关于宇宙的五个最大问题(以及我们如何试图回答它们)

子轸 2019年11月7日09:20:51 评论

关于宇宙的五个最大问题(以及我们如何试图回答它们)

哈勃太空望远镜的这张图片显示了暗物质在巨型星系团Abell 1689的分布。通过引力效应检测到的暗物质浓度以浅蓝色显示。

从发现引力波到找到我们最近的类似地球的行星邻居,2016年都是天文学的丰收年。实际上,对于太空科学来说,这不仅是丰收的一年,而且还有数十年。天文学和宇宙学中许多最大的难题已经解决。

关于宇宙的五个最大问题(以及我们如何试图回答它们)

工程师和技术人员于2016年11月2日在美国宇航局戈达德太空飞行中心组装了詹姆斯·韦伯太空望远镜。

宇宙的时代。一个世纪前,我们只能说宇宙非常古老。无法找到准确的数字。现在,借助详细的地图显示了大爆炸的微弱回声(天文学家称之为“宇宙微波背景”),我们知道宇宙已经存在了138.2亿年,给了1000万年之久。这是“精密宇宙学”的惊人成就。

但是我们还没有关于宇宙的所有答案。尽管世界各地的天文台和瑞士的大型强子对撞机等粒子物理实验都提供了所有数据流,尽管天文学家和物理学家花费了无数的时间在黑板上或进行计算机模拟,但仍有一些宇宙问题继续存在让科学家们晚上起床(对于那些还没晚上起床的人,向天空望去)。

1.什么是暗物质?
在意大利中部亚平宁山脉深处的格兰萨索地下实验室,科学家们正在监视装有3.5公吨液态氙的巨型储罐。他们的希望是,来自深空的奇异粒子将在液体中摇曳,发出明显的信号。到目前为止,还没有发生。但是寻找所谓“暗物质”的科学家已经学会了耐心。

自从天文学家研究遥远星系以来,已经过去了近一个世纪:星系中所容纳的物质似乎超出了可见物质-恒星和气体云所能解释的范围。现在,人们认为这种缺失的物质称为暗物质,占可见宇宙总质量和能量的四分之一以上。

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2011年,两名研究人员走过位于意大利Gran Sasso之下的美国国家核物理研究所

这是什么东西?最好的猜测是它是由某种快速移动的粒子组成的,它几乎与构成恒星和行星的普通物质相互作用。从理论上讲,这些“弱相互作用”的粒子可以不受阻碍地穿过几英里的普通物质,这就是为什么我们在Gran Sasso的探测器上花费数百万美元的原因。

但是几十年来,科学家一直在寻找这些奇异的粒子,但是没有运气。因此,有些人开始怀疑暗物质是否存在。相反,根据推理,爱因斯坦的引力理论可能需要进行一些调整。近年来,人们提出了许多替代性的引力理论,但都存在争议。因此,粒子搜寻仍在继续。

多伦多大学物理学家罗伯托·亚伯拉罕(Roberto Abraham)说:“知道暗物质粒子是什么,甚至可以放心,它是一个粒子,真是太好了。” “我认为这是最有可能发生的事情,但是我对我们需要修改重力的可能性持开放态度。”

他说,虽然没有确凿的证据表明爱因斯坦的方程式是错误的,但“我们应该保持开放的态度。”

2.什么是暗能量?
在1990年代,哈勃太空望远镜的数据显示,遥远的星系并不仅仅是远离我们的银河系,它们还在以更快的速度远离我们(彼此)。这是一个很大的惊喜-从那以后科学家一直在努力解释这一点。是什么神秘的力量在给星系带来额外的推动力?没人知道。但是它被称为“暗能量”,就像暗物质一样,爱因斯坦是故事中的关键人物。

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对星系运动的研究(如上图所示的所谓的风车星系)表明,它们比普通物质包含更多的暗物质。由这个暗物质构成的东西仍然是个谜。

在20世纪初,科学家认为宇宙是静态的-平均而言,星系与邻居之间的距离相同。但是广义相对论方程似乎表明,宇宙必须在膨胀或收缩。这对爱因斯坦毫无意义,因此他给理论提供了一个忽悠因素,他称之为“宇宙常数”。

几年后,当天文学家发现宇宙正在膨胀时,似乎不再需要软糖因素。然而,既然我们知道宇宙的膨胀正在加速,那么宇宙常数可能会卷土重来。

不管暗能量的本质是什么,它在宇宙演化中的作用都比暗物质还要大。我们最好的估计是,暗能量占可见宇宙总能量的三分之二以上。暗物质和暗能量合在一起是一个巨大的谜团,这对于科学界来说有点尴尬。

亚伯拉罕说:“我愿意提供任何信息来了解什么是暗物质和暗能量。” “而且我打算将生命的未来二十年投入到研究中。”

3.大爆炸之前发生了什么?
每当宇宙学家发表公开演讲时,观众中的人都会不可避免地举手问:“是的,但是在大爆炸之前发生了什么?”

