最全解读:由于他们 人类重新熟悉本身在宇宙中的地位

最全解读:由于他们 人类重新熟悉本身在宇宙中的地位
2019年10月08日 21:32 新浪科技
左边是宇宙未知的来源点,逐步向右边扩大,构成一个赓续变暗的宇宙。右边的曲线指导背景辐射左边是宇宙未知的来源点,逐步向右边扩大,构成一个赓续变暗的宇宙。右边的曲线指导背景辐射

  新浪科技讯 北京时间10月8日晚间消息,瑞典皇家迷信院方才宣布,2019年度诺贝尔物理学奖将嘉奖“在促进我们对宇宙演变,和地球在宇宙中地位的懂得方面所做出的供献”。个中一半奖金授予美国普林斯顿大年夜学的James Peebles,获奖来由是“关于物理宇宙学方面的实际发明。”另外一半奖金授予瑞士日内瓦大年夜学的Michel Mayor,和瑞士日内瓦大年夜学/英国剑桥大年夜学的Didier Queloz,获奖来由是“发清楚明了环绕其他类太阳恒星运转的系内行星”。

  第一部分:物理宇宙学

Peebles和Jer Yu论文中给出的平坦宇宙的功率谱,显示了声波峰值Peebles和Jer Yu论文中给出的平坦宇宙的功率谱,显示了声波峰值

  现代宇宙学提醒了宇宙的汗青,和宇宙中令人意想不到的物质和能量构成部分。与此同时,人们发明太阳远不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发明显示,行星体系具有广泛的多样性。在之前的几十年里,我们对宇宙的懂得产生了深刻的变更,也改变了我们对地球在宇宙中所处地位的看法。本年的诺贝尔物理学奖存眷的正是这些冲破性的发明。

  地理学家对宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,CMB)中温度各向异性的丈量愈来愈精确,对宇宙收缩汗青的研究也加倍深刻,同时对宇宙大年夜型构造的地理不雅测也愈来愈详细,这一切都使宇宙学生长成为一门以精确性为标记的迷信。

  如此令人高兴的生长之所以成为能够,要感激之前半个世纪以来,物理学家们在宇宙学实际框架中的冲破性发明。本年的诺贝尔奖得主James Peebles在这个范畴做出了开创性的供献。他经过过程详细的建模,并应用分析和数值办法,对宇宙的根本属性停止了摸索,发清楚明了意想不到的新物理学。如今,我们有了一个同一的模型,可以或许描述宇宙从最后的几分之一秒到如今和悠远将来的状况变更。

普朗克卫星丈量的CMB温度分布的各向异性格况。声学峰值清楚可见;普朗克卫星丈量的CMB温度分布的各向异性格况。声学峰值清楚可见;

  现代宇宙学建立在爱因斯坦狭义相对论的基本上,假定了最后的“大年夜爆炸”时代,当时宇宙极端高平和稠密。大年夜爆炸后不到40万年,宇宙温度降低到3000K阁下,电子与原子核得以结分解原子。由于没有留下任何能随便马虎与光子相互感化的带电粒子,当时的宇宙对光是透明的。这类辐射如今以宇宙微波背景(CMB)的情势出现。由于宇宙学上的红移,CMB的温度今朝只要2.7K——自物质和辐射去耦(decoupling)以来,这一系数降低了约1100倍。在图1中,CMB的来源可以算作一个屏幕,使我们没法随便马虎地回溯到大年夜爆炸后几百万年之前的时间。

CMB中“点”的张角大年夜小是由宇宙的几何外形决定的CMB中“点”的张角大年夜小是由宇宙的几何外形决定的

  美国恐怖小说作家埃德加·爱伦·坡是最早提出宇宙始于大年夜爆炸这类不雅点的人之一,他在他的散文诗《尤里卡》(Eureka)中描述称,宇宙是有开真个,以此来解释为甚么夜晚的天空是阴霾的。这一成绩后来被称为奥伯斯佯谬,由德国地理学家海因里希·威廉·奥伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)于1823年提出,指出若宇宙是稳恒态且无穷的话,那早晨应当是光亮而不是阴霾的。在《尤里卡》中,爱伦·坡乃至提出宇宙最后是一个“原始粒子”,然后爆炸了。

