新科诺奖得主皮布尔斯解读:宇宙的来源与归宿

新科诺奖得主皮布尔斯解读:宇宙的来源与归宿
2019年10月08日 20:13 全球迷信
詹姆斯·皮布尔斯(图片来源:wikipedia)詹姆斯·皮布尔斯(图片来源:wikipedia)

  翻译:赵东海

  方才,普林斯顿大年夜学的宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)由于在物理宇宙学中的供献,与别的两位地理学家米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹分享了本年的诺贝尔物理学奖。

  在这篇文章中,皮布尔斯与别的3位作者向我们讲述了宇宙汹涌澎湃的演变史。经过数百亿年的演变后,明天存在于宇宙中的恒星与星系会变成如何,宇宙的归宿又是甚么?

  撰文:詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、戴维·施拉姆(David Schramm)、埃德温·特纳(Edwin Turner)、理查德·克朗(Richard Kron)  

  在大年夜约一百多亿年前的某个时辰,我们如今能不雅测到的一切物质和能量都集合在一个比硬币还小的区域里,随后,它开端以一种弗成思议的速度收缩并冷却。当温度降低到1亿倍太阳核心温度时,天然界的那些根本感化力开端出现,根本粒子夸克则自在地倘佯在能量陆地里。接着,宇宙又收缩了1 000倍,我们眼下能不雅测到的一切物质占据的空间收缩到了太阳系那么大年夜。

  那时,自在夸克开端被束缚在中子和质子里。当宇宙又收缩1 000倍后,质子与中子开端聚在一路构成原子核,明天的氦原子和氘原子大年夜部分就是那时构成的。以上一切过程都产生在大年夜爆炸后的一分钟内,此时温度依然太高,原子核还不克不及捕获电子。直到宇宙持续收缩了30万年后,中性的原子才开端大年夜量出现,这时候宇宙尺寸达到了如今的千分之一。尔后,中性原子开端凝集成气体云,这些云团随后演变成恒星。在宇宙收缩到如今尺寸的五分之一时,恒星聚在一路,构成了年青的星系。

  当宇宙标准达到如今的一半时,恒星里的核反响产生了大年夜多半重元素,类似地球的行星就是由这些元素构成的。我们的太阳系比拟较较年青:构成于50亿年前,那时宇宙标准是如今的三分之二。随着时间流逝,恒星的构成过程会耗尽星系中的气体,是以恒星数量正逐步增添。再过150亿年,像太阳如许的恒星会更稀少,对天空不雅测者来讲,那时的宇宙将远不如如今这般热烈。

  对宇宙来源与演变的熟悉,是20世纪最巨大年夜的迷信成就之一。这些知识来自于数十年赓续改革的实验与实际。空中上和太空中的最新千里镜接收着数十亿光年以外的星系收回的光线,向我们展示宇宙年青时的面貌。粒子加快器摸索着早期宇宙高能情况下的根本物理景象。卫星探测着宇宙收缩早期遗留上去的背景辐射,展示出我们所能不雅测到的最大年夜标准上的宇宙图景。

  标准宇宙模型(也称大年夜爆炸实际)对这些海量数据的解释最为成功。这个实际主意说,宇宙从早期的致密态开端收缩,收缩在大年夜标准上近乎均匀。今朝该实际没有碰到根本性的挑衅,固然,它也存在一些有待处理的成绩。比如,地理学家还不克不及肯定星系是若何构成的,然则也没有证据可否定该过程是在大年夜爆炸框架内产生的。实际上到今朝为止,从这个实际引申出的各类预言经过过程了一切的测试。

  然则,大年夜爆炸实际今朝也只做到这类程度,还有很多重要的谜题有待揭开。宇宙在收缩之前是甚么模样的?(我们不克不及经过过程地理不雅测,回溯到大年夜爆炸之前的时辰。)在悠远的将来,当最后一颗恒星耗尽了核燃料后会产生甚么?没有人知道答案。

  我们可以从不合的视角——奥秘主义、神学、哲学或迷信——来熟悉宇宙。在迷信上,我们只信赖那些经过实验或不雅测证明的器械,是以我们选择的是一条沉重有趣的门路。爱因斯坦创建的狭义相对论确立了质量、能量、空间和时间的关系,现已被很好地验证并接收。爱因斯坦指出,物质在空间均匀分布与他的实际异常吻合。他未经评论辩论便假定,在大年夜标准上均匀来讲宇宙是静态不变的。

