卢瑜
《天文爱好者》杂志社社长

我是《天文爱好者》杂志社社长卢瑜,人类如何探索神秘宇宙,问我吧!

4月16日09时56分,神舟十三号载人飞船完成了经历半年的“出差”之旅,在东风着陆场成功着陆。从透过望远镜观测宇宙的奥秘,到一次次发射卫星与飞船中奔赴苍穹,从爱因斯坦的相对论到今天丈量宇宙成为现实,人类对时间和空间的探索从未停止。光年尺度下的叙事,让人类在认识宇宙之中也在认知自我。
宇宙大爆炸之前是什么样子?宇宙是无限的吗,形状和尺寸如何测量?神秘的“暗物质”“暗能量”到底是什么?宇宙膨胀的背后,有着怎样的规律?我是《天文爱好者》杂志社社长卢瑜,最近通过阅读《宇宙小史》了解宇宙时空结构的演化。关于宇宙的奥秘,问我吧!
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探索 2022-04-20 进行中...
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天文学对人类未来的作用是什么?目前人类受益于天文学带来的什么?

卢瑜 2022-04-23

首先而言,我个人的看法是,对于包括天文学在内的诸多基础科学,如果持有过于功利的态度,显然是不太合适的。天文学是以兴趣和好奇心为驱动的,这就决定了需要在更高的角度来理解这门学科。
不过,基础学科当然是有用的,用处而且很大。天文学也是如此。
在人类诞生初期,最早便被人类关注、并被研究和用来指导日常的生产生活的基础学科,其中就有天文。我们知道,最早的人类研究物理和材料的问题,这可能与人们日常房屋搭建、工具制造有关;人们需要研究数学,计数和统计应该是很有需求的问题;而观天象、研究日月星辰的运行,用来分辨季节、颁定历法、指导人们的农业生产。这些无疑都对当时的人类生活息息相关。
人们通过天文学研究,探索和思考的是最为本源的一些问题,从日月星辰的运行规律,到宇宙的结构、起源和演化,等等。为了让天文学家们看的更远、分辨的更细、计算的更精确,会伴随着诸多科学理论和工程技术的快递进步,并在成熟的时候反哺于人类的日常生活,保护人类并提升整体的生活水平。例如,对近地小天体的观测研究不仅是为了丰富和完善太阳系的演化模型,也是为了尽力防范预警对地球的危险撞击,让人类不至于像6000万年前的恐龙一样,面对灾难束手无策;爱因斯坦提出的相对论固然可以解释水星在近日点的进动,但也可以用来修正卫星上的时钟,使其服务于地面的导航……
当然,即便是完全不考虑这些,人类还是要有更多追求的,这是能够在地球上诸多生物中脱颖而出的重要一点。从更高的层面上来看,通过对这些问题的思考,以及推动天文学等不同科学知识在公众当中的不断传播和普及,我认为可以给人带来更为理性、客观、平和的看待世界、看待问题的方式。我认为,这似乎是天文学以及其他基础学科一样,最为重要的作用吧。
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柒星2022-04-20

我们靠数学发现宇宙中的一切吗?

卢瑜 2022-04-23

自古以来,数学就诞生于人类的日常生活之中,并且一直扮演了极为重要的角色。人们需要统计自己的猎物、工具和人口,相互之间需要交换,需要用数字来跟踪和标定日月星辰的运动。数学既像是人类发明的一种工具;又像是早已自然存在的现象,只不过被人类敏锐的把握和提炼出来了。不过,随着人类历史的不断发展,不满足于地面上的基础研究,人们开将目光望向天空,对准宇宙的深处,数学也随之取得的巨大的发展和进步,并反过来推动了更多的惊人发现。
如果没有数学,我们对于整个宇宙图景的理解可能进展会非常缓慢,甚至可能仍然局限在太阳系这一小片范围之内,苦苦的思考这些不同的星星之间的相互关系。开普勒接受了哥白尼的日心说理念;作为助手,获得了第谷的大量观测资料后,他对行星的运动进行了定量的数学解释。这就是著名的行星运动三定律,为构建精确地太阳系模型、预测行星运动奠定了坚实基础。
随后,到了十七世纪的后半叶。牛顿在思考彗星的运动情况时,意识到物体以非线性的方式运动时,使用基本的代数理论进行描述是不够精确的,于是便引入了微积分。当然,当时的莱布尼茨也独立做到了这一点。这个巨大的变革,让数学这个工具能够更精确的描述行星和其他天体,它们是如何围绕太阳运动的。所以在19世纪,当人们利用这些工具对天王星的轨道进行计算时,发现与观测的实际情况存在变差,这直接导致天文学家们推算出了更外侧的海王星的存在。这是目前唯一的一颗先利用数学工具计算出位置、后用观测证实的天体。显然数学让人们对太阳系乃至整个宇宙图景的理解更为深入。
二十世纪以来,量子理论开始逐步成形,似乎在量子的世界里,牛顿的经典理论不是那么适用。爱因斯坦提出了狭义和广义相对论,这不仅是物理上的进步,也应该是数学上的进步,这意味着在一个全新的角度,来描绘引力、质量、能量、以及整个宇宙。当然,这其中还有很多需要修正和调和的地方,待解决的问题还很多。不过,这些问题的思考和解决,都需要通过数学去实现。

卢瑜 2022-04-21

为了对事物有更好的理解,弄清楚其层次结构当然是很重要的。例如,我们深入到微观世界,已经了解到了物质是由分子构成的,而分子可以被分解为原子。原子还可以进一步分解为质子、中子和电子。借助于大型对撞机,我们还知道质子和中子可以进一步细分为夸克,等等。那么宏观上,对于天体的结构,也有类似的分类。
最小的当然是我们的地球以及所在的太阳系,如果只考虑到冥王星,那么直径约为80个天文单位;如果把最外围的奥尔特云都算上的话,那么直径可能要到30万个天文单位的距离了。相比之下,地球和太阳的距离是1个天文单位;
再往外走的话,太阳系就不够看了,它只是银河系中的一颗中等体量的恒星,而在银河系中,有着数千亿颗(1000亿颗-4000亿颗)的恒星;这是一个有着10万光年直径的大星系,太阳系只是孤悬在其中一条旋臂上,距离银河系的中心有着2.7万光年的距离;
向外再扩一步的话,银河系属于所谓的“本星系群”。星系群是在引力作用下,若干星系的集合体,而所谓本星系群包含了50多个星系,跨越了大约600多万光年的距离。在其中,最大的是仙女星系,而银河系只能屈居第二。成员星系数目较多的星系群,有时也被称为星系团。目前,已经有数万个星系群、星系团被发现;
大量的星系群、星系团聚合在一起,形成了更大的一个结构:超星系团。我们本星系群所在的被称为“本超星系团”,其中处于相对中心位置的,是室女星系团,其中包含有大约2000多个星系,直径超过1200万光年。而本星系群在其中,体量就显得小多了。超星系团是我们在宇宙中发现的最大结构之一。
当然,通过观测,例如著名的斯隆数字化巡天项目,天文学家们发现了宇宙中的更大尺度结构。例如巨大的纤维状结构,名为“斯隆长城”(Sloan Great Wall),这其中包含了一大片星系,长度达到了5亿光年,厚度仅为1500万光年;宇宙间还有巨大的空腔结构,被称为空洞。在大尺度上,宇宙看起来就是有这些空隙和丝丝缕缕的结构组成的。
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