【前沿訪談】宇宙學新進展

正見記者


【正見網2003年06月30日】

【前言】一九六六年,是人們對宇宙認識發生轉折的年代,人們發現宇宙是不斷運動,不斷發展的,而不是永恆不變。宇宙是一個活生生的事物,有開始,有發展,有未來,而不是一個機械的東西。從此,大量的科學家致力於研究宇宙的產生與發展。二十幾年前,人們開始認識到,萬有引力無法解釋星係為什麼能快速運動而不致於飛散,還認識到宇宙中能看得見,測量得到的只是宇宙物質極少的一部分。絕大部分物質科學家們還一無所知。前一段時間,科學家探測到宇宙在加速膨脹。宇宙的未來是怎樣的?人類對宇宙的研究才剛剛開始。

R:正見記者
S:史蒂文・麥爾,芝加哥大學的宇宙論學家
T:麥可・特納,天文和天文物理系系主任

對T的採訪

R:您能不能給我們談一談目前科學家對宇宙的認識?
T:在宇宙中,我們眼睛看不到的東西很多,目前,人們能通過哈伯太空鏡和地面望遠鏡看到宇宙美麗的圖象。在這些圖象里,我們看到的是星星,個體的星星,還有星系,星系是由很多億的星星組成的,我們看到星系的光是星系中眾多星星發出的光的混合。我們現在知道,星星只是這個宇宙中物質的0.5%,所以確確實實只是一小點,就像冰川上露出的一小點。目前,我們知道,絕大部分的宇宙物質是暗的,不發光的。但我們知道它的存在,因為引力的作用。

如果我們觀察宇宙,1/3是暗物質。暗物質是使宇宙凝聚在一起的東西。我們知道它的存在。因為如果沒有這個暗物質,我們的銀河系和其它的星系就會飛散開來,正是這個暗物質的凝聚力穩固了我們的銀河系和其它星系。

除了暗物質以外,還有暗能量的存在。暗能量非常神秘,令人費解,如果觀眾聽完了解釋還不理解的話,你們已經趕上研究人員的水平了,因為我們也不懂。

暗能量占宇宙的2/3,暗能量是將星系推開的力量。這種物質的引力成了斥力,它是導致宇宙膨脹的主要原因。所以,它決定著宇宙的命運。直到我們理解暗能量是什麼,我們不能解釋宇宙的命運將是怎樣的。

這非常有趣,我們遙望天空,我們能看到星星,它們占整個宇宙的0.5%,其餘的宇宙是我們看不見的,用望遠鏡也看不見。

R:你不能用任何一種方式看嗎?望遠鏡、紅外鏡、紫外鏡都看不見嗎?
T:對,我們不能直接看到暗物質,暗能量,但是我們可以從宇宙中的可見光來推論暗物質、暗能量的存在。我可以進一步展開來談談。

我們從暗物質說起吧,暗物質簡單點,容易懂。

暗物質是人們在觀察星球和星系的運動時發現的。當我們觀察星系時,我們看到星系裡的星球運動得非常快,這一點是可測量的,只要有一點點光就可以測量。可是星球運動得是如此之快,這使得人們認識到必定還存在著除星球以外的物質。因為僅僅是這些星球的物質不能使星系凝聚在一起。當我們觀察巨星系,巨星系是很多星系的集合體,我們得出的結論也是一樣的。星系彼此圍繞地運動著,這種運動是如此之快,如果不是有別的物質,巨星系無法凝成塊。

暗能量更微妙一些。它的主要影響是宇宙的膨脹。哈伯太空鏡17年前發現宇宙在膨脹。很自然的一個問題就是這種膨脹的速度在減慢呢還是在加快?事實上,人們根本沒想到膨脹可能加速。人們實際在問由於宇宙中所有物質的相互吸引,膨脹的減慢速度是怎樣的。人們要測量減慢的速度。

在1998年,兩個研究組分別發現了一個驚人的結果,那就是宇宙的膨脹在加快。這是非常非常意外的,從那以後,各種測量結果都得出了同樣的結論。

我們對宇宙膨脹的加速給了這樣的一個解釋,這個現象展示給我們有一種神秘的,叫做暗能量的東西的存在。暗能量的神秘之處在於它的重力現象不是引力而是斥力。我們真的相信暗能量的存在,它占宇宙物質的三分之二。

這是非常奇特的,一種斥力。我相信觀眾聽到我這麼說都被弄糊塗了。我得承認我們也被弄糊塗了。但是我們可以非常自信地說暗能量是存在的。我們希望能理解它。發現它的方法是用光、用星球爆炸的光來測定宇宙膨脹。如果宇宙膨脹一直加速下去,這是一種可能,一種最直觀的可能性,那麼一千億年以後會是什麼樣呢?一千億年聽起來是很長的時間,也許對中國觀眾這個時間並不長,因為中國觀眾比美國觀眾更能欣賞時間。一千億年以後絕大部份的星系都會離我們非常遠,星系的運動也會非常快,以致於我們完全看不到它們了。

