最近二十年的宇宙学
title: 最近二十年的宇宙学
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author: 王清扬 (fb9639265aed07289a214dd964b47f06)
column: 咸鱼的随笔及回答收录 (c_1305694126856310784)
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created: 2021-05-03 08:00:00
updated: 2021-05-03 08:00:00
fetched: 2022-05-08 16:53:20
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tags: [宇宙学, 物理学, 科学]
from 专栏 咸鱼的随笔及回答收录
话题:
宇宙学, 物理学, 科学
正文:
两个月前受搜狗科学百科的邀请写下这篇文章，向大家介绍进入新世纪这二十年来宇宙学领域的进展和面临的困难，今天把这篇文章简单修改后放到知乎上来。
我正在学习及研究的领域是宇宙学，这是一个通过物理方法研究宇宙的起源、演化与物质组成的学科。现代宇宙学起源于上世纪初，爱因斯坦广义相对论的建立与哈勃定律的发现拉开了人们研究宇宙演化的序幕。在此后的几十年中，宇宙学的研究取得了一系列的激动人心的重大成果。人们认识到了宇宙拥有一个非常热的早期（大爆炸理论），还发现了暗物质、暗能量这两种未知的物质组分正在主导宇宙的演化。进入新世纪这二十年来，宇宙学领域继续取得长足发展。人们建立的宇宙学标准模型（ΛCDM模型）用仅仅6个参数就能够以相当高的精度去描写我们的宇宙，以至于有人称我们已进入了所谓的精确宇宙学时代。然而，也必须认识到我们对宇宙的某些根本问题的理解仍然停留在二十年前的水平，这些老大难问题至今仍是宇宙学研究的前沿话题。接下来我将分别介绍二十年来宇宙学研究取得的进展以及目前面临的主要困难。
一、进展
进展主要集中在观测方面：
第二项进展是对 引力透镜效应的研究 。引力透镜效应是被爱因斯坦的广义相对论预言的一种天文现象。在广义相对论中时空会被大质量天体所弯曲，光线在经过这些天体周围时路径会发生偏折，就像经过了一个透镜一样。近二十年来，引力透镜效应观测手段的发展使得人们能够确认暗物质在某些星系团中的分布情况，同时也为其他宇宙学问题的研究提供了强有力的工具。
第三项进展是 引力波的发现 。引力波是引力场的波动（对比电磁波是电磁场的波动），宇宙中的某些极端现象会产生非常强的引力波，这些引力波信号会被LIGO等引力波探测器捕捉，使得人们可以通过信号还原出这些极端事件的物理信息。自从2016年LIGO合作组首次发现引力波以来，短短几年时间里人们已探测到数十个黑洞或中子星的合并事件，这些极端事件的观测数据对宇宙学各方面的研究均产生了重要的影响。
图1 三代宇宙微波背景辐射（CMB）探测卫星对CMB各向异性测量的精细程度的对比。宇宙学家们可以根据高精度的测量数据更准确地推算出宇宙的年龄、膨胀速度以及宇宙中可见物质与暗物质、暗能量的比例。（图片来自网络）
二、困难
然而就像我前面说的，虽然近二十年来宇宙学的观测研究取得了非常多的成就，但我们对宇宙学的一些重要的基本问题的理解仍然停留在二十年前的水平。这些基本问题主要集中在宇宙学与粒子物理的交叉领域：
