从古至今,广袤的宇宙一直引发着人们的遐想。古时的水手正是在星空的引导下航行,到达异国的海岸。中国古代神话和传说中的天上人间,也正是人们对宇宙的一种幻想。而航天技术的不断发展,终于使人类对于宇宙探索的渴望成为了现实。
人类对宇宙的探索
历史是发展的,时代是进步的。1961年4月12日,苏联成功地发射了世界上第一艘载人飞船“东方”1号,乘坐这艘飞船的航天员是加加林。
1965年3月18日,苏联发射了“上升2号”飞船,该飞船有两名航天员,别列亚耶夫空军上校和列昂诺夫空军中校。列昂诺夫在舱外空间环境中行走了12分钟,成为太空行走第一人。
1971年4月19日,苏联发射了世界上第一座空间站“礼炮”1号。
1969年7月16日,美国阿波罗11号飞船离开地球,飞往月球航天员阿姆斯特朗下到月球表面,这是人类第一次登月。随着科技的发展,人类在探索宇宙太空的路上大步前进。
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1977年9月5日12点56分,有一艘探测器在美国卡纳维拉尔角空军基地出发离开地球,在12月的时候赶上了另一艘艘探测器。这两艘探测器,分别为旅行者1号和旅行者2号。
2011年的时候,旅行者一号就已经到达太阳系的边缘。截至2017年12月1日,旅行者1号距离太阳系中心仅130多亿英里,旅行者2距离太阳系中心大约108亿英里,它们是目前距离我们地球最远的探测器,正在外太阳系的边缘想向着奥尔特星云前进。
科学家预计,直到2020年为止,旅行者一号仍有足够的能源支持星际飞行并与地球保持联系。但是到2025年的时候,旅行者一号的电池就会耗尽。
这艘曾经访问过木星、土星并提供其卫星高解像清晰图片的第一艘航天器可能就再也回不来了。于是科学家做了最后的拍摄留念,其中有一张照片引发人们的深思。那究竟是什么原因呢?
旅行者一号的“旅行”
所有的探测器都承载着科学家的期待。旅行者一号探测器也有有着自己的历史使命。
1977年9月5日的12点56分是旅行者一号的发射时间。1977年8月20日是旅行者二号的发射时间。在这一年的这段时间内,太阳系发生了一件特殊的事情,使得它们成为了历史上最幸运的探测器。
一般来说,行星围绕太阳旋转的时候都是十分有序的。太阳和恒星都在自己的轨道上,包括地球在内的行星都是以相同的方向运行的,沿着太阳赤道几乎平坦的平面排序。
但是就是在旅行者一号和二号的发射时期太阳系中有几颗行星:木星、土星、天王星、是呈集合排序的这一现象的形成,可以让旅行者一号和二号一次性造访这几颗行星。这无疑节省了更多的燃料。
这种呈几何平面的现象并不是十分常见的由于各个行星公转速速、自转速度、受到太阳引力作用的不同,这种现象要每隔176年才会有一次。
正是抓住了这个机遇,旅行者一号成功于1979年探测了土星及其卫星,1980年经过土星系统,而旅行者二号在1981年的时候透过土星的引力,加速飞往天王星和海王星。1986年1月24日最接近天王星,在1989年8月25日最接近海王星。
旅行者号借这个176年一遇的行星集合排列,成功只用了12年造访了四颗气态巨行星。在一般情况下,要完成这样的任务,至少需要再加上18年才行。
利用行星的重力来给探测器加速,将它推向下一个目标,叫做引力弹弓效应,也正是利用了这一效应,使得旅行者号成为世界上速度快的探测器。
就拿旅行者2号来说,它在1981年8月25日接近土星。之后它利用土星的引力的推动作用,在1986年1月24日的时候就已经最接近天王星了。
旅行者一号原先的任务是探测木星与土星及其卫星和土星环以及外太阳系旅行者二号的最初目标是探测天王星和海王星因为两艘探测器的所肩负的使命不一,它们发射的时间也是不一样的。
旅行者2号探测器于1977年8月20日在肯尼迪航天中心成功发射。升空15天后,旅行者一号才在美国佛罗里达州发射。
1977年12月的时候旅行者一号在木星附近赶上了旅行者二号。旅行者一号之所以能在短时间内赶上旅行者二号,是因为它是以泰坦三号E半人马座火箭为发射载体的。这种火箭是以洲际导弹为基础研制的大型运载火箭,速度非常快。
