宇宙奥德赛:穿越银河系

"一场关于银河系的恒星世界之旅。我们将游历 12 个位于银河系内、经过精挑细选的景点，依次是半人马座 α、天狼星、飞马座 51b、北极星、猎户座 α、PSR B1919+21、天鹅座 X-1、蟹状星云、鹰状星云、赫尔斯 - 泰勒双星、人马座A* 和银河系全景。 本书为你呈现的是一个关于银河系的完整知识体系。借由 40 个精挑细选的主题，我将带你了解这12 个银河系景点在人类文明目前扮演过什么重要角色；与哪些重大的科学事件有关；如何改变人类对整个宇宙的看法；又与我们的现实生活存在怎样的联系。 我们能看到人类精英智慧的体现、科学家是如何思考的、我们该如何认知这个世界。坚实的科学基础，小说般的真实故事，优美的语言，还有人文关怀。坚实的科学基础，小说般的真实故事，优美的语言，还有人文关怀。 本书主要特色：1. 问题引导，每一节都在回答一个最关键的问题。2. 故事驱动，书中穿插了海量的关于科学家的逸闻趣事。3. 内容可视化，全书几乎没有数学公式，所有的知识点都会被转化成可视化的物理图象，然后用贴近生活的类比来加以解释。4. 总结常态化，为了方便读者理解，每一节的结尾都会对本节中最重要的内容进行总结。

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王爽，中山大学物理与天文学院副教授，博士生导师。多年来致力于宇宙学的研究，目前已发表SCI论文35篇，总引用超过1800次。科普作家，著有《宇宙奥德赛：漫步太阳系》《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》，获得过包括“中国出版协会2017年度中国30本好书”和“国家新闻出版署2018年向全国青少年推荐百种优秀出版物”在内的一系列重量科普大奖。粉丝数近200万的新浪微博知名科学科普博主，凤凰卫视、深圳卫视、TEDx标准级大会演讲嘉宾。

"目录 01？ 半人马座 α / 1 1.1？ 什么是三体问题？ /？2 1.2？ 一群由于低薪才找到工作的女士如何推开恒星世界的大门？ /？9 1.3？ 真实的三体世界有没有可能存在生命？ /？14 1.4？ 如果真有三体人，他们应该是什么样子？ /？22 02？ 天狼星？/？27 2.1？ 为什么说天狼星是夜空中最亮的星？ /？28 2.2？ 人类如何揭开恒星的演化之谜？ /？32 2.3？ 是谁发现白矮星并非恒星死后的专享结局？ /？39 03？ 飞马座 51b？/？43 3.1？ 人类如何发现系外行星的新大陆？ /？44 3.2？ 人类如何寻找类似于地球的金发女郎行星？ /？49 3.3？ 为什么说塔比星是银河系中最神秘的恒星？ /？56 3.4？ 我们是否生活在一座宇宙中的孤岛？ /？62 04？ 北极星？/？67 4.1？ 北极星为什么无法永远霸占夜空的 C 位？ /？68 4.2？ 北极星有哪些鲜为人知的秘密？ /？73 4.3？ 是谁打开了现代宇宙学的大门？ /？78 05？ 猎户座 α？/？85 5.1 ？死期将至的恒星会变成什么样子？ /？86 5.2？ 人类如何测出第一个太阳系之外的天体的大小？ /？91 5.3？ 如果猎户座 α 现在就变成一颗超新星，会对地球有何影响？ /？96 06？ PSR？B1919+21？/？101 6.1？ 脉冲星的发现背后有着怎样的传奇故事？ /？102 6.2？ 脉冲星的真面目是什么？ /？109 6.3？ 是否存在比中子星更致密的天体？ /？115 07？ 天鹅座 X-1？/？121 7.1？ 为什么说 X 射线天文学的建立，是一个无心插柳柳成荫的故事？ /？122 7.2？ 人类了解和发现黑洞的过程中，有着怎样漫长而曲折的故事？ /？128 7.3？ 人类如何意识到黑洞并不是接近黑的？ /？137 7.4？ 落入黑洞监狱的人会遭遇怎样的命运？ /？143 08？ 蟹状星云？/？151 8.1？ 人类怎样揭开蟹状星云的神秘面纱？ /？152 8.2？ 人类探究超新星起源之谜的过程中，有着怎样错进错出的故事？ /？158 8.3？ 人类如何把Ⅰa 型超新星变成标准烛光？ /？165 09？ 鹰状星云？/？170 9.1？ 发现了创生之柱的哈勃太空望远镜，背后有着怎样曲折的故事？ /？171 9.2？ 恒星是怎么被孕育出来的？ /？177 9.3？ 谁是让恒星育婴室灰飞烟灭的罪魁祸首？ /？184 10？ 赫尔斯 - 泰勒双星？/？188 10.1？ 人类如何首次发现引力波存在的证据？ /？189 10.2？ 完成了探测引力波壮举的 LIGO，背后有着怎样跌宕起伏的故事？（上）/？198 10.3？ 完成了探测引力波壮举的 LIGO，背后有着怎样跌宕起伏的故事？（下）/？206 10.4？ 地球上的黄金是怎么来的？ /？216 11？ 人马座 A*？/？222 11.1？ 人类如何敲响哥白尼日心说的丧钟？ /？223 11.2？ 人类如何揭开银河系中心天体的神秘面纱？ /？230 11.3？ 人类如何拍到历史上首张黑洞照片？ /？237 12？ 银河系全景？/？244 12.1？ 人类如何绘制出银河系的全景图？ /？245 12.2？ 人类如何发现神秘的费米气泡？ /？251 12.3？ 人类如何发现银河系并不是宇宙的全部？ /？256

    "我们是否生活在一座宇宙中的孤岛？ 人类一直好奇，我们在宇宙中是否孤独？宇宙的其他角落会不会存在外星人？它们有没有可能与我们直接接触？ 其实早在 20 世纪中叶，就已经有人回答了这些问题。此人就是意大利大物理学家恩利 克？费米（图 3.21）。费米是 20 世纪物理学界的一个巨人，绰号原子核时代的建筑师。无论是理论还是实验，他都有登峰造极的造诣。比如说，在理论方面，他因为发现了弱力，在 37 岁那年就获得了诺贝尔物理学奖。而在实验方面，他也造出了世界上第一个核反应堆。 由于造出了这个核反应堆，费米后来就加入了有名的曼哈顿计划。当此计划造出的第一颗原子弹在美国新墨西哥州沙漠里试爆的时候，费米就待在离试爆点不太远的一个观察哨所里。当爆炸的冲击波传来的时候，费米做了一个非常传奇的实验：他从口袋里掏出了一把纸片，并撒向空中，而这些纸片被冲击波吹到了他身后两米远的地方。就是利用这个简单到不能再简单的实验，费米第一个估算出了原子弹爆炸威力，大概相当于 2 万吨 TNT 。这个用一把纸片估算出来的数字，竟与后来美军用精密仪器测出的结果相差无几。 言归正传。1950 年的一天，费米和几个同事一起去餐厅吃午饭。走在半路上的时候，大家东聊西聊，就聊到了当时在美国特别热门的 UFO（unidentifiedflying object, 不明飞行物）的话题。费米一直一言不发。但在吃午饭的时候，他突然大声惊呼到：“那么它们（外星人）都在哪儿呢？”这个问题听起来似乎有点无厘头吧？但事实上，这是一个特别深刻的问题，以至于后人把它称为了费米悖论。 下面，我就给你详细地讲讲费米悖论到底是怎么回事。费米悖论提出了两个基本假设。假设一：外星人在宇宙中普遍存在。假设二：一些高度发达的外星文明拥有星际旅行的能力。 这两个假设听起来都特别合理。很难想象，在至少拥有 1×1010 亿颗恒星的浩瀚宇宙中，地球是专享的生命绿洲。也很难相信，所有的智能生命都会被困死在自己的行星上，无法到其他的世界去看一看。但费米悖论说的就是这两个看似特别合理的假设，却会导致一个特别荒谬的结论。 我们就以银河系为例。