11個科學發現塑造了我們現在的宇宙觀

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時間回到100年前，人類眼中的宇宙和現在大不相同。我們認為：銀河繫上千光年的遙遠恆星就是宇宙的邊際，天空中的漩渦星系和橢圓星系被認為就在銀河系中。宇宙還被認為是靜態的，並且牛頓的經典力學仍未被愛因斯坦的新理論所動搖。那時，還沒有大爆炸、暗物質和暗能量的概念。隨後的100年，一個個重要的科學發現逐漸讓我們更清楚的認識宇宙…

斯隆數字巡天紅外波段下的銀河系。100年前，銀河系就是我們概念中的整個宇宙。

Credit: ESA

1910s-廣義相對論

愛因斯坦相對論被證實！廣義相對論因能解釋讓牛頓經典力學費解的水星進動而聞名於世，但作為一個科學理論，僅僅解釋已有現象是不夠的，需要能夠正確的預測未知，並能夠被進一步驗證。此後的一個世紀里，相對論預測的時間膨脹、引力透鏡效應、慣性系拖曳效應和引力紅移等，均被一一驗證。第一個成功預言而被驗證的是引力場下星光彎曲。1919年，愛丁頓和他的夥伴遠征觀測日全食。經測量，星光在太陽附近的彎曲程度與愛因斯坦的測算值相近。從此，我們的宇宙觀發生了非常大的變化。

1919年倫敦新聞報道這一事件的插圖

1920s-銀河系外的世界

在此之前，人們認為銀河系就是宇宙的全部，哈勃徹底改變了這一認知。他持續觀測天空中的幾個渦狀星雲，通過比對那些「星雲」中的和銀河系內的造父變星，認為這些昏暗的恆星是在百萬光年以外，遠超過銀河系的範圍。除此之外，哈勃還測量了很多星系的距離和退行速度，揭示了龐大的、膨脹中的宇宙。

哈勃對仙女座星系造父變星的研究

Credit: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team.

1930s-暗物質

之前，很長時間人們認為測量出恆星的質量，還有氣體和塵埃的質量，如果把這些加起來基本就是宇宙的質量。弗里茨·茲威基通過觀測緻密的星系團，發現僅僅是星系團中的恆星、塵埃和氣體，無法解釋他們的內部運動速度。他認為存在我們直接觀測不到的暗物質，這一重大發現一直到七十年代才被重視起來，現在我們認為暗物質大量存在於宇宙當中，這些暗物質與常規物質的質量比大約是5:1。

后髮座星系團中心兩個明亮的大星系NGC4889(左)和NGC4874(右)，他們的直徑都超過100萬光年。但他們外圍的星系正快速分離，說明很有可能存在龐大的暗物質環貫穿整個星系團。

Credit: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

1940s-大爆炸

這個年代，雖然大量的實驗和觀測資源投入到火箭和核技術上，理論物理學家仍未停止努力工作。1945年，喬治·伽莫夫做出宇宙大爆炸的猜想：如果宇宙在膨脹和冷卻，那在過去它一定是熾熱和緻密的。在過去的某個時間，它的熾熱和緻密程度足以讓中性原子無法形成，在此之前甚至原子核也無法形成。這樣，在恆星還沒有形成的時候，最初的宇宙會存在特定比例的輕量「元素」，而現在宇宙的各個方嚮應該殘存略高於絕對零度的「餘光」。

大爆炸後的可見宇宙

Credit: NASA/WMAP Team

1950s-恆星物質演化

霍伊爾等科學家並不認同大爆炸理論，他們堅守「穩恆態宇宙模型」，雙方陣營激烈辯論重元素是何時和如何產生的。後來，「穩恆態宇宙模型」漸漸退出理論物理學的舞台，但是霍伊爾為代表的科學家關於重元素形成的理論是成功的，宇宙中的重元素並不是在大爆炸時形成的，比如地球上的重元素是太陽系幾代恆星演化的產物。

