科技前沿：加速膨脹中的宇宙

作者：章德海發表：2002-02-12 08:39

宇宙之浩瀚與神奇，令人驚嘆和神往。朵朵星系的基本成分是像恆星那樣閃閃發光的「重子型物質」，但宇宙中還有相當一部分不怎麼發光的「重子型物質」，例如星雲、行星、矮星、黑洞等。所謂「重子型物質」，是指人們在地球上或實驗室內常常遇見的普通物質或其不同變態。

　　令人驚奇的是，全部「重子型物質」僅佔宇宙的約4%，26%的宇宙成分是所謂「暗物質」，另有約70%是所謂「暗能量」。這些「暗物質」和「暗能量」是人們非常不瞭解的嶄新形態。宇宙不但成分特殊，而且並非像我們初看上去那樣是靜態的，宇宙其實是在動態地膨脹著。宇宙如此浩瀚，人類如此渺小，人們怎麼知道「全宇宙」由哪些成分組成，而且還大體知道其比例，並得出如此驚人的結論呢？
　　我們通過高精密望遠鏡，可以觀測到遙遠的星體發出的星光光譜線向紅端移動。光譜紅移表明星體在退行，越遙遠的星體光譜紅移越大。如果宇宙等速膨脹，那麼距離與紅移成正比，這就是著名的哈勃定律。1998年科學研究出現重大進展。科學家發現，宇宙並非人們一貫想像的那樣，由於□有物質的存在而應該減速膨脹。相反，宇宙在加速膨脹。這標誌著宇宙的主要成分不是物質，而是一種嶄新形態：「暗能量」。2000年，宇宙加速膨脹有了重要佐證，這就是宇宙微波背景各向異性的精確測定。

　　20世紀60年代初，科學家發現宇宙中普遍存在3K度微波背景輻射，其實它是高溫熱大爆炸宇宙經充分膨脹後的餘溫，它相當均勻和各向同性。但是，3K度微波背景輻射有著萬分之一的非均勻性起伏，其中蘊藏了極其豐富的早期宇宙的寶貴信息。正是從這些信息的分析中，人們瞭解到宇宙是平直的，而且具有上述成分比例。不同方法的天文觀測，如星系團X射線分布、引力透鏡、宇宙年齡的推斷、大尺度結構演化等，給出了更多的佐證。宇宙僅有不到40%的「物質」，它包括了「重子型」和「暗型」。各項成果的交叉驗證基本證實了我們對宇宙的這一整體看法，這是非常了不起的成就。

　　然而，挑戰也是嚴峻的。「暗物質」的本質是未知的，它與我們普通的「重子型物質」間沒有電磁和強相互作用，因此很難探測到它，我們僅是靠其大規模引力效應才推知其存在。相當多的科學家寄希望於，「暗物質」就是推想中的超對稱擴充版的「粒子標準模型」中的所謂「中性微子」，但遠未從實驗上證實其存在。至於「暗能量」就更加神秘了。粒子物理可知作為「暗能量」可能形態之一的「真空能」或稱作「宇宙學常數」，但它們卻總是比宇宙學中所需要的「暗能量」高出了幾十個量級。這預示著我們的基本物理存在重大缺陷和面臨危機。

　　另外，一種像「宇宙學常數」那樣的「真空能」的存在將主宰宇宙的未來，我們今天所能看見的星系都將加速飛離我們的視野，永無返還。因此我們必須結合粒子物理和宇宙學的最新成就，研究宇宙給基本理論帶來的嚴峻挑戰，展示一種使我們更感寬心的宇宙未來前景。

光明日報

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