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用中學生能聽懂的語言講2019諾貝爾物理獎(上):宇宙從哪里來,到哪里去?

返樸 2019-10-15

  10月8日,諾貝爾物理學獎的一半授予James Peebles,獎勵他在物理宇宙學方面的理論發現。Peebles 提出了嚴謹的數學模型和物理理論,描述和解釋大爆炸之后宇宙的演化,這些理論模型與實驗觀測很好地吻合,使得宇宙學從描述性、猜測性的學科,轉變為可預測、可驗證的精準科學。

  加州州立大學舊金山分校物理與天文系的滿威寧教授贊嘆道:包括 Peebles 在內的人類兩千年科學史上那些智慧又勤奮的靈魂幫助我們在短暫的生命中看到了那么遙遠的過去和未來。今天,她希望用通俗有趣又嚴謹的科普讓更多人領略這份科學之美,了解我們的宇宙從哪里來,會到哪里去。

  撰文 |滿威寧(加州州立大學舊金山分校物理與天文系終身教授)

  又到了每年10月盡可能通俗地給大家介紹諾貝爾物理學獎的時間。我希望盡量用貼近中學物理的語言,講清楚這些得諾貝爾物理學獎的工作做了什么,為什么要做,怎么做的,有什么結果和展望。

  2019年諾貝爾物理學獎一半頒給美國普林斯頓大學的詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles),“獎勵他在物理宇宙學的理論發現”,另一半則共同授予了瑞士天文學家米歇爾·馬約爾(Michel Mayor)和 迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)師徒,以獎勵他們“發現太陽系之外別的恒星的行星”。

  這是非常特殊的一年,因為這兩項工作涉及的領域相距甚遠,一個研究浩瀚宇宙的發展歷史,一個尋找太陽系外的行星,宇宙物理學和天文物理其實是完全不同的兩個學科。雖然這樣的組合十分罕見,但關于獲獎原因的致辭還是可以合并在這一句里面:以獎勵他們“為人類對宇宙演化和地球在宇宙中的位置的理解做出的貢獻”。

  是的,重要的是這兩項工作深刻地改變了人類對宇宙的認知。

  我們是誰?我們從哪里來?我們會到哪里去?幾乎所有哲學分支,都會關注這些本源問題。

  更進一步,我們的宇宙從哪里來,我們的宇宙會到哪里去?恐怕也是任何好奇的靈魂都很關注的問題。

  科學家們在100年前發現,從地球上觀測到的遙遠星系的光譜發生了紅移(頻率變低了),這意味著星系正在遠離我們而去。1916年愛因斯坦提出廣義相對論,徹底改變了人們對時間和空間的理解,顛覆了之前認為宇宙是靜態的,宇宙亙古不變的觀念。1929年美國天文學家哈勃證實:離我們越遠的星系正在以越快的速度遠離我們,說明整個宇宙空間在膨脹,現代宇宙學開始萌芽。

  這篇科普由于篇幅過長,涉及的領域過多,我把它分作上下兩篇,上篇介紹宇宙的起源和演化,下篇介紹如何尋找太陽系外行星以及找到了什么。

  

  中間坐立著的是James Peebles。 | 圖片來源:Princeton University

  我們先來講講皮布爾斯,他對宇宙學理論的貢獻是如此廣泛,以至于一時之間人們都很難說清楚到底是哪一項或者哪幾項具體的工作為他贏得了諾貝爾獎。

  與他類似的還有一位普林斯頓已故的大師約翰·惠勒(John Wheeler,1911-2008),他揭示了核裂變機制,把廣義相對論廣泛地引入物理學,創造了黑洞、蟲洞、多重世界等詞匯和概念,是很多諾貝爾獎獲得者(比如理查德·費曼)的導師或同事。但是諾貝爾科學獎習慣針對具體單個的獨立原創性項目頒獎(比如說愛因斯坦是因為發現光電效應原理得諾貝爾獎),更類似于某個影片的最佳導演或主演獎,而不是終身成就獎。所以關于諾貝爾獎,像惠勒這樣在很多方面有巨大貢獻的大師,在生前反而不像因某一個偶然的特殊工作而得獎的人那么幸運,比如因學生期間跟隨導師熱拉爾·穆魯(Gérard Mourou)一同發明激光啁啾脈沖放大技術而在2018年得諾獎的唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland)。如果惠勒活到今年,或許不一樣, 因為皮布爾斯這個獎開始有了點終身成就獎的意味。

