宇宙膨脹，到底是什么東西在膨脹？

lylla 2020-07-17

展開全文

21世紀的物理學上空有兩朵烏云，暗物質與暗能量。

今天跟大家一起探討目前科學的發展對于暗能量、暗物質前沿是怎樣去研究的，當下遇到的問題是什么，未來的機遇在哪里？

一、如何研究宇宙？

1、研究宇宙的基本認知

宇宙是什么？

漢代《淮南子·齊俗》下了非常好的定義，“四方上下謂之宇，往古今來謂之宙”。簡單說，“宇”是空間，“宙”是時間。

研究宇宙就是研究時間和空間，研究時空的本質。

首先要明確一個概念：光年。光年這個單位看起來像時間單位，其實是一個距離單位，即光走一年的距離，1光年等于94600億公里。

在宇宙大尺度研究中，我們要慢慢習慣，當看到宇宙深處的時候，其實看到的是過去，因為光子需要一定的時間從遙遠的地方傳播過來，看到的光子是過去的光子。

我經常說，雖然科學每天在往前推進、面向未來，但天文研究是“時光匆匆流去，我只在乎你的過去！”

我們看到的是過去，通過對宇宙過去的演化、分析，建立正確的理論，然后把這個理論外推，推到未來。

2、研究方法：多重宇宙探針

經過幾十年的發展，我們已經建立了一整套方法來探索宇宙，這種方法通常叫做探針。

今天你能看到我，是因為可見光，你看到了在可見光波段的光子，在你的腦海里形成了我的形象。這是在日常生活中用可見光的波段作為探針。

研究宇宙可以用可見光，也可以用光子的其他波段。

（1）宇宙微波背景輻射

今天的宇宙來自于138億年左右的一次大爆炸，大爆炸的余暉形成了黑體的背景輻射。

在宇宙天空中不同的角度、不同的朝向，測量背景輻射的溫度大概都接近2.73K（K：開爾文，熱力學溫標。0K=-273.15℃），溫度比較均衡，但是有一些特征。這些特征實際上包含了豐富的宇宙的信息。

宇宙微波背景輻射被稱為探索嬰兒宇宙的利器。

從今天看早期的宇宙，研究宇宙起源，可以通過測量、利用微波波段的光子去探索。由于這個發現，產生兩次諾貝爾物理學獎，分別是在1978年和2006年。

（2）超新星

超新星是一類特殊的恒星，在快要滅亡的時候它會瞬間釋放能量，像爆炸一樣。這一類特殊的星體有一個特點：爆炸以后它的亮度隨著時間的變化是有規律的。

好比我點一根蠟燭，它的絕對亮度我們是知道的。如果蠟燭在我們眼前，我們知道它的亮度是多少；然后把蠟燭放到10米以外，再去測它的亮度；通過兩個亮度對比，可以反推蠟燭的距離。

這種方法可以用亮度來測定距離。

超新星被稱為“宇宙標準燭光”。

利用超新星，能夠把宇宙的距離測得很精確，這也意味著能夠測量宇宙的幾何性質。比如宇宙到底是平坦的還是彎曲的，是開放的還是閉合的等等。

1998年科學家利用超新星的方法觀測發現了宇宙的加速膨脹。超新星宇宙學獲得了2011年諾貝爾物理學獎。

（3）引力波

2015年人類首次探測到引力波。

兩個黑洞或中子星互相繞轉并合的過程中會釋放出巨大的能量，這個能量會帶來什么樣的結果呢？

根據愛因斯坦廣義相對論，巨大的質量會引起周圍的時空發生彎曲，時空的性質會發生改變。當兩個劇烈的動力學過程發生的時候，不僅能使周圍的時空扭曲，甚至還會釋放出時空的漣漪——引力波。

