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科学大家|宇宙的起源:大爆炸之前是什么?

光阴:2019-05-17 09:28:54 来源:科学大家 评论:0 点击:0

 

  宇宙的起源,这个话题大家在平时日常生活中可能聊得比较少。几年前,我还是单身的时候,经常和家人,同伙聊这些话题,他咱咱们不约而同地去问:你是做什么的?我记得那个时候也会被支配和一些异性同伙见面,她咱咱们也会在餐桌前聊这些话题。我就会跟对方侃侃而谈半个小时,之后发现对面的椅子已经空了。但是我是非常幸运的人,两年半前我碰到了一个非常优美的姑娘,她没有走,而且不停陪伴着我,不咱前咱咱咱们迎来了咱咱咱们的小baby。我想把我的故事跟更多的同伙在一路分享,本日咱咱咱们聊一聊 “咱咱咱们宇宙的考古”。

  说到考古,大家经常想到的是对付人类起源的考古,本日咱咱咱们考古学家发现数百万年前保留非常完备人类骸骨的化石,是一名女性,咱咱咱们给她起名叫Lucy,距今6万年前,来自非洲。他咱咱们赓续挑衅世界观的界限。那个时候咱咱咱们对世界的认知非常有限,体如今地舆上的束缚上。他咱咱们赓续地想走出非洲,走向世界,才有了本日:咱咱咱们人类成为了地球的霸主。

  人类文化史上也出现过很多非常光辉的文化,比如2300年前的欧洲出现了非常弘大的文化:古希腊文化。有一名哲学家被誉为聪慧的集大成者,便是亚里士多德。他是一个非常天才的人,不只集成为了老师柏拉图所夸大的教学概念,他还夸大了科研的立。

  其时,亚里士多德不只兴建各种图书馆、博物馆,继承前人已知的知识外,还去兴建试验,天文台,去观测其时他咱咱们所看到的统统物理现象和天表示象。于是,他发掘新的知识,创造了雅典学派或许说逍遥学派。他认为咱咱咱们人类生活在一个球体上,便是地球。他认为地球是宇宙的中央,也便是所谓的地心说。他死后大约300多年,欧洲文化进入到了古罗马时期。古罗马时期也出现了一名哲学,便是托勒密。托勒密继承了如许的概念,睁开出成体系的地心学说。

  在地球的另外一端,咱咱咱们中国也正处于一个巨大的文化时期,便是汉朝。有一名巨大的天象学家便是张衡。张衡他出身在天象观测世家,他有着得天独厚的条件去积聚前人的数据,末了制成为了一个浑天仪,推翻了中国曩昔所持有的所谓天圆地方的实践。在人类文化史上长达1300多年的光阴里,人类对宇宙的认识不停是被地心说和浑天说所统治。

  另外一个重要的历史时期便是文艺中兴时期。大航海时代的开端,使其时人类对付科技的必要赓续提高,很快他咱咱们把望远镜技术应用到天文观测。那时涌现了一大批天文学家,也是天文学作为现代科学最先兴起的第一个学科。其时哥白尼指出,如果对峙地心说,很多现象是没有办法解释的,比如经常开玩笑说我最近运气不太好,喝凉白开也塞牙缝,是犯了“水逆”。“水逆”是因为咱咱咱们强行把咱咱咱们的世界中央放在地球上,认为水星环抱地球转才看到了违反常识的现象。但如果把咱咱咱们世界中央从地球稍稍往旁边挪那么一点点,挪到太阳这里,咱咱咱们发现这些成就就迎刃而解了。哥白尼去世之后,一百年之后又一名非常巨大的天才,便是牛顿降生了。牛顿用他的一生,创造了牛顿三大定律,还创造了微积分,末了构成为了牛顿力学。其时,牛顿力学非常胜利地解释了日心说,以太阳为中央,八大行星环抱太阳运动的体系,最终又构成为了新的人类宇宙观和世界观。

  这个局面不停到上世纪初被另外一小我类天才所挑衅,在1905年的时候,这位天才提出了相对论时空观的概念。大家应该都非常认识爱因斯坦提出的质能方程。他认为物质的品格是一种能量,是能量存在的一种情势。之后又花了十年把这个概念停止进级,到了1915年,爱因斯坦把狭义相对论进级到斯阋逑对论。

