宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!

资讯2年前 (2022)更新 不存在的铃喵
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我们古老的祖先非常聪明。汉代刘安《淮南子齐俗》古书中提到“宇宙可从四个方向称之,宇宙可称之为宇宙”。简单来说,宇宙是空间,宇宙是时间,所以宇宙学是对时间和空间的研究。

宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!

在宇宙中,时间和空间基本上是一回事。因为当你看到宇宙的深处,你看到了过去。我们通常所指的宇宙长度单位:光年,这个单位看起来很奇怪,像是时间单位,但实际上是长度单位,代表光在一年内行进的距离。

010-350000

一个人走一年有多远?不是很远,大概94600亿公里。银河系有多大?直径超过10万光年,也就是说从星系的一端走到另一端需要10万年。

010-350000当你看到更遥远的星系,比如距离地球250万光年的仙女座星系,你看到的是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,对于研究宇宙学和天文学的人来说,“时间飞逝,我只在乎你的过去”。看不到未来,只能通过过去知道宇宙中发生了什么。

如何探索宇宙演化历史

研究宇宙,首先需要一个非常好的理论,而创造一个好的理论,需要一个聪明的大脑。爱因斯坦建立了非常伟大的理论:广义相对论,但同时你需要有非常好的观测方法来检验理论,其中多元宇宙探测器就是通过各种手段来探索宇宙。

010-350000宇宙微波背景辐射是我们观测天空的利器。它的原理其实很简单。类似于用微波炉的波段来探测整个天空中光子的分布。根据大爆炸理论的预言,天空中存在着3K微波背景辐射。这种微波背景辐射在天空的分布中承载了大量的宇宙学信息,因为这些光子是从大爆炸后的38万光年飞到我们今天的,一路上承载了大量的“风景”。宇宙微波背景辐射(CMB)的研究曾两次获得诺贝尔物理学奖。

宇宙标准烛光:超新星

010-350000我们不仅可以通过观察光子来研究早期宇宙中发生了什么,还可以观察到另一颗恒星——超新星,它被称为宇宙标准烛光,距离我们相对较近。为什么叫标准?因为它的光度从爆炸到死亡都是随时间有规律的,所以我们可以用超新星的光度来推断它离我们的距离。

另一方面,速度可以通过使用今天的光谱技术来测量。有了距离和速度,科学家可以测量出很多有趣的宇宙信息,比如宇宙参数等等。

通过超新星,1998年,科学家发现宇宙不仅在膨胀,而且在加速。2011年诺贝尔物理学奖授予了与超新星相关的研究工作。

宇宙的标准的汽笛:引力波

010-350000引力波被称为宇宙的标准哨。研究宇宙不仅可以通过观察,也可以通过倾听。当两个密度较大的天体融合在一起,互相围绕旋转时,会在时间和空间上形成波纹,就像声音每个人都能听到一样,因为声音传播过程中空气的压力是变化的。引力波是时空的涟漪,本质上振动是可以被“声音”听到的。而且引力波携带了非常重要的宇宙学信息,所以被称为标准哨声。2017年关于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

010-350000我的研究领域是重子声振荡,被称为宇宙标准尺。前面有蜡烛看亮度,哨子听声音,标准尺测距离。我们的方法是利用统计性质,从大量星系样本中提取宇宙的演化信息。2014年重声振荡的研究也获得了邵氏奖。

010-350000从这里不难看出,每一种研究方法都很重要。结合这些观测,我们可以了解今天宇宙能量的构成:4%是我们熟悉的常见物质。普通物质是你、我、他、太阳和黑洞。这些都可以称之为普通物质,你看得见摸得着。剩下的96%是我们未知的,分为两部分,大约三分之二是暗能量,其余是暗物质。

自20世纪初诺贝尔物理学奖设立以来,已经有100多项诺贝尔物理学奖授予了这4%的人。你可以猜到,96%的“诺贝尔奖”级别的研究工作还在等待我们去发现。

实际上,暗物质和暗能量的研究已经获得了很多诺贝尔奖,CMB研究获得了两个奖,加速膨胀研究获得了2011年的诺贝尔奖,引力波研究获得了2017年的诺贝尔奖,皮布尔斯今年非常重要的研究也获得了诺贝尔奖。他建立了一个完整的宇宙引力框架,没有这个框架,我们今天的宇宙学研究就很难开展,他的工作奠定了基础。

010-350000这就是我们今天所知的宇宙演化史。基本可以分为三个部分,宇宙的开端。在这个阶段,宇宙的膨胀是非常迅速的,是一个加速膨胀的过程,就像一个人在婴儿期生长非常迅速,在极短的时间内从婴儿变成巨婴。

在这个过程中间,宇宙在成长,在发展。我们都知道有引力。你可以想象,时空的膨胀在放缓,因为是相互吸引。在这种作用下,宇宙在慢慢膨胀,结构也在慢慢成长,就像一棵树苗。

直到60亿年前,宇宙因为某种原因开始加速膨胀,正在爆炸。我们仍然不知道为什么。有科学家认为是暗能量的存在导致的,但我们不知道暗能量是什么。我们只能慢慢接近它,用我们今天的调查来分析它的本质,探索它的本质。

