前沿访谈:宇宙学新进展

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【明慧网2003年7月1日】前言:一九六六年,是人们对宇宙认识发生转折的年代,人们发现宇宙是不断运动,不断发展的,而不是永恒不变。宇宙是一个活生生的事物,有开始,有发展,有未来,而不是一个机械的东西。从此,大量的科学家致力于研究宇宙的产生与发展。二十几年前,人们开始认识到,万有引力无法解释星系为什么能快速运动而不致于飞散,还认识到宇宙中能看得见,测量得到的只是宇宙物质极少的一部分。绝大部分物质科学家们还一无所知。前一段时间,科学家探测到宇宙在加速膨胀。宇宙的未来是怎样的?人类对宇宙的研究才刚刚开始。

R:正见记者
S:史蒂文·麦尔,芝加哥大学的宇宙论学家
T:迈克尔·特纳,天文和天文物理系系主任

对迈克尔·特纳(T)的采访

R:您能不能给我们谈一谈目前科学家对宇宙的认识?
T:在宇宙中,我们眼睛看不到的东西很多,目前,人们能通过哈伯太空镜和地面望远镜看到宇宙美丽的图象。在这些图象里,我们看到的是星星,个体的星星,还有星系,星系是由很多亿的星星组成的,我们看到星系的光是星系中众多星星发出的光的混合。我们现在知道,星星只是这个宇宙中物质的0.5%,所以确确实实只是一小点,就象冰川上露出的一小点。目前,我们知道,绝大部分的宇宙物质是暗的,不发光的。但我们知道它的存在,因为引力的作用。

如果我们观察宇宙,1/3是暗物质。暗物质是使宇宙凝聚在一起的东西。我们知道它的存在。因为如果没有这个暗物质,我们的银河系和其它的星系就会飞散开来,正是这个暗物质的凝聚力稳固了我们的银河系和其它星系。

除了暗物质以外,还有暗能量的存在。暗能量非常神秘,令人费解,如果观众听完了解释还不理解的话,你们已经赶上研究人员的水平了,因为我们也不懂。

暗能量占宇宙的2/3,暗能量是将星系推开的力量。这种物质的引力成了斥力,它是导致宇宙膨胀的主要原因。所以,它决定着宇宙的命运。直到我们理解暗能量是什么,我们不能解释宇宙的命运将是怎样的。

这非常有趣,我们遥望天空,我们能看到星星,它们占整个宇宙的0.5%,其余的宇宙是我们看不见的,用望远镜也看不见。

R:你不能用任何一种方式看吗?望远镜、红外镜、紫外镜都看不见吗?
T:对,我们不能直接看到暗物质,暗能量,但是我们可以从宇宙中的可见光来推论暗物质、暗能量的存在。我可以进一步展开来谈谈。

我们从暗物质说起吧,暗物质简单点,容易懂。

暗物质是人们在观察星球和星系的运动时发现的。当我们观察星系时,我们看到星系里的星球运动得非常快,这一点是可测量的,只要有一点点光就可以测量。可是星球运动得是如此之快,这使得人们认识到必定还存在着除星球以外的物质。因为仅仅是这些星球的物质不能使星系凝聚在一起。当我们观察巨星系,巨星系是很多星系的集合体,我们得出的结论也是一样的。星系彼此围绕地运动着,这种运动是如此之快,如果不是有别的物质,巨星系无法凝成块。

暗能量更微妙一些。它的主要影响是宇宙的膨胀。哈伯太空镜17年前发现宇宙在膨胀。很自然的一个问题就是这种膨胀的速度在减慢呢还是在加快?事实上,人们根本没想到膨胀可能加速。人们实际在问由于宇宙中所有物质的相互吸引,膨胀的减慢速度是怎样的。人们要测量减慢的速度。

在1998年,两个研究组分别发现了一个惊人的结果,那就是宇宙的膨胀在加快。这是非常非常意外的,从那以后,各种测量结果都得出了同样的结论。

我们对宇宙膨胀的加速给了这样的一个解释,这个现象展示给我们有一种神秘的,叫做暗能量的东西的存在。暗能量的神秘之处在于它的重力现象不是引力而是斥力。我们真的相信暗能量的存在,它占宇宙物质的三分之二。

这是非常奇特的,一种斥力。我相信观众听到我这么说都被弄糊涂了。我得承认我们也被弄糊涂了。但是我们可以非常自信地说暗能量是存在的。我们希望能理解它。发现它的方法是用光、用星球爆炸的光来测定宇宙膨胀。如果宇宙膨胀一直加速下去,这是一种可能,一种最直观的可能性,那么一千亿年以后会是什么样呢?一千亿年听起来是很长的时间,也许对中国观众这个时间并不长,因为中国观众比美国观众更能欣赏时间。一千亿年以后绝大部份的星系都会离我们非常远,星系的运动也会非常快,以致于我们完全看不到它们了。

