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宇宙膨胀,到底是什么东西在膨胀?

2020-07-17

21世纪的物理学上空有两朵乌云,暗物质与暗能量。

今天跟大家一起探讨目前科学的发展对于暗能量、暗物质前沿是怎样去研究的,当下遇到的问题是什么,未来的机遇在哪里?



一、如何研究宇宙?



 

1、研究宇宙的基本认知


宇宙是什么?

汉代《淮南子·齐俗》下了非常好的定义,“四方上下谓之宇,往古今来谓之宙”。简单说,“宇”是空间,“宙”是时间。

研究宇宙就是研究时间和空间,研究时空的本质。

首先要明确一个概念:光年。光年这个单位看起来像时间单位,其实是一个距离单位,即光走一年的距离,1光年等于94600亿公里。

在宇宙大尺度研究中,我们要慢慢习惯,当看到宇宙深处的时候,其实看到的是过去,因为光子需要一定的时间从遥远的地方传播过来,看到的光子是过去的光子。

我经常说,虽然科学每天在往前推进、面向未来,但天文研究是“时光匆匆流去,我只在乎你的过去!”

我们看到的是过去,通过对宇宙过去的演化、分析,建立正确的理论,然后把这个理论外推,推到未来。
 

2、研究方法:多重宇宙探针


经过几十年的发展,我们已经建立了一整套方法来探索宇宙,这种方法通常叫做探针。

今天你能看到我,是因为可见光,你看到了在可见光波段的光子,在你的脑海里形成了我的形象。这是在日常生活中用可见光的波段作为探针。

研究宇宙可以用可见光,也可以用光子的其他波段。

(1)宇宙微波背景辐射
 
今天的宇宙来自于138亿年左右的一次大爆炸,大爆炸的余晖形成了黑体的背景辐射。


在宇宙天空中不同的角度、不同的朝向,测量背景辐射的温度大概都接近2.73K(K:开尔文,热力学温标。0K=-273.15℃),温度比较均衡,但是有一些特征。这些特征实际上包含了丰富的宇宙的信息。

宇宙微波背景辐射被称为探索婴儿宇宙的利器。

从今天看早期的宇宙,研究宇宙起源,可以通过测量、利用微波波段的光子去探索。由于这个发现,产生两次诺贝尔物理学奖,分别是在1978年和2006年。

(2)超新星 


超新星是一类特殊的恒星,在快要灭亡的时候它会瞬间释放能量,像爆炸一样。这一类特殊的星体有一个特点:爆炸以后它的亮度随着时间的变化是有规律的。


好比我点一根蜡烛,它的绝对亮度我们是知道的。如果蜡烛在我们眼前,我们知道它的亮度是多少;然后把蜡烛放到10米以外,再去测它的亮度;通过两个亮度对比,可以反推蜡烛的距离。

这种方法可以用亮度来测定距离。

超新星被称为“宇宙标准烛光”。

利用超新星,能够把宇宙的距离测得很精确,这也意味着能够测量宇宙的几何性质。比如宇宙到底是平坦的还是弯曲的,是开放的还是闭合的等等。

1998年科学家利用超新星的方法观测发现了宇宙的加速膨胀。超新星宇宙学获得了2011年诺贝尔物理学奖。

(3)引力波
 
2015年人类首次探测到引力波。

两个黑洞或中子星互相绕转并合的过程中会释放出巨大的能量,这个能量会带来什么样的结果呢?

根据爱因斯坦广义相对论,巨大的质量会引起周围的时空发生弯曲,时空的性质会发生改变。当两个剧烈的动力学过程发生的时候,不仅能使周围的时空扭曲,甚至还会释放出时空的涟漪——引力波。


示意图中的波动有些夸大,实际上引力波效应是非常微弱的。

引力波也可以帮助我们测距,研究近邻宇宙发生了什么,过去的宇宙膨胀历史是怎样的。

所以,引力波被称为“宇宙标准汽笛”。引力波的发现获得2017年诺贝尔物理学奖。

(4)重子声波震荡
 


重子声波振荡又可以叫做宇宙大尺度星系巡天,被称为“宇宙标准尺”。上图不是示意图,是实景。图中的每一个点代表一个星系。

星系是由很多恒星构成的一个系统,比如银河系。星系在三维空间(或时空)中的分布有一定的规律和特征。这些规律和特征可以被用来重建宇宙的演化历史。

上图中可以看到一些地方比较密集,一些地方比较稀疏,还有一些地方有空洞等等,这些拓扑结构可以被用来当作一把标尺来测量宇宙,直接丈量宇宙几何。

这是一种非常神奇的方法,可以跟超新星配合起来去测量宇宙膨胀的历史。
 



二、我们对宇宙了解多少?



