物理学科网
高中
上传 客户端 扫码下载APP 定制您的专属资源库 网校通

为什么这个世纪将属于天体物理学?

(文章来源于宇宙奥秘mp,如有不妥请联系我们。)

在科学发展的进程中,总是会有傲慢自大的人认为科学已经走到了尽头——我们已经接近找到终极问题的答案了。在科学的发展中有许多这样的例子。当科学家认为牛顿力学就足以描述万物时,他们发现了光的波动性质。当麦克斯韦统一电磁学时,物理学家认为所有的秘密都已被揭开,然而很快就诞生了相对论和量子力学。而当质子、中子和电子被发现后,许多人认为物质的本质已经全被知晓,直到高能粒子物理学为我们带来了一系列的基本粒子。如果我们能够从中学习到什么,那就是应该在自然面前保持谦逊。

在过去的25年里,有五个令人惊喜的发现改变了我们对宇宙的认知,而且每一个都具有潜力能够带来一场更大的革命。

1. 中微子质量

太阳之所以会发光,是因为在它的核心内不断进行着核聚变反应,这个过程会释放出一种神秘的粒子,叫做中微子。可以说太阳是一个巨大的中微子工厂。根据粒子物理学的标准模型,中微子是没有质量的。

当科学家试图计算来自太阳的中微子的数量时,他们发现在实验设备观测到的太阳中微子数目只有理论预言值的三分之一。为什么?太阳中微子失踪之谜困扰着物理学家许久。直到近年来科学家发现太阳中微子本身从太阳穿行到地球的过程中发生了变化,它们会从一种类型转化为另一种类型,这被称为中微子振荡。而之所以会发生变化是因为中微子具有非常微小的质量!

△ 三种中微子。

对于天体物理学它意味着什么?中微子是宇宙中含量最丰富的粒子。如果他们有质量,意味着它们:

占据了暗物质的一小部分比例;

会与其它物质共同形成星系结构;

或许会形成奇异的费米凝聚;

或许和暗能量之间有联系;

很可能是马约拉纳粒子,那么久可能存在一种全新类型的核衰变。。

科学家也认为中微子或许具有质量很大的左手征伙伴,如果是这样,那么暗物质的问题就迎刃而解。此外,在超新星爆发时,中微子也会带走大量的能量;中子星冷却也跟它们有关;它们也会影响宇宙大爆炸的余晖(即微波背景辐射)。相信未来中微子依旧会是一个非常有趣的研究对象,并在宇宙学和天体物理学中扮演着重要的角色,并为我们带来更多的惊喜。

2. 加速膨胀的宇宙

当我们回到宇宙热大爆炸的时候,它有两个至关重要的性质:初始膨胀率和初始的物质/辐射/能量密度。如果密度太高,宇宙将会重新坍缩;如果密度太低,那么宇宙就会永远膨胀下去。但是在我们这个宇宙中,密度和膨胀不仅仅完美的平衡,而且有一部分能量来自所谓的“暗能量”,即宇宙在诞生后的约80亿年,一种未知的神秘能量开始使宇宙加速膨胀,自那之后便一直持续至今。

△ 宇宙的四种可能命运。最底下的那个跟观测数据最符合,是一个具有暗能量的宇宙。(图片来源:E.Siegel)

对于天体物理学它意味着什么?这是人类历史中,第一次开始洞悉到宇宙的命运。所有不被引力束缚在一起的物体最终都会相互加速远离,意味着所有超越本星系群的物体都将最终加速离开。但暗能量的本质是什么?它来自宇宙常数吗?它跟量子真空有关吗?它是一种强度会随着时间变化的场吗?未来的太空任务,比如ESA的欧几里德探测器,NASA的WFIRST卫星和30米望远镜都将更好的测量暗能量,并允许我们更好的研究宇宙究竟是如何加速的。如果宇宙持续加速,它将在一场大撕裂中结束;如果加速度慢慢放缓,情形将逆转,宇宙将面临一场大挤压。或许,我们很快就能知悉宇宙的选择。

3. 系外行星

几十年前,科学家认为在其它的恒星系统中也存在着行星,但并没有确凿的证据来支持这一想法。现在,科学家已经确认了上千颗系外行星的存在(大多数由NASA的开普勒卫星发现)。许多太阳系统都跟我们的不一样:一些包含了超级地球或者小海王星;一些在内太阳系就包含了气态巨星;一些在宜居地带包含了地球大小的世界,但是却围绕着昏暗的红矮星。然而,还有更多等待我们去发现。

△ 开普勒卫星发现的系外行星。(图片来源:Ethan Kruse)

