2008年8月
第3期吉林师范大学学报(自然科学版)JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)№.3Aug.2008
宇宙学是物理学的一个重要前沿
陆
(中国科学院紫金山天文台,江苏南京210008)
摘 要:本文简要讨论了天体物理学与物理学之间的关系,重点讨论了宇宙学与物理学之间的关系.讨论了如何导致大爆炸宇宙学的建立,它的几个重要的、关键性的观测检验,以及两个重大的发展,即暴胀宇宙学和宇宙加速膨胀的发现.这些有可能导致基础物理学的突破性进展.
关键词:大爆炸宇宙学;原初核合成;宇宙微波背景辐射;暴胀宇宙学;加速膨胀
中图分类号:P14 文献标识码:A 文章编号:1000218402(2008)0320001206
2008年6月中旬,我访问了吉林师范大学(四平),并与物理学院师生作了一些教学和科研方面的交流,就宇宙学作了一个学术报告.现在,就其中的一些方面,写成了这份材料.
1 天体物理与物理学的关系
国内的教学设置,,,.有的学校有时也开所谓的外系天文课,其实,天体物理与物理学中的其他分支,如原子物理、分子物理、原子核物理、、电子物理等,性质是相当接近的.物理学研究的是物体的作用、性质及其运动规律.人们已经知道,支配物质世界的基本作用力只有四种,即万有引力、电磁力、弱作用和强作用.万有引力主要是在天体物理中起作用.如果把天体物理排斥在物理学之外,就等于把物理学限制在电磁力、弱作用和强作用三种力的范围内,这对于物理学的研究是很不完整的.应当注意,没有天文学的诺贝尔奖,只有物理学的诺贝尔奖.而至今已经有15个天体物理学家获得了8个年度、11个项目的物理学的诺贝尔奖.由此也可见,天体物理在物理学上已经作出了多大的贡献,见表1.
表1 天体物理已经获得的诺贝尔物理奖[1]
年度
1967
1970
1974获奖人H1BetheH1AlfvénM1Ryle
A1Hewish
A1A1Penzias
R1W1Wilson
S1Chandrasekhar
W1A1Fowler
R1A1Hulse
J1H1Taylor
R1DavisJr.
M1Koshiba
R1Giacconi
J1C1Mather
获奖项目核反应理论研究,恒星能源的发现磁流体力学中的基本工作和发现综合孔径技术脉冲星的发现宇宙微波背景辐射的发现恒星结构与演化的理论研究宇宙中化学元素起源的理论和实验研究发现一种新类型脉冲星,开辟了引力研究新的途径宇宙中微子的观测宇宙X射线源的发现宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的发现[***********]06
收稿日期:2008207213 基金项目:国家自然科学基金项目(10473023)
作者简介:陆 (19322),男,江苏省常熟市人,中国科学院院士,教授,博士生导师.研究方向:天体物理.
—1
—
事实上,早在牛顿时代,万有引力定律就是在开普勒依据天文观测得到的三定律的基础上建立起来的.爱因斯坦的广义相对论也是在经过天文上的所谓三大经典验证(水星近日点进动、光线的引力偏转、谱线的引力红移)而确立的.实际上,天体物理研究对物理学所作出的贡献还远不止这些.不过,这里我将主要讨论宇宙学方面.
2 宇宙学的科学框架
宇宙学是研究整个宇宙的一门科学[2].人类认识宇宙的历史几乎与人类认识史本身一样古老.但是,宇宙学真正成为一门科学还是近一百年来的事.由于弱作用和强作用都是短程力,在宇宙学中不起作用,而电磁作用虽为长程力,但电荷有正有负,在大尺度上来看将两两相消,在宇宙学整体上看也基本不起作用.因此,在宇宙学中真正起支配作用的只有万有引力.虽然牛顿早在300多年前就已经发现了万有引力定律,但牛顿力学框架本身却与宇宙学不相容.只有爱因斯坦的广义相对论(1917年)才为宇宙学的研究提供了正确的科学框架.
时至今日,宇宙学的研究已有近百年的历史.按照今天所达到的水准,现代宇宙学对从宇宙诞生远短于1s起一直到今天,已可给出相当准确的预言,并且可以用观测事实相当精确地给以检验.对于生活在宇宙的一个普普通通星系(即银河系)内的一个普普通通恒星(即太阳)周围的一个普普通通行星(即地球)上的人类居然能相当精确地知道宇宙从“婴儿”时代直到今天整个的成长过程.这实在是一件了不起的成就.我们不妨选几个例子来作些说明.
爱因斯坦在1915年发表了他的广义相对论,又在1917年将广义相对论应用到宇宙学上.作为近似,爱因斯坦假设宇宙在大尺度上看来是均匀、各向同性的.,被称为宇宙学原理.().1922年,弗里德曼(A.Friedmann)发展了爱因斯坦宇宙学,,Hubble)在观测上发现宇宙正在膨胀.至此,(膨胀宇宙模型)诞生了.它的几何可以用如下的弗里德曼-(A.G.Walker)度规来表示:
2l2R(tdr2/(1-kr2)+r2(dθ+sin2θd
这里有两个特征参量(t)和k,前者代表宇宙膨胀的标度因子,后者代表空间几何的曲率因子.从上式可以看出,k=+1,代表宇宙有限(因为r取值必须小于1,称封闭宇宙);k=-1,代表宇宙无限(因为此时取值没有限制,称开放宇宙);k=0,代表平直几何(此时花括号内正是普通平直空间的几何,空间仍是无限的).dl是空间线元.应当注意,空间有限还是无限决定于k的取值,与膨胀无关,不能理解为空间原来有限,膨胀下去才成为无限.从上式可知,如果k=-1,即使在宇宙刚诞生的某个时刻,那时R(t)非常小,但由于r取值没有限制,宇宙就是无限的.