1. 暗物质和暗能量的物理本质是什么？ 虽然CMB的观测可以给出我们这个宇宙中不可见的暗物质与暗能量的含量，但却不能告诉我们这两种特殊的物质组分究竟是什么。要回答物质形式的问题，必须要依靠粒子物理学。在2012年，希格斯粒子的发现宣告着粒子物理标准模型预言的所有61种基本粒子都已被人类找到，但是这61种基本粒子里没有一种可以充当暗物质，它们也无法对暗能量的物理本质提供合理的解释。这意味着粒子物理标准模型很可能只是一个在低能时才有效的理论模型。应当存在某种更加深刻的粒子物理模型，使得人们在这样的理论模型中能够寻找到对暗物质、暗能量的物理本质的回答。除了理论上的探索，在实验上人们也在积极地寻找在标准模型之外的新粒子，试图通过实验去指引理论的发展。然而，目前不论是对撞机实验还是地下或卫星的探测实验都没有发现任何新的基本粒子。因此，至今我们仍对暗物质和暗能量的本质一无所知。
2. 极早期宇宙发生了什么？ 上世纪80年代，在众多合理动机的促使下，人们猜测极早期宇宙发生过一个名为“ 暴胀 ”的物理过程。这一过程使得宇宙在其诞生后的
3. 还有一些比较重要的问题，举几个例子：①根据不同的探测手段得到的观测数据推算出的宇宙膨胀速度（哈勃常数）为什么不一样？这是否意味着宇宙的膨胀历史中有某个尚未被人们意识到的阶段？②NANOGrav的实验真的探测到随机引力波背景了吗？如果是真的，那么随机引力波的物理起源是什么？它能够为我们还原极早期宇宙的物理过程提供是么样的帮助？③一个老大难问题：为什么宇宙中正物质的数量要远多于反物质？
图2 宇宙的演化历史。虽然暴胀、暗物质、暗能量的引入使人们建立起了宇宙学标准模型来还原宇宙的演化历史，但它们的具体模型或物理本质仍是一个谜团。（图片来自网络）
三、结语
对于宇宙，我们现在已对表面的问题拥有了相当多的了解，但我们不会就此止步，好奇心推动着我们提出并尝试解答一个又一个更加接近本质的问题。虽然在新世纪的前二十年我们未能对重要的基本问题拥有太多更加深刻的理解，但是相信随着观测手段的进步，在可预见的将来会出现越来越多的足以推动理论发展的观测结果。这个时间不会太久，也许就在下一个二十年。
最后附几篇我之前写的宇宙学方面的回答和文章：
暗物质是由什么组成的？如何把暗能量整合进当今的粒子物理学？「暗能量」概念是如何提出的，有何意义，有哪些存在的证据？既然物质不能凭空产生，那么宇宙最初的物质是从哪里来的？王清扬：【2020.12】如何模拟宇宙中暗物质丰度的演化？
评论:
真狗熊: 看到这个题目就害怕……。你们这些正规研究人员发言太少，宇宙学在知乎都快被民科包场了 (64 赞)
Wolffy: 我有一个大胆的猜测，就是我们的宇宙中只存在“理论无穷小”，也就是说存在最小尺度的粒子来构成更高级的粒子乃至眼前的世界。再换言之就是只有最小没有更小。这个最小尺度的粒子可能是高维世界在“建造”我们的宇宙时的一个基础单位单元格，或者说是别的什么。我想到这是因为一个很经典的数学问题：“人追乌龟”问题。就是乌龟在前面爬你在后面追，当你追到乌龟上一时刻的位置时乌龟又往前爬了一小段距离，以此往复人永远也追不上乌龟。关于这个我仔细看了很多解释，感觉都有点问题。我自己独开创了一种解释，就是这个问题推广出宇宙可能存在最小尺度，就跟光速最快是一个最大尺度一样存在一个最小尺度，他是最小粒子的宽度，人追乌龟问题就是在短时间内发生超多次计算导致在一个人龟距离差超级小的时刻跨越了这个最小尺度，从而人就能追上并超越乌龟了。因为不引出这个理论感觉那些数学解释都不能完美说明问题。 (1 赞)
Wolffy -> Wolffy: 又或者说用狭义相对论解释，因为人龟速度不一样导致两个生物所拥有的其各自的“独有时间”不一样，然后在人龟距离差极近的时候产生一些轻微扰动导致人追上了乌龟。[思考][思考][思考]说到最后我也不太清楚，但我能想到的解释基本就我自己猜测的那个和这个狭义相对论解释了
Wolffy -> Wolffy: 希望答主看一下我这些回复，我想听听你的看法[思考]
