宇宙环境新认知——有关2019年度诺贝尔物理学奖的理解

<正>2019年度诺贝尔物理学奖同时授予了系外行星和宇宙学领域,以表彰天文学家米歇尔·梅耶(Michel Mayor)与迪迪尔·奎罗兹(Didier Queloz)在系外行星发现上做出的突出贡献,以及理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)从理论角度为现代宇宙学物理体系的建立做出的杰出贡献.诺贝尔奖委员会给出的理由是"为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的贡献",以他们3人为代表的科学家们为人类在现代科学的框架下重新认识自身与宇宙的关系提供了重要思路.一方面,让人类重新思考我们所生活的这个星球在宇宙中是否是独一无二的,对探索系外宜居星球和寻找外星生命非常重要;另一方面,使     

粒子与宇宙

宇宙学是研究宇宙整体的性质、结构、运动和演化的科学。人类研究物质世界,向大的方面开拓,这就是宇宙学;向小的方向深钻,这就是粒子物理学。近年来的进展表明,这两个似乎是南辕北辙的学科竟     

大宇宙

还在远古,当古希腊罗马的哲学家提出最早的"宇宙系统"时,研究宇宙学的问题就已使学者们踌躇不安.宇宙概念的含义随着科学发展而变化.哥白尼(Коперник)和开普勒(Кеплер)的宇宙,实际上并未超出太阳系的范围.这个范围内的恒星,是处在"由冰和晶体"组成的、按现代宇宙尺度来说半径是极小的天球之中.研究所及的宇宙部分的边界不断在扩大.在18世纪和19世纪的交合点上,多亏赫歇尔(Гершель)的研究方出现了总星系的图景,这是一     

宇宙的起源—大爆炸宇宙学介绍

关于宇宙起源,历史上曾经出现过各种各样的想象和神话传说。但宇宙的起源本身却是一个科学问题。20世纪以来,人们在宇宙观测中取得了越来越多的重大发现,从而逐渐建立起大爆炸宇宙学模型。大爆炸宇宙学模型的背景20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离人们而去。1929年哈勃把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来,得出了     

点击

<正>制造太空探测器寻找宇宙引力波根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙引力波是由大质量天体的合并、碰撞等事件形成的,它如同时空中的涟漪,对人类探索宇宙有着极其重要的意义。而要寻找它们,就需要精密探测器的支持。目前,欧洲空间局正在全力打造LISA"探路者"引力波探测器,这也是今年宇宙学研究领域的一个重要事件。     

大陆科学钻探与中国科学深钻工程

人类在赖以生存的地球上已经历了无数个春秋.长期以来,人们就试图通过各种方法对地球进行探测,但是,由于坚硬地壳岩石的阻隔,迄今为止,人类对地球内部仍然所知甚少.随着航天技术的发展人类开辟了通往宇宙星际的大门,一个与之相呼应的"入地"计划应运而生,这就是直接观测地球陆壳的"大陆科学钻探".作为"深入地球内部的望远镜",大陆科学深钻是当代地球科学具有划时代意义的大型科学工程,也是解决当前人类面临的资源、灾害、环境三大问题的重要途径之一.     

美哉物理(十五)宇宙演化探索的科学意义

倘若把广义相对论喻作由许多宝石镶嵌成的漂亮皇冠,那末这皇冠折射出的闪烁光芒就幻化为现代宇宙学的一轮又一轮美丽光环,令人目眩神驰。玻恩言道:“广义相对论的重要性见诸于:它在宇宙学里掀起了一场革命。”这场革命导致相对论宇宙观“深入人类思想的基本概念结构”;当然,此观念是相对论时空观的延续和拓宽。科学家对宇宙整体时空结构和宇宙演化的八、九十年探索,为现代宇宙学注入了丰富的真理素养和臻美意念,使其具有深厚的科学意义,并成为当代科技最具魅力、最有发展前途的前沿领域之一。茫茫玉宇谁主沉浮宇宙是个神秘的研究对象。任何…     

