宇宙空间学报论文发表

刊号：CN31－1385/N 出版：上海科学技术出版社《科学》编辑部地址：上海钦州南路71号邮编：200235 《空间科学学报》空间科学是当代高科技发展的前沿领域之一，《空间科学学报》是我国空间研究界有影响综合性刊物。所刊载的内容由以空间本身为研究对象的研究成果和与空间环境有关的基础研究，应用研究及技术研究成果构成，报道的主要学科分支包括空间天文学、空间物理学、空间化学与地质学、空间生命科学、微动科学、空间材料科学和空间地球科学等。主要栏目有：理论研究、探测与实验、综述、研究简报，学报动态等等。期刊分类：双月刊创刊年份： 1981 国内刊号： CN 11-1783/V 国际刊号： ISSN 0254-6124 邮发代号： 2-562 定价： 20元/期主管单位：中国科学院主办单位：中国科学院空间科学与应用研究中心中国空间科学学会编辑单位：《空间科学学报》编辑部天体物理学报（英文版）Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics简介：创刊时为中文期刊，2001年改为英文刊。主要刊登天文学和天体物理学领域的原创性研究论文。主要栏目和报道范围：“研究快报”用来报道天文观测的新结果及新理论；“特约综述”聘请国际知名天文学家就某些热点问题进行专题评述。期刊分类：双月刊创刊年份： 1981 国内刊号： CN 11-4631/P 国际刊号： ISSN 1009-9271 邮发代号： 2-187 定价： 20元/期主管单位：中国科学院主办单位：中国科学院北京天文台编辑单位： CJAA编辑部

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基写的。1903年，俄罗斯的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发表了《利用喷气工具研究宇宙空间》的论文，深入论证了喷气工具用于星际航行的可行性。

在齐奥尔科夫斯基一生中，他最感兴趣、花费精力最多、取得成就最大的领域是航天。在很小的时候，有关星际航行的问题已经开始强烈地吸引着他。他在1911年回忆说："在过去很长时间里，我也和其他人一样，认为火箭不过是一种少有用途的玩具。

我已很难准确回忆起我是怎样开始计算有关火箭的问题。对我来说，第一颗太空飞行思想的种子是由儒勒·凡尔纳的幻想小说播下的，它们在我的头脑里形成了确定的方向。我开始把它作为一种严肃的活动。"

发表宇宙学论文

宇宙发展都是从黑暗走向光明。恒星中的文明以是高文明，地球文明从原始文明到初级现在是初级文明到中级文明的，过渡期，人类走向了真正的和平，才会进入中级阶段，地球变成了恒星，就进入了高级阶段

