阿里原初引力波觀測(cè)臺(tái)址示意圖 資料圖片
膜宇宙的碰撞與遠(yuǎn)離 資料圖片
【科學(xué)向未來(lái)】
談到Big Bang你會(huì)想到什么?是紅極一時(shí)的韓國(guó)偶像天團(tuán)，還是連續(xù)更新了十二季的美國(guó)情景喜劇?在宇宙學(xué)家眼中，這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)自現(xiàn)代宇宙學(xué)(即熱大爆炸宇宙學(xué)說(shuō))，代表著一場(chǎng)美輪美奐的“演化”，它以最簡(jiǎn)單、樸實(shí)卻又充滿想象力的藝術(shù)圖像刻畫了我們宇宙漫長(zhǎng)的138億年的歷史。
什么是“宇宙大爆炸”理論呢?這個(gè)理論認(rèn)為，宇宙是由138億年前的一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)引發(fā)的，這個(gè)奇點(diǎn)通過(guò)劇烈膨脹將時(shí)間和空間伸展開(kāi)來(lái)，形成宇宙。“宇宙大爆炸”理論雛形在20世紀(jì)40年代由物理學(xué)家伽莫夫等人提出，用以理解宇宙中的輕元素豐度。剛被提出時(shí)，它還叫“原初核合成理論”，當(dāng)時(shí)的英國(guó)物理學(xué)家霍伊爾并不是很認(rèn)同該理論，霍伊爾在BBC電臺(tái)的一次采訪中笑稱該理論把宇宙的演變說(shuō)得像是一次“大爆炸”，而正是由于他那次的腦洞大開(kāi)，“宇宙大爆炸”的名字便沿用至今。
其實(shí)，自愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，科學(xué)家們就面對(duì)這樣一個(gè)難以解決的問(wèn)題——“生”出宇宙的時(shí)空奇點(diǎn)其所有的物理參量，例如能量密度、曲率、溫度，都是無(wú)窮大的，但無(wú)窮大發(fā)散在數(shù)學(xué)上的描述是不自洽的。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，物理學(xué)家們絞盡腦汁。20世紀(jì)30年代，一群研究愛(ài)因斯坦引力理論的“狂熱分子”給出了各種宇宙學(xué)解決方案。其中，美國(guó)物理學(xué)家理查德·托爾曼在1934年提出的“振蕩宇宙”理論最為盛行。但根據(jù)時(shí)間反演倒推回過(guò)去，振蕩周期變得越來(lái)越短，宇宙的最終命運(yùn)仍然是大爆炸的奇異性。由于這個(gè)問(wèn)題的存在，再加上過(guò)去半個(gè)世紀(jì)熱大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)和暴脹理論的巨大成功，物理學(xué)家們對(duì)振蕩宇宙的研究興趣在20世紀(jì)80年代左右略有削弱。
然而，大爆炸奇點(diǎn)的“烏云”仍然籠罩在當(dāng)前的宇宙學(xué)中，對(duì)振蕩宇宙的研究也在繼續(xù)。在1995年召開(kāi)的弦理論會(huì)議上，物理學(xué)家愛(ài)德華·威滕在提出的M理論認(rèn)為，空間不僅僅是我們熟悉的三維空間，而具有更高的維度，但這些額外的空間維度是卷曲的。從更高維度的空間和時(shí)間看，我們的宇宙很像是一部三維電影。
受這種瘋狂觀點(diǎn)的啟發(fā)，普林斯頓大學(xué)的保羅·斯坦哈特和劍橋大學(xué)的尼爾·特洛克在2001年提出了一個(gè)新的循環(huán)宇宙模型——火劫模型。在這個(gè)模型中，宇宙創(chuàng)生是周期性的，如同鳳凰涅槃之后火劫重生。
