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新科诺奖得主皮布尔斯解读 宇宙的起源与归宿
shuai 2019-12-01

银河系

引力透镜效应

宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯

星系团

  北京时间10月8日,美国普林斯顿大学的宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯因为在物理宇宙学中的贡献,与另外两位天文学家米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹分享了今年的诺贝尔物理学奖。

  本文为皮布尔斯与另外3位作者向我们讲述的宇宙波澜壮阔的演化史。经过数百亿年的演化后,今天存在于宇宙中的恒星与星系会变成怎样,宇宙的归宿又是什么?

  宇宙从一团高度致密的物质演化为今天彼此相距遥远的星系

  在大约一百多亿年前的某个时刻,我们现在能观测到的所有物质和能量都聚集在一个比硬币还小的区域里,随后,它开始以一种不可思议的速度膨胀并冷却。当温度下降到1亿倍太阳核心温度时,自然界的那些基本作用力开始出现,基本粒子夸克(夸克是一种参与强相互作用的基本粒子,也是构成物质的基本单元)则自由地徜徉在能量海洋里。接着,宇宙又膨胀了1000倍,我们眼下能观测到的所有物质占据的空间膨胀到了太阳系那么大。

  那时,自由夸克开始被束缚在中子和质子里。当宇宙又膨胀1000倍后,质子与中子开始聚在一起组成原子核,今天的氦原子和氘原子大部分就是那时形成的。以上所有过程都发生在大爆炸后的一分钟内,此时温度仍然太高,原子核还不能捕获电子。直到宇宙持续膨胀了30万年后,中性的原子才开始大量出现,这时宇宙尺寸达到了现在的千分之一。此后,中性原子开始凝结成气体云,这些云团随后演化成恒星。在宇宙膨胀到现在尺寸的五分之一时,恒星聚在一起,形成了年轻的星系。

  当宇宙尺度达到现在的一半时,恒星里的核反应产生了大多数重元素,类似地球的行星就是由这些元素构成的。我们的太阳系相对比较年轻:形成于50亿年前,那时宇宙尺度是现在的三分之二。随着时间流逝,恒星的形成过程会耗尽星系中的气体,因此恒星数目正逐渐减少。再过150亿年,像太阳这样的恒星会更稀少,对天空观测者来说,那时的宇宙将远不如现在这般热闹。

  对宇宙起源与演化的认识,是20世纪最伟大的科学成就之一。这些知识来自于数十年不断革新的实验与理论。地面上和太空中的最新望远镜接收着数十亿光年以外的星系发出的光线,向我们展示宇宙年轻时的模样。粒子加速器探索着早期宇宙高能环境下的基本物理现象。卫星探测着宇宙膨胀早期遗留下来的背景辐射,展现出我们所能观测到的最大尺度上的宇宙图景。

  标准宇宙模型(也称大爆炸理论)对这些海量数据的解释最为成功。这个理论主张说,宇宙从初期的致密态开始膨胀,膨胀在大尺度上近乎均匀。目前该理论没有遇到根本性的挑战,当然,它也存在一些有待解决的问题。比如,天文学家还不能肯定星系是如何形成的,但是也没有证据能否认该过程是在大爆炸框架内发生的。实际上到目前为止,从这个理论引申出的各种预言通过了所有的测试。

  但是,大爆炸理论目前也只做到这种程度,还有许多重要的谜题有待揭开。宇宙在膨胀之前是什么样子的?(我们不能通过天文观测,回溯到大爆炸之前的时刻。)在遥远的未来,当最后一颗恒星耗尽了核燃料后会发生什么?没有人知道答案。

  我们可以从不同的视角——神秘主义、神学、哲学或科学——来认识宇宙。在科学上,我们只相信那些经过实验或观测证实的东西,因此我们选择的是一条沉重乏味的道路。爱因斯坦创立的广义相对论确立了质量、能量、空间和时间的关系,现已被很好地验证并接受。爱因斯坦指出,物质在空间均匀分布与他的理论非常吻合。他未经讨论便假定,在大尺度上平均来说宇宙是静态不变的。

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