对于天体物理学它意味着什么?发现那些有潜力适合生命发展的星球,使找到外星生命的目标越来越近。而且那些世界或许有一天会成为人类的外星殖民地。21世纪,我们将开始探索这些可能性:测量这些外星世界的大气层,寻找生命的痕迹,发射超快的太空探测器到那些外星去,并勘察这些星球上的海洋/大陆、云量、大气中的氧气含量等等。如果你对外星世界充满了好奇,那么你正生活在一个最好的时代。

4. 希格斯玻色子

几十年来,物理学家一直苦苦追寻粒子物理学的标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子,终于在几年前被发现。希格斯玻色子的质量约为126GeV/c2,在10^-24秒后就会发生衰变,并且拥有所有标准模型预言的衰变模式。到目前为止,希格斯玻色子的行为完全没有显示出任何超越标准模型的新物理,而这是一个很大的问题。

△ 在CMS中的双光子道发现希格斯玻色子(凸起的部分)。

对于天体物理学它意味着什么?为什么希格斯玻色子的质量要远远小于普朗克质量?把这个问题重新表述就是:为什么引力跟其它的基本力相比要弱那么多?这个问题有许多可能的答案:超对称理论、额外维度、希格斯玻色子是个复合粒子(拟色)等等。但到目前为止,没有任何证据支持这些理论。

在某种程度上,应该有有一些更基本的东西存在:新粒子、新的场、新的基本力等等。所有这些都将会对天体物理和宇宙学产生影响。举个例子,如果在大型强子对撞机中没有发现任何新的线索,那么答案很可能隐藏在天体物理学里!在最高的能量和最短的尺度下会发生什么?人造的加速器永远也无法产生宇宙大爆炸以及宇宙射线所产生的能量。未来,解决物理学中的基本大问题的线索或许会来自太空,而不是地球。

5. 引力波

爱因斯坦在发表广义相对论的不久后就预言了引力波的存在。在过去的一百年中,探测引力波的直接证据一直是天体物理学的圣杯。2015年,当激光干涉引力波天文台(LIGO)进行升级后,其灵敏度已经达到了能够探测到旋进和合并黑洞辐射出的引力波。不负众望,LIGO已经探测到了两次引力波的确凿证据,接下来将会探测到更多这样的事件。虽然探测到引力波已经是一次巨大的胜利,但更重要的是它为观测宇宙带来了全新的视野。

△ 合并的黑洞会产生特定频率和振幅的引力波,当它们发生时,我们甚至可以“听到”这些声音。当然,引力波还有其它的来源。(图片来源:LIGO, NSF, A. Simonnet)

对于天体物理学它意味着什么?到目前为止,所有的天文观测都是基于对光的探测,从伽玛射线到可见光,再到微波和射电频率。但是探测时空的涟漪却给我们带来了全新的方式观测宇宙中的天体物理现象。只要探测器具备适合的灵敏度,我们就可以看到:

中子星的合并(就可以研究它们是否会制造出伽玛射线暴);

白矮星的旋进和合并(并将它们与Ia型超新星关联);

超大质量黑洞吞噬其它的物体;

来自超新星的引力波信号;

脉冲星故障;

宇宙诞生时产生的原初引力波的信号;

引力波天文学才刚刚开始,但已经为我们带来了许多的可能性,比如用于探测是否存在额外维度等。接下来需要做的就是不断的增加灵敏度和频率范围,并将引力波所看到的太空跟光学太空联系起来。

△ 通过引力透镜,科学家可以重建阿贝尔370星系团的物质分布。图中显示了两个巨大、弥漫的暗物质晕,这个巨大的星系团可能是由两个较小的星系团合并而成的。(图片来源:NASA, ESA, D. Harvey, R. Massey, the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF)

除了上面提到的五个,还有许多的未解之谜等待着我们去解释。比如

占据了宇宙总质量80%的暗物质究竟是什么?

重子产生过程的问题:尽管在所有反应中我们都看到了物质和反物质之间的完美对称性,但为什么宇宙充满了物质而不是反物质?

落入黑洞的信息究竟去了哪里?

是什么触发了宇宙暴胀的发生?

如何构建一个成功的量子引力理论?

△ 当时空曲率变得足够大时,量子效应也变得显著。这里我们需要一个量子引力理论来解释。(图片来源:SLAC National Accelerator Laboratory)

有许多人总是会忍不住的去思考最好的时代是否已经过去,以及我们已经做出了最重要和革命性的发现。但如果我们想要理解最最基本的大问题——宇宙从何而来,它是由什么构成的,它的最终命运是什么——我们还需要做出巨大的努力。随着下一代的望远镜(具有前所未有的大小、范围和灵敏度)即将上线,我们将在天体物理学中得到更多的启发。每一次的进步,都带领我们离真理更进一步。无论我们最终会发现什么,这个过程已经足以令人激动。

2018年高考一轮复习讲练测系列