本书从科学的视角触摸世界各处的神秘领域——太空、深海、神秘地带,解析宇宙万物之玄奥的科学原理,分析神秘疑团的缜密思维,探究人体内部组织的精微与构造的奇妙,动植物鲜为人知的语言、情绪等类人行为,宇宙空间里奇怪现象所遵循的规律,科技发展到替代人类行为、超越人类想象的世界……依据科学原理,结合最新科学研究成果,以最生动的文字、最缜密的思维、最精彩的图片揭秘大千世界的种种谜题,将其中的奥妙解析得深入浅出、通俗易懂,多角度地向青少年展示神奇世界的无穷奥秘。
本书注重知识和现代审美的有机结合,加上先进的装帧设计,新颖科学的版式,既增加了信息含量,又使页面变得生动、活泼,750千字全面、细致阐释世界奥秘,300多幅科学原理解析图立体解析科学奥秘的内涵,全力为青少年打造一部融文字、图片等多种元素的全新阅读世界,充分满足青少年的阅读需求和求知欲望。
本书是一部详尽介绍人类社会和宇宙世界奥秘知识的百科全书,是一部着力为青少年打造的科普书,从青少年最感兴趣的问题着手,精选了1000余个世界奥秘,内容包括宇宙、海洋、地球、自然、生命、动物、植物、科技、医学、军事、建筑11个方面的科学奥秘知识。全书从科学出发,以深入浅出的语言、神奇生动的画面将其中奥妙娓娓道来,多角度地向青少年展示神奇世界的无穷奥秘,引领青少年读者进入一个生机勃勃、变幻无穷、具有无限魅力的科学世界,让读者在惊奇与感叹中完成一次次探索发现世界奥秘的神奇之旅,让种种扑朔迷离的科学疑云掩盖的科学真相暴露于“光天化日”之下,让青少年瞬间领悟其中的奥秘、感受探索发现的无穷乐趣。
宇宙的边际在哪里
如果说宇宙是人类拥有的一份财产,那么,这份财产究竟有多大?人类至今没有弄清楚自己的富裕程度。
爱因斯坦的广义相对论发表于1917年,他提出了一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这个模型给人们的观念带来一次剧烈的震撼。在这个模型中,宇宙的三维空间独立于时间的影响之外,是有限无边的。
一个长方形的桌面,其长宽一定,则其大小是有限的。同时它是有边的,所以桌面是有限有边的二维空间。而桌面向四面八方无限伸展而成的欧氏几何平面,则是无限无边的二维空间。
如果是一个半径为r的篮球的表面,球面大小是有限的。但是,这是一个无边的二维球面。
依据宇宙学原理,三维空间在宇观尺度上是均匀各向同性的。爱因斯坦认为,这样的三维空间其曲率必为常数,也就是说空间各点的弯曲程度应该相同。四维时空由于物质的存在而应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦认为宇宙很可能是三维超球面。三维超球面是二维球面的一种推广,是有限无边的,生活在其中的三维生物(例如人类就是有长、宽、高的三维生物),在任何方向上都不可能找到它的边。
三维空间的均匀各向同性在时间上是保持不变的。爱因斯坦觉得最简单的情况就是宇宙不随时间而变化,也即静态宇宙。
爱因斯坦试图在静态宇宙的假想模型中求解广义相对论的场方程。场方程非常复杂,而且其求解必须先知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)。爱因斯坦非常聪明,他设想宇宙是有限无边的,这就解决了边界条件的问题。他又设想宇宙是静态的,现在和过去都一样,初始条件的问题也同样被排除。再考虑到三维空间均匀各向同性所规定的对称性,场方程就变得好解多了。但还是得不出结果。爱因斯坦苦苦思索,终于明白了求不出解的原因:广义相对论是万有引力定律在高速状态下的推广,其中只包含“吸引效应”,不包含“排斥效应”。而一个宇宙必须要排斥效应与吸引效应相平衡才能维持其恒定不变。这意味着只用广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙,除非修改场方程。于是他的方程中增加了一个“排斥项”,叫做宇宙项。爱因斯坦终于通过这个方程得出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。