由上式还可以看出,宇宙中实际存在着两种运动,一种是r的变化,一种是R的变化,前者表示天体在空间中的运动,后者表示空间本身在膨胀.只有前者才受到狭义相对论的约束,而后者并不受光速的限制[3,4],宇宙膨胀是可以超光速的.
我们已经看到,在空间上,宇宙可以有限,也可以无限.但是,在时间上,宇宙却总是有限的
,至少是半有限的,因为宇宙总有个起点.就是说,宇宙的将来也许有限,也许无限,但其过去总是有限的.定义
H(t)R(t)・
为哈勃参数,表示宇宙的膨胀率,它应当是t的函数.通常用下标为0代表宇宙今天的量,如t0表示宇宙今天的年龄,H0≡H(t0)表示宇宙今天的哈勃参数.如果
我们假定宇宙的膨胀是等速的,那么倒退回去,在时间
(1/H(t0))以前,宇宙就会收缩到起点(密度无穷、温度
无穷的状态),这就是宇宙诞生的时刻.1/H(t0)通常称
为宇宙的哈勃年龄.当然,宇宙不是等速膨胀的.所谓宇
宙膨胀指的是天体与天体之间的距离在拉大,而万有引
力是拉住天体不让分离,这个力是阻碍宇宙膨胀的.因
此,宇宙膨胀只可能减速,如图1所示.
—2—图1 宇宙年龄与哈勃年龄
值得注意,宇宙有限还是无限,决定于宇宙物质密度的大小.因此,存在一个宇宙平均密度的临界值:
2ρπG).如果宇宙平均密度大于这个值,那么万有引力足够大,以致宇宙是有限的;相反,则是无c=3H/(8
限的;临界情形就是平直的.
3 大爆炸宇宙学
由图1显见,宇宙的真实年龄(t0)应小于哈勃年龄(1/H(t0)),可见宇宙在时间上必有个诞生时刻.正是由于这一点,使加莫夫(G.Gamow)[5]于1946年提出了大爆炸宇宙学:宇宙诞生于某一时刻,那时宇宙处于高温、高密状态,随后随着宇宙膨胀而降温、降密,相继经历粒子物理、正负电子对湮灭、原子核物理、等离子体、中性气体、流体力学等等极为丰富的各种物理过程.正因为不同温度,代表了不同的热运动能量,随着宇宙膨胀演化,从高能到低能各个层次的物理便相继在宇宙演化中扮演角色.特别重要的是,加莫夫对整个宇宙演化给出了可自然操作的、也容易计算的方案,得到了许多易于观测检验的具体预言,如表2所示.
表2中列出了从宇宙刚诞生的10-44s起一直到今天各个重要演化阶段的物理过程.这里我将选择最有代表性的两个关键性的观测检验.
表2 宇宙演化的时间表
温度/K
1032
1028能量/eV10281024时间/s10-4410-36
10-35,-33时代Planck时代物理过程大统一时代暴胀阶段
中微子脱耦
电子对湮灭
核合成时代
复合时代
第一代恒星生成
星系电子对湮灭轻核素生成微波背景辐射再电离大尺度结构形成暴胀过程[1**********]05×1091093×[**************].310-610-213min38万年4亿年
2.73×10-4137亿年现代
一是:当宇宙膨胀降温到约109K时(相当于宇宙年龄仅为3min),核合成过程便有效地进行.产生的
327轻核素中有四种是稳定的,即4He、He、D、Li,一直留存到今天.这4种轻核素便成了证明宇宙演化头
3min核合成过程的“考古文物”.根据计算,这4种轻核素中,丰度最高的要算4He,按重量计,它约占全宇宙的1/4,而另外3/4几乎全由氢(即质子)占有.除了H(氢)和4He以外,宇宙中所有其他元素总和也不足1%.这个惊人的结果以及所有4种稳定轻核素的理论计算值均与观测结果符合得很好,对大爆炸宇宙学是个很强的支持.不少人也许怀疑“:宇宙头3min的事你也能精确知道?”其实这正是一个极强的证据.试想我们今天地球、人类、物质世界之所以能够存在,中子是必不可少的一种材料.除了氢以外,周期表中的所有元素均有中子.要知道,自由中子的寿命只有一刻钟.它必须在远短于一刻钟的时间内躲进某种原子核,才能存在下来.正是因为它“抓住了”这短暂的3min有效地躲进了4He,才为我们这个物质世界“留得青山在”,保存了以后创世纪用的中子库.
