08.27 人們是怎麼一步步建立宇宙大爆炸理論的?

十九世紀末的物理,科學家們認為他們已經滿意的解開了物理學的大部分謎團,但是就在人們覺得已經沒什麼可以研究的時候,人們開始把眼光投向了宇宙。

1 離群索居的威拉德 吉布斯

有一個科學家,威拉德 吉布斯,是耶魯大學一個離群索居的學者,一生只在三個街區的範圍內度過,一個是他的家,一個事耶魯大學在康涅狄格州黑文的校園。他為人謙虛幾乎從不拋頭露面。在耶魯大學的十年裡,連工資都懶得去領。

1871年-1903年去世,在此期間,每年選他的學生只有一名,他寫的東西艱澀難懂,視為天書。他的《論多相物質的平衡》 闡述了幾乎一切熱力學原理,該書也一度被稱為“熱力學原理”。

普朗克本來想繼續研究熱力學,但是這部分研究已經被吉布斯研究了,但是他沒有氣餒,轉向別的方向。

2 19世紀 80年代人到中年的睿智科學家阿爾伯特邁克爾遜

光以太 一種穩定、看不見、沒有重量、沒有摩擦力、不幸又完全是想像出來的媒質。它是看文迪許假設的,牛頓也支持的說法。著名的邁克爾和莫雷實驗破壞了長期以來人們對一種所謂光以太的東西的信念。

阿爾伯特 邁克爾遜 出身自貧苦的猶太人家庭,上不起大學,他便來到白宮的正門口游來晃去,希望能在尤利塞斯 s 格蘭特每天出來散步的時候碰上這位總統。在這樣散步的過程中,得到總統的歡心,總統同意免費送他去美國海軍學院學習,邁克爾遜攻讀了物理學。

故事是這樣的:

邁克爾遜說服貝爾(電話的發明者)提供資金製造了他自己設計的干涉儀,用來非常精確的測量光的速度,在莫雷的幫助下測量了幾年。這個期間把邁克爾遜的身體健康都弄垮了。

結果出乎人們的意料,光的速度在各個方向,各個季節都是一樣的。

由此可以看出邁克爾遜是一個非常機智的學者。

3 堅持不懈的普朗克和天才愛因斯坦

1900年的普朗克42歲,揭示了一種嶄新的的“量子理論”,該理論認為能量不是一種流水般連續,而是一包包地傳遞的東西,他稱之為量子。這個理論表明原來光不是波動的,它是第一個跡象,表明世界將要改變。

1905年 的阿爾伯特 愛因斯坦 遞交了五篇論文,其中三篇稱得上“物理學史上的最偉大作品”——一篇是光電效應、布朗運動、狹義相對論。第一篇解釋了光的性質,第二篇提供了證據,證明了原子確實存在,第三篇完全改變了世界。

1879年生於德國,在慕尼黑長大,三歲開始說話,10歲去瑞士繼續學業。他是一名聰明而不突出的學生。

愛因斯坦的情史

阿爾伯特愛上了一位同學米勒娃瑪麗奇 的匈牙利姑娘。1901年他們沒喲結婚就生了一個女兒,他們把孩子給了人家,他從沒見過自己的孩子。兩年後他們結婚了,隨後在瑞士專利局帶了七年,在這種背景上他創立了他的狹義相對論。

他的《論動體的電動力學》在補充中出現E=mc^2質量和能量是等價的。羅素寫的《相對論ABC》是對他的相對論理論的科普解讀。

天才愛因斯坦也會犯錯誤,他曾經認為宇宙是固定的,還在自己的等式中加入了宇宙常數。

4 自負的謊話精 哈勃

斯萊弗是第一個注意到宇宙的紅移和藍移的人,但是功勞落在了非常自大的埃德溫哈勃,很有運動天賦,魅力十足,英俊到不恰當的地步。

哈勃是一個非常自負的大人物,儘管才華出眾確實一個說謊大王,他說他20世紀20年代的大部分時間裡一直在肯塔基州當律師,但實際上他在印第安納州新奧爾巴尼當中學教師何籃球教練,後來才獲得博士學位。

在1919年之後的十年,哈勃著手研究有關宇宙的兩個基本問題:宇宙已經存在多久?宇宙的範圍由多大?紅移能讓我們知道星系後退的速度,但不能讓我們知道他們離得多遠。

4.1 恆星離我們多遠

要解決這個問題,我們必須有測量的方法。

首先我們要有“標準燭光”——即準確測得某個恆星的亮度,作為測量其他恆星的亮度的基準,並以此計算相對距離。

在那樣的一個時代,女子的才智是沒有多少用武之地的。計算員是女人離天文學最近的地方。

雖然這種制度不公平,但是確實女人察覺到了男人往往疏忽的宇宙之細微結構。

一個叫做亨利埃塔 斯旺 萊維特的才女計算員想出了一種找到這類恆星的方法。

她發現了一種叫“造父變星”的恆星,在有節奏的搏動——一種星體的“心跳,北極星就是一顆造父變星。

造父變星之所以會搏動,是因為它已經變成紅巨星,在燃燒剩餘燃料的過程中產生了一種很有節奏的,不停的一亮一暗的現象。

萊維特的天才之處在於發現通過比較天空中不同位置的造父變星的相對量級,就可以計算出它們之間的相對位置,他們可以作為標準燭光。

哈勃把萊維特的測量宇宙的標準和維斯托 斯萊弗的紅移結合起來。1923年他證明仙女座裡的一團帶好位M 31的薄霧狀東西不是氣雲,而是恆星,其本身就是一個星系。後來發表文章《漩渦星雲裡的造父變星》。僅僅是這一項,就可以讓哈勃名揚天下。

4.2 他繼續研究另一個問題——宇宙到底有多大

他利用威爾遜天文臺的254cm的天文望遠鏡,加上自己的推斷,得出天空中的所有星系都在離我們遠去,而且他們的速率和距離成正比,星系離我們的距離越遠,退行的速率越快。

宇宙在擴大,速度很快,朝各個方向。宇宙不是穩定的、固定的、永恆的,而是有一個起點或許還有終點。一個靜止的宇宙會自行坍塌,這一點牛頓以後的每個有頭腦的天文學家都應當明白。

要是恆星在一個靜止的宇宙裡不停的燃燒,就會使整個宇宙酷熱難當,而一個不斷膨脹的宇宙就把這個問題基本解決。

世界上最敏銳,最受人尊敬的科學家之一——阿爾伯特邁克爾遜已經向哈勃提到過愛因斯坦的理論適用於他的發現,但是哈勃善於觀察,卻不善於動腦,沒有抓住機會在理論上有所收穫,而是留給了喬治 勒梅特。他把實踐和理論結合起來,創造出了自己的“煙火理論”——宇宙大爆炸理論的雛形。

宇宙一開始是一個幾何點,一個“原始的原子”突然爆炸,向四面八方散開,極好的預示宇宙大爆炸理論。這個理論要過幾十年,等彭齊亞斯和威爾遜發現宇宙背景輻射才會變成一種固定的理論。

詭異的消失。

1953年哈勃心臟病發作去世,詭異的是他的妻子拒絕舉行葬禮,沒有人知道她怎麼處理他的屍體。1990年美國發射天文望遠鏡,命名為哈勃望遠鏡。


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