无疑地,如果宇宙满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性),那它肯定是无边的。但是,其有限性却存在三种可能。
一个三维空间的曲率为正的宇宙是有限无边的。不过,这是一个动态的宇宙,它不可能静止,而是随时间而不断脉动。这个宇宙所爆炸、膨胀的起点是空间体积无限小的奇点。膨胀使得宇宙的温度逐渐降低,物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。宇宙将在体积膨胀到一个最大值后开始收缩。收缩后整个宇宙又会成为一个新奇点。而这个宇宙在到达新奇点之后将开始一次新的膨胀。显然,这个宇宙是脉动的、有限无边的。
而宇宙如果是一个曲率为零的三维空间,也就是说,三维空间是平直的(宇宙中有物质存在,四维时空是弯曲的),则它一开始就具有无限大的三维体积,在初始时,这个无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点)。爆炸使整个“奇点”开始膨胀,其时空不再奇异,而其温度、密度和时空曲率都逐渐降低。这个过程将永不停止。显然,这种宇宙是无限无边的。
如果三维空间曲率为负,初始的宇宙就有无穷大的、奇异的三维体积,即三维“无穷大”奇点。大爆炸在整个“奇点”上发生,爆炸后使无限大的三维体积永远膨胀下去,而温度、密度和曲率都逐渐降下来。显然,这个宇宙也是无限无边的。
宇宙的有限性可经由观测宇宙中物质的平均密度来判定。此外,减速因子也可作为一个判断的依据。河外星系的红移,表明宇宙是在减加速膨胀,也就是说,河外星系远离我们的加速度在不断减小。从减加速度的快慢,也可以判定宇宙的类型。
我们似乎可以根据这两个判据来确定我们的宇宙究竟是哪一种了。对物质密度的观测结果说明,这是一个永远膨胀、无限无边的宇宙!减速因子观测却给我们当头一棒:我们的宇宙是膨胀一收缩一膨胀地脉动的,是有限无边的。有些人更认可减速因子的观测,推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了。另一些人的看法则刚好相反。今天,我们只能肯定宇宙无边,而且现在正在膨胀,而不能肯定它是否无限。当然,我们也知道爆炸发生在100亿~200亿年以前,那就是我们的宇宙“创世”的时间。
非常可惜,我们都不够大,不能看到宇宙的边(如果存在);我们的生命也不够长久,让我们无法欣赏到宇宙之初那一场壮观的爆炸。但是,如果我们更大,更长久,我们是否又要为一个更大的宇宙而烦恼?
宇宙的颜色为何经常变
我们谁都愿意过得轻松自如,而不愿意战战兢兢地过那种看别人脸色行事的生活。然而,如果我们想过得更好和更安稳,却不能不看看宇宙的“脸色”。宇宙也是会使脸色的。
2002年1月中旬,美国两位天文学家告诉人们,宇宙也有“脸色”,它总体上是呈“淡绿色”,而且不断改变。
在某次学术会议上,天文学家伊万·巴德利说:“宇宙的‘脸色’应该是淡绿色——介于青绿色和碧绿之间的那种颜色。”
为了确定恒星形成的时间和宇宙的年龄,研究宇宙诞生的速率,巴德利和其同事对宇宙中20万个星系所发出的光线图谱进行了全面的分析,但是他们发现,把所有宇宙光线混合起来,就会呈现淡绿色。普通人看不到宇宙的颜色,必须站在宇宙以外的人,才会发现这种混合色。巴德利说,宇宙的颜色还在不断的变化中,即从蓝到绿,再从绿到红。
