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看不见的神秘宇宙
叶翚   
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【摘要】有关宇宙学和物理学的前沿科学技术的进展。上篇是探秘暗物质与暗能量,下篇是阐述多重宇宙及其依据。

引  子

这篇文章的内容,既是来自于最前沿的天文学发现和理论物理研究成果集合,超出了我们日常所知晓的普通的宇宙常识,在这里将向大家展示,孕育了我们生命的宇宙,是多么地令人不可思议和震憾!而且,一些长期困扰我们的终极问题,也将得到更理性的指引。

(上篇)探秘暗物质与暗能量

一、 可见宇宙 - 天体与天体系统

上中学时我们就知道,宇宙包含了恒星、行星、小行星等各种天体,以及天体所处的天体系统,如太阳系、银河系、河外星系、总星系。这些天体构成了我们的可见宇宙,大约有10的80次方个粒子,质量约为10的48次方吨。

二、 未知宇宙—暗物质与暗能量

然而这一庞大的宇宙质量总和,也就是我们已知的宇宙,竟然只是整个宇宙总体能量密度的不到5%!普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%,其他的普通物质占了3.7%,暗物质占了近21%,另外的75%是占主导的暗能量。

通俗地说,暗物质代表宇宙中一种未知的能够增强物质间引力的物质。而暗能量,则代表了一种未知的斥力。像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。

1、   暗物质

提起暗物质,首先要说一下它的发现过程。当人们在观察遥远星系时,发现一件奇怪的事:按照万有引力的公式,星系外围的恒星由于离庞大的星系质量中心比较远,引力削减的程度与距离的平方成反比,理应转得比较慢才是。

但事实上,却不是这样。外围恒星的转速,大大快于人们的预期。就好像整个星系的质量陡然间增加了好几倍。后来,随着天文设备的不断完善,人们继续观察,发现所有的星系竟然都是这样!所有的星系都被神秘的暗物质晕包围,越在外围,似乎暗物质越多。

暗物质就存在于我们的身边,它无声无息地穿透我们的身体,弥漫在我们的空气中。它的能量密度是普通物质密度的4-5倍。目前,科学界上有很多候选的暗物质粒子,包括强相互作用暗物质(SIDM)、温暗物质(WDM、大质量黑洞(BH)以及中微子等。但是,黑洞、中微子之类的物质全加起来,却仍然不够神秘的暗物质之手的一个大拇指呢。

暗物质的探测工作从未停歇,人类探测暗物质有三种方式,一是是往地下探,直接探测暗物质的信号,二是往天上探,间接探测暗物质湮灭的特殊信号,三是人造来探,通过大型粒子对撞机的实验来发现。

地下探测暗物质都是在地底深处,因为暗物质无处无在,往地下探可以避免宇宙射线、电磁波等各种杂七杂八的信号干扰,本世纪以来,国际上相继开展了二十多个暗物质探测实验,利用暗物质和探测器的直接碰撞来寻找暗物质。特别是近年来,意大利DAMA/LIBRA实验,美国CoGeNT和CDMS两个实验,以及德国CRESST实验先后宣称发现了疑似轻质量暗物质的信号。这些信号引起了科学界的强烈兴趣。而在中国,以中国科学家等为主导的大型暗物质探测实验组PandaX(熊猫计划)也在四川的锦屏山地下深处,找寻暗物质的踪影。

然而,Pandax公布的研究成果,却有些出乎人们意料。PandaX合作组首期实验用约120Kg的液态氙作为靶点子来探测,其主要目标是检验其他实验发现的轻质量暗物质疑似事例,但结果不但没发现任何暗物质留下的痕迹,还对以往实验中所有发现的疑似信号提出了强烈的质疑。

因而,人类的暗物质探测可以说,从充满希望的黎明又重新跌入黑暗中。而2015年12月底,中国的暗物质探测卫星“悟空”号的升空,又一次开启了暗物质新的探测征程,目前已经发现了大量的疑似暗物质湮灭证据,具体数据分析还要再等待再多搜集一至两年的数据。

