【哈佛大學】公開課：天文臺之夜 P14 - 14. 因為世界是圓的

帕特里克 我們通常稱他為帕特 他也很喜歡這樣被稱呼 已經在天文物理中心待了大約20年了 他的專長是X射線天文 treats 具體來說 他喜歡研究中子星、黑洞和超新星殘骸 他使用錢德拉X射線天文台 這是一架位於劍橋的太空望遠鏡 我們的許多員工都使用它或 {{--> 用它來收集他們的資料 他過去曾在我們的天文台度過許多夜晚 最近一次約在六年前 所以我們非常高興今晚終於再次歡迎他回來 他找到了一種引人入勝的方式 將他最熱愛的兩件事——科學與披頭士樂隊——結合起來 這一定會是一場令人著迷的演講 我將把它交給帕特·斯萊恩 謝謝你 克里斯汀 我的朋友兼同事保羅·格蘭特站在後面 幾個星期前 現在已經過了許多週 來到我的辦公室 並提到他在開車進入劍橋時 是按照女兒萊拉的要求在聽披頭四的歌曲 當他聽著這首歌時 被歌詞的簡單與深意所打動 他很清楚我是一個什麼樣的披頭士樂迷 所以他知道早上花一點時間和我談談這件事是值得的 正如我們所討論的 我開始思考這首歌的簡單性實則反映了我們從事科學的方式 以及我即將介紹給你的歌曲的美學 除非你已經知道它 這首歌的美妙之處在於它有三段歌詞 詩句聚焦於圓形的世界、強風和藍天 以一種本質上類似孩童提問「為什麼」的方式 問題的答案和歌曲的名字都是「因為」 這首歌的開頭是來自或靈感來自貝多芬的 generating 月光奏鳴曲 約翰·列侬的妻子小野洋子正在鋼琴上彈奏貝多芬的月光奏鳴 曲這是一首優美的歌曲 其旋律非常簡單 僅由三個音符的進行していく useClass 最終 一架獨奏鋼琴加入演奏 陪襯著這段音樂 約翰·列儂所說的是 這些真的很有趣 我想我們能否轉換一下觀點 重新審視一下這聽起來是什麼樣子 因此他這麼做了 這首歌上昇了 但卻以與貝多芬月光奏鳴曲相反的方式下降 他沒有帶來伴奏的鋼琴 而是帶來了伴奏的吉他 接下來我會告訴你 這把吉他以一種特別有趣且獨特的方式演奏 而我想你們從這裡帶走的主題 也是我接下來想要運用的主題 這是指當你開始一個專案時 你所做的第一件事就是站在巨人的肩膀上 你接手別人之前做得非常好的東西 然後你轉換問題的觀點 以不同的方式來看待它 你運用一些你恰好知道的特殊技巧來嘗試提升它 但最後你還是想盡量用優美而簡單的方式來呈現你所說的內容 這正是這首歌創作的方式 我打算從披頭四的巨頭們開始創作這首歌 並以一種能增進我對他們了解的方式來觀察事物 那麼 為什麼地球是圓的呢 當然 我們看到的圖片確實看起來相當圓 但如果仔細想想 這顆行星的表面有著非常高的山脈 這是珠穆朗瑪峰 它的高度約為三萬英尺 二萬九千英尺 solated when you go climbing on mountains like this you certainly wouldn't think of the surface of the planet as being particularly flat 你實際上會覺得 這顆星球並沒有那麼圓 但是如果你再轉回來 把那座山放到邊緣 你會發現完全看不到它 在這顆行星的規模來說 這些山嶽實在是微不足道 如果這就是地球 這籃球上的小波紋都比聖母峰還要高 所以 它是一個圓形的行星 它是一個非常圓的行星 這是如何形成的 而在天文學的主題上 這又會引導我們走向何方 好的 我們將回到這個房間來回答這個問題 重力使行星呈現圓形 宇宙中所有具有質量的粒子之間都存在重力 宇宙中的每一個粒子都會吸引其他每一個粒子 詩人法蘭西斯·湯普森曾如此表達：「在永恆的力 量之下 無論遠近、隱顯 萬物彼此緊密相連 」 你無法輕易觸動一朵花而不驚動一顆星星 所有事物都會吸引其他事物 重力趨向於將粒子拉向中心 當重力是作用在物體上的主要力量 而在大尺度的宇 宙中通常確實如此時 就會形成中心位置、圓形的物體 