010-350000宇宙应该分为这样几个阶段:大爆炸,随后的暴涨,以及非常迅速的膨胀。然后宇宙出现了黑暗时代,这期间宇宙中没有任何发光的东西,因为第一代恒星没有形成,主要是氢。

大爆炸后大约4亿年,宇宙第一次被照亮。这就是第一代恒星的形成。之后,宇宙中出现了越来越丰富的结构。恒星形成了星系,星系形成了星系团。

最近,大约60亿年前,宇宙开始加速膨胀,这是我自己研究的主要方向。

宇宙加速膨胀阶段

010-350000我们从头说起。宇宙正在加速膨胀。让我们感受一下。在10的负36秒,宇宙膨胀到10的26次方。不是物质在膨胀,而是时空本身在膨胀。

由于宇宙的膨胀,温度从最初的10到32度下降到1000万度。这时,婴儿宇宙中开始存在一些基本粒子、光子、电子等等。

010-350000宇宙光子是最重要的介质。无论什么望远镜,光学望远镜,射电望远镜等。所有的光子都被探测到,只是频率不同。

光子探测的频率接近微波炉,用来观测整个天空不同温度的波动。

010-350000上图中,蓝色的温度可能较低,而橙色的温度可能较高,看起来不规则,但正是这张不规则的星图包含了丰富的宇宙学信息。

我们怎么知道宇宙有138亿年?就是通过上图。如何知道宇宙中70%的暗能量和20%的暗物质?也是通过这张图。

010-350000这里有一个偶然的发现:彭齐亚斯和威尔逊当时是贝尔实验室的工程师。他们的工作是降低无线电天线的噪音。当他们把设备指向各个方向的时候,发现有一种噪音是永远无法去除的,而且是那么的均匀,跟指向哪个方向都没有关系。

同时不得不提一个伟人,皮布尔斯。那年皮布尔提出了一个理论。当时很多人认为宇宙是静止的,而皮布尔斯认为宇宙不是静止的,开始了大爆炸。基于大爆炸留下的噪音,这个信号有多少?他发现它是关于3K的,也就是对应负270的能量标度。

彭齐亚斯和威尔逊发现这种噪音时,马上想到了皮布尔斯的工作,于是赶紧跑去和包括皮布尔斯在内的普林斯顿科学家讨论,看看预言的信号是不是被我们发现了。最后,彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔奖。

大爆炸38万年后,光子变得自由,然后飞向我们。之后宇宙变得五彩缤纷,宇宙中出现了暗物质。暗物质是什么?你可能中午吃了很多暗物质。它是物质,但它不与你互动。但是正是这种暗物质的存在形成了我们宇宙的结构。

010-350000我们通过数字模拟得到的宇宙的形成和演化。右图是数字模拟,非常接近我们今天观察到的星系。星系有各种形态,如椭圆星系、旋涡星系等等。所以暗物质理论可以很好的满足今天的观测。

宇宙为什么会加速膨胀

接下来,我的研究领域,也是最不为人知、最令人困惑的方面,就是宇宙的膨胀或其加速膨胀。

说起这个问题,还得从一个“牛人”说起,那就是牛顿。牛顿和苹果的故事可能大家都很熟悉。一个苹果击中了智慧的大脑,于是牛顿发现了万有引力定律。他发现了任何两个物体之间的吸引力,但他没有告诉我们为什么。他就是发现了这个现象。

20世纪初,爱因斯坦建立了一个非常时髦的理论:相对论,当时很少有人能理解。当爱因斯坦面对同样的现象时,他陷入了深思。他给出了完全不同的解释。为什么两个身体会互相吸引?爱因斯坦认为是因为物质的存在会导致周围时空的扭曲。物质告诉时间和空间如何被扭曲,时间和空间反过来告诉物质如何移动。

爱因斯坦得到相对论后,迫不及待地将其应用到宇宙的研究中。当时他发现有两种可能的解决方案,一种是宇宙会收缩,另一种是宇宙会膨胀。

爱因斯坦对这两种解决方案非常不满意,因为没有人希望我们有一天坍缩到起点,或者膨胀到分崩离析。所以爱因斯坦想知道,我怎样才能让宇宙保持稳定状态而不膨胀或收缩?

宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!5图注:看看火车上印的著名的爱因斯坦方程,可见当时是多么的时尚和流行。

我们不进入方程,它意味着时空的曲率等于物质的分布。分配可能会产生吸引人的效果。你可以想象一个收缩的时空更容易理解,因为物质之间存在吸引效应。爱因斯坦认为宇宙不可能膨胀,所以他排除了膨胀的解决方案。所以他想,如果宇宙在缩小,我还能做点什么。收缩是由于重力。为什么我不引入排斥力来保持它不收缩呢?1917年,爱因斯坦创造性地在他的方程中加入了一个宇宙常数,这就是最早的暗能量模型。

