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2012-12-29 21:16:51楊先碧
科學(xué)24小時(shí) 2012年4期
□楊先碧
宇宙或?qū)⒃诒渲兴廊?/p>
□楊先碧
科學(xué)家預(yù)計(jì)，在宇宙大約1000億歲的時(shí)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?cái)U(kuò)散在宇宙之中。到那時(shí)，宇宙或許不再膨脹，只會(huì)在一片冰冷之中慢慢地死去……
萬事萬物都會(huì)有一個(gè)出現(xiàn)、發(fā)展（或發(fā)育）和消亡的過程。我們身處的宇宙會(huì)不會(huì)遵守這樣的自然規(guī)律呢？2011年美國索爾·珀?duì)栺R特、澳大利亞布萊恩·施密特和美國亞當(dāng)·里斯三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)成果告訴我們：宇宙正處在一個(gè)“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(gè)聚集了巨大能量和物質(zhì)的小點(diǎn)。在某種未知條件的啟動(dòng)下，這個(gè)小點(diǎn)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(duì)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(gè)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(jiǎng)得主說，目前宇宙正處于青少年時(shí)期。
地球相對(duì)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(xué)家是怎樣發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹甚至加速膨脹的呢？
天文學(xué)家觀測宇宙的方法常常是找一個(gè)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(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。
為什么要選用超新星作為“標(biāo)尺”呢？
因?yàn)槌滦鞘且环N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(gè)共同的特點(diǎn)，那就是它們發(fā)出的光度（即發(fā)光強(qiáng)度）是相同的。
然而，隨著對(duì)超新星更多的研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)猜想并不成立。超新星多種多樣，每個(gè)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。更令人欣喜的是它們同時(shí)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(huì)隨著傳播距離變遠(yuǎn)而不斷減弱，這樣天文學(xué)家就可以用觀測到的Ia型超新星的亮度，加上一些復(fù)雜的運(yùn)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(gè)特定的藍(lán)色波長上。但是，這些藍(lán)色波長在傳播過程中會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕L，波長就會(huì)變長，所以這些原本的藍(lán)色波長在到達(dá)地球的時(shí)候看起來就會(huì)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(gè)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(shí)間而膨脹的。
尋找Ia型超新星
說起來似乎很容易，但科學(xué)家的研究過程卻是難以想象的艱難。雖然超新星非常亮，放在浩瀚的宇宙之中也只是微弱的一點(diǎn)。
20世紀(jì)80年代中期，丹麥天文學(xué)家開始試圖尋找遙遠(yuǎn)的Ia型超新星。經(jīng)過長達(dá)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(xué)家對(duì)這類研究持悲觀態(tài)度。
與此同時(shí)，美國勞倫斯·伯克利實(shí)驗(yàn)室的一組物理學(xué)家對(duì)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(dòng)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?duì)栺R特接掌了“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”，并對(duì)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(gè)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(jiǎng)獲得者之一。
宇宙成長的動(dòng)力
三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的成果還引發(fā)了一個(gè)新的問題：是什么力量在驅(qū)使宇宙加速膨脹呢？科學(xué)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(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%，而看不見的暗物質(zhì)則占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(duì)其研究前景抱著極大的熱情。因?yàn)橐坏┤藗兘沂玖税滴镔|(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)，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(gè)熱門的領(lǐng)域，許多天文學(xué)家和物理學(xué)家都在這個(gè)領(lǐng)域辛勤地耕耘著。暗能量研究是一個(gè)可以跟愛因斯坦相對(duì)論相媲美的新的研究領(lǐng)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(jiǎng)的殊榮。
宇宙終將死亡
那么，宇宙加速膨脹的結(jié)果會(huì)是什么呢？
