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宇宙的命运何去何从?--蔡荣根院士:引力波将带领我们探索未知世界

文章来源: 发布时间: 2022-06-01 【字体:      
     人类对于宇宙的探索从未停歇。现代宇宙学起始于1917年,那一年,爱因斯坦应用广义相对论开始了宇宙的考察,主要探讨的问题是宇宙的起源及其演化和命运。2015年9月14日,人类首次直接探测到了宇宙中的引力波,它的出现给宇宙学研究带来了全新的手段。未来宇宙的命运到底是坍缩还是继续膨胀,人类将如何揭开宇宙的秘密?

  日前,由复旦大学党委宣传部和科学技术研究院联合主办的以“科学前沿与未来”为主题的复旦大学建校117周年第56届校庆科学报告会理工科专场上,复旦大学校友、乐鱼全站app下载院士、leyu乐鱼全站app苹果下载研究员蔡荣根所长以《现代宇宙学与引力波》为题,向师生们介绍了宇宙学的学科前沿和进展。

  爱因斯坦的遗憾

  “理解宇宙是人的天性,也是人类的初心和使命。”蔡荣根用“盘古开天地”“浑天说” 等神话介绍了中国人对宇宙早期的认识。他说,哥白尼原理可以描述宇宙的大尺度特征,就是宇宙的均匀各向同性和无中心论,宇宙中任何一点都可以作为中心。

  蔡荣根介绍说,引力本质上是时空的弯曲效应,物质密度大,时空弯曲就厉害,物质密度低,时空就平坦一些。

  1687年,牛顿发现了万有引力定律。1915年,爱因斯坦提出广义相对论,这是人类对于引力现象认识的质的飞跃。1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,但是牛顿的万有引力定律与狭义相对论并不和谐。1907年,爱因斯坦就开始思考如何解决牛顿的万有引力定律与狭义相对论之间的不和谐之处。1915年,他最终写下了著名的引力场方程,方程的左边是描写时空的几何,方程的右边是时空中物质的能量——动量张量。这个方程将时空的几何与时空中的物质联系了起来:物质告诉时空如何弯曲,而时空又告诉物质如何在其中运动。

  在探索宇宙的过程中,爱因斯坦也有遗憾。蔡荣根说,100多年前,我们对于宇宙的了解还只是停留在银河系的尺度上。为了构造一个静态的闭合的宇宙模型,爱因斯坦引入了宇宙学常数,这是他终身的“遗憾”。1929年,哈勃发现宇宙不是静态的,他发现河外星系都在远离地球而去,这就是著名的哈勃定律。当时测得的哈勃常数是500公里每秒每百万秒差距(百万秒差距,大约为300万光年),也就是说,在离地球百万秒差距的地方星系以500公里每秒的速度离我们远去。

  根据普朗克卫星的测量结果,最新的哈勃常数值为67公里每秒每百万秒差距。如果爱因斯坦当时不引入这个宇宙学常数,他原本可以作出20世纪最伟大的预言:我们的宇宙是膨胀的。当然,我们现在知道,宇宙学常数蕴含着丰富的物理,它与量子场论的真空能有关,也是暗能量的最简单最经济的候选者。科学研究的道路是艰辛的,取得最后的成就也是令人兴奋的。后来爱因斯坦写下了这样一段话来描述他的心情:“依据已经获得的知识,这个令人快乐的成就看起来是理所当然的,而且任何聪明的学生都能不费力气去掌握它。但是,那些充满强烈渴望的人,多年来,在黑暗中焦灼地探索,时而信心满满,时而精疲力竭,最终沐浴在光明之中——只有经历过这些的人,才有深刻的体会。”

  宇宙热大爆炸学说的缺陷

  宇宙热大爆炸学说是核物理学家伽莫夫1949年提出来的。热大爆炸宇宙学说认为,我们的宇宙起源于一个膨胀的“火球”,随着宇宙的膨胀,温度越来越低。该学说有两大预言:第一是宇宙微波背景辐射,第二是轻元素的丰度。蔡荣根介绍说,1964年,美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊当时在新泽西州偶然发现了宇宙微波背景辐射。当时他们诧异地发现,在各个方向上存在一个微波信号怎么也消除不了。2人因此幸运地获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

  1989年,美国宇航局发射了宇宙背景辐射探测卫星,宇宙微波背景辐射虽然几乎是均匀各向同性分布的;但是科学家发现,微波背景辐射存在一个十万分之一大小的温度涨落。耗资1.45亿美元的美国“威尔金森微波各向异性探测器”2001年进入太空,对宇宙微波背景辐射进行了更精确的观测。而更高探测精度的欧洲“普朗克”卫星也于2009年发射升空,继续高精度地探测宇宙微波背景的信号,测量宇宙的参数。

