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            宇宙的命運何去何從?--蔡榮根院士:引力波將帶領我們探索未知世界

            文章來源: 發布時間: 2022-06-01 【字體:      
                 人類對于宇宙的探索從未停歇?,F代宇宙學起始于1917年,那一年,愛因斯坦應用廣義相對論開始了宇宙的考察,主要探討的問題是宇宙的起源及其演化和命運。2015年9月14日,人類首次直接探測到了宇宙中的引力波,它的出現給宇宙學研究帶來了全新的手段。未來宇宙的命運到底是坍縮還是繼續膨脹,人類將如何揭開宇宙的秘密?

              日前,由復旦大學黨委宣傳部和科學技術研究院聯合主辦的以“科學前沿與未來”為主題的復旦大學建校117周年第56屆校慶科學報告會理工科專場上,復旦大學校友、中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所研究員蔡榮根所長以《現代宇宙學與引力波》為題,向師生們介紹了宇宙學的學科前沿和進展。

              愛因斯坦的遺憾

              “理解宇宙是人的天性,也是人類的初心和使命?!辈虡s根用“盤古開天地”“渾天說” 等神話介紹了中國人對宇宙早期的認識。他說,哥白尼原理可以描述宇宙的大尺度特征,就是宇宙的均勻各向同性和無中心論,宇宙中任何一點都可以作為中心。

              蔡榮根介紹說,引力本質上是時空的彎曲效應,物質密度大,時空彎曲就厲害,物質密度低,時空就平坦一些。

              1687年,牛頓發現了萬有引力定律。1915年,愛因斯坦提出廣義相對論,這是人類對于引力現象認識的質的飛躍。1905年,愛因斯坦提出了狹義相對論,但是牛頓的萬有引力定律與狹義相對論并不和諧。1907年,愛因斯坦就開始思考如何解決牛頓的萬有引力定律與狹義相對論之間的不和諧之處。1915年,他最終寫下了著名的引力場方程,方程的左邊是描寫時空的幾何,方程的右邊是時空中物質的能量——動量張量。這個方程將時空的幾何與時空中的物質聯系了起來:物質告訴時空如何彎曲,而時空又告訴物質如何在其中運動。

              在探索宇宙的過程中,愛因斯坦也有遺憾。蔡榮根說,100多年前,我們對于宇宙的了解還只是停留在銀河系的尺度上。為了構造一個靜態的閉合的宇宙模型,愛因斯坦引入了宇宙學常數,這是他終身的“遺憾”。1929年,哈勃發現宇宙不是靜態的,他發現河外星系都在遠離地球而去,這就是著名的哈勃定律。當時測得的哈勃常數是500公里每秒每百萬秒差距(百萬秒差距,大約為300萬光年),也就是說,在離地球百萬秒差距的地方星系以500公里每秒的速度離我們遠去。

              根據普朗克衛星的測量結果,最新的哈勃常數值為67公里每秒每百萬秒差距。如果愛因斯坦當時不引入這個宇宙學常數,他原本可以作出20世紀最偉大的預言:我們的宇宙是膨脹的。當然,我們現在知道,宇宙學常數蘊含著豐富的物理,它與量子場論的真空能有關,也是暗能量的最簡單最經濟的候選者??茖W研究的道路是艱辛的,取得最后的成就也是令人興奮的。后來愛因斯坦寫下了這樣一段話來描述他的心情:“依據已經獲得的知識,這個令人快樂的成就看起來是理所當然的,而且任何聰明的學生都能不費力氣去掌握它。但是,那些充滿強烈渴望的人,多年來,在黑暗中焦灼地探索,時而信心滿滿,時而精疲力竭,最終沐浴在光明之中——只有經歷過這些的人,才有深刻的體會?!?/font>

              宇宙熱大爆炸學說的缺陷

              宇宙熱大爆炸學說是核物理學家伽莫夫1949年提出來的。熱大爆炸宇宙學說認為,我們的宇宙起源于一個膨脹的“火球”,隨著宇宙的膨脹,溫度越來越低。該學說有兩大預言:第一是宇宙微波背景輻射,第二是輕元素的豐度。蔡榮根介紹說,1964年,美國貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯和威爾遜當時在新澤西州偶然發現了宇宙微波背景輻射。當時他們詫異地發現,在各個方向上存在一個微波信號怎么也消除不了。2人因此幸運地獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

              1989年,美國宇航局發射了宇宙背景輻射探測衛星,宇宙微波背景輻射雖然幾乎是均勻各向同性分布的;但是科學家發現,微波背景輻射存在一個十萬分之一大小的溫度漲落。耗資1.45億美元的美國“威爾金森微波各向異性探測器”2001年進入太空,對宇宙微波背景輻射進行了更精確的觀測。而更高探測精度的歐洲“普朗克”衛星也于2009年發射升空,繼續高精度地探測宇宙微波背景的信號,測量宇宙的參數。

