宇宙膨脹，到底是什么東西在膨脹？

lylla 2020-07-17

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21世紀(jì)的物理學(xué)上空有兩朵烏云，暗物質(zhì)與暗能量。

今天跟大家一起探討目前科學(xué)的發(fā)展對于暗能量、暗物質(zhì)前沿是怎樣去研究的，當(dāng)下遇到的問題是什么，未來的機遇在哪里？

一、如何研究宇宙？

1、研究宇宙的基本認(rèn)知

宇宙是什么？

漢代《淮南子·齊俗》下了非常好的定義，“四方上下謂之宇，往古今來謂之宙”。簡單說，“宇”是空間，“宙”是時間。

研究宇宙就是研究時間和空間，研究時空的本質(zhì)。

首先要明確一個概念：光年。光年這個單位看起來像時間單位，其實是一個距離單位，即光走一年的距離，1光年等于94600億公里。

在宇宙大尺度研究中，我們要慢慢習(xí)慣，當(dāng)看到宇宙深處的時候，其實看到的是過去，因為光子需要一定的時間從遙遠(yuǎn)的地方傳播過來，看到的光子是過去的光子。

我經(jīng)常說，雖然科學(xué)每天在往前推進、面向未來，但天文研究是“時光匆匆流去，我只在乎你的過去！”

我們看到的是過去，通過對宇宙過去的演化、分析，建立正確的理論，然后把這個理論外推，推到未來。

2、研究方法：多重宇宙探針

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我們已經(jīng)建立了一整套方法來探索宇宙，這種方法通常叫做探針。

今天你能看到我，是因為可見光，你看到了在可見光波段的光子，在你的腦海里形成了我的形象。這是在日常生活中用可見光的波段作為探針。

研究宇宙可以用可見光，也可以用光子的其他波段。

（1）宇宙微波背景輻射

今天的宇宙來自于138億年左右的一次大爆炸，大爆炸的余暉形成了黑體的背景輻射。

在宇宙天空中不同的角度、不同的朝向，測量背景輻射的溫度大概都接近2.73K（K：開爾文，熱力學(xué)溫標(biāo)。0K=-273.15℃），溫度比較均衡，但是有一些特征。這些特征實際上包含了豐富的宇宙的信息。

宇宙微波背景輻射被稱為探索嬰兒宇宙的利器。

從今天看早期的宇宙，研究宇宙起源，可以通過測量、利用微波波段的光子去探索。由于這個發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生兩次諾貝爾物理學(xué)獎，分別是在1978年和2006年。

（2）超新星

超新星是一類特殊的恒星，在快要滅亡的時候它會瞬間釋放能量，像爆炸一樣。這一類特殊的星體有一個特點：爆炸以后它的亮度隨著時間的變化是有規(guī)律的。

好比我點一根蠟燭，它的絕對亮度我們是知道的。如果蠟燭在我們眼前，我們知道它的亮度是多少；然后把蠟燭放到10米以外，再去測它的亮度；通過兩個亮度對比，可以反推蠟燭的距離。

這種方法可以用亮度來測定距離。

超新星被稱為“宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

利用超新星，能夠把宇宙的距離測得很精確，這也意味著能夠測量宇宙的幾何性質(zhì)。比如宇宙到底是平坦的還是彎曲的，是開放的還是閉合的等等。

1998年科學(xué)家利用超新星的方法觀測發(fā)現(xiàn)了宇宙的加速膨脹。超新星宇宙學(xué)獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎。

（3）引力波

2015年人類首次探測到引力波。

兩個黑洞或中子星互相繞轉(zhuǎn)并合的過程中會釋放出巨大的能量，這個能量會帶來什么樣的結(jié)果呢？

根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，巨大的質(zhì)量會引起周圍的時空發(fā)生彎曲，時空的性質(zhì)會發(fā)生改變。當(dāng)兩個劇烈的動力學(xué)過程發(fā)生的時候，不僅能使周圍的時空扭曲，甚至還會釋放出時空的漣漪——引力波。

