今年春節(jié),，科幻片《流浪地球2》火爆了所有人的朋友圈。身邊無數(shù)看過這部電影的朋友都大呼過癮,、震撼,！截至目前，其總票房已超過30億,。優(yōu)秀科幻巨制,，破紀錄的票房背后，是人們對燦爛星空,、浩瀚宇宙的好奇與敬畏,。2023年1月，混沌文理院第四期第五模塊“現(xiàn)代宇宙學與宇宙未知之謎”在古城長沙開課,。中國科學院國家天文臺研究員陳學雷老師帶領同學們一起“仰望星空”,，探究宇宙背后那鮮為人知的暗能量，解答了同學們對宇宙學問題的重重疑惑,。本文選取了課程中第2講的前兩個小節(jié)的小部分內容,，回答了“什么是暗物質”和“什么是暗能量”這兩個宇宙學中的核心問題。混沌文理院為混沌旗下文理教育品牌,，今年已經(jīng)第五年,。我們致力于邀請國內著名教授、學者,，為學員提供涵蓋哲學與世界,、生物與宇宙、藝術與美學,、認知與系統(tǒng),、政治與法律、思想與文化等板塊的專業(yè)文理教育,。文理院五期正在招生,。
宇宙還有95%是未知的我有一個天文學家的同事寫了本書,，這本書的書名很有意思,，《一想到還有95%的問題留給人類，我就放心了》。宇宙中70%多是一種東西叫做暗能量,，20%多是另外一種東西叫暗物質,，4.8%是我們熟悉的諸如原子、分子這些普通物質,。也就是說,，宇宙中95%都是我們不知道的暗物質和暗能量。所以,，你可以說我們很了解宇宙,，也可以說我們很不了解宇宙，95%的宇宙是不知道的,。要是都已知的話,，我們就要失業(yè)了，還有95%是未知的,，還可以繼續(xù)研究下去,。
我們是如何知道有暗物質的？宇宙中20%多是暗物質,，我們是怎么知道有暗物質的,？關于這個問題，歷史上有一個成功的先例,，就是海王星的發(fā)現(xiàn),。牛頓提出了萬有引力定律以后，天文學家進行觀測,，當時人們認為太陽系有六顆行星,，就是水星、金星,，地球,、火星、木星,、土星,。有了望遠鏡以后,，一位英國天文學家叫赫歇爾,，他在觀測當中意外地發(fā)現(xiàn)了一顆新的行星，也就是天王星,。在發(fā)現(xiàn)了天王星以后,，大家繼續(xù)觀測它的運行，發(fā)現(xiàn)天王星運行的狀態(tài)跟牛頓理論的預測是不一樣的,，那是不是牛頓理論錯了,？當時有兩位學者，一位是英國學者亞當斯,，另一位是法國學者勒維耶,，他們兩個都是做數(shù)學研究的,。他們認為并不是牛頓理論錯了，而是還有一顆我們不知道的行星在它附近運行,，這顆不知道的行星干擾了它的軌道,，所以導致觀測到的軌道和牛頓的理論不一致。這兩位都是數(shù)學方面很強的人,，他們各自進行了計算,，各自獨立做了研究，預測有一顆未知的行星在那里,。亞當斯預測完就給當時的英國皇家天文臺臺長寫信,，他說在什么地方應該有個東西，你去觀測一下,。英國皇家天文臺的天文學家不太相信他說的,，沒有理睬他。勒維耶也給德國一個叫蓋爾的寫了信,，他們相信了他,，去觀測了一下，結果真的就在那個預測的地方發(fā)現(xiàn)了一顆行星,，這顆行星后來就被命名為海王星,。我們一開始不知道有海王星，但是海王星的引力被探測到了,，科學家就預測那里有東西,，結果真的成功了。所以海王星在當時來說就是一種暗物質,，因為海王星其實有反光,，但是它反光不太強，所以人們一開始并不知道,。這是一個通過引力來發(fā)現(xiàn)未知物質的先例,。雖然我們還不知道暗物質在哪兒，但是我們可以根據(jù)它的引力效應推測它的存在,。