写星星，行星，地球，都可以呀

爱因斯坦相对论

宇宙物理学论文发表时间

1881年,美国实验物理学家A.麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值.为了探测预想中的微小差别,A.麦克尔逊使用了非常精确的实验设备,他的实验精确性很高,他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多.A.麦克尔逊的实验,以后在不同的条件下又作过多次.他的实验得到了出乎预料的结果.在一个运动着的参照系里,光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反.A.麦克尔逊发现,在地球上,光向任何方向传播,其速度都时相同的、不变的.在这一意义上,光的传播使我们联想到子弹的飞行.前面我们曾经设想,在一列运动中的火车上,子弹运动同火车的运动无关.同车厢相对而言,子弹向任何方向运动,其前进速度是相同的.于是,A.麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反,光的传播同运动的相对性原理并不矛盾,而是完全符合运动的相对性原理.这也就是说,我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的.相对论的研究对象是超越我们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙,这是我们难以理解相对论的主要原因.自相对论诞生之日起,它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解.从相对论中,人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象.几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中.狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢,假定将来的某个时候,人们已解决了所有的技术难题,能够制造一艘以亚光速飞行的宇宙飞船,一定意义上的时间旅行就变成可能了.如果飞船以亚光速从地球出发向遥远的星系飞去,来回的旅程仅仅几年（按飞船上的时间）,但在此期间地球上却已过去了几千年,一切都发生了天翻地覆的变化.如果人类文明依然还存在的话,那又会是一个什么新的模样呢?广义相对论表明,时空可以不是平坦的,而是弯曲的.我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞,然后用某种“奇异物质”把洞口撑开,使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道,让我们在瞬间到达遥远的彼岸.然后当我们返回时,虫洞的奇异性质让我们年轻了很多.广义相对论判定足够的质量能改变和扭曲时空,数学家法兰克•提普勒据此设想了把时空卷起来的时间旅行方法.他认为,如果太空中的一个巨大物体以一半光速旋转,时空便会扭曲折回.因此,只要将来有人制造一个巨大的圆筒,它的长约为直径的10倍,然后使圆筒以15万公里/秒的速度旋转,便会使圆筒中央附近产生一个扭曲折回的时空.要将这圆筒当时间机器使用,宇宙飞船一定要开到圆筒的中心沿圆筒内壁盘旋飞行：逆圆筒旋转的方向航行是驶入过去,顺圆筒旋转的方向航行是驶入未来,每盘旋一周都使宇宙飞船更深入过去或未来一些.时间旅行者到达了目的时间,便将飞船驶离圆筒.有一件必须明了的事是,正像所有理论上的时间机器一样,就是驶向过去无论怎样也不能到达比制成圆筒更早的时间.时间旅行是一个极具幻想色彩、也极具魅力的话题,长期以来,科学家们提出的方案一个又一个,时间旅行可能遇到的问题也被热烈讨论着.总有一天,相对论迷人的光芒会照耀着我们开始真正的时间旅行.原子裂变1905年11月,爱因斯坦同样在德国《物理学纪事》杂志上发表了关于狭义相对论的第二篇文章：《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》,这是一篇短文,在这篇论文中,他提出一个物体的质量并不是恒定不变的,而是随着运动速度的增加而增加.这就是运动中物体的“质增效应”.现在我们想象我们在推一辆小板车,板车很轻,上面什么东西也没有.假设这是一辆在真空中的“理想”板车,没有任何摩擦力、也没有任何阻力,因此,只要我们持续地推它,它的速度就越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初像车上堆满了钢铁,然后好像是装着一座喜马拉雅山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系……当小板车接近光速时,好像整个宇宙都装在它上面——它的质量达到无穷大.这时,你无论施加多大力,无论推多长时间,它都不可能运动得再快一些.由此可见,光子既然以光速传播,它的静止质量就必须等于零,否则它的运动质量就会无穷大.当物体运动接近光速时,我们不断地对物体施加外力,供给能量,可物体速度的增加越来越困难,我们施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量.这就是说,物体质量的增加与动能增加有着密切联系,或者说物体的质量与能量之间有着密切联系.爱因斯坦在说明这种联系的过程中,提出了著名的质能关系式：E=mc2.能量等于质量乘以光速的平方,即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊心动魄的,而在绝大多数人眼里,能量等于质量乘以光速的平方,即能量是质量的9万亿倍,是多么诱人的前景呀!指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失,其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的.遗憾的是,没人能随便减少质量,譬如一块石头,我们尽可以用锤子砸成小块,然后碾成碎末,可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化.但是,十几年后的1939年,约里奥•居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应,使人类找到了释放巨大原子能的方法.铀235的核收到中子轰击就会发生裂变,分裂成两个中等质量的新原子核,放出1～3个中子,并释放出巨大能量,这些中子又能引发其它铀核再分裂,如此反复,形成连锁反应,不断释放巨大能量.这就是链式反应.宇宙大爆炸令我们这些当代人感到惊诧的是,迟至1917年,那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙,而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的,既不会变大也不会变小,这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观.1917年,爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型,但他发现,在这样一个只有引力作用的模型中,宇宙不是膨胀就是收缩.为了使这个宇宙模型保持静止,爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数,它表示的是一种斥力,同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强.这是一个假想的、用以抵消引力作用的力.然而,爱因斯坦很快发现自己错了.因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的!最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃.哈勃1889年出生于美国的密苏里州,毕业于芝加哥大学天文系.1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀.这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大.宇宙的膨胀意味着,在早先,星体相互之间更加靠近,并且在更遥远过去的某一刻,它们似乎在同一个很小的范围内.宇宙膨胀的消息传到著名物理学家伽莫夫那里去的时候,立即引起了这位学者的兴趣.乔治•伽莫夫出生于俄国,自小对诗歌、几何学和物理学都深感兴趣,在大学时期成为物理学家弗里德曼的得意门生.弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型,伽莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一.1945年,人类史上第一颗原子弹爆炸成功,看着蘑菇云升起的照片,伽莫夫突发灵感：把原子弹规模“放大”到无穷大,不就成了宇宙爆炸吗?他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来,逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系.1948年,伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文,系统地提出了宇宙起源和演化的理论.与我们惯常的想法不同,这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是空间本身在扩展,星系物质随着空间的扩展而分开.根据大爆炸宇宙论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着.伽莫夫还作出了一个非凡的预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,不过温度已降到6K左右.正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气.1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊,因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,经过测量和计算,得出这个残余辐射的温度是2.7K（比伽莫夫预言的温度要低）,一般称为3K宇宙微波背景辐射.这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论.广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括进去.让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了.宇宙常数死而复生——暗能量在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”.随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆.然而造化弄人,几十年后,宇宙常数又像鬼魂般的复活了.这次宇宙常数的复活要归因于暗能量的发现.1998年,天文学家们发现,宇宙不只是在膨胀,而且在以前所未有的加速度向外扩张,所有遥远的星系远离我们的速度越来越快.那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来,这是一种具有排斥力的能量,科学家们把它称为“暗能量”.近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,它的总量约达到宇宙总量的73%,而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%.我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们呢?而现在,我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎么不让人感到惊心动魄呢!事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩.而暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控.在经历了一系列曲折后,宇宙常数正在时间中复活.宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前,它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色!暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过,在这场漫长的战斗中,最举足轻重的就是彼此的密度.物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减；但暗能量的密度在宇宙膨胀时,变化得非常缓慢,或者根本保持不变.在很久以前,物质的密度是较大的,因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段；现今的暗能量密度已经大于物质的密度,排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权,以前所未有的速度推动宇宙膨胀.根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗.暗能量的发现,也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”：即宇宙中所占比例最多的,反而是最迟也是最难为我们所知晓的.一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多.而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相.暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一.黑洞大发现广义相对论表明,引力场可以造成空间弯曲,强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲,那么无限强大的引力场会产生什么情况呢?1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家卡尔•史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的.他证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,比如一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3公里时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界.这就是我们今天耳熟能详的黑洞,但在那个年代,几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在,甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物,爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大.就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名.历史当然不会因此而停止前进,时间进入20世纪30年代,美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”,即：一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的1.44倍以上时,将不可能变成白矮星,而会继续坍塌收缩,变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体,即中子星.1939年,美国物理学家奥本海默进一步证明,一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时,其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围.随着经验的积累,关于黑洞的理论变得成熟起来,人们从彻底拒绝这个怪物到渐渐相信它,到20世纪60年代,人们已普遍接受黑洞的概念,黑洞的奥秘被逐渐研究出来.严格而言,黑洞并不是通常意义下的“星”,而只是空间的一个区域.这是与我们日常宇宙空间互不连通的区域,黑洞视界将这两个区域隔绝开,在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内,光线并不能自由地从一个地方传播到另一个地方,而是都朝向中心集聚,事件之间的联系受到严格限制,这就是黑洞.在黑洞的内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,引力和起潮力都是无限大.因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,物质其他特性全部丧失,原子、分子等等都将不复存在!在这种情形下,无法谈论黑洞的哪一部分物质,黑洞是一个统一体!在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开,这就是所谓的“奇点”状态.广义相对论无法对此进行考察,而必须代之以新的正确理论——量子理论.讽刺的是,广义相对论给我们导出了一个黑洞,却在黑洞的奇点之处失效,量子理论取而代之,而量子理论和相对论却根本互不相容!宇宙观念的发展宇宙结构观念的发展远古时代,人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态,他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测.在中国西周时期,生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为,天穹像一口锅,倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说,认为大地的形状也是拱形的.公元前7世纪 ,巴比伦人认为,天和地都是拱形的,大地被海洋所环绕,而其中央则是高山.古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河.古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上,而象则站在巨大的龟背上,公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘,上面笼罩着拱形的天穹. 最早认识到大地是球形的是古希腊人.公元前6世纪,毕达哥拉斯从美学观念出发,认为一切立体图形中最美的是球形,主张天体和我们所居住的大地都是球形的.这一观念为后来许多古希腊学者所继承,但直到1519～1522年,葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ,地球是球形的观念才最终证实. 公元2世纪,C.托勒密提出了一个完整的地心说.这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动,月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转.为了说明行星视运动的不均匀性,他还认为行星在本轮上绕其中心转动,而本轮中心则沿均轮绕地球转动.地心说曾在欧洲流传了1000多年.1543年,N.哥白尼提出科学的日心说,认为太阳位于宇宙中心,而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星.1609年,J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转,发展了哥尼的日心说,同年,伽利略•伽利雷则率先用望远镜观测天空,用大量观测事实证实了日心说的正确性.1687年,I.牛顿提出了万有引力定律,深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因,使日心说有了牢固的力学基础.在这以后,人们逐渐建立起了科学的太阳系概念. 在哥白尼的宇宙图像中,恒星只是位于最外层恒星天上的光点.1584年,乔尔丹诺•布鲁诺大胆取消了这层恒星天,认为恒星都是遥远的太阳.18世纪上半叶,由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计,布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同.18世纪中叶,T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说,布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统.弗里德里希•威廉•赫歇尔首创用取样统计的方法,用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例,1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图,从而奠定了银河系概念的基础.在此后一个半世纪中,H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转和旋臂,以及许多人对银河系直径、厚度的测定,科学的银河系概念才最终确立. 18世纪中叶,康德等人还提出,在整个宇宙中,存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统.而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统.此后经历了长达170年的曲折的探索历程,直到1924年,才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在. 近半个世纪,人们通过对河外星系的研究,不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统,而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处. 宇宙演化观念的发展在中国,早在西汉时期,《淮南子•俶真训》指出：“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,认为世界有它的开辟之时,有它的开辟以前的时期,也有它的开辟以前的以前的时期.《淮南子•天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程.在古希腊,也存在着类似的见解.例如留基伯就提出,由于原子在空虚的空间中作旋涡运动,结果轻的物质逃逸到外部的虚空,而其余的物质则构成了球形的天体,从而形成了我们的世界. 太阳系概念确立以后,人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源.1644年,R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年,G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年,康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说.现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来. 1911年,E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年,伯特兰•阿瑟•威廉•罗素则绘出了恒星的光谱-光度图,即赫罗图.罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始,先收缩进入主序,后沿主序下滑,最终成为红矮星的恒星演化学说.1924年 ,亚瑟•斯坦利•爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年,C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应.这两个发现导致了罗素理论被否定,并导致了科学的恒星演化理论的诞生.对于星系起源的研究,起步较迟,目前普遍认为,它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的. 1917年,A.阿尔伯特•爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础.1922年,G.D.弗里德曼发现,根据阿尔伯特•爱因斯坦的场方程,宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的,也可以是振荡的.前者对应于开放的宇宙,后者对应于闭合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律.这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持.20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型,他们还预言,根据这一模型,应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射.1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言.从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型.1980年,美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型.这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实. 宇宙图景当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统. 现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程.当代关于太阳系起源学说认为,太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云(原始太阳星云)由于引力收缩而逐渐形成的（见太阳系起源）.恒星是由星云产生的,它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段.星系的起源和宇宙起源密切相关,流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年,温度降到4000K,宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期,这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性,或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系,然后再演化为星系团和星系.热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸,当时温度极高、密度极大.随着宇宙的膨胀,它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程,直至10～20亿年前,才进入大规模形成星系的阶段,此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙.1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充.它认为在宇宙极早期,在我们的宇宙诞生后约10-36秒的时候,它曾经历了一个暴涨阶段. 宇宙的创生有些宇宙学家认为,暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点,这种观点之所以在以前不能为人们接受,是因为存在着许多守恒定律,特别是重子数守恒和能量守恒.但随着大统一理论的发展,重子数有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零.因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题.这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体论方面.如果认为“无”是绝对的虚无,则是错误的.这不仅违反了人类已知的科学实践,而且也违反了暴涨模型本身.按照该模型,我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分,在观测宇宙之外并不是绝对的“无”.现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的,这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式,并不是创生于绝对的“无”.如果进一步说这种真空能起源于“无”,因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式.②认识论和方法论方面.暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念.这个宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史.暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来,认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,应研究它们的起源.它把“无”作为一种未知的物质和能量形式,把“无”和“有”作为一对逻辑范畴,探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式,转化为“有”——已知的物质和能量形式,这在认识论和方法论上有一定意义. 时空起源有些人认为,时间和空间不是永恒的,而是从没有时间和没有空间的状态产生的.根据现有的物理理论,在小于10-43秒和10-33厘米的范围内,就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量,因此时间和空间概念失效了,是一个没有时间和空间的物理世界.这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的.正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样,今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观.由于在大爆炸后10-43秒以内,广义相对论失效,必须考虑引力的量子效应,因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源.这些工作都是有益的,但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式,而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在. 人和宇宙从本世纪60年代开始,由于人择原理的提出和讨论,出现了人类存在和宇宙产生的关系问题.人择原理认为 ,可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙,但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类,因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙.人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律,减少它们的任意性,使一些宇宙学现象得到解释,这在科学方法论上有一定的意义.但有人提出,宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在.这种观点值得商榷.现在根据暴涨模型,那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态,有可能从极早期宇宙的演化中产生出来,而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关.这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础.但有些人认为,由于暴涨引起的巨大距离尺度,使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能.这种担心有其理由,但如果暴涨模型正确的话,随着科学实践的发展,一定有可能突破人类认识上的困难.

随着19世纪快要过去，科学家们可以满意地回想，他们已经解开物理学的大部分谜团。我们略举数例：电学、磁学、气体学、光学、声学、动力学及统计力学，都已经在他们的面前俯首称臣。他们已经发现了X射线、阴极射线、电子和放射现象，发明了计量单位欧姆、瓦特、开尔文、焦耳、安培和小小的尔格。

凡是能被振荡的，能被加速的，能被干扰的，能被蒸馏的，能被化合的，能被称质量的，或能被变成气体的，他们都做到了；在此过程中，他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常重要，非常神气，直到今天我们还往往以大写来书写：“光的电磁场理论”、“里氏互比定律”、“查理气体定律”、“体积结合定律”、“第零定律”、“原子价概念”、“质量作用定律”等等，多得数也数不清。整个世界丁丁当当、喀嚓喀嚓地回响着他们发明创造出来的机器和仪器的声音。许多聪明人认为，科学家们已经没有多少事可干了。

1875年，德国基尔有一位名叫马克斯·普朗克的年轻人犹豫不决，不知道这辈子究竟是该从事数学还是该从事物理学。人们由衷地劝他不要选择物理学，因为物理学的重大问题都已得到解决。他们斩钉截铁地告诉他，下个世纪将是个巩固和提高的世纪，不是个革命的世纪。普朗克不听，他钻研理论物理学，潜心投入了热力学的核心问题——熵的研究工作。在一个雄心勃勃的年轻人看来，研究这个问题似乎很有前途。1891年，他做出了成果，却吃惊地发现，关于熵的这项重要工作实际上已经有人做过。他是耶鲁大学一位离群索居的学者，名叫J.威拉德·吉布斯。

吉布斯是个很杰出的人物，但大多数人也许没有听说过。他行为检束，很少抛头露面。除了去欧洲搞了三年研究以外，他的一辈子差不多都是在一个三个街区的范围之内度过的：一边是他的家，一边是耶鲁大学在康涅狄格州纽黑文的校园。在耶鲁大学的最初十年里，他连工资都懒得去领。（他有另外的收入。）从1871年起，他成为该大学的一名教授，直到1903年去世。在此期间，每学期选他的课的学生平均只有一名。他写的东西晦涩难懂，经常使用自己发明的符号，许多人觉得简直是天书。但是，在那些神秘的公式深处，隐藏着最英明、最深刻的见解。