另一是:当宇宙继续膨胀而降温到约3×103K时(相当于宇宙年龄为38万岁),随着原子核与电子复合形成中性原子而与光子脱离热耦合,使光子不再参与碰撞而成为自由光子遗留下来,形成宇宙的一种背景辐射.那时,背景光子处于3×103K的黑体辐射状态.此后,宇宙继续膨胀,光子的波长也跟着变长.直到今天,就成了相当于温度为2.725K的微波背景辐射,但仍保持了极好的黑体辐射谱形.原初核合成和微波背景辐射便是宇宙大爆炸学说的两个可供观测检验的重要预言.1964～1965年,彭齐亚斯(A.A.Penzias)和威尔逊(R.W.Wilson)两位工程师在研究他们的微波天线性能时,无意中发现了一种噪声性辐射,它其实就是宇宙微波背景辐射[6].图2所示是1989年发射升空的宇宙背景探测者(COBE)卫星等仪器观测得到的宇宙微波背景辐射谱,它是温度为2.725K的极好的黑体谱[7],与大爆炸宇宙学的理论预言十分一致.值得注意的是,彭齐亚斯和威尔逊当初只测量了一个点,且误差有±1K之巨.后来的测量十分精确,
—3
—
且覆盖了整个谱.这两个观测成果强有力地支持了大爆炸宇宙学.彭齐亚斯和威尔逊也因此于1978年获得了诺贝尔物理奖.马塞(J.C.Mather)领导的COBE卫星精确测定了整个黑体谱.理论还预言,微波背景辐射应当高度各向同性,但为了能够形成今天观测到的宇宙大尺度结构(星系、星系团),微波背景辐射也得有约十万分之一的微小各向异性.这个预言也被COBE卫星观测证实.为此,斯莫特(G.F.Smoot)与马塞(J.C.Mather)于2006年再一次因微波背景辐射而获得诺贝尔物理奖[8,9]
.
图2 COBE4 暴胀宇宙
,获得了原初核合成和微波背景辐射两大成功检验,.但是,这里还有几个重大问题需要说明.
?人们所已知的物质,就是门捷列夫周期表中的各种元素,通常称为重子物质或可见物质.事实上,观测不仅证实了原初核合成的大爆炸宇宙学理论,而且定出了宇宙中重子
ρ物质的含量,其密度约为临界密度的4%,即重子物质无量纲密度ΩB≡B/ρc≈0.04.
早在1937年,茨维基(F.Zwicky)为了解释大星系团中星系速度太大的困难,提出了暗物质概念.此后,人们用光学方法和力学方法研究了许许多多天文现象,发现用力学方法测出的天体质量总比光学方法测出的要大很多倍,从而确凿地肯定了比重子物质高许多倍的暗物质的存在.暗物质同样有万有引力,但不发光,没有强作用,也没有电磁作用.然而,至今不知道它是由什么粒子组成,但其主要成分肯定不是重子物质.
宇宙物质从大尺度上来看几乎是均匀分布的.当然,不会有无缘无故的均匀.至少,这个均匀的范围在宇宙早期应当曾经有过相互作用,有过导致均匀的相互影响.通常用辐射为主和物质为主来近似描写宇宙的高温(早期)和低温(晚期)两个极端情形.辐射为主时,宇宙膨胀规律是R(t)∝t1/
2,物质为主时,R(t)∝t2/3,而作用所能及的(有过因果联系的)范围约为ct.可见,倒退回去看,在过去任何一个时候,作用所及的范围只能造成比今天所看到的范围要小得多的区域均匀.微波背景辐射的高度各向同性,更明确说明宇宙在38万岁时物质空间分布是高度均匀的,这同样找不到其生成原因.1981年,顾斯(A.H.Guth)[10,11]利用粒子物理中的标量场和真空能量概念,提出了一个绝妙的想法.他注意到,在宇宙的极早期,比如年龄约为10-35～10-33s时,宇宙可能处在既非物质为主又非辐射为主的状态,而是处在标量场或真空态,这是密度不随时间而变的状态.此时宇宙膨胀呈指数形式,称为暴胀.这个暴胀了几十个数量级的过程只发生在约10-33s的短暂时间内,其效果却足以将作用导致均匀的微小区域形成真正的大范围的均匀.这就是暴胀学说的精妙之处.它对宇宙大爆炸学说动了一个大手术,产生了暴胀几十个数量级的大效果,解决了诛如影响因果性之类的大难点,然而,这个大手术却是微创的,只改动了约10-33s的短暂时间段,对大爆炸宇宙学影响不大.这个暴胀假说既解决了因果矛盾之类的大难题,又保留了成功的大爆炸宇宙学“几乎毫发无损”.并且,它还由此提出了一个意想不到的惊人预言.由于在宇宙极早期暴胀了几十个数量级,使得
2πG).这个预言十分强.那时人们已经知暴胀后的空间弯曲应十分近于平直,即k=0,或ρtotal=ρc=3H0/(8
—4—
道,以ρc为单位,宇宙中重子物质只有约4%,而暗物质又几倍于重子物质,但是两者之和又远小于1.如果暴胀学说正确,那么应当还有相当大的第3种成分.这种成分是什么?
5 宇宙加速膨胀的发现
在20世纪五、六十年代,人们就想测出宇宙膨胀的加速度.当然,人们都很清楚,万有引力的存在必然会使宇宙的膨胀减速.因此,人们要测量的实际上是减速度.根据Friedmann方程,宇宙膨胀的加速度可以表示为:
・・2(ρR(t)=-c+3P)R(t)3
这里P是压强.由于ρ和P均是正值,式中的负号就表明宇宙膨胀是减速的.通常,人们定义减速因子为
・・
q≡-R・2,对于减速膨胀而言,它取正值.可是,这个减速因子人们尝试去观测研究已进行了几十年,分歧很大,完全得不出可信的结果.十年前,两个利用Ia型超新星的研究小组[12,13],出其不意地发现,原来宇宙不是在减速膨胀,而是在加速膨胀.这个事实不仅轰动了整个天文界,也几乎轰动了整个物理界.难道宇宙间还有万有斥力?这是一个有可能动摇物理基础的大事件.