我們還能看到我們自己星系的星星,但對太空人來說天空是黑的。我們自己的星系沒有被拆散。你遙望天空時,看到的是我們自己星系的星星,但太空人會非常失望。目前太空人能在一千億的星系中任意選擇去觀察。一千億年以後如果宇宙膨脹還繼續加速,太空人就只能觀測100個星系了,對研究宇宙來說就非常困難了。我想強調一點,我們並不肯定這個情況一定會發生,也有可能這種暗能量會消散、消失,以致於我們宇宙也掉回來,也有可能暗能量會消散一些,宇宙的膨脹會減緩。

總而言之,我們知道很多,但是我們能理解的很少。


對S的採訪

R:我們在各大報紙的頭版看到了宇宙嬰兒期的照片,請您跟我們談談這方面的研究。
S:這是一個人造衛星叫做WMAP作出的成果。(全名Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)。這個衛星是我們用來測量整個天空的。

R:您怎麼對這個研究感興趣的?
S:這個研究觸及到了一些根本的問題。我們在探索,宇宙是怎麼開始的,怎麼發展的,怎樣一步一步到了我們今天所身在的這樣複雜的宇宙里,是對這些根本問題的興趣。

R:就科學家現在能理解的,宇宙的年齡有多大?
S:根據WMAP最新的實驗,宇宙有137億歲了,可能誤差區在2億年左右,這是一個相當準確的測量。


WMAP太空船

WMAP太空船有六千公斤,它在地球的軌道以外飛行,這是一張圖。這兩個望遠鏡朝著兩個方向,測量天空兩個不同方向上的溫度差。它每兩分鐘轉一圈,所以,隨著時間,整個天空的不同部分都算出了這個溫度差。


這個衛星是靠Dalta 2火箭發射的,這是火箭的裡面,兩個不同的鏡子。


這是發射前的圖片,這是正在發射的圖片,它是2001年6月30日在佛羅里達發射出去的。


衛星首先在這個軌道上,圍著地球轉了3圈。這是月亮的位置,月亮走非常橢圓的軌道。我們利用月亮把衛星推出去,推到一個叫L2的太陽地球系的拉格朗極點。

太陽的位置在很左邊,一百倍於這兒的距離,這是一個地球 ─ 太陽系統中的穩定點,衛星就在這裡工作。選在這裡的原因是太陽、月亮、地球在一個方向上,所以我們不會有太陽、月亮、地球的熱量和能量的影響,它們在後邊。


這是那個太空船,你看它在自轉,兩個望遠鏡朝著兩個方向,它們轉的時候就能接受到太空中的光,這就是我們通過足夠長的時間能測量整個天空的原理。

這是太空船在觀測中的景象,它在自轉的時候,兩個望遠鏡掃過全部的天空,所以能夠測量整個的天空。它每兩分鐘自轉一次。


這是整個天空的圖象,是整個天空的投影,中間的紅線是我們自己的星系,我們星系的平面,三種顏色對應著三種頻率,天體微波的背景是黑白的背景,這些一團一團的東西是宇宙非常非常早期的結構。


這兒是紅色的,代表低頻率,星系的發光是有不同頻譜的,這是離我們鄰近的射線,其實是我們自己的星系。我們要看宇宙初期的圖片時需要把我們自己星系的部分去掉,還有些其它的星系,也是紅色的,這是離我們很近的星系,很亮。這些星體本身反映出不同的結構。

R:這就是我們在報上看到的那張照片?
S:是的,在這個照片裡,我們去掉了星系目前的發光,這樣就顯出了過去的光。它是目前宇宙嬰兒期最完美的一張照片,你能看到中間的線基本去掉了,有一點沒去乾淨的。

這張照片就是去掉當前星系的發光的太空背景,由亮度的分布組成的。這是今天我們看到的宇宙初生時的照片。

R:這都是可見的物質嗎?還是有暗物質在裡面?
我們看到的是發光的普通物質,由電子、中子、質子、光子組成的普通物質。這些東西能成為一塊一塊的原因就是因為看不見的暗物質的存在。是暗物質把它們拉到一起的。所以暗物質是一種影響,如果只有電子、質子、中子、光子這種普通物質,它們不會這樣團在一起,是暗物質把它們凝聚在那個位置的。所以暗物質是一種推論。

後記:六月二十號,《科學》雜誌出了一期「dark side」的特刊,讓讀者了解宇宙不為人知,但起著最重要作用的一面:黑洞、暗物質、暗能量等等。該期刊收集了所有關於這一方面的綜述和相關文章。在其中的一篇綜述中,普林斯頓大學的物理學家保羅斯坦哈特(Paul Steinhardt)這樣寫道:「沒有暗物質,就沒有我們人類的存在。」 人類對宇宙的知之甚少,似乎在告訴我們人類的渺小,對萬事萬物人類須有海納百川的胸懷。

添加新評論

今日頭版

天文漫談