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宇宙的终极命运,由谁来定?

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文 / Zeeya Merali    天文学家布赖恩·施密特(Brian Schmidt)还清楚地记得,他第一次意识到这一惊人发现时的情形。那是在1997年——那一刻,没有兴奋,只有惶恐。后来,这一发现让他分享了2011年的诺贝尔物理学奖。

施密特任职于堪培拉的澳大利亚国立大学,一直在尝试精确测定超新星的位置。超新星是正在爆炸的恒星,在巅峰时,亮度足以令50亿个太阳黯然失色。这些明亮的天体可以作为遍布天空的灯塔,帮助天文学家深入空间,计算宇宙的大小、形状及质量。

由于施密特的大部分同事都分散在全球,比如欧洲、南美和美国,这个团队已经发展出了一套24小时接力的方法,来分析他们的望远镜数据:东半球的施密特会工作一整天,然后通过电子邮件把接力棒发送给当时人在美国加利福尼亚大学伯克利分校的同事亚当·里斯(Adam Riess),他会在西半球的白天继续研究。

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布赖恩·施密特,因为发现宇宙加速膨胀,在2011年分享了诺贝尔物理学奖。图片来源:monash.edu

回到1997年的那个早晨,施密特收到了里斯发来的一张图,绘制出了对超新星距离的最新估算——但结果跟他预料的完全不同。“我一眼就能看出发生了什么事情,”施密特说,“我记得当时在想,‘哎呀,亚当!哎呀,亚当!你都干了些什么?!’”

施密特不敢相信这个结果,这是可以原谅的。他以为自己会看到一条向上弯曲的对角线,从图的左下角蜿蜒到右上角。实际结果却刚好相反:这条线调头向下,像受到惊吓的小狗的尾巴。这条出乎意料的曲线令施密特愁眉不展,因为它意味着,天文学家可能不得不重新思考宇宙的运转方式。

当时,施密特认为,他对宇宙的演化已经了解得相当透彻了:宇宙始于一个微小的火球——大爆炸,之后便向外膨胀,带着后来在其中形成的星系和超新星一起向外膨胀。然而,这些天体会施加引力,把彼此拉回来,就像太阳吸引着地球一样。据当时的施密特所知,这些物理定律一直掌控着宇宙的膨胀;没错,宇宙确实在膨胀,但引力一直在放慢宇宙膨胀的速度。

然而,里斯的结果表明,事情不是这样子的。超新星到地球的距离看上去比任何人预期的都更远,这一点很奇怪,意味着宇宙整体上要比天文学家之前预料的更大,就好像引力不知道为什么被抵制了一样。

最好的解释是:宇宙的膨胀必然在加速——但这看起来不合常理。施密特当时的第一反应是,这个结论“荒谬可笑”。从来没有人观察到一种能像这样驱动加速的力量。他把这个发现视为一个错误。

然而,几个月过去了,这个令人头痛的结果依然坚挺。不仅如此,一个与他们完全独立、由美国劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)领导的团队,也得到了同样的结果。2011年,施密特、里斯和珀尔马特因为做出了揭示宇宙正在加速膨胀的突破性观测,共同分享了诺贝尔物理学奖。然而,尽管对这个结果已经反复琢磨了十多年,宇宙学家仍在苦苦求索,试图理解这件事到底是怎么发生的。

这一发现让物理学家深感挫败,他们把导致这一现象的根源,命名为“暗能量”。他们多少有点儿异想天开,把加速膨胀归因于这种未知能量,认为它能够诡异地推开空间,对抗向内拉的引力。如果是暗能量推动着宇宙在疾速膨胀,宇宙本身有一天可能会在“大撕裂”中被扯碎。隐藏在这种反引力效应背后的深层奥秘,或许是现代物理学中最大的难题。对于暗能量来自何处、如何发挥作用,或者是否真的存在,物理学家都还没有得出一致的观点。

膨胀的证据

宇宙膨胀的首批线索,可以追溯到近一个世纪以前。在那之前,物理学家仍珍视艾萨克·牛顿再往前200多年所奠定的宇宙图像。在牛顿的宇宙中,空间和时间一成不变,可以被刚性的尺子和时钟精确地测量。根据牛顿的理论,引力是一种力,能在真空中传播,通过看不见连线将天体拉到一起。