按照諾貝爾委員會(huì)的說法，這個(gè)獲獎(jiǎng)成果告訴人們：包括地球在內(nèi)，整個(gè)宇宙正在逐漸變得稀薄而寒冷，宇宙最終都將會(huì)變得異常冰冷而沒有生機(jī)。
科學(xué)家預(yù)計(jì)，在宇宙大約1000億歲的時(shí)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?cái)U(kuò)散在宇宙之中，所有能產(chǎn)生光和熱的天體都會(huì)被宇宙膨脹的力量撕裂而死亡。
到那時(shí)，宇宙或許不再膨脹，只會(huì)在一片冰冷之中慢慢地死去。
當(dāng)然，宇宙的未來命運(yùn)是個(gè)未知數(shù)。它有可能在青壯年時(shí)期改變“生活方式”——不再膨脹而延年益壽。假設(shè)有一天宇宙死了，之后會(huì)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(huì)有一個(gè)出現(xiàn)、發(fā)展（或發(fā)育）和消亡的過程。我們身處的宇宙會(huì)不會(huì)遵守這樣的自然規(guī)律呢？2011年美國索爾·珀?duì)栺R特、澳大利亞布萊恩·施密特和美國亞當(dāng)·里斯三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)成果告訴我們：宇宙正處在一個(gè)“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。
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在大約150億年前，宇宙只是一個(gè)聚集了巨大能量和物質(zhì)的小點(diǎn)。在某種未知條件的啟動(dòng)下，這個(gè)小點(diǎn)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(duì)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(gè)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(jiǎng)得主說，目前宇宙正處于青少年時(shí)期。
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天文學(xué)家觀測宇宙的方法常常是找一個(gè)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(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。
為什么要選用超新星作為“標(biāo)尺”呢？
因?yàn)槌滦鞘且环N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(gè)共同的特點(diǎn)，那就是它們發(fā)出的光度（即發(fā)光強(qiáng)度）是相同的。
然而，隨著對(duì)超新星更多的研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)猜想并不成立。超新星多種多樣，每個(gè)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。更令人欣喜的是它們同時(shí)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(huì)隨著傳播距離變遠(yuǎn)而不斷減弱，這樣天文學(xué)家就可以用觀測到的Ia型超新星的亮度，加上一些復(fù)雜的運(yùn)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(gè)特定的藍(lán)色波長上。但是，這些藍(lán)色波長在傳播過程中會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浂焕L，波長就會(huì)變長，所以這些原本的藍(lán)色波長在到達(dá)地球的時(shí)候看起來就會(huì)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(gè)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(shí)間而膨脹的。
尋找Ia型超新星
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與此同時(shí)，美國勞倫斯·伯克利實(shí)驗(yàn)室的一組物理學(xué)家對(duì)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(dòng)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?duì)栺R特接掌了“超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目”，并對(duì)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(gè)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(jiǎng)獲得者之一。
宇宙成長的動(dòng)力
三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的成果還引發(fā)了一個(gè)新的問題：是什么力量在驅(qū)使宇宙加速膨脹呢？科學(xué)家推測，那正是我們所觀測不到的暗物質(zhì)和暗能量。
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按照諾貝爾委員會(huì)的說法，這個(gè)獲獎(jiǎng)成果告訴人們：包括地球在內(nèi)，整個(gè)宇宙正在逐漸變得稀薄而寒冷，宇宙最終都將會(huì)變得異常冰冷而沒有生機(jī)。
科學(xué)家預(yù)計(jì)，在宇宙大約1000億歲的時(shí)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?cái)U(kuò)散在宇宙之中，所有能產(chǎn)生光和熱的天體都會(huì)被宇宙膨脹的力量撕裂而死亡。
到那時(shí)，宇宙或許不再膨脹，只會(huì)在一片冰冷之中慢慢地死去。
當(dāng)然，宇宙的未來命運(yùn)是個(gè)未知數(shù)。它有可能在青壯年時(shí)期改變“生活方式”——不再膨脹而延年益壽。假設(shè)有一天宇宙死了，之后會(huì)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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