《上帝的方程式,爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙》——第一章、爆炸的恒星

作者: [美]阿米尔·D·阿克塞尔 上海世纪出版 2015-09-01

导读:“真正不平凡的是我们正在使用物理的t度来回答深奥的哲学问题。”——索尔•珀尔马特

上帝的方程式,爱因斯坦、相对论和膨胀的宇宙

第一章、爆炸的恒星

“真正不平凡的是我们正在使用物理的t度来回答深奥的哲学问题。”

——索尔•珀尔马特

索尔•珀尔马特坐在俯视圣弗朗西斯科湾的伯克利山高处他的办公室中,注视着金门大桥下的落日。太阳越来越红,它的外形分层为一片片的长方形状,它们接着慢慢地消失在蓝灰色的太平洋远处,真是无比壮观的景象。他懂得为什么落日会是红的,为什么天空会是蓝的一一索尔•珀尔马特是一位天体物理学家。现在,恰恰正是这个地球上如此普通并且千百万人每天从山顶或沙滩,或从摩天大楼顶上的饭店观察得到的现象,使他感到困惑,他不清楚这个现象对他看到的宇宙那一边那些爆炸的星球意味着什么。

10年来,索尔•珀尔马特指挥着他的总部设在位于隔着金门大桥的对面山上的劳伦斯伯克利国家实验室的一组天文学家进行一种艰难的尝试。利用最先进的射电望远镜,在夏威夷、智利以及在太空,天文学家们一直在搜集遥远星系的电子图像,一次采集几千个星系,然后与3个星期后采集的这些星系的图像做比较。天文学家们在寻找这些非常遥远的星系中爆炸的恒星,一次爆炸会在星系的照片(实际上是电子图像)上出现一个相对明亮的光点,而在3个星期前的图像上则没有这个亮点。这些科学家们并不是在搜寻普通的爆炸,他们正在寻找la型超新星―宇宙中曾观察到的最巨大的爆炸之一。

在公元1054年,中国天文学家记录了一个“客星”,它突然出现在金牛座的一个长角的尖端―我们今天称为金牛座(星(Zeta Tauri)——的近旁。在一个月内,这个“客星”消失了,但是留下了星云,今天使用中等倍率的望远镜可以观察到。这个暗淡的类云状的物体用Ml表示,或因其模糊不清的外形而称为蟹状星云(CrabNebula)*。蟹状星云是一颗古代的恒星爆炸后留下的气体和微尘组成的巨大云团,并且此后一直向周围的空间膨胀着。在星云的中心存有恒星坍缩而成的核―中子星,它每隔几分之一秒发生脉动向空间发出强烈的辐射,它是一颗脉冲星(Puisar)。“客星”根本不是恒星,中国人所观察到的是来自一颗恒星的爆炸的强光,这颗星如此遥远以致在明亮的爆炸之前无法发现它。这样的爆炸称为超新星(supernova)。


*状星云,星表编号为NGC1952和M1,是人们研究力度最大的亮星云。它是英国物理学家和天文爱好者J•比维斯在1731年前后发现的。1758年,著名的梅西叶星表将它列为第一号天体《M1》,并在19世纪中叶获得了份状星云的名称。——编者


M1:蟹状星云

一种形式)吸引来自绕轨道运行的伴星的物质并增亮到使它短暂地可见的水平时,会出现这种突然增亮的现象。超新星的出现则明亮得多,我们知道它是由恒星的爆炸引起的。具有讽刺意味的是,它标志着一颗恒星的死亡而不是它的诞生。1987年,现代天文学家在南半球观测到这颗超新星,他们的研究成果教会我们许多关于这些在夜空中发生的神秘爆炸的知识。超新星在前三个世纪中曾被天文学家们观测到,但是,1987年的爆炸则是第一次可以用肉眼看到的爆炸。这是一颗II型的超新星。

当一颗质量比太阳还巨大得多的恒星经过氢转化为氦,氦转化为碳的过程,并且后面的那种使它像一颗亮星那样燃烧的核反应耗尽所有的燃料时,这颗恒星自身不再能抵挡住引力的坍缩。当它在自身的重量下向内倒坍时,恒星发生惊人的爆炸。这种爆炸称为II型超新星。然后,根据它的大小,恒星的残留将变成叫做中子星的死亡的致密体(其中普通的质子和电子不再能共存,它们熔合在一起形成中子),或者―在恒星更为巨大的情形下―黑洞,这是宇宙中最异乎寻常的物体。在后面的这种情形下,物体是如此的致密,并且它的引力产生的拉力如此巨大,以致即使是光也无法从中逃逸。