示意圖中的波動有些夸大，實際上引力波效應是非常微弱的。

引力波也可以幫助我們測距，研究近鄰宇宙發生了什么，過去的宇宙膨脹歷史是怎樣的。

所以，引力波被稱為“宇宙標準汽笛”。引力波的發現獲得2017年諾貝爾物理學獎。

（4）重子聲波震蕩

重子聲波振蕩又可以叫做宇宙大尺度星系巡天，被稱為“宇宙標準尺”。上圖不是示意圖，是實景。圖中的每一個點代表一個星系。

星系是由很多恒星構成的一個系統，比如銀河系。星系在三維空間（或時空）中的分布有一定的規律和特征。這些規律和特征可以被用來重建宇宙的演化歷史。

上圖中可以看到一些地方比較密集，一些地方比較稀疏，還有一些地方有空洞等等，這些拓撲結構可以被用來當作一把標尺來測量宇宙，直接丈量宇宙幾何。

這是一種非常神奇的方法，可以跟超新星配合起來去測量宇宙膨脹的歷史。

二、我們對宇宙了解多少？

1、宇宙能量的組成

上圖是我們利用衛星拍到的宇宙天圖。實際上是一個三維球體，球面打開鋪到二維上形成了這么一張圖。顏色代表溫度，橘黃色代表溫度高一些，藍色代表溫度低一些。

這張圖看似好像沒有什么規律，其實里面有豐富的、巨大的信息等待我們去挖掘。

正是通過分析這張圖溫度漲落的規律，我們了解到宇宙中只有4%為普通物質，包括銀河系、普通星球、普通物質等等。剩下75%是暗能量，21%是暗物質。

近年來在宇宙學研究中有很多次重大的發現，今天可以說是做宇宙學暗能量研究的黃金時期。

2、宇宙的歷史

如果非常粗略的劃分，我們今天了解的宇宙可以分為三個階段：

第一階段是宇宙的創生。大概是138億年前，發生宇宙大爆炸。宇宙大爆炸是一個非常劇烈的時空膨脹過程，并且是一個加速膨脹過程。

第二階段是宇宙的中期。這個階段是減速膨脹，因為宇宙里充滿了物質，物質之間有萬有引力，在引力作用下，時空的膨脹是減速的。

第三階段是大約60億年前至今，宇宙又開始了炸裂式的生長，又開始了像宇宙初期一樣的加速膨脹。

這是違背物理學原理的。

時空之間的物質互相吸引，怎么能夠越膨脹越快呢？如果要有加速膨脹，需要萬有斥力。萬有斥力從哪里來？我們今天的物理學理論還不能解答這樣的問題。

如果能夠揭示它的物理機制，將是一場物理學的革命，會對很多學科帶來革命性的影響。

3、宇宙結構形成

很多人曾經問我，“大爆炸，是什么東西在爆炸？宇宙膨脹，是什么東西在膨脹？”

