宇宙中有哪些超出常人想象的现象?

子问题:地球上有哪些超出常人想象的现象? - 自然 宇宙实在太难想象了……对于我们一般人来说。但是很多人还是非常有好奇心的。 例如二维世界无法想象三维世界能把一张平面的纸卷起来,中间弄个洞,对二维世界来说就是虫洞啦~好像四维也能这么对三维世界弄虫洞……
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1、光速。
即使你站在我的对面,你看到的我也不是当时的我,当你抬起头,看到的是八分钟前的太阳,一百年前的北斗七星,250万年前的仙女座大星系……所以当你一个人在夜晚45度仰望星空时,看到的不是恐惧,也不是寂寞,而是满满的宇宙的历史。

2、尺度。
宇宙中最让人沮丧的是尺度,上面答案中有很多有趣的对比。宇宙中最让人欣慰的也是尺度。

目前飞得最远的是旅行者1号,不过是100多亿公里;飞得最快的是新视野号,刚刚造访冥王星。
这是太阳系的尺寸,过一个刻度扩大十倍,最小单位为一个日地距离。
人类在太阳系的影响力也不过是汪洋大海之一滴水。

不过大尺度有大尺度的好处,可以远离比如致命的超新星爆炸,也就是恒星的死亡。如果离地球很近,灭掉地球分分钟的事情。

比如距离地球约7500光年外的船底η星云。这里有一颗质量至少是太阳的90倍的恒星,它可能将终结地球上的生命。船底η星云是一个即将结束中央核聚变的天体,发生超新星爆发后可对周围时空产生影响,船底η也被称为海山二,距离我们7500光年,这个距离是非常近的,正处于发生超新星爆发的边缘。

3、能力。
人类的科技日新月异超出普通人的想象,不过也就仅仅是登陆过月球,造访过金星火星土卫六。
人们认为地球是中心,后来认为太阳是中心,再后来认为银河是中心,再后来发现了地球的大表哥:超级地球。

月球上看地球

土星附近看地球

海王星附近看地球


4、当然最最难想象的是时间空间之外,因为没有意义。

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有人问我推荐一些好看的纪录片,就贴在这里吧,供大家参考。

以下两部是比较短的,都是一集,各有特色,我比较喜欢第一部。
1、旅行到宇宙边缘,Journey to the Edge of the Universe (2008)
2、宇宙之旅,Cosmic Voyage (1996)

3、宇宙的构造,The Fabric of the Cosmos: What is Space (2011)
Brian Greene做主线讲解。空间,时间,量子跃迁,单宇宙或多宇宙,共四集。

4、与霍金一起了解宇宙 Into the Universe with Stephen Hawking (2010)
Stephen Hawking做主线。外星人,时间旅行,一切的故事,共三集。记得最后一集应该比较长。

5、了解宇宙是如何运行的 How the Universe Works Season 1 (2010)
这个比较长,共八集,分别是:恒星,黑洞,大爆炸,星系,太阳系,行星,卫星,超新星。

6、行星旅行指南 A Traveler's Guide To The Planets Season 1(2010)
这个也比较长,共六集。金星与水星,火星,木星,土星,海王星与天王星,冥王星及其外太空。
这个我下载的资源,字幕的时间不对,一直也没找到对的,注意一下这个问题。

7、宇宙之美,HDScape StarGaze HD Universal Beauty (2008)
这个就是纯哈勃图片集合了,喜欢的最好找高清的观看,连在大屏电视上效果更佳。

8、与摩根弗里曼一起穿越虫洞,Through The Wormhole(2010)
这个就更长了,有四季之多。

除此之外还有很多,不过我感觉看完以上几部应该会对宇宙有一个比较详细的了解了。

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图片信息:
第一张图片出自天文摄影师Randy Halverson之手,他拍摄了绝美的「仰望天河」系列。
500px.com/dakotalapse
《Plains Milky Way》【MV】轻音乐 -Plains Milky Way-高清MV在线播放

