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宇宙的尽头在哪?探寻宇宙加速膨胀的意涵

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发表于 2009-6-18 19:04:30 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
10年前天文学家震惊地发现宇宙正加速膨胀中。他们至今仍深入探讨着这项发现的意涵。

  -不断加速的膨胀终将导致星系以比光还快的速度彼此远离,消逝在我们的视线范围外。此过程会毁灭我们赖以测量宇宙膨胀的参考点,彻底稀释大霹雳所留下的特殊产物,使得宇宙看起来空无一物。简言之,所有宇宙起源的遗迹都会被摧毁,好像从未发生过大霹雳似的。

  -对我们遥远的后代子孙而言,宇宙看起来像是个只散布着少许稀落恒星,并且一成不变、永无止境的空洞。

  -有哪些知识已经被宇宙给抹灭了呢?

  100年前《ScientificAmerican》刊载的一篇关于宇宙大尺度结构的文章,很可能是完全错误的。1908年时,科学家认为我们的星系构成了整个宇宙,称之为“岛宇宙”,意思是我们的星团被孤立在无穷无尽的空洞里。我们现在知道银河系只是可观测的宇宙所包含至少4000亿个星系中的一员罢了。

  1908年,科学上的共识认为宇宙是静态永恒的,根本没有人知道宇宙竟会起源于一团霹雳火球,也不晓得元素合成于大霹雳的最初时刻与恒星的内部核心,而空间的膨胀与物质可能导致空间弯曲,更是想都没想过的事情。由于侦测到宇宙诞生并冷却后残留的鬼魅影像,才证实了空间中充满辐射,而探究这些辐射所必须仰赖的科技,也是为了让人打电话回家才发展出来。

  在过去一世纪的各学识领域中,很难找到变动比宇宙学还剧烈的,这些变动也确实改变了我们的世界观。但未来的科学是否总能在累积更多的观察基础后,获得更精确的认知呢?我们最近的研究结论认为,从宇宙的时间尺度上来说,答案是否定的。我们可能生存在宇宙极长远的历史中,唯一可以精确理解宇宙本质的年代。

  大约10年前的一个戏剧性发现,开启了我们的研究动机。两群美国天文学家追踪过去50亿年间宇宙膨胀的情形,都发现宇宙似乎正在加速膨胀。一般认为真空中的某种新型态“暗能量”是这种宇宙反重力现象的源头。包括本文作者克劳斯在内的某些理论学家,根据间接测量的数据,早已预测到这个结果,但在物理学中,只有直接的观测才算数。加速的宇宙代表着,真空能量几乎是我们今日所观测到一切星系、星系团与超星系团等宇宙结构所含能量的三倍。相当讽刺的是,爱因斯坦为使宇宙保持静止状态而首先提出这种型态的能量,他把那称为宇宙常数。

  暗能量对于宇宙的未来,具有极大的冲击。克劳斯和美国凯斯西储大学的宇宙学家史达克曼(GlennStarkman)一起研究了在一个具有宇宙常数的宇宙中,生命的可能命运,他们得到的结论是:情况不妙,这样的宇宙对生命而言是个非常不友善的环境。宇宙常数会造成一个固定大小的“事件视界”。那是个假想的曲面,一旦距离超过这个界限,不论物质或辐射都无法抵达我们所在的位置。这种宇宙就像是个内外翻转的黑洞,物质与辐射被困在视界之外,而非视界之内。这项发现意味着可观测的宇宙只包含有限的信息,因此无法永远不间断地处理信息(与生命)。

  但远在这个信息极限真正成为问题之前,膨胀宇宙中的所有物质早已被驱赶到事件视界之外了。这个过程已被当时同在美国哈佛大学的罗布(AbrahamLoeb)与长峰谦太郎研究过了,他们发现所谓的本地星系群(包含了银河系、仙女座星系与一堆相互环绕的矮星系)将会崩塌成一个巨大无比的超级星团,而所有其它的星系则将越过事件视界,完全消失无踪。这个过程大概得花上1000亿年之久,看来似乎很长,但对渺无人烟的终极荒漠而言,其实蛮短暂的。

