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宇宙学能揭开宇宙的终极奥秘吗?

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宇宙学能揭开宇宙的终极奥秘吗?

现在极为罕见的天体到了未来将非常常见,而且未来的宇宙将比现在更适合生命生存……数千亿年后,宇宙将会变成这样吗?

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几千年来人类一直在观察星星,并想知道宇宙是如何形成的。但直到第一次世界大战期间,研究人员才开发出第一批观测仪器和理论工具,将这些重大问题转化为一个精确的研究领域:宇宙学。普林斯顿大学(Princeton University)宇宙学家保罗斯坦哈特(Paul Steinhardt)说:我认为宇宙学是人类感兴趣的最古老的学科之一,但也是最新型的科学之一。简单地说,宇宙学研究的是作为一个整体的宇宙,而不是单独分析充满宇宙的恒星、黑洞和星系。这个领域提出了一些重大问题:宇宙从何而来?

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几千年来人类一直在观察星星,并想知道宇宙是如何形成的。但直到第一次世界大战期间,研究人员才开发出第一批观测仪器和理论工具,将这些重大问题转化为一个精确的研究领域:宇宙学。普林斯顿大学(Princeton University)宇宙学家保罗斯坦哈特(Paul Steinhardt)说:我认为宇宙学是人类感兴趣的最古老的学科之一,但也是最新型的科学之一。简单地说,宇宙学研究的是作为一个整体的宇宙,而不是单独分析充满宇宙的恒星、黑洞和星系。这个领域提出了一些重大问题:宇宙从何而来?

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揭秘万亿年后宇宙图景:将更适合生命生存

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为什么它有恒星,星系和星系团?接下来会发生什么?纽约大学的粒子物理学家Glennys Farrar说:宇宙学正试图为宇宙的本质绘制一幅非常大的图景。因为这门学科涉及到许多现象,从真空中粒子到空间和时间的结构,宇宙学吸引了大量的领域,包括天文学、天体物理学以及越来越多的粒子物理学。宇宙学的某些部分完全属于物理学,某些部分完全属于天体物理学,还有一些部分是前后往复的,这是兴奋的一部分。

时间那不可阻挡的脚步,总能激起我们对宇宙遥远未来的思考。但思考的结果通常令人沮丧。50亿年后,太阳会膨胀成一颗红巨星,在缓慢变暗前会吞没内太阳系。但这仅仅是整个未来的一个瞬间的画面——实际上,无穷短。随着天文学家放眼未来,例如幽默作家道格拉斯·亚当斯(DouglasAdams)在《宇宙终点的餐馆》中所写道的“5760亿年”,他们会看到一个充满了无数正在暗去的天体的宇宙。到那时,空间的加速膨胀会把已经位于我们银河系之外的每一样东西都带到我们的视线之外,留下一个更加空荡的夜空。在1816年的长诗《黑暗》中,拜伦勋爵预见到了这一前景:“明亮的太阳熄灭,而星星则在暗淡的永恒虚空中流离失所。”但好消息是:黑暗的降临只是故事的一半。恒星形成这个宇宙现象,确实在很久之前就已过了它最光辉的时期,但宇宙并没死去。奇异的新物种将会进入天文学家的动物园。当前罕见的怪异现象将会司空见惯。宇宙中适宜生命生存的环境,甚至会变得更多。 科学的“末世学”——对极遥远未来的研究——在宇宙学和物理学中具有卓越的历史。这类研究不仅让人着迷,也为检验新理论提供了一个概念上的平台,让一些抽象理论可以变得更为具体——当宇宙学家描述空间形状对宇宙命运的影响时,这个宇宙学上最为抽象的概念也许就更容易理解一些。试图调和关于基本粒子与作用力的不同理论的物理学家预言,只有在数万亿年甚至更久之后,诸如质子衰变和黑洞蒸发的现象才会发生。越来越多天体物理学家也在他们的有关恒星和星系演化的模型中,引入了极为遥远的未来。过去十年里,他们试图再现自大爆炸以来,恒星和星系的形成及其成分变化的方式。随着科学家对过去的认识不断加深,他们可以推测出在遥远的未来,宇宙会发生什么。

为什么它有恒星,星系和星系团?接下来会发生什么?纽约大学的粒子物理学家Glennys Farrar说:宇宙学正试图为宇宙的本质绘制一幅非常大的图景。因为这门学科涉及到许多现象,从真空中粒子到空间和时间的结构,宇宙学吸引了大量的领域,包括天文学、天体物理学以及越来越多的粒子物理学。宇宙学的某些部分完全属于物理学,某些部分完全属于天体物理学,还有一些部分是前后往复的,这是兴奋的一部分。

