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豪放的宇宙：爆发星、暗能量和加速膨胀的宇宙: 热度 6 warlong 2016-11-26 16:14; 豪放的宇宙：爆发星、暗能量和加速膨胀的宇宙作者：罗伯特 • 科尔希勒（ Robert P.Kirshner ）译者：郑中本书由普林斯顿大学出版社在 2002 年、 2004 年、 2013 年、 2016 年（第四版）出版，并作为 2002 年美国出版社协会在物理学和天文学方面的最佳专业 / 学术著作而获奖，且进入 2003 年阿文迪思总奖（ Aventis General Prize ）的最终名单。目前本书已被翻译为日语、西班牙语、捷克语、葡萄牙语。内容简介《豪放的宇宙》讲述了一个关于科学发现的引人注目的探险故事。罗伯特 • 科尔希勒（ Robert Kirshner ）是世界上领先的天文学家之一，将读者们带领到一个活跃的研究团队内部，寻求他们如何作出非凡的宇宙学发现：受暗能量影响而导致空间本身膨胀，宇宙膨胀正在加速。而且，为了分享这个兴奋的发现故事，科尔希勒也将当今科学带入一个新的收场白。他解释了加速膨胀宇宙的思想（曾对粗略的数据作出勇敢解释）现在如何成为现代宇宙学中的标准假设。测量导致宇宙加速膨胀的暗能量（空间本身的物理量），指出我们对基础物理学的理解存在一个大漏洞。在 1917 年，爱因斯坦提出了“宇宙学常数 ”来解释静态宇宙。当观测结果证实宇宙正在膨胀，他抛出了暗能量的这个早期形式。但本书首度描述了近年来的观测结果，显示出宇宙学常数（或类似常数）控制了宇宙的质量和能量收支，并确定了宇宙的命运和形态。然而受到爱因斯坦疏误的警告，且与竞争性研究团队的初步结论相抵触，科尔希勒及其同事不愿意接受他们自己的结论。但他们证据确凿，辛苦地获得了关于爆发星的理解，他们在 1998 年 2 月宣称了他们关于宇宙在膨胀的结论。现在，对超新星的深究及同代研究的其它进展，支持宇宙受暗能量（但也含有几种暗物质形式）主导的新结论。我们居住在一个基本成分数量惊人的豪放宇宙之中：我们观测的真实宇宙，并非我们所想象最简单的那个。译者赋诗《超新星的荣耀》： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=289142do=blogquickforward=1id=1038872 短评天文学家科尔希勒是哈佛大学的克劳斯科学教授，以及哈佛 - 斯密逊天体物理学中心光学红外线部门的领导人，也是超新星研究团队的成员，他们通过表观亮度，使测量宇宙内的距离成为可能。“遥远超新星的观测结果显示，我所居住的宇宙，并不像爱因斯坦所想那样是静态的，而正如哈勃所显示那样在膨胀，而且是加速膨胀！我们将随时间而膨胀中的这种增长，归因为具有向外推斥压力的暗能量 … 。暗能量构成了质能的缺失组分，理论家们已理解它，用当代宇宙膨胀速度来调节天体的年龄，并补充关于大爆炸余辉的新测量结果，以绘制一张完整而惊人的宇宙含量图景。”这就是豪放的宇宙：“它具有中微子作为热暗物质；某些未知物质作为冷暗物质；在大爆炸后的最初 10 -35 秒发生膨胀；而现在受暗能量而加速膨胀。”科尔希勒把故事讲得动听，也把天文学概念讲得生动。 ——《科学美国人》编辑 “科尔希勒是一位有才干的作者，专家和普通读者将会发现本书值得一口气读下去 … 。《豪放的宇宙》是一本有个性的著作 … 。对做科学如何激动有兴趣的普通读者来说，对于这本吸引人的记述，可采取这种策略 … 。该故事 … 本身有理由令人不可抗拒，而且充满气魄，具有幽默 … 。像这类书将有利于激励下一代物理学家。” ——肖恩 • 卡若尔（ Sean Carroll ），《自然》 “对我们神奇的宇宙做了一次豪放而透彻的、有价值的思考。” —— 米歇尔 • 图勒（ Michael S. Turner ），《科学》 “罗伯特 • 科尔希勒写了一本优秀的内部记述，是关于揭开宇宙命运的竞赛 … 。