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科学大唠嗑:物质是什么(8)宇宙里真正的主角是谁?

科学大唠嗑

张 喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员

上一期我们说到了爱因斯坦用广义相对论解释了宇宙的结构应该是怎样的,那么组成宇宙的都是什么呢?

01

爱因斯坦说,宇宙你不该如此安静

1917年,爱因斯坦向普鲁士科学院提交了广义相对论场方程以及它所描述的整个宇宙的性质。

这是一个由空间、时间、质量和能量组成的结构。就是这样一组方程,爱因斯坦用它描述了时空和质能之间的关系,在原则上这组方程包含了宇宙中所有的要素,只是规模大小的问题。

其实,在可观测宇宙中存在了各种复杂的物理、化学以及生物物质,比如含有气体的星系、恒星、黑洞、类星体、中子星、行星、化学物质、生命等等。

显然,场方程无法解释宇宙中的一切。

但是当面对一个极为复杂的系统时,理论物理学家通常会忽略所有的复杂性,以试图让问题变得更容易处理。这一过程也被称为简化假设。

其实,爱因斯坦就已经这么做了。他的场方程太复杂了,所以不得不假设宇宙在各个方向上都是均匀的,包含着具有相同组成成分的物体。而且他还假设,我们从地球这一视角观察到的宇宙,和宇宙中的任意一个位置所观察到的宇宙没有什么不同。就是说我们在这个宇宙中并不特殊。

在这些假设的基础上,爱因斯坦推导出了一个非常引人注目的结论,宇宙是有限而无界的

在爱因斯坦所想象的宇宙中,时空就像球体的表面一样卷曲了起来。如果你的寿命足够长的话,一直向着宇宙一个方向走,最终你还可以回到出发的地方。除了在恒星或是行星这样的大型物体的周围,时空中的任意一点在局部看来都是平坦的,但是,从整个宇宙的大尺度上来看,时空中的每一处都会有轻微的弯曲。

可是,在当时主流的科学观点和人们所感知的宇宙都是相当稳定的,除了偶尔会出现一些极端罕见的事件,比如超新星爆发产生的闪光以及大质量黑洞之间并合产生的引力波等等。除了这些,我们头顶的夜空看起来似乎都是永恒不变的,这也是我们把大部分的星星叫做恒星的原因。

这种宇宙展现出的永恒不变也给了爱因斯坦一种错觉,他认为场方程所展现的宇宙也应该是静态的,但是,结果并没有让他满意。根据场方程描述的宇宙必定是一个动态变化的宇宙,它要么处于膨胀之中,要么处于收缩之中,而一个静态的宇宙在现实中是不可能存在的

02

一个看起来很美但没啥用的宇宙常数

在自然界中,引力是最弱的力,但是它是无处不在的,无法阻挡,而且只有一个方向。

这是引力与电力或者是磁力不同的地方,甚至引力没有相反的作用力,它只会使物体聚集在一起,而不会使物体分开,这就让爱因斯坦意识到宇宙中所有物体间的引力应该会导致宇宙自身的坍缩。

几个世纪以来,天文学的研究和观测却从未发现任何证据可以表明宇宙中所有的恒星都在彼此靠近,最终聚集在一起形成灾难性的坍缩。真实的状况却是正好相反的。

爱因斯坦提出的问题并不是一个新问题,也不是专属于广义相对论的问题。如果将牛顿的万有引力理论应用于整个宇宙,也会得出宇宙正在坍缩的结论,牛顿对于这个问题的解决方法,是把上帝搬出来,将宇宙中本将聚拢的恒星给分开。

不过爱因斯坦可能觉得他需要一个比这更具科学性的解释,只是他的场方程中并没有什么能阻止这种坍缩发生的东西。

在爱因斯坦看来,他的场方程是“不平衡”的,它们描述的宇宙会朝向不同的方向“倾斜”,而这就会导致其预言的宇宙是动态的。为了让这些方程得出静态宇宙的结果,爱因斯坦试图在方程里引入一个新的项使得场方程更加平衡。这只是一个数学意义上的“修正”,除了保持平衡之外并没有任何实际意义,这个引入项就是宇宙学常数。

