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暗能量可能具有某些动力学的属性,这跟未来宇宙的命运也紧密相连

2018-11-18     

大家好,我是赵公博,来自中科院国家天文台,我是一位宇宙学家。宇宙学家是干什么的?简单来说就是研究宇宙。

再说得稍微具体一点,就是综合利用超新星、宇宙微波背景辐射、重子声学振荡、红移畸变等宇宙学探针,综合使用理论计算、数值模拟、数据处理等技术手段,重建暗能量状态方程演化历史,测量中微子质量,研究宇宙原初非高斯性等宇宙学前沿问题。

这听起来有些枯燥,可能还会有些恐怖,不过各位不用担心,今天这些内容我统统不讲。那么今天要讲什么呢?我会讲宇宙里面一些有意思的问题,我们管它叫作宇宙的一些关键时期。

什么是宇宙?实际上我们中国古人已经对这两个字进行了深入的研究。在一本古书《淮南子·齐俗》中这样说道,“四方上下谓之宇,往古来今谓之宙”。翻译成现代汉语就是,“宇”代表空间,而“宙”代表时间,宇宙学是一门研究时间和空间的学问。

千百年来,我们的科学家,包括我们普通人,每个人对宇宙时空的思考从未停止过,包括我自己也一样。我从小就想过很多问题,比如宇宙到底是怎么样开始的。

根据我们今天的了解,宇宙开始于一次大爆炸,但是在此之前,人们都认为宇宙是静止不变的,这可能也符合很多人的预期,因为静止可能代表着宁静,代表着永恒。

既然我们的宇宙有这样一个开端,各位知道宇宙的年龄大概是多少吗?我刚才听见有人说对了,是138亿岁。在138亿年前宇宙经历了一次剧烈的爆炸,在那个时期宇宙加速膨胀。


然后宇宙里面开始形成了一些结构,包括恒星、行星,还有星系等等,宇宙开始变得丰富起来。在这一时期,由于物质的产生,时空在物质的作用下开始进行减速膨胀。


接下来就是我们目前所处的时期,我认为这也是宇宙最重要的一个时期,宇宙又开始加速膨胀。我们只知道这个现象,但是却不知道背后的原因。到底是什么力量在推动宇宙加速膨胀呢?科学家们给它取了一个名字,叫作暗能量,之后我们会具体谈到这个问题。


下面这张图是结合我们今天所有的观测,对宇宙历史做的一个更加详细的描述,可以看到在宇宙里面有更多有趣的事情在发生。


今天我们就从宇宙的爆炸开始,讨论宇宙里面的几个关键的时刻。首先是宇宙的开端,大爆炸。根据我们现有的理论,在138亿年前,非常可能发生了一次爆炸。不过这并不是百分之一百肯定,还有其他的理论存在。


这次爆炸并不像我们想象中的原子弹爆炸,不是简单的一个物质发生爆炸然后产生了很多其他东西。这一次爆炸产生的不是普通物质,而是时间与空间,也就是说在此爆炸之前时间和空间是没有的,是不存在的。

这次爆炸非常剧烈,在爆炸的时候,时空是加速进行膨胀。如果你不能感受这个爆炸的剧烈,我们用数字来说明一下。时空在非常短的时间内,在10的负36次方秒之内膨胀了10的26次方倍,你们可以想象这是多么剧烈的一个过程。

同时,温度也随着时空的膨胀急剧地下降,从10的32次方度下降到了大概1千万度。由于宇宙早期的温度太高了,一些丰富的结构还没有办法形成,所以在早期的宇宙里只有一些非常基本的粒子,比如光子、电子。

这就像是生物演化的过程,刚开始只有一些非常简单的生物结构,比如说三叶虫之类的,后来就演化出来非常丰富的结构。

光子可以说是我们这个宇宙里面最古老的一种粒子,从宇宙爆炸就有光子的存在。光子到底是什么呢?实际上光既是波又是粒子。


其实我们每天都在跟光子打交道,但是我们通常看东西只是利用光波的非常小的一部分频率,叫作可见光,可以看到不同的颜色。


我们在其他的日常生活中还会频繁地接收光子。比如说我们用微波炉加热食物的时候用的也是光子,只不过那个光子的波长不在可见光范围内,我们是看不到它的,但是却能够感受到它,它有温度,还有能量。


