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黄庆国:宇宙学研究进展与趋势

2017-10-25  HNYZL

作者简介

黄庆国,理论物理学家。中科院理论物理研究所研究员。2000年毕业于中国科学技术大学近代物理系,获学士学位。2004年于中国科学院理论物理研究所获博士学位。自2004年7月起,先后于中国科学院理论交叉研究中心和韩国高等研究院从事博士后研究员研究工作。2010年3月入选中国科学院“引进国外杰出人才计划(百人计划)”回国工作 。主要的研究领域涉及早期宇宙相关物理,暗能量以及量子引力理论等领域 。

狭义相对论、广义相对论和量子力学构成现代物理学的三大基石。这三个基本理论在过去的一个多世纪里深刻地推进了人们对从微观世界到宇观世界的理解和认识。20世纪初,爱因斯坦在提出广义相对论后进一步提出:宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的,并且宇宙演化的动力学遵循广义相对论。以此标志现代宇宙学的诞生。哈勃定律的发现表明,宇宙正处在不断膨胀的状态。沿着时间的方向回溯,宇宙在极早期处于极度高温炽热的状态,即大爆炸。宇宙早期大爆炸的余晖——微波背景辐射的发现强有力地支持了宇宙大爆炸模型。正因如此,宇宙微波背景辐射的发现者彭齐亚斯和威尔逊分享了1978年诺贝尔物理学奖。现在的大爆炸宇宙学模型也被称为宇宙学标准模型,大爆炸宇宙学将微观和宇观的基本物理紧密地联系在一起,很可能提供了一条通向这三个基本理论大统一之路。

由于光速和宇宙年龄的有限性,可观测宇宙的大小是有限的,大约为几百亿光年。宇宙是人类所研究的最大客体。面对如此浩瀚的宇宙时空,宇宙学研究面临三个基本的问题:宇宙的基本组成成分是什么?这些基本组成成分在宇宙中是如何分布的(即宇宙的结构)?既然宇宙不是静止不动的,那么宇宙又是如何随时间演化的?在宇观尺度上,引力发挥着至关重要的主导作用。在广义相对论的理论框架下,这三个问题并不是孤立的,而是交织在一起的。比如,宇宙不同基本组成成分的物性可以影响宇宙结构的形成过程,同时又能影响宇宙演化。特别需要强调的一点是,宇宙学研究与在实验室里进行研究的一个最大的不同在于:宇宙学是探索在不断随时间演化的时空背景下的物理规律。

尽管现代宇宙学已经诞生约一百年,但是在很长一段时间里,宇宙学并没有被公认为是足够严肃的科学。其中一个最主要的原因是缺乏精确的宇宙学观测。伴随着观测技术的突飞猛进,宇宙学观测[特别是以威尔金森微波背景辐射各向异性探测卫星(WMAP)为代表]取得突破性进展(图1)。最近20年以来,精确的宇宙学观测可以精准地测定宇宙学基本参数,开启了精确宇宙学的黄金时代。正因如此,过去20年宇宙学的发展对基础科学研究产生了十分广泛的影响。

