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宇宙七问:年龄多大、膨胀多快?多重......

发布日期:2021-10-12 17:28    点击次数:133

  

在过去的一个世纪,宇宙学家为宇宙的演化编排了一个史诗般的故事,但我们能确信,他们说的对吗?

宇宙年龄有多大?

一个世纪前,如果你问宇宙学家:“宇宙年龄有多大?”回答多半是“无限大”。通过这一回答,他也巧妙地回避了“宇宙是如何形成的”这一问题。因为年龄无限大,当然也就没有开始,没有终结。甚至连爱因斯坦也不能免俗,这种看法体现在他在1917年提出的静态宇宙模型中。

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万有引力塑造了宇宙。在广义相对论中,引力被描述为有质量的物体对其周围时空的弯曲。1920年代中期,比利时天体物理学家乔治·勒梅特证明,根据广义相对论,宇宙不是静止的,而是膨胀的,因此倒溯回去,必有那么一个时刻,宇宙中所有的一切都包含在一个极其微小的“原始原子”中。不过,这个想法太惊世骇俗了,当时很多人无法接受。

1960年代,勒梅特的思想时来运转,当时天文学家发现了宇宙中最古老的光——宇宙微波背景辐射。这表明宇宙中的一切确乎都始于一个温度极高,密度极大的状态:大爆炸。

如今,大多数宇宙学家确信大爆炸发生在138.5亿年前。这个数字是基于宇宙膨胀速率计算出来的,会有一些误差,因为目前有两种估计宇宙膨胀速率的方法,给出的值有些出入(见“宇宙膨胀有多快?”)。考虑到误差,宇宙年龄的范围在120亿至145亿年之间。

这个数值可信吗?我们可以参照已知的最古老恒星加以核对。HD 140283是一颗古老的恒星,因为它几乎完全由氢和氦组成,而氢和氦是大爆炸之初宇宙中存在的主要元素,其他元素都要待到后来才能合成。天文学家估计HD 140283的年龄是144.6±8亿年,跟宇宙的年龄非常接近。

这一事实表明,为我们提供宇宙年龄估算的宇宙学标准模型——关于宇宙演化的广义相对论模型——是可靠的。对于宇宙年龄,我们基本上没什么歧义。

不过,对于宇宙的其他许多性质,我们就不能这么肯定了。

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小贴士:超新星

某些恒星在演化接近末期,会经历一场剧烈的爆炸。这种爆炸极其明亮,可能持续几周至几个月才会逐渐衰减,而在此期间所释放的辐射能量,可以与太阳在其一生中辐射的能量总和相当。这种恒星就是超新星。

宇宙有多大?

抬头仰望深邃的夜空,你会情不自禁地想,它到底会延伸到多远呢?在人类历史的大部分时间里,人们普遍认为,地球处于宇宙中心,其周围被恒星等天体围绕,这些天体之外,是通往天堂的一片虚空。然而,自哥白尼革命以来,这种观点已被推翻。我们现在知道,宇宙中有着无数个像太阳系一样的恒星系。天文学家想出了各种方法来测量天体的距离。

这些方法统称为“宇宙距离阶梯”法,即从近及远,向宇宙的纵深步步推进,一直到在最大尺度上看起来也足够明亮的天体(一般是超新星)。这样,我们就可以测量整个宇宙。

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目前,我们测到的最遥远的星系是GN-z11。它发出的光到达我们要134亿年——跟宇宙年龄很接近。那是不是意味着它现在离我们134亿光年呢?错了。要知道,宇宙从诞生时起,时空一直在膨胀。换句话说,当这个星系发出一束光,在马不停蹄地赶往地球期间,星系本身也在飞速地远离我们。从标准模型给出的宇宙膨胀速率推算,它现在大概离我们320亿光年远。外推到整个可观测宇宙,天文学家估计它的直径为930亿光年,相当于1026米。

但这并不意味着,你一直朝前走1026米,然后就会撞到一堵墙。这里说的仅仅是可观测的宇宙,真实的宇宙远不止这么点大。

到底有多大?这就无法说了,因为我们无法超越宇宙的视界。大多数宇宙学家认为,在大爆炸之后,宇宙立即经历了一个称为“暴胀”的指数式膨胀过程。暴胀表明,真实宇宙比我们所能看到的要大得多(见小贴士“宇宙暴胀”)。而且,虽然在我们这里暴胀已经停了,但谁能保证在别的地方不会持续发生呢?若是这样的话,真实宇宙就像一堆还在持续不断地产生新气泡的泡沫;我们所在的宇宙只是气泡中的一个,而我们所说的可观测宇宙,又是这个气泡上的一小块而已。