到医院里面去拍X光片,用到的也是光子,只不过用到的是波长更短的光子。因为它不在可见光的波段,所以我们仍然是看不到的。


在非常早期的宇宙,光子和电子紧密地结合在一起。用通俗的话说,早期的宇宙就是一锅粥,并且温度非常高。被电子束缚的光子是无法传播到今天被我们看到的。

如果光子在宇宙早期不能自由传播到今天,我们是没有办法了解早期宇宙发生了什么事情的。大概在大爆炸后的38万年,宇宙的温度已经降得足够低了,那时候光子第一次变得自由。这是一个非常重要的时刻,因为在那之后我们第一次接收到光子了。


这就是说,我们能够了解宇宙的最早的时刻是大爆炸后的38万年,我们把它叫作宇宙微波背景辐射时期。之所以叫微波背景,是因为那个时候光子的波长跟微波炉的波长是一样的。

下图是今天用卫星拍摄到的所谓的宇宙微波背景辐射的信号。我们能看到的这些颜色的点,实际上代表着温度。不同的温度分布可以告诉我们早期宇宙到底发生了什么。


▲ 宇宙微波背景辐射的信号

光子变得自由了之后,就从宇宙的早期慢慢地飞到了今天,被我们探测到。因此我们今天所看到的这个信号包含两部分重要的信息,一个是早期宇宙发生了什么,一个是宇宙演化这138亿年来到底发生了什么。


关于宇宙微波背景辐射的发现,其实在科学上是一次意外,并不是科学家专门要去寻找这个信号。上世纪60年代,美国贝尔实验室的两位工程师,彭齐亚斯和威尔逊,这两个人的工作是利用射电望远镜来搜寻太空当中的一些像卫星通讯的信号。

但是令他们感到很意外的是,他们看到了这样的一个信号:不管把天线对准天空的哪个方向,都会看到一个雪花屏的噪声。刚开始,他们认为这可能是仪器发生了故障,排除各种故障之后,他们发现这个信号仍然存在。于是他们大胆假设,这个信号会不会来自于宇宙。


他们请教了当时的一些宇宙学家。那些宇宙学家告诉他们,如果宇宙曾经发生过一次大爆炸,那么根据科学计算,这非常有可能会令他们看到这个噪声。于是彭齐亚斯和威尔逊就阴差阳错地发现了这个宇宙学里面非常重要的信号,并且在1978年获得了诺贝尔物理奖。


▲ 彭齐亚斯和威尔逊,以及他们发现宇宙微波背景辐射的射电望远镜

当光子变得自由了以后,电子也就变得自由,在宇宙里面就开始产生各种各样更复杂的一些结构。你可能会想象接下来的宇宙里该发生什么了,很可能会想到恒星开始产生了,星系开始形成了。是这样吗?其实不是。这中间还缺少一个非常重要的阶段,这个阶段叫作宇宙的黑暗时代。

黑暗时代从大爆炸后38万年,一直延续到大爆炸结束后大概4亿年左右。为什么叫黑暗时代?因为在这个时期,宇宙里面还没有形成可以发光的东西,就是说恒星、行星等等都没有形成。听上去,黑暗时代并不是多么地令人激动,但是它是非常重要的一个时期,因为它孕育了宇宙结构。

那时在宇宙里面只有一些由质子和中子形成的中性氢,但是却也不能发光,也有一些原始的光子。这个时期就好像一个孩子从少年时期慢慢地成长到青年时期,他可能突然从一个天真无邪的孩子,慢慢变得忧郁,心事多了,变得安静起来。但这正是为下一步的生机勃发做好了准备。

黑暗之后自然就是黎明,宇宙迎来了下一个时期,我们称之为宇宙的黎明时期。宇宙里面终于开始有了发光的东西,第一代恒星开始形成。

这是一个示意图,随着宇宙温度的下降,宇宙当中复杂的结构开始形成,重的元素也慢慢地合成。宇宙里面出现了气体、尘埃,它们在重力的作用下慢慢聚集,形成了一些非常丰富的结构。当有了恒星之后,恒星就会慢慢聚集,进一步形成星系。

但这并不是很容易的事情。你可以想象在宇宙里面时刻发生的剧烈的动力学过程,当一个小结构刚刚形成的时候,它很可能会被其他的结构所破坏,无法生长。要解释这个现象,要涉及天文学里面另外一个非常重要的课题,它跟上世纪80年代的一项发现有关。

这个图中间旋转的实际上是一个星系,横坐标是圆半径,就是离这个星系中心的距离,纵坐标画的是星系旋转的速度。我们根据牛顿引力可以想象,当离中心的圆盘非常远的时候,旋转速度应该是非常低的,因为那个时候的密度非常低,质量非常小,引力也非常弱。

