宇宙如何终结?

正"有人说世界终于火,有人说它将毁于冰。"宇宙会如何终结?这不只是个哲学问题。宇宙学家们提出了种种猜测。宇宙学中的一些大问题,往往也是引发哲学家深思的问题。宇宙是什么时候开始的?怎样开始的?宇宙一直在膨胀吗?(这三个问题的答案是:大约138亿年前;一个致密炽热的点在高密度状态下迅速膨胀,即所谓的大爆炸;是的,但膨胀速度不总是相同。)但是还有一个问题我们目前还没弄明白:宇宙将如何终结?     

是的,我们发现了

<正>仰望浩渺的星空,你是否总有一个疑问:宇宙究竟从何而来?虽然宇宙大爆炸、宇宙暴胀论等关于宇宙起源的学说,在理论上已相当丰满,但是确凿的证据在哪呢?北京时间3月18日凌晨,来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布,他们发现了宇宙大爆炸后最早时期的神秘时空波纹——原初引力波。这不仅是宇宙刚刚诞生时急剧膨胀的首个直接证据,也是证明宇宙膨胀理论最有力的证据。138亿年前,宇宙发生大爆炸之后,宇宙在极短的时间内     

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…     

光子、热力学与膨胀宇宙

基于宇宙学观测以及含宇宙常数的广义相对论场方程建立的标准宇宙模型,存在着违背物理学基本规律的疑难,提示我们需要仔细审视宇宙动力学的物理基础.例如,同实物退耦后的背景黑体辐射光子数目不再随宇宙膨胀而变化,但宇宙学红移效应导致辐射温度反比于宇宙尺度下降,则背景辐射总能量也反比于宇宙尺度而不断减少,违背了热力学第一定律,损失的宇宙背景辐射能量到哪里去了?又如,宇宙常数对应的暗能量密度不随时间变化,膨胀宇宙中物质不断被创生,总能量随宇宙膨胀趋于无穷.在宇宙学中坚持能量守恒,需要限制暗物质和暗能量的基本物理性质,其中作为零质量玻色子的光子扮演着重要角色.基于爱因斯坦场方程同时又不放弃能量守恒定律的宇宙学模型,给出了和标准模型完全不同因而可以被观测证实或证伪的演化图景:暗物质同暗能量平衡状态下的匀速膨胀才是宇宙的常态,而减速或加速膨胀只是宇宙介质相变导致的瞬态过程.近期开始出现的高精度宇宙学观测结果对标准模型提出了挑战,而有利于能量守恒宇宙模型的预期.正在进行和计划中的宇宙学观测将最终判定2类模型,并且推动基本物理的发展.     

声音

正"1000亿年以后,除了我们所在的银河系,所有星系都将消散,人们看到的宇宙将空无一物。"——诺贝尔物理学奖获得者布莱恩?施密特此前,天体物理学家普遍认为,引力会使宇宙的膨胀速度逐渐减缓。而布莱恩?施密特与亚当?里斯带领的两个研究团队,分别发现宇宙膨胀的速度并非如预期一样减缓或是停     

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     

夸克-胶子等离子体的探测及首个反物质超核的发现

面对着一望无际的天空,我们曾无数次发问,宇宙有多大?它从哪里来?它是怎么产生的?这一系列的重大问题,不仅是哲学家所关心的,也是物理学家所探究的.为此,历史上曾提出了多种假设.这其中,宇宙大爆炸学说是现代宇宙学的主流学说,它认为宇宙起源于约150亿至200亿年前的一次大爆炸,之后逐渐演化、发展、膨胀,直到了我们今天这个物质世界.     

走近诺贝尔奖(十) 宇宙或将在冰冷中死去

<正>众所周知,万事万物都会有一个发生、发展和消亡的过程。那么,我们身处的宇宙会不会遵守这样的自然规律呢?宇宙的最终命运又将是怎样的呢?有人说世界将终结于熊熊烈火,也有人说它将终结于凛凛寒冰……宇宙也正处在一个"生长发育"的过程中,其表现形式是加速膨胀。最终,宇宙也将在一片冰冷之中逐渐走向死亡。来自美国的萨尔·珀尔马特、具有澳大利亚籍和美籍双重国籍的布莱恩·施密特以及另外一     

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。     

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     

宇宙产生的新分子

在实验室生成的非常复杂的化合物,其中一些相继在宇宙中发现。这些分子在宇宙的什么地方?是怎样产生的呢?根据星际分子生成反应的条件,在实验室用光谱学的方法能得到这种分子。因此,天文和化学的对话正式开始了。     

宇宙或在冰冷中死去

宇宙正在加速成长 在大约150亿年前,宇宙只是一个聚集了巨大能量和物质的小点,在某种未知条件的启动下,这个小点爆炸了,这就是“宇宙大爆炸理论”的主要内容,也是科学家对宇宙诞生的猜想.宇宙大爆炸之后,它就不断地膨胀,也就是说,宇宙就像一个生命体一样在不断地长大.在宇宙的“成长”过程中,不断地产生新的天体,一些老的天体也在不断地死去,就像是人体的细胞一样.     