  宇宙学的基石崩塌

  在极遥远的未来,居住于此超级星团中的天文学家将如何描述宇宙的历史呢?要能够好好地思考这个问题,必须先回顾一下我们目前对宇宙的理解是建立在哪些基础之上。

  首先是爱因斯坦的广义相对论。牛顿的万有引力理论作为大部份天文学的基础,已有将近300年的历史,它非常适用于预测从地球到星系尺度范围内的天体运动,但对无限大量的物质却完全无能为力。广义相对论克服了这个限制。在爱因斯坦于1916年发表他的理论后不久,荷兰物理学家德西特(WilliamdeSitter)研究一个包含了宇宙常数的简单宇宙,并得出该模型广义相对论方程式的解,重现了当时对于宇宙的主流观点:一个镶嵌于广阔的空无与静态空洞中的岛星系。

  宇宙学家很快就理解到德西特宣称的静态宇宙是个错误的解读。事实上,德西特的宇宙会永不停歇地膨胀,如同比利时物理学家勒梅特稍后的清楚解释,爱因斯坦方程式所预测的无限、均匀且静态的宇宙,根本不可能存在;宇宙一定会膨胀,或者收缩。后来的大霹雳理论,就是衍生自这个解释。

  现代宇宙学的第二个基础,来自于天文学家在1920年代观测到的宇宙膨胀。第一位提供宇宙膨胀观测证据的人是美国天文学家斯里佛(VestoSlipher),他利用恒星光谱来测量邻近星系的速度。当恒星朝向地球运动时,光波波长会遭到压缩而缩短,使得光色偏蓝。当发光体远离地球时,光波长则会被拉扯变长,使光色看起来偏红。透过测量遥远星系发出的光波是被拉长或压短,斯里佛可以得知那些星系远离或接近我们的速度。(当时天文学家尚不确定那些我们称为“星系”的模糊发光区域,究竟是一些独立的恒星聚在一起,或只是位在我们星系内的云气而已。)斯里佛发现大部份星系都离我们而去,我们似乎就坐在膨胀区域的中心。

  真正被视为宇宙膨胀发现者的并非斯里佛,而是美国天文学家哈伯(你什么时候听过斯里佛太空望远镜的大名呢?)。哈伯不仅测定了邻近星系的速度,也量得它们的距离。从他的测量数据推演出来的两项结论,使他留名青史。首先,哈伯证明了那些星系离我们非常远,所以它们其实如银河系一般是独立恒星的聚集。其次,他发现星系远离我们的速度直接正比于它与我们的距离;离我们两倍远的星系之速度,是离我们一倍远的星系速度的两倍,这正是宇宙膨胀呈现出来的效应。自那时起,哈伯的测量便不断被重新修订。最近的一次是透过观测遥远的超新星的方式,该项观测让我们发现暗能量。

  第三个基础是微弱发光的宇宙微波背景辐射,那是1965年贝尔实验室的潘琪亚斯(ArnoPenzias)与威尔逊(RobertWilson)在追溯无线电波噪声原因时,无意间发现的。这种辐射很快地被确认是宇宙膨胀的早期阶段所遗留下来的,它代表宇宙刚开始是处于高热致密的状态,然后因膨胀而冷却、变得稀薄。

  最后一个大霹雳的观测基础是,高热致密的早期宇宙是发生核融合的理想处所。当宇宙的温度到达绝对温度10亿至100亿K时,较轻的原子核会融合成较重的原子核,此过程称为大霹雳核合成作用。由于宇宙因膨胀而冷却,这个过程只会发生在最初的数分钟内,所以核融合只能产生最轻的几种元素。宇宙中大多数的氦是在那时产生的,氘与重氢也是。目前测得的氦与氘之丰度,符合大霹雳核合成作用的预期,成为大霹雳理论的左证,也让我们能够精确地量测宇宙间质子与中子的丰度。
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 楼主| 发表于 2009-6-18 19:06:15 | 只看该作者

中新网9月24日电10年前天文学家震惊地发现宇宙正加速膨胀中。他们至今仍深入探讨着这项发现的意涵。台湾《科学人》杂志4月号刊文《宇宙的尽头》,作了有关介绍。原文摘编如上
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