小贴士:宇宙暴胀

暴胀可不是无缘无故提出来的,没有它,我们就无法解释“宇宙从大尺度上看,物质均匀分布”这一现象。

因为根据大爆炸理论,宇宙诞生之后,所有物质都还是微观粒子。在婴儿宇宙中,这些粒子的分布随着涨落,这里多一点,那里少一点,在密度上会有差异。如果宇宙是静止的,涨落造成的结果可以通过临近空间的物质运动和随着时间的流逝而消除。但婴儿宇宙快速膨胀,涨落形成后,相邻空间来不及物质交换就被彼此分开了。于是,涨落就永久保留了下来。这样长大“发育”起来的宇宙,物质分布当然也不会均匀。

但天文观测到的事实恰恰是,物质在宇宙中的分布是相当均匀的。为了解释这个显而易见的矛盾,暴胀就派上用场了:宇宙诞生之后,经历过一次暴胀。暴胀把一小块一小块空间迅速胀成一大块一大块。我们现在所看到的宇宙,可能是由最初非常非常小的一块膨胀而来的。既然原先大家都挤在一小块空间,密度差异必定也非常微小,可以近似地看作是均匀划一的,那么现在物质分布看起来均匀也就不奇怪了。也就是说,我们现在生活的宇宙,只是最初宇宙中非常非常小的一块。

至于暴胀的推动力来自何物,这可是暴胀理论自身无法回答的,只好杜撰了一个能量很高的“暴胀场”,说它是幕后主谋。

宇宙膨胀有多快?

时空就像面团在发酵一样一直在膨胀。1929年,美国天文学家哈勃证明了遥远星系正在远离我们。我们甚至能够通过测量无数星系跟地球的距离,并将这些距离与它们的红移(每个星系所发射的光,其波长由于宇宙膨胀而被拉长的程度)进行比较,来记录膨胀速率。

在21世纪初,哈勃太空望远镜显示,宇宙目前的膨胀速率接近每百万秒差距每秒膨胀75千米(见小贴士“宇宙膨胀速率”)。宇宙学家认为这一点确定下来之后,剩下的工作就是测量这个速率会被万有引力减慢多少。因为在四种基本作用力中,只有引力在宇宙尺度上起作用,而引力倾向于把所有物体拉到一起,所以对于宇宙的膨胀会起到“刹车”的作用。

1990年代末,答案出来了,完全出乎我们的意料。天文学家发现,宇宙膨胀一点都没放缓,相反,正在加速。而没有任何东西能解释这一现象。

唯一符合这一要求的是当初爱因斯坦提出宇宙静态模型时,为了让宇宙保持静态,抵消引力的影响,而人为加入的一项“宇宙常数”(见小贴士“宇宙常数”)。于是,这个让爱因斯坦后悔不迭的“宇宙常数”,一下子成了香饽饽。天文学家相信,宇宙常数代表了现实中一种称为“暗能量”的作用。正是暗能量推动了宇宙膨胀加速。至于暗能量是什么,至今是个谜。

小贴士:宇宙膨胀速率

在天文学上,用1个百万秒差距(百万秒差距,天文学上的长度单位,相当于326万光年)的空间距离在1秒内被拉长的增量来表示宇宙的膨胀速率。

这是什么意思呢?举个例子。现有一根长1.5米的橡皮筋,在1秒内,你把它拉长到了1.8米,增量是30厘米。那么橡皮筋中原来50厘米长的一段,增量就只有10厘米了。为了计算方便,我们将1米的橡皮筋,在1秒内,拉长多少厘米作为增量速率,那么这段橡皮筋的增量速率就是“每秒20厘米每米”。同样道理,在天文学上统一规定“1个百万秒差距的空间距离”在1秒内的增量,作为宇宙膨胀速率。

当2013年普朗克卫星发回了迄今最精确的宇宙微波背景分布图时,事情变得更为棘手。宇宙膨胀速率目前有两种计算办法。一种是由太空望远镜观测到的宇宙中那些明亮天体(如超新星)远离我们的速度来推算,另一种是测量宇宙微波背景分布,然后将数据输入标准模型进行计算。研究人员根据前一种方法,计算出宇宙膨胀速率是每秒75千米每百万秒差距,根据后一种,算得的结果是每秒68千米每百万秒差距。两者有一定的差距。

为了使这两个值保持一致,宇宙学家改进了他们的计算,但结果非但没拉近,反而扩大了。他们现在怀疑,这是否意味着宇宙学的标准模型有问题。譬如说,我们目前仅在百万秒差距的尺度上证明了,广义相对论对于引力的描述是成功的,但在更大的尺度上,广义相对论还胜任吗?