挑战这一观点的,是阿尔伯特·爱因斯坦。他在1915年提出了另一种引力理论——广义相对论。在他的理论框架中,三维空间和时间交织在一起,形成了一个四维的结构。由于会在大质量物体(比如恒星)周围发生弯曲,这种时空结构便起到了引力源的效果。较小的天体(比如行星)会滚到时空的这些低洼处,就好像被一种力拉扯到了较重的物体旁边。

起初,爱因斯坦设想宇宙应该是球形的,而且是静态的——既不膨胀也不收缩。然而,出乎他意料的是,广义相对论方程得出了一个不稳定的宇宙:在辐射(即光)和物质的微妙平衡下,任何细微的变化都会让宇宙要么向外膨胀,要么向内收缩。爱因斯坦决心要将他的宇宙维持在静态,于是引入了一个额外的维稳因子,被称为“宇宙学常数”。它能够提供向外的推力,抵消引力作用下宇宙收缩的趋势。这个宇宙学常数,多少有点蓄意捏造的意味,完全是为了维持一个静态的宇宙。

但静态宇宙是错的。

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我们所处的宇宙百亿年来所经历的膨胀历史。图片来源:《发现》杂志

到20世纪30年代,美国天文学家维斯托·梅尔文·斯里弗(Vesto Melvin Slipher)和埃德温·哈勃(Edwin Hubble)测出遥远星系的运动,让每个人——甚至包括爱因斯坦——都信服宇宙正在膨胀。斯里弗和哈勃打开了一扇通往宇宙的新窗口,天文学家至今仍在通过它窥望宇宙。

这一关键发现的基石,是多普勒效应。同样的现象使得警车从后面超车经过你时,你听到的警笛声的声调会有所变化。声和光都由波构成,你听到的声调或看到的颜色,都由波长决定。而波长,则是相继抵达你的两个波峰之间的距离。

19世纪的奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)意识到,如果波源相对于你在运动,你测量到的波长就会发生变化。远离你的源发出的波在抵达你时会被拉长——这会降低声音的声调,让光波的颜色向波长更长的红端移动。朝向你运动的源发出的波则会被挤压——声音的声调会变高,光看上去则会偏蓝。

1912年,斯里弗发现,他能够看到的所有星系发出的光,都比预期的更红——这表明光的波长被拉长了。这种“红移”意味着,那些星系正在远离地球,红移的幅度则揭示了它们的速度。

施密特指出,计算一个星系距离我们有多远,是一件很困难的事情,因为“你不可能在它和我们之间拉一条皮尺”。哈勃作了一个合理假设,认为每个星系中最亮恒星的光度都一样,就好像瓦数相同的灯泡——于是,它们看上去越暗的话,距离我们就越远。

这是一个粗糙的假设,因为不是所有恒星都具有相同光度,但它还可以凑合用。哈勃发现,星系距离我们越遥远,它们发出的光就越红——换句话说,它们飞驰而去的速度就越快。1929年,他高调宣布,这证明宇宙正在膨胀。

“如果拿一个气球,在上面画上小星星,你会看到相同的情形,”施密特解释说,“吹胀这个气球,每颗星星都会相互远离——而且距离越远,分开的速度就越快。”哈勃发现的正是同样的情景:宇宙最初始于某种致密状态,现在则像一个充气的气球那样,在向外膨胀。

点亮宇宙烛光

我见过施密特本人,那是在他鲜有的访问英国之际,当时他当选为世界上最古老的科学院——英国伦敦皇家学会的会员。他看起来惊人的年轻——金发,蓝眼,圆脸,几乎长着一张娃娃脸。相比之下,大多数诺贝尔奖得主都是在职业生涯末期才得奖的,这使得他们有足够工时间来积聚他们研究工作的影响力。但施密特只有46岁,里斯还要再年轻一点,珀尔马特则年长几岁。在做出发现后不久即受到嘉奖,正说明了他们的同行对此的高度认同。

施密特对夜空的迷恋始于高中,当时他家搬到了阿拉斯加——用他的话来说,在那里玩天文是一个挑战,因为“夏天的天从来不黑,冬天则比地狱还要冷”。但阿拉斯加有极光,这是带电粒子在高纬度地区轰击大气所产生的天然彩色光芒。

