<h3><font color="#167efb"><b>北大84級的“周末講座”到了第七講了。本期是由技物系的戴強(qiáng)帶同學(xué)們探索宇宙的奧妙。下面就是他的講座內(nèi)容。</b></font></h3> <h3>宇宙學(xué) = Cosmology</h3><h3>宇宙觀 = Cosmogony</h3><h3><br></h3><h3>我覺得有必要先界定一下我們今天這個(gè)討論的范疇。宇宙觀（Cosmogony) 和 宇宙學(xué) （Cosmology）是兩個(gè)不同的概念。宇宙觀是對宇宙起源的各種解說。這些解說，有基于神話的，也有基于科學(xué)的。宇宙學(xué)，基本上是指基于物理學(xué)的研究整個(gè)宇宙從起源演進(jìn)到現(xiàn)在乃至將來的科學(xué)理論。宇宙學(xué)之所以為科學(xué)而非神話或“臆測”，是因?yàn)樗潜换诳茖W(xué)方法的宇宙觀察所制約，也是因?yàn)樗耐蒲莘衔覀円阎奈锢韺W(xué)理論。我們今天這個(gè)討論的范疇屬于宇宙學(xué)，是宇宙觀的一種。</h3> <h3>在中文里“宇”是無限空間，“宙”是無限時(shí)間，是獨(dú)立的，并列的存在?！坝钪妗奔础疤斓亍?。這個(gè)與牛頓力學(xué)時(shí)代的概念是一致的。但現(xiàn)在我們知道時(shí)空是不可分割的。所以用現(xiàn)代物理的概念來更新一下這個(gè)定義的話，可以說“宇宙”是“所有的時(shí)空”</h3> <h3><font color="#167efb"><i>The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible. - Albert Einstein<br></i></font><font color="#167efb"><i>這個(gè)世界里最不可理解的事情是這個(gè)世界是可以理解的?！?阿爾伯特.愛恩斯坦</i></font></h3> <h1 style="text-align: center;"><b>（1）宇宙的歷史</b></h1><p style="text-align: center;"></h3> <h3>這張圖可以大概概括我們現(xiàn)在對宇宙的理解。它有個(gè)時(shí)間的起點(diǎn)：t=0。宇宙起源于一個(gè)“量子奇點(diǎn)”，大小在普朗克單位的量級：在1.62e-35米范圍內(nèi)，能量可高達(dá)1.22e19 GeV 的數(shù)量級 （ 溫度 1e32K = 能量 / 玻爾茲曼常數(shù) )。</h3><h3><br></h3><h3>粗略的講，我們可以把宇宙的演進(jìn)過程分為幾個(gè)重要的階段：</h3><h3><br></h3><h3>- 起始： t = 0</h3><h3>- 暴漲： t = 1e-36 秒</h3><h3>- 最后散射： t = 37 萬年</h3><h3>- 第一顆星： t = 2 億年</h3><h3>- 現(xiàn)在： t = 137.7 億年</h3> <h3>宇宙在最初的奇點(diǎn)狀態(tài)還不能用現(xiàn)在已知的物理學(xué)模型來具體描述，因?yàn)樵谀莻€(gè)狀態(tài)里，時(shí)空本身是量子化的。</h3><h3><br></h3><h3>但從量子力學(xué)的角度，我們知道真空并非真空?？ㄎ髅谞栃?yīng)證明了真空中會(huì)自發(fā)產(chǎn)生正反粒子： 正反電子不斷自發(fā)產(chǎn)生并立刻堙滅會(huì)使放在真空中的兩塊中性的金屬板相互吸引：</h3> <h3>所以，產(chǎn)生宇宙起始奇點(diǎn)的一個(gè)可能途徑是自發(fā)產(chǎn)生的一對正反粒子（能量在普朗克數(shù)量級）引發(fā)空間尺度的暴漲，使它們被永久隔離，無法相互堙滅。我們后面會(huì)看到真空的量子振蕩會(huì)留下一些可觀察的印記。</h3> <h3>這個(gè)宇宙奇點(diǎn)一開始便急劇膨脹，不久廣義相對論和量子力學(xué)脫離，前者描述的測度結(jié)構(gòu)成為后者的時(shí)空背景。量子力學(xué)決定了宇宙中物質(zhì)和能量的組成和演化方式，這些物質(zhì)和能量直接影響時(shí)空測度的演變，也就是宇宙的膨脹方式。再強(qiáng)調(diào)一下：這兩者都會(huì)在宇宙中留下重要的印記。</h3><h3><br></h3><h3>這里我們假設(shè)了“廣義相對論”和“量子力學(xué)”在宇宙的量子奇點(diǎn)狀態(tài)是一個(gè)同一個(gè)物理。</h3> <h3>宇宙史上一個(gè)重要的里程碑是誕生后37萬年。在那之前，宇宙的空間尺度和物質(zhì)的基本要素已經(jīng)形成，但因?yàn)橛钪嬷谐錆M了帶電粒子，包括電子和質(zhì)子，電磁輻射（光子）不能在空間自由穿行。在37萬年左右，宇宙的溫度降至3000K左右，電子與離子結(jié)合形成中性原子。于是，宇宙透明了，各種頻率的光子，可以向各個(gè)方向穿行，直到現(xiàn)在，可以被我們觀察到。宇宙中的這個(gè)界面，叫做”最后散射表面”。</h3> <h3>假如我們在現(xiàn)在這個(gè)時(shí)刻給宇宙拍一個(gè)全角度的立體照片，那么它的一個(gè)截面看上去是這個(gè)樣子：</h3> <h3>看一下這個(gè)圖，看看你能發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)什么線索。