新形成的恒星统治着初期的宇宙,使它的外表呈现蓝色;随着恒星不断成熟,宇宙就成为现在的样子,呈淡绿色;科学家们认为,将来新恒星的数量少到一定程度时,宇宙就会变得“通红”。也就是说,新恒星数量的多少,决定了宇宙颜色的变化。
宇宙颜色的有关结论公布后,媒体的广泛兴趣远远超出了两位天文学家的预想。美国纽约曼塞尔颜色科学实验室的几位科学家告诉人们,两位美国天文学家最近有了新的发现,他们说早些时候有关宇宙是青绿色的论断有误,宇宙正确的颜色应该是类似奶油色的米色。
原来,两位天文学家错误地在用来分析宇宙颜色的计算机程序中设定了不正确的参考白点。参考白点是指在特定照明环境下人眼所看到的最白光线,施加的环境光照会影响到它的设定。比如说在钨灯照明下,人眼通常所看到的白色实际上偏黄色。也就是说,钨灯会造成参考白点偏黄。
巴德利等所用的程序中的参考白点被误设为偏红,这就如同是在一个红光照明的房间里去观察宇宙,结果看到的宇宙是青绿色的。而要想真正看清楚宇宙的颜色,应该是假想把宇宙放置于一个黑暗的背景中,在这样的背景中,我们看到的宇宙就是米色。
希望我们可以借到一双慧眼,把宇宙的颜色看得清清楚楚明明白白,那样,就算我们不能像一个“望”人气色之后的老中医那样,给我们的宇宙开出一个药方,至少我们也可以清楚自己的家园是什么样子的。
宇宙到底有几个
一次大爆炸已经使我们很迷糊了,有一些科学家还要给我们宇宙的诞生“增加”一次大震荡,并且给我们的宇宙找到了一位孪生兄弟,使它免于孤独。
英国剑桥大学和美国太空望远镜协会的科学家有了一种宇宙形成的新理论,他们正在努力完善这种理论。这一理论认为,大爆炸是发生在另外一次大震荡之后,这就是说,可能还有一个看不见的宇宙与现有的宇宙共存。
在“五维空间”中,我们的宇宙和另外一个“隐藏”的宇宙一直共存,这个关于宇宙起源的新学说让人们吃惊不小。这一理论立刻引起了宇宙学家的普遍关注。
由美国普林斯顿大学的保尔·斯坦哈特教授提出的这一理论被称为“M论”,它主要研究宇宙大爆炸发生前的事件和时间。在该理论所提供的模型中,宇宙共有十一维空间,其中六维因绕成微小丝状而可忽略不计。宇宙在大爆炸之前的“和平年代”里是由两个四维平面构成的,其中一个平面是我们今天的宇宙,另外一个是“隐藏”的宇宙。这一“隐藏”宇宙随机波动,渐渐发生形变并接近我们的宇宙。它“溅”入我们的宇宙时,撞击引起了大爆炸,那些能量在大爆炸中转化为现在宇宙的物质和能量。我们的宇宙和一个“隐藏”的宇宙共同“镶嵌”在“五维空间”中。我们的宇宙早期发生的大爆炸,是源自这两个宇宙发生的一次相撞事故,我们宇宙中的物质和能量就来自相撞产生的能量。
中国科学院北京天文台原台长李启斌教授的看法是,这一学说将开创一个宇宙起源研究的新局面。在物质世界各种规律中,宇宙的起源起着决定性的和纲领性的作用。在越来越多的实际天文观察证据的支持下,“宇宙大爆炸”这一种关于宇宙起源的理论如今已被科学界普遍接受。
李教授说,由于多年来不断发现的实际天文观察证据的支持,“宇宙大爆炸”学说如今已被科学界普遍接受。这一理论与所观测到的大爆炸发生1秒之后的宇宙膨胀历史都符合,但是如果追溯到150亿年之前宇宙年龄为10-35秒的时候,当时宇宙尺寸只有直径3毫米。在如此致密的环境中,连光线每秒也只能行进大约10-25厘米。因此人类无法弄清楚这一时间段内宇宙究竟发生了什么。
新理论不仅首次解释了这一问题,而且开创性地运用了物理学的新理论“超弦”。此前“宇宙大爆炸”理论运用的是爱因斯坦的广义相对论。李教授说,在他给中小学生作报告的时候,对宇宙的起源问题的提问,仅次于“外星人”。这一难题的最终破解不仅是科学界的一件大事,也是一个很大的哲学新发现。
