大宇宙，大困惑

假若宇宙起始于一次大爆炸,那么大爆炸以后,宇宙的膨胀方式会是怎样的呢?科学家们猜测,宇宙的膨胀应该受到引力的牵制,引力仿佛是宇宙大爆炸的"制动器",它会慢慢使宇宙的膨胀变得慢下来。为了证明这一点,科学家们需要找到证据,方法是给遥远的天体定位,并测量它们如何运动。以前,人们在宇宙中发现过一种神秘的脉动变星,名为"造父变星",这种变星的光变周期和光度之间有稳定的关系,因而可用来确定天体的距离,所以造父变星被称为宇宙的     

宇宙加速膨胀助力三位科学家荣获诺奖

十三年前,天文学家和物理学家各自发现了斯塔克效应:浩瀚宇宙就像一个巨大的充气球,正在加速膨胀。当时许多科学家都认为,星系引力一定会使宇宙扩张速度放缓。如今,两个研究小组却因其戏剧性的观测,分享了2011年度诺贝尔物理学奖。他们的发现改变了人们在天文学、宇宙学和粒     

多产的凤凰星系团

星系团是宇宙间的庞然大物,是几百至几千个星系的集合体.诸多星系被引力束缚在一起.然而,星系团也是一个宇宙之谜.炽热的气体流入这些星系团的中心,结果却在这一过程中冷却下来,这种环境应该能够创造一个多产的新恒星诞生地.但是,天文学家们发现的情况大都不是这样的.现在,科学家们发现了一个距离地球57亿光年的星系团,其中心异常活跃,正在快速地形成恒星.天文学家们称,这个特别的星系团如此多产的原因是:星系团中心气体的冷却没有被中心黑洞释放的高温射流所抵消.     

黑洞——宇宙的老饕

黑洞具有许多奇异的特性。假如有种魔法,让你乘坐宇宙飞船进入黑洞,那么,在黑船接近黑洞时,时间将会变慢,船体则将被拉伸变长。接着,飞船在被黑洞吞没之前被强大的引力撕得粉碎,当然,你也在劫难逃。这个引力有多大呢?科学家推算出,对一个质量与太阳相当大的黑洞来说,一个70千克重的人在进入黑洞底部的途中,要承受相当于地球引力10倍的巨大压力。在这种压力下,任何物体都将粉身碎骨,被最终被抛入奇点。在奇点位置,现有的科学定律都不再发挥作用。浩瀚而神秘的宇宙,处处充满着新奇和怪诞。你可曾想过,在整个宇宙上千亿个星系中,几乎每一个星系…     

无碰撞简并粒子系统的引力不稳定性

无碰撞粒子系统引力不稳定性研究的重要性源于:(1)在各种尺度的恒星系统(星系、星系团等等)中,平均碰撞时间与该系统的动力学时间相比较是很大的.故这些系统都是无碰撞系统;(2)占宇宙绝大部分质量的暗物质,极可能是宇宙早期遗留下来的大量静质量不为零的粒子(如中微子等),由于这些粒子间的相互作用很弱,都应视作无碰撞引力系统.在标准宇宙模型中,像宇宙中微子那样的暗物质粒子在宇宙早期已从热平衡中退耦,且保持着退耦前的Fermi分布形式.Weinberg首先指出了存在完全中微子简并的情况.讨论星系及宇宙大尺度结构的形成与演化,有必要研究无碰撞简并粒子系统的引力不稳定性.在应用动力学方法研究无碰撞等离子体的稳定性问题中,已建立起很多成熟的方法.虽然无碰撞引力系统与无碰撞等离子体有一定的相似性,但是它们间还是存在着一些很基本的差别:等离子体在大尺度上是中性的,可形成稳态的均匀平衡结构;而引力系统不会形成稳态的均匀平衡位形.自引力系统的这种本质上的不均匀性,使得研究这种系统的稳定性问题大为复杂化.Sweet曾指出,当扰动的波长可与系统的尺度相比拟时,这种宏观不稳定性问题的研究就变得极其困难.不过,假定自引力系统与静电的等离子体一样,可以形成一个无限大的均匀介质,这会在数学处理上     