也就是我们通过理论计算应该得到的是白色的曲线,当离得非常远了的时候没有速度。可实际看到的是绿色曲线,速度并没有降低,反而保持不变。


于是科学家们有了一个大胆的猜测,在宇宙里面除了看得见的亮物质以外,是不是还存在着某些看不见的东西?既然能看见的是亮物质,科学家们给这种看不见的物质取名为暗物质。

暗物质的假设可以完美解释天文学家的观测。从另外一个方面,也可以解释我们上面提到的宇宙结构的形成。暗物质就像是一个容器,亮物质可以掉到这个容器里,在这个容器的保护之下慢慢地生长发育。通常,我们把暗物质称作宇宙结构的生命摇篮。

这就好像是一棵小树,刚开始生长的时候,如果每天风吹雨打,它是很难长大的,如果把它绑上一根竹竿,这棵小树在竹竿的保护之下就可以健康地生长,暗物质实际上就起到了这样一个作用。正是在这种机制的作用之下,今天的宇宙出现了非常丰富的结构。

这张图是我们的家园,银河系。银行系实际上非常大,它的直径有10万光年,一光年大概是9万亿公里,这么长的一个距离,可以想象银河系的巨大。这些照片都是用哈勃太空望远镜实拍的照片。


▲ 银河系

这幅照片是大麦哲伦云,这是一个非常漂亮的结构,是我们银河系的一个卫星星系。它的大小大概是银河系的1/5左右,距地球大概16万光年。


▲ 大麦哲伦云

这个漂亮的星系叫作仙女座星系,位于仙女星座。它距离地球就非常远了,大概是250万光年,它的大小和我们的银河系差不多。


▲ 仙女座星系

这是风车星系,长得像风车一样,有一个漩涡。它位于大熊星座,距我们就更远了,有2100万光年。但是我们今天的天文学技术已经能够拍到这样高清的图片,并且能够对它进行深入的研究。


▲ 风车星系

黎明时期的宇宙充满了这样丰富多彩的结构,包括了我们从科普书里,还有电影小说里面经常可以看到的黑洞,甚至是虫洞这样的结构都已经形成了。

接下来的宇宙会发生什么呢?最开始我提过,在宇宙大爆炸的初期,宇宙经历了剧烈的膨胀,加速膨胀。之后由于物质的产生,宇宙经历了漫长的减速膨胀。黎明时期之后,宇宙又开始加速膨胀了,那么到底发生了什么?

谈到宇宙膨胀我们先介绍几位科学家。牛顿可能各位都非常熟悉了,他是伟大的科学家,也是数学家、哲学家、神学家、天文学家。牛顿这样一位男神,他发现了万有引力定律,发现任何两个星体之间都相互地吸引。但是他只是发现了这样一个现象,并没有说明为什么。


在牛顿看来,时间和空间就像一个舞台,星体就像是演员站在这个舞台上,舞台跟演员间没有任何关系。牛顿的绝对时空观就是这样一回事,时间、空间和运动没有任何关系。他成功解释了太阳系内星体的运动,但是却无法很好解释在更大尺度上的宇宙里到底发生了什么。

爱因斯坦各位都非常熟悉了,他可以说是从根本上改变了牛顿对时空的认识。这是爱因斯坦眼里看到的宇宙,这两个小球,代表两个星体,网格代表的是时间和空间。爱因斯坦认为这些物质的存在使得时空发生扭曲,由于时空的扭曲,这两个物体发生了相互作用。这是爱因斯坦认为的引力的根源,他认为引力的产生就是由于时空发生了扭曲。


这是著名的爱因斯坦方程,被印到国外的一列火车上。这个方程背后有非常艰深的数学,今天我们就不再去展开了。


但是我们可以看到这个方程背后的精髓,实际上就是这样一个等式,这是爱因斯坦天才的发现:

时空曲率=物质分布

方程左边叫作时空曲率。这是什么意思呢?就是刚才我给各位看的那个网格,时空的变形在方程的左边,代表的是一个几何量,而方程右边代表物质的分布,它是一个物理量。

在爱因斯坦之前,从来没有人想过时空空间的曲率几何跟物理之间有什么关系,这是爱因斯坦首次天才地把它们联系在一起。爱因斯坦得到这个方程之后非常兴奋,他马上利用这个方程去研究宇宙的演化。

运用这个方程,他发现宇宙有两种可能的演化形式:一种宇宙将永远膨胀下去,最后将四分五裂,什么都不存在;另外一种宇宙将坍缩,最后坍缩到一个点。

爱因斯坦非常地不安,他觉得这肯定是错的,他根深蒂固地认为我们的时空一定是静态的,宇宙肯定是永恒的,不可能是膨胀或者收缩的。于是他想,我能不能通过修改我的方程使宇宙变得永恒,变得静止呢?