  在1922年,俄国实际家亚历山大年夜·A·弗里德曼(Alexander A。 Friedmann)认识到爱因斯坦的宇宙是不稳定的,最稍微的扰动也会惹起宇宙收缩或紧缩。同时洛厄尔地理台(Lowell Observatory)的维斯托·M·斯莱弗(Vesto M。 Slipher)发清楚明了星系正在相互阔别的首个证据。随后,出色的地理学家埃德温·哈勃在1929年又证清楚明了星系阔别我们的速度与它离我们的间隔大年夜致成正比。

  宇宙收缩意味着,宇宙从一团高度致密的物质演变成明天彼此相距悠远的星系。英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)是第一个给上述过程取名“大年夜爆炸”(the big bang)的人,他的本意是想讽刺这个实际,但这个名字其实太活泼了,便就此传播开来。不过这个名字将宇宙收缩描述得仿佛是空间中一点上的某个物质产生了某种爆炸,若干有些误导人。

  其实完全不是那么回事:在爱因斯坦的宇宙中,空间与物质的分布是慎密接洽的,不雅测到的星系体系的收缩反应的是空间本身的展开。大年夜爆炸实际的要点在于空间的均匀密度随宇宙收缩降低,而物质分布并没有可见的边沿。对浅显爆炸来讲,活动得最快的粒子飞向空的空间;而对大年夜爆炸实际来讲,粒子则是均匀地充斥空间。宇宙收缩对被引力束缚的星系或星系团的大年夜小没甚么影响,只是使它们之间的空间舒展了罢了。在这类意义上,宇宙收缩很像是葡萄干面包发酵。生面团类似空间,而葡萄干就像星系团。当面团收缩时,葡萄干彼此阔别,随便任性两颗葡萄干相互分别的速度完全取决于它们之间的面团有若干。

  60年来,我们曾经积聚了很多支撑宇宙收缩的证据。第一个重要证据是红移——星系会发射或接收某些特定波长的光,假设星系在阔别我们,这些发射或接收特点线将被拉长,也就是说退行速度越大年夜,特点线就会变得越红。

  在宇宙的年纪只要如今的五分之三时,星系团是宇宙代表性的景不雅。哈勃千里镜曾经在轨道上运转了22年,经过过程它的持续不雅测,我们取得了星系团的影象。有些星系看上去相互处在对方的引力场里。如许的相互感化在离我们较近的星系团中相当少见,解释宇宙确切在演变。 

  哈勃定律

  哈勃经过过程丈量发明,远处星系的红移比近处星系的红移要大年夜。这就是如今熟知的哈勃定律,它正是均匀收缩宇宙模型所猜想的成果。哈勃定律注解,星系的退行速度等于它们间的间隔乘上哈勃常数。近处星系的红移效应非常微弱,要应用相当优良的丈量仪器才能检测到。而那些异常悠远的星系——比如射电星系和类星体——的红移就异常惊人了,个中一些星系的退行速度可达到光速的90%。

  哈勃对宇宙图景还有另外一个关键供献。他对天空不合偏向的星系计数,发明它们仿佛分布得很均匀。哈勃常数在一切偏向上仿佛都是雷同的,这正是均匀宇宙收缩的必定成果。现代巡天证明了这条基来源基本则:宇宙在大年夜标准上是均匀的。虽然近处的星系显示出成团性,不过更深的巡天照样能反应出相当的均匀性。

  以银河系为例,今朝银河处在一个由20多个星系构成的个人中,而这又是本超星系团(local Supercluster)延长出的星系结合体的一部分。星系团的构造一级一级往上,一向上升到5亿光年的标准。随着考察标准的增长,其内均匀物质密度的起伏赓续减小。在接近不雅测极限的标准上,均匀物质密度起伏不到0.1%。

  为了验证哈勃定律,地理学家须要丈量星系的间隔,有一种办法是不雅察星系的视亮度。假设某星系比另外一个同类星系暗4倍,那么间隔大年夜约就是它的2倍。这一关系已在不雅测可及的间隔范围内测验过了。

  有批驳者指出,看上去更小更暗的星系不用定真的间隔更远。荣幸的是,有明白迹象注解红移越大年夜的星系确切间隔也越大年夜。证据来自引力透镜效应(拜见左图)。像星系如许质量巨大年夜且致密的天体可以构成天然透镜,由于可见光和其他电磁辐射的轨迹被弯折,任何位于它前面的辐射源都将产生一个歪曲缩小年夜的像(乃至能够是多个像)。是以假设一个星系位于地球和某些悠远天体的连线上,它将弯折这些天体收回的光线,使悠远天体变得可见。在之前的10年里,地理学家曾经发清楚明了20多个引力透镜。人们留意到,透镜前方天体的红移总是比透镜本身的高,这也定性地证明了哈勃定律。

