程鹗的科学网博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/eddiecheng 与科学、科学家、科学历史有关的通俗小文

博文

宇宙膨胀背后的故事(卅四):天若有情天亦老 精选

已有 5422 次阅读 2020-4-29 05:53 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

也是2300来年前,诗人屈原仰天长问:“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?”

无论是特莱恩、维伦金还是霍金,他们提出的宇宙起源说还都算不上真正的无中生有。因为他们依据的是我们今天所理解的真空涨落、四维时空等物理规律。他们能设想客观世界的有生自无,却无法解释这些自然法则来自何处。在大爆炸那一瞬间的“遂古之初”,谁传来了量子力学之“道”?

2017年2月,《科学美国人》杂志发表了一篇由斯泰恩哈特与人合著的文章,指出暴胀、多重宇宙等现代宇宙学概念无法实际检验,不存在证实或证伪的可能。因此,它已经逾越了科学的范畴,只是无谓的数学、哲学游戏。

几个月后,包括古斯、林德、维伦金、霍金、温伯格等33位著名物理学家联名撰文回应,捍卫暴胀理论。虽然学术界内部分歧从来不是什么秘密,科学家通过联署方式在大众刊物上论战科学问题却也不多见。这凸显了宇宙学擅入“上下未形”之境而遭遇的“何由考之”窘境。(霍金于2018年3月14日去世。他死后才发表的最后一篇学术论文题目是《能顺利地退出永恒暴胀吗?》(A Smooth Exit from Eternal Inflation?)。)

在没有实验可据的情况下,他们也只能依赖自己的直觉。2005年11月的一次学术会议上,主持人问起与会者对多重宇宙究竟能有多大信心。他们可以选择用自己的金鱼、宠物狗、性命打赌。夏玛的另一个学生、担任英国王家天文学家席位的芮斯(Martin Rees)说他勉强可以押上他的狗。林德则大义凛然地赌上了自己的性命。

温伯格知道后,在随后的一次会议上大方地表示他有足够的信心同时押上芮斯的狗和林德的命。

× × × × ×

2014年3月的一天,斯坦福大学42岁的助理教授郭兆林(Chao-Lin Kuo)来到66岁、已经在斯坦福任教了20多年的林德的家。郭兆林是有备而来,身后跟着工作人员为这次拜访全程录像。林德夫妇开门时,显然对这个阵势有点惊讶。郭兆林开门见山:我是来给你们一个惊喜:“在0.2有5σ”。也是天文物理学家的林德夫人听到这句暗语式的行话,立刻颤颤巍巍地上前拥抱了郭兆林。林德在后面却颇为迟疑,要求郭兆林重复一遍,再重复一遍。

镜头一转,他们已经在桌前打开了一瓶庆贺的香槟酒。林德眼角含泪地感慨道,30年前订购的东西终于被送到了。但他依然难以置信,希望这确实是真的,而不是被耍了。因为他可能太愿意被耍,因为这会是如此地美丽……

随后的3月17日,郭兆林和他的同行们在哈佛大学举行了一场轰动全球的记者会,正式宣布他们在微波背景辐射中探测到了来自宇宙暴胀时期的引力波信号,第一次获得暴胀的直接证据。古斯、林德还有最早发现微波背景辐射的威尔逊均在前排就座。一时间,“宇宙暴胀”、“多重宇宙”等等科幻式的术语充斥了新闻标题。

25JPOVER-jumbo.jpg

2014年3月,古斯(右一)、林德(右二)、威尔逊(左三)与郭兆林(右三)等在记者会后合影。

然而,林德的担心竟一语成谶。他们的确是“被耍了”,郭兆林所在团队测得的信号后来被证明只是宇宙尘埃带来的假象,不真实。(这一事件更详细的来龙去脉,参阅《捕捉引力波背后的故事(十六):南极上空的乌龙》。)

虽然古斯、林德一再坚持宇宙平坦、视界问题的解决早已证实了暴胀。但在30多年后,它迄今依然是个理论,缺乏直接的观测证据。

× × × × ×

2019年7月,100来位天文学家又一次在加州海滨聚会。49岁的里斯做了开场演讲。他展示一张图片,上面写着“哈勃常数麻烦?”,其中“麻烦”(tension)被划掉,改为“问题”(problem)。

里斯对这两个描述都不满意。他问听众中的格罗斯(David Gross)应该用哪个字眼。格罗斯回应:“我们不会称之为‘麻烦’或‘问题’,我们会把它叫做‘危机’(crisis)。”

里斯点头,“我们是处于危机之中。”

KITP_2K_01-Riess.jpg

2019年7月,里斯在做关于哈勃常数测量的学术报告。

这个新的危机其实还是天文学的老大难:哈勃常数的数值。在发现宇宙加速膨胀而获得诺贝尔奖后,里斯又把眼光转到这个最基本的参数。他希望用21世纪的科技手段将测量误差降到百分之一以下,比芙莉德曼十年前的成就再提高一个数量级。

