普通天文学/宇宙的现代观

普通天文学
	宇宙的现代观	观测天文学

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大图景

宇宙是一个巨大的地方——对我们来说太大，无法理解。但是有多大呢？天文学家几个世纪以来一直在苦苦思索这个问题，他们对已知宇宙的认识一直在稳步扩大到巨大而难以理解的规模。这是一个重要的问题，也是我们对宇宙本身理解的一个基本部分。要学习天文学，必须了解那里有什么，所有事物之间的关系，以及我们在宇宙中的位置。问题是尺寸尺度，即各种类型物体的相对总体尺寸，对于比地球大得多的东西来说太陌生了。在一个巨大的宇宙中，这可能是一个挑战。为了解决这个问题，让我们尝试将我们周围熟悉的生命尺寸世界与陌生的宇宙尺寸尺度联系起来。

如果你是一名学生，你可能每天都看到你的老师在黑板上写字。黑板是您比整个宇宙更熟悉的东西，因为您可以看到和触摸它。您知道黑板、粉笔、标记、橡皮擦等等的尺寸，因为它们就在手边。黑板比用粉笔在黑板上画的一个点大多少？事实证明，对于一块中等大小的黑板和一个相当大的粉笔点，答案大约是一千。

现在让我们考虑一下比黑板大一千倍的东西。一块黑板跨度几米，所以我们想一想跨度几公里的一样东西。那就像一个小型城市的大小。如果一个城市比一块黑板大 1000 倍，而一块黑板比黑板上的标记大 1000 倍，那是一个有用的联系，可以帮助我们思考一个城市的大小：我们可以说，城市里的黑板就像黑板上的标记。

这样，我们现在将从城市走出，进入更大的宇宙。在每一步中，我们将考虑一个（非常粗略地）比上一步大一千倍的东西。当我们走出时，我们旅程中的每一步都将比下一步小得多，就像黑板上的标记。

一个城市比我们用作参考点的黑板大得多，但它仍然是我们非常熟悉的东西。许多人每天都会开车穿过他们家乡的一部分并返回。即使有红绿灯，也可能在半个小时内开车穿过大多数小城市，从一端走到另一端只需几个小时。如前所述，下一步将更大，而且离我们的日常生活更远。我们的下一站将有几千公里的规模，那就是地球的大小。

在汽车里，即使以慢速行驶，你也可以在一个小时内开车穿过一座城市。如果你能以每小时 60 英里（每小时 100 公里）的速度绕地球行驶，白天黑夜地在陆地和水面上行驶，这将需要整整 17 天。请记住，以每小时 60 英里的速度穿过一座小城市只需要几分钟。十七天远比几分钟长得多。最快的喷气式飞机，其最高速度约为每小时 2,000 英里（3,200 公里），可以更快地绕地球飞行。以这种速度，你可以用 11 个小时绕地球飞行。即使像这样的速度也会很快变得不够用，因为我们将继续向宇宙深处移动。

地球的大小是岩石行星，即类地行星的大小，但主要由气体构成的行星，如木星和土星，要大几倍到十倍。一般来说，我们可以预期相同类型的事物具有相似的特性。如果我们没有关于行星的其他信息，我们可以猜想它的半径与地球的半径相同。如果我们知道我们的假想行星是一个更大的气体巨行星，我们可能会改变我们的估计，并猜想该行星的半径与土星的半径相同。

这个尺寸尺度代表了人类经验的绝大多数。只有少数人曾经进入地球轨道，而这些人仍然非常靠近地球。发射的大多数卫星都非常靠近地球。例如，航天飞机的轨道高度只有几百公里——地球半径的百分之几。一些航天器被送往其他行星或月球，但大多数都停留在我们旅程中这一步的规模。只有 24 个人——阿波罗宇航员——曾经离开地球轨道，前往我们旅程的下一站。

这幅图显示了地球和月球按其相对大小和距离进行缩放。两者都很小，相距很远，地球-月球系统被巨大的空旷空间包围。这种观点只是我们旅程中第五步的一小部分，而地球已经变得非常小了。

当我们继续前进时，我们到达了一个大约是地球周长 1000 倍的尺寸。到月球的距离大约是地球直径的 30 倍，因此月球很容易在这步中触手可及，但剩余的距离中几乎没有其他东西。最近的行星，火星和金星，超出了我们的范围。除了地球和月球之外，我们发现地球附近的空间几乎完全是空的，只有偶尔经过的小行星或彗星。

虽然考虑到地球-月球系统周围的巨大空间，月球看起来很近，但我们应该记住，地球和月球实际上相距很远。如果我们能坐上汽车开车去月球，这趟旅行将需要五个月不停地行驶——每天 24 小时，每周 7 天。如果我们的飞机能飞往月球，它将需要五天才能到达那里。这些旅行现在正在变得更长，但它们仍然是可以管理的。步行旅行要长得多——步行到月球需要九年！光的速度比宇宙中任何其他东西都快。它的速度为每秒 300,000 公里（186,000 英里）。以这种速度，光只需一秒多一点就能到达月球。这个距离，光在一秒钟内传播的距离，被称为光秒。

再往前一步，我们将延伸到大多数行星。我们现在包含了太阳系的大部分，太阳系包含太阳及其周围所有绕其运行的物体。这个尺寸尺度约为 50 亿公里，是地球到太阳距离的 30 倍。从地球到太阳的距离是太阳系中测量的一个方便标准，因此天文学家使用地球到太阳的平均距离作为标准单位，称为天文单位（AU）。一个天文单位约等于 9300 万英里或 1.5 亿公里。我们可以说，我们现在工作在 30 个天文单位的尺寸尺度上，或者简称为 30 AU。以地球为中心的这个大小的盒子可以舒适地容纳土星的轨道，但天王星、海王星和冥王星仍然太远了。在人类历史的大部分时间里，在这个盒子之外的太阳系物体都没有被发现存在。

请记住，我们的尺寸尺度与上一步相比增加了巨大的倍数，即 1000 倍。使用我们的喷气式飞机从地球飞往土星将需要大约 50 年。光从土星到达地球大约需要 80 分钟，具体取决于地球和土星在其轨道上的位置。由于光从土星到达地球需要这么长时间，我们在特定时刻看到的那颗行星的光实际上是在 80 分钟前发出的。这意味着我们看到的不是目前的土星，而是 80 分钟前的土星。这也意味着，向太空眺望就像回溯时间。我们看得越远，光就越古老。这对于土星来说并不重要，但随着尺寸尺度不断扩大，它将变得越来越重要。

像以前一样，我们可以使用光速来衡量距离。光秒是光在一秒钟内传播的距离。同样，光分钟是光在一分钟内传播的距离。这意味着土星距离地球 80 光分钟。同样，我们可以写道，土星距离地球 1.3 光时，这与土星到太阳的距离大致相同。土星的轨道比地球的轨道大得多，地球的轨道半径只有 8 光分钟。这是关于太阳系的一个惊人而重要的事实——岩石行星，即类地行星，靠近太阳和彼此运行，但巨型气体行星，即类木行星，在更远的距离上运行，轨道之间距离更大。