施密特的想象力被点燃了,他把观星与他童年的另一项爱好——计算——结合了起来。1981年,他的父亲,一位生物学家,买了一台首款IBM个人电脑,14岁的施密特花了两年时间编程,来计算什么时候会发生日食。

几年后,他的计算机编程技能很快就派上了用场。在美国亚利桑那大学读本科时,他编写软件来筛查望远镜拍摄到的无数天体光点,从中寻找超新星的踪迹。超新星要比普通恒星更亮,但它们的亮度只能持续几周时间。

当时,天文学家仍在苦苦测定宇宙的膨胀速率,施密特旨在发现超新星的学生项目是其中的一个关键。由于哈勃的假设(即每颗恒星都有相同光度)并不严格,因此为了确定宇宙膨胀的速度,天文学家需要更可靠的宇宙烛光——也就是那些他们能够确信无论距离地球多远都具有相同光度的天体。

于是,他们转而求助于一类超新星,一类由质量类似于我们太阳的恒星在死亡之后所产生的超新星。在这类恒星的一生中,它们会燃烧氢和氦,由此产生能量,以抵御引力导致的向内坍缩。然而,一旦这些燃料耗尽,剩余的物质就会坍缩到这颗恒星的中心,形成一颗白矮星。

这些天体极为致密,一茶匙的白矮星物质就重达几吨。它们强大的引力,能够剥离近邻恒星的外层物质,并拖拽到自己身上。当一颗白矮星的质量达到临界值,即太阳质量的1.38倍时,它就会爆炸开来,像一颗巨大的热核炸弹。这类超新星,被称为Ia型超新星。

关键在于,这类Ia型超新星在引爆时都具有相同的质量,它们相似的爆炸亮度可以用来指引天文学家。只要测出这些爆炸看上去有多亮,天文学家就可以估算出超新星到地球的距离。另外,又因为光波在不断膨胀的空间中穿行时会被拉长,这类超新星的红移量让天文学家能够直接测量宇宙的膨胀。

1989年,当时仍在哈佛大学攻读博士学位的施密特,使用超新星距离标尺算出了宇宙现在的膨胀速度。也正是在那里,他遇到了比他低3级,同在导师罗伯特·基什内尔(Robert Kirshner)门下攻读研究生的亚当·里斯。

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亚当·里斯,因为发现宇宙加速膨胀,在2011年分享了诺贝尔物理学奖。图片来源:drewmagazine.com

里斯也是从年少时起便迷上了科学。令他的父母相当懊恼的是,里斯对可怕的实验情有独钟:6 岁时,他把蠕虫一切为二,想看看它们还能不能继续蠕动。(答案是:确实可以。)后来,他对电产生了兴趣,把一片金属插进了自家插座的两个开口当中。“我烧毁了我们家的电路,但也就此了解了什么叫短路,”他笑着说。

用Ia型超新星来追踪宇宙更早以前膨胀速度的想法,来自施密特和里斯的熟人,也就是很快会成为他们竞争对手的索尔·珀尔马特。珀尔马特当时已经发现了7颗Ia型超新星,比此前人们发现过的任何Ia型超新星都要远上10倍。由于遥远天体发出的光到达地球需要时间,你看向宇宙空间的更深处,能够看到的宇宙历史就更久远。

测定这些极遥远超新星的距离,就可以揭示宇宙在过去膨胀的速度有多快。“如果宇宙曾经快速膨胀,遥远超新星的红移就会比邻近的超新星更加显著。而在另一方面,如果宇宙曾经缓慢膨胀,遥远超新星的红移就不会那么明显。”比对一下非常古老的超新星和邻近超新星的红移,就有可能告诉我们宇宙膨胀的速率有没有在改变。珀尔马特回忆说:“就是这么简单的一个测量,我很惊讶大家之前都没有这么做过。”

刀口上的宇宙

珀尔马特的动力,源自他想要了解宇宙最终命运的渴望。几十年前,宇宙学家根据爱因斯坦的方程推断,宇宙的命运存在3种可能,具体命归哪一种,则取决于宇宙中包含多少物质,比如星系,比如恒星,比如人。如果可见宇宙中的物质密度足够大,宇宙膨胀不仅会减速,最终还会在引力作用下转向,把可见宇宙压进一个无穷小的点——这种结局被称为大挤压(Big Crunch)。

