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    【观测宇宙学的拓荒者】dnf宇宙拓荒者

    来源:六七范文网 时间:2019-04-07 04:43:18 点击:

      如果说,哈勃作为观测宇宙学的鼻祖,发现了一片新大陆,那么作为哈勃的弟子,桑德奇可以说是继最初的发现者之后在宇宙学领域中开荒拓土的先驱。  此时宇宙微波背景辐射刚被威尔逊和彭齐亚斯意外发现,大爆炸理论引起了所有人的关注。新闻界抓住了这个故事,特别是正式预测宇宙末日的那个部分。《纽约时报》的头版文章中写道:“这些发现不仅具有哲学与科学的暗示意味,而且不难看出它们将会对我们的时代造成影响。文艺复兴时期,地球不是宇宙中心的这种认识,对那个时代富于创造性的天才们产生了深远的影响。如果桑德奇博士对于这些数据的初步解释是正确的,而且宇宙最终将塌陷这种说法可以成立,它也同样会产生巨大的影响。”
      但是,阿伦忽略了一个问题,他找到的大量蓝色天体未必都是类星体,其中也有一部分是白矮星。许多天文学家嫉妒帕洛玛山的人,认为他们骄傲自大,又享有特权,比如阿伦的论文竟然未经审稿就发表了。阿伦公布这些结果也不够谨慎,更不用说夸张的新闻报道了。茨维基则一如既往,指责别人(这一次是阿伦)剽窃了他自己的想法——他早就曾指出过存在许多这种蓝色天体。阿伦受到巨大压力,几乎辞职,但主任告诉他没有必要辞职。“这是我所上的关于谦虚和骄傲的一课,我永远也不会忘记。”阿伦重新分析了数据,后来又与阿罗一起进行了新的巡天,证明较暗的蓝色天体大多数确实是类星体。不过,类星体在光度上变化太大,因此并不适合用到哈勃图上作为标准烛光。
      渐渐地,阿伦对于媒体的态度发生了转变。早年他乐于接受采访,也为《科学美国人》这样的科普杂志撰稿,然而逐渐地他变得更加内向,不再理睬媒体,也不再撰写科普文章,尽管他承认科学家撰写科普文章对于科学行业来说是非常重要的,也是对公众的一种服务。他认识到,在当时许多问题有很大不确定性,要取得最终站得住脚的成果并非易事,而他不愿就这些不确定的结果反复向媒体和公众进行解释。
      经过十几年的辛勤观测,阿伦和塔曼积累了大批的数据。这些数据在70年代初开始以系列论文的形式发表。其中一个系列叫《红移距离关系》,一共有8篇论文;另一个系列叫《通向哈勃常数之路》,10篇论文;不过在此之前有些初步的结果也已为人所知。60年代~70年代初,阿伦的观测倾向于认为宇宙是封闭的,这些观测既包括用星系光度红移关系距离得到的哈勃图,也包括使用星系角度大小红移关系得到的哈勃图(哈勃图即红移距离关系图)。每一批新的红移数值都可以使哈勃图进一步延伸。1967年,在牛津大学的哈雷讲座中阿伦总结当时的观测结果,认为q0=1,这表明宇宙是封闭的并且会最终停止膨胀而收缩,在大约700亿年以后宇宙将再次收缩到奇点,也许在那之后宇宙会再次振荡。
      阿伦一次又一次发布相同的结论,但其实每一次他也指出这些q00001,宇宙的年龄就又会小于球状星团的年龄了。因此阿伦现在也主张宇宙是开放的。当然,从阿伦自己的角度看,他并不认为自己曾经坚持宇宙是闭合的,那只是他的测量数据告诉他的结果,问他喜欢哪个结果,正如问一个测量电子电荷的物理学家喜欢的数值是多少一样没有意义。再说,他早就说过那些数据还有很大误差。   一个开放的宇宙将永恒地膨胀下去,最终热寂。在这样一个宇宙中我们会不会感到孤独呢?在一次被采访者追问的时候,阿伦承认他曾经内心喜欢过闭合宇宙,只有这样宇宙才会再次收缩并有可能发生振荡,从而避免热寂的命运。“但是想到宇宙只形成一次,某种意义上,这使事情变得更加神秘。许多问题已超出了科学的范围,第一个微秒以前发生了什么情况,为什么、又是怎样变成后来的情况的呢?”最后,阿伦说:“宇宙会继续永远地膨胀下去,星系会分散得越来越远,一切都会消亡。事情本身就是这样。至于我是否感觉孤独根本不重要。”