王清扬 -> Wolffy: 追乌龟那个只是时间标度的问题啊，，，他把追上之前那段时间拿出来重新给定标度，在这个标度里自然追不上乌龟。 (3 赞)
Wolffy -> Wolffy:
这跟现在物理学认同的量子学还有点像，量子学打破了常规把自古以来都认为的“连续”的能量给分割成了一份一份的。这可能并不是能量很“任性”不想成为连续的状态，
而是它根本就成为不了连续的状态！因为最小尺度如果存在就不会有真正的连续这个概念，不管万物就算再小也只能以一分一份的形式存在
Wolffy -> 王清扬:
不是啊，我再详细描述一下追乌龟问题吧。假如乌龟在人前面10米，然后同时起跑。这时候我们拿出你所说的时间标度好好看看，就指定用一个标度。然后我们继续看问题，当人快追上乌龟，就差0.1米的时候开始思考：这时人要追上乌龟，不说别的这0.1米是必然要补上的，这是追上的前提，所以人花了时间t1往前走了0.1米，但t1时间内乌龟假设又走了0.01米；然后人为了补上这个0.01米，又花了t2去跑完这0.01米，然而乌龟在这t2时间里又跑了0.001米………
你看这样，t1，t2，t3………tn。时间标度是人龟统一的啊。当然我用的是牛顿坐标系，如果算上狭义相对论那标度确实不一样，不知道你是怎么想的
王清扬 -> Wolffy: 你没发现他只是把追上前的时间无限划分吗，对这个标度的所有时间求和是一个有限值。 (2 赞)
Wolffy -> 王清扬: 这确实是的，但假如真的把有限值无限划分，按这样想好像还缺少了一个“跨越”的过程啊，到底是怎么把无限划分给突破了来完成这个“有限值”，感觉还要用到最小值概念啊。可能我是对的，也可能是我思想卡壳了，如果你很确定你是对的又给我解释不通的话就直接给我说确定我是错的吧。我只是暂时觉得自己说的这些很有道理
无糖米粉 -> Wolffy: 你不如直接说"没有最小尺度, 任何移动都不可能"吧……
小苏打饼干盒: 宇宙是量子涨落产生的吗？ (9 赞)
王清扬 -> 小苏打饼干盒: 尚无定论 (4 赞)
筷子之神 -> 小苏打饼干盒: 很有可能，真空零点能太神奇了
黯枫 -> 小苏打饼干盒: 量子涨落是啥？
黯枫 -> 黯枫: 搜索了一下，是不是可以把真空看做一个平面，不同的区域会因为量子的性质，产生相反且有关的存在，一正一负？
王清扬 -> 黯枫: 不是，根据不确定性关系，一个很短的时间内允许量子场有很大的能量起伏，这是量子涨落。 (1 赞)
知乎用户xY1TLz -> 王清扬: 大佬，牛逼[思考]
久久丫: 知乎快被神棍，民科占领了，这样的好文章必须顶起来[赞][赞][赞] (13 赞)
阿良良木历: 我一直觉得wenbeig 对正反粒子不对称的解释挺好的，人择原理
王清扬 -> 阿良良木历: 这不是解释，人择原理的前提是我们有一个很合适的理论，且理论可以通过调参数得到观测的结果。但现在没有很合适的理论。 (1 赞)
阿良良木历 -> 王清扬: dark matter感觉也很扯，前一向axion是暗物质的理论文章也层出不穷，结果还是什么都找不到
阿良良木历 -> 王清扬: 关于宇宙论，我只读过温伯格的the first three minutes. 其他的我就不知道了，我只是搞粒子物理的
王清扬 -> 阿良良木历: 不扯，宇宙学的好多观测数据没法解释，必须要引入暗物质才能很好解释。axion只是其中的一种模型，找不到也很正常，反正还有其他一堆模型。不过，Xenon1T那个实验不是还没下文吗，让子弹再飞一会儿，说不定下次更新就超4个σ了。 (1 赞)
阿良良木历 -> 王清扬:
