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大爆炸、暗物质与宇宙的命运

时间:2020-03-26 11:28:43 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

宇宙是如何形成的?这个问题困扰了人类几千年。根据当前的宇宙物理学理论,宇宙起源于一次大爆炸宇宙的形成是目前人类面临的终极问题。科学家对大爆炸的探索有答案吗?宇宙是如何膨胀的?宇宙有可能再次爆炸吗?如何发现暗物质?人类会陷入永恒的孤独吗?关于大爆炸,你不知道的和你想知道的都在理性党新技术发布大厅的第六期上!

(左)吴保军,中国科学院黄庆国理论物理研究所科普作家,中国科学院曹真研究员(右)


宇宙真的起源于大爆炸吗?什么是证据


吴保军:宇宙是在137-138亿年前的一次大爆炸中诞生的吗?我们如何确认宇宙真的来自如此大的爆炸?

黄庆国:理论对理解宇宙非常重要一百年前,在爱因斯坦提出“广义相对论”之后,他进一步提出了宇宙学的基本原理,标志着现代宇宙学的开始。


吴保军:基本原则是什么?


黄庆国:地球是太阳系中的一颗行星,围绕太阳做近似周期性的运动太阳系是银河系中一个非常小的恒星星系如果一个系统足够复杂,一些非常简单的定律就会出现。这是现代物理学中一个非常重要的思想。


因为宇宙如此复杂,我们发现宇宙在大范围内可能是均匀的和各向同性的,这是宇宙学原理。

吴保军:同质就是同质,这和我们普通人理解的同质是一样的。各向同性意味着所有方向都是相等的,没有特定的方向。

黄庆国:宇宙学原理告诉我们,宇宙中没有特殊的点,每个点都是相等的。


当我们看到北极星时,我们将知道北方在哪里。在中国文化中,所谓的明星是永恒的。我猜基于这样一个观察事实,爱因斯坦认为宇宙是静止的,没有进化。

吴保军:爱因斯坦认为,根据恒星不动的现象,宇宙是不动的,但后来有其他证据证明他的观点是错误的。这是什么样的证据?

黄庆国:是哈勃例如,我们如何知道宇宙正在膨胀?例如,一列火车就要来了。如果这列火车来了,当它按喇叭时,它的声音会变得越来越尖锐。当它离开我们时,它的波长会变长,声音会越来越低。当哈勃观测到


时,发现由遥远的星系或星云发出的光波的波长总是朝着低的方向(较长的波长)变化,并且是系统性的。


也就是说,如果这些星系是随机运行的,它们中的一些应该离我们更近,而另一些应该离我们更远。但是哈勃观察到的(星系)都离我们很远,这表明宇宙正在膨胀。这一观察使爱因斯坦意识到他犯了一个错误。


曹颖:这是哈勃在大爆炸理论中最重要的发现和最重要的观测证据

吴保军:宇宙正在膨胀。我把时间往后推,时间在缩短。

黄庆国:大爆炸结束了

吴保军:137亿年和138亿年根据其扩张速度被推后

黄庆国:这就是为什么我们可以通过测量今天宇宙的膨胀速度来估计宇宙的年龄。


吴保军:这背后的逻辑非常强大有实验证据证明宇宙正在膨胀,所有的恒星都离我们很远。如果我们往回推,我们可以想象几十亿年前每个人都集中在一个点上。


黄庆国:所以我认为大爆炸理论是20世纪所有物理理论中最有想象力的。


宇宙是如何膨胀的?


:黄小姐刚才提到一个很重要的问题,叫做想象力让我们回到一个稍微严肃一点的话题,即科学需要想象力,但它不能不受约束。更重要的是,实验观察证据应该用来测试想象力认为的东西是否真正代表了宇宙的进化,以及是否存在这样一个观点。

从狭义相对论中,我们知道时间和空间只是四维时空的四个轴之一,这是完全等价的。它们之间只有一个光速差需要转换。只要光速乘以时间,就是距离。这是我们天文观测的一个非常重要的前沿。

进行天文观测,是为了找到最遥远的星系,最遥远的东西,这个东西叫做类星体,它有很微弱的光,但实际上是一个巨大的星系人类目前观察到的类星体在400亿年前就发光了。


这种光来自400亿光年,但宇宙的历史只有137亿年。这是什么?