目前的天文观测表明，银河系已经存在了超过 100 亿年，其直径为 20 万光年，拥有超过 1000 亿颗恒星。 现在，让我们基于费米悖论的两大基本假设，来分析一下银河系的状况。如果假设一是对的，我们不妨假设 1% 的恒星拥有像地球一样的宜居行星。这样一来，整个银河系中将拥有 10 亿个生命绿洲。 如果假设二是对的，那么就有智能文明可以进行星际旅行。就算它们只能像《流浪地球》那样以 1% 的光速进行旅行，那它们也只要花 2000 万年就可以穿越整个银河系。 现在让我们把这两个假设合在一起。假设这 10 亿个文明世界，有一亿分之一的概率进化成能进行星际旅行的超级文明。那么在 100 多亿年的时间里，这10 个超级文明足以殖民整个银河系超过 5000 次。换言之，它们至少可以建立5000 个银河帝国。 这意味着，我们看到外星人的概率，其实应该比我们看到外国人的概率还 要高！ 而费米悖论问的是，那些外星人都在哪儿呢？ 费米悖论告诉我们，那两个基本假设，至少有一个是错的。 如果假设一是错的，就会导致所谓的稀有地球假说。其核心观点是，地球就是宇宙中专享的生命绿洲（图 3.22）。 一般认为，地球之所以能孕育生命，是因为它同时满足以下 7 个条件：①银河系中心相当平静，没有处于危险的活动状态；②太阳系与银河系中心距离适中，位于所谓的星系宜居带内；③太阳质量适中，既不是温度很高还特别短命的蓝巨星，也不是温度很低还常常爆发超级耀斑的红矮星；④地球是一颗金发女郎行星，处于能让液态水存在的恒星宜居带内；⑤地球有木星这个保护神，从而避免了大量小行星和彗星的撞击；⑥地球很偶然地获得了月球这个大型卫星，从而拥有了稳定的自转轴及合适的自转速度；⑦地球拥有合适的大气和磁场，从而阻止了液态水的蒸发，并把危险的太阳风拒之门外。 稀有地球假说认为，在整个宇宙中，只有地球能同时满足这 7 个条件。如果其他的系外行星上都没有任何生命，费米悖论自然就迎刃而解了。 如果假设二是错的，就会导致所谓的大过滤器假说。其核心观点是，没有任何一个文明能发展到星际旅行的阶段。 为了便于理解，你不妨把智能生命的进化当成是一款有很多关的大型游戏。每一关的最后都有一个特别难对付的大 BOSSa（图 3.23），那就是所谓的大过滤器。如果打不赢某一关的 BOSS，生命的进化就会卡在这一关，而无法进入下一关。大过滤器假说认为，把守着最后一关，也就是星际旅行关的，是一个特别怖的大 BOSS，不管什么文明都打不赢。因此，没有任何一个文明能进行星际旅行。这样的话，费米悖论也就不再是问题了。 无论是稀有地球假说，还是大过滤器假说，都会导致一个共同的结论，那就是宇宙大寂静（图 3.24）。 你可以把宇宙想象成一片狂暴而黑暗的大海，智能文明就是漂浮在大海上的一座座小小的孤岛。由于永不停歇的惊涛骇浪，没有哪个智能文明可以制造出能在海上航行的船。因此，他们永远感知不到其他智能文明的存在。这种孤独而绝望的处境，就是所谓的宇宙大寂静。 如果宇宙大寂静的图像真是对的，那么所有的智能文明都注定要永远困在自己的孤岛上。他们就只能悄悄地诞生，悄悄地兴盛，悄悄地衰败，最后悄悄地灭绝。 落入黑洞监狱的人会遭遇怎样的命运？ 在前面的旅程中，我们已经介绍了人类发现黑洞和建立黑洞热力学的曲折历史。但这些旅程都只是在黑洞视界的外部打转。接下来，我们将深入黑洞视界的内部，去宇宙最恐怖的监狱里进行一番探险。 让我们从一个问题开始这趟黑洞探险之旅：如果一个宇航员不慎掉进黑洞，那么他会遭遇怎样的命运？ 可能性优选的是，他会被拉成一根特别细长的面条。这根面条能细到什么地步呢？答案是其宽度只有一个原子的大小。 害这个宇航员死于非命的罪魁祸首，就是我们在以前的太阳系之旅中重点介绍过的潮汐力。 