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宇宙膨胀极限有多大?多久会发生大爆炸?

2017-11-02 来源: 作者:

 通过发现它在加速膨胀,索尔·珀尔马特正在改变我们对整个宇宙的认识。

  有一些科学家他们的工作永远地改变了我们对宇宙的看法。索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)就是其中之一,他在1998年发现暗能量中起到了核心作用。暗能量是一种无形的能量,在宇宙万物中的比例高达73%,正是它在拉伸空间结构并且导致宇宙在加速膨胀。通过他的开创性研究,这位当时38岁、在美国劳伦斯伯克利国家实验室工作的物理学家彻底颠覆了我们的宇宙模型。

  科学家们长久以来一直认为,组成恒星、行星和人的原子占据着宇宙的主导。现在人们普遍认为,这些物质其实只占5%,和驱动空间膨胀的神秘反引力能比起来相形见绌。宇宙中其余的22%是暗物质,它和暗能量无关,但目前的探测手段还没有直接探测到它。科学家们也曾经一直认为,宇宙膨胀要么会在无穷长的时间里一直减速下去,要么最终会停止膨胀继而开始坍缩。珀尔马特的发现迫使他们重新思考这个问题,宇宙会一直膨胀下去,甚至最终还会出现所有恒星和星系都被撕开的“大撕裂”。

  自1998年以来珀尔马特一直致力于完善对宇宙加速膨胀和暗能量的测量。关于难以捉摸的暗能量的理论大量涌现,而珀尔马特则热衷于寻求观测证据来帮助寻找有关的答案。在这里他将告诉我们他奇怪的发现、对暗能量的最新观点以及正在试图探究暗能量属性的观测计划。

  问:是什么研究动机导致你在1998年发现了暗能量?

  答:20世纪20年代,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现宇宙正在膨胀。但紧接着就产生了更多的问题。宇宙会一直膨胀下去吗?它会停止膨胀吗?也许它会调头并开始坍缩。我们如何才能知道宇宙是否会永世存在下去?当你说我们住在一个不断变化、膨胀的宇宙中时,有些明显的事情你会想知道。而回答这些有关未来的问题的方法则是回首过去。

  问:那你是如何从宇宙膨胀的历史来触及这样一个复杂的问题的呢?

  答:其基本思想是,当你所看到的距离越远,你就越深入过去。在一些20世纪30年代的早期论文中,就有人提出用超新星——极为明亮的爆炸中的恒星——来测量宇宙的膨胀,因为它们的光度大致是相同的。如果每个超新星的辐射功率几乎完全一样的话,那么你就可以用它们的亮度来确定出它们到地球的距离。但事实证明,你观测的超新星越多,其中不同类型的也就越多,这种一致性就不复存在了。直到20世纪80年代,科学家发现,超新星中有一类被称为Ia型超新星的,它们的光度具有非常高的一致性。幸运的是,它们同时也是超新星中最明亮的,因此即使是在很远的距离上也能看到它们。

  问:超新星是怎样揭示出宇宙在膨胀的?

  答:我们利用Ia型超新星做为距离的标尺。然后就是搞清楚自每个超新星爆炸以来宇宙膨胀了多少。Ia型超新星发出的几乎所有光都集中在一个特定的蓝色波长上。但是,当这些蓝光在传播的过程中,由于宇宙的膨胀它们会被拉伸,所以在它们到达我们的时候就会看起来呈红色(波长更长)。这些光线看起来有多红就怎么告诉了你自这个超新星爆炸以来宇宙究竟膨胀了多少。观测不同的超新星,你就能够确定出50亿年、30亿年或者10亿年前宇宙有多大,由此就能确定出宇宙是如何随着时间而膨胀的。人们原先预期,由于宇宙中所有的物质之间都通过引力相互吸引,因此随着时间的推移,宇宙的膨胀将会减速。而我们却发现,宇宙的膨胀实际上是在加速。

  问:宇宙正在越来越快加速膨胀的重要性在哪儿?

  答:这说明宇宙并没有我们想象得那么简单。物质并不会导致宇宙膨胀的加速,它们只会令其减速。于是,我们立刻就知道了,宇宙中还存在其他东西。事实证明,宇宙中的大部分物质是以真空中某种能量的形式所出现的,而且它们还表现出了排斥的奇怪特性。也正是它导致了宇宙的加速膨胀。我们不知道它究竟是什么,但现在人们使用“暗能量”这个词来描述它的神秘属性。

  问:你的这些研究结果是突然一下子冒出来的吗?