正中間是地球。</h3><h3><br></h3><h3>在這個(gè)照片里，觀察者（我們）在照片的正中心。</h3><h3>比較近的地方可以看到太陽系。</h3><h3><br></h3><h3>再遠(yuǎn)一些，我們可以看到銀河系的很多恒星環(huán)繞在我們周圍（圖中約1/3半徑處的一圈白色星云）。這些恒星，和我們的太陽系，都在銀河系的同一條旋臂上。</h3><h3><br></h3><h3>因?yàn)槲覀兲幵阢y河系其中一個(gè)旋臂上，銀河系的中心和大部分星體結(jié)構(gòu)比我們周圍的星云要遠(yuǎn)的多。它的位置是圖上方那個(gè)看上去最大的星系。它的右邊就是仙女座星系。</h3><h3><br></h3><h3>再往外的一圈白點(diǎn)，每一個(gè)基本上都是一個(gè)星系。碰巧的話，也許包含一些正在爆發(fā)的”超新星”，或者一個(gè)正在形成中的超級黑洞。它們離觀察者的距離在一億光年到一百多億光年。（注意這個(gè)圖的尺度比例是不一樣的，越遠(yuǎn)越大）</h3> <h3>因?yàn)楸壤年P(guān)系，在圖上看上去太陽系離銀河系很遠(yuǎn)，其實(shí)在里面。</h3><h3><br></h3><h3>圖中最外面的暗紅色的一圈，就是“最后散射表面”。它代表我們用光學(xué)或電磁手段可以看到的宇宙最早的時(shí)刻（或者說是在某個(gè)特定的時(shí)刻可以看到的最遠(yuǎn)的地方）。</h3><h3><br></h3><h3>假如我們把上面這個(gè)圖切出一個(gè)視角來，它看上去是這樣的：</h3> <h3>“最后散射表面”是最里面的那條圓弧線。</h3><h3><br></h3><h3>再往外，代表更早期的宇宙。雖然我們沒法用光學(xué)或電磁手段直接觀察這個(gè)時(shí)候的狀態(tài)，我們后面會(huì)講到有哪些其他的直接或間接的手段來觀察。但我們知道，越往外走，溫度越高，離宇宙的量子奇點(diǎn)越近。</h3><h3><br></h3><h3>從“最后散射表面”上發(fā)射出來的光子，基本上是在宇宙誕生后10秒鐘以后產(chǎn)生。從宇宙誕生后10秒開始，宇宙進(jìn)入“光子時(shí)代”，因?yàn)榛玖Ｗ拥娜N相互作用已經(jīng)完全脫離，強(qiáng)相互作用和弱相互作用已經(jīng)成為短程作用，電磁作用成為最主要的活動(dòng)，宇宙中充滿了各種電磁輻射。</h3> <h3>其實(shí)決定原子核性質(zhì)的弱相互作用在宇宙更早期就已經(jīng)與電磁作用脫離。這在宇宙誕生后 1e-32秒發(fā)生。只不過那個(gè)時(shí)候宇宙的溫度還非常高，所以夸克，膠子，重子，輕子，電子和它們對應(yīng)的反粒子和其他的交換子處于一個(gè)熱平衡中的”等離子態(tài)”。隨著溫度逐漸下降，粒子/反粒子對逐漸堙滅，成為高能輻射。</h3> <h3>再往上回溯宇宙的歷史，我們進(jìn)入了一個(gè)非常重要的階段：暴漲時(shí)代。這個(gè)時(shí)代發(fā)生在宇宙誕生后 1e-36秒 到 1e-32秒 之間。在這個(gè)階段，宇宙的尺度發(fā)生了劇烈的（指數(shù)形式的）擴(kuò)張。這個(gè)擴(kuò)張不是一種熱力學(xué)形式的擴(kuò)張，也不是一種流體力學(xué)形式的擴(kuò)散，而是“時(shí)空尺度”本身的擴(kuò)張。我們以后會(huì)看到，時(shí)空的均勻擴(kuò)張（即宇宙膨脹）一直到現(xiàn)在還在進(jìn)行中，以后還會(huì)持續(xù)下去。但在暴漲時(shí)期，這個(gè)擴(kuò)張尤其劇烈，宇宙的尺度在一瞬間擴(kuò)大了至少30個(gè)數(shù)量級（30個(gè)數(shù)量級是根據(jù)現(xiàn)在的觀察和理論給出的下限，暴漲期間尺度也有可能擴(kuò)大一百多個(gè)數(shù)量級）。</h3> <h3>宇宙的尺度“擴(kuò)大30個(gè)數(shù)量級”是什么概念？就是原來一納米的距離擴(kuò)大到了10萬光年。</h3><h3><br></h3><h3>我們現(xiàn)在看到的宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的框架，就是在暴漲中形成的。驅(qū)動(dòng)暴漲的能量，在暴漲中得到釋放，形成極高溫的以夸克，反夸克，膠子為主的等離子態(tài)均勻地彌漫在整個(gè)宇宙。這些物質(zhì)，在產(chǎn)生以后，基本上在局部震蕩，但它們之間的相對距離，會(huì)因?yàn)橛钪娉叨鹊呐蛎浂眲±L。在暴漲前和暴漲過程中產(chǎn)生的密度波動(dòng)，成為后來星系形成的”原核”。</h3><h3><br></h3><h3>我們知道雨點(diǎn)，珍珠等的形成需要一些“雜質(zhì)”作為“原核”，星系的形成也需要“原核”，否則宇宙中的物質(zhì)都會(huì)待在原地不動(dòng)（最多是量子振蕩）。</h3> <h3>這個(gè)劇烈的尺度膨脹有幾個(gè)重要的后果：</h3><h3><br></h3><h3>（1）暴漲前，哪怕宇宙有內(nèi)在的曲率，暴漲以后會(huì)被拉平；</h3><h3><br></h3><h3>（2）暴漲前和暴漲過程中產(chǎn)生的密度和溫度上的空間波動(dòng)都會(huì)因?yàn)槌叨鹊膭≡龆兂杉捌湮⑿〉牟▌?dòng)，在大尺度上，宇宙的密度和溫度會(huì)非常均勻；</h3><h3><br></h3><h3>（3）暴漲使宇宙中在大尺度上的細(xì)微變化成為永久的烙印，因?yàn)閷τ谟钪嬷腥魏我粋€(gè)固定的觀察點(diǎn)來說，大部分的宇宙會(huì)在“狹義相對論意義上的”因果視界之外，所以任何“當(dāng)?shù)亍钡淖兓?