任时光匆匆流去,我只在乎宇宙的过去
2019-09-18 11:00

任时光匆匆流去,我只在乎宇宙的过去

本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:赵公博,编辑:Yuki、凝音,封面:pixabay


我们感知到的整个宇宙,要追溯到138亿年前的宇宙大爆炸。在此之前,宇宙是一个无限小的奇点——宇宙大爆炸之后,我们才有了时间和空间。那么,在大爆炸之后,宇宙又经历了哪些大的变化呢?我们是怎么知道宇宙是正在加速膨胀的?国家天文台研究员赵公博和大家分享《什么样的能量,让宇宙加速膨胀了60亿年?》


赵公博演讲视频:


以下为赵公博演讲实录:


我是赵公博。


15年前当我决定研究宇宙学的时候,我的父母语重心长地跟我说:“你研究科学我们支持,但如果以后找不着工作我们可不养你。”在我郁闷的时候,我的朋友跟我说:“你小子真牛,牛得好变态啊。”


后来我就思考,为什么大家会有这样的反应?


最后得出个结论:当人们面对未知的时候,反应往往是本能的抵触,甚至是恐惧。


想象一下:把眼睛蒙住坐在过山车上,从最高点来个自由落体——是不是会尖叫?研究宇宙也是这样,因为我们面对的未知实在是太多了。



什么是宇宙?我们的先人曾经给出了精确的定义,“四方上下谓之宇,往古来今谓之宙”(汉代刘安《淮南子·齐俗》)。简单来说,“宇”是空间,“宙”是时间,宇宙学是一门研究时空的学问。


光的传播需要时间。屋子里灯光一亮大家就能看见我了,不需要等待,因为距离太短了。但在宇宙巨大的时空尺度上,可能需要等很长的时间才能收到来自远古的星光。也就是说,当你看到宇宙的深处,你就看到了过去。



宇宙学中,我们常用的长度单位不是米,也不是公里,而是光年。换算过来,1光年大概是94600亿公里。



这是一位天空摄影师拍到的银河系照片,我们可以看到漂亮的银河。银河是个盘状结构,它的直径是10万光年以上。也就是说,光从银河的一端射到另外一端需要10万年。


仙女座星系,距地球250万光年


这是哈勃太空望远镜拍摄到的仙女座星系,它距离我们250万光年。也就是说,这幅美丽的图片是它250万年前的样子;而它今天的样子,恐怕我们还要再等250万年才能看到,也许那个时候它已经不存在了。


风车星系,距地球2100万光年


这是更远一点的风车星系,距我们2100万光年。


所以对于我们的研究,可以这么说:“任时光匆匆流去,我只在乎你——的过去。”


我们只能看到过去,没有办法看到现在和未来。



基于对过去的研究,我们知道今天的宇宙里面含有这三大部分:普通物质、暗能量和暗物质。普通物质包括你、我、地球、太阳和黑洞,只占宇宙总能量的4%,而其余的96%我们完全不知道,只知道其中某些性质,比如73%的暗能量、20%的暗物质。


诺贝尔物理学奖每年颁发一次,已经100多年了。而这100多个诺贝尔物理学奖,基本上都颁发给了那些基于4%的研究。可以推断,剩下96%还有更多诺贝尔奖等着我们去拿,还有巨大的未知空间等着我们去探索。



宇宙已经138亿高龄,这幅图是我们重建出来的宇宙演化历史。



开端是宇宙大爆炸,宇宙急速膨胀,在短短的几分钟之内就好似从婴儿发育成了巨婴。



中间是宇宙的生长发育过程,就像植物生长,速度缓慢了下来。


在这个过程中,形成了第一代恒星,宇宙自此被点亮。有了恒星,就有了更大的结构:很多恒星聚集在一起形成了星系,大量的星系聚集在一起形成了星系团,整个宇宙开始丰富多彩起来。



上述过程结束后,就到了我们今天说的60亿年前的宇宙。此时,宇宙又开始加速膨胀,而这也是今天困扰科学家的最大的国际难题:为什么宇宙会加速膨胀?到底是什么激发了宇宙的第二次发育?


说起宇宙膨胀,我们必须提到一位牛人,牛顿。一个苹果偶然间砸中了牛顿智慧的大脑,他发现了万有引力定律——任何两体之间都有吸引的作用。但是牛顿并没有告诉我们为什么会这样。



后来,革命性的人物出现了,爱因斯坦。在面对同样现象的时候,他没有在牛顿力学的基础上进一步修正,而是彻底推翻了牛顿的理论。在爱因斯坦看来,两体之间互相吸引有更深层次的原因,即两体都改变了周围的时空性质。一个大球使得周围的时空发生扭曲,这个扭曲传递到小球上导致了一个相互的绕转运动。


爱因斯坦得到相对论方程之后非常兴奋,马上利用这个新理论去研究宇宙。结果非常意外,他发现宇宙有两种演化形式:一种是膨胀,一种是塌缩。于是爱因斯坦陷入了深深的困惑,因为在他(包括当时所有人)看来,宇宙应该是静态稳定的,岁月静好、现世安稳,怎么可能膨胀或者塌缩呢?