  哈勃定律之所以具有严重年夜意义,不只由于它描述了宇宙的收缩,还由于它能用来计算宇宙的年纪。详细来讲,大年夜爆炸距今的时间是哈勃常数以后值与其变更率的函数。地理学家已大年夜致算出收缩的速度,但还没有人能精确测得其变更率。

  不过人们照样可以从宇宙均匀密度来估计这个量。由于引力克制了宇宙收缩,我们可以预期,星系相互阔别的速度将比之前更慢,是以收缩速度的变更率与引力的拖拽效应有关。引力是由均匀密度决定的,假设只推敲星系外面和邻近的可见物质,并以此来计算密度,那宇宙的年纪能够在100亿~150亿年之间(这个范围还推敲了宇宙收缩率的不肯定性)。

  不过很多研究者认为宇宙密度要比上述计算成果的最小值大年夜,由于所谓的暗物质的存在将产生影响,带来差别。一种不雅点认为,宇宙的密度足够大年夜,是以在悠远的将来,收缩速度将降到接近于0。在这类假定下,宇宙的年纪将降至70亿~130亿年。

  为了让这些估测加倍精确,地理学家都在努力于研究若何更好地丈量星系的间隔和宇宙的密度。估测出的收缩时间可作为考验大年夜爆炸实际的重要目标。假设这个实际是精确的,可不雅测宇宙中的一切器械都应当比从哈勃定律算出的宇宙年记要年青。

  悠远星系的多重成像看上去像暗弱的蓝色椭圆,这是引力透镜效应招致的。当远处物体收回的光被搅扰物体的引力场偏折时,这类效应就会出现。在这张图里,白色星系团集合在中心,使位于它们前方更远处的星系的像歪曲了。这张图片由哈勃千里镜供给。

  这两个时间标准其实看上去大年夜致相容。比如,由白矮星冷却速度估得银河系中最陈旧的恒星大年夜约已有90亿岁。由计算恒星核反响燃料的消费率推知,银河系晕中的恒星年纪更大年夜,大年夜约为120亿年。而根据放射性年代测定法测出的最陈旧化学元素的年纪也是约120亿年。实验室的任务人员是根据原子物理和核物理推算出这些数据的。值得留意的是,上述成果与由宇宙收缩推算的宇宙年纪大年夜体上是分歧的。

  另外一个实际——稳恒态宇宙实际异样成功地对宇宙的收缩和均匀性做出了解释。1946年,3个英格兰物理学家——霍伊尔(Hoyle)、赫尔曼·邦迪(Hermann Bondi)和托马斯·戈尔德(Thomas Gold)——提出了以下宇宙学实际:宇宙在永久收缩,而物质自发地产生出来填充真空。当新产生的物质积聚到必定程度就会构成新的恒星代替老的。这个稳恒态假定预言,近处的星系团在统计意义上跟远处的应当是雷同的。而大年夜爆炸实际做出的预言则跟稳恒态实际不合,它认为假设星系是好久之前构成的,那么远处的星系应当看上去比近处的星系年青,由于它们收回的光线须要更长的时间才能达到我们这里,这些星系应当包含更多年青的恒星和更多还未构成恒星的气体。 

  验证稳恒态假定

  从实际上说,这个考验很轻易,但真正研收回足够灵敏的探测器以研究悠远的星系却花了好几代人的时间。当地理学家检查近邻射电星系时,他们在光学波段看到的是大年夜致呈圆形的恒星体系;而远处的射电星系看上去呈拉长乃至是不规矩的构造。另外,与近处星系不合,在大年夜部分远间隔星系中,可见光波段的图象平日跟射电波段的邻近。

  地理学家研究大年夜质量、密集的星系团时,异样发清楚明了近邻星系与远处星系有差别。远距星系团包含正在构成恒星的偏蓝星系;而近处类似的星系团却包含偏红星系,个中的恒星构成早就不活泼了。哈勃千里镜的不雅测证明,至少有部分年青星系团中的激烈恒星构成活动是由于成员星系的碰撞形成的,而这类过程在如今异常罕有。

  假设一切星系都在相互阔别并且都是由起初的形状演变而来,那么符合逻辑的推论就是,它们曾经充塞在一片稠密的物质与能量之海中。现实上,在对悠远星系所知不多的1927年,比利时神甫、宇宙学家乔治·勒梅特(Georges Lemaître)就曾经提出,宇宙的收缩可追溯到一个极端致密的状况,他称之为远古的“超等原子”(super-atom)。他认为我们或许可以或许探测到它的遗留辐射。可是,这个辐射应当是甚么模样的呢?

