大爆炸、暗物質與宇宙的命運
2023-04-01 23:16:30
宇宙是如何形成的？這個問題困擾了人類幾千年。根據當前的宇宙物理學理論，宇宙起源於一次大爆炸宇宙的形成是目前人類面臨的終極問題。科學家對大爆炸的探索有答案嗎？宇宙是如何膨脹的？宇宙有可能再次爆炸嗎？如何發現暗物質？人類會陷入永恆的孤獨嗎？關於大爆炸，你不知道的和你想知道的都在理性黨新技術發布大廳的第六期上！
(左)吳保軍，中國科學院黃慶國理論物理研究所科普作家，中國科學院曹真研究員(右)
宇宙真的起源於大爆炸嗎？什麼是證據
吳保軍:宇宙是在137-138億年前的一次大爆炸中誕生的嗎？我們如何確認宇宙真的來自如此大的爆炸？
黃慶國:理論對理解宇宙非常重要一百年前，在愛因斯坦提出「廣義相對論」之後，他進一步提出了宇宙學的基本原理，標誌著現代宇宙學的開始。
吳保軍:基本原則是什麼？
黃慶國:地球是太陽系中的一顆行星，圍繞太陽做近似周期性的運動太陽系是銀河系中一個非常小的恆星星系如果一個系統足夠複雜，一些非常簡單的定律就會出現。這是現代物理學中一個非常重要的思想。
因為宇宙如此複雜，我們發現宇宙在大範圍內可能是均勻的和各向同性的，這是宇宙學原理。
吳保軍:同質就是同質，這和我們普通人理解的同質是一樣的。各向同性意味著所有方向都是相等的，沒有特定的方向。
黃慶國:宇宙學原理告訴我們，宇宙中沒有特殊的點，每個點都是相等的。
當我們看到北極星時，我們將知道北方在哪裡。在中國文化中，所謂的明星是永恆的。我猜基於這樣一個觀察事實，愛因斯坦認為宇宙是靜止的，沒有進化。
吳保軍:愛因斯坦認為，根據恆星不動的現象，宇宙是不動的，但後來有其他證據證明他的觀點是錯誤的。這是什麼樣的證據？
黃慶國:是哈勃例如，我們如何知道宇宙正在膨脹？例如，一列火車就要來了。如果這列火車來了，當它按喇叭時，它的聲音會變得越來越尖銳。當它離開我們時，它的波長會變長，聲音會越來越低。當哈勃觀測到
時，發現由遙遠的星系或星雲發出的光波的波長總是朝著低的方向(較長的波長)變化，並且是系統性的。
也就是說，如果這些星系是隨機運行的，它們中的一些應該離我們更近，而另一些應該離我們更遠。但是哈勃觀察到的(星系)都離我們很遠，這表明宇宙正在膨脹。這一觀察使愛因斯坦意識到他犯了一個錯誤。
曹穎:這是哈勃在大爆炸理論中最重要的發現和最重要的觀測證據
吳保軍:宇宙正在膨脹。我把時間往後推，時間在縮短。
黃慶國:大爆炸結束了
吳保軍:137億年和138億年根據其擴張速度被推後
黃慶國:這就是為什麼我們可以通過測量今天宇宙的膨脹速度來估計宇宙的年齡。
吳保軍:這背後的邏輯非常強大有實驗證據證明宇宙正在膨脹，所有的恆星都離我們很遠。如果我們往回推，我們可以想像幾十億年前每個人都集中在一個點上。
黃慶國:所以我認為大爆炸理論是20世紀所有物理理論中最有想像力的。
宇宙是如何膨脹的？
:黃小姐剛才提到一個很重要的問題，叫做想像力讓我們回到一個稍微嚴肅一點的話題，即科學需要想像力，但它不能不受約束。更重要的是，實驗觀察證據應該用來測試想像力認為的東西是否真正代表了宇宙的進化，以及是否存在這樣一個觀點。
從狹義相對論中，我們知道時間和空間只是四維時空的四個軸之一，這是完全等價的。它們之間只有一個光速差需要轉換。只要光速乘以時間，就是距離。這是我們天文觀測的一個非常重要的前沿。
進行天文觀測，是為了找到最遙遠的星系，最遙遠的東西，這個東西叫做類星體，它有很微弱的光，但實際上是一個巨大的星系人類目前觀察到的類星體在400億年前就發光了。
這種光來自400億光年，但宇宙的歷史只有137億年。這是什麼？
吳保軍:260多億年在哪裡？曹穎，
