sun759.com:宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!

宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!
2019年11月01日 08:23 申博游戏博彩网去澳门

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  出品| 新浪科技《科学大家》

  撰文| 赵公博 中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文与空间科学学院教授、天文学系主任

  我国古代先人非常有智慧,在汉代古书刘安的《淮南子·齐俗》中,就提到过“四方上下谓之宇,往固来今谓之宙”,简单来说宇是空间,宙是时间,所以宇宙学是一门研究时空的学问。

  在宇宙中,时间和空间基本上是一回事。因为当你看到宇宙深处的时候,你就看到了过去。我们通常提到的宇宙学长度单位:光年,看起来挺奇怪,像个时间单位,实际上是长度单位,代表是光走一年的距离。

  光走一年的距离是多远呢?也不是很远,大概就是94600亿公里。那银河系有多大呢?直径十万光年以上,也就是说,从银河系的这一端走到另外一端,光要走十万年。

  当你看到更遥远的星系,比如仙女座星系,距离地球250万光年,你看到的这个样子是它250万年前的样子,今天可能已经不存在了,另一个风车星系离我们更远,有2100万光年。

  所以对研究宇宙学、天文学的人来说,“任时光匆匆流去,我只在乎你的过去”,看不到未来,我们只能通过过去了解宇宙发生了什么。

  如何探索宇宙演化历史

  要研究宇宙,你首先需要一个非常好的理论,而要创造一个好的理论,你需要一个聪明的大脑。爱因斯坦就建立了非常伟大的理论:广义相对论,但同时你还需要有非常好的观测方法去检验理论,其中多重宇宙探针就是用各种各样不同的手段去探索宇宙。

  宇宙微波背景辐射是我们的一个观天利器,它的原理其实很简单,类似利用微波炉的波段去探测光子在全天区的分布,根据大爆炸理论的预言,在天空中有一个3K的微波背景辐射,这个微波背景辐射在天空的分布中带有大量宇宙学信息,因为这些光子是从宇宙大爆炸之后的38万光年飞到了我们的今天,携带了大量沿途的“风景”,所以我们说宇宙微波背景辐射是探索宇宙婴儿时期的利器。宇宙微波背景辐射研究(cosmic microwave background简称CMB)已经两次获得了诺贝尔物理学奖。

  宇宙标准烛光:超新星

  我们不仅可以通过看光子去研究早期宇宙发生了什么,我们还可以通过观测另一种星级-----超新星,它们被称作宇宙标准烛光,距离我们相对近一些。为什么称之为标准呢?因为它从爆发到死亡,光度随着时间是有规律的,我们可以利用超新星的光度去推断它和我们的距离。

  另一方面,利用今天的光谱技术能够测算出速度,有了距离有了速度,科学家就可以测量很多有意思的宇宙信息,比如宇宙学参数等等。

  通过超新星,1998年,科学家发现宇宙不仅在膨胀,并且是加速膨胀, 2011年的诺贝尔物理奖就颁发给了超新星相关的研究工作。

  宇宙的标准的汽笛:引力波

  引力波被称为宇宙的标准的汽笛,研究宇宙不仅可以靠看,还可以靠听。当两个致密天体相互并合绕转的时候,它会形成时空的涟漪,就像声音能被大家能听到一样,因为空气在声音传播当中压强发生了变化,引力波是时空的涟漪,本质上振动可以通过“声音”听到。而且引力波携带了非常重要的宇宙学的信息,所以被叫做标准汽笛。2017年引力波的相关研究也获得了诺贝尔奖。

  宇宙标准尺:重子声波振荡

  我的研究领域是做重子声波振荡,它被称作宇宙标准尺,前面有烛光可以看亮度,有汽笛可以听声音,标准尺可以测量距离。我们的方法是利用大量的星系样本,利用统计学的性质从里面提取宇宙的演化信息。重子声波振荡研究在2014年也获得了邵逸夫奖。

  从这里不难看到,每一种研究方式都很重要。结合这些观测,我们今天能了解宇宙能量组成:4%是大家比较熟悉的普通物质。普通物质就是你、我、他、太阳、黑洞,这些都可以叫做普通物质,你可以看得见摸得着。剩下的96%都是我们不知道的,分成两部分,大概三分之二的是暗能量,剩下的是暗物质。