我对暗物质的理论了解很少，susy的那个neutralino也只是听过。我在想如果要找heavy的暗物质，去LHC找missing
energy不是容易的吗？一个猜想不一定对[思考]
王清扬 -> 阿良良木历: 能标不够吧，质量高于TeV的话都不能激发出来
知乎用户:
宇宙是一气充满，如冰水混合物，
还是独单相关，如一捧飞沙？
你好搞笑 -> 阿迦陀: 去百度佛陀吧 那里应该会有很多人为你解答
梦ee -> 阿迦陀: 一气充满与一捧飞沙有区别吗
阿迦陀 -> 你好搞笑: 态度不好。抱歉。 (1 赞)
阿迦陀 -> 梦ee: 宇宙是连续的，还是空旷孤寂的？
牛跃进 -> 阿迦陀: 如果普朗克长度真是最小长度单位的话，那么宇宙应该是离散的（非连续）
王清扬 -> 牛跃进: 普朗克长度不是最小长度单位 (1 赞)
董事: 其实中微子并不是暗物质的呀[捂脸]感觉一直以来理解错了。
王清扬 -> 董事: 中微子可以是暗物质，但它们的数量太少，远不够解释目前根据相关实验推算出的暗物质总量。 (1 赞)
董事 -> 王清扬: 懂了！谢谢大佬解答[赞]
黯枫 -> 王清扬: 大佬，暗物质现在是确定是一种实际存在的物质了吗？而不是什么能量云之类的？
王清扬 -> 黯枫: 没有“能量云”这种东西，能量只是定义的物质的一种性质。
黯枫 -> 王清扬: 我只是不知道应该怎么形容，就好比一团具有一定能量的存在，但是却不存在实际性质
浅绛明月:
鄙人这个不才民科的提问:（初二，不喜勿喷，喷就是阁下对）
1.请问宇宙空洞如何解释呢?标准模型与实际观测结果虽然大致相同，但并不是完美契合的。
2.请问该如何开发黑洞的能量?有专家题言，讲带有负能量的离子放进黑洞中 是否真的能够奏效?碳基生物到达黑洞内部究竟会怎么样?
3.请问量子力学如何与相对论融洽?
黯枫 -> 浅绛明月: 黑洞就是个压缩到一定程度的星数，因为体积极限，质量相比却极大，导致引力比很大，光粒子也会被吸引。至于负能量的物质，你想说反物质吧，感觉这玩意不靠谱，想利用黑洞，就只能让他释放能量，但是这个能量人类控制不了，毕竟氢能还不能利用起来，瞬间能量太大，浪费，而且吸收了一定量物质的黑洞还会再次膨胀，爆炸产生新的星球啥的。
浅绛明月 -> 黯枫: 谢谢
方明 -> 黯枫: 有一点我不太同意哈，光的质量是0，是不存在「引力」的，以相对论的观点来说是，「物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动」，黑洞就是附近的时空曲率无限大，就像是平面上的一个倒锥形无底洞，所以光被「吸入」黑洞实际上应该应该光顺着时空「跌入」黑洞
王清扬 -> 黯枫: 你这说的完全不对啊。。 (1 赞)
薛定谔的小贱喵: 学长你好，请问下引力子在标准粒子模型的61种粒子中嘛？（有点忘记了[捂脸][捂脸][捂脸]）
王清扬 -> 薛定谔的小贱喵: 不在
薛定谔的小贱喵 -> 王清扬: 好的[捂脸][捂脸][捂脸]，所以它是属于没找到的第62种粒子，还是标准粒子模型有其它方法来解释引力作用？[飙泪笑][飙泪笑][飙泪笑]
王清扬 -> 薛定谔的小贱喵: 标准模型不包含引力
薛定谔的小贱喵 -> 王清扬: [捂脸][捂脸][捂脸]这样子的嘛，谢谢！
來去浮槎: 话说，正物质数量不能说远多于反物质吧（毕竟相对早期宇宙而言超出只有约1e-9的量级👀
王清扬 -> 來去浮槎: 是说今天的
王羽 -> 來去浮槎: 可观测宇宙为宇宙一部分，正反组织分布不均匀，我们的可观测宇宙恰好在正物质峰上。无法证伪的人则选择[飙泪笑][飙泪笑][飙泪笑]
王清扬 -> 王羽: 目前没有理论表明大尺度上的正反物质的空间分布可以不均匀，无法套用人择原理。 (1 赞)
王羽 -> 來去浮槎: 学习了