宇宙加速膨胀的射电直接测量研究获得重要进展

<正>最近,北京师范大学天文系张同杰宇宙学团队基于宇宙学中Sandage-Loeb效应也称Redshift Drift原理,提出了第一个宇宙加速膨胀的射电直接测量方法.传统方法是通过距离观测并且基于宇宙学哥白尼原理和爱因斯坦方程来测量宇宙加速膨胀,这是一种间接方法.新提出的方法是一种与宇宙学模型无关的直接测量方法.该研究工作于2014年7月25日在Physical Review Letters杂志上发表.20世纪20年代美国天文学家Hubble发现宇宙在膨胀,并根据当时少量的观测数据总结得出著名的Hubble定律,因此爱因斯坦也为自己构造了一个静止的宇宙而后悔不已.根据Hubble定律,通过观测河外星系的红移可以测量星系的退行速度,基本相当于宇宙整体膨胀的速度.既然宇宙在膨胀,那么宇宙膨胀是加速的还是减速的,如何测量宇     

编后

在整个人类文明中,最令人着迷的问题大概要算宇宙的创生了.宇宙学很象考古学,考古学家根据大量化石和零星的“遗迹”复制出人类远古时代的模型,宇宙学家则致力于探寻宇宙早期自然过程所留下的“遗迹”,并以此推断出宇宙早期结构.那么宇宙创     

WMAP将要告诉我们什么?--谈人类对宇宙演化的探索

我们的宇宙是何时开始、如何开始、为何开始的 ?它又将如何变化 ?它的最终命运又将如何 ?这是任何一个有好奇心的孩子都会问的问题 ;而对宇宙学家来说 ,对宇宙起源及最终命运的探索却既是一个十分古老的话题 ,又是一个非常热门的前沿问题。爱因斯坦在 2 0世纪的头 2 0年中奠定了我们将宇宙作为一个整体来认识的基础。 2 0世纪 2 0年代 ,美国天文学家哈勃通过对遥远星系光谱线特征的研究 ,证实了宇宙在膨胀。之后 ,宇宙学家们构造了各种宇宙学模型 ,做出各种预言。而模型与真实宇宙之间的相容性必须由观测来检验 ,正是现在WMAP (微波各向异…     

宙学新进展

20世纪初的1901年,第一次诺贝尔物理学奖授予X射线的发现者以来,物理学已有了很大的发展。从物质的终极夸克到宇宙的尽头,科学家在不断地努力进行探索。 诺贝尔奖级宇宙学 不久前,现代宇宙学的进展使人们以为似乎终可解开宇宙起源之谜了。其主角是基本粒子的大统一理论。那么其后它的进展状况如何?诺贝尔奖级的大发现现在又在何处呢? 据有关专家讲,80年代,基本粒子宇宙学没什么进展,90年代的宇宙学则转换成更重实证的观测。 虽说都一概称做宇宙学,当前却有三大不同类型的研究。①对150亿光年这一宇宙可见范围的天体进行观测;②对宇宙可见限度内的波动的     

宇宙学新贵——暗能量

“绝境之中须用奇招” (Desperatetimesevidentlycallfordesperatemeasures) ,这是英国著名物理学家、剑桥大学教授吉邦斯 (G W Gibbons)在一篇关于新近宇宙学发展的论文中的精彩评述。自从 2 0世纪 90年代以来 ,随着技术的突飞猛进 ,人类对宇宙的探索达到了前所未有的水平。以哈勃太空望远镜为代表的新一代卫星探测器的发射 ,使人类第一次能够清晰的窥测宇宙深处的奥秘。同时 ,这种对宇宙的深入认识 ,也对传统的观念提出了强烈的挑战。上个世纪的最后几年里 ,在宇宙学中发生的一系列重大的发现 ,完全可以与哈勃在上个世纪初发现星系的退…     

宇宙如何起源?

热大爆炸宇宙学取得巨大的成功,它所预言的哈勃定律、宇宙微波背景辐射和轻元素丰度等都得到了观测的广泛证实.但是热大爆炸宇宙理论自身有着无法解释的疑难问题,比如宇宙空间平坦性问题、视界问题等.为了解决热大爆炸宇宙学的诸多疑难问题,一个最简单经济的方案是在宇宙热大爆炸前发生一段由真空能推动的宇宙近指数膨胀的宇宙演化过程,即宇宙暴胀.事实上,发生在宇宙极早期的暴胀过程不仅可以合理地解释所有这些热大爆炸宇宙学中的疑难问题,而且起源于暴胀期间的量子扰动自然地提供了宇宙晚期结构形成所需的原初密度涨落.反过来,探测宇宙微波背景辐射微小的各向异性和宇宙结构成了探索早期宇宙暴胀物理过程的关键手段.尽管现有的大量宇宙学观测强有力地支持暴胀宇宙学,然而当前在宇宙大尺度上似乎依然存在一些偏离标准暴胀宇宙学预言的迹象,这些迹象可能暗示宇宙在极早期暴胀前还经历了一段收缩过程.     