宇宙学:从Robertson到今天

把罗伯特近(Howard Percy Robertson)对宇宙学的杰出贡献提给这次纪念讲演,对我来说是一个巨大荣誉,这感受,通过阅读罗伯特逊过去的优秀作品目录而进一步增强了。要评价罗伯特逊的工作,就必须了解其背景。爱因斯坦创立了广义相对论,它是现代的引力理论。在这理论中,引力和宇宙学都被几何化了。爱因斯坦本人想象了一个空间上封闭的、时间上独立的宇宙。弗里德曼(Alexander Friemann)找到了——或者说猜到了——爱因斯坦方程的一个非静止的宇宙解。哈勃(Edwin P.Hubble)关于遥远星系红移的发现,进一步证实了这样的观念,即宇宙通过其膨胀而进化。     

暗物质粒子平均每分钟撞击一次人体

根据几项暗物质探测项目获得的数据,平均大约1分钟就会有暗物质粒子击中人体。暗物质不同于常规物质,它们完全不可见。科学家们之所以能知道它们的存在,是因为它们会对宇宙中的星系和星系团产生引力作用。科学家们估算认为这种神秘的暗物质占到了整个宇宙中所有＂物质＂总量的80%。到目前为止,尚没有任何人能够确定地指出暗物质的组成粒子究竟是什么。     

迎接天文新时代

100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。美国科学家在2016年2月11日宣布,人类首次直接探测到了引力波。这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”。它的发现是物理学界里程碑式的重大成果。过去,宇宙以光的形式向人类传递了太多信息,而如今,引力波在时空中向我们传递着类似声音般的新信息。引力波的发现,很有可能改写物理课本,它带给科学家和人类今后无穷的想象。正如著名理论物理学家斯蒂芬.霍金所说,“人类探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。这提供了一种人们看待宇宙的全新方式！”     

关于宇宙命运的“末日猜想”

1998年以前,人们认识的宇宙是一个单纯的膨胀着的宇宙,来自大爆炸的能量使宇宙中的所有星系渐渐地远离我们。然而,科学家们在后来的研究中修改了人们对宇宙的这种看法,他们在观测遥远的超新星时发现,宇宙膨胀的方式很复杂,速度在逐渐地加快,星系似乎受到一股神秘力量的牵引而狂奔不止,那种力量延伸了时空,拉开了星系间的距离,人们称它为暗能量。它似乎就是爱因斯坦的宇宙常数。科学家认为,暗能量是使宇宙充满更多空间的力     

和LIGO一起倾听天籁之音

正100年前,爱因斯坦用广义相对论预言了引力波的存在,认为引力是弯曲时空的产物,引力波就是大质量物体相互影响时产生的时空涟漪。如今,科学家终于探测到了引力波存在的直接证据。2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家宣布发现了13亿光年之外的两个黑洞碰撞产生的引力波的信号,这个被称作GW150914的引力波是在去年9月14日被LIGO检测到的。理论上,宇宙中应该不乏引力波的痕迹。像超新星爆发、中子星超速运转、黑洞双星或双中子星旋近这些外力     

宇宙是无限的吗?

如果引力强度能象光强度那样相加起来的话,对上述问题的回答是肯定的。光和引力都以同样的方式随着距离的远近而变化,但两者之间的相同点仅止于此。牛顿早在三百年前就证明,一个位于某一球形物质中心的物体受到的引力是零。因为其中一个半球的物质产生的引力将与另一半球产生的引力相互抵销。假如宇宙的确像某些宇宙模型那样是无限的,恒星和星系都均匀地分布宇宙空间,那么,整个宇宙作用于地球的全部引力不是无限大,而是相反,即引力为零。然而,光却不能象引力那样相互抵销。来自两个光源的光波,中途相遇时其亮度将会增加。众多的光线能叠加在一起的这一事实导致了著名的“Olbers悖论。”     

前沿

正发现"暗物质加热"独特现象存在的证据科学家首次发现了一种名叫"暗物质加热"的独特现象存在的证据。这项新研究指出,暗物质(一种占宇宙中物质总量27%的隐形物质)可以被星系内部活动加热并四处移动。随着新恒星的形成,由此产生的强风会将气体与尘埃推开,使星系中央的质量向外转移,而制约暗物质的引力也会随之受到影响,向星系外部移动。该研究对附近的矮星系展开了分析,试图寻找该星系中     

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.     