一部宇宙史

一部宇宙史

该领域的跨学科性质有助于解释其起步相对较晚的原因,直到20世纪20年代,阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论之后不久,我们对宇宙的现代图景才开始融合在一起。广义相对论是一个数学框架,将引力描述为空间和时间弯曲的结果。在你理解引力的本质之前,你无法真正解释为什么事物是这样的。其他力对粒子有更大的影响,但重力是行星、恒星和星系领域的主要参与者。艾萨克·牛顿对引力的描述也经常适用于这个领域,但它把空间当作一个刚性、不变的背景来衡量事件。

该领域的跨学科性质有助于解释其起步相对较晚的原因,直到20世纪20年代,阿尔伯特·爱因斯坦提出广义相对论之后不久,我们对宇宙的现代图景才开始融合在一起。广义相对论是一个数学框架,将引力描述为空间和时间弯曲的结果。在你理解引力的本质之前,你无法真正解释为什么事物是这样的。其他力对粒子有更大的影响,但重力是行星、恒星和星系领域的主要参与者。艾萨克·牛顿对引力的描述也经常适用于这个领域,但它把空间当作一个刚性、不变的背景来衡量事件。

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宇宙中充满了恒星、气体云、星系、黑洞等等,是为什么呢?图片:NASA Images

宇宙中充满了恒星、气体云、星系、黑洞等等,是为什么呢?图片:NASA Images

爱因斯坦的研究表明,空间本身可以膨胀和收缩,把宇宙从舞台转移到演员,并把它作为一个动态的研究对象带入战斗。20世纪20年代中期,天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在加州威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)用最近建成的100英寸胡克望远镜(Hooker telescope)进行了观测。他试图解决关于天文学家能看到的太空中某些星云位置的争论。哈勃证明了这些“星云”并不是小的、局部的云,而是巨大、遥远的星团,类似于我们的银河系——用当时的话说就是“岛屿宇宙”。

爱因斯坦的研究表明,空间本身可以膨胀和收缩,把宇宙从舞台转移到演员,并把它作为一个动态的研究对象带入战斗。20世纪20年代中期,天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在加州威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)用最近建成的100英寸胡克望远镜(Hooker telescope)进行了观测。他试图解决关于天文学家能看到的太空中某些星云位置的争论。哈勃证明了这些“星云”并不是小的、局部的云,而是巨大、遥远的星团,类似于我们的银河系——用当时的话说就是“岛屿宇宙”。

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今天,我们称它们为星系,并且知道它们的数量有数万亿 。从宇宙的角度来看,最大的剧变还没有到来。哈勃在20世纪20年代末的研究表明,各个方向的星系都在加速远离我们,这引发了数十年的进一步辩论。20世纪60年代,对宇宙微波背景辐射的最终测量(宇宙早期遗留下来的光线,后来被拉伸成微波)证明了现实与广义相对论提出的一种可能性相符:宇宙从小而热开始,就变得越来越大,越来越冷。这个概念后来被称为“大爆炸理论”,它让宇宙学家感到震惊,因为它暗示着即使是宇宙也可能有一个开始和一个结束。但至少那些天文学家可以在望远镜里看到星系的运动

今天,我们称它们为星系,并且知道它们的数量有数万亿 。从宇宙的角度来看,最大的剧变还没有到来。哈勃在20世纪20年代末的研究表明,各个方向的星系都在加速远离我们,这引发了数十年的进一步辩论。20世纪60年代,对宇宙微波背景辐射的最终测量(宇宙早期遗留下来的光线,后来被拉伸成微波)证明了现实与广义相对论提出的一种可能性相符:宇宙从小而热开始,就变得越来越大,越来越冷。这个概念后来被称为“大爆炸理论”,它让宇宙学家感到震惊,因为它暗示着即使是宇宙也可能有一个开始和一个结束。但至少那些天文学家可以在望远镜里看到星系的运动

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宇宙学最具震撼性的转变之一是,宇宙中绝大多数物质是由某种完全看不见的东西构成。我们能看到的物质只不过是宇宙四舍五入的误差——只有宇宙中所有物质的5%。其他95%的宇宙中的第一个居民,也就是所谓的“黑暗区”,在20世纪70年代抬起了头。当时,天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)意识到,星系旋转的速度如此之快,以至于它们应该把自己分开。除了难以看见的物质,使星系聚集在一起的物质必须是物理学家完全不知道的东西,除了它的引力之外,它完全忽略了普通的物质和光。后来的测绘显示,我们看到的星系只是巨大“暗物质”晕中心的核。