示意圖中的波動有些夸大，實際上引力波效應(yīng)是非常微弱的。

引力波也可以幫助我們測距，研究近鄰宇宙發(fā)生了什么，過去的宇宙膨脹歷史是怎樣的。

所以，引力波被稱為“宇宙標(biāo)準(zhǔn)汽笛”。引力波的發(fā)現(xiàn)獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎。

（4）重子聲波震蕩

重子聲波振蕩又可以叫做宇宙大尺度星系巡天，被稱為“宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺”。上圖不是示意圖，是實景。圖中的每一個點代表一個星系。

星系是由很多恒星構(gòu)成的一個系統(tǒng)，比如銀河系。星系在三維空間（或時空）中的分布有一定的規(guī)律和特征。這些規(guī)律和特征可以被用來重建宇宙的演化歷史。

上圖中可以看到一些地方比較密集，一些地方比較稀疏，還有一些地方有空洞等等，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被用來當(dāng)作一把標(biāo)尺來測量宇宙，直接丈量宇宙幾何。

這是一種非常神奇的方法，可以跟超新星配合起來去測量宇宙膨脹的歷史。

二、我們對宇宙了解多少？

1、宇宙能量的組成

上圖是我們利用衛(wèi)星拍到的宇宙天圖。實際上是一個三維球體，球面打開鋪到二維上形成了這么一張圖。顏色代表溫度，橘黃色代表溫度高一些，藍(lán)色代表溫度低一些。

這張圖看似好像沒有什么規(guī)律，其實里面有豐富的、巨大的信息等待我們?nèi)ネ诰颉?/section>

正是通過分析這張圖溫度漲落的規(guī)律，我們了解到宇宙中只有4%為普通物質(zhì)，包括銀河系、普通星球、普通物質(zhì)等等。剩下75%是暗能量，21%是暗物質(zhì)。

近年來在宇宙學(xué)研究中有很多次重大的發(fā)現(xiàn)，今天可以說是做宇宙學(xué)暗能量研究的黃金時期。

2、宇宙的歷史

如果非常粗略的劃分，我們今天了解的宇宙可以分為三個階段：

第一階段是宇宙的創(chuàng)生。大概是138億年前，發(fā)生宇宙大爆炸。宇宙大爆炸是一個非常劇烈的時空膨脹過程，并且是一個加速膨脹過程。

第二階段是宇宙的中期。這個階段是減速膨脹，因為宇宙里充滿了物質(zhì)，物質(zhì)之間有萬有引力，在引力作用下，時空的膨脹是減速的。

第三階段是大約60億年前至今，宇宙又開始了炸裂式的生長，又開始了像宇宙初期一樣的加速膨脹。

這是違背物理學(xué)原理的。

時空之間的物質(zhì)互相吸引，怎么能夠越膨脹越快呢？如果要有加速膨脹，需要萬有斥力。萬有斥力從哪里來？我們今天的物理學(xué)理論還不能解答這樣的問題。

如果能夠揭示它的物理機制，將是一場物理學(xué)的革命，會對很多學(xué)科帶來革命性的影響。

3、宇宙結(jié)構(gòu)形成

很多人曾經(jīng)問我，“大爆炸，是什么東西在爆炸？宇宙膨脹，是什么東西在膨脹？”