小贴士:宇宙常数

1917年,爱因斯坦根据他的引力场方程,就解出了宇宙是膨胀的,他囿于传统观念,认为宇宙应该是静态的才对,所以他人为地加入了一项比例常数,来抵消无所不在的引力的影响。该常数很小,在银河系尺度范围可忽略不计,只在宇宙尺度下,才可能有意义,所以叫作宇宙常数。爱因斯坦后来将其称为他一生中“最大的错误”。

在天文学家发现宇宙膨胀在加速而又不知其所以然的时候,正是宇宙常数“能抵消引力作用”这一特征,重新引起了他们的兴趣。现在,他们引入宇宙常数,不满足于“抵消引力”,而是要“战胜引力”,唯有这样才能解释宇宙膨胀加速这一现象。

宇宙有多重?

计算宇宙中有多少物质,长期以来一直是宇宙学家关注的问题,这主要是因为有太多的物质是不可见的。

以暗物质为例,因它不与光相互作用而得名。这个神秘的物质被用来解释星系和星系团为什么不会解体,因为仅靠普通物质的引力,不足以让它们保持完整。暗物质已成为标准模型的重要组成部分,它的引力塑造了宇宙。

我们还没有直接探测到暗物质。然而,通过对宇宙微波背景辐射分布的观测,物理学家估计出它与普通物质的比例是5:1左右。目前估计,宇宙中总的物质-能量构成大致是:普通物质占5%,暗物质占27%,暗能量占68%。

然而,最近出来一个谜团。天文学家测量了星系在8千秒差距(1千秒差距=3260光年)尺度上的聚集程度。这个被称为∑-8的数值,取决于宇宙中有多少质量,因为正是这个质量产生的引力让星系聚集成团。这个∑-8我们可以基于观测,也可以根据标准模型来推算。这里,同样产生了令人不安的差异。

根据不同物质的既定比率,标准模型推算的∑-8是0.81。但天文学家通过观测引力透镜效应(见小贴士“引力透镜效应”),得到的∑-8值为0.74。这似乎表明,宇宙中的物质(包括普通物质和暗物质)比标准模型预测的要少。换句话说,暗能量的份额还要扩大。

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未来的观测站,如地面的维拉·鲁宾天文台和欧洲宇航局计划发射的欧几里德天文望远镜,将通过观测更多的引力透镜效应来改进这一结果。如果差异仍然无法消除,或许这将成为需要对标准模型“大修”的另一理由。

小贴士:引力透镜效应

根据广义相对论,大质量天体的周围,时空会扭曲。因此,当来自遥远天体的光线,传播到地球之前,若经过大质量天体附近,其路径将被弯曲,像光通过凸透镜一样。遥远天体实际的位置,跟我们所看到的位置(实际上是像的位置),会有一定的偏移。

在爱因斯坦提出广义相对论不久,英国天文学家爱丁顿通过对日全食的观测,首次验证了这一结果。爱丁顿所观测到的,实际上就是太阳的引力透镜效应。

宇宙是什么形状的?

当宇宙学家谈论宇宙的几何学时,他们指的是时空的整体结构。“不知庐山真面目,只缘身在此山中”。普通人很难想象时空的结构,正如过去人们很难想象地球是圆的。

宇宙学证据表明,我们能看到的那部分宇宙中,空间的局部结构在每个点和每个方向上看起来都一样,没有任何一点、任何一个方向是特殊的。只有三种曲面符合这种描述:平面、球面和双曲面(马鞍形)。像圆筒面就不符合要求,因为在侧面上的点看来,空间的局部结构与上下底面的点看来,就大不相同。

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如果从局外看,三种曲面的区别自然是一目了然的,但对于生活其中的人,该如何判断自己所在的时空形状呢?科学家提出一个衡量标准:如果两束平行光线射出去后,最后又能汇聚到一点,那么时空是球形的;如果两束平行光越走越远,永远没有汇聚的可能,那么时空是马鞍形的;如果两束平行光线永远平行下去,那么时空是平坦的。

在不断膨胀的宇宙中,平坦时空可以排除,所以只剩下两种可能。如果所有物质产生的引力比膨胀强,那么所有的东西最终都会被拽回到一起。在这种情况下,我们生活在一个“封闭”的或球形的宇宙。然而,如果驱动膨胀的力量压倒了引力,那么我们就处在一个永远膨胀的或“开放的”宇宙中,宇宙是马鞍形的。

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但是,不管宇宙整体上是球形还是马鞍形的,如果我们只取非常小的一块,那么这一小块都可以近似地看成是扁平的。这跟“任何曲线的非常小的一段都可近似地看作是直线”是一个道理。

前面提到暴胀理论时已经说过,我们的可观测宇宙之所以物质分布如此均匀,就是因为它是由真实宇宙的一小片通过暴胀得来的。所以,虽然真实宇宙肯定不是平坦的,但是在宇宙学的标准模型中,我们假定宇宙(可观测宇宙)是平坦的。

但是,总还是有人怀疑:把可观测宇宙看成是平坦的,可靠吗?倘若它不是真实宇宙的一小块,而是一大块呢?

