为什么说宇宙在膨胀.PDF

卷首语 Introduction 为什么说宇宙在膨胀？ 撰文/郭宗宽 1929年，美国天文学家哈勃（Edwin 略微的偏离都会导致与目前的观测不一致，这 Hubble）通过分析多年来观测的数据发现，河 就是平坦性问题。另外，我们现在观测到的 外星系的退行速度与距离成正比，即离我们越 宇宙尺度反推到宇宙早期时远远大于因果关 远的星系，退行速度越大，这就是著名的哈勃 系区域，这很难解释观测到宇宙是均匀各向同 定律。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀，就 性的，这就是视界问题。为了解决这些问题， 是说，无论在宇宙中的任何地方观测，周围的 1981年古斯（Alan Guth）提出了宇宙暴胀思 星系都在远离观测者，并且距离越远，退行速 想，在宇宙极早期，发生过一段加速膨胀的过 -32 度越快。如何直观地理解这一点呢？就像给一 程，持续了大约10 秒，暴胀结束后经过重加 个有斑点的气球充气，气球表面的斑点都在彼 热机制暴胀场衰变为基本粒子，回归热大爆炸 此远离。彼此远离的星系去了哪里呢？换句话 理论。指数的加速膨胀使宇宙瞬间变得非常平 来说，宇宙的边界在哪里？这涉及到宇宙的几 坦，在暴胀过程中哈勃参数几乎不变，而宇宙 何性质，对于平直和双曲几何，宇宙是无限大 标度因子指数增加，从而观测到的宇宙尺度在 和无边界的；对于球形几何，宇宙是有限大和 暴胀期间可以小于哈勃尺度。最重要的是，暴 无边界的。因此，宇宙可以永远膨胀。由于光 胀预言的原初曲率扰动和引力波能很好地解释 的传播速度是有限的，我们只能看到宇宙的部 宇宙微波背景辐射在不同方向的微弱涨落，同 分区域，对宇宙的认知也局限于这部分区域。 时为宇宙大尺度结构的形成提供了原初密度扰 宇宙膨胀是20世纪最伟大的科学发现 动的种子，因此，暴胀成为了现代宇宙学的重 之一。这一发现有力地支持了弗里德曼 要组成部分。尽管目前有很多唯象的暴胀模型 郭宗宽 （Alexander Friedmann）在1922年理论上得 被提出，但暴胀的物理本质仍是一个未解的科 中科院理论物理研究所研究员。 到的膨胀宇宙学解。该膨胀解遭到爱因斯坦的 学问题。 2006～2011年，先后获得日本 极力反对，他认为宇宙应该是静态的，而不是 我们知道，由于物质之间的引力是相互吸 学术振兴会和德国洪堡基金会资 膨胀的，爱因斯坦的静态解是当时的主流观 引的，无论辐射成分占主导还是物质成分占主 助，从事博士后研究。2011年 点。后来，爱丁顿（Arthur Eddington）1930 导，宇宙都应该减速膨胀。然而，1998年超新 入选中国科学院引进“国外杰出 年证明爱因斯坦的静态解是不稳定的。最终， 星宇宙学项目组和高红移超新星搜寻组分别发 人才计划（百人计划）”回国工 爱因斯坦于1931年放弃了自己的静态解，认可 现宇宙在加速膨胀，这一重大发现很快斩获了 作，2016年中科院终期评估结 了弗里德曼的膨胀解。 2011年的诺贝尔物理学奖。理论上如何解释宇 果为优秀。主要从事宇