  宇宙微波背景辐射也好,轻元素的丰度也好,它们的测量都表明宇宙热大爆炸模型是正确的。但是热大爆炸模型无法解释一些重要问题,如:为什么宇宙从各个方向上看都如此一样呢?为什么我们的宇宙是如此接近平坦呢? 还有宇宙的视界问题:我们看到的宇宙往回推演来源于许多因果不相关的区域。1981年,当时还是博士后研究员的古斯提出了一个暴胀模型:在宇宙的极早期, 我们的宇宙经历了一个突然的加速膨胀(暴胀)过程。这样一个过程能够一举解决热大爆炸模型中存在的问题,并且暴胀时期的量子涨落也为现在宇宙中的大尺度结构的形成提供了种子。

  宇宙未来的命运由暗能量的性质决定

  宇宙演化的故事没有结束,尽管暴胀模型能够解决热大爆炸模型中的一些问题,但是科学家们到现在还不知道是什么驱动了宇宙的暴胀?这也是美国《科学》杂志提出来的希望解决的125个重大科学问题之一。1998年,由美国科学家领导的2个超新星研究小组“通过超新星发现宇宙正在加速膨胀”。这2个团队因此获得了2011年的诺贝尔物理学奖。蔡荣根说,引力是相互吸引的,宇宙的膨胀应该是越来越慢,是减速的才对,为什么会是加速膨胀的呢?这个发现完全超越了人们当时的预期。

  蔡荣根介绍说,1998年以后,科学界对宇宙的理解发生了翻天覆地的变化:发现宇宙中27%的能量成分是暗物质,68%是暗能量,普通的发光物质只占不到5%。暗物质是不发光的物质,但像普通物质一样会成团,而暗能量是均匀地分布在宇宙之中。这就是今天我们所说的宇宙学标准模型。

  “137亿年高龄的宇宙未来的命运是什么?是坍缩回去,还是一直膨胀下去?”蔡荣根说,过去,科学家认为宇宙的命运是由其空间结构来决定的;现在已经知道,宇宙的命运是由暗能量的性质所决定的。但是,对暗能量的性质还知之甚少。科学家还有很多疑问,比如说暗物质是什么?暗物质的候选者很多,比如大到宇宙极早期形成的原初黑洞,小到极轻极轻的粒子如轴子,目前理论物理学家正在积极思考所有的可能性,实验家们也在想尽办法寻找暗物质。这是最近研究非常热的宇宙学研究方向。

  引力波将揭示宇宙的秘密

  今天,宇宙学研究可谓是机遇与挑战共存。除了暗物质的研究在全面推进中,科学家还想知道是什么驱动了宇宙暴胀、想知道暗能量的存在形式;也想验证在宇宙的整个演化过程中,广义相对论是否正确?

  爱因斯坦的广义相对论有两个预言:一是引力波、一是黑洞,今天都得到了证实。引力波是爱因斯坦在1916年预言的,通俗说就是时空的涟漪,它以光速传播。引力波来的时候,会改变2个临近自由物体之间的距离。科学家正是利用这个性质探测引力波的。

  蔡荣根介绍说,在上世纪70年代,科学家已经发现了引力波存在的间接证据,2位科学家在脉冲双星观测实验中发现了它的踪迹。2015年9月14日,人类首次直接探测到了宇宙中的引力波:美国激光干涉引力波天文台的2台仪器同时探测到了一个极短时间的引力波信号。这个引力波信号来源于13亿年前的2个黑洞的并合事件。2017年,2个中子星并合的引力波也被观测到。随着引力波探测器灵敏度的提高,引力波的观测已成为了“新常态”,到现在已经观测到了100多个引力波事例。中国的FAST天眼望远镜通过观测一类毫秒脉冲星,也可以来探测引力波,中国的空间引力波探测提出了“太极计划”和“天琴计划”。

  蔡荣根说,一个多信使宇宙学观测时代已经来临。科学家们可以同时观测电磁辐射、中微子、宇宙线和引力波去研究宇宙。引力波物理学大致分为3个部分:第一是通过引力波来探索基本物理规律;第二是通过引力波看宇宙演化的规律;第三是通过引力波去研究天体物理,比如去研究双星系统是怎么形成的。宇宙中引力波的波源非常多,频率也非常广。引力波可谓是探索极端条件下高温高密强磁场物理现象和物理性质的天然实验室。

  “引力波开启了宇宙学研究的新时代,宇宙中的许多秘密有待于我们去研究和探索。”蔡荣根最后说。

上海科技报 2022年05月31日版面:A1作者:吴苡婷

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