太陽的結構

Credit: Wikimedia

1960s-宇宙微波背景輻射

經過20年的爭論，一個重大發現確立了大爆炸理論！1965年，彭齊·亞斯和羅伯特·威爾遜發現了宇宙大爆炸殘留2.725開爾文的宇宙微波背景輻射。

如果我們可以看到微波，整個夜空都應該是像綠色區域這樣的背景輻射

Credit: NASA/WMAP Team

1970s-宇宙暴漲理論

1979年，美國科學家阿蘭·古斯提出了「暴漲理論」：宇宙的初期是一個異常熾熱和緻密的狀態，是一個指數級膨脹的狀態，所有的能量都束縛在宇宙結構中。也就是在大爆炸前也存在著一個快速演化的狀態和過程。後來，更多研究讓阿蘭·古斯的理論更加豐滿，逐漸發展成現在我們的宇宙膨脹理論。

宇宙膨脹示意圖

ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF task on CMB research

1980s-超新星

1987年，位於大麥哲倫雲的一個超新星被觀測到，這是自1604年以來有歷史記錄的第一個可以被肉眼觀測到的超新星。因為距離相對較近，這次超新星能夠讓我們捕捉到它帶來的中微子，這次超新星讓全世界多個探測器探測到20多個信號，標誌著中微子天文學的開始，分支研究包括中微子振蕩、中微子質量以及百萬光年外超新星的中微子研究。

2011年拍攝的超新星1987A的殘跡，位於16.5萬光年的大麥哲倫雲

Credit: ESA/ESO/NASA

1990s-宇宙膨脹的結局

對宇宙膨脹的未來，之前我們會有幾種猜想：從膨脹到收縮、加速膨脹或趨向於勻速的膨脹。1998年，科學家通過對大量Ia型超新星的觀測，提出震驚的結論：宇宙在加速膨脹。這樣，宇宙的結局不僅將進入冷寂，而且星系之間的距離將越來越遠，1000億年以後，我們很可能看不到其他星系。

猜想中的幾種宇宙膨脹發展

Credit: E. Siegel

2000s-宇宙的物質構成

1965年發現宇宙微波背景輻射之後，我們繼續深入研究，逐步了解了宇宙的構成。從宇宙背景探測器到威爾金森微波各向異性探測器，再到普朗克衛星，獲取了大量宇宙背景輻射的數據，再加上諸如斯隆數字巡天等對宇宙大尺度結構的研究以及遙遠的超新星數據，現代宇宙的構成包括：

0.01%光子輻射

0.1%中微子

4.9%通常的物質(即由原子構成的物質)

27%暗物質

68%暗能量

普朗克衛星數據的宇宙微波背景輻射波動

Credit: ESA and the Planck Collaboration

2010s-宜居帶行星、引力波等

這個十年還沒有結束，但目前為止我們通過開普勒等任務已經從成千上萬的地外行星中發現了宜居帶類地行星。並且，我們通過激光干涉引力波觀測台首次直接探測到引力波，這是愛因斯坦1915年基於相對論的一個大膽預測。

恆星系統開普勒186、開普勒452和太陽系的對比

Credit: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt

示意圖展示了計算機模擬中的黑洞合併，即首次探測到的引力波的來源

Credit: black-holes.org

對宇宙的探索還在繼續，我們還有很多疑惑。這11個重要發現，讓我們的視野擴大到銀河系外；讓我們認知了暗物質和暗能量的存在；讓我們知道138億年前宇宙發生了大爆炸；讓我們了解了宇宙在加速膨脹。我們窺探到了宇宙的起源還有未來的宿命，今後伴隨著科技進步，還會發現更多驚天的奧秘！

本文源自福布斯宇宙大爆炸專欄，作者Ethan Siegel

翻譯：毛明遠 校對：李可為

編排：毛明遠 配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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專欄打賞

截止2014年7月28日，地外探測車的行進距離

Credit: Lunar Xprize

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