阿迈
第1楼2011/05/10
一、如果遥远的星系都在离我们而去,这是否意味着我们就处在宇宙的中心?
用一个字回答:不。
20世纪20年代,美国威尔逊天文台的埃德温·哈勃(Edwin Hubble)和米尔顿·赫马森(Milton Humason)发现,除了距离最近的星系之外,其他的星系都在远离我们而去。此外他们还发现,距离越远的星系其退行的速度越快。但是,这些星系的退行运动并不是穿行于宇宙空间之中的,而是宇宙空间自身的整体膨胀。星系只不过是搭了个便车而已。
1916年,德国理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)发表了他的广义相对论。这一理论拓展了他早先的想法,囊括了引力对空间的形状以及时间流逝的影响。一年之后,荷兰天文学家威廉·德西特(Willem de Sitter)使用爱因斯坦的理论证明,一个几近真空的宇宙必定会膨胀。哈勃认为,他所看到的星系退行现象正是一个由“德西特空间”所组成的宇宙的如实表现。
在膨胀的宇宙中传播的光线会被拉伸。光子会损失能量,因此谱线的位置会向长波(红光)段移动。同时,超新星爆发的信号也会被拉伸。遥远星系中的超新星会比近距星系中的持续更长时间,而且距离越远持续的时间就越长。这就意味着宇宙空间自身也在膨胀。被镶嵌在宇宙空间中的星系在跟随空间一起远离其他的天体。
天文学家通常会使用气球来比喻膨胀的宇宙。气球表面的图案代表星系。对气球充气就相当于宇宙的膨胀,这时气球表面每个图案之间的距离就会变大。不幸的是,绝大多数人试图把这一类比推向另一个极端,询问气球的中心是什么。
阿迈
第2楼2011/05/10
[图片说明]:宇宙膨胀是宇宙空间自身的膨胀。版权:Astronomy/Roen Kelly。
必须要明白的是,这本质上是一个二维的实验。在一张白纸上画许多的点,然后在一张透明片上把刚才的画放大再画一遍。将两者重叠起来,并且任取一点作为参考点。“无论这个点在哪儿,每个点上的‘观测者’都会看到其他点在离他/她而去,”美国加州大学欧文分校的阿萨塔·库雷(Asantha Cooray)解释说,“这正是宇宙中的每个星系所正在发生的。”
另一个想象宇宙膨胀的途径是把它看成是一个葡萄干面包。当面包(宇宙空间)膨胀的时候,每颗葡萄干(星系)都会看到其他的葡萄干在远离自己而去。而这些葡萄干自身并没有改变,变化的是它们所处的空间。同时,每颗葡萄干也都是等价的,因为所有葡萄干都在远离它。美国宇航局戈达德航天中心的宇宙学家、2006年诺贝尔奖得主约翰·马瑟(John Mather)说:“你所要做的就是想象一个空间,这个空间中的所有东西都在和它一起膨胀。”
宇宙学家假设,在足够大的距离上——远大于星系团的尺度,无论观测者身处何处,他/她所看到的宇宙都是相同的。在爱因斯坦的相对论中,它认为对于任何物理相互作用而言,不存在优越的参考系。上面的论断是对相对论的一种推广。科学家们把这一假设称为“宇宙学原理”,并且一直在检验它。到目前为止,它看起来依然是对宇宙非常好的一种近似。
阿迈
第3楼2011/05/10
二、膨胀中的宇宙在往哪里膨胀?
这是把气球类比膨胀宇宙过渡外推而导致的另一个问题。宇宙是自我独立的,它可以在不需要膨胀入其他东西的情况下自我膨胀。
爱因斯坦的相对论为审视宇宙提供了一条新的途径。它认为引力不再是一种力,而是时空的弯曲。引力场中的物质和能量会按照弯曲时空的“命令”运动。相对论预言,时空的弯曲也会使得光线的路径弯曲。
[图片说明]:大质量的天体会使得其周围的时空发生弯曲,由此导致了掠过其边缘的光线也发生偏折。
阿迈
第4楼2011/05/10
三、“大爆炸”到底是什么样的爆炸?