2、暗能量

探索暗物质,虽然是一个漫长的过程,但毕竟还能有一丁点的进展。而暗能量,人类就有些抓瞎了。为什么呢?先说一下暗能量是怎么发现的。这关系到宇宙距离的测量。

人们应该怎么分辨星星到底是距离我们很近但是亮度低,还是距离我们很远但亮度高呢?人类通常用超新星爆发作为测量的灯塔,因为超新星爆发的亮度拖尾是恒定的。可以称作宇宙的标准烛光。有了它,人类就可以比较精确地测量星体以及宇宙的距离。

宇宙按道理来说,爆炸后加速膨胀,然后就应该减速膨胀。就像一个苹果抛到天上,会慢慢落回一样。但实际上,宇宙却在加速膨胀!更有意思的是,这种加速膨胀的速度竟然还有变化。大约在70亿年前,宇宙从减速膨胀开始加速,直到今天。也就是说,有一股看不见的力,超过我们的万有引力,在把所有的星系快速分开。比如仙女星系和某星系的分离速度已经快至每秒70公里。

所以,宇宙实际上占上风统治的不是万有引力,而是一种看不见的斥力大约占了整个能量密度的73%。这不仅是观测结果,并且惊人地符合人们的预期。因为按照宇宙的暴涨理论,宇宙学家一直在纳闷,我们的空间中密度为什么那么小,只占理论值的5%左右。而现在人们知道,这另外的95%,就是暗物质和暗能量。

显然,对于暗能量的探索,人类还有很长的路要走。

 

(下篇) 多重宇宙――Multiuniverse

一、终极问题

说起宇宙的诞生,一定会谈到大爆炸。宇宙大爆炸代表了137亿年前,宇宙空间从一个奇点在不到一秒的时间里,像一场旷古的大爆炸一样内迅速膨胀。这种匪夷所思的时间开端,一直让宇宙学家、哲学家甚至神学爱好者们很着迷。比如,古语所说的无极生太极,恰巧也代表了这样一种从无到有的世界观。

从古至今,人们一直关心着一些世界的基本问题,比如,宇宙是有限的,还是无限的?世界是一直就存在着的呢,还是有开始之初?如果世界有开端,那么开端之前的世界又是什么?宇宙的存在有什么意义?为什么这个诞生了我们人类的宇宙似乎是一个条件被精确调控的宇宙?

很多人都知道,地球在太阳系中所处的位置,那叫一个刚刚好!近点到金星吧,灰飞烟灭;远点到火星吧,又冷得不行。并且,地球上如果不能保持至少10亿年的稳定状态,像我们这些脆弱的人类,肯定玩完,因为人类以及这个星球上的所有动物,能够承受的耐温范围都是那么窄。地球就像人类一个被电脑温控的摇篮,以适宜的温度、压强、大气成份孕育了我们。

如果不是有一只看不见的上帝之手在幕后操纵宇宙的话,怎么能做到如此精确?

由于这些问题太过终极,在以前,似乎成了神学家和哲学家的专属,科学家们只能尴尬地转过身去,因为他们没有任何证据,无从回答。但今天,随着理论物理的发展,在迷雾中,人类似乎找到了前方的一处光亮,科学家们终于华丽转身,可以尝试正面去回答这些问题(当然,目前也仅能说是尝试)。那处光亮,很可能要让一切宗教信徒失望:因为可能这一切神一般的巧合,实际上与神并没有关系。那处光亮是什么呢?那,就是多重宇宙!

