《星空的琴弦：18暗物质和暗能量》歌词

[00:00:00] 本字幕由腾讯音乐天琴实验室独家AI字幕技术生成

[00:00:05] 欢迎收听科学有故事

[00:00:09] 比科学故事更重要的是科

[00:00:34] 大家好

[00:00:35] 又到了仰望星空

[00:00:37] 天文学史话的时间了

[00:00:39] 上一章

[00:00:40] 我们讲到之危机

[00:00:41] 虽然发明了暗物质这个名词

[00:00:44] 但是它呢

[00:00:45] 没有很专心的继续研究下去

[00:00:48] 而是把它搁在一边转头去研究超新星了这一搁置就是50 多年没有人理会只危机也在1974 年去世

[00:00:58] 他没有等到自己提出的暗物质惊动全世界的那一天

[00:01:03] 那么后面又发生了一些什么呢

[00:01:06] 美国有一位女天文学家叫鲁宾在上世纪的六七十年代

[00:01:11] 女性天文学家是很少的

[00:01:14] 这个鲁宾选择了在天文学研究上不是那么热门的星系转动曲线的方向

[00:01:20] 大家知道啊

[00:01:21] 在鲁宾做研究的那个年代天文观测设备已经取得了长足的进步

[00:01:27] 因而观测的精度呢

[00:01:29] 也就大大的提高了鲁宾在研究银河系的转动时和奥尔特一样

[00:01:36] 它产生了一个巨大的困惑

[00:01:39] 什么呢

[00:01:40] 就是我前面说的银河系外侧的恒星绕银河系中心转动的速度比用理论推算出来的数值大了太多这一发现让这个鲁宾大惑不解

[00:01:53] 也激发了他深入研究下去的兴趣

[00:01:55] 这一研究就持续了十几年

[00:01:59] 他取得了大量翔实的观测数据又做了仔细的计算

[00:02:04] 他发现

[00:02:05] 如果要维持银河系目前的转动速度又不让银河系分崩离析的话

[00:02:11] 那么银河系的总质量必须远远高于目前已经观测到的所有可见天体的质量这里呢

[00:02:19] 我还是有点担心

[00:02:21] 有些听众呢

[00:02:21] 可能听得不是太明白

[00:02:23] 那么我就多解释一句啊

[00:02:25] 你想象一下

[00:02:26] 如果我们用沙子捏一个陀螺

[00:02:29] 然后把这个陀螺给转起来

[00:02:31] 那么转述一块这个煞陀罗肯定就会被传得散架

[00:02:36] 因为沙子与沙子之间的结合力不足以维持这个转动的向心力

[00:02:42] 要让沙陀罗不散架

[00:02:44] 你就得拿胶水或在这个沙子里面

[00:02:47] 现在呢

[00:02:48] 我们就可以把银河系想象成是这样的一个沙陀罗那么万有引力就是这些沙子之间的胶水

[00:02:57] 这个胶水的强度决定了陀螺的转数最高能到达多少

[00:03:03] 现在我们已经观测到了银河系的转数

[00:03:06] 那么就能反算出总的引力大小

[00:03:09] 进而算出银河系的总质量鲁宾呢

[00:03:13] 就确定无疑的发现银河系的大部分质量都丢失了

[00:03:19] 于是

[00:03:19] 1980 年

[00:03:20] 他和同事发表了一篇论文详细描述了他们的发现

[00:03:25] 这是天文学史上第一篇有关暗物质的重量级论文影响非常非常的大

[00:03:32] 也是从那个时候开始

[00:03:33] 天文学家们才蜂拥而至

[00:03:35] 纷纷开始研究这部分丢失了的质量到底是什么东东提出了一个又一个的假说

[00:03:42] 好不热闹

[00:03:43] 不过说老实话

[00:03:44] 鲁宾的这个发现只能算作暗物质存在的间接证据

[00:03:50] 真正的第一份直接证据的出现

[00:03:52] 要到了2006 年

[00:03:54] 那一年以道格拉斯克洛为首的一对美国天文学家他们利用钱德拉X 射线望远镜对某一个星系团进行观测的时候无意间观测到了星系碰撞的整个过程

[00:04:09] 这个星系团的碰撞威力之猛使得暗物质与正常物质分开

[00:04:15] 因此发现了暗物质存在的直接证据

