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你相信吗?宇宙有可能是一个大脑(上)

Masir123 科学羊 2024-03-30

本系列文章预计会有30个章节,这套文献将系统讲物理学系统本身,这里是第九季第4篇

--本文较长,预计阅读9min--


Hello,大家好,这里是Masir的物理学第九季专栏,本篇我们来谈一个关于宇宙学的脑洞。


你有没有想过我们所生活的宇宙有可能是一个大脑🧠!或者你相信吗?


这次我们打开脑洞来聊聊这个话题,宇宙学~


我记得以前见过一张图(下篇会提到),说是人的大脑神经网络和宇宙的星系之间的脉络非常相似,甚至很多学派认为宇宙其实就是一个人的大脑,也可以成为上帝的brain。


而当时我的态度只是怀疑,也是不是不信,因为站在人类认知才起步的阶段,你无法去预测几百年甚至几千年之后的是不是真的被证明。


不过最近有一个发现,我觉得你也有必要了解下,这也是今年我在万sir的精英日课所了解到的。


前提是,这只是一个猜想🤔,或是一场思想旅行。


而天文学家发现了一些很重要的事实,让这个猜想显得特别有意思——我们只需要保持开放即可。


在此之前,为了深入理解,我们本节还是需要打点基础,先来了解一下宇宙的结构。


1

宇宙的结构


对我们现在来说,地球之外是太阳系,太阳系之外是银河系,然后河外星系,甚至是外星系...


虽然这只是个常识,但是这个知识直到100年前,天文学家才确定太阳系之上还有一个更大的结构是银河系,60年前才确定银河系是旋涡状的,而且直到现在我们也不清楚银河系到底应该是什么样子的。我们现在看到的所有银河系的图片,都还只是天文学家的猜测而已。


一般情况,某个天体或是天文学系统,距离我们越近,我们就能研究得越清楚。但是银河系例外,因为我们就在银河系里面。不识庐山真面目,只缘身在此山中。


(地球上看银河系的样子)


我们先来看看,我们在地球上看到的银河系是什么样子的。我在文稿里面提供了一张站在地球上看银河的照片。银河就是银河系里主要恒星聚集的地方。


银河之所以叫银河,就是在夜空中有那么一条带状区域非常亮,聚集了很多星星,就像是夜空中的河流一样。银河是我们国家的说法了,在西方国家,银河叫做Milky Way,就是一条道路上洒满了牛奶的意思。


不论是河流,还是道路,其实都是一样的,都是说看起来像一条带子。你能靠这个照片还原出银河系真实的样子吗?


不行吧,别说你了,就是天文学家也不行。


(弗里德里希·威廉·赫谢尔爵士,图片来自维基百科)


第一个尝试对银河系结构作出描述的是赫歇尔,就是那个18世纪发现天王星的天文学家。他能发现天王星,是因为他的望远镜是当时最强大的。既然有了这么一个有力工具,他肯定不满足于发现天王星。所以,他就想着是不是可以做些更宏大的事情,那就是把银河系的样子描绘出来。


他的做法呢,就是用自己的望远镜🔭把全天的恒星数一遍,不光数,还会去估计恒星的距离。这样,就可以把恒星和太阳的相对位置画出来了。如果测得够精确的话,银河系的样子就可以画出来了。


于是他就按照这个想法,做了1000多次观测,一共观测了11.8万颗恒星。但是最后画出来的银河系是什么样子呢?根本没有一点旋涡的样子,看起来就像是一个没有裁剪过的羊皮。



赫歇尔可是当时最有名的天文学家了,用的还是当时最先进的望远镜,仍然只能得到这样一个结果。而且在后来的100年内,没有人对银河系的了解可以超过赫歇尔。


所以你应该了解了,如果只从地球一个视角出发,还原出银河系的样子,那真的是非常困难的。如果想要真的解决这个问题,必须寻找一个外部视角才行。可是怎么才能找到外部视角呢?这就又要用到宇宙学原理了,不过这次却是反过来用了。


一般天文学利用宇宙学原理,都是把身边发现的规律推广到宇宙的更远处。而对于银河系,则是通过观察远处的其他星系,把从它们身上观察到的特征反过来用在银河系上。这样即便是我们没有离开过银河系,仍然可以用外部视角来研究银河系到底是什么样子的。


其实在赫歇尔之前,就已经有天文学家发现夜空中除了恒星之外,还有一些天体像一团一团的云雾。天文学家专门给这些天体起了名字,叫做星云。现在我们知道,它们有一部分是银河系内部的气体云,有一部分真的是遥远处的星系。