:這是宇宙學中一個非常重要的問題。
黃慶國:這是因為宇宙正在膨脹讓我們來談談宇宙膨脹的圖像，它被稱為棗糕模型。麵團一蒸好，大家早上吃的海綿蛋糕就膨脹了。它是一個三維的東西，三維中的每一點都是相等的，沒有特殊的點。宇宙的膨脹就像一塊海綿蛋糕，是頭髮的膨脹。
吳保軍:137億年前，宇宙是一個麵團，然後均勻膨脹。現在我終於明白大爆炸和開始是相似的。當然，這種膨脹指的是宇宙自身空間和時間的膨脹
黃慶國:而且，每個空間點都在擴大大爆炸與我們通常點燃的鞭炮不同是非常重要的。鞭炮有爆炸源，但沒有大爆炸。這次爆炸沒有中心點。
每個人都很容易誤解，認為我們說的星系或星雲離我們很遠，好像在說大爆炸理論認為宇宙是中心，但實際上不是我一再強調，宇宙學原理認為宇宙沒有中心。
如何理解這一點？我們站在地球上，發現一切都離我們很遠。同樣，如果有一天我們乘宇宙飛船飛往另一個星球，我們也會看到離我們很遠的所有其他星系。
吳保軍:也就是說，我看見你了，你離我很遠；看著我，我也離你很遠——奇點不是爆炸的中心，而是一塊海綿蛋糕。
黃慶國:在數學中，奇點是指一些數學量失敗的地方
是宇宙大爆炸的重要證據
曹穎:還有一個問題，什麼是宇宙的加速膨脹？
黃慶國:加速宇宙膨脹開始得很晚
宇宙不是空的。有些東西，比如構成人類、地球和太陽的材料。此外，還有另一種東西，光輻射，這是微波背景輻射。
微波背景輻射與大爆炸密切相關根據哈勃定律，我們知道宇宙的膨脹並將其推回。我們可以看到早期宇宙發生了大爆炸，但是還有其他證據嗎？例如，當你在春節回家放鞭炮時，你會發現碎片並留下一些輻射。
可以說微波背景輻射是大爆炸的重要證據
吳保軍:背景輻射是，爆炸後，大宇宙中通常會存在碎片。同時，它是一種輻射，稱為微波背景輻射，表明波段是在微波波段微波波段的大爆炸碎片被稱為微波背景輻射。
曹穎:隨著宇宙膨脹，宇宙微波背景輻射變得非常均勻當爆炸發生時，它的溫度非常高，但是當它擴展到整個宇宙時，能量下降了。
黃慶國:所以宇宙不是空的，有輻射，儘管現在溫度很低
來自哪裡？冷爆炸和熱爆炸
黃慶國:在宇宙的早期，溫度非常高，遠高於太陽的溫度。因此，有時我們喜歡在術語上給大爆炸加上一個屬性「熱」，意思是「熱的大爆炸」
又熱又冷。這就是我們剛才提到的通貨膨脹，它與通貨膨脹有關。宇宙中的這些物質來自哪裡？為什麼早期天氣這麼熱？在熱之前有一段寒冷期嗎？
吳保軍:我第一次聽說大爆炸分為冷爆炸和熱爆炸。
黃慶國:如前所述，我們對宇宙學的研究是基於所謂的宇宙學原理，宇宙是均勻各向同性的。但是宇宙是如此之大，數百億光年，為什麼這麼大的系統是均勻的和各向同性的？
可以比作一個房間。房間裡的溫度在任何地方都幾乎相同，因為房間裡的氣體分子不斷地交換、碰撞，最終達到平衡，使得房間的不同部分具有相同的溫度。
但是宇宙是如此之大，如果宇宙真的只有一個「熱大爆炸」過程，一個宇宙可以被分成許多不相關的部分吳寶軍:這就像在房子的任何角落都有一個爐子。如果你坐在這個角落，那裡很熱。靠窗戶，沒有暖氣就很冷。爐子上的熱量不可能在短時間內傳遞到窗戶上，所以溫度不可能均勻。
黃慶國:是的，這需要時間。如果時間足夠長，房間隨時隨地都可以變得一樣。
但是有些人已經計算並發現，這種現象不能用宇宙的熱爆炸過程來解釋。20世紀80年代初，有一個傳奇人物叫阿蘭·古斯。他指出，在熱歷史之前還有一段寒冷的歷史。在那段時間裡，宇宙膨脹得非常快。
吳保軍:在熱爆炸之前有過一次爆發，那段時間氣溫極低。
黃慶國:我們稱之為「通貨膨脹過程」的過程為了促進宇宙的快速膨脹，需要有一種叫做「真空能量」的東西現代物理學告訴我們，真空不是空的，真空中有東西。所以真空中的能量推動宇宙快速膨脹。
