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用中学生能听懂的语言讲2019诺贝尔物理奖(上):宇宙从哪里来,到哪里去?

发布时间:2019-10-15 16:00:12 来源:粤港澳生活网综合 责任编辑:李雨晴

  10月8日,诺贝尔物理学奖的一半授予James Peebles,奖励他在物理宇宙学方面的理论发现。Peebles 提出了严谨的数学模型和物理理论,描述和解释大爆炸之后宇宙的演化,这些理论模型与实验观测很好地吻合,使得宇宙学从描述性、猜测性的学科,转变为可预测、可验证的精准科学。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  加州州立大学旧金山分校物理与天文系的满威宁教授赞叹道:包括 Peebles 在内的人类两千年科学史上那些智慧又勤奋的灵魂帮助我们在短暂的生命中看到了那么遥远的过去和未来。今天,她希望用通俗有趣又严谨的科普让更多人领略这份科学之美,了解我们的宇宙从哪里来,会到哪里去。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  撰文 |满威宁(加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身教授)QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  又到了每年10月尽可能通俗地给大家介绍诺贝尔物理学奖的时间。我希望尽量用贴近中学物理的语言,讲清楚这些得诺贝尔物理学奖的工作做了什么,为什么要做,怎么做的,有什么结果和展望。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2019年诺贝尔物理学奖一半颁给美国普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),“奖励他在物理宇宙学的理论发现”,另一半则共同授予了瑞士天文学家米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和 迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)师徒,以奖励他们“发现太阳系之外别的恒星的行星”。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  这是非常特殊的一年,因为这两项工作涉及的领域相距甚远,一个研究浩瀚宇宙的发展历史,一个寻找太阳系外的行星,宇宙物理学和天文物理其实是完全不同的两个学科。虽然这样的组合十分罕见,但关于获奖原因的致辞还是可以合并在这一句里面:以奖励他们“为人类对宇宙演化和地球在宇宙中的位置的理解做出的贡献”。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  是的,重要的是这两项工作深刻地改变了人类对宇宙的认知。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  我们是谁?我们从哪里来?我们会到哪里去?几乎所有哲学分支,都会关注这些本源问题。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  更进一步,我们的宇宙从哪里来,我们的宇宙会到哪里去?恐怕也是任何好奇的灵魂都很关注的问题。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  科学家们在100年前发现,从地球上观测到的遥远星系的光谱发生了红移(频率变低了),这意味着星系正在远离我们而去。1916年爱因斯坦提出广义相对论,彻底改变了人们对时间和空间的理解,颠覆了之前认为宇宙是静态的,宇宙亘古不变的观念。1929年美国天文学家哈勃证实:离我们越远的星系正在以越快的速度远离我们,说明整个宇宙空间在膨胀,现代宇宙学开始萌芽。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  这篇科普由于篇幅过长,涉及的领域过多,我把它分作上下两篇,上篇介绍宇宙的起源和演化,下篇介绍如何寻找太阳系外行星以及找到了什么。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  中间坐立着的是James Peebles。 | 图片来源:Princeton UniversityQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  我们先来讲讲皮布尔斯,他对宇宙学理论的贡献是如此广泛,以至于一时之间人们都很难说清楚到底是哪一项或者哪几项具体的工作为他赢得了诺贝尔奖。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  与他类似的还有一位普林斯顿已故的大师约翰·惠勒(John Wheeler,1911-2008),他揭示了核裂变机制,把广义相对论广泛地引入物理学,创造了黑洞、虫洞、多重世界等词汇和概念,是很多诺贝尔奖获得者(比如理查德·费曼)的导师或同事。但是诺贝尔科学奖习惯针对具体单个的独立原创性项目颁奖(比如说爱因斯坦是因为发现光电效应原理得诺贝尔奖),更类似于某个影片的最佳导演或主演奖,而不是终身成就奖。