  1922年,俄罗斯数学家、宇宙学家亚历山大年夜·弗里德曼(Alexander Friedman)应用爱因斯坦新提出的狭义相对论,初次提出了宇宙收缩的数学实际。他在1924年进一步生长了本身的实际。1927年,这些不雅点被比利时上帝教神甫和地理学家乔治·勒梅特(Georges Lemaitre)重新发明,他后来提出了“原始原子”的概念。勒梅特还认为,星系之间正在相互阔别,这一点可以用宇宙收缩来解释。1924年,瑞典地理学家克努特·伦德马克(Knut Lundmark)取得了类似的不雅测成果,虽然严密性和精确性有所缺乏。随着美国地理学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在1929年的不雅测,人们广泛接收了宇宙实际上在收缩的不雅点。

  经过过程地理不雅测,我们懂得到以核子情势存在于恒星、气体云等构造中的惯例重子物质的数量,不逾越今朝总能量密度的5%。另外,暗物质占宇宙临界密度的26%。我们也能够称暗物质为看不见的物质,由于它既不发光也不接收光。到今朝为止,地理学家只能经过过程暗物质的引力效应来懂得它。

  宇宙中最重要的构成部分是宇宙学常数,它代表了不受收缩影响的恒定能量密度。宇宙学常数是暗能量的两种模型之一,“暗能量”一词也说清楚明了它随时间和空间变更的能够性。也就是说,暗能量不用定是量子场论中引入的常数,也不用定与真空能量有关。不雅测成果注解,暗能量约占宇宙临界密度的69%。随着物质的其他成分被收缩稀释,暗能量将随着时间变得愈来愈重要(除非它的能量密度开端降低)。

  暗能量可以迫使星系加快阔别彼此,这一点仿佛其实不直不雅,但倒是暗能量不平常属性的直接后果。图1的右半部分显示了宇宙加快收缩的阶段,星系的数量逐步稀少。在图1中,图中心橘白色的“火焰”显示的是大年夜爆炸时代,这暗示着在大年夜爆炸之前,能够还存在一个预备阶段,如收缩阶段。地理学家假定存在一个快速加快的收缩时代,这可以解释宇宙的几个特点,比如平坦性。

  宇宙的根本构成部分,和它们之间若何相互感化和演变的方程,构成了大年夜爆炸宇宙学中的索引模型,有时称为ΛCDM(Λ-冷暗物质模型)。个中Λ为宇宙学常数,是解释以后宇宙不雅测到的加快收缩的暗能量项;CDM即冷暗物质的英文缩写。这个模型是物理宇宙学的一次成功,它体系地将物理定律应用于宇宙的演变。该模型最重要的开创人之一就是James Peebles,他出版的三本教科书《物理宇宙学》(1971)、《宇宙的大年夜标准构造》(1980)和《物理宇宙学道理》(1993)曾经成为该范畴重要的参考文献。

  物理宇宙学的出生

  20世纪40年代末,拉尔夫·阿尔菲(Ralph Alpher)、罗伯特·赫尔曼(Robert Herman)和乔治·伽莫夫(George Gamow)建立了一个大年夜爆炸的粗略模型。他们任务的一个重要目标是解释元素的来源。叶夫根尼·利夫希茨(Evgeny Lifshitz)和伽莫夫也在早期测验测验懂得星系的构成。伽莫夫应用了由英国物理学家詹姆斯·金斯(James Jeans)提出的“金斯长度”,这个长度决定了一个物体须要多大年夜的半径才会在引力感化下坍缩。1948年,伽莫夫提出,只要当辐射的密度大年夜致等于物质的密度时,宇宙构造才会开端构成,并发明这类情况应当在几千度的温度下才会产生。同年,阿尔菲和赫尔曼提出,今朝的宇宙温度应当在5K阁下。当时只要多数物理学家认为由此产生的辐射可以被不雅测到,安德烈·多罗什克维奇(Andrei Doroshkevich)和伊戈尔·诺维科夫(Igor Novikov)就是个中之二。