2从上式还可看出,为了获得加速膨胀,压强P必须是负的,而且必须P
2极低时,压强近于零;温度极高时,压强近于c,可见通常物质的压强总是正的.负压强表明这是一种新3
2物态,现在人们称之为暗能量或真空能量.一般地说,状态方程可写成P=ww
-1/3.
有趣的是,早在1917年,为了获得静态宇宙,加了一个宇宙常数(Λ).其
实,Λ就相当于w,人们仍然用Λ作
.有意思的是,根据目前的观
测数据,Λ还是与观测事实符合得最好的实例.究竟我
们今天的宇宙中暗能量占多少呢?这是需要观测来确
定的.我们知道,用Ia型超新星直接测定宇宙加速膨胀、
用微波背景辐射的功率谱测量以及从宇宙大尺度结构
研究等几方面均可以给出暗能量密度(ΩΛ=ρΛ/ρc)和包
括重子和暗物质在内的物质密度(ΩM=(ρB+ρDM)/ρc)
的观测允许范围,如图3所示[14].图中由超新星、微波背
景辐射和大尺度结构三方面的观测数据所给出的允许
范围交在一个小区域,在ΩM=0127和ΩΛ=0173处.这
个结果告诉我们两件事:1)ΩM+ΩΛ=1,即ρtotal=ρB+
ρΛ=ρDM+ρc,证明了暴胀宇宙学说关于宇宙总的物质
密度正好等于临界密度的预言是正确的,暗能量正是所
需要的宇宙的第3成分.2)确定了宇宙的3种物质成分,
它们是重子物质占4%、暗物质占23%、暗能量占73%.此Ω图3 Λ和ΩM的观测确定时,超新星观测、微波背景辐射观测和大尺度结构观测之
间均协调一致,没有矛盾.从此,宇宙学打破了矛盾百出的局面,发展成为精确宇宙学或和谐宇宙学.图中在最佳位置处附近有一个小区,是计划卫星SNAP(Supernova/AccelerationProbe)的预期精确结果.
现在,引入暗物质、暗能量和暴胀机制后,宇宙学多方面的观测研究已经可以比较好的协调一致.但是,至今暗物质粒子还没有找到,暗能量模型和暴胀机制已经提出了几十甚至上百种模型,一种也还没有取得公认.这些问题为我们提供了极好的机遇,宇宙学也许会为物理学的大发展打开一扇窗口,新的物理学革命也许就从这里开始.
—5
—
6 结语
19世纪末20世纪初,物理学家开尔文勋爵(LordKelvin)把当时的物理学比作晴朗的天空,认为当时的物理学已经很完美,将来的物理学家顶多把物理常数再测得更精确一些.不过,他还是有远见的:他在远处看到了两朵乌云,一朵是“以太”问题;一朵是“黑体谱”问题.
什么是以太?那时,人们都知道光是波,而波必须在介质中传播.但光是可以穿过真空的,因此真空中有介质,以太就是这种介质.然而,许多实验试图找到这种介质,却均没有成功.爱因斯坦摒弃了以太,从而建立了相对论.
什么是“黑体谱”问题?当时理论上遇到的主要是发散问题,普朗克引入了量子性,解决了发散问题.从而,导致了量子力学的建立.
开尔文的两朵乌云引发了20世纪物理学的两大革命:相对论和量子力学.这两大革命,导致了高科技的发展.
暗物质与暗能量是不是新世纪物理学晴朗天空中的两朵乌云?它们会不会引发新世纪物理学新的革命?这是我们正面临的深刻问题,也是千载难逢的极好机遇.勇往直前,迎接挑战吧.
参 考 文 献
[1]陆 .宇宙幼年的照片———2006年度诺贝尔物理学奖[J].物理,2007,36,185～190.
[2]陆 .宇宙———物理学的最大研究对象[M].长沙:湖南教育出版社,1994.
[3]C.H.LineweaverandT.M.Davis.Misconceptionsaboutthebigbang[J].Sci.Am.,2005,292(3):36～45.
[4]R.J.Cook,M.S.Burns.InterpretationoftheCosmologicalMetric[J].arXiv:0803.2701(2ph)[5]GamowG.Expandinguniverseandtheoriginofelements[J].PhysRev,1946(70～[6]A.A.PenziasandR.W.Wilson.AmeasurementofexcessantennatemMc/,142～421.
[7]http://arcade.gsfc.nasa.gov/cmb-intensity.html.
[8]MatherJc,ChengES,EpleeREJr,etAicmicrowave
backgroundspectrumbytheCosmicBackgroundExplorer(COBE)satellite[J].,354L40.
[9]G.F.Smoot,etal.SinDifferentialMicrowaveRadiometerFirst2YearMaps[J].Astrophys.J.1992,396:L12L5.
[10]A.H.Guth.InflationaryUniverse:APossibleSolutiontotheHorizonandFlatnessProblems[J].Phys.Rev.D,1981(23):347～356.
[11]A.D.Linde.AnewInflationaryuniverseScenario:APossibleSolutionoftheHorizon,Flamess,Homogeneity,IsotropyandPrimordialMonopoleProblems
[J].Phys.Lett.B,1982(108):389～393.
[12]S.Perlmutter,etal.Measurementsofomegaandlambdafrom42high2redshiftsupernovae[J].ApJ,1999,517;565～568.
[13]A.G.Riess,etal.Observationalevidencefromsupernovaeforanacceleratinguniverseandacosmologicalconstant[J].AJ,1998,116:1009～1038.