1875—1878年期间，吉布斯写出了一系列论文，编成了《论多相物质的平衡》的集子。该书出色地阐述了近乎一切热力学原理——用威廉.H.库珀的话来说，包括“气体、混合物、平面、固体、相移……化学反应、电化电池、沉淀以及渗透”。归根结底，吉布斯想要表明，热力学不仅适用于蒸汽机这样的庞大而又嘈杂的范围里的热量和能量，而且在化学反应的原子层面上也同样存在，而且影响很大。吉布斯的《平衡》一直被称为“热力学原理”，但出于无法猜测的原因，吉布斯情愿将这些具有划时代意义的见解发表在《康涅狄格州艺术与科学院学报》上，那是一份即使在康涅狄格州也毫无名气的杂志。这就是为什么普朗克直到很晚的时候才听说他的名字的原因。

普朗克没有泄气——哎呀，也许稍稍有点胆怯，开始把注意力转向别的问题。这方面的事，我们等一会儿再说，先稍稍地（而又恰当地）换个方向，前往俄亥俄州的克利夫兰，去一家当时被称为凯斯实用科学学校的机构。19世纪80年代，那里有一位刚到中年的物理学家，名叫阿尔伯特·迈克尔逊。他在他的朋友化学家爱德华·莫雷的协助之下，进行了一系列试验。那些试验得出了很有意思而又令人吃惊的结果，将对以后的许多事情产生重大的影响。

迈克尔逊和莫雷所做的——实际上是在无意之中所做的——破坏了长期以来人们对一种所谓光以太的东西的信念。那是一种稳定、看不见、没有重量、没有摩擦力、不幸又完全是想像出来的媒质。据认为，这种媒质充满宇宙。以太是笛卡儿假设的，牛顿加以接受，之后差不多人人都对它怀有崇敬之情，在19世纪物理学中占有绝对的中心地位，用来解释为什么光能够在空荡荡的太空里传播。它在19世纪初尤其必不可少，因为光和电磁在这时候被看成是波，也就是说某种振动。振动必须在什么东西里面才能发生，因此，就需要一种以太，并长期认为存在一种以太。直到1909年，伟大的英国物理学家J.J.汤姆森仍坚持说：“以太不是哪位爱好思索的哲学家的凭空想像，它对我们来说就像我们呼吸的空气那样不可缺少。”——他说这番话4年多以后，就无可争议地确定以太并不存在。总而言之，人们确实离不开以太。

如果你需要说明19世纪的美国是个机会之乡的理念，那么你很难再找到像阿尔伯特·迈克尔逊这样好的例子。他1852年生于德国和波兰边境地区的一个贫苦的犹太商人家庭，小时候随家人来到美国，在加利福尼亚州一个淘金热地区的矿工村里长大。他的父亲在那里做干货生意。家里太穷，他上不起大学，便来到首都华盛顿，在白宫的正门口游来晃去，希望能在尤利塞斯.S.格兰特每天出来散步时碰上这位总统。（那显然是个比较朴实的年代。）在这样散步的过程中，迈克尔逊深深博得了总统的欢心，格兰特竟然答应免费送他去美国海军学院学习。就是在那里，迈克尔逊攻读了物理学。

10年以后，迈克尔逊已经是克利夫兰凯斯学校的一名教授，开始有兴趣测量一种名叫以太漂移的东西——运动物体穿越空间所产生的一种顶头风。牛顿物理学的预言之一是，在观察者看来，光在穿越以太过程中的速度是不一样的，取决于观察者是朝着还是逆着光源的方向移动。但谁也想不出对此进行测量的方法。迈克尔逊突然想到，地球有半年时间是朝着太阳的方向运动，有半年时间是逆着太阳的方向运动的。他认为，只要在相对的季节里进行仔细测量，把两者之间光的运动速度进行比较，就能找到答案。

迈克尔逊说服电话的发明者、刚刚发了财的亚历山大·格雷厄姆·贝尔提供资金，制造了一台迈克尔逊自己设计的巧妙而灵敏的仪器，名叫干涉仪，用来非常精确地测定光的速度。接着，在和蔼而又神秘的莫雷的协助下，迈克尔逊进行了几年的精心测量。这是一件非常细致而又很花力气的活儿，迈克尔逊的精神一下子完全垮了，工作不得不中断了一段时间。但是，到1887年，他们有了结果。而且，这个结果完全出乎这两位科学家的意料。

加州理工大学天体物理学家基普.S.索恩写道：“结果证明，光的速度在各个方向、各个季节都是一样的。”这是200年来——实际上恰好是200年——出现的第一个迹象，说明牛顿定律也许不是在任何时候、任何地方都适用的。用威廉.H.克罗珀的话来说，迈克尔逊一莫雷结果成为“很可能是物理学史上最负面的结果”。为此，迈克尔逊获得了诺贝尔物理学奖——从而成为获此殊荣的第一位美国人——但要过20年之后。与此同时，迈克尔逊一莫雷实验像一股霉味那样令人不快地浮动在科学家的脑海深处。

令人注目的是，尽管他有了这项发现，当20世纪来到的时候，迈克尔逊觉得自己和别人一样，认为科学工作快要走到尽头——用一位作者在《自然》杂志上的话来说：“只要添上几个角楼和尖顶，在房顶上刻几处浮雕就够了。”

当然，实际上，世界即将进入一个科学的世纪。到时候，谁都会懂得一点，谁都不会什么都懂。科学家快要发现自己在粒子和反粒子的汪洋大海里漂浮，东西瞬间存在，瞬间消失，使毫微秒时间也显得十分缓慢，平平常常，一切都是那么古怪。科学正从宏观物理学向微观物理学转变。前者，物体看得见，摸得着，量得出；后者，事情倏忽发生，快得不可思议，完全超出了想像的范围。我们快要进入量子时代，而推动其大门的第一人就是那位迄今为止一直很倒霉的马克斯·普朗克。

1900年，普朗克42岁，已是柏林大学的理论物理学家。他揭示了一种新的“量子理论”，该理论认为，能量不是一种流水般连续的，而是一包包地传送的东西，他称其为量子。这确实是一种新奇的概念，而且是一种很好的概念。从短期来说，它能为迈克尔逊一莫雷实验之谜提供一种解释，因为它表明光原来不一定是一种波动。从长远来说，它将为整个现代物理学奠定基础。无论如何，它是第一个迹象，表明世界快要发生变化。

但是，划时代意义的事件——一个新时代的黎明——要到1905年才发生。当时，德国的物理学杂志《物理学年鉴》发表了一系列论文，作者是一位年轻的瑞士职员。他没有大学职位，没有自己的实验室，通常跑的也只是伯尔尼国家专利局的小小图书馆。他是专利局的三级技术审查员。（他不久前申请提升为二级审查员，但遭到了拒绝。）

他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦。在那个重要的一年，他向《物理学年鉴》递交了五篇论文，用C.P.斯诺的话来说，其中三篇“称得上是物理学史上最伟大的作品”——一篇使用普朗克刚刚提出的量子理论审视光电效应，一篇论述悬浮小粒子的状况（即现在所谓的布朗运动），一篇概述了狭义相对论。

第一篇解释了光的性质（还促使许多事情成为可能，其中包括电视），为作者赢得了一个诺贝尔奖。

第二篇提供了证据，证明原子确实存在——令人吃惊的是，这个事实过去一直存在一些争议。

第三篇完全改变了世界。

爱因斯坦1879年生于德国南部的乌尔姆，但在慕尼黑长大。他的早年生活几乎难以说明他将来会成为大人物。大家都知道，他到三岁才学会说话。19世纪90年代，他父亲的电器生意破产，举家迁往米兰，但这时候已经十来岁的阿尔伯特去了瑞士继续他的学业——虽然他一开始就没有通过大学入学考试。1896年，他放弃了德国籍，以免被征入伍，进入了苏黎世联邦工业大学，攻读旨在培养中学教师的四年制课程。他是一名聪明而又不突出的学生。

1900年，他从学校毕业，没过几个月就开始把论文投给《物理学年鉴》。他的第一篇论文论述（在那么多可写的东西中偏偏论述）吸管里流体的物理学，与普朗克的量子理论发表在同一期上。从1902年到1904年，他写出了一系列关于统计力学的论文，结果发现，多产的J.威拉德·吉布斯1901年在康涅狄格州已经悄悄地发表了同样的作品：《统计力学的基本原理》。

阿尔伯特曾爱上一位同学，一位名叫米勒娃·玛丽奇的匈牙利姑娘。1901年，他们没有结婚就生了个孩子，一个女儿。他们很谨慎，把孩子给了人家。爱因斯坦从没有见过自己的孩子。两年以后，他和玛丽奇结了婚。在此期间，爱因斯坦接受了瑞士专利局的一个职位，在那里待了随后的7年。他很喜欢这份工作：它很有挑战性，能使他的脑子忙个不停，但又不至于转移他对物理学的注意力。就是在这种背景下，他于1905年创立了狭义相对论。

《论动体的电动力学》，无论是在表达方式还是在内容上，都是发表过的最优秀的科学论文之一。它没有脚注，也没有引语，几乎不用数学，没有提及影响过该论文或在该论文之前的任何作品，只是对一个人的帮助致以谢意。他是专利局的一名同事，名叫米歇尔·贝索。C.P.斯诺写道，爱因斯坦好像“全凭思索，独自一人，没有听取别人的意见就得出了结论。在很大程度上，情况就是这样”。

他著名的等式E=mc2在这篇论文中没有出现，但出现在几个月以后的一篇短小的补充里。你可以回忆一下学校里学过的东西，等式中的E代表能量，m代表质量，c2代表光速的平方。

用最简单的话来说，这个等式的意思是：质量和能量是等价的。它们是同一东西的两种形式：能量是获释的质量；质量是等待获释的能量。由于c2（光速的平方）是个大得不得了的数字，这个等式意味着，每个物体里都包含着极其大量——真正极其大量——的能量。

你或许觉得自己不大健壮，但是，如果你是个普通个子的成人，你那不起眼的躯体里包含着不少于7×1018焦耳的潜能——爆炸的威力足足抵得上30颗氢弹，要是你知道怎么释放它，而且确实愿意这么做的话。每种物体内部都蕴藏着这样的能量。我们只是不大善于把它释放出来而已。连一颗铀弹——我们迄今为止制造出的能量最大的家伙——释放出的能量还不足它可以释放出的能量的1%，要是我们更聪明点的话。