他首先排除了宇宙膨胀。他觉得如果宇宙真的是膨胀的,就没有办法让它停止下来。现在去看,他首先就把正确的解排除掉了。

然后就剩下了第二个解——宇宙坍缩。他想宇宙坍缩是为了什么呢?很可能是因为万有引力的存在,使得物质之间互相吸引,影响了时空的结构,那能不能加入一个万有斥力来抵消万有引力呢?

我们不得不佩服爱因斯坦,确实聪明,他在这个方程右边加入了一项所谓的万有斥力,通常我们叫作宇宙学常数。方程就变成了:

时空曲率=物质分布+宇宙学常数

宇宙学常数就是所谓的真空的能量。真空并不是什么都没有,真空是有它的能量的。爱因斯坦用他的宇宙学常数,成功地把一个宇宙变得静态。他非常兴奋,一百年前,在1917年,他发表了一篇论文,宣称终于找到了制约宇宙时空演化的规律了。

但是好景不长,1929年英国的科学家哈勃粉碎了爱因斯坦的梦想。他通过天文观测发现,所有的星体都在远离我们,都在后退,并且离我们越远的星体退得就越快。整个宇宙就是一个膨胀的图像,并不是静止的。


1929年的时候,爱因斯坦还健在,他看到这个新闻的时候非常懊悔,自己一开始就把正确的解给排除了,然后还画蛇添足地在方程里面加入了一项所谓的宇宙学常数。爱因斯坦在后来的回忆录当中说,加入这个宇宙学常数是我一生当中犯的最大的错误,没有之一。

爱因斯坦于1955年去世了,但是这个故事并没有结束。1998年,科学家们发现宇宙不仅膨胀,而且还是加速膨胀。


▲ 发现宇宙加速膨胀的三位科学家

各位可以想像,如果爱因斯坦还健在的话,他应该是一个什么样的心情。当年他引入宇宙学常数,是因为他知道宇宙本来应该坍缩,加入了一个斥力,宇宙就就能维持静止了。可是他没有想到,宇宙本来不是坍缩的,宇宙本来就是要膨胀的。

大家想一想,宇宙本来就膨胀,加入一项斥力之后会怎么样,是不是就更膨胀了,就是加速膨胀。也就是说,爱因斯坦用完全错误的思路,竟然得出了正确的结论,完全是阴差阳错。

这三位科学家是怎样了解宇宙加速膨胀的呢?是通过一种特殊的星体,叫作超新星。超新星被称作宇宙的标准烛光,因为它的亮度和距我们的距离是一个非常清楚的关系,同时我们可以测量这类星体的退行速度,有了距离和速度,我们就知道了宇宙到底是怎样膨胀的。


▲ 超新星爆发

这个发现在1998年就被评为十大科学进展之首,并在2011年获得了诺贝尔物理奖。宇宙为什么加速膨胀?背后的物理原因我们今天还是不能确定的。

广义来讲,宇宙的加速膨胀是由暗能量引起的。今天宇宙的组成成分比例是下面这个图,各位可以看到,最重要的就是称为暗能量的成分,占有宇宙的70%。我们虽然不知道暗能量的本质是什么,但是我们今天已经了解了它的某些性质。


暗物质大概占有1/4,直到今天,我们仍然没有找到暗物质存在的直接证据,有一些间接的证据,但是还没有找到暗物质的粒子,是什么我们也并不清楚。但是我们之前也说了,如果宇宙里面没有暗物质,星系是很难形成的。

剩下的5%是我们的普通物质,就是地球、太阳、你、我、我们的物质世界,总共只占有5%。诺贝尔物理奖到今年已经颁发了100多次了,它基本上都是授予了在这5%里面做出贡献的科学家。

大家可以想象一下,5%已经获得100多个诺贝尔奖,剩下95%还有多少诺贝尔奖等着各位去拿,这里面有巨大的发现空间,还有很多我们不清楚的东西。暗物质、暗能量不光是天文学,也是当今科学最重大的课题之一。

我就是从事暗物质、暗能量这方面的研究。主要利用观测数据来对假设进行检验,并且我们也希望利用观测数据带领我们找到背后的正确理论。

我们是怎么研究暗物质的呢?