这些方程式毕竟代表了一套物理的系统,对于其中包含的每一项都应该能给出一个有物理意义的解释。

如果要让新引入的这个项防止宇宙自身的坍缩,那么它就必须对时空施加一种反引力的力,也就是负的、类似于引力的斥力。

这种斥力的大小可以随着距离的增加不断累积,从而抵消由质能引发的时空弯曲的影响。这样一来,场方程就形成了完美的平衡,也由此得到了一个现在看来并不稳定的静态的宇宙。

这终究是一种无法令人满意的折中方案,因为除了日常观察表明宇宙似乎是稳定、静止的之外,没有任何证据或是理论推导能够证明宇宙学常数的引入是有必要的

爱因斯坦自己也觉得人为加入的宇宙学常数破坏了方程的优美简洁,后来也为此感到后悔,认为这是他一生中犯过的最大的错误。

03

宇宙从哪里来

改变发生在1931年.

美国天文学家埃德温·哈勃和他的助手米尔顿·赫马森发表了一系列观测报告,他们得出的结论是:

我们在宇宙中观测到的大多数星系都在远离我们。宇宙根本不是静止的,也不是在收缩,而是正在膨胀。

有关宇宙膨胀的证据,实际上是经过了天文学家们多年的努力慢慢累积起来的。这方面的工作始于1912年。

当时美国天文学家维斯托·斯里弗正在位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台工作。他运用多普勒效应研究了星云的速度,发现来自仙女星云,就是不久之后被重新命名为仙女星系的那个星系发出的光发生了蓝移(光波被压缩),并由此计算出它正在以大约每秒300千米的速度朝向我们银河系移动。

然而,当收集到更多其他星系的数据时,他发现大多数星系发出的光都是红移的,并且计算出它们都在以每秒1100千米的速度远离我们。

到了20世纪20年代,哈勃与赫马森利用位于加利福尼亚州帕萨迪纳附近的威尔逊山上的直径100英寸望远镜,收集了更多星系的数据,并发现大多数星系确实在朝远离我们的方向运动。

哈勃还从中发现了一个简单到近乎不可想象的关系,距离我们越远的星系,运动速度越快,这就是哈勃定律

在这种膨胀的宇宙中,实际上是时空在膨胀,因此时空中的每一个点都在相互远离。这就意味着光谱频率的红移实际上并不是由光在空间中传播时产生的多普勒效应引起的,而是一种宇宙学红移,它是由光所处的时空膨胀引起的。

爱因斯坦在他的场方程中引入了宇宙学常数作为对于时空本身的一种修正,目的在抵消由质能引起的时空弯曲的影响。

如果把它移到等式另一边,它所代表的就是宇宙总质能中的某一个正的贡献。但它代表的并不是我们所熟悉的属于恒星和行星的那种质能,它仍然取决于时空的结构,并表明“空旷”的时空中存在着一种能量,有些人称之为真空能。

事实上,宇宙学常数正比于真空能量密度,也就是“空旷”的时空中单位体积内所含的能量。

如果说宇宙正在膨胀,那么从时间上往回追溯就可以做出这样的一个推断,一定会有某一个时刻,宇宙中的所有能量都压缩在一个无穷小的点上,而这个点的爆发就是我们现在所说的“宇宙大爆炸”。

虽然目前为止,我们还没有发展出有效的科学理论来描述宇宙演化的“开始”,但是,如果对宇宙膨胀时的大小和温度做出一些假设,我们就能很有把握地运用目前公认的理论来解释。

04

我们拥有所有,我们一无所知

1964年,无线电天文学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在新泽西州贝尔实验室的霍姆德尔研究中心首次发现了宇宙历史上一个重大事件的“余晖”,我们称之为宇宙微波背景辐射,这就是宇宙射出的第一束光。 

到这里如果你以为,我们现在已经拥有了足以在大爆炸中构建整个宇宙的全部要素,那可就大错特错了。

1934年,瑞士天文学家弗里茨·茨维基通过观测星系团发现,距离中心越远的天体反而公转速度越快,这就意味着这里的引力一定比我们根据可见恒星的质量推测出的引力要强得多。

