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宇宙学中你需要知道的五件事情

2009-12-06 . 阅读: 14,501 views

小时候,我非常喜欢天文学,对宇宙的各种现象很着迷,看过很多关于宇宙学的书。我也一直认为我会朝着这个方向去努力,但种种原因,原因种种,到现在,也只是个爱好者。关于宇宙的探究,我最喜欢的一段视频是《旅行到宇宙边缘(下面有视频)》。如果你也喜欢抬头思考问题,那么不妨科普一下,这是来自“科学松鼠会”的一篇文章:宇宙学中你需要知道的五件事情

你一直在被哈勃定律所困扰吗?一直在为大爆炸而困惑吗?让我们重新审视一下这些问题,寻找这些宇宙学中重大问题的解答。

宇宙学的目的是了解宇宙的起源和演化,单从这一点就能看出它的雄心勃勃。近一个世纪前,天文学家发现绝大多数的星系正在远离我们,并由此揭示出了一 个让人惊骇的事实——我们的宇宙正在膨胀。几十年前,天文学家意识到,天空中充满了宇宙形成之后不久光子所发出的微弱射电波。几年前,专门用来探测这一宇 宙微波背景的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)则又发现了强有力的证据,证明我们的宇宙在极早期经历过一个超高速膨胀的“暴涨”阶段。

[图片说明]:WMAP探测到的宇宙微波背景辐射。图中的不同颜色代表了温度在2.725开上下十万分之一的波动。版权:NASA。

有些人认为现如今的宇宙学正处于“黄金时代”。然而,相对于它不断所取得的进展,一些宇宙学中最基本的概念却让人难以把握。这里列举出五件宇宙学中最让人困扰的事情,它们或许是普通人想要理解宇宙学家们目前所做的最大障碍。

一、如果遥远的星系都在离我们而去,这是否意味着我们就处在宇宙的中心?

用一个字回答:不。

20世纪20年代,美国威尔逊天文台的埃德温·哈勃(Edwin Hubble)和米尔顿·赫马森(Milton Humason)发现,除了距离最近的星系之外,其他的星系都在远离我们而去。此外他们还发现,距离越远的星系其退行的速度越快。但是,这些星系的退行运 动并不是穿行于宇宙空间之中的,而是宇宙空间自身的整体膨胀。星系只不过是搭了个便车而已。

1916年,德国理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)发表了他的广义相对论。这一理论拓展了他早先的想法,囊括了引力对空间的形状以及时间流逝的影响。一年之后,荷兰天文学家威廉·德西特 (Willem de Sitter)使用爱因斯坦的理论证明,一个几近真空的宇宙必定会膨胀。哈勃认为,他所看到的星系退行现象正是一个由“德西特空间”所组成的宇宙的如实表 现。

在膨胀的宇宙中传播的光线会被拉伸。光子会损失能量,因此谱线的位置会向长波(红光)段移动。同时,超新星爆发的信号也会被拉伸。遥远星系中的超新 星会比近距星系中的持续更长时间,而且距离越远持续的时间就越长。这就意味着宇宙空间自身也在膨胀。被镶嵌在宇宙空间中的星系在跟随空间一起远离其他的天 体。

天文学家通常会使用气球来比喻膨胀的宇宙。气球表面的图案代表星系。对气球充气就相当于宇宙的膨胀,这时气球表面每个图案之间的距离就会变大。不幸的是,绝大多数人试图把这一类比推向另一个极端,询问气球的中心是什么。


[图片说明]:宇宙膨胀是宇宙空间自身的膨胀。版权:Astronomy/Roen Kelly。

必须要明白的是,这本质上是一个二维的实验。在一张白纸上画许多的点,然后在一张透明片上把刚才的画放大再画一遍。将两者重叠起来,并且任取一点作 为参考点。“无论这个点在哪儿,每个点上的‘观测者’都会看到其他点在离他/她而去,”美国加州大学欧文分校的阿萨塔·库雷(Asantha Cooray)解释说,“这正是宇宙中的每个星系所正在发生的。”

另一个想象宇宙膨胀的途径是把它看成是一个葡萄干面包。当面包(宇宙空间)膨胀的时候,每颗葡萄干(星系)都会看到其他的葡萄干在远离自己而去。而 这些葡萄干自身并没有改变,变化的是它们所处的空间。同时,每颗葡萄干也都是等价的,因为所有葡萄干都在远离它。美国宇航局戈达德航天中心的宇宙学家、 2006年诺贝尔奖得主约翰·马瑟(John Mather)说:“你所要做的就是想象一个空间,这个空间中的所有东西都在和它一起膨胀。”

宇宙学家假设,在足够大的距离上——远大于星系团的尺度,无论观测者身处何处,他/她所看到的宇宙都是相同的。在爱因斯坦的相对论中,它认为对于任 何物理相互作用而言,不存在优越的参考系。上面的论断是对相对论的一种推广。科学家们把这一假设称为“宇宙学原理”,并且一直在检验它。到目前为止,它看 起来依然是对宇宙非常好的一种近似。

二、膨胀中的宇宙在往哪里膨胀?