确定宇宙年龄的一种新方法

天文学家一直迫切希望找到一种确定宇宙年龄的新方法。宇宙年龄——从宇宙由超密态经所谓大爆炸而产生起所经过的时间——与宇宙膨胀减慢的速度有联系。再者,这种联系将有一天告诉我们宇宙是否将永远膨胀下去(宇宙是开放的),或者宇宙最终将停止膨胀,然后经“大坍缩”收缩到原来的超密     

新的膨胀宇宙

在过去四年中,宇宙学标准大爆炸理论中某些缺陷已经导致宇宙最开初历史的一个新模型的发展。这个模型叫做新的膨胀宇宙,对于最初10~(-30)秒以后所有的时间,它与以前对观察到的宇宙所采用的描述是精确一致的。然而,对于最初这段极短的时间,情况就极其不同了。按照这个膨胀模型,宇宙经历一个短时期的异常迅速的扩张或“膨胀”,在这个膨胀中,宇宙的直径以一个比以前认为的速度或许要大10~(50)倍的因子而增加着。在这个惊人增长的喷射中,从虚无中创造出了宇宙间所有物质和能量。这个膨胀过程对现在的宇宙也有重要的意义——如果新模型是正确的,那么我们至今观察到的区域仅是整个宇宙极小的一部分。     

宇宙或在冰冷中死去

我们知道,事物一般都会有一个出现—发展—消亡的过程。那么,我们身处的宇宙会不会遵守这样的自然规律呢?2011年3位诺贝尔物理学奖得主的获奖成果告诉我们,宇宙也处在一个生长发育的过程中,其表现形式是加速膨胀。最终,宇宙也将在一片冰冷之中逐渐走向死亡。3位诺贝尔物理学奖得主分别是美国研究人员索尔·珀尔马特,有美、澳双重国籍的研究人员布莱恩·施密特以及美国研究人员亚当·里斯。     

20世纪的宇宙物理学

暗物质、Ω和最初的一微秒再过 50亿年左右 ,太阳连同我们的地球就要灭亡了。大约在同一时间 (前后可能相差 1 0亿年 )仙女座星系也要和我们的银河系相撞。但是 ,宇宙会永远膨胀下去吗 ?如果不会 ,它最终会塌缩成一个新的奇点 ,而万物都将遭受到和不小心坠入黑洞的宇航员一样的命运吗 ?问题的答案取决于无处不在的引力到底能对宇宙的膨胀产生多大的负面作用。直接计算的结果表明 ,如果宇宙的平均密度大于每立方米 5个重子 (即所谓的临界密度 ) ,那么 ,它最终将收缩成最初的状态(重子是质子和中子的总称 ,所有原子都含有重子 )。听起来 ,这个…     

宇宙新观念

几个世纪来 ,天文学家一直凝视着夜空 ,追问宇宙为什么是这样 ?为什么我们居住的空间是 3维 ,而不是 2维、 1 0维或者 2 5维 ?为什么光速是如此之快而音速是如此之慢 ?为什么原子是如此得渺小 ,而恒星又是如此得硕大 ?为什么宇宙是如此得年老 ?我们的宇宙必须是这样吗 ?或者在其他地方 (宇宙 )情况会有所不同吗 ?仅仅一个世纪前 ,人们还认为银河系就是宇宙的全部。现在天文学家知道星系不过是散落在宇宙中的尘埃 ,而且真正要理解他们可能需要一个更广阔的宇宙———多重宇宙。例如 ,宾夕法尼亚大学的宇宙学家马克斯·泰格马克 (ＭａｘＴｅｇ…     

暴涨理论或证实多重宇宙存在

不久前．天文学家监测到宇宙大爆炸后1／1045秒的时间内发生的情景：在万物伊始的短暂瞬间，宇宙开始急剧膨胀——这个理论被称为宇宙暴涨理论：根据爱因斯坦的理论，当这种爆炸性事件发生时，它会在时空织布上产生涟漪，也就是所谓的“引力波”。     

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.     

宇宙大爆炸论的大爆炸

<正>大爆炸留下的最后一点能量宇宙既包含着古往今来的时间,也包含着上下左右的空间,而我们就生活在这个宇宙之中。自启蒙之后,人类就一直在疑惑:这个宇宙究竟是什么样子的?它是从哪里来的?这些困扰了人类几千年的问题,直到20世纪初才开始有了一点儿模模糊糊的答案,那就是——宇宙是从大爆炸中来的。在138亿年前的某一个时刻,一个