，包括粒子之間的轉(zhuǎn)化，原子的產(chǎn)生和演化，分子的產(chǎn)生和化學(xué)變化，星系的形成和演化，等等，都無法改變宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，我們現(xiàn)在可以對宇宙早期的狀態(tài)有一個(gè)非常好的觀察和理解。</h3> <h3>宇宙從最初的量子奇點(diǎn)狀態(tài)到暴漲階段，經(jīng)歷了一個(gè)相變。在相變的一邊，廣義相對論和量子力學(xué)是統(tǒng)一的，時(shí)空處于一個(gè)量子態(tài)；在相變的另一邊，時(shí)空進(jìn)入經(jīng)典狀態(tài)，可以用廣義相對論的測度來描述。宇宙誕生時(shí)擁有的能量成為一種勢能，以一種純量場的形式存在（類似希格斯場）。也就是說，宇宙從一個(gè)量子化的時(shí)空結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一個(gè)經(jīng)典時(shí)空背景上的高能量子態(tài)。這個(gè)純量場與強(qiáng)弱電的統(tǒng)一場有相互作用，同時(shí)是驅(qū)動(dòng)暴漲的原動(dòng)力。</h3> <h3>宇宙”年譜”：</h3><h3>t=1e-36秒?！北q時(shí)代“，強(qiáng)相互作用脫離弱電作用。</h3><h3>t=1e-32秒。進(jìn)入“弱電時(shí)代“，弱相互作用脫離電磁作用。</h3><h3>t=1e-12秒。進(jìn)入“夸克時(shí)代”。四個(gè)基本作用都已經(jīng)分離，但宇宙的溫度還很高，所以夸克，膠子，輕子和對應(yīng)的反粒子以一個(gè)極高溫的“等離子態(tài)”形式共同存在。</h3><h3>t=1e-6秒。宇宙進(jìn)入“重子時(shí)代”，溫度逐漸下降，夸克開始結(jié)合成為重子。這個(gè)階段開始時(shí)宇宙充滿了重子/反重子對，到后期大部分重子/反重子相互湮滅。</h3><h3><br></h3><h3>t=1秒。進(jìn)入“輕子時(shí)代”。宇宙中的物質(zhì)主要以輕子/反輕子形式存在，到后期大多數(shù)輕子/反輕子相互湮滅。</h3><h3>t=10秒。進(jìn)入“光子時(shí)代”。大部分重子和輕子都與反粒子湮滅，宇宙中物質(zhì)主要以光子（輻射）形式存在。殘留的重子開始核反應(yīng)，輕原子核開始形成。</h3><h3>t=1月。宇宙背景輻射代表的黑體輻射最后成型。</h3><h3>t=1萬年。宇宙中物質(zhì)密度超過輻射能量密度。</h3><h3>t=37萬年。宇宙溫度降至三千度。原子核（離子）與電子結(jié)合形成中性的原子（主要是氫氦鋰等輕原子）。這時(shí)候光子可以開始在宇宙中自由穿行。宇宙被背景輻射照亮。在其后的137億年里，經(jīng)過1090倍的紅移，成為我們現(xiàn)在觀察到的彌漫在整個(gè)宇宙的微波輻射（2.725K，波長1.99毫米，頻率160兆赫）。</h3><h3>=====</h3><h3>t=兩億年。星系等天文結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生，宇宙繼續(xù)膨脹。</h3><h3>t=88億年=今天-50億年。宇宙膨脹開始加速。</h3><h3>t=137.7億年=今天。宇宙的膨脹速度是 67.4 ± 0.5 公里 / 秒 / 百萬秒差距（哈勃常數(shù)），1 秒差距 = 3.26 光年。大尺度上有異常均勻的背景微波輻射。這個(gè)背景隨觀察角度有些細(xì)微的變化。</h3> <h3>年譜里簡單的敘述了一下各種基本粒子和相關(guān)的量子作用力的演化過程。</h3><h3><br></h3><h1 style="text-align: center;"><b>（2）歷史的印記</b></h1><p style="text-align: center;"></h3><h3><br></h3><h3>（A）微波背景輻射</h3><h3>1964年，Arno Penzias and Robert Wilson 發(fā)現(xiàn)了宇宙中充滿了異常均勻的背景輻射，頻率相當(dāng)于2.726K的溫度。這個(gè)發(fā)現(xiàn)被授予1978年諾貝爾獎(jiǎng)。這個(gè)輻射在大尺度上的均勻程度非?！碑惓！?，因?yàn)闆]有顯然的物理機(jī)制可以使相隔足夠遠(yuǎn)的區(qū)域之間達(dá)到熱力學(xué)平衡。</h3><h3>更精密的觀察證明這是一個(gè)近乎完美的黑體輻射。</h3> <h3>上面這個(gè)圖，是美國的一顆專門發(fā)上去觀察宇宙背景輻射的衛(wèi)星 （COBE）得到的結(jié)果。當(dāng)時(shí)在物理學(xué)年會(huì)上發(fā)布這個(gè)結(jié)果時(shí)，大家都驚呆了，全場起立鼓掌。</h3><h3><br></h3><h3>這個(gè)是背景輻射的能譜，一個(gè)幾乎完美的黑體輻射能譜。