[14]S.Perlmutter.Supernovae,DarkEnergy,andtheAcceleratingUniverse[J].Phys.Today,2003,56(4):53～60.
CosmologyisanImportantFrontierofPhysics
LUTan
(PurpleMountainObservatory,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)
Abstract:Inthispaper,therelationbetweenastrophysicsandphysicsisdiscussedbriefly,andtherelationbetweencosmologyandphysicsismainlyfocused.ThefundamentalideaoftheBigBangCosmologyisdescribedandtwomostimportantpredictionsbythecosmologyarediscussedandquantitativelyobserved.Finally,twogreatprogresses,namelyInflationaryCosmologyandAcceleratingExpansion,arediscussed,whichmightleadtogreatbreakthroughinfundamen2talphysics.
Keywords:bigbangcosmology;primordialnucleosynthesis;cosmicmicrowavebackgroundradiation;inflationarycos2mology;acceleratingexpansion
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2008年8月
第3期吉林师范大学学报(自然科学版)JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)№.3Aug.2008
宇宙学是物理学的一个重要前沿
陆
(中国科学院紫金山天文台,江苏南京210008)
摘 要:本文简要讨论了天体物理学与物理学之间的关系,重点讨论了宇宙学与物理学之间的关系.讨论了如何导致大爆炸宇宙学的建立,它的几个重要的、关键性的观测检验,以及两个重大的发展,即暴胀宇宙学和宇宙加速膨胀的发现.这些有可能导致基础物理学的突破性进展.
关键词:大爆炸宇宙学;原初核合成;宇宙微波背景辐射;暴胀宇宙学;加速膨胀
中图分类号:P14 文献标识码:A 文章编号:1000218402(2008)0320001206
2008年6月中旬,我访问了吉林师范大学(四平),并与物理学院师生作了一些教学和科研方面的交流,就宇宙学作了一个学术报告.现在,就其中的一些方面,写成了这份材料.
1 天体物理与物理学的关系
国内的教学设置,,,.有的学校有时也开所谓的外系天文课,其实,天体物理与物理学中的其他分支,如原子物理、分子物理、原子核物理、、电子物理等,性质是相当接近的.物理学研究的是物体的作用、性质及其运动规律.人们已经知道,支配物质世界的基本作用力只有四种,即万有引力、电磁力、弱作用和强作用.万有引力主要是在天体物理中起作用.如果把天体物理排斥在物理学之外,就等于把物理学限制在电磁力、弱作用和强作用三种力的范围内,这对于物理学的研究是很不完整的.应当注意,没有天文学的诺贝尔奖,只有物理学的诺贝尔奖.而至今已经有15个天体物理学家获得了8个年度、11个项目的物理学的诺贝尔奖.由此也可见,天体物理在物理学上已经作出了多大的贡献,见表1.
表1 天体物理已经获得的诺贝尔物理奖[1]
年度
1967
1970
1974获奖人H1BetheH1AlfvénM1Ryle
A1Hewish
A1A1Penzias
R1W1Wilson
S1Chandrasekhar
W1A1Fowler
R1A1Hulse
J1H1Taylor
R1DavisJr.
M1Koshiba
R1Giacconi
J1C1Mather
获奖项目核反应理论研究,恒星能源的发现磁流体力学中的基本工作和发现综合孔径技术脉冲星的发现宇宙微波背景辐射的发现恒星结构与演化的理论研究宇宙中化学元素起源的理论和实验研究发现一种新类型脉冲星,开辟了引力研究新的途径宇宙中微子的观测宇宙X射线源的发现宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的发现[***********]06
收稿日期:2008207213 基金项目:国家自然科学基金项目(10473023)
作者简介:陆 (19322),男,江苏省常熟市人,中国科学院院士,教授,博士生导师.研究方向:天体物理.
—1
—
事实上,早在牛顿时代,万有引力定律就是在开普勒依据天文观测得到的三定律的基础上建立起来的.爱因斯坦的广义相对论也是在经过天文上的所谓三大经典验证(水星近日点进动、光线的引力偏转、谱线的引力红移)而确立的.实际上,天体物理研究对物理学所作出的贡献还远不止这些.不过,这里我将主要讨论宇宙学方面.
2 宇宙学的科学框架
宇宙学是研究整个宇宙的一门科学[2].人类认识宇宙的历史几乎与人类认识史本身一样古老.但是,宇宙学真正成为一门科学还是近一百年来的事.由于弱作用和强作用都是短程力,在宇宙学中不起作用,而电磁作用虽为长程力,但电荷有正有负,在大尺度上来看将两两相消,在宇宙学整体上看也基本不起作用.因此,在宇宙学中真正起支配作用的只有万有引力.虽然牛顿早在300多年前就已经发现了万有引力定律,但牛顿力学框架本身却与宇宙学不相容.只有爱因斯坦的广义相对论(1917年)才为宇宙学的研究提供了正确的科学框架.
时至今日,宇宙学的研究已有近百年的历史.按照今天所达到的水准,现代宇宙学对从宇宙诞生远短于1s起一直到今天,已可给出相当准确的预言,并且可以用观测事实相当精确地给以检验.对于生活在宇宙的一个普普通通星系(即银河系)内的一个普普通通恒星(即太阳)周围的一个普普通通行星(即地球)上的人类居然能相当精确地知道宇宙从“婴儿”时代直到今天整个的成长过程.这实在是一件了不起的成就.我们不妨选几个例子来作些说明.
