開拓對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的新天地

孟園 曹海霞

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州 215006)

1 引言

2019年10月8日，在瑞典的斯德哥爾摩瑞典皇家科學(xué)院宣布授予加拿大裔美國(guó)科學(xué)家James Peebles、瑞士科學(xué)家Michel Mayor和Didier Queloz諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)對(duì)他們的工作給予了高度評(píng)價(jià)：“這是對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)和歷史的新理解，第一次發(fā)現(xiàn)了太陽系外的行星軌道，這個(gè)發(fā)現(xiàn)將徹底改變我們對(duì)世界這個(gè)概念的理解．”獎(jiǎng)項(xiàng)得主之一James Peebles的主要貢獻(xiàn)是使宇宙學(xué)從推測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T精密的科學(xué)，建立了目前的大爆炸理論下的宇宙演化框架．他認(rèn)為我們現(xiàn)在所了解的宇宙只占宇宙世界的5%，剩下的95%是我們目前所不了解的暗物質(zhì)和暗能量，等待人類進(jìn)一步探索．

2 大爆炸宇宙論的提出

1917年偉大的物理學(xué)家Einstein將廣義相對(duì)論用于對(duì)宇宙的思考中標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的開端．Einstein假設(shè)宇宙在空間上是封閉的，大尺度中物質(zhì)靜態(tài)均勻分布，在廣義相對(duì)論場(chǎng)方程引入宇宙學(xué)常數(shù)λ，得出一個(gè)靜態(tài)宇宙模型[1]．除Einstein給出了一個(gè)解外，荷蘭數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家Willem de Sitter還找到一個(gè)質(zhì)量密度為零時(shí)有中心的解．1922年俄羅斯物理學(xué)家Friedmann認(rèn)為廣義相對(duì)論場(chǎng)方程存在非靜態(tài)解，根據(jù)弗里德曼方程對(duì)半徑積分所得到的關(guān)于宇宙時(shí)間的方程，他提出3種宇宙：

(1)從奇點(diǎn)開始經(jīng)先減速后加速的膨脹的宇宙；

(2)宇宙在r=0和r=x1之間震蕩，或者從r=x2處開始加速膨脹，其中x1和x2為滿足條件的兩個(gè)解，且x1

(3)宇宙從奇點(diǎn)開始減速膨脹，到達(dá)最大半徑x1處收縮回零點(diǎn)[2]．

但這一發(fā)現(xiàn)并沒有受到科學(xué)家的關(guān)注甚至有科學(xué)家認(rèn)為這一觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的．直到1929年，Hubble通過對(duì)40多個(gè)星系光譜的分析發(fā)現(xiàn)，銀河系外所有已被發(fā)現(xiàn)的星系發(fā)出光線的光譜都顯示為紅移．對(duì)這一觀測(cè)結(jié)果說明：銀河外星系不像銀河內(nèi)星系既有靠近地球也有遠(yuǎn)離地球，而是所有的銀河外星系都在離我們遠(yuǎn)去，并且一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的紅移大于一個(gè)接近地球的星系的紅移，即星系遠(yuǎn)離我們的速度與它離我們的距離大致成正比，宇宙在高速膨脹．通過比較星系中特定原子發(fā)出的光和地球?qū)嶒?yàn)室原子發(fā)出的光我們可以推算出恒星的視向速度，光度測(cè)距法估計(jì)星系距離后，他便得出了著名的哈勃定律