[00:04:18] 当然咯

[00:04:19] 我在网上也收到了他们发表的这篇论文的原文论文不长仅仅只有五页

[00:04:25] 但这种专业的天文学论文呢

[00:04:27] 我看的实在是太吃力了

[00:04:29] 我实在是无力给大家更详细的解释

[00:04:32] 为什么说这是一份直接的观测证据

[00:04:35] 我把这篇论文的链接放到了我的微信公众号中您回复暗物质就可以看到这篇论文的链接了

[00:04:43] 如果有专业的听众能够看得懂的话呢

[00:04:46] 不妨与我联系

[00:04:48] 给我详细解说一下这篇论文的内容

[00:04:51] 那么这个神秘的暗物质到底是什么呢

[00:04:54] 目前天文学界并没有一个能够令人信服的解释

[00:04:59] 所有人都是在猜主流的观点认为暗物质应该是一种微观粒子

[00:05:04] 而这种微观粒子除了产生引力效应外呢

[00:05:08] 几乎不与其他已知的粒子发生任何作用

[00:05:12] 他依然是当今物理学界和天文学界共同研究的两大谜题之一

[00:05:18] 为了寻找暗物质的蛛丝马迹各国的科学界都投入了巨大的人力物力去探寻这几十年来呢

[00:05:26] 人类为了解开暗物质之谜

[00:05:29] 花费了无数的金钱建设了无数工程浩大的实验设施设备有的呢就建在深深的地下有的呢就被发射到了太空中

[00:05:40] 我国也在2015 年12月17日发射了一颗名为悟空的暗物质探测卫星

[00:05:47] 但是到目前为止

[00:05:49] 暗物质依然是一个谜关于暗物质

[00:05:52] 如果要撒开了去讲的话呢

[00:05:54] 足够写一整本书了

[00:05:56] 但是我们这个专辑毕竟是讲人类的整体天文学史话

[00:06:00] 我只能蜻蜓点水地讲到这里我推荐大家听听科学史评话

[00:06:05] 吴老师的宇宙大爆炸

[00:06:07] 这个专集第19 集叫黑暗

[00:06:09] 双侠

[00:06:10] 那么J 急里头对暗物质有更多的讲解

[00:06:14] 根据目前最新的观测数据

[00:06:17] 这个数据的来源呢

[00:06:18] 主要是欧空局普朗克卫星2015 年发布的数据计算表明宇宙中的可见物质也就是我们所能观测到的所有的物质只占整个宇宙总智能的4 .9 %而已

[00:06:34] 暗物质占到了26.8 %

[00:06:37] 那么宇宙中的另外68.3 %又是什么呢

[00:06:42] 他就是当今天文学借另外一个不解之谜

[00:06:46] 暗能量

[00:06:47] 要把什么是暗能量给说清楚呢

[00:06:49] 可要比暗物质更麻烦一些大家呢

[00:06:52] 需要点耐心

[00:06:53] 我们要回到191 7年

[00:06:56] 这一年爱因斯坦已经发表了他的广义相对论基本上奠定了他在物理学界的武林盟主的地位

[00:07:04] 但是爱因斯坦最近却陷入了严重的焦虑

[00:07:08] 为啥呢

[00:07:09] 因为他在深入研究了广义相对论的方程式之后呢

[00:07:13] 他发现如果要让宇宙满足自己的这个方程式就不可能是一个稳恒态的宇宙

[00:07:21] 宇宙只能是要么收缩要么膨胀

[00:07:25] 不可能是固定大小的

[00:07:27] 爱因斯坦被自己亲手得出的这个计算结果震惊了

[00:07:32] 晚上连觉都睡不着

[00:07:33] 在爱因斯坦的那个年代

[00:07:35] 人类对天文学的认识还仅仅停留在银河系内当时的天文学家认为银河系就是整个宇宙宇宙的尺度大约也就是1 0万光年的量级

[00:07:48] 爱因斯坦毕竟不是天文学家

[00:07:50] 他对宇宙的认识也当然会局限于当时整个天文学界的普遍认识

[00:07:56] 爱因斯坦一边看着手中的方程式

[00:07:59] 一边抬头仰望苍穹

[00:08:02] 他看着满天的繁星

[00:08:04] 他知道头顶上的这些星星在那里已经存在了亿万年在有历史记录以来星空都是同样的景象

