【一席】趙公博:宇宙的關鍵時期

【一席】趙公博:宇宙的關鍵時期

趙公博. 宇宙的關鍵時期 2018.05.
20 杭州各位大家好我是趙公博來自中科院國家天文台我是一位宇宙學家宇宙學家是幹什麼的簡單來說就是研究宇宙說得稍微具體一點那麼就是綜合利用超新星宇宙微波背景輻射重子生物震盪紅移畸變等宇宙學探針綜合使用理論計算 數值模擬數據處理等技術手段反覆測量重建宇宙學的暗能量狀態方程測量中微子質量並且研究宇宙原初非高斯性等宇宙學問題聽起來有些枯燥可能會有些恐怖是吧不過各位不用擔心今天這些內容我統統不講那麼今天講什麼呢當然是關於宇宙裏麵有意思的一些問題我們管它叫作宇宙的一些關鍵時期那麼什麼是宇宙實際上我們中國古人對這兩個字已經進行了深入的研究那麼這是一本古書《淮南子·齊俗》 當中這樣說道四方上下謂之宇
往古來今謂之宙翻成現代漢語就是說宇代表空間 而宙代表時間也就是說宇宙學是一門研究時間和空間的學問千百年來每個人我們的科學家 包括我們普通人對宇宙的時空的思考從未停止過包括我也一樣從小就想過很多大的問題宇宙到底是怎麼樣開始根據我們今天的了解宇宙開始於一次大爆炸但是在此之前人們都認為宇宙是靜止不變的這可能也符合很多人的預期因為靜止可能代表著寧靜 代表著永恆那我們的宇宙既然有這樣一個開端我們各位知道宇宙年齡大概是多少嗎我剛才聽見各位說對了
138億歲也就是說在138億年前宇宙經歷了一次劇烈的爆炸在那個時期宇宙加速膨脹然後呢宇宙裏麵開始形成了一些結構包括恆星 行星 還有星係等等宇宙開始變得豐富起來在這一時期由於物質的產生時空在這個物質的作用下開始進行減速的膨脹然後這也是宇宙裏麵我認為最重要的一個時期也就是我們目前的時期宇宙又開始加速膨脹我們隻知道這個現象但是卻不知道背後的原因我們給它取了一個名字是什麼力量推動宇宙加速膨脹呢叫作暗能量今天我們會談到這個問題這是結合我們今天所有的觀測對宇宙的一個更加詳細的了解你可以看到在宇宙裏麵有更加豐富的一些事情發生今天我們就會從宇宙的爆炸開始我們討論宇宙裏麵的幾個關鍵的時刻首先是宇宙的開端 大爆炸根據我們現有的理論在138億年前
非常非常可能當然不是百分之一百肯定還有其他的理論非常可能發生了這樣的一次爆炸這次爆炸並不像我們想像的原子彈爆炸一個物質發生爆炸產生了很多其他東西這一次爆炸產生的不是普通物質而是時間與空間也就是說在此爆炸之前時間和空間是沒有的 是不存在的這個爆炸非常劇烈在爆炸的時候呢時空是加速地進行膨脹如果你不能感受這個爆炸的劇烈我們用數字來說明一下時空在非常短的時間10的負36次方秒之內膨脹了10的26次方倍你可以想像這是一個多麼劇烈的一個過程那麼溫度呢也隨著時空的膨脹急劇地下降從10的32次方度下降到了大概1千萬度那麼由於宇宙早期的溫度太高了一些豐富的結構還沒有辦法形成也就是在宇宙的早期隻有一些非常基本的粒子比如光子 電子這就好像在生物演化的過程當中剛開始隻有一些非常簡單的生物結構比如說什麼三葉蟲後來演化出來非常豐富的結構 也是一樣的光子可以說是我們這個宇宙裏麵最古老的一個粒子從宇宙爆炸就有光子的存在光子到底是什麼呢其實我們每天都在跟光子打交道實際上光既是波又是粒子但是我們通常看東西隻是利用光波的非常小的一部分的頻率叫作可見光看到不同的顏色但是我們其他的日常生活當中還會頻繁接觸光子比如說我們用微波爐加熱食物的時候你用的也是光子隻不過那個光子的波長不在可見光你是看不到它的但是你卻能夠感受到它它有溫度
