[VIP专享]宇宙加速膨胀完整图文解读
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宇宙加速膨胀完整图文解读
Steed发表于 2011-10-06
“有人说世界将终结于烈火,有人说将终结于寒冰……”
宇宙最终的命运是什么?或许它将终结于寒冰,如果我们打算相信今年的诺贝尔物理学奖的话。他们已经仔细研究了几十颗遥远星系之中被称为“超新星”(supernova)的爆炸恒星,得出了宇宙正在加速膨胀的结论。
即便是对这些获奖者而言,这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象,就好比是把一个小球抛向了空中,却没有看到它落回来,反倒看着它越来越快地上升,最终消失在了空中,仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。
[世界正在膨胀。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸,但在最初几十亿年里,宇宙膨胀的速
度是越来越慢的。但最终,它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的,这种暗能
量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释,暗能量变得越来越显
著。]
宇宙膨胀的这种加速度暗示,在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下,宇宙正在分
崩离析。这种所谓的“暗能量”(dark energy)占据了宇宙成分的绝大部分,含量超过70%。它的本质仍然是谜,或许是今天的物理学面临的最大谜题。所以难怪,当两个不同的研究
团队在1998年公布相似的结果时,宇宙学的根基被撼动了。
索尔•佩尔穆特(Saul Perlmutter)领导着其中一个团队,即1988年启动的“超新星宇
宙学项目”(Supernova Cosmology Project)。布莱恩•施密特(Brian Schmidt)领
导着另一个团队,即1994年启动的“高红移超新星研究组”(High-z Supernova
Search Team)展开竞争,亚当•里斯(Adam Riess)在其中起到了至关重要的作用。
两个研究团队通过寻找遥远空间中爆发的超新星,展开了绘制宇宙“地图”的竞赛。通过确
定这些超新星的距离和它们离我们而去的速度,科学家希望能够揭开我们宇宙的最终命运。
他们本来以为,自己会发现宇宙膨胀正在减速的迹象,这种减速将决定宇宙会终结于烈火还是寒冰。结果,他们发现了完全相反的事实——宇宙膨胀正在加速。
[一闪一闪亮晶晶,天上星星在哪里……]
天文学发现颠覆我们对于宇宙的观点,这已经不是第一次了。就在100年前,人们还认为宇宙是一个宁静的所在,比我们的银河系大不了多少。宇宙学时钟可靠而又稳定地滴答作响,记录着时间的平稳流逝,而宇宙本身则是永恒的,无始无终。但没过多久,一种颠覆性的红移就改变了人们的这种观点。
在20世纪初,美国天文学家汉丽埃塔•斯万•勒维特(Henrietta Swan Leavitt)发现了一种测量遥远恒星距离的方法。当时,女性天文学家没有接触大型望远镜的资格,但她们被天文台雇佣,来从事分析照相底板的繁重工作。汉丽埃塔•勒维特研究了上千颗被称为造父变星(Cepheid)的脉动变星,发现越明亮的造父变星,脉动的周期也越长。利用这样的信息,勒维特能够计算出造父变星自身的亮度。
只要有一颗造父变星的距离是已知的,其他造父变星的距离就可以推算出来——恒星的光显得越暗,它的距离就越远。一种可靠的标准烛光就这样诞生了,直到今天,它们仍是宇宙距离标尺上的第一个标记。利用这些造父变星,天文学家很快就得出结论——银河系只是宇宙中许多星系中普普通通的一个。到了20世纪20年代,美国加利福尼亚威尔逊山上当时世界上最大的望远镜投入了使用,这让天文学家能够证明,几乎所有星系都在远离我
们而去。他们研究的是一种叫做“红移”(redshift)的现象,当光源远离我们而去时就会
出现。光的波长会被拉长,而波长越长,它的颜色就越红。天文学家得出的结论是,星系不光在离我们而去,彼此之间也在相互远离,而且距离越远,逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律(Hubble’s law)。宇宙正在膨胀。
[具有稳定亮度的标准烛光,是测量遥远恒星的距离所必需的。]
观测到的宇宙膨胀,在理论计算中其实已经被人提出过了。1915年,爱因斯坦发表了他
的广义相对论,此后这一直是我们理解宇宙的基础。按照广义相对论,宇宙只能收缩或者膨胀,不可能稳定不变。
这个令人不安的结论,提出的时间比天文学家发现星系远离早了差不多10年。就连爱因
斯坦都难以忍受宇宙不可能稳定不变这一事实。因此,为了消灭这种他不想要的宇宙膨胀,爱因斯坦在他的方程里加了一个常数,他称之为“宇宙学常数”(cosmological constant)。后来,爱因斯坦认为,加上这个宇宙学常数是一个大错误。然而,有了那些完成于1997-1998年、并在今年获得诺贝尔物理学奖的宇宙学观测,我们可以得出这样的结论——爱因斯坦加上宇宙学常数的这一招实在是聪明绝顶,虽然他当年的理由是错的。
发现宇宙膨胀,让我们迈出了奠定基础的第一步,最终得出了今天的标准宇宙学观点,即宇宙诞生于大约140亿年前的一场大爆炸。时间和空间都起始于那一时刻。从那时起,宇宙就一直在膨胀;星系则像是烤箱中正在膨胀的蛋糕里夹杂的葡萄干,由于宇宙学膨胀而彼此远离。但未来的命运又将如何?
当爱因斯坦放弃宇宙学常数,转而向非静态宇宙观点投诚时,他把宇宙的几何形状同宇宙的命运联系了起来。宇宙到底是开放的、闭合的,还是介于两者之间——是平坦的呢?
开放的宇宙,指的是物质引力不足以阻止宇宙膨胀。这样的话,所有物质都会在一个越来越大、越来越冷、越来越空旷的空间中不断稀释下去。闭合的宇宙则刚好相反,引力强大的足以停止甚至逆转宇宙的膨胀。这样的话,宇宙最终会停止膨胀,然后坍缩回来,在一场炽热而剧烈的大挤压(Big Crunch)中终结。然而,大多数宇宙学家都更喜欢生活在一个最简单、数学上也最优雅的宇宙之中——这就是平坦的宇宙,其中的宇宙膨胀会越来越慢。因此,宇宙最终不是会终结于烈火,就是会终结于寒冰。这是我们无法选择的事情。如果存在宇宙学常数,那么膨胀就将持续加速,哪怕宇宙是平坦的。
今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为,他们会测量到宇宙减速膨胀,测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法,从原理上讲,跟60多年前天文学家所用的方法是
一样的——那就是给遥远的恒星定位,并测量它们如何运动。然而,说起来容易做起来难。自汉丽埃塔•勒维特发现造父变星的秘密以来,天文学家在越来越远的距离上找到了许多其他的造父变星。但在天文学家所要测量的距离上,即数十亿光年以外,造父变星已经无法看见。宇宙标尺必须延长才行。
超新星,也就是恒星的爆炸,成了新的标准烛光。地面和太空中越来越先进的望远镜,以及越来越强大的计算机,在20世纪90年代开启了全新的可能性,让天文学家有能力为宇宙学拼图填上更多空缺的内容。其中最关键的技术进步,则是光敏数码成像传感器CCD
的发明——发明者威廉•波义耳(Willard Boyle)和乔治•史密斯(George Smith)因
为这项发明获得了2009年诺贝尔物理学奖。
天文学家工具箱中的最新工具,是一类特殊的恒星爆炸——Ia型超新星。在短短几星期之内,单单一颗这样的超新星发出的光足以与整个星系相抗衡。这类超新星是白矮星