  而广义相对论的概念认为物质的品格可使咱咱咱们周边的时空发生扭曲,他认为引力不再是互相感化的概念,而是因为时空弯曲才表示出的现象。中国的一名弘大科学家杨振宁在2005年世界物理年对这项工作做了一个评论,他说洛伦兹提出相对论的数学公式,但是并没有给出物懂得释;庞加莱在哲学上讨论相对论的意义,但是依然不明白相对论的物理含义;真正懂得相对论物理意义的人,只要那位26岁的年青专利局小职员,便是这个可爱的小老头爱因斯坦。

  爱因斯坦提出了弘大的相对论时空观,之后咱咱咱们人类很快就睁开进去了一个新的宇宙观,我说的很快是指曩昔一百年,一百年的光阴里咱咱咱们极力研究宇宙的演化,构成为了热大爆炸宇宙学说,这个学说成为了人类新的时空观和宇宙观。

  热大爆炸宇宙说描述了咱咱咱们宇宙在曩昔138亿年的演化历史。此中有两个名词,一个是“暴涨(inflation)”,另外一个是“宇宙微波配景辐射”。 “暴涨”,这个名词来自于经济学。“暴涨”指的是宇宙在138亿年前,时空奇点大爆炸之后,大约阅历了10的负32次方秒的光阴,宇宙体积放大了10的80次方倍,这是前所未有的一次剧烈放大。在暴涨前的一个原子布局大,在暴涨之后,放大到跟太阳系全体别积大小一样的量级。发生这么早宇宙演化过程,便是咱咱咱们所认为的宇宙起源的一种可能性。

  这个学说认为暴涨场导致了暴涨过程的发生。在上世纪80年月的时候,该学说胜利地在宇宙微波配景辐射即所谓“宇宙的藏宝图”中,预言了宇宙微波配景辐射傍边温度的涟漪。暴涨实践与90年月美国发射的空间卫星的观测结果惊人的同等,也便是说这个实践取得了试验上强无力的支撑。

  但是,不论是热大爆炸宇宙学说,还是进级版的暴涨学说,都没有办法逃避一个成就,那便是认为宇宙来自于一个时空奇点。宇宙的温度、能量密度、压强,和其余你所能想象的物理参量,在那一时刻都是发散,都是无穷大的。物理上咱咱咱们很难接受无穷大的存在。有一些物理学家和天文学家会认为会存在着其余分歧的宇宙起源,比如认为宇宙颠末了漫长的收缩时期,然后又开端膨胀,树立了反弹宇宙学。这个学说也认为存在一个标量的物质,阅历赓续的震荡演化,驱动了收缩的过程。这个学说也可以或许或许解释宇宙微波配景辐射上温度的涟漪。

  什么是宇宙微波配景辐射?宇宙微波配景辐射是宇宙中的藏宝图,宇宙大爆炸之后,38万年的时候给自己做了自拍。为什么这么说?大家想象一下,宇宙已经有非常高的温度,在那种环境下,宇宙中的物质无法以咱咱咱们认识的分子,原子的布局去存在,而因此带电离子那槭拼在。那个时候的宇宙看上去像一锅粥一样。宇宙的膨胀耗散了宇宙自己的能量,等到宇宙的温度低落到某个临界温度如下的时候,宇宙中的质子和电子会构成稳固中性那原子,犹如天主说要有光,于是咱咱咱们有了光。那个时刻宇宙收回的光犹如脱缰野马一样平常狂奔,不停到被聪慧性命,比如地球上的人类所捕获。这便是宇宙微波配景辐射的由来。

  宇宙微波配景辐射的发现意味着什么?意味着给这个世纪的人咱咱们带来了新的宇宙观,奉告咱咱咱们,宇宙是一个有温度的宇宙。

  这个预言发生在上世纪40年月,其时已经有些物理学家和宇宙学家预言了宇宙的温度。上世纪70年月的时候,贝尔试验室的两位无线电工程师在一个非常巧合环境下,想做无线电试验,但老是有稳固的配景噪声存在,他咱咱们百思不得其解,甚至为此清理了试验室里面鸽子窝,但发现噪声还是存在。最终他咱咱们找到了美国普利斯顿大学的几位传授,因此发现了宇宙微波配景辐射。这个工作也获得了1978年的诺贝尔奖。咱咱咱们的宇宙温度是2.725K,便是大约-270摄氏度。1989年美国发射的卫星发现了温度的涟漪,后来2006年被付与了诺贝尔物理学奖。