              宇宙微波背景輻射也好,輕元素的豐度也好,它們的測量都表明宇宙熱大爆炸模型是正確的。但是熱大爆炸模型無法解釋一些重要問題,如:為什么宇宙從各個方向上看都如此一樣呢?為什么我們的宇宙是如此接近平坦呢? 還有宇宙的視界問題:我們看到的宇宙往回推演來源于許多因果不相關的區域。1981年,當時還是博士后研究員的古斯提出了一個暴脹模型:在宇宙的極早期, 我們的宇宙經歷了一個突然的加速膨脹(暴脹)過程。這樣一個過程能夠一舉解決熱大爆炸模型中存在的問題,并且暴脹時期的量子漲落也為現在宇宙中的大尺度結構的形成提供了種子。

              宇宙未來的命運由暗能量的性質決定

              宇宙演化的故事沒有結束,盡管暴脹模型能夠解決熱大爆炸模型中的一些問題,但是科學家們到現在還不知道是什么驅動了宇宙的暴脹?這也是美國《科學》雜志提出來的希望解決的125個重大科學問題之一。1998年,由美國科學家領導的2個超新星研究小組“通過超新星發現宇宙正在加速膨脹”。這2個團隊因此獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。蔡榮根說,引力是相互吸引的,宇宙的膨脹應該是越來越慢,是減速的才對,為什么會是加速膨脹的呢?這個發現完全超越了人們當時的預期。

              蔡榮根介紹說,1998年以后,科學界對宇宙的理解發生了翻天覆地的變化:發現宇宙中27%的能量成分是暗物質,68%是暗能量,普通的發光物質只占不到5%。暗物質是不發光的物質,但像普通物質一樣會成團,而暗能量是均勻地分布在宇宙之中。這就是今天我們所說的宇宙學標準模型。

              “137億年高齡的宇宙未來的命運是什么?是坍縮回去,還是一直膨脹下去?”蔡榮根說,過去,科學家認為宇宙的命運是由其空間結構來決定的;現在已經知道,宇宙的命運是由暗能量的性質所決定的。但是,對暗能量的性質還知之甚少??茖W家還有很多疑問,比如說暗物質是什么?暗物質的候選者很多,比如大到宇宙極早期形成的原初黑洞,小到極輕極輕的粒子如軸子,目前理論物理學家正在積極思考所有的可能性,實驗家們也在想盡辦法尋找暗物質。這是最近研究非常熱的宇宙學研究方向。

              引力波將揭示宇宙的秘密

              今天,宇宙學研究可謂是機遇與挑戰共存。除了暗物質的研究在全面推進中,科學家還想知道是什么驅動了宇宙暴脹、想知道暗能量的存在形式;也想驗證在宇宙的整個演化過程中,廣義相對論是否正確?

              愛因斯坦的廣義相對論有兩個預言:一是引力波、一是黑洞,今天都得到了證實。引力波是愛因斯坦在1916年預言的,通俗說就是時空的漣漪,它以光速傳播。引力波來的時候,會改變2個臨近自由物體之間的距離??茖W家正是利用這個性質探測引力波的。

              蔡榮根介紹說,在上世紀70年代,科學家已經發現了引力波存在的間接證據,2位科學家在脈沖雙星觀測實驗中發現了它的蹤跡。2015年9月14日,人類首次直接探測到了宇宙中的引力波:美國激光干涉引力波天文臺的2臺儀器同時探測到了一個極短時間的引力波信號。這個引力波信號來源于13億年前的2個黑洞的并合事件。2017年,2個中子星并合的引力波也被觀測到。隨著引力波探測器靈敏度的提高,引力波的觀測已成為了“新常態”,到現在已經觀測到了100多個引力波事例。中國的FAST天眼望遠鏡通過觀測一類毫秒脈沖星,也可以來探測引力波,中國的空間引力波探測提出了“太極計劃”和“天琴計劃”。

              蔡榮根說,一個多信使宇宙學觀測時代已經來臨??茖W家們可以同時觀測電磁輻射、中微子、宇宙線和引力波去研究宇宙。引力波物理學大致分為3個部分:第一是通過引力波來探索基本物理規律;第二是通過引力波看宇宙演化的規律;第三是通過引力波去研究天體物理,比如去研究雙星系統是怎么形成的。宇宙中引力波的波源非常多,頻率也非常廣。引力波可謂是探索極端條件下高溫高密強磁場物理現象和物理性質的天然實驗室。

              “引力波開啟了宇宙學研究的新時代,宇宙中的許多秘密有待于我們去研究和探索?!辈虡s根最后說。

            上??萍紙?2022年05月31日版面:A1作者:吳苡婷

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            欧美另类杂交a,特黄作爱又粗又硬又大片,她高耸的双乳诱人的粉色奶头

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