相反,如果宇宙包含的物质小于这个临界值,膨胀速度虽然会放缓,但永远不会停止;更具戏剧性的是,加速膨胀最终可能会把宇宙撕碎,被称为大撕裂(Big Rip)。第3种可能是,宇宙位于上述两种情况之间临界的刀口上,处于一个永久的稳定状态。

这些深层次的哲学问题,使得珀尔马特把天文学摆在了首位。他说:“还是个孩子时,我就想知道宇宙是怎么运转的。”天文学可以通过实验来寻找答案。“宇宙在时间和空间上是否永生,还是说最终它也会终结?这是每一个小学生都会问的一个问题。”这些问题大概可以回答,因为宇宙膨胀的历史能够通过实验来测定。

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索尔·珀尔马特,因为发现宇宙加速膨胀,在2011年分享了诺贝尔物理学奖。图片来源:bloomberg.com

美国麻省理工学院的阿兰·古斯(Alan Guth)和当时任职于俄罗斯列别杰夫物理研究所的安德烈·林德(Andrei Linde),是率先尝试解决这个问题的宇宙学家。在思索其他天文谜题的同时,他们各自独立得出了同一个令人烦躁的预言:宇宙正好平衡于临界密度这个刀口之上。

确切地说,宇宙学家一直在苦苦解释这样一个问题:为什么宇宙看起来总是惊人相似,不管他们用望远镜对准什么方向,也不管他们能够看到多远。这个问题是天文学家测量了宇宙微波背景(也就是大爆炸遗留下来的辐射余辉)之后才浮出水面的,因为他们发现背景辐射的温度在整个天空中仅有细微的起伏。

天空中相对的两点,比如正北方地平线和正南方地平线上140亿光年以外的地方,是我们能够看到的相距最远的两个地方。然而,它们的背景温度相差只有万分之一。问题在于,为什么天空中相距280亿光年的两个地方,本质上的温度却一模一样?

古斯和林德的回答很优雅:我们的宇宙经历过一个令人难以置信的快速成长过程,被称为暴胀(inflation)——大爆炸后仅10-30秒,它便推动着婴儿宇宙超光速膨胀。果真如此的话,在暴胀发生之前,宇宙中相邻的两个地点就会靠得足够近,有足够的时间来平摊它们的温度。接着,暴胀会抓住这两个几乎一模一样的区域,把它们推送到天空的两端,就此解决了宇宙在各个方向上看上去都一样的谜题。

关键在于,数学计算表明,将宇宙中的温度起伏抹平的过程,也会让宇宙处于临界密度——微妙地平衡在永远膨胀和最终坍缩两种命运之间。但迄今为止,天文学家发现的物质最多只占到临界密度的30%。这意味着,宇宙中仍有70%的东西在跟天文学家玩捉迷藏。

里斯想成为找到它们的那个人。

搜寻暗物质

可见宇宙中有大约70%的物质不知去向,看起来像是出了某种重大疏漏,但天文学家意识到,这只是因为望远镜无法看见必定潜伏在空间中的全部物体。宇宙中存在大量不可见的物质,天文学家很早之前就获得了支持这一观点的首批证据,因为他们发现大量星系的外围部分旋转速度快得莫名其妙。

那些外围的恒星似乎被强劲的引力所拉扯,强度远远超过可见恒星施加引力的总合。最合理的解释是,这些星系中包含一些物质,无法被常规手段探测到,却可能施加引力作用——他们称之为“暗物质”。

里斯想知道,宇宙中是不是有足够多的暗物质,能够构成宇宙学家预言的缺失的那70%。他当时认为,测量出宇宙膨胀正在减慢的速率,他就能够证明这一点。如果宇宙膨胀正在显著放缓,那就可以合理得得出结论,宇宙中存在尚未得到解释的引力正在把它往回拉,大量的暗物质正是这些引力的源头。反过来,暗物质究竟有多少,又决定了宇宙是会永远膨胀下去,还是会最终挤压成一点。