我们旅程中的下一步将涵盖 30,000 AU 的距离，或半光年。虽然这一步完全包含了行星，但太阳系天体可以在更远的距离上找到。这些天体形成了奥尔特云——一个广阔而稀疏的彗星区域，围绕着太阳。奥尔特云几乎是空的，但它仍然存在。在这一步中，我们只覆盖了太阳影响范围的一部分，而大量的奥尔特云仍然超出了我们的范围。据认为，奥尔特云从太阳延伸出去，最远可达两光年。

如果我们看一下这一步的更远处，我们会在大约四光年的地方找到最近的恒星，比邻星。旅行者 1 号和2 号将需要 80,000 年才能到达这颗恒星。（这些飞船于 1977 年发射，速度为 51,500 公里/小时。）随着其他恒星进入视野，太阳将不再是主要的引力源。这意味着，我们可以预期太阳系真的会在我们开始接近其他恒星时结束。

我们下一步将我们置于一个 500 光年的盒子里。这个尺寸尺度很容易容纳太阳、半人马座阿尔法星和许多其他恒星。事实上，大约有 250,000 颗恒星距离地球 500 光年以内。天文学家将这个区域称为太阳系附近。正如我们所看到的，银河系中的恒星相距很远，广阔的几乎是空的太空将它们分开。

太阳系附近（以及整个太空）的恒星大多又小又暗。如果这些暗星更远，它们将太暗，无法从地球上看到。更明亮的恒星比较稀少，但它们可以从更远的地方看到。正因为如此，两种“类型”的恒星填满了从地球上看到的夜空：本身就很暗但很近的恒星，以及明亮且更远的恒星。

随着我们的旅程继续向外延伸，我们看到随机散布的恒星形成了一个模式。螺旋结构出现，我们看到地球、太阳系和附近的恒星被收集到一个有序的恒星系统中，被称为星系。我们的星系被称为银河系。

像太阳系一样，银河系也呈扁平的圆盘状，但银河系要大得多。我们的星系包含数千亿颗恒星，而太阳系只是其中的一员。太阳位于银河系的旋臂中，距离银河系中心约三分之二，它与其他所有恒星一起绕着银河系中心运行。如果银河系长五十英里，太阳系只是一个像圆珠笔尖大小的点。实际上，银河系的直径为 100,000 光年，但厚度只有几千光年。

当我们开始迈向下一步时，我们看到其他像银河系一样的星系开始出现。与银河系中的恒星相比，星系之间的距离要近得多，星系之间的碰撞也更加常见。仙女座星系是距离银河系最近的星系，距离地球 250 万光年，正朝着地球方向前进。不过不要惊慌，因为碰撞要再过 30 亿年才会发生。

在比我们上一步规模大不了多少的尺度上，我们看到星系聚集在一起。这些星系团通常包含数百个星系，跨度达数百万光年。星系绕着星系团中心运行。银河系是室女座星系团的成员。它位于星系团边缘附近，因此我们可以从小熊星座方向的一小块天空区域看到它的中心的大部分区域。目前，银河系正在远离室女座星系团中心移动。然而，在遥远的未来，星系团的引力将减慢银河系的运动，并将其拉向中心。

尽管我们现在的范围包含了更多天体，但星系团的尺度并没有比上一个尺度扩大 1000 倍。直到我们来到数亿光年的尺度，我们才完全到达旅程的下一步。在这个尺度上，甚至星系团也形成了星系团。这些星系团被称为超星系团。一个超星系团可能包含数十万个星系。室女座星系团是室女座超星系团的成员。

来自我们 5 亿光年范围边缘的光线在到达我们之前已经传播了 5 亿年。这意味着我们看到的是 5 亿年前的室女座超星系团。五亿年可能很长，但对于宇宙来说，它并没有发生显著的变化。尽管光线很古老，但室女座超星系团边缘的宇宙仍然看起来很像附近的宇宙。

当我们继续从 5 亿光年的尺度向外延伸时，我们看到宇宙越来越古老的部分。随着距离变得非常大，我们开始看到数十亿年前的景象，以及宇宙整体的重大变化。随着我们越往回看，我们看到第一个星系团、星系和恒星的形成。最终，我们看到宇宙如此年轻，以至于还没有形成恒星。在第一批恒星形成之前，宇宙非常冷，密度也非常大，以至于空间中松散的、未使用的气体可以阻挡可见光。除此之外，我们无法再看到任何东西。这堵墙里面的内容被称为哈勃体积，或者叫可观测宇宙。没有办法观察这个体积之外的天体，因为来自这些遥远天体的光还没有到达我们。

宇宙无限延伸，但我们的视野仅限于哈勃体积。试图到达哈勃体积的边缘是不可能的。你永远无法到达它，因为它只是一个幻觉。如果你试图到达我们所看到哈勃体积边缘的位置，你会看到你周围的宇宙，就像它今天的样子，而不是数十亿年前，而且你会看到你周围的哈勃体积的边缘，距离你数十亿光年。

继续向外延伸不可避免地会深入理论的篇章，并跨越了我们所看到的和我们无法看到的界限。有些人推测宇宙本身并不包含所有存在，并且可能存在着其他具有不同物理定律的宇宙，它们以星系团和群的形式存在于多元宇宙中。

当我们越往外走，许多人注意到一定有一个边缘，一个终点，一个现实的边界。另一些人推测宇宙，或者它所在的超宇宙，是无限的，没有这样的边界。然而，在目前这个时间点，我们无法给出最终的答案，无法对这些问题给出明确的答案。

关于宇宙是什么样的，还有很多未知之处，但自从人类开始思考周围的世界以来，我们对宇宙的认识已经发生了巨大的变化。凭借好奇心和科学工具，天文学家几个世纪以来一直在研究天体，他们的工作今天仍在继续。

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宇宙简史

从古至今，人类一直对创造充满兴趣。我们和我们所处的宇宙来自哪里？在《梨俱吠陀》中，人们认为在创造之前，存在着“既不存在也不存在”。拉丁语短语ex nihilo nihil fit（“无中生有”）概括了目前人类对起源的看法。

《古兰经》中关于宇宙起源的经文如下：“难道不信道的人不曾看见，天宇和大地原来是相连的，然后我们才把它们分开吗？” [《古兰经》21:30]

几千年来，科学家们已经考虑了许多可能性。宇宙是突然“发生”的吗？……它是由上帝快速创造的吗？……它一直存在吗？……或者它现在正处于持续的创造状态？

正如我们可以使用尺度来粗略地比较宇宙中物体的尺寸一样，我们也可以使用时间尺度来比较事件发生的时间段。例如，哈雷彗星绕太阳运行一周大约需要 75 年，因此我们可以说哈雷彗星轨道的周期与人类寿命的时间尺度大致相同。

宇宙起源——大爆炸理论

宇宙在空间上很大，但在时间上也很大。宇宙的年龄似乎是 137 亿年。像巨大的空间尺度一样，对于一个寿命远远小于 140 亿年的人来说，140 亿年的时间跨度是难以想象的。为了更好地理解非常长的时间尺度，我们可以将像宇宙年龄这样长的时间段“压缩”成更短的时间段，比如人类的一生。

一个典型的人大约会活 80 年。这意味着地球在一个人平均的一生中将绕太阳运行 80 周。人类寿命的时间尺度和人类历史的时间尺度远小于宇宙变化的时间尺度。天文学家通过研究宇宙存在的一瞬间，了解了整个宇宙是如何形成的。为了更清楚地了解宇宙时间尺度是如何相互吻合的，让我们考虑一位假想的宇航员，他的生命被“拉伸”以填补整个宇宙历史。

