天文学家如何革新了我们对宇宙的看法

1835年，法国哲学家奥古斯特·孔德断言，没有人会知道星星是由什么组成的。“我们理解确定它们的形状、距离、大小和运动的可能性，”他写道，“然而，我们将永远不知道如何通过任何手段研究它们的化学成分或矿物结构，更不用说可能生活在其表面的任何有组织的生物的性质。”

孔德会被那时以来取得的发现震惊。今天我们知道，宇宙比任何人怀疑的都要更大、更奇异。它不仅超越银河系延伸到无数个其他星系——这对19世纪和20世纪早期的天文学家来说将是一个惊喜，对他们来说，我们的星系就是“宇宙”——而且它每天都在加速膨胀。现在我们可以自信地将宇宙历史追溯到138亿年前，追溯到大爆炸后仅十亿分之一秒的时刻。天文学家已经将我们宇宙的膨胀率、主要成分的平均密度和其他关键数字精确到1%或2%。他们还研究出了支配空间的新物理定律——广义相对论和量子力学——结果证明这些定律比人们以前理解的经典定律要离奇得多。这些定律反过来又预测了宇宙奇观，如黑洞、中子星和引力波。我们如何获得这些知识的故事充满了意外的发现、令人震惊的惊喜和坚持不懈的科学家追求他人认为无法实现的目标。

我们对恒星真实性质的第一个暗示出现在1860年，当时古斯塔夫·基尔霍夫认识到，来自太阳的光谱中的暗线是由不同元素吸收特定波长引起的。天文学家分析了其他明亮恒星光线中的类似特征，发现它们是由地球上发现的相同物质组成的——而不是像古代人认为的那样由某种神秘的“第五元素”组成。

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但了解是什么燃料使恒星发光花了更长时间。开尔文勋爵（威廉·汤姆森）计算出，如果恒星的能量仅仅来自重力，随着辐射泄漏而缓慢收缩，那么太阳的年龄为2000万至4000万年——远少于查尔斯·达尔文或当时的地理学家推断的地球上已经过去的时间。在他关于这个主题的最后一篇论文中，于1908年，开尔文插入了一个免责条款，声明他将坚持他的估计，“除非在造物主的仓库中储存了某种其他能源。”

事实证明，这种能源是核聚变——原子核结合形成更大的原子核并释放能量的过程。1925年，天体物理学家塞西莉亚·佩恩-加波什金利用恒星的光谱计算了它们的化学丰度，发现它们与地球不同，主要由氢和氦组成。她在天文学家奥托·斯特鲁夫描述为“天文学史上最辉煌的博士论文”中揭示了她的结论。十年后，物理学家汉斯·贝特表明，氢核聚变成氦是普通恒星的主要能量来源。

与此同时，恒星变得不再神秘，模糊的“星云”的性质也变得更加清晰。在1920年4月26日在华盛顿特区国家科学院举行的“大辩论”中，哈洛·沙普利坚持认为我们的银河系是卓越的，所有星云都是它的一部分。相比之下，赫伯·柯蒂斯认为，天空中一些模糊的物体是独立的星系——“岛宇宙”——完全与我们的银河系相等。冲突并没有在当晚解决，而是在几年后的1924年，当时埃德温·哈勃测量了许多星云的距离，并证明它们超出了银河系的范围。他的证据来自造父变星，星云中的变星通过它们的脉动周期揭示了它们的真实亮度，从而揭示了它们的距离——这一关系由亨丽埃塔·斯旺·勒维特发现。

哈勃意识到宇宙比许多人想象的要大得多后不久，他发现宇宙仍在增长。1929年，他发现来自遥远星系的星光中的光谱特征比附近恒星中的相同特征显得更红——也就是说，它们的波长更长。如果这种效应被解释为多普勒频移——波在后退时自然扩散——那将意味着其他星系正在彼此远离，也远离我们。事实上，它们离我们越远，它们的后退速度似乎就越快。这是我们宇宙不是静态的而是一直在膨胀的第一个线索。