这是把气球类比膨胀宇宙过渡外推而导致的另一个问题。宇宙是自我独立的,它可以在不需要膨胀入其他东西的情况下自我膨胀。

爱因斯坦的相对论为审视宇宙提供了一条新的途径。它认为引力不再是一种力,而是时空的弯曲。引力场中的物质和能量会按照弯曲时空的“命令”运动。相对论预言,时空的弯曲也会使得光线的路径弯曲。


[图片说明]:大质量的天体会使得其周围的时空发生弯曲,由此导致了掠过其边缘的光线也发生偏折。

1919年的日全食给了科学家直接的证据。如果一个大质量天体(例如太阳)会使得时空发生弯曲,那么来自遥远恒星的光线在掠过这个天体的时候就会发生偏折。这一效应虽然很小,但是天文学家根据在日全食时测量到的太阳附近恒星位置的变化足以能发现它。

这只是爱因斯坦相对论众多实验验证中的一个。由此相对论也成为了现代宇宙的一大基石。正如德西特所证明的,空间是一个有机的整体,可以在不需要嵌入高维空间的情况下弯曲、收缩和膨胀。

三、“大爆炸”到底是什么样的爆炸?

“大爆炸”并不是通常意义下的任何一种爆炸。

“在物理学和科学中,‘大爆炸’和爆炸毫不相关,”WMAP的首席科学家查尔斯·贝内特(Charles Bennett)说。WMAP观测到了迄今精度最高的宇宙微波背景图。这些光子自宇宙诞生之后大约38万年电子和质子首次结合成中性原子起便穿行于宇宙之中。

天文学家已经知道,宇宙正在不断地变大、冷却,密度也在不断降低,这也正是宇宙膨胀的必然结果。如果我们把宇宙的历史向后推,那么以前的宇宙就会比现在天文学家看到的要更小,温度更高,密度更大。


[图片说明]:宇宙大爆炸之后的演化过程。

当可见的宇宙只有目前的一半的时候,物质的密度就会是现在的8倍,宇宙微波背景的温度就会是现在的2倍。当可见的宇宙只有现在的一百分之一的时候, 宇宙微波背景的温度就是现在的100倍。当可见的宇宙只有现在的一亿分之一的时候,背景辐射的温度可以达到2.73亿开。此时宇宙中物质的密度将和目前地 球表面空气的密度相仿。这一温度可以把宇宙中的气体完全电离成高速运动的质子和电子。

“‘大爆炸’对于这个理论而言并不是一个非常精确的名字,”贝内特解释说,“这一理论所描述的是宇宙的膨胀和冷却,而不是一次爆炸。”

但“大爆炸”不是在空间中的一次爆炸吗?它的名字会让人联想到诸如爆竹这样的化学爆炸现象,而一旦有了这些先入为主的印象,就很难把大爆炸想象成其他东西。事实上,“大爆炸”更接近物质、能量、时间以及空间自身的创生和伸展。

“更确切地讲,‘膨胀宇宙理论’是一个更贴切的名字,因为它就是一个关于宇宙如何膨胀的理论,”WMAP成员、美国普林斯顿大学的戴维·斯珀格尔(David Spergel)说。

四、“大爆炸”之前是什么?