宇宙学最具震撼性的转变之一是,宇宙中绝大多数物质是由某种完全看不见的东西构成。我们能看到的物质只不过是宇宙四舍五入的误差——只有宇宙中所有物质的5%。其他95%的宇宙中的第一个居民,也就是所谓的“黑暗区”,在20世纪70年代抬起了头。当时,天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)意识到,星系旋转的速度如此之快,以至于它们应该把自己分开。除了难以看见的物质,使星系聚集在一起的物质必须是物理学家完全不知道的东西,除了它的引力之外,它完全忽略了普通的物质和光。后来的测绘显示,我们看到的星系只是巨大“暗物质”晕中心的核。

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横跨宇宙可见物质的细丝悬挂在一个黑暗框架上,其重量是可见粒子的五倍。哈勃太空望远镜在20世纪90年代发现了一种意想不到的能量变化迹象——宇宙学家现在说,这种能量占宇宙剩余的70%,而暗物质和可见物质则是由这种能量构成——“暗能量”,可能是空间本身固有的一种能量,正以比引力把宇宙拉到一起更快的速度把宇宙推开。在万亿年后,任何留在银河系的天文学家都会发现自己身处一个真正的岛屿宇宙,被黑暗所笼罩。我们正处于宇宙历史上的一个转折点,从物质主宰宇宙到一种新能量主宰宇宙。暗物质决定了我们的过去,暗能量将决定我们的未来。

横跨宇宙可见物质的细丝悬挂在一个黑暗框架上,其重量是可见粒子的五倍。哈勃太空望远镜在20世纪90年代发现了一种意想不到的能量变化迹象——宇宙学家现在说,这种能量占宇宙剩余的70%,而暗物质和可见物质则是由这种能量构成——“暗能量”,可能是空间本身固有的一种能量,正以比引力把宇宙拉到一起更快的速度把宇宙推开。在万亿年后,任何留在银河系的天文学家都会发现自己身处一个真正的岛屿宇宙,被黑暗所笼罩。我们正处于宇宙历史上的一个转折点,从物质主宰宇宙到一种新能量主宰宇宙。暗物质决定了我们的过去,暗能量将决定我们的未来。

现代和未来宇宙学

现代和未来宇宙学

目前宇宙学将这些具有里程碑意义的发现纳入最高成就——Lambda-CDM模型。这个方程组有时被称为宇宙学的标准模型,它描述了宇宙从第一个秒开始的过程。该模型假设了一定数量的暗能量(lambda,在广义相对论中表示)和冷暗物质,并对可见物质的数量、宇宙的形状和其他特征做出了类似猜测,这些都是由实验和观察决定。如果把婴儿时期的宇宙电影往前推138亿年,宇宙学家就会得到一个快照,从统计数据上看,我们可以在一定程度上测量到一切”。当宇宙学家将对宇宙的描述推入更深的过去和未来时,这个模型代表了要突破的目标。尽管Lambda-CDM已经取得了成功,但它仍有许多问题需要解决。

目前宇宙学将这些具有里程碑意义的发现纳入最高成就——Lambda-CDM模型。这个方程组有时被称为宇宙学的标准模型,它描述了宇宙从第一个秒开始的过程。该模型假设了一定数量的暗能量(lambda,在广义相对论中表示)和冷暗物质,并对可见物质的数量、宇宙的形状和其他特征做出了类似猜测,这些都是由实验和观察决定。如果把婴儿时期的宇宙电影往前推138亿年,宇宙学家就会得到一个快照,从统计数据上看,我们可以在一定程度上测量到一切”。当宇宙学家将对宇宙的描述推入更深的过去和未来时,这个模型代表了要突破的目标。尽管Lambda-CDM已经取得了成功,但它仍有许多问题需要解决。

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1964年罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)和阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)一起发现了宇宙微波背景辐射,为大爆炸理论奠定了坚实的基础。威尔逊和彭齐亚斯因这一发现获得1978年诺贝尔物理学奖(他们与苏联科学家彼得·卡皮察(Pyotr Kapitsa)分享了这个奖项)。图片:Clive Grainger

1964年罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)和阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)一起发现了宇宙微波背景辐射,为大爆炸理论奠定了坚实的基础。威尔逊和彭齐亚斯因这一发现获得1978年诺贝尔物理学奖(他们与苏联科学家彼得·卡皮察(Pyotr Kapitsa)分享了这个奖项)。图片:Clive Grainger