宇宙中的物質是怎麼來的？就是這種能量(真空能量)不能完全穩定，會衰變，轉化成其他物質，這些物質就是我們今天看到的物質，宇宙就是這樣一種物質
吳保軍:有人說宇宙大爆炸開始時花了三分鐘。你說的是冷過程嗎？
黃慶國:否冷過程只持續了非常非常短的時間，大約10到負幾十秒。但是在10到負幾十秒這樣短的時間內，宇宙膨脹了10到幾十倍。所以我們稱之為通貨膨脹。
普遍認為在冷爆炸後宇宙有一個再加熱的過程，熱膨脹從那時開始
吳保軍:在隨後的熱爆炸之前，物質的誕生發生在重新加熱宇宙的過程中。曹穎，
:他想說的是，只有在如此短或小的範圍內，這些物質的交換才能達到今天的狀態。就像吹氣球一樣，起初氣球的密度是均勻的，但即使吹起來了大爆炸前的
是什麼？
吳保軍:大爆炸前是什麼？
黃慶國:首先，我們談論的所有科學都是實證科學。我們談論可以被檢驗的科學理論。然而，我們沒有辦法直接觀察到之前發生的事情。在我看來，這不完全是實證科學。
吳保軍:根據你的說法，這等同於一個哲學問題嗎？
黃慶國:許多人有許多不同的解釋，其中之一就是霍金的解釋。霍金的解釋有點類似於中國傳統的道家文化。道家認為，從無到有，一個叫做哈特-霍金宇宙波函數的量子過程描述了這樣一個過程
，但這只是試圖解釋大爆炸前宇宙狀態的許多理論之一。
曹穎:科學和哲學應該有邊界科學研究是我們所知道的。科學的邊界不斷擴大，各種理論通過我們的積累和實驗建立起來。我們知道有一個知識系統，但是這個知識系統不是靜態的，它是不斷變化的。知識的邊界在不斷擴大這一界限內的東西是明確界定的
，也就是說，首先要提出理論；其次，它可以通過實驗來測試。只要它是不能通過實驗來檢驗的東西，它就不會被提及。這個問題不屬於科學範疇。我們需要對哪些問題可以問，哪些不能問有一個非常清晰的定義。在
大爆炸之前到底是什麼？我沒有辦法做實驗。一百個人可以提出一百個假設。我無法說出誰是誰非。這不是一個科學問題
黃慶國:有一個著名的物理學家叫費曼他告訴我不要問這麼多為什麼。如果我們能解釋清楚就好了。
吳保軍:這句話是否也顯示了一些科學上的限制或科學上的無助？有許多問題我們暫時無法回答。這也是因為我們的實驗或技術方法沒有達到我們的期望。正是因為我們沒有達到我們的期望，這個實驗物理和理論物理的產業出現了。
黃慶國:或者從另一方面來說，問為什麼仍然很重要。它能鼓勵我們繼續前進。
曹穎:知識是一個圓。圈子裡的東西叫做知識。圈子之外的是無知，這是我們不知道的。愛因斯坦和普通人的區別在於他的圓更大，而我們的圓更小。在知識探索的過程中，我們的圈子不斷擴大，我們遇到越來越多的無知的事情。這是鼓勵我們積累知識和促進科學發展的動力。
黃慶國:所以從這個意義上說，從事科學研究的人將永遠面對黑暗，給別人留下光明。
宇宙會再次爆炸嗎？
吳保軍:137億年前發生了一次大爆炸。將來有可能再次爆炸嗎？
黃慶國:有足夠多富有想像力的理論家真正提出了這樣一個理論，它被稱為循環宇宙學。它不僅先膨脹，然後收縮，再收縮，然後膨脹再收縮，然後膨脹再收縮，然後膨脹再收縮，因此無限循環。這也是當前理論家提出的可能性之一。
吳保軍:這樣的理論能通過實驗得到驗證嗎？
黃慶國:有些人想在實驗中找到證據。確實有嚴肅的科學文章表明科學家正在做這些事情。我認為那些做理論研究的人可能和那些做實驗科學的人不完全一樣。他們應該保持更開放的心態。
，事實上，反過來，我一直在想這個問題。大陸板塊漂移和人類從魚類進化而來的理論難道不奇怪嗎？然而，所有這些奇妙的想法最終都有可能是正確的。什麼是
暗物質？
吳保軍:什麼是暗物質？它是如何被發現的？
曹真:關於暗物質，天文學中有一個非常簡單的觀測證據。是一個星系，就像我們的銀河系一樣，沒有幾個旋臂，恆星都分布在旋臂上由於整個星系的旋轉，科學家可以測量星系的旋轉速度，即旋臂的擺動速度，稱為線速度。在
