2020-03-25 17:03

大爆炸、暗物质与宇宙的命运

#科普

宇宙是如何形成的?这个问题困扰了人类千百年的时间。按照目前物理宇宙学的理论,宇宙起源于一场宇宙大爆炸。宇宙是如何膨胀的?宇宙有可能还会再爆炸一次吗?暗物质又如何被发现?人类是否将会陷入永恒的孤寂?


本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),题图来自:IC photo


宇宙真的起源于一次大爆炸吗?证据是什么


吴宝俊:宇宙诞生于137亿~138亿年前的一次大爆炸,是不是真的?怎么确认宇宙真的来自于这么一个大爆炸呢?


黄庆国:在理解宇宙的过程当中,理论非常重要。一百年前,爱因斯坦提出“广义相对论”之后,进一步提出了宇宙学基本原理,标志着现代宇宙学的开端。


吴宝俊:这个基本原理是什么?


黄庆国:地球是太阳系里的一颗行星,绕着太阳做近似的周期运动。太阳系是银河系中一个很小的恒星星系。一个系统如果足够复杂,反而会有一些很简单的规律呈现出来,这是现代物理学一个很重要的思想。


因为宇宙如此复杂,我们发现宇宙在很大尺度上,可能是均匀和各向同性的,这就是宇宙学原理。


吴宝俊:均匀就是均质的,和咱们普通老百姓理解的均匀是一样的。各向同性是指的是各个方向都是等同的,没有特定的方向取向。


黄庆国:宇宙学原理告诉我们,宇宙中没有特殊的点,每一个点都是平等的。


我们看到北极星这颗恒星时,就会知道北方在哪里。在中国文化里面,所谓恒星就是恒定不变的。我猜测当时基于这样一个观测事实,爱因斯坦就认为,宇宙是静止不演化的。


吴宝俊:爱因斯坦当年依据恒星位置不动这种现象,认为宇宙是不动的,但是后来有其他证据推翻了他这个想法。是什么样的证据呢?


黄庆国:是哈勃。举个例子,我们怎么知道宇宙是在膨胀的?比如有一列火车开过来了,如果这个火车是迎面而来的话,它鸣笛的时候声音会变得越来越尖锐,当离我们而去时,它的波长就变长了,声音会变低沉。


哈勃做观测时发现,那些遥远的星系或者星云,它们发出来的光波,波长总是往低沉的那个方向上变化(波长变长),而且是系统性的。


也就是说,如果这些星系在随机跑动,它们应当有些朝我们越来越近,有些远离我们而去。但哈勃观测到的(星系)都是远离我们而去的,这说明宇宙是膨胀的。这个观测证据,让爱因斯坦意识到他犯了一个错误。


曹瑧:这就是哈勃最重要的发现,是大爆炸理论学说里最重要的一个观测证据。


吴宝俊:宇宙是在膨胀的,我把时间倒推回去,它就是在缩小。


黄庆国:缩到头了就是大爆炸。


吴宝俊:那137亿年、138亿年就是根据它膨胀的速度反推的。


黄庆国:这就是我们能通过测量今天宇宙膨胀的速度来推测宇宙年龄的原因。


吴宝俊:这背后的逻辑真的很强大。有实验证据证明宇宙在膨胀,证明所有的恒星都在远离我们,反推一下,就可以认为在多少多少亿年之前大家都集中在一个点上。


黄庆国:所以我认为,大爆炸理论是整个二十世纪所有的物理学理论里最具有想象力的一个理论。


宇宙是如何膨胀的?


曹瑧:黄老师刚才提到一个非常重要的观点叫做想象力。我们回到稍微严肃一点的话题,就是科学需要想象力,但不能天马行空。更重要的是,要用实验观测证据来检验想象力想出来的东西是否真的代表宇宙的演化过程,是否真的有这么一个点?