黄庆国:宇宙学研究进展与趋势

图1 宇宙微波背景辐射各向异性天图

第一代宇宙背景探测卫星COBE,第二代威尔金森微波背景辐射各向异性探测卫星WMAP,第三代普朗克(Planck)卫星

图片来源:https://www.kosmonautix.CZ/wp-content/uploads/2-Cobe-WMAP-Planck.jpg

早在20世纪初,人们通过对银河系内恒星运动的观测就开始提出银河系中似乎存在某种暗的物体的设想。1933年,瑞士天文学家茨维基通过对星系团中星系运动的观测发现宇宙空间中存在不发光的物体,并将之称为暗物质。到20世纪六七十年代,美国天文学家鲁宾和弗德通过精确测量星系的旋转曲线发现大多数星系都存在这种看不见的物体。之后,暗物质逐渐被广泛确认为宇宙不可或缺的组成成分之一(图2)。随后的很多宇宙学观测,包括引力透镜、微波背景辐射及宇宙大尺度结构等,都一致确证宇宙中确实存在暗物质,而且暗物质约占全部物质的85%!然而,暗物质是常规物体或者粒子的可能性在很早以前就被排除了。那么暗物质是什么?一种理论认为暗物质可能是一种新奇的粒子,它只能和常规物质发生极为微弱的相互作用,因此也被称为弱相互作用大质量粒子。这些暗物质粒子弥漫在整个宇宙,并且可能无时无刻不在穿过地球。为了捕捉这些粒子,科学家们在很深的地下建造实验室,试图以此摒除常规粒子的影响,从而搜寻到暗物质粒子通过这种微弱的相互作用所产生的微小的反冲信号。但遗憾的是,虽然经过了十余年的不懈努力,无论是美国南达科他州一座废弃的金矿坑里安装的实验装置还是我国的锦屏地下实验室都一无所获。尽管弱相互作用大质量粒子的假设在理论上有奇迹般的优点,但是这些零结果迅速压缩了它们可能存在的理论空间。弱相互作用大质量粒子作为暗物质的基础开始出现动摇。因此探讨其他可能的物理解释显得越来越有必要。修改引力理论是其中的一种可能,但是通过修改引力来解释暗物质相关的观测现象总是显得有些捉襟见肘。近年来,轴子或者类轴子作为暗物质的候选者正越来越受到关注。此外,或许暗物质根本就不是基本粒子,而是大质量致密天体,如原初黑洞等。原初黑洞作为暗物质候选者的假设随着2016年观测到双黑洞并合的引力波事件而备受瞩目。总之,暗物质仍然是基础物理研究中的一大谜团,需要以更开放的态度来继续探索。

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图2 银河系及周围的暗物质晕示意图

图片来源:欧洲南方天文台(ESO),https://www.shao.ac.cn/kpyd/ywkd/201206/t20120626_3604682.html

在热大爆炸宇宙学中,宇宙早期处于辐射为主时期。随着宇宙的膨胀,宇宙慢慢冷却下来。当宇宙的温度远低于其中粒子的质量,这些粒子的运动速度远小于光速,因而大致可看成是静止的,宇宙渐渐进入物质为主时期。但是无论是辐射或者是物质为主时期,由于引力的吸引作用,宇宙膨胀的速度应当越来越慢。然而,20世纪末,通过将Ia型超新星标定为“标准烛光”,人们可以精确地测量宇宙的膨胀历史,发现宇宙现阶段并不处于减速膨胀,而是处于加速膨胀的状态(图3)。此发现完全改变了人们对宇宙的认识,天体物理学家萨尔·波尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯也因此发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。暗能量具有负的压强,提供等效的斥力,从而推动宇宙现阶段的加速膨胀。爱因斯坦提出的宇宙学常数是暗能量最简单的候选者,它的状态参数为-1(即它对应的压强和能量密度之比)。受益于精确的宇宙学观测,目前的观测数据显示暗能量状态参数相对于-1的偏离不超过10%,因此至少在领头阶(leading order)水平上暗能量可以看成是宇宙学常数。宇宙学常数的自然起源是真空能。随着宇宙的膨胀,真空不发生变化,那么真空的能量密度就保持不变。狭义相对论和量子力学相结合得到的量子场论是研究微观世界最强有力的工具。不幸的是,基于现有对量子场论的认识,人们估计真空能的大小比实际观测到的宇宙学常数大了约120个数量级!这就是宇宙学常数问题(或者暗能量问题)。暗能量真的就是宇宙学常数吗?暗能量有没有动力学?现有的一些观测数据暗示暗能量有稍稍偏离宇宙学常数的迹象,但是这些数据的可靠性依然存在较大的争议。增加数据的统计量并提升对系统误差的理解和认识成为未来相关领域发展的一个关键。预计在未来十年左右的时间里,通过宇宙大尺度结构的观测等方法可以较现有的测量精度提高约一个数量级,届时我们将对暗能量的性质有更进一步的认识。如果发现确凿的证据证实暗能量偏离宇宙学常数,那将是下一个诺贝尔奖的有力竞争者。

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图3 宇宙加速膨胀示意图

图片来源:

https://www.scienceforums.com/uploads/gallery/album_166/med_gallery_1369_166_645658.jpg

