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世间所有的相遇都是久别重逢 精选

已有 4714 次阅读 2022-9-2 11:21 |系统分类:科普集锦

公众们最佩服的是有预言能力的人,把他们当神看待。科学家们也是如此,当一个科学理论的预言被证明后,他们的科学地位将得到极大提升,他们的学说也会被更多的人相信。

宇宙微波背景辐射的发现奠定了伽莫夫的科学地位,他被誉为宇宙标准模型的创始人。至少在科学界,认同宇宙标准模型的人越来越多了,也有更多的科研人员参与到宇宙标准模型的发展和完善之中。皮布尔斯就是其中的一个,就是上文中提到的接到彭齐亚斯电话后心里凉凉的那位。

2019年诺贝尔物理学奖获得者詹姆斯·皮布尔斯

皮布尔斯是阿尔伯特爱因斯坦科学教授,名誉退休。他被称为宇宙学研究的巨头,在大爆炸核合成、微波背景辐射(CMB)、暗物质、暗能量和宇宙形成结构理论等领域做出了突出的贡献。而这一切成绩都得益于他深厚的理论基础。

皮布尔斯1935年4月25日出生于加拿大马尼托巴省,1958年获得马尼托巴大学学士学位,1962年获得普林斯顿大学物理学博士学位。毕业后留校并同他的导师罗伯特·迪克(Robert Dicke)研究宇宙早期是否有留下残余辐射的问题。他们改进雷达,并发明了微波辐射计来检测极微弱辐射。正当他们忙得热火朝天的时候,迪克教授就接到了彭齐亚斯打来的电话。彭齐亚斯在电话中告诉他贝尔实验室的天线测量到了一种神秘的噪音,也许就是他们要找的残余辐射。

彭齐亚斯的电话无异于石破天惊,放下电话的迪克只对伙伴们说了一句话:“各位,我们已经被人抢先了。”皮布尔斯当时的感觉就像现在的优秀运动员丢掉了金牌一样,感到非常沮丧和迷茫。导师罗伯特·迪克看到这种情况就对他建议说:“为什么不去考虑这个理论?”从此,皮布尔斯便走向了宇宙理论研究的道路。他后来回忆说:“从那以后我一直在做”。在诺贝尔新闻发布会上他还说“我走了哪一步?我很难说,这是一生的工作”。

皮布尔斯从CMB那里获取有关宇宙起源和内容的信息,从而将理论宇宙学带入了一个新的严格的时代。1965年,皮布尔斯和同事们对CMB的概念及其与大爆炸的关系做了基本解释。他们认为,光几乎是从一开始就在整个空间传播的,随着空间的扩展,光线逐渐减弱,并且随着时间的推移能量减弱。从今天这些光子的能量来看,它们可推断出超过100亿摄氏度的早期宇宙温度。在那个炎热的早期时代,成对的电子和中微子将自发地形成,从而导致质子和中子的合成,并产生原子核。

1966年,皮布尔斯首次详细计算了在此过程中会产生的各种同位素的丰度,创立了大爆炸核合成方法。他通过从CMB的温度推断出中子和质子的原始密度,计算出氘、3He和4He的相对含量。但是,基于CMB的估算与当今天文学家所观察到的不同。差异表明可能缺少关键成分。随着对CMB的理论和观察的改进,皮布尔斯和其他理论学家越来越相信,质子和中子的早期密度接近于另一种物质(现在称为暗物质)的密度,该物质除了重力以外很难与其他物质发生相互作用。

在1970年,皮布尔斯率先提出了宇宙结构形成理论,该理论描述了CMB中看到的微妙的热点和冷点如何演变成当今宇宙中的星系和空隙。他继续为宇宙膨胀理论做出了重要贡献,这是大爆炸开始之初的指数式扩张期,同时也增进了我们对暗能量的理解。“吉姆是该领域真正的巨头之一”皮布尔斯在普林斯顿大学的同事保罗·斯坦哈特在一封电子邮件中写道。“他的工作将我们对炽热、不断扩展的宇宙的理解从定性转变为精确,揭示了暗物质的存在,并指出了仍然存在的难题。”比尔·琼斯说:“很难夸大吉姆对人类理解我们在宇宙中的地位所作的贡献。”“除了为现代宇宙学打下大量的理论基础外,吉姆还开创了许多方法,使宇宙学成为一门预测科学,并使我们能够用观测数据来检验我们的理论。”

深厚的理论知识为皮布尔斯研究宇宙张开了飞翔的翅膀,使他既能鸟瞰整个宇宙的壮丽景象,也能深入到它的细微之处,并对其进行描述和解释。他获此殊荣,当之无愧!

皮布尔斯等人的工作使我们对宇宙的发展史有了深入的了解,我们可以通过理论计算追踪宇宙的过去,预测宇宙的未来。

宇宙的膨胀示意图

简单说来,我们的宇宙起源于138亿年前的一个极端高温高密的小点。此时的温度为10的32次方开尔文,称为普朗克温度。与这能量相应的时间约为10的负43次方秒,称为普朗克时间。经典宇宙的膨胀就是由此开始的,随着膨胀的进展,宇宙的温度越来越低,密度越来越小。

这个区域发生了暴涨,这团暴涨的能量在急速的膨胀过程中温度渐渐降低,宇宙从一团能量中逐渐诞生出夸克和胶子,再从夸克胶子中诞生重子(质子和中子)物质,然后开始了最初核合成,氢和氦以及少量的锂元素就是那个时候诞生的,而此时,宇宙才刚刚过去了20分钟而已!

宇宙演化历史

宇宙演化可分为以下阶段:量子引力时期,时间约为10的−43次方秒(温度为10的32次方开尔文),引力从其他相互作用分离出来。暴胀时期,时间为10的−35次方秒(温度10的28次方开尔文),大统一对称性破缺,强核力分离出来;10的−34次方秒暴胀开始,10的−32次方秒暴胀结束,重新加热开始。

强子–轻子时期,10的−12次方秒(温度10的16次方开尔文),电弱时期开始;10^−11秒(3×10^15K)电弱时期结束,弱核力同电磁力分离;10^−5秒(2×10^12 K),由夸克形成强子;5×10^−4秒(4×10^11K),重子与反重子出现不对称;10^−1秒(3×10^10K),中微子退出热平衡;1秒(10^10K),中子–质子比冻结;10秒(5×10^9K),电子–正电子对淹没。辐射时期,10^2秒(10^9K),平均光子能量降到低于氘的束缚能,核合成开始;10^3秒(4×10^10K),粒子能量降到低于库仑势垒,核合成结束。


宇宙的相互作用演化史

宇宙早期的膨胀因子可以由温度或红移来计算。根据粗略的估计,当核力开始分离时,也就是我们身体中的夸克开始形成时,宇宙的寿命仅有10的-35次方秒,此时的温度约为10的27次方开尔文,宇宙的半径也不过2米左右。因此,对人类来说,组成我们身体里的物质材料早在138亿年前就遇到了。所以说现在世间所有的相遇都是久别重逢,此话一点也不差。




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