科尔希勒显示娴熟地揣摩复杂解释，让人印象深刻，而且他用恰当的比喻，毫不犹豫地连通了读者知识中的缺口 … 。《豪放的宇宙》极好地表达了副标题的涵义，并且应该明确地服务于如下内幕故事：科尔希勒率领他五湖四海的天文学家团队，如何在对宇宙命运的探索中取得荣耀。” ——多纳德 • 哥兹密斯（ DonaldGoldsmith ），《自然史》 “追随天文学家们和几代哈佛大学生，长期将欣赏为杰出口才的掌故，所以难以想象有其他人更适合给我们讲述关于新发现的内幕故事。没让人失望。他在更宏大的视野中讲述了这样一个故事：改进的技术如何使天文学家们进一步观测距离、进而观测过去。” ——劳仁斯 • 马歇尔（ LaurenceMarschall ），《发现杂志》 “《豪放的宇宙》让人大加享受 … 。它是精彩的 … 对过去十年的最伟大的科学故事之一做了一次让人愉快的机智思考：爆发超新星如何显示宇宙膨胀正在加速 … 。快买这本充满欣喜的书吧。” ——米歇尔 • 若万 - 罗宾逊（ Michael Rowan-Robinson ），《新科学家》 “不止一本书谈及这方面的重大发现，但罗伯特 • 科尔希勒所著的这本《豪放的宇宙》作为新入口，也许是值得阅读的最佳那本 … 。这是一次关于如何搞研究工作的内部思考。除了给出科学的最时新思考，科尔希勒先生还带领我们间接地分享了发现的激动。” ——《经济学家》 “《豪放的宇宙》不只是一本关于暗能量和宇宙膨胀的市面通俗书籍。然而，此书对导致发现的兴奋日子，道出了一种独特的幕后感觉。我发现难以认为我已接近了关键时刻，而此时科尔希勒及其同事们发现自己注视着脸上的宇宙学常数。” ——约夏 • 若斯（ Joshua Roth ），《天空和望远镜》 “有才干的研究者科尔希勒清楚描述了科学探测工作对宇宙历史的流行观念负有责任 … 。科尔希勒曾是这些发展领域的前锋 … 。他将每样事情综合起来，用简单、有效而常常是幽默的类比和趣闻，来解释探究团队在建构宇宙年代学（如何发展并演化至今）的过程中，是如何相互影响的。” ——《选粹》 “两个竞争的科学家团队如何演绎出扣人心弦的故事，并最终相信了让人吃惊的测量结果，激进的宇宙新观念取决于它 … 。这提醒宇宙学现在也是一门真正的观测实验科学了，牢固基于零散的实际测量中。” ——马歇尔 • 瑞尔丹（ MichaelRiordan ），《纽约时报 • 书评》 “一本让人欢欣的通俗书 … 。科尔希勒独特融合了餐后闲谈式的反驳和新手物理学式的类比，使之成为一次很愉快的阅读。” ——瑞恰德 • 艾利斯（ Richard Ellis ），《物理世界》 “我们时代最热门天文学故事的内部一憋。科尔希勒所写的这本书，不仅是现代宇宙学历史，而且是科学进程中的一个实例研究 … 。科尔希勒采用了精彩而简单、有时搞笑的类比来解释复杂精深的概念。” ——杰尼夫 • 比尔瑞（ JenniferBirriel ），《金星》 “一本精彩的、见闻广博而吸引人的书，关于现代宇宙学最激动的发展之一。” ——阿勒克斯 • 菲利彭柯（ Alex Filippenko ），《天文学》 “一本可读的、愉快而富有信息的记述，关于古老而家喻户晓的——但近期复兴的——科学分支。” ——杰慕斯 • 科黑斯《 SIAM 新闻》 “我喜爱本书。科尔希勒写作带有激情、人文性和大气度。” ——马格瑞特 • 多宾斯（ MargaretDobbins ），《每日电讯报》 “科尔希勒的这本书呈现了大众科学出版物中的制高点。本书在几个层面进行，尤其是在私人层面，他关于科学家的研究生活，提供了一种描写详细的、甚至典范的记述 … 。《豪放的宇宙》是一本可愉快阅读的书 … 。