这是一场测量宇宙膨胀速率的竞赛,两个团队都要进行长期而艰难的望远镜观测和数据分析。1997年初,珀尔马特看到了第一条异样的线索。通过亮度测量,他发现,特定红移的超新星距离地球要比之前任何人设想的都更加遥远得多。如果正确的话,这一发现的寓意令人震惊:和宇宙学家所预言的宇宙膨胀正在减慢相反,宇宙的膨胀其实正在加速。但在公布这一结果之前,珀尔马特还必须一而再、再而三的检验这一发现。

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就像吹胀的气球一样,宇宙中几乎所有的星系都在随着空间的膨胀而相互远离。图片来源:《发现》杂志

与此同时,里斯开发了一个计算机程序用来计算宇宙的密度,他也得到了同样奇怪的结果。他的程序非但没有指出宇宙中物质所占比例大约是30%,反而像是在嘲弄他一样,得出了一个看起来毫无意义的结果——负30%。这个数字在物理上看来完全解释不通。

起初里斯认为他的程序出错了。但最终他意识到,可能还有一种解释,一个直到当时还完全没被人意识到的解释:或许暗物质不是唯一会通过施加引力或者斥力,对宇宙的总密度做出贡献的“东西”。或许,还有其他的东西潜伏在宇宙中。

你有新邮件

就是在此时,里斯把关键的这张图通过电子邮件发给了澳大利亚的施密特。他相信,这表明宇宙不仅在膨胀,而且膨胀速率还随着时间变得越来越快——但这样的想法,他没敢告诉施密特。有了这些离奇的结果在手,里斯和施密特现在站在了悬崖边上,他们不得不全面彻底地重新审视他们得到的结果。

不过,那个时间对于里斯来说,实在不能再糟糕了——再过几个星期,他就要结婚了,但是在跟他的未婚妻作最后的安排时,他还窝在实验室里。“圣诞假期来了,我还在工作,”里斯笑着说。

到1998年1月初,施密特和里斯达成了一致,认为这一结果是真实的,并且告诉了他们的团队。这也让里斯能够稍事休息,结了个婚,度了个蜜月。

终于到了向全世界公布这一结果的时刻。在1998年1月底召开的美国天文学会会议上,珀尔马特的团队公开了表明宇宙加速膨胀的数据,施密特的同事立刻意识到,这与他们得到的结果相符。两个团队现在能够相互印证了。宇宙正以超过所有人想象的速度在向外膨胀,推动宇宙这么做的,是一种时至今日仍无法被任何物理学理论解释的未知力量。

人们开始用“暗能量”这个术语来描述驱动宇宙加速膨胀的机制。但事实上,它只不过是个标签,彰显的却是物理学家的全然无知——它是什么,从哪里来,为什么会表现出这样的行为,全部都一无所知。

到了2000年,得益于天文学家对源自宇宙大爆炸的微波背景辐射的测量,这一观测结果得到了证实。飞镖球载望远镜实验(BOOMERanG)和毫米波各向异性实验成像阵列 (MAXIMA)的测量结果显示,宇宙的膨胀速度确实在不断加快。

过去10年中,每一项天文观测都越来越清晰地表明,宇宙是由30%的物质(包括可见物质和暗物质)以及70%的暗能量构成的。里斯后来对超过70亿年前的古老超新星展开的搜寻,则填补了空白:宇宙的膨胀一开始是减速的,因为向内的物质引力原本强过暗能量相对缓和的向外的斥力。

随着宇宙的膨胀,物质逐渐四散,它们间的引力也随之减弱。大约50亿年前,引力与暗能量达到了平衡,使得宇宙膨胀的速率在一段时间里保持稳定,既不加速,也不放缓。在此之后,由于宇宙继续膨胀,却没有新的物质在其中创生,物质被进一步稀释,散布到了不断增大的空间之间。随着宇宙中物质密度的稳步下降,宇宙的膨胀开始加速。

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宇宙的3种主要构成成分,暗能量所占比例超过70%。图片来源:《发现》杂志

暗能量的起源

尽管有了这些认识,物理学家对暗能量的起源仍一无所知。宇宙学家在一个模型中提出,暗能量起源于量子物理的模糊定律。量子物理支配着亚原子世界。量子力学以诡异而著称,因为它声称,在你看到一个粒子之前,它不具有任何属性;相反,它同时存在于多个地方。

