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宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!_上海随缘食品经营许可证办理平台

  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........

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宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!_上海随缘食品经营许可证办理平台

发布时间:2019-11-02 热度:

出品| 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。所以宇宙学是一门研究时空的学问!

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   !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”!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  ,

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,

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,

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。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  。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,

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!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  。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。

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!

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,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  。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  。暗物质理论能够很好的满足今天的观测 !宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”,_上海随缘食品经营许可证办理平台。

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 ,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,

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? !

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  ,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  ,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,

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,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 。

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 ,

《科学大家》专栏投稿邮箱:sciencetougao@sina.com  来稿请注明姓名、单位、职务 ,


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