宇宙学家终其一生寻找的,只有6个数字

作者: 王昱

来源: 环球科学

发布日期: 2022-03-29 21:03:19

宇宙学家通过6个主要参数描绘宇宙的主要特征,这些参数包括物质、暗物质和暗能量的占比,宇宙再电离时的光深,原始功率谱的幅度和标量普指数。这些参数决定了整个宇宙的命运,并被用于验证宇宙学理论的预测。莱曼·佩奇在其新书《宇宙小史》中详细介绍了这些参数及其在宇宙学中的应用,并通过采访进一步探讨了宇宙微波背景、宇宙均匀性、暗物质模型等问题。

宇宙学家终其一生寻找的,只有6个数字。最大尺度上的宇宙和最早期的宇宙其实相当简单,只凭几个特殊参数就可以轻松描绘出其主要特征。跟其它东西,比如具有大气、海洋、运动的大陆板块、磁场等物理属性,无比复杂的地球相比,前者要简单得多,列出几个主要属性即可看清它的面貌。

相较于地球内部复杂的相互作用机制,其实我们对整个宇宙的了解要更全面一点。在宇宙的浩瀚无垠面前,一座城市,一颗星球,乃至整个星系都将成为无关紧要的涨落。如今,无数地面望远镜、空间望远镜已经给我们提供了太多太多宇宙形成的证据。天文学家在这些昂贵且精密的仪器的帮助之下,已经窥探到了宇宙最早期的秘密,甚至,还追寻到了宇宙中的第一缕光——宇宙微波背景。

一切证据都被归结为包含6个主要参数的宇宙模型,模型背后是日趋完善的宇宙学理论。物质、暗物质和暗能量的占比,宇宙再电离时的光深,原始功率谱的幅度和标量普指数,这6个参数决定了整个宇宙的命运。尽管其中参杂了不少疯狂的理论和推测,但与观测事实完美契合的理论预测,无不阐述着它们的正确性。现在,宇宙学家甚至已经开始验证它们理论预言的二级结论了,比如寻找来自大爆炸的引力波。

那么,宇宙的运行到底遵从什么样的法则?要详细了解问题的答案,我们首先要借助的就是爱因斯坦的杰作——广义相对论。但对我们大多数人而言,想要追上这位百年前天才的思路,实在是太过困难。而莱曼·佩奇(Lyman Page)则在他的新书中,为我们提供不一样的视角。

作为威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的联合创始研究者之一,正是以他为代表的一批人,开启了人类对宇宙精确测量的时代。他不会直接告诉读者宇宙到今天的年龄是多少,宇宙到底是弯曲的还是平直的,但他会用最简单的语言告诉你我们为何、又如何探寻这些问题的答案,再一步步引导读者自己推导出那个诱人的答案。

而对于整个宇宙的运行逻辑,以及对宇宙学探索的前沿,《环球科学》杂志社有幸联系到佩奇先生进行采访,并整理了以下几个问题。

宇宙微波背景是在宇宙很年轻、很热的时候产生的。它是目前标准物理学能追溯到的最早的那部分宇宙。在宇宙诞生后的40年里,原子物质(带电的质子和电子)与辐射紧密相互作用。如果你能“看”到当时的宇宙,你会发现你就像站在太阳表面向太阳内部看过去一样。你看不到很远的地方,因为辐射会被光子散射掉。你只能看到耀眼的光芒,那时的宇宙就像是被太阳包裹着一样。

早期宇宙是很简单的。我们现在看到的宇宙由行星、恒星、星系还有星系团等各种各样的天体组成。早期宇宙没有任何天体,只是一团辐射和不同形式原子组成的均匀混合物,有点像一锅宇宙浓汤。重要的是,这锅宇宙浓汤中可能存在一些微小变化,这其中的微扰最终演化成了我们在夜空中看到的整个宇宙。

宇宙微波背景辐射是最理想的参考系,它和以所有极其遥远的星系形成的参考系有些类似。想象你正在盯着蜂巢旁的一群蜜蜂,其中两只蜜蜂可能像地球绕太阳那样绕飞,但整个蜂群则是蜂巢位置的稳定参考,每只蜜蜂都知道自己相对蜂巢的运动。

需要!我们还能从宇宙微波背景学到很多东西,相关的研究仍然是了解早期宇宙,了解宇宙整体的最好方式。人们普遍认为,在我们的探测精度抵达附近星际环境干扰造成的极限之前,我们都应该继续推进对宇宙微波背景的探测。比如,在某些方向上,银河系内部的尘埃会阻挡我们的视线,让我们难以看到银河系外的情况,但我们目前还没有达到这个极限。

大约在2500万光年的尺度以上,宇宙就是均匀的了。不过我们也观测到过更大的结构,2500万年只是一个均值。

我猜你的意思是宇宙各向异性高于目前我们观测水平。首先,这表明有些东西我们没测到!据我所知,几乎所有的异常都和随机波动有关。其中一个经常被称为半球异常(hemispherical anomaly),这种异常范围太大,很难偶然发生。也就是说,我们只有一个宇宙可以观测,所以很难客观量化什么是正常的。

不能!

因为这个模型和观测数据符合得很好,并且模型早于数据。各种各样的实验都能对宇宙进行测量,对其中几个关键参数,却只有这个模型能和所有观测数据相符合。现在,我们的观测已经进入全新的阶段,我们开始测量该模型的二次效应,比如宇宙微波背景的引力透镜,它也符合模型的预测。与我的大多数同事一样,我们都非常想找到一些违背模型的东西,这就是我们推进科学发展的方式。

像斯科迪斯和兹利希尔提出的这一类模型对于进一步巩固标准模型,为我们指出新事物而言都非常重要。他们修改模型,使其与观测数据相匹配,与冷暗物质模型相比这是个缺陷。不过,很重要的是,他们对宇宙微波背景的极化做出了预言,而这是可以被检验的。还有一些其他在星系尺度的检验,这类模型(MOND理论)是用对引力的修正取代了暗物质理论。

我在离开宇宙微波背景相关领域的工作后,就投身轴子探测方面的工作了。

轴子是一种暗物质的候选粒子,是弱相互作用大质量粒子的替代者。我的选择已经表明了我的看法。我们知道暗物质一定存在,弱相互作用大质量粒子作为一种可能非常诱人,因为一些候选粒子看似非常合理,似乎能在早期宇宙中自然而然地产生。但是,现在的测量已经排除了很多弱相互作用大质量粒子的模型,不过,暗物质仍然有一些可能,我们还不知道我们能否在实验室中测到它们。

在我看来,最近一次重大变化是观测到宇宙正在加速膨胀。

在那之后,我们可以用一个简单的6参数模型描述几乎所有的宇宙学观测成果。展望未来,如果我们发现了来自大爆炸的引力波,那将会是下一次革命性的成就。我们还可能发现哈勃常数和我们的预期相悖。后两者都有希望在实验上被证实。另外,我还在思考我们对信息和熵的进一步理解会给宇宙学带来哪些启示,但目前这方面的工作更多还是在理论领域。宇宙学还有太多悬而未决的问题,它仍然是一个令人兴奋的领域。

对我而言,最令人激动的还是我们可以通过对宇宙进行极大尺度的测量,来增进我们对宇宙整体的理解。

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