@ 2019.06.04 , 12:00

或许把宇宙的年龄多算了10亿年

最近的研究表明,宇宙学家可能把宇宙的年龄多算了10亿年——这一认知令人惊讶——他们不得不重新梳理从宇宙大爆炸到现在的这部分科学故事。

失去的时间尤其令人烦恼,因为在充满神秘色彩的宇宙中,它的年龄被看做是为数不多的近乎确定的事实之一。到2013年,欧洲普朗克太空望远镜对宇宙辐射经过详细的测量,似乎得出了最终的答案:138亿年。剩下要做的就是通过对其它星系中明亮恒星的独立观测来验证这一数字。

然而,发生了意想不到的事。

一些团队,包括由诺贝尔奖得主Adam Riess领导的巴尔的摩太空望远镜科学研究所,开始进行独立观察,却没有证实普朗克的测量结果,而是得到了截然不同的东西。

“我们说,'等一下,我们没有通过测试——我们没有通过测试!'”Riess说。

他估计,按他们的表面结果,物质世界只有125亿到130亿年的历史。

起初,合理的猜测是,Riess和其他观察者犯了错误。但随着研究继续进行,结果依然不一致,而对普朗克数据的再分析也没有显示出任何问题。

如果两边的数字都正确,那么问题必然出在更基础的层面上。也就是说,在我们宇宙的基本模型里。“这种差异表明宇宙学模型中存在一些我们无法正确理解的东西,”Riess解释说。什么东西都可以,反正现在没人知道。

宇宙的历史

当前的矛盾可以追溯到1929年,当时天文学家Edwin Hubble埃德温·哈勃发现星系正从各个方向远离地球。更令人震惊的是,哈勃发现,星系离我们越远,速度就越快。这意味着星系之间也在远离彼此。“所有这一切唯一合理的解释就是,空间在扩张。”Riess说。

“空间扩张,对我来说也很难想象。”Riess说。“但这就是所有数据所显示的,也是理论所预测的。”甚至哈勃本人也从未完全接受自己的发现的全部含义。

一个不断扩张的宇宙意味着宇宙具有明确的年龄,因为你可以回溯整个过程,当宇宙中的所有东西都挤在一起,形成一个极其密集、炎热的状态——我们称之为大爆炸——就不得不停止回溯,这里就是宇宙的起点。

“对于人们来说,这是另一个难以理解的概念。”芝加哥大学的宇宙学家Wendy Freedman说,并补充说别把大爆炸的过程想象成房间里的炸弹。她说:“大爆炸是空间本身的爆炸,而不是在空间里的什么东西爆炸。”

换句话说,空间本身在星系之间延展,使星系远离彼此——从大爆炸开始一直持续的过程。因此,追问大爆炸发生在哪里毫无意义。正如Freedman所说,“爆炸没有中心或边缘。”

但在不断扩大的宇宙中,时间具有起点——至少是我们所理解的时间。天文学家通过测量星系分离的速度,他们可以找出宇宙诞生的时刻。他们所要做的就是保证在银河系尺度上的测量结果足够准确。

为宇宙计时

Freedman三十多年来一直在研究这个问题,其难度远远超过她的预期。“这是令人难以置信的挑战,”她说,“想象一下,测量范围达数亿光年,误差精度要求达到1%!”

哈勃本人也用手边的数据估算过宇宙的年龄。最初的计算结果显示,地球比宇宙更加古老,因为他大大低估了与其他星系的距离。

科学家创造普朗克太空望远镜的原因之一,就是应对直接观测其他星系所带来的难题。它可以探测到大爆炸留下的背景辐射。如果知道如何解码,可以从辐射模式中还原早期宇宙的确切的物理状态。原则上,普朗克上的仪器应该能够告诉我们宇宙的成分和年龄。

普朗克望远镜取得了巨大成功。它表明,26%的宇宙由暗物质构成——将星系固定在一起的隐形物质。同时证实了一个惊人的事实,即宇宙是由暗能量控制的——驱动空间膨胀的未知力量。(检测到暗能量使Riess获得了2011年诺贝尔物理学奖。)

上述发现的可能意蕴是,宇宙将不停地,更快地,越来越快地扩展到更深的热寂黑暗中。这是一个令人不安的想法,Riess宁愿不再赘述:“时间的尺度超出了人类理解的范围,不要用人类的方式来理解。”

也许最令人满意的是,普朗克最终完成了哈勃的工作,确定了宇宙的膨胀速度以及存在时间。或者看起来如此。

缺失的环

幸运的是,Freedman和Riess及其同事并没有放弃确定宇宙年龄的替代方法。他们不断改进观察结果,现在正接近雄心勃勃的目标,即1%的精度。这就是当前争议的背景——科学家们礼貌地称之为“紧张局势”。

最新研究表明,宇宙的扩张速度比普朗克给出的数值大9%左右。可能听起来不无关紧要,但在宇宙的历史上,它相当于差了数十亿年。

鉴于存在失误风险,每个人都在反复检查他们的结果,以找出可能的错误来源。但是,问题可能不是出在观察结果上,而是支撑它们的宇宙学理论。如果理论本身是错误的或不完整的,普朗克的读数也将是有缺陷的。

普林斯顿大学的天体物理学家Jo Dunkley说:“目前还没有找到一个一致的,适用于所有宇宙学数据的故事。”他对普朗克的结果进行了广泛的分析。“这意味着还需要更多令人着迷的工作,看看是否可以解释所有。”

当前的“紧张局势”提醒科学家,他们其实仍不了解大自然的基本规律。Dunkley怀疑问题出在中微子上,它们在整个太空中都非常丰富。“我们在实验室中测量中微子并将它们置于我们的宇宙学模型中,(想当然地)假设它们的行为与我们期望相符,但我们根本不知道这是否属实。如果暗物质变得比我们想象的更复杂,我也不会感到惊讶。”

然后是暗能量之谜。“对它们,我们还没有令人满意的想法。也许模型中完全缺失了某种元素,有待发现。”Freedman说。理论物理学家们倒不乏新想法:新型暗能量、新场、新粒子。

弄清楚哪种解释是正确的——如果有的话——将需要对测量方式进行巨大改进,好弄清宇宙实际上在做什么。Freedman对于我们无知的严重程度直言不讳:“问题是,我们还有什么尚未了解?我希望能在一百或一千年后找出答案!”

本文译自 nbcnews,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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