爱因斯坦在1915年发表了他的广义相对论,又在1917年将广义相对论应用到宇宙学上.作为近似,爱因斯坦假设宇宙在大尺度上看来是均匀、各向同性的.,被称为宇宙学原理.().1922年,弗里德曼(A.Friedmann)发展了爱因斯坦宇宙学,,Hubble)在观测上发现宇宙正在膨胀.至此,(膨胀宇宙模型)诞生了.它的几何可以用如下的弗里德曼-(A.G.Walker)度规来表示:
2l2R(tdr2/(1-kr2)+r2(dθ+sin2θd
这里有两个特征参量(t)和k,前者代表宇宙膨胀的标度因子,后者代表空间几何的曲率因子.从上式可以看出,k=+1,代表宇宙有限(因为r取值必须小于1,称封闭宇宙);k=-1,代表宇宙无限(因为此时取值没有限制,称开放宇宙);k=0,代表平直几何(此时花括号内正是普通平直空间的几何,空间仍是无限的).dl是空间线元.应当注意,空间有限还是无限决定于k的取值,与膨胀无关,不能理解为空间原来有限,膨胀下去才成为无限.从上式可知,如果k=-1,即使在宇宙刚诞生的某个时刻,那时R(t)非常小,但由于r取值没有限制,宇宙就是无限的.
由上式还可以看出,宇宙中实际存在着两种运动,一种是r的变化,一种是R的变化,前者表示天体在空间中的运动,后者表示空间本身在膨胀.只有前者才受到狭义相对论的约束,而后者并不受光速的限制[3,4],宇宙膨胀是可以超光速的.
我们已经看到,在空间上,宇宙可以有限,也可以无限.但是,在时间上,宇宙却总是有限的
,至少是半有限的,因为宇宙总有个起点.就是说,宇宙的将来也许有限,也许无限,但其过去总是有限的.定义
H(t)R(t)・
为哈勃参数,表示宇宙的膨胀率,它应当是t的函数.通常用下标为0代表宇宙今天的量,如t0表示宇宙今天的年龄,H0≡H(t0)表示宇宙今天的哈勃参数.如果
我们假定宇宙的膨胀是等速的,那么倒退回去,在时间
(1/H(t0))以前,宇宙就会收缩到起点(密度无穷、温度
无穷的状态),这就是宇宙诞生的时刻.1/H(t0)通常称
为宇宙的哈勃年龄.当然,宇宙不是等速膨胀的.所谓宇
宙膨胀指的是天体与天体之间的距离在拉大,而万有引
力是拉住天体不让分离,这个力是阻碍宇宙膨胀的.因
此,宇宙膨胀只可能减速,如图1所示.
—2—图1 宇宙年龄与哈勃年龄
值得注意,宇宙有限还是无限,决定于宇宙物质密度的大小.因此,存在一个宇宙平均密度的临界值:
2ρπG).如果宇宙平均密度大于这个值,那么万有引力足够大,以致宇宙是有限的;相反,则是无c=3H/(8
限的;临界情形就是平直的.
3 大爆炸宇宙学
由图1显见,宇宙的真实年龄(t0)应小于哈勃年龄(1/H(t0)),可见宇宙在时间上必有个诞生时刻.正是由于这一点,使加莫夫(G.Gamow)[5]于1946年提出了大爆炸宇宙学:宇宙诞生于某一时刻,那时宇宙处于高温、高密状态,随后随着宇宙膨胀而降温、降密,相继经历粒子物理、正负电子对湮灭、原子核物理、等离子体、中性气体、流体力学等等极为丰富的各种物理过程.正因为不同温度,代表了不同的热运动能量,随着宇宙膨胀演化,从高能到低能各个层次的物理便相继在宇宙演化中扮演角色.特别重要的是,加莫夫对整个宇宙演化给出了可自然操作的、也容易计算的方案,得到了许多易于观测检验的具体预言,如表2所示.
表2中列出了从宇宙刚诞生的10-44s起一直到今天各个重要演化阶段的物理过程.这里我将选择最有代表性的两个关键性的观测检验.
表2 宇宙演化的时间表
温度/K
1032
1028能量/eV10281024时间/s10-4410-36
10-35,-33时代Planck时代物理过程大统一时代暴胀阶段
中微子脱耦
电子对湮灭
核合成时代
复合时代
第一代恒星生成
星系电子对湮灭轻核素生成微波背景辐射再电离大尺度结构形成暴胀过程[1**********]05×1091093×[**************].310-610-213min38万年4亿年
2.73×10-4137亿年现代
一是:当宇宙膨胀降温到约109K时(相当于宇宙年龄仅为3min),核合成过程便有效地进行.产生的
327轻核素中有四种是稳定的,即4He、He、D、Li,一直留存到今天.这4种轻核素便成了证明宇宙演化头
3min核合成过程的“考古文物”.根据计算,这4种轻核素中,丰度最高的要算4He,按重量计,它约占全宇宙的1/4,而另外3/4几乎全由氢(即质子)占有.除了H(氢)和4He以外,宇宙中所有其他元素总和也不足1%.这个惊人的结果以及所有4种稳定轻核素的理论计算值均与观测结果符合得很好,对大爆炸宇宙学是个很强的支持.不少人也许怀疑“:宇宙头3min的事你也能精确知道?”其实这正是一个极强的证据.试想我们今天地球、人类、物质世界之所以能够存在,中子是必不可少的一种材料.除了氢以外,周期表中的所有元素均有中子.要知道,自由中子的寿命只有一刻钟.它必须在远短于一刻钟的时间内躲进某种原子核,才能存在下来.正是因为它“抓住了”这短暂的3min有效地躲进了4He,才为我们这个物质世界“留得青山在”,保存了以后创世纪用的中子库.