物體的質量越大 或者質量越集中 其所產生的萬有 WORDS 之間的內容必須完整且忠實地翻譯 不得有任何遺漏、跳過或簡略 當然 它們並非全都呈圓形 這是一顆明顯不像是圓形物體的小行星 它的直徑只有20公里 它的質量並不算特別大 因此 如果你站在那個物體上 其表面重力並不大 與地球相比 它只是一個微不足道的物體 而且它的重力並不是很強 但讓我們來想想地球 假設你想要在地球上建造一座山 取一塊花崗岩 谷歌用花崗岩的壓縮強度來測試它能承受多大的壓力 這會帶你到威斯康辛州的一個採石場 那裡列出了一些關於壓碎岩石的實驗結果 你會發現花崗岩的壓碎強度大約是每平方英寸三萬磅 因此 如果你取一根花崗岩柱 就像一座山一樣 而且你會問自己 在底部壓力那麼大的情況下 這座建築最多能建多高呢 答案是大約二omed英尺高 如果比那還要高 其巨大的重量就會壓垮其基座 重力太強 無法支撐比那更大的物體 更高的(xx)山會自行崩塌 珠穆朗瑪峰高約二萬九千英尺 這不是偶然 當然 這只是一個大概的計算 山不只是直直地插入地面的柱子 它們更為棱角分明 而且有陡峭的張力讓它們更加穩固 但從第一近似來看 這正是他們僅能達到目前高度的原因 如果我們觀察天文學中更大的尺度 特別是恆星及更大結構的重力形成過程 我們會發現重力將所有東西拉向中心的這種傾向 它主導了許多天文物理學etc 的主題以及宇宙中的結構 如果你有一個正在坍縮的氣體雲 當雲因為重力而坍縮時 重力會將所有物質拉向中心 當氣體粒子越來越接近時 由於碰撞而產生熱能 但隨著溫度升高 這些物體會發出輻射 它們會像任何熱體一樣輻射熱和其他形式的輻射 這意味著會有能量損失 因為輻射是一種能量 這顆坍縮的球體已經失去了能量 如果它失去了能量 那就表示它沒有足夠的 力量來抵禦試圖將它再次拉合在一起的重力 因此 能量損失導致它進一步坍縮 但當它進一步坍縮時 溫度會升高 這使它輻射出更多能量 這又使它進一步坍縮 這是一個惡性循環 使得一切事物都想要坍縮到中心 好嗎 這確實是發生的情況 例如 在恆星形成過程中 它們在生命週期中會被重力 壓縮至中心點 中間會有停頓的階段 此時核融合發生 它能提供足夠的壓力來抵禦恆星中心的重力坍縮 但這是一種暫時的狀態 如果你耗盡了燃料 坍縮就會繼續 對於低至中等質量的恆星 這種最終的坍縮會在中心 物體成為一個約地球大小的 微小天體——白矮星時停止 對於更巨大的恆星 這種塌縮不會停止在白矮星階段 重力強大到足以將物體壓縮成一種極其緻密的狀態 稱為中子星 而且如果質量更大 它將壓縮恆星的核心 直到逃逸速度事先無法逃離的程度 物體要能逃離 必須具備的速率 比光 速還要快 因此 連 光也無法從其中逃離 而且 當然 這些就是黑洞 星系是也由重力形成的大型結構 會將大量物質吸引至中心 而且我們知道大多數星系的中心都存在 質量達數百萬倍太陽質量甚至更大的黑洞 我們怎麼知道呢 嗯 這是我們自己銀河系中心的景象 這些是恆星 這些是在一段時間內拍攝的影像 你會看到這個循環重複出現 它開始於90年代初 並持續到2000年代初 而這些物體明顯是進入某個東西的軌道中 但那是看不見的 有一個物體 是這運動的重力中心 但這個重力中心並未被觀測到 透過追蹤這些物體繞行的時間 可以推測那裡存在多大的質量 答案是太陽質量的數百萬倍 埋藏在銀河系中心這個黑暗的小洞中 但是我們能從那個洞看出什麼嗎 嗯 從某種意義上說 我們確實可以看到 這是一張同一片天空區域的X光影像 這支箭頭指向銀河系的中心 那個區域有X射線輻射 如果那是黑洞 那麼為何會有X射線從那裡發出呢 X光只是一種光 X光以光速行進 如果黑洞是連光都無法逃離的東西 我們是如何看到來自黑洞的X射線的 嗯 答案是我們其實並不是直接從黑洞看到這些X射線的 物質正落入黑洞中 它開始下降時變得非常熱 熱度高到會在X光波段輻射出來 物質的流速 