 

1、宇宙能量的组成



上图是我们利用卫星拍到的宇宙天图。实际上是一个三维球体,球面打开铺到二维上形成了这么一张图。颜色代表温度,橘黄色代表温度高一些,蓝色代表温度低一些。

这张图看似好像没有什么规律,其实里面有丰富的、巨大的信息等待我们去挖掘。

正是通过分析这张图温度涨落的规律,我们了解到宇宙中只有4%为普通物质,包括银河系、普通星球、普通物质等等。剩下75%是暗能量,21%是暗物质。

近年来在宇宙学研究中有很多次重大的发现,今天可以说是做宇宙学暗能量研究的黄金时期。


2、宇宙的历史


如果非常粗略的划分,我们今天了解的宇宙可以分为三个阶段:

第一阶段是宇宙的创生。大概是138亿年前,发生宇宙大爆炸。宇宙大爆炸是一个非常剧烈的时空膨胀过程,并且是一个加速膨胀过程。

第二阶段是宇宙的中期。这个阶段是减速膨胀,因为宇宙里充满了物质,物质之间有万有引力,在引力作用下,时空的膨胀是减速的。

第三阶段是大约60亿年前至今,宇宙又开始了炸裂式的生长,又开始了像宇宙初期一样的加速膨胀。


这是违背物理学原理的。

时空之间的物质互相吸引,怎么能够越膨胀越快呢?如果要有加速膨胀,需要万有斥力。万有斥力从哪里来?我们今天的物理学理论还不能解答这样的问题。

如果能够揭示它的物理机制,将是一场物理学的革命,会对很多学科带来革命性的影响。
 

3、宇宙结构形成


很多人曾经问我,“大爆炸,是什么东西在爆炸?宇宙膨胀,是什么东西在膨胀?”

宇宙演化是非常复杂的,它经历了很多阶段。
 

宇宙的最早阶段叫做暴涨,这两个字能让人想象它剧烈的膨胀。

 
宇宙加速膨胀是在10-36秒内体积膨胀了1026倍。这个膨胀过程是不是超光速了,违背物理学原理?