  颠末半个世纪的极力,颠末过程对宇宙微波配景辐射的赓续的研究,咱咱咱们得出结论:热大爆炸宇宙学对付宇宙在曩昔的138亿年中如何演化的实践,是非常正确的。而且咱咱咱们还获得了一个非常有趣的宇宙组分的拼图,这个宇宙组分拼图中咱咱咱们发现有68.9%的贡献来自于的芰,有26%的贡献来自于暗物质,只要不到5%是来自于咱咱咱们所认识的可见物质,比如氢元素。

  对付宇宙微波配景辐射,不只要温度涟漪,如果把设备加上偏振片,会发生什么呢?上面会有偏振的图案,就像咱咱咱们去电影院看电影曩昔看2D,如今看3D,图像会加倍平面化。宇宙微波配景辐射傍边藏着非常扭曲的偏振图案,而这个偏振图案傍边藏着宇宙中非常宝贵的产业,便是来自宇宙最先期的引力波,称为原初引力波。

  原初引力波和物质密度波,这二者是宇宙起源模子傍边必然存在的两种波动情势。原初引力波是时空量子涨落的涟漪,颠末过程对原初引力波的研究,咱咱咱们能加倍精确地了解宇宙在极早期到底发生了什么。

  在2017年春天的国际集会上,有30多位顶级物理学家,包含4位诺贝尔奖获得者,对付宇宙的起春脱莼就吵得不行开交,我把他咱咱们吵架的文章整理一下,把辩论结果列了一下,基本杀青同等的概念是宇宙微波配景辐射傍边存在着两种偏振情势,E模偏振和B模偏振。各种各样的宇宙学模子对E模的预测比较接近,但是对B模偏振的预测差异弘大。如果能捕获到原初的B模偏振,就无机遇解密咱咱咱们的宇宙起源。

  把咱咱咱们的偏振图像和非常优美的梵高的《星空》组合在一路,会发现有惊人的类似之处。接下来一个很有趣的成就,咱咱咱们到哪里去找如许一种图像呢?在地球上咱咱咱们可以或许或许抉择的地点并不是分外多,因为对付这中藕的捕获必要观测地具有非常好的天气条件,比如水气非常少,非常干燥,大气透明度度非常高的地区。地球上大约有四个抱负的地点,分离是南半球的南极,南美洲智利的阿塔卡玛戈壁,北半球的格陵兰岛,另有中国的西藏。目前在国际上已经有很多这方面的极力,像南极的IceCube,在智利也有很多望远镜。北半球还不能说有这方面已建成的,但是咱咱咱们中国正在极力打造的是西藏的ALiCPT。这个项目在2014年的时候由中科院高能所的张新民研究员提出,在2016年年末正式立项启动。这个项目是调集了中国统统的宇宙学研究力量,和国际上睁开的合作项目。这三个图很有意思,第一个是卫星图,展现了地舆地位,第二个是立项的时候拍的航拍图,高度是海拔5250米,这是地位的海拔。颠末两年的极力,再给大家看一个一周之前咱咱咱们拍的航拍图,咱咱咱们实现为了试验室的构建,实现为了望远镜基座打造,这个地方要放置望远镜和数据采小我系。

  回想一下,曩昔在人类漫长的演化历史傍边,人类历史每一次光辉都见证了一个新的世界观、新的宇宙观的降生。颠末曩昔100年的极力,物理学家和宇宙学家描画了一个非常成熟的宇宙观,便是热大爆炸宇宙学说。曩昔将近40年的过程傍边,一些无关宇宙起源的思虑慢慢也在开端兴起,例如上世纪70年月和80年月所提出的暴涨学说,胜利预言了宇宙微波配景辐射傍边存在的温度涟漪。但是不管是暴涨还是大爆炸宇宙学,都没有办法回答咱咱咱们宇宙是如何从一个时空基点,从一个发散的点演化而来的。