它有能量如果你到醫院裏麵去拍X光片的話你用到的其實也是光子隻不過用到的是波長更短的光子你仍然是看不到它因為不在可見光的波段在非常早期的宇宙光子和電子是緊密地結合在一起的用通俗的話說 早期的宇宙就是一鍋粥溫度非常高緊密結合是什麼意思也就是說光子並不自由在早期的宇宙裏麵光子是被電子緊緊地束縛在一起的光子是無法傳播到今天被我們看到的如果光子在宇宙早期不能自由傳播到今天的話你是沒有辦法了解早期宇宙發生了什麼事情大概在大爆炸後的38萬年那一個時刻宇宙的溫度已經降得足夠低了那個時候光子第一次變得自由這是一個非常重要的時刻因為在這個時刻之後我們可以第一次看到光子也就是我們能夠了解宇宙的最早的時刻是大爆炸後的38萬年我們把它叫作宇宙微波背景輻射時期那個時候的光子它的波長跟我們用微波爐的波長是一樣的這就是我們今天用衛星拍攝到的宇宙微波背景輻射的信號你看到這些顏色的這些點實際上代表著溫度不同的溫度分佈可以告訴你早期宇宙到底發生了什麼前麵我們說到在大爆炸後的38萬年光子和電子已經不再相互作用了光子變得自由各位可以看到從宇宙的早期慢慢地飛到了今天 被我們探測到因此我們今天所看到的這個信號包含兩部分重要的信息一個就是早期宇宙發生了什麼一個就是沿著宇宙演化這個時期非常長的時間 138億年到底發生了什麼關於宇宙微波背景輻射的發現其實在科學上是一次意外並不是科學家專門要去尋找這個信號這幅圖是上世紀60年代美國貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜這兩個人他們的工作就是利用他們身後的這一架射電望遠鏡他們來搜尋太空當中的一些關於衛星通訊的這樣的信號但是令他們感到很意外的是他們卻看到了這樣的一個信號就是不管他們把這個天線對準哪個天空的方向都會看到一個雪花屏這個噪聲他們剛開始認為這可能是他們的儀器發生了故障通過排除各種故障他們發現這個信號仍然存在於是他們大膽地假設這個信號會不會來自於宇宙於是他們請教了當時的一些宇宙學家那些科學家告訴他們如果宇宙曾經發生過一次大爆炸那麼根據科學的計算非常有可能會導致他們看到了這個噪聲於是他們兩個就陰差陽錯地發現了一個宇宙學裏麵非常重要的信號並且在1978年獲得諾貝爾物理獎這個宇宙微波背景呢在2006年又第二次獲得諾貝爾獎因為它實在太重要了今天我們了解宇宙的年齡是138億年就是由於這個信號當光子變得自由了以後當然電子也就變得自由在宇宙裏麵就開始產生各種各樣的更複雜的一些結構你可能會想像接下來宇宙裏該發生什麼了很可能會想到恆星開始產生了
星係開始形成了是這樣嗎其實不是這樣現在中間還缺少一個非常重要的階段這個階段叫作黑暗時代說起來並不是多麼地令人激動因為看起來好像什麼都沒有但是它卻孕育了宇宙結構的產生這是非常重要的一個時期為什麼叫黑暗時代因為在這個時期裏麵就是在大爆炸結束大概4億年左右的時期裏麵宇宙裏麵還沒有形成可以發光的東西就是說恆星行星等等都沒有形成在宇宙裏麵有哪些東西呢隻有一些中性氫也就是質子和中子形成的 它們形成了中性氫但是卻不能發光也有一些原始的光子這個時期就好像一個孩子從少年時期慢慢地成長到青年時期他突然從一個孩子 天真無邪的可能慢慢變得憂鬱起來心事多了起來 變得安靜起來但是正是為了下一步的生機勃發做好了準備當然下一步黑暗之後自然就是黎明我們稱之為宇宙的黎明時期宇宙裏麵終於開始有了發光的東西第一代恆星開始形成這是一個示意圖隨著宇宙溫度的下降在宇宙當中複雜的結構開始形成重的元素也慢地合成宇宙裏麵出現了氣體