v=H0r

式中v為遠(yuǎn)離速度，r為相對(duì)地球的距離，H0為哈勃常數(shù).這與觀測(cè)到的結(jié)果不謀而合，成為大爆炸宇宙論的有力支持．

美籍原蘇聯(lián)原子核物理學(xué)家Gamow對(duì)他的導(dǎo)師Friedmann支持的宇宙膨脹學(xué)說及Bethe支持的恒星熱核反應(yīng)思想加以發(fā)展．并于1948年Gamow，Alpher，Herman發(fā)表的一篇名為《化學(xué)元素起源》的文章提出早期宇宙處于溫度和密度極限高狀態(tài)，化學(xué)元素是由于早期不均勻原始物質(zhì)的迅速膨脹冷卻產(chǎn)生．1949年Alpher和Herman提出關(guān)于物質(zhì)輻射密度值，這些密度值在元素形成初期的宇宙中普遍存在，并指出宇宙的背景溫度在目前的溫度是5 K[3]．20世紀(jì)60年代，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家Dick教授領(lǐng)導(dǎo)著他的小組沿著Gamow等人的思路進(jìn)行研究．若宇宙產(chǎn)生于一場(chǎng)熱爆炸，則可以用微波輻射計(jì)直接觀測(cè)這種火球輻射留下的輻射，并且這種輻射符合普朗克定律，目前溫度大約為3 K，如果我們探測(cè)到了滿足條件的輻射，則可以證明大爆炸宇宙論的正確性．

3 宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)

離美國(guó)普林斯頓大學(xué)不遠(yuǎn)處的克勞福德山上，坐落著一架射電望遠(yuǎn)鏡，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位青年A.A.Penzias和R.W.Wilson正在計(jì)劃測(cè)量銀河系內(nèi)高緯星系的銀暈輻射．在仔細(xì)排除了其他輻射影響后,測(cè)得的總的天線溫度減去天線各向噪聲的等效溫度得到多余的溫度值3.5 K遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)誤差1 K，天線的多余溫度令Penzias和Wilson很困惑，在和Dicke小組討論了測(cè)量結(jié)果后，Dicke小組認(rèn)為貝爾實(shí)驗(yàn)室所得的結(jié)果正是他們一直在尋找的宇宙微波背景輻射，后來經(jīng)過Dicke小組的進(jìn)一步測(cè)量，確定這種輻射存在于宇宙的各處，各向同性，并且有大約3 K的黑體譜[4]．1965年宇宙微波背景輻射的成功探測(cè)對(duì)我們宇宙演化理論有著非常重要的意義，Penzias和 Wilson也因宇宙微波背景輻射的成功探測(cè)獲得1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．另外，在輻射溫度為3 K這一前提下，Peebles等人計(jì)算出宇宙早期氦的豐度值約為22%到28%，與現(xiàn)有的宇宙中的氦豐度26%相當(dāng)，由于氦元素十分穩(wěn)定，所以氦的豐度也可作為大爆炸宇宙的另一重要證據(jù)．1974年美國(guó)COBE衛(wèi)星的發(fā)射使宇宙微波背景輻射譜分析提高到前所未有的精確程度，2006年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者John C. Mather和George F.Smoot借助COBE衛(wèi)星證明在波長(zhǎng)在1 μm到1 cm宇宙微波背景輻射符合黑體輻射特征，證實(shí)了在較短波長(zhǎng)范圍內(nèi)宇宙背景也完全符合黑體輻射，還更精確地測(cè)量到背景輻射的溫度在一個(gè)方向上比相反方向高0.003 K．他們測(cè)得的宇宙背景輻射的微小漲落，解釋了星系及恒星形成的原因，確定了我們的宇宙是平直的，會(huì)一直膨脹下去[5]．

4 現(xiàn)代科學(xué)視野下的宇宙演化圖景

目前大爆炸宇宙理論已成為天文學(xué)界的主流觀點(diǎn)，盡管這一模型還有待科學(xué)家們的進(jìn)一步完善，但此模型為我們描述的宇宙的演化規(guī)律，是在大量證據(jù)的基礎(chǔ)上建立的，為大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)同．1946年Gamow等人就提出過熱大爆炸宇宙模型，該理論認(rèn)為宇宙誕生于大約150億年前，當(dāng)時(shí)的宇宙處于高密和高溫的狀態(tài)，隨著宇宙的迅速膨脹，各種粒子在合適的溫度下相互作用，宇宙變冷[6]．基于大爆炸理論，科學(xué)家James Peebles幫助建立了目前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，描述了宇宙從大爆炸開始經(jīng)由量子漲落到宇宙暴漲再到各種粒子、星系天體形成的演化過程(圖1)[7]．