1980年11月13日和1981年8月26日,这对探测器分别对土星进行了考察。旅行者1号掠过土星时,发现成千上万的光环群,形成一组交错在一起的环形彩带。旅行者2号则对新发现的土星环和几个卫星作了近距离探测,并向地球发送回一万多张照片。科学家通过照片发现了土星上有火山活动的痕迹。
对火星的突破使得科学家兴奋起来如果土星有火山活动的话,那就意味木星和地球一样可能存在着生命。对其它星球生命的探索,是科学家们一直以来的梦想。
在“短暂的相遇”之后,旅行者一号和二号便分别了。旅行者一号于1989年向着银河系的方向前进,它的目的地是外太阳系。旅行者二号在拜访完木星之后,便接到了前往天王星的指令。
对于旅行者一号来说,飞出太阳系的任务是艰巨的。旅行者1号相对速度是17.062公里每秒,旅行者1号在这样的速度下,将会花上7万3千6百年的时间经过离太阳系最近的恒星:半人马座比邻星。这么长的时间,对于人类来说无疑是“海枯石烂”。
虽然旅行者一号要飞出太阳系进入下一个行星系已经不太可能了。因为前文已经提到旅行者一号的电池只能维持到2025年,但是这并不能阻止科学家对外星宇宙生命的好奇。
美国航天局在旅行者一号上面携带了一张铜质磁盘唱片这张唱片上储藏着向“外星人”问好的数据。由于这张唱盘的特殊材质和构成,据说即使是过了数亿年也依旧如新。
旅行者一号是一艘孤独而又忠臣的“旅行者”。一旦电池耗尽,它会继续孤独地向着银行中心前进。
但是,再也不会向地球发回数据了。它承载着人类对宇宙无限空间的向往,承载着人们对外星文明的好奇与期待。
令人陷入沉思的照片
旅行者一号是以三块放射性同位素温差发电机作为动力来源的虽然这些发电机已经超出当时科学家们预想的设计寿命但是探测器上面一共携带的三枚电池,也只能够保证它继续飞行到2025年。
到2007年的时候,因电力有限而导致许多功能停止操作。一直到2025年及其之后,就已经没有足够的电量供应任何科学仪器了。
从1977年离开地球,到1989年向着银河系中心方向前进旅行者一号,在太阳系中的旅行日志就已经结束。到1990年,它所肩负的太阳系内的研究任务也已经完成。直到现在它依旧是离地球最远的人造卫星。
在离开太阳系之前,旅行者一号回望太阳系,拍摄了最后一组照片这组照片就是著名的暗淡斑点和太阳系全家福。
关于地球的著名照片还有两张,一张是1968年阿波罗8号在月球上拍摄的“地出”,地球从月球上方升起;另一张是1972年阿波罗17号前往月球途中回望地球的时候拍的,苍茫的非洲大地和云系清晰可见。而旅行者一号拍摄的这些照片是第一次太阳系全家福。
此外,旅行者一号还有一个巨大的贡献,那就是拍摄了第一张地球与月亮的合影。
但是最让人印象深刻的还是在1990年2月14日的时候,旅行者一号在太阳系的边缘回望地球的时候拍摄的“暗淡斑点”。
当时的旅行者一号距离地球40亿公里。由于距离太远,拍摄的照片也不是清晰明了的,但是科学家们依然能在照片中找到地球。
行星天文学家康迪斯·汉森-科哈彻克是第一个见到暗淡斑点照片的人图片中有一个蓝色的光点,似乎只有两三个像素大小由于镜头几乎是垂直正对着太阳的,支架反射的一缕光线也正好笼罩在这个光点上面。他发现这个小小的光点就是地球。
在照片上来看,地球似乎只有一个点那么大,就像沙漠中的一粒沙子一样。这个点,就是人类从古至今赖以生存的家园;这个点,就是各类动植物存活的地方;这个点,就是火山、海啸、台风肆虐的地球。是目前已知唯一一个存在生命的星球,它是那么特殊而又渺小。
科普名著《暗淡斑点》就是萨嘎根根据这张照片所著的在书中,作者阐明了自己的感悟,
在书中,他描绘了人类的渺小,地球的渺小。
他说:再看看那个光点,它就在这里。那是我们的家园,我们的一切。在浩瀚的宇宙剧场中,地球只是极小的舞台。地球是目前已知存在生命的惟一世界。至少在不远的将来,人类无法迁居到别的地方。
那么,我们就走进这位天文学家的心中,看看在这暗淡斑点后到底有着什么秘密?