出現了塵埃在重力的作用之下慢慢聚集形成了一些非常豐富的結構當你有了恆星之後恆星就會慢慢聚集進一步形成星係但這並不是很容易的事情你可以想像在宇宙裏麵時刻發生的劇烈的動力學過程當一個小結構剛剛形成的時候它很可能會被其他的結構所破壞無法生長要想解釋這個現象我們會涉及到另外一個天文學裏麵非常重要的一個課題跟上世紀80年代的一項發現有關各位看到這個圖中間旋轉的實際上是一個星係橫坐標就是圓半徑就是離這個星係中心的距離縱坐標畫的是旋轉的速度我們根據牛頓引力可以想像當你離這個中心的圓盤非常遠的時候實際上你的旋轉速度應該是非常非常低的因為那個時候的密度非常低質量非常小 引力也非常弱也就是我們通過理論計算應該得到的是白色的曲線當離得非常遠了的時候沒有速度可實際看到的是綠色曲線速度不降低 反而保持不變於是科學家們有了一個大膽的猜測在宇宙裏麵除了這些看得見的亮物質以外是不是還存在著某些看不見的東西既然亮物質能看見看不見的自然叫作暗物質那麼暗物質的假設可以完美地解釋這個實驗觀測從另外一個方麵暗物質在宇宙的結構形成裏麵也發揮了非常重要的作用暗物質就像是一個容器這些亮物質可以掉到這個容器裏在這個容器的保護之下慢慢地生長發育結團就好像是一棵小樹剛開始生長的時候如果每天風吹雨打它是很難長大的你看如果把它綁上一根竹竿這棵小樹在這根竹竿的保護之下就可以健康地生長暗物質實際上起到了這樣一個作用通常我們把它稱作宇宙結構的生命搖籃這是一個高解像度的計算機模擬左邊是暗物質的形成演化右邊是恆星星係等等普通物質的演化你可以看到左邊和右邊是非常相似的結構也就是左邊的暗物質首先要形成 形成了一個容器然後這些亮物質慢慢掉入這個容器裏麵在這個容器的保護之下慢慢生長起來最後形成兩個非常相似的這樣一個結構正是在這種機製的作用之下今天的宇宙出現了非常豐富的結構這張圖說的是我們的家園
銀河 係銀行係實際上非常大有多大呢它的直徑10萬光年各位知道光速是非常快的每秒30萬公裏因此一光年大概是9萬億公裏這麼長的一個距離你們可以想像銀河係的一個巨大這些照片都是實拍的是用哈勃太空望遠鏡實拍的照片這不是PS的照片這幅照片 大麥哲倫雲這是一個非常漂亮的結構是我們銀河係的一個衛星星係它的大小大概是我們銀河係的1/5左右距地球大概16萬光年這個漂亮的星係叫作仙女座星係 位於仙女星座它距離地球就非常遠了
大概是250萬光年它的大小和我們的銀河係差不多風車星係 長得像一個風車一樣 有一個漩渦它位於大熊星座距我們就更遠了 2100萬光年但是你看我們今天的天文學技術能夠拍到這樣高清的一個圖片能夠對它進行深入的研究今天的宇宙已經充滿了這樣豐富多彩的結構甚至包括我們各位從科普書裏麵經常看到電影小說裏麵看到的黑洞
甚至蟲洞等等這樣的結構都已經形成了接下來的宇宙會發生什麼呢前麵我提過可能各位還有印象在宇宙大爆炸的初期宇宙是經歷了劇烈的膨脹 加速膨脹然後宇宙雖然在膨脹 但是由於物質的產生宇宙經歷的是一次減速膨脹的過程漫長的減速膨脹今天宇宙又開始加速膨脹那麼到底發生了什麼談到宇宙膨脹我們先介紹幾位科學家這一位可能各位都非常熟悉了 牛頓偉大的科學家包括了數學家