如果把宇宙想象成物质,物质在膨胀,像一个炸弹一样爆炸,那就违背了宇宙学原理。

宇宙学原理告诉我们,宇宙不同位置的密度都一样,从不同的方向看到的都是一样的。

这就带来一个很大的矛盾,如果想象宇宙当中有个爆炸,既然有中心怎么可能均匀呢?也不可能各向同性。

所以不能把宇宙爆炸想象成像炸弹一样的物质爆炸或像气球一样膨胀,不是这样的。

到底是什么东西在膨胀?是时空本身在膨胀。是宇宙的坐标系在膨胀。

也就是说,宇宙今天还在膨胀,我们每个人都在膨胀,你和我之间的距离也在膨胀。只有在这种框架下,才能够实现均匀和各向同性。

到底是哪里在爆炸呢?宇宙的任何一个点都在爆炸,宇宙里任何一个点都是中心。

在剧烈的爆炸过程中,宇宙的温度从1032度降到1000万度。随着体积膨胀,温度在下降,能量是守恒的。
 



三、暗物质的发现



 
宇宙膨胀是非常剧烈的动力学过程,因此大家都觉得在膨胀的宇宙中,结构是很难形成的,因为小的结构极容易被更大动量的形体吞并。

但是我们实际观测到了很多复杂的结构比如星系、星系团等等。

 
上图是我们今天观测后用计算机模拟得到的各种各样的星系,有漩涡星系、棒旋星系、椭圆星系等等。


上图是一个大尺度的结构,也是用计算机产生的,和真实观测有很多相似的地方,比如有像蜘蛛网一样的纤维结构,稀疏代表密度,红色代表温度。

宇宙里密度高、温度高的地方会孕育大的星系团,然后慢慢又形成了更复杂的子结构。

因此,在上个世纪80年代,科学家们发现了一个有意思的现象,就是观测与理论对不上。

从高中物理我们可以推导出速度随着半径变大是要慢慢下降的,离中心越远动能越小,旋转速度应该越慢才对。

可是通过大样本的观测发现不是这样,旋转速度几乎与半径没什么关系。它是一个常数,它不随半径衰减。

这是什么原因呢?有人提出大胆猜测,很有可能除了今天能看得见的物质,还有某些看不见的物质,它也提供引力效应,它有质量就有引力,使旋转速度保持一个常数。

因为不知道这个物质是什么,所以大家就给起名为暗物质。

暗物质理论已经有很多年了,但是我们还没能真正找到暗物质。可是如果没有暗物质,比如前面的计算机模拟里面如果不放入暗物质,宇宙结构就无法形成,也不可能去跟观测进行对比。

所以间接地说,暗物质还是被科学界广泛接受的,虽然还没有找到直接探测的证据。

我们国家有“悟空”号卫星,也有四川锦屏山的地下实验室未来高山大学学员们将会去这里学习,都在想办法直接或间接地去探测暗物质。
 



四、暗能量



 

1、爱因斯坦一生中最大的错误


牛顿发现了一系列重要的科学规律,包括万有引力。他发现任何两个物体都互相吸引,如上图中大球吸引小球,小球围着大球转。图中蓝色网格代表时空背景。

牛顿力学的时空背景与物体运动没有任何关系,所以叫“绝对时空观”。

面对同样问题的时候,爱因斯坦的想法不一样。爱因斯坦认为大质量和小质量的物体都能使周围的时空发生弯曲(上图中扭曲的蓝色网格),借助弯曲,这两个物体产生了相互作用,所以小球跟着大球转。这是爱因斯坦的广义相对论。

对于低速的、小质量的运动物体,牛顿力学与广义相对论差不多。

但是对于大质量的比如黑洞,对于高速运转接近光速运行的天体,一定需要广义相对论的修正,而且是比较大的修正。

什么是广义相对论?它的数学说起来非常复杂,所以说说它背后的物理和哲学。
 

广义相对论的方程非常有意思。简单说来就是:时空曲率=物质分布。

这个方程是革命性的,把几何与物理等同了起来。换句话说,物质的存在或者物质的运动告诉时空怎么去弯曲,时空的弯曲反过来决定物质的分布和运动。这是非常深刻的思想。

在爱因斯坦的年代,大家认为宇宙是静态的,一成不变,不可能存在大爆炸。因为大爆炸最后结果会四分五裂,如果爆炸到最后坍缩到起点,所有的生命都不存在,这样的结果人们无法接受。

爱因斯坦也认为宇宙是静态。可是当他得出这个方程的时候,他非常不安,因为他发现了两个解,一个是宇宙要膨胀,一个是宇宙要收缩,都不是静态。

聪明的爱因斯坦马上意识到方程搞错了。他认为,在引力作用下宇宙不可能膨胀,而宇宙收缩是可以理解的。于是他在广义相对论方程里面人为加入一个万有斥力(即宇宙学常数),让宇宙保持静止不再收缩。

时空曲率=物质分布+宇宙学常数

其实爱因斯坦无意中加入的宇宙学常数就是今天称之为暗能量的一个候选者。

这个工作发表于1917年。

然而,1929年英国科学家哈伯发现所有的星系都在远离地球,并且距离越远的后退得越快。 这个现象意味着宇宙在膨胀,而且膨胀被科学证实了是各向同性并且是均匀的。
 

爱因斯坦因此说了一句话,“引入宇宙学常数是我一生中犯的最大错误,没有之一!”。

然而,故事到此并没有结束。1998年科学家基于对超新星的观测,发现宇宙不仅在膨胀,而且还在加速膨胀,从60亿年以前就开始了。

当年爱因斯坦认为宇宙要塌缩,引入万有斥力本来想让宇宙变得稳定,可是没想到宇宙本来就在膨胀。但是在膨胀宇宙的基础上,再加入万有斥力会让它膨胀更快。所以爱因斯坦是从完全错误的出发点得出了正确的结论 。