  諾獎官網致辭是這樣表述的:“詹姆斯·皮布爾斯對物理宇宙學的見解豐富了整個研究領域,并為過去五十年來宇宙學從推測到科學的轉變奠定了基礎。他的理論框架自1960年代中期開始發展起來,是我們當代關于宇宙的思想的基礎。”

  皮布爾斯最重要的貢獻是,他在理論方面的研究推動宇宙學從一種經驗的描述性的學科發展成了精確的可以驗證、可以預測的科學。有一句話叫作,“凡是沒有任何辦法證偽的命題不能夠稱作科學命題”。意思就是說科學在本質上有可驗證性和可預測性。如果一種理論永遠沒有辦法驗證或者證偽,那還不能算本質的科學,只能算一種假說。

  

  哈勃望遠鏡拍攝圖,圖中幾乎每一個光斑都是一個遙遠的星系。| 圖片來源:NASA, ESA, and M. Postman and D. Coe (STScI) and CLASH Team

  既然觀測到宇宙在膨脹,按照時間朝前推演,宇宙就應該是一個物質更密集、能量更密集的宇宙。哈勃望遠鏡等可以讓我們看到百億光年外遙遠的星系,這意味著我們接收到的那些星系的光信號來自百億年之前,也就是當我們往宇宙深處觀測,我們看到的是很久以前的更年輕的宇宙,它確實更致密,也更熾熱。基于愛因斯坦的廣義相對論在時間軸上朝前推演,科學家對宇宙起源提出了宇宙大爆炸理論(The Big Bang)。在皮布爾斯六十年代開始這個領域的研究時,宇宙大爆炸還是一個沒有多少證據支持的理論,研究宇宙學模型的人也非常少。皮布爾斯的工作對這一理論的發展做出了卓越的貢獻。

  

  宇宙演化示意圖。| 圖片來源:Wikipedia

  接下來我們將詳細討論這些問題:

  什么是宇宙大爆炸理論?

  在大爆炸之前宇宙是什么呢?

  在大爆炸之后具體發生了什么?

  宇宙大爆炸理論有哪些實驗證據?

  一些仍待解決的問題和宇宙的未來

  什么是宇宙大爆炸理論?

  宇宙大爆炸理論是描述宇宙的源起與演化的理論模型,這一模型理論上是基于愛因斯坦的廣義相對論,并得到當今科學實驗觀測最廣泛最精確的支持 。通過廣義相對論將宇宙的膨脹進行時間反推,則可得出宇宙在距今約138億年前,起始于一個密度極大且溫度極高的太初狀態(奇點),在膨脹和冷卻的過程中,重子、原子核、原子等等開始形成。在宇宙大爆炸后38萬年,宇宙變得透明,電磁波(光)得以穿越太空,隨著宇宙的膨脹和冷卻,那些古老的電磁輻射演化成微波背景存在于整個宇宙,蘊含著早期宇宙的大量信息。繼續膨脹和冷卻的宇宙,慢慢演化出星云、恒星、星系等可觀測天體結構,而宇宙誕生初期原初核合成產生的輕元素原子核的豐度(相對比例)卻保留下來。皮布爾斯發明的理論工具和計算方法能夠解釋這些宇宙初期開始、到現在仍能觀測到的痕跡(微波背景輻射,輕元素豐度等),并發現新的物理過程。

  

  宇宙大爆炸和演化的示意圖,圖中從左到右是時間前進的方向,與時間軸垂直的維度代表宇宙持續膨脹的空間。| 圖片來源:NASA

  在大爆炸之前宇宙是什么呢?

  經常有人問,如果宇宙始于大爆炸,那么在大爆炸之前宇宙是什么呢?

  大爆炸這個起始點是我們現在這個宇宙的時間和空間的起點。之所以有人會問,在這之前是什么,那是因為人們習慣了日常經驗給予我們的時空觀念。

  比如說,如果我是在平原上生活的螞蟻人。我能夠根據太陽分辨東南西北方向,我看到大地向東南西北4個方向延伸,我對空間的概念就是一個無限延伸的平面。如果有人跟我說地球存在一個北極,我會覺得很納悶,我會問:“我們一直往北走,往北走,走到北極點再往北走又會是什么呢?”

