物理学和天文学的最新进展

by http://blog.csdn.net/shendl

科幻大片《星际穿越》正在热映中，作为一名经常看科普图书的青年，在这里给大家汇报一下近几年物理学和天文学的最新进展。由于本人是物理学和天文学小白，本文定有很多错误，请大家原谅、指正。

关于宇宙起源的猜想很多，最近几年M理论正在获得物理圈内的广泛认同。包括霍金大师。霍金大师前些年的观点还是，宇宙大爆炸之前的宇宙不可知，不可问。最近他写的《大设计》一书显示霍金已经接受了M理论。

M理论源于弦论，是一种宇宙起源的假说。目前还没有得到证实，但已经获得了业内大牛的广泛支持。它认为，宇宙一共有11个维度，其中一个维度是时间维度。在宇宙大爆炸时，其中的三个维度开始膨胀，时间维度也开始递增了。另外7个维度没有膨胀，依然处于微观世界之中。

我们的宇宙并不是唯一的。而是存在无数多个兄弟宇宙。在宏宇宙中，在真空中会产生类似量子涨落的效应，从虚无中产生物质，然后又消失。有时，产生的物质不会消失，而是会膨胀。类似于一个个气泡。每一个气泡就是一个宇宙。我们的宇宙就是其中一个气泡，来自于虚无中。

M理论认为，所有的粒子其实都是同一种东西，是一根弦。不同的弦有不同的振动模式，成为不同的基本粒子：电子，夸克，胶子等。

大爆炸时，我们的宇宙三个空间维度开始膨胀，时间维度也开始递增。大爆炸，并不是物质的爆炸，而是宇宙空间本身的膨胀。空间膨胀造成奇点的高温高密状态降温，最后形成物质。

目前最新的观测表明，宇宙大爆炸大概在137亿年前开始。在大约70亿年前宇宙开始加速膨胀。据科学家估计，现在宇宙的半径大约在460亿光年左右。你可能会问，宇宙大爆炸至今才137亿年，而我们知道根据相对论，宇宙中所有物质速度最快的是光速。那么宇宙的半径应该最多137亿光年。为什么宇宙的半径会达到460亿光年呢？因为，我们的宇宙空间本身在膨胀，而不是物质在爆炸。物质没动，空间动了。空间膨胀的速度并不受光速的限制。The Big Bang大爆炸这个术语本身有误导之嫌。

2008年WMAP团队给出了结合宇宙微波背景辐射和其他观测数据的结果，显示当今的宇宙含有72%的暗能量、23%的暗物质、4.6%的常规物质和少于1%的中微子。其中常规物质的能量密度随着宇宙的膨胀逐渐减少，而暗能量的能量密度却保持不变。从而宇宙过去含有的常规物质比例比现在要高，而在未来暗能量的比例则会进一步升高。

暗物质是不和光发生反应的物质，因此我们无法直接观测到，我们通过测算引力知道暗物质的存在。但暗物质的具体构成和特性我们还不得而知。

暗能量，是一种斥力。和引力的方向相反。最早是爱因斯坦在广义相对论中引入的一个常数。爱因斯坦发现广义相对论公式下的宇宙不稳定，因此加入了这个常数。后来爱因斯坦又去掉了这个常数，并说，引入这个常数是他这辈子最错误的事。但现在的观测已经表明，这个常数，也就是暗能量的确存在。而且目前科学家已经测算到了精确的值。

暗能量是空间中的一股斥力，在我们的宇宙中这是一个常数。所有空间，包括真空都存在暗能量。正是因为存在暗能量，因此我们的宇宙正在加速膨胀。并且随着宇宙半径的扩大，空间增大，暗能量越来越大。宇宙空间膨胀的速度也会越来越快。

我们知道万有引力。引力会使物质之间相互吸引。如果一定空间中物质足够多，那么物质就会集聚和坍缩。行星，恒星，黑洞都是引力造就的。如果宇宙中的物质（包括常规物质和暗物质）足够多，那么宇宙在膨胀到一定大小后，就会再次坍缩到最初的奇点。这被称为“大挤压”。宇宙中的所有生命都会消失。还好，根据现在的观测，我们的宇宙物质太少，因此不会走向“大挤压”的不归路。但也许我们的不少兄弟宇宙的结局就是“大挤压”。

我们这个宇宙的命运，应该是热寂。也就是暗能量推动宇宙空间变得越来越大。以至于离我们较远的星系的星光永远无法抵达我们这里。宇宙中离我们星系较近的部分构成我们的可见宇宙。随着时间的推移，宇宙中物质全部转换为能量，进入热寂状态。

