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宇宙学杂谈

2013-12-28

创世大爆炸或是反物质和物质之间的快速转换
假设某一时刻宇宙停止了膨胀,开始收缩,最终变成一个超级黑洞,黑洞的超级质量产生了强大的引力场。透过所谓的Schwinger机制,引力场将周围量子 真空中的“虚粒子/虚反粒子对”转换成“实粒子/实反粒子对”。如果黑洞是由物质/反物质构成,那么在不到一秒钟时间内,无数反粒子/粒子会被喷射到太空 中,整个过程类似创世大爆炸(Big Bang)。
CERN的一位物理学家Dragan Slavkov Hajdukovic在《天体物理学与空间科学》期刊上发表论文描述了循环宇宙的物质和反物质转换机制(中文)。在他的理论中,当物质所主宰的宇宙收缩时,一个由反物质所主宰的宇宙将会浮现,而这种循环将无限延续下去。
via:solidot.org
2010十大天体物理学发现:时间将50亿年后停止
新浪环球地理讯 北京时间12月8日消息,美国国家地理网站评选出2010年度十大天体物理学发现,宇宙外潜伏未知“结构”新证据、银河系中心发现神秘气泡状结构以及“大爆炸”造出“液态”宇宙等重大发现榜上有名。
1.每个黑洞内都含有一个宇宙 
每个黑洞内都含有一个宇宙
天文学家在2010年4月宣布,我们的宇宙就像是俄罗斯套娃的一部分,可能栖身于一个黑洞内,而这个黑洞本身又是一个更大宇宙的一部分。反过来,迄今在宇宙中发现的所有黑洞可能都是通向其他世界的通道。
美国印第安纳大学的物理学家尼克丹姆·鲍勃拉姆斯基(Nikodem Poplawski)近日提出了一个有关落入黑洞的物质所作旋转运动的崭新数学模型。根据他的方程,黑洞可能是不同宇宙间的时空通道,或者说,一种虫洞。被黑洞吞噬的物质并未如之前理论预言的那样塌缩成一个奇点,而是从黑洞的另一端以“白洞”的形式喷发出来。
根据爱因斯坦的广义相对论,当一个区域的物质密度达到极大时会产生奇点,通常这一现象会出现在黑洞的中心。这种奇点密度无限大,温度无限高,因而显得怪异。而如果鲍勃拉姆斯基的理论正确,那么这种奇异的现象或许根本就不存在。
2.时间将在50亿年后停止
时间将在50亿年后停止
物理学家在2010年10月表示,永久膨胀理论称我们的宇宙只是众多宇宙中的一个,该理论还预测时间将在50亿年后停止。
一般认为,我们生活的宇宙已经存在了超过140亿年,并且将继续存在数十亿年。但根据一份最新发表的论文,时间本身可能将于50亿年后终止。巧合的是,这一时间恰逢太阳耗尽燃料熄灭的那一刻。
这一研究依据的是一种“永恒膨胀”的理论。该理论认为我们生活的宇宙其实是一系列宇宙中的一个。这一巨大的结构是由无穷多个宇宙组成的,其中每一个宇宙都可以产生无穷多个“子宇宙”。
这一理论的主要问题在于:在多重宇宙理论框架下,任何发生的事件都将发生无穷多次。这样就会使概率论的计算——如估算地球大小行星普遍存在的可能性,变得几乎不可能。
3.宇宙外潜伏未知“结构”新证据
宇宙外潜伏未知“结构”新证据
据科学家2010年3月公布的一项研究结果,“暗流”并非偶然,这强化了宇宙外潜伏着前所未知、前所未见“结构”的例证。
2008年,科学家报告发现大量星系群正沿相同方向以360万公里的时速运行。这一诡异的现象无法以现有的宇宙质量分布模型解释。于是科研人员被迫作出了一个引起争议的猜测:这些星系群是受到了来自我们已知宇宙范围之外的引力作用。
而这一小组此次的发现证实这种宇宙“暗流”的延伸范围甚至超越了之前的想象,距离地球至少25亿光年。这项研究支持这样一个假设,即存在来自宇宙之外的引力,从而支持多重宇宙理论。
4.爱因斯坦“重力论”适用于宇宙层面
爱因斯坦“重力论”适用于宇宙层面
据科学家2010年3月公布的一项研究结果,爱因斯坦近一百年前提出的重力论不仅适用于对太阳周围行星运动的解释,同样适用于解释星系间的相互运动。
一项新的研究显示,神秘的暗物质和更加扑朔迷离的暗能量,并非物理学家们的妄想症产物。数百年来,牛顿的万有引力理论能很好的解释地球上的各种重力现象,但当将其运用到天体运行研究时,科学家们注意到了其中不一致的地方。