另一是:当宇宙继续膨胀而降温到约3×103K时(相当于宇宙年龄为38万岁),随着原子核与电子复合形成中性原子而与光子脱离热耦合,使光子不再参与碰撞而成为自由光子遗留下来,形成宇宙的一种背景辐射.那时,背景光子处于3×103K的黑体辐射状态.此后,宇宙继续膨胀,光子的波长也跟着变长.直到今天,就成了相当于温度为2.725K的微波背景辐射,但仍保持了极好的黑体辐射谱形.原初核合成和微波背景辐射便是宇宙大爆炸学说的两个可供观测检验的重要预言.1964～1965年,彭齐亚斯(A.A.Penzias)和威尔逊(R.W.Wilson)两位工程师在研究他们的微波天线性能时,无意中发现了一种噪声性辐射,它其实就是宇宙微波背景辐射[6].图2所示是1989年发射升空的宇宙背景探测者(COBE)卫星等仪器观测得到的宇宙微波背景辐射谱,它是温度为2.725K的极好的黑体谱[7],与大爆炸宇宙学的理论预言十分一致.值得注意的是,彭齐亚斯和威尔逊当初只测量了一个点,且误差有±1K之巨.后来的测量十分精确,
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且覆盖了整个谱.这两个观测成果强有力地支持了大爆炸宇宙学.彭齐亚斯和威尔逊也因此于1978年获得了诺贝尔物理奖.马塞(J.C.Mather)领导的COBE卫星精确测定了整个黑体谱.理论还预言,微波背景辐射应当高度各向同性,但为了能够形成今天观测到的宇宙大尺度结构(星系、星系团),微波背景辐射也得有约十万分之一的微小各向异性.这个预言也被COBE卫星观测证实.为此,斯莫特(G.F.Smoot)与马塞(J.C.Mather)于2006年再一次因微波背景辐射而获得诺贝尔物理奖[8,9]
.
图2 COBE4 暴胀宇宙
,获得了原初核合成和微波背景辐射两大成功检验,.但是,这里还有几个重大问题需要说明.
?人们所已知的物质,就是门捷列夫周期表中的各种元素,通常称为重子物质或可见物质.事实上,观测不仅证实了原初核合成的大爆炸宇宙学理论,而且定出了宇宙中重子
ρ物质的含量,其密度约为临界密度的4%,即重子物质无量纲密度ΩB≡B/ρc≈0.04.
早在1937年,茨维基(F.Zwicky)为了解释大星系团中星系速度太大的困难,提出了暗物质概念.此后,人们用光学方法和力学方法研究了许许多多天文现象,发现用力学方法测出的天体质量总比光学方法测出的要大很多倍,从而确凿地肯定了比重子物质高许多倍的暗物质的存在.暗物质同样有万有引力,但不发光,没有强作用,也没有电磁作用.然而,至今不知道它是由什么粒子组成,但其主要成分肯定不是重子物质.
宇宙物质从大尺度上来看几乎是均匀分布的.当然,不会有无缘无故的均匀.至少,这个均匀的范围在宇宙早期应当曾经有过相互作用,有过导致均匀的相互影响.通常用辐射为主和物质为主来近似描写宇宙的高温(早期)和低温(晚期)两个极端情形.辐射为主时,宇宙膨胀规律是R(t)∝t1/
2,物质为主时,R(t)∝t2/3,而作用所能及的(有过因果联系的)范围约为ct.可见,倒退回去看,在过去任何一个时候,作用所及的范围只能造成比今天所看到的范围要小得多的区域均匀.微波背景辐射的高度各向同性,更明确说明宇宙在38万岁时物质空间分布是高度均匀的,这同样找不到其生成原因.1981年,顾斯(A.H.Guth)[10,11]利用粒子物理中的标量场和真空能量概念,提出了一个绝妙的想法.他注意到,在宇宙的极早期,比如年龄约为10-35～10-33s时,宇宙可能处在既非物质为主又非辐射为主的状态,而是处在标量场或真空态,这是密度不随时间而变的状态.此时宇宙膨胀呈指数形式,称为暴胀.这个暴胀了几十个数量级的过程只发生在约10-33s的短暂时间内,其效果却足以将作用导致均匀的微小区域形成真正的大范围的均匀.这就是暴胀学说的精妙之处.它对宇宙大爆炸学说动了一个大手术,产生了暴胀几十个数量级的大效果,解决了诛如影响因果性之类的大难点,然而,这个大手术却是微创的,只改动了约10-33s的短暂时间段,对大爆炸宇宙学影响不大.这个暴胀假说既解决了因果矛盾之类的大难题,又保留了成功的大爆炸宇宙学“几乎毫发无损”.并且,它还由此提出了一个意想不到的惊人预言.由于在宇宙极早期暴胀了几十个数量级,使得
2πG).这个预言十分强.那时人们已经知暴胀后的空间弯曲应十分近于平直,即k=0,或ρtotal=ρc=3H0/(8
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道,以ρc为单位,宇宙中重子物质只有约4%,而暗物质又几倍于重子物质,但是两者之和又远小于1.如果暴胀学说正确,那么应当还有相当大的第3种成分.这种成分是什么?
