人類用它們，看到宇宙誕生之初的37萬年！也能用它們，看到太陽系最終的命運！

把不同的圖形找到合適的洞給放進去 這是小朋友纔會玩的一隻玩具 但你別小看它 這其中有個大智慧 合適 我們今天要講的內容就跟合適有關 天空爲什麼是藍色的 日出日落 陽光爲什麼會變紅 望遠鏡爲什麼放在太空中 手機爲什麼能透視 這都跟合適有關 光其實很神奇 人眼看到的光只是可見光 在所有光中只沾了很小的一部分 那可見光會有短板 不可見光也有長處 合理利用不同波段的光 就能發現這個世界不爲人知的一些小祕密 但從這個圖上 我們已經能看到這期視頻的一個大概了 這是不同波段的光 對於大氣透過率的一張圖 很明顯 傳說中的大鍋蓋 對於大氣的透過率就非常高 幾乎不受到大氣干擾 就可以把它放在地表 也能接收到太空中的信號 這裏說一下 光就是電磁波 電磁波也可以叫做信號 所以從本質上來說 人類觀測太空的技術 是在接收光 也可以說是電磁波 也能說是信號 本質上是同一個東西 好了 有了這樣一張圖 下面就開始今天的正片 合適的光 合適的觀測手段 無線電波可以毫無阻礙地穿過地球它一層 所以射電天文臺 就不用搭配柱狀的送到天上 在地面也很好使 射電環境不僅有這種大鍋 還有這種看似不太起眼的天線 各有好處 大鍋通常需要設計的很大 因爲這個波段的信號都比較弱 做的很大就能確保信號的完整性 還得加上非常靈敏的接收設備纔行 這類天文臺呢 需要遠離人類 找點僻靜的地方建造 因爲在這個波段 很容易受到人類的一些信號干擾 電視 雷達 汽車 一些電子設備等 我過的FAST也屬於射電天文臺 這個射電環境就造得非常大 直徑500米 世界第一 那還有一種射電天文臺長這樣 和我們小時候的電視天線一樣 但有些不同的是 這種小天線底部會鋪上金屬網 用來反射信號 天線上的頭頭屬於接收設備 那你可能好奇 這小東西怎麼比得上大鍋呢 雖然這個小東西看起來不太起眼 但無論它很便宜 每組天線的成本大概就幾百塊 那鋪的很多 很廣 也能當大型的射電環境 不過這種小東西有個地方比較麻煩 就是因爲天線多 數量也多 後期需要一個個去對時 再去計算 前期省事 後期費事 不管是大鍋 還是這種小天線 都是可以根據陣列式的組合 來觀測天體的 不太恰當的比喻 大家有沒有看過那種很多層色板的畫 如果單獨看每一層 你是完全看不出來 這到底畫的是什麼 如果把它們組合到一起 就成了一幅完整的畫 我們就能看到了 原來是個人 那如果色板層數不是很多 而且也都有大概的輪廓 我們能猜到這個是人 不過還是看不清細節 那增加這個層數 也能增加照片的分辨率 射點晚鏡的陣列 也是這麼個意思 通過覆蓋全球的射點晚鏡 同時對天空的一塊區域觀測 在經過原子中對時 後面再把所有萬年的信號數據 交給計算機計算 就能出來分辨率比較高的照片 那人裏看到的第一張黑洞照片 就是通過全球多個射點晚鏡組合拍出來的 拍攝花了兩天時間 後期的數據運輸和計算 花了兩年多 這完全是個大工程 這是這次項目使用的部分硬盤 總項目使用了500PB的數據量 可想而知兩天時間拍了多少數據 那射點天文臺有個最大的優點就是 可以造一個直徑比地球大得多得多的晚鏡 就是把射點晚鏡給送到地球軌道上 注意這裏是地球的軌道 那和地球上的晚鏡 就能組成一個超級大的射點天文臺 這種組合就完全形成了行星級別的大型射點晚鏡 看上去還挺科幻的 微波這個波段 地球大一聲就擋掉很多了 微波天文臺就只能上天了 