这一内在的反复无常意味着,你永远不能肯定地说,这里没有粒子;就连假想的真空也会充满了瞬间冒出来又稍纵即逝的粒子。这些翻腾着的“虚​​”粒子泡沫会增加真空本身的能量,不过迄今为止,理论预言的能量要比我们实际看到的暗能量超出太多太多。

量子效应能不能创造出暗能量?类似于爱因斯坦宇宙学常数的某种东西,能够预言全部现象吗?“正因为如此,宇宙学家一直在努力尝试,要给暗能量寻找某种解释,”施密特说,“它看起来有点像宇宙学常数,但又不是宇宙学常数。”

另一种暗物质模型称为“第五元素”(又译为“精质”),认为宇宙中弥漫着一种场,在宇宙初期的大部分时间里处于休眠状态,后来才慢慢苏醒,直到最近才开始推动宇宙加速膨胀。这两种模型有可能相互竞争,因为在“第五元素”模型中,暗能量的强度可以发生变化,而宇宙学常数(顾名思义)则始终如一。

珀尔马特正与美国国家航空航天局联手打造大视场红外巡天望远镜(WFIRST),预计2020年之后发射升空。有了这台空间望远镜,珀尔马特将研究从未被人研究过的更遥远的超新星,追溯宇宙更早期的膨胀历史,以此来帮助甄别不同的暗能量模型。通过回溯久远的过去,他应该能够区别暗能量是一直保持不变,还是像“第五元素”预言的那样会随时间发生变化。

“第五元素”也只是宇宙学常数可能的代替品之一。另一种解释认为,我们的宇宙位于一个黑洞内部。黑洞是某些超新星爆炸之后留下的一种超致密的恒星残骸。美国达特茅斯学院的宇宙学家斯蒂芬·亚历山大(Stephon Alexander)所作的计算显示,在受到引力挤压时,中微子可以形成跨越宇宙的超流体,产生某种反引力效应,强度与暗能量相当。

它就是暗能量?把中微子挤压成超流体需要强大的压强,只能在超致密天体内部才能达到——这意味着在这个模型中,我们的宇宙必须置身于某个类似于黑洞的东西内部。亚历山大说:“这看起来很疯狂,但我认为它是(所有暗能量模型中)最简单的。”

寻求超越

面对这些理论以及它们许多的竞争对手,里斯感到困惑。“过去10年来,人们变得越来越绝望。可以理解,因为这确实是一个很难的问题,”珀尔马特补充说,“在过去的12年里,几乎每天都会有一位理论学家发表一篇关于暗能量的论文。”

但是,里斯不想甄别哪一个暗物质理论更优秀,他计划不带偏见地搜寻证据。他说:“就像棒球裁判一样,我会保持公正,以我所见来作出评判。”

除了在诸多可能的暗能量起源之中做出选择以外,天文观测或许还能够帮助珀尔马特、施密特和里斯回答他们在1994年就为之着迷的那个问题:宇宙的最终命运是什么?人们曾认为,宇宙的命运将由物质密度来掌控,现在看来,它要听任暗能量的随意摆布了。

如果暗能量继续保持目前这种不受抑制的状态,一些理论认为它可能会把宇宙带向“大撕裂”,撕碎恒星、行星和原子。如果暗能量减小然后翻转过来,不再对抗引力,而是协助引力一起向内压缩,那么大挤压就会重新跃然纸上,我们这个宇宙最终将被挤压进无穷小的一点。不过现在看来,这种情况似乎不太可能发生。

“欧几里德”将提供一个寻求终极答案的机会。这是欧洲空间局设计用来研究宇宙黑暗面的一台空间望远镜,计划于2020年发射升空。再过8到10年,“欧几里得”将开始产出数据,不过珀尔马特警告说,它或许不会给出我们预期的答案。“如果说经验教会了我什么东西的话,那就是观测可能会把你引入完全超乎你想象的地方。”

施密特指出,17世纪的牛顿引力理论,在经过了漫长的等待之后,才升级成了爱因斯坦的广义相对论。“要解释为什么会有宇宙学常数,我们需要另一个爱因斯坦——而且我们不知道这些真知灼见什么时候会出现,”他说,“可能是明天,也可能还要再等上150年。”

编译自:《发现》杂志,What Does Dark Energy Mean for the Fate of the Universe?

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