宇宙膨胀

宇宙膨胀

发布时间： 2011-10-16  |  

    2011年，三位科学家因对超新星的观测发现宇宙加速膨胀，获得了诺贝尔物理学奖。宇宙加速膨胀也意味着，各星系间的距离将变得越来越远，宇宙也将走向冰冷与死寂。

   

    2010年10月，NASA太空望远镜拍摄到一颗巨大的超新星，它的光芒被数百年前自身爆炸产生的灰尘和气体遮掩

    1、获2011年诺贝尔物理学奖

    2、哈勃定律与微波背景辐射

    3、超新星：宇宙膨胀的“烛光指示器”

    4、暗能量：宇宙加速膨胀的驱动力

    4、宇宙学常数的沉浮

 

    获2011年诺贝尔物理学奖

    当地时间10月4日11时45分，2011年诺贝尔物理学奖在瑞典首都斯德哥尔摩揭晓，美国科学家索尔·珀尔马特、拥有美国和澳大利亚双重国籍的科学家布赖恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯，以他们在天体物理学方面的卓越研究成果获此殊荣。诺贝尔物理学奖评选委员会表示，今年诺贝尔物理学奖得主的成就“与整个宇宙相关”，这三位获奖者“研究几十颗处于爆炸状态的恒星、即‘超新星’，发现宇宙正在扩张过程中，扩张速率不断加速”。

　　尽管科学家在将近一个世纪前便知晓宇宙正在膨胀，但诺贝尔物理学奖评选委员仍用“令人震惊”来形容三位获奖者关于宇宙加速膨胀的发现。评委会声明，他们的研究成果震动了宇宙学理论基础，宇宙在很大程度上依然充满未知数。

    哈勃定律与微波背景辐射

    1929年，埃德温·哈勃在使用望远镜对星系进行大量观测的基础上，获得了一项改变历史的重大发现。这就是，宇宙中的星系都在远离我们而去；离我们越远的星系，背离我们向远处运动的速度越快。这个事实，现在称为“哈勃定律”。

　　凭什么说星系在远离我们而去呢？直接的证据就是光谱的红移。光也是一种波，同声波一样，也有多普勒效应。天体朝向地球运动，它发出的光的波长变短；背离地球运动，光的波长变长。不同的波长对应不同的颜色。光的波长变长，颜色向红色一端偏移；波长变短，颜色向蓝色一端偏移。前者被称为“红移”，后者被称为“蓝移”。

　　在实际观测中，星系的光谱上夹杂有好些暗线，称为吸收谱线，它们是天体所含有的各种元素吸收了对应位置的色光所留下的空缺。我们知道，每种元素都有各自的特征谱线，天文学家把观测得到的某个天体的光谱与标准光谱进行对比，不难发现某种元素的吸收谱线与其本来应该在的标准位置的偏移，从而根据多普勒效应推断出该天体的运动速度。哈勃测量的结果发现，远处星系的吸收谱线普遍向红端偏移，而且越远的星系红移量越大，也就是说远离我们的速度就越大。

　　哈勃定律向我们表明，“宇宙正在膨胀”！

　　利用现代望远镜，天文学家已经观测到了远在100亿光年之外的遥远星系。观测资料表明，即使如此遥远的星系，它们也在背离我们的银河系迅速远去。

    今天人们耳熟能详的宇宙大爆炸理论，最初其实并未引起关注。直到1964年，美国贝尔实验室的两位天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了微波背景辐射才名声大振。他们当时正在测试一架卫星接收天线，结果探测到一种干扰测试的微波噪音，无论把天线指向天空的什么方向都排除不掉这种噪音。后来，两人知道这就是宇宙背景辐射。由于这一发现，两人获得了1978年度诺贝尔物理学奖。霍金指出，电视在切换频道时看到的雪花，百分之几就归因于宇宙微波背景。

　　为了确认这一发现，科学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模的调查，分别在地面上对70厘米波长到毫米波的不同波段进行测量。2001年美国宇航局发射了威尔金森各向异性探测卫星（WMAP），对微波背景辐射进行了精确的测定，并得出微波背景是宇宙大爆炸后38万年的余辉。

　　那么，宇宙微波背景辐射是怎么回事呢？大爆炸宇宙论预言，初期宇宙处在灼热状态，当时的宇宙一定充满了光。因为，当初充满宇宙的那种包含了氢原子核、氦原子核和电子的气体具有非常高的温度，必然要发出颜色同其温度相对应的光。但随着膨胀，宇宙逐渐冷却下来。在宇宙诞生38万年以后，宇宙温度到达3000K左右，那些分散的原子核和电子被静电力结合在一起，开始形成原子。在原子诞生之前，受到到处飞舞的电子的阻挡，光无法沿直线径直行进。但是在原子诞生出来之后，光就可以沿直线行进了。那时候的光今天仍然应该在宇宙空间沿直线继续行进。在空间传播的光波，即电磁波，其波长会随着宇宙的膨胀而被拉长。那时的光到了现在，已经变成了波长相当长的光，即变成了“微波”，这就是宇宙背景辐射。