當它落入黑洞中心時 溫度可以非常高 黑 洞的重力場非常強大 當物質向中心坍縮時 它流動得非常快速 快到什麼程度 好吧 我們來談談強風 因為風勢几高 吹亂了我的心 因為風很大 好的 我們開始在這個星球上行動吧 哇 所以 風是什麼 風只是氣體 因不同區域之 間的壓力差而產生的運動 氣體會流向低壓區域 在地球上 風速可能相當高 尤其是在特殊的情況下 例如 這是一張顯示美國一些城市平均 風速的表格 這是以 英里每小時為單位的 阿拉斯加的費爾班克斯 風力 只有每小時五英里左右 或者類 似這樣 芝加哥 這座風城 平均風速大約每小時八到九英里 波士頓 明顯是風較大的城市 某種情況更接近12這裡 我們測得最高的風速 =_ CLI=地球上 曾經測得的最高風速 實際有風速測量站的地方 在新罕布夏州的華盛頓山 風速達到每小時20 serialize and some miles per hour 那已經相當高了 如果與這個比較的話 這就是龍捲風等級 所以 F0、F1、F2、F5 級龍捲風 有史以來記錄到最快的龍捲風 這些明顯更高於 華盛頓山的風速 但這仍然非常驚人而這裡 我們有颶風等級 用來通常用來對那些風進行分類 那麼 你如何衡量真正強勁的風呢例如 你如何衡量龍 捲風或颶風中的風呢 好吧 你必須使用你所知道的其他方法 你必須對這個問題應用一些物理學知識 而這不涉及將物體放在那裡 並讓它旋轉 並計算它旋轉的次數 所使用的是多普勒效應 什麼是多普勒效應好吧 你們都聽過這個現象 當波浪朝你移動時 頻率的變化 會被感受到 波長會在 運動方向上 被壓縮 這等同於說 當頻率增加時 它會 在運動方向的後方減少 讓我給你一個例子 如果你不相信的話 好的 這裡有東西正朝你移動 正朝遠處移動你可以聽到其中的變化 現在 如果我們能找到關閉按鈕會很不錯 認真地說 因此 當某樣東西進入這個旋轉軌道時 當它朝你移動時 頻率會增加 當它遠離時 頻率會減少 這提供了一種測量速度的方法 波長的變化 也就是波峰之間的距離 與波長本身 如果它不是朝你移動的話 有關聯 這與速度有關 當這個物體朝你移動 時的速度 與聲波傳 播的速度相比 如果是聲波的話 明白嗎 結果發現 在 這首歌中 約翰·列侬利用他對這一點 的了解來取得優勢 方式如下 他拿起了他所使用的吉他 而且他把它通過一個旋轉的揚聲器 所以 這是一個在這裡的揚聲器 揚聲器的紙盆 它連接到了這裡的馬達 當他彈奏吉他時 他打開它 音響開始不斷轉動 為什麼他要這麼做 原來是因為這首歌 這首曲子以大鍵琴開始 他希望他的吉他聲音能 稍微像一點大鍵琴 所以 而不是純粹的音色 如果 你注意聽吉他進來的方式 每張便條都因 為這個旋轉的 錐體而呈現出 更為豐富的質感 嗯 光的行為與聲波完 全一樣 光是波 所以如 果光朝你移動 波長會縮短 如果它遠離你移動 它被拉長了 藍光的波長較短 所以如果光線朝你移動 它會向藍色偏移 如果它遠離你 它會向紅色方向偏移 科學家可以利用 這一點來測量風速 多普勒雷達系 統會發射雷達波 一種電磁波 到空氣中 如果那道電波遇 到含有雨滴的雲層 雷達電波就會反射 回接收器 延遲時間 波浪出去再 回來所花的時間告訴你雲層有多遠 但 如果雲層正朝你移動 那 種波浪的頻率 那種雷達波 會發生位移 這種位移告訴 你雲層移動的速度 因此可以 獲得雲層區域 的多普勒雷達圖 並判斷它們不僅距離多遠 但是風有多高呢 好吧 同樣的把戲也可以這麼做 在天體物理學中 有 嚴重的風 而不是這 些柔弱的小龍捲風 如果我們有一個黑洞 而且物質正朝 黑洞掉落 它 在接近中心時 會繞著黑洞旋轉 而且速度非常快 它會被加熱我之前提過這一點 它散發出能量 這種散發出的能量 會打擊其他正 在墜落的物質 當這股能量打擊到 周圍物質的原子時 這裡有一個入 射的輻射光子 從黑洞區域 它可以撞擊那些原子內部的電子 