[00:08:13] 北斗七星的勺子在大熊坐上指引了人类上百年的航海史就像一个忠于职守的灯塔

[00:08:20] 老人从来没有出过一次的差错

[00:08:24] 这个深邃而美丽的宇宙始终给人以一种沉着稳定

[00:08:29] 永恒的精神力量

[00:08:31] 可是现在在我手中的这个方程式里面宇宙居然不再是那个忠于职守的灯塔

[00:08:38] 老人了

[00:08:39] 宇宙居然是不稳定的

[00:08:43] 他要么收缩要么膨胀

[00:08:46] 这怎么可能呢

[00:08:48] 爱因斯坦在追问着自己追问的结果是爱因斯坦自己怎么也无法接受这个结论宇宙的博大和深邃的宁静深深地震撼着他的内心

[00:08:59] 于是爱因斯坦就拿起笔在方程式的中间在方程式中人为的就给增加了一个常数

[00:09:07] 有了这个人为添加进去的常数宇宙就是一个稳态的宇宙了

[00:09:12] 既不会膨胀

[00:09:13] 也不会收缩

[00:09:15] 爱因斯坦长舒了一口气

[00:09:17] 合上本子

[00:09:18] 终于可以美美的睡一个好觉

[00:09:20] 做一个好梦了

[00:09:22] 但是呢

[00:09:23] 这毕竟是他自己人为添加进去的一个常数确实让她睡安稳了几天

[00:09:29] 但总感觉自己是在掩耳盗铃

[00:09:32] 于是他给当时的一个著名物理学家德西特写了一封信

[00:09:37] 这封信的大意是说广义相对论的方程式

[00:09:40] 从数学上来说呢是允许我添加进一个宇宙学常数的

[00:09:45] 从而抵消宇宙的膨胀

[00:09:47] 但如果有一天

[00:09:49] 当人类拥有了足够的技术后就可以对新体进行精确的测量

[00:09:54] 从而确定宇宙学常数到底是不是零

[00:09:58] 在信的结尾

[00:09:59] 爱因斯坦还说了这么一句话

[00:10:02] 信念是一种很好的动机

[00:10:05] 但不是一种好的判断方法

[00:10:08] 这里面的信念指的就是他对宇宙稳恒的信念

[00:10:13] 我们在之前的节目中已经听到十多年后

[00:10:16] 哈勃的发现粉碎了爱因斯坦的信念

[00:10:20] 我们的宇宙正在膨胀

[00:10:23] 爱因斯坦那个用于抵消宇宙膨胀的常数

[00:10:26] 看来是多余的

[00:10:28] 为此爱因斯坦还专门跑了一趟美国的威尔逊山天文台自己亲手检查了哈佛的工作

[00:10:35] 所谓是耳听为虚

[00:10:36] 眼见为实嘛

[00:10:38] 这一趟跑下来

[00:10:39] 让爱因斯坦彻底服气了

[00:10:41] 他又亲手把那个宇宙学常数给改为了零

[00:10:46] 当然了

[00:10:46] 一个天文学上的重大观念

[00:10:49] 可不是爱因斯坦这种盟主认可就成立了科学从来不管你是不是权威是不是盟主科学理论

[00:10:56] 只需要重复验证就可以了

[00:10:59] 你说你通过观测发现了什么那么好呀

[00:11:02] 你把这个方法拿出来让全世界的天文学家都来验证就是了

[00:11:07] 经得起验证的结论自然就能被科学共同体所接受

[00:11:11] 反之再大的权威也不顶事儿

[00:11:14] 而宇宙膨胀这个结论经受住了全世界的检验哈勃定律也经受住了考验我们的宇宙确实是在膨胀中的

[00:11:25] 那么

[00:11:25] 接下去呢就很自然而然的生出了一个问题

[00:11:29] 我们的宇宙会不会一直就这么膨胀下去膨胀下去呢

[00:11:34] 这绝对是一个能引起巨大好奇心的问题

[00:11:38] 当时的天文学家一致认为宇宙应当是减速膨胀的这看上去相当的明显吗

[00:11:45] 因为有万有引力的存在所有天体都是互相吸引的当然会把膨胀的速度一点一点的拖慢吗

[00:11:53] 但是我请大家注意一下减速度并不代表膨胀

[00:11:58] 一定会停止经过精确的计算发现宇宙膨胀的减速度

[00:12:03] 如果足够大过了一个临界点

[00:12:05] 那么宇宙就会逐渐停止膨胀