宇宙演化是非常復雜的，它經歷了很多階段。

宇宙的最早階段叫做暴漲，這兩個字能讓人想象它劇烈的膨脹。

宇宙加速膨脹是在10^-36秒內體積膨脹了10²⁶倍。這個膨脹過程是不是超光速了，違背物理學原理？

如果把宇宙想象成物質，物質在膨脹，像一個炸彈一樣爆炸，那就違背了宇宙學原理。

宇宙學原理告訴我們，宇宙不同位置的密度都一樣，從不同的方向看到的都是一樣的。

這就帶來一個很大的矛盾，如果想象宇宙當中有個爆炸，既然有中心怎么可能均勻呢？也不可能各向同性。

所以不能把宇宙爆炸想象成像炸彈一樣的物質爆炸或像氣球一樣膨脹，不是這樣的。

到底是什么東西在膨脹？是時空本身在膨脹。是宇宙的坐標系在膨脹。

也就是說，宇宙今天還在膨脹，我們每個人都在膨脹，你和我之間的距離也在膨脹。只有在這種框架下，才能夠實現均勻和各向同性。

到底是哪里在爆炸呢？宇宙的任何一個點都在爆炸，宇宙里任何一個點都是中心。

在劇烈的爆炸過程中，宇宙的溫度從10³²度降到1000萬度。隨著體積膨脹，溫度在下降，能量是守恒的。

三、暗物質的發現

宇宙膨脹是非常劇烈的動力學過程，因此大家都覺得在膨脹的宇宙中，結構是很難形成的，因為小的結構極容易被更大動量的形體吞并。

但是我們實際觀測到了很多復雜的結構比如星系、星系團等等。

上圖是我們今天觀測后用計算機模擬得到的各種各樣的星系，有漩渦星系、棒旋星系、橢圓星系等等。

上圖是一個大尺度的結構，也是用計算機產生的，和真實觀測有很多相似的地方，比如有像蜘蛛網一樣的纖維結構，稀疏代表密度，紅色代表溫度。

宇宙里密度高、溫度高的地方會孕育大的星系團，然后慢慢又形成了更復雜的子結構。

因此，在上個世紀80年代，科學家們發現了一個有意思的現象，就是觀測與理論對不上。

從高中物理我們可以推導出速度隨著半徑變大是要慢慢下降的，離中心越遠動能越小，旋轉速度應該越慢才對。

可是通過大樣本的觀測發現不是這樣，旋轉速度幾乎與半徑沒什么關系。它是一個常數，它不隨半徑衰減。

這是什么原因呢？有人提出大膽猜測，很有可能除了今天能看得見的物質，還有某些看不見的物質，它也提供引力效應，它有質量就有引力，使旋轉速度保持一個常數。

因為不知道這個物質是什么，所以大家就給起名為暗物質。

暗物質理論已經有很多年了，但是我們還沒能真正找到暗物質?？墒侨绻麤]有暗物質，比如前面的計算機模擬里面如果不放入暗物質，宇宙結構就無法形成，也不可能去跟觀測進行對比。

所以間接地說，暗物質還是被科學界廣泛接受的，雖然還沒有找到直接探測的證據。

我們國家有“悟空”號衛星，也有四川錦屏山的地下實驗室（未來高山大學學員們將會去這里學習），都在想辦法直接或間接地去探測暗物質。

四、暗能量

1、愛因斯坦一生中最大的錯誤

牛頓發現了一系列重要的科學規律，包括萬有引力。他發現任何兩個物體都互相吸引，如上圖中大球吸引小球，小球圍著大球轉。圖中藍色網格代表時空背景。

牛頓力學的時空背景與物體運動沒有任何關系，所以叫“絕對時空觀”。

面對同樣問題的時候，愛因斯坦的想法不一樣。愛因斯坦認為大質量和小質量的物體都能使周圍的時空發生彎曲（上圖中扭曲的藍色網格），借助彎曲，這兩個物體產生了相互作用，所以小球跟著大球轉。這是愛因斯坦的廣義相對論。

對于低速的、小質量的運動物體，牛頓力學與廣義相對論差不多。

但是對于大質量的比如黑洞，對于高速運轉接近光速運行的天體，一定需要廣義相對論的修正，而且是比較大的修正。

什么是廣義相對論？它的數學說起來非常復雜，所以說說它背后的物理和哲學。

廣義相對論的方程非常有意思。簡單說來就是：時空曲率=物質分布。

這個方程是革命性的，把幾何與物理等同了起來。換句話說，物質的存在或者物質的運動告訴時空怎么去彎曲，時空的彎曲反過來決定物質的分布和運動。這是非常深刻的思想。

在愛因斯坦的年代，大家認為宇宙是靜態的，一成不變，不可能存在大爆炸。因為大爆炸最后結果會四分五裂，如果爆炸到最后坍縮到起點，所有的生命都不存在，這樣的結果人們無法接受。

愛因斯坦也認為宇宙是靜態?？墒钱斔贸鲞@個方程的時候，他非常不安，因為他發現了兩個解，一個是宇宙要膨脹，一個是宇宙要收縮，都不是靜態。

聰明的愛因斯坦馬上意識到方程搞錯了。他認為，在引力作用下宇宙不可能膨脹，而宇宙收縮是可以理解的。于是他在廣義相對論方程里面人為加入一個萬有斥力（即宇宙學常數），讓宇宙保持靜止不再收縮。

時空曲率=物質分布+宇宙學常數

其實愛因斯坦無意中加入的宇宙學常數就是今天稱之為暗能量的一個候選者。

這個工作發表于1917年。

然而，1929年英國科學家哈伯發現所有的星系都在遠離地球，并且距離越遠的后退得越快。這個現象意味著宇宙在膨脹，而且膨脹被科學證實了是各向同性并且是均勻的。

愛因斯坦因此說了一句話，“引入宇宙學常數是我一生中犯的最大錯誤，沒有之一！”。

然而，故事到此并沒有結束。1998年科學家基于對超新星的觀測，發現宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹，從60億年以前就開始了。

當年愛因斯坦認為宇宙要塌縮，引入萬有斥力本來想讓宇宙變得穩定，可是沒想到宇宙本來就在膨脹。但是在膨脹宇宙的基礎上，再加入萬有斥力會讓它膨脹更快。所以愛因斯坦是從完全錯誤的出發點得出了正確的結論。

2、如何研究暗能量

暗能量聽起來很復雜，其實做起來并不復雜。

暗能量研究的具體工作有點類似人口普查，從海量的數據深度挖掘。我們已經拍攝了有100多萬個星系的光譜，先拍照片然后進行分光提出光譜，測量星系的速度，建立三維的星系樣本。