虫洞

<正>广义相对论是爱因斯坦对宇宙的描述。它提供了一个叫作时间-空间(简称时空)的坐标系,所有天体都位于这个系统中。时空经常被描述成一个延伸在整个宇宙中的连续结构。当你在时空中移动时,就是在时间和空间里都移动。天体扭曲这一结构,尽管这种扭曲对我们来说几乎不可见,它却创造引力,使光线偏转。虫洞是穿越时空的隧道。可以把它们视为在空间     

视野

科学家找到了"上帝粒子"在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机工作的两个独立团队的科学家,2012年7月4日分别宣布了同样的结果:他们99%地相信自己发现了希格斯玻色子(所谓的"上帝粒子")。这种科学家寻找已久的粒子,或许能通过解释我们宇宙中的物体为什么会拥有质量(因而星系、行星甚至人才有了存在的权利),从而使得粒子物理标准模型变得完整。上述发现被认为是"一座具有历史意义的里程碑",但要最终证实     

D-维时空中的三次量子化

自Hartle和Hawking.Vilenkin在量子引力的框架中探讨宇宙的量子创生以来,量宇宙学已经历了3个发展阶段:(1)单个宇宙的量子理论,(2)Wormholes的机制及空间的拓变化,(3)多宇宙体系的量子理论,3次量子化-即宇宙量子场论.显然,研究这个时(≈10~(-43)S)宇宙的性质对我们完整地认识宇宙是十分重要的.     

几种主要的宇宙学模型

尽管研究宇宙整体的结构、运动和演化是自古以来人类最关心的课题之一,但是直到正确的引力理论建立以前,获得科学的宇宙理论是不可能的.牛顿的引力理论在研究一般天体运行的问题上是强有力的,并且与观察符合得相当好.但在考虑宇宙学问题时却出现了许多不可克服的困难.爱因斯坦的广义相对论是更完善的引力理论,1917年他的著名论文《用广义相对论对整个宇宙的考察》通常被认为是近代宇宙学在理论上的先声.在该文中他第一次提出了有限无边的宇宙模型,向传统的时空观提出了挑战.在广义相对论的影响下,许多其他的引力理论纷纷被提出,并出现了各式各样的宇宙模型。1929年,哈勃(Hubble)发现了星系的视星等与     

11个物理难题牵涉的11种基本粒子

什么是暗物质?什么是引力?为什么宇宙如此平滑?这些谜题中每一个都含有一种粒子。在上世纪30年代末,诺贝尔奖得主伊西多.拉比(Isidor Rabi)得知发现了较重的电子,他为此问道"是什么原因造成的?"在过去的四分之三个世纪里,他曾多次重复这个问题。我们现在知道,困扰拉比的μ子是仅依照其质量不同而分的三个类电子的粒子家族之一。     

2002年度诺贝尔奖获得者简介

诺贝尔物理学奖 美国科学家戴维斯(R.Davis Jr)和日本科学家小柴昌俊,因在天体物理学领域尤其是对宇宙中微子探测的开创性贡献而共享2002年度诺贝尔物理学奖的一半;此项奖的另一半奖给了意大利科学家贾科尼(R.Giacconi),表彰他在天体物理学领域中因发现宇宙X射线源所做出的卓越贡献.他们的工作为科学家观测宇宙打开了两扇新的"窗口".     

反引力机

自从艾萨克·牛顿看见苹果落地,突发奇想证实万有引力理论以来,人们一直幻想能有一种反引力装置。自从人类进入太空时代,由于航天器所携燃料有限,一直无法使航天器飞离我们的太阳系。科学家希望有朝一日能发明一种反引力机,可以利用宇宙中各恒星与行星之间引力,使宇宙飞船不靠任何燃料就能遨游太空。 这乍听起来有点儿像天方夜谭,但不久前,在美国俄亥俄州克利夫兰,NASA的一所研究中心就真