地球可以去流浪,。暗物質的發(fā)現(xiàn)者，也是第一個設想流浪地球的人,。現(xiàn)代暗物質最早的發(fā)現(xiàn)者是茨威基,，他是一個有各種奇思妙想的人。最近很多人去電影院看了《流浪地球Ⅱ》,，帶著地球去流浪,，大家都以為是劉慈欣腦洞大開，實際上最早想到地球可以流浪的是茨威基。他曾經(jīng)想過,，太陽變成紅巨星的時候怎么辦,，他就想到了流浪，地球可以流浪,，可以跑到別處去,。他在觀測星系團以后測量出星系團里有很多星系，星系都在快速地運動,，它為什么能夠快速運動而不飛散,？肯定是星系團當中有物質在吸引它，把它吸引住了,，我們可以根據(jù)它運動的速度推算出有多少物質,，如果物質太少引力不足以束縛它，它就跑散了,。星系團里有哪些星系,，每一個星系有多亮，如果我們假定這些星系里的恒星都跟我們太陽系周圍的恒星差不多的話,，我們就可以推算出它們有多少質量,。茨威基做了測量以后發(fā)現(xiàn)差得非常遠，差了幾十倍到幾百倍,，所以他認為星系團當中是存在著大量的不發(fā)光物質,，他就給這種物質起了個名字叫暗物質。當然,，最早他是針對一個星系團來研究得到的結果,，也就是說當時就測了這一個星系團，但是后來我們也看到很多星系團都是這個樣子,。 F.Zwicky 星系團 雖然茨威基發(fā)現(xiàn)了這一點,，但是在很長一段時間被忽略了，因為天文里頭各種不好解釋的現(xiàn)象很多,，當時這只是一個孤例,，說明不了什么問題。
引力透鏡效應：暗物質存在的又一證據(jù)一個更直接的證據(jù)是引力透鏡效應,，哈勃望遠鏡拍攝的一個星系團阿貝爾2218,，在星系團里可以看到有很多星系，但是除了這些星系以外還有很多一道一道的光弧,。光弧的出現(xiàn)不是因為哈勃望遠鏡的透鏡有問題,，光弧的產(chǎn)生是因為離得很遠的星系產(chǎn)生一個引力透鏡效應，光在傳播的過程中,，星系團的引力作用發(fā)生了偏折，所以星系團的作用就像光學系統(tǒng)當中的一個透鏡的效應，這樣的話我們就能看到這些呈出來的多個像或者光弧,。根據(jù)這些光弧,，我們可以推算星系團體的質量有多少，結果發(fā)現(xiàn)質量遠遠多于我們看到的物質,。
暗物質是什么,？誰都搞不清楚根據(jù)現(xiàn)在的粒子物理，物質的組成成分有哪些,？有一類叫夸克,，像原子核里邊，實際上是有一些叫夸克的東西組成的,；還有一類叫做輕子,，輕子里大家比較熟悉的是電子，除了電子以外還有u子和T子,，然后每一個粒子還對應了一個中微子,，就是e電子中微子、u子中微子和T子中微子,，通常我們觀測到的物質就是這些,。除了這些通常的物質以外，還有傳遞力的一些特殊的粒子,，比如我們最熟悉的就是光子,，光子是傳遞電磁相互作用力的，是規(guī)范波色子,；傳遞夸克之間相互作用的叫交子,；傳遞中微子和電子之間弱相互作用的叫做W玻色子和Z玻色子；大概10年前又發(fā)現(xiàn)了最后一種叫希格斯的粒子,，希格斯玻色子,。以上就是現(xiàn)在標準的粒子物理模型所知道的所有粒子。暗物質是其中哪一種粒子,？現(xiàn)在的結論是都不是,，哪一種都不滿足暗物質的性質。首先我們看暗物質是不是不發(fā)光的普通物質,。其實有很多普通物質在一些形態(tài)下是不發(fā)光的,，比如煤袋星云，它是個暗云,，襯在背景上,，實際上是由一些塵埃組成的，它不發(fā)光,。但是我們去找了很多也沒找到,，而且更關鍵的是根據(jù)大爆炸理論,，如果有更多的普通物質的話，它形成的氫和氦的數(shù)量跟我們現(xiàn)在預測的就不一樣了,，這樣就會導致它形成的氦的數(shù)量要更多,，氫的同位素氘的數(shù)量要更少，所以跟觀測圖不一致,。