月球上回望地球出自阿波罗登月

土星附近回望地球出自卡西尼号

海王星附近回望地球出自旅行者1号

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1、关于超级地球:
传送门:2015 年 7 月 23 日,NASA 宣布发现 Kepler-452b 意味着什么? - 天文学

2、光锥
“光的传播沿时间轴呈锥状,物理学家们称为光锥,光锥之外的人不可能了解光锥内部发生的事件。想想现在,谁知道宇宙中有多少重大事件的信息正在以光速向我们飞来,有些可能已经飞了上亿年,但我们仍在这些事件的光锥之外。”
“光锥之内就是命运。”
林格略一思考,赞赏地冲斐兹罗连连点头,“将军,这个比喻很好!”
“可是智子就能在光锥之外看到锥内发生的事。”
“所以智子改变了命运。”斐兹罗感慨地说。
《三体》第二部《黑暗森林》
传送门:“光锥之内就是命运”这句话的出处?如何理解这句话? - 物理学

3、考虑一个极端的情况
传送门:是否存在宇宙已经开始毁灭只是我们还没看到这种可能? - 光学

4、有人说,看完再抬头仰望星空时,感到一丝的恐惧和忧伤
这个要回到那个问题:我们在宇宙中是否是孤独的?或许人类是宇宙中唯一的智慧生命形式,又或许我们的银河系中还有很多其他的文明。不过到现在为止,科学上的证据还不足以支撑两个答案当中的任何一个。在搜寻宇宙中生命的痕迹之路上,一条路是去监听来自太空的信号。比如:著名的SETI(地外智慧生命搜索)项目就在做这样的事;另一条路是去寻找外星科技的痕迹。地外文明可能已经发展出远超人类水平的科技,而它们会在太空中留下能够直接或间接观测到的痕迹。我们并不知道要找什么,甚至有可能什么都没有,但是如果不许寻找,可就肯定什么也找不到。

5、有人提到了相对论
这个如果说到时间在物理学上的准确定义是什么,可讨论的很多,估计还会绕到哲学上。
按照相对论的观点:时间是各自表述的,受空间和物质的制约,那么就比如那个海门二,我们看到的海门二就是我们现在的海门二,我们看到它没有爆发就没有爆发,不可能存在一个上帝瞬间穿越地球和海门二之间,给地球人提供预警信息。


最后一张史上逼格最高的英仙座流星雨,献给仰望的星空

出自petr horalek,摄于2015年8月,拍摄地为Slovak,Poloniny的暗夜公园,为拍摄此图片作者拍摄了大约120G的数据量,银河里还能看到许多漂亮的星云,比如北美洲星云NGC7000,心脏星云和灵魂星云等。
楼上的很多答案中都提到了宇宙的尺度、光速、星系这些宏观上的东西,那么答主在这里讲几个小现象吧。

这些小细节讲出来可能不如星系的尺寸和构成那么气势磅礴,但它们却是人类在探索太空的过程中需要去直接面对和克服的。

好,我们开始。

1)在宇宙真空环境中,两块裸露的同类金属在接触后会相互粘合,好像被焊接在一起一样。这个现象被称之为『冷焊』(Cold Welding)。

史上最具幽默感的物理学家费曼(Richard Feynman)曾经形象地解释道,这种现象的产生是因为『在真空中,处在接触面两边金属原子之间没有任何物质将它们隔开,所以这些金属原子「无法知道」它们其实是属于两块独立的金属的。』

而在大气环境中,由于空气的存在和金属表面氧化物的存在,两块金属即使相互接触后也不会粘合在一起。

在人类探索太空的过程中,对这个小细节的忽视曾经引发过巨大的麻烦。

1989年10月8日,NASA发射了一颗名为『伽利略号』的探测器,它的主要任务是对木星及其卫星进行观测。

其他很多答案中已经讲过,我们平时看到的太阳系示意图中,行星间的距离全都不是按照比例绘制的。木星与地球之间的距离比这些示意图上所显示出来的要大得多。如果我们按照真实比例绘制一张太阳系示意图并把地球画成一元硬币那么大的话,那么月球将在距离地球0.75米的地方,而木星大约在1.5公里外。即使以光速航行,从地球到达木星也需要43分钟。