宇宙似乎还包含许多我们看不见的东西。1933年，弗里茨·兹威基估计了后发座星系团中所有恒星的质量，发现它们仅占使星系团不至于飞散所需的质量的约1%。这种差异被称为“丢失质量问题”，但当时许多科学家怀疑兹威基关于隐藏物质可能是罪魁祸首的说法。这个问题一直存在争议，直到1970年代，维拉·鲁宾和肯特·福特（观测恒星）以及莫顿·罗伯茨和罗伯特·怀特赫斯特（进行无线电观测）的工作表明，除非星系盘的外部受到比恒星和气体单独提供的更强的引力，否则也会飞散。最终，大多数天文学家不得不承认，一定存在某种“暗物质”。鲁宾写道：“我们窥视了一个新的世界，并看到它比我们想象的更神秘、更复杂。”科学家们现在认为，暗物质的数量是可见物质的五倍左右，但我们在弄清它是什么方面几乎没有比1930年代更进一步。

事实证明，揭示所有暗物质的引力也几乎同样令人困惑。一个关键时刻出现在1915年，当时阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的广义相对论，该理论超越了艾萨克·牛顿的力学，并揭示引力实际上是时空结构的变形。这个新理论进展缓慢。即使在1919年的一次日食观测中被证明是正确的之后，许多人仍然认为该理论是一个有趣的怪癖——毕竟，牛顿定律仍然足以计算大多数事物。“这些发现虽然非常重要，但并没有影响地球上的任何事物，”天文学家W.J.S.洛克耶在日食后告诉《纽约时报》。在它被提出后近半个世纪的时间里，广义相对论被物理学主流边缘化。然后，从1960年代开始，天文学家开始发现新的和极端的现象，只有爱因斯坦的思想才能解释。

一个例子潜伏在蟹状星云中，它是天空中最著名的天体之一，由中国天文学家在公元1054年目睹的超新星爆发产生的膨胀碎片组成。自从它出现以来，星云一直保持着蓝色和明亮的光芒——但是如何做到的呢？它的光源长期以来一直是个谜，但答案出现在1968年，当时人们发现其中心的昏暗恒星绝非寻常。它实际上是一颗超致密中子星，比太阳更重，但半径只有几英里，并且以每秒30转的速度旋转。“这是一个完全出乎意料的、全新的物体，其行为方式是天文学家从未期望过、从未梦想过的，”现象的发现者之一乔斯林·贝尔·伯内尔说。恒星过度的自转会发出快速电子风，从而产生蓝光。如此令人难以置信的致密物体表面的引力远远超出了牛顿的范围——火箭需要以光速的一半发射才能逃脱其引力。在这里，必须考虑爱因斯坦预测的相对论效应。已经发现了数千颗这样的旋转中子星——称为脉冲星。所有这些都被认为是作为超新星爆发的恒星核心的残余物，为研究极端条件下的自然规律提供了理想的实验室。

爱因斯坦理论最奇特的成果是黑洞的概念——物体坍缩得如此之远，以至于连光都无法逃脱其引力。几十年来，这些都只是猜测，爱因斯坦在1939年写道，它们“在物理现实中不存在”。但在1963年，天文学家发现了类星体：一些星系中心神秘的超亮信标。又过了十多年，人们才达成共识，认为这种强烈的亮度是由气体旋入潜伏在星系核心的巨大黑洞中产生的。这是迄今为止最有力的证据，证明广义相对论的这些奇异预测实际上是存在的。

宇宙是何时开始的？它甚至有开始吗？天文学家长期以来一直在争论这些问题，在20世纪中期，两种相互竞争的理论提出了截然不同的答案。“热大爆炸”模型认为，宇宙开始时非常小、热和致密，然后随着时间的推移冷却和扩散。“稳态”假说认为，宇宙基本上以相同的形式永远存在。