尽管一个包含有暗能量和暗物质的热大爆炸理论几乎可以完全解释现在所有的观测数据,但是这个理论本身存在着一些不可克服的困难。比如,在标准的热大爆炸理论中,现在观测到的几乎完全各向同性的微波背景辐射天图其实是由数万个在宇宙早期没有因果联系的区域组成,那么这些没有因果联系的区域为什么具有几乎完全相同的温度?这个问题也被称为“视界问题”。艾伦·古斯、安德烈·林德以及阿列克谢·斯特罗宾斯基在20世纪80年代初先后提出,在热大爆炸之前宇宙应当历经一段近指数的加速膨胀过程,这个过程被称为暴胀。宇宙暴胀可以自然地将宇宙早期的不均匀性和各向异性给抹匀了。与此同时,暴胀还自然地拉直了宇宙的空间曲率。因此,空间平直的宇宙可以看成是暴胀模型的一个自然预言。最新的宇宙学观测发现在千分之五误差水平上强烈支持一个空间平直的宇宙模型。另一方面,暴胀发生在宇宙极早期,那个时候宇宙尺度极为微小,因此量子效应不可忽略。正是这些不可忽略的量子效应给几乎被暴胀完全抹匀的背景带来微小的密度涨落。暴胀结束后这些微小的密度涨落在引力的吸引作用下逐渐演化出今天所观测到的宇宙结构。由于暴胀期间哈勃参数几乎不随时间演化,因此暴胀所产生的密度扰动功率谱几乎不随扰动的尺度变化。这一特性也被称为近标度不变性。近标度不变的原初密度涨落是宇宙暴胀模型的又一个自然预言。现有的精确宇宙学观测在很高的置信水平上支持暴胀的这一预言。可以说,早期宇宙暴胀模型不仅可以自然地解决热大爆炸宇宙的所有困难,而且它所预言的宇宙空间平直性和近标度不变的原初密度涨落都已经得到精确宇宙学观测的强烈支持。鉴于古斯、林德和斯特罗宾斯基对暴胀宇宙学的巨大贡献,他们三位荣获了2014年卡弗里奖。然而,如何从基本理论出发构造自然的暴胀模型?暴胀发生的能标和它的动力学过程到底如何?暴胀的动力学依具体模型而定。然而,基于引力的普适性,暴胀期间通过量子效应从真空中产生的引力波对暴胀的动力学并不敏感,只由暴胀的能标决定。为区别于天体物理过程产生的引力波,暴胀期间产生的引力波也被称为原初引力波。一旦探测到原初引力波就可以确定暴胀的能标。暴胀可以产生原初引力波,但是暴胀对原初引力波的强度并没有一般性的预言。为了更进一步揭示早期宇宙暴胀的物理过程,包括我国的阿里原初引力波探测计划及在南极的宇宙微波背景偏振成像望远镜等,都竞相加入到搜寻原初引力波信号的国际竞争中来。

此外,过去人们对宇宙的观测基本上都是基于电磁信号。2016年2月,激光干涉引力波天文台(LIGO)观测组宣布发现双黑洞并合产生的引力波,从此打开了一扇观测宇宙的新窗口。从大爆炸到宇宙年满38万年,宇宙中充斥着各种带电的粒子。这些带电的粒子和光发生强烈的相互作用,使得光无法在宇宙间自由地传播。然而由于引力是万有的,引力波可以轻易地穿透这些带电的介质将早期宇宙的信息携带出来。可以预见引力波宇宙学将逐渐成为宇宙学研究的一个不可或缺的组成部分。

宇宙学从根本上来说是一门实验科学,宇宙学的未来有赖于更精确的宇宙学观测。暗物质和宇宙加速膨胀(包括宇宙现阶段的加速膨胀和宇宙早期暴胀)被誉为现代基础物理学的两朵乌云。这两个问题的解决很可能会引发新的基础物理学革命。此外,宇宙学的发展还会对测量中微子绝对质量、确定中微子质量排序,以及揭示宇宙正反物质不对称的奥秘等起到关键的推动作用。总之,随着精确宇宙学的进一步深入发展,宇宙学的每一次进步都必将对基础物理学产生深远的影响。

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