为了到达如此遥远的一个地方,科学家们为伽利略号设计了一条非常复杂的航行路线:


图片中的粗实线就是伽利略号的航行路线。伽利略号于1989年10月18日从地球发射后,在1990年2月份经过金星附近并利用金星的引力进行了第一次加速,然后又分别在1990年和1992年两次经过地球并进行了两次加速。在这之后,它将经过三年的飞行到达木星轨道。

为了能在这样遥远的距离上与伽利略号之间进行数据传输,工程师们为它装备了一个巨大的主天线(High-gain Antenna)。下面的图片中,位于探测器上方雨伞一样的部件就是这个主天线。


由于伽利略号的航行路线中最初的一段距离太阳比较近,为了避免这个主天线在太阳照射下损坏,它在航程的前半段一直保持着收起的姿态,就好像一把合起来的雨伞。按照计划,当伽利略号运行到距离太阳较远的时候,也就是1991年4月时,地面控制中心才会通过远程指令将这个主天线打开。当主天线打开后,它在太空中看起来会是这个样子的(艺术家想象图):



1991年4月11日,当控制中心向伽利略号发送打开主天线的指令后,却发现主天线并没有完全打开。此时的伽利略号离开地球已经一年半了,地面上的科学家们只知道天线没有按照计划打开,至于天线究竟出了什么故障,是无法直接观察得到的。

科学家们只能利用伽利略号传回来的飞行姿态等有限数据,在地球上使用一模一样的复制品进行分析和模拟。排除掉种种可能性后,科学家们最终发现了故障的原因:在伽利略号发射升空之前,它在地面上经历了数次运输和测试,在这些过程中,覆盖在几根骨架上的润滑物质和氧化层在摩擦的作用下被过早地磨损掉了。在进入太空后,有三根骨架和其他金属部件在『冷焊』的作用下被粘结到了一起,伽利略号上的天线开启装置已经不具备足够的动力将它们打开。

这颗耗资十几亿美元,从开始设计到预计任务结束耗时25年的探测器眼看就要变成一块太空垃圾。

在这个时候,已经不可能有人或者机器能够追得到这颗探测器对它进行维修了。地球上的工程师们只能想法设法利用探测器上已有的部件将天线打开。

首先,他们试着通过远程指令将探测器进行旋转,使天线依次面朝和背离太阳的方向,希望温度差所产生的应力可以让骨架弹开。但是在经过了7次循环后,主天线还是没能打开。

接下来,工程师们尝试了旋转伽利略号另一个较小的天线来撞击探测器,期望由此产生的振动可以让骨架弹开。经过6次撞击后,这种方法也失败了。

最后,工程师们将探测器上用来打开的主天线的驱动器以特定的频率反复开启,以此增大它所能提供的最大动力。但是这种方法也失败了。

所以,这个主天线直到最后也没能完全打开。

不幸中的万幸是,伽利略号上还有一个备用的低增益天线(Low-gain Antenna)。尽管它的传输带宽只有主天线的万分之一左右(8 to 16 bits per second),但人们这时也只能使用它进行数据传输了。不过,由于地面接收技术以及信息压缩技术的进步,最终这个带宽又被提高了到了主天线的百分之一左右(1,000 bits per second)。从1991年直到2003年伽利略号任务结束之时,人们都只能使用这个大打折扣的低增益天线进行数据传输,尽管NASA声称伽利略号最终依然完成了70%的科学任务。