而且微波要比紅外線波段能量還要低 波長還要大 所以微波是不太好探測的 那微波天文臺乾的是 就是儘可能的收集到足夠多的光子 才能完成觀測 這個波段的晚鏡就很少了 因爲實在沒啥東西好看的 最著名的微波觀測 就是宇宙微波背景輻射 上次尾波的視頻講到了尾波是去看紅外線的 因爲可見光經過宇宙大爆炸的膨脹拉伸 可見光的波長被拉伸成了紅外線 變成了不可見光 這個原理就是光的多普勒效應 跟火車迎面開過來 還有離你而去時 聲音變化的現象是一個道理 往你這來 聲波被擠壓 頻率變高 你聽到的聲音就刺耳 從你這遠離 聲波被拉伸 頻率變低 聲音就跟沒了電一樣 這應該是很好理解的 那如果更古老的光再被拉伸呢 對 這個就是微波 尾波看的是被拉伸了136億年的紅外線 而這個宇宙微波背景輻射 直接就是宇宙誕生37萬年後 宇宙空間產生的微光 這也是宇宙中最早誕生的光 尾波看的是天體星系產生的光 微波主要是等離子體的物質產生的電磁波 那時候還沒有天體 所以宇宙微波背景輻射 就被譽爲是大爆炸理論最好的證據 還是來看這個圖 紅外線的波段 還是有一部分能穿過大氣層到達地表的 那有些紅外線的觀測站可以選擇在高海拔 不經常下雨的地方 但是如果你觀測亮度稍微高點的星體還行 如果要觀測比較古老的 比較遙遠的星系 受到的影響就很大了 因爲任何有熱量的物質 都會往外輻射紅外光 那世界上又沒有沒有熱量的物質 所以任何物質都能輻射紅外光 包括望遠鏡本身 紅外線天平臺想要觀測很遠很古老的星體 就必須要自身冷卻 還得考慮到大氣層 那詹姆斯微波就是幹這事的 他還對了紅外波段 專門做了優化 就是開頭視頻那個玩具所體現的東西 一句話 就是越合適 這件事做起來越爽 能給你的東西也就越多 要不然你拿個正方形往圓裏放 一開始可能感覺樂呵呵 這操作和開掛沒啥兩樣 也沒有了挑戰性 就完全失去了成就感 那紅外光的特點就是波長相對還是長的 它能繞過一些宇宙上的雜質 就跟透視手機原理一樣 雖然人眼看這個遙控器是黑的 是不透明的 但是紅外線就能穿過這個手機殼 這就是因爲這個手機殼中的物質 正好可以讓這個紅外線給透過來 我看到不少同學問紅外線能不能透視衣服 怎麼說呢 衣服的材料跟遙控器的材料還是有些不一樣的 有些材料能透 有些材料是不能透的 那還有同學質疑這期視頻跟我們的視頻有些像 像就對了 我只能說一家人一個人寫的 這個就沒啥好講 古人在樹底還用眼睛看 現在是用眼睛看不到了 只能去光污染少一點的地方看 如果實在沒時間 網上也能看 那可見光幻鏡地面上有 太空中也有 最著名的就是哈勃幻鏡 通過可見光拍了不少快直徑軌的照片 不僅炫酷 而且好看 雖然多半是經過修圖的 但是都免費給你看了 就不要要求那麼多了 還是從那張圖片上能看出來 大氣對可見光的突破率也不是百分之百的 紅光的顫抖率就很差 而藍光就稍微好點 藍光剛好在水汽中發生的散射 是強烈的 在天上發射的到處都是 就把天空染成了藍色 那爲啥日出日落的時候 陽光變成了紅色呢 這個也很好理解 大中午的太陽直射你 穿過大氣層的厚度是相對薄的 那當太陽日出日落橫切地表的時候 太陽光遇到大氣層就很厚 藍光綠光都穿不過來了 那自然太陽光看起來就紅撲撲的 太陽本身的形象是黃色的 也是因爲太陽光中藍光被散射掉了 沒有被散射的光 就成了太陽的顏色 也就是略帶點黃色的色調 從這裏開始 下面的望遠鏡就沒辦法放在地球上 因爲對大氣的突破率幾乎是爲零的 在地球上沒辦法看 