[00:12:08] 然后掉头开始收缩宇宙开始进入了大塌缩几元

[00:12:13] 这相当于是大爆炸的反过程讲到这里我就想起了刘慈欣的一部科幻短篇小说叫他说

[00:12:21] 宇宙再从膨胀到他说的那个瞬间会发生什么呢

[00:12:25] 有兴趣的听众

[00:12:26] 你可以去看看这部短片科幻小说也是很烧脑的

[00:12:31] 不过呢

[00:12:31] 如果宇宙膨胀的减速度很微弱

[00:12:34] 很微弱达不到那个临界值的话

[00:12:38] 那么我们的宇宙就会向人类发射的空间探测器能脱离地球的引力束缚

[00:12:43] 那一般一直膨胀下去

[00:12:46] 永远也停不下来

[00:12:47] 因此

[00:12:48] 当时的天文学家全都同意宇宙的命运取决于膨胀的减速度到底是多少

[00:12:56] 不过呢

[00:12:57] 需要测量的非常非常精确才能解答这个问题

[00:13:01] 技术难度那不是一般的高

[00:13:04] 但是英勇无畏的人类科学家们总会有人跳出来发起挑战上世纪90 年代有两个各自**的团体几乎同时向这个宇宙终极命运问题发起了冲击

[00:13:19] 其中一个团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室的博阿

[00:13:23] 珀尔马特领先成员呢

[00:13:25] 来自七个国家总共3 1人阵容可谓强大

[00:13:30] 另一个团队则由哈佛大学的施密特领先他也是一个由20 多位

[00:13:35] 来自世界各地的天文学家组成的豪华团队

[00:13:39] 这两个团队开始了暗中较劲

[00:13:42] 他们的目标是一致所采用的测量方法也几乎完全一样

[00:13:47] 接下去的一个问题就是如何才能测量出宇宙膨胀的减速度呢

[00:13:53] 原理

[00:13:54] 听上去是非常的简单

[00:13:56] 就是测量一下不同时期宇宙的膨胀速度

[00:13:59] 然后比较一下差异

[00:14:01] 稍加计算就能算出减速度了

[00:14:04] 但具体要怎么做呢

[00:14:06] 好在我们的宇宙中充满了无数的星系

[00:14:10] 这些星系就像宇宙大气球中的无数个坐标点

[00:14:14] 由于光速是恒定的

[00:14:16] 那么距离我们越远的星系也就相当于他距离大爆炸的时刻更近

[00:14:23] 比如我们测量出仙女座大星系距离我们是250 万光年

[00:14:28] 这也就意味着我们看到的仙女座大星系的光差不多就是2 50万年前发出来的

[00:14:35] 这里我为什么要加上差不多这几个字呢

[00:14:38] 因为大多数人都有一个常见的误解

[00:14:41] 比如一个星系距离我们是10亿光年

[00:14:44] 那我们看到的是不是他11年前的样子呢

[00:14:48] 不是因为宇宙在膨胀

[00:14:51] 我们有时候会在资料中看到一个古老的星系距离我们40 0亿光年

[00:14:56] 但是我们的宇宙年龄才137 亿岁

[00:14:59] 显然这个古老星系不可能有410 岁吧

[00:15:04] 他的年龄一定是小于137 亿岁的这是因为这个古老星系的光子在飞向地球的同时

[00:15:12] 他们身后就会不断地冒出新的空间

[00:15:16] 当这些光子飞行了13 0亿年后终于到达地球时古老星系离地球的距离早就超过了130 亿光年

[00:15:27] 我讲到这里重点呢

[00:15:29] 其实是想告诉你

[00:15:30] 我们只要能测出遥远星系的距离就相当于知道了宇宙气球上这个坐标点在时间轴上的坐标

[00:15:40] 如果在测量出这个坐标点的膨胀速率就能画出一根宇宙随时间变化的膨胀速率曲线

[00:15:49] 看来关键性的第一步是要找到测量遥远星系距离的方法

[00:15:55] 这个问题怎么破

[00:15:56] 如果你记性好的话或许还记得我之前曾经讲过两种天文测距的方法一种是三角视差法一种是造父变星法

[00:16:07] 但是试差法最多也就是能测出几百光年的距离