（1）重子聲波振蕩

比如一個房間里有很多人，大家要開始由一個男士和一個女士組成一對來跳舞。配對的過程中可能分幾種情況：

（1）情竇初開，保持一定的距離；

（2）一見鐘情，距離近一些；

（3）終成眷屬，距離更近；

（4）距離無限遠。

根據他們的社交距離進行分組，然后去做統計。橫坐標是情侶之間的距離，縱坐標是同一距離上的情侶對數。畫出的圖（下圖左半）提供了一個信息就是成團性，在房間里的情侶他們是怎樣成團的。

對于星系，我們也可以做同樣的事情。算出任何兩個星系的距離，然后數一數在這個距離上有多少對星系，于是就可以畫出一張圖（上圖中右半）。

星系的這張圖是在實際觀測中得到的，圖里重要的信息是局部特征——有一個凸起。凸起的位置就是一把宇宙標準尺，可以利用凸起的距離作為一把尺子（或者單位距離）去測量宇宙的幾何性質。

這就是我們的工作方法，說起來簡單，但是得到這張圖要經過大量的工作，包括數據處理、數據模擬等等。

（2）紅移畸變

宇宙里不光有背景，還有豐富的結構，有星系、星系團、結構增長等等。我們不僅研究宇宙的背景，還研究宇宙的擾動，就是更小尺度的成團。

比如上圖中，中間是有一團暗物質（星系團）；下邊是觀測者，從這個位置看向宇宙的深處；四周每一個圖標代表一個星系。

這些星系是圍繞暗物質球對稱分布的，但是由于星系團產生的巨大引力作用，球對稱的分布變成了不對稱的分布，變成了壓扁的結果（見下圖左半）。

上圖的右半部分是實際觀測。壓扁的程度告訴我們中間的暗物質分布有多少，暗物質越多，壓扁程度越大。

反過來，可以探測宇宙的結構形成。

3、暗能量假說

暗能量到底是什么，假說很多。

（1）可能是宇宙學常數，愛因斯坦在100多年前引入的。

（2）可能是一種未知能量場，這種可能性就太多了。未知能量場怎么來的，目前沒有很好的機制。

（3）可能是一種修正引力的效應，暗能量可能根本不存在，只不過愛因斯坦方程本身需要修正，需要進一步的拓展。

（4）暗能量就是信息，信息是有能量的。日本科學家已經證實了，在一個系統里注入幾比特的信息，基本粒子能級會躍遷。

根據目前觀測數據的誤差，這些模型可以說都存在，都可能沒有辦法區分，但是未來5-10年可能做到。

今天所有的結果都來自美國新墨西哥州的SDSS射電望遠鏡，去年開始用DESI射電望遠鏡（暗能量光譜儀器，第4代大型巡天），位于智利的LSST射電望遠鏡今年開始投入使用。

國內也是在慢慢趕上并且領先，比如FAST射電望遠鏡，是目前國際最大單口徑巡天望遠鏡（高山大學國內四川貴州·天眼站課程也在籌劃當中）。國家天文臺正在和載人航天合作空間站宇宙巡天，在空間站有一個伴飛的光學艙，進行空間探測?？臻g探測有很大的優勢，可以透過大氣層，不受地球大氣層的影響。

我們有這樣好的觀測手段，相信等這些項目結束，10年、20年以后，也許我們還不能告訴大家暗能量是什么，但有可能告訴大家暗能量不是什么。然后正確地縮小范圍，慢慢找到真理。

最后，送給大家一句話，“在廣袤的空間和無限的時間中，能與你共享同一顆行星和同一段時光，是我的榮幸?！?/section>

謝謝大家！

本站是提供個人知識管理的網絡存儲空間，所有內容均由用戶發布，不代表本站觀點。請注意甄別內容中的聯系方式、誘導購買等信息，謹防詐騙。如發現有害或侵權內容，請點擊一鍵舉報。

轉藏分享

QQ空間 QQ好友新浪微博微信

獻花（0） +1

來自： lylla > 《待分類1》

舉報/認領

0條評論

發表

請遵守用戶評論公約

類似文章 更多

lylla

關注對話

TA的最新館藏

[轉] 【書法】書法的折紙方法，超級實用！
楊燕迪|傾聽拉威爾——兼聽德彪西
王玥波《聊齋》系列評書對應篇目考
古爾德談里赫特
書單｜這份全球史入門參考書目，超全面
[轉] 睡虎地秦簡文字版含譯文（五）

喜歡該文的人也喜歡更多

熱門閱讀換一換

宇宙膨脹，到底是什么東西在膨脹？

宇宙膨脹，到底是什么東西在膨脹？