所以关于诺贝尔奖,像惠勒这样在很多方面有巨大贡献的大师,在生前反而不像因某一个偶然的特殊工作而得奖的人那么幸运,比如因学生期间跟随导师热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou)一同发明激光啁啾脉冲放大技术而在2018年得诺奖的唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)。如果惠勒活到今年,或许不一样, 因为皮布尔斯这个奖开始有了点终身成就奖的意味。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  诺奖官网致辞是这样表述的:“詹姆斯·皮布尔斯对物理宇宙学的见解丰富了整个研究领域,并为过去五十年来宇宙学从推测到科学的转变奠定了基础。他的理论框架自1960年代中期开始发展起来,是我们当代关于宇宙的思想的基础。”QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  皮布尔斯最重要的贡献是,他在理论方面的研究推动宇宙学从一种经验的描述性的学科发展成了精确的可以验证、可以预测的科学。有一句话叫作,“凡是没有任何办法证伪的命题不能够称作科学命题”。意思就是说科学在本质上有可验证性和可预测性。如果一种理论永远没有办法验证或者证伪,那还不能算本质的科学,只能算一种假说。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  哈勃望远镜拍摄图,图中几乎每一个光斑都是一个遥远的星系。| 图片来源:NASA, ESA, and M. Postman and D. Coe (STScI) and CLASH TeamQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  既然观测到宇宙在膨胀,按照时间朝前推演,宇宙就应该是一个物质更密集、能量更密集的宇宙。哈勃望远镜等可以让我们看到百亿光年外遥远的星系,这意味着我们接收到的那些星系的光信号来自百亿年之前,也就是当我们往宇宙深处观测,我们看到的是很久以前的更年轻的宇宙,它确实更致密,也更炽热。基于爱因斯坦的广义相对论在时间轴上朝前推演,科学家对宇宙起源提出了宇宙大爆炸理论(The Big Bang)。在皮布尔斯六十年代开始这个领域的研究时,宇宙大爆炸还是一个没有多少证据支持的理论,研究宇宙学模型的人也非常少。皮布尔斯的工作对这一理论的发展做出了卓越的贡献。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  宇宙演化示意图。| 图片来源:WikipediaQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  接下来我们将详细讨论这些问题:QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  什么是宇宙大爆炸理论?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在大爆炸之前宇宙是什么呢?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在大爆炸之后具体发生了什么?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  宇宙大爆炸理论有哪些实验证据?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  一些仍待解决的问题和宇宙的未来QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  什么是宇宙大爆炸理论?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  宇宙大爆炸理论是描述宇宙的源起与演化的理论模型,这一模型理论上是基于爱因斯坦的广义相对论,并得到当今科学实验观测最广泛最精确的支持 。通过广义相对论将宇宙的膨胀进行时间反推,则可得出宇宙在距今约138亿年前,起始于一个密度极大且温度极高的太初状态(奇点),在膨胀和冷却的过程中,重子、原子核、原子等等开始形成。在宇宙大爆炸后38万年,宇宙变得透明,电磁波(光)得以穿越太空,随着宇宙的膨胀和冷却,那些古老的电磁辐射演化成微波背景存在于整个宇宙,蕴含着早期宇宙的大量信息。继续膨胀和冷却的宇宙,慢慢演化出星云、恒星、星系等可观测天体结构,而宇宙诞生初期原初核合成产生的轻元素原子核的丰度(相对比例)却保留下来。皮布尔斯发明的理论工具和计算方法能够解释这些宇宙初期开始、到现在仍能观测到的痕迹(微波背景辐射,轻元素丰度等),并发现新的物理过程。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  宇宙大爆炸和演化的示意图,图中从左到右是时间前进的方向,与时间轴垂直的维度代表宇宙持续膨胀的空间。| 图片来源:NASAQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在大爆炸之前宇宙是什么呢?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  经常有人问,如果宇宙始于大爆炸,那么在大爆炸之前宇宙是什么呢?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  大爆炸这个起始点是我们现在这个宇宙的时间和空间的起点。之所以有人会问,在这之前是什么,那是因为人们习惯了日常经验给予我们的时空观念。