圖1 宇宙的演化過程(圖片來源 NASA/WMAP Science Team)

現(xiàn)代的宇宙演化認(rèn)為在137.7億年前，宇宙產(chǎn)生于一次體積無限小、溫度密度非常高的奇點(diǎn)爆炸，從爆炸開始到宇宙時(shí)間10-43s(普朗克時(shí)間)前,時(shí)間沒有意義，物質(zhì)時(shí)空還未分化，4種基本作用力統(tǒng)一于一個(gè)超大統(tǒng)一力場(chǎng)．普朗克時(shí)間后至宇宙時(shí)間10-36s，這一階段宇宙繼續(xù)膨脹，溫度約為1028K，引力場(chǎng)和電核力場(chǎng)從統(tǒng)一力場(chǎng)中分離，伴有各類粒子和能量的生成，造成時(shí)空彎曲[8]．宇宙時(shí)間10-36s到10-32s,美國(guó)理論物理學(xué)家Alan Harrey Guth提出宇宙暴脹的觀點(diǎn)，這一觀點(diǎn)可解決目前磁單極問題，此時(shí)高能級(jí)的量子真空向低能級(jí)躍遷，產(chǎn)生巨大的斥力效應(yīng)，宇宙尺度按指數(shù)級(jí)瞬間增大約50個(gè)量級(jí)，磁單極子的密度變得極小，所以無法被觀測(cè)到.宇宙從對(duì)稱狀態(tài)變?yōu)閷?duì)稱破缺狀態(tài)，正是這種對(duì)稱破缺使我們的宇宙不斷演化，各種粒子如夸克、玻色子、輕子產(chǎn)生，電核力場(chǎng)分裂為強(qiáng)核力場(chǎng)和電弱力場(chǎng)，宇宙溫度下降至1022K左右．從10-32s到10-10s，宇宙中充滿高溫的夸克膠子電漿，電弱力場(chǎng)又分化為電磁力場(chǎng)和弱核力場(chǎng)，至此4種基本力場(chǎng)全部分離，宇宙溫度為1015K左右．宇宙時(shí)間10-10s到10-3s，這一階段稱為粒子時(shí)代，由于溫度降低，夸克組合形成質(zhì)子和中子，正反強(qiáng)子在高溫下大量成對(duì)湮滅，釋放的能量減緩了宇宙冷卻速度，由強(qiáng)子轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生的光子和中微子數(shù)量逐漸增加，此時(shí)宇宙溫度在1010K左右．宇宙時(shí)間10-3s到3 min，這一階段稱為核合成時(shí)代，未轉(zhuǎn)化的質(zhì)子、中子形成了氫原子核和氦原子核，此時(shí)宇宙溫度大約在108K．宇宙時(shí)間3 min到30萬年，自由電子被原子核俘獲，形成氫原子和氦原子，此時(shí)氫原子和氦原子密度為10-21g/cm3與實(shí)驗(yàn)室的真空密度10-20g/cm3接近，宇宙溫度大約在104K．從宇宙的30萬年至今，宇宙中充滿由氫和氦組成的稀薄氣體，在萬有引力作用下，氫、氦原子開始聚集，原始星系出現(xiàn)，恒星發(fā)出的光子被氫原子和氦原子吸收，變成氫離子和氦離子，光只能傳到有限遠(yuǎn)，宇宙是不透明的．隨著氫離子和氦離子的增加，光子可以在宇宙中自由傳播，宇宙逐漸明亮，宇宙50億年，在原始星系中形成了第一代恒星．正是一代又一代的天文學(xué)家通過不懈的探索向我們描繪出一幅壯闊的宇宙生命畫卷．