吴保军:260多亿年在哪里?曹颖,

:这是宇宙学中一个非常重要的问题。

黄庆国:这是因为宇宙正在膨胀让我们来谈谈宇宙膨胀的图像,它被称为枣糕模型。面团一蒸好,大家早上吃的海绵蛋糕就膨胀了。它是一个三维的东西,三维中的每一点都是相等的,没有特殊的点。宇宙的膨胀就像一块海绵蛋糕,是头发的膨胀。

吴保军:137亿年前,宇宙是一个面团,然后均匀膨胀。现在我终于明白大爆炸和开始是相似的。当然,这种膨胀指的是宇宙自身空间和时间的膨胀

黄庆国:而且,每个空间点都在扩大大爆炸与我们通常点燃的鞭炮不同是非常重要的。鞭炮有爆炸源,但没有大爆炸。这次爆炸没有中心点。


每个人都很容易误解,认为我们说的星系或星云离我们很远,好像在说大爆炸理论认为宇宙是中心,但实际上不是我一再强调,宇宙学原理认为宇宙没有中心。


如何理解这一点?我们站在地球上,发现一切都离我们很远。同样,如果有一天我们乘宇宙飞船飞往另一个星球,我们也会看到离我们很远的所有其他星系。

吴保军:也就是说,我看见你了,你离我很远;看着我,我也离你很远——奇点不是爆炸的中心,而是一块海绵蛋糕。

黄庆国:在数学中,奇点是指一些数学量失败的地方


是宇宙大爆炸的重要证据


曹颖:还有一个问题,什么是宇宙的加速膨胀?

黄庆国:加速宇宙膨胀开始得很晚


宇宙不是空的。有些东西,比如构成人类、地球和太阳的材料。此外,还有另一种东西,光辐射,这是微波背景辐射。

微波背景辐射与大爆炸密切相关根据哈勃定律,我们知道宇宙的膨胀并将其推回。我们可以看到早期宇宙发生了大爆炸,但是还有其他证据吗?例如,当你在春节回家放鞭炮时,你会发现碎片并留下一些辐射。


可以说微波背景辐射是大爆炸的重要证据

吴保军:背景辐射是,爆炸后,大宇宙中通常会存在碎片。同时,它是一种辐射,称为微波背景辐射,表明波段是在微波波段微波波段的大爆炸碎片被称为微波背景辐射。

曹颖:随着宇宙膨胀,宇宙微波背景辐射变得非常均匀当爆炸发生时,它的温度非常高,但是当它扩展到整个宇宙时,能量下降了。

黄庆国:所以宇宙不是空的,有辐射,尽管现在温度很低


来自哪里?冷爆炸和热爆炸


黄庆国:在宇宙的早期,温度非常高,远高于太阳的温度。因此,有时我们喜欢在术语上给大爆炸加上一个属性“热”,意思是“热的大爆炸”

又热又冷。这就是我们刚才提到的通货膨胀,它与通货膨胀有关。宇宙中的这些物质来自哪里?为什么早期天气这么热?在热之前有一段寒冷期吗?

吴保军:我第一次听说大爆炸分为冷爆炸和热爆炸。

黄庆国:如前所述,我们对宇宙学的研究是基于所谓的宇宙学原理,宇宙是均匀各向同性的。但是宇宙是如此之大,数百亿光年,为什么这么大的系统是均匀的和各向同性的?

可以比作一个房间。房间里的温度在任何地方都几乎相同,因为房间里的气体分子不断地交换、碰撞,最终达到平衡,使得房间的不同部分具有相同的温度。

但是宇宙是如此之大,如果宇宙真的只有一个“热大爆炸”过程,一个宇宙可以被分成许多不相关的部分吴宝军:这就像在房子的任何角落都有一个炉子。如果你坐在这个角落,那里很热。靠窗户,没有暖气就很冷。炉子上的热量不可能在短时间内传递到窗户上,所以温度不可能均匀。

黄庆国:是的,这需要时间。如果时间足够长,房间随时随地都可以变得一样。

但是有些人已经计算并发现,这种现象不能用宇宙的热爆炸过程来解释。20世纪80年代初,有一个传奇人物叫阿兰·古斯。他指出,在热历史之前还有一段寒冷的历史。在那段时间里,宇宙膨胀得非常快。

吴保军:在热爆炸之前有过一次爆发,那段时间气温极低。

黄庆国:我们称之为“通货膨胀过程”的过程为了促进宇宙的快速膨胀,需要有一种叫做“真空能量”的东西现代物理学告诉我们,真空不是空的,真空中有东西。所以真空中的能量推动宇宙快速膨胀。

宇宙中的物质是怎么来的?就是这种能量(真空能量)不能完全稳定,会衰变,转化成其他物质,这些物质就是我们今天看到的物质,宇宙就是这样一种物质

吴保军:有人说宇宙大爆炸开始时花了三分钟。你说的是冷过程吗?

