综述 在中国古老的神话之中，盘古开天辟地，使轻气上升，浊气下降，形成了天地。 大地稳固地待在宇宙的中心，而周围的日月星辰，都漂浮在九天之上，围绕大地旋转。虽说古人的世界观如今看起来稚嫩可笑，但人家的设想并没有违背常理。 Tips：地心说的起源非常早，最初由米利都学派形成初步理念，后由古希腊学者欧多克斯提出，经亚里士多德完善，又让托勒密进一步发展成为＂地心说＂。他们认为地球是静止不动的，而且处于宇宙的中心。 重的东西待在宇宙的底部，轻的东西漂浮在外，一切都没有违背逻辑。直到自然科学出现之后，古人对宇宙的各种设想都化为了泡影。公元前五世纪，古希腊哲学家毕达哥拉斯发现，地面其实是有弧度的，所以大胆猜想地球其实是圆形的，而不是一个存在边界的平面。 不是所有日月星辰都围绕地球转 1522年9月6日，一艘饱经风霜的帆船绕着地球一周回到了出发点葡萄牙。麦哲伦终于用实际行动，向大家证明了地球是圆的，它们下船时，欢呼的人群中，有人手里举着制作精美的地球仪。 Tips：1519年—1522年9月，麦哲伦率领船队完成环球航行，在环球途中于菲律宾死于部落冲突中，被一位名为拉普拉普的部落酋长杀死。船队在他死后继续向西航行，回到欧洲，并完成了人类首次环球航行。 而到了1543年5月24日，寿终正寝的哥白尼，收到了出版社迟来的消息，它的著作《天体运行论》终于出版了。自此，人类终于对宇宙的真相窥见一二。 我们知道了世界的中心其实是太阳，而地球和其他天体都沿着固定的轨道，绕着太阳周而复始地旋转。但是为什么会旋转？动力和背后的机制究竟是什么，还没有人能说得上来。 Tips：1514年5月，哥白尼写成了《天体运行论》，创立了＂日心说＂，推翻了＂地心说＂。它认为太阳是宇宙的中心，而不是地球。 世界上第一个精确记录了行星轨道运动的人，是丹麦天文学家第谷，他用了20年的时间观测天体运动，留下了大量的观测记录。 有些恒星的移动，都被他观测记录了下来，编成了恒星年表。开普勒在研究了他的观星记录之后，推算出了圆周的运动规律，也就是著名的开普勒三定律。 开普勒定律 Tips：开普勒定律是关于行星环绕太阳的运动。所有行星绕太阳的轨道都是椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过的面积相等。所有行星绕太阳一周的恒星时间的平方与它们轨道半长轴的立方成比例。 但可惜的是，尽管开普勒看出了行星的运动规律，却依旧没有办法回答它们为何那么运动。这时的人们对世界的认识是这样的。宇宙就像一个制作精密的发条钟表，所有星体就像齿轮一样有规律得运转，而且永恒不变。 只不过是谁在给这个精密的钟表的发条上弦，有些人认为是上帝，有些人则相信是某种还未被发现的神秘力量。这时候，在古人看来天经地义的现象，重的东西下落，轻的东西上升，再次引起了物理学家的注意。 为什么万事万物都牢牢得被固定在地面上，而不会飘浮在天空中呢？ Tips：根据推断，宇宙的形成距今约100～200亿年。而宇宙星体则来源于150亿年前的宇宙大爆炸，由数十亿颗的星系，恒星，行星组成。 牛顿在研究了开普勒的行星运算公式之后，带入自己的牛顿力学之中，终于推算出了万有引力定律。不过可惜的是，因为缺乏精准的实验方法，牛顿只能给出一个含糊的公式：两个质点之间的引力作用，与它们的质量乘积成正比，与它们之间的距离成平方反比。 从这时候开始，算出地球的质量，从理论上已经成为可能了。只要用一个铁球称一下，再计算几个参数，就可以算出地球的重量。 Tips：根据万有引力定律测定，地球的质量约为5.965×10²⁴kg。从地球的质量可得出地球的平均密度约为5.52g/㎝³。 不过牛顿的万有引力公式中，还有一个常数G没有计算出来。直到1789年，卡文迪什才用自己设计的扭称，算出了万有引力常数G，并且通过它算出了地球的质量，大约为59.72万亿亿吨。 四舍五入，差不多60万亿亿吨。这么重的东西，到底是怎么＂漂浮＂在太空中的呢？相信这是大多数人看到这个数据时的反应。万有引力 Tips：卡文迪许扭秤，由米歇尔神父制作，用于测量万有引力常数G。1797年夏，卡文迪许改进该扭秤，用两个质量一样的铅球分别放在扭秤的两端，中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子。 其实，这个问题，早在牛顿推算出万有引力定律的时候，就已经给出了答案。按照牛顿经典力学，世界上的万事万物，在没有受到外力的干涉之下，总是静止或者处于匀速直线运动的。 