从狭义相对论我们知道,时间和空间只不过是四维时空中的四个轴之一,它完全是等价的,中间就差一个光速来转换一下,只要光速乘上时间就是距离。这是我们做天文学观测的一个很重要的前沿。


做天文观测,就是要去找最遥远的星系、最遥远的东西,这个东西叫类星体,它发出来的光已经很微弱了,但实际上是一个巨大的星系。人类目前观测到的类星体,它的光是四百亿年前发出来的。


这个光是从四百亿光年来的,但宇宙的历史只有137亿年,这是怎么回事?


吴宝俊:那两百六十多亿年哪去了?


曹瑧:这就是宇宙学碰上的一个非常重要的问题。


黄庆国:这是因为宇宙是膨胀的。我们来讲讲宇宙膨胀的一个图像,称之为枣糕模型。大家早上吃的发糕,发面团一蒸它就胀了。它是个三维的东西,三维里每一个点都是平等的,没有特殊点。宇宙膨胀,就像发糕一样在胀,是发起来的一种膨胀。


吴宝俊:宇宙在137亿年前就是一个发糕点,然后均匀地膨胀。我现在终于明白宇宙大爆炸原来跟发面差不多。当然,这个膨胀是指宇宙自己的空间和时间在胀。


黄庆国:而且,是每一个空间点都在胀。非常重要的一点是,宇宙大爆炸和我们通常点爆竹是不一样的,点爆竹有一个爆炸源,可宇宙大爆炸是没有的,这个爆炸是没有中心点的爆炸。


大家非常容易误会,以为前面我们讲了星系或者星云远离我们而去,好像在说大爆炸理论认为宇宙是有中心的,实际并非如此。我反复强调,宇宙学原理认为:宇宙是没有中心的。


怎么来理解这件事?我们站在地球上,发现所有的东西都在远离我们而去;同样,如果有一天我们坐上飞船飞到另外一个星球,我们也会看到其他所有星系都远离我们而去。


吴宝俊:就是说,我看你,你在远离我;你看我,我也在远离你——奇点并不是爆炸的中心,而是一个发糕。


黄庆国:在数学上,奇点是指在那个地方某一些数学的量失效了。


宇宙大爆炸的一个重要证据


曹瑧:还有一个问题,宇宙加速膨胀是怎么回事?


黄庆国:让宇宙加速膨胀是在很晚的时候才开始的。


宇宙不是空的,有东西,比如构成人、地球、太阳这样的物质。除此之外,还有一个东西,一种光辐射,这就是微波背景辐射。


微波背景辐射跟大爆炸有非常密切的关系。从哈勃定律,我们知道了宇宙膨胀,反推回去,得出宇宙早期有个大爆炸,但是有没有更多的证据?比如大家春节回家点放鞭炮,放了鞭炮之后,能找到残骸,留下点辐射。


可以说,微波背景辐射就是宇宙大爆炸的一个重要证据。


吴宝俊:之所以叫背景辐射,是说炸完了之后,在茫茫宇宙中普遍会存在残骸;同时它是一种辐射,叫微波背景辐射,说明波段是在微波波段。微波波段的宇宙大爆炸的残骸作为背景,叫微波背景辐射。


曹瑧:随着宇宙的膨胀,宇宙微波背景辐射变得非常均匀。爆炸发生的时候,它的温度很高,但把它扩展到整个宇宙,能量就降下来了。


黄庆国:所以宇宙不是空的,是有辐射的,尽管它现在温度很低。


物质从哪里来?冷爆炸、热爆炸


黄庆国:在宇宙早期的时候温度非常高,比太阳温度高太多。因此,有时候我们在术语上喜欢给大爆炸Big Bang加一个定语Hot,Hot Big Bang即“热的大爆炸”。


有热就有可能有冷,这就是刚才我们提到的所谓inflation,与暴胀有关。宇宙中的这些物质从哪里来?为什么早期这么热?在热之前是不是有段冷的时期?