渺小的人类
约在50亿年前,银河系中存在一块太阳星云。后来约46亿年前太阳星云的中心部分形成了太阳其余部分,一边旋转一边摊平,形成了一个原行星盘,继而形成了行星、卫星、流星体和其他太阳系小天体。
地球便是这行星中的一颗。与存在了46亿年的地球相比,人类的历史像是白驹过隙一样短暂。
我们从达尔文的《进化论》中可以知道人类是由古猿演化而来的,类人猿起源于约5500万年前。
从猿到人的过渡阶段结束后,人类的体质形态仍在继续发展。有学者提出4个阶段的划分法,即早期人类、直立人、早期智人、晚期智人就从早期人类来说,据考古发现,早期人类定年在380-360万年以前。
直到晚期智人,才和现代人类比较相像。晚期智人大约定年于5万年前。从晚期智人到如今,这个地球上大约有960亿人类在地球上生活过。
整个地球的表面积约为5.1亿平方千米。对于地球来说,人类真的太渺小了。就像是细菌一样渺小。
那么,再从地球的角度看宇宙。在浩瀚的宇宙,地球也只是一个极小的斑点。而人类在宇宙中便似乎小到可以“忽略”了
从旅行者一号拍摄的暗淡斑点我们可以看到一张大面积黑色的图片中,有一段光环,再仔细看的话,会发现这缕光线上有一个暗淡的斑点。
这个小小不起眼的光点,便是我们的地球。通过这张照片我们可以直观感受到地球的渺小。
旅行者1号已经飞行了整整36年,飞了0.0025光年而整个太阳系的直径为2光年,也就是说,如果旅行者一号想要飞出太阳系还需要至少五万年。
我们再将眼光拉长一点,就太阳系而言。如果将银河系比作沙漠那么太阳系也像是一粒沙子一样渺小。
太阳系之见于银河系就像地球之见于太阳系。银河系的恒星及星球的数量约在1000亿到4000亿之间,此外还包括无数的宇宙尘埃。
银河系的年龄超过了100亿年左右,它的面积有20万光年,而银河系的总质量大约为太阳总质量亮的1.5万亿倍。
但是,即使是这样,银河系对于整个宇宙来说也是渺小的。因为,银河系和相邻的仙女行星、麦哲伦行星等50个行星又组成了一个本星系。
本系群是一个典型的疏散星系团,它的成员星系约50个。银河系和仙女星系是本星系群成员星系中最大的两个,它的质量约是太阳质量的六万五千六百万亿倍。
本星系群还不是最大的,因为本星系群又是室女超星系团的一部分。
室女座超星系团是一个不规则超星系团,包括银河系所在的本星系群在内的一群星系组成的超星系团。室女座超星系团包含约100个星系群与星系团。室女座星系的直径达到了1.1亿光年,约为银河系直径的一千倍!