5 宇宙加速膨胀的发现
在20世纪五、六十年代,人们就想测出宇宙膨胀的加速度.当然,人们都很清楚,万有引力的存在必然会使宇宙的膨胀减速.因此,人们要测量的实际上是减速度.根据Friedmann方程,宇宙膨胀的加速度可以表示为:
・・2(ρR(t)=-c+3P)R(t)3
这里P是压强.由于ρ和P均是正值,式中的负号就表明宇宙膨胀是减速的.通常,人们定义减速因子为
・・
q≡-R・2,对于减速膨胀而言,它取正值.可是,这个减速因子人们尝试去观测研究已进行了几十年,分歧很大,完全得不出可信的结果.十年前,两个利用Ia型超新星的研究小组[12,13],出其不意地发现,原来宇宙不是在减速膨胀,而是在加速膨胀.这个事实不仅轰动了整个天文界,也几乎轰动了整个物理界.难道宇宙间还有万有斥力?这是一个有可能动摇物理基础的大事件.
2从上式还可看出,为了获得加速膨胀,压强P必须是负的,而且必须P
2极低时,压强近于零;温度极高时,压强近于c,可见通常物质的压强总是正的.负压强表明这是一种新3
2物态,现在人们称之为暗能量或真空能量.一般地说,状态方程可写成P=ww
-1/3.
有趣的是,早在1917年,为了获得静态宇宙,加了一个宇宙常数(Λ).其
实,Λ就相当于w,人们仍然用Λ作
.有意思的是,根据目前的观
测数据,Λ还是与观测事实符合得最好的实例.究竟我
们今天的宇宙中暗能量占多少呢?这是需要观测来确
定的.我们知道,用Ia型超新星直接测定宇宙加速膨胀、
用微波背景辐射的功率谱测量以及从宇宙大尺度结构
研究等几方面均可以给出暗能量密度(ΩΛ=ρΛ/ρc)和包
括重子和暗物质在内的物质密度(ΩM=(ρB+ρDM)/ρc)
的观测允许范围,如图3所示[14].图中由超新星、微波背
景辐射和大尺度结构三方面的观测数据所给出的允许
范围交在一个小区域,在ΩM=0127和ΩΛ=0173处.这
个结果告诉我们两件事:1)ΩM+ΩΛ=1,即ρtotal=ρB+
ρΛ=ρDM+ρc,证明了暴胀宇宙学说关于宇宙总的物质
密度正好等于临界密度的预言是正确的,暗能量正是所
需要的宇宙的第3成分.2)确定了宇宙的3种物质成分,
它们是重子物质占4%、暗物质占23%、暗能量占73%.此Ω图3 Λ和ΩM的观测确定时,超新星观测、微波背景辐射观测和大尺度结构观测之
间均协调一致,没有矛盾.从此,宇宙学打破了矛盾百出的局面,发展成为精确宇宙学或和谐宇宙学.图中在最佳位置处附近有一个小区,是计划卫星SNAP(Supernova/AccelerationProbe)的预期精确结果.
现在,引入暗物质、暗能量和暴胀机制后,宇宙学多方面的观测研究已经可以比较好的协调一致.但是,至今暗物质粒子还没有找到,暗能量模型和暴胀机制已经提出了几十甚至上百种模型,一种也还没有取得公认.这些问题为我们提供了极好的机遇,宇宙学也许会为物理学的大发展打开一扇窗口,新的物理学革命也许就从这里开始.
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6 结语
19世纪末20世纪初,物理学家开尔文勋爵(LordKelvin)把当时的物理学比作晴朗的天空,认为当时的物理学已经很完美,将来的物理学家顶多把物理常数再测得更精确一些.不过,他还是有远见的:他在远处看到了两朵乌云,一朵是“以太”问题;一朵是“黑体谱”问题.
什么是以太?那时,人们都知道光是波,而波必须在介质中传播.但光是可以穿过真空的,因此真空中有介质,以太就是这种介质.然而,许多实验试图找到这种介质,却均没有成功.爱因斯坦摒弃了以太,从而建立了相对论.
什么是“黑体谱”问题?当时理论上遇到的主要是发散问题,普朗克引入了量子性,解决了发散问题.从而,导致了量子力学的建立.
开尔文的两朵乌云引发了20世纪物理学的两大革命:相对论和量子力学.这两大革命,导致了高科技的发展.
暗物质与暗能量是不是新世纪物理学晴朗天空中的两朵乌云?它们会不会引发新世纪物理学新的革命?这是我们正面临的深刻问题,也是千载难逢的极好机遇.勇往直前,迎接挑战吧.
参 考 文 献
[1]陆 .宇宙幼年的照片———2006年度诺贝尔物理学奖[J].物理,2007,36,185～190.
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[J].Phys.Lett.B,1982(108):389～393.
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[14]S.Perlmutter.Supernovae,DarkEnergy,andtheAcceleratingUniverse[J].Phys.Today,2003,56(4):53～60.
CosmologyisanImportantFrontierofPhysics
LUTan
(PurpleMountainObservatory,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China)
Abstract:Inthispaper,therelationbetweenastrophysicsandphysicsisdiscussedbriefly,andtherelationbetweencosmologyandphysicsismainlyfocused.ThefundamentalideaoftheBigBangCosmologyisdescribedandtwomostimportantpredictionsbythecosmologyarediscussedandquantitativelyobserved.Finally,twogreatprogresses,namelyInflationaryCosmologyandAcceleratingExpansion,arediscussed,whichmightleadtogreatbreakthroughinfundamen2talphysics.
Keywords:bigbangcosmology;primordialnucleosynthesis;cosmicmicrowavebackgroundradiation;inflationarycos2mology;acceleratingexpansion
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