正如哥白尼的日心说将地球从太阳系的中心点驱逐出去一样,当初,地球位居几大行星之列;而今,同样的事情也可能发生,我们的宇宙变为众多宇宙之一。

二、 多重宇宙的提出

我们知道,宇宙的英文为universe,uni这个很常见的英文前缀来自于希腊文,意思是一或者唯一,而以后,随着宇宙探索的不断前进,universe或许会修正成另一个词:multiverse。

多重宇宙的正式提法大约在1960年,塔夫茨大学(Tufts University)的物理学教授亚历山大维兰金和他的俄罗斯同事安德雷?林德(Andrei Linde)在计算原始大爆炸之后使宇宙膨胀的力量时,两人得出这样的结论:如果大爆炸是正确的,那么宇宙膨胀必定在我们的宇宙之外持续下去。

这意味着:远离我们的宇宙之外正在不断地形成新的宇宙,就像泡沫浴中涌现的泡泡。每个泡泡就是一个原始大爆炸,随即产生一个新的宇宙。每个泡泡都是一个具有自己独特自然法则的新宇宙的胚胎。一个偶然进程决定了各个宇宙中的自然法则和自然常数。由于宇宙数量之众难以想象,可能有的宇宙还没诞生就玩完,有的刚出现智慧生命就夭折,但我们的宇宙算幸运的了。许多宇宙在时间和空间上是同时存在的。多重宇宙作为整体是没有开端和结尾的。

维兰金的原话是:“我们在多重宇宙中所处的这个部分内拥有的原始大爆炸,并不像我们一直以来认为的那样是一个奇特的事件。在遥远的地方,存在着不计其数的原始大爆炸,许多发生在过去,但也有许多发生在未来。它们所导致产生的地区中,一部分类似于我们的宇宙,一部分看上去则完全不同。这一进程永不停息。”

在20世纪,关于宇宙的基本问题有两大派别。原始大爆炸理论家相信宇宙具有开端,反对派则认为是永恒的宇宙,其中的星体和星系不断产生、然后又消逝。最后原始大爆炸理论家赢了这场争论。然而,现在多重宇宙却为二者都提供了位置,它认为原始大爆炸有许多并且永恒存在。维兰金的多重宇宙理论等于是比哥白尼时期的日心说更加惊世骇俗,由于缺乏支持,他的理论一直没人理会,直到近二十多年前才突然变热门起来,科学家们态度转变的原因在哪里?多重宇宙目前到底有哪些证据呢?

这里,既有来自于现今各大物理理论的支持,也有来自于实验观测的支持,当然,多重宇宙理论还一直很有争议,但它的脚跟已经站稳了很多了。

三、多重宇宙的依据

(一)理论依据

首先,就是刚才提到的多重宇宙理论提出者,根据宇宙大爆炸理论的计算,宇宙膨胀必定在我们的宇宙之外持续下去。

其次,上篇提到的占到宇宙能量密度73%的暗能量,实际上就已经暗示了多重宇宙是很可能存在的。暗能量,是指促进宇宙加速膨胀的力量,而这种力量很可能来自于其他宇宙的力量牵引或是来自于整个多重宇宙的膨胀力量。

第三,则是弦论。

弦论是什么呢?弦论不再把基本粒子描述为点状粒子,而是描绘做颤动的弦或线,弦的不同振动方式就表现为不同的基本粒子。弦论就像一首优美简洁的宇宙主旋律,能够将一切都纳入其中。弦理论经过多年的发展,出现10维的超弦理论。这意味宇宙不仅是四维时空,而是多维的。

10维超弦理论要求时空具有10维。这十维是怎么来的呢。我们显然是生活在一个三维世界中,第四维度就是时间。还有六维蜷缩在很小的空间中,即卡拉比-丘流形,紧致化蜷缩的空间模型。这个名称其实代表的是两个人:一个是卡拉比,一个是获得菲尔兹奖的华裔数学家丘成桐。卡拉比提出了空间构想,由丘成桐完成了数学验证。而2000年,两名美国物理学家证明,弦理论对于四维的宇宙(三维空间+时间)能提供10的500次方个变体。

弦理论家雷欧纳德.苏斯金德认为,每一个变体都描述着一个不同的、真实存在着的宇宙,有的宇宙看上去和我们的宇宙很像,有的宇宙空空荡荡。研究弦论的物理学家,和多重宇宙论的持有者数十年来所宣传的世界观就这样不谋而合。

第四,量子理论

量子理论提出了平行宇宙的概念。只不过,量子论似乎挺起来更加怪诞,主要来源于量子的不确定性原理。在量子水平上,你无法精确地同时知道某个粒子的质量和位置,这就是不确定性原理,以前叫测不准原理。因为测量微观粒子,在测量手段的介入下,就一定会产生测量或观测的误差。也就是说你一扰动,原来的状态就变了。

那么,这跟平行宇宙什么关系呢?

