力最終獲勝：如果宇宙有足夠多的物質和能量，那麼最終引力將克服膨脹趨勢。宇宙的尺寸將會達到最大值，直到其膨脹速度將為零。經過一段充足的時間，宇宙將變回最初熾熱、緻密的狀態，宇宙的命運將終結於所謂的「大緊縮」。膨脹最終獲勝：如果宇宙沒有足夠的物質和能量，那麼最終引力將無法克服膨脹趨勢。遙遠的星系將繼續遠去，儘管其遠去的速率再下降，但不會下降到零，這將無法逆轉。最終，一切都會變得相距如此遙遠，宇宙將終結於所有的一切都接近絕度零度的狀態:「大凍結」。臨界狀態：在這種情形下，如果宇宙中多一個質子，那麼宇宙將坍塌，終結於「大緊縮」；如果宇宙中少一個質子，那麼宇宙將無限膨脹，終結於「大凍結」。這樣，宇宙膨脹的速率將無限逼近零，同時也無限接近坍塌。

但是，1998年的一份研究數據驚呆了全人類——這份數據顯示，我們的宇宙竟不是按照上面三種情況的任一種在發展。宇宙的膨脹速率不會持續下降，所有的星系將離我們越來越遠，而且離得越來越快，加速離我們而去。宇宙終將消逝，留下一片孤寂。

2000s：對宇宙微波背景的觀測並沒止於1965年，對宇宙微波背景輻射的波動的測量，給了我們對宇宙更進一步的認識。比如，在宇宙中我們所知的正常物質只佔了4.9%，神秘的暗物質和暗能量各佔了27%和68%。

那麼。2010s我們會有哪些重大的突破呢？我們將迎來引力波天文學嗎？我們會發現暗物質究竟是什麼？或者，我們會發現宇宙中地球以外的生命？

這一切，都只能讓時間來回答！