凯斯西储大学的物理学家格伦·史塔克曼(Glenn Starkman)说:“我们应该给教科书一个答案。” “我们说这个问题毫无意义,就像问南极以南的问题一样毫无意义。”

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艺术家的插图试图描绘“大爆炸”,即宇宙中所有物质的初始膨胀。

这个想法是这样的:如果时间本身是从大爆炸开始的,那么问问过去发生了什么就没有意义了。根本就没有“之前”。但斯塔克曼知道,几乎没有人能找到令人满意的答案。

现在,我们有了一个模型,用于大爆炸后不久发生的事情。在宇宙存在的一秒钟的一小部分中,“通货膨胀”模型说,宇宙像气球一样膨胀,其大小一次又一次地翻倍,然后放慢到其“正常”膨胀率。但是,如果我们尝试在通货膨胀之前回头看-一直回到“零时区”-广义相对论就会崩溃。

现在,一些物理学家认为时间不是从大爆炸开始的,而是当宇宙达到一定程度的复杂性时出现的。其他人则认为宇宙是循环运行的,可能是无止尽的一系列膨胀和收缩。如果这种“循环”模式是正确的,那么大爆炸并不是开始,而只是从较早时代的过渡。另一种可能性是,我们的宇宙只是无数个以“多重宇宙”形式反复出现的“气泡宇宙”之一。

我们是否更愿意回答我们一代人以前的“之前发生的事情”的问题?斯塔克曼说不。目前尚不清楚天文观测能否解决这一问题。我们最好的选择也许是在太空中建造一个巨大的重力波探测器-希望我们能够探测到由大爆炸本身产生的重力波。

但是,不要屏住呼吸。斯塔克曼说,如此庞大的项目可能需要数十年的时间才能建成。

4.黑洞里面是什么?
黑洞是重力在其中施加巨大拉力的空间区域,没有任何东西(没有光或任何其他种类的信号)会逸出。由于什么都无法散发出来,因此好像每个黑洞的内部都被宇宙的其余部分永久性“挤压”了下来。

斯塔克曼说:“我们不知道黑洞内发生了什么,除非我们愿意跳进黑洞。” 即使那样,您也没有办法告诉别人发现的内容,甚至无法发送消息。

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在该艺术家的渲染图中,被称为天鹅座X-1的黑洞从同伴恒星中吸取了物质。尽管我们了解黑洞是如何形成的,但科学家们无法说出黑洞内部会发生什么。

1970年代,物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和已故的雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)表明,黑洞会发出某种形式的辐射,并像它们一样缓慢“蒸发”。不幸的是,黑洞蒸发似乎违反了量子力学的规则,这意味着必须让位。(这些细节是非常技术性的,但是它们涉及“量子信息”的丢失;物理学家称其为“信息悖论”。)

物理学家提出了各种想法来解释这个难题。一切都有争议。真正的问题是,在“事件视界”(即黑洞的外边界)处,广义相对论和量子力学都在起作用。至少到目前为止,这两个理论是不可调和的。

斯塔克曼说:“量子力学和广义相对论有可能在事件视界“握手”,并以不同于地球上的方式工作。” “这是一个令人兴奋的前景。”

我们最好的选择可能是研究事件范围之外的区域。那就是一个称为事件地平线望远镜的射电望远镜阵列的出现。EHT是一种电子连接,包括来自加利福尼亚,亚利桑那州和夏威夷,智利,西班牙和南极洲的全球数十个望远镜。

EHT的增强版将很快开始收集数据。它的第一个目标将是我们银河系中心的“超大规模”黑洞。天文学家希望EHT能够在穿越黑洞事件视界之前的最后一刻,对气体和尘埃发出的辐射产生详尽的描述-也许可以为黑洞事件视界的奇特物理学提供一些启示。

5.我们一个人吗?
我们是宇宙中唯一的聪明生物吗?唯一想知道其他什么想法,想知道的生物可能在那里的生物?

我们的银河系包含数千亿颗恒星,其中许多恒星可能会绕其运行。天文学家认为,似乎那还不够令人难以置信,因此可见宇宙中至少存在一万亿个星系。鉴于行星可能充斥着行星,我们似乎不可能独自一人在宇宙中。因此,世界各地的科学家开始着手他们所谓的SETI或寻找外星情报。

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SETI研究所位于加利福尼亚北部的艾伦望远镜阵列(Allen Telescope Array)搜索可能由聪明的外星生命产生的无线电信号。

旧金山附近SETI研究所的高级天文学家Seth Shostak怀疑“ ET”在那里。他指出了美国宇航局开普勒太空天文台收集的数据,该数据表明,每五颗行星中就有多达一颗是可居住的。如果是正确的话,那么宇宙可能包含10²(即十亿亿亿)可居住的行星。

但是,即使宇宙中有很多生命,智慧生命又如何呢?到目前为止,即使在多年扫描天堂寻找可能表明这种生命的无线电信号之后,SETI科学家也丝毫没有动摇。Shostak指出,到目前为止,我们已经将射电望远镜对准了几千颗星,因此现在下结论还为时过早。

在最近一次德国会议上,Shostak打赌科学家们与会,我们将在24年内发现一个外来信号。(这不是一个很大的赌注-如果他发现错了,他只愿意给每位科学家买一杯咖啡。)到那时,由于有了更有效的搜索技术,我们很可能已经检查了百万个恒星系统。

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子轸

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