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2012-12-29 21:16:51楊先碧
科學24小時 2012年4期
□楊先碧
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□楊先碧
科學家預計，在宇宙大約1000億歲的時候，宇宙的大小將是現(xiàn)在的數(shù)億倍，宇宙的密度將變得很小很小，物質(zhì)和能量非常稀薄地擴散在宇宙之中。到那時，宇宙或許不再膨脹，只會在一片冰冷之中慢慢地死去……
萬事萬物都會有一個出現(xiàn)、發(fā)展（或發(fā)育）和消亡的過程。我們身處的宇宙會不會遵守這樣的自然規(guī)律呢？2011年美國索爾·珀爾馬特、澳大利亞布萊恩·施密特和美國亞當·里斯三位諾貝爾物理學獎得主的獲獎成果告訴我們：宇宙正處在一個“生長發(fā)育”的過程中，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。
宇宙正在加速成長
在大約150億年前，宇宙只是一個聚集了巨大能量和物質(zhì)的小點。在某種未知條件的啟動下，這個小點爆炸了。這就是“宇宙大爆炸理論”的主要內(nèi)容，也是科學家對宇宙誕生的猜想。宇宙大爆炸之后，它就不斷地膨脹，也就是說，宇宙像一個生命體一樣在不斷地長大。這樣，宇宙中一些新的天體在不斷產(chǎn)生，一些老的天體在不斷死去……
三位諾獎得主說，目前宇宙正處于青少年時期。
地球相對于浩淼的宇宙來說，用大海里的一滴水來形容它也不為過。在這么渺小的地球上，天文學家是怎樣發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹甚至加速膨脹的呢？
天文學家觀測宇宙的方法常常是找一個參照物，他們觀測宇宙加速膨脹的參照物是超新星。
超新星是宇宙成長的標尺
早在20世紀30年代，就有天文學家提出用超新星來測量宇宙的膨脹程度。
為什么要選用超新星作為“標尺”呢？
因為超新星是一種極為明亮的爆炸中的恒星，而且最初天文學家認為超新星有一個共同的特點，那就是它們發(fā)出的光度（即發(fā)光強度）是相同的。
然而，隨著對超新星更多的研究，天文學家發(fā)現(xiàn)這個猜想并不成立。超新星多種多樣，每個類型的超新星光度是有差異的。直到30多年前，科學家才發(fā)現(xiàn)超新星中只有Ia型超新星才具有相同的光度。更令人欣喜的是它們同時也是超新星中最明亮的。
由于Ia型超新星具有相同的光度，而光則會隨著傳播距離變遠而不斷減弱，這樣天文學家就可以用觀測到的Ia型超新星的亮度，加上一些復雜的運算來確定那些超新星與地球的距離。僅僅測定超新星的距離還不足以說明宇宙在膨脹，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特定的藍色波長上。但是，這些藍色波長在傳播過程中會因為宇宙的膨脹而被拉長，波長就會變長，所以這些原本的藍色波長在到達地球的時候看起來就會呈紅色。這一現(xiàn)象被稱為“紅移”。
這些光線看起來變紅了多少，就意味著我們自這個超新星爆炸以來宇宙究竟膨脹了多少。觀測不同距離上的超新星，就能夠確定宇宙是如何隨著時間而膨脹的。
尋找Ia型超新星
說起來似乎很容易，但科學家的研究過程卻是難以想象的艱難。雖然超新星非常亮，放在浩瀚的宇宙之中也只是微弱的一點。
20世紀80年代中期，丹麥天文學家開始試圖尋找遙遠的Ia型超新星。經(jīng)過長達兩年的搜索，他們才找到了一顆Ia型超新星，后來又發(fā)現(xiàn)了一顆，但終因發(fā)現(xiàn)得過少且很難發(fā)現(xiàn)便放棄了。其中有許多天文學家對這類研究持悲觀態(tài)度。
與此同時，美國勞倫斯·伯克利實驗室的一組物理學家對搜尋超新星產(chǎn)生了興趣。這一小組開發(fā)了一套在圖像中自動搜索超新星候選者的軟件，但遭遇的依然是接連的失敗。
