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看不見的宇宙:宇宙95%的真相,藏在你的視線之外

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活動訊息

2026年11月金石堂強力推薦
金石堂閱讀週年慶第二波
第48次中小學生讀物選介

內容簡介

「看得見」的宇宙,只占全部的5%
黑洞×暗物質×暗能量,追尋星空深處的隱祕秩序

▎看見,只是宇宙的一小部分

  人類仰望星空數千年,以為看見得愈多,便愈接近宇宙的全貌。然而,現代宇宙學揭示了一個令人震撼的事實:恆星、行星、星雲、黑洞,以及所有能被望遠鏡捕捉的可見物質,加起來只占宇宙約5%,其餘約95%由暗物質與暗能量構成,至今仍難以直接觀測。從肉眼望見的星辰,到電波、X射線與重力波,人類每一次拓展感官的邊界,也同時發現更廣大的未知。宇宙真正迷人的部分,往往正藏在視線之外。

▎從地心到膨脹宇宙

  全書從人類宇宙觀的演變出發,帶領讀者重新經歷一場場認知革命。地球曾被視為世界中心,太陽後來取而代之;當人們又以為太陽位居宇宙中心時,星團分布與銀河結構再次改寫答案。哈伯藉由造父變星丈量星系距離,紅移現象則讓靜止不變的宇宙轉為持續膨脹的宇宙。這些突破背後都有相似的科學精神:從異常現象提出問題,以新的假說重新理解世界,再透過數學、觀測與實驗尋找證據。科學的進步,往往始於對「理所當然」的一次懷疑。

▎追蹤黑暗中的宇宙訊號

  當視線進入宇宙更幽暗的區域,黑洞、重力波、暗物質與暗能量相繼登場。黑洞讓時空彎曲到連光也無法逃逸;巨大天體的碰撞,能讓整個時空泛起微弱漣漪;看不見的暗物質可能以引力維繫星系結構;暗能量則被用來解釋宇宙為何正在加速膨脹。事件視界望遠鏡、LIGO、FAST,以及LISA、天琴與太極等觀測計畫,展示人類如何把地球、太空甚至脈衝星變成測量工具,從極微弱的訊號中追索宇宙留下的痕跡。

▎在未知之前保留想像

  在既有宇宙學之外,作者進一步以邏輯推演構想「互補宇宙」,思考暗能量、黑洞、反物質與循環宇宙是否可能存在另一種解釋,並明確區分科學共識與思想假設。從哥白尼到愛因斯坦,從一根標準燭光到跨越數千光年的脈衝星測時陣列,人類始終在有限生命中追問無限宇宙。看不見並不代表不存在,未知也不意味著無法靠近。願意凝視黑暗、尋找證據、保持懷疑與好奇,正是人類一步步接近宇宙真相的方式。

〔本書特色〕
本書從人類宇宙觀的演變出發,帶領讀者探索黑洞、重力波、暗物質與暗能量等神祕領域,並介紹科學家如何透過望遠鏡、數學與觀測追尋不可見的宇宙。書中兼具科學知識、推理方法與想像力,引導讀者理解未知、保持懷疑,也感受人類持續探索宇宙真相的勇氣。

作者

海上雲

本名孫海榮(Hairong Sun),電子工程博士。曾任大學教授,發表專業論文百餘篇,著有專書一部,並擁有十餘項美國技術專利。現於半導體公司從事研發工作,定居美國。
除科研之外,長期致力於科普與詩歌寫作,以兼具理性與詩意的筆觸探索科學與人文的交會。
已出版圖書:《基因圖鑑》、《唐宋詩人的情緒病歷書》、《「一字」是起點,「千言」是迴響》、《千年詩魂十圖騰,唐代十位詩人的行跡與命運暗線》、《千年詞魂十圖騰,五代至清初十位詞人的行跡與命運暗線》;科普叢書:《趣講科學史》六冊、《少年讀科學》三冊、《遇見元素》、《讀懂基因》、《少年酷科學:一本書讀懂ChatGPT》。
詩作入選多部詩歌選集,包括:《湖畔新韻》、《旅美華語詩典》等,並於科普雜誌開設主題科普詩專欄十年。

目錄

序
第1章:演化中的宇宙觀
「天文研究的七種武器」之一:以近知遠
「天文研究的七種武器」之二:左右兼顧
第2章:看不見的宇宙之黑
「天文研究的七種武器」之三:珠聯璧合
第3章:看不見的重力波
「天文研究的七種武器」之四:各騁所長
第4章:看不見的暗之暗物質
「天文研究的七種武器」之五:進退有度
第5章:看不見的暗之暗能量
「天文研究的七種武器」之六:薪火相傳
第6章:一場基於邏輯的科幻推演
「天文研究的七種武器」之七:異想天開
跋
附錄1:如何觀測「看不見的宇宙」
附錄2:中英文關鍵字
附錄3:宇宙觀的演化
附錄4:宇宙魔鬼辭典—開腦洞的專業名詞解釋