      汀斯丽又在《自然》杂志上发表论文,论证宇宙中还有可能存在宇宙学常数,这是一篇有先见之明的论文。她也组织了星系演化讨论会,并邀请阿伦参加。阿伦没有露面,不过汀斯丽为他辩解说,阿伦一向不喜欢参加会议。不幸的是,不久之后汀斯丽就因为肿瘤而英年早逝了。
      经过多年辛劳之后,竟然能对宇宙的命运问题给出一个回答,阿伦·桑德奇在某种程度上感到心满意足。对于他来说,宇宙是神秘的。“某种意义上,牛顿定律就是上帝。我觉得一切都是那么合理,那么异乎寻常地美丽和神秘。如果你相信宇宙学是严谨的科学,那么你就可以追溯过去发生的事情,这只有科学才能描述,只有宇宙学才能解释。…我认为整个宇宙的合理性是一个谜。牛顿和爱因斯坦的方程本身就是世界的一大谜。在这个意义上,我很相信宗教。”
      但是,他的助手塔曼却知道,每当阿伦取得一些成就后,他的心情却是最坏的。他永远完不成给自己规定的目标,永远满足不了人们对他的期待。“阿伦·桑德奇想成为哈勃,哈勃想成为爱因斯坦。”阿伦在争分夺秒地工作,总嫌合作者们效率太低。只有塔曼才受得了阿伦无休止的吼叫。
      然而宇宙的命运并未就此定局。在戈特等人撰写《一个非束缚的宇宙》时,他们也承认,有可能存在未知的物质,没有包括在他们为宇宙算的账目中。实际上,茨维基早就主张,星系团中存在着大量看不见的暗物质,只不过像他很多其它古怪的观点一样,这一见解也长时间没人理睬。到了70年代中期,维拉·茹宾(Vera Rubin)发现在星系的边缘,恒星的旋转速度并不像预期的那样降低,而是保持不变,这说明星系周围分布着许多暗物质,这样它们才能提供足够的引力抵消这些快速旋转的恒星的离心力。另一方面,施拉姆的研究表明,普通的物质不可能有那么多,因为普通物质在宇宙大爆炸早期的高温中会发生核反应,如果普通物质密度太高,反应就会很充分彻底,不会留下反应的中间产物氘——一种氢的同位素。氘是种很不稳定的元素,在此后的宇宙中也不会有机会形成。因此自然界中观测到的氘丰度足以说明,普通物质的密度比较低,因此暗物质并非普通物质。那么,也许暗物质还是有可能让宇宙闭合?
      阿伦曾把宇宙学归结为测量两个数,认为这就足以告诉我们宇宙是什么样的。另一派学者则对此不以为然,他们是物理宇宙学家,在他们看来,宇宙学的目的不仅应该包括了解宇宙是什么样子的,还更应包括理解宇宙为什么是这样的。这一派的学者包括普林斯顿大学的理论家迪克(Robert Dicke)和皮伯斯(Jim Peebles)。他们曾独立地预言了宇宙大爆炸会产生宇宙微波背景辐射(在他们之前阿尔弗、赫尔曼和伽莫夫已经做过同样的预言)。
      现在宇宙大爆炸被普遍接受以后,他们又提出了这样两个问题:无论是阿伦·桑德奇也好,还是汀斯丽等人也好,得到的宇宙模型中宇宙的密度与临界密度都是同一个数量级的,只差几倍。可是从原理上说,如果宇宙真是闭合的或者开放的,那么随着宇宙的膨胀,物质的密度与临界密度相差会越来越大,很容易差上很多个数量级。反过来说,如果我们今天物质密度与临界密度差几倍,那么在宇宙的早期物质密度会与临界密度非常接近。这是为什么?
