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宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

来源:中国科学院国家天文台2019-12-12 10:20

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  距2019年诺贝尔物理学奖颁给三位天体物理学家的热潮已过去近两个月,时间一直向前走,但探索宇宙的步伐一刻也不能停歇。可以说,21世纪注定是天文史上不平凡的一个时代。佛语有云“须弥纳芥子”,浩瀚宇宙包罗万物,吞吐日月,孕育我们渺小的人类。当我们惊叹于宇宙的不可思议时,却有这样一群又一群孜孜不倦的探索者,不问浮事,从古至今,由东到西,日夜以继。他们观星测地,推演历法,大胆质疑,究其宇宙的奥义。谁说芥子不能纳须弥?渺小的人类,为什么不可以理解万物运转规律呢?你看,宇宙就在那里等着我们去发现。古语言“上下四方曰宇,往古来今曰宙”,我们从何而来?到了今天,或许我们有了一些确定的答案!

  宇宙从何而来?“上帝”说:“要有光!”,事实上,科学研究已经表明我们目前的宇宙来源于一场大爆炸!

  我们暂且称之为“宇宙大爆炸理论”,这里面有几位祖师爷。首先就是乔治·伽莫夫,俄裔美籍人,科学界称之为“宇宙学之父”。

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图1:乔治·伽莫夫

  1948年4月1日,《物理评论》杂志刊登了伽莫夫等人所写的论文。由于是愚人节,该祖师爷十分有趣的在作者列表中添加了一个对这篇论文没有任何贡献的人,汉斯·贝特,并取一笔名“β”。但学生罗伯特·赫尔曼拒绝老师的建议——取一笔名δ,所以这篇论文,事实上少了一位作者赫尔曼,多了一位并没有参与论文撰写的作者汉斯·贝特。正是这篇文章认为我们目前的宇宙来源于大爆炸。

  随后,伽莫夫又单独写了一篇关于宇宙大爆炸理论的论文,被《自然》杂志接受发表。但没过多久,学生拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼就发现文章有些错误,随即便在《自然》杂志上发表了一篇纠错论文。在这篇论文里,又介绍了一下自己最新的研究成果——宇宙微波背景的存在。根据二人估算,其温度约为5K(绝对温度),但学术界并没给予关注,宇宙学沉寂许久。

  然而,15年后出现另一批对“宇宙大爆炸”感兴趣的人。这群人有一个领袖,名叫罗伯特·迪克。而詹姆斯·皮布尔斯就是他的学生,二人在1964年,合作了一篇论文。文章中,再次预言宇宙微波背景的存在,而且宇宙微波背景的温度是3K左右。但并未提及15年前伽莫夫团队的研究,也许是年代久远,迪克团队忘记前人已做。事实上科研工作中,如果前人已做研究,后人再做,在撰述论文时应当有引用。

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图2:宇宙微波辐射背景(图片来源:NASA网站)

  “理论预言”了宇宙微波背景。那么接下来就是搜寻宇宙微波背景辐射的问题了,罗伯特·迪克当时不停向上级申请科研基金,但还是慢了一步。着实令人可惜!

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图3:阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现3k宇宙微波辐射背景所用的天线(图片来源:维基百科)

  事实是这样,1965年,阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在处理射电望远镜噪音问题中被幸运女神眷顾,他们无论如何也想不到一直萦绕心头挥之不去的背景噪音,原来就是神坛上的宇宙微波背景辐射!最终彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔物理学奖。与此同时罗伯特·迪克团队与诺奖失之交臂,但是值得庆幸的是,宇宙学的研究从此开始回暖,越来越多进入大众视线之中。

  今天,当皮布尔斯教授手捧诺奖,站于诺奖台时,时光已悄然过去41个年头,恩师罗布特·迪克已在岁月的长河里与世长眠,但探寻宇宙,解开未知的火种,在经历了几十年的风雨后,已然辉亮一片天地!诺奖评语上大致这样说到:“宇宙学已经从推测性的理论研究转变成为一门相对严谨的科学学科”。

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图4:宇宙演化示意图(图片来源:维基百科)

  介绍完一些旧史,现在真正来了解一下口中的“宇宙大爆炸”。首先必须一说的是,我们几乎所有宇宙学的理论框架均建立在假设和推理的基础之上,只有被实践验证,结论才会保留下来。

  正如宇宙微波背景辐射已经很好的证明我们现在所处的宇宙来自于至少138亿年之前的一场爆炸,但是随着设备的更新,实验的新发现,理论的修正,我们所理解的爆炸可能不是简单意义上的类似我们过年放鞭炮的那种爆炸。

  我们知道19世纪末期第一代开尔文伯爵威廉·汤姆森(William Thomson)说到“物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。”谁曾想到正是20世纪的两朵乌云导致爱因斯坦相对论以及量子力学的诞生。(迈克耳逊-莫雷实验导致“以太”说破灭,黑体辐射与“紫外灾难”)

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图5:威廉·汤姆生(图片来源:百度)

  同样在20世纪或者说21世纪物理学在理论与实验上存在亟待解决的几大乌云:量子力学与引力的矛盾;暗物质和暗能量的探索;正反物质不对称的原因。当然还有其它一些乌云。但最终问题逃不开哲学上终极审问“我是谁?我从哪里来?我到哪里去?”