宇宙学家在试图研究宇宙目前的膨胀时,得到了相互矛盾的结果,这取决于是直接在附近的星系中测量膨胀,还是从宇宙微波背景辐射中推断膨胀。这个模型也没有说明暗物质或能量的构成。然后是存在最初一秒钟的麻烦,那时宇宙大概从无限小的点变成了相对行为良好的气泡。“膨胀”是一个试图处理这一时期的流行理论,它解释了一个更快速膨胀的短暂瞬间,是如何将极小的原始变化变成今天星系的大规模不均匀性,以及Lambda-CDM输入值是如何得到它们的值的。然而,没有人知道膨胀是如何具体发生的,也没有人知道为什么它会在它可能发生的地方停止。

宇宙学家在试图研究宇宙目前的膨胀时,得到了相互矛盾的结果,这取决于是直接在附近的星系中测量膨胀,还是从宇宙微波背景辐射中推断膨胀。这个模型也没有说明暗物质或能量的构成。然后是存在最初一秒钟的麻烦,那时宇宙大概从无限小的点变成了相对行为良好的气泡。“膨胀”是一个试图处理这一时期的流行理论,它解释了一个更快速膨胀的短暂瞬间,是如何将极小的原始变化变成今天星系的大规模不均匀性,以及Lambda-CDM输入值是如何得到它们的值的。然而,没有人知道膨胀是如何具体发生的,也没有人知道为什么它会在它可能发生的地方停止。

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科学家使用宇宙距离阶梯来测量宇宙的膨胀率,梯子在这里象征性地显示,是一系列恒星和星系内的其他已知距离的物体。通过将这些距离测量数据与物体远离我们的速度相结合,科学家可以计算出膨胀率。图片:NASA/JPL-Caltech

科学家使用宇宙距离阶梯来测量宇宙的膨胀率,梯子在这里象征性地显示,是一系列恒星和星系内的其他已知距离的物体。通过将这些距离测量数据与物体远离我们的速度相结合,科学家可以计算出膨胀率。图片:NASA/JPL-Caltech

膨胀应该在空间的许多区域继续存在,这意味着我们的宇宙只是包含所有可能的物理现实“多元宇宙”的一个部分——许多实验主义者发现这是一个令人不安的不可检验想法。为了在这类问题上取得进展,宇宙学家们将目光投向了哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)和即将推出的詹姆斯-韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)等太空望远镜的精确测量,以及美国国家科学基金会(National Science Foundation)的激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer gravity

膨胀应该在空间的许多区域继续存在,这意味着我们的宇宙只是包含所有可能的物理现实“多元宇宙”的一个部分——许多实验主义者发现这是一个令人不安的不可检验想法。为了在这类问题上取得进展,宇宙学家们将目光投向了哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)和即将推出的詹姆斯-韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)等太空望远镜的精确测量,以及美国国家科学基金会(National Science Foundation)的激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer gravity

  • wave Observatory)等新兴引力波天文学领域的实验。
  • wave Observatory)等新兴引力波天文学领域的实验。

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如果存在多个宇宙,它们可能会相互碰撞,并在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。图片:Stephen Feeney/UCL

如果存在多个宇宙,它们可能会相互碰撞,并在宇宙微波背景辐射中留下痕迹。图片:Stephen Feeney/UCL

宇宙学家也加入了粒子物理学家和天体物理学家的跨学科竞赛,来探测暗物质粒子。就像宇宙学要等到其他物理学分支成熟后才能开始一样,它也要等到其他领域更加完善后才能揭示宇宙的历史。为了把事情弄清楚,必须从本质上找出所有的物理定律,在所有的能量尺度和所有的条件下。其中任何一个的改变都可能从根本上改变宇宙学的故事。不知道这是否会发生,但令人惊讶的是,人们已经尽可能多地掌握了宇宙的复杂性,人类的大脑已经进化到这些问题可以得到解答的程度,至少有一些人可以,像小编的大脑就不行了,呜呜呜┭┮﹏┭┮

宇宙学家也加入了粒子物理学家和天体物理学家的跨学科竞赛,来探测暗物质粒子。就像宇宙学要等到其他物理学分支成熟后才能开始一样,它也要等到其他领域更加完善后才能揭示宇宙的历史。为了把事情弄清楚,必须从本质上找出所有的物理定律,在所有的能量尺度和所有的条件下。其中任何一个的改变都可能从根本上改变宇宙学的故事。不知道这是否会发生,但令人惊讶的是,人们已经尽可能多地掌握了宇宙的复杂性,人类的大脑已经进化到这些问题可以得到解答的程度,至少有一些人可以,像小编的大脑就不行了,呜呜呜┭┮﹏┭┮

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博科园-科学科普|文: Charlie Wood/Live Science

参考资料: ESA/Hubble/NASA/CfA/JPL

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