科学家估计室女座超星系团的总质量大约为10^16太阳质量。与银河系、本星系群相比,室女座超星系团似乎又是无穷的但是,室女座超星云系团其实也是拉尼亚凯亚超星系团的一部分罢了
拉尼亚凯亚超星系团又叫本超超星系团或者拉尼亚凯亚复合体。拉尼亚凯亚超星系团内包含10万个星系,范围达到5.2亿光年,质量相当于银河系的十万倍。
超星系团是目前已知最大的结构之一,其边缘难以判断。与超星系团相比,不论是太阳系,还是银河系都是微不足道的。
地球上存在着万有引力,宇宙中的所有天体也是基于引力在运动或者旋转的。这是宇宙中已知的最大的引力,叫做巨引力源。
这个引力源位于长蛇-半人马座超星系团。比如四十年前,科学家们发现银河系的运动速度要比预想中的要快许多。这就是受到巨引力源的作用。
受到巨引力源的影响银河系仙女系星团室女座超星系团等都在向着拉尼亚凯亚超星系的中心坠落。
由于这些星系和星团都是朝着同一个目标运动的,也就是说这些星系和星团以及它们所包含的各类天体正在慢慢接近。
本星系群中的最大两个成员星系是仙女座星系团和银河系在50亿年以后它们就会碰撞,最终合并成一个更大的银河系。这个银河系又会坠入更大的处女座超星系,最终也逃不出这个巨引流的深渊。
人类处于银河系中,如果人类想要避免坠入巨引力源之中。靠旅行者号需要4.4万亿年。4.4万亿年过后不知道人类是否还存在。
如果银河系真的与其他星系发生碰撞,那时候的人类依然存在他们看到的是一个完全不同的天空景象:狭长的银河系将会消失,取而代之的是一个由数十亿颗星球组成的巨大隆起。人类似乎是无法逃脱据引流的诅咒的。
最后,就算人类逃离了拉尼亚凯亚超星系在这个星系之外依旧是未知的宇宙。
巨大的宇宙
宇宙到底是什么?到底有多大?到底有多重?这是目前人类还无法准确回答的谜语。
宇宙在物理意义上被定义为所有空间、时间、及其内涵。这一概念是笼统而又模糊的。虽然整个宇宙的大小尚不清楚,但是就目前可观宇宙的大小,估计直径为930亿光年。随着人类科学技术的不断提高,人类也正在不断尝试描绘整个宇宙的面貌。
目前科学家所使用的观测天体的工具为光学望远镜。1917年,胡可望远镜在美国加州威尔逊山天文台建成,是当时世界上最大的望远镜正是利用这座望远镜,发现了银河系外的星系,并且找到了宇宙膨胀的证据。
现在世界最大的光学望远镜为哈勃空间望远镜,可观测的范围也不超过134亿光年。由于宇宙的膨胀,距离134亿光年之外的东西都是无法观测到的。
1927年比利时天文学家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸的假说。“大爆炸宇宙论”认为:宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。
爆炸之初,物质只能以基本粒子的形态存在。宇宙爆炸后,不断膨胀,导致温度和密度也在下降。于是随着温度的降低、冷却,物质和星球才形成。
在过去的138亿年间宇宙一直处于持续膨胀状态,并且膨胀的速度是非常快的。科学家可以通过找到在膨胀中遗留下来的物质,计算出这些遗留物所处的范围是多少年前的宇宙边界。
在大爆炸之前宇宙是一种密度极大、温度极高的状态在爆炸初期,由于宇宙温度高、密度大,物质只能以电子、光子、中粒子等基本粒子的形态存在。这个时候宇宙中的正反粒子会发生碰撞而消失。
因此,最开始的时候宇宙并不是我们现在的宇宙。里面没有物质,没有天体,没有星球,只有能量。
宇宙大爆炸之后,不断膨胀,宇宙温度降低,密度减小才逐渐形成了原子、原子核、分子,并不断形成气体气体逐渐形成星云,星云再进一步形成各种恒星和星系,最终才形成了我们如今所看到的宇宙的样子。
日常生活中,我们知道最快的速度是光速似乎我们找不到什么东西比光速还快。在宇宙膨胀中,有一个恒定的常数,被称为哈勃常数,这一常数表明宇宙的膨胀速度比光速还要快宇宙以如此快的速度在膨胀,可想而知宇宙是十分庞大的。