吴宝俊:头次听说原来大爆炸还分成冷爆炸,热爆炸。


黄庆国:刚才提到,我们研究宇宙学是基于所谓的宇宙学原理,宇宙是均匀各向同性的。但是宇宙这么大,几百亿上千亿光年,为什么这么大的一个系统它是均匀各向同性的?


可以比喻成一个屋子。屋子里面的温度到处都差不多,是因为这里面气体分子不断交换,不断碰撞最后达到平衡,使得屋子里的不同地方具有相同的温度。


但是宇宙这么大,如果宇宙真的只有“热大爆炸”过程的话,一个宇宙就可以分割成很多个互不关联的部分。


吴宝俊:就像家里哪个角落有个火炉子,你坐在这个角落,那儿就热;靠窗边,没暖气,就冷。火炉子上的热量,短时间内不一定能够传递到窗边,所以温度不可能是平均的。


黄庆国:对,需要花时间,时间足够长的话,总可以把这个屋子变得各个地方都一样。


但是有人去算,发现基于宇宙热爆炸过程,解释不了这个现象。在上个世纪80年代初有一个很传奇的人物叫阿兰·古斯。他提出在热的历史之前还有一个冷的历史。在那段时间内,宇宙不断在膨胀,而且非常快速。


吴宝俊:就是在热爆炸之前有一个暴走的状态,而且那段是温度是特别低的。


黄庆国:那个过程我们称之为“暴胀过程”。推动宇宙快速膨胀,需要有一种叫“真空能”的东西。现代物理学告诉我们真空不空,真空也是有东西的。所以真空里面的这种能量,推动宇宙急剧地膨胀。


而宇宙中的物质是怎么来的?就是这种能量(真空能)不能完全稳定,会发生衰变,转化成别的物质,这些物质就是我们今天所看到的这些物质,宇宙中的物质就是这么来的。


吴宝俊:有人说宇宙大爆炸初始有三分钟,是您说的冷的过程吧?


黄庆国:不是。冷的过程只持续了非常非常短的时间,大概是10的负几十次方秒。但是在10的负几十次方秒这么短的时间之内,宇宙膨胀了10的几十次方倍。所以我们称之为暴胀。


一般认为这个冷爆炸结束后有一个重新加热宇宙的过程,从此就开始热膨胀。


吴宝俊:物质的诞生就发生在重新加热宇宙的过程当中,然后才有后来的热爆炸。


曹瑧:他想说的是,只有在那么一个短的,或者是一个很小的范围内,这些物质之间的交换才能够实现今天看到的状态。就像吹气球,起初气球的密度是均匀的,吹大之后还是均匀的。


宇宙大爆炸之前是什么?


吴宝俊:宇宙大爆炸之前是什么?


黄庆国:首先,我们现在所讲的所有科学都是实证主义科学。我们谈论那些可以被检验的科学理论。而在那之前的东西我们目前没有办法去直接观察它,从我的角度来说,那不完全是实证主义科学。


吴宝俊:照您的说法,就是它相当于一个哲学问题?


黄庆国:很多人有很多不同的解释,其中非常有名的一个就是霍金的解释。霍金的解释跟中国传统的道家文化有一定的相似之处。道家说无中生有,通过量子的一个过程——叫做哈特尔-霍金宇宙波函数,描述这样一个无中生有的过程。


但是那只是试图解释大爆炸之前宇宙状态的众多理论中的一个而已。


曹瑧:科学跟哲学应该有一个边界。科学研究的东西就是我们知道的东西。科学的边界是不断扩大的,是通过我们积累、实验,建立各种各样的理论。有一个我们所知道的知识体系,但是这个知识体系不是静止的,它是在不断的变化的。知识的边界不断在拓展。这个边界以内的东西是清楚定义了的。


也就是说,第一,要提出理论;第二,通过实验能够检验。只要是实验不能检验的东西那就不讲了。这个问题就不属于科学的范畴。我们要有一个非常清晰的定义,哪些问题是可以问的,哪些问题是不可以问的。