没人知道。也许在大爆炸之前什么都不存在,也许如美国哈佛大学的阿维·洛布(Avi Loeb)所说,我们的宇宙“始于循环大爆炸。但是目前还没有观测数据能证实这一以及其他的假说。”使用已知的物理定律,宇宙学学家可以把宇宙反推到大爆炸之后的10-43秒,即普朗克时期,但只能到此为止。因此现在的科学无法回答这个问题。

科学家们一直在使用两种“分立”的理论。一个是描述微观世界的量子力学,另一个是描述大尺度宇宙的广义相对论。它们在各自的领域都非常有效,但是彼此不可调和。洛布说:“我们需要一个能统一量子力学和广义相对论的理论,由此才能把宇宙反推到大爆炸的源头。”

在几个世纪的研究之后,物理学家已经知道了四种基本作用力:引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。理论物理学家已经统一了电磁力和弱相互作用力。当宇宙的年龄只有一百亿分之一秒的时候,“弱电”力分解成了现在我们看到的两种力。


[图片说明]:大型强子对撞机。版权:LHC/CERN。

统一弱电力和强相互作用力的尝试还没成功,不过科学家们相信,在更早期的宇宙所有的基本力都是统一在一起的。但引力——到目前为止依然是相对论的领地——则是个麻烦。

超弦理论试图统一相对论和量子力学。它认为,所有的基本粒子都是振动的能量环,被称为“弦”。无论对应于一个电子还是一个顶夸克,每一种弦都具有特定的振动频率。

超弦理论则有一个可检验的结论,被称为“超对称”。它认为每种已知的基本粒子都具有不可见的伴随粒子。计划在今年底重启的欧洲核子中心的大型强子对撞机预期可以达到能用来检验超对称的能标。

五、宇宙的外面是什么?

就我们所知,宇宙是无限的。

WMAP的观测数据已经佐证了暴涨理论,即宇宙经历了一个超高速膨胀的阶段。因此,宇宙很可能要比我们目前所能观测到的还要大得多得多。

这就有必要区分宇宙自身——大爆炸创生出的一切——和“可观测宇宙”——我们所能看到的一切。通过对宇宙微波背景的观测,宇宙学家已经知道宇宙的年 龄为137亿年。而由于光传播的速度是有限的,地球上的观测者因此只能看到在这一时间段内传播到地球上的光。那么是不是因为我们在各个方向都能看到137 亿光年远的宇宙,于是可观测宇宙的大小就是这个数值的两倍呢?

不是。在宇宙微波背景中我们所看到的物质是在137亿年之前发出的这些辐射,但在那以后这些物质就凝聚成了星系。由于宇宙膨胀,现在这些星系距离我 们大约465亿光年。这一“距离”指的是现在这些星系和我们之间的距离,而不是它们发出光线时到我们的距离。所以,可观测宇宙的“直径”大约为930亿光 年。这一结论似乎违背了爱因斯坦的相对论,即光速是物体在空间中运动的极限速度。但是这并不适用于空间自身的膨胀。普适的速度极限在极端情况下会有个别的 例外,宇宙的膨胀就是其中之一。

可观测的宇宙有一个边界,科学家将其称为“视界”。那么在视界外面是什么?“随着时间的流逝和宇宙的膨胀,会有越来越多的宇宙进入我们的视界,”美 国空间望远镜研究所的亚当·里斯(Adam Riess)说。他说,宇宙学家认为在我们可探测视界之外的宇宙“和我们的没什么两样”。

物理宇宙学,这一尚不足百年的科学分支,在过去的几年中取得了重大的成功。这包括了精确地限定宇宙年龄以及发现宇宙加速膨胀。不过宇宙学家们从来没 有说,我们目前的宇宙模型是完整的。美国劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)将大爆炸模型称为是“一个有效的假说……一个取得惊人成功的初稿。”

下一代的探测器和实验——无论是地球上的,例如大型强子对撞机,还是空间中的,例如WMAP的后继者“普朗克”——将会使得科学家能有机会来检验我们目前对宇宙的认识。超对称乃至弦理论真的成立吗?到底是什么驱动了宇宙加速膨胀?

如果说过去只是开场,那么让我们一起期待更多的“意料之外”吧。

六、视频:旅行到宇宙边缘

一些关键的数字宇宙正在膨胀并且冷却。根据大爆炸理论,过去的宇宙比现在的更小、密度更高。137亿年:宇宙的年龄,误差几亿年。

930亿光年:目前可观测宇宙的大小。

2.725开:宇宙微波背景辐射的平均温度。

4%:宇宙中组成你、我、行星、恒星等普通物质的含量。

22%:宇宙中暗物质的含量。它们是至今尚未被直接探测到的物质,和普通物质之间存在引力,但是不参与其他三种基本相互作用(电磁和强、弱相互作用)。

74%:宇宙中暗能量的含量。正是它驱动着宇宙加速膨胀。但是它究竟是什么尚不为人所知。

[Astronomy 2007年05月]

来自:科学松鼠会——宇宙学中你需要知道的五件事情Liz Kruesi 文 Shea 编译

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左岸

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34 Comments On 宇宙学中你需要知道的五件事情

  1. 一直以来,我都对宇宙中时间和空间问题很好奇、也很感兴趣、更想不明白。此文中的五件事值得一读。

  2. 这些个问题基本上人们都比较关心,
    可是只是关心而已,我们能改变什么吗?