我们还能看到我们自己星系的星星,但对宇航员来说天空是黑的。我们自己的星系没有被拆散。你遥望天空时,看到的是我们自己星系的星星,但宇航员会非常失望。目前宇航员能在一千亿的星系中任意选择去观察。一千亿年以后如果宇宙膨胀还继续加速,宇航员就只能观测100个星系了,对研究宇宙来说就非常困难了。我想强调一点,我们并不肯定这个情况一定会发生,也有可能这种暗能量会消散、消失,以致于我们宇宙也掉回来,也有可能暗能量会消散一些,宇宙的膨胀会减缓。

总而言之,我们知道很多,但是我们能理解的很少。

对史蒂文·麦尔(S)的采访

R:我们在各大报纸的头版看到了宇宙婴儿期的照片,请您跟我们谈谈这方面的研究。
S:这是一个人造卫星叫做WMAP作出的成果。(全名Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)。这个卫星是我们用来测量整个天空的。

R:您怎么对这个研究感兴趣的?
S:这个研究触及到了一些根本的问题。我们在探索,宇宙是怎么开始的,怎么发展的,怎样一步一步到了我们今天所身在的这样复杂的宇宙里,是对这些根本问题的兴趣。

R:就科学家现在能理解的,宇宙的年龄有多大?
S:根据WMAP最新的实验,宇宙有137亿岁了,可能误差区在2亿年左右,这是一个相当准确的测量。


WMAP太空船

WMAP太空船有六千公斤,它在地球的轨道以外飞行,这是一张图。这两个望远镜朝着两个方向,测量天空两个不同方向上的温度差。它每两分钟转一圈,所以,随着时间,整个天空的不同部分都算出了这个温度差。


这个卫星是靠Dalta 2火箭发射的,这是火箭的里面,两个不同的镜子。


这是发射前的图片,这是正在发射的图片,它是2001年6月30日在佛罗里达发射出去的。


卫星首先在这个轨道上,围着地球转了3圈。这是月亮的位置,月亮走非常椭圆的轨道。我们利用月亮把卫星推出去,推到一个叫L2的太阳地球系的拉格朗极点。太阳的位置在很左边,一百倍于这儿的距离,这是一个地球 ─ 太阳系统中的稳定点,卫星就在这里工作。选在这里的原因是太阳、月亮、地球在一个方向上,所以我们不会有太阳、月亮、地球的热量和能量的影响,它们在后边。


这是那个太空船,你看它在自转,两个望远镜朝着两个方向,它们转的时候就能接受到太空中的光,这就是我们通过足够长的时间能测量整个天空的原理。这是太空船在观测中的景象,它在自转的时候,两个望远镜扫过全部的天空,所以能够测量整个的天空。它每两分钟自转一次。


这是整个天空的图象,是整个天空的投影,中间的红线是我们自己的星系,我们星系的平面,三种颜色对应着三种频率,天体微波的背景是黑白的背景,这些一团一团的东西是宇宙非常非常早期的结构。


这儿是红色的,代表低频率,星系的发光是有不同频谱的,这是离我们邻近的射线,其实是我们自己的星系。我们要看宇宙初期的图片时需要把我们自己星系的部分去掉,还有些其它的星系,也是红色的,这是离我们很近的星系,很亮。这些星体本身反映出不同的结构。


R:这就是我们在报上看到的那张照片?
S:是的,在这个照片里,我们去掉了星系目前的发光,这样就显出了过去的光。它是目前宇宙婴儿期最完美的一张照片,你能看到中间的线基本去掉了,有一点没去干净的。

这张照片就是去掉当前星系的发光的太空背景,由亮度的分布组成的。这是今天我们看到的宇宙初生时的照片。

R:这都是可见的物质吗?还是有暗物质在里面?
我们看到的是发光的普通物质,由电子、中子、质子、光子组成的普通物质。这些东西能成为一块一块的原因就是因为看不见的暗物质的存在。是暗物质把它们拉到一起的。所以暗物质是一种影响,如果只有电子、质子、中子、光子这种普通物质,它们不会这样团在一起,是暗物质把它们凝聚在那个位置的。所以暗物质是一种推论。

后记:六月二十号,《科学》杂志出了一期“dark side”的特刊,让读者了解宇宙不为人知,但起着最重要作用的一面:黑洞、暗物质、暗能量等等。该期刊收集了所有关于这一方面的综述和相关文章。在其中的一篇综述中,普林斯顿大学的物理学家保罗-斯坦哈特(Paul Steinhardt)这样写道:“没有暗物质,就没有我们人类的存在。”人类对宇宙的知之甚少,似乎在告诉我们人类的渺小,对万事万物人类须有海纳百川的胸怀。

(载自正见网)

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