宇宙学中你需要知道的五件事情

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    [图片说明]：宇宙大爆炸之后的演化过程。

    当可见的宇宙只有目前的一半的时候，物质的密度就会是现在的8倍，宇宙微波背景的温度就会是现在的2倍。当可见的宇宙只有现在的一百分之一的时候，宇宙微波背景的温度就是现在的100倍。当可见的宇宙只有现在的一亿分之一的时候，背景辐射的温度可以达到2。73亿开。此时宇宙中物质的密度将和目前地球表面空气的密度相仿。这一温度可以把宇宙中的气体完全电离成高速运动的质子和电子。

    “‘大爆炸’对于这个理论而言并不是一个非常精确的名字，”贝内特解释说“这一理论所描述的是宇宙的膨胀和冷却，而不是一次爆炸。”

    但“大爆炸”不是在空间中的一次爆炸吗？它的名字会让人联想到诸如爆竹这样的化学爆炸现象，而一旦有了这些先入为主的印象，就很难把大爆炸想象成其他东西。事实上“大爆炸”更接近物质、能量、时间以及空间自身的创生和伸展。

    “更确切地讲，‘膨胀宇宙理论’是一个更贴切的名字，因为它就是一个关于宇宙如何膨胀的理论，”wmap成员、美国普林斯顿大学的戴维斯珀格尔（davidspergel）说。

    四、“大爆炸”之前是什么？

    没人知道。也许在大爆炸之前什么都不存在，也许如美国哈佛大学的阿维洛布（aviloeb）所说，我们的宇宙“始于循环大爆炸。但是目前还没有观测数据能证实这一以及其他的假说。”使用已知的物理定律，宇宙学学家可以把宇宙反推到大爆炸之后的10-43秒，即普朗克时期，但只能到此为止。因此现在的科学无法回答这个问题。

    科学家们一直在使用两种“分立”的理论。一个是描述微观世界的量子力学，另一个是描述大尺度宇宙的广义相对论。它们在各自的领域都非常有效，但是彼此不可调和。洛布说：“我们需要一个能统一量子力学和广义相对论的理论，由此才能把宇宙反推到大爆炸的源头。”

    在几个世纪的研究之后，物理学家已经知道了四种基本作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。理论物理学家已经统一了电磁力和弱相互作用力。当宇宙的年龄只有一百亿分之一秒的时候“弱电”力分解成了现在我们看到的两种力。

    [图片说明]：大型强子对撞机。版权：lhc/cern。

    统一弱电力和强相互作用力的尝试还没成功，不过科学家们相信，在更早期的宇宙所有的基本力都是统一在一起的。但引力——到目前为止依然是相对论的领地——则是个麻烦。

    超弦理论试图统一相对论和量子力学。它认为，所有的基本粒子都是振动的能量环，被称为“弦”无论对应于一个电子还是一个顶夸克，每一种弦都具有特定的振动频率。

    超弦理论则有一个可检验的结论，被称为“超对称”它认为每种已知的基本粒子都具有不可见的伴随粒子。计划在今年底重启的欧洲核子中心的大型强子对撞机预期可以达到能用来检验超对称的能标。

    五、宇宙的外面是什么？

    就我们所知，宇宙是无限的。

    wmap的观测数据已经佐证了暴涨理论，即宇宙经历了一个超高速膨胀的阶段。因此，宇宙很可能要比我们目前所能观测到的还要大得多得多。

    这就有必要区分宇宙自身——大爆炸创生出的一切——和“可观测宇宙”——我们所能看到的一切。通过对宇宙微波背景的观测，宇宙学家已经知道宇宙的年龄为137亿年。而由于光传播的速度是有限的，地球上的观测者因此只能看到在这一时间段内传播到地球上的光。那么是不是因为我们在各个方向都能看到137亿光年远的宇宙，于是可观测宇宙的大小就是这个数值的两倍呢？

    不是。在宇宙微波背景中我们所看到的物质是在137亿年之前发出的这些辐射，但在那以后这些物质就凝聚成了星系。由于宇宙膨胀，现在这些星系距离我们大约465亿光年。这一“距离”指的是现在这些星系和我们之间的距离，而不是它们发出光线时到我们的距离。所以，可观测宇宙的“直径”大约为930亿光年。这一结论似乎违背了爱因斯坦的相对论，即光速是物体在空间中运动的极限速度。但是这并不适用于空间自身的膨胀。普适的速度极限在极端情况下会有个别的例外，宇宙的膨胀就是其中之一。

    可观测的宇宙有一个边界，科学家将其称为“视界”那么在视界外面是什么？“随着时间的流逝和宇宙的膨胀，会有越来越多的宇宙进入我们的视界，”美国空间望远镜研究所的亚当里斯（adamriess）说。他说，宇宙学家认为在我们可探测视界之外的宇宙“和我们的没什么两样”

    物理宇宙学，这一尚不足百年的科学分支，在过去的几年中取得了重大的成功。这包括了精确地限定宇宙年龄以及发现宇宙加速膨胀。不过宇宙学家们从来没有说，我们目前的宇宙模型是完整的。美国劳伦斯伯克利国家实验室的索尔珀尔马特（saulperlmutter）将大爆炸模型称为是“一个有效的假说一个取得惊人成功的初稿。”

    下一代的探测器和实验——无论是地球上的，例如大型强子对撞机，还是空间中的，例如wmap的后继者“普朗克”——将会使得科学家能有机会来检验我们目前对宇宙的认识。超对称乃至弦理论真的成立吗？到底是什么驱动了宇宙加速膨胀？

    如果说过去只是开场，那么让我们一起期待更多的“意料之外”吧。

    六、视频：旅行到宇宙边缘

    一些关键的数字宇宙正在膨胀并且冷却。根据大爆炸理论，过去的宇宙比现在的更小、密度更高。137亿年：宇宙的年龄，误差几亿年。

    930亿光年：目前可观测宇宙的大小。

    2。725开：宇宙微波背景辐射的平均温度。

    4%：宇宙中组成你、我、行星、恒星等普通物质的含量。

    22%：宇宙中暗物质的含量。它们是至今尚未被直接探测到的物质，和普通物质之间存在引力，但是不参与其他三种基本相互作用（电磁和强、弱相互作用）。

    74%：宇宙中暗能量的含量。正是它驱动着宇宙加速膨胀。但是它究竟是什么尚不为人所知。

    [astronomy2007年05月]

    来自：科学松鼠会——宇宙学中你需要知道的五件事情（lizkruesi文shea编译）