  由于你現在對空間的認識不再是一個四面八方無限延伸的平面,你能夠想象三維的空間,也知道地球是球形。所以你會告訴我:“空間并不是在四面八方無限延伸的平面,在這個地球的表面一直往北走,往北走,走到北極點之后就沒有辦法再往北走了,因為在那個北極點,無論怎樣邁出任何一小步,你都是在往南走。” 這些對現代人來說很好理解,可對于認為空間是無限延伸平面的螞蟻人來說是很難想象的。

  類似螞蟻人習慣了平面空間東南西北方向的無限延伸,我們習慣地以為時間是可以在過去和未來兩個方向無限延伸的,所以我們很難想象我們的宇宙的時間有一個起點,倒退到那個起點再往前,沒有辦法再往前,(就像北極點),因為我們的宇宙的時間就是從那里開始的。

  那是約138億年以前,那個起點,就是我們宇宙大爆炸發生的時刻。

  在大爆炸之后具體發生了什么?

  從大爆炸的時間點開始,高密度高溫高壓的宇宙發生了非常快速的膨脹和冷卻。大約在膨脹進行到10-37秒時,宇宙發生了呈指數增長的暴脹。在10-33至10-32秒暴脹結束,稍微冷卻的宇宙出現了夸克等基本粒子。此時的宇宙仍然非常熾熱,粒子都在高速隨機地運動碰撞,而粒子-反粒子在碰撞中不斷地產生和湮滅。

  隨著宇宙的持續膨脹和冷卻,宇宙溫度降低到不能隨機產生新的粒子-反粒子對,高能粒子物理實驗室研究完全能夠企及宇宙這個階段的溫度所對應的粒子能量,所以人們對這個時間再往后的宇宙演化過程比最初的暴脹過程有更準確得多的把握。此時所有粒子-反粒子繼續成對湮滅,形成大量光子(電磁波),由于粒子數目略多于反粒子數目(原因尚未明),保留的幾乎都是正粒子(比如質子、中子和電子),而且速度顯著低于光速,而此時的宇宙能量密度的主要貢獻來自正反粒子湮滅產生的大量光子(少部分來自中微子)。

  在大爆炸發生的幾分鐘后,宇宙的溫度降低到大約十億開爾文的量級,一些減速的質子和中子開始結合成比氫原子核(一個質子)更復雜的原子核(比如氘和氦的原子核)。

  在大爆炸大約38萬年之后,在繼續膨脹和冷卻的宇宙內,電子和原子核開始結合成為原子(主要是氫原子)。宇宙開始變得透明,因為光子(電磁波)得以相對自由地傳播(而不是被電子和質子吸收散射)。產生于宇宙大約38萬歲時的電磁波輻射一直在宇宙中傳播,它們的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射。從今天這些光子的能量中,可以推斷出早期宇宙的溫度下限、密度和能量分布等信息。

  聽起來很玄,其實可以慢慢理解。比如說大家都能想象冰融化的過程:隨著溫度的升高,固體分子攜帶的熱運動能量增加,直到這些單個分子的能量大到可以掙脫分子間晶格作用力的束縛,固體就熔化成液體。溫度繼續升高,超過沸點,分子能量大到可以徹底擺脫其余分子,于是沸騰成為自由的氣態。當溫度高達幾千度,粒子熱運動的能量就可以撕裂原子,產生等離子體(比如在地球大氣層離地幾百到一千公里的電離層)。而隨著溫度繼續升高,原子核和電子之間的束縛會被打破,十億度以上溫度對應的能量則可以把原子核拆開。溫度再高,質子中子也不能穩定存在,等等。

  所以你能夠想象在宇宙大爆炸初期溫度高于1016度, kT能量遠高于 1T(1012)電子伏特的時候,不存在我們所了解的物質。溫度越高,能量密度越大,越能打破萬有引力、電磁力、強核力、弱核力等的層層束縛,瓦解一切。這樣的過程反過來,或許你就能想象和理解在宇宙逐步膨脹降溫的過程中,我們熟悉的物質是怎樣得以產生的。

  