宇宙演化是非常復(fù)雜的，它經(jīng)歷了很多階段。

宇宙的最早階段叫做暴漲，這兩個字能讓人想象它劇烈的膨脹。

宇宙加速膨脹是在10^-36秒內(nèi)體積膨脹了10²⁶倍。這個膨脹過程是不是超光速了，違背物理學(xué)原理？

如果把宇宙想象成物質(zhì)，物質(zhì)在膨脹，像一個炸彈一樣爆炸，那就違背了宇宙學(xué)原理。

宇宙學(xué)原理告訴我們，宇宙不同位置的密度都一樣，從不同的方向看到的都是一樣的。

這就帶來一個很大的矛盾，如果想象宇宙當(dāng)中有個爆炸，既然有中心怎么可能均勻呢？也不可能各向同性。

所以不能把宇宙爆炸想象成像炸彈一樣的物質(zhì)爆炸或像氣球一樣膨脹，不是這樣的。

到底是什么東西在膨脹？是時空本身在膨脹。是宇宙的坐標(biāo)系在膨脹。

也就是說，宇宙今天還在膨脹，我們每個人都在膨脹，你和我之間的距離也在膨脹。只有在這種框架下，才能夠?qū)崿F(xiàn)均勻和各向同性。

到底是哪里在爆炸呢？宇宙的任何一個點都在爆炸，宇宙里任何一個點都是中心。

在劇烈的爆炸過程中，宇宙的溫度從10³²度降到1000萬度。隨著體積膨脹，溫度在下降，能量是守恒的。

三、暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)

宇宙膨脹是非常劇烈的動力學(xué)過程，因此大家都覺得在膨脹的宇宙中，結(jié)構(gòu)是很難形成的，因為小的結(jié)構(gòu)極容易被更大動量的形體吞并。

但是我們實際觀測到了很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)比如星系、星系團等等。

上圖是我們今天觀測后用計算機模擬得到的各種各樣的星系，有漩渦星系、棒旋星系、橢圓星系等等。

上圖是一個大尺度的結(jié)構(gòu)，也是用計算機產(chǎn)生的，和真實觀測有很多相似的地方，比如有像蜘蛛網(wǎng)一樣的纖維結(jié)構(gòu)，稀疏代表密度，紅色代表溫度。

宇宙里密度高、溫度高的地方會孕育大的星系團，然后慢慢又形成了更復(fù)雜的子結(jié)構(gòu)。

因此，在上個世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個有意思的現(xiàn)象，就是觀測與理論對不上。

從高中物理我們可以推導(dǎo)出速度隨著半徑變大是要慢慢下降的，離中心越遠(yuǎn)動能越小，旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該越慢才對。

可是通過大樣本的觀測發(fā)現(xiàn)不是這樣，旋轉(zhuǎn)速度幾乎與半徑?jīng)]什么關(guān)系。它是一個常數(shù)，它不隨半徑衰減。

這是什么原因呢？有人提出大膽猜測，很有可能除了今天能看得見的物質(zhì)，還有某些看不見的物質(zhì)，它也提供引力效應(yīng)，它有質(zhì)量就有引力，使旋轉(zhuǎn)速度保持一個常數(shù)。

因為不知道這個物質(zhì)是什么，所以大家就給起名為暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)理論已經(jīng)有很多年了，但是我們還沒能真正找到暗物質(zhì)?？墒侨绻麤]有暗物質(zhì)，比如前面的計算機模擬里面如果不放入暗物質(zhì)，宇宙結(jié)構(gòu)就無法形成，也不可能去跟觀測進行對比。

所以間接地說，暗物質(zhì)還是被科學(xué)界廣泛接受的，雖然還沒有找到直接探測的證據(jù)。

我們國家有“悟空”號衛(wèi)星，也有四川錦屏山的地下實驗室（未來高山大學(xué)學(xué)員們將會去這里學(xué)習(xí)），都在想辦法直接或間接地去探測暗物質(zhì)。

四、暗能量

1、愛因斯坦一生中最大的錯誤

牛頓發(fā)現(xiàn)了一系列重要的科學(xué)規(guī)律，包括萬有引力。他發(fā)現(xiàn)任何兩個物體都互相吸引，如上圖中大球吸引小球，小球圍著大球轉(zhuǎn)。圖中藍(lán)色網(wǎng)格代表時空背景。