只能把望遠鏡放在天上去 紫外線天文臺在這裏沒什麼特別的 除了對綠光材料要求比較嚴苛外 跟可見光望遠鏡基本上沒啥區別 最大的區別就是在地球上不太好使 環境保護上經常說的大氣臭氧 臭氧就是專門用來抵禦紫外線的 如果這東西沒了 一不留神人就被紫外線曬傷了 那現在人類最先進的紫外線空間 望遠鏡大約能看到宇宙31歲這個時間點 再古老一點就沒辦法看了 哦對了 紫外線這個光譜區域呢 要比可見光寬的多 所以紫外線理論上來說 是比可見光好使那麼一大截的 更適合來做天文觀測 X射線望遠鏡呢 也得放到天上 而X射線因爲波長更短 能量更強 穿透力也更強 所以探測X射線 就不能用普通的鏡面反射原理了 那X射線怎麼探測呢 說到底還是反射 但是反射的角度要小得多 普通光線望遠鏡幾乎適合鏡面垂直反射 這個對於X射線不太實用 不過小角度的鏡面反射 對X射線比較友好 但是這樣有個比較明顯的缺點 對焦距離就變得非常遠 望遠鏡就得設計的很長 而且X射線望遠鏡的可視角一般會很小 這就很好理解了 拿根長管子看東西視野很有限 但管子越短視野就越大 X射遠望遠鏡 探測的都是高能量星體衰亡時發射的X射線 比如大自然恆星掉入黑洞 雙星系統在高速旋轉 中子星 黑洞 潮汐星爆發這些 還有太陽這樣的恆星 也是X射線的發源地 剛纔的X射線已經不太好聚焦了 到了γ射線這裏聚焦就別想了 這就跟顯微鏡一樣 可見光的顯微鏡放大倍數是有限的 因爲可見光的波張限制 導致光學顯微鏡的極限就在那了 想要放大更高的倍數就得改用電子顯微鏡 這個就是物理極限 沒辦法的事 那γ射線既然聚焦不了 我們怎麼來探測這個東西呢 目前有兩個方法 一個是在地面探測 一個是在太空中探測 我們先講太空中是怎麼操作的 γ射線雖然聚焦不了 但是探測器還是能探測到γ射線的 只不過分辨率會很低 這就跟近視一樣 雖然你拿掉眼鏡看不清遠處的東西 但還是能分清遠處大概是什麼 而太空中γ射線天文臺就是幹這事的 它主要負責告訴科學家 在太空中哪個方向由γ射線射過來 然後再啓用能聚焦的X射線天文臺去觀測 那地面是怎麼觀測γ射線的呢 它不是穿不了大氣層嗎 這個問題之前我們其實有聊過 γ射線雖然穿不了大氣層 但是γ射線的高能光子會和大氣層中的分子相撞 產生二極粒子 二極粒子再和分子相撞 再次產生粒子 如果我們在地面鋪設非常多的探測器 能把這些相撞之後的次一粒子都給收集起來 再經過計算機去還原原本的高能光子 簡單說地面觀測實際上是間接觀測 因爲這東西實在沒辦法聚焦 分辨率太低了 完全看不明白這是什麼 那經過間接的去找到這些被沖刷之後的拼圖 還原之後再給他們組合到一起 這個就是γ射線的探測方法 到這裏我們就講完了天文觀測 給我們展現一個合適的世界 原理也都挺容易理解的 都是基本的光學原理 別看原理很簡單 真正能把材料和理論融合 做出來能發現世界祕密的工具 也都需要幾十年甚至幾百年的技術沉澱 就好像這期視頻一樣 如果你們看完了都點贊收藏轉發 一鍵三連 那就可能會有更多的人看到這期視頻 那也能增加不少人對光學感興趣 說不定從我們的觀衆中 就能出來幾個已糊的光學大牛 所以爲了科學就不要吝嗇你的銷售了 人類的進步少不了技術科學 更少不了創新和顛覆 合適只是我們打好基礎 創新和顛覆才能和這個小朋友一樣 打破所有的內在知識 原來這個世界的打開方式 永遠不只有沒收常規 好了 本期視頻就到這裏了 感謝您的觀看 我是一號 我們下期再見