1916年,爱因斯坦发表了广义相对论。他指出引力的本质是物质的存在造成了时空的扭曲。这一理论很快被应用于天文学,并成功解决了一些神秘的问题,如水星轨道的轻微偏差。
当将爱因斯坦的相对论应用于遥远的星系,科学家们发现它们的引力作用要大于它们本身的质量,由此科学家们推测有一种探测不到的神秘“暗物质”存在。但时至今日,在星系研究层面对广义相对论的验证一直没有进行。
在这项新的研究中,来自普林斯顿大学的天体物理学家们分析了超过70000个明亮的椭圆星系的分布和运动情况,发现它们精确地遵循广义相对论。
5.“大爆炸”造出“液态”宇宙
“大爆炸”造出“液态”宇宙
根据大型强子对撞机项目科学家在2010年12月公布的最新数据,在大爆炸发生后瞬间,宇宙就像非常稠密、超热液体一样活动。
最近,科学家们利用位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞击成功重现了大爆炸发生后瞬间的情形。实验人员将两束铅离子以接近光速的速度相撞。相撞产生了一种名为“夸克-胶子等离子体”的原始态物质。科学家们认为这种物质态仅仅短暂存在于早期宇宙。
顾名思义,这种“原始汤”由亚原子粒子夸克和胶子组成。夸克是带正电荷的质子和电荷中性的中子的主要组成成分。这两种粒子共同组成了原子核。而胶子则使用“强作用力”将夸克“胶合”在一起。
常规情形下,这两种亚原子粒子紧密结合。但是先前的实验证明,在极端高温下,强作用力会变弱,因此这两种粒子可能会分开。人们从而认为,在宇宙早期的超高温度环境下,夸克和胶子应当相互远离,因此其性质应当很像气体。但是大型强子对撞机的实验否定了这一观点:撞击产生了大约10万亿摄氏度的极端高温。虽然只持续了一瞬间,但是足以满足科研人员的需求。他们发现在这一极端高温下,强作用力比想象中的要强。夸克和胶子间的作用力仍较为显著,因此可以说早期宇宙性质更类似“液体”而非气体。
6.新物质或可解释宇宙存在
新物质或可解释宇宙存在
大约在137亿年前,大爆炸产生了大量物质,这些物质最终形成生命、宇宙及万物。科学家在2010年8月表示,他们发现了一种新的物质,或能帮助他们揭开宇宙存在之谜。
这一新材料的设计初衷旨在用于探测电子的一种新“属性”。电子存在于原子之中,围绕原子核运行。科研人员表示,如果这一“未知属性”被证实,那么将有望帮助科学家们解答物质和反物质“不对称”的谜题。
现有理论认为,宇宙大爆炸将产生同样数量的物质和反物质,也就是说任何事物都是“对称”的。物质和反物质拥有相反的电性和磁场特性。当两者相遇便会发生“湮灭”,仅剩下“纯粹”的能量。
假如果真如此,那么宇宙中就不应该存在任何物质。但是物质的存在,甚至我们本身的存在就说明正常物质的行为必定和反物质有些许不同,而并非完全“对称”。
此次的新理论预言电子存在一种名为“电偶极矩”(electric dipole moment)的属性,这类似于一块侧铁存在南北极一样。电子表现出负电性,说明其电荷的分布不均。偶极矩就是电荷量和正负电荷中心之间的距离的乘积,在这一特定条件下可视为负电荷的空间分布不对称。这种不对称将打破物质和反物质之间的对称性,这种不对称使得物质和反物质粒子同时开始衰变,但是速率不同。从而允许物质的存在。
为了寻找电子的“电偶极矩”,科学家们制成了一种名为“铕钛酸钡”(europium barium titanate)的新型陶瓷材料。这种材料具备独特的磁场和电场性质,从而帮助科研人员探究这一难题。
7.宇宙弦引发伽马射线爆发
宇宙弦引发伽马射线爆发
科学家在2010年8月公布的一项研究中宣称,遥远宇宙中稍纵即逝但强度很大的“火球”可能是由看不见的宇宙弦——时空中的超密度瑕疵——拉拽产生的。
伽马射线是最高能形式的光线。伽马射线暴则是宇宙中最明亮的事件之一。它大约每天在宇宙的某处发生一次。以便距离极其遥远——有些远达130亿光年,但仍然能被地球附近的观测设备探测到。
伽马射线暴持续可见的时间从数秒到数分钟不等。科学家们认为这些长时间的射线暴是由大质量恒星核的塌缩并爆发造成的。但另外一些伽马射线暴则持续很短时间,远短于一秒,科学家对此的成因不了解。