牛頓力學(xué)的時空背景與物體運動沒有任何關(guān)系，所以叫“絕對時空觀”。

面對同樣問題的時候，愛因斯坦的想法不一樣。愛因斯坦認(rèn)為大質(zhì)量和小質(zhì)量的物體都能使周圍的時空發(fā)生彎曲（上圖中扭曲的藍(lán)色網(wǎng)格），借助彎曲，這兩個物體產(chǎn)生了相互作用，所以小球跟著大球轉(zhuǎn)。這是愛因斯坦的廣義相對論。

對于低速的、小質(zhì)量的運動物體，牛頓力學(xué)與廣義相對論差不多。

但是對于大質(zhì)量的比如黑洞，對于高速運轉(zhuǎn)接近光速運行的天體，一定需要廣義相對論的修正，而且是比較大的修正。

什么是廣義相對論？它的數(shù)學(xué)說起來非常復(fù)雜，所以說說它背后的物理和哲學(xué)。

廣義相對論的方程非常有意思。簡單說來就是：時空曲率=物質(zhì)分布。

這個方程是革命性的，把幾何與物理等同了起來。換句話說，物質(zhì)的存在或者物質(zhì)的運動告訴時空怎么去彎曲，時空的彎曲反過來決定物質(zhì)的分布和運動。這是非常深刻的思想。

在愛因斯坦的年代，大家認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的，一成不變，不可能存在大爆炸。因為大爆炸最后結(jié)果會四分五裂，如果爆炸到最后坍縮到起點，所有的生命都不存在，這樣的結(jié)果人們無法接受。

愛因斯坦也認(rèn)為宇宙是靜態(tài)?？墒钱?dāng)他得出這個方程的時候，他非常不安，因為他發(fā)現(xiàn)了兩個解，一個是宇宙要膨脹，一個是宇宙要收縮，都不是靜態(tài)。

聰明的愛因斯坦馬上意識到方程搞錯了。他認(rèn)為，在引力作用下宇宙不可能膨脹，而宇宙收縮是可以理解的。于是他在廣義相對論方程里面人為加入一個萬有斥力（即宇宙學(xué)常數(shù)），讓宇宙保持靜止不再收縮。

時空曲率=物質(zhì)分布+宇宙學(xué)常數(shù)

其實愛因斯坦無意中加入的宇宙學(xué)常數(shù)就是今天稱之為暗能量的一個候選者。

這個工作發(fā)表于1917年。

然而，1929年英國科學(xué)家哈伯發(fā)現(xiàn)所有的星系都在遠(yuǎn)離地球，并且距離越遠(yuǎn)的后退得越快。這個現(xiàn)象意味著宇宙在膨脹，而且膨脹被科學(xué)證實了是各向同性并且是均勻的。

愛因斯坦因此說了一句話，“引入宇宙學(xué)常數(shù)是我一生中犯的最大錯誤，沒有之一！”。

然而，故事到此并沒有結(jié)束。1998年科學(xué)家基于對超新星的觀測，發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹，從60億年以前就開始了。

當(dāng)年愛因斯坦認(rèn)為宇宙要塌縮，引入萬有斥力本來想讓宇宙變得穩(wěn)定，可是沒想到宇宙本來就在膨脹。但是在膨脹宇宙的基礎(chǔ)上，再加入萬有斥力會讓它膨脹更快。所以愛因斯坦是從完全錯誤的出發(fā)點得出了正確的結(jié)論。

2、如何研究暗能量

暗能量聽起來很復(fù)雜，其實做起來并不復(fù)雜。

暗能量研究的具體工作有點類似人口普查，從海量的數(shù)據(jù)深度挖掘。我們已經(jīng)拍攝了有100多萬個星系的光譜，先拍照片然后進行分光提出光譜，測量星系的速度，建立三維的星系樣本。

