中新網(wǎng)9月24日電 10年前天文學家震驚地發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項發(fā)現(xiàn)的意涵。臺灣《科學人》雜志4月號刊文《宇宙的盡頭》,作了有關介紹。原文摘編如下:
重點提要
-10年前天文學家震驚地發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹中。他們至今仍深入探討著這項發(fā)現(xiàn)的意涵。
-不斷加速的膨脹終將導致星系以比光還快的速度彼此遠離,消逝在我們的視線范圍外。此過程會毀滅我們賴以測量宇宙膨脹的參考點,徹底稀釋大霹靂所留下的特殊產(chǎn)物,使得宇宙看起來空無一物。簡言之,所有宇宙起源的遺跡都會被摧毀,好像從未發(fā)生過大霹靂似的。
-對我們遙遠的后代子孫而言,宇宙看起來像是個只散布著少許稀落恒星,并且一成不變、永無止境的空洞。
-有哪些知識已經(jīng)被宇宙給抹滅了呢?
100年前《Scientific American》刊載的一篇關于宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的文章,很可能是完全錯誤的。1908年時,科學家認為我們的星系構(gòu)成了整個宇宙,稱之為“島宇宙”,意思是我們的星團被孤立在無窮無盡的空洞里。我們現(xiàn)在知道銀河系只是可觀測的宇宙所包含至少4000億個星系中的一員罷了。
1908年,科學上的共識認為宇宙是靜態(tài)永恒的,根本沒有人知道宇宙竟會起源于一團霹靂火球,也不曉得元素合成于大霹靂的最初時刻與恒星的內(nèi)部核心,而空間的膨脹與物質(zhì)可能導致空間彎曲,更是想都沒想過的事情。由于偵測到宇宙誕生并冷卻后殘留的鬼魅影像,才證實了空間中充滿輻射,而探究這些輻射所必須仰賴的科技,也是為了讓人打電話回家才發(fā)展出來。
在過去一世紀的各學識領域中,很難找到變動比宇宙學還劇烈的,這些變動也確實改變了我們的世界觀。但未來的科學是否總能在累積更多的觀察基礎后,獲得更精確的認知呢?我們最近的研究結(jié)論認為,從宇宙的時間尺度上來說,答案是否定的。我們可能生存在宇宙極長遠的歷史中,唯一可以精確理解宇宙本質(zhì)的年代。
大約10年前的一個戲劇性發(fā)現(xiàn),開啟了我們的研究動機。兩群美國天文學家追蹤過去50億年間宇宙膨脹的情形,都發(fā)現(xiàn)宇宙似乎正在加速膨脹。一般認為真空中的某種新型態(tài)“暗能量”是這種宇宙反重力現(xiàn)象的源頭。包括本文作者克勞斯在內(nèi)的某些理論學家,根據(jù)間接測量的數(shù)據(jù),早已預測到這個結(jié)果,但在物理學中,只有直接的觀測才算數(shù)。加速的宇宙代表著,真空能量幾乎是我們今日所觀測到一切星系、星系團與超星系團等宇宙結(jié)構(gòu)所含能量的三倍。相當諷刺的是,愛因斯坦為使宇宙保持靜止狀態(tài)而首先提出這種型態(tài)的能量,他把那稱為宇宙常數(shù)。
暗能量對于宇宙的未來,具有極大的沖擊?藙谒购兔绹鴦P斯西儲大學的宇宙學家史達克曼(Glenn Starkman)一起研究了在一個具有宇宙常數(shù)的宇宙中,生命的可能命運,他們得到的結(jié)論是:情況不妙,這樣的宇宙對生命而言是個非常不友善的環(huán)境。宇宙常數(shù)會造成一個固定大小的“事件視界”。那是個假想的曲面,一旦距離超過這個界限,不論物質(zhì)或輻射都無法抵達我們所在的位置。這種宇宙就像是個內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的黑洞,物質(zhì)與輻射被困在視界之外,而非視界之內(nèi)。這項發(fā)現(xiàn)意味著可觀測的宇宙只包含有限的信息,因此無法永遠不間斷地處理信息(與生命)。
但遠在這個信息極限真正成為問題之前,膨脹宇宙中的所有物質(zhì)早已被驅(qū)趕到事件視界之外了。這個過程已被當時同在美國哈佛大學的羅布(Abraham Loeb)與長峰謙太郎研究過了,他們發(fā)現(xiàn)所謂的本地星系群(包含了銀河系、仙女座星系與一堆相互環(huán)繞的矮星系)將會崩塌成一個巨大無比的超級星團,而所有其它的星系則將越過事件視界,完全消失無蹤。這個過程大概得花上1000億年之久,看來似乎很長,但對渺無人煙的終極荒漠而言,其實蠻短暫的。