黄庆国:否冷过程只持续了非常非常短的时间,大约10到负几十秒。但是在10到负几十秒这样短的时间内,宇宙膨胀了10到几十倍。所以我们称之为通货膨胀。

普遍认为在冷爆炸后宇宙有一个再加热的过程,热膨胀从那时开始

吴保军:在随后的热爆炸之前,物质的诞生发生在重新加热宇宙的过程中。曹颖,

:他想说的是,只有在如此短或小的范围内,这些物质的交换才能达到今天的状态。就像吹气球一样,起初气球的密度是均匀的,但即使吹起来了大爆炸前的


是什么?


吴保军:大爆炸前是什么?

黄庆国:首先,我们谈论的所有科学都是实证科学。我们谈论可以被检验的科学理论。然而,我们没有办法直接观察到之前发生的事情。在我看来,这不完全是实证科学。

吴保军:根据你的说法,这等同于一个哲学问题吗?

黄庆国:许多人有许多不同的解释,其中之一就是霍金的解释。霍金的解释有点类似于中国传统的道家文化。道家认为,从无到有,一个叫做哈特-霍金宇宙波函数的量子过程描述了这样一个过程

,但这只是试图解释大爆炸前宇宙状态的许多理论之一。

曹颖:科学和哲学应该有边界科学研究是我们所知道的。科学的边界不断扩大,各种理论通过我们的积累和实验建立起来。我们知道有一个知识系统,但是这个知识系统不是静态的,它是不断变化的。知识的边界在不断扩大这一界限内的东西是明确界定的

,也就是说,首先要提出理论;其次,它可以通过实验来测试。只要它是不能通过实验来检验的东西,它就不会被提及。这个问题不属于科学范畴。我们需要对哪些问题可以问,哪些不能问有一个非常清晰的定义。在

大爆炸之前到底是什么?我没有办法做实验。一百个人可以提出一百个假设。我无法说出谁是谁非。这不是一个科学问题

黄庆国:有一个著名的物理学家叫费曼他告诉我不要问这么多为什么。如果我们能解释清楚就好了。

吴保军:这句话是否也显示了一些科学上的限制或科学上的无助?有许多问题我们暂时无法回答。这也是因为我们的实验或技术方法没有达到我们的期望。正是因为我们没有达到我们的期望,这个实验物理和理论物理的产业出现了。

黄庆国:或者从另一方面来说,问为什么仍然很重要。它能鼓励我们继续前进。

曹颖:知识是一个圆。圈子里的东西叫做知识。圈子之外的是无知,这是我们不知道的。爱因斯坦和普通人的区别在于他的圆更大,而我们的圆更小。在知识探索的过程中,我们的圈子不断扩大,我们遇到越来越多的无知的事情。这是鼓励我们积累知识和促进科学发展的动力。

黄庆国:所以从这个意义上说,从事科学研究的人将永远面对黑暗,给别人留下光明。


宇宙会再次爆炸吗?


吴保军:137亿年前发生了一次大爆炸。将来有可能再次爆炸吗?

黄庆国:有足够多富有想象力的理论家真正提出了这样一个理论,它被称为循环宇宙学。它不仅先膨胀,然后收缩,再收缩,然后膨胀再收缩,然后膨胀再收缩,然后膨胀再收缩,因此无限循环。这也是当前理论家提出的可能性之一。

吴保军:这样的理论能通过实验得到验证吗?

黄庆国:有些人想在实验中找到证据。确实有严肃的科学文章表明科学家正在做这些事情。我认为那些做理论研究的人可能和那些做实验科学的人不完全一样。他们应该保持更开放的心态。

,事实上,反过来,我一直在想这个问题。大陆板块漂移和人类从鱼类进化而来的理论难道不奇怪吗?然而,所有这些奇妙的想法最终都有可能是正确的。什么是


暗物质?


吴保军:什么是暗物质?它是如何被发现的?