</h3><h3><br></h3><h3>這個(gè) COBE 觀察的精度如此之高，圖上的誤差值幾乎看不出來。</h3><h3><br></h3><h3>現(xiàn)在我們知道。這個(gè)輻射是宇宙早期活動(dòng)留下的證據(jù)。宇宙剛誕生不久是完全黑暗的，但有各種溫度下的黑體輻射。37萬年后，重子物質(zhì)和輕子物質(zhì)結(jié)合形成了原子，光子可以在宇宙中自由游弋，黑體輻射最后成型，當(dāng)時(shí)的溫度是3000K，黑體輻射的光譜在以后的137億年經(jīng)歷了1090倍的“紅移”。</h3> <h3>3000/1090 = 現(xiàn)在觀察到的輻射波長所代表的溫度。</h3><h3><br></h3><h3>假如我們可以在那個(gè)時(shí)候觀看宇宙，那么周圍的一切都是橙色的。假如我們從離”最后的散射表面越來越遠(yuǎn)的地方看這個(gè)表面，我們會(huì)看到它的顏色從橙色慢慢變成紅色，最后又變成漆黑一片，因?yàn)閺哪抢锇l(fā)射出的光子都進(jìn)入了紅外頻道，只能用微波探測器才能看到。</h3> <h3>紅移有三種，最基本的是“多普勒效應(yīng)”，大家應(yīng)該都熟悉。</h3><h3><br></h3><h3>光子從宇宙早期一直到我們現(xiàn)在的探測器里的紅移，主要是因?yàn)橛钪娴某叨扰蛎浽斐傻摹?lt;/h3><h3><br></h3><h3>背景輻射不可能是因?yàn)楝F(xiàn)在宇宙中的熱源產(chǎn)生的，因?yàn)樗鶆蛄恕Ｋ灾荒苁怯钪嬖缙诋a(chǎn)生的。</h3> <h3>我們現(xiàn)在講講背景輻射中隱含的更多的信息。</h3><h3><br></h3><h3>背景輻射看上去幾乎是完全均勻的，各個(gè)方向的變化小于十萬分之一。但就是在這個(gè)十萬分之一以下的細(xì)微變化中，隱藏著宇宙早期活動(dòng)非常重要的證據(jù)。</h3><h3><br></h3><h3>背景輻射偏離平均溫度的角分布（數(shù)量級：十萬分之一度）。</h3> <h3>上圖是背景輻射溫度的全角度測繪結(jié)果，是比COBE更精密的普朗克探測器得到的結(jié)果。</h3><h3><br></h3><h3>上面藍(lán)色的地方表示在那個(gè)角度的溫度略低于平均值，暖色的地方表示略高于平均值，這些不同觀察角度上的細(xì)微偏差的數(shù)量級是10萬分之一度。</h3> <h3>上面是一個(gè)傅立葉振蕩的標(biāo)準(zhǔn)振蕩模式。</h3><h3><br></h3><h3>傅立葉能譜分析是這個(gè)樣子：</h3> <h3>這些細(xì)微的波動(dòng)，其實(shí)代表早期宇宙中的聲波！宇宙中的粒子，在引力和輻射的拉鋸下，會(huì)產(chǎn)生密度的振蕩波動(dòng)，因而引起背景輻射隨角變量的細(xì)微振蕩波動(dòng)。</h3><h3><br></h3><h3>2006年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)授予George Smoot 和 John C. Mather。他們發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射的黑體輻射性質(zhì)及其微妙的角分布。</h3><h3><br></h3><h3>假如背景輻射的角變化是隨機(jī)的，那么傅立葉頻譜應(yīng)該是一條水平線。</h3><h3><br></h3><h3>頻譜中的結(jié)構(gòu)與我后面宇宙學(xué)理論可以達(dá)到高度吻合。</h3> <h3>（C）大尺度的均勻平坦</h3><h3>在大尺度上，我們的宇宙從物質(zhì)和能量的密度上看上去非常均勻，而且空間幾何性質(zhì)上非常平坦（沒有曲率）。</h3><h3><br></h3><h3>大尺度上的密度（和溫度）均勻是件費(fèi)解的事情，因?yàn)椴煌牡胤骄嚯x如此之遠(yuǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的在狹義相對論意義上的因果光錐之外，所以不可能相互協(xié)調(diào)。</h3><h3><br></h3><h3>(具體的說，最后散射表面上兩點(diǎn)之間的角距超過1.7度就沒有因果關(guān)系。）</h3><h3><br></h3><h3>空間的幾何曲率也會(huì)影響背景輻射的角分布。通過分析角分布，可以看到我們這個(gè)宇宙幾乎沒有任何幾何曲率。</h3> <h3>平坦的測度剛發(fā)現(xiàn)時(shí)也很費(fèi)解，因?yàn)槔碚撋峡梢宰C明，在宇宙早期的條件下，平坦的測度是不穩(wěn)定的。</h3><h3><br></h3><h3>平坦就是平坦，比較直觀，我就不展開了。但后面會(huì)講到，沒有暴漲，”平坦”的宇宙幾乎是不可能的。</h3> <h3>（D）宇宙在膨脹</h3><h3>100年前，天體物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)宇宙深處的星系在所有方向遠(yuǎn)離我們而去。距離越遠(yuǎn)，飛離的速度越大。感覺就像所有的星系固定在一個(gè)球上，而整個(gè)球在膨脹。膨脹的速度，就是哈勃-勒梅特定律 （Hubble-Lema?tre Law)：v = H x d，d 是兩個(gè)遙遠(yuǎn)星系之間的距離，v 是它們相互飛離的相對速度。