哲學家 神學家 天文學家牛頓這樣一位男神 他發現了萬有引力的定律他發現任何兩個星體之間都相互地吸引但是他並沒有告訴你為什麼他隻是發現了這樣一個現象在牛頓看來時間和空間就像是一個舞台星體就像是演員
站在這個舞台上舞台跟演員之間沒有任何關係所以在牛頓看來我們通常說牛頓的絕對時空觀就是這樣一回事背景 也就是說時空時間 空間和運動沒有任何關係他成功解釋了太陽係內星體的運動但是卻無法很好地解釋在更大尺度上宇宙裏麵到底發生了什麼這一位 各位都非常熟悉了
愛因斯坦愛因斯坦完全拋棄了可以說是從根本上改變了牛頓對時空的認識這是在愛因斯坦眼裏看到的宇宙你看這有兩個小球 代表兩個星體這些網格代表的是時間和空間愛因斯坦認為這些物質的存在可以使得時空發生扭曲由於時空的扭曲這兩個物體發生了相互作用這是愛因斯坦認為的引力的根源他認為引力就是由於時空發生了扭曲那麼這是著名的愛因斯坦方程被印到國外的一列火車上這個方程背後有非常艱深的數學所以今天我們就不再去展開了但是我們可以看到這個方程背後的精髓實際上就是這樣一個等式這是愛因斯坦天才的發現方程左邊叫作時空曲率什麼意思呢就是剛才我給各位看的那個網格時空的變形在方程的左邊代表的是一個幾何量而方程右邊是代表物質的分佈它是一個物理量在愛因斯坦之前從來沒有人想過時空空間的什麼曲率幾何跟物理之間有什麼關係這是愛因斯坦首次天才地把它們聯繫在一起愛因斯坦得到這個方程之後他非常地興奮他馬上利用這個方程去研究宇宙的演化他發現利用他的方程宇宙有兩種可能的演化形式一種宇宙將永遠膨脹下去最後將四分五裂 什麼都不存在另外一種宇宙將坍縮最後坍縮到一個點愛因斯坦非常地不安他覺得這肯定是錯的因為宇宙不可能是這樣的他根深蒂固地認為我們的時空一定是靜態的宇宙肯定是永恆的不可能是膨脹或者收縮的於是他在想我能不能通過修改我的方程使得宇宙變得永恆呢 變得靜止呢於是他首先排除了一個可能性宇宙膨脹
他就馬上排除了他覺得宇宙不可能是膨脹的如果宇宙真的是膨脹的我沒有辦法讓它停止下來所以各位看到他首先就把正確的解就排除掉了然後他就剩下了第二個解 就是宇宙坍縮他想宇宙坍縮是為了什麼呢很可能是由於萬有引力的存在引力使得物質之間互相吸引影響了時空的結構那我們能不能加入一個萬有斥力呢來抵消這個萬有引力呢你不得不佩服愛因斯坦 確實聰明所以他在這個方程右邊加入了一項所謂的萬有斥力通常我們叫作宇宙學常數宇宙學常數是什麼今天我們知道就是所謂真空的能量真空並不是我們想像的什麼都沒有真空是有它的能量的愛因斯坦用他的宇宙學常數成功地把一個宇宙變得靜態非常興奮一百年前 1917年
發表了一篇論文宣稱我終於找到了製約宇宙的時空演化的規律了但是好景不長1929年英國的科學家哈勃粉碎了愛因斯坦的夢想他發現宇宙是在膨脹的 並不是禁止的他通過天文觀測發現所有的星體都在遠離我們後退並且離我們越遠的星退得就越快整個宇宙是一個膨脹的這麼一個圖像愛因斯坦當時還健在啊 1929年的時候他看到這個新聞之後非常懊悔他說 哎呀
我上來就把正確的解給排除了然後他還畫蛇添足地在方程裏麵加入了一項什麼宇宙學常數於是愛因斯坦在後來的回憶錄當中就說加入這個宇宙學常數是我一生當中犯的最大的錯誤沒有之一 最大的錯誤愛因斯坦於1955年去世了但是這個故事並沒有結束1998年科學家們發現宇宙不僅膨脹 而且還加速膨脹各位可以想像如果愛因斯坦健在的話他應該是一個什麼樣的心情當年他引入這個宇宙學常數的目的是幹什麼他知道宇宙本來應該坍縮他加入了一個斥力 宇宙就不坍縮了
