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科普知识
国家天文台首席科学家陈学雷:五分钟看懂宇宙的一生!
宇宙究竟有多大?宇宙的命运又将走向何方?自古以来,人类对宇宙的好奇心永无止境,无数人为此苦苦求索,试图穿透深邃的星空,穷究其中的奥秘。
天文学既古老又现代:古埃及的数学家对天置和运动做出了解释;自17世纪伽利略把望远镜指向天空以来,探测技术和理性思维彻底改变了人类的宇宙观;进入21世纪后,已有十余位科学家凭借10项天文学成果获得了诺贝尔物理学奖。跳瞰寰宇是人类理解自身的必由之路。
我们生存在地球上,但地球甚至地球所处的整个太阳系、银河系,都只是浩瀚宇宙中的沧海一粟。宇宙究竟是什么样的?这是自古以来无数人好奇并苦苦求索的问题。在本书的开始,我简单地给大家讲一讲现代的宇宙学。
古人说:“四方上下曰宇,往古来今曰宙。”也就是说,宇宙指的是空间与时间。那么,宇宙是有限的,还是无限的呢?自古以来,人们对此有种种传说和思辨。
近代科学建立以后,科学家们一度认为空间是无限的。为什么呢?因为描述空间关系的是几何学。而经典的几何学,也就是在中学里学习的欧几里得几何学(或者叫欧氏几何),是根据我们在日常经验中获得的直觉抽象而成的。
在欧氏几何中,直线、平面都可以无限延伸。如果空间不是无限的,那么它就有边界。比如一条线段是有限的,那就必然有其边界,也就是端点。但宇宙空间的边界是什么?边界之外又是什么?从这样的推理来看,宇宙空间似乎必然是无限的。
欧氏几何从一些定义、不证自明的公理和公设出发,通过严密的数学证明和推理得出结论。但是,随着数学的发展,19 世纪,高斯、鲍耶、罗巴切夫斯基等数学家经过研究发现,如果改变欧氏几何中的第五公设(或者叫平行公设),也可以建立不同于欧氏几何的自洽理论,也就是所谓非欧几何。
遗憾的是,我们基于日常生活形成的空间直觉,不太容易想象出三维空间中这种非欧几何的样子。不过,我们可以想象一些二维的曲面。比方说一个球面,它是有限的,显然不同于欧氏空间的平面,但如果我们把自己局限在球面上的一小部分,那这一部分乍看起来和平面是非常类似的。
其实,我们生活的地球就是球面,但在很长一段时间中,人们并不知道这一点,而是以为自己生活在平面上,这就是一个二维的例子。同样,虽然我们很难想象,但三维空间也可以是弯曲或者有限的。
当然,球面只是比较简单、规则的曲面,还存在许多更为复杂的曲面,数学家黎曼引入了“流形”这个概念,来描述这些更广泛的几何空间。
数学家们提出了存在非欧几何的可能性,但现实的三维空间又如何呢?物理学家爱因斯坦在他的广义相对论中提出,我们所处的时空其实就是某种流形,是可以“弯曲”的,而且弯曲的程度并不是预先定好的,而是与其中的物质分布有关。这就有点儿像有人站在弹簧床上会使床面弯曲一样。这种物质导致的时空弯曲,就是我们熟知的万有引力。
在广义相对论中,所谓的万有引力,其实就是物质使周围的时空弯曲。而其他物质在这种弯曲的时空中运动,就好像被造成时空弯曲的物质所吸引。
1919 年,天文学家们在发生日食时观测经过太阳附近的星光,发现光线在太阳附近被偏折,偏折的量与广义相对论的预言一致,从而证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。
使用广义相对论,爱因斯坦构造了一个有限宇宙的模型。这个宇宙有点儿像地球的表面,它是有限的,但你在地球表面行走,并不会遇到一个“地球尽头”的边界,也说不上哪里是地球表面的中心,或者也可以说每一点都是中心。
同样,爱因斯坦有限宇宙中没有边界和中心,只不过地球表面是二维的球面,而这个宇宙是三维的球面。
另外,爱因斯坦发现根据他的广义相对论方程,如果宇宙中只含有当时已知的普通物质,他就找不到方程的静止解。因此,他假定宇宙中还有某种所谓宇宙常数,它对时空弯曲的作用和一般的物质不同,相当于某种万有斥力,正好能够平衡物质造成的时空弯曲。
爱因斯坦宇宙学模型是第一个基于广义相对论构建的宇宙模型,那么它是否正确呢?