另外微波背景輻射那個功率譜也會跟現(xiàn)在測量到的不一致,，所以基本可以把可能性排除了。在標準模型里,，本來最有希望的是中微子,。中微子是不帶電的，只參與弱相互作用,，所以很難探測,，中微子可以輕松穿過太陽、穿過地球,，我們都探測不到,，從這個角度來說好像它可以作為暗物質。早期確實有一位蘇聯(lián)科學家提出了這種設想,，他也是蘇聯(lián)核彈的主要設計者之一,，他提出暗物質是中微子。如果中微子是暗物質的話會發(fā)生什么,？宇宙學家進行了預測：由于中微子質量比較小,，它會快速地運轉，在宇宙早期如果有大量中微子存在,，形成物質,，形成星系，會先形成一些叫熱暗物質的東西,。因為早期的時候運動得太快,，所以管它叫熱暗物質，它會把小尺度的這些漲落給抹平,，最后形成的就是特別大質量的一些星系團,，然后星系團再散裂成星系。反之,，就是實際上我們看到的,，正好與它相反的冷暗物質。冷暗物質就是物質運動得很慢,，質量很大,，會先形成小的星系，然后再形成大的星系,。介于兩者之間的是溫暗物質?，F(xiàn)在的觀測就是冷暗物質和溫暗物質還可以,，熱暗物質在1980年代的時候就被觀測排除掉了。
所以我們不知道暗物質是什么,，但是我們已經(jīng)知道有些東西肯定不是,，像普通物質和中微子,，這樣一來就把標準模型里穩(wěn)定的物質都排除掉了,。
宇宙的主要成分——暗能量大家關心的一個更大的問題,，就是占宇宙75%的暗能量,，我們更不知道它是什么了。暗能量是在1998年才真正被發(fā)現(xiàn)的,，之前大家不知道有這個東西,。暗能量的發(fā)現(xiàn)源于對超新星的觀測。通常來說,，像太陽這樣的恒星演化到最后就變成紅巨星,、白矮星、行星狀星云,，但質量較大的恒星最后不是這樣,，它最后會發(fā)生爆炸，變成超新星,；還有一種超新星,，像太陽這種小質量的恒星演化到最后會形成白矮星，如果單純就是一顆白矮星,，它就留在那兒了,，也沒有什么。但是實際上我們發(fā)現(xiàn)恒星往往是成對出現(xiàn)的,，兩顆恒星在一起形成一個雙星,，其中一顆會先變成白矮星，另一顆還沒有,，變成白矮星以后它會把另一顆星的物質給吸過來,，吸過來以后物質就落到白矮星上堆積起來，堆積到一定數(shù)量壓力增大到一定程度,，白矮星吃不消了,，就會發(fā)生爆炸，這是另一種超新星,。這個承受不了的程度叫做錢德拉塞卡極限,，這是一個固定的量。尋找超新星非常難,，1998年有兩個團隊都在尋找超新星,，他們的辦法是對著一塊天空盲拍,，然后過一個月再拍一張照片。他們把一小塊圖片放大,，對比三個星期前和三個星期后的圖片,，發(fā)現(xiàn)有的地方稍微變亮了一點。找到這種異常的現(xiàn)象以后,，再用望遠鏡進一步觀測,，就能看到這顆超新星，他們當時找了40幾顆超新星,。觀測的結果和預測產(chǎn)生了很大偏差,，所以當時他們對得到的結果也不太相信，認為自己搞錯了,，他們也不知道對手得到什么結果,，所以當時非常緊張，最后這兩個團隊都一點一點公布了結果,，這導致人們無法判斷到底是誰先公布的結論,，最后諾貝爾獎就頒給了他們兩個團隊，承認他們都做了貢獻,。他們的觀測結果是一致的,，就是發(fā)現(xiàn)確實宇宙當中有這種暗能量。