如果人类的寿命比现在长得多，那么地球绕太阳运行的轨道可能太快，无法作为衡量年龄的有效方法。相反，从更慢的东西来衡量时间可能更实际。太阳绕银河系运行一周需要 2.3 亿年。这意味着一个“银河年”将比普通年份长 2.3 亿倍。

假设我们的老宇航员的寿命是 80 个“银河年”，而不是 80 个正常年份。这样，宇航员将有足够长的寿命来观察发生在宇宙时间尺度上的事件，而不是人类时间尺度上的事件。宇航员的一生以极其缓慢的速度发生。他的成长和行动都放慢了 2.3 亿倍。以这种速度，宇航员仅仅眨眼就需要 4 个正常月份。

天文学家推测，宇宙在开始时非常小、很热、密度很大。从那以后，它一直在膨胀和冷却。最初，宇宙几乎完全包含氢和氦气。宇宙非常均匀，没有星系、恒星或行星。我们将把我们主角的出生时间定在大爆炸时。

我们的宇航员太年轻了，不记得大爆炸后宇宙的早期发展。当宇航员只有两岁时，宇宙中就已经形成了原子，宇宙已经冷却到足以让均匀地充满整个空间的气体开始形成结构。请记住，这位假想的长寿宇航员测量时间要慢得多——对宇航员来说，两天的时间相当于正常时钟上的 100 万年。虽然 100 万年似乎是一段极其长的时间，但这只是宇宙历史的一小部分。

我们宇航员对童年的最早记忆将包括第一批恒星和星系的形成，这些恒星和星系的形成始于宇航员大约 5 个“银河年”大时。星系将继续形成和发展，直到宇航员进入青春期，那时宇宙已经存在数十亿年。如今，星系仍在继续演化和变化。

关于宇宙的形成，存在两种主要理论： “自上而下” 和 “自下而上”。 “自上而下” 理论认为，大爆炸后首先形成了巨大的星团，然后才分解成恒星和星系。而 “自下而上” 理论则认为，大爆炸后物质最初是均匀分布的，后来才逐渐聚集形成恒星和星系。哈勃深空望远镜的最新数据似乎支持了 “自下而上” 理论。这些照片展示了来自 110 亿光年以外的年轻星系。这些来自早期宇宙的年轻小星系支持了大型结构由较小结构形成的理论。这些星系看起来像是模糊的蓝色斑点，带有模糊的螺旋结构，直径约为 2000 到 3000 光年。

生命出现的一个重要条件是重元素的存在。由于大爆炸只产生了氢和氦气体，比它们重的所有元素都必须在后来的恒星中产生。这些其他元素——元素周期表上的所有元素——都是由恒星产生的。

恒星以氢和氦等轻元素为燃料。就像核弹一样，它们利用原子能来产生能量。然而，恒星与核弹不同，大多数核弹的能量来自钚和铀等重原子。在核弹中，能量来自将重元素转化为轻元素。这个过程被称为 **裂变**。在恒星中，能量来自将轻元素转化为重元素。这个过程被称为 **聚变**。宇宙中比氢和氦重的所有物质都是由恒星中的聚变产生的。

一颗普通的恒星可以产生许多元素，特别是对生命至关重要的元素。然而，它无法产生所有元素；它无法产生比铁重的元素。更重的元素是在 **超新星** 中产生的。当一颗质量巨大的恒星走到生命尽头时，就会发生超新星爆炸。超新星极其明亮，极其热。这就是宇宙中最重元素诞生的地点。

构成岩石行星的所有物质都是在恒星中产生的，其中一些是在超新星中产生的。这意味着，行星必须在恒星完成其生命周期并变成超新星之后才能形成。然后，这些物质会被喷射回太空，形成新的恒星，可能还有行星。这也意味着世界上的一切，包括你，都来自一颗恒星。正如天文学家卡尔·萨根所说：“我们都是星尘。”

太阳和地球形成于大约 45 亿年前，那时我们的长寿天文学家已经 37 “银河年”了。一个太阳系形成的速度相对较快，我们的太阳系可能只花了大约 1 亿年。太阳和行星形成于银河系中的一团稀薄气体，这团气体最终凝缩并合并在一起。在此之后，地球变得非常热。它是一个完全熔化的岩石球，熔化得如此彻底，以至于其稠度类似于水。当然，生命不可能在非常年轻的地球上存在。

然而，地球上的条件很快变得适合生命生存。对于我们基于碳的这种生命形式来说，一个行星需要具备以下条件：

有机物（构成 DNA 的物质），
液态水，
能量来源，以及
合适的温度。

在地球历史的早期，就具备了所有这些条件。科学家们不确定生命何时首次出现在地球上，但一些证据表明最早的生命出现在 35 亿年前，当时我们的天文学家已经 47 “银河年”了。

证据表明，一旦年轻地球上满足了必要的条件，生命几乎立即出现，但这个新星球上的第一批居民没有表现出向更高级生命形式进化的强烈倾向。在原始的单细胞微生物进化为多细胞生命之前，过去了超过 20 亿年。然而，一旦进化完成，高级生命迅速发展。这段生命复杂性快速发展的时期被称为 **寒武纪生命大爆发**。

寒武纪生命大爆发发生在我们的天文学家 56 “银河年”的时候。在我们的缓慢的宇宙时钟上，已经过去了十年。从某种意义上说，这段历史时期是地球上智慧发展的最深刻阶段。

自寒武纪生命大爆发以来，地球上的事情变得非常有趣。在原始的多细胞生物进化为恐龙之前，我们的天文学家只老了一年，而恐龙与之相比，其复杂性和先进程度难以想象。现在，我们已经来到了近现代，因为恐龙的出现只比我们天文学家的生命中的这一刻早了十二个月。

现在我们可以看到，我们所处的时间范围在宇宙的时间长河中仅仅是微不足道的一部分。根据什么标准，恐龙的存在时间可以被认为是 “最近”？根据宇宙的标准。恐龙在地球上的存在时间很短。它们在 6500 万年前消失了，相当于我们的天文学家的钟表上过去了四个月。这给了哺乳动物崛起的机会。

根据我们天文学家的钟表，人类首次出现在地球上仅仅是在 **八小时** 前。文明只占了这段时间的极小一部分。第一套文字系统和文明的第一个证据可以追溯到 6000 年前，相当于我们天文学家的钟表上过去了 15 分钟。在宇宙的生命历程中，所有的文化和所有书面历史都可以压缩成一次咖啡休息时间！

与宇宙的时间尺度相比，更接近人类生命跨度的时期在我们比较中变得更加微不足道。人们真正开始像我们今天理解的那样，利用科学来探索世界，这只是最近的事情。这些第一批科学家，他们认为观察和实验是揭示宇宙本质的最终途径，生活在 400 年前，相当于我们宇宙钟表上过去了 1 分钟。

随着我们逐渐接近现在，我们的生命似乎越来越短暂，越来越转瞬即逝。我们的社会、我们的文化和我们的思想能持续多久？只有时间才能告诉我们答案。以目前的速度，似乎很快就会发生一些事情来阻止社会的下滑。

