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宇宙最神奇的是什么?

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查看8768 | 回复0 | 2022-1-23 21:31:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
竞争者太多了。


欧洲南方天文台在智利的超大望远镜进行的观测首次揭示了围绕银河系中心超大质量黑洞运行的恒星的运动,正如爱因斯坦广义相对论所预测的那样。它的轨道形状像玫瑰花结,而不像牛顿引力理论所预测的椭圆。这种被称为史瓦西进动的效应以前从未在超大质量黑洞周围的恒星中测量过。这位艺术家的印象展示了恒星轨道的进动,为了更容易可视化,效果被夸大了。 (图片来源:ESO/L. Calçada)
Paul M. Sutter是纽约州立大学石溪分校和熨斗研究所的天体物理学家,是Ask a Spaceman和Space Radio的主持人,也是《如何在太空中死去》一书的作者。他将这篇文章贡献给Space.com 的专家之声:专栏和见解。

也许物理学最强大的方面——实际上也许是整个宇宙最令人惊奇的事情——是物理定律和理论的普遍性。

几个微不足道的方程——小到可以放在你最喜欢的 T 恤上——可以解释从宇宙的一个边缘到另一个边缘,从宇宙大爆炸的最初时刻到深不可测的未来的各种现象。让我们来感受一下现代物理学的强大之处。

重力游戏
阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论是我们关于引力如何工作的现代理论:物质和能量弯曲时空,而时空的弯曲反过来告诉物质如何运动。数学有点复杂:需要一套 10 个相互关联的方程来描述所有这些弯曲、翘曲和移动。但这些方程包含巨大的力量。

例如,在弱引力的限制下,爱因斯坦方程简化为更熟悉的牛顿引力表达式,用于解释从投掷棒球的轨迹到水电站大坝的一切。在地球表面之外,爱因斯坦获得了更多的控制权,其中相对论方程用于通过 GPS 系统提供准确定位,并精确预测所有行星的轨道。

那些相同的方程,没有任何修改,继续取得更大的成就,揭示了黑洞的存在及其工作原理、宇宙中最大结构的生长、星系内暗物质的存在以及大爆炸本身。

所有这些都来自一组 10 个方程,跨越了宇宙空间和宇宙时间——事实上,首先表明宇宙有一个有限的年龄。

核能
当物理学家在 1940 年代开始破解核密码时,他们不知道他们的阴谋最终会解开天文学中最令人困惑的谜团之一:恒星是如何工作的。在此之前,科学家们已经尝试了各种尝试,以使地质学和古生物学(数十亿年)揭示的地球年龄与所有已知的保持太阳如此明亮燃烧的物理方法相协调。通常,这些尝试都失败了,即使是最好的解释也只能达到几百万年。

但核物理学是一场全新的球赛,一旦物理学家弄清楚了点燃核聚变的必要条件(即极高的压力、温度和密度),他们就意识到这些条件并不总是人为的(在核内炸弹和反应堆),但可以在自然界中找到:在恒星的心中。

氢的核聚变是恒星为自己提供能量数十亿年的方式,物理学家用来理解这一过程的方程式与他们用来将核反应转化为可用能量的方程式完全相同。从最小的原子到最大的恒星,核物理学——物理学界的一个相对较新的人——以一种令人惊讶的方式将宇宙结合在一起。

运动定律
但是你不必使用深奥的相对论方程或复杂的核反应计算来发现物理学的普遍性。它可以像车祸一样简单明了。

当两辆车发生碰撞时,能量和动量守恒定律适用:碰撞前的能量和动量的总量必须等于碰撞后的能量和动量的总量。使用这些简单的陈述,调查人员可以重建事故现场,确定哪个司机有过错以及导致碰撞的原因。

汽车并不是宇宙中唯一会撞在一起的东西。

碰撞的星星。合并星系。混合气体云。很少有天文学或物理学的论文在某种程度上不提及能量和动量守恒。科学家们使用这些原理来了解宇宙中的几乎所有事物。

为什么气体云会辐射能量?能量和动量守恒。为什么那颗中子星会改变它的自转速度?能量和动量守恒。

当这些星系碰撞时会发生什么?能量和动量守恒。

下次你遇到车祸时,花点时间想想动量,以及它如何应用于整个宇宙,无论你身在何处。

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