科尔希勒在形象化表述宇宙的形态和结构方面具有一种真正的天赋。” ——马廷 • 因斯（ Martin Ince ），《时代（泰晤士）高等教育增刊》 “前面八章在天文学 101 层面提供了宇宙学的介绍 … 。那个故事常被讲起，但很少如此动人。类比是恰当的，趣闻是搞笑的，而文笔是轻快而诙谐的——在彻头彻尾滑稽的地方 … 。科尔希勒成功表达了探测遥远超新星的艰难和激动。” ——戴维德 • 布兰奇（ David Branch ），《当代物理学》 “一本机智而诙谐的新书。” ——夏戎 • 贝格雷（ SharonBegley ），《华尔街期刊》 “有一种阅读快乐。” ——麦杰 • 迈克多纳德（ MaggieMcDonald ），《新科学家》长评略。致辞致瑞贝卡和马修——他们将生活在一个更加浩瀚的宇宙之中。译者序 ... i 1 、科学普及 ... i 2 、科学好玩 ... ii 3 、宇宙烟花 ... iii 4 、本书情况 ... vi 5 、翻译说明 ... vii 序言 ... ix 第一章洪大图景 ... 1 望宇兴叹 ... 1 探究空间 ... 1 定律普适 ... 3 光速有限 ... 4 星汉灿烂 ... 5 哈勃深场 ... 8 烛照夜空 ... 10 第二章烈药化烧 ... 11 找到量杆 ... 11 光谱分析 ... 12 原子时钟 ... 14 红巨星：元素工厂 ... 14 坍缩成白矮星 ... 17 Ia 型超新星 ... 18 继续搜寻 ... 20 第三章另类爆炸 ... 22 II 型超新星 ... 22 兹维基传说 ... 23 发现 SN 1987A .. 25 隐于烈焰中 ... 26 中微子暴风 ... 27 发现星爆残骸？ ... 28 第四章加个常数 ... 31 多普勒效应 ... 31 银河系非宇宙 ... 32 弯曲时空 ... 33 水星进动 ... 33 引力透镜效应 ... 34 宇宙学常数 ... 36 第五章宇宙膨胀 ... 37 发现星系退行 ... 37 造父变星 ... 37 旋涡星云 ... 39 我的毕业课题 ... 40 建立哈勃定律 ... 41 非中心宇宙 ... 44 空间膨胀效应 ... 46 爱丁顿绝不放弃 Λ .. 47 宇宙质量密度 Ω .. 49 拓展哈勃图解 ... 50 第六章现在何时？ ... 52 过客迷茫 ... 52 追溯历史 ... 52 星系马拉松 ... 54 表观速度 ... 55 年龄问题 ... 56 观测误差 ... 57 技术进步 ... 60 CCD 探测仪 ... 61 HST 观测造父变星 ... 62 最佳标准烛光 ... 63 布鲁诺模板 ... 64 殊途寻同归 ... 64 SN 1987A 的气环 ... 65 膨胀光球法 ... 66 宇宙命运 ... 67 第七章微波天炉 ... 69 发现 CMB . 69 何以均匀 ... 70 膨胀缘由 ... 71 微波涨落 ... 72 宇宙化学 ... 73 壁画裂缝 ... 75 暗物质组成 ... 76 减慢宇宙膨胀 ... 78 剃刀之刃 ... 78 Ω = 1 的宇宙 ... 79 第八章学会巡游 ... 81 豪放的宇宙 ... 81 两类标准烛光 ... 82 幸遇欧克 ... 84 兹维基其人 ... 85 图森盛会 ... 87 哈勃常数争论 ... 89 尘埃的变红效应 ... 89 在帕骆马山上 ... 90 识谱算铁 ... 91 观测减速膨胀？ ... 92 第九章首次探获 ... 94 另类超新星 ... 94 Ib 型超新星 ... 95 同好不同见 ... 96 减速，更亮 ... 97 质疑标准烛光 ... 98 维京人的探险 ... 99 突破性进展 ... 101 光度递减率 ... 