“大爆炸”并不是通常意义下的任何一种爆炸。
“在物理学和科学中,‘大爆炸’和爆炸毫不相关,”WMAP的首席科学家查尔斯·贝内特(Charles Bennett)说。WMAP观测到了迄今精度最高的宇宙微波背景图。这些光子自宇宙诞生之后大约38万年电子和质子首次结合成中性原子起便穿行于宇宙之中。
天文学家已经知道,宇宙正在不断地变大、冷却,密度也在不断降低,这也正是宇宙膨胀的必然结果。如果我们把宇宙的历史向后推,那么以前的宇宙就会比现在天文学家看到的要更小,温度更高,密度更大。
[图片说明]:宇宙大爆炸之后的演化过程。
阿迈
第5楼2011/05/10
四、“大爆炸”之前是什么?
没人知道。也许在大爆炸之前什么都不存在,也许如美国哈佛大学的阿维·洛布(Avi Loeb)所说,我们的宇宙“始于循环大爆炸。但是目前还没有观测数据能证实这一以及其他的假说。”使用已知的物理定律,宇宙学学家可以把宇宙反推到大爆炸之后的10-43秒,即普朗克时期,但只能到此为止。因此现在的科学无法回答这个问题。
科学家们一直在使用两种“分立”的理论。一个是描述微观世界的量子力学,另一个是描述大尺度宇宙的广义相对论。它们在各自的领域都非常有效,但是彼此不可调和。洛布说:“我们需要一个能统一量子力学和广义相对论的理论,由此才能把宇宙反推到大爆炸的源头。”
在几个世纪的研究之后,物理学家已经知道了四种基本作用力:引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。理论物理学家已经统一了电磁力和弱相互作用力。当宇宙的年龄只有一百亿分之一秒的时候,“弱电”力分解成了现在我们看到的两种力。
[图片说明]:大型强子对撞机。版权:LHC/CERN。
阿迈
第6楼2011/05/10
五、宇宙的外面是什么?
就我们所知,宇宙是无限的。
WMAP的观测数据已经佐证了暴涨理论,即宇宙经历了一个超高速膨胀的阶段。因此,宇宙很可能要比我们目前所能观测到的还要大得多得多。
这就有必要区分宇宙自身——大爆炸创生出的一切——和“可观测宇宙”——我们所能看到的一切。通过对宇宙微波背景的观测,宇宙学家已经知道宇宙的年龄为137亿年。而由于光传播的速度是有限的,地球上的观测者因此只能看到在这一时间段内传播到地球上的光。那么是不是因为我们在各个方向都能看到137亿光年远的宇宙,于是可观测宇宙的大小就是这个数值的两倍呢?
不是。在宇宙微波背景中我们所看到的物质是在137亿年之前发出的这些辐射,但在那以后这些物质就凝聚成了星系。由于宇宙膨胀,现在这些星系距离我们大约465亿光年。这一“距离”指的是现在这些星系和我们之间的距离,而不是它们发出光线时到我们的距离。所以,可观测宇宙的“直径”大约为930亿光年。这一结论似乎违背了爱因斯坦的相对论,即光速是物体在空间中运动的极限速度。但是这并不适用于空间自身的膨胀。普适的速度极限在极端情况下会有个别的例外,宇宙的膨胀就是其中之一。
可观测的宇宙有一个边界,科学家将其称为“视界”。那么在视界外面是什么?“随着时间的流逝和宇宙的膨胀,会有越来越多的宇宙进入我们的视界,”美国空间望远镜研究所的亚当·里斯(Adam Riess)说。他说,宇宙学家认为在我们可探测视界之外的宇宙“和我们的没什么两样”。
物理宇宙学,这一尚不足百年的科学分支,在过去的几年中取得了重大的成功。这包括了精确地限定宇宙年龄以及发现宇宙加速膨胀。不过宇宙学家们从来没有说,我们目前的宇宙模型是完整的。美国劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)将大爆炸模型称为是“一个有效的假说……一个取得惊人成功的初稿。”
下一代的探测器和实验——无论是地球上的,例如大型强子对撞机,还是空间中的,例如WMAP的后继者“普朗克”——将会使得科学家能有机会来检验我们目前对宇宙的认识。超对称乃至弦理论真的成立吗?到底是什么驱动了宇宙加速膨胀?
如果说过去只是开场,那么让我们一起期待更多的“意料之外”吧。