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2003年科學(xué)最大突破：照亮黑暗的宇宙(組圖) 今年美國國家航空航天局(NASA)首次發(fā)布了詳細(xì)的全天空宇宙微波背景輻射地圖。證實宇宙大部分是由神秘的暗能量和暗物質(zhì)組成的，并且給出了宇宙的確定年齡和精確的膨脹速度。 宇宙大爆炸發(fā)生后，早期宇宙是極高溫度和極高密度的均勻氣體，隨著宇宙的膨脹，宇宙的溫度會降低，當(dāng)溫度降低到退耦溫度(Td=0.26eV，相當(dāng)于3000K)以下時，質(zhì)子與電子會復(fù)合生成氫原子并放出光子。當(dāng)大多數(shù)自由電子被質(zhì)子俘獲后，光子就可以自由地在宇宙中傳播，即宇宙對光子變得透明了，這就是我們能夠觀察到的宇宙中最古老的光，它攜帶了宇宙大爆炸后遺留下來的信息。由于宇宙學(xué)紅移，我們現(xiàn)在觀察到大爆炸后遺留下來光子頻率的極大值已經(jīng)移動到了微波波段，這就是宇宙微波背景輻射(CMBR, Cosmic Microwave Background Radiation)。 1992年，NASA曾發(fā)射過一顆宇宙背景探測者衛(wèi)星(COBE)并觀測到了宇宙微波背景輻射在不同方向上存在著微弱的溫度漲落。為了進(jìn)一步研究這種各向異性現(xiàn)象，今年NASA的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)第一次清晰地繪制了一張宇宙嬰兒時期(大爆炸后不到38萬年)的圖像。這張清晰的早期宇宙圖像標(biāo)志著宇宙學(xué)進(jìn)入了一個新的時代。
宇宙的年齡大約是130億年，38萬年壽命宇宙的圖像相當(dāng)于一個80歲的人在他出生當(dāng)天拍下的照片。 有了這一進(jìn)展，以及今年一系列與之相關(guān)的其他進(jìn)展，延續(xù)幾十年關(guān)于“暗物質(zhì)是否存在”的爭論畫上了句號。五年前，科學(xué)雜志的封面曾刊登了一張愛因斯坦的漫畫：他看起來被1998年的科學(xué)發(fā)現(xiàn)“加速中的宇宙”驚呆了——兩組天文學(xué)家在死亡階段恒星發(fā)出的咔咔聲中發(fā)現(xiàn)了一種可怕力量的蛛絲馬跡。 一些明亮的超新星使得宇宙學(xué)家可以用之確定宇宙在不同時期膨脹的速度?？茖W(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹著，膨脹速度越來越快，而不是象先前認(rèn)為的減速膨脹。減速膨脹理論是廣義相對論的自然結(jié)果，曾得到天體物理學(xué)家的普遍相信。這就是神秘的“暗能量”的首次登場，一種未知的力量抵抗著引力并把星系相互分開。 盡管來自超新星的數(shù)據(jù)是十分明確的，但許多宇宙學(xué)家仍然猶豫不決是否要支持“暗能量”這一古怪的概念。全世界的天文學(xué)家都迫不及待地采用不同的方法去驗證這種不可避免的力是否存在。 今年，關(guān)于“暗能量是否存在”的爭論已告結(jié)束，今后不會再有科學(xué)家去懷疑暗能量的存在性。他們將試圖去解決暗能量是由什么構(gòu)成的，它能提供哪些關(guān)于宇宙誕生和演化的信息等新問題。 殘存的關(guān)于暗能量存在性的懷疑以及宇宙組成的問題已經(jīng)在WMAP衛(wèi)星描繪出迄今最清晰的宇宙微波背景(CMB, cosmic microwave background)輻射地圖后而煙消云散。CMB是宇宙中最早的光, 是當(dāng)新生宇宙還是一團(tuán)熾熱的等離子球體時所發(fā)出的光輻射。這種微弱的微波輻射彌漫在我們的周圍，就像遠(yuǎn)處一堵火墻(wall of fire)發(fā)出的熱輻射一樣。記錄在這面火墻上的信息就是微小的溫度漲落(和其他一些性質(zhì))，這提供了宇宙組成的信息。 在恒星和星系形成之前，宇宙是一團(tuán)熾熱發(fā)光的等離子體，引力與光的效應(yīng)在那里激烈地競爭。大爆炸讓整個宇宙振動并象鐘一樣發(fā)出巨響，壓力波在等離子體內(nèi)傳播，擠壓并拉扯著等離子體內(nèi)的物質(zhì)。