從一開(kāi)始對(duì)大爆炸時(shí)空奇點(diǎn)束手無(wú)策到周而復(fù)始、無(wú)始無(wú)終的火劫模型，物理學(xué)家們?nèi)〉昧瞬恍〉睦碚撨M(jìn)展。但這個(gè)模型畢竟只是一個(gè)假說(shuō)，它面臨著兩大問(wèn)題：一是如何利用合理的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)精確刻畫這個(gè)模型;二是這個(gè)模型如何真實(shí)地刻畫我們的宇宙，并解釋在這個(gè)宇宙中所發(fā)生的一切，特別是我們?nèi)祟愃^測(cè)到的一切。
為了回答這些問(wèn)題，宇宙學(xué)家們先將目光集中到只發(fā)生一次收縮和膨脹過(guò)程的宇宙學(xué)圖像，并稱之為“反彈學(xué)說(shuō)”。構(gòu)造這一圖像的理論模型都可以解決熱大爆炸宇宙學(xué)所面臨的初始條件疑難。反彈學(xué)說(shuō)不僅很好地繼承了熱大爆炸宇宙學(xué)所取得的累累碩果，更讓我們避免了那個(gè)會(huì)讓所有物理理論失效的時(shí)空奇點(diǎn)。
解決大爆炸奇點(diǎn)問(wèn)題，接下來(lái)面對(duì)的就是如何證明宇宙曾經(jīng)歷過(guò)一段收縮過(guò)程。幸運(yùn)的是，無(wú)論宇宙在極早期經(jīng)歷了什么樣的演變，微觀世界中的量子波動(dòng)總會(huì)存在。我們今天看到的由宇宙微波背景輻射(CMB)的溫度漲落形成的多彩宇宙：星系、恒星、地球乃至我們自己，都是從宇宙嬰兒期的量子波動(dòng)演變而來(lái)的。這些量子波動(dòng)被拉伸到宏觀尺度，形成所謂的原初密度擾動(dòng)，它們將為后期宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成提供最原始的種子。
這之后，新一波的疑問(wèn)接著產(chǎn)生：宇宙是來(lái)自大爆炸的奇點(diǎn)，還是從收縮過(guò)程中的反彈?宇宙在極早期究竟發(fā)生了什么?這些問(wèn)題至今仍沒(méi)有定論。但它也吸引了越來(lái)越多的宇宙學(xué)家思考。令我們意外的是，在熱大爆炸后大約38萬(wàn)年，我們的宇宙為自己拍了張“自拍照”，這張自拍照使得原初引力波信號(hào)可以通過(guò)宇宙微波背景輻射的高精度測(cè)量來(lái)驗(yàn)證。通過(guò)分析CMB的偏振漲落，我們發(fā)現(xiàn)原初宇宙中的張量擾動(dòng)(即原初引力波)可以直接導(dǎo)致CMB擁有B模式的偏振信號(hào)。宇宙學(xué)家曾試圖利用WMAP、Planck等衛(wèi)星搜集到的近15年的數(shù)據(jù)重構(gòu)原初擾動(dòng)，甚至原初宇宙的模樣，遺憾的是截至目前原初引力波仍沒(méi)有被觀測(cè)到。
雖然對(duì)原始引力波的探索很難，但我們?nèi)栽诓恍傅嘏ふ夷切氋F的原初B模偏振信號(hào)。由于衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)通常成本高昂，并且操作壽命和承載能力在技術(shù)上受到不同程度的限制，人們不得不更多地探索在地面探測(cè)CMB的方法——地基天文臺(tái)。迄今為止，已建成并計(jì)劃進(jìn)行的CMB地面觀測(cè)主要集中在智利天文臺(tái)和美國(guó)南極極點(diǎn)科考站。在北半球，這仍然是一片空白。
填補(bǔ)這個(gè)空白，中國(guó)科技界當(dāng)仁不讓。2014年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所張新民研究員提出了“阿里計(jì)劃”——阿里原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)。這一項(xiàng)目于2016年12月13日正式啟動(dòng)，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭、國(guó)內(nèi)多家科研單位參與的中美合作項(xiàng)目。按照規(guī)劃，科學(xué)家們將在海拔5200多米建設(shè)一座世界上最先進(jìn)的、用于探測(cè)原初引力波的望遠(yuǎn)鏡。