  20世纪天文学一系列的发现,人们将目光开始投向暗物质,暗能量的探索过程之中。1998年高红移超新星的发现,人们认识到我们的宇宙似乎在存在的前段时间,由于重力的影响,所以膨胀速度缓慢,后来暗能量超过重力,一脚踩在宇宙加速器上,宇宙加速膨胀。1997年11月和12月两只国际研究组,一支基地在美国加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室;另一支基地位于澳大利亚的斯壮罗山天文台和赛丁泉天文台。两个研究小组均对IA型超新星观测,花了大约十年时间试图验证宇宙减速膨胀,但结果表明:宇宙膨胀并非减速,反而加速进行。

  为解决热大爆炸宇宙学中的视界和平坦性等问题,1980年,美国理论科学家宇宙学家阿兰·固斯(Alan Guth)提出宇宙暴胀理论(inflation theory)。表示宇宙甚早期时,发生过暴胀。最早提出的暴胀模型存在严重的的暴胀退出机制问题,现在广泛接受和采用的的是“慢滚暴胀模型”。

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图6:阿兰·固斯(图片来源:百度)

  宇宙暴胀模型,简而言之是,tc在约等于10-35-10-32s内宇宙发生了暴胀、相变, 宇宙不按H(t)∝t1/2的规律膨胀, 而是按指数规律发生暴胀:

  关于暴胀理论的物理基础,人们是首先把真空相变从大统一中分离出来,抽象引入带自作用的标量场,也就是暴胀场(inflation)。也就是说这里的暴胀是由真空引起的。什么真空引起的?没听错,在场论中把能量密度最低的状态叫做基态或者说真空,真空并不是我们以前所理解的什么都没有。

  值得一说的是自然界是否有含自作用标量场的存在,还是不清楚,从这层意义上讲,“暴胀理论”是一种试探性研究。对照下面两幅图我们来进行进一步的理解:

  前期我们知道宇宙处于一种高温高密的状态,而与此同时宇宙处在真空场这样一种物理环境下,那么这种物理环境的影响机制在什么时候触发呢?众所周知,在爆炸的过程中温度降低,尺寸变大,必然与温度逃脱不了关系,可以用一个温度来表示这种机制的时标。也就是特征温度TCTC代表的是真假真空具有相同自由能的温度时标)。

  如何理解?

  前面我们对真空并不是什么都没有有了一定的概念,真空是具有一定能量的。在介质温度T高于TC,真空场处于真空态,能量最低,用我们简单的高中数学知识来理解,以真空场自由能为纵坐标,真空场为横坐标,其数学图像可以理解为最简单的偶函数图像,只有一个极小值点,且极值点就是坐标原点。此时标准模型仍然成立即宇宙的膨胀正比于时间的二分之一次方,不需考虑真空场的作用。

  温度趋近TC,以致等于TC时,真空自由能发生变化(它是一个温度和场的函数关系)。用量子力学来说真空自由能此时处于简并态,一个真空自由能对应两个本征真空场值,以刚刚的数学图像来理解,此时有三个相同极小值点,真空场自由能(纵坐标相同),我们称此时的状态为真假真空态。

  在T<TC,此时极小值点的纵坐标已经进一步发生变化即小于0,物理上就是说能量已经从0降至更低。学过量子力学,应对能级跃迁有一定印象,伴随着温度的变化,真空态发生跃迁,发生相变,那么就会有能量释放出来,能量便对宇宙介质做功,所以才有先前所说的宇宙迅速暴胀(像又踩了一脚油门),我们称此时的状态为真空过冷态,宇宙的总密度来自真空的贡献。

  当宇宙温度降至一定,理论表明,从过冷真空向对称破缺真空相变总要发生。随着真空态相变潜热的放出,最终气体达到热平衡。此时温度远高于相变前温度,但根据能量守恒定律,还是略低于TC,我们称此时的宇宙进行了重新加热过程。重加热之后,真空能影响又可忽略,此后的宇宙膨胀规律恢复原始即H(t)∝t1/2

  理论研究表明,真空为主持续的时间10-33s,而期间宇宙尺度因子R增大1043倍。

  那么它是怎么解决了这个视界疑难的呢,图中十分直观的告诉我们,如果没有暴胀,现今的可观测宇宙在宇宙早期比视界要大得多,因此现今宇宙的不同区域无法通过相互作用达至均匀。如果存在暴胀,现今的可观测宇宙在暴胀前其实是在同一个视界之内,其不同区域可以通过物理过程达成温度和密度的均匀。今天的可观测宇宙在暴胀过程中冲出视界,但在暴胀结束后逐渐回落到视界中,保证了的微波背景辐射的各向均匀性。