我们已经提到,爱因斯坦根据广义相对论,提出了有限的宇宙模型,并且通过假定宇宙常数,使其保持静止。但是,俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)、比利时科学家乔治·勒梅特(Georges Lemaître)等人在求解广义相对论的方程后发现,宇宙也可以处在膨胀或收缩的过程中。
另外,就在爱因斯坦创建广义相对论的同时,美国天文学家维斯托·斯里弗(Vesto Slipher)发现,宇宙中大部分星系发出的光,其谱线的波长都变长了。由于在可见光波段蓝色光波长较短,红色光波长较长,因此我们把这种现象称为红移。
为什么星系的光会发生红移呢?根据物理学中的多普勒效应,如果一个物体正在以一定速度接近我们,它发出的波的波长就会变短。反之,如果该物体以一定速度远离我们,波长就会变长。在日常生活中,向我们驶来的汽车,不仅发出的声音响度变大,而且音调也变高,就是因为这个原理。
星系纷纷离我们远去,又是什么原因呢?是我们特别招别的星系讨厌吗?当然不是!天文学家哈勃做了一项定量研究,发现星系的红移与它和我们的距离成正比,越远的星系红移也越大,这后来被人们称为哈勃定律,而这正是宇宙膨胀的特征。
在膨胀的宇宙中,整个空间在变大,因此星系之间的距离都在变远。也就是说,它们在离我们远去,所以我们看到,绝大多数星系在离我们而去,而且离去的速度与距离成正比。
这是因为,比如说,宇宙经过一段时间膨胀为原来大小的两倍,那么在这段时间里,宇宙里的每段距离都会增大为原来的两倍。但是这种膨胀是在同样长的时间内发生的,因此星系离我们越远,在这段时间内移动的距离就越大,当然移动的速度也就越快,正像哈勃所观测的那样。
不过,有些读者看到上面的说法后,可能会提出一个疑问:我们都是用某种尺度测量距离,如果一切尺度都同样变大了,那不就等于什么都没变吗?
你是对的!我们上面的说法其实不太精确。宇宙在膨胀时,其实并不是所有空间都同样放大。原子没有膨胀,我们的身体没有膨胀,地球没有膨胀,甚至连星系也没有膨胀,只是彼此相距遥远的星系之间的距离变大了。为什么呢?这就跟膨胀的动力学有关了。
弗里德曼、勒梅特等人从广义相对论求得宇宙膨胀解时,假定宇宙中的物质是均匀分布的,并且除了爱因斯坦引力外,没有其他相互作用。但是,原子和分子之间都存在着电磁相互作用,这种相互作用远远大于万有引力,或者说时空弯曲的效应。电磁相互作用把它们束缚在一起,所以原子、分子以及人体都不会随着空间膨胀。当然,由于电荷有正有负,物质在大尺度上呈电中性。因此,在较大的尺度上,物质之间的万有引力一般会超过电磁力。
不过,组成地球、星系的物质也不会随着宇宙一起膨胀。这是因为,地球或者星系的局部密度会远远超过宇宙的平均密度,所以它们在自身引力的作用下就不会膨胀了。
我们提到,宇宙膨胀使星系之间的距离变大,由于星系自身的引力,已经形成的星系本身并不会随着宇宙膨胀。
其实,组成星系的物质,在宇宙的早期确实是随着宇宙一起膨胀的。但形成星系的地方密度会比周围稍微高一些,这样一来,它们在自身较强的引力作用下,或者说在较大的时空曲率作用下逐渐减速。
在宇宙膨胀时,物质的密度会逐渐降低,而这些密度较高的地方会膨胀得慢一些,密度降低的程度就会小一些。这样它们就会变得比周围更密,引力更强,它们的膨胀也就会越来越慢,然后停止,转为收缩,最终形成我们今天的星系。而在星系内部,物质又经过复杂的过程,形成包括太阳和地球在内的恒星和行星。
那么,如果我们考虑比单个星系更大的尺度,甚至整个宇宙又会如何呢?弗里德曼发现,如果宇宙一开始处于膨胀中,那么在物质的引力作用下,这种膨胀就会逐渐变慢。
给定某一时刻的宇宙膨胀速度,如果宇宙物质密度足够高,也就是说如果密度高于某个值(通常把这个值叫作临界密度),那么宇宙膨胀就会减速,最终停止并转为收缩。