為什么叫暗能量,？暗能量其實也是一種物質,，只是它的特點和普通的物質不一樣，普通物質或暗物質,，都是產(chǎn)生萬有引力的,，也可以說普通物質是使時空朝一個方向奔去的，暗能量是使時空朝另一個方向奔去,，抵消萬有引力的,，也可以說是反引力或者斥力。愛因斯坦當年引入了一個叫宇宙學常數(shù)的東西,，如果普通的東西是使時空朝一個方向彎曲,，假如有一個東西能夠把它給拽平了，往上拉起來,，跟普通的東西是正好反著的,，那宇宙不就可以靜止了嗎？所以愛因斯坦引入了宇宙學常數(shù),。暗能量其實正好跟宇宙學常數(shù)的性質差不多,，也是使它朝反方向彎曲，這樣的話宇宙的膨脹本來是減速的,，有了暗能量就會加速,。所以我們前面說這是愛因斯坦最大的錯誤,，但是愛因基斯坦太偉大了，雖然當時他認為宇宙靜止是錯的,，他錯失了宇宙膨脹,，但是他引入的宇宙學常數(shù)竟然是對的。
到底宇宙的命運是什么,？宇宙膨脹導致宇宙的命運是什么,？宇宙的命運很大程度上是由暗能量狀態(tài)方程決定的。因為暗能量占75%,，這個量很大,，起決定性作用,。另外我們基本上知道普通物質,、暗物質隨著宇宙膨脹會怎么演化，暗能量我們不太知道,，它怎么演化取決于它自身的狀態(tài)方程,，狀態(tài)方程就是它的壓強和它的密度之間的一個關系。如果說沒有暗能量的話,，宇宙的命運就是弗里德曼得出來的結論,，封閉宇宙膨脹到一定程度，就會收縮,，當然收縮完以后會發(fā)生什么不知道,，有可能會反彈，也有可能不會,。如果是平直宇宙,，就一直膨脹。如果是彎的,，開放宇宙,，也是一直膨脹。現(xiàn)在加上暗能量,，如果暗能量就是宇宙學常數(shù)的話,，宇宙也是一直膨脹，而且越膨脹越快,。我們現(xiàn)在的宇宙里頭有很多星系,，140億年是我們今天的宇宙，宇宙演化下去,，這些物質隨著膨脹,，它們離我們越來越遠。540億年的時候,，就剩我們這一個星系了,，但是我們勉強還能看到遠處的星系,，繼續(xù)膨脹下去，周圍這些星系就都消失在遠方了,，那時候如果地球上一些天文學家去觀測宇宙,，他們就很悲哀了，他們根本不知道有宇宙大爆炸的事,，看到的就是茫茫夜空,，什么也沒有。銀河系如果持續(xù)演化會發(fā)生什么,？銀河系里頭有很多恒星,，這些恒星演化著演化著，最終有一定的幾率會撞上,，恒星演化到最后,，燃料耗盡以后，或者是超新星,，或者是白矮星,，或者是黑洞。最后這些東西相互作用,，越來越密集,，最后都掉到一起，都掉到一個大黑洞里面去,。大黑洞又會怎樣,？按照霍金的理論，黑洞會緩慢地蒸發(fā),，但是蒸發(fā)的速度非常之慢,，所以它在很長時間里就是一個大黑洞。有一種可能性是隨著宇宙膨脹,，暗能量越膨脹越多,，宇宙就進入了一種奇異的狀態(tài)，通常叫做大撕裂狀態(tài),。因為量越來越多,，到后來就剩星系了，但是星系本身是穩(wěn)定的,，隨著宇宙的演化,，暗能量越來越多，最后它在星系里的密度就會超過星系里普通物質和暗物質的密度,。前面我們講暗能量的作用相當于萬有斥力一樣,，所以星系本來已經(jīng)是互相吸引都附著在一起了，暗能量太多以后它就把星系給拉散掉了。它繼續(xù)增多以后,，在我們的星系里,，最后它的密度會超過地球的密度，在萬有引力的作用下把地球也拉散掉,。地球上的各種物質是由原子組成的,，原子核和電子之間存在電磁相互作用，電的力通常比萬有引力要大很多,。但是如果它可以一直增加下去,，它最后會超過電的力，把原子也給拉散了,，最后整個宇宙就會進入一種叫做大撕裂的狀態(tài),，把所有東西都給撕開了，宇宙就進入了一個我們誰也說不清楚到底是什么的狀態(tài)了,。我們從邏輯推理上是這樣,，但實際上我們并不知道是不是這樣的，因為暗能量的性質到底是什么我們并不知道,，天文學家能做的事情就是把狀態(tài)方程測出來,，根據(jù)狀態(tài)方程去推測暗能量到底有什么樣的性質。
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