现代的天文学家已经有多种测量哈勃常数的途径。宇宙微波背景辐射中蕴藏着大量早期宇宙的信息可供发掘。普朗克卫星对它做了非常精确的测定。皮布尔斯、虞哲奘以及泽尔多维奇等人在1970年代初提出的一个用“重子声学振荡”(baryon acoustic oscillations)测量早期宇宙遗留大尺度结构方法也已经实现。二者结果高度符合,得出的哈勃常数用天文单位表示都是67.4。

可是,里斯他们对星体距离、速度的测量所得的数值却都在74左右。这两个数字相差只有百分之十。不过几十年前,天文学家还在为哈勃常数在不同的测量中相差两倍以上而伤透脑筋。但这是新的时代,是天文学作为精准科学的21世纪。这两组数据的差异超出了它们各自误差范围的五倍,因而是“麻烦”、“问题”,乃至“危机”。(就在那个会议上,芙莉德曼的团队公布了她们的新结果,哈勃常数是69.8,又差不多是在两组数据的中间。)

× × × × ×

格罗斯不是宇宙学家。他研究的是基本粒子理论,也是诺贝尔奖获得者。在那个领域,他早已习惯极其精准的理论预测和验证。所以,他可以毫不留情地把一个百分之十的差异列为“危机”。

然而,在粒子物理与宇宙学合流的半个多世纪后,他们自己也有着一个更为显著的危机:作为暗能量的宇宙常数。

爱因斯坦引进宇宙常数时没有物理根据。他只知道场方程中的这么一个项是广义相对论对称性所允许的,并能让他获得一个恒定不变的宇宙。在宇宙膨胀被发现后,爱丁顿、勒梅特等人都曾劝告爱因斯坦不要轻易舍弃宇宙常数。勒梅特最为执着。他认为既然广义相对论允许该项存在,它应该就是真实的物理。(类似地,盖尔曼后来提出量子力学的“极权原则”(totalitarian principle):凡是不被禁止的都必然会存在。这个原则似乎正好是与“奥卡姆剃刀”(Occam's razor)唱反调。)

因为宇宙常数项在广义相对论中表现为空间本身的性质,与物质无关,勒梅特认为那其实就是量子力学中的真空零点能。的确,真空能与引力相反,表现为空间自身含有、向外扩展的张力。这与宇宙常数、暗能量合丝入扣。

泽尔多维奇在1960年代率先做了量子场论计算,结果大为震惊。量子力学的真空能作为Λ实在太大了,其数值是后来测定的Λ的10120倍!这是一个1后面跟着120个0的大数,是天文学家也没见过的天文数字。

这个“宇宙常数问题”(cosmological constant problem)大概是历史上理论与实际脱节的最糟糕案例。如果有宇宙有那么大的Λ,不仅是如温伯格后来计算的无法有人类生存,宇宙本身压根就不可能存在。

当然,人择原理告诉我们,宇宙并没有被如此巨大的暗能量撕裂。Λ其实很小。泽尔多维奇设想可能还存在尚未发现的物理作用,抵消了量子力学真空能的绝大部分。如果真是这样,这个超大数字上的抵消需要无比精确,才能恰好余下我们所观测的数值。那会是一个比宇宙平坦更为精致、更为惊人的巧合。

× × × × ×

戴自海1980年在中国开会、探亲结束回到美国时,好朋友古斯业已功成名就,宇宙暴胀也成为最热火的研究领域。他选择了回避:“既然已经错过了这条船,不如再等下一条更大的船。”这一等就是20来年。其间他作为康奈尔大学的教授,已经成为一个超弦(superstring)理论专家。

大统一理论获得成功之后,物理学家在1980年代开始了新的探索。虽然叫做“大统一”,那个理论只是成功地统一了强、弱、电磁三个相互作用,还无法容纳引力。同时,大统一理论有着50多个无法解释的参数,只能通过与现实世界拟合设定。超弦理论试图弥补这两个大缺陷,完成所有相互作用的统一,并不含有任何可调参数。

那是爱因斯坦生前未能实现的梦想。他在追求统一场论时表示:“我感兴趣的是上帝有没有可能将世界创造成不同的样子。亦即,在必要的简洁逻辑限制下,是否还留有任何自由度?”(“What I am really interested in is whether God could have made the world in a different way; that is, whether the necessity of logical simplicity leaves any freedom at all.”)超弦追求的就是一个不给上帝留下任何自由发挥余地的理论,一个终极、完整、揽括全部客观世界的“万物理论”(theory of everything)。

然而,蹉跎十多年后,超弦理论在1990年代后期也开始异化。原来表达微观粒子的一维的“弦”变成了二维甚至更高维的“膜”(membrane,简称“brane”),所蕴含的自由度也越来越多。以这个模型描述宇宙,在所谓的“超弦景观”(string theory landscape)中能出现10500(1后面跟着500个0!)种不同的宇宙。那是一个超级庞杂的多重宇宙。我们处在、或能处在哪(些)个宇宙无法预测,只能再度诉诸于人择原理。

也是在这个背景下,戴自海在1998年提出宇宙来源于两个膜碰撞的“膜暴胀”(brane inflation)理论,登上了20年前错过的船。2011年,他从康奈尔退休,加盟香港科技大学。