但是,索尔•珀尔马特和他的同事们在他们探索宇宙的征程中所研究的超新星是全然不同的一种爆炸。这种爆炸可以正确地叫做超超新星,虽然科学家们简单地称它们为Ia型超新星。Ia型超新星的亮度是“普通的”超新星的6倍。在可见的光辐射的范围内,这种爆炸是在空间观测到的最明亮的现象。白矮星是与我们的太阳相同类型的恒星死亡以后的残留物(太阳本身再过50亿年当它耗尽自身的核燃料时,也会变成一颗白矮星),当白矮星开始聚集,从附近的伴星,即相互绕轨道运行的星体降落到它上面的物质后,会出现Ia型超新星。一旦聚集到的物质使白矮星的质量膨胀到大约我们的太阳的质量的1.4倍时,就会出现突然的、无与伦比的猛烈爆炸。在这种类型的超新星中,从爆炸的白矮星抛射到空间的物质可达到接近于几分之一光速的速度。

Ia型超新星的亮度使它几乎像整个星系那样灿烂。爆炸是巨大的并且可以根据它的特征清楚地确定。正因为后面这个性质,寻找这样的超新星已经成为有兴趣于测量遥远星系的退行距离和速度的天文学家们的急切目标。这些爆炸的星体就像天空中的信标。它们的相对亮度可以告诉天文学家,这些星所在的星系离地球有多远,相对亮度指观测到的亮度与如果爆炸发生在附近(在我们所属的银河系内)我们会观测到的亮度的比值。

天文学家也能够通过测量遥远星系的红移估计它们的退行速度。红移是光射线在它的光源离观察者退行时产生的波长的增加。这个

现象的原理是日常生活中熟悉的多普勒效应(Dopper effect)*——例如,当高速行进的火车经过观察者时声波的音高发生变化。在光中,频率发生类似的变化:当光源离开观察者退行时,光射线的波长增加,也就是说,向着光谱的红端移动,而当光源趋近观察者时,波长减小,也就是说,向着光谱的蓝端移动。这种普遍的向光谱的红端移动的状态,也即天文学家们所称的红移,是由于宇宙的膨胀引起的,红移是埃德温,哈勃(Edwin Hubble)在2o世纪2o年代发现的。哈勃定律说:星系离我们越远,它离我们退行得越快。

到了1999年春天,珀尔马特小组已经积累了80个Ia型超新星的资料,这些超新星出现在比哈勃及其后继者观测到的要远得多的星系中。这些爆炸的恒星全都在其光线要经过大约70亿年后才能到达地球的星系中。任何一个星系,在它的几十亿个星体中,大约一个世纪才出现一颗Ia型超新星。那么,珀尔马特小组如何能够得到80个这样的图像呢?小组的成功归功于珀尔马特聪明的搜寻技巧。

即使出现率是如此的低,概率论却断言:如果我们能够观测足够多的星系,那么在任何指定的时刻我们会发现这些白矮星中某些正在爆炸。因此,在同时观测的几万个星系中,总有几个超新星被探测到。对外层空间的同一区域连续两次观测之间相隔三个星期的做法,也是为了这个目的。Ia型超新星增亮大约有18天,然后下一个月中逐渐减亮。由于时间膨胀(狭义相对论的一个结果,因为这些星系以l/2的光速离我们退行),在地球上的我们看来,似乎是超新星在3个星期中经历了大部分的增亮过程。因此,在3个星期的时间间隔内观测遥远的星系,就使天文学家们能够“捕获”和研究在两次采集电子图像之间的时间间隔中出现的超新星。

*多普勒效应,由于观察者和波源的相对运动而使波在到达观察者时的频率同波离开波源时的频率发生一个表观差别。这一现象被用于天文侧量、穆斯堡尔效应研究以及雷达和现代导航。1842年奥地利物理学家多普勒第一个描述了这一效应。——编者