[00:16:12] 而造父变星法呢

[00:16:13] 也无非是提高到了百万光年

[00:16:16] 这样子的数量及要测量动辄几十亿光年外的遥远星系的距离

[00:16:22] 这两种方法全都不管用了

[00:16:25] 好在

[00:16:25] 天文学家又发现了第三种方法

[00:16:28] 这就是超新星测量法

[00:16:31] 我们在讲恒星不恒那段的时候曾经提到过

[00:16:35] 超星星

[00:16:36] 他是夜空中凭空出现的一颗星星

[00:16:39] 1572 年11月11日就曾出现过这样的一颗

[00:16:43] 后来被命名为第谷超新星还记得吧

[00:16:48] 这个超新星呢

[00:16:49] 其实就是一颗恒星

[00:16:50] 由于某种原因突然给爆炸了

[00:16:53] 亮度会突然增加几亿倍

[00:16:56] 甚至能超过整个星系发出的亮度超新星的种类有好几种

[00:17:02] 其中有一种呢

[00:17:03] 就被称之为ia 型超新星这种超新星的爆发过程是这样子的

[00:17:09] 首先呢必须是在一个双星系统中

[00:17:11] 也就是两颗恒星离得很近且互相绕着转

[00:17:16] 当其中一颗恒星的燃料慢慢烧完之后呢

[00:17:19] 就会成为一颗基本不发光的白矮星

[00:17:23] 这种白矮星个头很小

[00:17:25] 但是密度极大

[00:17:26] 他会把身边的那颗恒星上的物质一点一点给吸到自己的身上

[00:17:32] 使得自己的质量逐步增加

[00:17:34] 当这颗白矮星的质量增大到太阳质量的约1 .4 倍后

[00:17:40] 他就会无法支撑自身的重量

[00:17:42] 于是臃肿的把爱心崩溃了

[00:17:46] 会导致一场非常非常剧烈的爆炸

[00:17:49] 这场爆炸所释放出来的光的强度竟然要比组成整个星系的10 00多亿颗恒星加起来的光芒的总和还要亮

[00:18:01] 虽然这种EIA 型超新星比较罕见

[00:18:04] 一个典型的星系中大约平均要几百年才会有一颗这样的超新星爆掉

[00:18:10] 换句话说

[00:18:11] 在几百个星系中平均每年会有一颗超新星诞生

[00:18:16] 但是大家知道宇宙中星系的数量可是要超过一千一啊

[00:18:23] 所以呢

[00:18:24] 要寻找这种超新星并不算太难

[00:18:27] 他们一旦爆发会使得所在的星系的亮度突然增加

[00:18:32] 一旦某个星系中诞生了这样一颗超新星

[00:18:35] 天文学家们就能测出这个星系离我们的距离

[00:18:40] 这是因为ia 型超新星

[00:18:42] 因为都是经过了同一个物理过程而爆发的

[00:18:45] 所以他们的真实亮度都是一样的

[00:18:49] 当我们观测到它们时测量一下他们的视亮度再根据亮度与距离的平方成反比

[00:18:55] 这个规律就能算出它们的距离

[00:18:58] 这种方法也被称之为标准烛光法

[00:19:03] 珀尔马特他们的计划

[00:19:04] 被称之为超新星宇宙学计划

[00:19:07] 而施密特他们的计划则叫做高红移超新星搜索对这两个计划中都含有超新星一词那是因为他们采用的天文测距都是通过这种ia 型超新星来完成的

[00:19:21] 如果你听到这里感到有点晕了的话

[00:19:24] 那么我再次提醒你测量距离的目的是为了确定这个星系代表的坐标点的时间坐标

[00:19:32] 如果我们测得某个星系距离我们是1 00亿光年

[00:19:37] 在扣除因为宇宙膨胀而额外增加的距离就能得出光实际走过的距离到底是多少

[00:19:44] 再除以恒定不变的光速就能得出这个心细的真实年龄

[00:19:50] 这就好像我们走在机场的自动人行步道上你在走的同时

[00:19:55] 人行步道也在前进

[00:19:57] 所以要计算你走过的时间得同时考虑两个速度

[00:20:01] 不过在实际的计算中要扣除宇宙膨胀的影响

[00:20:05] 其实要用到比较复杂的数学技巧并不是很多人以为的那样简单的四则运算就可以搞定