  宇宙從大爆炸逐漸演化到今天的歷史。| 圖片來源:NASA

  隨著宇宙繼續膨脹和冷卻,宇宙能量密度主要來自靜止質量產生的萬有引力的貢獻,并超過原先光子(電磁波)形式的能量密度。宇宙早期略微不均勻的密度差異會逐漸擴大,因密度稍大的區域有更強的萬有引力吸引附近的物質,這些區域的密度會進一步增大,經過漫長的演化,最終形成了星云、恒星、星系等我們觀測到的宇宙結構。最早的恒星在宇宙兩億到四億歲左右時誕生,而我們太陽系誕生在46億年前,也就是大爆炸后大概92億年左右。

  宇宙大爆炸理論的實驗證據

  為什么科學家對于宇宙大爆炸理論普遍接受,而且能夠繪聲繪色地講述這么多細節呢?

  前面我們提到過,以皮布爾斯為代表的科學家們從理論上奠定了物理宇宙學的基礎,提出了嚴謹的數學模型和物理理論來描述和解釋大爆炸之后宇宙的演化,最重要的是這些理論模型在以下幾個方面與人們觀測到的實驗結果很好地吻合,使得宇宙學從描述性、猜測性的學科,變成了可預測、可驗證的精準的科學。

  1、宇宙年齡

  不同的方法獨立測量和推算出的宇宙年齡(大爆炸至今的時間間隔)吻合得很好。對宇宙背景輻射的測量給出了宇宙的冷卻時間,而對宇宙膨脹率的測量也可以通過向前推演來計算其近似年齡。包括普朗克航天器、威爾金森微波各向異性探針和其他系統對宇宙微波背景輻射及其溫度波動的測量,還有使用 Ia 型超新星進行的宇宙膨脹測量等等,取得很統一的結果。現在公認的宇宙年齡可以被界定在 137.9億年±0.2億年的范圍內。

  2、哈勃紅移

  哈勃紅移就是我們前面提到過的,在地球上觀測到的來自遙遠星系的光譜全都發生了紅移(頻率變低),而且距離我們越遠的星系紅移越嚴重,這意味著它們離我們遠去的速度越快,速度與距離的比值叫哈勃常數。這并不是因為我們是宇宙的中心,在宇宙中不同的觀測點(并不是某一個特殊的中心)都會觀察到距離越遠的星系以更快速度遠離這樣的現象,所以這是整個宇宙空間本身在膨脹。我們可以想象,一個加了葡萄干的面包胚在烤箱內膨脹的過程,整個空間在膨脹,葡萄干與葡萄干之間的距離在增加,相距越遠的葡萄干之間的距離增加得越快。宇宙大爆炸的理論模型首先就是基于觀測到的哈勃紅移建立的。對哈勃常數的廣泛測量為宇宙大爆炸理論提供了強有力的佐證。

  3、宇宙微波背景的存在與結構

  宇宙微波背景(CMB)是非常微弱的宇宙本底輻射,充滿了整個空間,幾乎各向同性,與任何恒星、星系或者其他物體都無關 。1964年美國射電天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發現了宇宙微波背景輻射,他們也因此得到1978年的諾貝爾物理學獎,但一開始他們不知道這些無處不在的微波是什么。

  

  實測的宇宙微波背景圖。| 圖片來源:Planck Collaboration

  皮布爾斯和其他科學家一起,意識到這種無處不在的宇宙微波背景是宇宙大爆炸的遺跡。它遵守黑體輻射規律,所對應的峰值頻率是60G赫茲,而峰值波長在一毫米左右,每個光子攜帶的能量對應的溫度是2.7卡爾文,也就是在絕對零度之上2.7度左右。

  前面提到在大爆炸之后38萬年左右,宇宙冷卻到質子和電子可以結合形成中性氫原子。光子(電磁波)才可以開始穿越空間,而不是被宇宙間充滿的電荷(質子和電子)散射。那時宇宙對電磁波來說開始變得透明,那時的電磁波直到現在還一直在傳播,卻因為宇宙空間的膨脹,導致波長隨著時間增加。據普朗克關系,波長與能量成反比;根據玻爾茲曼關系,能量與溫度成正比。所以這些電磁波,對應的波長越來越長,能量和頻率越來越低,溫度越來越低,成為宇宙間無處不在的微波背景。