（1）重子聲波振蕩

比如一個房間里有很多人，大家要開始由一個男士和一個女士組成一對來跳舞。配對的過程中可能分幾種情況：

（1）情竇初開，保持一定的距離；

（2）一見鐘情，距離近一些；

（3）終成眷屬，距離更近；

（4）距離無限遠(yuǎn)。

根據(jù)他們的社交距離進行分組，然后去做統(tǒng)計。橫坐標(biāo)是情侶之間的距離，縱坐標(biāo)是同一距離上的情侶對數(shù)。畫出的圖（下圖左半）提供了一個信息就是成團性，在房間里的情侶他們是怎樣成團的。

對于星系，我們也可以做同樣的事情。算出任何兩個星系的距離，然后數(shù)一數(shù)在這個距離上有多少對星系，于是就可以畫出一張圖（上圖中右半）。

星系的這張圖是在實際觀測中得到的，圖里重要的信息是局部特征——有一個凸起。凸起的位置就是一把宇宙標(biāo)準(zhǔn)尺，可以利用凸起的距離作為一把尺子（或者單位距離）去測量宇宙的幾何性質(zhì)。

這就是我們的工作方法，說起來簡單，但是得到這張圖要經(jīng)過大量的工作，包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)模擬等等。

（2）紅移畸變

宇宙里不光有背景，還有豐富的結(jié)構(gòu)，有星系、星系團、結(jié)構(gòu)增長等等。我們不僅研究宇宙的背景，還研究宇宙的擾動，就是更小尺度的成團。

比如上圖中，中間是有一團暗物質(zhì)（星系團）；下邊是觀測者，從這個位置看向宇宙的深處；四周每一個圖標(biāo)代表一個星系。

這些星系是圍繞暗物質(zhì)球?qū)ΨQ分布的，但是由于星系團產(chǎn)生的巨大引力作用，球?qū)ΨQ的分布變成了不對稱的分布，變成了壓扁的結(jié)果（見下圖左半）。

上圖的右半部分是實際觀測。壓扁的程度告訴我們中間的暗物質(zhì)分布有多少，暗物質(zhì)越多，壓扁程度越大。

反過來，可以探測宇宙的結(jié)構(gòu)形成。

3、暗能量假說

暗能量到底是什么，假說很多。

（1）可能是宇宙學(xué)常數(shù)，愛因斯坦在100多年前引入的。

（2）可能是一種未知能量場，這種可能性就太多了。未知能量場怎么來的，目前沒有很好的機制。

（3）可能是一種修正引力的效應(yīng)，暗能量可能根本不存在，只不過愛因斯坦方程本身需要修正，需要進一步的拓展。

（4）暗能量就是信息，信息是有能量的。日本科學(xué)家已經(jīng)證實了，在一個系統(tǒng)里注入幾比特的信息，基本粒子能級會躍遷。

根據(jù)目前觀測數(shù)據(jù)的誤差，這些模型可以說都存在，都可能沒有辦法區(qū)分，但是未來5-10年可能做到。

今天所有的結(jié)果都來自美國新墨西哥州的SDSS射電望遠(yuǎn)鏡，去年開始用DESI射電望遠(yuǎn)鏡（暗能量光譜儀器，第4代大型巡天），位于智利的LSST射電望遠(yuǎn)鏡今年開始投入使用。

國內(nèi)也是在慢慢趕上并且領(lǐng)先，比如FAST射電望遠(yuǎn)鏡，是目前國際最大單口徑巡天望遠(yuǎn)鏡（高山大學(xué)國內(nèi)四川貴州·天眼站課程也在籌劃當(dāng)中）。國家天文臺正在和載人航天合作空間站宇宙巡天，在空間站有一個伴飛的光學(xué)艙，進行空間探測。空間探測有很大的優(yōu)勢，可以透過大氣層，不受地球大氣層的影響。

我們有這樣好的觀測手段，相信等這些項目結(jié)束，10年、20年以后，也許我們還不能告訴大家暗能量是什么，但有可能告訴大家暗能量不是什么。然后正確地縮小范圍，慢慢找到真理。

最后，送給大家一句話，“在廣袤的空間和無限的時間中，能與你共享同一顆行星和同一段時光，是我的榮幸?！?/section>

謝謝大家！