环球物理|【物理前沿】过去一百年中十个最伟大的进步

_本文原题：【物理前沿】过去一百年中十个最伟大的进步
引言：宇宙就在那里，等着你去发现它的奥秘。

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图解：斯隆数字化巡天（SDSS）项目,包含测定的数据绘制的宇宙结构图。（标青绿的是我个人对这个图的理解，因为原文没有介绍这个图是干嘛的，审核可以检查下，标青绿的酌情删掉）。 SDSS是阿尔佛雷德·斯隆（Alfred P. Sloan）基金会资助的一项宏伟的巡天项目。它计划对四分之一的天区进行深度的普查观测，为一亿个以上的天体测定位置和亮度，为一百万颗以上的星系和类星体测定距离。图源：forbes
我们很有必要意识到在一个世纪之前，我们对宇宙的认识是这样的：
——银河中的星星，星团和星云组成了整个宇宙
——所有物质都是由原子核和电子组成
——空间中仅存在万有引力和电磁力
自17世纪开始就统治宇宙的牛顿万有引力定律，仅在爱因斯坦提出广义相对论两个月内就遭到了挑战。
然而在接下来的一百年里，每十年就会有一个新的重大发现重铸我们对宇宙的认识。

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图解：纽约时报1919年11月10日刊（图左）；伦敦新闻画报1919年11月22日刊（图右）。均报道爱因斯坦的预言引力时间膨胀现象得到了证实，是在1919年一次日全食中观察星光的扭曲发现的。图源：forbes
20世纪10年代——爱因斯坦的理论被证实了！广义相对论成名于解释牛顿万有引力定律解释不了的问题：水星对太阳的公转过程。但是仅靠科学理论去解释我们已经发现的现象是不够的，它还需要去对我们不知道的事情去做一些预测。在过去的一个世纪里它预测了很多现象，包含引力时间膨胀现象，强、弱引力透镜，参考系拖拽现象，重力红移现象等。引力时间膨胀现象是在1919年一次日全食中观察星光的扭曲发现的，发现者是爱丁顿和他的合作者。在太阳周围被发现的扭曲光线的数量符合爱因斯坦的预测而与牛顿的理论不符合。就像这样一样，在接下来的时间里我们的宇宙观将一直被改变。

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图解：右下角的图是20世纪20年代埃德温·哈勃用威尔逊天文台的100英寸望远镜拍摄的仙女座星系照片，标注“VAR”的地方是一颗经典造父变星，哈勃通过它确定了仙女座大星系的距离，证明了仙女座星系不是银河系的成员。左图和右上图为90年后人们用哈勃望远镜拍摄的仙女座星系。图源：apod.nasa
到了20世纪20年代，我们仍然不知道在银河系外还有更宽阔的宇宙，但是这一切在这个年代被埃德温·哈勃所做的工作所改变。当他在观察一些天空中螺旋的星云时，他能够明确指认出那些单个的的属于同一个星系的不同星星，这些星星已经被人们认为是在银河之中。但是，这些星星的光芒太微弱以至于它们得距离地球几百万光年远，这已经超越了银河系的范围。哈勃没有在这里停下脚步，他测量了十来个星系的衰退速度和距离，发现我们如今了解到的广阔并且正在扩张的宇宙。

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图解：后发座星系团有两个巨大的椭圆系，其中NGC4889直径达130万光年。左侧为NGC 4889 ，右侧为NGC 4874 。图源：forbes
到了20世纪30年代，很长一段时间人们都认为如果你可以测量星星里包含的所有物质，或许再加上气体和尘埃，你就可以解释宇宙中所有的事情了。但是通过稠密的星团观察宇宙（如后发座星系团等），弗里茨·扎维奇展示了星星以及我们所认为的“常规物质”（即原子），是不足以解释星团的内在运动的。他将那些新的人们没有发现的物质起名为暗物质（德语：dunkle materie ，英语：dark matter），这种物质的观测几乎在20世纪70年代前一直被忽视，毕竟在那个时候“常规”的物质被人们逐渐更好地了解了，在后面的实验中暗物质被证明在独立的银河中存在的量很大，我们现在知道暗物质和“常规物质”的数量比例为5:1 。分页标题
到了20纪40年代，大量的实验和观测资源都被用于间谍卫星、火箭和核技术的发展，理论物理学家们仍在努力。 1945年，乔治·伽莫夫做出了宇宙膨胀的最终判断：如果如今宇宙正在膨胀，温度正在下降，那么宇宙必然曾经很热并且有很大的密度。接着，必然存在着一个时间，这个时间的宇宙的温度很高，而且密度条件恰好使原子不能组合在一起，在这个时间之前原子不能组合在一起。如果这是正确的话，在任何星球形成之前，形成宇宙的物质应当有一个最轻元素确定的比例，并且应当存在某种残留物，它发出的光渗透宇宙的各个方向，而它的温度只比绝对零度高一点。这个框架就是我们如今知道的大爆炸理论，是解释宇宙成因的最好解释，它在20纪40年代被提出。

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图源：美国国家科学基金会的尼科尔·拉格·富勒
但是到了20世纪50年代， “稳态模式”理论的提出对大爆炸理论提出了挑战，这个理论由弗雷德·霍伊尔和其他科学家在同一时间提出。但是更令人吃惊的是他们认为当今地球上所有更重的元素的形成是在早期星星形成的时期，而非是在更早时候那个宇宙处于高温高压的时期。霍伊尔和他的合作者威利·福勒、杰弗里还有玛格丽特·伯比奇，他们深入研究了元素是怎样通过星球中的核聚变构建出元素周期表。最令人吃惊的是，他们预测了氢原子通过一个从未观察过的方式融合成为碳原子的现象：3-α过程，产生了新状态的碳原子留存下来。这个现象在霍伊尔提出几年后由他本人发现，这个现象被称为“碳的霍伊尔状态” 。自此，我们了解到我们地球上所有的较重元素的形成都在地球刚形成的早期。