曹真:关于暗物质,天文学中有一个非常简单的观测证据。是一个星系,就像我们的银河系一样,没有几个旋臂,恒星都分布在旋臂上由于整个星系的旋转,科学家可以测量星系的旋转速度,即旋臂的摆动速度,称为线速度。在

测量了线速度之后,根据一个非常简单的物理原理,叫做角动量守恒,这个旋转速度受到重力的约束,也就是说,星系的质量决定了旋转速度,而这个结果显示了一个非常恼人的问题。

吴保军:让我联系你。你是在高中还是大学学的?速度的平方除以半径等于向心加速度?这种向心力应该由星系内部的重力提供。

曹真:是的,这是一个非常简单的道理如果我们测量旋转速度,并把我们能用望远镜看到的所有恒星的质量加起来,我们会发现旋转速度(实际观察到的)比根据星系质量计算的旋转速度要快。

吴保军:快速旋转意味着恒星的向心力实际上远远大于所有恒星提供的重力

曹颖:它大约大几十倍。有一个非常严重的问题。物理定律正确吗?经过数百年物理定律的发展,每颗恒星的轨迹都可以非常精确地计算出来。我们现在发射卫星和导弹。轨迹非常精确,没有任何误差。


,所以物理定律非常精确然而,天文观测结果与实验结果不一致。差别太大了。因此,人们想象里面可能有一些我们用双筒望远镜看不到的东西。我们通常用电磁波来观察星系。光是电磁波,所以这东西不能发射电磁波。不能发射电磁波,从物理上讲,就是它不发光,不参与电磁相互作用,那么就没有办法探测到它,它是黑暗的,但是由于星系的运动,可以感觉到它的存在


它也不参与强相互作用,也不形成原子核。原子核是由强烈的相互作用形成的。这是暗物质,很难找到。

吴保军:所以当暗物质被命名时,“暗”意味着不可见曹颖,

:这个东西对宇宙学非常重要,因为它比我们现在用物理观测所能看到的多几十倍。


如何探测暗物质?


吴保军:暗物质不参与电磁相互作用,肉眼看不清楚,也不参与强相互作用。它是如何被检测和实验实现的?曹颖:有多种方法可以找到这种物质。最好的事情是我抓了一把东西并抓住了它。这被称为直接检测。


也有一种称为间接检测的间接方法例如,如果两个暗物质碰撞,可能会产生一个东西,这个东西可能会变成光。或者它自己衰变,衰变产物中可能有光,这给我们提供了一些机会。现在人们普遍认为它产生的是伽马射线。


吴保军:这是一种非常高频率的电磁波

曹颖:因此,通过电磁波,如果我们有探测伽马射线的方法,我们就可以寻找伽马射线。

那么什么是直接检测?刚才我们说过,如果暗物质是粒子,它也会产生碰撞。假设探测器中放置了一个原子或原子核,暗物质粒子无处不在。当这个暗物质粒子与原子核碰撞时,我看不到暗物质与它碰撞的过程,但是我可以看到这个原子已经被碰撞了,它会产生一个信号,这个信号可以被电磁探测器记录下来。这是暗物质探测的原理

此外,太空中充满了各种宇宙射线辐射,所以这种实验必须去一个非常深、非常深的地面,进入洞穴,以屏蔽宇宙射线,在山上,如我国的金平实验室,就在地下2000多米处

在这种环境下,你可以消除宇宙射线中的粒子,然后找到一种方法来阻挡你能想象的所有来源。把检测用的晶体放在这种环境中,没有热运动。有一天我看到它移动,这发现了暗物质的痕迹。到目前为止,还没有人见过

暗物质。根据我们的术语,它将总是与噪声背景竞争,并且背景将总是被测量。

吴保军:世界上有多少这样的实验室?曹颖,

:很多,我去过两次其中一个在加拿大,叫做SNOLAB这是一个非常著名的实验室。这是一个镍矿,钻下去2公里,乘电车“哐哐”地往下走,速度很快,然后走三公里就平进入一个巨大的实验室,这个实验室完全是现代化的另一个实验室在意大利的格兰萨索。

吴保军:这个实验室对游客开放吗?

曹颖:当然不能打开

吴保军:如果要打开,背景噪音太大。


“宇宙射线”探索宇宙起源的新途径


吴保军:什么是宇宙射线?它和暗物质有什么联系吗?

