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科技前沿:加速膨脹中的宇宙

2002-02-12 08:39 作者:章德海 桌面版 简体 0
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宇宙之浩瀚與神奇,令人驚嘆和神往。朵朵星系的基本成分是像恆星那樣閃閃發光的「重子型物質」,但宇宙中還有相當一部分不怎麼發光的「重子型物質」,例如星雲、行星、矮星、黑洞等。所謂「重子型物質」,是指人們在地球上或實驗室內常常遇見的普通物質或其不同變態。

  令人驚奇的是,全部「重子型物質」僅佔宇宙的約4%,26%的宇宙成分是所謂「暗物質」,另有約70%是所謂「暗能量」。這些「暗物質」和「暗能量」是人們非常不瞭解的嶄新形態。宇宙不但成分特殊,而且並非像我們初看上去那樣是靜態的,宇宙其實是在動態地膨脹著。宇宙如此浩瀚,人類如此渺小,人們怎麼知道「全宇宙」由哪些成分組成,而且還大體知道其比例,並得出如此驚人的結論呢?
  我們通過高精密望遠鏡,可以觀測到遙遠的星體發出的星光光譜線向紅端移動。光譜紅移表明星體在退行,越遙遠的星體光譜紅移越大。如果宇宙等速膨脹,那麼距離與紅移成正比,這就是著名的哈勃定律。1998年科學研究出現重大進展。科學家發現,宇宙並非人們一貫想像的那樣,由於□有物質的存在而應該減速膨脹。相反,宇宙在加速膨脹。這標誌著宇宙的主要成分不是物質,而是一種嶄新形態:「暗能量」。2000年,宇宙加速膨脹有了重要佐證,這就是宇宙微波背景各向異性的精確測定。

  20世紀60年代初,科學家發現宇宙中普遍存在3K度微波背景輻射,其實它是高溫熱大爆炸宇宙經充分膨脹後的餘溫,它相當均勻和各向同性。但是,3K度微波背景輻射有著萬分之一的非均勻性起伏,其中蘊藏了極其豐富的早期宇宙的寳貴信息。正是從這些信息的分析中,人們瞭解到宇宙是平直的,而且具有上述成分比例。不同方法的天文觀測,如星系團X射線分布、引力透鏡、宇宙年齡的推斷、大尺度結構演化等,給出了更多的佐證。宇宙僅有不到40%的「物質」,它包括了「重子型」和「暗型」。各項成果的交叉驗證基本證實了我們對宇宙的這一整體看法,這是非常了不起的成就。

  然而,挑戰也是嚴峻的。「暗物質」的本質是未知的,它與我們普通的「重子型物質」間沒有電磁和強相互作用,因此很難探測到它,我們僅是靠其大規模引力效應才推知其存在。相當多的科學家寄希望於,「暗物質」就是推想中的超對稱擴充版的「粒子標準模型」中的所謂「中性微子」,但遠未從實驗上證實其存在。至於「暗能量」就更加神秘了。粒子物理可知作為「暗能量」可能形態之一的「真空能」或稱作「宇宙學常數」,但它們卻總是比宇宙學中所需要的「暗能量」高出了幾十個量級。這預示著我們的基本物理存在重大缺陷和面臨危機。

  另外,一種像「宇宙學常數」那樣的「真空能」的存在將主宰宇宙的未來,我們今天所能看見的星系都將加速飛離我們的視野,永無返還。因此我們必須結合粒子物理和宇宙學的最新成就,研究宇宙給基本理論帶來的嚴峻挑戰,展示一種使我們更感寬心的宇宙未來前景。


光明日報


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