102 我们 CfA 团队 ... 105 伯克利动态 ... 106 瞧！那篇论文 ... 109 光变曲线形态 ... 110 三方合作得失 ... 112 第十章正确理解 ... 115 异端证据 ... 115 俊采星驰 ... 116 时不我待 ... 117 哈勃望远镜 ... 121 Ω m 之大小 ... 125 我在 ITP . 126 Λ 如刺在喉 ... 127 关于 Ia 型超新星 ... 128 亚当的 Λ .. 129 学界的彷徨 ... 130 急切与犹疑 ... 132 团队间的竞赛 ... 133 年龄，组分，或尘埃 ... 136 精尘致暗？ ... 138 宇宙学效应 ... 140 第十一章爱翁烟枪 ... 142 我也喜欢 Λ .. 142 真空活泼 ... 144 寻找 z1 的超新星 ... 145 在毛纳基山上 ... 145 停停走走的宇宙 ... 147 观测哈勃深场 ... 148 亚当和 SN 1997ff 150 思路 =SN+CMB . 152 探测微波涨落 ... 152 确定宇宙组成 ... 153 Λ- 暗能 - 太清 ... 156 为探测暗能量 ... 157 宇宙和人类 ... 158 尾声 ... 162 因为高 z . 162 信息更新 ... 163 未来计划 ... 164 升级换代 ... 165 故事没完 ... 166 注释（原注） ... 167 致谢 ... 175 译后记 ... 176 索引 ... i 附录：超新星分类 ... ix 作者简介 ... x 译者简介 xi ... 8 ... 14 序言自 1970 年以来，我就是观测爆发星（以超新星闻名）的天文学家之一，而且知道它们是什么事物，它们如何运行，它们如何影响宇宙化学。作为一种额外奖励，这次研究产生了一种方法，可将超新星当作宇宙中测量距离的最佳宇宙标尺。超新星有一种变化来源于恒星致密熔渣的热核爆炸（ thermonuclear explosion ），它是恒星（如太阳）燃尽的残余物。这些“ Ia 超新星”（ SN Ia ）造出有效的标准炸弹，可根据它们的亮度精确判断其距离。作为“天空水手”，我们可将 SN Ia 当作灯塔来判断星海上的距离，能测量星系的距离，在恒星的巨大环焰状和臃肿飞艇状之中，发生了超新星爆炸。显然，测量超新星的距离已导致产生一张全新的宇宙背景图像，它受暗能量（源于真空本身的特性）所主导。自 1912 年以来，天文学家已观测了星系的运动。几乎每一个星系都在远离我们自己的银河系，这就是著名的红移现象。 1929 年，爱德温 • 哈勃将星系距离与星系红移联系起来，显示出：遥远星系比我们邻近星系的退行速度更快。这意味着，我们居住在一个正在膨胀的宇宙之中。膨胀宇宙新观念的来临，这对于阿尔伯特 • 爱因斯坦来说，是惊世骇俗的。回到 1917 年，当时他询问天文学家，他们告诉他宇宙是静态的。而他新创立的广义相对论预测：宇宙要么膨胀，要么收缩。但是，你们不能违反事实，即使事实含有错误的时候。爱因斯坦因此叹息，而陷在一个数学常数之中，引入了一个空间自身的膨胀量来修理这个“问题”。这就是现在我们所谓的“暗能量”，用来平衡引力物质的内向拉力。爱因斯坦项（宇宙学常数）的引入，使宇宙保持静止，类似一位老练的骑车人，当遇到交通红绿灯时，而善于把握平衡。在十年后，当爱因斯坦得知哈勃的新天文学观测结果显示“宇宙不是保持静止”之时，他不太可能把宇宙学常数弃入水中。他说：“无论如何，这在理论上是不完美的”。宇宙学常数被逐出最严肃的宇宙学探讨之中，谁需要它呢？直到 1990 年，天文学家逐渐构建了宇宙背景的成分列表，我们钻入了一个问题、疑惑和难题之中。问题在于宇宙中的引力物质大部分是不可见的，疑惑在于它不够多，而难题在于这种暗物质足以导致糟糕的副效应，使宇宙比其背景更加年青。