但在2008年和2009年间,美国宇航局的“雨燕”(Swift)伽马射线卫星探测到两次持续很短的伽马射线暴,但引人注意的是其能量相当高,远高于同类。香港大学郑广生教授等人的研究认为这很可能是由超导电性的宇宙弦震动造成的。
8.银河系中心发现神秘气泡状结构
银河系中心发现神秘气泡状结构
天文学家在2010年11月表示,两个前所未见的释放伽马射线的大气泡状结构正在银河系中心不断膨胀。
这是两个之前不为人所知的巨大结构,由美国宇航局费米伽马射线探测器发现。这两个气泡结构沿银河系平面上下方向延伸超过25000光年。
普林斯顿大学物理学家大卫·斯伯格(David Spergel)在一场新闻发布会上说:“我们”一直认为自己对银河系已经非常了解,但是很显然这一发现说明在银河系的中心存在一种巨大的高能事件。
伽马射线是具有最高能级的光线形式。在宇宙中它们通常源自高能事件或天体,如超新星爆发、黑洞或中子星。目前科学家们对于这一巨大的泡状结构成因和能量来源尚不了解。
9.爱因斯坦相对论影响地球生物衰老速度
爱因斯坦相对论影响地球生物衰老速度
根据科学家在2010年9月公布的一项研究,我们站在楼梯上时的年衰老速度,要比站在平地上稍快一些。爱因斯坦相对论的玄妙之处就是其对时间的作用,而最新发现与这种作用联系起来,首次向世人展示了相对论如何影响实现世界的距离和时间构架。
根据爱因斯坦的相对论,时间并非均匀流逝,而是会由于加速度的存在而变化。由于这一机制的作用,对于同一观测者而言,一台高速运动中的钟要比一台静止状态下的钟走得慢。这一原理是著名的“双生子佯谬”的基础。这一佯谬的内容是:如果一堆双胞胎中的一个被送入高速飞行的飞船内,当然返回地面时会发现自己的兄弟比自己老了许多。
广义相对论同时也指出:重力加速度也会轻微地减慢时间。这就意味着:如果你所在的地方重力更大(更接近地心),你所经历的时间更慢,你的衰老速度变慢了。
10.巴克球之谜揭开
巴克球之谜揭开
天文学家在2010年7月宣布,他们在一颗死亡恒星的残骸中发现了巴克球(Buckyball),这是科学家首次在太空中发现这种神秘物质。巴克球是由60个碳原子组成的一种天然分子,形成稳定、空心的球体。
尽管巴克球的直径还不到一米的数十亿分之一,但这仍然是迄今在太空发现的最大分子。巴克球是富勒烯的一种,最早在1970年,人们首次预言它的存在。1985年,科学家在实验室中模拟富碳的老年恒星环境时首次意外证实它的存在。这一球体分子之所以被称为“巴克球”是为了纪念建筑师巴克明斯特·富勒(Buckminster Fuller),他设计的测地线拱顶和这个分子的样子看上去很像。发现巴克球的化学家还因此获得了诺贝尔奖。
之后,人们在陨星、地球岩石,以及蜡烛煤灰中都检测出了巴克球。而纳米技术的发展已经使得科学家有能力将这些巴克球制成高强度的碳纳米管材料,用以制造自行车架以及网球球拍。现在它又开始应用于超导技术领域。
但多年来天文学家在宇宙空间寻找巴克球的努力一直没有结果。这项发现的第一作者,加拿大西安大略大学的简·卡米(Jan Cami)说:“我们坚信巴克球存在于宇宙之中,因为它是我们在地球上发现的最稳定物质之一。但直到现在我们才第一次真正找到它。”(孝文 晨风)
宇宙无限说引出的佯谬
人类将眼光延伸到银河系以外的广阔宇宙时,曾经一度认为宇宙是无限的。宇宙究竟是有限的还是无限的?如果是有限的,那么它的起源是什么?边界又在哪里?如果宇宙是无限的,它那无限多的星星为什么没有将我们地球的黑夜照亮?其实这两个问题是统一的,都能在宇宙大爆炸学说中得到合理的解释。假如我们现在还不知道宇宙大爆炸学说,我们同样会发现宇宙无限的说法会遇到麻烦,因为我们根据“无限的宇宙”居然推出了一些似是而非、不合实际的推论。在物理学中,对于这类貌似合理又不着边际的推论有一个称呼——佯谬。下面陈述的几个佯谬,反过来似乎支持了宇宙是有限的说法。
(1).光度佯谬