  1965年春季,宇宙学产生了天翻地覆的变更。阿诺德·彭齐亚斯(Arnold Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)在5月13日发表于《天体物理学快报》(Astrophysical Journal Letters)上的一篇论文中,描述了他们发明的宇宙背景辐射,后来他们是以取得了1978年诺贝尔物理学奖。这一发明出乎很多人的料想。在与普林斯顿大年夜学的团队(由Robert Dicke、Peebles、Peter Roll和David Wilkinson构成)接洽以后,彭齐亚斯和威尔逊才明白了个中的宇宙学解释,并在同一卷杂志的另外一篇论文(日期是5月7日)停止了描述。史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)在《最后的三分钟》(The First Three Minutes)一书中讲述了彭齐亚斯和威尔逊在有时直接触到年青的天体物理学家Peebles的过程。

  固然Robert Dicke的团队没有第一个提出宇宙微波背景辐射的存在,但他们的论文更进一步,评论辩论了宇宙初始高温状况的缘由,这可以解释宇宙背景辐射。个中的关键在于温度和物质密度之间的接洽,这决定了氦的产量。物质密度很重要,特别是在温度降低到足以破坏产生的氘时,并防止其变成氦的时辰。宇宙密度越大年夜,氦就越多。Peebles对这些不雅点停止了详细阐述,并由其他作者跟进。这类原始核分解实际与之前几十年的任务有很大年夜不合,当时人们认为大年夜爆炸也能够产生较重的元素。

  早在1965年发表的里程碑论文中,Peebles 等人就基于不雅测到的宇宙温度,评论辩论了宇宙中重子物质(即由能参与元素构成的核子构成的物质)数量的限制。这是大年夜爆炸模型的支柱之一。作者们还指出,地理学家不雅测到的现实物质量要比猜想的大年夜很多,须要大年夜量的外来物质来弥补这一空白。

  个中一项重要供献是Peebles在同一年(1965)发表的另外一篇论文。他于1965年3月8日将其提交给《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal),于6月1日停止了修改,并于11月15日发表。论文摘要的第一句话写道:“星系构成的一个关键身分能够是宇宙中黑体辐射的存在。”这项任务,连同已故俄罗斯宇宙学家雅可夫·泽尔多维奇(Yakov Zeldovich)所做的供献,可以被视为物理宇宙学的终点。在这个新范畴中,物理学定律实用于全部宇宙。从这一时辰开端,宇宙学成了一门精确迷信,并且是发明新物理学的对象。

  物理宇宙学逐步完全

  第一个猜想背景辐射各向异性的研究人员是赖纳·萨克斯(Rainer Sachs)和阿瑟·沃尔夫(Arthur Wolfe)。他们的概念很简单:引力势的变更会影响不雅测到的宇宙微波背景辐射的温度。起首,当光子爬出其引力势时,密度太高的区域会使其降温,从而招致温度的相对降低。其次,当我们回溯一个更早、更热的宇宙时,光子在最后一个散射外面去耦时,产生了时间收缩,招致了温度降低。萨克斯和沃尔夫未能提出一个关于这些温度动摇若何产生的实际,但他们的任务启发了后来者开辟出了新的不雅测技巧,发清楚明了这些变更——称为萨克斯-沃尔夫效应。

  萨克斯-沃尔夫效应决定了大年夜标准宇宙微波背景中各向异性的数量。在小标准上,物理学变得加倍复杂。密度的初始动摇将招致“声波”(重子物质的规矩周期性密度涨落)在耦合光子和重子的热等离子体中传播,从而在CMB中留下印记。Andrei Sakharov第一个评论辩论了声波的重要性,但只是在没有光子的冷模型中。早期有类似想法主意的人还有Peebles和Zeldovich。Joseph Silk在1968年提出了一个重要的大年夜概成果,当时他认识到,CMB各向异性的振幅由于散射而在小标准上遭到了克制。

