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解读2011年诺贝尔物理学奖:宇宙如何膨胀?

  导读:1915年,爱因斯坦发表了他的广义相对论,此后这一直是我们理解宇宙的基础。按照广义相对论,宇宙只能收缩或者膨胀,不可能稳定不变。但事实刚好相反:宇宙正在膨胀。观测到的宇宙膨胀,在理论计算中其实已经被人提出过了。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸,但在最初几十亿年里,宇宙膨胀的速度是越来越慢的。但最终,它开始加速膨胀。这种加速被认为是由驱动的,这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释,暗能量变得越来越显著。

  超新星(即大质量恒星)爆炸的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩,然后发生爆炸,其亮度可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度,巴德和茨维基也观测到了一些超新星。

  宇宙中其实有两种不同的超新星:一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星,另一种其爆炸机理不同,现在一般认为是白矮星(质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星)从其伴星中吸积(吸积是围绕年轻恒星的星盘入面的碎片渐渐变大,最后形成行星的过程;即是天体通过引力“吸引”和“积累”周围物质的过程。)物质,到一定程度后再发生核爆炸。但有趣的是,茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型,他们把这种发生爆炸的白矮星称为“Ia型超新星”。

  尽管我们上面超新星非常亮,但放在浩瀚的宇宙之中,也只是微弱的一点。如何寻找超新星?这意味着研究团队必须彻查整个天空,来寻找遥远的超新星。诀窍就在于,比较同样的一小块天空拍摄于不同时间的两张照片。这一小块天空的大小,就相当于你伸直手臂时看到的指甲盖大小。第一张照片必须在新月之后拍摄,第二张照片则要在3个星期之后,抢在月光把星光淹没之前拍摄。接下来,两张照片就可以拿来比对,希望能够从中发现一个小小光点,即CCD图像中的一个像素——这有可能就是遥远星系中爆发了一颗超新星的标志。只有距离超过可观测宇宙半径1/3的超新星才是可用的,这样做是为了消除近距离星系自身运动而带来的干扰。

  是什么在加速宇宙膨胀呢?这种神秘力量被称为暗能量,它向物理学提出了一大挑战,至今无人能够破解这一谜题。科学家已经提出了若干想法。宇宙膨胀的这种加速度暗示,在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下,宇宙正在分崩离析。这种所谓的“暗能量”(dark energy)占据了宇宙成分的绝大部分,含量超过70%。它的本质仍然是谜,或许是今天的物理学面临的最大谜题。

  宇宙的组成部分,除去上文所说的暗能量,还有像我们人类所在的这个星球这样的常规物质之外,还有一个组成部分那就是暗物质。暗物质是我们大都未知的宇宙中另一个迄今未解的谜题。与暗能量一样,暗物质也是不可见的。对于这两样东西,我们只知道它们发挥的作用—— 一个是推,另一个是拉。名字前面那个“暗”字,是它们唯一的共同点。

  红移现象指的是白矮星爆炸的光在远离我们的时候,其光波长会被拉长,而波长越长,它的颜色就越红。目前对红移现象的公认解释为:速度造成红移。例如:当一列火车向我们奔驰而来时,它的汽笛声尖锐刺耳,因为火车的高速运动使声波波长被压缩,能量密度增加。相反,当火车离开我们飞驰而去时,它的汽笛声则低沉幽缓,简称多普勒效应。

  光波的红移现象指的是:物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在20实际20年代,世界上最大的天文望远镜投入使用之后,美国天文学家哈勃于1929年确认,遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去。星系不光在离我们而去,彼此之间也在相互远离,而且距离越远,逃离的速度就越快——这被称为哈勃定律(Hubble’s law),这也说明宇宙正在膨胀。

  今年的诺贝尔物理学奖获得者当年认为,他们会测量到宇宙减速膨胀,测量出宇宙膨胀的速度是如何减慢的。他们采用的方法,从原理上讲,跟60多年前天文学家所用的方法是一样的——那就是给遥远的恒星定位,并测量它们如何运动。

  那些光亮变化稳定的恒星中有一个关联:光变周期越长,亮度就越大。由于知道了视亮度和真实亮度,就可以计算恒星的距离,因此光变周期成为了计算变星距离的理想手段。也因此,一种被称为“造父变星”的恒星,成为早期宇宙的“标准烛光”。所谓标准烛光,指的是人们可以用造父变星来测量视差法无法测量的特大距离。

  在解释造父变星之前,先来看看什么是变星(variable star),狭义上指的是“亮度有显著起伏变化”的恒星。宇宙中,一些恒星在光学波段的物理条件和光学波段以外的电磁辐射有变化,天文学家将其称为变星,如光谱变星、磁变星、红外变星、X射线新星等。星空中那些亮度随时间而改变的恒星被称为变星。变星分很多种,光学变星和物理变星。光学变星因为双星互绕,当其中一个遮蔽到另外一个时,造成观测上的视觉差异,使得观测者认为恒星亮度改变。物理变星是因为恒星本身内源或者大气状态不稳定,造成亮度改变。它分为脉动变星和爆炸性变星。

  荷兰人古德里克在研究仙王座恒星时,发现其中的一颗名为“仙王座δ”的亮度会有规律地起伏变化,在中国古代将“仙王座δ”称作“造父一”,因此这颗有规律变换光亮的恒星就被称为“造父一”。而古德里克观察到“造父一”的光度周期(即从最暗变到最亮又回到最暗所需要的时间)是5天9小时,这是一种脉动型变星。此后人们发现了更多这样的变星,于是就将其中最重要的一类命名为“造父变星”,以最著名的变星成员“造父一”而得名。

  结语:宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现,因此其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。但是,暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。对这一问题的研究,也很可能是未来基础物理学发展的突破口。所以2011年诺贝尔物理学奖的发现,也只是向科学界揭露了一个95%的成分仍然未知的宇宙。

  1996年5月《天文学期刊》收到一份关于揭示暗能量存在的投稿,几十年来,物理学家们一直相信万有引力应该会使宇宙的膨胀速度慢下来。而同年晚些时候发布的关于一项独立工作的研究表明,实际上宇宙在加速膨胀,这股令宇宙膨胀的力量就是暗能量。马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所的理论物理学家马里奥·利维奥(Mario Livio)曾用比喻来形容它:“把我的钥匙抛向空中,地球的引力使这串钥匙向上的速度慢下来并回到我的手中。”但暗能量却使“钥匙突然直冲天花板。”

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