大爆炸以前到底是什么东西,我没有办法去做实验。一百个人可以提出一百个假说,我没有办法去说谁对谁错。这就不是科学问题了。


黄庆国:有一个很有名的物理学家叫费曼。他就讲不要去问那么多Why(为什么),我们能把How(怎么回事)讲清楚就已经很了不起了。


吴宝俊:这句话背后是不是也展现出一些科学本身的约束或者是科学的无奈呢?有好多问题我们暂时回答不了为什么,也是因为我们的实验或者技术手段没有达到期待中的那样,正因为没有达到期待中的样子,才出现做实验物理和理论物理的这个行业。


黄庆国:或者反过来说,问why还是很重要的,它可以激励我们不断往前发展。


曹瑧:知识就是一个圈,圈内的东西叫知识,圈外的东西就是无知,是我们不知道的东西。爱因斯坦跟我们普通人的差别,就是他的圈大点我们的圈小点。在知识的探索过程中,我们的圈不断变大,碰到无知的东西就越来越多,这是激励我们知识积累,促进科学发展的一个动力。


黄庆国:所以在这个意义上,做科学的人永远面对黑暗,把光明留给别人。


宇宙有可能再爆炸一次吗?


吴宝俊:过去137亿年以前发生过一次大爆炸,有没有可能将来再爆炸一次?


黄庆国:足够有想象力的理论家真提出过这样的理论,叫循环宇宙学。它不仅先膨胀然后收缩,塌缩回来,然后再膨胀再塌缩,再膨胀再塌缩,这样无限循环下去。这也是现在的理论家提出来的可能性之一。


吴宝俊:这样的理论可能在实验上得到证实吗?


黄庆国:有人想在实验上找证据,真有很严肃的科学文章表明科学家在做这些事情。我觉得做理论研究的,可能和做实验科学的不完全一样,要保持更开放的思想。


其实反过来我也始终在想,大陆板块漂移学说和人是从鱼进化而来的,不也让人觉得很奇怪吗?但是这样天方夜谭的想法最后都有可能是对的。


暗物质是什么?


吴宝俊:什么是暗物质?它是如何被发现的?


曹臻:关于暗物质,天文学上有一个很简单观测证据。就是一个星系,像我们银河系,不是有几条旋臂吗,星体都分布在旋臂上。由于整个星系的旋转,科学家可以测量星系的旋转速度,也就是旋臂的摆速,称为线速度。


测出线速度后,根据一个非常简单的物理学原理,叫角动量守恒,转动速度受到引力的约束,也就是说,这团星系的质量决定了转动速度的大小,结果就发现一个很讨厌的问题。


吴宝俊:我联系一下,是不是高中或大学里学过的,速度的平方除以半径等于它的向心加速度?这个向心力应该就是星系里面的引力提供的。


曹臻:对,这是一个很简单的道理。如果把旋转速度测出来,再把我们能用望远镜看到的所有星体质量全部加起来,就发现(实际观测的)转动速度(比通过星系质量计算得到转动速度)要快。


吴宝俊:转动的快,就意味着星体受到的向心力其实比所有星体提供的引力要大得多。


曹瑧:要大出差不多几十倍。有一个很严重的问题,物理学定律到底对不对?物理学定律经过了几百年发展之后,每一颗星星的运动轨迹都能够算得非常准确。我们现在发射卫星、发射导弹,弹道轨迹是算得非常准确的,一点误差都没有。


所以物理学定律是非常准确的。可是天文观测结果又和实验结果对不上,这个差别太大了。所以,人们就想象这里面可能有一种东西是我们用望远镜看不到的。


我们一般用电磁波去观测星系,光就是电磁波,所以这个东西一定是不能发出电磁波的。不能发出电磁波,在物理上讲,就是它不发光,不参与电磁相互作用,那就没办法探测到它,它是暗的,但由于星系的运动,又能感受它的存在。


它也不参加强相互作用,也不组成原子核,原子核就是用强相互作用来组成的,这就是暗物质,是非常难找的一个东西。


吴宝俊:所以暗物质起名字的时候,“暗的”就是指看不见的。


曹瑧:这个东西对宇宙学来说非常重要,因为它比我们现在用物理观测手段能够看见的物质要多出来几十倍。


如何探测暗物质?