  包括皮布爾斯在內的科學家建立的嚴謹的理論模型,不僅吻合宇宙微波背景輻射存在的事實,也能夠解釋在幾乎各向同性的宇宙背景輻射中存在的微弱各向異性的結構。

  4、氫和氦等輕元素的豐度

  在1966年皮布爾斯意識到宇宙背景輻射代表的溫度提供了大爆炸之后創造出多少物質的信息,他結合了粒子物理理論和宇宙背景輻射數據中得到的物質和光子(輻射能量)的比例,首次對大爆炸之后合成的不同原子核的豐度(所占比例)進行了嚴謹計算。

  在大爆炸三分鐘后,當宇宙降溫至足以形成穩定的質子和中子,發生了原初核合成,只有一個質子的氫原子核最常見。在宇宙溫度降低到十億開爾文下(kT能量大約十萬電子伏特),氘核(一個質子一個中子)開始可以穩定存在,氦核開始形成。我們初中開始背的元素周期表的最前幾位,氫、氦、鋰、鈹以及它們的同位素的原子核就是那時候形成的。這個原初核合成過程是普遍的,充斥整個熾熱的宇宙。

  但這個過程只持續了十幾分鐘,此后宇宙的溫度和密度已經不再滿足核聚變發生的條件,所以沒有比鈹重的原子核生成。宇宙間元素周期表最前幾位的輕元素的豐度(質量或數目的相對比例)就從那個時候開始傳承下來。

  皮布爾斯等科學家通過嚴格的理論推導,考慮早期宇宙光子與重子的比例、早期宇宙溫度與速度隨時間快速變化的模型、核聚變發生的能量條件(也就是溫度條件),推算出原初核合成時候75%的質量是氫,25%的質量是氦,0.01%是氘,和極其微量(10-10)的鋰。現在觀測到的宇宙中氫和氦元素豐度與理論數值的吻合是大爆炸理論的有力證據之一。

  或許你會納悶,那么那些重元素怎么來的,又在哪呢?比如我們所熟知的世界:地球90%左右的質量是氧、硅、鋁和鐵啊。

  原來在宇宙中,氫、氦之外的物質是如此如此之少。原初核合成之后,在極端條件下,比如恒星內部還有核聚變制造出新元素(更重的原子核),有些后來成為了構成行星的材料(比如地球上的氧、硅、鋁、鐵),但是所有的重元素總量是如此之小,并沒有明顯改變宇宙中前幾種輕元素的豐度。

  比如說太陽系的幾大行星里面,只有4顆巖石星體(水星、金星、地球、火星),其中地球是最大的,但它也仍然只有太陽質量的33萬分之一。太陽系內的巨型星,比如木星和土星,90%的質量是氫。另外雖然木星質量是地球的318倍,比起太陽還是小一千倍。整個太陽系幾乎所有的質量都集中在太陽上,而太陽的質量71%是氫,27%是氦。我們現在整個宇宙內的元素中,氫占75%,氦約占24%,其余元素之和約占百分之一,與原初核合成模型的解釋吻合得很好。另一方面,結合那些重原子核之間的相對豐度與我們熟知的重核核反應條件,科學家對理解此后宇宙內恒星和星系的演化也提供了信息和證據。

  5、星系分布中的大尺度結構

  宇宙中的大尺度結構(Large-scale structure)是指宇宙間質量和光在大范圍內(比如上億光年的尺寸)的分布結構。

  浩瀚的銀河系的直徑有約十六萬光年。數百上千個星系(galaxy)之間因為引力束縛組成星系群,再組成星系團(galaxy clusters)。銀河系和仙女座星系等幾十個星系組成本星系群(the Local Group)。兩千多個星系組成的室女座星系團距離我們五千多萬光年,其中M87星系的中心就是之前人類首張黑洞照片的拍攝對象。本星系群所屬的本星系團和室女座星系團又都屬于更大的一層結構:直徑一億光年的室女座超星系團(Virgo Supercluster)。

  

  

  

  

  

  

  

  

  從地球到可觀測宇宙。| 圖片來源:Andrew Z. Colvin/Wikipedia Commons

  超星系團又可以形成更大尺度的“巨墻”(Great Wall)。星系群、星系團、超星系團和巨墻之間被不同尺度的空洞分開, 所以宇宙的大尺度結構被描述成是纖維狀或泡狀。