而地球之所以正以平均30km/s的速度做圆周运动，是因为它正在受到来自太阳的牵引。 Tips：地球绕太阳公转指地球绕太阳做周期性转动。公转轨道是非常接近正圆的椭圆，平均角速度是每年360度，平均线速度为每年940，000，000公里。 当然，因为这个圆周是个椭圆，所以地球其实还受到其他天体的引力影响，但其中影响最大的，当然还是太阳系中，占据98%质量的恒星太阳。 就像苹果会掉在地上一样，从物理的角度来看，其实是苹果受到了地心的万有引力影响，所以才被吸附在了地面上。牛顿借此推出了一个著名的假想，也就是牛顿大炮。 Tips：牛顿著作《自然哲学的数学原理》中的牛顿大炮插图照片。这张照片被收录在旅行者金唱片中，搭载在旅行者1号和旅行者2号前往到太空深处。 说如果在高山上架起一座大炮，沿着水平方向发射一枚炮弹。因为受地球引力的影响，这枚炮弹会向地面坠落，最终落在地上。 但如果这枚炮弹的速度够快，可以抵消地球施加给炮弹的牵引力，那么这个炮弹就永远不会落在地上，而是围着地球做圆周运动，变成了地球的卫星。 而这个速度，刚好等于7.9km/s，这就是著名的第一宇宙速度。 为什么太阳没有下坠，而是漂浮在宇宙之中呢？ Tips：地球卫星一般分两类，一人造卫星，二为自然卫星，就是月球。中国的第一颗静止轨道通信卫星是1984年4月8日发射的，命名为＂东方红二号＂，至今已发射成功了五颗。 我们再把视角回到地球和太阳之间，地球之所以会稳定得在轨道上运转，是因为它现在的速度刚好抵消了太阳的吸引力。如果地球的速度加快，它就会远离太阳，如果足够快，地球就会脱离太阳的束缚飞向浩瀚的宇宙。 当然，像《流浪地球》中描写的那样，给地球装上行星发动机，地球是绝对不可能脱离太阳的束缚的。因为按照牛顿经典力学，发动机想要获得动力，必须要向后喷射出大量的质量，才能获得动力。 所以我们看到，火箭的重量最多的是燃料，甚至占总质量的80%甚至更多。如果行星发动机真能推动地球，那么地球会像一只戳破了的气球，以肉眼可见的速度瘪下去。看来即便是大刘的作品，有时候也会出现硬伤啊。 Tips：太阳占据了整个太阳系99.8%的质量，剩下的所有气体巨行星、岩石行星、卫星、小行星、彗星等总共才占太阳系质量的0.2%。 就像上面所说的，如果地球的速度变慢，那么他就会更靠近太阳。 假设地球突然之间静止，不仅全世界的人会第一次感觉到地球急刹车带来的惯性，更可怕的是，地球将会径直地落入太阳之中，被巨大的火球吞噬。 看起来，到现在我们似乎已经解决了这个问题。对地球来说，所谓的下，其实是太阳的质心。 整个太阳系中运行的天体，其实都是在阻止自己落入太阳之中。那么问题来了，我们把视野放得更大，为什么太阳没有下坠，而是漂浮在宇宙之中呢？ Tips：太阳系质心位置是九大行星的方位、质量和距离决定的。当九大行星均位于太阳一侧、且成直线时，太阳系质心至太阳中心的距离可达1．514×106km。即超过一个太阳直径，相当于日地距离的1%。 要回答这个问题，时间就要推进到近代了。各种超大型天文望远镜，乃至射电望远镜的建设，让天文学家研究观测恒星成为了可能。在过去，我们之所以把太阳这类巨大而明亮的等离子体天体叫做恒星，是因为在我们的观测中，它们的相对位置看起来是固定的。比如说我们看到的星座，每一个发光的星星，其实都是一颗恒星。 Tips：天文望远镜是观测天体、捕捉天体信息的主要工具。1609年，意大利科学家伽利略制作了第一台望远镜，凭借望远镜观测到了太阳黑子、月球环形山、木星的卫星、金星的盈亏等现象。 通过长年累月的观察，人们终于知道，其实我们的太阳系，是在围绕着一个更大的星系在旋转。和太阳系只有1光年的范围相比，它大得可怕，大概有10万光年的直径。 看起来就像一个正在旋转的飞镖，其中每一个刺，就相当于一条悬臂。目前已知的悬臂有四条，分别是猎户座旋臂、英仙座旋臂、人马座旋臂和三千秒差距臂。 我们的太阳系就位于猎户座悬臂之中，距离银河系中心大概2.6万光年。 宇宙有一个中心 Tips：截至2019年10月，太阳系包括太阳、8个行星、近500个卫星和至少120万个小行星。太阳以220千米/秒的速度绕银心运动，大约2.5亿年绕行一周。 而这个银河系的中心，不仅天体的密度，是太阳系附近的10万倍，还有一颗离我们最近的超大型黑洞，人马座A。这是一颗质量超过430万颗太阳的超级黑洞，因为引力非常巨大，所以就连光也没办法从它附近逃逸，而是围绕它做圆周运动。 