  经过过程Rashid Sunyaev和Yakov Zeldovich,和Peebles和Jer Yu的研究,人们对声涉及其在微波背景辐射功率谱中产生的峰值有了冲破性的熟悉。Sunyaev和Zeldovich说清楚明了声波峰值眼前的物理景象及其周期性。Peebles和Jer Yu则有不合的存眷点,他们应用数值办法来计算和猜想可丈量的参数。他们在论文上钩算出了不合宇宙学参数下密度动摇的功率谱。特别是,他们提出的声波峰值曲线(图3)与普朗克卫星40多年后的实际丈量(图4)成果异常类似。

  物理宇宙学渐趋成熟

  研究人员很早就认识到宇宙中能够存在某种未知构成成分。最早的证据来自Lundmark关于星系中恒星活动的研究。基于他的不雅测,他认识到有须要引入相当数量的“Dunkle Materie”,这是德文,意思是“暗物质”。数年后,Fritz Zwicky在研究后发座星系团的活动时,也取得了雷同的结论。

  以后,Vera Rubin和Kent Ford和其他人取得了星系自转活动曲线。关于这一范畴的一项重要供献是由Jeremiah Ostriker 和 Peebles取得的,他们的研究发明,我们银河系的银晕内必须含有大年夜量暗物质,才有能够确保扁平的银盘可以或许稳定存在。这项发明关于后来的研究是一项重要启发。以中微子,或许其他弱相互感化粒子构成的暗物质赞助促进了物质的构成,使后者得以在连辐射都还没有完全解耦的使其便开端集合。

  以光和快速移动中微子情势构成的热暗物质使得构造最早在大年夜标准上开端构成。不幸的是,这一点与不雅测成果其实不吻合,这就招致物理学家们开端寻求摸索其他加倍奇怪的能够性,并终究被归类为“温暗物质”。在上世纪1980年代,宇宙学出现一次危机。基于开放宇宙假说,宇宙密度按照低于临界密度计算,取得的各向异性数据与不雅测不符。假设宇宙实在实际上是开放的,那么各向异性应当曾经被发清楚明了。然则却并未看就任何如许的迹象。另外一方面,假设浅显物质的密度接近临界密度,那么我们根本弗成能不雅测到我们明天所看到的那些星系,由于它们根本弗成能构成。

  除此以外,为了让实际取得的轻元素猜想值精确,现存的浅显物质的量弗成以逾越曾经被发明的数量。Peebles在冷暗物质方面的开创性任务就在于,他最早假想了非相对论性,也是以是冷的暗物质,和他在构造构成方面的感化。经过过程引入非相对论性粒子构成的冷暗物质模型,他成功将CMB中的各向异性应用于解释宇宙中的大年夜标准构造。特别,在他1982年发表的文章里,Peebles对温度各向异性做了猜想,并在数年后取得了COBE卫星的不雅测证明。在1980年代中期,这一实际由其他迷信家做了进一步的生长和丰富。

  1984年,Peebles采取了下一个关键步调,他重新引入了此前曾经被摈弃的宇宙常数。在之前的半个世纪里,大年夜多半实际学家都认为这个参数是多余的,但Peebles认为它在宇宙构造构成方面是成心义的。当时Peebles是遭到了宇宙暴跌实际,和该实际导出的宇宙临界密度,和平直性等相干思维的启发。

  由于实际丈量到的物质密度远小于宇宙达到平直性所需的门槛,宇宙常数的引入或许可以些许弥补这一赤字。虽然也有其他一些研究简单提到了宇宙常数成绩,然则只要当该实际与Peebles在1984年引入的冷暗物质实际相结应时,构造构成成绩才能取得很好的解释。宇宙常数的引入将起到赞助感化的成绩还有其他,比如说所谓的“年纪成绩”,简单说就是宇宙中一些恒星的年纪预算值逾越宇宙年纪的景象。假设宇宙是平直的,那么它将会逐步加速,简直是爱因斯坦静态宇宙论的惨白反复。