× × × × ×

与屈原大致同一时代,相传杞国曾有个人担忧天塌下来、日月星宿坠落而寝食不安。他的聪明朋友告诉他天体只是发光的气,不会掉下来。即使掉下来也砸不死人。于是他就安心了。

相隔半个地球,那时的希腊人也在琢磨天上的星球为什么不掉下来。他们得出的结论是恒星、行星分别固定在绕地球转动的不同球壳上,所以才不会掉下来。

牛顿却发现,天上的星星不掉下来与树上的苹果掉下来其实没有区别,遵从了同样的物理定律。与杞人的朋友、托勒密的天球不同,牛顿的动力学能够可靠地预测未来,故足以“考之”。我们不仅可以提前知道行星的位置、日食月食的发生,还能发现未知的行星。我们还可以从地球上发射飞行器,它们在航行十几年、几十亿公里后能准确无误地出现在天王星、海王星等地球远邻之所在,为我们传回那些天体的精彩照片。

如果杞人活到今天,他也许会欣慰地知道“天”不仅没塌下来,反而还离地越来越远地在升上去,直到会离开我们的视界而消失。

然而,他当初的忧虑也不是完全没有根据。在几乎所有的星系、星系团随着宇宙的加速膨胀远离的同时,与银河同属于“当地星系群”的仙女星系却与我们不离不弃,并因为相互引力的牵拉而逐渐靠近。如果杞人能够看到那个巨大的星系在携带着它那千亿颗恒星越来越快地向我们奔来时,他更会焦虑发狂:天到底还是要塌下来了。

根据模型演算,仙女、银河两大星系,以及近旁的附属小星系,在大约40亿年后会迎头碰撞、合并。无法预测的是那时候还会不会有人类,或其它未知形式的智慧生命体,能亲眼目睹这起身边的特大天文事件。

654290main1_p1220bk-673.jpg

地球视角的仙女星系与银河碰撞的计算机模拟结果。左上,现在的银河系和仙女星座;右上,20亿年后,仙女星座趋近银河;其余依次:37.5亿年,仙女星座占据一半夜空;38.5亿年,星系碰撞,产生大量新的恒星;39亿年,新的恒星充满夜空;40亿年,两个星系因为互相引力而变形;51亿年,天空出现两个非常明亮的点,分别是两个星系的核心区域;70亿年后,两个星系完成合并,形成一个巨大的椭圆星系。夜空中只剩下一个核心区的明亮。

假如他们能在那场动荡中生存下来,他们会发现自己生活在一个崭新的世界。仙女、银河合并成一个巨大的星系,夜空会比只有银河时更明亮得多。然而,在那个星系之外,宇宙空空如也,一片漆黑。不再有任何其它星系存在,更没有什么背景辐射。

他们中的杞人会发出新的警告:下一轮浩劫又已迫在眉睫。太阳的寿命即将结束,其内核会塌缩而爆炸,地球将在瞬间灰飞烟灭。

也许,这些天文事件犹如森林中倒下的大树,届时已经不再有人能看到它们的壮观、听到它们的轰响。

温伯格在《最初三分钟》的结尾中写道:“宇宙越能被了解,就越显得毫无意义……人类为理解宇宙所作的努力是能让其无聊的生涯略显成就的极少亮点之一,却也赋之于悲剧色彩。”("The more the universe seems comprehensible, the more it also seems pointless.....The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and gives it some of the grace of tragedy.")

× × × × ×

1990年2月14日,已经在太空独自遨游了12年多的“旅行者1号”(Voyager 1)飞行器即将离开太阳系。它遵从来自地球的指令最后一次蓦然回首,从60亿公里之外为家乡拍摄了一组照片。它目光中的地球只是一个“淡蓝色小点”(pale blue dot,天文学家萨根(Carl Sagan)的描述)。

P36254.jpg

1990年2月14日,美国航天局宇宙飞船旅行者1号从60亿公里之外拍摄的地球照片。

在宇宙中这么一个不起眼的斑点上,生命还在顽强、旺盛地繁衍。那里曾出现过伽利略、牛顿、爱因斯坦,勒维特、鲁宾、廷斯利,伽莫夫、兹威基、霍伊尔,狄克、皮布尔斯、古斯、林德,勒梅特、哈勃、珀尔马特、里斯……

他们仰望星空,以不懈的努力和理性的逻辑认识、理解了宇宙,从而让我们,作为智慧人类,拥有了这个世界。

爱因斯坦曰,“这个世界永恒的神秘是它的可被认知性……它能够被认知这一事实就是一个奇迹。”(“The eternal mystery of the world is its comprehensibility…The fact that it is comprehensible is a miracle.”)


(完)




https://blog.sciencenet.cn/blog-3299525-1230673.html

上一篇:宇宙膨胀背后的故事(卅三):宇宙之有生于无
下一篇:量子纠缠背后的故事(之一):无所畏惧的爱因斯坦

12 邢志忠 郑永军 刁承泰 吴斌 吕建华 王安良 黄永义 文克玲 史晓雷 陈晨星 季明烁 高峡

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (5 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-12-7 17:43

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部