  自从20世纪初设立诺贝尔物理奖以来,一百多次诺贝尔物理奖都颁给了这4%,大家可以猜测一下,还剩下96%的“诺贝尔奖”级研究工作等着我们去发现。

  实际上,暗物质、暗能量方面的研究已经获得了多次诺贝尔奖,CMB研究获得过两次,加速膨胀研究2011年获得诺奖,引力波研究2017年获得诺奖,还有今年非常重要的Peebles的研究也获得了诺奖,他建立了一整套宇宙引力学的框架,如果没有他,我们今天的宇宙学研究是很难展开的,他的工作奠定了基础。

  这就是我们今天所了解的宇宙演化历史,基本上可以分为三部分,宇宙的开端。在这个阶段宇宙的膨胀非常之迅速,是一个加速膨胀过程,就好像一个人在婴儿阶段生长是非常迅速的,在很短的时间之内从婴儿变成了一个巨婴。

  中间这个过程宇宙在生长发育,我们都知道有引力作用,在引力作用之下,时空的膨胀大家可以想像,应该是减速的,因为是相互的吸引作用,在这种作用之下,宇宙慢慢的膨胀,宇宙结构在慢慢的生长,就像树苗一样。

  直到60亿年前,宇宙不知为什么又开始加速膨胀,而且是炸裂式的生长,我们至今不知道原因。有些科学家认为是由于有暗能量的存在导致的,但是暗能量是什么我们并不知道,我们只能慢慢接近,利用我们今天的巡天观测,去分析它的性质,探索它的本质。

  宇宙应该分为这样一些阶段:大爆炸、之后的暴涨,非常急速的膨胀。然后宇宙当中有一段时间是黑暗时代,这段时间宇宙里面没有发光的东西,因为第一代恒星没有形成,主要是氢。

  大爆炸之后四亿年左右,宇宙第一次被点亮,这是第一代恒星的形成,之后宇宙里面有越来越多、越来越丰富的结构,恒星形成星系,星系形成星系团。

  最近在60亿年前左右宇宙又开始了加速膨胀阶段,这也是我本人研究的主要方向。

  宇宙加速膨胀阶段

  我们先从最开始谈起,宇宙加速膨胀列几个数字大家感受一下,10的负36次方秒之内宇宙膨胀了10的26次方倍,不是物质在膨胀,而是时空本身在膨胀。

  由于宇宙的膨胀,温度也从最开始的10的32次方度下降到了一千万度,在此时的婴儿宇宙里面开始存在一些基本粒子、光子、电子等等。

  宇宙光子是最重要的媒介,不管你是用什么望远镜,光学望远镜、射电望远镜等,探测的都是光子,只是在不同的频率上而已。

  探测光子的频率和微波炉的频率是比较接近的,用来观测在全天区当中不同温度的涨落。

  上图中蓝色可能是温度低一些的,橙色的温度高一些,看起来毫无规律,但正是这毫无规律的天图,里面蕴含着丰富的宇宙学信息。

  我们是如何知道宇宙有138亿年呢?就是通过上图。宇宙里70%的暗能量,20%的暗物质怎么知道的?也是通过这幅图。

  这里讲到一个偶然的发现:彭齐亚斯和威尔逊当时是贝尔实验室的工程师,他们的工作是要降低射电天线的噪声,当他们把设备对准各个方向的时候,他们发现有一个噪声永远无法去掉,而且这个噪声非常均匀,跟指向哪个方向并没有关系。

  而在同时代,不得不提到一位伟人,就是Peebles。Peeble当年提出一个理论,当时很多人认为宇宙是静态的,Peebles则认为宇宙不是静态的,并且开始了一次大爆炸,基于大爆炸残存的噪声这个信号大概有多少呢?他发现大概是3K即零下270对应的能量标度。

  当这彭齐亚斯和威尔逊发现了这个噪声之后,他们马上联想到Peebles的这个工作,于是他们赶紧跑过去跟普林斯顿的科学家包括Peebles一起讨论,看看是不是预言的信号被我们发现了,最后,1978年彭齐亚斯和威尔逊获得了诺贝尔奖。