其中，爱因斯坦的理论解释了放射作用是怎么发生的：一块铀怎么源源不断地释放出强辐射能量，而又不像冰块那样融化。（只要把质量极其有效地转变为能量，这是办得到的：E=mc2。）该理论解释了恒星为什么可以燃烧几十亿年而又不把燃料用尽。（同上。）爱因斯坦用一个简单的公式，一下子使地质学家和天文学家的视界开阔了几十亿年。该理论尤其表明，光速是不变的，最快的，什么速度也超不过它。因此，这使我们一下子弄清了宇宙性质的核心。而且，该理论还解决了光以太的问题，说明它并不存在。爱因斯坦的宇宙不需要以太。

物理学家一般不大重视瑞士专利局职员发表的东西，因此尽管提供的信息又多又有用，爱因斯坦的论文并没有引起多少注意。由于刚刚解开宇宙中几个最难解开的谜团，爱因斯坦申请大学讲师的职位，但是遭到拒绝，接着又申请中学教师的职位，再次遭到拒绝。于是，他重新干起三级审查员的活儿——不过，他当然没有停止思索。他离大功告成还远着呢。

有一次，诗人保罗·瓦莱里问爱因斯坦，他是不是随身带着个笔记本记录自己的思想，爱因斯坦稍稍而又着实吃惊地看了他一眼。“哦，那是没有必要的，”他回答说，“我极少带个笔记本。”我无须指出，要是他真的带个本子的话，倒是很有好处的。爱因斯坦的下一个点子，是一切点子中最伟大的点子——布尔斯、莫茨和韦弗在他们很有创见的原子科学史中说，这确实是最最伟大的点子。“作为一个脑子的独创，”他们写道，“这无疑是人类最高的智力成就。”这个评价当然很高。

1907年，反正有时候书上是这么写的，有个工人从房顶上掉了下来，爱因斯坦就开始考虑引力的问题。天哪，像许多动人的故事一样，这个故事的真实性似乎存在问题。据爱因斯坦自己说，他想到引力问题的时候，当时只是坐在椅子上。

实际上，爱因斯坦想到的更像是开始为引力问题找个答案。他从一开头就清楚地认识到，狭义相对论里缺少一样东西，那就是引力。狭义相对论之所以“狭义”，是因为它研究的完全是在无障碍的状态下运动的东西。但是，要是一个运动中的东西——尤其是光——遇到了比如引力这样的障碍会怎么样？在此后10年的大部分时间里，他一直在思索这个问题，最后于1917年初发表了题为《关于广义相对论的宇宙学思考》的论文。当然，1905年的狭义相对论是一项深刻而又重要的成就。但是，正如C.P.斯诺有一次指出的，要是爱因斯坦没有想到，别人也会想到，很可能在5年之内。这是一件在等着要发生的事。但是，那个广义相对论完全是另一回事。“没有它，”斯诺在1979年写道，“我们今天有可能还在等待那个理论。”

爱因斯坦常手拿烟斗，和蔼可亲，不爱露面，一头乱发，真是个非凡人物。这样的人物不可能永远默默无闻。1919年，战争结束了，世界突然发现了他。几乎同时，他的相对论以普通人无法搞懂出了名。《纽约时报》决定写一篇报道——由于永远令人想不通的原因——派了该报一个名叫亨利·克劳奇的高尔夫运动记者去负责这次采访，结果正如戴维·博丹尼斯在他出色的《E=mc2》一书中指出的，根本不解决问题。

这次采访令克劳奇力不从心，他差不多把什么都搞错了。他的报道里有许多令人难忘的错误，其中之一，他断言，爱因斯坦找了个胆子很大的出版商，敢于出版一本全世界只有12个人看得懂的书。当然，根本不存在这样的书，根本不存在这样的出版商，也根本不存在这么狭小的学术界，但这种看法已深入了人心。过不多久，在人们的想像中，搞得懂相对论的人数又少了许多——应当指出，科学界对这种神话没有去加以澄清。

有一位记者问英国天文学家阿瑟·爱丁顿，他是不是真的就是世界上仅有的三个能理解爱因斯坦的相对论的人之一。爱丁顿认真地想了片刻，然后回答说：“我正在想谁是第三个人呢。”实际上，相对论的问题并不在于它涉及许多微分方程、洛伦兹变换和其他复杂的数学（虽然它确实涉及——有的方面连爱因斯坦也需要别人帮忙），而是在于它不是凭直觉所能完全搞懂的。

实质上，相对论的内容是：空间和时间不是绝对的，而是既相对于观察者，又相对于被观察者；一个人移动得越快，这种效果就越明显。我们永远也无法将自己加速到光的速度；相对于旁观者而言，我们越是努力（因此我们走得越快），我们的模样就越会失真。

几乎同时，从事科学普及的人想要设法使广大群众弄懂这些概念。数学家和哲学家罗素写的《相对论ABC》就是一次比较成功的尝试——至少在商业上可以这么说。罗素在这本书里使用了至今已经多次使用过的比喻。他让读者想像一列90米长的火车在以光速的60%行驶。对于立在站台上望着它驶过的人来说，那列火车看上去会只有70余米长，车上的一切都会同样缩小。要是我们听得见车上的人在说话，他们的声音听上去会含糊不清，十分缓慢，犹如唱片放得太慢，他们的行动看上去也会变得很笨拙。连车上的钟也会似乎只在以平常速度的五分之四走动。

然而——问题就在这里——车上的人并不觉得自己变了形。在他们看来，车上的一切似乎都很正常。倒是立在站台上的我们古怪地变小了，动作变慢了。你看，这一切都和你与移动物体的相对位置有关系。

实际上，你每次移动都会产生这样的效果。乘飞机越过美国，你会用大约一百亿亿分之一秒踏出飞机，比在你后面离开飞机的人要年轻一些。即使从屋子的这头走到那头的时候，你自己所经历的时间和空间也会稍有改变。据计算，一个以每小时160公里的速度抛出去的棒球，在抵达本垒板的过程中会获得0.000000000002克物质。因此，相对论的作用是具体的，可以测定的。问题在于，这种变化太小，我们毫无察觉。但是，对于宇宙中别的东西来说——光、引力、宇宙本身——这些就都是举足轻重的大事了。

因此，如果说相对论的概念好像有点儿怪，那只是因为我们在正常的生活中没有经历这类相互作用。不过，又不得不求助于博尼丹斯，我们大家都经常遇到其他种类的相对论——比如声音。要是你在公园里，有人在演奏难听的音乐，你知道，要是你走得远一点，音乐好像就会轻一点。当然，那并不是因为音乐真的轻了点，而只是因为你对于音乐的位置发生了变化。对于体积很小的或行动缓慢的，因此无法有同样经历的东西来说——比如蜗牛——也许难以置信，一个喇叭似乎同时能对两个听众放出两种音量的音乐。

在“广义相对论”的众多概念中，最具挑战性的，最直觉不到的，在于时间是空间的组成部分这个概念。我们本能地把时间看做是永恒的，绝对的，不可改变的，相信什么也干扰不了它的坚定步伐。事实上，爱因斯坦认为，时间是可以更改的，不断变化的。时间甚至还有形状。一份时间与三份空间结合在一起——用斯蒂芬·霍金的话来说是“无法解脱地交织在一起”——不可思议地形成一份“时空”。

通常，时空是这样解释的：请你想像一样平坦而又柔韧的东西——比如一块地毯或一块伸直的橡皮垫子——上面放个又重又圆的物体，比如铁球。铁球的重量使得下面的底垫稍稍伸展和下陷。这大致类似于太阳这样的庞然大物（铁球）对于时空（底垫）的作用：铁球使底垫伸展、弯曲、翘起。现在，要是你让一个较小的球从底垫上滚过去，它试图做直线运动，就像牛顿运动定律要求的那样。然而，当它接近大球以及底垫下陷部分的时候，它就滚向低处，不可避免地被大球吸了过去。这就是引力——时空弯曲的一种产物。

凡有质量的物体在宇宙的底垫上都能造成一个小小的凹坑。因此，正如丹尼斯·奥弗比说的，宇宙是个“最终的下陷底垫”。从这个观点来看，引力与其说是一种东西，不如说是一种结果——用物理学家米奇奥·卡库的话来说：“不是一种‘力’，而是时空弯曲的一件副产品。”卡库接着又说：“在某种意义上，引力并不存在；使行星和恒星运动的是空间和时间的变形。”

当然，以下陷的底垫来作比喻，只能帮助我们理解到这种程度，因为没有包含时间的作用。话虽这么说，其实我们的大脑也只能想像到这个地步。若要想像空间和时间以3：1的比例像线织成一块格子地垫那样织成一份时空，这几乎是不可能的。无论如何，我想我们会一致认为，对于一位凝视着瑞士首都专利局窗外的年轻人来说，这确实是个了不起的见解。

爱因斯坦的广义相对论提出了许多见解。其中，他认为，宇宙心总是或者膨胀或者收缩的。但是，爱因斯坦不是一位宇宙学家，他接受了流行的看法，即宇宙是固定的，永恒的。多少出于本能，他在自己的等式里加进了他所谓的宇宙常数。他把它作为一种数学暂停键，武断地以此来抵消引力的作用。科学史书总是原谅爱因斯坦的这个失误，但这其实是科学上一件很可怕的事。他把它称之为“我一生中所犯的最大错误”。

说来也巧，大约就在爱因斯坦为自己的理论添上一个常数的时候，在亚利桑那州的洛厄尔天文台，有一位天文学家在记录远方恒星的光谱图上的读数，发现恒星好像在离我们远去。该天文学家有个来自星系的动听名字：维斯托·斯莱弗（他其实是印第安纳州人）。原来，宇宙不是静止的。斯莱弗发现，这些恒星明确显示出一种多普勒频移的迹象——跟赛车场上飞驰而过的汽车发出的那种连贯而又特有的“嚓——嗖”的声音属于同一机制。这种现象也适用于光；就不停远去的星系而言，它被称之为红移（因为离我们远去的光是向光谱的红端移动的，而朝我们射来的光是向蓝端移动的）。