吴宝俊:暗物质不参与电磁相互作用,肉眼看不清,也不参与强相互作用,怎么探测它,实验上怎么实现的?


曹瑧:找这个物质有各种各样的办法。最好的就是我抓一把东西就抓到了它,这个叫做直接探测。


还有一个是找间接的办法叫间接探测。比如说两个暗物质撞在一起,可能会产生一个东西,这个东西很可能就变成了光。或者它自己衰变了,衰变的产物里可能也有光,这就给我们提供了一些机会。现在通常认为它产生出来的东西就是伽马光。


吴宝俊:就是非常高频的电磁波。


曹瑧:所以通过电磁波,如果我们有伽马射线的探测手段,我们就可以去找伽马光。


那么直接探测是怎么回事呢?刚才我们讲了,暗物质如果是粒子的话,它还会产生碰撞。假设有一个原子或者原子核在探测器里放着,暗物质粒子到处都是,当这个暗物质粒子撞到原子核上,我看不见暗物质撞它的过程,但是我看得见这个原子被撞飞了,它会产生出一个可以被电磁探测器记录到的信号。这就是暗物质探测的原理。


此外,空间里弥漫着各种各样的宇宙线辐射,所以这种实验一定要到很深很深的地下去,到地洞里去,把宇宙线屏蔽掉,靠山体,比如说我们国家的锦屏实验室,就是在地下两千多米的地方。


到这种环境去你可以把宇宙线里的粒子排除掉,然后再想办法把你能够想象到的所有源头屏蔽。把探测用的晶体放到这种环境里,连热运动都没有,哪天我看见它动了,这就找到了暗物质的踪迹。


暗物质到现在都没有人看到。按照我们的术语来说,永远都在跟噪音背景抗衡,测的永远都是背景。


吴宝俊:像这样的实验室全世界有多少呢?


曹瑧:好多个,我访问过的就有两个。一个是在加拿大,叫做SNOLAB。这是一个非常著名的一个实验室。它是一个镍矿,钻下去两千米,坐矿车“哐”就下去了,速度极快,再平着走三公里才进入一个巨大的实验室,那个实验室里头是完全是现代化的。另外一个实验室是在格兰萨索所,在意大利。


吴宝俊:这个实验室向游客开放吗?


曹瑧:那当然不能开放。


吴宝俊:要开放的话背景噪声就太大了。


“宇宙线”  宇宙起源探索的新思路


吴宝俊:宇宙线是什么?它和暗物质之间有没有什么联系呢?


曹瑧:宇宙线实际上就是各种各样的原子核。从轻的单个的质子,到氢核,再到氦核、铁核,各种各样的原子核,从宇宙里头飘过来。


吴宝俊:如果这么普通,我们探测它或了解它有什么意义?


曹瑧:首先,宇宙线现在弥漫在我们的空间里。跟刚才谈到的微波背景辐射有共同的地方,就是各向同性,带着各种各样的能量,这个能量,可以高到比我们人类的加速器能够产生出来的粒子能量还要高几千万倍。


这些粒子虽然很普通,但是它的能量达到这种程度之后,又引出了一个更加难以理解的问题,就是宇宙加速器到底在哪里?它为什么能够把粒子加速到这么高的能量?为什么我们人类做不到?


我们做了27公里周长的加速器管道,也就加速到这么一个高的能量,现在发现的上帝粒子什么的都是从那个地方(欧洲核子研究中心)出来的。宇宙线轻而易举产生出来的一个能量,把探测器放到地上去一测就能测到。


宇宙线的加速机制可能给我们提供一种全新的思想,这就变成一个前沿的领域,我们叫做极高能前沿。


吴宝俊:曹老师您是拉索项目的负责人,拉索跟宇宙线有关系吗?