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  比如说,如果我是在平原上生活的蚂蚁人。我能够根据太阳分辨东南西北方向,我看到大地向东南西北4个方向延伸,我对空间的概念就是一个无限延伸的平面。如果有人跟我说地球存在一个北极,我会觉得很纳闷,我会问:“我们一直往北走,往北走,走到北极点再往北走又会是什么呢?”QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  由于你现在对空间的认识不再是一个四面八方无限延伸的平面,你能够想象三维的空间,也知道地球是球形。所以你会告诉我:“空间并不是在四面八方无限延伸的平面,在这个地球的表面一直往北走,往北走,走到北极点之后就没有办法再往北走了,因为在那个北极点,无论怎样迈出任何一小步,你都是在往南走。” 这些对现代人来说很好理解,可对于认为空间是无限延伸平面的蚂蚁人来说是很难想象的。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  类似蚂蚁人习惯了平面空间东南西北方向的无限延伸,我们习惯地以为时间是可以在过去和未来两个方向无限延伸的,所以我们很难想象我们的宇宙的时间有一个起点,倒退到那个起点再往前,没有办法再往前,(就像北极点),因为我们的宇宙的时间就是从那里开始的。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  那是约138亿年以前,那个起点,就是我们宇宙大爆炸发生的时刻。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在大爆炸之后具体发生了什么?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  从大爆炸的时间点开始,高密度高温高压的宇宙发生了非常快速的膨胀和冷却。大约在膨胀进行到10-37秒时,宇宙发生了呈指数增长的暴胀。在10-33至10-32秒暴胀结束,稍微冷却的宇宙出现了夸克等基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热,粒子都在高速随机地运动碰撞,而粒子-反粒子在碰撞中不断地产生和湮灭。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  随着宇宙的持续膨胀和冷却,宇宙温度降低到不能随机产生新的粒子-反粒子对,高能粒子物理实验室研究完全能够企及宇宙这个阶段的温度所对应的粒子能量,所以人们对这个时间再往后的宇宙演化过程比最初的暴胀过程有更准确得多的把握。此时所有粒子-反粒子继续成对湮灭,形成大量光子(电磁波),由于粒子数目略多于反粒子数目(原因尚未明),保留的几乎都是正粒子(比如质子、中子和电子),而且速度显著低于光速,而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自正反粒子湮灭产生的大量光子(少部分来自中微子)。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在大爆炸发生的几分钟后,宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级,一些减速的质子和中子开始结合成比氢原子核(一个质子)更复杂的原子核(比如氘和氦的原子核)。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在大爆炸大约38万年之后,在继续膨胀和冷却的宇宙内,电子和原子核开始结合成为原子(主要是氢原子)。宇宙开始变得透明,因为光子(电磁波)得以相对自由地传播(而不是被电子和质子吸收散射)。产生于宇宙大约38万岁时的电磁波辐射一直在宇宙中传播,它们的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。从今天这些光子的能量中,可以推断出早期宇宙的温度下限、密度和能量分布等信息。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  听起来很玄,其实可以慢慢理解。比如说大家都能想象冰融化的过程:随着温度的升高,固体分子携带的热运动能量增加,直到这些单个分子的能量大到可以挣脱分子间晶格作用力的束缚,固体就熔化成液体。温度继续升高,超过沸点,分子能量大到可以彻底摆脱其余分子,于是沸腾成为自由的气态。当温度高达几千度,粒子热运动的能量就可以撕裂原子,产生等离子体(比如在地球大气层离地几百到一千公里的电离层)。而随着温度继续升高,原子核和电子之间的束缚会被打破,十亿度以上温度对应的能量则可以把原子核拆开。温度再高,质子中子也不能稳定存在,等等。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  所以你能够想象在宇宙大爆炸初期温度高于1016度, kT能量远高于 1T(1012)电子伏特的时候,不存在我们所了解的物质。温度越高,能量密度越大,越能打破万有引力、电磁力、强核力、弱核力等的层层束缚,瓦解一切。这样的过程反过来,或许你就能想象和理解在宇宙逐步膨胀降温的过程中,我们熟悉的物质是怎样得以产生的。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  宇宙从大爆炸逐渐演化到今天的历史。| 图片来源:NASAQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  随着宇宙继续膨胀和冷却,宇宙能量密度主要来自静止质量产生的万有引力的贡献,并超过原先光子(电磁波)形式的能量密度。