一位天體物理學(xué)家揭示了空間的真正構(gòu)成

當您想到太空時，您會想到什么？想象一下，一個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。同樣，外太空也不是完全空的。它很大，而且永遠在擴大，但里面有很多東西。

小時候，我經(jīng)常想一些問題，比如云有多遠，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飛行.這個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 個原子左右。試想一下 - 一個骰子大小的地球大氣立方體包含數(shù)十億個空氣顆粒。但在太空中，相同大小的立方體只包含一個或兩個粒子。

星際介質(zhì)和輻射

太空或外太空是一個巨大的、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動。

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，因為他們可以看到它對其他可見物質(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。它不會更改氣球的材質(zhì)，但會影響氣球的膨脹速度。

空間會扭曲嗎？重力可以彎曲空間嗎？

空間也會扭曲。想象一下，那個空間就像一個大而有彈性的蹦床。如果你把一個沉重的球，比如保齡球，放在蹦床的中間，它會向下傾斜很大。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，下沉越深。

如果您在蹦床上滾動較小的彈珠，保齡球位于其中心，則彈珠可能會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，它在行進時可能會稍微彎曲。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超深的浸入太近，它就會掉進去然后消失，就像東西被拉進黑洞在太空中，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，就像當你將沉重的球放在蹦床上時，蹦床會彎曲一樣。

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 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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