如果这些光线继续接近黑洞，就会被黑洞吸收，什么也看不见，这也是黑洞之所以这么＂黑＂的原因。而周围这些无法逃离的光线，会让黑洞周围看起来有一个光圈，这里的边界，就是黑洞的可视范围，也被叫做史瓦西半径。 Tips：北京时间2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世， 该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。 因为距离我们太过遥远，所以我们很难看到这颗黑洞的样子，只能根据它的重力推算，它的史瓦西半径大概有2400万公里。也就是说，银河系的中心，是一颗直径有4800万公里的巨大黑洞。 自从霍金发现黑洞其实也会向外发出大量的辐射之后，我们才有了正真直接观测它的方法，也就是像中国天眼那样，用射电望远镜收集这些辐射信号，来观测人马座A。 据现在的了解，人马座A每11分钟自转一圈。周围有非常多大质量的恒星在围绕它疯狂公转，有的恒星的运转速度，甚至达到了每秒5000公里。 和太阳围绕银河系的速度，每秒220公里相比，我们太阳系，简直就像在银河系中漫步。 似乎到了这里，问题就已经清楚了。人马座A Tips：人马座A（是位于银河系银心的强烈无线电波源。由3个部分组成：超新星遗迹的人马座A东星、螺旋结构的人马座A西星、及非常光亮的致密无线电波源人马座A。 太阳，乃至整个太阳系和银河系，都是在围绕人马座A公转。但让人疑惑的是，虽然人马座A的质量非常大，但跟整个银河系比起来，还是有点小牛拉大车的感觉。 科学家做过估算，如果只算这个超级黑洞的引力范围，它能影响到的地方，只有方圆100光年，而整个银河系，半径可是达到了10万光年啊。 我们究竟在向谁＂坠落＂？这似乎依旧是个问题。 Tips：最新研究表明银河系拥有四条清晰明确且相当对称的旋臂，旋臂相距4500光年。银河系的恒星数量约在1000亿到4000亿之间 。 天文学家观测了能找到的所有超星系团，发现无一例外都存在这个问题。我们围绕的中心黑洞，其实并没有能力牵引住所有星系盘运转。 对此，有学者认为，虽然超级黑洞的引力范围有限，但是被它束缚住的巨大恒星，也贡献了自己的质量，大家一起把引力层层传递，才维持住了星系团的运转。 不过当科学家把相关参数放进电脑中模拟的时候，结果依旧让人沮丧。模拟现实，重力完全不够，银河系应该被自己强大的离心力作用下，被甩得四分五裂。 Tips：星系团是由星系组成的自引力束缚体系，通常尺度在数百万秒差距或数百万光年，包含了数百到数千个星系。银河系所在的星系群叫做本星系群，成员星系大约为50个。距离本星系群较近的一个星系团是室女座星系团，包含了超过2500个星系。 于是有人提出，我们是不是忽略了一种物质，它看不见摸不着，但却提供了宇宙85%的质量。 正因为有它们的存在，宇宙中的这些星系，才可以稳定得运转。 它，就是我们所说的暗物质。所以实际上来说，我们太阳系，甚至是整个宇宙中的所有天体，都是在暗物质的维系下，保持着一种奇迹般的平衡？ 虽然说到目前为止，暗物质只是一种假说，但是就目前的观测来看，科学家也只能相信确实有这种物质存在。 Tips：最早提出＂暗物质＂可能存在的是天文学家卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通过星体系统的运动间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。而暗星系几乎完全是由暗物质构成的星系，距地球约5000万光年。 至于它到底是什么，科学家还在探索之中，并且也已经摸索出来了一些眉目。比如说它参与引力，并且性质非常稳定，不参与电磁相互作用，而且速度远低于光速，应该是一种还没有被我们发现的基本粒子。 曾经学者把希望寄托在了一种叫做＂弱相互作用大质量粒子＂的理论产物上，但实验失败之后，已经放弃这种怪异的想法。结语 Tips：结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（ΛCDM模型），可确定宇宙中暗物质占宇宙总质能的26.8%。 目前倾向于在中微子的范畴中寻找暗物质的真身，比如说又被盯上的中微子，＂轴子＂，就是目前学界认为，最有可能是暗物质的基本粒子。 至于它的奇妙性质，以及会不会是暗物质，都还需要时间研究。如果换做是你，你会接受暗物质这种说法吗？ 好了，本期视频到此结束，想看更多有趣的科普，欢迎关注，让我们下期再见