宇宙或?qū)⒃诒渲兴廊?/h1>
2012-12-07 05:14:26楊先碧
太空探索 2012年2期
□ 楊先碧
我們知道，萬事萬物都會有一個出現(xiàn)、發(fā)展或發(fā)育、消亡的過程。那么，我們身處的宇宙會不會遵守這樣的自然規(guī)律呢？2011年3位諾貝爾物理學(xué)獎得主的獲獎成果告訴我們，宇宙也處在一個“生長發(fā)育”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。3位諾貝爾物理學(xué)獎得主分別是美國研究人員索爾·珀爾馬特、澳大利亞研究人員布萊恩·施密特和美國研究人員亞當(dāng)·里斯。
明亮的超新星
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(xué)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，宇宙就像是一個生命體一樣，在不斷地長大。在宇宙的“成長”過程中，不斷產(chǎn)生了新的天體，一些老的天體也在不斷死去，就像是人體的細(xì)胞一樣。
那么，目前宇宙處于一個什么時期呢？3位諾貝爾獎得主告訴我們，目前宇宙正處于青少年時期，因為宇宙正在加速膨脹，就像人類在青少年時期會快速生長一樣。地球相對于浩淼的宇宙來說，用大海里的一滴水來形容也不為過。在宇宙中這么“渺小”的地球上，天文學(xué)家怎樣能發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹甚至加速膨脹呢？天文學(xué)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。
超新星的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般恒星
超新星是宇宙成長的標(biāo)尺
早在20世紀(jì)30年代，就有天文學(xué)家提出用超新星來測量宇宙的膨脹程度。就像我們在十來歲的成長過程中，父母會為我們準(zhǔn)備一條長高的標(biāo)尺一樣。為什么要選用超新星作為“標(biāo)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(xué)家認(rèn)為超新星有一個共同的特點，那就是它們的發(fā)出的光度（即發(fā)光強(qiáng)度）是相同的。
然而，隨著對超新星更多的研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個猜想并不成立，因為超新星多種多樣，每個類型的超新星光度是有差異的。直到30多年前，科學(xué)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。更加令人欣喜的是，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，而光會隨著傳播距離變遠(yuǎn)而不斷減弱，天文學(xué)家就可以用觀測到的Ia型超新星的亮度，并根據(jù)一些復(fù)雜的公式來確定這些超新星離地球的遠(yuǎn)近。僅僅測定了超新星的遠(yuǎn)近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(lán)色波長上。但是，這些藍(lán)光在傳播的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(lán)光在到達(dá)地球的時候看起來就會呈紅色，這一現(xiàn)象被稱為“紅移”。這些光線看起來有多紅就意味著告訴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。
諾貝爾物理學(xué)獎得主之一,美國科學(xué)家索爾·珀爾馬特
諾貝爾物理學(xué)獎得主之一,澳大利亞科學(xué)家布萊恩·施密特
諾貝爾物理學(xué)獎得主之一,美國科學(xué)家亞當(dāng)·里斯
尋找Ia型超新星
說起來似乎很容易，但是科學(xué)家的研究過程卻是難以想象的艱難。雖然超新星非常亮，但是放在浩瀚的宇宙之中也只是微弱的一點。20世紀(jì)80年代中期，丹麥的一些天文學(xué)家開始試圖尋找遙遠(yuǎn)的Ia型超新星。經(jīng)過長達(dá)2年的搜索，他們才找到了第一顆Ia型超新星，后來他們又發(fā)現(xiàn)了一顆，但終因發(fā)現(xiàn)的過少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)Ia型超新星，當(dāng)時許多天文學(xué)家對這類研究抱悲觀態(tài)度。
與此同時，美國勞倫斯伯克利實驗室的一組物理學(xué)家對搜尋超新星也產(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，但他們迎來的是接連的失敗。后來，38歲的珀爾馬特接掌了“超新星宇宙學(xué)項目”，并對軟件進(jìn)行了改進(jìn)。正是由于他的開創(chuàng)性研究，才使情況有了轉(zhuǎn)機(jī)，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)鍵作用，所以他也成為了3位諾貝爾獎獲得者之一，與施密特分享了一半的獎金。
宇宙成長的動力