  是以,假定将暗能量的成绩忽视,那么宇宙的预算年纪将会更大年夜。到1984年时,宇宙标准模型中所需的一切构成部分都曾经到齐了,其眼前正是Peebles所发表的两篇关键性论文的结合。他所取得的这些冲破,比不雅测宇宙学决定性地确认宇宙存在加快收缩景象早了10年以上,也比温伯格基于人择道理阐述的相干阐述要早5年阁下。

  应用星系的存在这一现实作为束缚条件,温伯格认为,宇宙常数的值最有能够和接近或小于来自其他物质成分的供献。在1990年代中期,有须要引入宇宙常数的证据变得愈来愈激烈。1995年,Jeremiah Ostriker 和Paul Steinhardt引入了“分歧宇宙学”的概念,用于总结若何将宇宙学各部分的“拼版”组合到一路。当时,在不雅测宇宙学范畴取得了两项重要发明。

  1992年,CMB中难以发觉的各向异性终究被COBE卫星初次不雅测到,也是以,John Mather 和George Smoot两人被授予了2006年诺贝尔物理学奖。1998年,宇宙加快收缩景象被发明,当时用的办法是应用亮热核超新星作为间隔丈量标定,也是以,Saul Perlmutter, Brian Schmidt 和 Adam Riess被授予了2011年的诺贝尔物理学奖。

  更多不雅测证据

  大年夜约是本世纪初,不雅测宇宙学经历了一场深刻变革。地基和搭载在气球上实施的实验,比如TOCO,和BOOMERanG,和Maxima等实验,在角分辨率上完成了大年夜的晋升,从而在CMB能谱中辨认出首个声学峰值,从而供给了宇宙平直性的首个不雅测证据。

  这些实验不雅测的仅仅是天空中的一小部分,直到2001年威尔金森各向异性探测器(WMAP)的发射,开端停止对全天CMB各向异性的不雅测。这项为期9年的不雅测义务革命性的晋升了关于早期宇宙的丈量精度,也让宇宙学标准模型经受了一次严苛的考验。温度强度分布图和偏振丈量被用于精确测算重子物质,暗物质和暗能量各自所占的比重,和宇宙的全体几何学外形。

  除此以外,这些数据关于限制中微子总质量,并且验证了暴跌实际给出的,除平直性以外的一项关键性猜想,即大年夜标准上温度震动要比小标准上的照应震动要稍稍更明显一些。2009年升空的普朗克卫星在太空持续运转了4.5年,它将不雅测宇宙学的精度再次晋升到了一个极新高度。普朗克卫星有9个任务频率,其角分辨率可以达到10角分,而温度分辨率更是可以高达100万分之一。这颗卫星对宇宙标准模型中的一切参数都停止了精度史无前例的测定。

  这些精准的数值是从图4所示的能谱中提取出来的。比如说,我们如今知道宇宙的年纪大年夜约是138亿年,误差小于1%。关于宇宙的成分密度,也停止了精度邻近的丈量。当将这些丈量数据与超新星,和大年夜标准构造不雅测成果相互结合相互印证时,暗能量随时间演变的预算误差将会被大年夜大年夜限制,也是以,宇宙常数Λ的测定是具有异常坚实的不雅测基本的。类似的,暗物质的统计证据逾越了100个标准差,这是物理宇宙学的一项重要成功。

  关于声学峰值的物理学总结

  在细心核阅图4中的声学峰,特别是前三个峰值以后,现代宇宙学的一切关键元素都将浮现。正如我们所见的那样,这些峰值的构造细节取决于构成宇宙的物理成分。这一构造的张角大年夜小,特别是第一个峰值出现的地位,是由宇宙的几何外形决定的。正如图5中所显示的那样,假设宇宙具有正曲率,则CMB中的“点”看上去将会更大年夜一些,类似一个球体,而假设曲率为负,那么看上去则会显得小一些,类似一个马鞍。而实际的不雅测成果显示,我们所处的宇宙仿佛相当平直,其密度参数接近临界值。

