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66661周前
宙知识助你入眠:牛顿引力场方程在双星系统中的作用 你可能听说过暗物质,这种难以捉摸的物质约占宇宙的四分之一,它就像一个幽灵般的木偶操纵者,掌控着星系的运行,却从不现身,但它只是宇宙的冰山一角。接下来,我们将揭开暗物质与引力理论争议、双星系统研究、木卫二生命探索以及海王星奥秘揭秘等内容。 如果有这样的一个宇宙,引力的天平以神秘的方式倾斜,恒星和双星系统违背牛顿和爱因斯坦建立的定律,如果他们的方程并非最终的定论?最近的研究表明,双星系统的轨道运动存在异常和偏差,这是暗物质和目前对引力的理解都无法完全解释的。那么,我们是否正处在范式转变的边缘?我们对宇宙的认知是否不像想象的那样稳定? 在宇宙的空间里,恒星是吸引目光的女主角,但你有没有想过,这些天体是如何诞生的?一切都始于星云的黑暗寒冷角落,星云是巨大的气体和尘埃云,引力在这里起着关键作用,它将粒子拉得越来越近,直到它们无法抵抗,最终合并引发核聚变反应,从而诞生一颗恒星。 然而恒星的生命并非永恒,总有一天核燃料会耗尽,恒星将面临不可避免的死亡。对于大质量恒星来说,它们的结局极为壮观,一场超新星爆发会让整个星系在短时间内黯然失色。这些超新星不仅仅是宇宙中的烟火表演,它们是宇宙的熔炉,正是在这些爆炸的干锅中,比铁更重的元素得以形成。所以你首饰中的黄金、骨骼中的钙,都是星辰,是超新星爆发的残余物。 但故事在这里发生了转折,在一个由暗物质主导的宇宙中,这些恒星及其爆发的过程是更大场景的一部分。暗物质凭借其引力影响着星系的形成以及恒星在星系中的分布。假设两个星系,一个有暗物质,另一个没有。在有暗物质的星系中,引力非常强大,能够引发恒星的爆发式形成,导致这些星系中出现更多的超新星。在这些星系里,恒星的形成和死亡速度更快,创造出一个动态且不断变化的宇宙景观。 相关的研究甚至量化了这种关系,表明星系中暗物质的含量与恒星形成的速率之间存在直接关联。但如果这种关联并非如此简单?这就引出了修正牛顿动力学,简称Mond理论。该理论认为在极小的加速度下,引力的表现会有所不同。如果Mond理论是正确的,那么暗物质丰富的星系中,恒星形成速率较高这一现象可能就有了另一种解释。 双星系统,也就是之前讨论过的那些宇宙中的搭档,可以作为检验这些理论的理想实验室。它们的轨道动力学能够揭示牛顿引力是否依然适用,或者Mond理论是否能提供更好的解释。随着科学家对数据
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66661周前
0世纪中叶,天文学正进入某种自信,大爆炸作文望远镜更强,新技术令对星系恒星与气体的测量前所未有精准。牛顿的运动与引力定律似乎解释了几乎一切可见之物,宇宙浩瀚却可理解,某些地方对不上,星系似乎并未按应有的方式运动。 从漩涡星系开始,那些有风车般旋臂与明亮河球的星系在自转,人们测量不同半径处恒星的转速,按牛顿力学约靠外星转的越慢,如同行星靠近太阳的水星块,远处的海王星慢引力随距离衰减,轨道速度应随半径下降,这是物理学家对星系的预期。 但事实并非如此,一九七零年代维拉鲁滨与同事肯特福特用灵敏的光谱仪细致测量旋转曲线结果显示星系外源的恒星没有慢下来速度与内测相当甚至更快,这不该发生若星系仅有可见物质,恒星气体尘埃构成引力不足以束缚如此高速的外源恒星,他们理应非礼但并没有,似乎有某种看不见的东西在把他们拉住,提供了额外引力而传统模型完全没有计算在内鲁滨的数据,严谨可敷衍。 他研究了数十个星期模式一致平坦的旋转曲线而非按牛顿预期走将要么引力定律在大尺度失效要么存在更多我们看不见的物质有质量会失引力但不发光,这个无形的质量需要名字,天文学家称之为暗物质,这个词更早就有人用过,但如今有了具体含义,它不是泛指未知而是天体物理模型中真实的一部分,它不发射或反射光既非恒星行星亦非尘云,否则应可见或可测,无论它是什么都不与光相互作用暗到极致。 