3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?？茖W(xué)家推測，那正是神秘的我們所觀測不到的暗物質(zhì)和暗能量。按照天文學(xué)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%，而我們看不見的暗物質(zhì)占22%，暗能量更是多達(dá)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(jī)，星際旅行也隨之變得更加可行。目前，暗能量研究是一個熱門的領(lǐng)域，許多天文學(xué)家和物理學(xué)家都在這個領(lǐng)域辛勤地耕耘著?？梢哉f，暗能量研究是一個可跟愛因斯坦的相對論相比擬的一個新的研究領(lǐng)域。如果誰能最先揭示暗能量或暗物質(zhì)的本質(zhì)，那么他必將能獲得諾貝爾獎。
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，這個獲獎成果告訴我們，包括地球在內(nèi)的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(jī)?？茖W(xué)家預(yù)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，那時宇宙的密度將變得很小很小，物質(zhì)和能量非常稀薄地擴(kuò)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拉裂而死去。那時的宇宙或許不再膨脹，只會在一片冰冷之中慢慢死去。
當(dāng)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”，可能不再膨脹而延年益壽。假設(shè)有一天宇宙死亡了，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情了，而如今的宇宙還不足200億歲。況且，我們現(xiàn)今的宇宙還有許許多多的未解之謎，更不用說未來的宇宙了。
猜你喜歡
超新星大爆炸之康坎作品(2023年6期)2023-06-11 13:25:46 2022年諾貝爾物理學(xué)獎 從量子糾纏到量子通信青少年科技博覽(中學(xué)版)(2023年3期)2023-05-11 07:36:58 超新星大爆炸之·羅淑欣作品(2023年3期)2023-05-04 03:21:10 超新星大爆炸之羅淑欣作品(2023年1期)2023-02-26 08:25:36 糾纏光子的量子實驗獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎英語文摘(2022年12期)2022-12-30 12:09:34 當(dāng)之無愧的諾貝爾物理學(xué)獎英語文摘(2019年12期)2019-08-24 07:54:00 二重秩序的悖論：施密特和阿甘本對馬勒布朗士哲學(xué)的再解讀哲學(xué)評論(2018年2期)2019-01-08 02:12:00 三位引力波發(fā)現(xiàn)者分享2017年諾貝爾物理學(xué)獎中學(xué)生數(shù)理化·八年級物理人教版(2017年11期)2017-02-15 02:12:21 帶著GPS去流浪晚報文萃(2015年2期)2015-08-24 18:00:23 我的第一顆超新星天文愛好者(2015年12期)2015-08-23 11:54:32
□ 楊先碧
我們知道，萬事萬物都會有一個出現(xiàn)、發(fā)展或發(fā)育、消亡的過程。那么，我們身處的宇宙會不會遵守這樣的自然規(guī)律呢？2011年3位諾貝爾物理學(xué)獎得主的獲獎成果告訴我們，宇宙也處在一個“生長發(fā)育”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。3位諾貝爾物理學(xué)獎得主分別是美國研究人員索爾·珀爾馬特、澳大利亞研究人員布萊恩·施密特和美國研究人員亞當(dāng)·里斯。
明亮的超新星
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(xué)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，宇宙就像是一個生命體一樣，在不斷地長大。在宇宙的“成長”過程中，不斷產(chǎn)生了新的天體，一些老的天體也在不斷死去，就像是人體的細(xì)胞一樣。
那么，目前宇宙處于一個什么時期呢？3位諾貝爾獎得主告訴我們，目前宇宙正處于青少年時期，因為宇宙正在加速膨脹，就像人類在青少年時期會快速生長一樣。地球相對于浩淼的宇宙來說，用大海里的一滴水來形容也不為過。在宇宙中這么“渺小”的地球上，天文學(xué)家怎樣能發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹甚至加速膨脹呢？天文學(xué)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。
超新星的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般恒星
超新星是宇宙成長的標(biāo)尺
早在20世紀(jì)30年代，就有天文學(xué)家提出用超新星來測量宇宙的膨脹程度。就像我們在十來歲的成長過程中，父母會為我們準(zhǔn)備一條長高的標(biāo)尺一樣。為什么要選用超新星作為“標(biāo)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(xué)家認(rèn)為超新星有一個共同的特點，那就是它們的發(fā)出的光度（即發(fā)光強(qiáng)度）是相同的。