斯莱弗第一个注意到光的这种作用，意识到这对将来理解宇宙的运动十分重要。不幸的是，谁也没有太多注意他。你会记得，珀西瓦尔·洛厄尔在这里潜心研究过火星上的运河，因此洛厄尔天文台是个比较独特的地方。到了20世纪的前10年，它在任何意义上都成了研究天文的前哨阵地。斯莱弗不知道爱因斯坦的相对论，世界也同样不知道斯莱弗，因此，他的发现没有影响。

荣誉反而属于一个非常自负的大人物，他的名字叫埃德温·哈勃。哈勃1889年生于欧扎克高原边缘的一个密苏里州小镇，比爱因斯坦小10岁；他在那里及芝加哥郊区伊利诺伊的惠顿长大。他的父亲是一名成功的保险公司经理，因此家里的生活总是很优裕。埃德温还天生有个好的身体。他是个有实力、有天赋的运动员，魅力十足，时髦潇洒，相貌堂堂——用威廉·H.克罗珀的话来说，“英俊到了不适当的程度”；用另一位崇拜者的话来说，“美得像美神阿多尼斯”。用他自己的话来说，他生活中还经常干一些见义勇为的事——抢救落水的人；领着吓坏了的人穿越法国战场，把他们带到安全的地方；在表演赛中几下子就把世界冠军级的拳击手打倒在地，弄得他们不胜难堪。这一切都好得简直令人难以置信，但都是真的。尽管才华出众，但哈勃也是个顽固不化的说谎大王。

这就很不寻常了，因为哈勃的生活中从小就充满真正的奇特之处，有时候简直令人难以置信地出类拔萃。仅在1906年的一次中学田径运动会上，他就赢得了撑杆跳高、铅球、铁饼、链球、立定跳高、助跑跳高的冠军，还是接力赛跑获胜队的成员——那就是说，他在一次运动会上获得了7个第一名，还有，他在跳远比赛中获得了第三名。同年，他创造了伊利诺伊州跳高记录。

作为一名学者，他也是出色得不得了，不费吹灰之力就考上芝加哥大学，攻读物理学和天文学（说来也巧，系主任就是阿尔伯特·迈克尔逊）。他在那里被选为牛津大学的首批罗兹奖学金获得者之一。3年的英国生活显然冲昏了他的头脑。1913年他返回惠顿的时候，披着长披风，衔着烟斗，说起话来怪腔怪调，滔滔不绝——不大像英国人，而又有点像英国人——这种模样他竟保留终生。他后来声称，他在20世纪20年代的大部分时间里一直在肯塔基州当律师，但实际上他在印第安纳州新奥尔巴尼当中学教师和篮球教练，后来才获得博士学位，并在陆军待了很短时间。（他是在签订停战协定前一个星期抵达法国的，几乎肯定没有听到过愤怒的枪炮声。）

1919年，他已经30岁。他迁到加利福尼亚州，在洛杉矶附近的威尔逊山天文台找了个职位。非常出人意料的是，他很快成为20世纪最杰出的天文学家。

让我们稍停片刻，先来考虑一下当时人们对宇宙的了解是如何少得可怜，这是值得的。今天的天文学家认为，在可见的宇宙里也许有1400亿个星系。这是个巨大的数字，比你听了这话认为的还要巨大得多。假如把一个星系比做一粒冻豆子，这些豆子就可以塞满一个大礼堂一比如，老波士顿花园或皇家艾伯特大厅。（有一位名叫布鲁斯·格雷戈里的天体物理学家还真的计算过。）1919年，当哈勃第

我说些不同看法。

简单说说我的看法。

一个物体在运动时会发出很多种信号，比如声音信号，气味信号，光信号，其中光信号可以是本身发出的，也可以是反射的，这些信号都表示物体运动的位置。要了解物体的运动情况，只有一个信号是不行的，也可以说只有一个位置是不行的，只有知道下一个位置，才能知道这个物体运动的方向与距离。所以就算只使用光信号，也需要知道物体运动时发出的第二个信号。爱因斯坦只提到物体发出的第一个光信号是一个球面波，也只针对这个球面波进行讨论，只能是光信号的运动情况，不是物体本身的运动情况。

因此我认为他是在创建相对论是搞错了研究对象。

在附件中有个图示，其实研究一个物体的直线运动，只需要开头与终点两个信号就行了。

1900年8月爱因斯坦毕业于苏黎世联邦工业大学；12月完成论文《由毛细管现象得到的推论》，次年发表在莱比锡《物理学杂志》上并入瑞士籍。 1901年3月21日，取得瑞士国籍。在这一年5－7月完成电势差的热力学理论的论文。 1904年9月，由专利局的试用人员转为正式三级技术员。 1905年3月，发展量子论，提出光量子假说，解决了光电效应问题。4月向苏黎世大学提出论文《分子大小的新测定法》，取得博士学位。5月完成论文《论动体的电动力学》，独立而完整地提出狭义相对性原理，开创物理学的新纪元。 1906年4月，晋升为专利局二级技术员。11月完成固体比热的论文，这是关于固体的量子论的第一篇论文。 1908年10月兼任伯尔尼大学编外讲师。1910年10月，完成关于临界乳光的论文1915年11月，提出广义相对论引力方程的完整形式，并且成功地解释了水星近日点运动。爱因斯坦1916年3月，完成总结性论文《广义相对论的基础》。5月提出宇宙空间有限无界的假说。8月完成《关于辐射的量子理论》，总结量子论的发展，提出受激辐射理论。

宇宙科学论文发表

一般一个月以内，主编直接拒稿的话，会给你回复的。你也可以直接咨询。涉密的文件或数据当然不能发表，如果属于科研成果且符合相关法律的话，当然可以投稿～

宇宙随着空间范围的增大，物质逐步增多，引力场也相应地增强，下面我给大家分享关于宇宙的科技论文，大家快来跟我一起欣赏吧。

奇妙的宇宙世界

关键词：镜子假说，奇点无限大，纯粹的运动，能量货币论。

论文摘要：边缘星球的速度是不是光速?如果命题成立，那么边缘星球的另一面光线是无法发散的。如果以光线逃不出宇宙边缘而论，因为宇宙的总质量大于光线的逃逸能量，光线就会弯曲，在宇宙边缘徘徊。甚至像有人预言的，再无穷的直线在宇宙中也能弯成一个圈，任何光线将形成一个闭合。因此宇宙边缘就是一个全反射的大镜子

宇宙大爆炸，超新星的爆发，常使人与原子的裂变、衰变、跃迁相联系，与炸药爆炸相联系。然而它们又有本质上的不同。宇宙大爆炸，其机制完全超出了人们的想象，喷发的竟是些基本粒子。各种闪耀着光芒的力的触发现象，有着怎样的奥秘呢?

宇宙大爆炸喷发出的基本粒子，它们是如此基本以致我们怀疑宇宙奇点的存在，我们失去了大与小的观念。粒子的形成是瞬间的，而在那一瞬间我们失去了对时间的理解。粒子的每一次快速吸引与组合都以毫秒、纳秒计算，极大与极小瞬间达到统一。极大与极小又带来了数量多少的认知，那些比质子、电子还基本的粒子到底有多少呢?这些粒子竟组成了三千亿个星系!这些粒子的多少几乎引起了我们对感觉的怀疑。是的，将两个镜子相对而立，中间放两个小球，在相对的镜子里你能看到多少个小球呢?无数!电脑也能模拟出无穷，在屏幕保护程序中你能看到图形延续的尽头吗?看不到，如果有可能的话它会一直延续下去，并且它也如人的面孔一样永远不会重复。这是不是一种幻觉?光线的传播是我们的唯一的凭证，如果我们不相信光线，我们就得不到任何实在的真理。

既然我们造出了镜子，我们就有理由相信宇宙的边缘有可能是一面面耦合的镜子，或许像足球的内部一样。镜子从各个不同的角度与方向反射，以造成宇宙形象在感官上看起来的无穷。我们所说的宇宙的边缘，是星球能达到的，而不是光线能达到的。由边缘星球的距离，我们才能知道光达到的距离，也是宇宙寿命的年限。而边缘恒星向外辐射的一面，光是怎样发散的呢?边缘星球的速度是不是光速?如果命题成立，那么边缘星球的另一面光线是无法发散的。如果以光线逃不出宇宙边缘而论，因为宇宙的总质量大于光线的逃逸能量，光线就会弯曲，在宇宙边缘徘徊。甚至像有人预言的，再无穷的直线在宇宙中也能弯成一个圈，任何光线将形成一个闭合。因此宇宙边缘就是一个全反射的大镜子。

我们不知道镜子是光滑的还是凹凸不平的，我们只知道宇宙在扩散，镜子也在扩张。我们看到的每一次超新星的爆发，各个镜子在一同相互反射中会导致多个同一物像一同发生作用的假象。这犹如你在由几十、几百个太阳能电池板的玻璃面上看到了几十、几百个太阳!而由于光线传播缓慢的历史性，镜子远近的不同，甚至不同的镜子处于神秘的且不同的四维及四维以上的时空里而使光线与历史发生严重扭曲。扭曲会使星系的大小、颜色甚至立体弯曲构象等一切都发生变化。因此我们看到的多个不同星系，甚至外形、时空的远近很不相同，其实它们是同一星系不同侧面、不同维度、不同历史时期的外部景象，甚至是无数平行时空同时存在的表现。

镜子假说只是一种假说与推论，然而它极有可能导致我们对科学的失望，使科学走向死胡同。然而我们对它完全不用在意，在我们的现实生活中，在我们的周围，在我们的社会圈、生物圈、大气圈等数量级上，它是完全站不住脚的。即使如此，假如你团起一团泥巴，你能说一下它有多少个原子吗?这团泥巴是实在的，因此原子的数目是实在的，它是一定的。极多并不能够引起恐惧，极多只是一种客观存在。我们利用隧道显微镜可以对原子的个数进行清点。电子虽然以光速运转，然而它们各自的区域十分明显。

如果把原子变成房间，这团泥巴就是一个现实中的“超级立方体”，如果你进入其中，但并没有机关，你能顺利出来吗?电子的旋转并不能对你造成威胁，真正的威胁是极速的接近光速的旋转能将时空严重搅乱并使时空扭曲，原子核的巨大引力也会使时空产生漩涡塌缩，因此找准方位并顺利出来几乎是不可能的。我们在显微镜中所看到的“球体”的原子，都是因为他们本身结构而发生时空严重扭曲的东西，它们真的都是些球体吗?我们能数出它们的个数，但它们是否真的能论“个”?