曹颖:宇宙射线实际上是各种各样的原子核较轻的单个质子、氢核、氦核、铁核和各种各样的原子核从宇宙中飘散出来

吴保军:如果这很普遍,探索或理解它有什么意义?

曹颖:首先,宇宙射线正在渗透我们的空间刚才提到的微波背景辐射有一个共同点,那就是各向同性,各种能量都有,比我们人类加速器产生的粒子能量高几千万倍。尽管这些粒子

非常普遍,但当它们的能量达到这个水平时,一个更困难的问题出现了:宇宙加速器在哪里?为什么它能把粒子加速到如此高的能量?为什么我们人类不能这样做?


我们建造了一个周长为27公里的加速管,它加速到如此高的能量。现在发现的所有上帝粒子都来自那个地方宇宙射线容易产生的能量可以通过把探测器放在地面上进行测量来探测。

宇宙射线的加速机制可能会给我们提供一个全新的概念,它成为一个前沿领域,我们称之为极高能量前沿。

吴保军:曹先生,你是拉索项目的负责人。套索与宇宙射线有关吗?曹颖,

:我们的宇宙线实验是在青藏高原上进行的我们希望有一个尽可能与西藏和拉萨相关的名字。我们需要能够谐音。这是套索的来源。结果,我碰巧遇到一个藏语感叹词,叫做“套索”,意思是“好”它被用来探索宇宙的起源。探索宇宙起源的方法是什么?是探测最高能量的伽马射线我们期望的是找到PeV的伽马射线

宇宙充满了2.7K微波背景辐射,这是光子,非常低能量的光子如此高能的PeV光子将与低能光子碰撞那些没有碰撞和逃脱的幸存者是我们想要观察的。

如果能找到它们,就能追踪到源头。就这样,宇宙射线的来源被发现了。

吴保军:套索看起来像什么?我们的快餐是一个大锅饭。这家伙是个大块头还是什么?

曹颖:这是一个大网络,一个大阵列这个阵列是一个直径约为1.3公里的圆盘FAST直径为500米,拉索更大。它有四个主要的探测器。

吴保军:宇宙射线和暗物质之间有什么关系?曹颖,

:对我们来说,探测暗物质的一种更有效的间接方法是用强烈的伽马射线辐射来观察特别黑暗的东西。如果拉索是一个好的伽马射线探测器,看看拉索看到的星星里是否有这样的东西。

也不能漫天找,还是要有点头绪这条线索是宇宙学研究中一个特殊的东西,叫做矮星系。


矮星系是什么意思?在天文学中,高度和高度指的是它的亮度。矮星系表明它们极其黑暗,但是它们的质量非常大。它发出的光很少,强度也很小。

如果人们能在矮星系中发现一些特殊的伽马射线,这是令人惊奇的。你看,它发出很少的物质,发光强度很小,质量很大,然后有一点伽马射线,这是暗物质。

吴保军:拉索有可能找到外星人存在的证据吗?

曹颖:这不太可能因为这是一个探测装置,是一个探测器,从那里探测到的信号只是接收特别是对于像拉索这样的探测器来说,它们测量到的信号能量太高,至少不是正常人类生活的信号。因此,它不应该被定义为外星探测器人类会陷入永恒的孤独吗?


吴保军:刚才我们说宇宙正在膨胀,我们观察到的恒星离我们很远。这是否意味着我们人类变得越来越孤独?其他星球离我们很远,也就是说,其他文明离我们很远。你觉得这个怎么样?

黄庆国:这确实是一个包括科学家在内的许多人都关心的问题一个更深刻的问题是我们知道热力学第二定律,这意味着系统中的混沌程度总是在增加。从学术角度来说,熵正在增加。到目前为止,我们还没有看到任何违反这一定律的实验。这将给我们一个更加悲观的宇宙观,也就是说,宇宙最终将变成一团混沌,一无所有。它会达到一个熵极高的状态,而什么都没有。曹颖,

:将人类与宇宙的扩张联系起来的尺度太大,实际上并不直接。人类在地球的太阳系中,而太阳系在银河系中。与人类的概念相比,这样一个系统足够大。


然后谈论星系之间的持续膨胀,这在星系中实际上没有感觉到科学家正在寻找的所谓地外文明或地外行星实际上位于银河系的圆圈中。


至少在人类短暂的历史中不会改变。至于地球要飞得更远,这件事与人类的孤独无关

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