測量了線速度之後，根據一個非常簡單的物理原理，叫做角動量守恆，這個旋轉速度受到重力的約束，也就是說，星系的質量決定了旋轉速度，而這個結果顯示了一個非常惱人的問題。
吳保軍:讓我聯繫你。你是在高中還是大學學的？速度的平方除以半徑等於向心加速度？這種向心力應該由星系內部的重力提供。
曹真:是的，這是一個非常簡單的道理如果我們測量旋轉速度，並把我們能用望遠鏡看到的所有恆星的質量加起來，我們會發現旋轉速度(實際觀察到的)比根據星系質量計算的旋轉速度要快。
吳保軍:快速旋轉意味著恆星的向心力實際上遠遠大於所有恆星提供的重力
曹穎:它大約大幾十倍。有一個非常嚴重的問題。物理定律正確嗎？經過數百年物理定律的發展，每顆恆星的軌跡都可以非常精確地計算出來。我們現在發射衛星和飛彈。軌跡非常精確，沒有任何誤差。
，所以物理定律非常精確然而，天文觀測結果與實驗結果不一致。差別太大了。因此，人們想像裡面可能有一些我們用雙筒望遠鏡看不到的東西。我們通常用電磁波來觀察星系。光是電磁波，所以這東西不能發射電磁波。不能發射電磁波，從物理上講，就是它不發光，不參與電磁相互作用，那麼就沒有辦法探測到它，它是黑暗的，但是由於星系的運動，可以感覺到它的存在
它也不參與強相互作用，也不形成原子核。原子核是由強烈的相互作用形成的。這是暗物質，很難找到。
吳保軍:所以當暗物質被命名時，「暗」意味著不可見曹穎，
:這個東西對宇宙學非常重要，因為它比我們現在用物理觀測所能看到的多幾十倍。
如何探測暗物質？
吳保軍:暗物質不參與電磁相互作用，肉眼看不清楚，也不參與強相互作用。它是如何被檢測和實驗實現的？曹穎:有多種方法可以找到這種物質。最好的事情是我抓了一把東西並抓住了它。這被稱為直接檢測。
也有一種稱為間接檢測的間接方法例如，如果兩個暗物質碰撞，可能會產生一個東西，這個東西可能會變成光。或者它自己衰變，衰變產物中可能有光，這給我們提供了一些機會。現在人們普遍認為它產生的是伽馬射線。
吳保軍:這是一種非常高頻率的電磁波
曹穎:因此，通過電磁波，如果我們有探測伽馬射線的方法，我們就可以尋找伽馬射線。
那麼什麼是直接檢測？剛才我們說過，如果暗物質是粒子，它也會產生碰撞。假設探測器中放置了一個原子或原子核，暗物質粒子無處不在。當這個暗物質粒子與原子核碰撞時，我看不到暗物質與它碰撞的過程，但是我可以看到這個原子已經被碰撞了，它會產生一個信號，這個信號可以被電磁探測器記錄下來。這是暗物質探測的原理
此外，太空中充滿了各種宇宙射線輻射，所以這種實驗必須去一個非常深、非常深的地面，進入洞穴，以屏蔽宇宙射線，在山上，如我國的金平實驗室，就在地下2000多米處
在這種環境下，你可以消除宇宙射線中的粒子，然後找到一種方法來阻擋你能想像的所有來源。把檢測用的晶體放在這種環境中，沒有熱運動。有一天我看到它移動，這發現了暗物質的痕跡。到目前為止，還沒有人見過
暗物質。根據我們的術語，它將總是與噪聲背景競爭，並且背景將總是被測量。
吳保軍:世界上有多少這樣的實驗室？曹穎，
:很多，我去過兩次其中一個在加拿大，叫做SNOLAB這是一個非常著名的實驗室。這是一個鎳礦，鑽下去2公裡，乘電車「哐哐」地往下走，速度很快，然後走三公裡就平進入一個巨大的實驗室，這個實驗室完全是現代化的另一個實驗室在義大利的格蘭薩索。
吳保軍:這個實驗室對遊客開放嗎？
曹穎:當然不能打開
吳保軍:如果要打開，背景噪音太大。
「宇宙射線」探索宇宙起源的新途徑
吳保軍:什麼是宇宙射線？它和暗物質有什麼聯繫嗎？
曹穎:宇宙射線實際上是各種各樣的原子核較輕的單個質子、氫核、氦核、鐵核和各種各樣的原子核從宇宙中飄散出來