2、如何研究暗能量


暗能量听起来很复杂,其实做起来并不复杂。

暗能量研究的具体工作有点类似人口普查,从海量的数据深度挖掘。我们已经拍摄了有100多万个星系的光谱,先拍照片然后进行分光提出光谱,测量星系的速度,建立三维的星系样本。

(1)重子声波振荡
 

比如一个房间里有很多人,大家要开始由一个男士和一个女士组成一对来跳舞。配对的过程中可能分几种情况:

(1)情窦初开,保持一定的距离;
(2)一见钟情,距离近一些;
(3)终成眷属,距离更近;
(4)距离无限远。

根据他们的社交距离进行分组,然后去做统计。横坐标是情侣之间的距离,纵坐标是同一距离上的情侣对数。画出的图(下图左半)提供了一个信息就是成团性,在房间里的情侣他们是怎样成团的。
 

对于星系,我们也可以做同样的事情。算出任何两个星系的距离,然后数一数在这个距离上有多少对星系,于是就可以画出一张图(上图中右半)。

星系的这张图是在实际观测中得到的,图里重要的信息是局部特征——有一个凸起。凸起的位置就是一把宇宙标准尺,可以利用凸起的距离作为一把尺子(或者单位距离)去测量宇宙的几何性质。

这就是我们的工作方法,说起来简单,但是得到这张图要经过大量的工作,包括数据处理、数据模拟等等。

(2)红移畸变

宇宙里不光有背景,还有丰富的结构,有星系、星系团、结构增长等等。我们不仅研究宇宙的背景,还研究宇宙的扰动,就是更小尺度的成团。
 

比如上图中,中间是有一团暗物质(星系团);下边是观测者,从这个位置看向宇宙的深处;四周每一个图标代表一个星系。

这些星系是围绕暗物质球对称分布的,但是由于星系团产生的巨大引力作用,球对称的分布变成了不对称的分布,变成了压扁的结果(见下图左半)。


上图的右半部分是实际观测。压扁的程度告诉我们中间的暗物质分布有多少,暗物质越多,压扁程度越大。

反过来,可以探测宇宙的结构形成。


3、暗能量假说


暗能量到底是什么,假说很多。

(1)可能是宇宙学常数,爱因斯坦在100多年前引入的。

(2)可能是一种未知能量场,这种可能性就太多了。未知能量场怎么来的,目前没有很好的机制。

(3)可能是一种修正引力的效应,暗能量可能根本不存在,只不过爱因斯坦方程本身需要修正,需要进一步的拓展。

(4)暗能量就是信息,信息是有能量的。日本科学家已经证实了,在一个系统里注入几比特的信息,基本粒子能级会跃迁。

根据目前观测数据的误差,这些模型可以说都存在,都可能没有办法区分,但是未来5-10年可能做到。
 

今天所有的结果都来自美国新墨西哥州的SDSS射电望远镜,去年开始用DESI射电望远镜(暗能量光谱仪器,第4代大型巡天),位于智利的LSST射电望远镜今年开始投入使用。

国内也是在慢慢赶上并且领先,比如FAST射电望远镜,是目前国际最大单口径巡天望远镜(高山大学国内四川贵州·天眼站课程也在筹划当中)。国家天文台正在和载人航天合作空间站宇宙巡天,在空间站有一个伴飞的光学舱,进行空间探测。空间探测有很大的优势,可以透过大气层,不受地球大气层的影响。

我们有这样好的观测手段,相信等这些项目结束,10年、20年以后,也许我们还不能告诉大家暗能量是什么,但有可能告诉大家暗能量不是什么。然后正确地缩小范围,慢慢找到真理。

最后,送给大家一句话,“在广袤的空间和无限的时间中,能与你共享同一颗行星和同一段时光,是我的荣幸。”

谢谢大家!

 

 

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