我先说一个各位都听说过的现象,叫作海市蜃楼。在海平面之下的一艘船,本来你是看不到它的,但是由于天气的变化,空气的折射率发生了改变,原本直线传播的光发生了偏折,船就跑到天上去了。

这看起来非常神奇的现象,在宇宙学里面我们也有类似的现象,叫作宇宙海市蜃楼,或者叫作引力透镜现象。各位看到这地方本来有一个星体,它被前面一个很大的结构,被一个星系或者暗物质结构给挡住了。

你本来是看不到这个星体的,但是这个结构引起了光线的偏折,光线沿着黄色的曲线传播到地球。地球的仪器,包括人眼是不会转弯的,我们只能沿着直线反推回去,就以为这个黄色的星体在上方这个位置,或者下方那个位置,也就是说一个圆可能会成很多个像。


今天我们用望远镜就可以拍摄到这样的图像。下图这样的两个像,很可能是来自同一个圆,并且你可以看到它周围有一圈光晕,像一个弧线一样,这就是宇宙海市蜃楼现象所导致的。


我们可以用大量数据分析,或者是用机器学习的方式来看很多这样的图片,去反推中间的物质分布。它不发光也没关系,它是暗物质也没关系,可以反推它的存在。我们就是利用这样的方式来了解暗物质的,并且发现了今天的暗物质大概占有1/4左右。

我们是怎么研究暗能量的呢?

暗能量的研究方法其实非常类似于人口普查,只不过我们是对星系进行人口普查。实际上地球所在的位置就是这个图的中心点,我们观测大量的星系,去测量星系的光谱等等科学的属性,然后对星系的三维分布进行研究。


我们发现如果暗能量存在,并且暗能量有不同属性的话,它会改变星系的三维分布。反过来,如果测量星系的三维分布,就能够去了解暗能量到底是什么。

当然,要测量星系的三维分布不容易,我们在实验室里面测长度可以用尺子,但在太空里面要用什么当尺子呢?这是我们用的一个非常重要的物理学的参量,叫作重子声波振荡。


这个地方我没有办法去展开讲,只能告诉各位这是一个非常重要的量天尺。它是一个特征尺度,我们用它当作一把尺子去丈量宇宙的几何,然后反过来去推算暗能量的属性。

我从2009年参与了一个非常大的国际合作项目,叫作BOSS项目,去做重子声波振荡巡天实验。这个项目由来自世界30多个国家——包括哈佛大学、斯坦福大学这些大的研究机构在内的100多位科学家组成一个合作组。

我们在2017年利用BOSS的最新观测,拍了100万条星系的光谱,进行数据分析之后得到了暗能量属性的一个结果。这个横坐标实际上就是时间,纵坐标是对暗能量来说非常重要的一个物理量,我们管它叫作状态方程。其实它就是暗能量的压强与它的密度的一个比值,这个量非常重要,可以说它包含了暗能量的密码。


在这个地方我们画了一条线,是-1这条虚线。爱因斯坦提出的宇宙学常数可以解释宇宙加速膨胀,他预言的这个W是等于-1。但是我们今天利用数据重建这个函数,发现今天的观测是这条蓝色的曲线,也就是说这个W是随着时间变化并且沿着-1振荡的。

这个东西很重要,因为它说明了暗能量的某些重要性质很可能不是我们的预期,暗能量可能具有某些动力学的属性,这跟未来宇宙的命运也紧密联系在一起。

如果爱因斯坦说的是对的,也就是说这个暗能量是真空能的话,宇宙有一天就真的会分崩离析,我们的时空将会被撕裂,每一个结构,包括我们自己,还有原子、分子都将被撕裂,都将会荡然无存。

如果暗能量是像我们这种形式演化的话,我们的宇宙很可能是一个循环的过程,宇宙将会膨胀,到一定程度会收缩,然后再膨胀,循环往复。这可能更容易被大家接受。

我们也对未来的数据做了一个模拟。5年之后,当我们会有更大的望远镜,获取更好的数据之后,我们会得到中间那条深蓝色的曲线,到那时候很可能我们就能够在更高的质性水平上,或者更高的精度上去了解暗能量。

这几幅图是我们现在用的大型的光学望远镜。


左上的SDSS是我们正在使用的2.5米口径的巡天,明年它将要运行暗能量光谱巡天。右上DESI是美国的一家望远镜,口径为4米,它将在更高的精度看到宇宙的更深处,给我们带来新的信息。

未来的5到10年,10米级的望远镜,还有30米口径的望远镜即将运行。我们也相信随着这些大型的仪器的运行,我们会越来越多地了解宇宙,揭开暗能量、暗物质的宇宙之谜。

在今天这个充满爱的日子里,非常幸运我能跟大家一起来讨论宇宙学。最后想用卡尔·萨根的一句话结束我们今天关于宇宙的讨论:

在广袤的空间和无限的时间当中,能和你共享同一颗行星、同一段时光,是我的荣幸。

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