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探索精细结构“常数”和宇宙暗能量本质
原文标题：Fundamental Aspect of the Universe has Remained Unchanged

原文来自：http://www.universetoday.com/  Posted: Apr 18, 2005

编译：Steed   审校：Linq （编译版权所有，文章有删节，未经许可请勿转载。）


根据一组研究星系和宇宙演化的天文学家的观测，一个影响到原子发光颜色和所有化学反应的基本常数在最近的70多亿年间，没有发生过改变。
在今天（4月18日）召开的美国物理学会（APS）年会上，劳伦斯-伯克利国家实验室的天文学家杰弗里·纽曼（Jeffrey Newman）报告了这一结果，他代表的是DEEP2研究项目，这个合作项目是由加州大学伯克利分校和圣克鲁兹分校领导的。

精细结构常数是少数几个在物理学中扮演着中心角色的常数之一，几乎出现在所有与电磁有关的方程式之中，包括那些描述原子辐射电磁波（光子）的方程。不论它的本质如何，仍然有一些理论学家提出，它会随着宇宙年龄的增长而发生细微的变化， 这会通过原子核与其周围电子之间的吸引力变化而反映出来。

过去几年间，一批澳大利亚的天文学报告说，这个常数在宇宙的一生中已经增加了100,000分之一。他们是在测量了遥远类星体发出的光线经过较近星系时产生的吸收线之后，得出这一结论的。然而，其他的天文学家们使用了同样的技术，却没有找到这样的变化。

DEEP2巡天小组的最新观测使用了一种更为直接的方法，对这个常数进行了独立的测量，结果表明在30,000分之一的精度上，常数没有发生变化。

“精细结构常数设定了电磁力的强度，电磁力影响了原子结合的方式和原子内部的能级。在某种程度上说，它决定了所有由原子组成的普通物质的规模，”纽曼说。“这个零结果意味着，理论学家不需要再寻找理论，来解释为什么它会产生这些的变化。”

精细结构常数，通常由希腊字母α表示，是自然界中一些其他“常数”的比值，在某些理论中，那些常数会随着宇宙时间而改变。它的数值等于电子电荷的平方除以光速与普朗克常数的乘积，根据最近的一个理论，只要光速会随时间变化，α也会发生改变。一些暗能量理论和大统一理论，尤其是那些涉及到我们所熟悉的四维时空以外维度的理论，预言了精细结构常数的逐渐演化，纽曼说。

DEEP2是一项为期五年的巡天计划，研究对象是那些远在70到80亿光年以外的星系，它们的光波都因为宇宙的膨胀而被拉长或红移到原始波长的2倍左右。虽然这项由国家科学基金会支持的合作计划的目的并不是寻找精细结构常数的变化，但目前为止对40,000个星系的观测数据显然已经可以服务于这项研究。

“在这项庞大的巡天中，一小部分数据浮现出来，它们似乎可以完美地回答杰夫（杰夫里·纽曼的昵称）提出的问题，”DEEP2首席研究员，加州大学伯克利分校的天文和物理学教授马克·戴维斯（Marc Davis）说。“这项巡天确实具有普遍意义，将会拥有无数个用途。”

几年前，高等学术研究所的天文学家约翰·巴考（John Bahcall）指出，在对精细结构常数变化的搜寻中，测量遥远星系的发射线要比测量吸收线更加直接，误差更小。纽曼很快意识到，DEEP2星系所包含的氧发射线非常适合对任何的改变进行精细的测量。

“当根据吸收线得到的矛盾结果开始显现的时候，我有了一个想法，既然我们拥有了所有这些高红移星系（的数据），也许我们能够不利用吸收线，而使用我们样本中的发 射线，做一些工作，”纽曼说。“如果精细结构常数改变了，发射线也会发生非常细微的变化。”

DEEP2的数据使得纽曼和他的同事们可以测量离子氧（OIII，即失去了两个电子的氧）发射线的波长，在5,000埃左右的测量精度好于0.01埃。1埃 等于1/10纳米，大约是一个氢原子的宽度。

“这一精度仅次于人们搜寻行星时的精度，”他说，他指的是对恒星微弱摆动的检测，这是由周围的行星对恒星的牵引作用而产生的。

DEEP2小组比较了300多个独立星系的两条OIII发射线的波长，这些星系位于不同的距离或红移上，红移分布在0.4（大约40亿年前）到0.8（大约70亿年前）之间。测量到的精细结构常数值与今天的数值没有区别，大约等于1/137。在这段长达40亿年的时期内，α的数值也没有出现增加或减少的趋势。

“我们的零结果并不是最精确的测量，但给出了更精确结果的其他方法（使用吸收线的方法）涉及到了系统误差，导致不同的人使用这种方法得出了不同的结果，”纽曼说。

纽曼还在APS会议上宣布，DEEP2巡天的首批数据（2002）已经公开释放，其中包含了巡天小组希望扫描的50,000个遥远星系中的百分之十。DEEP2利用夏威夷凯克II望远镜上的DEIMOS摄谱仪记录了这些遥远星系的红移、亮度和颜色光谱，主要是 为了对当时和现在的星系团进行比较。这项巡天现已完成了超过80%，将在今年夏天结束观测，全部数据将在2007年公布。

