打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
宇宙没有义务让我们理解
到了1929年,美国天文学家哈勃迎来一个改变世界观的时刻。当时哈勃对银河系以外那些广阔空间中的星系,做了一个系统性的观测。他发现,星系发出的光的光谱,有一个往红端的移动。这就是所谓“红移”,也就是频率都变小了一些。这种现象我们在生活中也能遇到。波动都是这样的,当这个物体向你跑过来的时候,它的频率会增加;当这个物体离你而去的时候,他的频率会减少。比如一个火车鸣笛,如果是火车面向你开过来,你会觉得鸣笛声音更尖锐一点;如果是火车是离你而去,你会觉得鸣笛声音更低沉。
那星系光谱的红移就只能说明一个问题:所有这些远方的星系,都在离我们而去。而且通过精确测量各个星系光谱红移的程度,哈勃还发现,这些星系离我们而去的速度,和它们到我们的距离成正比。
这就好比说你站在一个大广场上,你发现周围所有人都在离你而去,而且距离你越远的人,跑得越快!
哈勃发现的,就是宇宙正在膨胀。
你可能马上就有一个问题:不同方向的星系都离我们而去,那地球岂不是成了宇宙的中心吗?不是。你可以想象空间是弯曲的。拿二维空间类比,这就好像我们都站在一个气球的表面上,气球不断膨胀的过程中,对气球上任何一点来说,其他的点都在离他而去,而且距离越远跑得越快。
既然宇宙正在膨胀,那我们马上就知道,以前的宇宙肯定没有这么大。那么逆推回去 —— 宇宙就一定有一个开始。这就是大爆炸理论的起源。咱们可以想象爱因斯坦得知了哈勃的观测之后是个什么心情!他本来已经算出来宇宙应该膨胀了!是为了让宇宙不膨胀,才自作聪明地加了宇宙常数那一项,结果错过了对宇宙膨胀的理论预测。爱因斯坦发了一条朋友圈,说这是我一生最大的错误。
好了,现在既然知道宇宙是膨胀的,爱因斯坦就放心地把宇宙常数 Λ 那一项去掉,引力场方程变得更简单了 ——  

方程预言了宇宙膨胀,宇宙也的确在膨胀,一切都和谐了。
谁能想到,爱因斯坦死后43年,天文学家的世界观又改变了一次。 
3.空间的膨胀
我先来解释一下,“宇宙膨胀”到底是什么意思。宇宙大爆炸和寻常一颗炸弹的爆炸可不一样,大爆炸带来的膨胀,是空间本身的膨胀。广义相对论认为“空间”并不是一片虚空,而是一个可以传播引力、可以变形可以弯曲的实实在在的东西。
在宇宙起源之前,时空根本不存在。大爆炸以后空间膨胀了,日月星辰才有了在其中玩耍的场所。我们可以把空间想象成一张实实在在的网 —— 所有东西都是放在这张网上,而网本身可以变大。我们知道,物理定律要求是任何东西的移动速度不能超过光速 —— 但是请注意,这说的是物体在空间中的移动,可不是空间本身的移动。
事实上,宇宙膨胀的速度可以超过光速。在大爆炸刚开始的时候,早期的宇宙的膨胀速度到处都超过光速。而在现在,那些距离我们特别特别遥远的星系,他们的离我们而去速度也是超光速的。
这就意味着,存在很多星系,因为它们距离我们太远,膨胀的速度超过光速,我们不可能看到它们。它们那里不管发生什么,我们都无法知道。女朋友坐飞机走了,飞机上总还能打个卫星电话 —— 可是如果女朋友跑的比光速还快,你就再也没办法跟她取得联络了。
难道说,我们将孤独地跟可见的这些星系生活在这里。
但是也不一定。别忘了在引力作用下,星系之间还有个互相吸引的作用,这也是一个把空间往回拉的力量。那么在引力作用下,我们设想,宇宙膨胀的速度应该是越来越慢的 —— 就好像你往天上扔一个球,球上升的速度肯定是越来越慢,而且可能还会回来。
对吧?
4.黑暗的能量
爱因斯坦死后43年,也就是1998年的时候,有两组天文学家,想测量一下现在宇宙的膨胀速度已经减慢到了什么程度。
他们有一些特别好的观测目标,叫 “Ia 型超新星”。这种超新星也是宇宙送给天文学家的礼物。最初这是一种双星系统,其中一颗星是白矮星。白矮星不断吸收临近这颗星的质量,等到自己的质量增长到相当于我们的太阳质量的1.44倍的时候,它就会突然爆发,变成超新星。
这种超新星的引爆质量永远一样,它的亮度也永远一样。这样天文学家一看 Ia 型超新星到达地球的亮度,就能精确知道它们距离地球有多远。
与此同时,根据光谱的分析,看看红移情况,天文学家还可以用另外一个方法计算超新星的距离,这个计算中就包括了理论模型中宇宙膨胀的历史。对比一下两个距离的差距,就知道现在膨胀速度减慢了多少。
结果天文学家惊掉了下巴。
用超新星亮度算的实际距离,比用宇宙膨胀历史算的距离长了15%。这就意味着,宇宙膨胀不但没有减速,而且还加速了!
这个发现实在毁三观,但是历经检验确认无疑,最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。
物理学家就只好再把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中去,只不过这回 Λ 的数值得改,变成让宇宙加速膨胀。 
那问题就又回来了, Λ 到底有什么物理意义呢?物理学家现在解释不了,只好沿袭“暗物质”的命名传统,称之为“暗能量”。
现在更进一步的估算,我们这个宇宙现在的全部能量之中,寻常的物质只占大约4%,暗物质占26%,暗能量占70%。
暗能量提供了一种真空中的斥力,但是它到底是什么样的底层物理机制,我们完全不知道。有人猜测这是不是量子力学的真空能,结果一计算发现结果差了10^120倍,太过荒诞了。如同寻找暗物质一样,物理学家正在想方设法寻找暗能量。
| 由此得到
过去三十年中,物理学最惊人的一个发现就是宇宙正在加速膨胀。把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中,可以让宇宙加速膨胀,但是这个宇宙常数到底有什么物理意义,物理学家一无所知。暗能量和暗物质到底是什么,是两个谜。
| 禅定时刻
暗能量是真空中的能量。宇宙越膨胀,真空越大,暗能量就越大。现在物理学家知道,在50亿年以前,暗能量的比例达到一定数值,宇宙就已经开始加速膨胀了。
而随着空间越来越大,暗能量越来越多,宇宙膨胀的加速度也会越来越大。这就意味着远方的星系是以越来越快的速度离我们而去,不可能再回头。
物理学家计算,再过一万亿年,除了银河系以外,我们的天空中将会再也看不到其他的星星。
如果我们这个文明不能把现在关于宇宙的知识流传到那个时候,如果那时候还有智慧生命的话,那时的天文学家将会认为宇宙里就只有一个银河系。他们的宇宙观会跟我们很不一样,他们将无从知道宇宙里其实有那么多星系!
因为缺少关键信息,他们永远都想不到宇宙曾经有过这样的历史。
但是还有更可怕的。泰森说他做了一个噩梦。如果说一万亿年以后的人缺少关键信息,那么我们这一代人,是不是也缺少了某些关键信息,以至于有关这个宇宙,有些东西是我们永远都不能理解的呢? 
本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
天文学家:因为宇宙超光速膨胀,97%的星系已与地球失联
宇宙的终极命运,由谁来定?
暗能量可以撕碎宇宙!
宇宙“黑暗面”的 “揭发者”
奇异的宇宙
漫步加州理工,感受世界顶尖牛校
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服