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图解：宇宙微波背景（CMB）在1965年被阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊发现。该图来源于美国国家航空航天局/威尔金森微波各向异性探测器（NASA/WMAP）科学研究团队。图源：forbes
20世纪60年代，经过近20年的争论，决定宇宙历史的关键现象被人们发现：宇宙大爆炸的残余光线被发现，或者称为宇宙微波背景。这种统一的、2.725K辐射在1965年被阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊发现，在发现之初两人均没有意识到这个重大发现。随着时间的推移，这种射线完整的黑体光谱甚至它们的波动都被人们测量了，展示出宇宙起源于一次大爆炸。

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20世纪70年代，在1979年的年尾，一位年轻的科学家提出了一个他为之研究一生的理论。阿兰·古斯当时正在研究一些大爆炸理论无法解释的问题——为什么宇宙在空间上如此平坦，为什么它在各个方向上具有相同的温度，以及为什么宇宙中没有超高能量爆发过后留下的痕迹——由此他提出了宇宙暴胀理论。这个理论告诉我们在宇宙存在于高温高压状态之前，处于一种指数形式的暴胀状态，所有的能量都被束缚在宇宙本身的结构之中。在古斯的最初理论基础上加以延伸便可以得到现代宇宙暴胀的理论，在之后的观察中——包括宇宙微波背景辐射的波动，宇宙的大规模结构以及星系的聚集和形成——这些都证明了宇宙暴胀理论预测的正确性。我们的宇宙不仅仅起源于一次大爆炸，而且在大爆炸前还存在着一个状态。

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图源：美国国家航空航天局/欧洲航天局哈勃空间望远镜
20世纪80年代，关于天文科学的进展看起来并不是太多，但是在1987年，出现了近一百年来离地球最近的超新星。这也是出现的第一颗爆发之后我们用探测装置直接检测到中微子的超新星！我们曾在其他星系发现了许多超新星，但是我们从来没有发现这样一颗离我们如此近的超新星，距离近到它所释放的中微子在地球上可以观测到。这大约20个被观测到的中微子标志着中微子天文学的开端，之后的发展中我们发现了中微子振荡、中微子的质量以及来自超过一百亿光年远的超新星释放出的中微子。在我们星系的下一个超新星爆发将会使我们能够检测到超过十万个中微子。分页标题
到了20世纪90年代，如果你认为发现暗物质和宇宙的起源是一件大事的话，那么你可以想象在1998年人们预言宇宙如何走向毁灭是多么令人震惊！
我们历史性地设想了宇宙的三种命运：
第一种：宇宙的膨胀将不足以克服万有引力，宇宙会因此在大的碎裂声中再次坍塌。
第二种：宇宙的膨胀远大于万有引力的作用，宇宙中的所有星球都将会与其他星球越来越远，最终达到接近绝对零度。
第三种：我们的宇宙处于前两种情况之间，宇宙的膨胀速率会无限接近0但不会等于0 ，最终变成临界宇宙。
然而，遥远的超新星表明宇宙的膨胀正在加快，随着时间的推移，遥远的星系彼此之间正在加速离开。不止宇宙会变冷，所有没有被临近星系束缚的星系将最终消失在我们的宇宙视野之中。除了我们本地的星系（这一句翻译的可能不够准确），没有其他星系将会出现在我们的银河之中，然后我们宇宙的命运就将会是一个又冷又孤寂的结果。在另一个1000亿年中，我们在我们的视野中将不会看到任何星系。
到了21世纪初，宇宙微波背景的发现并没有在1965年停止，但是我们测量到的宇宙大爆炸时期留下的微弱的光的起伏状况（或者成为瑕疵）教会了我们一些不同寻常的事情：宇宙到底由哪些物质构成。来自宇宙背景探测者（COBE）工作小组的数据已经被来自威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据所替代，被普朗克所改进。另外，来自大型星系调查（如2dF 和SDSS）的大规模结构数据和遥远的超新星数据共同给我们描绘了现代宇宙的画面：
——0.01%的光子辐射
——0.1%的中微子，帮助维持星系和星云与其外圆环的引力作用
——4.9%的正常物质，包括所有构成物质的微粒
——27%的暗物质，或者称为神秘的没有相互作用（除了万有引力）的粒子，是我们所能观察到的宇宙的组成部分
——68%的暗能量，这是宇宙所固有的
21世纪10年代，最大的发现将会是什么呢？他是否会宣告引力波天文学的到来？我们是否会发现暗物质的本质？最后一个关于宇宙膨胀的大预言是否会被证实？以及我们是否会在宇宙中地球之外的星球上发现生命存在的证据？
有一件事情是确定的：当2016年降临时，我们对宇宙的理解仅仅受到我们调查源泉的限制。
作者：Ethan Siegel
FY：饿了
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翻译：天文志愿文章组-饿了
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排版：天文志愿文章组-零度星系
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【环球物理|【物理前沿】过去一百年中十个最伟大的进步】参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/01/01/the-ten-greatest-steps-of-the-last-ten-decades/#6c7711ac1168
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