  第一个出现的峰值,和一切异常峰值,都是重子物质向引力势井中跌落所产生的。偶数数量的峰值对应于辐射被反弹回来时所产生的减压效应。重子物质越多,其坠入引力势井的深度就越深,照应的,第一个峰值相较于第二个也就要愈创造显很多。而第一个和第二个峰值之间差别程度暗示,重子物质大年夜约只占到宇宙密度的5%阁下。较高的峰值对应于更多的震动,也相当于回溯到更早的时间,那时辰辐射占据有加倍关键的感化。

  特别是,第三个峰值对应的是减压以后的再次紧缩,紧随厥后的是另外一次由光子-重子流体所招致的紧缩。暗物质在第一次紧缩以后不会反弹回来,由于辐射不会对它产生影响。是以它可认为重子物质的第二次坠落供给引力势井。这就意味着暗物质加强了第三个峰值。对其丈量成果显示,暗物质大年夜约占到宇宙的26%。

  我们如今可以停止一项简单的计算来肯定宇宙中暗能量的比重。第一个峰值告诉我们宇宙是接近平直的,是以计算的总和应当是1。是以:ΩΛ = 1 − 0.05 − 0.26 = 0.69,这就是说,宇宙中有69%的成分是暗能量,这与经过对宇宙收缩的直接丈量成果相吻合。

  展望

  除在解释宇宙构造和演变方面所取得的巨大年夜成功,精确的宇宙学同时也是发明新的物理学的一种对象。我们依然还没有懂得宇宙常数眼前的物理学。或许这一数值并异常数,也或许随着时间而改变的暗能量在宇宙的演变过程当中起到了关键性感化。Peebles曾经推敲到了这类能够性。

  除此以外,我们关于暗物质的本质也异样是一窍不通。比较风行的实际包含认为它是由一种全新粒子所构成,比如某种已知粒子的超对称粒子,或许干脆是某种此前完全未知的,实际上存在的粒子,比如所谓“轴子”(axion),这类假想中的粒子可以用来很好的解释强核力景象。然则直到如许一种粒子真的被找到之前,我们还没法确认今朝并存的几种关于冷暗物质本质的实际中,毕竟哪一种才是精确的。

  他的实际与不雅测的吻合程度令人震动,并且其所用到的参数数量异常少。然则,到今朝为止,依然存在难以取得美满解释的景象。比如对晚近宇宙中哈勃参数的丈量成果,与根据宇宙微波背景辐射(CMB)实际给出的猜想值之间其实不完全吻合。这个中毕竟存在甚么成绩?今朝我们其实不知晓。或许这是丈量中产生的体系性误差,但也能够新的物理学中依然有隐蔽着的,我们今朝还没有可知的部分。物理宇宙学,游走于实际与不雅测之间,构成了一个极其成功的故事框架,在之前的50年间改变了我们关于宇宙的熟悉。

  曾几甚么时候,宇宙学是一门充斥着没有坚实根据的猜想,数据也少得不幸。但明天,宇宙学曾经生长为一门精确的数学迷信,愈发精确的不雅测数据正发挥关键性感化。发明的时代并未终结。随着丈量精度愈来愈高,我们将有能够发明全新的,此前未能预感到的景象。物理宇宙学将为我们带来更多欣喜,而Peebles正是那个将我们引向发明的领路人。

应用多普勒效应丈量径向速度的道理。恒星和绕轨道运转的行星环绕其合营的质量中间移动,由于恒星摆动招致多普勒频移。当来自外部的辐射经过恒星大年夜气层时产生的恒星接收线将会红移和蓝移,这取决于恒星是分开照样朝向地球。这些多普勒频移供给了行星环绕恒星的轨道周期的信息,也设置了一个较低的质量极限。  应用多普勒效应丈量径向速度的道理。恒星和绕轨道运转的行星环绕其合营的质量中间移动,由于恒星摆动招致多普勒频移。当来自外部的辐射经过恒星大年夜气层时产生的恒星接收线将会红移和蓝移,这取决于恒星是分开照样朝向地球。这些多普勒频移供给了行星环绕恒星的轨道周期的信息,也设置了一个较低的质量极限。
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