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什么是“宇宙大爆炸”理论?

2018-11-08 08:37:54      来源:光明日报

阿里原初引力波观测台址示意图 资料图片

膜宇宙的碰撞与远离 资料图片

【科学向未来】

谈到Big Bang你会想到什么?是红极一时的韩国偶像天团,还是连续更新了十二季的美国情景喜剧?在宇宙学家眼中,这个术语来自现代宇宙学(即热大爆炸宇宙学说),代表着一场美轮美奂的“演化”,它以最简单、朴实却又充满想象力的艺术图像刻画了我们宇宙漫长的138亿年的历史。

什么是“宇宙大爆炸”理论呢?这个理论认为,宇宙是由138亿年前的一个时空奇点引发的,这个奇点通过剧烈膨胀将时间和空间伸展开来,形成宇宙。“宇宙大爆炸”理论雏形在20世纪40年代由物理学家伽莫夫等人提出,用以理解宇宙中的轻元素丰度。刚被提出时,它还叫“原初核合成理论”,当时的英国物理学家霍伊尔并不是很认同该理论,霍伊尔在BBC电台的一次采访中笑称该理论把宇宙的演变说得像是一次“大爆炸”,而正是由于他那次的脑洞大开,“宇宙大爆炸”的名字便沿用至今。

其实,自爱因斯坦提出广义相对论,科学家们就面对这样一个难以解决的问题——“生”出宇宙的时空奇点其所有的物理参量,例如能量密度、曲率、温度,都是无穷大的,但无穷大发散在数学上的描述是不自洽的。

为了解决这个问题,物理学家们绞尽脑汁。20世纪30年代,一群研究爱因斯坦引力理论的“狂热分子”给出了各种宇宙学解决方案。其中,美国物理学家理查德·托尔曼在1934年提出的“振荡宇宙”理论最为盛行。但根据时间反演倒推回过去,振荡周期变得越来越短,宇宙的最终命运仍然是大爆炸的奇异性。由于这个问题的存在,再加上过去半个世纪热大爆炸宇宙学说和暴胀理论的巨大成功,物理学家们对振荡宇宙的研究兴趣在20世纪80年代左右略有削弱。

然而,大爆炸奇点的“乌云”仍然笼罩在当前的宇宙学中,对振荡宇宙的研究也在继续。在1995年召开的弦理论会议上,物理学家爱德华·威滕在提出的M理论认为,空间不仅仅是我们熟悉的三维空间,而具有更高的维度,但这些额外的空间维度是卷曲的。从更高维度的空间和时间看,我们的宇宙很像是一部三维电影。

受这种疯狂观点的启发,普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特和剑桥大学的尼尔·特洛克在2001年提出了一个新的循环宇宙模型——火劫模型。在这个模型中,宇宙创生是周期性的,如同凤凰涅槃之后火劫重生。

从一开始对大爆炸时空奇点束手无策到周而复始、无始无终的火劫模型,物理学家们取得了不小的理论进展。但这个模型毕竟只是一个假说,它面临着两大问题:一是如何利用合理的数学语言来精确刻画这个模型;二是这个模型如何真实地刻画我们的宇宙,并解释在这个宇宙中所发生的一切,特别是我们人类所观测到的一切。

为了回答这些问题,宇宙学家们先将目光集中到只发生一次收缩和膨胀过程的宇宙学图像,并称之为“反弹学说”。构造这一图像的理论模型都可以解决热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。反弹学说不仅很好地继承了热大爆炸宇宙学所取得的累累硕果,更让我们避免了那个会让所有物理理论失效的时空奇点。

解决大爆炸奇点问题,接下来面对的就是如何证明宇宙曾经历过一段收缩过程。幸运的是,无论宇宙在极早期经历了什么样的演变,微观世界中的量子波动总会存在。我们今天看到的由宇宙微波背景辐射(CMB)的温度涨落形成的多彩宇宙:星系、恒星、地球乃至我们自己,都是从宇宙婴儿期的量子波动演变而来的。这些量子波动被拉伸到宏观尺度,形成所谓的原初密度扰动,它们将为后期宇宙中大尺度结构的形成提供最原始的种子。