並將它們撞 rename 當這些電子 被撞出後 就會有空間讓另一個電子 進入 跳進去吧 這有點不錯 讓電子跳入這 個空洞並填補它 當它這樣做的時候 會以X光的 形式釋放能量 因此當我們觀察時 螺旋狀的氣體 我們可以看到來 自下落物質的X 射線發射 如果 這是鐵氣 體原子例如 這種發 出的X射線會以 特定的波長出現 特別的能量為64千電子伏 特我將其稱為KeV 這 是能量的測量單位 這裡是 一種光�𝐦 來自下落的物質 到黑洞 並有一個明顯的高峰 顯示每個不同能量 範圍的X射線數量 那裡有一個大峰 在6 4 KeV 那是來自鐵的輻射 進入黑洞 好吧 如 果這些塊 狀物體正在 落入黑洞並螺旋旋轉 那麼那6 4千 電子伏特的輻射 當它朝你移動時 會 被移至更高的能量 當它遠離你時 會被移至更低的能量 這裡所展示的 正是這樣 當然還有一段 ológica 的音頻說明 一個緩慢移 動的鐵塊移動的幅度較小 但更快的會移動很多 美麗之處在於 這確實發生了 這是一張圖表 顯示測量到的 鐵發射光譜 來自一個黑洞系統 該系統由珍·特納研究* 來自美國國家航空暨太空 總署戈達德太空飛行中心 她辨識出三個雲團 她辨識出三個發射氣體的區域 其中6 4 KeV的譜線 來自鐵元素 這個現象大 約每27小 時反覆變動一次 因此 這些團塊大約每27小時繞著黑 洞運行一次 現在 如果你 知道這種物質繞黑洞轉一圈需 要多長時間 這就表示你了解黑洞中心的重力 有多大 而來自這方面的數據 這表示在這個 特定系統中存在 一個質量是太陽數百萬倍的黑洞 這些位移的大小 說明 能量在6 4 KeV處來回位移的程度 告 訴你其移動 的速度有多快 那些團塊正在移動 答案是它們正在移動以每秒兩萬英里的速度 所以這些是強大的風 問題是 有什麼東西真的能 停止那些風 什麼是黑洞 我們需要向 天空尋找答案 好吧 那麼為什麼天空是藍色的呢 其實 天空之所以是藍色的 是因為 太陽的光由 所有可見光譜的顏 色組成 當它遇 到大氣中的 微小粒子時 這些粒子會 使光線散射 但它們不會以 各種不同的顏色或各種不同 的波長散射 波 長越短散 射得越多 因此紅光 散射得非常多 而藍光則不然 它多次散開 當它最終回到你身邊時 Goal 已經歷過多次方向的改變 讓我來告訴你 讓我試著告訴你 那確實會發生 我不清楚 我確定大家在那邊是看不到的 但我這裡只有一 個裝滿水的水箱我正在用一道白光穿透它 而且我要把它 倒一些牛奶 現 在是溫熱的牛奶 所以沒有人 要這個 我要 把它倒入牛奶 因為裡面有小脂 肪和蛋白質球體 如果你掀起這件事 變得 非常小 並會散射 光線因此 輕輕攪動 而且我想你應該看得出來 當你正在看著 在油箱的一側 燈光 開始呈現出 藍色的色調 如果你看不 太清楚 再 給我一次機 會來攪動它 如果你看不清楚 那麼當然 如果你看一下側面 你 會發現透過 這個槽體透進 來的光已經變 得非常橙黃色 這是因為這 台投影機的藍 光已經散射 到兩側 只剩 下紅色和橙色 能穿透 過來因 此同樣的情況 也//適用 與天空一樣 當我們 朝藍光來的 方向望去時 因為它被散 射了這麼多次 在天空中 而當我們看 著紅光時 我們看到它從 太陽的方向回來 因此 我們看到的是藍色的天空 當太陽必須穿 過大量大氣層 當太陽接近地平線時 我們朝太陽 的方向望去會看到許多紅色 一個紅色的落日 好的 以下是符合所有規則的翻譯結果： opinions what does that have to do with the question that I asked 我們要芽 麼才能阻 止物質掉入黑洞呢 我談到了 粒子如何 在光進入 艰時散射光 但是 讓我們 換個角度來看待 這個問題 從另一個方向來觀察 我們有物質掉 入黑洞 因為 它正在掉入黑洞 所以黑洞 材料會變得非常熱 特別是在X光 