不可见并非如此麻烦——即使潜隐质量不发出任何光，我们也可探测到它的效应，恰如水手通过观察海面波浪，就知道无形海风正在吹来。可见物质汇入不可见的宇宙谷网（由冷暗物质形成）之中。但令人疑惑的是，宇宙内的物质含量仅占三分之一，而我们喜好的理论要求形成最简洁的宇宙。宇宙时尺所显示出的问题，哪个最困难呢？宇宙内最古老恒星看起来年龄约为 120 亿年。如果宇宙已全部负载引力物质，那么宇宙膨胀应随时间而逐渐减速，并且宇宙已记录了自大爆炸以来所经历的约 100 亿年时间。在 100 亿年的宇宙中有 120 亿年的恒星，不能使人相信这是物理世界的真实历史。这张图像有啥错误呢？在优美的壁画中有些小裂隙，这表明我们关于大爆炸存在一个严肃的概念问题，或许某些事搞错了吗？在过去七年中，科学家团队采用了新型仪器和新型望远镜，包括哈勃太空望远镜，来搜寻遥远的超新星。这可让你们直接测量宇宙膨胀史。我们希望理解宇宙在大爆炸后如何减速下来。我已参与进入了那些团队之一，个令人愉悦的、但稍感忙碌的“兄弟乐队”（也有一些姐妹），我们称之为高 z 超新星探索团队。字母“ z ”就是天文学家关于红移的缩写，这意味着我们开始探寻高红移的遥远爆发星。在 1997 年，我进行了这方面的研究，那时我被邀请到普林斯顿大学，所作的一系列讲义成为了本书的基础。但翻看我的旧笔记，我认为我们在 1997 年的报道几乎没有任何结果。虽然我们知道问题所在，但要理解怎么找到答案。自此之后，对这些天文学之谜的、令人惊奇的解答如潮水涌来。所以，我大量谈及超新星如何爆炸、如何制造化学元素，略微谈及超新星可测量宇宙膨胀史。现在有了初步结果，我们可以进行一次引人好奇的新综合，来解决十年前的问题、疑惑和难题。遥远超新星的观测结果显示：我们栖居在这样一个宇宙之中，宇宙并非像爱因斯坦所想的处于静态，也不像哈勃显示正在膨胀，而是正在加速膨胀！我们把随时间的膨胀增长归因为具有外推压强的暗能量。它的最简洁形式可能就是爱因斯坦的宇宙学常数，这是六十年来理论物理的渊薮。暗能量由缺失的质能成分（理论家们已窥见）所组成，它调节着天体年龄与当代宇宙膨胀速度；再把大爆炸余辉本身的新测量结果补充进来，就形成一幅惊奇而清晰的宇宙背景图像。当你完成构架时，最近五年已有点像在收集拼图玩具的时候了，块片迅速到位，而你甚至可看见缺失部分的形态了，但缺失的细节可能是最重要的。宇宙受暗能量控制，表明我们对虚空的亚微观特征的理解（真空的特性）存在深刻缺陷。没有任何实验室实验测量，也没有任何物理理论预测暗能量的总量，但我们的观测结果作出了暗示。下一步就是理解极小尺度的宇宙，这就将引力与其它自然力融合统一起来。也许这个豪放的宇宙是受暗能量控制的，具有一种新的理论景象，看起来是简朴而必然的。但是，当前解决加速膨胀宇宙之谜，已产生了另一个值得研究的、有趣的疑难问题。我们当今正在研究的宇宙图像是“豪放的”：它具有中微子作为热暗物质；未知物质作为冷暗物质；大爆炸之后的最初 10 -35 秒内的膨胀；而现在，当宇宙在 10 -52 倍古老时，受暗能量而加速膨胀。这比任何人想象都要广大，尽管这些事实肉眼不可见，但这是有根有据的。根据大爆炸本身的光辉，还有恒星（ star ）、稳星（ steady star ）、变星（ variable star ）和爆星（ exploding star ），以及可观测宇宙边缘的星系，我们正在通过观测建构这种宇宙图景。理解极早期宇宙的新特征是一种快乐，经历艰辛的研究者们也展现在本书中。但为何我们应该感受全部快乐呢？我的目的就是帮助你们分享这种探险，其中的欣慰源于读者的理解。; 个人分类: 道法自然|7535 次阅读|11 个评论

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