霍金博士论文开放引热议,宇宙的奥秘要从何说起?

作者 :何启敏 来源:澎湃新闻网
发布 2017-10-27 12:18:08
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     10月24日,英国著名物理学家霍金将自己24岁时撰写的博士论文《膨胀宇宙的属性》(Properties of Expanding Universes)发布到了剑桥大学的开放获取数据库,不到24小时就被下载了将近6万次,甚至一度导致网站崩溃。而就在一个多星期前,双中子星系统并合引力波被人类首次探测到,这一天文学的伟大发现赢得了广泛的关注和赞誉。

     不仅是霍金的论文和引力波,事实上,现今人类对宇宙的了解很多都和“宇宙大爆炸”理论有关,而宇宙中还有很多人类没能解开的奥秘。不久前天文学领域的另一发现同样不容忽视。《卫报》10月12日发表的一篇题为《天文学家找到宇宙中一半失踪物质》的文章介绍称,人类首次找到一部分“丢失”的普通物质,部分解开了宇宙学中最令人费解的谜题之一。

     “失踪”的普通物质如何被发现

     天文学家认为,宇宙是由普通物质、暗物质和暗能量组成的。简单来说,普通物质主要是看得见或摸得着的物质。从宏观角度看表现为行星、恒星和星系等,从微观角度看则表现为各种粒子。目前的科学界普遍认为,普通物质由原子组成,而原子由原子核和核外电子组成,而原子核由中子和质子组成;中子和质子都由三个夸克组成,电子则被认为是不可再分的基本粒子。关于物质的基本粒子,弦理论主张:弦更加基本,不同粒子只是弦的不同振动形式的表现。但是,基于弦理论做出的预测都未经实验证实,因而其正确性还有待验证。

     《卫报》报道中称,科学家先前对宇宙大爆炸遗留下来的辐射进行测量,根据测量结果确定了宇宙中物质的种类及形式,即普通物质、暗物质和暗能量三种。最近的空间探测表明,普通物质约占总数的5%,暗物质约占25%,暗能量约占70%。然而,科学家计算宇宙中所有可观测到的物体(恒星、行星和星系等)后发现,它们似乎只占了普通物质总数的十分之一到五分之一。也就是说,五分之四到十分之九的普通物质没有被观测到,也即“失踪了”,这个现象被称为“重子失踪问题”(missing baryon problem), 因为普通物质都是由质子和中子组成,而重子也是由质子和中子构成的。伦敦大学学院的天体物理学教授理查德·艾利斯(Richard·Ellis)对此说道:“人们都同意它们失踪了,这就提出了一个问题,它们到底在哪里?”

     此前,天文学家已经发现许多缕高温、呈散射状的“气体”,这些“气体”把宇宙中的星系连接在一起(过去的一般观点认为星系之间是相互独立的),但是天文学家不知道那些“气体”是什么。科学家猜测,这些“气体”和失踪的重子存在着某些关联,从而推测失踪的重子可能漂浮在连接星系团的散射气体丝(gaseous filaments)或薄片(sheets)中。

     提出猜测之后,科学家们就开始尝试对此进行验证,但十分困难。这些气状物被称为暖热星系际介质(Warm-hot intergalactic medium,简称Whim),温度应该在100万摄氏度左右。在这个温度下,这些呈丝状的“气体”不够热,无法释放出太多的能量,很难用X射线望远镜观测到。但又不够冷,导致其无法吸收足够的通过光线。

     科学家只能另辟蹊径,首先假设大爆炸中遗留下来的光线经过热气体时,其中的一些光线与气体粒子碰撞发生散射,会在宇宙微波背景中留下暗淡的斑点或轮廓。科学家们使用普朗克卫星拍摄的微波背景图像验证了这一假设。然后,再利用斯隆数字巡天所制作的宇宙三维地图,选取出可能由丝状物连接的星系。最后,将普朗克图像组合在每个星系的周围的区域,使那些重子链能够被观测到。

     2015年,欧洲航天局的普朗克卫星就尝试绘制这种效应,但是由于星系之间的气体丝太微弱,那些暗淡的轮廓或斑点不能再普朗克地图上显示出来。此次,英国爱丁堡大学的Anna de Graaff研究小组发现,星系之间的区域的密度大约是周围空间的6倍,这些气态丝状物大约可以占到宇宙中普通物质的30%。法国奥赛天文物理研究所的科学家团队计算出的结果略低于这个水平,但两方面的数据是一致的。由此证明,那些失踪的物质并没有丢失,而是隐藏在那些气体丝中。

     尽管这个发现可以部分解决那个长期存在的谜题,但还有一部分普通物质没有被找到,有观点认为剩余部分由其他物质诸如暗物质或暗能量组成。普通物质尚且如此神秘,与之共同构成宇宙的暗物质和暗能量则更加深不可测。

     暗物质和暗能量

     暗物质主要是指宇宙中不发出任何辐射的物质,它不能被探测,但存在引力作用。由于暗物质不发光、不发出电磁波且不参与电磁相互作用,许多人猜测中微子可能就是暗物质。但已经有研究表明,中微子是热暗物质,而宇宙暗物质主要是冷暗物质,因此该猜测很可能被驳倒。由于暗物质的一些特殊性质,现在很难揭开它的真实面目。