整个宇宙的大小科学家们尚不可知,在可观测宇宙中宇宙的直径大概为930亿光年,我们知道在爆炸初期,宇宙形成的是粒子,粒子又包含了光子。
大爆炸后约38万年,光子不再与物质频繁相互作用,宇宙变得透明。这个时期产生的光子形成了宇宙热辐射。正是这些辐射记录了这时候宇宙的大小,即直径930亿光年。
而这时地球处于宇宙爆炸边界大概457亿光年之外,这些光子散发出来的宇宙热辐射又称为宇宙微波背景辐射。
有科学家说:这是宇宙中最古老的光,代表着未来所有的结构,是当今恒星和星系的种子。
在宇宙爆炸后三十八亿年产生光子的这一宇宙边界,是目前人类能观测和计算的宇宙最远的边界。
在形容宇宙的时候,我们通常用的形容词是:漫无边际广阔无垠有的科学家认为宇宙是有边界的,就像前文提到的,宇宙边界在爆炸之初,形成光子一样的物质,而有的科学家认为,宇宙是没有边界的。
他们认为宇宙就是广阔无垠的,由于人类的认识有限,人类目前可观测的宇宙区域实际上只是真实宇宙很小的一部分。宇宙是一个无限的区域,在这一观点之下,宇宙的大小和质量也是无限的。
我们人类目前所知道的关于宇宙的一切,都是在可观测范围内的宇宙,我们可以相信,在人类所熟知的宇宙范围之外,还有人类所不知道到的、尚且没有观察到的宇宙。人类对宇宙的探索还在继续,在将来人们对宇宙的了解也会更加广泛。
地球是一个渺小而又特殊的星球
我们时常幻想如果宇宙有另外一边会是什么样子呢。有学者认为宇宙的另外一边还有另外的空间,宇宙不是惟一的。还存在着别的宇宙,我们所处的宇宙只是其中之一。
对于宇宙的全貌我们目前难以看清,只能感叹宇宙的宏大。在感叹宇宙宏大,地球渺小的同时,我们也不应该忘记我们地球的特殊性。在可探测的宇宙中,地球是唯一存在生命的星球。
从20世纪70年代开始,科学家们就一直在探索太阳系中其他天体上的生命。我们知道在旅行者一号造访土星的时候,发现了火山活动的痕迹科学家们以为有生命的存在而欣喜若狂,当然最后的结果却是一盆冷水。
火星,是与地球距离最近的火星,与太阳系中的其他行星相比,与地球有诸多相似。科学家们因此热衷于在火星上寻找生命。但是在1976年于火星着陆的宇宙飞船并没有在那里发现生命活动的迹象。一直到现在,人类都没有发现自其他星球上有生命的存在。
关于宇宙中,除了地球之外还有没有别的生命这一看法早在1950年的费米悖论中就已经有所涉及了。
费米悖论可以表述称两种形式:一是,为什么没有发现外星人或者外星物品。如果星际旅行是可行的话,即使是用人类造的飞船缓慢地旅行,也只需要5百万到5千万年去征服星系。
而宇宙已经形成了一百多亿年了,这点时间对宇宙来说就像白驹过隙一样。第二种形式就是:为什么我们看不到智慧生命的迹象。
外国有部影片叫做《星际穿越》,讲的就是是宇航员为人类寻找新的家园的故事。如果人类真的还有除了地球之外新的家园,那么,是不是意味着这个新的家园上也存在着生命呢?但是实际上,宇宙安静如斯,除了地球之外似乎并没有发现别的生命迹象。
我们只能相信,要么人类是宇宙中农唯一存在在有智慧的生物要么,就是“宇宙的另外一边”存在着智慧生命。只是还没有被我们探知,他们也和我们人类一样没有发展出星际文明。或许他们也和我们一样在寻找着其他生命。
“地球是人类的摇篮,但人类不会永远生活在摇篮里”这是著名宇宙航行科学家康斯坦丁.齐奥尔科夫斯基的著名话语。
但是我们知道,地球是人类唯一的家园。至少说到目前以及未来的几百年中,甚至更久的时间里,人类是无法离开地球的。
在我们所知的整个宇宙中,地球和人类似乎是非常特殊的地球是宇宙中唯一存在生命的星球。而人类是地球上也是宇宙上唯一的智慧生物。
但是,旅行者一号留给我们的照片将我们打回了现实:人类和地球与整个宇宙相比,实在是太过渺小了。而人类的生命对于宇宙来说也太过于短暂了。