现代大型望远镜的深空探测使我们看到了宇宙的原始风貌，我们对宇宙大爆炸能够再一次回放。我们看到一个小点在放光，慢慢扩大。小点是一个圆亮斑，圆的周缘是宇宙的边缘，而圆斑的外围没有运动与能量的承载，也既没有时空，没有时空的东西是什么?它是漆黑一片!我们不能再推理了，因为无论怎么说它都是荒谬不可信的。然而有一点我们是确信的，就是假如实在论学说成立，假如这个球存在，这样“物质是实在的，星系有三千亿个”，同样“一团泥巴里有无数的原子，尽管无数，它也是数目一定的”，这些都可以成立了。

很显然“漆黑一片”的推理是错误的，因为我们的任何望远镜都逃不出这个亮斑的范围，并且看到的仅仅是这个亮斑中的一小部分，我们永远无法看到亮斑的外围。这种结论使我们失望，同时也使我们有了一个惊人的发现，既时空影像达到一定维度其构象产生了隧道效应，或者称其为纸筒效应。因为它只有时间与空间两个变量，我们称其为宇宙的四维纸筒影像模型，简称纸筒模型。这个纸筒对我们认知真理的过程是一个严重的阻碍，在短期内无法打破，或者说我们逃不出这个宇宙，我们摆脱不了这个宇宙的总能量的束缚。然而如果我们永远摆脱不了这个时空及“看守”这块时空的巨大能量，我们就永远看不到宇宙的外部世界。这也给我们提供了一个信息，就是外宇宙是有可能存在的，但它采取了宇宙能量对光线巧妙地完全屏蔽的方法，使我们怎么也找不到它。

由此我提出本宇宙、外宇宙与前宇宙的概念。外宇宙是我们宇宙外部的总宇宙世界，我们逃出我们的本宇宙，就到达了一个“五维空间”，这样我们就能真切的看到我们的四维宇宙构象是怎样的一个管道系统(这仅仅是个假设)，管道不断的弯曲，有可能有交叉联合的地方，这就是所谓的时光隧道。如果我们的飞船如子弹般直线穿梭，冲出了管道的壁(这个壁并不远，或许就在我们的身边，只要我们的速度足够大。这个壁有可能是柔性的并能自动愈合)，但很快就冲进另一个管道进入本宇宙的另一个时空段(这个时空段有可能很小，或者几秒钟的距离)，这就是所谓的时空折叠的UFO式旅行。我们难以想象这是否会造成时空管道的千疮百孔!前宇宙是我们所能看到的，如果宇宙是不断循环的话，如果我们幸运的话，当我们的太空望远镜功率足够大，我们穿越了奇点临界，随着视野一片亮光的闪过，我们看到的将是前宇宙那遍布超级黑洞的处于垂死边缘的景象。黑洞造成光的折射，这是一个五彩斑斓的彩球世界。

宇宙在爆炸初期，基本粒子在极短时间内快速组合，新物质急速产生。基本粒子体积是极小的，极小的体积是否就意味着它们相互组合时间的极快呢?我们从它们极短的寿命周期或许就会明白它们是处于一个与我们截然不同的另一个时间极快的时空之中。然而极快的组合速度就意味着极大的力吗?我们知道原子核内巨大的能量就是极大力的真实表现，是否是力造成了我们现实世界各个数量级时空的断层?

如果我们有一个单位换算，如果我们能进入微型粒子之中，我们不能保证介子的寿命比地球的寿命还长，我们可以高效率的快速完成生物进化与现代高技术文明。然而那不过是立于地球上的人们眼中的“快速”与“高效率”罢了。我们不知道这里面是否有高级文明的世界，因为它们湮灭的速度使我们看不到它们的结构。

宇宙奇点是比原子还小，还是无限大?它的极小与极快，是否是因为高密度以及由此引起的时空的弯曲而造成的假象?然而我们不可以将宇宙想的太复杂，如果将奇点想得无限大，宇宙进化的初始是一个漫长的过程，就必然否认运动与体积的存在，将我们在现实中能依据的东西在宇宙中抹杀掉。我们一定是要依据现实的，在离开提及的存在与相对运动的不可靠性下，我们的理论无法进行。然而正如前文所述，循环论毕竟是一种可以理解的存在。我们很难理解宇宙的不均匀爆炸与初始粒子的快速结合;我们也不清楚为什么随着小粒子的不断兼并与大物质的逐步合成，极快的时空怎么就给改变了;为什么光和粒子能极速运动，而到了大块物质速度竟给降了下来。由于速度的下降而造就的不同时空，不是一种并行关系，而是一种包含与被包含的关系。我们看不到另一个时空，当它能够显现出来，就已经小到装进我们的感光细胞里。它就是这种奇妙的关系。

莫名的速度下降，也是一种能量储存的结果。运动的能量被储存进固定的几何结构中，基本物由原来的放荡不羁到被束缚产生相对静止，运动也就降下来了。如果我们压桌子压不动，这里面就含有运动的力。

然而运动的极限就是达到光速，它使力淋漓尽致的发挥了出来，力不再储存而变成了它的本原存在。粒子要么就达到光速，能量完全变为运动，粒子不再有压力与质量。光子没有了质量，同时也不成为实体物质了。粒子要么就小于光速，能量必定遭到了储存，就有了质量与手掌压力。这就是光磁能量为什么没有压力的感觉的原因，这也同时意味着，凡有固体压力感的东西，就永远达不到真正的光速。困难的解决是实体束缚力能否真正解决，能量得到释放，使我们能够做光速旅行，同时飞船不致分解变成光磁能源。

我们试想是否还有超光速的东西。真正的极速是没有任何实体感觉而唯有运动。可见光虽于人没有神经感觉，却能被反射，被吸收，遭到扼杀。伽马射线越往上，产生的阻遏力越小。真正的极速是没有任何的阻遏并能畅通无阻的，同时没有任何感觉，包括机器仪表所能得到的感应!于是它让我们失去任何察觉的可能。它没有视力感受，没有热浪的灼伤与辐射的危害，它在宇宙中具有绝对的穿透性与不衰减性，对任何物质也没任何影响。不衰减，不被吸收，于我们也没有感觉，而我们却也不能怀疑它的存在。它只存在于我们的观念之中，并且是宇宙的极限存在，它唯一的表现形式就是纯粹的运动。

宇宙的初始扩张是不均衡的，如果过于均衡的话，宇宙中就只会有各种射线，而没有从能量到物质再到黑洞的完美渐变性。这其中要有一种程序，一种编码。如果奇点内部有编制的话，它比生物的生理构造更加复杂，机制更加繁琐。它使宇宙中的物质与能量，使分属各个不同数量级又相对独立的东西，形成了交互作用，这是一个相互交融的统一体。

我们知道光子运动是最快的，基本粒子其次，原子也十分快速。星球运动虽然很快，但再快也达不到光速，也没有基本粒子快。这在一定程度上支持了能量储存与运动释放学说。我们一直不知道能波为何具有绝对运动的形式，虽然它几乎不受任何引力作用，原因就是它能量的绝对释放。

然而从月球到地球再到太阳各自的公转速度，以致河外星系、总星系以至整个宇宙的扩张，却表现出了数量级越大，运动速度越快的现象，最远的星系接近光速，这就是大质量产生大能量的结果，这种巨大的能量竟导致运动与质量的关系向相反的方向变化。

我们看到过星系的碰撞发出巨大的火花与强烈的声波，也看到过液体炸药的威力，看到过基本粒子剧烈对撞的惊心动魄的一面。在不同的数量级上我们能否对它们进行比较呢?如果我们把它们都看作相等大小，我们会怎样认知呢?我们会得出它们的剧烈程度是一样的结论，甚至在相对比较中我们会迷失。

这是越深入原子内部，能量越大，然而越大块的物质又包含更多的化学键等轻微能量之故。事实证明它们具有众多不可比性，如果我们把它们都换算成基本能量呢?黑洞的威力，氢弹的威力，与粒子碰撞的威力就有了可比性，表现为大物质大能量。

宇宙存在的两个定律，既大质量慢相对运动，小质量快相对运动定律，及大物质大能量，小物质小能量定律。二者是相互影响的，也具有相对性。

我们发现，在宇宙中并不是有着等级结构，制度十分严格。并不是因为星系太巨大了，就发射恒星;而恒星也不因其巨大，就发射原子，而原子这一级才有资格发出光线。不管是大到星系团，还是小到基本射线，它们都有一个特点，都以基本光子，一份一份的能量作为基本单位!我们把这种论断，叫做能量原子说，或能量货币论。这一论断也建立在实在论的能量基本思想上，也是我们实在论的研究中的一个重要的立足点，既能量不可再分，一份能量为1hv。我们把它称为宇宙分币，它或许应纳入宇宙的本位换算中，起到重要的实在论的换算作用。

或许我们因为四维及更多维度而迷茫，因为相对论而使许多定理不适用，然而任何知识都具有相对稳定性。在一份能量还没有再次分解以前，在能量实在作为宇宙本源存在的认知具有稳固地位以前，能量货币论将如牛顿经典力学一样，在人类的认知历史中发挥巨大作用。