</h3> <h3>這個(gè)也很直觀：上面兩個(gè)圖是遠(yuǎn)處星系飛離速度與地球距離的關(guān)系。前面的是哈勃的結(jié)果，后面的是更精確的結(jié)果（用更遠(yuǎn)的星系）。</h3><h3><br></h3><h3>H，哈勃常數(shù)，最精確的測量結(jié)果是67.4 ± 0.5 公里/秒/百萬秒差距。也就是說，假如一個(gè)星系與地球的距離比另一個(gè)遠(yuǎn)一百萬個(gè)“秒差距” (一個(gè)秒差距 parsec 相當(dāng)于 3.26 光年），那么它飛離的速度要增加每秒67.4公里。</h3><h3><br></h3><h3>這個(gè)膨脹速度下，足夠遠(yuǎn)的星系飛離我們的速度顯然會(huì)超過光速。這是否違背了愛恩斯坦的狹義相對論？</h3><h3><br></h3><h3>不是的！因?yàn)橛钪娴呐蛎?，不是物質(zhì)在空間的擴(kuò)散，而是空間尺度本身的膨脹。</h3> <h3>也就是說，宇宙早期的一米和現(xiàn)在的一米是不一樣的概念。</h3><h3><br></h3><h3>物質(zhì)和能量可以影響宇宙的尺度（包括曲率），反過來宇宙的尺度可以影響物質(zhì)和能量的運(yùn)動(dòng)方式。這，正是廣義相對論的精髓。</h3><h3><br></h3><h3>愛恩斯坦場方程：</h3> <h3>這個(gè)方程我們就不解了，1927年前后弗里德曼已經(jīng)解出來了。</h3><h3><br></h3><h3>R：時(shí)空測度張量；T：物質(zhì)和能量張量</h3><h3><br></h3><h3>弗里德曼尺度和哈勃系數(shù)的理論推導(dǎo)：（根據(jù)宇宙是完全對稱均勻的假設(shè)解出愛恩斯坦場方程）</h3> <h3>這里，”a(t)” 代表宇宙的尺度，是隨時(shí)間變化的。</h3><h3><br></h3><h3>（E）膨脹速度在加快</h3><h3>Adam Riess, Brian Schmidt, Saul Perlmutter 發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹速度在加快，并因此獲得2011年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。</h3> <h3>宇宙膨脹在加速的證據(jù)由兩個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)得到，所以他們的領(lǐng)頭人共享了諾貝爾獎(jiǎng)。</h3><h3><br></h3><h3>這個(gè)結(jié)果很重要，因?yàn)樗C明了宇宙膨脹的動(dòng)力還有一個(gè)看不到的來源：暗能量。</h3> <h3>（F）暗物質(zhì)</h3><h3>宇宙中存在一種物質(zhì)，它的存在只能通過它的引力作用來感知，所以稱為暗物質(zhì)。</h3><h3><br></h3><h3>通過觀察大規(guī)模的星系群的運(yùn)動(dòng)模式，可以估算出宇宙中暗物質(zhì)的能量大約是普通物質(zhì)的五倍。</h3><h3><br></h3><h3>暗物質(zhì)存在的證據(jù)是多方面的，最重要的一個(gè)證據(jù)是基于對20多萬個(gè)星系的測繪分析得到的結(jié)論。還有通過引力成像（gravitational lensing) 得到的證據(jù)。還有通過分析星系M100和Butler Cluster的證據(jù)。</h3> <h3>暗物質(zhì)到底是什么呢？</h3><h3><br></h3><h3>2015年的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)授予Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald。他們發(fā)現(xiàn)了中微子的”振蕩現(xiàn)象” (基本粒子三個(gè)家族中的中微子會(huì)相互轉(zhuǎn)換），由此證明中微子是有質(zhì)量的。中微子質(zhì)量的來源還很費(fèi)解，最受歡迎的”拉鋸理論”認(rèn)為宇宙中不但有左旋的質(zhì)量很小的中微子，還有右旋的質(zhì)量很大的中微子，而且兩者的質(zhì)量是成反比的。假如這個(gè)大質(zhì)量的右旋中微子被某個(gè)探測器發(fā)現(xiàn)，接下去那年的諾貝爾獎(jiǎng)就沒有任何懸念了。大質(zhì)量的中微子，假如存在，很可能是暗物質(zhì)的一個(gè)重要組成部分。</h3><h3><br></h3><h3>基于”拉鋸理論”的”輕子生成理論”可以解釋為什么宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)。</h3> <h3>（G）上帝?。∵@么多星星！</h3><h3>”God, it‘s full of stars！” last message from Dave Bowman，2001: a Space Odyssey，before he travels into spacetime。</h3><h3><br></h3><h3>這個(gè)是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的宇宙早期的星系。