反之,如果宇宙物质密度低于临界密度,那么虽然宇宙膨胀的速度也会降低,但物质密度和引力也会随着膨胀不断降低,因此膨胀会一直持续下去。
更有趣的是,宇宙的几何也取决于密度。如果宇宙物质密度高于临界密度,那么宇宙就会像爱因斯坦设想的那样,是有限无边的,但不是静止的,这叫作封闭几何。
如果宇宙物质密度正好等于临界密度,则宇宙空间恰好是我们所熟悉的欧氏几何(或者叫平直几何)。不过不同于爱因斯坦之前的设想,这个无限大的平直空间同时还是不断膨胀的。
最后,如果宇宙物质密度低于临界密度,那么宇宙的几何是无限的。但这种几何也是一种非欧几何,我们称之为开放几何或者双曲几何。
那么我们的宇宙到底属于哪一种情况呢?这就要根据实际的观测才能回答了。天文学家们设计了几种检测宇宙模型的办法。
第一种办法是测出宇宙现在的膨胀速度,从而给出临界密度,再测出实际的宇宙物质密度,并与临界密度相比较。第二种办法是直接用三角测量法测量宇宙的几何,看它究竟是封闭的、平直的,还是开放的。第三种办法是测出宇宙的加速度,看宇宙膨胀减速有多快。这些测量都非常困难。
从 20 世纪 50 年代,天文学家们就开始尝试根据观测数据确定宇宙学模型。但是,这中间有许多曲折。经过不懈的努力,到了 20 世纪末、21 世纪初,天文学观测终于足够精确,我们可以回答宇宙学家们的问题,给出明确的答案。
我们所熟知的普通物质的密度只有临界密度的不到 5%。不过,天文学家们又发现,在星系和星系群中,除了普通物质外,还有很多不发光的物质,它们被称为暗物质。我们看到的明亮物质,可能只是冰山的一角。
暗物质究竟是什么?我们还不清楚。不过,我们可以根据星系和星系团的引力,测量出其中暗物质的量。比如,我们看看星系里恒星和气体绕中心旋转的速度,或者看看光在经过一个星系或星系团时偏折的角度,就可以知道其中物质的总量。
不过,即便算上暗物质,宇宙平均密度也只有临界密度的 30% 左右。那么,宇宙是不是像弗里德曼理论说的那样,是双曲几何呢?
但是,当科学家们测出了宇宙膨胀速度的变化时,他们大吃一惊。原来,宇宙的膨胀并没有如预料的那样越来越慢。确切地说,宇宙膨胀曾经变慢,但是现在反而越来越快了。这是怎么回事?
为了解释这一现象,宇宙学家们猜想,宇宙中可能有 70% 左右是所谓的暗能量,其性质十分奇特。比如,爱因斯坦当年为了得到静止宇宙引入的宇宙常数,就是形式最为简单的一种暗能量。不过,也有许多学者构想了其他暗能量,但暗能量究竟是什么,仍然是一个未解决的科学问题。
把暗物质、暗能量、普通物质加起来,我们发现宇宙的总密度约等于宇宙的临界密度。所以,宇宙的几何应该是平直的,也就是我们所熟悉的欧氏几何。这对不对呢?
如果我们在宇宙距离上能确定天体的几何大小,同时又能测量它张开的视角大小,那么也可以用三角测量法直接测量宇宙的几何来验证这一理论。这些测量结果表明,宇宙的几何确实是平直的!
那么,我们是否可以断言,宇宙的空间是无限大的呢?从目前看来,这的确很有可能。但遗憾的是,我们很难一劳永逸地证明这一点。这是因为,宇宙大爆炸发生在 138 亿年前,我们至多只能看到大爆炸发生时传来的光。在这个尺度上,宇宙平均密度接近临界密度。但在这之外的宇宙密度是多少?我们对此就只能猜测了。如果这个密度略高于临界密度,那么宇宙仍然有可能是有限的,只不过曲率半径非常非常大,以至于我们无法察觉。
广袤的宇宙到底是有限的还是无限的呢?也许,这是一个永远值得我们深思的问题。
宇宙究竟有多大?宇宙的命运又将走向何方?自古以来,人类对宇宙的好奇心永无止境,无数人为此苦苦求索,试图穿透深邃的星空,穷究其中的奥秘。
本书用生动、有趣的故事,介绍了天文学的基本知识、前沿领域的研究现状和发展方向,带领我们与科学家一同踏上探索宇宙、飞向繁星的新征程!
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