划时代的“宇宙膨胀”是怎么被发现,并决定宇宙命运的?

四方上下曰宇,往古来今曰宙

中国古代哲学家尸子认为“宇宙”就是过去现在以及未来所有时间和空间的统称,他绝不会知道自己这一思想和若干个世纪后德国人爱因斯坦的广义相对论“时空一体化”不谋而合了。年轻的爱因斯坦

1907年到1915年爱因斯坦将牛顿万有引力定律和自己的狭义相对论相结合发展出了名为广义相对论的“新引力理论”,引力在广义相对论中被描述为“大质量天体扭曲周围时空造成几何跌落现象”

1912年美国天文学家维斯托.史利弗第一次在星系的谱线中发现了红移现象,同时期的埃德温.哈勃和他的助手赫马森在史利弗的基础上开始大规模测定其他星系的光谱数据,结果发现大部分星系都在红移。

在物理学中“红移”是指电磁波波长增加频率降低,可见光波段的红移意味着光源正在远离观察者,蓝移则意味着光源正在靠近观察者。

红移和蓝移

所以大部分星系在光谱上呈现红移就意味着它们都在远离地球。

后人为了纪念哈勃的这一重大发现将这种现象称为“哈勃红移”,将星系远离地球的速度命名为“哈勃常数”

在知道哈勃红移和哈勃常数的情况下,科学家们很容易就能想到在足够遥远的过去宇宙中的所有物质必定都是“你中有我我中有你”的聚集状态,而聚集状态开始“分崩离析”的那一刻便是宇宙大爆炸。

值得一提的是在“宇宙膨胀”被发现之前物理学家们都还偏向于一个稳恒态宇宙模型,比如1917年2月爱因斯坦在普鲁士学院宣讲的自己基于广义相对论的稳恒态宇宙模型,以及随后发表的论文《基于广义相对论的宇宙学思考》

论文首页

在论文里爱因斯坦为了让宇宙保持静止状态不惜牺牲简洁性也要在场方程左边加一个叫“宇宙常数”的东西以此来保证宇宙大尺度的稳定。

在同时代的美国天文学家埃德温.哈勃观测到宇宙并不稳定而是膨胀状态之后,爱因斯坦马上动身前往哈勃所在的威尔逊山天文台确认哈勃的星系红移数据。确认数据无误后爱因斯坦明白自己错了,于是他放弃了“宇宙常数”并向全世界宣布“宇宙常数是自己一生中犯过最大的错误”

△左二为哈勃

至此“宇宙正在膨胀”成为了科学界的共识,宇宙大爆炸理论也成为了解释宇宙起源的主流理论。

但有关宇宙膨胀故事并没有结束,反而才刚刚开始...


△1998年《科学》杂志封面“1998年度科学突破:加速的宇宙”

1998年亚当.里斯研究团队开始利用la型超新星测量宇宙膨胀的减速度,然而根据收集到数据计算出的减速度竟然是一个负数,在反复确定数据来源和计算过程无误后亚当.里斯团队意识到“宇宙膨胀其实是越来越快的,并且会永远膨胀下去”

而造成宇宙加速膨胀的“始作俑者”则是我们尚不了解但宇宙质能占比达到7成的“暗能量”

亚当.里斯

这个关于宇宙的新发现最终使得亚当.里斯获得了2011年的诺贝尔物理学奖,用他自己的话说“要是你在凌晨5点接到一个操着瑞典口音的电话但你没在网上买家具,那你多半是得诺贝尔奖了”

2013年欧航局普朗克卫星经过长时间的观测校准公布了新的宇宙年龄为138.2亿年,新的哈勃常数为67.3千米每秒/每百万秒差距(67.3 km/s/Mpc)

普朗克卫星绘制的宇宙全景图

一个百万秒差距是326万光年

所以空间距离每增加326万光年,星系远离地球的速度就增加67.3km/s,从这两个数据对比我们可以看出宇宙膨胀的速度并不快,在小尺度上它的强度甚至还比不上引力。

除了新的宇宙年龄和哈勃常数外普朗克卫星还测定了宇宙质能分布

普通物质占比4.9%

暗物质占比26.8%

暗能量占比68.3%


宇宙质能占比

所以说我们看到的宇宙不过是“真实宇宙”的一小部分罢了,暗物质和暗能量才是决定宇宙命运的存在,理论上如果人类没有搞错暗能量的占比和性质的话,宇宙将在暗能量作用下膨胀的越来越快,空间中的物质密度也会越来越低。

整个过程的最终后果就是:“宇宙中每个原子都会被宇宙膨胀的力量撕碎”