《漫步到宇宙尽头(自选集 知乎「盐」系列)》读后感4000字
一本启蒙天文学的书
讲解了太阳系 银河系 行星 太阳 黑洞 引力波 虫洞 等等知识
对天文方面的知识补充了一下
讲解的很通俗 在了解了这些后再去看星际穿越 火星救援等就不太会困难了
金星,是夜空中仅次于月亮的明亮天体。
水星、金星、地球和火星一般被称为类地行星。顾名思义,这类行星像地球一样,有坚实的表面和以铁构成的核心。而木星、土星、海王星和天王星体积巨大富含气体,在过去,人们曾笼统地将这四颗行星称作类木行星。然而现在我们已知这些行星可以分为两类:木星和土星这样主要成分是氢氦元素的「气态巨行星」;海王星、天王星这样主要由冰冻的水、氨与甲烷构成的「冰巨星」。
虽然现在各国宇航局已经致力于监测轨道可能和地球相遇的小行星,但考虑到小行星的存在数目,目前的监测还远远没有达到令人放心的地步。
彗星本身并不神秘,其主要成分为冰(包括水冰和冻结的气体)和尘埃,天文学家往往用「脏雪球」形容它们。
当地球运行过彗星的轨道,从彗星主体上解离下来的碎片穿过大气层便形成了流星雨。
回顾银河外宇宙的探索史,人们绝不会忽略掉 1920 年 4 月 26 日在华盛顿史密森孙国家自然历史博物馆举办的宇宙「大辩论」。这场辩论围绕着银河系的地位和宇宙的大小展开。
星系的距离和速度可以用一个简单的线性关系拟合。这就是著名的哈勃定律。
广义相对论。根据广义相对论,空间和物质是相互联系的,空间决定物质如何运动,而物质决定空间如何扭曲。
按照科学家今天的能力,对宇宙历史回溯是无法达到源头的。因为当宇宙温度达到普朗克温度——大概是1032度,这个时刻被认为是经典宇宙的开始,也就是研究者所讲的宇宙大爆炸的开端——宇宙是一锅能量汤,不要说原子、分子,连已知最基础的粒子夸克也不能存在。今天我们看到的宇宙中一切的结构,都是宇宙演化的产物。
在电子复合之前,宇宙是不透明的,所以「最后散射时刻」发出的光子,实际上成为了我们能够观测到的最远的光子。由于宇宙膨胀,这些光子在传播过程中波长会变得更长,当它们到达地球时,已经变成了微波波段的电磁波。今天我们可以观察到这些光子,它们就是大名鼎鼎的「微波背景辐射」。
今天的宇宙究竟是有限还是无限呢?在爱因斯坦引力论的框架下,这是一个几何问题,取决于三维空间的弯曲程度。
宇宙中包含的物质密度决定了宇宙空间的弯曲。
光速有限意味着我们永远不能「实时」观察到宇宙另一处发生的事情。如果一个天体距离我们一光年,我们永远只能看到它一年前的情景。
这些光今天被称作宇宙微波背景辐射,光子的能量主要处于微波波段(就差不多是微波炉热饭的波段)。这些光子中携带了宇宙平坦程度,宇宙物质密度,暗物质,暗能量总量的信息,是今天宇宙学观测的最重要对象。
和其他恒星一样,太阳形成在银河系的气体云中。
火星的平均温度只有零下 63 度,和地球的极地类似。更要命的是大气主要由二氧化碳构成,只有不到 0.4% 的氧气。土壤中富含高氯酸盐,杀死一切你能想到的植物。大气压不到地球的百分之一,人不穿增压服会丧命。而且火星的磁场很弱,这使得高能太阳风离子和宇宙线可以直接轰击大气层。由于火星的大气远比地球稀薄,高能粒子有相当部分可以抵达地面,对地面的宇航员造成伤害。
太阳系中其实并不缺少水。彗星,那些拖着长尾的旅行者实际上由大量的水冰和尘埃构成。人们一般认为,正是这些彗星带来了地球上的海洋。
「生命圈二号」并非完全失败。它确实教给了我们很多知识。首先,生态系统是非常复杂而多变的,即使精心设计平衡也很容易在大环境(比如温度)的变化下迅速被打破。其次,生命圈二号的氧气缺失说明了地层物质和大气复杂的相互作用,这是人们在之前忽视的。
霍曼转移轨道是人类探索行星最节省燃料的运动方式之一。
引力弹弓
在太阳系里,行星和大卫星都在以很高的速度做轨道运动。如果飞船飞行的途中遇到这些质量庞大的天体,就会被它们的引力「拽」上一下,这会帮助飞船增加飞行速度,也可以帮助飞船用很少的燃料就改变飞行方向。
在太阳系里,行星和大卫星都在以很高的速度做轨道运动。如果飞船飞行的途中遇到这些质量庞大的天体,就会被它们的引力「拽」上一下,这会帮助飞船增加飞行速度,也可以帮助飞船用很少的燃料就改变飞行方向。
因为飞船的质量远远小于行星的质量,因此行星的运动状态几乎不会发生转变。但是如果我们真的对一个行星反复发射飞船,那么经过数兆次相会后,行星的轨道也会发生显著的改变。