后來，38歲的珀爾馬特接掌了“超新星宇宙學項目”，并對軟件進行了改進。正是由于他的開創(chuàng)性研究，才使情況有了轉(zhuǎn)機。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。在這個研究小組里，里斯也發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，所以他也成為了三位諾獎獲得者之一。
宇宙成長的動力
三位諾貝爾獎獲得者的成果還引發(fā)了一個新的問題：是什么力量在驅(qū)使宇宙加速膨脹呢？科學家推測，那正是我們所觀測不到的暗物質(zhì)和暗能量。
按照天文學家的解釋，宇宙中我們所看得見的物質(zhì)只占宇宙總資源的5%，而看不見的暗物質(zhì)則占22%，暗能量更是多達73%。
雖然誰也沒有見過暗物質(zhì)和暗能量，但是不少人卻對其研究前景抱著極大的熱情。因為一旦人們揭示了暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)，不僅可以解決未來人類的能源危機，而且也使星際旅行隨之變得更加可行。
目前，暗能量研究是一個熱門的領域，許多天文學家和物理學家都在這個領域辛勤地耕耘著。暗能量研究是一個可以跟愛因斯坦相對論相媲美的新的研究領域?？梢赃@么說，如果誰能最先揭示暗能量或暗物質(zhì)的本質(zhì)，誰就必將獲得諾貝爾獎的殊榮。
宇宙終將死亡
那么，宇宙加速膨脹的結(jié)果會是什么呢？
按照諾貝爾委員會的說法，這個獲獎成果告訴人們：包括地球在內(nèi)，整個宇宙正在逐漸變得稀薄而寒冷，宇宙最終都將會變得異常冰冷而沒有生機。
科學家預計，在宇宙大約1000億歲的時候，宇宙的大小將是現(xiàn)在的數(shù)億倍，宇宙的密度將變得很小很小，物質(zhì)和能量非常稀薄地擴散在宇宙之中，所有能產(chǎn)生光和熱的天體都會被宇宙膨脹的力量撕裂而死亡。
到那時，宇宙或許不再膨脹，只會在一片冰冷之中慢慢地死去。
當然，宇宙的未來命運是個未知數(shù)。它有可能在青壯年時期改變“生活方式”——不再膨脹而延年益壽。假設有一天宇宙死了，之后會有新的宇宙產(chǎn)生嗎？我們誰也不可能知道甚至推測，畢竟那是八九百億年之后的事了，更何況今天的宇宙還不足200億歲呢。
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□楊先碧
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□楊先碧
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萬事萬物都會有一個出現(xiàn)、發(fā)展（或發(fā)育）和消亡的過程。我們身處的宇宙會不會遵守這樣的自然規(guī)律呢？2011年美國索爾·珀爾馬特、澳大利亞布萊恩·施密特和美國亞當·里斯三位諾貝爾物理學獎得主的獲獎成果告訴我們：宇宙正處在一個“生長發(fā)育”的過程中，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。
宇宙正在加速成長
在大約150億年前，宇宙只是一個聚集了巨大能量和物質(zhì)的小點。在某種未知條件的啟動下，這個小點爆炸了。這就是“宇宙大爆炸理論”的主要內(nèi)容，也是科學家對宇宙誕生的猜想。宇宙大爆炸之后，它就不斷地膨脹，也就是說，宇宙像一個生命體一樣在不斷地長大。這樣，宇宙中一些新的天體在不斷產(chǎn)生，一些老的天體在不斷死去……
三位諾獎得主說，目前宇宙正處于青少年時期。
地球相對于浩淼的宇宙來說，用大海里的一滴水來形容它也不為過。在這么渺小的地球上，天文學家是怎樣發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹甚至加速膨脹的呢？
天文學家觀測宇宙的方法常常是找一個參照物，他們觀測宇宙加速膨脹的參照物是超新星。
超新星是宇宙成長的標尺
早在20世紀30年代，就有天文學家提出用超新星來測量宇宙的膨脹程度。
為什么要選用超新星作為“標尺”呢？
因為超新星是一種極為明亮的爆炸中的恒星，而且最初天文學家認為超新星有一個共同的特點，那就是它們發(fā)出的光度（即發(fā)光強度）是相同的。