曹瑧:我们这个宇宙线实验是在青藏高原。我们想要起一个名字尽可能跟西藏、拉萨有关,要能够谐音起来,这个就是“拉索”的来源。结果取出来之后还恰好碰到一个藏语里面的感叹词,叫“拉索”,就是“好”的意思。它就是用来探索宇宙的起源。


探索宇宙起源用的方法是什么呢?就是去探测能量最高的伽马射线。我们所期望的就是要找到PeV的伽马线。


宇宙里弥漫着2.7K的微波背景辐射,它就是光子,是能量非常非常低的光子。这么高能量的一个PeV光子会跟低能的光子发生碰撞。那些没碰撞的,逃过来的幸存者,就是我们要去观察的东西。


能够找到它们的话就能够跟踪回去追到那个源头。这样就找到了宇宙线的源头。


吴宝俊:拉索这个仪器长什么样?咱们的FAST是个大锅,这个拉索是不是一个大盆或者什么东西呢?


曹瑧:是一个大的网络,一个大阵。这个阵大概是1.3公里直径的一个圆盘。FAST是五百米的直径,拉索更大。它有四种主要的探测器在里头。


吴宝俊:宇宙线跟暗物质有什么关系?


曹瑧:我们探测暗物质一个比较有效的间接办法,就是去看特别暗的东西有强烈的伽马射线辐射。如果拉索是一个很好的伽马射线探测器的话,就去看拉索看到的星体里头有没有这样的东西。


也不能漫天去找,还是要有一点线索。这个线索是宇宙学研究里的一种特殊的东西,叫做矮星系。


矮星系是什么意思?在天文学上讲高和矮是指的它的亮度。矮星系就说明它特别暗,但它物质量是很大的。它发光的东西特别少,光的强度又很小。


如果人能够在矮星系里找到一些特殊的伽马射线,这就神奇了。你看它发光的物质很少,发光的光强很小,质量又很大,然后再有点伽马射线,这就是暗物质。


吴宝俊:拉索有没有可能找到外星人存在的证据?


曹瑧:这不太可能。因为这是一个探测装置,是探测器,探测那边来的信号只是接收。而且尤其像拉索这样的探测器,它测量到的信号能量都太高,高到至少不是人类正常生活所发出来的信号。因此,它应该不会被界定成为一个外星人的探测器。


人类会陷入永恒的孤寂吗?


吴宝俊:刚才咱们讲了宇宙在膨胀,我们观测到的恒星都在远离我们,那这是不是意味着我们人类越来越孤独呢?别的恒星都在远离我们,就是说其他的文明都离我们越来越远了。对此您怎么看?


黄庆国:这确实是很多人包括科学家在关心的一个问题。其中有一个更深刻的问题,我们知道热力学第二定律,是说一个系统的混乱程度总是在不断增加的,用学术的语言来说,就是熵不断增加。


到目前为止我们还没有看到破坏这个定律的任何的实验。这会给我们一个更悲观的宇宙前景,就是宇宙最后会变成一团混沌,什么都没有,会达到熵极大就是最混乱的一种状态,什么都没有。


曹瑧:把人类跟宇宙的膨胀联系起来,跨越的尺度太大了,这个事情实际上没有那么直接。人类在地球处于太阳系,太阳系处于银河系,比起人类的这个概念来说,这样一个系统已经足够大了。


然后讲到星系与星系之间在不断膨胀这件事,实际上在银河系里是感受不到的。科学家在找的所谓的地外文明也好,地外行星也好,这些东西实际上找的还是在银河系的圈子里头。


这个东西至少在人类的短暂历史里不会发生什么变化。至于说星球飞得更远,这件事情跟人类孤不孤独实际上一点关系都没有。


(左)吴宝俊 科普作家  中国科学院大学(中)黄庆国 中国科学院理论物理研究所研究员(右)曹臻 中国科学院高能物理研究所研究员 国家重大科技基础设施项目“高海拔宇宙线观测站”首席科学家


本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks)

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