5 新的挑戰(zhàn)：暗物質(zhì)與暗能量

暗物質(zhì)和暗能量被稱為宇宙之謎.1933年，瑞士天文學(xué)家Zwicky在研究后發(fā)座星系團(tuán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些星系的運(yùn)動(dòng)速度非常大．這意味著星系團(tuán)之間的引力場(chǎng)和星系團(tuán)的質(zhì)量大大超過了我們的估計(jì)，由此Zwicky提出星系團(tuán)中應(yīng)該存在著相當(dāng)質(zhì)量的暗物質(zhì)，但當(dāng)時(shí)暗物質(zhì)這一說法并沒有引起天文學(xué)界的關(guān)注．直到1960年，天文學(xué)家Vera Rubin和Kent Ford發(fā)現(xiàn)渦旋星系的旋轉(zhuǎn)曲線在半徑很大處依然平坦延伸使暗物質(zhì)開始得到天文界的關(guān)注；此后大量證據(jù)表明，宇宙中存在著相當(dāng)質(zhì)量的、目前我們無法觀測(cè)到的物質(zhì)，稱為暗物質(zhì)，約占宇宙世界的26.8%．雖然目前還沒有確定暗物質(zhì)是哪種粒子，但我們可以預(yù)測(cè)暗物質(zhì)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：暗物質(zhì)是冷的，不反光，無碰撞性；與其他粒子有引力作用；比較穩(wěn)定不容易衰變等等．暗物質(zhì)可通過結(jié)合天文觀測(cè)和引力波觀測(cè)進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)暗物質(zhì)的性質(zhì)預(yù)測(cè)暗物質(zhì)的可能粒子有大質(zhì)量弱相互作用粒子、軸子和類軸子、惰性中微子[9]．那么需要指出的一點(diǎn)是，暗物質(zhì)的存在是在認(rèn)為萬有引力定律和廣義相對(duì)論正確的前提下得出的．

大爆炸理論為我們展示了一個(gè)逐漸膨脹和冷卻的宇宙，那么我們的宇宙未來是永遠(yuǎn)膨脹還是膨脹到一定程度收縮取決于宇宙物質(zhì)密度，計(jì)算表明宇宙中物質(zhì)密度遠(yuǎn)小于臨界密度，宇宙將逐漸減速膨脹，但兩個(gè)超新星小組通過對(duì)la超新星的研究發(fā)現(xiàn)我們的宇宙竟然是加速膨脹的．那么這個(gè)膨脹的加速度是從何而來，一種說法是愛因斯坦認(rèn)為，不僅質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生引力，壓強(qiáng)也是引力產(chǎn)生的重要原因，當(dāng)壓強(qiáng)為負(fù)時(shí)引力表現(xiàn)為斥力，但是宇宙中不存在壓強(qiáng)為負(fù)的物質(zhì)，這種“負(fù)壓強(qiáng)物質(zhì)”是一種能量，稱為暗能量．這種暗能量的密度會(huì)隨時(shí)間變化，也就是在宇宙膨脹的過程中，暗能量會(huì)從宇宙中不斷冒出，目前暗能量約占宇宙世界的68.3%．另一種說法是愛因斯坦一直認(rèn)為他最大的錯(cuò)誤宇宙學(xué)常數(shù)，也許

正確的，我們應(yīng)該尋找其他方程來解決多余能量的問題．暗能量空間分布可能具有顯著性．研究人員發(fā)現(xiàn)，大型的巡天望遠(yuǎn)鏡(Large Synoptic Survey Telescope)是一種強(qiáng)大的暗能量探測(cè)儀，結(jié)合宇宙微波背景的測(cè)量，可以得到暗能量密度的測(cè)量值[10]．

雖然目前仍無法確定暗物質(zhì)和暗能量是什么，但天文學(xué)家已經(jīng)著手使用各種方法對(duì)暗物質(zhì)和暗能量進(jìn)行探測(cè)，相信終有一天我們能夠解開暗物質(zhì)和暗能量目前這一宇宙之謎．