宇宙早期略微不均匀的密度差异会逐渐扩大,因密度稍大的区域有更强的万有引力吸引附近的物质,这些区域的密度会进一步增大,经过漫长的演化,最终形成了星云、恒星、星系等我们观测到的宇宙结构。最早的恒星在宇宙两亿到四亿岁左右时诞生,而我们太阳系诞生在46亿年前,也就是大爆炸后大概92亿年左右。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  宇宙大爆炸理论的实验证据QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  为什么科学家对于宇宙大爆炸理论普遍接受,而且能够绘声绘色地讲述这么多细节呢?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  前面我们提到过,以皮布尔斯为代表的科学家们从理论上奠定了物理宇宙学的基础,提出了严谨的数学模型和物理理论来描述和解释大爆炸之后宇宙的演化,最重要的是这些理论模型在以下几个方面与人们观测到的实验结果很好地吻合,使得宇宙学从描述性、猜测性的学科,变成了可预测、可验证的精准的科学。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  1、宇宙年龄QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  不同的方法独立测量和推算出的宇宙年龄(大爆炸至今的时间间隔)吻合得很好。对宇宙背景辐射的测量给出了宇宙的冷却时间,而对宇宙膨胀率的测量也可以通过向前推演来计算其近似年龄。包括普朗克航天器、威尔金森微波各向异性探针和其他系统对宇宙微波背景辐射及其温度波动的测量,还有使用 Ia 型超新星进行的宇宙膨胀测量等等,取得很统一的结果。现在公认的宇宙年龄可以被界定在 137.9亿年±0.2亿年的范围内。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2、哈勃红移QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  哈勃红移就是我们前面提到过的,在地球上观测到的来自遥远星系的光谱全都发生了红移(频率变低),而且距离我们越远的星系红移越严重,这意味着它们离我们远去的速度越快,速度与距离的比值叫哈勃常数。这并不是因为我们是宇宙的中心,在宇宙中不同的观测点(并不是某一个特殊的中心)都会观察到距离越远的星系以更快速度远离这样的现象,所以这是整个宇宙空间本身在膨胀。我们可以想象,一个加了葡萄干的面包胚在烤箱内膨胀的过程,整个空间在膨胀,葡萄干与葡萄干之间的距离在增加,相距越远的葡萄干之间的距离增加得越快。宇宙大爆炸的理论模型首先就是基于观测到的哈勃红移建立的。对哈勃常数的广泛测量为宇宙大爆炸理论提供了强有力的佐证。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  3、宇宙微波背景的存在与结构QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  宇宙微波背景(CMB)是非常微弱的宇宙本底辐射,充满了整个空间,几乎各向同性,与任何恒星、星系或者其他物体都无关 。1964年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了宇宙微波背景辐射,他们也因此得到1978年的诺贝尔物理学奖,但一开始他们不知道这些无处不在的微波是什么。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  实测的宇宙微波背景图。| 图片来源:Planck CollaborationQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  皮布尔斯和其他科学家一起,意识到这种无处不在的宇宙微波背景是宇宙大爆炸的遗迹。它遵守黑体辐射规律,所对应的峰值频率是60G赫兹,而峰值波长在一毫米左右,每个光子携带的能量对应的温度是2.7卡尔文,也就是在绝对零度之上2.7度左右。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  前面提到在大爆炸之后38万年左右,宇宙冷却到质子和电子可以结合形成中性氢原子。光子(电磁波)才可以开始穿越空间,而不是被宇宙间充满的电荷(质子和电子)散射。那时宇宙对电磁波来说开始变得透明,那时的电磁波直到现在还一直在传播,却因为宇宙空间的膨胀,导致波长随着时间增加。据普朗克关系,波长与能量成反比;根据玻尔兹曼关系,能量与温度成正比。所以这些电磁波,对应的波长越来越长,能量和频率越来越低,温度越来越低,成为宇宙间无处不在的微波背景。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  包括皮布尔斯在内的科学家建立的严谨的理论模型,不仅吻合宇宙微波背景辐射存在的事实,也能够解释在几乎各向同性的宇宙背景辐射中存在的微弱各向异性的结构。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  4、氢和氦等轻元素的丰度QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在1966年皮布尔斯意识到宇宙背景辐射代表的温度提供了大爆炸之后创造出多少物质的信息,他结合了粒子物理理论和宇宙背景辐射数据中得到的物质和光子(辐射能量)的比例,首次对大爆炸之后合成的不同原子核的丰度(所占比例)进行了严谨计算。