</h3> <h3>星系形成之前，暗物質(zhì)在引力作用下組成一個(gè)蜘蛛網(wǎng)一樣的結(jié)構(gòu)（the Cosmic Web)。</h3><h3><br></h3><h3>Illustris 模擬，暗物質(zhì)密度。</h3> <h3>普通物質(zhì)因?yàn)橐Ρ晃皆诎滴镔|(zhì)上，然后相互聚集，成為氣體和塵埃。這些氣體和塵埃相互吸引，開始在中心密集區(qū)域形成高溫高壓的原始恒星，并在恒星內(nèi)部開始通過聚變制造重元素。超大質(zhì)量的原始恒星最后發(fā)生引力崩塌，產(chǎn)生巨大的爆炸（超新星），爆炸中向空間發(fā)射出大量的物質(zhì)（包括各種輕重元素），成為星際間的氣體和塵埃。其內(nèi)核則成為中子星或黑洞。<br></h3><h3><br></h3><h3>Illustris 模擬，45億年</h3> <h3>Illustris 模擬，106億年。</h3> <h3>星系的中心往往有一個(gè)超大型的黑洞，這些超大的黑洞會(huì)吸引周圍的物質(zhì)，有些成為高速旋轉(zhuǎn)的類星體。</h3><h3><br></h3><h3>分析早期形成的類星體的光譜，是研究宇宙演化過程和物質(zhì)分布的重要手段。類星體的年齡，可以通過光譜的紅移推算出來。類星體的轉(zhuǎn)速，可以通過發(fā)射線的寬度推算出來。類星體光譜中的吸收線，可以告訴我們類星體和地球之間的宇宙空間中物質(zhì)的元素成分和密度分布。</h3> <h3>恒星中的聚變會(huì)產(chǎn)生一些重元素，包括鐵元素。更重的“超重元素”，需要通過“中子捕獲”方式的產(chǎn)生。這些過程包括“AGN反饋”（AGN：活性引力核）。</h3> <h3></h3><h3>活性引力核 （AGN）。</h3> <h1 style="text-align: center;"><b>（3）宇宙大尺度動(dòng)力學(xué)</b></h1><p style="text-align: center;"></h3> <h3>（A）現(xiàn)在和將來</h3><h3>我們現(xiàn)在觀察到的宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，基本上可以用廣義相對論的語言來描述，具體的框架最早于1927年左右為弗里德曼等物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)丈量宇宙的測度，F(xiàn)riedmann–Lema?tre–Robertson–Walker 測度。這是愛恩斯坦場方程的一個(gè)真空解。</h3><h3><br></h3><h3>根據(jù)宇宙膨脹加速的證據(jù)，我們可以推理出宇宙將來的演進(jìn)模式，主要是由一個(gè)宇宙常數(shù)(暗能量）來驅(qū)動(dòng)。也就是說，愛恩斯坦場方程中的 Λ > 0. 在這個(gè)假設(shè)下，并假設(shè)宇宙的大尺度幾何結(jié)構(gòu)是平坦的，愛恩斯坦場方程的解稱為”得-西特宇宙” （de-Sitter universe)。根據(jù)現(xiàn)在所有的證據(jù)，我們相信宇宙從50億年前開始向得-西特宇宙趨近。而且這個(gè)宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去。最后，我們周圍的星系，除了仙女座星系將與銀行星系合并，其他都將永遠(yuǎn)飛離我們的（相對論意義上的）因果視野。</h3><h3><br></h3><h3>下圖中最后一個(gè)是德-西特宇宙</h3> <h3>下圖中第三個(gè)是德-西特宇宙的二維截面的形狀：</h3> <h3>（B）過去：暴漲結(jié)束到現(xiàn)在</h3><h3>這段歷史可以用宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來得到令人滿意的解釋：Lambda-CDM 或 ΛCDM (Lambda cold dark matter，暗能量暗冷物質(zhì)模型)。在這個(gè)模型里，宇宙由三種成分組成：（i）Λ，也就是愛恩斯坦的宇宙常數(shù), 俗稱”暗能量”；（ii) CMD，俗稱”冷暗物質(zhì)”；（iii) 普通物質(zhì)（重子物質(zhì)）。這些成分決定了能量物質(zhì)密度與時(shí)空尺度的關(guān)系?；谶@個(gè)關(guān)系，再加上宇宙原理的假設(shè)（宇宙在大尺度上是均勻并各向同性的），可以用廣義相對論推導(dǎo)出宇宙時(shí)空尺度從奇點(diǎn)出現(xiàn)后一千億個(gè)普朗克單位（10^-32秒）到現(xiàn)在以及將來的演化過程。</h3> <h3>在這個(gè)演化過程中，能量密度隨著尺度負(fù)四次方的速度下降，質(zhì)量密度隨著尺度負(fù)三次方的速度下降，曲率代表的能量密度隨尺度的負(fù)二次方下降，暗能量的密度不隨尺度變化。</h3><h3><br></h3><h3>結(jié)合”暴漲理論”，ΛCDM 模型可以系統(tǒng)地解釋：宇宙微波背景的存在及其結(jié)構(gòu)；星系分布的大尺度結(jié)構(gòu)；輕原子氫（包括氘），氦，和鋰的相對豐富；在遙遠(yuǎn)的星系和超新星的光線中觀察到的宇宙的加速膨脹，等等。</h3><h3>結(jié)合宇宙觀察和天體觀察，現(xiàn)在對宇宙中暗能量，暗物質(zhì)，和普通（重子）物質(zhì)的比例的估算是：74%，22%，和4%。