宇宙或?qū)⒃诒渲兴廊?/h1>
2012-12-07 05:14:26楊先碧
太空探索 2012年2期
□ 楊先碧
我們知道，萬(wàn)事萬(wàn)物都會(huì)有一個(gè)出現(xiàn)、發(fā)展或發(fā)育、消亡的過(guò)程。那么，我們身處的宇宙會(huì)不會(huì)遵守這樣的自然規(guī)律呢？2011年3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)成果告訴我們，宇宙也處在一個(gè)“生長(zhǎng)發(fā)育”過(guò)程中，其表現(xiàn)形式是加速膨脹。最終，宇宙也將在一片冰冷之中逐漸走向死亡。3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主分別是美國(guó)研究人員索爾·珀?duì)栺R特、澳大利亞研究人員布萊恩·施密特和美國(guó)研究人員亞當(dāng)·里斯。
明亮的超新星
宇宙正在加速成長(zhǎng)
在大約150億年前，宇宙只是一個(gè)聚集了巨大能量和物質(zhì)的小點(diǎn)。在某種未知條件的啟動(dòng)下，這個(gè)小點(diǎn)爆炸了。這就是“宇宙大爆炸理論”的主要內(nèi)容，也是科學(xué)家對(duì)宇宙誕生的猜想。宇宙大爆炸之后，它就不斷地膨脹。也就是說(shuō)，宇宙就像是一個(gè)生命體一樣，在不斷地長(zhǎng)大。在宇宙的“成長(zhǎng)”過(guò)程中，不斷產(chǎn)生了新的天體，一些老的天體也在不斷死去，就像是人體的細(xì)胞一樣。
那么，目前宇宙處于一個(gè)什么時(shí)期呢？3位諾貝爾獎(jiǎng)得主告訴我們，目前宇宙正處于青少年時(shí)期，因?yàn)橛钪嬲诩铀倥蛎?，就像人類在青少年時(shí)期會(huì)快速生長(zhǎng)一樣。地球相對(duì)于浩淼的宇宙來(lái)說(shuō)，用大海里的一滴水來(lái)形容也不為過(guò)。在宇宙中這么“渺小”的地球上，天文學(xué)家怎樣能發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹甚至加速膨脹呢？天文學(xué)家觀測(cè)宇宙的方法常常是找一個(gè)參照物，他們觀測(cè)宇宙加速膨脹的參照物是超新星。
超新星的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般恒星
超新星是宇宙成長(zhǎng)的標(biāo)尺
早在20世紀(jì)30年代，就有天文學(xué)家提出用超新星來(lái)測(cè)量宇宙的膨脹程度。就像我們?cè)谑畞?lái)歲的成長(zhǎng)過(guò)程中，父母會(huì)為我們準(zhǔn)備一條長(zhǎng)高的標(biāo)尺一樣。為什么要選用超新星作為“標(biāo)尺”呢？因?yàn)槌滦鞘且环N極為明亮的爆炸中的恒星；而且，最初天文學(xué)家認(rèn)為超新星有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是它們的發(fā)出的光度（即發(fā)光強(qiáng)度）是相同的。
然而，隨著對(duì)超新星更多的研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)猜想并不成立，因?yàn)槌滦嵌喾N多樣，每個(gè)類型的超新星光度是有差異的。直到30多年前，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)超新星中只有Ia型超新星才具有相同的光度。更加令人欣喜的是，它們同時(shí)也是超新星中最明亮的。
由于Ia型超新星具有相同的光度，而光會(huì)隨著傳播距離變遠(yuǎn)而不斷減弱，天文學(xué)家就可以用觀測(cè)到的Ia型超新星的亮度，并根據(jù)一些復(fù)雜的公式來(lái)確定這些超新星離地球的遠(yuǎn)近。僅僅測(cè)定了超新星的遠(yuǎn)近還不足以說(shuō)明宇宙在膨脹，還得借助“紅移”現(xiàn)象。
Ia型超新星發(fā)出的幾乎所有光都集中在一個(gè)特定的藍(lán)色波長(zhǎng)上。但是，這些藍(lán)光在傳播的過(guò)程中會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕L(zhǎng)，波長(zhǎng)就會(huì)變長(zhǎng)，所以這些原本的藍(lán)光在到達(dá)地球的時(shí)候看起來(lái)就會(huì)呈紅色，這一現(xiàn)象被稱為“紅移”。這些光線看起來(lái)有多紅就意味著告訴我們自這個(gè)超新星爆炸以來(lái)宇宙究竟膨脹了多少。觀測(cè)不同距離上的超新星，就能夠確定宇宙是如何隨著時(shí)間而膨脹的。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一,美國(guó)科學(xué)家索爾·珀?duì)栺R特
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一,澳大利亞科學(xué)家布萊恩·施密特