“这确实是一套独特的数据，可以同时描述星系和宇宙随时间的演化过程，”纽曼说。“斯隆数字巡天所做的测量大约达到了红移0.2左右，即回顾了过去的20-30亿年。我们在红移0.7时才真正开始测量，主要的测量集中在0.8或0.9，相当于70-80亿年之前，当时宇宙的年龄只有今天的一半。”

这项巡天还完成了一项测量，有可能会揭开暗能量的本质，这种神秘的能量渗透在宇宙之中，似乎造成了宇宙的加速膨胀。研究小组目前正在建立不同的暗能量理论模型，将理论的预言与最新的DEEP2测量数据进行比较。

就像戴维斯解释的，暗能量的总量，目前被估计为宇宙总能量的70%，决定了星系和星系团的演化。通过统计遥远的空间体积中，小星系群和大质量星系团的数量，研究它们与星系团 的红移和质量的关系，就有可能测量出宇宙到今天膨胀的总量，这取决于暗能量的本质。

“基本来说，你统计出星系团的数量，然后问，‘这是多了还是少了？’”戴维斯说。“完全就是统计总数。如果星系团极少，这就意味着宇宙膨胀 了相当多。如果存在着大量星系团，那宇宙就并没有膨胀得太多。”

戴维斯目前正在将DEEP2测量数据与最简单的暗能量理论的预言进行比较，但他希望在其他理论学家的合作之下，能够对更奇异的暗能量理论 进行检验。

“他们真正想得到的是，暗能量密度是如何随着宇宙的膨胀而改变的，”加州大学伯克利分校的理论物理学家马丁·怀特（Martin White）说，他是与戴维斯一同工作的天文和物理学教授。“如果暗能量密度是爱因斯坦的宇宙学常数，那么理论预言就是，它不会发生变化。现在的圣杯是，找到它不是宇宙学常数的证据，证明它确实在发生变化。”

（全文完）

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漫话宇宙起源

建一

　　宇宙是如何起源的？空间和时间的本质是什么？这是从２０００多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辩，而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。

　　目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是１９２７年由比利时数学家勒梅特提出的，他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里，在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片，形成了今天的宇宙。１９４８年，俄裔美籍物理学家伽莫夫等人，又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于１５０亿年前一次大爆炸后，经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在许多使人迷惑之处。

　　宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点，而它周围却是一片空白，即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。况且从能量与质量的正比关系考虑，一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢？

　　人类把地球绕太阳转一圈确定为衡量时间的标准——年。但宇宙中所有天体的运动速度都是不同的，在宇宙范围，时间没有衡量标准。譬如地球上东西南北的方向概念在宇宙范围就没有任何意义。既然年的概念对宇宙而言并不存在，大爆炸宇宙论又如何用年的概念去推算宇宙的确切年龄呢？

　　１９２９年，美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系。但他没能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系。

　　宇宙中星系间距离非常非常遥远，光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐渐减弱，那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系。质量大，能量辐射就强，因此我们观察到的红移量极大的星系，当然是质量极大的星系。这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因。另外那些质量小、能量辐射弱的星系（除极少数距银河系很近的星系，如大、小麦哲伦星系外）则很难观察到，于是我们现在看到的星系大多呈红移。而银河系内的恒星由于距地球近，大小恒星都能看到，所以恒星的红移紫移数量大致相等。

　　导致星系红移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的，不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向四周作放射状的直线运动。因此，从地球看到的紫移星系范围很窄，数量极少，只能是与银河系同一方向运动的，前方比银河系小的星系；后方比银河系大的星系。只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系。

　　宇宙中的物质分布出现不平衡时，局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化，但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变。仅凭从地球角度观测到的部分（不是全部）可见星系与地球之间距离的远近变化，不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩。就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样。

　　１９９４年，美国卡内基研究所的弗里德曼等人，用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时，得出一个８０～１２０亿年的年龄计算值。然而根据对恒星光谱的分析，宇宙中最古老的恒星年龄为１４０～１６０亿年。恒星的年龄倒比宇宙的年龄大。

　　１９６４年，美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射，是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果。宇宙中的物质辐射是时刻存在的，３Ｋ或５Ｋ的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准。这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用，在大尺度空间整体分布的相对均匀性和星际空间里确实存在大量我们目前还观测不到的“暗物质”。

　　至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题，氦元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构，它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象。在宇宙大尺度范围中，不仅氦元素的丰度相似，其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的。而且，各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的，并不是始终保持一副面孔，所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系。

　　大爆炸宇宙论面临的难题还有，如果宇宙无限膨胀下去，最后的结局如何呢？德国物理学家克劳修斯指出，能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程，适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件，在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量，他把这个物理量取名为“熵”，孤立系统中的“熵”永远趋于增大。但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域，不可能出现绝对均匀的状态。所以，那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时，宇宙就会进入一片死寂的永恒状态，最终“热寂”而亡的结局，是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的误识。

　　根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态，星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要，从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影，那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。

　　奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用，大至旋涡星系，小至ＤＮＡ分子，都是在这种螺旋线中产生。大自然并不认可笔直的形式，自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状。从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外，毋庸置疑，浩瀚的宇宙就是一个大旋涡。因此，确立一个“螺旋运动形态宇宙模型”，比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线运动模式而独辟蹊径，以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大爆炸宇宙模型”，更能体现真实的宇宙结构形态。