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图7(图片来源:《宇宙物理学讲义》)

  标准的宇宙模型是以两条假定为前提,第一条:把宇宙看成充满全空间的均匀,各向同性的(宇观)介质;第二条:宇宙介质的动力学行为服从广义相对论。但却面临着四个问题:“大爆炸奇点问题,视界问题,平坦性问题,磁单极问题。”

  “宇宙暴胀理论”合理的解释了后三个问题,但对奇点问题解释仍有一段距离。庆幸的是在“JBD引力理论”中的宇生模型是可以解释奇点问题。

  按照标准宇宙学来讲,我们的宇宙必定有一个开端,我们称之为奇点,其能量密度和温度无穷大。广义相对论下这种状态导致的后果则是时空曲率变得无穷大,现有物理规律全然失效。而自生宇宙模型则很好的绕开了奇点问题,它指出:宇宙起源于一个有限的爱因斯坦静态宇宙而非奇点。但是,“上帝”说了“要有光!”,它要炸啊!所以在某一时刻,在各种涨落的扰动下,静态宇宙进入暴胀阶段随后与我们现已知的大爆炸理论相衔接。这样一种看法下,可能加入了很多的主观色彩,暂且不论对错,那么随之而来的一个问题就是,爱因斯坦静态宇宙模型能否长时保持稳定状态至关重要。如果该静态模型极不稳定,易燃易爆炸,结果不言而喻。时至今日,“Jordan-Brans-Dicke(JBD)引力理论”已经很好的满足这样一个要求,它假定其物质组分均为理想流体和标量场,结果计算均表明,无论受到的扰动是否均匀,存在这样一个稳定解,能够从稳定爱因斯坦初态退出,进入暴胀阶段。

  现在我们可以按照经典理论,对宇宙大爆炸进行一个描绘:

宇宙大爆炸和放鞭炮一样吗

  图8:宇宙演化示意图(图片来源:NASA/WAP团队)

  当t趋近于0时,宇宙的温度密度趋于无穷,这便称为奇点疑难。经验表明,物理中常把无穷量是把引申到使用范围之外的后果,以下为猜测:经典宇宙是由量子宇宙转化而来,引力场与其它物质场本质上是量子的(但是目前尚未有实验表明这是事实,经典引力场量子化试探性理论很多,但是离成功还有一段距离)不难想像,如果引力场量子化成立,通过量纲分析,量子引力起的能量对应为Planck能量,对应的时间为Planck时间,约10-43s。我们今天所说的经典宇宙的膨胀便是从此刻开始,所以我们的经典宇宙可以猜测是由量子宇宙转化而来,在霍金《宇宙大爆炸》封面中便有这样一句话,“我们的宇宙是早期量子涨落的产物”。

  当t从10-43s到10-4s,宇宙温度T从1019GeV降至0.1GeV,经典宇宙处于粒子宇宙学阶段,此时的宇宙夸克,轻子等规范粒子组成,但是对于能量高于103GeV的情况,粒子物理尚未掌握,所以目前按现有研究,该阶段发生的过程有真空相变引起的暴胀,正反重子不等量的产生,冷暗物质的形成,以及最后夸克转化成强子等。这些过程的研究含有试探性,有待于粒子实验和天文观测进行验证。

  在t为10-4s时,宇宙介质完成从夸克到强子的相变,此后宇宙气体中有了质子和中子,其数密度比光子低至9至10个数量级,再往后便是原子核的合成。

  在t大于1s时,温度T降至1Mev以下,宇宙进入核物理范畴,其物理规律已十分清楚,宇宙学理论开始有了可靠基础,在t从3到30分钟之内,原初核合成,然后我们宇宙开始实现化学元素的合成,主要是氢,氦,含极少锂,铍,硼。

  在t约等于1012s,物理规律更加清晰,宇宙的化学元素由等离子态开始向中性原子进军,当温度降至以下,大约在,原子核和自由电子结合为中性原子,宇宙介质成为中性原子气体。热光子从此失去热碰撞对象,作为背景辐射光子存留下来,这就是所说的宇宙微波背景辐射。

  那么现今的宇宙结构又是如何形成?我们可以这样理解,宇宙模型只是它的零级近似,而结构形成的种子可能就是宇宙甚早期,以实物为主阶段的微小密度扰动。最早结团大约发生在10亿年左右,然后结构的面貌就开始随着时间的变化到了如今。

  宇宙浩瀚无边,探索宇宙的道路一刻也不能停止,最后以“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”共勉。

  作者简介

  杨跃斌,中国科学院大学天文与空间科学学院在学研究生 天体物理专业,研究方向为恒星。

  潘北军,中国科学院大学天文与空间科学学院在学研究生天文技术与方法专业,研究方向射电望远镜接收机的研制。

[ 责编:肖春芳 ]
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