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一,美國(guó)科學(xué)家亞當(dāng)·里斯
尋找Ia型超新星
說(shuō)起來(lái)似乎很容易，但是科學(xué)家的研究過(guò)程卻是難以想象的艱難。雖然超新星非常亮，但是放在浩瀚的宇宙之中也只是微弱的一點(diǎn)。20世紀(jì)80年代中期，丹麥的一些天文學(xué)家開始試圖尋找遙遠(yuǎn)的Ia型超新星。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)2年的搜索，他們才找到了第一顆Ia型超新星，后來(lái)他們又發(fā)現(xiàn)了一顆，但終因發(fā)現(xiàn)的過(guò)少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)Ia型超新星，當(dāng)時(shí)許多天文學(xué)家對(duì)這類研究抱悲觀態(tài)度。
與此同時(shí)，美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的一組物理學(xué)家對(duì)搜尋超新星也產(chǎn)生了興趣。這一小組開發(fā)了一套在圖像中自動(dòng)搜索超新星候選者的軟件，但他們迎來(lái)的是接連的失敗。后來(lái)，38歲的珀?duì)栺R特接掌了“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”，并對(duì)軟件進(jìn)行了改進(jìn)。正是由于他的開創(chuàng)性研究，才使情況有了轉(zhuǎn)機(jī)，他們開始發(fā)現(xiàn)大量的Ia型超新星。
以施密特為首的“高紅移超新星搜尋”小組是這類研究的后起之秀，他們利用現(xiàn)成的軟件也發(fā)現(xiàn)了大量的Ia型超新星。在這個(gè)研究小組里，里斯也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，所以他也成為了3位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者之一，與施密特分享了一半的獎(jiǎng)金。
宇宙成長(zhǎng)的動(dòng)力
3位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的成果還引發(fā)了一個(gè)新的問(wèn)題：是什么力量在驅(qū)使宇宙加速膨脹?？茖W(xué)家推測(cè)，那正是神秘的我們所觀測(cè)不到的暗物質(zhì)和暗能量。按照天文學(xué)家的解釋，宇宙中我們所看得見(jiàn)的物質(zhì)只占宇宙總資源的5%，而我們看不見(jiàn)的暗物質(zhì)占22%，暗能量更是多達(dá)73%。
雖然誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)暗物質(zhì)和暗能量，但是不少人卻對(duì)其研究前景抱著極大的熱情。因?yàn)橐坏┤藗兘沂玖税滴镔|(zhì)和暗能量的本質(zhì)，不僅可以解決未來(lái)人類的能源危機(jī)，星際旅行也隨之變得更加可行。目前，暗能量研究是一個(gè)熱門的領(lǐng)域，許多天文學(xué)家和物理學(xué)家都在這個(gè)領(lǐng)域辛勤地耕耘著。可以說(shuō)，暗能量研究是一個(gè)可跟愛(ài)因斯坦的相對(duì)論相比擬的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。如果誰(shuí)能最先揭示暗能量或暗物質(zhì)的本質(zhì)，那么他必將能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
宇宙終將死亡
那么，宇宙加速膨脹的結(jié)果會(huì)是什么呢？按照諾貝爾委員會(huì)的說(shuō)法，這個(gè)獲獎(jiǎng)成果告訴我們，包括地球在內(nèi)的整個(gè)宇宙正在逐漸變得稀薄而寒冷，宇宙最終都將會(huì)變得異常冰冷而沒(méi)有生機(jī)?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，在宇宙大約1000億歲的時(shí)候，宇宙的大小將是現(xiàn)在的數(shù)億倍，那時(shí)宇宙的密度將變得很小很小，物質(zhì)和能量非常稀薄地?cái)U(kuò)散在宇宙之中，所有能產(chǎn)生光和熱的天體都會(huì)被宇宙膨脹的力量拉裂而死去。那時(shí)的宇宙或許不再膨脹，只會(huì)在一片冰冷之中慢慢死去。
當(dāng)然，宇宙的未來(lái)命運(yùn)是個(gè)未知數(shù)，它有可能在青壯年時(shí)期改變“生活方式”，可能不再膨脹而延年益壽。假設(shè)有一天宇宙死亡了，之后會(huì)有新的宇宙產(chǎn)生嗎？我們誰(shuí)也不可能知道甚至推測(cè)，畢竟那是八九百億年之后的事情了，而如今的宇宙還不足200億歲。況且，我們現(xiàn)今的宇宙還有許許多多的未解之謎，更不用說(shuō)未來(lái)的宇宙了。
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明亮的超新星