有的太空计划需要漫长的等待,才能获得最有利的发射窗口。
在电影《星际穿越》中,穿越过虫洞的库珀一行,在探索米勒星球(有着巨浪的星球)和曼恩星球(冰冻世界)的时候,也是借助引力弹弓效应来完成飞船的加速和减速。
根据人类现在掌握的理论,能量效率最高的产生方式是正反物质湮灭,这种方式可以实现质量到能量 100% 的转化,但是反物质的制造非常困难,大量反物质的储存更加困难。一不小心,太空飞船就会变成太空炸弹。
光速的限制、宇宙的广阔和人身的易朽,使得太阳系外的太空殖民成为了几乎不可能的事情。
最早用于寻找地外行星的方法是多普勒频移方法。所谓多普勒频移是说恒星发出光的频率会因为恒星相对观测者运动而发生改变。当一颗恒星向我们移动的时候,我们会看到恒星的光变得蓝一些;当它远离我们的时候,恒星的光会稍稍变红。
如果一颗恒星和一颗行星组成一个双星系统,它们都会绕着共同的质量中心运动。远处的观测者观察恒星,就会发现它的颜色有周期性的改变。
观测掩星的过程研究者还可以分析这些地外行星大气的成分。如果一颗地外行星的大气中有水分,当它移动到恒星前方的时候,它大气中的水分就可以吸收恒星在特定波段发出的光。通过分析恒星的光谱在掩食前后的变化,研究者就可以推断是否有水汽存在于行星大气中。
恒星的一生是热能和引力能抗争的过程。在大部分时间里,恒星核心处发生的核聚变反应可以释放大量的热能,抵御自身的引力。但当核反应停止后,引力就开始占据优势,压缩自身。这个过程被称作塌缩。
但当一颗恒星的质量远大于太阳时,它的寿命会变得非常短暂,死亡后它的自身引力非常的强大,无论是电子简并压还是中子简并压都不足以抵抗其身的引力。这样的恒星死亡后可能会变成一颗黑洞。
人们往往将黑洞想象成无比威力的引力深渊,甚至连光线也无法逃离其吸引。但事实上,站在远处,黑洞的引力和同等质量的恒星并没有差别。黑洞的真正特别之处在于它可以剧烈扭曲自身附近的时空。
研究者用「事件视界」来描述黑洞的半径。在事件视界之内,空间被如此剧烈地扭曲,以至于没有任何东西可以逃离黑洞。同样被弯曲的还有时间。靠近黑洞视界,时间的流逝会显著变慢。在视界之内,时间被极度弯曲,时间开始变得像是一个空间的维度。在视界内部,时间的流逝方向指向奇点。这就是为什么一切物体一旦进入黑洞就无法逃离,只能落向奇点的原因——因为那里是未来。
虽然黑洞视界内部的光无法逃逸,但是当物质落向黑洞时,其巨大的引力势能会转化为热能并通过辐射向外传播。这些辐射在 X-ray 波段非常明亮,常常被作为寻找黑洞的指针。
再比如,很多黑洞和恒星相互绕转,构成双星系统。研究者可以测量恒星的运动,从而推测另一颗黑暗天体的质量。用这种方法找到的最著名的黑洞是天鹅座 X-1。
虫洞,进行超空间旅行的可能性。
:在空间的亚微观尺度上可能存在着由量子泡沫连接成的虫洞网络,高级文明可以找到合适的虫洞,注入奇异物质(或者加上高维立场)使其稳定,并利用它们。
。理论物理学家相信我们所在世界膜中的核力,弱相互作用力和电磁力都不能够离开三维空间进入高维。
但是四维世界的物体既不能反射电磁波,也不会发射电磁波,我们根本无法看见它。唯一被认为能够和在高维度空间物体相互作用的力是引力。
但理论物理学家相信高维度空间确实存在,只不过它们在微观尺度上卷曲,而这种卷曲可以避免引力场过快发散的问题。
什么是引力波?当两个天体互相绕转的时候,它们的引力对空间的扭曲是随时间变化的。如果有人在水池中央搅动水面,水面的变化会以波动的形式传向四方。类似的,相互绕转天体造成的空间变化也会向各个方向传播开来。这种由引力场变化造成的空间波动就是引力波。
引力波本质上是空间的形变在传播。如果引力波传到地球,我们会在一个方向上被拉伸,在另一个方向上被挤压。
引力波的探测将大大加强我们对于引力的理解。不同于其他三种力可以在实验室中进行研究,对引力的研究非常困难。在我们日常接触的大多数领域,广义相对论效应并不明显。我们至今只能通过天体运动、光线弯折等有限的方法研究引力。而这些方法仍然只能探测较弱的引力场,远远触及不到黑洞视界附近最为扭曲的空间。而引力波探测将打开一扇新的窗子,帮助人们了解空间最扭曲部分的动态变化——这种动态过程被基普·索恩称作几何动力学过程——使人们以前所未有的精度理解广义相对论(或者证伪它)。
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