这个命运要比“大挤压”状态下的宇宙要好的多，我们人类如果不自己毁灭，那么可以依靠可见宇宙中的物质生存足够长的时间。

科学家发现，我们所处的宇宙对于生命是相当友好的。如果宇宙大爆炸后的物质总量相对于膨胀后的宇宙空间太大，那么宇宙就会再此坍缩为一个奇点。如果暗能量的宇宙常数太大，那么宇宙空间膨胀的速度太快，物质来不及被引力吸引成星系就飘散了，也无法产生生命。

一个解释是“人择原理”，我们之所以看到这样的宇宙，是因为只有这样的宇宙我们才能生存。也许存在其他宇宙，它的11个维度都没有膨胀，也许有的宇宙只膨胀了1个维度，也许有的宇宙10个维度都膨胀了，也许有的宇宙膨胀太慢，有的宇宙膨胀太快。但既然有无数个平行宇宙存在，那么一定也有无数个宇宙能够产生生命。

我们的宇宙半径是460亿光年，并且还在加速膨胀中。也就是我们的宇宙是无限的，但是有边界的。我们认为，宇宙之外的空间是nothing，不同于我们宇宙内部的真空。因为真空内有量子涨落，还有恒定的暗能量。

你可能会问，在宇宙边缘的星系看四周，是不是有一面是完全漆黑的未知世界呢？不会。宇宙中任何一处都不是宇宙的中心，也没有任何一处是宇宙的边缘。

我们的宇宙就像是11维的宏宇宙中的一个气球。内部的气体（真空的暗能量）让它不断膨胀，并且正在加速膨胀（因为空间越大暗能量的膨胀力越大）。所有物质都分布在气球表面。因此，随着宇宙的膨胀，不同星系的距离越来越大。但是如果你向宇宙的一个方向一直走下去，并且比宇宙膨胀的速度还快，那么你最后就会走到原点。就像地球表面没有尽头但是面积是有限的一样，宇宙也没有尽头但确实是有限体积的。

在我们这个宇宙气球的外面，可能有无数多个这样的气球。但因为宇宙气球之间的真空的暗能量，彼此的距离不断扩大，因此不会发生宇宙相撞的事故。（以上是我的推测，也可能在宏宇宙中的真空，不存在暗能量）其他宇宙和我们的宇宙一样，也是来自宏宇宙中真空的量子涨落，从虚无中诞生，膨胀，收缩，或者永远膨胀下去。

科学家是怎么样知道宇宙正在膨胀的呢？哈勃发现离我们越远的星系，其光谱越向红偏移，也就是多普勒效应，因此知道宇宙正在膨胀。那哈勃怎么知道原来的光谱是怎样的呢？因为每一种物质的光谱都是一样的。观测氢的光谱的红移就能知道宇宙在膨胀。

科学家是怎么知道宇宙正在加速膨胀的呢？有一类双星系统，一颗是白矮星，另一颗是恒星。白矮星会吸收伴星的物质，达到一定大小后，就会发生超新星爆炸。这个质量大小是恒定的，因此其亮度也是恒定的，并会持续3个星期。这类超新星被称为Ia型超新星，因为其质量相等，光度一样，因此被称为宇宙“标准烛光”。观测这类超新星爆炸的亮度和3个星期内的变化，就能知道3个星期内它相对地球的距离。结果发现宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀。

宇宙的星系是怎样形成的呢？在大爆炸的最初暴涨阶段，量子涨落引起了某些区域温度高出1/10万K(度)。在宇宙膨胀冷却后，这些位置的物质密度高，从而聚合成星系。所以说，变化万千的宇宙是上帝通过随机数（量子涨落）和混沌理论(物质之间的相互影响)构造的。宇宙中正物质比反物质略多，形成了我们宇宙的物质世界，可能也要归功于量子涨落。有些宇宙，很可能是反物质比正物质多，从而反物质构成了宇宙的物质世界。

另外，再谈一下另一个关于宇宙最终命运的推测“大撕裂”。这个观点认为随着宇宙的膨胀，大约500亿年后，连原子的核力都无法抗拒暗能量，宇宙所有物质就此解体，成为四散的尘埃。这个观点我是不认同的。因为一定空间内的暗能量是一个常数，暗能量的膨胀力量是在宇宙大尺度范围才能战胜引力的。暗能量造成的加速膨胀，只会造成我们的宇宙分为一个个彼此隔绝的宇宙孤岛。每一个宇宙孤岛都有很多个星系。“大撕裂”这个宇宙的最终命运是不现实的。

最后来点科幻的:

我们能不能回到过去？根据M理论，时间维度是递增的，因此我们无法回到过去。

我们能不能通过虫洞或者其他方式实现超光速旅行？也许可以吧。虽然根据相对论，有质量的物体的运行速度不可能达到光速，但我们可以换一个角度来看待旅行。空间本身的特性也许可以利用。空间自身就在不断加速膨胀中。也许等我们对宇宙的了解更深入，我们就能够实现星际穿越。

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