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美发射卫星验证相对论新华社华盛顿4月20日电经过45年酝酿和开发，耗资7.5亿美元的美国“引力探测器B”卫星，20日下午从加利福尼亚州范登堡空军基地成功升空，它的使命是以前所未有的精度对爱因斯坦1916年提出的广义相对论进行验证。广义相对论认为，引力是因质量的存在而引起的时空弯曲，引力场的存在会改变时空几何学规则，时间和空间是不可分割的四维整体。与牛顿经典力学理论相比，广义相对论代表着人类时空观的革命。 “引力探测器B”将对广义相对论的两项重要预测进行验证。这两项预测分别被称为“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”。相对论被证实 1881年，美国实验物理学家A.麦克尔逊作了关于上述问题的实验。A.麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值。为了探测预想中的微小差别，A.麦克尔逊使用了非常精确的实验设备，他的实验精确性很高，他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多。A.麦克尔逊的实验，以后在不同的条件下又作过多次。他的实验得到了出乎预料的结果。在一个运动着的参照系里，光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反。A.麦克尔逊发现，在地球上，光向任何方向传播，其速度都时相同的、不变的。在这一意义上，光的传播使我们联想到子弹的飞行。前面我们曾经设想，在一列运动中的火车上，子弹运动同火车的运动无关。同车厢相对而言，子弹向任何方向运动，其前进速度是相同的。于是，A.麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反，光的传播同运动的相对性原理并不矛盾，而是完全符合运动的相对性原理。这也就是说，我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的。爱因斯坦提出相对论100周年带来五大奇妙发现这个形式简洁优美的理论蕴藏了太多令人惊讶的内容，100年来，人们时时从中悟出宇宙层出不穷的奥秘，直到今天，这里还有很多内容没有被我们悟透。文/甘信风相对论的研究对象是超越我们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙，这是我们难以理解相对论的主要原因。自相对论诞生之日起，它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解。从相对论中，人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象。几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中。时间旅行时间旅行也许意味着可以去修正或改变命运的发展，或是与历史上的风云人物们一起去见证伟大的历史事件；人们当然也有可能去未来旅行，比如去那里了解股市行情，探知科学上的新发现。时间旅行打开了一扇既可以回到过去又可以踏入未来的大门。如果认为时间旅行仅仅只是一个科幻小说的题材，那就大错特错了，因为相对论的思想表明，时间旅行是可能的。狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢，假定将来的某个时候，人们已解决了所有的技术难题，能够制造一艘以亚光速飞行的宇宙飞船，一定意义上的时间旅行就变成可能了。如果飞船以亚光速从地球出发向遥远的星系飞去，来回的旅程仅仅几年（按飞船上的时间），但在此期间地球上却已过去了几千年，一切都发生了天翻地覆的变化。如果人类文明依然还存在的话，那又会是一个什么新的模样呢？广义相对论表明，时空可以不是平坦的，而是弯曲的。我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞，然后用某种“奇异物质”把洞口撑开，使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道，让我们在瞬间到达遥远的彼岸。然后当我们返回时，虫洞的奇异性质让我们年轻了很多。广义相对论判定足够的质量能改变和扭曲时空，数学家法兰克·提普勒据此设想了把时空卷起来的时间旅行方法。他认为，如果太空中的一个巨大物体以一半光速旋转，时空便会扭曲折回。因此，只要将来有人制造一个巨大的圆筒，它的长约为直径的10倍，然后使圆筒以15万公里/秒的速度旋转，便会使圆筒中央附近产生一个扭曲折回的时空。要将这圆筒当时间机器使用，宇宙飞船一定要开到圆筒的中心沿圆筒内壁盘旋飞行：逆圆筒旋转的方向航行是驶入过去，顺圆筒旋转的方向航行是驶入未来，每盘旋一周都使宇宙飞船更深入过去或未来一些。时间旅行者到达了目的时间，便将飞船驶离圆筒。有一件必须明了的事是，正像所有理论上的时间机器一样，就是驶向过去无论怎样也不能到达比制成圆筒更早的时间。时间旅行是一个极具幻想色彩、也极具魅力的话题，长期以来，科学家们提出的方案一个又一个，时间旅行可能遇到的问题也被热烈讨论着。总有一天，相对论迷人的光芒会照耀着我们开始真正的时间旅行

宇宙论文发表

是齐奥尔科夫斯基。

1903年，俄罗斯的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发表了《利用喷气工具研究宇宙空间》的论文，深入论证了喷气工具用于星际航行的可行性。

齐奥尔科夫斯基认为：要想环绕地球轨道必须克服地球引力，达到必须具备的速度，需要使用液氧和液氢作为推进剂的多级火箭。火箭的推进剂经过燃烧室燃烧之后，产生高温高压气体，经过喷管加速喷出，产生反作用力推动火箭前进。

齐奥尔科夫斯基不但提出了密封舱和空间站的设想，还设计了多级火箭、火箭推进器方案，以及在太空生存密封生态循环系统，为航天员提供食品和氧气等设想。

《利用喷气工具研究宇宙空间》

《利用喷气工具研究宇宙空间》阐明了火箭飞行理论，论述了将火箭用于星际交通的可能性，提出了液体燃料火箭的思想和原理图，并完成了世界上第一架喷气发动机的计算。这本划时代航天史书提出了齐奥尔科夫斯基公式：火箭飞行速度同火箭发动机喷气速度、火箭质量、燃料质量关系的公式。

在其30多年的生涯中，HST已经进行了 140多万次观测，科学家依据其观测数据，撰写了超过18000篇论文。

它的后期目标定位于遥远的漩涡星系，并帮助绘制了暗物质的区域图。对HST图像的分析，甚至帮助科学家们获得了 2011年的诺贝尔奖 ——发现宇宙的膨胀速度正在加快。

也因此，人们如此评价HST：当地球上有问题时，哈勃会回答。

HST的“十大发现”

在HST其后的工作时间里，天文观测取得了巨大成功，天文学领域据此发表了大量观测、分析、研究性论文，且引用率很高。

HST拍摄了大量宇宙空间、星系和恒星的照片；在不同波段对宇宙进行了长期观测；观测到距地球130亿光年的原始星系，发出的光芒来自大爆炸后刚形成的宇宙早期；发现了5颗太阳系行星。

此外，它还在黑洞、类星体、恒星诞生与死亡、宇宙年龄、暗物质等方面的观测研究中取得了突出成果。

截止到2006年，HST在轨运行了15年，得到了许多激动人心的发现，拍摄了 45亿张精美的天文照片。人们对它的发现进行了总结，评出了最重大的“十大发现”：

HST的主要任务之一就是帮助天文学家测定宇宙的准确年龄。

天文学家用HST观测到仙女星座和其它星群中的造父变星，以确定宇宙的膨胀速度和年龄。HST将宇宙的年龄精确到 130亿至140亿年之间。目前，最新的研究结果将宇宙年龄精确到了 137亿岁。

HST在对暗能量的研究工作中扮演了重要角色。

暗能量是一种神秘形态的力，起到宇宙气体“踏板”的作用，加快了宇宙膨胀的速度。

HST关于超新星的资料，帮助研究者揭示这种神秘力量在宇宙中持续存在。

HST完成了对太阳系外一颗行星大气层化学构成的直接测量。

在一颗木星大小的行星大气中，它发现了钠、氢、碳和氧元素。

这一观测结果证明，HST和其它望远镜可以从一些天体的大气中进行化学构成的采样工作。

HST给天文学家提供了遥远的星系照片，反映了宇宙诞生之初的景象，为科学家进一步了解宇宙的起源和演变提供了宝贵的资料。

HST拍摄了M87椭圆星系的图像，观测资料证实大多数星系的中心都具有一个巨大的黑洞。

1999年1月23日HST捕捉到了伽马射线暴的景象，这是当时纪录过的最大规模的一次伽马射线暴。

拍摄的图像显示，这些放射线的短暂闪光来自于遥远的星系，这些星系以非常快的速度形成众多恒星。

图像还确定了这些爆炸来源于一些巨大星体的瓦解。

天文学家使用HST追踪到一些类星体的“家”（宿主星系），并且证明它们位于这些星系的中心区域。

HST拍摄到了猎户星云中的原行星盘，资料证明，烤盘形状的尘埃盘围绕着年轻恒星的现象很平常。

HST拍摄到了1994年7月名为苏梅克·列维9号的彗星断裂成21个碎块撞击木星的情景，撞击所产生的蘑菇形火球冲击到了木星上空。

HST拍摄到的一组在跳跃的颜色中烁烁发光的行星状星云，向人们描绘了垂死恒星的最后色彩。

行星状星云是一些即将消亡的恒星所抛射出的气体外壳，HST拍到的图像显示，行星状星云就像雪花一样，没有任何两个是完全一样的。

HST在第二次维修前的巨大成就

到1997年4月，HST已工作了7年，这期间它取得了丰硕的科学成果。

来自全世界20多个国家的2000多名科学家，利用HST进行了11万多次科学观测，并在分析的基础上撰写了1346篇论文。

这期间HST取得的主要成就包括：增进了人类对宇宙年龄和大小的了解；证明某些星系中央存在超高质量的黑洞；观察了数千个星系和星系团，探测到了宇宙诞生早期的“ 原始星系 ”，使科学家有可能跟踪研究宇宙发展的历史；对神秘的类星体和其存在的环境进行了深入观测；更深入揭示了恒星的不同形成过程；对宇宙诞生早期恒星形成过程中重元素的组成进行了研究；揭示了已死亡的恒星周围气体壳的复杂组成；对猎户座星云中年轻恒星周围的尘埃环进行了观测，揭示出银河系中存在其他行星系统；对苏梅克彗星与木星相撞进行了详细观测；对火星等行星进行了观测；发现木星的两颗卫星——木卫二和木卫三的大气层中存在氧。

HST第二次维修安装的近红外相机及多目标分光计和图像摄谱仪，使望远镜能够跟踪宇宙大爆炸后10亿年左右形成的古老星系，并能详细观测黑洞、膨胀的星系、爆炸后的恒星以及众多天体。

第二次维修工作使HST的寿命得到提高，观测能力进一步增强，观测光波段延伸到近红外范围。

创造早期宇宙成像的黄金时代

HST在多次维修过程中，更换了所有的原装观测仪器。

其中有两件新仪器非常重要，分别是第三次维修时安装的高级巡天相机（ACS）和第五次维修时安装的宽视场相机3号（WFC3）。

ACS在可见光到红外光中能穿越宇宙级的距离，非常适合测量红移星系和中等到大型星系团。

WFC3用于观测研究各演化阶段的星系，从极遥远的年轻星系到较近的恒星系统，也包括太阳系内的行星系统和系外行星。

它的主要特点是跨越电磁频谱的能力，从紫外线到可见光，并进入近红外（NIR）波段，其在近红外源获得的全新高清晰图像，使之成为后继者韦伯望远镜的重要先驱。

WFC3的广谱“全色”覆盖范围与ACS是极好的补充，两者协同工作，被认为创造了一个新的早期宇宙成像的黄金时代，为天文学家提供了当时最佳观测功能，在宽波长范围内提供了极好的宽视场成像质量。