茨维基的结论是,根据观测到的公转速度来推测,星系团有多达90%的质量都“消失”了,或者说是不可见的。他称之为“短缺质量”。

1975年,美国天文学家薇拉·鲁宾和她的同事肯特·福特对单个星系中的恒星公转速度进行了测量,他们观测到了与弗里茨在星系团上观测到的同样的效应。

在星系边缘处,恒星的公转速度比基于可见恒星的质量推测出的公转速度要高得多。通过实际测量得到的公转速度曲线图只能这样解释,每个星系都位于由某种不可见的物质组成的“光晕”中心,这种光晕如今被称为“暗物质”。

在20世纪90年代初期,还有另外一个迟迟未解的问题。大质量天体引起了时空的弯曲,但是在局部的视角下,时空还是平直的。

我们对于宇宙的观测结果也是这样,符合欧氏几何的理论。除了黑洞、星系以及单个的恒星和行星等因素造成的时空弯曲之外,整个宇宙中的时空大致上都是平直的,只有时空的膨胀与时空中的质能达到完美的平衡时,才有可能出现这样的平直的时空。

宇宙学家在宇宙中找到的所有质能都不足以维持时空的平直,甚至加上暗物质也不够。

20世纪90年代初,算上已观测到的以及据此推测出的暗物质,宇宙总质量大约只有所需质量的30%。如果这就是宇宙中的全部质能,那么我们所处的宇宙应该是开放的宇宙,时空也应该会有负向的弯曲。

可供天体物理学家选择的解释并不多。他们这时候意识到,爱因斯坦之前人为加入的那一项,可能真的在和宇宙相关的方程式中扮演了重要的角色。质能密度占30%,和宇宙学常数相关的真空能密度占70%,这可能是唯一一种可以解释我们宇宙为何是平直的的办法。于是,真空能有了一个更加广为人知的名称——“暗能量”。

可见光、暗物质、暗能量等质能的密度不同,导致对宇宙不同历史时期的膨胀速度有不同的预测。所以,如果我们能确定宇宙实际的膨胀过程,我们就能确定每一种物质的密度。

由于光速是有限的,观察遥远的事件就是在回顾宇宙的历史。因此当我们观察宇宙中非常遥远的地方发生的事件时,我们所看到的就是它们在很多很多年前刚刚发出光时的样子。

1998年,两个独立的天文学家小组报告了由某颗超新星照亮的遥远星系的红移测量结果。这两个小组分别是美国天文学家索尔·珀尔马特领导的超新星宇宙学项目(SCP),以及澳大利亚和美国双重国籍的天文学家布赖恩·施密特和美国天文学家尼古拉斯·桑泽夫组织的高红移超新星搜索小组。这两个小组报告的结果表明,与当时主流的预测相反,我们宇宙中的时空实际上是在加速膨胀的。

能解释这种现象的就只有暗能量了,并且由于暗能量起到的作用相当于宇宙学常数,爱因斯坦提出的这一项自此不再只是人为捏造的结果了。

现在,学界终于对于大爆炸宇宙学的其中一个版本达成了共识,它有很多不同的名称,比如“协调”模型、“大爆炸宇宙学标准模型”或是Λ–CDM模型,其中Λ代表宇宙学常数Λ,CDM则代表冷暗物质。

到这里,对宇宙的科学探索历程中,我们有了一个基于爱因斯坦广义相对论的模型,它把现代宇宙学、天文学和天体物理学的观测结果都纳入其中,这是它的优点。

然而,这个模型也为我们揭示出,我们对宇宙在很大程度上仍是无知的。虽然知道我们所生活的宇宙中离不开暗物质的存在,我们也可以测量它的引力效应,但是我们还是不知道暗物质到底是什么。虽然我们观察到了宇宙在加速膨胀,但是我们还是无法解释清楚暗能量为何存在,以及它到底是什么。

这个已知的宇宙中有95%以上的东西我们都没有真正的解释,我们被这些至暗的质能所包围。

来自遥远类星体的影像在前景星系及其附近暗物质团块的引力作用下,被“一式四份”

关于宏观上的物质探索旅程到这里就到达终点了,下一次咱们开启微观物质探索的旅程,期待你继续加入我们的队伍,咱们下期见。

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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目,每周更新一次,作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动,也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗?》的领读者。对于天文爱好者,此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们,这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新!

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