我们无法预测地球在未来 1000 年内会发生什么，更不用说未来 100 万年或未来 10 亿年了。与此同时，银河系将继续沿着它的正常轨道运行，这个轨道碰巧正朝着最近的邻居仙女座星系直线前进，大约在 12 “银河年”后会发生碰撞。这不太可能像看起来那样会给地球带来灾难——在星系合并期间，任何恒星之间的碰撞实际上都是极其不可能的。太阳系只会在这个碰撞后的新星系中安家落户。

从现在开始 50 亿年后，太阳将耗尽燃料，走向死亡。在那时，大约在大爆炸后 200 亿年，这位长寿的天文学家将年满 80 岁。太阳死亡后，地球将不再能支持生命，太阳系将变得相当荒凉。宇宙本身将在太阳和我们的天文学家死亡很久之后继续存在，但它也会慢慢走向死亡，最终在继续膨胀的同时变得寒冷而空旷。

回顾宇宙的尺度，看到人类在空间和时间中都微不足道，人们可能会想知道，科学是否为人类描绘了一幅黯淡、令人沮丧和绝望的画面。有些人会这么说，而另一些人则从宇宙的壮丽和宏伟以及未来可能带来的可能性中找到慰藉。现在，人类在这个混乱而广阔的宇宙中的未来仍然充满不确定性。

事件摘要
*2.3 亿年 = 1 年*
事件	真实时间尺度	压缩时间尺度
结构开始形成	大爆炸后 100 万年	2 天
最早的恒星和星系形成	大爆炸后 20 亿年	6 年
太阳和地球形成	大爆炸后 90 亿年	37 年
地球上出现生命的第一个证据	大爆炸后 100 亿年	47 年
地球上出现高级生命形式	5 亿年前	57 年
第一批恐龙	2.3 亿年前	58 年
恐龙灭绝	6500 万年前	4 个月前
人类出现	20 万年前	8 小时前
文字的出现	6000 年前	15 分钟前
现代科学思想	400 年前	1 分钟前
现在	大爆炸后 137 亿年	59 年
人类的寿命	80 年	10 秒
银河系与仙女座星系碰撞	大爆炸后 170 亿年	71 年
太阳死亡	大爆炸后 200 亿年	80 年

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科学记数法

在前面的部分中，我们讨论了一些非常大的数字。在天文领域，出现如此巨大的数字很常见。这是天文学家和其他科学家在处理非常大或非常小的数字时使用 **科学记数法** 的原因之一。科学记数法是一种书写和处理数字的系统，它使得处理非常小或非常大的数字变得更加容易。

例如，银河系大约包含 3000 亿亿亿吨物质。这是一个相当繁琐的数字。（天文学家永远不会真正写出来。相反，他们会说银河系包含太阳质量的 1 万亿倍，这要容易一些。我们将使用这个更大的数字来进行演示。）你也可以将这个数字写成

3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 吨，

但这更糟糕。科学记数法使数字更加紧凑易读

3 × 10³⁹ 吨。

这个数字用语言表达为“3 乘以 10 的 39 次方吨”。这个数字在数值上等同于前两种表达方式。

用科学记数法正确书写的数字有两个部分。第一个是大于或等于 1 且小于 10 的数字（但可以是正数或负数）。这有时被称为 **尾数**。第二部分是 10 的整数次方。第二个数字的指数被称为 **幂**。一些用科学记数法正确书写的数字的例子是

2 × 10¹⁸

-1.4 × 10²

7.656 × 10^-4

2.1 × 10⁰

另一方面，这些不是科学记数法表示的数字的有效示例

0.1 × 10⁴ 错误，因为尾数小于1

12 × 10³ 错误，因为尾数不小于10

8.4 × 10^2.2 错误，因为指数不是整数

请记住

10ⁿ = 10 × 10 × 10 × ... 共n次，

这意味着10的n次方等于10乘以自身n次，也就是1后面跟着n个0。例如，10³是10 × 10 × 10，即1000。这意味着我们前面提到的3 × 10³⁹吨相当于

3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 吨，

即3后面跟着39个0。用科学记数法表示的指数为负的数字对应于一个小数字。例如，数字1 × 10⁻³在传统记数法中写成0.001。一般来说，

10^-n = 1/10 × 1/10 × 1/10 × ... 共n次。

由于科学记数法依赖于十的幂，因此将数字从科学记数法转换为标准记数法或反过来很简单。要将一个大数字（带正指数）从科学记数法转换为标准记数法，首先确定尾数中的小数点的位置，然后将小数点向右移动指数指示的位数。要将一个数字从标准记数法转换为科学记数法，只需反转这些步骤。找到数字中的小数点，并将其移动，直到该数字至少为1但不小于10。计算移动小数点的位数，并将该数字用作指数。如果将小数点向左移动，则使指数为正。如果将小数点向右移动，则使指数为负。

科学记数法还可以简化乘法和除法运算。要将科学记数法中的两个数字相乘，将尾数相乘，并将指数相加

(3 × 10⁴) × (4 × 10^-2)

(3 × 4) × 10^{4 - 2}

12 × 10²

1.2 × 10³

在某些情况下，例如这里所示的情况，您可能需要再次移动小数点以确保数字处于正确的科学记数法中。移动小数点不应超过一位。在科学记数法中除数字时，将尾数相除，并将指数相减

{\frac {3\times 10^{4}}{4\times 10^{-2}}}

(3/4)\times 10^{4+2}

0.75 × 10⁶

7.5 × 10⁵

这里也可能需要移动小数点并更改指数。

科学记数法可以轻松比较具有非常不同值的数字，因为所有零都被更易读的指数取代。指数更大的数字始终大于指数更小的数字。

如果一个指数比另一个指数大几个，则这两个数字之间的差值显然非常大。认识到两个数字之间的巨大差异有时是一个非常有用的见解，因此在解决数学问题之前，花点时间直观地感受一下问题通常是有意义的。在某些情况下，了解一个数字比另一个数字大多少是有用的。科学记数法使这变得更加简单。对于粗略估计，您只需要找到指数的差值即可。例如，10⁷大于10³，因为7 - 3 = 4。

芝加哥自然历史博物馆的一些游客正在惊叹于恐龙骨骼。其中一人问警卫：“你能告诉我恐龙骨骼有多古老吗？”

警卫回答说：“它们有七千三百万年、四年零六个月了。”

“这是一个非常精确的数字，”游客说。“你怎么知道它们的年龄如此精确？”

警卫回答说：“嗯，当我开始在这里工作时，恐龙骨骼有七千三百万年的历史，那是四年前半了。”

（来自科学笑话网页[1]）

在科学中，测量永远不完美，数字永远不精确。因此，我们进行的每次测量都与之相关联的某种不确定性。科学记数法使表达一个数字的精确度变得容易。假设一位古生物学家发现了古代恐龙骨骼，并发现它们有七千三百万年的历史。当然，古生物学家并不知道它们的准确年龄。也许它们有73,124,987年的历史，但古生物学家只知道年龄在100万年内，所以年龄写成73,000,000年，或7.3 × 10⁷年。这些表达中的任何一个都意味着骨骼并不完全有七千三百万年的历史，但有七千三百万年的历史，再加上或减去一百万年。