該項(xiàng)目計(jì)劃于2020年建成阿里一號(hào)望遠(yuǎn)鏡并開(kāi)始觀測(cè)。它將在北天區(qū)探測(cè)原初引力波，并計(jì)劃通過(guò)測(cè)量CMB偏振旋轉(zhuǎn)角來(lái)檢驗(yàn)物理定律中的基本對(duì)稱性：電荷共軛(C)-宇稱(P)-時(shí)間反演(T)不變性。與此同時(shí)，阿里計(jì)劃與南半球的CMB實(shí)驗(yàn)合作，形成一個(gè)南北向背，覆蓋全天的原始引力波觀測(cè)?？茖W(xué)家們也在討論，能否在“阿里一號(hào)”基礎(chǔ)上建設(shè)更加靈敏的望遠(yuǎn)鏡陣列“阿里二號(hào)”，得到獨(dú)立的、更高精度的原初引力波測(cè)量結(jié)果。未來(lái)，它將與南極觀測(cè)站、智利觀測(cè)站一道，成為三大觀測(cè)原初引力波的世界級(jí)臺(tái)址。
我們生活在宇宙之中?；蛟S從人類誕生之初，就一直仰天常問(wèn)：宇宙何時(shí)誕生?宇宙因何誕生?這是哲學(xué)家與科學(xué)家永恒的追問(wèn)?？茖W(xué)需要實(shí)證，理論預(yù)言之爭(zhēng)需要客觀數(shù)據(jù)一錘定音。這個(gè)過(guò)程困難重重，甚至?xí)錆M曲折和迂回，但科學(xué)家們一直在努力。我們也相信，這個(gè)謎題終將解決，作為其中的一員，我們將在這個(gè)偉大的過(guò)程中，貢獻(xiàn)自己的力量。
（作者：蔡一夫，系中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)系教授）
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宇宙還能存在多少年
日本國(guó)立天文臺(tái)、東京大學(xué)和美國(guó)普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員組成的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一項(xiàng)最新研究稱，從暗物質(zhì)和暗能量的角度分析，宇宙的壽命還有1400億年。
這項(xiàng)研究認(rèn)為，宇宙中不存在足以引發(fā)再度收縮的暗物質(zhì)和暗能量，會(huì)持續(xù)膨脹下去，并在1400億年后達(dá)到無(wú)限大，走向終結(jié)。
目前公認(rèn)的理論認(rèn)為，宇宙起源于138億年前的大爆炸，隨后開(kāi)始膨脹演化。不過(guò)，關(guān)于宇宙將如何走向終結(jié)存在多種假說(shuō)，包括再度縮成一點(diǎn)的“大坍縮”和膨脹至無(wú)限大的“大撕裂”等。
研究團(tuán)隊(duì)利用架設(shè)在美國(guó)夏威夷的昴宿星團(tuán)天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)分析了約1000萬(wàn)個(gè)星系的引力透鏡效應(yīng)，對(duì)宇宙中暗物質(zhì)和暗能量的分布進(jìn)行了迄今最全面的解析，繪制了暗物質(zhì)的立體空間地圖。他們通過(guò)一系列計(jì)算評(píng)估得出結(jié)論認(rèn)為，宇宙的壽命大概還會(huì)持續(xù)1400億年。
引力透鏡效應(yīng)是指光線在通過(guò)大質(zhì)量天體附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，就好像一個(gè)“宇宙放大鏡”，可以幫助研究宇宙中最早和最遙遠(yuǎn)的星系。而暗物質(zhì)和暗能量對(duì)星系的形成和宇宙膨脹起到了關(guān)鍵作用，是預(yù)測(cè)宇宙未來(lái)的重要依據(jù)。
（綜合新華社報(bào)道）
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