Kaluza-Klein宇宙中熵的产生

近年来,Kaluza-Klein理论用于讨论早期宇宙问题已取得不少进展,产生了所谓K-K宇宙模型。1984年Sahdev和Abbott等对K-K宇宙的暴胀(Inflation)方案进行了讨论。暴胀方案为解决宇宙学疑难问题提供了有希望的途径。然而,K-K宇宙模型在解释宇宙     

挑战物理学的暗宇宙--现代宇宙学世纪回眸

继“宇宙加速膨胀”当选为美国《科学》周刊1998年最大爆炸性新闻之后，“暗宇宙”又摘取了该刊2003年十大科学成就的桂冠。为什么说宇宙是“黑暗的”?什么是暗物质和暗能量?它与人们熟知的灿烂星河有何关系?人们是怎么知道它们的存在的?要弄清这些问题，需回顾20世纪初以来近百年的现代宇宙学史。     

宇宙重加热产生的随机引力波背景

正2015年9月14日,人类首次直接探测到了致密双星并合产生的引力波,验证了广义相对论在100年前对引力波的预言,打开了人类认识宇宙的一扇崭新的窗口,也拉开了引力波天文学和引力波宇宙学的序幕~[1].除了致密双星并合系统外,宇宙早期发生的暴胀也能产生引力波,这类随机引力波称为原初引力波.暴胀理论预言的原初引力波在揭示宇宙的物理起源中扮演着重要的角色.无论在暴胀过程中还是在暴胀结束后的重加热阶段产生的原初引力     

宇宙幽灵——暗能量

奇特的暗能量 或许很多人都知道暗能量,虽然它是20世纪末的产物,但它的神奇性足以比得上"外星人存在"这个话题,以至于许多科学爱好者都知道"暗能量"这个宇宙学概念.它虽然看不见摸不着,如同幽灵一般,但是通过天文学家的观测,我们会在理论研究中发现它们的存在. 在科学研究中,宇宙成分被分为3大块.我们平时所见到的物质,像气体、固体、液体等可以直接观察到的东西,其质量仅仅占整个宇宙的4％,暗能量占据74％,暗物质占据22％.目前,人类对暗物质、暗能量的研究还只是皮毛,原因在于暗物质存在于人类已知的物质之外,不与光子产生任何反应,更不与人类所已知的物质发生任何碰撞.     

宇宙是唯一的吗?

宇宙是唯一的吗?本文介绍近年来宇宙学和量子力学中的"多重宇宙"概念.在暴胀宇宙中,可产生巨大数量的时空区域,这些区域不仅彼此脱离因果联系,且其中所展现的物理有效理论也可能是不同的.根据量子力学中的多世界诠释,世界在每次量子测量时根据其不同结果而分裂为不同的、各自独立演化的分支,至于这些分支是否"真实存在"取决于对"存在"的理解,因而更多的是个哲学而非科学问题.由于多重宇宙的概念很难被实验或观测所检验,因此它是否是一个科学上有意义的概念也是一个有争论的问题.     

现代宇宙学和中国传统文化

宇宙学是一门很古老的学科,从古代开始就有人对宇宙产生兴趣,开始进行研究,在这个意义上可以说那时就有了宇宙学这门学科.但是现代宇宙学与古代宇宙学的根本不同之处在于前者是科学,而后者仅是建立在臆猜和某种主观思辩上的玄学.在宇宙学研究的问题,很重要的一类问题就是研究各种事物的起源,例如,地球的起源、太阳的起源、银河的起源等等,而且还进一步研究更基本的事物的起源,如化学元素、粒子等的起源,还有就是这些事物从无到有的过程,因此也就必然提出最基本的问题要求解答:时间、空间是不是也有一个起源问题呢?我们生于斯、长于斯、灭于斯的整个宇宙是否也有一个起源呢?从某种意义     

展示科学理性的长卷:读《从哥白尼到牛顿:日心学说的确立》

正16—17世纪在欧洲发生了一场科学革命,这是科学史上第一例革命。它是对古希腊和中世纪科学的一场革命,为尔后现代意义上的科学发展奠定了基础,成为科学史上的一座丰碑。从学科层面来看,这场革命由天文学、化学、力学和生理学革命汇合而成。其中,"日心学说"的天文学革命率先揭开了革命的帷幕,推翻了此前统治人类思想长达1800多年的"地心学说",从根本上改变了人类对宇宙结构的看法.哥白尼、开普勒、