宇宙正在加速成長(zhǎng)
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然而，隨著對(duì)超新星更多的研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)猜想并不成立，因?yàn)槌滦嵌喾N多樣，每個(gè)類型的超新星光度是有差異的。直到30多年前，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)超新星中只有Ia型超新星才具有相同的光度。更加令人欣喜的是，它們同時(shí)也是超新星中最明亮的。
由于Ia型超新星具有相同的光度，而光會(huì)隨著傳播距離變遠(yuǎn)而不斷減弱，天文學(xué)家就可以用觀測(cè)到的Ia型超新星的亮度，并根據(jù)一些復(fù)雜的公式來(lái)確定這些超新星離地球的遠(yuǎn)近。僅僅測(cè)定了超新星的遠(yuǎn)近還不足以說(shuō)明宇宙在膨脹，還得借助“紅移”現(xiàn)象。
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諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一,美國(guó)科學(xué)家索爾·珀?duì)栺R特
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尋找Ia型超新星
說(shuō)起來(lái)似乎很容易，但是科學(xué)家的研究過(guò)程卻是難以想象的艱難。雖然超新星非常亮，但是放在浩瀚的宇宙之中也只是微弱的一點(diǎn)。20世紀(jì)80年代中期，丹麥的一些天文學(xué)家開始試圖尋找遙遠(yuǎn)的Ia型超新星。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)2年的搜索，他們才找到了第一顆Ia型超新星，后來(lái)他們又發(fā)現(xiàn)了一顆，但終因發(fā)現(xiàn)的過(guò)少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)Ia型超新星，當(dāng)時(shí)許多天文學(xué)家對(duì)這類研究抱悲觀態(tài)度。
與此同時(shí)，美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的一組物理學(xué)家對(duì)搜尋超新星也產(chǎn)生了興趣。這一小組開發(fā)了一套在圖像中自動(dòng)搜索超新星候選者的軟件，但他們迎來(lái)的是接連的失敗。后來(lái)，38歲的珀?duì)栺R特接掌了“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”，并對(duì)軟件進(jìn)行了改進(jìn)。正是由于他的開創(chuàng)性研究，才使情況有了轉(zhuǎn)機(jī)，他們開始發(fā)現(xiàn)大量的Ia型超新星。
以施密特為首的“高紅移超新星搜尋”小組是這類研究的后起之秀，他們利用現(xiàn)成的軟件也發(fā)現(xiàn)了大量的Ia型超新星。在這個(gè)研究小組里，里斯也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，所以他也成為了3位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者之一，與施密特分享了一半的獎(jiǎng)金。
宇宙成長(zhǎng)的動(dòng)力
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宇宙終將死亡
那么，宇宙加速膨脹的結(jié)果會(huì)是什么呢？按照諾貝爾委員會(huì)的說(shuō)法，這個(gè)獲獎(jiǎng)成果告訴我們，包括地球在內(nèi)的整個(gè)宇宙正在逐漸變得稀薄而寒冷，宇宙最終都將會(huì)變得異常冰冷而沒(méi)有生機(jī)?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，在宇宙大約1000億歲的時(shí)候，宇宙的大小將是現(xiàn)在的數(shù)億倍，那時(shí)宇宙的密度將變得很小很小，物質(zhì)和能量非常稀薄地?cái)U(kuò)散在宇宙之中，所有能產(chǎn)生光和熱的天體都會(huì)被宇宙膨脹的力量拉裂而死去。那時(shí)的宇宙或許不再膨脹，只會(huì)在一片冰冷之中慢慢死去。
當(dāng)然，宇宙的未來(lái)命運(yùn)是個(gè)未知數(shù)，它有可能在青壯年時(shí)期改變“生活方式”，可能不再膨脹而延年益壽。假設(shè)有一天宇宙死亡了，之后會(huì)有新的宇宙產(chǎn)生嗎？我們誰(shuí)也不可能知道甚至推測(cè)，畢竟那是八九百億年之后的事情了，而如今的宇宙還不足200億歲。況且，我們現(xiàn)今的宇宙還有許許多多的未解之謎，更不用說(shuō)未來(lái)的宇宙了。
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