    • @奋飞 @奋飞, 只要关心的人多了,总有改变些什么。

  3. 最近看了不少科幻片

    • @canaan @canaan, 列举一些让我也解解眼馋。

      • @左岸 @左岸, 都是遗漏下来的一些老片,相信你也看过。比如星球大战系列,星际迷航11好象是,还有独立日。都是久闻大名却一直没有看的

        • @canaan @canaan, 如果了解一些宇宙学的知识,看这些片子更有意思。

  4. 我们连自己还研究部明白呢,已经开始研究宇宙了

    • @Hobo @Hobo, 当我们自己研究不了的时候,研究宇宙反而会得到很多的启发。

  5. 那个强子对撞机,不知道是福是祸啊。

    • @星光居士 @星光居士, 不是说很安全吗?不过,我想你可以认为某些真相一揭开我们人类无法接受哟?

  6. 想多了,脑袋会疼!我想应该有个反宇宙,正好和我们生活的宇宙相中和!

  7. 自从沉浸于google reader之后, 有日子没直接来网站光顾了, 居然评论都带图片了….

    曾经听过一个物理学牛人的演讲,他说中国的物理学教育还在教200年前的旧知识,如今的西方科学界都承认大爆炸理论证实了有造物主的存在——问题是大爆炸后造物主是功成身退了呢,还是继续掌控着宇宙——据说这点是目前科学界跟神学界争论的焦点。

    • @差差兵 @差差兵, 希望中国能土生土长出一个物理诺贝尔奖得主。

  8. 每次对宇宙的了解,都伴随着对死亡的强烈的恐惧~

    • @sly61 @sly61, 了解得越多,我反而更加豁达。当看懂极大宏观,对身边的这些磕磕碰碰就不会放在心上了。

  9. 宇宙,对于人来说,太永恒了。。。

  10. 我一直想知道的就是那个问题:在什么都没有的时候是什么样子?
    呵呵,想到脑子痛都想不出。

    • @九狐札记 @九狐札记, 这实在是个很深奥很浑身的命题!简单一点,这世界在物质上存不存在“无中生有”。

  11. 对一只蚂蚁来说,地球是无限大的,因为蚂蚁终其一生都无法了解地球是什么形状,地球的边界在那里,正如对于人类来说,宇宙无限大的,因为人类至今仍无法知道宇宙的边界到底在那里,也无法知道宇宙到底是什么形状,大小的概念是相对的,宇宙可能非常小,只不过人类太渺小,才会感觉宇宙无限大。

    • @welee @welee, 我把你的这段话当人类微观的反思。但这是不能类比的,蚂蚁因为寿命和记录的限制没能进步,现在的蚂蚁应该跟几百万年前的蚂蚁差不多吧,而人类思维的发展却一直在延伸。

      • @左岸 @左岸, 我想你误会了我的意思,我说的不是思维,而是相对关系,我们会觉得宇宙无限大,那是因为我们人类太渺小的缘故,很可能宇宙并没那么大,它可能比一张纸还要薄,比一粒沙还小。

  12. 来看看!

  13. 你说的很多事猜测,随着科学的进步,很多猜测会逐渐得到澄清

  14. 原来左岸不光读书厉害,还是个天文学爱好者….
    不过松鼠会我闻名已久,究竟是干嘛的?以前胖兔子粥粥也推荐过..

    PS:….刚注意你留言框的提示文字有变化

    • @诗酒如画 @诗酒如画, 想想,我既然是学物理出身的!
      你好细心,留言框的提示文字我做了调整,让它们更紧凑一些。

  15. 如此看来,宇宙的确是一个无穷洞啊^_^动也可以

    • @百度变迁 @百度变迁, 好奇,为什么叫你的博客叫百度变迁?里面很少是关于百度的啊!

  16. 囧,这个文章也太学术了

    • @A.shun @A.shun, 是不是已经不习惯了看这种生涩的文章了,就像喜欢吃风味小吃的人不习惯吃正统大餐一样。

  17. 浩渺宇宙,总是让人觉得其中隐含着许许多多奇妙的现象~

  18. 看不明白,因为我不是爱因斯坦

  19. 我局限了