也就是說，我們能通過各個(gè)波段直接觀察到的物質(zhì)，包括各種星球和宇宙中的塵埃和氣體，只有宇宙總物質(zhì)和能量的4%。</h3><h3><br></h3><h3>暗物質(zhì)可能包括一些穩(wěn)定但質(zhì)量很重的粒子，比如中微子，WIMP，磁單極，等，也可能代表我們現(xiàn)有理論框架之外的物質(zhì)。</h3><h3><br></h3><h3>暗能量可能起源于時(shí)空的量子振蕩，代表”真空”的一種性質(zhì)。它的存在不違背廣義相對論。</h3> <h3>（C）過去：早期的暴漲</h3><h3>標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸理論并沒有說明什么東西爆炸了，爆炸的原因，或爆炸之前發(fā)生了什么。暴漲理論是”大爆炸理論”中那個(gè)”爆炸“的理論。 - 艾倫.古斯（1997）</h3><h3><br></h3><h3>早期的”大爆炸”理論，有四個(gè)問題：</h3><h3>- 結(jié)構(gòu)問題</h3><h3>- 均溫問題</h3><h3>- 平整問題</h3><h3>- 膨脹問題</h3><h3><br></h3><h3>ΛCDM模型解決了膨脹問題，但其他幾個(gè)問題還是沒法解決。后來觀察到的背景輻射的細(xì)微的角分布，也超出ΛCDM的解釋范圍。</h3><h3><br></h3><h3>現(xiàn)在，多數(shù)物理學(xué)家同意，在進(jìn)入 ΛCDM 描述的狀態(tài)之前，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)“暴漲時(shí)代” (inflationary epoch）。這個(gè)時(shí)代發(fā)生的時(shí)間大致是大爆炸后 10^-36 秒 到 10^-32 秒 之間。在這段時(shí)間里，宇宙的尺度以指數(shù)形式暴漲了30個(gè)以上的數(shù)量級 （相當(dāng)于一納米拉長到10.6光年），尺度 ～ exp(H x t), H 為當(dāng)時(shí)的哈勃系數(shù)，比現(xiàn)在的哈勃常數(shù)大接近50個(gè)數(shù)量級 （所以是暴漲）。</h3><h3><br></h3><h3>暴漲時(shí)代處于大統(tǒng)一時(shí)代和弱電時(shí)代之間。暴漲發(fā)生的原因是大統(tǒng)一時(shí)代結(jié)束時(shí)發(fā)生了一個(gè)相變，這個(gè)相變形成了一個(gè)純量場(inflaton)，宇宙在這個(gè)場中處于一個(gè)不穩(wěn)定的高能態(tài)/假真空態(tài)，需要向一個(gè)穩(wěn)定的真空態(tài)演化。在這個(gè)演化過程中，宇宙尺度因?yàn)閺V義相對論效應(yīng)得到劇烈膨脹，同時(shí)能級轉(zhuǎn)換中釋放出來的能量使宇宙充滿了極高能量的正反夸克和膠子。隨著暴漲過程中溫度的降低，強(qiáng)相互作用與弱電作用脫離，W，Z，和希格斯子開始出現(xiàn)，宇宙在暴漲結(jié)束后進(jìn)入”弱電時(shí)代”。在這個(gè)階段，宇宙還是完全黑暗的。觀察這個(gè)時(shí)代的手段是通過探測暴漲過程中產(chǎn)生的引力波，和當(dāng)時(shí)的密度波動(dòng)在暴漲后遺留下的大尺度的細(xì)微波動(dòng)。</h3> <h3>提出和構(gòu)建暴漲理論的物理學(xué)家主要是斯坦福的Andrei Linde （我在宇宙學(xué)上的啟蒙老師）和 麻省理工的 Alan Guth。暴漲理論給出了五個(gè)非常具體的預(yù)言，其中四個(gè)已經(jīng)得到觀察證實(shí)。未得到證實(shí)的關(guān)系到暴漲時(shí)發(fā)生的引力波。</h3> <h3>l < 50 的部分來自于暴漲時(shí)期的振蕩。暴漲理論預(yù)言這部分的強(qiáng)度應(yīng)該是比較平坦的。</h3><h3><br></h3><h3>第一個(gè)高峰來自引力與輻射壓力之間的拉鋸所引起的重子密度振蕩，是一種聲波，假如當(dāng)時(shí)宇宙是平坦的，這個(gè)峰應(yīng)該出現(xiàn)在 l=220。其他高峰代表重子密度其他更高頻的振蕩模式。</h3><h3><br></h3><h3>從這些振蕩模式，我們可以估算出當(dāng)時(shí)物質(zhì)相對于能量的密度和其他一些重要的參數(shù)。</h3><h3><br></h3><h3>重子密度的振蕩造成溫度的微妙變化，所以也反映在黑體背景輻射里微妙的振蕩。這兩種震蕩之間的關(guān)聯(lián)也已被觀察證實(shí)。</h3><h3><br></h3><h3>暴漲理論雖然成功地解釋了很多觀察到的現(xiàn)象，它本質(zhì)上還是一個(gè)維象理論。真正從粒子物理學(xué)基礎(chǔ)上建立暴漲的原動(dòng)力的發(fā)生機(jī)制，還有待粒子物理理論更深層的完善和對宇宙早期相變過程的更深了解。</h3> <h3>（D）起始：量子奇點(diǎn)</h3><h3>宇宙從誕生到“暴漲”開始這段時(shí)間的行為現(xiàn)在還沒有太詳細(xì)的理解。這是一個(gè)“量子引力”或更嚴(yán)格的說“量子時(shí)空”的場景。超弦理論的場景，或許比這個(gè)要寬大，但必須包含這個(gè)場景。