这之后,新一波的疑问接着产生:宇宙是来自大爆炸的奇点,还是从收缩过程中的反弹?宇宙在极早期究竟发生了什么?这些问题至今仍没有定论。但它也吸引了越来越多的宇宙学家思考。令我们意外的是,在热大爆炸后大约38万年,我们的宇宙为自己拍了张“自拍照”,这张自拍照使得原初引力波信号可以通过宇宙微波背景辐射的高精度测量来验证。通过分析CMB的偏振涨落,我们发现原初宇宙中的张量扰动(即原初引力波)可以直接导致CMB拥有B模式的偏振信号。宇宙学家曾试图利用WMAP、Planck等卫星搜集到的近15年的数据重构原初扰动,甚至原初宇宙的模样,遗憾的是截至目前原初引力波仍没有被观测到。

虽然对原始引力波的探索很难,但我们仍在不懈地努力寻找那些宝贵的原初B模偏振信号。由于卫星实验通常成本高昂,并且操作寿命和承载能力在技术上受到不同程度的限制,人们不得不更多地探索在地面探测CMB的方法——地基天文台。迄今为止,已建成并计划进行的CMB地面观测主要集中在智利天文台和美国南极极点科考站。在北半球,这仍然是一片空白。

填补这个空白,中国科技界当仁不让。2014年,中国科学院高能物理研究所张新民研究员提出了“阿里计划”——阿里原初引力波探测实验。这一项目于2016年12月13日正式启动,由中国科学院高能物理研究所牵头、国内多家科研单位参与的中美合作项目。按照规划,科学家们将在海拔5200多米建设一座世界上最先进的、用于探测原初引力波的望远镜。该项目计划于2020年建成阿里一号望远镜并开始观测。它将在北天区探测原初引力波,并计划通过测量CMB偏振旋转角来检验物理定律中的基本对称性:电荷共轭(C)-宇称(P)-时间反演(T)不变性。与此同时,阿里计划与南半球的CMB实验合作,形成一个南北向背,覆盖全天的原始引力波观测。科学家们也在讨论,能否在“阿里一号”基础上建设更加灵敏的望远镜阵列“阿里二号”,得到独立的、更高精度的原初引力波测量结果。未来,它将与南极观测站、智利观测站一道,成为三大观测原初引力波的世界级台址。

我们生活在宇宙之中。或许从人类诞生之初,就一直仰天常问:宇宙何时诞生?宇宙因何诞生?这是哲学家与科学家永恒的追问。科学需要实证,理论预言之争需要客观数据一锤定音。这个过程困难重重,甚至会充满曲折和迂回,但科学家们一直在努力。我们也相信,这个谜题终将解决,作为其中的一员,我们将在这个伟大的过程中,贡献自己的力量。

(作者:蔡一夫,系中国科学技术大学天文学系教授)

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宇宙还能存在多少年

日本国立天文台、东京大学和美国普林斯顿大学等机构研究人员组成的科研团队发表的一项最新研究称,从暗物质和暗能量的角度分析,宇宙的寿命还有1400亿年。

这项研究认为,宇宙中不存在足以引发再度收缩的暗物质和暗能量,会持续膨胀下去,并在1400亿年后达到无限大,走向终结。

目前公认的理论认为,宇宙起源于138亿年前的大爆炸,随后开始膨胀演化。不过,关于宇宙将如何走向终结存在多种假说,包括再度缩成一点的“大坍缩”和膨胀至无限大的“大撕裂”等。

研究团队利用架设在美国夏威夷的昴宿星团天文望远镜观测分析了约1000万个星系的引力透镜效应,对宇宙中暗物质和暗能量的分布进行了迄今最全面的解析,绘制了暗物质的立体空间地图。他们通过一系列计算评估得出结论认为,宇宙的寿命大概还会持续1400亿年。

引力透镜效应是指光线在通过大质量天体附近时会发生弯曲的现象,就好像一个“宇宙放大镜”,可以帮助研究宇宙中最早和最遥远的星系。而暗物质和暗能量对星系的形成和宇宙膨胀起到了关键作用,是预测宇宙未来的重要依据。

(综合新华社报道)

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