幻想一下,宇航员乘坐世界飞船飞往月球。此时,速度表显现飞船的速度为74千米/秒。可是,地面指挥中心里的科学家,通过用精密仪器探测到的间隔除以飞船抵达月球的时刻,得出的飞船速度为67.4千米/秒。
  
  速度表和地面仪器都没问题,那么,飞船的飞行速度为什么会有两个?丈量世界胀大速度的天文学家遇到的便是相似的问题,他们测得的世界胀大速度有两个。
  
  两个大圣?
  
  世界胀大的速度被称为哈勃常数。天文学家测得的第一个哈勃常数为74km/s/Mpc【意思便是说,假如某个天体位于1百万秒间隔(Mpc)的间隔,它脱离咱们的速度就到达74km/s(千米/秒),假如间隔远一倍,速度也会加倍,然后得知咱们的世界在胀大】。
  
  超新星是恒星演化晚期发生剧烈爆炸的一种星体,而天文学家现在已经测得大多数超新星的亮度。使用“标准烛光”法,天文学家就能够测得超新星到地球的间隔。这种丈量方法根据这样一个简略的现实:咱们所观察到的蜡烛的亮度,与咱们跟蜡烛的间隔相关。超新星就相当于蜡烛,离咱们越远,它就越暗。
  
  由于已知世界会胀大,那么恒星与恒星之间会彼此远离,接下来,天文学家需求再丈量出超新星远离地球的速度。当一颗超新星远离地球时,光的波长就会变长(光的速度仍然不变),向红光转移,而这种现象被称为红移。通过丈量红移,天文学家再核算出超新星的远离速度,之后再除以超新星到地球的间隔,就得出哈勃常数。
  
  使用多个超新星,或者其他星体核算得出的哈勃常数也就在74km/s/Mpc上下起浮。可是,天文学家使用高度精确的普朗克太空望远镜,通过丈量世界的布景辐射,得出的哈勃常数却是67.4km/s/Mpc。
  
  世界布景辐射是指世界大爆炸38万年后所留传下来的辐射。在世界大爆炸伊始,那时的世界是由物质和辐射组成的“大锅炖”。大爆炸之后,世界不断地胀大、冷却,当时刻过了38万年,世界不再冷却,反而坚持一定的温度,而辐射的痕迹似乎被“冷冻”在了那个时分,留传到了今日。
  
  两种丈量世界胀大速度方法的图解
  
  然而,现在的世界布景辐射与曩昔的布景辐射印象并不重合,现在的世界布景辐射图画更广。天文学家不仅据此总算确认了世界正在胀大,并且还能够通过将如今世界布景辐射扩展的规模除以时刻,再通过其他核算,精确地核算出世界胀大的速度。
  
  天文学家仔细审视了得出这两种成果的进程。他们发现这两个世界胀大速度,从核算和观测进程上来看,都是正确的。可是,真正的“大圣”只有一个。那么哪个速度才是正确的?
  
  又是暗物质
  
  天文学家推测由于暗物质的存在,这才导致了不同的丈量方法,得出了不同的成果。假如把暗物质的影响考虑在内,那么哈勃常数就会小一些;假如把暗物质剔除在外,那么得出的哈勃常数就会大一些。
  
  为了便利理解,咱们能够把暗物质比作日常日子中的公路路况。假如路上堵车越来越严峻(对应着暗物质越来越多),那么咱们的速度就会慢得多,到学校或工作单位所需的时刻就越长;假如咱们能够穿透其他车辆(暗物质便是被假设成能够被电磁波直接穿过),直达目的地,那么咱们的车速必定就会快一些。
  
  根据爱因斯坦的广义相对论,由于物质能弯曲空间,因此世界也能够是彎曲的。
  
  仅仅,关于暗物质的存在,目前仍然没有更好的依据。所以,天文学家也在竭力寻找暗物质粒子。中微子是暗物质的候选粒子之一,于1956年7月20日被正式发现。中微子呈电中性,不参加任何电磁效果和强彼此效果,不参加引力效果和弱彼此效果,除此之外,科学家仍然对它知之甚少。为了加深对中微子的了解,日本将建造超级中微子探测器。这台探测器包括了一个装满着2.6亿升超纯水的水箱,以及4万个极端活络的光探测器,这些探测器能够捕捉中微子与水分子发生碰撞的迹象。
  
  除了持续寻找暗物质存在的依据,秉着谨慎的科学态度,天文学家依旧有理由以为,使用超新星得出的哈勃常数之所以较大,原因还或许是观测超新星所用的望远镜不行精确。所以,一台更大、更精确的望远镜——鲁宾望远镜将于2023年,在智利完工,它能够探测更多、更远的超新星。
  
  另外,欧洲欧几里得太空望远镜将于2022年发射。届时,它将为天文学家供给更为精确的红移和引力透镜的探测,然后验证各自的理论。或许到了那时,天文学家才能确定世界真正的胀大速度。
  
  世界是平的,仍是圆的,又或者是弯曲的?
  
  天文学家为什么要如此费力地弄清世界的胀大速度?
  
  假如世界胀大速度是74km/s/Mpc,根据俄国数学家亚历山大·弗里德曼在1922年发现的弗里德曼方程(现代世界学便是根据弗里德曼方程发展而来),世界中物质和能量的均匀密度等于临界密度,那么就说明世界是平坦的。世界仍然是三维的,在这种情况下,假如咱们向世界中发射两条平行光束,那么这两条光束将永远地坚持平行。在平坦的世界中,虫洞就不太或许存在,同一物理规律也将在世界遍地适用。
  
  假如世界胀大速度是67.4km/s/Mpc,世界中物质和能量的均匀密度就高于临界密度,而这样的世界则是一个关闭的球形。在这个世界中,假如咱们朝太空发射两条平行光束,那么这两条光束最终会相交在一起。在这个关闭的世界,虫洞就有存在的或许。在这个世界的某些当地,物理规律会跟地球上的不一样。
  
  上述第二个世界胀大速度还导致了一个意外的问题。天文学家反过来,先假设世界是关闭的球形,然后再求得哈勃常数。最终得出,哈勃常数理应比67.4km/s/Mpc还要小!这又是另外一个谜团了。
  
  弗里德曼方程还猜测了第三种世界形状,那便是世界是敞开、弯曲的,相似于一张拱起来的纸张。当世界物质和能量的均匀密度小于临界密度的时分,世界便是弯曲的。假如咱们朝太空发射两条平行光束,那么这两条光束会越来越彼此远离。在这种世界中,虫洞也更有存在的或许性,并且在这个世界的某些当地,物理规律也会跟地球上的不一样。
  
  虽然天文学家目前只观测到了两种世界形状相关的哈勃常数,但不代表第三种世界形状相关的哈勃常数不存在。天文学家还需求持续尽力,弄清实在的哈勃常数是哪个,由于,不同的哈勃常数决定了咱们世界的不同命运。