人们相信这一理论能解释宇宙为什么膨胀及如何膨胀等有关宇宙的重要细节,其研究结果将可能告诉人们150亿年前大爆炸发生前宇宙是个什么样子。目前,这一仍处于研究阶段的理论已引起了天文学家的广泛关注。
如果我们真的探明宇宙有孪生兄弟,我们又将踏上为这对双胞胎寻找更多兄弟姐妹及其父母的征程,这一工作将有待来者。P6-8
宇宙是大爆炸产生的吗?月亮正在脱离地球的吸引力而去吗?天外来客UFO是真是假?地球是怎样“漂浮”在空中的?海水是怎样形成的?水存在着一种新的形态吗?生命是从火中诞生的吗?怎样给身体换“零件”?人体为什么会发电?动物会做梦吗?长颈鹿为何不会得脑溢血?广袤的宇宙中有着无数壮观的星系与天体,大自然中孕育着种种奇观胜景,生物界中既有惹人怜爱的小动物也有令人毛骨悚然的吃人草……这些光怪陆离的现象,各种匪夷所思的问题,令我们困惑不解,我们越来越发现我们的世界很大很大,奥秘很多很多。用科学解释世界,将世界寓于科学,这是人类认识上的不断进步。自古希腊伟大的哲学家、科学家亚里士多德开始,科学家们就把认识世界,揭示其无穷奥秘视为自己的神圣责任。
自人类产生思想以来,便开始了对自身和周围世界的探索我从哪里来?到哪里去?我们周围的世界为什么会有阳光、水和空气?人们在对一个个问题的求索中,认知世界的同时也改变着世界,然而对未知世界的探索是无止境的,结果常常是伴随着一个奥秘的解开,另一个奥秘又随之而来。我们知道得越多就越发现我们的未知领域越大。因此,我们所能做的,就是坚持不懈地探索,永远保持强烈的好奇心。寻求知识和探索奥秘对于我们人类来说是一件极有意义的事,也是一件极有趣味的事。正如世界伟大的科学家爱因斯坦所言:“探索奥秘是人类最美妙的事情。”人类天生对未知事物充满幻想和探究揭秘的强烈愿望,那些或惊险刺激、或离奇玄妙的奇景异闻,都蕴涵着无穷的科学知识,强烈激发着人们的探求热望。
本书是一部详尽介绍人类社会和宇宙世界奥秘知识的百科全书,是一部着力为青少年打造的科普书,从青少年最感兴趣的问题着手,精选了1000余个世界奥秘,内容包括宇宙、海洋、地球、自然、生命、动物、植物、科技、医学、军事、建筑11个方面的科学奥秘知识,涵盖面广、知识丰富。本书从科学的视角触摸世界各处的神秘领域——太空、深海、神秘地带,解析宇宙万物之玄奥的科学原理,分析神秘疑团的缜密思维,探究人体内部组织的精微与构造的奇妙,动植物鲜为人知的语言、情绪等类人行为,宇宙空间里奇怪现象所遵循的规律,科技发展到替代人类行为、超越人类想象的世界……依据科学原理,结合最新科学研究成果,以最生动的文字、最缜密的思维、最精彩的图片揭秘大千世界的种种谜题,将其中的奥妙解析得深入浅出、通俗易懂,多角度地向青少年展示神奇世界的无穷奥秘,引领青少年读者进入一个生机勃勃、变幻无穷、具有无限魅力的科学世界,让青少年在惊奇与感叹中完成一次探索发现世界奥秘的神奇之旅,让种种扑朔迷离的科学疑云掩盖的科学真相暴露于“光天化日”之下,让读者瞬间领悟其中的奥秘、感受探索发现的无穷乐趣;让青少面在对所学知识的巩固和运用中,开阔视野,增长科学知识的积累,培养正确的科学思维,树立正确的科学价值观。
本书注重知识和现代审美的有机结合,加上先进的装帧设计,新颖科学的版式,既增加了信息含量,又使页面变得生动、活泼,750千字全面、细致阐释世界奥秘,300多幅科学原理解析图立体解析科学奥秘的内涵,全力为青少年打造一部融文字、图片等多种元素的全新阅读世界,充分满足青少年的阅读需求和求知欲望。本书融知识性、趣味性、实用性为一体,是青少年不可多得的理想读本、受益终生的知识宝库。
科学技术将开拓新的文明,人类的创造力将揭露更多的“天机”,我们拥有一个意想不到的全新世界,科学的最新发现不断冲击着人类对世界的传统认知,激发青少年积极思考、探究。探索世界奥秘,永无止境。