  

  纖維狀宇宙大尺度結構。圖中橙色區域表示星系團和纖維結構密度更高的區域。| 圖片來源:Sloan Digital Sky Survey

  宇宙微波背景是我們宇宙中“最古老的光”,一直傳播至今,它攜帶的信息揭示出早期宇宙不同方位的微小的溫度漲落,那是后來演化成宇宙大尺寸結構的種子。皮布爾斯是上世紀70年代提出宇宙結構形成理論的先驅,該理論描述了宇宙早期微小的局部密度和溫度差異如何在宇宙膨脹的過程中形成了當今可觀測的宇宙大尺度結構。他貢獻的Lambda 冷暗物質理論(ΛCDM)認為,宇宙結構是分層增長的,小的結構首先在其自身萬有引力的作用下坍塌,然后合并成連續的分層結構,形成更大更重的結構。這個模型預測與宇宙學大規模結構的觀測結果總體上是一致的。

  仍待解決的問題和宇宙的未來

  皮布爾斯恰恰在以上好幾個實證大爆炸理論的領域都有卓越的貢獻,所以說他推動了宇宙學從經驗的描述性的學科發展成了嚴謹定量可驗證的科學。他卻謙虛地表示,他的成就得益于很多同行,包括一些前蘇聯科學家的貢獻。

  被各方面實驗結果最廣泛、最精確地支持的宇宙大爆炸模型已經成為科學界的共識,但仍然有一些沒有解決的問題。我們知道得越多,接觸到的未知和不確定也就越多。

  比如說,前面提到暗物質,暗物質是在宇宙中被廣泛觀測到的參與萬有引力作用的強大的質量,也是解釋宇宙大尺度結構和氦、氘等相對豐度的理論模型中不可缺少的部分。它們不是我們熟知的常規物質,與質子、中子、電子等不同,它們完全不參與任何電磁相互作用,所以被稱為暗物質。比如說在銀河系內部,提供的引力強到足以拉住銀河系外圍高速旋轉的星體使其不飛出銀河系的質量,遠遠大于銀河系中心黑洞的質量,也遠遠大于銀河系內部各種星體的質量之和。這些存在并提供萬有引力的物質不發光,不參與任何電磁相互作用,它們在宇宙中大量分布,還會扭曲星系射向地球的光線,形成透鏡的效果,俗稱引力透鏡。這樣的暗物質在現在的整個宇宙中占26.8%,而我們熟知的常規物質只占4.9%左右。可是由于暗物質不參與電磁相互作用,實驗中還從來沒有捕獲或發現過暗物質粒子,它們到底是什么還是個謎。

  

  宇宙現在的成分和宇宙38萬歲時的成分。| 圖片來源:NASA

  再比如說,上個世紀90年代人們才開始在觀測中確認,宇宙不僅是在膨脹,而且是在加速膨脹(2011年諾貝爾獎),現階段將宇宙加速膨脹的原因歸結為愛因斯坦方程的一個正的宇宙常數或者“真空能量密度”,根據質量和能量等價的原理,這意味著現在宇宙68.3%的質量或者能量是這種導致宇宙加速膨脹的能量,我們稱其為暗能量,但我們對暗能量是什么還知之甚少。

  另外,宇宙的命運取決于宇宙的曲率和宇宙的密度。盡管宇宙微波背景各向異性探測實驗結果證明宇宙是平坦的(不是封閉或者開放的),誤差只有0.4% 。迄今為止,基于對宇宙膨脹率和質量密度的大量測量結果支持一個將無限膨脹直到最終“大凍結”的宇宙。但科學界對于宇宙的未來仍然沒有絕對定論。

  有可能持續的加速膨脹會導致宇宙冷卻,逐漸接近絕對零溫度。在這種情況下,預計在1萬億到100萬億年之后,新的恒星將不會再形成,當已有恒星燃料耗盡并停止發光時,宇宙將逐漸變暗,稱為大凍結。也有可能暗能量的加速膨脹效應增強,最終導致大到恒星、小到原子都被拆散的“大撕裂”。膨脹的宇宙最終會逆轉的“大收縮”的可能性也沒有被完全否定。另外,也還有一點可能宇宙會經歷從膨脹到收縮回一個奇點,到再次大爆炸的循環過程。我們說過,任何沒有被實驗觀測證實的都只能稱作理論假說。