*埃德温•哈勃(1889-1953),美国天文学家,河外天文学的奠基人和提供宇宙膨胀实测证据的第一人。——编者


但是现在,从他在海湾上方的窗口看着正在消失的太阳和滚动着经过金门大桥的雾气,珀尔马特感到苦恼。有些事情他完全不理解。自从20世纪2o年代大爆炸理论被提出以解释宇宙的膨胀以来,已经出现各种各样的理论解释过去发生的现象以及它们是怎样发生的,并且对宇宙的未来提出了预见。爱因斯坦的方程预示了几种设想。

第一种设想,宇宙可能是封闭的。在这种情形下,宇宙膨胀最终会停止,并且由于宇宙中所有物质互相间的引力吸引,宇宙开始向内部坍缩,第二种设想,宇宙可能减慢它的膨胀直至达到一种稳定的状态并保持这种状态。天文学家以及大部分公众似乎赞同第一种设想。从哲学的角度看,其中有些可以使人得到安慰的信念:纵然太阳从现在起再过大约50亿年后会死亡,但是在非常非常遥远的将来的某一天,宇宙可能重新开始坍缩,并且很可能―在完成一次完整的大爆炸重生和大坍缩的循环后一一在新的大爆炸中重新爆炸,这可能创造出一个新的地球和重新诞生生命。

逐渐减慢趋于稳定状态的膨胀在科学上很少被赞同,而只是被看作一种可能性。如果宇宙中的质量恰好大到能终止膨胀,但所产生的引力还不足以使万物再次退聚在一起,那么就会出现这种情形。

只有极少数科学家相信还有第三种选择一一宇宙膨胀将永远继续下去。实际上还没有人想象过下面这件难以置信的事:宇宙的膨胀速度竟然会变快。然而,珀尔马特不能无视他积累的资料向他披露的事情,他认真地考虑着这种没料想过的可能性。遥远的超新星―连同它们所在的星系——正以慢于预料中的速度离地球而远去。这些速度慢于更邻近处的星系的退行速度。他断定这只能意味着一件事情:宇宙正在加快它的膨胀。

这个使人困惑的发现产生的原因并不是显而易见的。它需要解决关于时间的概念。下面是一种简明的解释,其中省略了某些细节。当天文学家观测一个有70亿光年远的星系时,他或她正看到的是光线离开它射向我们时的那个星系,也即70亿年前的星系。因此,从观测到的它的红移计算出的星系的速度是70亿年前离我们而去的速度。类似的,10亿光年远的星系的退行速度是10亿年前膨胀的速度。现在,如果远处的星系以比近处的星系慢的速度离我们而去,那么70亿年以前的退行速度一州宇宙膨胀的速度―就慢于10亿年前宇宙膨胀的速度。*换句话说,宇宙正在加快它的膨胀。

珀尔马特感到迷惑。早些年里他已经开展这整个计划,希望能测且出宇宙的减速——他从未真正地想到过我们的宇宙一直在加速膨胀。关于这样一个结论有些东西很让人烦恼。这时珀尔马特开始思考他正注视着的日落,日落是红的,天空是蓝的——这是每个刚开始学习物理的学生都会述说的瑞利(Rayleight)蓝天定律。大气层按光的频率不同程度地吸收光的白光谱。红色光,由于它的低频率和长波长,比蓝色光更容易通过尘埃和空气粒子。珀尔马特是一位细心的科学家,而每一位科学家都必须提防数据中可能发生的错误。对于一个准备做出一个关于宇宙的重大结论―也许是将近70年前哈勃的发现以来天文学最重要的发现——的科学家而言,尤应如此。

*实际的计算更为复杂。我们观测70亿年前离开所在星系的光。当光离开它的发光源时,发射它的星系实际上离我们约50亿光年远。当它的光到达这里时,同一星系离我们约120亿光年远。这种不一致的原因是空间一直在继续膨胀。在数学上,我们观测到的红移是整个从光离开它的源的瞬间起直到我们接收到它的瞬间所发生的空间伸展的函数(红移并不只依赖盂光源退行的即时速度)。