但是，如果古生物学家知道年龄在200,000年内，并且确信骨骼不是，比如说，73.4百万年？在这种情况下，标准记数法是模棱两可的——该数字仍然写成73,000,000年。在科学记数法中，我们可以将该数字写成7.30 × 10⁷年。如果我们写这个，我们的意思是第三位数字是有效的。古生物学家可能计算出骨骼有72,954,332年的历史，但这报告这些数字是毫无用处的，因为这次测量的误差为200,000年。多余的数字是无关紧要的。一个数字中的有效数字数量反映了该数字中表达的精度。在这种情况下，有效数字的数量为三个。第一个有效数字是7，第二个是3，第三个是0。

科学记数法赋予数字小数点后面写的尾数特殊的含义——它们表示该数字恰好是7.30 × 10⁷年。这与数学中通常使用数字不同，在数学中，小数点后的尾随零没有特殊含义。

在关于博物馆警卫的故事中，警卫没有考虑骨骼年龄的精度。将四年加到七千三百万年中是没有意义的，因为向警卫报出的年龄的不确定性远远超过四年。在使用具有不确定性的数字进行运算时，我们必须确保结果的精度不会超过原始精度。

在进行算术运算时，加或减的数字与乘或除的数字的处理方式不同。

当乘或除具有不确定性的数字时，确保答案的有效数字与原始数字中最不精确的数字的有效数字一样多。

例如，在(2.3 × 10³) × (1.21 × 10²)中，数字2.3 × 10³有两个有效数字，数字1.21 × 10²有三个有效数字。结果应有两个有效数字：2.8 × 10⁵。我们假设给出2.3 × 10³的测量结果存在一些不确定性，这会导致计算结果存在一些不确定性。

加法和减法的运算方式不同。例如，在将23.14和2.2相加时，数字2.2的不确定性始于十分位。这种不确定性使报告和的百分位变得毫无意义。要查看这一点，请尝试将一些不确定性添加到2.2中，看看这如何影响和。

当将具有不确定性的数字相加或相减时，将结果舍入到具有最大不确定性的原始数字的最后一位有效数字。

例如，2.3 × 10³ + 1.1 × 10²可以写成

	2300
+	110

	2410

但我们不知道2.3 × 10³中十位的真实值，所以我们只知道答案到百位。我们应该写

	2300
+	110

	2400

或 2.3 × 10³ + 1.1 × 10² = 2.4 × 10³。这可能看起来不正确，但我们只是在进行舍入。由于我们不知道结果的精度超过两位有效数字，因此报告多余的数字毫无意义——这就像博物馆的警卫告诉游客恐龙骨骼有七千三百万年、四年零六个月了。

几乎每个数字都带有一个测量单位。我们用作第一个示例的数字以吨为单位，我们将恐龙骨骼的年龄以年为单位表示。一个数字带有的单位是数字本身的一部分。单位也可以像数字一样相乘或相除。

例如，考虑一个简单的等式

距离 = 速度 × 时间。

假设您驾驶一辆汽车，速度为每小时100公里（每小时60英里），并且您直线行驶一小时。您将行驶的距离为

\mathrm {distance} =100{\frac {\mathrm {kilometer} }{\mathrm {hour} \!\!\!\!\!\!\!\!/}}\times 1{\mathrm {hour} \!\!\!\!\!\!\!\!/}

或者 60 英里。我们像对待数字一样消掉了小时单位。

当您需要转换单位时，此技巧也很有用。如果您得到一个单位制下的结果，并且想要将其转换为另一个单位制，您可以建立一个比率，例如 1,000 米/1 公里。由于 1,000 米等于 1 公里，因此 1,000 米/1 公里的比率等于 1。因此，将任何数字乘以 1,000 米/1 公里不会改变该数字的值。如果我们想知道 100 公里是多少米，我们可以写成

100\mathrm {\ kilometers} \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!/\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\times {\frac {1000\ \mathrm {meters} }{\mathrm {kilometer} \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!/}},

即 100,000 米。

天文学中使用的其他测量单位包括公斤（质量）、牛顿（力）和焦耳（能量）。

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科学方法

科学思想的结果在塑造当今世界中发挥了重要作用。这不仅是因为科技对我们生活的影响，而且还因为科学对我们思考方式带来的改变。科学思维已经渗透到我们生活的方方面面，从根本上改变了我们看待世界的方式。正是科学的“思考方式”，即科学方法，构成了其核心。虽然“科学思想”或“科学”有时被用来指代包括化学、生物学、物理学等在内的所有科学理论和知识体系，但严格来说，科学仅指检验这些理论和思想的过程。

科学方法是基于物理证据进行新知识的调查和获取的基础。科学家利用观察、假设和逻辑，以理论的形式提出对自然现象的解释。这些理论的预测可以通过实验重复检验，是开发新技术的依据。

虽然科学进步通常被描述为一种线性模式，它允许单个科学家从相对无知的狀態前进到知识状态，但科学方法实际上远比这复杂。科学方法不是一个食谱。它需要智力和想象力。科学不是对一步一步的指令进行无生命的执行，而是一个充满创造力和灵感的过程。在过去半个世纪里，科学哲学家、历史学家和社会学家建立了一个更完整的模型，描述了科学实践的实际方式。

现代科学进步的描述更加强调科学共同体的作用。一个孤立工作的人不可能进行科学研究。这是因为同行评审作为纠正错误、偏差和自身利益的手段发挥着核心作用。人性使即使是善意的科学家在孤立工作时也只能确认先入为主的想法。由于科学与一个共同体紧密相连，因此进步通常是分散的，从许多阶段和不同的方向同时进行。

在一个新的科学探索领域，科学进步最初很缓慢。研究人员努力寻找对他们研究领域的工作机制的基本描述。这种探索的动力来自对现实中表现出来的某些有趣现象的观察。科学家在一个发展中的领域进行的观察和实验通常由科学家的兴趣和便利性决定。这些科学家没有成功的实验遗产，也几乎没有共同点。正因为如此，科学领域的新追求缺乏方向，缺乏将科学家团结起来并指导科学研究方向的广泛共同基础。

随着新领域的进步，一套基本的原则开始生效并得到广泛认可。这些原则成为新领域中科学家的共同基础，即范式基础。有了范式，研究人员在解释新实验结果时就不必从头开始。相反，他们会向一个在共同范式下工作的专业受众解释他们的工作，并在该范式的背景下描述他们的工作。他们不再缺乏工作方向——范式决定了哪些实验可能有助于进一步探索其领域的问题。因此，已建立的范式是追求科学的极其宝贵的资产。

在存在已建立范式的条件下，正常的科学研究过程开始了。科学家试图通过建立基于其范式的理论并进行相关的观察来检验这些理论，并进一步阐明范式，从而澄清对其研究领域的理解。观察结果能更好地洞悉范式，并检验理论和范式与现实的一致性。这些理论能够辨别范式和自然界中以前未见过的细节，并指导新的观察方法。