探索早期宇宙和星系

HST在早期宇宙和星系观测方面的重要成果，可追溯到宇宙大爆炸数亿年后的情形，对认识早期宇宙、早期星系具有重要意义。

这些成果大都采用HST的超深场模式（Ultra Deep Field）拍摄，采用的仪器前期主要是ACS，2009年后则以高ACS与WFC3的组合为主。

这种观测模式一般在极小的天区范围进行，约为满月直径的十分之一，视场范围内包含约5500个星系，最暗星系的亮度是人眼所能看到的亮度的百亿分之一，即使用先进的观测仪器也非常难以“看到”，因此经常采用“ 引力透镜 ”原理将观测源发出的光线进行聚焦、放大。另外，拍摄这样一张极远的宇宙图像，往往需要多次、长时间曝光。

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2003年9月24日至2004年1月16日间，HST对南天区鲸鱼座和波江座附近的天炉座一小片天区，进行了 800次曝光，总曝光时间达 11.3天，最终拍摄了一张照片。

照片中最小、最红的小点显示的遥远星系，约有100个，可能是当时已知最遥远的星系，存在于宇宙大爆炸后8亿年的时候。

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2009年，HST在近红外光下拍摄了更远、更深的宇宙图像。

当年8月，HUDF09团队利用新安装的WFC3红外通道，对前述同一天区进行观测，拍摄过程共4天，总曝光时间 173000秒。

照片显示的星系红移量Z达到8 8.5，推算出这是宇宙大爆炸后6亿年的情景。

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2012年11月16日，HST在大熊星座附近的一个小天区进行了极深场拍摄，并且利用了周围巨大的星系团产生的引力透镜放大效应，获得了一个名为 MACS0647-JD 的星系照片。

MACS0647-JD只在红色波长下发光，是一个非常年轻的星系，估计形成于宇宙大爆炸后4.2亿年，其直径约600光年，比银河系（直径150000光年）小约250倍。

早期的星系一般都极不稳定，在此后的数十亿年间将发生无数次碰撞，然后逐渐形成我们能看到的巨大宇宙结构。

在接下来的130亿年中，MACS0647-JD可能会与其他星系和星系碎片发生数十、数百甚至数千次合并事件，这一观测成果将有助于科学家了解宇宙在第一批恒星和星系出现时如何形成。

没有最远，只有更远！

HST和宇航局另一个重要的红外天文卫星（运行于地球跟随日心轨道）斯皮策太空望远镜（SpitzerSpace Telescope，缩写为 SST ）单独或共同作出的发现，不断改写着观测最远星系的历史。

正应了那句话“ 没有最远，只有更远！ ”

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2015年5月和9月，发现了两个最远星系候选者，前者被命名为 EGS-zs8-1星系，距离地球约131亿光年；后者被命名为 EGS8p7星系，距离地球约132亿光年。

按照目前对宇宙年龄的估计，它们分别诞生于大爆炸 6亿年和 5亿年后。

EGS-zs8-1星系的红移是此前测量中最高的，最初由HST和SST识别，后来使用夏威夷凯克天文台10米望远镜进行了详细观测。

根据这些观测和分析结果，研究人员认为EGS-zs8-1中的恒星“年龄在1亿到3亿年之间”，是非常年轻的恒星，也是宇宙诞生后的第一批恒星。因而，EGS-zs8-1在当时被认为是迄今为止被观测到的最古老星系之一。

观测结果还表明，EGS-zs8-1形成恒星的速度是银河系的80倍，非常活跃。

此外，根据SST在该星系和其他早期星系中观察到的独特颜色，科学家认为可能是这些星系中的原始气体相互作用导致大质量年轻恒星快速形成所造成。

对该星系的进一步研究，有可能揭示在早期星系和年轻恒星里形成重元素的类型和数量。

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2018年，在观测SPT-CLJ0615-5746星系团时，HST非常幸运地发现了 SPT0615-JD星系。

这是一个很小的、处于胚胎期的星系，距离大爆炸仅 5亿年，HST是借助引力透镜原理，拍摄到了这个星系的照片。

天文学家估计，这个小星系的质量不超过30亿太阳质量（大约是银河系质量的1/100），直径不到2500光年，只有小麦哲伦星云的一半。该星系被认为是大爆炸后不久即出现的年轻星系的原型。

虽然在早期时代，已经看到了一些其他的原始星系，但由于它们的小尺寸和巨大距离，看起来都像是小小的红点。

然而，在一个巨大的前景星系团的引力场作用下，不仅放大了背景星系发出的光，而且还将目标星系也放大成了小弧形（约2弧秒长）。

结合HST和SST的数据，该新生星系的红移值高达10，其时间可回溯到 133亿年前，即宇宙诞生后4~5亿年。

科学家指出，这个星系已经处于 HST探测能力的极限，后续工作将由韦伯太空望远镜继续，包括早期宇宙中恒星诞生、演化的细节以及早期星系的子结构问题。

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2014年1月5日-9月28日，HST利用ACS和WFC3的红外通道，在南天波江座附近，又观测一个非常遥远的星系，并将其取名 Tayna ，意思是“第一个出生”。

这次观测和成像也利用了引力透镜原理，大大增强了星系的光线亮度，使其看起来比正常亮度高20倍。

根据其红移数据，科学家估计它距离我们约有133亿年，相当于宇宙诞生后4亿年，是当时发现的最远天体。

它的大小与大麦哲伦星云相当，里面的恒星形成速度为大麦哲伦星云内恒星形成速度的10倍。

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HST于2015年2月11日和2015年4月3日对北天区进行深入观测，并于2016年3月3日在大熊星座方向发现了可能是迄今为止已知的最远星系，但当时并未估计出该星系的红移量。

2017年4月，北京大学科维理天文与天体物理研究所江林华领衔的国际团队利用世界上最先进的地基红外望远镜之一——夏威夷山上10米口径的凯克望远镜，对这个星系进行了深度光谱观测，基于光谱分析和计算得出该星系的准确红移为 10.957 ，证实其为 134亿光年之外的星系，即这个星系只有 3 4亿岁。

由于该星系红移量高达11，因此将其命名为 GN-z11 ，其中z就代表红移。

研究团队不仅从光谱中读出了准确红移，也读出了其他信息。

光谱显示有三条发射线，由碳和氧的二次电离气体发出，表明该星系中已有丰富的非氢非氦元素。该信息暗示，新发现的星系可能并非宇宙中的第一代星系。

这个发现对理解宇宙早期星系和恒星形成有重要意义，为研究宇宙极早期天体打开了一扇窗口。

HST和SST联合成像显示，GN-z11比银河系小25倍，恒星质量仅为银河系的1%。然而，GN-z11的成长速度非常快，形成恒星的速度大约是银河系的20倍。

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HST和SST对于宇宙极深处和极早期的观测和取得的成果已经今科学家万分激动。

红外波段更宽、仪器观测精度更高的韦伯望远镜应当能够观察到更遥远、距离大爆炸仅几亿年的早期宇宙和第一批恒星、星系面貌，有可能取得更具突破性的成果。

说实话外文期刊，本科学历发表有写困难，可以帮你尝试下。

我院2017届本科毕业生张雅鹏在《NATURE》发文，首次在太阳系外行星大气中发现和测量同位素

南京大学天文与空间科学学院昨天

一国际天文研究团队首次探测到系外行星大气中的碳同位素13C ，并发现其相对含量高于地球标准（图1）。这有助于研究者们追溯此类行星的形成与演化历史。相关研究论文（标题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”）于2021年7月15日在《自然》（Nature）杂志发表。该论文的第一作者张雅鹏 2017年本科毕业于南京大学天文与空间科学学院，现为荷兰莱顿天文台博士研究生。

图1: 探测系外行星大气中的同位素（想象图） Daniëlle Futselaar

1穆朗玛峰应用广泛的同位素同位素（isotope）是指同一化学元素的不同种类。这些同位素虽然质子数目相同，却有着不同的中子数目。例如，包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的12C，但也有碳原子含有7个或8个中子，称为13C或14C。虽然它们的化学性质相近，但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而，同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测，到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化，太阳系以及系外行星的起源。

丰富多样的系外行星

迄今天文学家们已发现超过四千颗系外行星，并且这一数字仍在迅猛增长。而绝大多数系外行星却与我们太阳系内的行星有着巨大的差异。它们或有着极高的质量（例如，“超级木星” super-Jupiter），或占据着的极近的轨道（“热木星” hot-Jupiter）……系外行星的多样性给行星形成理论带来了新的挑战。许多最基本的问题仍困扰着天文学家：行星的形成路径究竟是自上而下，还是自下而上？它们形成于何处？轨道是否迁移？……解开这些谜题的钥匙之一便是系外行星的大气成分，它们如同化石遗迹一般记载着这些行星遥远的过去。

图2: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中，一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置，而TYC 8998 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离，大部分CO冻结在固态物质表面，成为行星形成的主要原材料。由于13C更易结合在固态表面，导致最终构成的行星中更富含13C。

3 用同位素追溯系外行星起源研究者们利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），发现在一颗名为TYC 8998-760-1 b的超级木星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星的重量几乎是太阳系木星的14倍，距离地球300光年。这是天文学家们首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。他们利用不同的光谱吸收信号分辨出13CO和12CO（一氧化碳分子的两种同位素形式），并测定两者的相对含量。天文学家们预期星际介质中13C和12C的含量比例约为1:70，但这颗行星大气中的13C却要多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”，为我们揭示其可能的起源过程提供了线索（图2）。张雅鹏解释说：“这颗超级木星距离其宿主恒星十分遥远，是日地距离的160多倍。在如此远距离下，原行星盘（protoplanetary disk）中更多的13C冻结在固体物质表面。而这些固体物质被诞生于此的行星所吸收，造就了如今观测到的富含13C的大气”。因此，通过测定大气中同位素相对含量，研究者们得以追溯行星形成的位置以及周围的物质环境。

该论文的通讯作者、莱顿大学教授Ignas Snellen说：“这一发现为研究系外行星大气与行星形成之间的关联开辟了一条新的路径。今后，天文学家们将会把同位素观测扩展到多样化的系外行星系统中，向揭秘行星起源更进一步。现在，这仅仅是个开始！”

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