得到这个方程后,爱因斯坦非常激动:我的宇宙终于完美地平静下来了,我的广义相对论终于可以完美地应用于宇宙了。

010-350000但是没多久。1929年,英国科学家哈勃发现宇宙根本不是静止的,而是膨胀的。离我们越远,它的膨胀速度越快,这是一个正比。今天的宇宙还在膨胀,膨胀的程度和距离成正比。

你可以想象爱因斯坦得知这个消息时的表情。他说了一句话,翻译成中文就是“引入宇宙常数是我这辈子犯的最大错误”,没有一个,所以他非常后悔。

010-350000但是故事并没有结束。1998年,三位科学家利用超新星研究发现,宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀。试想当年爱因斯坦为什么要引入宇宙学?为了让宇宙不膨胀,他认为宇宙收缩了,加上这个常数后宇宙就不能膨胀了。然而,宇宙正在膨胀。加入斥力后是否膨胀得更快?于是爱因斯坦从错误的起点得出了正确的结论。

这也是为什么当你看到1998年《Science》期杂志封面时,爱因斯坦的表情是非常复杂的,惊讶和惋惜。也许科学就是这样。

1998年,加速膨胀研究被列为十大科技进步之首。根据国际权威组织暗能量特别工作组的报告,认为暗能量的存在表明我们今天对基本粒子或引力理论的理解要么是不正确的,要么是不完整的,总之需要一场基础物理学的革命。

当然,这是一个很好的机会。今天,我们生活在精确宇宙学的时代。我们有非常高质量的数据,从中我们可以提取暗能量的信息。暗能量方向也是美国十年计划的最高优先级研究方向,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

有很多方法可以研究暗能量。我自己的研究是用大尺度星系巡天。

010-350000上图是我们从望远镜内部拍摄的银河系的一部分。每个点代表一个星系。我们用一种类似普查的方法对星系进行统计研究,这种方法叫做聚类分析。

根据测量结果,发现在特定的尺度上有许多对星系。我们用的天文尺度叫做100万亿秒差距,那里有一个局部凸起。

010-350000这个突起的位置非常重要,因为它来自早期宇宙的信息,进而可以推断出宇宙的年龄、膨胀速率、成分等信息。所以在宇宙学中,我们称之为宇宙标准尺,也叫重子声波振荡,是一个非常重要的物理工具。

010-350000这张图展示了另一个非常重要的效应,叫做红移扭曲,这是给我们的一个信号。

我们利用黑洞在空间的三维分布来衡量宇宙的膨胀史和结构成长史。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,对应于三个主要的科学目标:

010-350000第一个是重子声振荡,探索宇宙的膨胀史,对应暗能量的性质。

二是红移扭曲,因为宇宙结构的增长受引力支配,所以可以研究引力的本质。

第三是小规模团簇可以帮助我们测量中微子质量。因为中微子的绝对质量在地球上很难研究,你只能探测到不同世代中微子质量的相对绝对平方差,但你可以测量宇宙学中中微子的绝对质量。中微子太多的话,中微子的速度会很高,会让很多小结构无法形成。这些研究也是以后获得诺贝尔奖和邵逸夫奖的研究方向。

回到暗能量,我们和合作组一起测量了宇宙的膨胀速率和结构增长率,我们可以测量暗能量的状态方程,这是一个关键的宇宙学参数。暗能量的所有性质都体现在这样一个方程或函数中:

010-350000横坐标是时间,纵坐标是物态方程:暗能量的压强与暗能量的密度之比。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,严格来说等于负1。多年来,人们把爱因斯坦的模型称为标准的宇宙暗能量模型,认为暗能量就是真空的能量。虽然存在许多理论问题,但它被人们广泛接受。

2017年,我们利用最新的天文观测、重子声波振荡、红移畸变等,用视线重构了暗能量的演化历史。可以清楚地看到,它不等于负1,不是常数,而是随时间演化的。

蓝色部分是我们得到的误差,相对较大,足够显著。我相信随着我们观察能力的提高,我们会逐渐接近暗能量的本质。

没有答案的暗能量研究

如果暗能量真的是一种动力学,它意味着什么?这可能是一个值得我们思考的问题,我今天没有答案。

暗能量到底是什么?是宇宙常数吗?是真空的能量吗?今天不能完全排除,但似乎可能性不大。它可能是一种未知形式的能量。

有没有可能是重力的作用?任何理论都可能有适用范围。比如牛顿力学可能不适用于宇宙尺度,广义相对论可以用在更大的尺度。那么,在更大的范围内,广义相对论是否也需要修正?它是暗能量的候选吗?也有可能,有人说暗能量就是信息。都有可能。

随着我们观测手段和能力的提高,我们现在使用的是SDSS 2.5米望远镜,已经探测到了一百万个星系的光谱,但是远远不够。DESI今年下半年开始的合作项目将基于一个更大的望远镜,该望远镜将探测2000万个光谱。著名的FAST射电望远镜,直径为500米,也将以非常高的精度为我们提供线索。

卡尔萨根曾经说过,我们生活在宇宙中,所以我们非常孤独,无知,甚至自大。但无论如何,我觉得能在浩瀚的空间和无限的时间里,共同分享一个星球,共同研究宇宙,是我的荣幸。

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