关于宇宙膨胀率的世纪难题!科学家计算无数次却束手无策!

2019-11-08 23:57    来源:万物科学与人类

宇宙膨胀率的诞生

20世纪20年代,著名的天文学家埃德温·哈勃发现了一件在科学历史上绝对具有开创性的事情,这在人类历史上是前所未有的。他发现我们的宇宙不是静止的,它是活的,它是动态的,它在变化,而且它随着时间在进化,最后他得出了一个惊人的结论:整个宇宙一直在不断膨胀的变化中。

换句话说,我们的宇宙每一秒都在变化,它在过去是不同的,将来也将是不同的。这种差异是由于扩张造成的。随着时间的推移,星系离我们越来越远,彼此也越来越远。我们生活在一个膨胀的宇宙中,从宇宙大爆炸开始,整个宇宙在不断膨胀,星系彼此之间的分离运动也是膨胀的一部份,而不是由于任何斥力的作用。但是它的扩张到底有多快呢?天文学家们正在努力寻找这个答案,但是不同的技术或者思路得出了不同的结果,而解决这个问题的方法可能会以全新的物理形式出现。但一个事实就是“宇宙膨胀率”这道世纪难题始终困扰着现在的科学家!即便计算无数次,到现在仍然却束手无策!

从广义相对论中理解宇宙膨胀率

为什么宇宙膨胀率会这么难确定呢?首先我们通过爱因斯坦的广义相对论来理解宇宙的膨胀。这也是我们理解上述宇宙中所有引力相互作用的方式。爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用,它是一种描写物质间引力相互作用的理论,广义相对论适用于包括非惯性系在内的一切参考系,它的时空背景是弯曲的黎曼时空。广义相对论把你在空间中拥有的东西的数量和种类与那个空间的变形联系起来,随后它产生了弯曲、折叠空间的表象。然后这些时空几何结构的变化告诉了我们所有的东西都在运动。

由于宇宙是由物质构成的,因此它受到广义相对论的约束。同理,在大尺度上的物质数量和种类可以反映出时空如何在同样的大尺度上弯曲,而时空的弯曲告诉所有物质如何移动。所以宇宙的成分会影响膨胀率。实际上在宇宙历史的不同时期有着不同的组成部分,宇宙是由很多东西组成的,比如普通物质、辐射、暗物质和暗能量。在过去的138亿年里,其中一些成分占据了主导地位,科学家猜测它们是影响那个特定时期膨胀率的关键因素。

广义相对论的表达式:R_uv-1/2×R×g_uv=κ×T_uv。有兴趣的朋友可以去网上查阅更详细的资料加以理解。

而广义相对论的方程给了我们一种线索让我们从宇宙时间的某一时刻的成分探索到到当时的膨胀率,反之亦然,让我们从当时的膨胀率探索到宇宙成分。这就是这个方程的神奇之处:它们在等号的两个方向上互相运动。这意味着宇宙学家可以直接测量膨胀率,或者直接测量成分并计算膨胀率。

宇宙成分的测量:宇宙微波背景

那么问题又来了:宇宙成分要怎么测量呢?科学家曾表示测量宇宙成分最好的工具之一是宇宙微波背景。这是宇宙38万年前的残留辐射。这是一幅真实的宇宙“婴儿”画像。那束光很久以前就开始了漫长的旅程了,它一直在太空中航行,直到它被我们的探测器所观测到,比如欧洲的普朗克卫星,几年前它非常精确地测量了宇宙微波背景。

从这幅图中,我们可以精确地测量宇宙的成分。多少正常物质,多少暗物质,多少中微子,多少辐射等等。有了这些成分在手,我们就可以把它们代入广义相对论,告诉我们宇宙的一些动作和行为。然后我们可以把时间往前拨,从宇宙微波背景辐射的发射,穿越138亿年的历史,直到今天,并预测现在的膨胀率。

宇宙微波背景的好处是它是一个非常干净的数据集,并且有丰富的观测数据,这是一个非常有价值的线索。虽然它给了我们一个非常精确的宇宙早期时期的图像,但我们必须使用模型来与预测和理解宇宙长大是什么样子的。这种方法被大多数的科学家所接受,所以它给出的今天膨胀率的数字理论上应该是非常准确的。但遗憾的是它也与其他测量不一致,这是一个令科学家头疼的问题。

通过1A型超新星测量膨胀率

科学家还有一种方法可以直接测量膨胀率,那就是通过1A型超新星来测量,这是一种宇宙中灾难性的爆炸。首先,1A型超新星非常明亮,我们可以在数十亿光年之外就可以观测它们。其次,它们并不罕见,所以我们可以看到它们很频繁地出现。第三,我们有办法估算它们的真实亮度,我们可以把它与我们在天空中看到的亮度进行比较,然后用它来计算距离。最后,通过观察超新星所在星系的红移,我们可以建立距离和远离我们的速度之间的关系。这就是膨胀率,也就是哈勃常数。

超新星测量的优点是跳过了广义相对论的所有繁琐的过程,直接测量我们所需要的的东西,简单理解为:超新星测量是直接拿尺子测量物体的长度,而广义相对论是通过大量的计算得出它的长度,所以超新星测量比较简单粗暴。虽然1A型超新星可以比较直接地提供测量数据,但它们并不完美。它们并不像我们希望的那样标准和可靠,这意味着我们仍然需要大量的观测才能准确计算出它们的距离。

到现在为止,科学家用尽了一切方法测量,但是他们得到的数字始终比宇宙微波背景辐射预测的数字要高。虽然差距不大,仅仅只有几个百分点,但是科学是严谨地,更何况是在一个超级庞大的宇宙尺度上研究,因此把这些误差放大来看仍然大得惊人。

早前年间宇宙学家以前就遇到过这种棘手的问题,在80年代和90年代,一些天文学家预测哈勃的膨胀是其他预测的两倍。随着我们对宇宙的了解越来越多,这些离谱的的数字开始下降,而一些预测过低地的数字开始上升,最后它们逐渐靠近,但是仍然不是精确值。而且科学家不得不承认将来会有更多的数据产生,但是谁也不知道什么时候才能得到最终的一个值,也许是明天,也许是永远。

到如今,广义相对论本身是相当完美的,特别是最近由一颗中子星合并的基洛诺娃(kilonova)所提供的数据,几乎粉碎了一切想要推翻或者爱因斯坦的理论。这意味着我们必须研究宇宙中的成分,而不是配方本身,来找出罪魁祸首,这里的一个关键未知因素就是暗能量的本质。

暗能量

当宇宙微波背景辐射产生的时候,暗能量可能就已经存在,但是科学家猜测当时它并没有足够的存在来影响宇宙的发展,直到今天它已经成为了宇宙的中坚力量,统治着我们的宇宙并加速我们的扩张。如果我们假设暗能量一直都是一样恒定不变的,那么我们就得到了我们所观察到的差异原因。如果暗能量的性质随时间变化,那么我们就可以解释测量的不同。但是一旦我们这样做,预测模型变得更加不确定,当然我们也没有足够的证据来证明暗能量。

确实,这是一件有点可笑的事情,但是这是事实。那就是我们根本不知道暗能量是什么,更遑论我们会知道它是否真的随着时间而改变。在这种情况下,我们能做的只有或者必须超越我们目前对基础物理的理解。我们不得不再继续摸索几十年甚至上班,可能才会触及到它的门槛!无论如何,时间会告诉我们答案!