試閱

哥白尼的革命

看著日昇日落,四季輪迴,日出有盼,日落有念,東西方的古人都直觀地形成了地心說的宇宙觀。

地心說從西元前的古希臘一直到十五世紀的歐洲,占據了主流地位。

但是這個學說在解釋行星的逆行軌道(Retrograde)時遇到了困難。人們在觀察星空的時候,以星座背景做參考,發現金星、水星、木星、火星、土星的運行軌跡很「奇葩」。比如,原本好好的向東運行,有時會先停下,後退向西運行幾天,然後又恢復正常由西向東運動。這種「倒行逆施」和當時人們心目中最完美的圓形相差甚遠,成為一個謎團,也是地心說最無法解釋的現象。

到了十五世紀,哥白尼發現地心說的體系太複雜了,好比走到了死胡同。他就跳出原來的思維框子,想道:如果地球不是中心,而太陽是中心的話,會是什麼樣的情況呢?

在這種情況下,地球和其他行星都繞著太陽運行。我們從地球上看其他行星,將會怎麼樣?

哥白尼透過建立模型和計算,發現如何解釋行星逆行的難題一下子迎刃而解了。

如果地球和火星都在繞太陽運行,而且兩者的運行速度不一樣。地球跑得快,火星轉得慢。地球自然會在某個時間點超過火星,這個時候,地球上的人以星空作為背景,就會產生火星在逆行(倒退著飛行)的錯覺。

看看示意圖便一目了然。當地球在軌道點1、2、3點時,火星在前面,火星在夜空的投影顯示它是一直在往東飛行,是為「順行」。

從即將追上的點4,到擦肩而過的點5,和揮手告別的點6,地球超越了火星,火星在夜空的投影顯示它轉而向西飛行,是為「逆行」。

我們可以打一個比方,在哥白尼的理論體系中,地球是快馬,而火星是老牛。快馬超過老牛的時候,騎在快馬上的人就會覺得牛好像在後退(逆行)。

所以,火星在夜空背景上的運動,實際上是一種「視運動」——視覺上看上去是這個樣子的運動,其實並不是火星真正的運動軌跡。它是一種視覺上的錯覺,是因為地球和火星的繞行速度不一樣而造成的。

從「地心」轉向「日心」,從「日動」轉向「地動」,顛覆的是思維的天地和認知的宇宙。在哥白尼故鄉有一座他的雕像,座基上寫著「他讓地球轉動,令太陽和天空靜止」。

愛因斯坦說:「宇宙的永恆之謎在於其可理解性,宇宙能被理解是個奇蹟。」這個奇蹟要歸功於人類的科學思維和推理能力。我們在這本書中,除了宇宙學知識之外,還要傳播這種科學思維和探索精神。

我們來看哥白尼的科學推理三步:

1.提出問題(Raise a Question):現有的理論有什麼不完善的地方,有什麼缺陷?要有敏銳的觀察,要有質疑的精神,要有批判性思維。

2.亮出觀點(Make a Point):打破常規思考,提出新的假說。

3.推理驗證(Prove It):證明有兩個方面:一是用數學模型推導證明,二是用實驗和觀測驗證,實證的論據越多,說明假說越可信。

這種科學的方法,將觀察、實驗和數學相結合,透過伽利略等科學家的實踐,得到了完善和發揚光大,成為人類研究自然的強大武器。


太陽不再是中心

哥白尼的日心說經過克卜勒、伽利略等科學家的觀察、研究和改進,慢慢地被廣泛接受。

日心說的核心是:太陽是宇宙中心。

到了20世紀,美國有一位天文學家沙普利對著銀河數星星。天文學家把密聚在一起的星星叫做星團。這些星團用肉眼看,只能看到一顆星,但是用天文望遠鏡觀察,裡面有成千上萬顆恆星。

星團,是恆星的集體家園,由幾十顆至上百萬顆恆星組成。它們共同誕生於同一片星雲,擁有相近年齡與成分。星團分為疏散星團與球狀星團:前者年輕,散布於銀河盤面;後者古老,聚居於銀暈之中。

他發現在人馬座(也稱射手座)方向的球形星團很多,有上百個,而在反向的御夫座方向只有十幾個星團。這是怎麼一回事呢?