  在宇宙异终年青和炙热的时辰,辐射很轻易被各类粒子接收或散射,因此不克不及沿直线传播太远。如许一向的能量交换保持着热均衡,任何特定区域都不太能够比均匀程度要热或冷太多。当物质和能量处在这类状况时,就会产生所谓的热辐射谱,个中各波长的辐射强度完全由温度决定。是以,大年夜爆炸产生的辐射可以由它的能谱辨认出来。

  现实上,这个宇宙背景热辐射曾经被发清楚明了。20世纪40年代,美国麻省理工学院的罗伯特·H·迪克(Robert H。 Dicke)一向努力于改进雷达,他创造了微波辐射计——一种检测微弱辐射的设备。到了上世纪60年代,贝尔实验室开端在千里镜上应用辐射计来追踪早期通信卫星Echo-1和Telstar。没有想到,建造该设备的工程师探测到了额外的辐射旌旗灯号,随后,阿诺·A·彭齐亚斯(Arno A。 Penzias)和罗伯特·W·威尔逊(Robert W。 Wilson)剖断出这个旌旗灯号是宇宙背景辐射。成心思的是,彭齐亚斯和威尔逊的这个思路源于迪克的启发,由于迪克曾建议人们用辐射计来搜索宇宙背景辐射。

  地理学家经过过程应用宇宙背景探测器(COBE)卫星和大年夜量探空火箭、气球、空中设备,对背景辐射作了深刻研究。发明宇宙背景辐射有两个特点。一是它各向异性。[1992年美国航空航天局戈达德太空飞翔中间的约翰·马瑟(John Mather)引导的COBE研究团队证清楚明了其涨落的幅度不逾越十万分之一。]这很好解释,辐射均匀充斥在空间中就会产生如许的成果,正如大年夜爆炸实际预言的那样。

  二是背景辐射能谱异常接近2.726K的黑体谱。毫无疑问,宇宙背景辐射是在宇宙远热于2.726K时产生的,但迷信家们早就猜想到辐射看上去温度会比较低,20世纪30年代美国加州理工学院的理查德·C·托尔曼(Richard C。 Tolman)指出,宇宙背景的温度将因宇宙收缩而降低。

  宇宙背景辐射可以证明,宇宙是由致密高热的状况收缩而来的,由于这是产生这类辐射所必须的条件。在那个致密高热的宇宙里,热核反响分解了比氢重的元素,包含氘、氦和锂。值得留意的是,由此计算出来的轻元素比例与不雅测到的丰度是分歧的。也就是说,一切证据都注解,轻元素确切是在年青炙热的宇宙中生成的,而那些更重的元素,则要在将来作为恒星外部热核反响的产品时才会出现。

  轻元素分解实际是在第二次世界大年夜战以后的科研高潮中出现的。乔治·伽莫夫(George Gamow)、乔治·华盛顿大年夜学的研究生拉尔夫·A·阿尔法(Ralph A。 Alpher)和约翰·霍普金斯大年夜学应用物理实验室的罗伯特·赫尔曼(Robert Herman)等人经过过程战斗时代取得的核物理数据,猜想了早期宇宙中产生了哪些核过程,生成了哪些元素。阿尔法和赫尔曼还认识到,在现代宇宙中应当能找到大年夜爆炸的残留物。

  虽然这项任务中的很多重要细节有误,但它毕竟开创性地将核物理和宇宙学接洽关系起来了。正由于研究人员证明,早期宇宙可以算作是某种核反响堆,物理学家才能精确计算大年夜爆炸中产生的轻元素的丰度,和它们随后是如安在星际介质和恒星外部变更的。

在这幅包含了从3亿~10亿光年远的天体的图中,可以明显看出星系是均匀分布的。唯一不均匀的处所是接近中线的间隙,那是由于天空的这个区域被银河盖住了。这张图片由普林斯顿大年夜学的迈克尔·施特劳斯(Michael Strauss)根据红外地理卫星的数据制造。在这幅包含了从3亿~10亿光年远的天体的图中,可以明显看出星系是均匀分布的。唯一不均匀的处所是接近中线的间隙,那是由于天空的这个区域被银河盖住了。这张图片由普林斯顿大年夜学的迈克尔·施特劳斯(Michael Strauss)根据红外地理卫星的数据制造。