[00:20:13] 但对于我们这些业余天文爱好者来说呢

[00:20:16] 也不必太过深究

[00:20:18] 具体的计算方法了

[00:20:19] 知道原理就好

[00:20:21] 两个豪华团队就这样开始了正式的比赛

[00:20:26] 那么他们接下去会发现一些什么呢

[00:20:29] 科学有故事下一期接着为您讲

[00:20:32] [ 正在播放：Pavane, Op. 50 - John Williams,BBC Concert Orchestra,William Goodchild,Gabriel Fauré

[00:20:49] 啊

[00:20:50] 今天呢

[00:20:50] 先说两个小预告啊

[00:20:52] 第一个预告是我仰望星空

[00:20:55] 下一周的这个节目呢

[00:20:56] 会推迟一点时间

[00:20:58] 为什么呢

[00:20:58] 因为我要出差

[00:21:00] 而且这次比较忙

[00:21:01] 有好几个会议要参加

[00:21:02] 而且下一期要讲的内容也没有完全准备好

[00:21:06] 所以请大家有一点耐心啊

[00:21:08] 另外一个预告呢

[00:21:09] 似乎也不是一个太好的消息

[00:21:11] 我时间的形状

[00:21:13] 这个专辑呢

[00:21:13] 也要推迟个几天

[00:21:16] 因为我请的那个嘉宾啊

[00:21:17] 嗓子不太好

[00:21:18] 最近正在咳嗽呢

[00:21:20] 没法录音

[00:21:21] 啊

[00:21:21] 说到这里啊

[00:21:22] 我有点胸闷啊

[00:21:23] 不知道为什么那么多人会留言说这个声音不是真人念的是机器合成的

[00:21:29] 这让我请的那个嘉宾呢

[00:21:30] 也稍微有一点感到胸闷

[00:21:33] 有些人喜欢有些人不喜欢这个完全是在我意料之中的

[00:21:38] 因为毕竟大家听习惯了我的声音吗

[00:21:40] 突然换了一个声音换了一种播讲的方式自然呢

[00:21:44] 是会有一些不适应

[00:21:46] 但的确确是真人念的啊

[00:21:48] 如假包换

[00:21:49] 这一点

[00:21:49] 大家千万不要再有任何的怀疑了

[00:21:52] 我在想有些人认为是机器合成的可能是因为我请的这个嘉宾的声音啊

[00:21:57] 实在是太好听了

[00:21:58] 很像这种标准的这个播音员的声音

[00:22:02] 因为机器合成嘛

[00:22:03] 肯定是要请标准的播音员来录音对吧

[00:22:06] 不过我看到也还是有很多人喜欢的

[00:22:08] 而且也有很多人给我们打了赏

[00:22:11] 那么我会坚持让这个嘉宾帮我把这一张给播讲完啊

[00:22:15] 我固执的认为

[00:22:16] 如果你不听完红色**这一张的话呢

[00:22:19] 我认为你没有算是听过我这个专辑

[00:22:22] 因为我认为这一张才是我整个专辑

[00:22:25] 所有节目当中一种情怀上的升华

[00:22:29] 所以我还是想恳请您耐心的听完红色**这一张

[00:22:34] 啊

[00:22:34] 今天的这个结尾唠叨显得有点怪异啊

[00:22:37] 明明我前面的正文是仰望星空

[00:22:40] 但是结尾却在讲时间的形状

[00:22:42] 这也从一个侧面反映出我是多么在意你听不听红色**那个章节好了

[00:22:49] 最后还是要再次提醒大家

[00:22:51] 科学有故事的同名微信公众号已经开通了

[00:22:55] 在那个里面你会听到一些不一样的内容

[00:22:58] 我会经常发一些短小精悍的60 秒语音

[00:23:02] 请记得随手关注一下我的这个微信公众号好了

[00:23:06] 如果你对我的节目感兴趣的话请点一下订阅

[00:23:10] 当然你也可以为我打赏以资鼓励

[00:23:12] 谢谢大家

[00:23:13] 我们这期节目就讲到这里下期再见