我们先来简要回顾一下潮汐力。图 7.21 就展示了潮汐力的基本原理。牛顿爵士告诉我们，任意两个物体之间都存在引力，而且引力的大小与这两个物体间距离的平方成反比。所以，月球对地球施加的引力，在不同的地方会有不同的大小。在离月球最近的月下点，月球的引力优选；而在离月球最远的对跖点，月球的引力最小。这种由于受力物体自身大小而导致的引力差异，就是所谓的潮汐力。 潮汐力会对受力物体产生一种向两边拉扯的效果。被月球潮汐力拉扯得最厉害的，就是地球表面的海水。正如图 7.21 所示，在月球潮汐力的作用下，位于月下点和对跖点的海水会鼓起，从而出现涨潮。相应地，位于月下点和对跖点之间的海水会出现落潮。换言之，正是由于月球的潮汐力，地球上才会有潮起潮落的现象。 天体的质量越大，潮汐力的拉扯效应就越明显。月球只能让地球潮起潮落，而木星则可以像中国首部科幻大片《流浪地球》中描述的那样，让整个地球都土崩瓦解（图 7.22）。图 7.23 就展示了木星潮汐力让地球瓦解的原理。离木星越近，地球受到的木星潮汐力就越大，从而被木星潮汐力拉扯得越扁。一旦越过一个特定的边界，也就是《流浪地球》中提到的那个洛希极限，木星潮汐力就会大到足以将地球撕碎。 这个过程就是所谓的潮汐瓦解。举一个真实的例子。我们在太阳系之旅中讲过，1993 年，3 位美国天文学家发现了有名的舒梅克 - 利维九号彗星（图 7.24）。这颗彗星被木星的潮汐力撕成了 21 块碎片，宛如一辆星际列车。一年后，这辆星际列车撞上了木星，从而引发了有名的彗木相撞事件（图 7.25）。 我们已经介绍必要的基础知识：潮汐力。现在我们可以回过头去，看看那个不慎掉进黑洞的宇航员会遭遇怎样的命运了。 掉进黑洞的宇航员同样会受到黑洞的潮汐力。而且离黑洞越近，他受到的黑洞潮汐力就越大，从而被黑洞潮汐力拉扯得越扁（图 7.26）。不过，黑洞的潮汐力可接近不是月球和木星的级别。 说得更具体一点，黑洞的潮汐力足以让比原子大的所有结构统统瓦解。所以这个宇航员最后会被黑洞潮汐力扯成一根极为细长、宽度只有一个原子大小的面条，然后汇入黑洞中心的奇点。 不过特别悲惨地死去，并不是这个宇航员专享可能的结局。 另一种可能的结局相当有科幻意味：宇航员可以通过黑洞内部的一条“隧道”，实现星际旅行。最早提出这种可能性的人，是我们在本书 7.2 节介绍过的那个与霍金打赌的基普？索恩（图 7.27）。 为什么索恩要研究星际旅行呢？这要从索恩的一个朋友的求助说起。此人就是美国有名天文学家、科普作家卡尔？萨根（图 7.28）。20 世纪 80 年代，卡尔？萨根制作并主持了一部名为《宇宙》的 13 集科普纪录片。《宇宙》后来在全世界的 60 多个国家播出，观众总数超过 6 亿，从而让萨根名动天下。一家美国的出版社慕名而来，开出了当时创纪录的 200 万美元的预付款，邀请萨根写一本科幻小说。苦思冥想后，萨根决定写一本描述人类和外星人发生接触的小说。这就产生了一个问题：怎么才能让人类和外星人跨越特别遥远的距离，然后发生交流呢？ 萨根不是这个领域的专家，想不出什么好办法。所以，他就向自己的好友基普？索恩求助了。 为了帮自己的朋友写科幻小说，索恩苦思冥想，终于想到了一个在理论上还说得过去的办法。 为了介绍索恩想出的这个进行星际旅行的办法，我们得从你相对比较熟悉的太空监狱，也就是黑洞，说起。 让我们先在脑海中放一段关于黑洞的小视频。想象在宇宙的某个角落，隐藏着一个拥有强大引力的恐怖黑洞。很多离它较近的物体，都被它的强大引力捕获， 然后被拽向这个监狱的中心。而一旦进入了这个监狱的围墙，也就是黑洞的视界， 这些物体就再也别想逃出去。 现在让我们把这段视频倒着放。想象在宇宙的某个角落，隐藏着一个拥有强大斥力的诡异天体。