这里使索尔•珀尔马特感到困惑不解的是他的数据的一个明显异常的特征。之前他曾抱有一点希望,希望他的数据是由于通常的观测误差而搀杂讹误。他的小组一直在观测的遥远的星系中应该有某些尘埃,类似于我们在自己的银河中发现的那种尘埃。这些尘埃可能会使他的小组一直在观测的古老的爆炸中的恒星像日落一样呈现红色——然而超新星却是整个可见光谱发亮(红移没有计算在内——它使星的光谱中所有的谱线均匀地移动)。这个现象告诉珀尔马特,在地球上的观测者和他们的那些距大爆炸的年代一半远的时候的爆炸的恒星之间,几乎没有或甚至没有尘埃,因此观测的质量特别地高。必须相信数据告诉他的―宇宙正在越来越快地膨胀。而这意味着一个令人震惊的发现:我们的宇宙是无限的。

“想象一个三维的点阵,”珀尔马特在他宣布他的小组的不寻常的发现后不久对我说,“在每个角落有一个星系。现在想象点阵正在变大。从我们的角落,即我们的星系,到这个点阵的所有其他的角落的距离不断增加着。”增长的速度——在每个角落和它的相邻角落之间正以这个速度形成空间——正在加快。由于空间正被越来越快地形成,无法制止,因此它将永远不断地膨胀下去。我们的宇宙将膨胀至无限。10亿年后,我们与遥远星系的距离将会更远,而在下一个10亿年中,距离的增加比第一个10亿年中还要多,如此不断以至永远。

数据看来没有错误,信息是清楚的,是向全人类宜布这个消息的时候了。1998年1月,在美国天文学家学会的会议上消息被宣布了。全世界被震惊了。人们期待的决不是一个无限的、越来越快地膨胀的宇宙。甚至许多科学家曾暗地里希望有一个自我更新的宇宙,爆炸和坍缩交替发生——一座经历季节变化的宇宙花园。但看上去不是这样,宇宙注定要膨胀并凋亡。恒星将走完它们的生命历程,爆炸成超新星或将它们的气体外层抛了出去形成行星状星云。在我们的星系中,新的恒星从死亡的恒星的残留物中诞生,而垂死的恒星内部产生的丰富多样的化学原素正是使生命得以演化的东西。但是,如果膨胀必定会继续下去,并且空间的密度变小,那么在亿万年之后,宇宙最终将会是一个充满中子星和黑洞的星球墓地。

使科学家们困惑的是这样的问题:为什么?这个前所未有的新发现的解释是什么?答案似乎是宇宙中还有另一种神秘的力——从未被直接地观测到的某种东西。这种物理学家称之为负压力或真空能量或就称为“有趣的能量”的东西,反作用于起吸引作用的引力。有某种东西正在推开这些星系——加速它们相互之间的退离。

在1998年1月珀尔马特宣布他的小组的令人震惊的结果的会议上,另一些科学家提出了基于不同分析方法的研究结果具有同样的使人困惑的推断。普林斯顿大学的天文学家内塔•巴考尔和范晓辉,他们研究距离地球70亿光年的巨大的星系团,宜布了也可以隐含宇宙会永远膨胀的结果。根据使用三种不同技术对星系团质量密度的研究,内塔•巴考尔和她的同事们发现我们生活在一个小质量的宇宙中。他们所有的研究独立地表明,宇宙的质量密度大概只有为完成从坍缩到新的大爆炸所需要的质量密度的20%。

也在普林斯顿大学的埃里克•格拉和鲁思•戴利通过对14个射电星系的研究,得到了类似的结果。他们的分析再一次指出,宇宙的质量可能小于为在遥远将来的某一天终止膨胀而需要的质量。所有这些在这次会议上提出的研究结果,使一个很久以来被搁置在历史的废物箱中却又使人难以忘怀的科学概念重获新生。

宇宙学家和天文学家们在芝加哥附近的费米国家加速器实验室(Fermilab)召开了一次紧急会议讨论这个新结果。1998年5月4日的这次会议是由现在在普林斯顿大学的一位声名显赫的年轻宇宙学家保罗•斯坦哈特组织的。来自世界各地的茫然不知所措的科学家们聚集在芝加哥,讨论所报道的宇宙的加速膨胀以及宇宙包含的质量可能太少这个事实。方程能不能适合这些新数据以解释它们?爱因斯坦的引力场方程是科学家们用于这个目的的当然工具。但是它不能解释膨胀的加速一一除非把过去的一个项加回到爱因斯坦的方程中去,这个项很久以前被方程的发现人丢弃,并且此后被称为“爱因斯坦最大的错误”。宇宙常数回来了。


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