量子平行宇宙理论指出,当你掷骰子的时候,可能其中一个宇宙里,你的骰子点数是1,另一个宇宙里你的骰子点数是2……然而我们仅能看到的只是其中一个宇宙。

(二)实验依据

除了以上四个理论的支持外,多宇宙论还有一个重要的天文观测证据支持,即宇宙微波背景辐射图。我们的宇宙年龄有137亿年,人们通过天文观测,可以观测到早期宇宙的光子。根据“普朗克”太空探测器传回数据,可以绘制宇宙微波背景辐射图

宇宙微波背景辐射图与现今的宇宙理论基本上吻合,也验证了大爆炸,科学家本来预测这种辐射应该是均匀分布的,但在南部天空辐射却更加密集,同时还存在一个目前物理学无法解释的“冷点”。美国北卡罗纳州大学理论物理学家劳拉·梅尔西尼-霍顿和卡内基米隆大学的理查德·霍尔曼教授早在2005年就预测了这种辐射异常性的存在,并且称它们是由其它宇宙的引力拖拽作用引起的。它们是其它宇宙存在的首批确凿证据。

总之,四个理论支持,加一个观测验证的多重宇宙论,是目前科学家们在尝试回答终极问题时最理想的答卷。当然,多维宇宙理论还有很多待验证的地方和争议。

但是,我想这会是一个前途光明的理论。因为,没有理由让我们成为唯一,一切都是在那样的看似漫不经心的概率中,诞生了我们这个神奇的宇宙。

 当我们仰望星空的时候,可以小小地感叹一下,还好活在这个比较好的宇宙,在这么温馨的地球环境中安度一生。在茫茫宇宙面前,人类是渺小,而渺小的我们,最应该做的,就是珍惜自己的生命和时间,在有限的生命长度中,尽可能地绽放出最完美的自己。

-完-
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看不见的神秘宇宙
叶翚

学校:福建省水产技术推广总站

学历:硕士研究生

专业:水产养殖学(海洋动物遗传育种)

职业:科员

评委点评 评语汇总

本文介绍了暗物质、暗能量以及多重宇宙等天文领域的专业知识,介绍全面,但文学性及通俗性较为欠缺,希望加以改进。

2020-11-09 01:38 匿名 ——

介绍有关宇宙的重大基础问题和前沿话题,对相关背景做了纵深发掘,条理清晰,逻辑严密。开篇文字略显干巴,文体结构似可调整。

2020-10-14 23:47 匿名 ——

这是一篇总体不错的关于宇宙起源与命运的科普读物,作者总体上把理论物理学家探索的重点与核心揭示了出来,把控了宇宙探索的终极问题的脉络,逻辑结构清晰,推理有一定的层次感,让普通读者通过阅读文章能够了解深奥的宇宙学理论的核心与要点。文字简洁扼要,构思和立意准确,但文章的布局套用了研究论文的形式,这与科普文章的结构有些出入,解释如此神秘的单级宇宙与多重宇宙所用的语言的精彩程度不够,但总体上还是具有较好的可读性,知识传播价值较高。

2020-10-11 22:12 匿名 ——

可以看到,通篇内容的科学性十足,作者从暗物质、暗能量和多重宇宙等各个层面介绍了相关知识,文章结构也清晰明了。但在内容通俗性上,作者有所欠缺,相关专业化文字过多。且在文学创作方面,缺乏才思发挥,所以文章流于平淡吸引力不足。但总得来看是一篇不错的宇宙科普文章,也体现出了作者对宇宙的遐想神思!

2020-09-22 23:57 匿名 ——

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