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  在大爆炸三分钟后,当宇宙降温至足以形成稳定的质子和中子,发生了原初核合成,只有一个质子的氢原子核最常见。在宇宙温度降低到十亿开尔文下(kT能量大约十万电子伏特),氘核(一个质子一个中子)开始可以稳定存在,氦核开始形成。我们初中开始背的元素周期表的最前几位,氢、氦、锂、铍以及它们的同位素的原子核就是那时候形成的。这个原初核合成过程是普遍的,充斥整个炽热的宇宙。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  但这个过程只持续了十几分钟,此后宇宙的温度和密度已经不再满足核聚变发生的条件,所以没有比铍重的原子核生成。宇宙间元素周期表最前几位的轻元素的丰度(质量或数目的相对比例)就从那个时候开始传承下来。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  皮布尔斯等科学家通过严格的理论推导,考虑早期宇宙光子与重子的比例、早期宇宙温度与速度随时间快速变化的模型、核聚变发生的能量条件(也就是温度条件),推算出原初核合成时候75%的质量是氢,25%的质量是氦,0.01%是氘,和极其微量(10-10)的锂。现在观测到的宇宙中氢和氦元素丰度与理论数值的吻合是大爆炸理论的有力证据之一。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  或许你会纳闷,那么那些重元素怎么来的,又在哪呢?比如我们所熟知的世界:地球90%左右的质量是氧、硅、铝和铁啊。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  原来在宇宙中,氢、氦之外的物质是如此如此之少。原初核合成之后,在极端条件下,比如恒星内部还有核聚变制造出新元素(更重的原子核),有些后来成为了构成行星的材料(比如地球上的氧、硅、铝、铁),但是所有的重元素总量是如此之小,并没有明显改变宇宙中前几种轻元素的丰度。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  比如说太阳系的几大行星里面,只有4颗岩石星体(水星、金星、地球、火星),其中地球是最大的,但它也仍然只有太阳质量的33万分之一。太阳系内的巨型星,比如木星和土星,90%的质量是氢。另外虽然木星质量是地球的318倍,比起太阳还是小一千倍。整个太阳系几乎所有的质量都集中在太阳上,而太阳的质量71%是氢,27%是氦。我们现在整个宇宙内的元素中,氢占75%,氦约占24%,其余元素之和约占百分之一,与原初核合成模型的解释吻合得很好。另一方面,结合那些重原子核之间的相对丰度与我们熟知的重核核反应条件,科学家对理解此后宇宙内恒星和星系的演化也提供了信息和证据。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  5、星系分布中的大尺度结构QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  宇宙中的大尺度结构(Large-scale structure)是指宇宙间质量和光在大范围内(比如上亿光年的尺寸)的分布结构。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  浩瀚的银河系的直径有约十六万光年。数百上千个星系(galaxy)之间因为引力束缚组成星系群,再组成星系团(galaxy clusters)。银河系和仙女座星系等几十个星系组成本星系群(the Local Group)。两千多个星系组成的室女座星系团距离我们五千多万光年,其中M87星系的中心就是之前人类首张黑洞照片的拍摄对象。本星系群所属的本星系团和室女座星系团又都属于更大的一层结构:直径一亿光年的室女座超星系团(Virgo Supercluster)。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  从地球到可观测宇宙。| 图片来源:Andrew Z. Colvin/Wikipedia CommonsQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  超星系团又可以形成更大尺度的“巨墙”(Great Wall)。星系群、星系团、超星系团和巨墙之间被不同尺度的空洞分开, 所以宇宙的大尺度结构被描述成是纤维状或泡状。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  纤维状宇宙大尺度结构。图中橙色区域表示星系团和纤维结构密度更高的区域。| 图片来源:Sloan Digital Sky SurveyQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  宇宙微波背景是我们宇宙中“最古老的光”,一直传播至今,它携带的信息揭示出早期宇宙不同方位的微小的温度涨落,那是后来演化成宇宙大尺寸结构的种子。皮布尔斯是上世纪70年代提出宇宙结构形成理论的先驱,该理论描述了宇宙早期微小的局部密度和温度差异如何在宇宙膨胀的过程中形成了当今可观测的宇宙大尺度结构。他贡献的Lambda 冷暗物质理论(ΛCDM)认为,宇宙结构是分层增长的,小的结构首先在其自身万有引力的作用下坍塌,然后合并成连续的分层结构,形成更大更重的结构。这个模型预测与宇宙学大规模结构的观测结果总体上是一致的。