对于科学进步的正常进程，这些方法极其有效。然而，在某些情况下，一个科学学科可能建立在一个从根本上错误的范式之上。这会带来一个问题，因为一个学科背后的范式受到该学科从业人员的极度重视。文艺复兴时期的科学革命期间的天文学就是这种情况。从亚里士多德时代起，人们就认为地球是宇宙的中心，其他一切都在围绕它旋转。最终，对行星位置的观察使得亚里士多德的模型与现实不符。随着时间的推移，修改亚里士多德的范式以使其与观察结果相符变得越来越困难。一个新的、完全不同的范式的可能性变得越来越吸引人，而以太阳为中心的宇宙的新思想开始扎根。

几乎总是有一些观察结果无法用现有的科学理论来解释，但知识和理论之间的差距不足以产生范式转变。在《科学革命的结构》中，库恩声称科学革命只有在该领域的主导范式处于危机状态时才有可能。只有当人们意识到与范式相关的思想与观察结果无法调和时，人们才会开始觉得追求全新的解释是合理的。

当科学家考虑理论时，无论是作为新范式的候选者还是作为现有范式的详细阐述，他们都会根据一些标准来评估理论，这些标准多年来已被证明是有效性的相关指标。这些标准由科学哲学家卡尔·波普尔在他的著作《科学发现的逻辑》中描述。

科学的核心目标是产生与现实一致的理论。科学通过检验理论的有效性来实现这一目标，如果观察结果不能证明与理论一致，则丢弃或修改该理论。使用这种方法要求理论是可证伪的。为了使一个理论具有科学性，它必须与现实的可观察方面相关。至少在原则上，必须能够进行与该理论逻辑不一致的观察。换句话说，该理论必须做出非平凡的预测，这些预测可以通过一组观察结果来检验。如果科学家发现一个理论的预测是错误的，那么该理论就被证伪。*科学理论的一个核心属性是它们永远无法被证明，但最终可以被证伪。*这一事实使得一个理论必须在进行科学检验之前做出具体的、有用的预测至关重要。

现代物理学最伟大的成就之一是预测和随后观察到被称为顶夸克的亚原子粒子的存在。爱因斯坦的方程预测了这些粒子的存在，并描述了它们的一些性质。伊利诺伊州巴达维亚的费米国家实验室的碰撞探测器的一个目标是通过寻找顶夸克来检验该理论。1995年，费米实验室的科学家宣布他们成功地观测到了顶夸克。

对可证伪性的需求意味着需要做出明确预测的理论。做出强有力预测的理论被认为具有很高的预测力。具有高预测力的理论做出大胆、清晰且可检验的预测。具有高预测力的理论在科学中更受重视，因为它们更容易被证伪。科学家认为，尽管有强有力的预测，但尚未被证伪的理论更可靠，而做出较少预测或较不大胆预测的理论往往会受到更多质疑。

科学理论必须具有强预测力的要求导致了一个令人惊讶的观念，即不可信的理论应该优先于可信的理论。这是因为不可信的理论所做的主张更加大胆，更容易被证伪。为了成功，一个科学理论必须做出一个在其他情况下不会预期的预测。如果一个理论做出了看似荒谬的主张，结果却被证明是正确的，那么这个理论得到了很好的支持。这种通过创建和检验模型预测来发展科学思想的机制是科学的基础。

科学理论的最后要求是，它们尽可能简单，同时仍然准确地描述自然。这个要求是由英国逻辑学家和方济各会修士奥卡姆威廉著名的。他用拉丁语表达了这个要求，即

Numquam ponenda est pluritas sine necessitate,

它的大致意思是

断言不应不必要地增加。

这条格言被称为奥卡姆剃刀。这是一个非常有用的原则，但也是科学中最被滥用的教条之一。

奥卡姆剃刀警告我们，当两个理论做出相同的预测时，依赖较少假设的理论更有可能正确。剃刀基于这样一种原则，即现实不太可能符合我们的先入为主的想法。在没有证据的情况下，不进行推测通常更明智。

在创建理论或区分竞争理论时，科学家依赖于两种不同的推理类型：归纳推理和演绎推理。

归纳推理从特殊到一般。它涉及进行观察并根据观察结果建立概括。例如，你可能会连续一年每天观察日出，你会注意到太阳每天都在东方升起，或多或少。你可能会得出结论，太阳总是从东方升起。归纳推理涉及从有限的信息样本中得出结论。你无法知道太阳明天是否不会从西方升起。尽管如此，随着观察的持续，一个模式将变得明显，并且年复一年地观察让人们相信太阳必须总是从东方升起。如果模式保持非常一致，那么即使潜在的原因不明显，它也可以被认为是可靠的。如果曾经提出一个理论来预测太阳总是从东方升起，那么这个理论将得到很好的支持。另一方面，如果一个理论预测太阳有时从东方升起，有时从西方升起，那么这个理论将受到观察结果的不利影响，即使它在严格意义上没有被证伪。请注意，归纳推理有可能，尽管不太可能，会使一个正确的理论失去信誉或支持一个错误的理论。虽然它是一个强大而重要的工具，但在科学中，当归纳推理基于非常有限的观察样本时，必须对其持怀疑态度。

演绎推理从一般到特殊。它基于逻辑论证（*三段论*）。作者刘易斯·卡罗尔发明了一个演绎推理的例子，如下所示

所有狮子都凶猛。

有些狮子不喝咖啡。

因此，有些凶猛的生物不喝咖啡。

与归纳推理不同，演绎推理在假设正确且逻辑正确的情况下是完全可靠的。由于演绎推理在使用良好的假设和适当方法时是绝对可靠的，因此很容易过分信任基于演绎推理得出的结论。重要的是要记住，这些结论也需要仔细检查，以确保假设是好的，推理是有效的。实际上，演绎推理与归纳推理一样容易出错。只有错误的来源不同。

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人们在天文领域做什么

天文学与所有科学一样，是一项社会活动，人们不断地讨论新思想，解释数据，并就观察结果的含义相互争论。天文学家可以大致分为两类。**观测天文学家**专门从事建造望远镜和航天器等仪器，并收集原始数据并将其处理成有意义的结果。**理论天文学家**，也称为**天体物理学家**，则利用观测天文学家提供的结果，试图创建物理模型来解释观察者所见到的数据，并为观察者应该进行的方向提供想法。理论天文学家越来越依赖计算机模型，并且经常擅长编程。

天文学比较独特，因为许多数据是由**业余天文学家**提供的。某些领域，如变星天文学或彗星发现，所需的数据可以通过对感兴趣的业余爱好者来说预算范围内良好的仪器来收集。

同行评审

科学过程的核心部分是同行评审，它发生在过程的几个阶段，并创建了 H.H. Bauer 所谓的**知识过滤器**。在同行评审过程中，提案或期刊文章会被提交给一组匿名评审人，他们会匿名提交对该提案的评论。虽然评审人有时会互相交流，但他们并不打算对工作质量达成共识。此外，评审人通常没有最终决定提案命运的权力，而是将他们的意见提交给拥有最终决定权的编辑或项目主管，有时会推翻评审人的意见。

评审人的意见通常会提供给提交人，并且通常包含对提交人提出的改进建议。这被认为对科学过程至关重要，因为它允许提交人接收对其提案的反馈并改进它。在某些情况下，鼓励提交人修改后重新提交提案，这通常发展成评审人与提交人之间的匿名交流。