就能靜止了可是他沒有想到宇宙本來不是坍縮的宇宙本來就是要膨脹的你想一想宇宙本來就膨脹加入一項斥力之後會怎麼樣是不是更膨脹了就加速膨脹也就是說愛因斯坦用完全錯誤的思路竟然得出了正確的結論完全是陰差陽錯地這三位科學家怎麼樣了解宇宙加速膨脹呢就是通過一種特殊的星體 叫作超新星超新星是一種非常特殊的星體被稱作宇宙的標準燭光因為它的亮度和它距我們的距離是一個非常清楚的關係同時我們又可以測量這類星體的退行速度又有距離 又有速度於是我們就知道宇宙到底是怎樣膨脹的這個發現1998年獲得當年就被評為十大科學進展之首2011年獲得諾貝爾物理獎宇宙為什麼加速膨脹背後的物理我們今天還是不知道的人們提出了很多假設有人說是由於暗能量的存在有人說愛因斯坦的引力恐怕也需要修正可能也不是終極的理論這些假設都可能存在我們今天就是要利用觀測數據來對這些假設進行檢驗並且我們也希望利用觀測數據帶領我們找到背後的正確的理論根據我們今天的了解今天的宇宙裏麵存在著這樣的成分各位可以看到 最重要的就被稱為暗能量的成分
佔有宇宙的70%也就是這一種東西推動宇宙的加速膨脹它本質是什麼我們雖然不知道但是我們今天已經了解了暗能量的某些性質暗物質大概佔有1/4是什麼我們也並不清楚直到今天我們仍然沒有找到暗物質存在的直接證據但是我們之前也說了如果宇宙裏麵沒有暗物質星係是很難形成的我們有一些間接的證據但是還沒有找到暗物質的粒子剩下的5%就是我們的普通物質就是地球 太陽 你 我
我們的物質世界隻佔有5%我們知道諾貝爾物理獎1901年設立到今年頒發了100多次了基本上都是授予在這5%裏麵做出貢獻的科學家你可以想像一下5%已經獲得100多個諾貝爾獎剩下95%還有多少諾貝爾獎等著各位去拿這裏麵有巨大的發現空間還有很多很多我們不清楚的東西暗物質 暗能量也是當今科學不光是天文學當今科學最重大的課題之一我就是從事暗物質 暗能量這個方麵的研究我們是怎樣去研究的這裏麵用卡通來說明一下我先說一個現象可能各位都感受過叫作海市蜃樓本來一個船 在海平麵之下
你是看不到它的但是由於天氣的變化空氣的折射率可能發生了改變光本來是直線傳播的 現在變成了曲線傳播發生了偏折本來一艘船在地平線之下 跑到天上去了看起來非常神奇的東西在宇宙學裏麵我們也有類似的現象叫作宇宙海市蜃樓或者叫作引力透鏡現象各位看到本來這地方有一個星體它被前麵一個很大的結構被一個星係 或者暗物質結構所擋住了你本來看不到的但是這個結構引起了光線的偏折光線沿著黃色的曲線傳播
傳到地球地球的儀器 包括我們的人眼我們是不會轉彎的我們隻能沿著直線去傳播於是我們反推回去的話以為這個星體在這個位置 或者在這個位置也就是說一個圓可能會成很多的像今天我們用望遠鏡就可以拍攝到這樣的圖像你看剛才發現有兩個這樣的像很可能是來自同一個圓並且你發現它周圍有一圈光暈像一個弧線一樣的這就是由於海市蜃樓現象所導致的我們可以大量數據分析或者是用機器學習的方式來看很多這樣的圖片反推中間的物質分佈它不發光也沒關係它是暗物質也沒關係我們可以反推它的存在我們就是利用這樣的方式來了解暗物質的發現了今天暗物質大概佔有1/4左右暗能量的研究方法呢其實非常類似於人口普查隻不過這地方我們是對星係進行人口普查我們對大量的星係樣本進行觀測我們實際上地球所在的位置就是這個圖的中心點我們觀測大量的星係去測量星係的光譜等等科學的屬性然後對星係的三維分佈進行研究我們發現如果暗能量存在並且暗能量有不同屬性的話它會改變星係的三維分佈反過來 