这个问题也可以这样问:在这个假设下,有遇到太多的现象无法解释吗?或者产生许多自相矛盾的结果?如果是这样,我们就有理由怀疑这个假设是否正确。(历史上,地心说最初就是遇到太多的现象无法解释而引起我们怀疑的)。但实际情况是,目前来说,基于平坦假设的宇宙标准模型能解释绝大多数宇宙现象,所以看来这个假设一时还不成问题。

但最近也有一个令人不安的例子。意大利的一个团队分析了普朗克卫星测量得到的宇宙微波背景辐射温度分布。他们想看看,宇宙微波背景辐射在向我们传播的过程中,会在多大程度上受到引力透镜的扭曲。他们发现,扭曲程度要高于标准模型预测的结果——除非我们放弃平坦假设,认为宇宙在一定程度上有弯曲。

不过,放弃宇宙平坦假设可不是个好建议,这是一个牵一发动全身的问题。就像水中按葫芦,这头按下去,那头翘起来。放弃之后,也许A现象可以解释了,但原先能解释的B现象,现在反倒不能解释了。

对于这个问题,最好的解决办法是对宇宙早期的演化(尤其是暴胀)有更多的了解。如果我们能探测到任何从宇宙最遥远的地方向我们传来的原始引力波,就能打开一扇观察早期宇宙的窗口。但由于宇宙的膨胀,原始引力波比黑洞碰撞中产生的引力波,其波长要长得多。所以地面最先进的引力波探测器也无法探测,这就像人们肉眼最小可以看到380-780纳米的东西,而氧原子的直径只有0.148纳米,所以人们肉眼是看不到原子一样。

宇宙有多少个?

如前所述,当宇宙学家提出暴胀的时候,他们很快就意识到,暴胀可以在任何时间任何地点发生,它很久以前就发生过,现在宇宙的某些地方依然在发生。

这个被称为“永恒暴胀”的剧情,产生了一堆宇宙“泡泡”。我们自己就身处其中一个。所有这些“泡泡”都挤在一起,而且更多的还在萌生。但是我们对自己所在的宇宙“泡泡”都不能知其全貌,所以其他“泡泡”更在我们的观测能力之外。

当然,看不到并不意味着我们就不能想象:宇宙“泡泡”可能有多少个?它们可能会有些什么?

根据永恒暴胀说,宇宙“泡泡”的数量是无穷无尽的。每个宇宙“泡泡”中的东西,都跟我们这里有天壤之别。这个观点源于弦理论。弦理论试图把引力量子化,为此它用存在于多维空间——通常是10或11维——中的微小振动弦代替了熟悉的点状粒子,并预测至少有10500种不同的组合,每一组合对应着一种宇宙“泡泡”。所以,不同的宇宙“泡泡”中,不仅存在的粒子和物理学常数(如引力常数、电子电荷等)可能不一样,甚至物理学规律可能都不同。

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这样的猜测几乎是没法验证对错的。不过,有一个宇宙“泡泡”,我们或许已经看到了它存在的证据。2016年,南极脉冲瞬态天线(ANITA)探测到一个高能粒子。说也奇怪,它不是从太空来,而是从地球上冒出来的。两年后,它又第二次被发现了。有一种解释是,这个粒子可能来自一个与我们相邻的宇宙“泡泡”。

宇宙什么时候终结?

在暗能量被发现之前,宇宙的未来取决于它的几何学。如果是封闭的,它会再自行坍塌,重新变成一个密度无限大的奇点。如果是开放的,它会永远膨胀下去。

现在,由于暗能量的存在,“大崩塌”的结局可以排除。宇宙将会永远膨胀下去。

但又有两种可能。如果暗能量是个常数,不随时间而改变,那么宇宙膨胀最终会变成常态,星系团彼此离得越来越远。我们将在宇宙中孤零零地生活。这种剧情有时被称为“热寂”,或“大冻结”:所有恒星终将死亡,宇宙物质在温度上趋于平衡。由于没有温差,能量无法流动,宇宙逐渐进入一种衰老状态,在这种状态下,什么也不会再发生。

另一种可能是,如果暗能量不断增强,膨胀不断加速,那么宇宙将面临“大撕裂”。被撕裂的不仅有星系团、星系,甚至还有分子、原子。

只有当我们知道暗能量是什么的时候,我们才能知道宇宙以哪种方式终结。不过,当你觉得这一切太遥远了的时候,有一种办法可以让宇宙明天就终结。这个把戏叫“量子隧道效应”。在这种量子把戏中,宇宙会突然把自己变成另一个性质完全不同的宇宙。物理学常数甚至物理定律,都和我们的宇宙大不一样。于是,一切都瞬间瓦解。虽然发生这种事情的概率极其微小,但它完全是随机的,所以任何时刻都有可能发生。

但愿你读完这篇文章,完好无恙,什么都没有发生。