宇宙中看不见的那部分可能更重要

本文转自：长江日报

《看不见的宇宙》

[英]马修·博思韦尔（Matthew Bothwell） 著

刘斌 译

中国出版集团中译出版社

□ [英]马修·博思韦尔

我相信，你一定曾在夜晚漫步于澄澈的星空之下。如果你也和我一样，此时一定会有股原始的冲动袭来，使你不禁抬头惊叹。凝望一片星海银河，再理性的人也会满怀敬畏，深陷其中。自人类诞生以来，世界各地的人们就开始仰望星空——这并不是巧合。

最古老的科学——天文学，就诞生于这样的敬畏之中。随着人类历史的进步，我们开始用眼睛、大脑以及各种工具来理解宇宙的星罗棋布及其运转机制。望远镜问世后，我们能看得更远，发现宇宙间隐藏的珠宝盒，其中满是古人无法想象的神秘星团、星云和各种天马行空般的模式。

不过，究竟有多少宇宙是我们肉眼可见的呢？人是视觉动物，认为世界是由“能见”所组成的。比如我现在看到桌子上的香蕉，大脑会把视觉信号加工成实际的认知，进而告诉我“看起来那里有个切实存在的香蕉”。当然，我们知道世界上许多东西是看不见的，比如暖气片上冒出的热气或笔记本电脑连接的网络信号。

事实上，在我们周围，我们所熟知且能看到的光只占了十分微小的一部分，而宇宙的大部分事物完全无法被我们用肉眼观察到。

在可见光的光谱中，位于两端的红光和紫光波长相差不到1倍。更确切地说，紫光的波长——人类可见的最短波长约为380纳米（1纳米等于1米的十亿分之一），而红光的波长——人类可见的最长波长约为740纳米，波长再长的话就变成了不可见的红外线。这相差近1倍的区间，可以被理解为我们用于观看世界的“窗户”。

无独有偶，当我们谈到声音的时候，也会提到相差近1倍的频率。相差一个八度（就像钢琴上的中央C键和高八度的C键）的两个音符频率也正好是近1倍。可以做个类比，把我们肉眼所见的光波理解为“可视版音阶”。你可以坐在钢琴前（如果你旁边没有钢琴，你可以想象一架出来），看看刚才那个八度之间的琴键，那就是人类在视觉上能看到的范围。把红光想成中央C，那它左边的B音就是不可见的红外线。高八度的C音就是我们能看到的紫光（更高的C#音就刚好属于紫外线的范围）。

那完整的光谱又是什么样的？和整架钢琴一样宽吗？不不不，实际上，它远比钢琴要宽得多。可见光是电磁波的一小部分，电磁波无所不在，其完整光谱包含65个八度，相当于9架大钢琴排成一条线！相比之下，我们看到的一个八度微不足道。如果这9架钢琴同时奏响，而你只能听到其中一架钢琴的其中一个八度，那么你错过了多少旋律？答案不言自明——几乎全部。

宇宙亦然。与更广袤的看不见的宇宙相比，人类肉眼所见的美景与奇观黯然失色。真实的宇宙包含着无尽的奥秘，今天我们仍然无法完全理解。本书是有关我们看不到的99%的宇宙的指南，展现的是一个存在于我们眼前却被悄然隐藏的世界。

【书摘】

■ 宇宙的本质

一眼望去，宇宙是由氢气组成的。因此，了解氢的属性对天文学具有重大意义。氢是大爆炸的遗物：自宇宙诞生以来一直保持原有的模样。氢也是恒星诞生的原材料。在许多星系中，氢多于恒星。对于天文学家来说，“多于”在这种语境下指质量更多。如果我们把星系中所有恒星放在宇宙天平的一边，把所有氢气放在天平的另一边，那么恒星一端会翘起来。氢看似稀疏轻薄，飘浮在深空中，组成飘忽不定的星云，但其实重于恒星。

此外，从光学角度来说，氢是完全看不见的。当然，你可以通过局部加热氢气，使其发亮：这就是星云，用双筒望远镜或者小型望远镜观察时它都十分漂亮。但这也仅占宇宙气体的一小部分，可以忽略不计：绝大多数氢是肉眼看不到的，在可见光波下全无踪影。幸运的是，对于天文学家来说，大自然一直都很仁慈：物理学定律使宇宙中最常见的氢在无线电波中闪闪发光。

当我们用21厘米这段神奇波长仰望星空时，就能突然看到宇宙中最为重要的物质，绘制出银河系真正的外貌，观察切实的螺旋，这些都是不可能用普通望远镜看到的景观。银河系的螺旋臂是丰富的氢库（因此恒星大量集中在螺旋臂中）。

读博期间，我大部分时间都花费在研究这冷氢气体上。我记得第一次打开图像，将21厘米波长图像与正常光线下拍摄的图像进行比较时，如同看见了昼夜之差，无线电所揭示的银河雄伟壮大，相比之下可见光的星系则十分渺小无趣。

我们认为是“星系”的物体——由我们肉眼看到的恒星和尘埃只是冰山一角。可见光看到的银河螺旋臂，只是由内侧的星系和恒星组成，并非真正的边缘。在此之上，还有许多我们看不见的物体，向外延伸数万光年，大多由氢组成。相比之下，我们所熟悉的银河系有点像海洋中间的孤岛。我们能看到的部分只是巨大水下高山的顶端。

由宇宙中氢云中发出的21厘米无线电波，是我们了解和绘制宇宙最重要的工具之一。在全球范围内，21厘米波长受到国际协议的保护：个人是不允许用这个波长发射无线电信号的，以防止干扰来自遥远宇宙的微弱信号。按照我们对21厘米无线电辐射的了解，我们甚至能通过它与可能存在的外星生命取得联系。

“旅行者”和“先驱者”探测器于20世纪70年代发射，是唯二离开太阳系的人造物：如同承载人类信息投向宇宙海洋中的漂流瓶。

两组探测器各自携带了我们寄给宇宙的信息，包括雕刻画、人类语言录音和音乐。“先驱者”牌匾的左上角描绘了两个氢原子：一个平行排列，另一个反平行排列。它们之间的连线代表的就是21厘米无线电波长。更为巧妙的是，这张图下面刻上了如星光一样的放射图案，实际是本地宇宙的地图，告诉解读者“我们在这里”。每条线都指向附近的一颗脉冲星，天文学家认为这是深空中最易识别的“地标”。但是，我们怎么告诉外星生命，让他们能辨别脉冲星的身份？设计师的解决方案是使用氢气的21厘米波长作为标记的尺度。如果有外星生命体存在，他们理所当然不知道人类的标准尺度，如米或秒。但如果他们了解自然，就会清楚氢气发出无线电波波长。

只要足够有智慧的外星人阅读，就应该能够破解其中的信息：我们是智慧生物，我们知道宇宙是如何运作的；我们在这里。

（长江日报记者马梦娅 整理）