部分的光譜中 這種輻射 會找到下落 的物質 而不 是物質散射光線 這種輻射 會散射物質 它會將其推開 它會對 墜落的物 質產生輻射壓力如果來自這種 輻射的亮度過高 實際上會阻 止物質墜落 在黑洞上 那麼 輻射壓力 會阻止物 質墜落 這個輻射 亮度稱為 愛丁頓光度 其表達 式如下 如果物體發出的 亮度以單 位來計算 黑洞的質量與太陽 的質量 之比小 於30 000倍 這將會讓物質落 入黑洞 如果它比 那還要明亮的話 會把物質全部吹散 如果將那個 情境反轉過來 並轉而探討 群體的問題 根據黑洞 發出的亮度 核心物 質必須 大於某個數量 否則將無 法產生足 夠的重力將 物質拉下來 輻射壓力會 將其全部吹散 因此 如果 我們測量黑洞的亮度 這會告訴我們 我們不希望這物質 落入並產 生那種輻射 這意味著我們可 以利用這個方法 觀察這些天體 測量它們的亮度 並直接測量出黑洞的質量因此 類星體具有極高的亮度 它們的 亮度是 太陽的萬億倍 也就是10 的12次方 10的12次方 10的負5次方等於10的7次方 3乘以10的7次方 這表示這些類星 體的質量 是太陽的 3000萬倍 這些類 星體是極其 巨大的黑洞 但是 這為什麼讓我哭泣呢 嗯 這是我們的星球 這是藍色的星球 我們知道 從這缸水來看 它之所以是藍色的 是因為進來的光 被散射了 波長較 短的光比其他波長的 光散射得更多 所以 當我們回頭看時 我 們看到的是藍色成分 陽光照耀 那顆行星 並優先反射回我們 在這國際天文年 距伽 利略時代已過了四百年 發現 有許多令人驚嘆的事物 至 少其中一樣你 今晚或許能透過望遠鏡一窺究竟 這讓我們 對這顆藍色星 球多了一些沉思 同時代的克 里斯蒂安·惠更斯 在得知伽利略 的發現 包括他 對土星環的辨 識以及木星衛星 的發現後 評 估了當時的情況 說這些天體該有 多麼浩瀚而這地 球又是多麼渺小 這舞台上所上演的一切我們偉 大的計畫、所有的航行與所有的戰爭 都只是轉瞬即逝 這一點與他們相 比實在是微不足道 對於那些犧牲了那麼多人 生命的君王和王 子們來說 這是 一個非常值得考慮和反思的問題 再看一次這 個場景、這張 照片、這張略 顯尷尬的照片 是在多年後拍攝的探測我 們太陽系的旅 行者1號探測器 它旅行了這麼 長時間 生活了這麼長時間 最 終離開了太陽系 卡爾·薩根 認為在它離開 太陽系時是一件很棒的事 因為它即將 離開太陽系回頭看地球 等同於回頭 看太陽 因 此相機中出現 了許多來自內 部結構的反光 但確實可以看 見在這特定的 光暈中心 有 一個微小的光點放大後看起來是這樣 這讓卡爾· 薩根感到驚訝 我們成 功地從深 空中拍攝到了這張照片 如果你 仔細觀察 會看 到一個小點 那 是這裡 那是家 那是我們 你曾 經聽過的每個人 每個創造者與毀 滅者、每個君王 與農民、每對熱戀中的 年輕人、每個懷 抱希望的孩子、每 個聖人與罪人 在我們這個物種的歷史 中都曾那裡生活過 在塵埃上懸浮的一 束陽光中 對我來說 也許沒有比這 幅遙遠的影像更明顯的證據 顯示人類自大是多 麼的愚蠢 這就是我們渺小的地球 對我來說 這強調了我們 彼此以更 溫柔和憐憫 的態度相處並珍惜和保 護那顆淡藍色的 星球——我們唯 一認識的家 嗯 這 是一個深遠的觀察 然而以一種簡單 的方式看待我們在 宇宙中的位置 我試圖通過以非常 Entsprechend的方式看待 我們世界的不同方面帶領我們到達 那個 點[-][-] 並帶往伽利略 從未見 過的地方 如黑洞 以及 來自太空物體 的高能X射線 而不是展示一 張最終的幻燈片 帶你走完全程 我剛才談 過的總結 最後兩分 鐘46秒 我將 讓你聽完整首歌 R 是圓形的 它讓我興奮 因為世 界是圓的 高興時 閉上心靈 因為風 勢強勁 你就是R 天空是什麼 是藍色的 這讓我感到高興 因為天空 藍色是什麼 高海拔