我如果測量星係的三維分佈我就能夠去了解暗能量到底是什麼當然要測量星係的三維分佈不容易我們在實驗室裏麵測長度可以用尺子但在太空裏麵你用什麼當尺子呢這是我們用的一個非常重要的一個物理學的參量叫作重子聲波振蕩這個地方我們沒有辦法去展開隻能告訴各位這是一個非常重要的量天尺它是一個特徵尺度我們用它當作一把尺子去丈量宇宙的幾何反過來去反推暗能量的屬性我們現在參與國際上一個非常大的國際合作項目叫作BOSS項目重子聲波振蕩巡天實驗我從2009年加入到這個項目這個項目來自世界30多個國家包括哈佛大學
斯坦福等等這些大的研究所組成了這樣一個合作組由100多位科學家組成這是我們2017年利用BOSS的最新觀測我們拍了100萬條星係的光譜進行數據分析之後得到的暗能量屬性的一個結果這個橫坐標實際上就是時間縱坐標是對暗能量來說非常重要的一個物理量我們管它叫作狀態方程其實它就是暗能量的壓強與它的密度這麼一個比值這個量非常重要可以說它裡麵包含了暗能量的密碼你看這個地方我們畫了一條線-1 這條虛線愛因斯坦提出的宇宙學常數它可以解釋宇宙加速膨脹他預言的這個W是等於-1但是我們今天利用數據重建這個函數我們發現今天的觀測是這條藍色的曲線也就是說這個W是隨著時間變化並且沿著-1振蕩的這個東西很重要因為它說明了暗能量的某些重要性質很可能不是我們的預期暗能量可能具有某些動力學的屬性這個跟未來宇宙的命運也緊密聯繫在一起如果愛因斯坦說的是對的這個暗能量真的是真空能的話宇宙有一天真的是會分崩離析我們的時空將會撕裂每一個結構 包括我們自己原子 分子都將被撕裂將會蕩然無存
什麼都沒有但是如果暗能量真的是像這種形式演化的話我們的宇宙很可能是一個循環的過程宇宙將會膨脹到一定程度會收縮然後再膨脹循環往復這可能更容易被大家所接受這是我們2017年發表的一個工作我們也對未來的數據做了一個模擬我們發現未來5年之後我們有更大的望遠鏡獲取更好的數據了之後我們會得到中間那條深藍色的曲線到那個時候很可能我們就能夠在更高的質性水平上或者更高的精度上去了解暗能量這幾幅圖是我們現在用的大型的望遠鏡左上的這個是我們正在使用的2.5米口徑的巡天各位看到 這位我的同事跟這個望遠鏡相比就可以想像這個望遠鏡是非常巨大的明年將要運行的暗能量光譜巡天這個是美國的一家望遠鏡 口徑為4米它將在更高的精度看到宇宙的更深處給我們帶來新的信息未來的5到10年10米級的望遠鏡還有30米口徑的望遠鏡即將運行我們也相信隨著這些大型的儀器的運行我們會越來越多地了解宇宙揭開暗能量 暗物質這些宇宙之謎在今天這個剛才各位說了
充滿愛的日子裏非常幸運地跟大家一起來討論宇宙學我想最後用卡爾·薩根的一句話結束我們今天關於宇宙的討論在廣袤的空間和無限的時間當中能和各位共享同一顆行星 同一段時光 非常榮幸謝謝各位

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肺癌累及心髒並不少見

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