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  仍待解决的问题和宇宙的未来QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  皮布尔斯恰恰在以上好几个实证大爆炸理论的领域都有卓越的贡献,所以说他推动了宇宙学从经验的描述性的学科发展成了严谨定量可验证的科学。他却谦虚地表示,他的成就得益于很多同行,包括一些前苏联科学家的贡献。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  被各方面实验结果最广泛、最精确地支持的宇宙大爆炸模型已经成为科学界的共识,但仍然有一些没有解决的问题。我们知道得越多,接触到的未知和不确定也就越多。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  比如说,前面提到暗物质,暗物质是在宇宙中被广泛观测到的参与万有引力作用的强大的质量,也是解释宇宙大尺度结构和氦、氘等相对丰度的理论模型中不可缺少的部分。它们不是我们熟知的常规物质,与质子、中子、电子等不同,它们完全不参与任何电磁相互作用,所以被称为暗物质。比如说在银河系内部,提供的引力强到足以拉住银河系外围高速旋转的星体使其不飞出银河系的质量,远远大于银河系中心黑洞的质量,也远远大于银河系内部各种星体的质量之和。这些存在并提供万有引力的物质不发光,不参与任何电磁相互作用,它们在宇宙中大量分布,还会扭曲星系射向地球的光线,形成透镜的效果,俗称引力透镜。这样的暗物质在现在的整个宇宙中占26.8%,而我们熟知的常规物质只占4.9%左右。可是由于暗物质不参与电磁相互作用,实验中还从来没有捕获或发现过暗物质粒子,它们到底是什么还是个谜。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  宇宙现在的成分和宇宙38万岁时的成分。| 图片来源:NASAQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  再比如说,上个世纪90年代人们才开始在观测中确认,宇宙不仅是在膨胀,而且是在加速膨胀(2011年诺贝尔奖),现阶段将宇宙加速膨胀的原因归结为爱因斯坦方程的一个正的宇宙常数或者“真空能量密度”,根据质量和能量等价的原理,这意味着现在宇宙68.3%的质量或者能量是这种导致宇宙加速膨胀的能量,我们称其为暗能量,但我们对暗能量是什么还知之甚少。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  另外,宇宙的命运取决于宇宙的曲率和宇宙的密度。尽管宇宙微波背景各向异性探测实验结果证明宇宙是平坦的(不是封闭或者开放的),误差只有0.4% 。迄今为止,基于对宇宙膨胀率和质量密度的大量测量结果支持一个将无限膨胀直到最终“大冻结”的宇宙。但科学界对于宇宙的未来仍然没有绝对定论。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  有可能持续的加速膨胀会导致宇宙冷却,逐渐接近绝对零温度。在这种情况下,预计在1万亿到100万亿年之后,新的恒星将不会再形成,当已有恒星燃料耗尽并停止发光时,宇宙将逐渐变暗,称为大冻结。也有可能暗能量的加速膨胀效应增强,最终导致大到恒星、小到原子都被拆散的“大撕裂”。膨胀的宇宙最终会逆转的“大收缩”的可能性也没有被完全否定。另外,也还有一点可能宇宙会经历从膨胀到收缩回一个奇点,到再次大爆炸的循环过程。我们说过,任何没有被实验观测证实的都只能称作理论假说。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  当然,相对于太阳系年龄46亿年和灵长类动物百万年的短暂历史,宇宙在未来百亿或万亿年后的命运实在是太遥远了。古人嘲笑杞人忧天,哪里知道我们的宇宙不是亘古不变的。其实不忙担心宇宙的命运,太阳系内行星的命运更加明确得多,也近得多。根据恒星演化的历史,我们知道,从现在起的11亿年内,太阳将比今天亮10%,地球将热得很难居住。35亿年内,太阳将比现在明亮40%。海洋会沸腾,大气中的所有水蒸气都将流失到太空,地球将成为另一个又热又干、没有生命的金星。大约54亿年之后,太阳将耗尽其核聚变的原料氢,从主序星中消失,成为一颗吞噬水星和金星的红巨星,再往后会成为一颗经历万亿年再黯淡下去的白矮星。(太阳质量不够成为一个超新星。)QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  但毕竟那是几十亿年以后的事了,越是了解浩瀚的星空和宇宙,越能体会人类的渺小。人类短暂的历史恐怕只是宇宙长河中微不足道的一点小浪花。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  庄子说,“井蛙不可以语于海者,拘于虚也;夏虫不可以语于冰者,笃于时也。”感谢人类两千年科学史上那些智慧的灵魂,包括今年的诺奖获得者皮布尔斯,他们帮我们这些“夏虫”在短暂的生命中看到了那么遥远的过去和未来,深刻地改变了人类对宇宙、对世界的认识。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  吾生也有涯,而知也无涯。皮布尔斯说:”每每想到自然是按照我们可以发现的规则运作的,我就觉得无比神奇。” 