宇宙學的基石崩塌
在極遙遠的未來,居住于此超級星團中的天文學家將如何描述宇宙的歷史呢?要能夠好好地思考這個問題,必須先回顧一下我們目前對宇宙的理解是建立在哪些基礎之上。
首先是愛因斯坦的廣義相對論。牛頓的萬有引力理論作為大部份天文學的基礎,已有將近300年的歷史,它非常適用于預測從地球到星系尺度范圍內(nèi)的天體運動,但對無限大量的物質(zhì)卻完全無能為力。廣義相對論克服了這個限制。在愛因斯坦于1916年發(fā)表他的理論后不久,荷蘭物理學家德西特(William de Sitter)研究一個包含了宇宙常數(shù)的簡單宇宙,并得出該模型廣義相對論方程式的解,重現(xiàn)了當時對于宇宙的主流觀點:一個鑲嵌于廣闊的空無與靜態(tài)空洞中的島星系。
宇宙學家很快就理解到德西特宣稱的靜態(tài)宇宙是個錯誤的解讀。事實上,德西特的宇宙會永不停歇地膨脹,如同比利時物理學家勒梅特稍后的清楚解釋,愛因斯坦方程式所預測的無限、均勻且靜態(tài)的宇宙,根本不可能存在;宇宙一定會膨脹,或者收縮。后來的大霹靂理論,就是衍生自這個解釋。
現(xiàn)代宇宙學的第二個基礎,來自于天文學家在1920年代觀測到的宇宙膨脹。第一位提供宇宙膨脹觀測證據(jù)的人是美國天文學家斯里佛(Vesto Slipher),他利用恒星光譜來測量鄰近星系的速度。當恒星朝向地球運動時,光波波長會遭到壓縮而縮短,使得光色偏藍。當發(fā)光體遠離地球時,光波長則會被拉扯變長,使光色看起來偏紅。透過測量遙遠星系發(fā)出的光波是被拉長或壓短,斯里佛可以得知那些星系遠離或接近我們的速度。(當時天文學家尚不確定那些我們稱為“星系”的模糊發(fā)光區(qū)域,究竟是一些獨立的恒星聚在一起,或只是位在我們星系內(nèi)的云氣而已。)斯里佛發(fā)現(xiàn)大部份星系都離我們而去,我們似乎就坐在膨脹區(qū)域的中心。
真正被視為宇宙膨脹發(fā)現(xiàn)者的并非斯里佛,而是美國天文學家哈伯(你什么時候聽過斯里佛太空望遠鏡的大名呢?)。哈伯不僅測定了鄰近星系的速度,也量得它們的距離。從他的測量數(shù)據(jù)推演出來的兩項結(jié)論,使他留名青史。首先,哈伯證明了那些星系離我們非常遠,所以它們其實如銀河系一般是獨立恒星的聚集。其次,他發(fā)現(xiàn)星系遠離我們的速度直接正比于它與我們的距離;離我們兩倍遠的星系之速度,是離我們一倍遠的星系速度的兩倍,這正是宇宙膨脹呈現(xiàn)出來的效應。自那時起,哈伯的測量便不斷被重新修訂。最近的一次是透過觀測遙遠的超新星的方式,該項觀測讓我們發(fā)現(xiàn)暗能量。
第三個基礎是微弱發(fā)光的宇宙微波背景輻射,那是1965年貝爾實驗室的潘琪亞斯(Arno Penzias)與威爾遜(Robert Wilson)在追溯無線電波噪聲原因時,無意間發(fā)現(xiàn)的。這種輻射很快地被確認是宇宙膨脹的早期階段所遺留下來的,它代表宇宙剛開始是處于高熱致密的狀態(tài),然后因膨脹而冷卻、變得稀薄。
最后一個大霹靂的觀測基礎是,高熱致密的早期宇宙是發(fā)生核融合的理想處所。當宇宙的溫度到達絕對溫度10億至100億K時,較輕的原子核會融合成較重的原子核,此過程稱為大霹靂核合成作用。由于宇宙因膨脹而冷卻,這個過程只會發(fā)生在最初的數(shù)分鐘內(nèi),所以核融合只能產(chǎn)生最輕的幾種元素。宇宙中大多數(shù)的氦是在那時產(chǎn)生的,氘與重氫也是。目前測得的氦與氘之豐度,符合大霹靂核合成作用的預期,成為大霹靂理論的左證,也讓我們能夠精確地量測宇宙間質(zhì)子與中子的豐度。(作者:克勞斯、薛瑞;李沃龍譯)
圖片報道 | 更多>> |
|
- [個唱]范范個唱 張韶涵助陣破不和傳言
- [情感]男子街頭菜刀劫持女友
- [電影]《非誠勿擾》片花
- [國際]烏克蘭議員在國會比試拳腳
- [娛樂]庾澄慶說沒與伊能靜離婚
- [星光]小S臺北性感代言
- [八卦]江語晨與周杰倫緋聞成焦點
- [科教]南極科考雪龍船遭遇強氣旋