暖色區(qū)域表示宇宙冷卻過程中, 在背景輻射中被壓縮的、稠密的等離子體，冷色區(qū)域則表示稀薄氣體。 正如鐘的音調(diào)是由它的形狀和材料決定，早期宇宙的“聲音”(對應(yīng)微波背景中冷暖區(qū)域的尺寸和分布)依賴于宇宙的組成和它的形狀。WMAP是最終讓科學(xué)家得以聆聽天籟之音的手段，同時它也描繪出我們生活的這個宇宙是什么類型的。 WMAP給出的答案既讓我們覺得煩惱又讓我們覺得高興。WMAP的數(shù)據(jù)證實了其它已繪制出的關(guān)于早期宇宙似是而非的奇怪圖像。普通物質(zhì)(包括：星星，樹還有人等)僅占宇宙組成的4%；23%是奇異物質(zhì)：暗物質(zhì)，天體物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)是由未知粒子組成的；剩下的73%則是暗能量。 宇宙之鐘的音調(diào)也揭示了宇宙的年齡和它膨脹的速度，WMAP對此有精確測定。一年前，一個宇宙學(xué)家可能還會說宇宙的年齡大約是在120億到150億年范圍內(nèi)?，F(xiàn)在WMAP給出了最精確的結(jié)果：137億年(正負(fù)幾十萬年)。 同樣，基于WMAP數(shù)據(jù)我們計算出宇宙膨脹的速度是71公里每秒每百萬秒差距(正負(fù)百分之一)；宇宙的“形狀”扁平(slate flat)。幾十年來所有關(guān)于宇宙基本參數(shù)的爭論：宇宙的年齡、膨脹速度、組成、密度——全都搞清楚了。 盡管WMAP的發(fā)現(xiàn)有劃時代的意義，但這并不是今年科學(xué)家在宇宙學(xué)方面的唯一重大進(jìn)展。斯隆數(shù)字巡天(SDSS, Sloan Digital Sky Survey)正在測繪數(shù)以百萬計的星系。通過分析這些星系的分布及它們聚集和擴(kuò)散的方式，科學(xué)家能推測出引起聚集和擴(kuò)散的力——正是暗物質(zhì)的引力或暗能量的反引力。今年十月，SDSS小組公布了他們對收集到的二十五萬多個星系的分析結(jié)果。這一結(jié)果與WMAP衛(wèi)星得到的結(jié)果是一致的：宇宙中暗能量占了多數(shù)。
今年科學(xué)家得到了對暗能量的最直接證據(jù)。七月，物理學(xué)家比較了SDSS數(shù)據(jù)和WMAP數(shù)據(jù)，并證明暗能量一定存在。這一證明依賴于所謂的ISW效應(yīng)(integrated Sachs-Wolfe effect)。微波背景扮演了背景燈光的作用，照耀著SDSS標(biāo)記出的由星系簇引起的引力漣漪?？茖W(xué)家觀察到了微弱的坍塌——明顯地有向更短波長的微小移 動。在未被扭曲的宇宙中(如我們現(xiàn)在的這個), 這僅當(dāng)存在反引力時才能發(fā)生——暗能量——拉抻著時空結(jié)構(gòu)并改變著星系簇所在的引力漣漪。 宇宙學(xué)的部分工作是解釋宇宙誕生的一瞬間，即解釋在什么力的作用下使宇宙在不到百萬分之一秒的時間里形成。宇宙從奇點誕生后，新生宇宙的結(jié)構(gòu)以比光速更快的速度膨脹著。這是宇宙的暴漲(inflation)時期。這是一次爆發(fā)式的誕生——在不到10-30秒后嘎然而止——于是形成今天我們所見的宇宙。 幾十年來, 暴漲提供了極少可供檢驗的猜想?，F(xiàn)在有了WMAP的精確數(shù)據(jù)，科學(xué)家最終可以直接驗證暴漲。目前每個版本的暴漲理論都有對膨脹力本性微小的不同描述，每一種都可作出關(guān)于宇宙背景輻射(CMB)的具體預(yù)測，包括星系的分布，乃至后期氣團(tuán)的聚集?？茖W(xué)家們正在篩選出少數(shù)理論并設(shè)計相關(guān)的判決性(非對即錯)實驗。隨著SDSS數(shù)據(jù)的增長——從中可獲得的關(guān)于遙遠(yuǎn)類星體、氣團(tuán)以及星系分布的信息，使得科學(xué)家們能夠更大膽地去挑戰(zhàn)暴漲理論。 暗能量的性質(zhì)仍有待詳細(xì)研究。WMAP, SDSS以及今年新發(fā)布的一些超新星觀察報告正幫助科學(xué)家了解暗能量如何應(yīng)付被被拉抻和壓縮。物理學(xué)家已經(jīng)不得不拋棄他們關(guān)于暗能量的一些猜想?，F(xiàn)在他們得考慮一種暗能量的新形式，但這種形式可能會讓宇宙在一定條件下突然死亡。即當(dāng)暗能量超過一定臨界值時，將發(fā)生“大撕裂”(Big rip)，大撕裂會撕裂星系、太陽系、行星甚至原子。(不過不用擔(dān)心，這僅僅是宇宙學(xué)家的一個模型，他們并不會因此而睡不著覺。) 在過去5年里，“宇宙是由暗物質(zhì)組成并因暗能量而彼此分開”這一難以理解而且違反常理的宇宙模型，已經(jīng)逐漸得到了宇宙學(xué)家的驗證。認(rèn)識到暗能量可能正確后他們都松了口氣。今年，由于WMAP, SDSS以及新的超新星數(shù)據(jù)，科學(xué)家們終于得到了肯定的答案。現(xiàn)在，他們已經(jīng)開始研究一系列新問題了?；蛟S這是一個標(biāo)志，標(biāo)志著人類最終是能夠理解宇宙起源的。(新浪網(wǎng)) |
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