然而，隨著對超新星更多的研究，天文學家發(fā)現(xiàn)這個猜想并不成立。超新星多種多樣，每個類型的超新星光度是有差異的。直到30多年前，科學家才發(fā)現(xiàn)超新星中只有Ia型超新星才具有相同的光度。更令人欣喜的是它們同時也是超新星中最明亮的。
由于Ia型超新星具有相同的光度，而光則會隨著傳播距離變遠而不斷減弱，這樣天文學家就可以用觀測到的Ia型超新星的亮度，加上一些復雜的運算來確定那些超新星與地球的距離。僅僅測定超新星的距離還不足以說明宇宙在膨脹，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特定的藍色波長上。但是，這些藍色波長在傳播過程中會因為宇宙的膨脹而被拉長，波長就會變長，所以這些原本的藍色波長在到達地球的時候看起來就會呈紅色。這一現(xiàn)象被稱為“紅移”。
這些光線看起來變紅了多少，就意味著我們自這個超新星爆炸以來宇宙究竟膨脹了多少。觀測不同距離上的超新星，就能夠確定宇宙是如何隨著時間而膨脹的。
尋找Ia型超新星
說起來似乎很容易，但科學家的研究過程卻是難以想象的艱難。雖然超新星非常亮，放在浩瀚的宇宙之中也只是微弱的一點。
20世紀80年代中期，丹麥天文學家開始試圖尋找遙遠的Ia型超新星。經(jīng)過長達兩年的搜索，他們才找到了一顆Ia型超新星，后來又發(fā)現(xiàn)了一顆，但終因發(fā)現(xiàn)得過少且很難發(fā)現(xiàn)便放棄了。其中有許多天文學家對這類研究持悲觀態(tài)度。
與此同時，美國勞倫斯·伯克利實驗室的一組物理學家對搜尋超新星產(chǎn)生了興趣。這一小組開發(fā)了一套在圖像中自動搜索超新星候選者的軟件，但遭遇的依然是接連的失敗。
后來，38歲的珀爾馬特接掌了“超新星宇宙學項目”，并對軟件進行了改進。正是由于他的開創(chuàng)性研究，才使情況有了轉(zhuǎn)機。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。在這個研究小組里，里斯也發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，所以他也成為了三位諾獎獲得者之一。
宇宙成長的動力
三位諾貝爾獎獲得者的成果還引發(fā)了一個新的問題：是什么力量在驅(qū)使宇宙加速膨脹呢？科學家推測，那正是我們所觀測不到的暗物質(zhì)和暗能量。
按照天文學家的解釋，宇宙中我們所看得見的物質(zhì)只占宇宙總資源的5%，而看不見的暗物質(zhì)則占22%，暗能量更是多達73%。
雖然誰也沒有見過暗物質(zhì)和暗能量，但是不少人卻對其研究前景抱著極大的熱情。因為一旦人們揭示了暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)，不僅可以解決未來人類的能源危機，而且也使星際旅行隨之變得更加可行。
目前，暗能量研究是一個熱門的領域，許多天文學家和物理學家都在這個領域辛勤地耕耘著。暗能量研究是一個可以跟愛因斯坦相對論相媲美的新的研究領域?？梢赃@么說，如果誰能最先揭示暗能量或暗物質(zhì)的本質(zhì)，誰就必將獲得諾貝爾獎的殊榮。
宇宙終將死亡
那么，宇宙加速膨脹的結(jié)果會是什么呢？
按照諾貝爾委員會的說法，這個獲獎成果告訴人們：包括地球在內(nèi)，整個宇宙正在逐漸變得稀薄而寒冷，宇宙最終都將會變得異常冰冷而沒有生機。
科學家預計，在宇宙大約1000億歲的時候，宇宙的大小將是現(xiàn)在的數(shù)億倍，宇宙的密度將變得很小很小，物質(zhì)和能量非常稀薄地擴散在宇宙之中，所有能產(chǎn)生光和熱的天體都會被宇宙膨脹的力量撕裂而死亡。
到那時，宇宙或許不再膨脹，只會在一片冰冷之中慢慢地死去。
當然，宇宙的未來命運是個未知數(shù)。它有可能在青壯年時期改變“生活方式”——不再膨脹而延年益壽。假設有一天宇宙死了，之后會有新的宇宙產(chǎn)生嗎？我們誰也不可能知道甚至推測，畢竟那是八九百億年之后的事了，更何況今天的宇宙還不足200億歲呢。
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