竞赛由一次偶然的发现解决。1965年，射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊试图在新泽西州贝尔实验室校准一个新的天线。他们遇到了一个问题：无论他们如何减少背景干扰，他们都在每个方向上测量到一致的噪声水平。他们甚至驱逐了一家在天线中筑巢的鸽子，希望它们是问题的根源。但信号仍然存在。他们发现星系际空间并非完全寒冷。相反，它被微弱的微波加热到接近3开尔文（略高于绝对零度）。彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了“创世余晖”——宇宙中一切都被挤压到又热又密时的冷却和稀释的遗迹。

这一发现坚定地将天平倾向于宇宙学的宇宙大爆炸图景。根据该模型，在最早、最热的时间时期，宇宙是不透明的，很像恒星的内部，光被电子反复散射。然而，当温度降至3000开尔文时，电子减速到足以被质子捕获并产生中性原子。此后，光可以自由传播。贝尔实验室的信号是这种古老的光，最初在大约宇宙诞生后30万年释放出来，并且仍然弥漫在宇宙中——我们称之为宇宙微波背景辐射。科学家们花了一段时间才理解这一发现的重要性。“我们很高兴对[天线噪声]有一个可能的解释，但我认为我们俩最初都没有真正认真对待宇宙学，”威尔逊说。“沃尔特·沙利文在《纽约时报》上写了一篇头版文章，我开始在那时想，你知道，也许我最好开始认真对待这个宇宙学。”

此后对这种辐射的测量使科学家能够了解星系是如何出现的。对微波的精确观测表明，它们在天空中并非完全均匀。有些区域略微热一些，有些区域略微冷一些。这些波动的幅度仅为十万分之一，但它们是今天宇宙结构的种子。任何开始时密度略高于平均水平的膨胀宇宙区域，由于受到额外的引力，膨胀较少；它的增长越来越落后，其密度与其周围环境的密度之间的对比越来越大。最终，这些团块变得足够稠密，以至于气体被吸入并压缩成恒星，形成星系。关键是：模拟这个过程的计算机模型输入了在宇宙微波背景中测量的初始波动，这些波动代表了宇宙在30万岁时的状态。经过138亿年的虚拟时间后，输出结果是一个宇宙，其中的星系类似于我们看到的星系，像在实际宇宙中一样聚集在一起。这是一个真正的胜利：我们至少在轮廓上理解了99.998%的宇宙历史。

我们不仅了解了宏大的宇宙图景。一系列发现也揭示了构成恒星、行星甚至我们自身身体的元素构建基块的历史。

从1950年代开始，原子物理学的进步导致了恒星表面层的精确建模。与此同时，不仅氢原子和氦原子核的详细知识，而且其余元素的原子核的详细知识使科学家能够计算出哪些核反应在恒星生命的不同阶段占主导地位。天文学家开始了解核聚变如何在质量大的恒星中形成洋葱皮结构，因为原子连续聚变以构建越来越重的元素，最终在最内部、最热的层中以铁结束。

天文学家还了解到，当恒星耗尽氢燃料并吹走其外部气态层时，恒星是如何死亡的。较轻的恒星随后会平静地衰落为致密的昏暗物体，称为白矮星，但较重的恒星会在其生命周期中或通过超新星的爆炸性死亡释放出更多的质量。事实证明，这种喷射出的质量对我们自身的生存至关重要：它混合到星际介质中，并重新凝结成新的恒星，这些恒星围绕着像地球这样的行星运行。这个概念是由弗雷德·霍伊尔提出的，他在1950年代与另外两位英国天文学家玛格丽特·伯比奇和杰弗里·伯比奇以及美国核物理学家威廉·福勒一起发展了这个概念。在他们1957年发表在《现代物理评论》上的经典论文中（以其作者姓氏的首字母BBFH闻名），他们分析了所涉及的核反应网络，并发现了元素周期表中的大多数原子是如何产生的。他们计算出为什么例如氧和碳是常见的，而金和铀是稀有的。事实证明，我们的星系是一个巨大的生态系统，气体正在通过连续几代恒星循环利用。我们每个人都包含着在银河系中数十颗不同恒星中锻造的原子，这些恒星在45亿多年前诞生和死亡。