  答:嗯,这是个有意思的问题。这可能是历史上最慢的“突然一下子”,它花了几个月时间才“冒出来”。原因是这其中的数据分析工作其实相当得复杂,而在得到真正好的数据之前还有许多校准的步骤要做。另一方面,当我第一次去报告这些数据结果的时候,在我的演讲结束之后,著名宇宙学家乔尔·普里马克(Joel Primack)站起来说,他只是想向在场的物理学家指出,这是一个了不起的、绝对让人大吃一惊的结果。在那一刻我也感受到了,没错,这确实令人震惊。

  问:现在科学家们是如何试图来解释暗能量的?

  答:爱因斯坦最初在他的广义相对论方程中加了一个Λ项,以此来抵消引力的影响并构建一个静态的宇宙。哈勃所发现的宇宙膨胀使得爱因斯坦深信这个Λ项是不必要的。但后来人们认识到,在量子力学中Λ可以很容易地用真空中粒子的自发出现和消失来解释。这些粒子被称为虚粒子,与它们不断出现和消失相关的能量便成为了我们了解真空能的来源。不幸的是,如果你计算一下这个能量的大小的话,得到的数字会比实际测到的大10的120次方(1后面120个0)倍。这无疑是个大问题。因此,通常假定这里必定存在一个完美的抵消机制,可以使得最后的差等于0。但是,现在我们看到,结果并不正好等于0。我想大多数的粒子物理学家认为我们需要新的解释。

  问:这些解释是什么?

  答:一种解释是,暗能量是一个标量场,它的特点是在空间每一点它会从这个数值“滚动”到另一个数值。虽然在滚动,但它的能量足以驱动宇宙加速膨胀。或者也许是爱因斯坦给出的广义相对论方程式并不完美,还需要一点点的修改。另一个有趣的解释是可能存在额外的维度,引力会渗透到那些不可见的维度里。在过去10年里,每个星期都会新出两到三篇解释暗能量的论文。但如果你问我这些理论家是否相信他们所提出的模型就是答案,我想他们几乎每个人都会说:“不,我只是想尝试一下不同的想法,希望由此能得到一些线索。”然后,他们又会转向我们这些观测天文学家寻求更多的数据。

  问:那么我们会如何进一步去了解暗能量的实质?

  答:一个很好的例子是近距超新星工厂,这个观测项目已经发现了500多颗可以用来探测暗能量属性的Ia型超新星。我还参与了由美国航天局和美国能源部共同资助的联合暗能量任务。它计划发射一颗卫星来寻找超新星,此外还会研发其他技术来探索暗能量的影响。如果我们能够做一个真正好的项目,那么在若干年之内就会有新的发现,对此我很乐观。我们所需的是正确前进方向的一些暗示。我认为理论家都非常有创造力,最终会给出一个解答,但目前还没有头绪。暗能量可以是任何东西。

  问:自宇宙大爆炸以来,宇宙的膨胀和暗能量的影响是如何变化的?

  答:对于宇宙学家而言,在宇宙大爆炸之后10-35秒左右的极早期有一个被称为暴涨的时期。暴涨是另一个宇宙加速膨胀期,而我们也还不知道是什么导致了这一加速。有可能在当时还有另一种形式的暗能量。暴涨之后引力占据了主导,使得膨胀放缓。这一直持续了大约70亿年,此后宇宙中的物质过于分散无法再制约膨胀。此时,暗能量开始发力,宇宙膨胀也由此再次开始加速。

  问:这一发现对宇宙的命运而言意味着什么?暗能量会减小吗?

  答:你可以简单地说,由于现在的宇宙正在加速,所以这意味着它会永远加速下去,最终导致一个非常黑暗、空荡、冰冷的结局。但是应该记住,我们并不知道是什么导致了当前的加速,我们也不知道是什么在宇宙的极早期引发了暴涨时期的加速。暴涨最终停了下来,宇宙随之也开始减速。谁知道我们现在看到的加速是不是也会停止,然后宇宙开始坍缩。所以,我要说的是,除非我们搞清楚了宇宙加速膨胀的原因,否则宇宙的命运将始终是个未知的谜。

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