如果你在森林裡,朝一個方向看,樹木密密麻麻,而另一個方向樹木很稀疏,還能看到藍天白雲,你會有什麼推測?樹木密集的方向很可能是森林的深處,而稀疏的方向很可能是森林的邊緣。神奇的是,古人在命名星座的時候,居然十分湊巧把射手和御夫分別安排在密集和稀疏的地方,射手當然要去茂盛處,而馬車和御夫自然遠離密林。

沙普利根據球形星團的疏密進行推理:銀河系的中心在人馬座方向!我們的太陽在離開中心2/3的地方。

沙普利一下子把太陽從宇宙的中心劃歸到了遠郊,對將近四百年以來的日心說造成了很大的衝擊。

從地心說到日心說,是一場革命,需要有質疑的勇氣。從日心說到「太陽不再是中心」,也是一場革命,同樣需要批判性思維。


銀河不再是宇宙的全部

1920年,天文學界舉辦了著名的「世紀天文大辯論」,沙普利是主角之一。這個大辯論的主題之一是:銀河是不是代表了整個宇宙?

沙普利認為,是,我們所能觀察到的所有天體都是銀河的一部分。

而另一方的柯蒂斯則認為不是,星空中那些旋轉的星雲是在銀河系外巨大且獨立的星系(譬如仙女座星雲),宇宙是由銀河、仙女座星雲這樣一個個星系構成的。

「星雲」一詞最初用於描述夜空中模糊發光的天體,天文學家據此編錄、命名大量「星雲」。後來發現其中許多其實是獨立的星系,星雲的定義因此被收窄為銀河系內由氣體與塵埃組成的結構,如發射星雲、反射星雲、暗星雲等,是恆星誕生與死亡的重要舞臺。

在「世紀天文大辯論」四年之後,一名年輕的天文學家根據觀測和計算一錘定音:仙女座星雲是一個比銀河系更大的星系!這名天文學家就是哈伯,後來著名的哈伯望遠鏡就是以他的名字命名的。

他是怎麼得到這個結論的呢?他計算出仙女座星雲距離我們250萬光年,比銀河系中最遠的星星遠幾十倍。銀河系的直徑只有10萬光年。沙普利把太陽系從銀河中心貶到了遠郊,哈伯則把仙女座星雲一貶就是百萬光年。

那麼,他又是怎麼算出這些天文距離的呢?這要用到天文學的標準燭光。

如果你站在黑夜裡不動,哈伯手執一根蠟燭走遠。蠟燭在夜色中搖曳,哈伯離你越來越遠,你看到的燭光越來越暗。燭光的強度符合平方反比定律,也就是說你看到的燭光強度和哈伯到你的距離的平方成反比。我們可以根據燭光的強度,計算蠟燭的距離。

那麼,宇宙中有沒有一種星星可以用作蠟燭來測量距離呢?

有,它叫造父變星,是一種亮度週期性變化的星星。

天文學家勒維特在仔仔細細比較了1,777顆造父變星之後,發現了一個非常有趣的規律:變星的絕對亮度越高,光強變化週期就越長。譬如,在造父星座中的變星,一顆以30天為週期變化亮度的變星,和一顆以3天為週期變化亮度的變星相比,前者最亮時的絕對亮度是後者的10倍。好比是兩支蠟燭,一支更大更亮,「搖曳」慢些;一支更小更暗,「搖曳」得快些。這些變星就是一組「搖曳」生姿的蠟燭,絕對亮度和「搖曳」週期成正比關係。

讓我們取一支大一點的蠟燭為例。我們先在比較近的星系中找到一顆週期是30天的變星A,透過其他的傳統天文觀測方法(比如視差法Parallax,在夏至和冬至看同一顆星星在天幕上的位置有微小的變化),計算出它到我們的距離,比如500光年。

再在遙遠的星系中找到週期同樣是30天的變星B。它們的絕對亮度是一樣的,但是,因為離我們更遠,所以視亮度(看上去的亮度)會低一點。根據非常簡單的公式(平方反比率):

視亮度=實際亮度/距離平方

就能算出這個遙遠的星系到我們的距離,比如距離1,000光年的變星B的亮度,是距離500光年的變星A的亮度的1/4。(具體的說明附在本章末)。

如果說勒維特是發現了蠟燭的人,哈伯就是手執蠟燭走向宇宙深處的人。從哈伯開始,人類的目光投向了銀河系一樣的一個個星系,天文學演變成了星系天文學。

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    • 9786264710725
    • 分級
    • 普通級
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    • 194
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    • 25開15*21cm
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