吳保軍:如果這很普遍，探索或理解它有什麼意義？
曹穎:首先，宇宙射線正在滲透我們的空間剛才提到的微波背景輻射有一個共同點，那就是各向同性，各種能量都有，比我們人類加速器產生的粒子能量高几千萬倍。儘管這些粒子
非常普遍，但當它們的能量達到這個水平時，一個更困難的問題出現了:宇宙加速器在哪裡？為什麼它能把粒子加速到如此高的能量？為什麼我們人類不能這樣做？
我們建造了一個周長為27公裡的加速管，它加速到如此高的能量。現在發現的所有上帝粒子都來自那個地方宇宙射線容易產生的能量可以通過把探測器放在地面上進行測量來探測。
宇宙射線的加速機制可能會給我們提供一個全新的概念，它成為一個前沿領域，我們稱之為極高能量前沿。
吳保軍:曹先生，你是拉索項目的負責人。套索與宇宙射線有關嗎？曹穎，
:我們的宇宙線實驗是在青藏高原上進行的我們希望有一個儘可能與西藏和拉薩相關的名字。我們需要能夠諧音。這是套索的來源。結果，我碰巧遇到一個藏語感嘆詞，叫做「套索」，意思是「好」它被用來探索宇宙的起源。探索宇宙起源的方法是什麼？是探測最高能量的伽馬射線我們期望的是找到PeV的伽馬射線
宇宙充滿了2.7K微波背景輻射，這是光子，非常低能量的光子如此高能的PeV光子將與低能光子碰撞那些沒有碰撞和逃脫的倖存者是我們想要觀察的。
如果能找到它們，就能追蹤到源頭。就這樣，宇宙射線的來源被發現了。
吳保軍:套索看起來像什麼？我們的快餐是一個大鍋飯。這傢伙是個大塊頭還是什麼？
曹穎:這是一個大網絡，一個大陣列這個陣列是一個直徑約為1.3公裡的圓盤FAST直徑為500米，拉索更大。它有四個主要的探測器。
吳保軍:宇宙射線和暗物質之間有什麼關係？曹穎，
:對我們來說，探測暗物質的一種更有效的間接方法是用強烈的伽馬射線輻射來觀察特別黑暗的東西。如果拉索是一個好的伽馬射線探測器，看看拉索看到的星星裡是否有這樣的東西。
也不能漫天找，還是要有點頭緒這條線索是宇宙學研究中一個特殊的東西，叫做矮星系。
矮星系是什麼意思？在天文學中，高度和高度指的是它的亮度。矮星系表明它們極其黑暗，但是它們的質量非常大。它發出的光很少，強度也很小。
如果人們能在矮星系中發現一些特殊的伽馬射線，這是令人驚奇的。你看，它發出很少的物質，發光強度很小，質量很大，然後有一點伽馬射線，這是暗物質。
吳保軍:拉索有可能找到外星人存在的證據嗎？
曹穎:這不太可能因為這是一個探測裝置，是一個探測器，從那裡探測到的信號只是接收特別是對於像拉索這樣的探測器來說，它們測量到的信號能量太高，至少不是正常人類生活的信號。因此，它不應該被定義為外星探測器人類會陷入永恆的孤獨嗎？
吳保軍:剛才我們說宇宙正在膨脹，我們觀察到的恆星離我們很遠。這是否意味著我們人類變得越來越孤獨？其他星球離我們很遠，也就是說，其他文明離我們很遠。你覺得這個怎麼樣？
黃慶國:這確實是一個包括科學家在內的許多人都關心的問題一個更深刻的問題是我們知道熱力學第二定律，這意味著系統中的混沌程度總是在增加。從學術角度來說，熵正在增加。到目前為止，我們還沒有看到任何違反這一定律的實驗。這將給我們一個更加悲觀的宇宙觀，也就是說，宇宙最終將變成一團混沌，一無所有。它會達到一個熵極高的狀態，而什麼都沒有。曹穎，
:將人類與宇宙的擴張聯繫起來的尺度太大，實際上並不直接。人類在地球的太陽系中，而太陽系在銀河系中。與人類的概念相比，這樣一個系統足夠大。
然後談論星系之間的持續膨脹，這在星系中實際上沒有感覺到科學家正在尋找的所謂地外文明或地外行星實際上位於銀河系的圓圈中。
至少在人類短暫的歷史中不會改變。至於地球要飛得更遠，這件事與人類的孤獨無關