     超新星：宇宙膨胀的“烛光指示器”

     进入20世纪80年代中期，天文学家们才发现Ia型超新星是遥远星系的绝佳距离指示器。

　　 超新星可以理解为恒星演化到晚期的“回光返照”——恒星死亡之前的突然增亮。根据前身恒星质量的不同，宇宙中的超新星可以分为两类：一种是大质量恒星演化到晚期，核塌缩导致整个星体在短时间内爆炸，使得星体的亮度短时间内可达到十亿甚至百亿个太阳的亮度。这类超新星被称作“II型超新星”，但是他们的光度差异很大，不能用做距离的指示器。另一种是中、小质量的恒星在燃尽核区燃料后，变成白矮星。当白矮星周围有一个伴星时，白矮星将把其伴星的物质吸引和累积在其表面，到一定程度（即质量上限，约为1.44倍太阳质量）后发生核爆炸。这类超新星被称为“Ia型超新星”。因白矮星有1.44倍太阳质量上限，白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量，所以它们爆炸前的燃烧物质基本一样多，燃烧发出的光度基本也一样。

　　既然所有的“Ia型超新星”的光度相等，那么根据观测到的一颗“Ia型超新星”的视亮度，就可以推测它到地球的距离。就像一支蜡烛放在离观察者不同距离的地方，它们的亮度会不一样。离观察者近，看上去亮；离观察者远，看上去暗。这样就可以通过观测它的亮度来计算蜡烛的距离。

    另一方面，科学家还可以观测到这些“Ia型超新星”的光谱，从中测出超新星的光谱中某些谱线的移动量，即天文中所说的“红移”。把测到的超新星的红移和距离一一对应起来，可以画出所谓的哈勃图，不同的宇宙学模型的哈勃图是不一样的，因此用这种办法，可以了解宇宙到底是什么样的。

　　有了珀尔马特、施密特和里斯所属的研究小组发现，超过50颗超新星所显现的光度比先前预期暗淡。这一研究发现可以显示出宇宙正在加速扩张——

　　首先假定宇宙在匀速膨胀，我们可以根据宇宙学模型算出一个距离d0。

　　如果宇宙减速膨胀，即膨胀越来越慢，那么超新星与我们的距离应该是d1，且d1

　　如果宇宙在加速膨胀，超新星被所在星系裹挟着，以越来越快的速度相互远离，地球观测者到超新星的距离记作d2，且有d2>d0。这样相当于把一支蜡烛放得更远，它会显得更暗。

　　所以发现超新星光度比匀速膨胀宇宙模型显得暗淡，说明星系和其内部的超新星以越来越快的速度相互远离，宇宙膨胀在加速。

　　暗能量：宇宙加速膨胀的驱动力

　　根据已知的万有引力论，人们一直认为“宇宙正在减速膨胀”，并在到达膨胀极限后反向“浓缩”。因此今年获诺贝尔奖的的两个研究团队，本来只是想了解宇宙最终“浓缩”后的结果，会导致怎样一种消亡。

    然而他们在研究中发现，宇宙膨胀不仅正在加速，而且已经偷偷加速了几十亿年。这种加速如今被认为是由某种“暗能量”驱动的。这种“暗能量”起初只占宇宙的一小部分，但随着宇宙物质在宇宙膨胀过程中逐渐被稀释，这种暗能量如今已占据了宇宙成分总含量超过70%。它的本质却仍然是谜，或许仍是当今物理学面临的最大谜题。

　　科学家认为，这种“暗能量”一定来自于一种能够产生斥力的物质。也许，它可能根本就不是常数，会随时间变化。又或许一种未知的力场只是偶尔产生了暗能量。

　　但因为“暗能量”仍在逐渐“强大”，预言宇宙未来会如何，成了一件不可能完成的任务。也许膨胀永远加速下去，未来将是一望无际的黑暗和孤独，宇宙将在不断加速的膨胀中逐渐变得冰冷与死寂。也许时空逐渐扭曲，就连原子都不能避免被撕碎的命运。

     “宇宙学常数”的沉浮

    宇宙学常数（cosmological constant）由爱因斯坦首先提出，代表着爱因斯坦对静态宇宙的哲学信念。然而膨胀宇宙的天文观测结果，让人们认识到宇宙不是静止的。晚年时的爱因斯坦曾把“宇宙学常数”的引入，说成是他“一生中最大的失误”。

　  当哈勃得意洋洋地将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时，这位常常被称作“孤独的人”的伟大的科学家惭愧极了。他不会知道的是，一代代科学家们仍在孜孜不倦地研究这一“反引力的固定数值”，并在探索中渐渐明白，为什么爱因斯坦如此钟爱这个理论；而今，宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。

　　2011年获得诺贝尔物理学奖的珀尔马特、施密特和里斯在对超新星的观测中，表明宇宙在加速膨胀，宇宙确实存在一种使得宇宙膨胀不断加速的斥力，而“宇宙学常数”代表的斥力项仍然是有意义的。历史的戏剧性，在“哈勃定律”问世80多年后又证明了爱因斯坦的“倔强”没有错。