很多在这个诡异天体内部的物体，都被它的强大斥力排斥，然后被扔了出来。而一旦出了这个诡异天体的外墙，这些物体就不可能再进去了。 这种与黑洞相反、只能出不能进的诡异天体，就是所谓的白洞（图 7.29）。 时至今日，天文学家还没有发现任何白洞存在的证据。不过在理论上，白洞确实有存在的可能。现在让我们再开一下脑洞：把一个黑洞和一个白洞拼合在一起。图 7.30 就展示了黑洞和白洞拼在一起后的样子。此图上面的“漏斗”代表黑洞，而下面的“漏斗”则代表白洞。因此，只要能穿过中间那条连通两者的通道，落入黑洞的人就可以从与之连通的白洞里跑出来。 当然，这是一条绝对意义上的单行道。这个连通了黑洞和白洞的通道，就是所谓的虫洞。穿过这个虫洞，就可以实现星际旅行了。为什么穿过虫洞就能实现星际旅行呢？图 7.31 就揭示了其中的奥秘。想象有一张非常巨大的纸，我们要从纸的一端走到另一端。正常情况下，需要走一条横跨整张纸的直线（图中的红线），而这条路线相当漫长。不过，有一个抄近路的办法：可以把这张纸从中间对折，让两端彼此重合；然后，在离两端很近的地方戳一个大洞。这样一来，只要从这个洞中穿过（图中的绿线），就可以很快地从纸的一端到达另一端。 索恩想出的那个星际旅行方案，也基于同样的原理。黑洞和白洞的存在可以让空间发生极大的扭曲，从而产生类似于图 7.31 的那种对折效果；而虫洞就是 图 7.31 中连通两端的那个大洞，可以为星际旅行者提供一条近路。换言之，穿过虫洞之所以能实现星际旅行，是因为抄近路的缘故。 但即使在理论上，利用虫洞进行星际旅行也是困难重重。在这一过程中，会遇到两只非常可怕的拦路虎。 第一只拦路虎是，黑洞的内部有一个奇点；它包含了黑洞的全部物质，其密度趋向于无穷大。如果太靠近这个中心奇点，就会被它的潮汐力撕碎成原子。正常情况下，奇点就位于黑洞的正中心，根本没办法躲开。 索恩对付第一只拦路虎的办法，是让黑洞以极高的速度自转。 我们之前谈论的黑洞，都是满足史瓦西解的黑洞，也就是所谓的史瓦西黑洞。 史瓦西黑洞是一种最简单的有质量、无自转、无电荷的黑洞。但除了史瓦西解以外，爱因斯坦引力场方程还存在其他的黑洞解。举个例子。1963 年，新西兰天文学家罗伊？克尔（图 7.32）找到了一个克尔解，它描述了一种有质量、有自转、无电荷的黑洞，这就是所谓的克尔黑洞。 对于克尔黑洞来说，情况就大为不同了。由于黑洞的快速自转，黑洞内部的物质就不会集中在一个位于正中心的点，而是集中在一个位于赤道上的圆环。这样一来，宇航员就可以从这个圆环中间穿过（图 7.33），而不会撞到奇点上了。与第一只拦路虎相比，第二只拦路虎要更可怕：虫洞本身是一个豆腐渣工程，非常不稳定；只要有一点风吹草动，这条连接了黑洞和白洞的通道就会坍塌。 索恩对付第二只拦路虎的办法是，假设虫洞存在着一种“奇异物质”。这种“奇异物质”与普通物质优选的区别是，它产生的并不是引力，而是斥力。这种斥力可以阻止虫洞的引力塌缩，从而维持虫洞通道的稳定。 解决掉这两只拦路虎以后，利用虫洞进行星际旅行的想法就变成了严肃的科学话题，而不再是纯粹的幻想。当然，要想利用虫洞进行星际旅行，就必须用“奇异物质”在高速自转的黑洞内部搭建一个能与白洞相连的通道。这无疑是神级文明才能玩的游戏。 最后再多说几句。20 世纪 90 年代，萨根的科幻小说《接触》被拍成电影，片名是《超时空接触》。而在 21 世纪初，索恩也和一个在好莱坞做制片人的朋友合作，写了一个关于星际旅行的剧本。此剧本几经辗转，最后到了大名鼎鼎的诺兰兄弟的手里，并被他们改编成了一个很精彩的电影剧本。2014 年，这个改编后的电影剧本被搬上了大银幕，这就是有名的《星际穿越》。 一个异常艰深的关于星际旅行的学术研究，就这样奇妙地转换成了两部有名的好莱坞电影。