學一點天體物理學(二)宇宙通用法則

2020-12-06 魚見2046

物理定律

在艾薩克·牛頓爵士提出萬有引力之前,沒有人曾推斷出我們身邊的哪些物理定律是適用於整個宇宙的。古代,人們理解的世界發生的是人間之事,天上發生的則是天界之事,直到牛頓開始,人類對於運動、物質等的認識才突破這一認知障礙,開始認為它們是可理解、可預測的。引力既讓蘋果落到地面,也讓扔出去的物體作拋物線運動,還引導月亮圍繞地球轉動,甚至決定著大大小小的星系的運動。萬有引力定律的普適性驅動著人類對世界、宇宙的科學探索之路越走越遠。

19世紀天文學家們用稜鏡將光束分解成光譜時,他們激動萬分,因為這些光譜中含有發光物體的大量信息(溫度、成分,等等),光譜裡的亮線或暗線可以揭示物質元素的存在,通過對光譜的分析,我們可以發現太陽和地球都含有同樣的 元素物質:氫、氮、碳、氧、鈣、鐵等。更重要的一點是,在太陽上形成這些光譜特徵的物理學定律,和1.5億千米之外的地球上其作用的物理定律是一樣的。這種普適性被成功的推廣應用,通過對太陽光譜I的進一步分析,尋找到了一種新的元素——氦,氦成為元素周期表中第一個也是唯一一個在地球以外被發現的元素。

光譜中含有發光物體的大量信息

在不斷深入的觀察、測量中,物理定律一步步接受了驗證,事實證明引力適用於已知宇宙;在廣袤的太空,我們看到的距離越遠,那麼所見到的過去時間也就越長。宇宙中最遙遠天體的光譜顯示了與我們在近處空間和時間裡看到的相同化學特徵,證明一種描述原子和分子產生某種光譜特徵的定律基本是亙古不變的。這就大大有利於我們對空間天體的分析和研究。

物理定律的普適性啟示我們,假如我們遇到另一個擁有繁榮文明的地外物種,他們也是按照我們在地球上發現和檢驗過的同樣定律來運行,即使他們擁有不同的社會模式和信仰,如果想同外星人交談,最大的希望是找到一種是用科學的語言進行交流。這種嘗試被用在了20世紀70年代的先驅者10號和11號、旅行者1號和2號上。這四艘太空飛行器帶著足夠的能量,希望巨行星的引力彈弓效應,最終逃離太陽系,探索宇宙深空。先驅者號上帶著一張蝕刻有我們在銀河系位置、太陽繫結構、氫原子結構的金盤,旅行者號更進一步,還帶有一張包含地球母親不同聲音(人類心跳)、「鯨歌"、各種音樂精選,包括貝多芬的作品和搖滾類作品。

物理常量

物理定律的普適性也體現在物理常數的存在和持久性上。萬有引力常數G,這個常量默默承受了億萬年鬥轉星移的檢驗,通過它得到的太陽等天體的能量輸出變化分析結果完全符合我們所在空間的演進過程。這,就是我們宇宙的統一性。

另外一個著名的常量是光速c。從來沒有任何實驗曾顯示任何形式的物體達到過光速,這是事實,同時經過無數次檢驗的物理學定律預測、解釋並支持了這一事實。物理定律相對於法律,他們不需要執法機構來維護,因為你根本就無法違反它。

我們將已有的知識運用到極致,也是表明物理定律及其基本常量,即不依賴時間,也不依賴空間,它們是真正的恆定和統一的。

從基本定律的角度說,我們的自然貌似是簡單的,有規律可循的,可事實卻是,多種物理定律會同時起作用,這樣對於現象的分析就會複雜化,甚至需要藉助重要參數和高性能計算機來計算所要發生的事情。比如對於某次彗星撞擊木星的計算中,計算結果最精確的計算機模型結合了流體力學、熱力學、運動學、萬有引力定律等多種規律知識。

守恆定律

普遍存在的經常用於揭示和分析宇宙現象的守恆定律,最重要的三個是質量和能量的守恆、線性動量和角動量的守恆、電荷的守恆。從粒子物理微觀領域到宇宙大尺度結構這樣的範圍,它都是存在的。

儘管已經取得了如此多的成果,我們對宇宙的了解卻仍不夠。我們無法 「看到」或觸摸到目前在宇宙中測量到的85%的引力來源。神秘的暗物質仍未被真正探測到(除了它存在的引力),它可能有我們尚未發現和識別的粒子組成,當然也有學者秉持暗物質並不存在的理論。

藏著無數秘密的神秘宇宙

也許有一天我們會發現萬有引力定律需要調整,那沒關係,實際上在愛因斯坦提出廣義相對論時牛頓的引力定律就已經被調整過了一次(對於日常引力條件,牛頓定律很有效;對於黑洞和宇宙大尺度結構,需要廣義相對論)。只要我們對於科學探索保持開放的心態,不斷用更廣領域、更多條件測試來訂正和改進定律,那麼他的普適性依然存在。

物理定律的普適性,使宇宙成為一個簡單的存在,相比之下,人性卻是更無限而不可捉摸的。文化、政治、宗教、看法、教化、文明等等,任意一個存在於人的思想裡的東西,都是飄忽不定的,它可能是美好,也可能是災難,可能代表輝煌,也可能是平庸。物理定律簡單得多,無論你是否選擇它們,它們無處不在並具有決定的力量。如果認可和認識到了它的力量與美並稍加利用,或許它就會成為一個人最有力的生活和思想力量,成就這個人的真正存在感。

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