长期以来，科学家们一直认为这个过程正在其他恒星周围播种行星——甚至可能是生命——而不是我们自己的太阳。但在1990年代，在我们确定太阳系外是否存在行星之前，天文学家开发了巧妙的方法来识别我们无法直接看到的昏暗世界。一种技术是寻找恒星运动的微小周期性变化，这是由绕恒星运行的行星的引力引起的。1995年，米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹使用这种策略探测到了飞马座51 b，这是第一颗已知的围绕类太阳恒星运行的系外行星。该技术可以揭示行星的质量、其“年”的长度及其轨道的形状。到目前为止，已经通过这种方式发现了800多颗系外行星。第二种技术对于较小的行星效果更好。当行星在其前方凌日时，恒星会稍微变暗。一颗类地行星经过类太阳恒星时，每次轨道运动可能会导致大约万分之一的变暗。2009年发射的开普勒探测器通过这种方式发现了2000多颗行星，其中许多行星不大于地球。行星搜寻中天文学家取得的成功带来的一个重大惊喜是，那里存在各种不同的行星——许多行星比我们太阳系中的天体更大，并且离它们的恒星更近——这表明我们的宇宙邻域可能有点特殊。

至此，科学家们已经了解了几乎所有形成行星、恒星和星系的元素的起源。然而，这最后一块拼图最近才出现，并且来自一个看似无关的探究。

广义相对论预测了一种称为引力波的现象——由大质量物体的运动产生的时空涟漪。尽管经过数十年的搜寻，但仍未发现任何波——直到2015年9月。那是在那时，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）探测到了引力波的第一个证据，其形式为“啁啾声”——时空的微小震动，先加速然后消失。在这种情况下，它是由双星系统中的两个黑洞引起的，这两个黑洞最初相互绕轨道运行，但逐渐螺旋式地靠近，最终合并成一个巨大的黑洞。碰撞发生在超过十亿光年之外的地方。LIGO的探测器由相距四公里的镜子组成，镜子之间的距离由在它们之间来回反射光线的激光束测量。经过的引力波会导致两面镜子之间的空间抖动，抖动量比单个原子的直径小数百万倍——LIGO确实是精密工程和毅力的一项惊人壮举。

自首次发现以来，已经探测到十几个类似的事件，开辟了一个探测空间本身动力学的新领域。其中一个事件具有特殊的天体物理学意义，因为它标志着两个脉冲星的合并。与黑洞合并不同，这种碰撞，即两个超致密恒星之间的撞击，会产生光波、X射线和伽马射线脉冲。这一发现填补了BBFH经典著作中的一个空白：作者解释了空间中许多元素的起源，但对金的锻造感到困惑。在1970年代，大卫·N·施拉姆和他的同事推测，假想的脉冲星合并中涉及的奇异核过程可能会完成这项工作——这一理论此后已得到验证。

尽管在过去175年中天文学取得了令人难以置信的进步，但我们现在可能比那时有更多的问题。

以暗物质为例。我曾公开表示，早在20多年前，我们就会知道暗物质的性质。尽管这个预测被证明是错误的，但我并没有放弃希望。然而，暗能量是另一回事。暗能量在1998年进入人们的视野，当时研究人员测量超新星的距离和速度时发现，宇宙的膨胀实际上正在加速。将星系相互拉近的引力似乎被一种潜伏在空旷空间中的神秘新力所压倒，这种力将星系推开——这种力被称为暗能量。暗能量的谜团一直存在——我们仍然不知道是什么原因导致了它，也不知道为什么它具有特定的强度——而且在我们对空间粒度有一个比原子核小数十亿倍的尺度模型之前，我们可能不会理解它。研究弦理论或圈量子引力的理论家正在应对这一挑战，但这种现象似乎离任何实验都太遥远了，以至于我不期望很快得到答案。然而，有利的一面是，一个可以解释空间真空能量的理论也可能为我们宇宙的起源提供见解，那时一切都被压缩和致密，以至于量子涨落可能会震动整个宇宙。

