一位天體物理學(xué)家揭示了空間的真正構(gòu)成
當(dāng)您想到太空時(shí),您會(huì)想到什么?想象一下,一個(gè)朋友吹噓他們最近參觀了一座寬敞的建筑、體育場或博物館。您認(rèn)為這座建筑是巨大而廣闊的嗎?它只是非常大,還是看起來空無一物?
spacious 這個(gè)詞并不一定意味著空的。它只是表示有足夠的空間在其中的物體周圍移動(dòng)。同樣,外太空也不是完全空的。它很大,而且永遠(yuǎn)在擴(kuò)大,但里面有很多東西。
小時(shí)候,我經(jīng)常想一些問題,比如云有多遠(yuǎn),地球之外有什么,以及太空有多廣闊。這種好奇心促使我攻讀天文學(xué)碩士和博士學(xué)位。二十年來,我一直在教授這些概念物理教學(xué)教授在德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校。
太空從哪里開始?
地球被不同層次的各種氣體包圍。在海平面,地球的大氣層包含每立方厘米約 1000 億個(gè)分子。隨著我們的上升,大氣層變得越來越稀薄。
在大約 50 到 62 英里(80 到 100 公里)的高度,沒有足夠的空氣用于飛機(jī)飛行.這個(gè)將地球大氣層與外太空分開的邊界是稱為 Kármán 線,以匈牙利裔美國工程師和物理學(xué)家的名字命名Theodore von Kármán.卡門線以上的一切都稱為空間。
空間的密度可以變化,但平均而言,它只有每立方厘米 1 個(gè)原子左右。試想一下 - 一個(gè)骰子大小的地球大氣立方體包含數(shù)十億個(gè)空氣顆粒。但在太空中,相同大小的立方體只包含一個(gè)或兩個(gè)粒子。
星際介質(zhì)和輻射
太空或外太空是一個(gè)巨大的、近乎完美的真空,基本上沒有物質(zhì).與地球大氣層相比,這種真空包含的顆粒非常少。然而,它并非完全空。
太空中點(diǎn)綴著散落的物質(zhì)稱為星際介質(zhì),其中包括氫原子和氦原子。這些是太空中最常見的元素,它們以帶電和中性形式存在。星際介質(zhì)也包含宇宙塵埃– 散布在整個(gè)太空中的各種元素的微小顆粒,包括碳和硅。
高能粒子稱為宇宙射線 – 它們是主要是質(zhì)子和原子核– 以接近光速穿越太空。宇宙射線來自各種恒星,包括我們的太陽,以及來自超新星、材質(zhì)掉進(jìn)黑洞,星系碰撞和更多。
太空中充滿了各種形式的輻射,包括宇宙微波背景輻射.這是來自宇宙起源的殘余熱量。高能宇宙事件,如超新星和黑洞也發(fā)射 X 射線和伽馬射線.
磁場由恒星、行星和許多其他天體產(chǎn)生的天體也滲透到太空中。這些場通過像磁鐵一樣吸引或排斥帶電粒子來影響帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。
暗物質(zhì)和暗能量
科學(xué)家預(yù)測尚未看見的物質(zhì)形式不發(fā)光或不能量的稱為暗物質(zhì),占宇宙質(zhì)量的很大一部分。研究人員猜測它存在,因?yàn)樗麄兛梢钥吹剿鼘ζ渌梢娢镔|(zhì)的引力。
同樣,科學(xué)家預(yù)測一種神秘的能量形式稱為暗能量正在推動(dòng)宇宙的加速膨脹。與暗物質(zhì),暗能量與物質(zhì)或引力無關(guān),但它是空間本身的一種屬性。
把宇宙想象成一個(gè)氣球。暗物質(zhì)就像氣球的材料,影響它的形狀,而暗能量就像被泵入其中的空氣。它不會(huì)更改氣球的材質(zhì),但會(huì)影響氣球的膨脹速度。
空間會(huì)扭曲嗎?重力可以彎曲空間嗎?
空間也會(huì)扭曲。想象一下,那個(gè)空間就像一個(gè)大而有彈性的蹦床。如果你把一個(gè)沉重的球,比如保齡球,放在蹦床的中間,它會(huì)向下傾斜很大。這種下降類似于太空圍繞大物體(如行星或恒星)的扭曲方式。球越大,重力越強(qiáng),下沉越深。
如果您在蹦床上滾動(dòng)較小的彈珠,保齡球位于其中心,則彈珠可能會(huì)開始繞過保齡球重力造成的凹陷。彈珠沿著下降的曲線,就像行星沿著太陽周圍的空間曲線一樣。
想象一下,你用手電筒照在蹦床上。如果光線靠近保齡球產(chǎn)生的凹陷,它在行進(jìn)時(shí)可能會(huì)稍微彎曲。這就像光在經(jīng)過太空中非常大的物體(例如星系)時(shí)如何彎曲。
想想黑洞,它具有巨大的重力,作為蹦床中更大、更深的傾斜。如果你把彈珠滾得離這個(gè)超深的浸入太近,它就會(huì)掉進(jìn)去然后消失,就像東西被拉進(jìn)黑洞在太空中,無法逃脫。
因此,空間可以在具有大量重力的大型物體周圍扭曲或彎曲,就像當(dāng)你將沉重的球放在蹦床上時(shí),蹦床會(huì)彎曲一樣。
空間不僅僅是空虛。它包含粒子、輻射、磁場以及物質(zhì)和能量的神秘形式。將太空想象成一個(gè) 3D 游樂場,其中存在恒星、行星、星云和星系等物體,共同構(gòu)成了我們迷人而復(fù)雜的宇宙。
Nilakshi Veerabathina, 物理教學(xué)教授,德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校
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