如果宇宙是无限的,恒星大致均匀分布其间,那么它们的发光总效果应该使天空的光度无限大。考虑到天体之间互有遮蔽,天空的光度就应该是一个不变的常数,也就是说,白天、黑夜一样明亮。德国人奥伯斯(1758—1840)对这个问题做了系统的讨论,所以后人又称之为“奥伯斯佯谬”。而现实中的昼夜分明,只能说明“无限宇宙”的说法是有问题的,昼夜分明这一世人皆知的事实在宇宙大爆炸的理论框架下才有了像样的解释。
(2).引力佯谬
德国人西利格尔(1849—1924)指出,如果宇宙是无限的,那么它必然分布着无数的恒星,根据万有引力定律,所有天体之间都具有这种无处不在的引力作用,那么对于任何一个天体,在任何方向上都会受到无限大的引力,其总的效果将使每个天体直到宇宙中的一切,都将被撕得粉碎。可是,现实中的宇宙天体并非如此结局,这就从反面证实了“无限宇宙”是谬误的。
(3).死寂佯谬
奥地利物理学家克劳修斯(1822—1888)认为,宇宙的能量应该是守恒的,宇宙的能量总是朝着一个越来越无序的热力学方向转移,这个过程不可逆转。因此,宇宙越是发展,其变化能力就越小,整体就越接近无序状态。一旦达到某种程度,一切变化将会停止,便出现了“永恒的死寂”。这个容易引起世人恐怖的“死寂说”,只有在现代宇宙理论中才能得以澄清。
上述的扬谬说明,宇宙不应该是无限的。
认识宇宙深层
直到20世纪初,天文学家还一直认为宇宙就限于我们的银河系,即便是离我们最远的恒星也就在银河系离我们有3万光年左右的边缘上,在这以外就全是黑暗的虚无空间了。
美国天文学家哈勃(Edwin.Powell.Hubble,1889~1953)首先打破了这种看法。1923年他在威尔逊山天文台上用当时最大的2.5m的望远镜发现了仙女座星云中亮度做周期性变化的“变星”。当时已建立了一种通过变星测量到遥远星系距离的方法,用这种方法计算出仙女座星云远在离我们10万光年的银河系之外,它和我们的银河系一样,也是由许多星聚集而成,因此叫做河外星系。此后他还计算了几十个星系的距离,由此揭开了探索广阔宇宙的新一页。
图4-12  电磁波谱
20世纪30年代以来,口径3米以上的大型光学望远镜在世界各地陆续建成,特别是60年代以后射电天文学和空间天文学的相继诞生,使天文观测手段不但具备了空前的探测能力,而且使获取信息的窗口从可见光扩展到包括射电、红外、紫外、X射线、g射线在内的整个电磁波段(图4-11)。用大的望远镜(包括光学和射电的)在我们的银河系之外已经发现了约100亿以上的星系,这些星系的形状有球形的、椭球形的、涡旋状的、也有不规则的,其中大的具有1013颗恒星,小的则只有106颗恒星。这些星系离我们都在百万光年以上,近年来又发现有异常能量和“红移”的“类星体”,它们离我们更远。例如,1989年发现的一个类星体(PC-1158+4635)离我们的距离估计为130亿光年左右。
1990年4月,美国航天飞机“发现号”把质量为11.6×103千克、设计寿命为15年的精密的哈勃望远镜送入了约600km高空的近地轨道上(图4-12)。在那里它有效地避开了大气层的干扰,使观测距离可达140亿光年。它不断地发回各种信息,帮助人们更深入地了解宇宙深处的情况。
图4-13  哈勃太空望远镜
现在人们清楚地认识到,在浩瀚的太空里,星系又组成星系团,我们的银河系就属于一个叫做“本星系群”的小星系团,星系因还可能组成超星系团。哈勃曾对天空各个方向的不同空间体积计算过遥远星系的数目,他发现体积越大,所包含的星系越多,并且星系的分布几乎不随方向改变。哈勃以及后来的观测都说明,宇宙中星系的分布在大尺度上是均匀的。例如,当把半径为30亿光年的一些遥远区域进行比较时,发现它们的星系和类星体的数目在1%的误差范围内是相等的。“宇宙的质量分布在大尺度上均匀”这一结论叫做“宇宙学原理”。
本世纪初开始相继创立和发展起来的相对论、量子论、原子核物理学、粒子物理学、等离子体物理学等,又给天文学提供了锐利的理论武器,使人们对天体的研究从机械运动进展到了物理性质、化学组成、物质结构等更深的层次,从而为勾勒出太阳系、银河系以至整个宇宙的起源和演化奠定了坚实的基础。
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