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宇宙学的最新进展
2019-01-18 11:08 来源:《光明日报》 作者:卡洛斯·弗伦克 字号

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  人类天生就对我们的起源和所居住的环境抱有好奇心。说到起源,没有比宇宙的起源更重大的议题了。这个大问题就是宇宙学所要讨论的话题,也是现代物理学重要的分支。

  我们知道宇宙已经有137亿年的历史,过去20年里宇宙学又研究了什么呢?宇宙学主要研究宇宙是由什么组成的。宇宙由5%的普通物质组成,比如原子,原子是行星、恒星基础的组成物质。还有25%的成分是暗物质,这些暗物质不会产生任何类型的光,但是在宇宙的演化过程中却扮演了重要角色。另外70%是由暗能量组成,这种力量让宇宙以越来越快的速度膨胀。我们已经了解到了很多有意思的现象,比如我们所处的银河系由上千亿颗恒星组成,地球在银河系盘面上距离中心三分之二处的位置上,那么我们这个星系的起源是什么呢?

  物理学家和天文学家所需要解决的问题,在过去的几年中取得了重要进展。在大爆炸之后短短一秒钟的时间里,宇宙经历了一些非常重要的时刻:它在极短的时间内急剧扩张;一开始宇宙只是一个奇点,在爆炸的过程中出现了量子波动,爆炸之后到10-10秒之间就出现了暗物质,然后又出现了其他的一些现象。

  那么我们是如何知道宇宙是这样产生的呢?光的速度是每秒30万公里,我们只是看到物体它过去的样子,和其他科学家不同,天文学家是一群观测过去的科学家。

  像银河系这样的星系有上千亿颗恒星,光从一端穿梭到另一端需要10万年,离我们最近的星系M31距离我们有两百多万光年,还有星系团,离我们最近的一个比较大的是室女座星系团,有5400万光年。所以,现在我们看到的星系团的样子是5400万光年以前的样子,那个时候人类还没有诞生。

  宇宙当中有一千亿个星系,恒星的数量就更多了。每一个星系都有1000多亿颗恒星,所以星海浩瀚!有一些星系距离我们太远,尽管现在看不到它们,但是物理学家可以了解到星系形成之前的状况。

  宇宙大爆炸之后,现在看到的微波背景辐射就已经产生,它能够为我们提供宇宙的第一手资料。在137亿年的宇宙膨胀历史中,它一直在为我们传递相关的信息,让我们了解到早期宇宙的样子。

  现在的宇宙学是建立在物理学定律的基础上,通过实验和数学的方式来研究宇宙。尽管我们无法去其他星系做实验,但是可以通过在不同的时间段截取一些信息来研究宇宙学。这个方式非常强大,却也有一定的局限性。

  之前,通过计算机模拟的技术可以帮助我们模拟和推演宇宙演化的过程,做这样一个实验首先要了解宇宙初始的状态,然后需要对宇宙成分有基本的假定,之后在这样的基础上来进行建模,通过求解一些物理定律,最终形成目前宇宙的情况。

  我们的未来在哪里?人们已经决定花费数百亿元来开发一些设备探索宇宙,中国也参与了很多。除此以外,还有一些人工智能的应用,能够把恒星和星系通过电脑来演示,甚至也可以演示大爆炸时期的量子波动。在接下来的几十年中,或许我们可以在计算机上模拟行星、模拟最初生命的情况。

  (作者:卡洛斯·弗伦克,系英国皇家科学院院士、英国杜伦大学教授,此文是作者在“人类命运共同体的‘星’征程”论坛的演讲,国家天文台整理)

作者简介

姓名:卡洛斯·弗伦克 工作单位:

转载请注明来源:中国社会科学网 (责编:马云飞)
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