鲁滨并非第一个察觉异常,一九三零年代瑞士天文学家斯威基研究后化作星系团,内星系的速度发现他们快的整个星系团本应散掉,可见物质远不够把它们拢在一起,他估算出不可见质量远多于可见物质并称之为暗物质,但当时他的观点被大多忽略,他性格古怪又缺更广泛证据,直到鲁滨的工作基于单个星系清楚而精细并且时代已有工具验证暗物质才真正站住脚。 问题不止,玄魔星系椭圆星系星系团甚至把一切相连的宇宙网都显示需要更多质量一些人尝试修改,引力定律在银河尺度下取得局部成功却难以统一解释所有数据,反之暗物质虽怪却更简洁,一种仅通过引力互动而不与光偶合的物质,其他证据也接踵而来,引力透镜显示可见物质无法解释的光路弯曲c m b 的温度图案,对总物质含量高度敏感数据指向暗物质约为普通物质的五倍,一次又一次暗物质成为最合适的答案。它究竟是什么人称你为木轴子?惰性中微子乃至元初黑洞候选层出不穷未有定论,尽管如此,暗物质写入宇宙学标准模型,没有它星系无法如期形成结构,来不及长成群星,
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66662周前
七九六年莱布尼茨去世,但争论并未结束,最终牛顿的绝对时空观念占据了主流。他认为,绝对空间凭自身本质独立存在,永恒不变;绝对时间均匀流逝,不依赖外界。 在牛顿看来,时间像一台永不偏差的宇宙节拍器,每个人的钟表都与宇宙同步,无论地球还是遥远星系,一秒钟的长度完全一致。然而伽利略否定“绝对静止”的思想仍在潜流中存在,相对性从未彻底消失。时间究竟是恒定不变的,还是柔韧可调的?它是独立存在的实体,还是仅由事件的发生赋予意义? 要理解时间,必须从工业革命谈起,一个关于马力与蒸汽机的故事。在传统农业中,喂养马匹或其他牲畜的规律相对简单:提供一定量的饲料,它们就能完成一天的劳动。然而随着蒸汽机的出现,问题变得复杂:一堆煤炭能换来多少功?如果蒸汽机运行成本高于养马,换用机器又有什么意义? 正是这种经济与技术的困境催生了热力学的诞生,科学家开始追问:引擎的极限效率究竟有多高?早期蒸汽机的效率甚至不到3%,大量热量在燃烧后白白散失,摩擦导致金属发热、部件损耗,不可避免。热量的流失是单向的,无法逆转。 通过数学化的分析,人们意识到完美效率根本不存在,能量在传递过程中必然衰减,最终散入环境。为描述这种不可逆的衰退,人类引入了一个新的概念——熵。熵的增长不是随意的,而是概率驱动的必然趋势。 二十世纪初,乔治·伽莫夫举了一个例子:房间内的空气看似均匀分布,你不会看到空气突然集中在某个角落让人窒息。理论上可能发生,但概率极低,等待它出现的时间比整个宇宙的年龄还要长无数倍。无序总是比有序更可能出现。 热力学定律揭示了一个铁律:时间流逝的同时,宇宙的熵必然增加,未来的宇宙将比今天更加混乱与衰败。这条规律不仅适用于蒸汽机,也适用于行星、恒星、星系,乃至整个宇宙的结构,它们都在从有序走向无序。 一八六二年,开尔文勋爵提出了这个令人不寒而栗的终局:“虽然机械能不可毁灭,但宇宙中存在一个普遍的耗散趋势,这会导致物质宇宙中势能的耗尽……如果宇宙是有限的,并遵循现有定律,结果将不可避免地是一种普遍的静止和死亡状态。” 时间在这个意义上仿佛一条不断走向死亡的道路,永不停歇。 在所有思索熵与时间之间关系的科学家中,苏格兰的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦无疑占据重要地位。十九世纪的他,通过对热与气体的研究,奠定了现代物理学的基础。而他最著名的贡献之一,是一个思想实验——麦克斯韦妖。 麦克斯韦深知熵的本质
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