  當然,相對于太陽系年齡46億年和靈長類動物百萬年的短暫歷史,宇宙在未來百億或萬億年后的命運實在是太遙遠了。古人嘲笑杞人憂天,哪里知道我們的宇宙不是亙古不變的。其實不忙擔心宇宙的命運,太陽系內行星的命運更加明確得多,也近得多。根據恒星演化的歷史,我們知道,從現在起的11億年內,太陽將比今天亮10%,地球將熱得很難居住。35億年內,太陽將比現在明亮40%。海洋會沸騰,大氣中的所有水蒸氣都將流失到太空,地球將成為另一個又熱又干、沒有生命的金星。大約54億年之后,太陽將耗盡其核聚變的原料氫,從主序星中消失,成為一顆吞噬水星和金星的紅巨星,再往后會成為一顆經歷萬億年再黯淡下去的白矮星。(太陽質量不夠成為一個超新星。)

  但畢竟那是幾十億年以后的事了,越是了解浩瀚的星空和宇宙,越能體會人類的渺小。人類短暫的歷史恐怕只是宇宙長河中微不足道的一點小浪花。

  莊子說,“井蛙不可以語于海者,拘于虛也;夏蟲不可以語于冰者,篤于時也。”感謝人類兩千年科學史上那些智慧的靈魂,包括今年的諾獎獲得者皮布爾斯,他們幫我們這些“夏蟲”在短暫的生命中看到了那么遙遠的過去和未來,深刻地改變了人類對宇宙、對世界的認識。

  吾生也有涯,而知也無涯。皮布爾斯說:”每每想到自然是按照我們可以發現的規則運作的,我就覺得無比神奇。” 他對年輕學者說:“We’re in this for the joy of research, the fascination, the love of science…”(我們做這些是為了研究的喜悅,那些迷戀,和對科學的熱愛……)

  雖然皮布爾斯在筆者進入普林斯頓大學物理系學習的時候名義上已退休,但他在那之后很長時間一直在活躍地工作,筆者也有幸與他有過短暫的接觸。確實“他既體現了普林斯頓大學在物理學、宇宙學和引力學方面進行杰出、開創性研究的傳統,又體現了該大學致力于將最優秀的學者投入課堂的承諾。” 正是這些智慧的靈魂鼓舞著我們在科學的道路上“以有涯隨無涯”地探索。

  “我們是誰?我們從哪里來,我們要到哪里去?” 或許這篇文章可以幫助你稍微了解一點點宇宙從哪里來,接下來在下一篇我會更加接地氣,從地球出發,詳細介紹科學家們如何尋找太陽系外行星的具體方法,以及已經尋找到了什么。“我們是誰,我們在哪里? ”我們太陽系,我們地球是特別的嗎?是獨一無二的嗎?

  作者介紹

  滿威寧,博士,本科畢業于吉林大學少年班,博士畢業于普林斯頓大學物理系,在普林斯頓大學和紐約大學從事博士后工作。現任加州州立大學舊金山分校物理與天文系終身教授,她帶領的科研團隊從事軟凝聚態物理、無序材料、準晶、光子能隙及非線性光學的研究。歡迎關注她的個人科普微信公眾號mv0 (數字零)。

  參考文獻

  [1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/press-release/

  [2] https://www.quantamagazine.org/nobel-prize-in-physics-to-james-peebles-michel-mayor-and-didier-queloz-20191008/

  [3] A Briefer History of Time, By Stephen Hawking, Leonard Mlodinow

  [4] Principles of physical cosmology by James Peebles, Princeton University Press

  [5] Large-Scale Structure of the Universe by James Peebles, Princeton University Press

  [6] Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results. The Astrophysical Journal Supplement. 2013, 208 (2): 20.

  [7] Wollack, Edward J. Cosmology: The Study of the Universe. Universe 101: Big Bang Theory. NASA.

  [8] https://www.princeton.edu/news/2019/10/08/joy-ride-career-peebles-wins-nobel-prize-physics-tackling-big-questions-about

  [9] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2006/summary/

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責任編輯:王超

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