获取所需资源

天文学中的许多工作都涉及获取资源，包括

金钱
对于观测者来说，望远镜和设备时间
对于理论家来说，计算机时间

为了获得这些资源，天文学家通常会写出赠款提案，概述所需的资金、望远镜和计算机时间。

赠款提案通常会经过资助机构的同行评审，其中包括对它如何与资助机构的优先事项相符的反馈，委员会认为它有多大可能推进知识前沿，以及分配的资源对研究人员有多么重要。通常，一定比例的望远镜或超级计算机时间将提供给托管或资助该资源的机构，使该机构的科学家优先使用该资源。剩余的时间将对来自其他机构的研究人员的科研项目开放。就地面望远镜时间而言，最宝贵和最受追捧的时间是**黑暗时间**，在此期间，月亮是新月，最暗淡的天体可以被看到。

在某些情况下，例如建造新的望远镜、超级计算机中心或资助新的航天器，天文学家必须游说慈善基金会和立法机构等资助者，以获得资金来资助特定活动。研究设施的游说可能非常激烈，因为将设施设在您的机构可以让您的机构优先使用该设施，并获得声望，使您的机构成为研究人员的目的地。

观测天文学家的生活

通常，在观测运行中，您会在下午 3 点左右醒来。白天，技术人员会安装您晚上观测运行所需的仪器。您在下午 3 点去望远镜，检查所有东西是否安装正确，因为您不想在凌晨 3 点因为出现故障而叫醒某人，然后您在日落前的两个小时内拍摄一些校准照片。

太阳开始落下后，您的第一个目标是找到您要拍摄的目标。您可以将坐标输入计算机，但这只会将望远镜指向您感兴趣的空中的一般区域。接下来，您需要拿出星图，寻找一个与您正在寻找的目标相近的星系图案。这很像在陌生的城市开车时，您看着显示器，然后试图将看到的图案与图表上的图案匹配。

所以你现在找到了你正在寻找的目标。在这些测量之间，您会拍摄一些校准设备的快照。如果您正在查看光谱，您会拍摄一个在某些已知位置具有谱线的荧光灯的照片。如果您正在测量亮度，那么您需要拍摄一些已知亮度的恒星的照片。

所以经过一晚上的所有这些工作，您现在有一些数据存储在硬盘上，然后您可以去睡觉。接下来的几周是困难的部分。您会看到您有很多原始数据，但对任何人都没有用。问题是所有数据都没有经过校准。因此，您接下来的几周将用于获取数据、减去黑电平、校正白电平、拉伸和缩小图片，以便您知道光谱的频率。您可能还会花费时间做一些事情，例如尝试校正星系中尘埃的影响。在整个过程中，您可能正在使用一个名为 IRAF 的天文软件包，该软件包与所有大型软件包一样，也有其可爱的错误和特性。所有这些完成后，您就有一篇论文，准备发表了。

观测天文学家经常受到不受他们控制的事物的影响。如果在运行之夜恰好是多云或下雨，那么花费数周甚至数月的时间设置观测运行可能会付之东流。

理论家的生活

与观测者不同，理论家是白昼的生物。典型的理论家将白天花在阅读论文上，试图理解如何模拟特定类型的现象。一旦他们有了模型，目标就是试图从该模型中获得可测试的预测，而这通常意味着对计算机进行编程以计算该模型的结果。偶尔会有一些灵感的闪现，但大多数时间都花费在非常缓慢而有条不紊地试图理解模型的结果，并缓慢而有条不紊地将模型编程到计算机中并系统地消除模型中的错误。

还有很多社会互动，因为理论家会争论和辩论特定观测的含义，以及理论家和观测者分享关于最新数据的想法。

让大家知道你的研究

有许多渠道可以使科学成果为人所知。天文学家用来让其他人了解当前研究的主要手段是通过 **预印本**，即通过网络服务器（如洛斯阿拉莫斯预印本服务器，网址为 http://www.arxiv.org/）上传的论文，或通过 **会议论文集**，科学家在其中通过演讲或海报论文宣布他们的成果。天文学家还在各部门之间不断旅行，在研讨会、天文午餐和期刊俱乐部上发表关于他们研究的演讲。

尽管预印本对其进行了补充，但 **主要文献** 中的同行评审出版仍然被认为是宣传研究的必要组成部分。这种文献包括发表在 **天体物理学杂志** 或 **天文学与天体物理学** 等期刊上的文章。由于同行评审通常需要数月的时间，因此研究成果通常会在同行评审完成之前通过预印本与社区分享。尽管如此，天文学家仍然普遍地将他们的论文提交给同行评审，即使在成果发布给研究界之后，因为匿名评审员与论文提交者之间的互动提高了作品的质量，并确保社区该论文没有明显的错误。

一旦天文学论文可以发表，就可以通过哈佛大学天体物理数据系统访问它，网址为 http://ads.harvard.edu/。越来越多的天空调查的原始数据在网络上公开。

主要文献的一个缺点是它报告个别研究结果，而没有提供背景信息。因此，对于没有积极参与某个领域的研究的人来说，很难理解该工作的相关性。为了解决这个问题，主要文献被总结和合并到 **次要文献** 中，在那里会被更广泛的科学家群体阅读。次要文献是对该领域近期研究成果的综合。次要文献的范围包括定期进展回顾，例如 **天文学与天体物理学年度回顾**，专业书籍和其他研究摘要。

如何成为一名天文学家

大多数天文学家在本科阶段主修物理学或天文学，然后进入研究生院，在一位论文导师的指导下攻读博士学位。成为一名天文学家面临的主要挑战是掌握数学和物理学的语言，以及在科学过程中获得经验。

研究生毕业后，天文学家通常会担任博士后研究员，然后在大学担任教授或在实验室担任研究员。由于获得博士学位的毕业生人数众多，拥有天文学学位的人越来越多地在学术界之外找到工作。他们在科学相关领域工作，例如软件公司的计算机程序员，甚至在华尔街工作。

天文学也向业余天文学家开放。大多数变星数据可以通过业余爱好者负担得起的望远镜获得，业余爱好者提供了重要的观测数据。

注释

[2] 在同行评审完成之前发布研究结果的做法有一些例外，这涉及速度和完整性之间的权衡。

当一项结果被认为可能存在争议时（例如可能在火星上发现微化石），研究人员可能会选择在同行评审完成之前将发现保密，以便该结果在发布后能够经受住挑战。另一种在同行评审完成之前保留结果的情况涉及发布大型数据集，例如天空调查。在这种情况下，同行评审带来的延迟与在宣布结果之前进行全面评审的好处相比微不足道。

讨论问题

1) 访问洛斯阿拉莫斯预印本网站或天体物理数据服务，找到一篇论文。论文的结构如何？你在论文中发现了哪些文本中的概念？

2) 查看网上几个大学天文系的课程安排。讨论了什么内容？不同的天文系之间有哪些不同之处，哪些方面又相同？

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当前未解之谜

暗物质和暗能量

暗物质是不可见的，但它被假定为对可见物质有明显的影响。它是对观测到的将星系和星系团结合在一起所需的引力强度的一种解释。如果没有比用望远镜探测到的还要多的质量，大约多 10 倍，这些系统就应该简单地飞散开来。暗物质理论假设存在几乎不发射辐射的物质，因此无法用望远镜观测到。暗物质也可能需要解释宇宙微波背景 (CMB) 功率谱。解释暗物质的一些建议是，例如像弱相互作用大质量粒子 (假想的 WIMP) 或中微子之类的粒子，或者大质量致密晕天体 (MACHO)，或者以某种方式隐藏的普通物质，或者修正的引力 (MOND、MOG、f(R))，或者这些事物的某种组合。