  光子在宇宙大爆炸38万年之后变得自由,然后飞向我们,之后的宇宙就变的丰富多彩,在宇宙里存在暗物质。什么是暗物质呢?中午各位吃饭的时候可能吃了很多暗物质,它是物质,但是跟你没有相互作用,但正是这些暗物质的存在,使得我们的宇宙里面的结构可以形成。

  我们通过数字模拟得到的宇宙形成演化。右图为数字模拟,已经和我们今天观测到的星系非常接近了,有各式各样形态的星系,椭圆星系、漩涡星系等等。因此,暗物质理论能够很好的满足今天的观测。

  宇宙为什么会加速膨胀

  接下来就是我的研究领域,也是我们如今未知最困惑的一个方面,就是宇宙的膨胀或者宇宙的加速膨胀。

  说起这个问题还要从从一位“牛人”说起,就是牛顿,牛顿与苹果的故事可能大家都非常熟悉了,一个苹果砸到了智慧的大脑,于是牛顿发现了万有引力定律。他发现任何两体之间的互相吸引,但是却没告诉我们为什么,他只是发现了这个现象。

  20世纪初,爱因斯坦建立了一个非常时髦的理论:相对论,当年没有几个人能理解。当爱因斯坦面对同样现象的时候,却陷入了深深的思考,他给出了一个完全不同的解释,为什么两体之间能够互相吸引呢?爱因斯坦认为是因为物质的存在会导致周围时空的扭曲,物质告诉时空怎么扭曲,时空反过来告诉物质怎么去运动。

  爱因斯坦得到相对论之后,他迫不及待的把它运用到宇宙的研究,当时他发现有两个可能的解,一种情况就是宇宙要收缩,另外就是宇宙要膨胀。

  这两个解爱因斯坦都非常不满意,因为没有人希望我们有一天坍缩到起点,或者膨胀的四分五裂。于是爱因斯坦在想,我怎么样让宇宙保持稳态,不膨胀也不收缩呢?

图注:大家看著名的爱因斯坦方程被印到火车上,说明它当时是多么的时尚多么的流行

  对方程我们不去深究,它的意思就是时空曲率等于物质分布。物质分布可能有吸引的作用,你可以想象一个收缩的时空比较容易理解,因为物质之间有吸引作用,爱因斯坦认为宇宙不可能膨胀,所以就把膨胀这个解给排除掉了。于是他想如果宇宙是收缩的可能我还有办法,收缩是因为万有引力,我为什么不引入万有斥力让它不收缩呢?在1917年爱因斯坦创造性的在他的方程后边加入了一项,宇宙学常数,也就是最早的暗能量模型。

  得到这个方程之后,爱因斯坦非常兴奋:我的宇宙终于完美的平静下来,而且我的广义相对论终于可以被完美的运用到宇宙上了。

  但是时间没过多久,1929年,英国的科学家哈勃发现宇宙根本不是静态的,宇宙是在膨胀的,而且离我们越远,它的膨胀速率越快,是一个正比关系,今天的宇宙还在不停的膨胀,跟距离成正比。

  你可以想象爱因斯坦得知这个消息的时候是什么表情,他说了一句话,翻译成中文就是“引入宇宙学常数是我一生犯的最大错误”,并且没有之一,非常懊悔。

  但是故事并没有结束,1998年三位科学家利用超新星的研究发现:宇宙不仅在膨胀,而且还加速膨胀,大家想象一下当年爱因斯坦引入宇宙学常是为什么?是为了让宇宙不膨胀,他认为宇宙是收缩的,加入这个常数之后宇宙可以不膨胀。可是宇宙本来就是膨胀的,加入万有斥力之后是不是膨胀的更快?所以爱因斯坦完全是从错误的出发点得出了正确的结论。

  这就是为什么你看98年的《Science》的杂志封面爱因斯坦的表情非常的复杂,很惊喜也很懊悔,科学也许就是这样。

  加速膨胀研究在1998年就被列为十大科技进展之首。根据权威的一个国际机构暗能量特别工作组的报告介绍,认为暗能量的存在,说明我们今天对基本粒子或者引力理论的理解或者不正确,或者不完备,总之需要一场基础物理的革命。

  当然这是一个重大的机遇,我们今天生活在精确宇宙学的时代,我们有非常高质量的数据,可以从里面提取暗能量的信息,暗能量的方向也是美国十年规划最高优先级的研究方向,也是我们国家十三五重点突破的基础前沿领域之首。