这引出了我们现在面临的另一个主要问题：一切是如何开始的？究竟是什么引发了我们宇宙开始的大爆炸？正如许多理论家认为的那样，空间是否经历了一个称为暴胀的极早期快速膨胀时期？还有一些其他的东西：一些模型，例如永恒暴胀，表明“我们的”大爆炸可能只是一个广阔群岛中的一个时空岛屿——众多大爆炸中的一个。如果这个假设是正确的，那么不同的大爆炸可能会以不同的方式冷却下来，从而在每种情况下导致独特的物理定律——一个“多元宇宙”而不是一个宇宙。一些物理学家讨厌多元宇宙的概念，因为这意味着我们将永远无法对支配我们物理定律的基本数字做出简洁的解释，从这个更宏大的角度来看，这些数字可能只是环境事故。但我们的偏好与自然无关。

大约10年前，我在斯坦福大学的一个小组中，一位听众问我们，我们对多元宇宙概念的赌注有多大。我说，在赌我的金鱼、我的狗或我的生命的程度上，我几乎达到了狗的水平。花了25年时间推广永恒暴胀的安德烈·林德说，他几乎愿意赌上自己的生命。后来，在被告知此事后，物理学家史蒂文·温伯格说，他很乐意赌上我的狗和林德的生命。林德、我的狗和我都会在问题解决之前死去。但这都不应被视为形而上学。这是投机科学——令人兴奋的科学。它可能是真的。

我们这个宇宙——或多元宇宙——将会发生什么？长期预测很少可靠，但最好和最保守的赌注是，我们面前几乎有一个永恒，宇宙将变得越来越冷、越来越空旷。星系将加速远离并消失。从我们的角度来看，剩下的将只是银河系、仙女座和较小邻居的残余物。质子可能会衰变，暗物质粒子可能会湮灭，当黑洞蒸发时可能会偶尔闪烁——然后是寂静。

这种可能的未来是基于暗能量保持不变的假设。然而，如果它衰变，可能会发生“大挤压”，宇宙会向内收缩。或者，如果暗能量增强，将会发生“大撕裂”，届时星系、恒星甚至原子都会被撕裂。

其他更贴近我们家园的问题也在诱惑着我们。在我们正在发现的这些新行星中，是否可能存在生命？在这里，我们仍然处于推测领域。但除非地球上生命的起源涉及罕见的侥幸，否则我预计在20年内会发现系外行星生物圈的证据。我不会屏住呼吸等待发现外星人，但我认为寻找地外智慧生命是一项值得冒险的赌博。在搜索中取得成功将传递一个重要的信息，即逻辑和物理学的概念并不局限于人类头骨中的硬件。

到目前为止，宇宙学和天体物理学的进步95%归功于先进的仪器和技术，不到5%归功于书斋理论。我预计这种平衡将持续下去。哈勃在1930年代写下的内容在今天仍然是一个很好的格言：“只有在经验资源耗尽之后，我们才需要转向梦幻般的推测领域。”

在过去的175年中，有许多特别令人振奋的时代——1920年代和1930年代，当时我们意识到宇宙并不局限于银河系，以及1960年代和1970年代，当时我们发现了挑战经典物理学的物体，如中子星和类星体，以及来自宇宙微波背景的时间开始的线索。从那时起，进步的步伐一直在加速而不是放缓。

当科学史被书写时，这种惊人的进步将被誉为最伟大的胜利之一——与板块构造学、基因组和粒子物理学的标准模型并驾齐驱。天文学中的一些主要领域才刚刚起步。系外行星研究只有25年的历史，而严肃的天体生物学工作才刚刚开始。一些系外行星可能存在生命——它们甚至可能藏有已经知道所有答案的外星人。我发现这令人鼓舞。