最終的理解，還應(yīng)該包含對暗能量和冷暗物質(zhì)的理解，它們有可能在現(xiàn)在的理論框架內(nèi)，也可能在外面，代表全新的物理。</h3><h3><br></h3><h3>但這個(gè)時(shí)段發(fā)生的故事，還是有可能在宇宙中留下不可磨滅的烙印。更加精密的宇宙觀察可以為我們提供不少線索。</h3><h3><br></h3><h3>其中一個(gè)正在等待結(jié)果的精細(xì)觀察與宇宙最早期（暴漲前）的量子振蕩有關(guān)系。根據(jù)暴漲理論，暴漲前的量子振蕩是現(xiàn)在觀察到的宇宙中的星系結(jié)構(gòu)的原核。并且，這些振蕩會(huì)使背景輻射中的一些光子具有一個(gè)獨(dú)特的偏振角度。這些預(yù)言，假如得到證實(shí)，那么宇宙學(xué)就正式進(jìn)入了”量子宇宙學(xué)”。</h3> <h1 style="text-align: center;"><b>（4）結(jié)語</b></h1><h3><b><br></b></h3><h3 style="text-align: center;"></h3><h3>宇宙早期的”暴漲”，等于給宇宙當(dāng)時(shí)的狀態(tài)拍了一個(gè)照片，這個(gè)照片通過暴漲被凝固在時(shí)空里。宇宙背景輻射的結(jié)構(gòu)就是這張照皮的一部分。</h3><h3><br></h3><h3>這是一個(gè)幾近全息的照片，我們可以看到當(dāng)時(shí)宇宙的重子的密度分布，溫度分布，輻射分布，或許中微子和引力子的分布，甚至磁單極的分布。這些分布在“暴漲”以后的大尺度結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變，因?yàn)樗鼈冎g的距離不允許它們之間發(fā)生（狹義相對論意義上的）相互作用。</h3><h3><br></h3><h3>星系的歷史演變相對來說是極小范圍的現(xiàn)象，在這些小范圍內(nèi)，能量/質(zhì)量基本上是守衡的。所以星系形成后的原子和化學(xué)反應(yīng)都和宇宙在大尺度上的演化沒有關(guān)系。人類或許最終可以征服和改變我們的星系，但不可能改變宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。</h3><h3><br></h3><h3>星系在大尺度上的分布，也是這張照片的一部分。一個(gè)雨點(diǎn)或一顆珍珠的形成，都需要借助一粒微核。宇宙早期的聲波，在暴漲后成為星系賴以形成的微核。</h3><h3><br></h3><h3>宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，將是以后驗(yàn)證物理學(xué)理論的主要的實(shí)驗(yàn)室。</h3> <h1 style="text-align: center;"><b>（5）哲學(xué)問題</b></h1><h3><b><br></b></h3><h3 style="text-align: center;"></h3><h3>任何一個(gè)邏輯自洽的系統(tǒng)，總有一個(gè)本系統(tǒng)無法解答的終極問題。在宇宙這個(gè)系統(tǒng)里，現(xiàn)代物理已經(jīng)把這個(gè)問題壓縮到了一個(gè)比較小的范圍。但最后，或許還是無法解答一個(gè)終極的問題：假如我們能滿意地把宇宙起源追溯到這個(gè)原始的量子奇點(diǎn)，那么這個(gè)奇點(diǎn)從何而來？或許，這是一個(gè) ”元物理”問題（meta-physical problem)。或許等同于”時(shí)間之前是不是有時(shí)間”的問題。物理學(xué)家或許可以提供一個(gè)或幾個(gè)答案，但或許永遠(yuǎn)無法證明任何一個(gè)答案是唯一正確的答案。</h3><h3><br></h3><h3>但現(xiàn)在有足夠的證據(jù)表明：</h3><h3><br></h3><h3>我們的宇宙有一個(gè)有限的歷史，我們現(xiàn)在可以看到它誕生后三十萬年開始透明的時(shí)刻?；蛟S以后還可以看到它誕生一秒之內(nèi)的某個(gè)時(shí)刻 (通過中微子，引力波）。</h3><h3><br></h3><h3>它很大，大的不可想象。但它是有邊際的，雖然大部分已經(jīng)在我們的因果視界之外。</h3><h3><br></h3><h3>（根據(jù)一個(gè)初略的估算，我們可見的宇宙相對于我們這個(gè)宇宙的大小，相當(dāng)于一個(gè)原子相對于我們可見的宇宙的大?。?lt;/h3><h3><br></h3><h3>我們的宇宙不會(huì)崩塌，但最后所有在銀河系和仙女座星系引力范圍之外的星系，都會(huì)飛離我們的視界。</h3><h3><br></h3><h3>對我們?nèi)祟悂碚f。最重要的是我們的銀河系（還有未來將要與之合并的仙女座星系）。我們或許要做好遷移出太陽系的準(zhǔn)備，但銀河系（和仙女座系）應(yīng)該有很多可以為家的地方。</h3><h3><br></h3><h3>人類的身體很渺小，但我們的意識(shí)很壯觀。用我們意識(shí)的眼睛，我們可以看到很遠(yuǎn)的過去，也可以看到很遠(yuǎn)的將來。假如我們相信科學(xué)，我們可以在銀河系和仙女座系之間永存。所以我們有足夠的時(shí)間來探索那個(gè)終極的問題：時(shí)間的前面是什么？</h3>