所以爱因斯坦在困扰之余,就开始想办法解决他的理论。他说,宇宙膨胀我是没法想象的,因为任何物质之间都有引力作用,在引力的作用下宇宙怎么可能膨胀呢?如果宇宙压缩,我还能接受。所以首先他就把宇宙膨胀这个结论给排除掉。


那么,怎么避免宇宙坍缩呢?很简单,他在方程里面加入一个宇宙学常数——万有斥力,与引力相抵消。


本来故事可以结束了,但是一位英国的物理学家哈勃彻底地粉碎了爱因斯坦的梦想。



1929年,哈勃发现了一个非常有意思的现象:所有的星体都在远离我们,并且越远的后退得越快。这就说明整体宇宙是在膨胀的,只是日常中我们感受不到,但在宇宙的时空尺度上非常明显的。



因此爱因斯坦非常懊悔,他在晚年的时候说:“我虽然这一辈子做了很多科学发现,也得了诺贝尔物理学奖,但是引入万有斥力是我一生中犯的最大的错误,没有之一。”



可是故事还没有结束。1998年,三位科学家基于对超新星的观测,发现宇宙不仅在膨胀,而且还在加速膨胀,从60亿年以前就开始了。这个发现在2011年获得了诺贝尔物理学奖。


右边这幅图是Science当年的杂志封面,可以看到爱因斯坦的表情非常矛盾。他为什么是这种表情?


当年爱因斯坦认为宇宙要塌缩,他引入个万有斥力本来想让宇宙变得稳定,可是没想到宇宙本来就膨胀。但是在膨胀宇宙的基础上,再加入万有斥力会让它膨胀更快。所以爱因斯坦是从完全错误的出发点得出了正确的结论,他当年引入的万有斥力刚好和1998年的天文发现惊人地吻合。所以爱因斯坦悲喜交加,心情矛盾。


那么,暗能量到底是什么?


可能是宇宙学常数(万有斥力),跟时间和空间都没关系,而是真空的能量。


还可能是一种未知的能量场,不是一成不变的,可能随着时间和空间发生变化。



也有可能是一种未知的引力效应。爱因斯坦的广义相对论是目前最成功的引力理论,但目前的适用范围仅是太阳系或者银河系,但是用到宇宙学尺度上对不对呢?还没有人知道。也许爱因斯坦方程需要在大尺度上进行修改或者修正,带来一种宇宙加速膨胀效应。


还有人说,物质存在形式不只有物质和能量,还可以是信息。我们今天进入了信息时代,信息能不能产生能量,推动宇宙加速前行呢?


这些理论,我们今天怎么去验证呢?当然是依靠观测,这也是我的研究方向——利用大样本的星系巡天,从里面找到一些暗能量的蛛丝马迹。



图片中,每一个点都代表一个星系,我们常用的研究手段是计算两点关联函数。


什么叫两点关联函数呢?我给各位举一个例子——



想象一个很大的房间,里面有男有女。



一个男人遇到了一个心仪的女人,刚认识情窦初开,不好意思亲密接触,就保持一定的距离。慢慢地,距离会不断缩小,最后终成眷属。当然也有意外事件发生,距离可能是无穷远,甚至是1亿光年。



我们可以测量任何一个男人和一个女人的距离。以情侣之间的距离为横坐标,以满足相应距离的情侣对数为纵坐标,我们可以绘制两点关联函数的曲线,就像我画的示意图这样,它能告诉我们房间里人群的呈团性。



其实星系跟我们人一样,也是相爱相杀的。左图是我们根据实验数据画出的星系的两点关联函数了,横坐标是任何两个星系之间的距离,纵坐标是星系“情侣”的对数。各位看到,在某个尺度上曲线存在凸起,而这个凸起对我们来说是最重要的,因为它可以作为一把标准尺去丈量宇宙,告诉我们宇宙的几何性质,进而我们就能够间接地推断暗能量的某些性质。



这是我们今天用的观测手段——大口径巡天望远镜。左上角的SDSS是目前国际上使用的2.5米口径望远镜,其体积跟我的同事相比是个庞然大物。今年下半年,我们将运行国际上未来5年最大的巡天望远镜DESI,它的口径为4米,未来还要运行10米级、甚至30米级的巡天望远镜。


我相信随着工具的提升,我们将看到更深的宇宙,看到更远古的过去,得到进一步的能量信息。


最后我写了一首打油诗,来总结今天分享的内容——



谢谢大家。


本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:赵公博,编辑:Yuki、凝音,封面:pixabay

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com

正在改变与想要改变世界的人,都在虎嗅APP

赞赏
关闭赞赏 开启赞赏

支持一下   修改

确定

读了这篇文章的人还读了...

回顶部
收藏
评论4
点赞13