然而，隨著對超新星更多的研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個猜想并不成立，因為超新星多種多樣，每個類型的超新星光度是有差異的。直到30多年前，科學(xué)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。更加令人欣喜的是，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，而光會隨著傳播距離變遠(yuǎn)而不斷減弱，天文學(xué)家就可以用觀測到的Ia型超新星的亮度，并根據(jù)一些復(fù)雜的公式來確定這些超新星離地球的遠(yuǎn)近。僅僅測定了超新星的遠(yuǎn)近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(lán)色波長上。但是，這些藍(lán)光在傳播的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(lán)光在到達(dá)地球的時候看起來就會呈紅色，這一現(xiàn)象被稱為“紅移”。這些光線看起來有多紅就意味著告訴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。
諾貝爾物理學(xué)獎得主之一,美國科學(xué)家索爾·珀爾馬特
諾貝爾物理學(xué)獎得主之一,澳大利亞科學(xué)家布萊恩·施密特
諾貝爾物理學(xué)獎得主之一,美國科學(xué)家亞當(dāng)·里斯
尋找Ia型超新星
說起來似乎很容易，但是科學(xué)家的研究過程卻是難以想象的艱難。雖然超新星非常亮，但是放在浩瀚的宇宙之中也只是微弱的一點。20世紀(jì)80年代中期，丹麥的一些天文學(xué)家開始試圖尋找遙遠(yuǎn)的Ia型超新星。經(jīng)過長達(dá)2年的搜索，他們才找到了第一顆Ia型超新星，后來他們又發(fā)現(xiàn)了一顆，但終因發(fā)現(xiàn)的過少而放棄了。由于很難發(fā)現(xiàn)Ia型超新星，當(dāng)時許多天文學(xué)家對這類研究抱悲觀態(tài)度。
與此同時，美國勞倫斯伯克利實驗室的一組物理學(xué)家對搜尋超新星也產(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，但他們迎來的是接連的失敗。后來，38歲的珀爾馬特接掌了“超新星宇宙學(xué)項目”，并對軟件進(jìn)行了改進(jìn)。正是由于他的開創(chuàng)性研究，才使情況有了轉(zhuǎn)機(jī)，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)鍵作用，所以他也成為了3位諾貝爾獎獲得者之一，與施密特分享了一半的獎金。
宇宙成長的動力
3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?？茖W(xué)家推測，那正是神秘的我們所觀測不到的暗物質(zhì)和暗能量。按照天文學(xué)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%，而我們看不見的暗物質(zhì)占22%，暗能量更是多達(dá)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(jī)，星際旅行也隨之變得更加可行。目前，暗能量研究是一個熱門的領(lǐng)域，許多天文學(xué)家和物理學(xué)家都在這個領(lǐng)域辛勤地耕耘著?？梢哉f，暗能量研究是一個可跟愛因斯坦的相對論相比擬的一個新的研究領(lǐng)域。如果誰能最先揭示暗能量或暗物質(zhì)的本質(zhì)，那么他必將能獲得諾貝爾獎。
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，這個獲獎成果告訴我們，包括地球在內(nèi)的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(jī)?？茖W(xué)家預(yù)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，那時宇宙的密度將變得很小很小，物質(zhì)和能量非常稀薄地擴(kuò)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拉裂而死去。那時的宇宙或許不再膨脹，只會在一片冰冷之中慢慢死去。
當(dāng)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”，可能不再膨脹而延年益壽。假設(shè)有一天宇宙死亡了，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情了，而如今的宇宙還不足200億歲。況且，我們現(xiàn)今的宇宙還有許許多多的未解之謎，更不用說未來的宇宙了。
猜你喜歡
作品(2023年6期)2023-06-11 13:25:46
青少年科技博覽(中學(xué)版)(2023年3期)2023-05-11 07:36:58
作品(2023年3期)2023-05-04 03:21:10
作品(2023年1期)2023-02-26 08:25:36
英語文摘(2022年12期)2022-12-30 12:09:34
英語文摘(2019年12期)2019-08-24 07:54:00
哲學(xué)評論(2018年2期)2019-01-08 02:12:00
中學(xué)生數(shù)理化·八年級物理人教版(2017年11期)2017-02-15 02:12:21
晚報文萃(2015年2期)2015-08-24 18:00:23
天文愛好者(2015年12期)2015-08-23 11:54:32