另一个假设，暗能量，被提出来解释宇宙膨胀加速的惊人观测结果。这种膨胀的加速是通过测量星系调查中的一种特定类型的超新星（称为 Ia 型超新星）发现的。Ia 型超新星被使用，因为它们都具有相同的绝对亮度。（我们将在后面的章节中讨论为什么它们的绝对亮度相同，以及如何使用它们来测量距离，General Astronomy/The Death of High Mass Stars）。这使它们非常适合测量距离。在进行测量之前，人们曾预计，由于所有物质的引力，宇宙的膨胀将减速。暗能量被假定为解释推动事物分离的明显排斥力。正在进行的研究工作是更准确地测量膨胀率，并发现暗能量的本质。

暗物质通常被认为是存在的，尽管仍有一些疑问。它可能不是由质子和中子（重子物质）构成的普通物质。这是因为在宇宙最初几分钟发生的核反应中，普通物质的密度更高（称为大爆炸核合成），预计会产生不同丰度的轻元素及其同位素，如氘，而不是实际观测到的。普通物质的另一个问题是，观测到的星系和宇宙背景辐射的“团块”与预测结果不符。其他考虑因素也倾向于不支持中微子作为暗物质。

暗物质假设的替代方案是新的力或修正的引力理论。有人推测存在另一种大规模力，它使我们的宇宙保持在一起。^{[citation needed]} 另一种可能的解释是将空间视为气体和空间固体。如果您将两个物体彼此分开，然后加压该区域，这两个物体将被强制向彼此靠近。这颠覆了我们目前对引力的想法，从物体对其他物体有吸引力，转变为物体从各个方向被推开。（单独的物体没有运动，但两个物体会产生不均匀的压力，将物体推在一起。）

估计宇宙中 23% 的物质是暗物质。普通物质只占宇宙的 4%。剩下的 73% 是一个更加神秘的、排斥性的“暗真空能量”。

目前最流行的理论是，斥力实际上是空间本身的一种属性：它是由粒子与反粒子相互湮灭产生的能量波造成的，这些能量波在产生后会相互湮灭，净效应为零。在宇宙早期，当空间还很小时，这种效应与引力相比微不足道。但随着星系的相互远离，这种效应变得越来越大。 [2]

组成历史与概念

暗物质的概念最早由瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基于1933年提出，用来解释星系团中星系的轨道运动。他观察到，星系团的质量明显比可见天体（如恒星、气体和尘埃）的总和要大得多。因此，一定存在一些无法观测到的物质在增加星系团的质量。后来，当X射线望远镜投入使用后，它们揭示了星系之间存在着一团高温氢气，这解释了部分缺失的质量。从20世纪60年代开始，维拉·鲁宾发现，与开普勒定律不同（开普勒定律认为围绕中心天体运行的天体离中心天体越远，速度越慢），实际上星系中恒星的轨道速度在距离星系核一定距离之外仍然大致相同。因此，必须存在一些额外的物质，要么在星系的扁平盘中，要么在星系核周围的球形晕中。她基于兹威基的研究得出结论，这种额外的质量就是暗物质。暗物质是指我们无法直接观测到，但能通过它对周围物体的影响推断其存在的一种物质。虽然暗物质的组成仍然未知，但科学家已经提出了一些可能的暗物质候选者。它们是：

电离气体 — 辐射热自由辐射，无法观测。
尘埃 — 辐射辐射，由比氦重的元素组成。
主序星 — 可能是一种成分，但不可能是暗物质的唯一成分，因为其中很大一部分是可见的。
黑洞 — 可能性很小，因为它们会破坏暗物质的二元分离。然而，对产生黑洞的爆炸知之甚少，因此它仍然是一种选择。
白矮星 — 在形成过程中，白矮星会产生许多中等质量元素（He、N、Ne、C、O）或晕气体，这些元素或气体是不可见的。
中微子 — 可能性很小，但它们确实有足够的质量来成为候选者。
WIMP或冷暗物质 — 弱相互作用粒子，尽管它们确实以非相对论速度运动。

下图是摘自《现代宇宙学观测与问题》（140）的一张更深入的流程图，描绘了上述建议之间的联系。http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Bothun2/Figures/dm1.gif

再电离

宇宙背景辐射形成于质子和电子结合形成原子的时候。问题是，我们知道今天星系之间的物质是电离的（即它是分离的质子和电子），并带有氢原子的团块。我们知道这一点，因为当我们观察除最遥远的星系之外的所有星系时，我们没有看到氢的光谱线。因此，宇宙中的氢在某个时候重新电离了。人们认为是星光导致宇宙中的氢重新电离，但最新的观测表明，这种再电离发生在第一批恒星出现之前。

星系形成

理论认为，星系起源于大爆炸后形成的微小密度涨落。通过假设宇宙主要由冷暗物质组成，你几乎可以得到你用当前的星系看到的团块。但仍然存在难题。令人烦恼的是缺乏微型星系，而且冷暗物质预测的旋转曲线，与我们观察到的并不完全一致。

大爆炸之前

现在让我们来进行一些推测，最近有一些论文试图弄清楚大爆炸之前发生了什么。其中一个奇怪的想法是，宇宙仅仅是多维空间中的一个平面，而发生的事情是多维空间中的两个膜发生碰撞，导致三个维度的巨大膨胀。这都是非常推测性的，但奇怪的是，它与观测并不完全脱节。这个想法是，你可以用这个模型来预测宇宙的初始膨胀，这可能会对你在宇宙微波背景中看到的涟漪产生一些影响。最大的问题是，开始膨胀的物质必须一直存在，然而，由于元素的可预测性，它必须有一个明确的外部力量来启动它，这个力量可以决定何时启动“连锁反应”。某样东西不可能永远保持稳定状态，甚至是不稳定状态，然后最终爆炸，它必须处于一个循环之中。换句话说，考虑以下几点。从无到有，一个以前不存在的密集质量自发出现，它以自身以前不存在的能量爆发成一个巨大的火球，并从这种混乱中自发且立即创造出定义的物理基本力和亚原子基本粒子，这些粒子最终组织成各种原子种类，然后形成分子，然后形成各种无机物，这些无机物在引力的作用下自行组装成这个高度结构化和精确有序的宇宙。我们都知道这是荒谬的，但说“一个以前稳定的质量自发变得不稳定”同样荒谬。

面对所有这些难题，我们不清楚接下来会发生什么。我们正在收集大量的数据，也许有了新的数据，就可以对宇宙模型进行一些微调，使我们的模型正常工作，我们就可以继续按照库恩所说的“正常科学”的方式进行下去。也有可能有一天，我们会看到一些像伽利略看到金星的相位一样的观测——一些在当前事物范式中完全没有意义的观测，这将迫使人们从根本上改变他们对宇宙的看法。

讨论问题

1）找一本旧的天文学教科书，并与一本最新的天文学教科书进行比较。旧天文学教科书中哪些谜团现在被认为已经解开，旧天文学教科书中哪些事实和陈述现在被认为是错误的？

普通天文学
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