(仙女座星云,图片来自维基百科)


但是当时并不清楚星云的距离,所以也不知道这些星云到底是在银河系内部,还是在银河系外部。


不过已经有天文学家开始猜想了,这些星云其实就是更远处的星系。其中最有名的应该是哲学家康德,他凭借着直觉相信仙女座星云,这种有旋涡结构的星云应该就是一个河外星系,河外就是银河系之外的意思,甚至还在这个基础上猜想我们的银河系也是旋涡状的。


不过,康德的想法没有任何观测支持,只算是一个猜想。真正让人们接受这个观点,还要等将近200年。


到了1923年,天文学家哈勃用更大口径的望远镜去看仙女座星云,发现它不只是一团云雾,而且是有更精细的恒星结构。


后来还在仙女座星云里面发现了造父变星,造父是我国古代神话里的一个人物。造父变星是一种标准烛光,通过它就可以测量出仙女座星云的距离,至少有100万光年。


通过这个距离一计算,就发现了仙女座星云的大小,应该和当时已知的银河系是差不多的,这不可能是在银河系内部的结构。所以从此开始,仙女座星云改名了,叫做仙女座星系。并且,这也让天文学家第一次开始认真思考,也许银河系真的和仙女座星系一样,有一个旋涡状的结构。


有了这个外部视角之后,再去看地球视角下的银河,有的现象就能得到很好的解释。比如说,虽然天空中的银河是一条亮带,但是通过望远镜观察的话,就能发现这条亮带上物质的密度是不一样的。在靠近人马座附近的银河的密度会比其他地方大很多。这在之前很难解释。


现在有了外部视角,就很容易理解了。我们看到了仙女座星系不只是呈现旋涡状,看起来还像是一个飞碟🛸,中间厚四周薄,中心物质密度大,四周密度小。所以,银河应该也一样,密度最大的地方,很可能就是星系的中心。


按照这个思路,就可以找到银河系的中心,也就是银心具体在什么地方。


(人马座和银河)


经过观测和计算发现,银河系的中心,也就是银心大概是在人马座的旁边。然后还有天文学家进行了计算,想看看太阳距离银河系的中心,也就是银心有多远。现在我们知道太阳距离银心大概有2.5万光年,银河系的半径大概是5万光年左右。我们其实是在银河系比较偏远的位置上。


当时计算的数值没有那么精确,不过也可以非常确定太阳是在银河系的一个角落里,距离中心很远很远。其实这也算是哥白尼日心说的再一次升级,地球不是太阳系的中心,太阳系也不是银河系的中心。 


银河系的大体轮廓知道了,银心也知道了,真实样貌的还原应该要容易很多了吧,并没有。因为银河系中有大量的星际气体和尘埃,它们是会遮挡住恒星的光芒的。遮挡住之后,对亮度观测和距离的计算就会不准,而且是物质密度越大的部分越是这样。


你可以随便看一张夜空中银河的照片,你就会发现,银河这条星带的中间应该是密度更大、恒星更多,但是偏偏越靠近中间越黑。这就是因为这部分星际气体或尘埃太多,挡住了恒星的光芒。所以,本来恒星越多,越是应该有更多观察数据的地方,偏偏观察数据并不多。


要解决这个问题,还要等一项技术突破,那就是射电望远镜的发明。其实射电望远镜就是我们平时见到的雷达。


在1932年,一位美国的无线电工程师央斯基在调试自己的无线电雷达的时候,接收到了一个奇怪的信号。这个信号传递的方向上没有发现任何的信号源,而且总是指向人马座方向。


后来确定了,这就是来自银河系中心的无线电信号。


这也就是说,无线电信号可以穿过银河系中心厚厚的星际气体被我们接收,这就提供了可见光观测之外的另一扇窗。

2

银河系的结构

好,我们已经知道了宇宙的大尺度结构。也知道太阳是个普通的恒星,它不是孤单的,它跟几千亿颗恒星一起构成了银河系,而银河系只是已知宇宙中几千亿个「星系(galaxy)」中的一个。

一般的大星系的中心都有个超大质量的黑洞,星系中所有恒星绕着这个黑洞旋转,所以星系一般都是扁平螺旋状的。下图就是我们的太阳在银河系中的样子 ——


好,今天就先这样,下一篇我们继续谈宇宙的结构与其脑洞,精彩马上到来~

Masir - 2023/09/08
于 东莞
祝幸福~

参考文献:
1.银河系的结构 04 (qq.com)

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