  大规模星系巡天研究暗能量

  研究暗能量有多种手段,我本人的研究就是利用大规模的星系巡天。

  上图是我们从望远镜里面拍摄的部分的星系,每个点代表一个星系。我们就是利用类似一种人口普查的方式,对星系进行统计研究,叫做成团性分析。

  根据测量得到的结果,发现在某一个特殊的尺度上,星系的对数非常多,我们用天文学的标度叫做100兆秒差距的这么一个尺度上,有一个局部的突起在那里。

  这个突起的位置非常重要,因为它来自早期宇宙的信息,反过来就可以推测宇宙的年龄、宇宙的膨胀速率、宇宙的组分等等信息。所以在宇宙学当中,我们把它叫做宇宙标准尺,也叫做重子声波振荡,是非常重要的一个物理工具。

  这张图展示了另外一个非常重要的效应,叫做红移畸变,它对于我们来说是一个信号。

  我们利用黑洞在空间中的三维分布,去测量宇宙的膨胀历史和结构增长历史,这些东西可以帮助我们研究暗能量。利用星系巡天我们可以提取三部分最重要的信息,对应三大科学目标:

  第一个是重子声波振荡,它探索的是宇宙膨胀历史,对应暗能量的性质。

  第二个是红移畸变,因为宇宙结构增长是由引力做主导的,所以它可以研究引力的性质。

  第三个是小尺度成团性可以帮助我们测量中微子质量。因为中微子绝对质量在地球上是很难研究的,你只能探测不同代的中微子质量的相对绝对平方差,但是宇宙学里面你可以测量中微子绝对质量。因为如果中微子过多的话,中微子有很高的速度,它会使很多小的结构无法形成,这些研究也都是未来获得诺贝尔奖、邵逸夫奖的研究方向。

  回到暗能量,我们与合作组一起,测量了宇宙膨胀速率和结构增长率,可以测量一个非常关键的宇宙学的参数----暗能量的状态方程。暗能量的所有性质体现在这么一个方程或者一个函数上:

  横坐标是时间,纵坐标是状态方程:暗能量的压强和暗能量的密度之比。图中画了一条虚线,这是爱因斯坦在1917年预言的暗能量状态方程,是严格等于负1的。很多年来大家把爱因斯坦的这个模型称为标准宇宙暗能量模型,认为暗能量就是真空的能量,尽管有很多理论上的问题,但是大家也基本上广泛接受了。

  2017年我们利用最新的天文观测,利用重子声波振荡,红移畸变等等,重建了暗能量随视线的演化历史,可以明显看到它不是等于负1,不是一个常数,而是随着时间而演化的。

  蓝色的部分就是我们得到的误差,这个误差比较大也足够显著。我相信随着我们观测能力的提高,我们会慢慢接近暗能量的本质。

  没有答案的暗能量研究

  如果暗能量真的是个动力学,那意味着什么?这可能是非常值得我们思考的一个问题,今天我是没有答案的。

  暗能量到底是什么呢?它是一个宇宙学常数吗?是真空的能量吗?今天不能完全把它排除,但是看起来可能性并不是很大,有可能是一种未知的能量存在形式。

  有没有可能是一种引力的效应呢?任何理论可能都有适用范围,比如牛顿力学到宇宙学尺度可能就不适用了,广义相对论可以用到更大的尺度,那在更大更大的尺度上,是不是广义相对论也需要修正呢?它是不是有暗能量的候选者呢?也有可能,也有人说暗能量是信息,统统都有可能。

  随着我们观测手段、观测能力的提升,我们现在用的是SDSS 2.5米口径的望远镜,已经探测了一百万条星系的光谱,但是远远不够,今年下半年开始DESI的合作项目,将基于一架更大的望远镜,要探测两千万条光谱。我们熟知的FAST射电望远镜,口径500米,也会在非常高的精度上给我们提供线索。

  卡尔·萨根曾说过,我们生活在宇宙当中可以说我们是非常孤独的,我们是非常无知的甚至是有些傲慢的。但是不管怎么样能够在广袤的空间和无限的时间当中,大家一起共享一颗星球,共同研究宇宙,我想是我的荣幸。

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