引起这个大麻烦的,正是前面提到的『冷焊』这个小现象。

2)从地球发射一颗探测器到火星,最佳发射时间并不是当这两颗行星距离最近的时候。

地球和火星分别是太阳系内距离太阳第三和第四近的行星。这两颗行星都在围绕着太阳做公转运动,但它们的公转周期却有着很大的差别。火星的公转周期为687个地球日,也就是说地球绕太阳差不多每转两圈,火星才能绕太阳转一圈。这也意味着地球和火星之间的相对位置是每时每刻都在改变的。

当火星和地球分别移动到太阳的两边时,二者之间的距离最远,这个位置被称为『合』(Conjunction),如下图所示:


这个名称听上去有点奇怪,在这个位置上明明火星和地球分开在太阳的两端,为什么要把它叫做『合』位呢?这是因为在这个时候从地球上观察,火星和太阳处于观察者的同一侧,所以称之为『合』。

而当火星和地球转到太阳的同一侧时,二者之间的距离最近,这个位置被称为『冲』(Opposition)。如下图所示:



这个时候从地球上观察,太阳和火星分别位于地球的两侧,所以这个位置被称为『冲』(opposition有相反、相对的意思)。对于地球上的观察者来说,当太阳在西边落下时,火星刚好从东方的夜空升起。而当火星沿着天空运行至西边落下时,太阳又刚好从东边升起。

那么问题来了:从地球发射探测器到火星的最佳时机是什么时候?

很多人(答主曾经也是)凭借直觉都会认为发射这样一枚火箭的最佳时机是在地球和火星直线距离最短的时候,只要瞄准火星的方向发射一枚探测器,就可以在最短的时间内到达火星。这样一条路线如果画出来的话就是上图中那条白色的直线。

但是,沿着这样一条路线是到不了火星的。

我们的地球每时每刻都在围绕着太阳做公转运动。也就是说,地球以及地球上的一切物体都在宇宙空间中以30公里/秒的线速度运动。从地球发射出的探测器自然也会获得这一初始速度。这个速度又大大超过了人类推进技术所能达到的速度,所以这颗对准火星发射的探测器在离开地球之后还是会和地球一起绕着太阳做圆周运动。 请看下面的图片:(下面三张图片都来自于这个页面:www-spof.gsfc.nasa.gov/,这是一个很棒的网站,介绍了很多太空知识)


在上面这张图片中,内侧的圆圈代表地球公转轨道,外侧的圆圈代表火星公转轨道。当一颗探测器对准火星发射后,会获得与地球相同的30公里/秒的速度V0,继续围绕太阳旋转。

那么,什么才是到达火星的正确方式呢?既然离开地球的探测器反正都要围绕太阳公转,我们只要在速度V0的基础上再给它加上一个特定的速度分量,把它的轨道从圆形拉成椭圆形,然后让椭圆的一点与火星轨道相切就可以了,就像这样:


探测器从处于P点的地球上发射后,经过一个椭圆形的轨道之后在A点与火星轨道相切。虽然绕着太阳转了半圈,但这却是从地球到火星最省力的路线,这条路线叫做霍曼转移轨道(Hohmann Transfer Orbit)。确定了轨道之后,下一步我们需要计算的就是什么时候从地球上发射探测器,可以让火星刚好和探测器同时到达A点以实现回合。在茫茫的宇宙空间中做到这一点就好比要算准时机,丢出一颗网球去击中正在空中飞行的另外一颗网球。计算出探测器从P点到达A点所需的时间,再减去火星在这段时间内走过的路程,就可以得到在发射探测器时火星应该所处的位置:


计算过程在前面的那个页面上有,这里就不重复了。地球和火星这种特定的相对位置,每26个月会出现一次,这也就是人们所说的『发射窗口』。

最后再补充一下,虽然霍曼转移是所需能量最小的方案,但并不代表这是唯一的方案。人们可以以多消耗能量为代价以其他轨道进行行星间的转移。例如下面这张维基百科图片就显示了三种不同的转移轨道。图中的(A)、(B)、(C)轨道代表的分别是(A)霍曼转移轨道(Hohmann Transfer Orbit)、(B)合点航行(Conjunction Mission)、(C)冲点航行(Opposition Mission)。