     但是,人类探索的脚步从未停止。尽管目前尚无直接证据证明暗物质存在,但它在理论上有着重要作用。2013年华裔诺贝尔物理学家获得者丁肇中领导的研究组宣布他们的实验数据与暗物质粒子碰撞的理论值一致,但这一发现最终被判定不足以证明暗物质存在。现在,四川的锦屏地下实验室、暗物质卫星科研团队的“悟空”号和欧洲大型强子对撞机(LHC)都在开展证实暗物质的存在的研究。

     相比暗物质,暗能量更加神秘。粒子物理学、弦理论、宇宙学专家丽莎·兰道尔在《暗物质与恐龙》一书中指出,暗能量不是物质,它仅仅是能量。暗能量的分布总是均匀,渗透于宇宙的各个角落。人类无法通过辐射的方法探测到暗能量,它不像暗物质具有引力,而是具有斥力。不过, “宇宙膨胀加速”这一现象可以证明其存在,而暗能量的斥力作用也可以用来解释宇宙的膨胀。2011年,S.Perlmutter、B.P.Schmidt、和A.G.Riess因证实宇宙加速膨胀而获得诺贝尔物理学奖。此外,宇宙的平直性(即宇宙在大尺度结构上是平直的)也能够证明暗能量的存在。理论上的宇宙物质密度应该等于大爆炸理论中的临界密度,但普通物质和暗物质相加后远远达不到这一数值,因而推测出不足的部分就是暗能量。

     普通物质、暗物质和暗能量如此神秘,那究竟是怎么产生的呢?这就要从宇宙大爆炸说起。

     “宇宙大爆炸”理论的产生和发展

     宇宙源于奇点所发生的大爆炸,这个爆炸过程被称为宇宙大爆炸,对此进行描述的理论称为宇宙大爆炸理论。这一理论认为,宇宙起源于大爆炸,而普通物质、暗物质和暗能量也都是在大爆炸中诞生。

     事实上,宇宙大爆炸早已不是科幻描述。在哈勃定律和宇宙膨胀现象的指引下,比利时天文学家勒梅特于1927年最先提出宇宙起源一个致密的“原点”,其爆炸产生了我们今天的宇宙。1948年,伽莫夫发表αβγ论文从而建立“大爆炸宇宙”的理论。宇宙大爆炸理论的主要内容是:从奇点爆炸到其后的普朗克时间(时间量子间的最小间隔)内,物理规律失效,之后进入大统一阶段,物质和能量可以互相交换, 电磁力、弱核力、强核力和引力四种作用力统一。随着宇宙膨胀和温度下降,出现夸克、反夸克和光子。而后进入核合成时代,逐步出现轻子、质子和中子,然后形成氦核,并且逐步演化出我们当今的宇宙。     

     大爆炸理论提出之初非但没有得到科学界的支持,当时还遭受到讽刺。比如“大爆炸”一词,就是英国天文学家霍伊尔为了说明伽莫夫理论的荒唐而取的带有贬义色彩的词语。甚至伽莫夫自己也对该理论也信心不足,最终放弃了对宇宙大爆炸理论的研究,转而研究分子生物学。不过,经过近百年的发展,宇宙大爆炸理论获得了许多证据的支持,成为了一个流行的理论。

霍金博士论文封面。

     这些证据主要包括宇宙的年龄,氢和氦的丰度和宇宙膨胀等。关于宇宙膨胀,开头提到的霍金的博士论文《膨胀宇宙的属性》是重量级的研究成果。这部撰写于1966年的论文第一章就论述了宇宙膨胀给霍伊尔-纳卡利引力理论(the Hoyle-Narlikar theory of gravitation )造成的许多困难。在第二章中,霍金研究宇宙膨胀的摄动,并且据此得出一个结论:星系的形成不可能是由于最初始的扰动积累而造成的。在第三和第四章,霍金分别介绍了检测膨胀宇宙的引力辐射、宇宙模型的奇异现象。此外,宇宙学起源的引力波,即宇宙大爆炸产生的引力波(或称为原初引力波)也能证明该理论,但目前探测到的都是天体物理学引力波,比如黑洞和中子星合并产生的引力波,它们不能对该理论提供强有力的证明。

     上世纪80年代左右,科学家们发现一些问题无法用宇宙大爆炸理论解释,比如视界疑难、平直性疑难和磁单极等等。为了解决这类问题,物理学家林德、古斯等人提出宇宙暴胀模型(或暴涨模型)。这个理论模型其实只是改进版的大爆炸模型,只是在某些时间段把“爆炸”变成“暴胀”,暴胀比爆炸所描述的宇宙变大的速度更快,以指数函数形式发生。并且,暴胀理论中出现了由“假真空”进入“真真空”的事件,而在大爆炸理论中,宇宙直接进入真真空状态,因此不存在这一阶段。

(图片来源于网络,文章版权属于原作者)

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