  宇宙大年夜拼图

  我们对早期宇宙的熟悉还不克不及直接取得星系构成的完全图景。虽然如此,我们照样控制了好几块拼图。引力将招致物质密度增长,由于它会克制高密度区域的收缩,使那边变得愈来愈密集。我们已在近邻星系团的生长中不雅察到了这个过程,星系能够也是在异样的过程当中构成的,只是标准要小些。

  辐射的压力会克制早期宇宙构造的增长,不过当宇宙收缩到如今尺寸的0.1%时就不一样了。在那个时辰,宇宙温度约为3 000K,低到足够使离子和电子结分解中性的氢和氦原子。中性物质不怎样受辐射影响,可以集合起来构成气体云,然后再坍塌成星团。不雅测注解,在宇宙达到如今五分之一大年夜小时,物质已集分解巨大年夜的气体云,构成星系的雏形了。

  迫在眉睫是解释一个看似抵触的成绩——早期宇宙不雅测到的均匀性和如今星系的团块分布。地理学家认为早期宇宙密度起伏不大年夜,由于在宇宙背景辐射中只不雅测到异常渺小的不规矩成分。到今朝为止,建立与现有丈量数据相容的实际还算轻易,但更关键的考验还在停止中。特别是只要在不雅测分辨率小于1度时,不合星系构成实际所预言的背景辐射涨落才能看出明显差别。今朝还没法停止这么小标准的丈量,但研究人员曾经在着手预备这方面的实验了。将来就知道如今那些星系构成实际中有哪个能经过过程考验,想想就令人冲动。

  据我们所知,以后的宇宙是最合适生命生长的——在不雅测可及的宇宙范围内大年夜约有1万亿亿颗太阳如许的恒星。大年夜爆炸实际认为,生命只能存在于宇宙的某一阶段——之前它太热,将来它的资本又无限。固然大年夜部分星系还在产生新的恒星,但其他很多星系曾经耗尽了它们的气体储备。300亿年后,星系将变得昏暗,充斥了逝世亡或病笃的恒星,与如今比拟,合适生命栖息的行星将少很多。

  宇宙或许会永久收缩下去,一切的星系和恒星终究将变得又暗又冷,这就是“大年夜降温”(big chill)。另外一种能够是“大年夜挤压”(big crunch),假设宇宙的质量足够大年夜,万有引力终究将逆转收缩,一切的物质和能量都邑重新坍缩回到一点。下一个10年里,随着研究人员丈量宇宙质量办法的赓续改进,我们或许会知道如今的收缩终究将演变成“大年夜降温”照样“大年夜挤压”。

  在不久的将来,我们能对大年夜爆炸有更深刻的懂得。对宇宙收缩率和恒星年纪的丈量曾经证明,恒星年纪确切比宇宙收缩汗青要短。地理学家正在应用千里镜(比如设在夏威夷岛上口径10米的凯克千里镜、口径2.5米的哈勃千里镜和分布在南极和天然卫星上的其他新千里镜)不雅测背景辐射,同时展开物理实验寻觅“暗物质”,这些尽力或许终究能让我们知道,宇宙内物质是若何影响时空曲率,而曲率又是若何反过去影响我们对悠远星系的不雅测的。

  另外,我们还将持续研究那些超出大年夜爆炸实际范围的成绩。比如,为甚么会产生大年夜爆炸?在那之前有甚么?宇宙能否有兄弟姊妹?(即在我们不雅测所及的范围以外能否还有其他收缩区域。)天然根本常数为甚么是如今这些值?粒子物理学的最新停顿供给了一些风趣的解题思路,但成绩在于若何用实验进一步证明。

  在我们评论辩论这些宇宙学成绩时,必须切记一点:一切物理实际都只是真实的近似,各有其应用范围。人们总是赓续将那些已被实验证明的旧实际融入到新的更宏大年夜的实际框架中去,物理学就是如许进步的。

  大年夜爆炸实际已为大年夜量现实所证明,它说清楚明了宇宙背景辐射、轻元素的丰度和宇宙的收缩。是以,将来的宇宙学实际肯定得包含大年夜爆炸实际。宇宙学已完成了从哲学到物理学的生长,往后它取得的任何新停顿,都要接收不雅测和实验的两重验证。

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