他对年轻学者说:“We’re in this for the joy of research, the fascination, the love of science…”(我们做这些是为了研究的喜悦,那些迷恋,和对科学的热爱……)QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  虽然皮布尔斯在笔者进入普林斯顿大学物理系学习的时候名义上已退休,但他在那之后很长时间一直在活跃地工作,笔者也有幸与他有过短暂的接触。确实“他既体现了普林斯顿大学在物理学、宇宙学和引力学方面进行杰出、开创性研究的传统,又体现了该大学致力于将最优秀的学者投入课堂的承诺。” 正是这些智慧的灵魂鼓舞着我们在科学的道路上“以有涯随无涯”地探索。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  “我们是谁?我们从哪里来,我们要到哪里去?” 或许这篇文章可以帮助你稍微了解一点点宇宙从哪里来,接下来在下一篇我会更加接地气,从地球出发,详细介绍科学家们如何寻找太阳系外行星的具体方法,以及已经寻找到了什么。“我们是谁,我们在哪里? ”我们太阳系,我们地球是特别的吗?是独一无二的吗?QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  作者介绍QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  满威宁,博士,本科毕业于吉林大学少年班,博士毕业于普林斯顿大学物理系,在普林斯顿大学和纽约大学从事博士后工作。现任加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身教授,她带领的科研团队从事软凝聚态物理、无序材料、准晶、光子能隙及非线性光学的研究。欢迎关注她的个人科普微信公众号mv0 (数字零)。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  参考文献QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/press-release/QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [2] https://www.quantamagazine.org/nobel-prize-in-physics-to-james-peebles-michel-mayor-and-didier-queloz-20191008/QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [3] A Briefer History of Time, By Stephen Hawking, Leonard MlodinowQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [4] Principles of physical cosmology by James Peebles, Princeton University PressQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [5] Large-Scale Structure of the Universe by James Peebles, Princeton University PressQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [6] Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results. The Astrophysical Journal Supplement. 2013, 208 (2): 20.QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [7] Wollack, Edward J. Cosmology: The Study of the Universe. Universe 101: Big Bang Theory. NASA.QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [8] https://www.princeton.edu/news/2019/10/08/joy-ride-career-peebles-wins-nobel-prize-physics-tackling-big-questions-aboutQSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  [9] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2006/summary/QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  本文为严肃科普媒体《返朴》(微信号:fanpu2019)首发,《返朴》由国际一流科学家和科普专家担任总编及编委。任何媒体转载时须保留《返朴》名称及微信号和作者信息。未经许可,严禁对包括标题在内的任何改动。转载、授权、合作请联系fanpusci@163.com。QSI粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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责任编辑: 李雨晴

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