加速膨胀

标签: 宇宙学 | 发表时间:2011-10-18 05:20 | 作者:李淼 ndv
出处:http://limiao.net

(《牛顿科学世界》)

宇宙学从上世纪六十年代成了现代科学的一部分,既有理论,也有实验(观测)。大爆炸宇宙学说先有理论,后有观测支持,这和很多物理学发现有所不同。

物理学家们最初不仅预言了一些轻元素的丰度(氢、氦、氘、锂等),还预言了微波背景辐射。后者是无所不在的温度大约为2.7K的黑体辐射,在六十年代为威尔逊和彭齐亚斯所发现。这个发现标志现代宇宙学的建立,两个发现人也因此获得1978年度诺贝尔物理学奖。微波背景辐射在九十年代初为我们再度带来惊奇:本来我们以为这最初大爆炸的遗迹是均匀各向同性的,其实还有微小的涨落,温度涨落大约是十万分之一。发现这个微小涨落的COBE卫星观测组的两位领导人马瑟和斯穆特分享了2006年度诺贝尔物理学奖。

宇宙学在1998年的发现给整个宇宙学和物理学界带来更大的震动。根据爱因斯坦的理论以及宇宙学观测,宇宙一直在膨胀,但是在做减速膨胀。减速的原因当然是因为万有引力,这就类似我们向上抛苹果,苹果向上的速度会越来越小,直至为零,再下落。1998年的发现恰恰相反,它告诉我们宇宙是加速膨胀的,也就是说,遥远的天体不但相对我们后退,后退的速度越来越大。这个发现是违背万有引力的直觉的,宇宙在大尺度上似乎有一种我们看不到的斥力在起作用,而且这个斥力在最近的数十亿年内压倒了万有引力,所以宇宙在加速膨胀。

我在去年就预言发现加速膨胀的两个小组的三个领导人会获得诺贝尔物理学奖,可惜我的预言早了一年,去年的诺奖颁给了发现石墨烯的两位物理学家。今年,在诺贝尔物理学奖公布前一天,我在博客上坚持了这个预言。果然,北京时间10月4号下午5点45分,诺奖委员会公布了这三位获奖人的名字。我在去年的博客上是这么写的:

“我觉得今年的物理学奖该奖给宇宙学和天体物理学了。四年前即2006年,物理学奖奖给了John C. Mather, George F. Smoot,这是COBE微波背景辐射实验,发现了温度涨落。八年前即2002年物理学奖奖给了Raymond Davis Jr.,Masatoshi Koshiba,Riccardo Giacconi,前两位因为太阳中微子实验获奖,Giacconi因发现X射线源获奖。Masatoshi Koshiba就是小柴昌俊,他证实了太阳中微子短缺并发现中微子振荡(在传播过程中一种中微子变成另一种)。

当然这个四年周期不是严格的,相对而言,宇宙学和天体物理获奖要少些。不过,今年物理学奖的最可能获奖者是宇宙学领域。

我觉得最值得期待的是1998年发现宇宙加速膨胀,获奖者应该是 Adam G. Riess,Brian P. Schmidt和Saul Perlmutter。一般人比较熟悉Riess和Perlmutter,Schmidt其实是高红移超新星探测小组发起人,而Riess在98年领导这个小组发现了宇宙加速膨胀。”

以上解释了我为什么会预测Perlmutter、Schmidt和Riess会获奖。有人会说,宇宙加速膨胀的发现获奖一点也不意外,因为这个发现太重要了。话虽如此,我们知道物理学中还有一些值得颁奖的工作和发现,诺奖委员会颁奖往往出人意料,所以我觉得被猜中也是一个巧合。

下面稍微谈一下两个小组做了什么事。Perlmutter是三位获奖人中最年长的,出生于1959年。他领导了“超新星宇宙学计划”,在较早的一篇发表在《自然》的论文中,这个组并没有声称发现了宇宙加速膨胀。第二年,即1998年9月份,他们在另一篇论文中收集了42颗高红移和18颗低红移IA型超新星,得出宇宙加速膨胀的结论。但他们很小心,警告读者,可能存在一些系统误差,例如宇宙尘埃吸收,使得超新星看上去比预期的更暗一些,观测结果不一定是宇宙加速膨胀的结果。

Schmidt和Riess领导了“高红移超新星探测”小组,他们都比较年轻,前者今年44岁,后者才42岁。他们在1998年3月的一篇论文中,收集了16颗高红移和34颗低红移IA型超新星,首先得出宇宙加速膨胀的结论。两个组的研究成果都归功于哈勃望远镜,因为那些超新星的精确数据都来自于这个了不起的空间望远镜。

有趣的是,Schmidt和Riess都是同一位老师Robert Kirshner的学生。Schmidt于1993年到1994年在哈佛做博士后,后来到了斯特朗洛山天文台工作。而Riess1998年在加州大学伯克利分校做博士后。我想,他们的共同老师Kirshner一定很感概,因为他自己本来有机会领导高红移超新星探测小组的。

宇宙加速膨胀的发现无疑是几十年来宇宙学和物理学最重要的发现之一,甚至没有之一。因为,这个发现不仅改变了我们对宇宙历史与命运的观念,也对宇宙学和物理学提出了最深刻的挑战。为什么宇宙是加速膨胀的?如果是某种看不见的引起斥力的暗能量,这种暗能量到底是什么?暗能量是如何起源和演化的?如果不是暗能量,是引力理论在宇宙尺度上被修改了吗?还是因为额外维的存在?

我个人倾向于暗能量理论。这种理论爱因斯坦在发明广义相对论后不久就想到了,但他很快抛弃了这个想法。爱因斯坦的暗能量是不变的,永远是一个常数。今后宇宙学观测最重要的任务之一就是对暗能量或宇宙加速膨胀是否是常数做出判断。我觉得,如果足够幸运的话,会在我们这代人的有生之年解决这个问题,而且物理学将再次发生变革。

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