大爆炸、暗物质与宇宙的命运

来源: SELF格致论道讲坛

发布日期: 2020-03-24 20:30:50

本文探讨了宇宙的形成、膨胀及其未来命运,涉及大爆炸理论、暗物质的发现以及人类在宇宙中的孤独感。专家们讨论了宇宙学原理、哈勃的观测证据、暗物质的特性及其探测方法,并对人类未来的孤独进行了思考。

宇宙是如何形成的?这个问题困扰了人类千百年的时间。按照目前物理学的理论,宇宙起源于一场宇宙大爆炸。宇宙是如何膨胀的?宇宙有可能还会再爆炸一次吗?暗物质又如何被发现?人类是否将会陷入永恒的孤寂?关于宇宙大爆炸,你不知道的,想知道的,尽在《理性派对新科技发布厅》第六期!

吴宝俊,科普作家,中国科学院大学;黄庆国,中国科学院理论物理研究所研究员;曹臻,中国科学院高能物理研究所研究员,国家重大科技基础设施项目“高海拔宇宙线观测站”首席科学家。

宇宙真的起源于一次大爆炸吗?证据是什么?吴宝俊提到,宇宙诞生于137亿~138亿年前的一次大爆炸,怎么确认宇宙真的来自于这么一个大爆炸呢?黄庆国表示,在理解宇宙的过程中,理论非常重要。一百年前,爱因斯坦提出“广义相对论”之后,进一步提出了宇宙学基本原理,标志着现代宇宙学的开端。

吴宝俊询问,这个基本原理是什么?黄庆国解释,地球是太阳系里的一颗行星,绕着太阳做近似的周期运动。太阳系是银河系中一个很小的恒星星系。如果足够复杂,反而会有一些很简单的规律呈现出来,这是现代物理学一个很重要的思想。因为宇宙如此复杂,我们发现宇宙在很大尺度上,可能是均匀和各向同性的,这就是宇宙学原理。

吴宝俊进一步解释,均匀就是均质的,和普通老百姓理解的均匀是一样的。各向同性是指各个方向都是等同的,没有特定的方向取向。黄庆国补充,宇宙学原理告诉我们,宇宙中没有特殊的点,每一个点都是平等的。

爱因斯坦当年依据恒星位置不动这种现象,认为宇宙是不动的,但后来有其他证据推翻了他的想法。黄庆国提到哈勃的发现,举个例子,如果有一列火车迎面而来,鸣笛时声音会变得越来越尖锐;当离我们而去时,它的波长就变长,声音会变低沉。哈勃观测到的星系都是远离我们而去的,这说明宇宙是膨胀的。

曹瑧指出,哈勃的发现是大爆炸理论学说里最重要的一个观测证据。宇宙是在膨胀的,推回去就是在缩小,缩到头了就是大爆炸。137亿年、138亿年就是根据它膨胀的速度反推的。

黄庆国进一步解释,宇宙早期的温度非常高,因此有时我们在术语上喜欢给大爆炸加一个定语“热的大爆炸”。在宇宙早期,温度非常高,比太阳温度高太多。宇宙中的物质是怎么来的?就是这种能量(真空能)不能完全稳定,会发生衰变,转化成别的物质,这些物质就是我们今天所看到的。

关于暗物质,曹臻提到,天文学上有一个简单观测证据。科学家可以测量星系的旋转速度,结果发现实际观测的转动速度比通过星系质量计算得到的转动速度要快,意味着星体受到的向心力比所有星体提供的引力要大得多。

暗物质不参与电磁相互作用,肉眼看不清,也不参与强相互作用,因此非常难找。它对宇宙学来说非常重要,因为它比我们现在用物理观测手段能够看见的物质要多出几十倍。

最后,吴宝俊提问,人类会陷入永恒的孤寂吗?黄庆国表示,这确实是很多人包括科学家在关心的问题。热力学第二定律表明,一个系统的混乱程度总是在不断增加,宇宙最后可能会变成一团混沌,什么都没有。曹瑧补充,宇宙的膨胀与人类的孤独并没有直接关系,科学家在寻找的地外文明也好,地外行星也好,实际上还是在银河系的圈子里头。

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