  所以,近20年咱咱咱们宇宙学家开端浏览到新的领域,便是反弹宇宙学,针对大爆炸奇点睁开一系列科学研究。很幸运的是,天文学已经进入了新的时代,因此前的人非常难以想象的黑科技时代,便是引力波时代,2015年9月份人类初次捕获来自黑洞的引力波,LIGO引力波天文台发现的,欧洲的LISA项目,另有中国积极推动的天琴和太极项目,这些都在为未来人类的睁开做着不懈的极力。咱咱咱们想要去了解宇宙最一开端到底发生了什么,咱咱咱们必要想办法捕获那个时候的原初引力波,咱咱咱们想利用宇宙微波配景辐射的偏振试验捕获这么神奇的信号。中国正在推动的ALiCPT项目便是咱咱咱们的尝试。

  末了引用非常有名的科幻电影《星际迷航》的话,咱咱咱们想要做的工作是去那前人未至之境,发掘全新的世界观,踏上一段开拓之旅。(图片由蔡一夫传授供给)

  附蔡一夫传授接受新浪科技采访实录

  如何研究黑洞

  新浪科技:星际穿梭这部电影中提到,人类要想彻底研究出黑洞的话,必要进入黑洞内部,研究出奇点的数据才可以或许或许,你是如何认为的?

  蔡一夫:这部片子上映时,我还没回国,所以我是在加拿大看的这部影片,给我印象分外深入的便是这个片子,因为我分外喜欢看硬科幻的电影,如许能留出空间,给我去找电影中逻辑不通及悖论的地方,我自己比较喜欢干这种挑刺的 “活”。我分外震惊的并不是虫洞模子,和黑洞模子,而是男主人公跌入黑洞时的表示手法。如何描述出黑洞面前的世界,如何去表现处理?这些是我之前从来没有想到过的。

  新浪科技:只要进入黑洞内部能力研究黑洞吗?

  蔡一夫:我不完全认同,2011年还是2012年的时候,我记不太清了,其时我在网上看文章,看到一篇霍金自己一小我署名的文章,你知道这就意味着什么?霍金的身体状况大家也清楚,说明在他人生性命的末了几年,他还在思虑这个工作,他提出了一个新的实践,新的学说,黑洞外面可能并不是人类想象的那样空无一物。其实他是在尝试把他这一生中所获得的最高成就的这个实践,把它推翻掉。

  外星性命比较包容?

  新浪科技:有人说,研究天文会让人觉得自己很渺小,您怎么看?

  蔡一夫:每一小我都有自己合的地位,咱咱咱们对这个世界的认知实际上是来自于两层面的。一个是个别地点的环常咱咱咱们自己所扮演的一个角色,咱咱咱们的宇宙有138亿年的历史,从这个角度来看,人类非非常渺小。另有一个是小我对付自己内心的认识。每一共性命的存在,都起到了非常重要母化,犹如咱咱咱们对付父母,便是非常重要的存在。

  新浪科技:之前听说您不太认同《三体》里面的黑暗丛林法则,假如存在外星人的话,那么他咱咱们会是一种什么样的文化?

  蔡一夫:黑暗丛林法则的概念是,如果咱咱咱们想要一个文化连续上来,活上来就必要躲起来,如果你太嚣张了,就会成为所谓的出头鸟,但是我的小我的概念正好是相反,假如存在外星性命的话,一定是具有包容性比较高的文化。

  讲课已经被问“懵”

  2010年,蔡一夫在中国科学院高能物理研究所获得博士学位,随后在外洋做了两期博后,2015年回中国科学技术大学任教。

  新浪科技:您在国内拿到PhD学位,在外洋做了两期博后,对比国内外的造就情势,您有哪些看法

  蔡一夫:其实,东西方的教学情势各有千秋。外洋的造就情势是一种勉励启发性的教育;而国内更多的是传统意义上授课类的教学办法,所以国内的门生基本功都非常踏实,但作为一名老师,我比较发愁的是,如何让门生提问。而在这一点,外洋的门生就做的相对比较好。

  让我印象最深的是,有一次在外洋讲学,居然被门生问懵掉了。其时我觉得分外没面子,但我的导师却奉告我,这应该值得高兴,得我的课讲得很好。但在国内,还芙萄,还是做申报,门生提问成就的都太少了。

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