      还有一个问题是,人们一般都假定宇宙是均匀、各向同性的,但宇宙为什么是均匀、各向同性的?广义相对论允许时空不均匀、不各向同性,那么有没有什么物理机制可以使不均匀变成均匀的?初看起来这并非没有可能:把两罐不同密度的气体联通,很快两罐里的气体密度就会变得相同。但是,这种调整物质密度的机制在标准的大爆炸宇宙中是不可能的,因为从爆炸开始到今天只有有限的时间,光无法传遍宇宙,而任何物理调节机制都不可能以超过光速的速度起作用,那么怎么解释宇宙的各向同性?
      这些问题在阿伦以及当时的许多观测宇宙学家看来,好像是些完全没有意义的玄学思辨,因为宇宙就是这个样子,这是观测给出的结论,问它为什么如此会有什么用吗?但是一位年轻的理论家阿伦·古思却在认真考虑如何解决这些问题。1980年,他推测在宇宙的极早期,宇宙发生过极快速并且加速的膨胀,在10—3—32秒内,宇宙膨胀了1025倍以上,他把这称之为“暴胀”,暴胀之后宇宙才进入普通的标准大爆炸模型。由于暴胀,本来彼此非常接近因而密度相同的点被推到了可见宇宙的不同边缘,这就解释了我们所能看到的这一部分宇宙的均匀各向同性。而这一理论也预言,宇宙可见部分具有平直的几何,密度应该不多不少恰好等于临界密度。那么为什么宇宙早期可以暴胀而后来又进入普通的膨胀呢?这是因为一些粒子物理学家们提出的场论模型足以驱动宇宙在早期发生暴胀,而最终这些场会衰减掉,于是暴胀停止。
      尽管阿伦对这些理论不感兴趣,但是暴胀理论关于宇宙密度等于临界密度的预言却与他的工作紧密相关。临界密度的大小取决于哈勃常数,对于膨胀快的宇宙,密度也要更高。因此把观测的密度与哈勃常数相比可以检验暴胀理论的最基本的预言:宇宙密度等于临界密度。
      然而,对于阿伦测量的哈勃常数,此时也出现了争议。提出挑战的是汀斯丽在得克萨斯大学的老师,德沃古勒(de Vaucouleurs)。德沃古勒来自法国,后来到澳大利亚研究南半球的星空,最后去了得克萨斯大学,以对星系特别是椭圆星系的研究而著名。最初,他作为星系分类的研究者与阿伦关系不错,阿伦曾给他看哈勃分类的原始资料以帮助他理解这一分类方法。当阿伦被德国的《物理学手册》丛书邀请撰写一篇关于星系分类的文章时,阿伦因为自己太忙而推荐了德沃古勒,并给他寄去自己正在编辑的《哈勃星系图册》的校样供参考,但德沃古勒误解了,他没有征求阿伦的意见而把校样中的照片印在《物理学手册》中。阿伦非常生气,因为这些结果还没有发表过。这件事经调解和解了,但双方已产生了隔阂。
      从另一方面说,阿伦·桑德奇是哈勃的弟子,使用世界最大的望远镜,代表正统的宇宙学,发表的论文被奉为圭臬甚至被新闻媒体所关注,而德沃古勒自感是个外来者,从未获得使用大望远镜的机会,他对此耿耿于怀,而对于阿伦所代表的正统宇宙学理论也颇有怀疑。
      德沃古勒质疑正统的关于宇宙是均匀、各向同性的观点。关于宇宙是否均匀的问题,长期以来就有争论。爱因斯坦提出了宇宙学原理——宇宙在大尺度上均匀、各向同性,从而大大简化了理论研究,但这是他的猜想而并非根据观测数据得来。哈勃在确认了河外星系的存在后,就打算研究星系的分布。他研究了威尔逊山天文台以往的底片,认为这些在不同条件下拍摄的底片太不均匀,不适合这一研究,因此在1926年~1931年间进行了系统的、以同一标准进行的照相巡天,拍摄了900多张底片。当然,在这种巡天中我们看到的只是星系的二维分布,星系的三维分布——也就是星系到我们的距离是不知道的,因此两个看上去挨在一起的星系,我们并不知道它们是否真在一起。
      (责任编辑:吴蕴豪)

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