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从“球形鸡”到宇宙大尺度结构: 热度 11 陈学雷 2017-2-24 23:59; 我为《Newton-科学世界》2017年3月期写的卷首语。有一个物理冷笑话，在流行的美剧《生活大爆炸》中也曾被引用，说是某农场主在养鸡过程中遇到了一些问题，于是他邀请附近大学里的科学家来替他解决问题，大学里的一位物理学家来进行了一番调查，记下许多数据后回去了，过了一段时间，农场主询问物理学家是否已找到了解决方案，物理学家回答说：“是的，我已经解决了问题，但是只适用于真空中的球形鸡！” 在很长一段时间里，宇宙学理论其实很像这个“真空中的球形鸡”，是一个做了极大简化后得出的理论。爱因斯坦提出广义相对论后，我们有了一组描述时空的美妙方程，但要求解这方程组相当困难。从爱因斯坦开始的宇宙学家们于是假定宇宙是均匀的、各向同性的（球形的）。星系红移的哈勃定律提示我们宇宙在膨胀，再进一步假定宇宙中含有若干种粒子成分，比如光子、普通物质，就可以导出宇宙整体演化的弗里德曼方程。进一步思索这种膨胀早期的热力学过程，勒梅特、伽莫夫等就提出了大爆炸宇宙学模型。但我们明明知道，现实宇宙中物质的分布并非完全均匀，有的地方（比如星系内部）物质密度明显高于另一些地方（比如星系之间的空间）。甚至星系的分布也并非均匀，比如人们很早就发现了一些巨大的星系团 -- 在这些地方许多星系密集地聚集在一起。有些反对标准的宇宙学理论的人就常常以此为借口，批评标准的宇宙学理论。不过，虽然普通人和一些其它领域的学者会认为“真空中的球形鸡”是一个嘲讽理论物理学家过度简化的笑话，但理论物理学家们自己并不这么认为。在他们看来，“真空中的球形鸡”其实未必可笑，它往往正是通向更逼真也更复杂答案之前必须走的第一步，而且有时还能给出惊人准确的结果。假定宇宙均匀各项同性的理论看来就是如此 -- 正是这个理论预言了宇宙微波背景辐射的存在，彭齐亚斯和威尔逊调试天线时意外地探测到了一种“多余的噪声”从而证实这个理论基本的正确性。但是，宇宙学家们也不能总是满足于真空中的球形鸡，而是迟早要把它放入空气中，加上翅膀、头冠和羽毛。自上世纪 80 年代开始，一系列规模越来越大、范围越来越广的巡天观测开始揭示宇宙在大尺度上分布的不均匀性，其所观测的星系数，从最初的几千个，到现在的几百万乃至几千万个。在这些星系的分布中，也发现了丰富的不同形态，包括连绵延展的星系长城和巨大的星系空洞。有趣的是，为了理解这些丰富的宇宙地貌是怎样形成的、有怎样的性质，人们同样使用了种种“球形鸡”方法把问题简化。一种思路是微扰理论，在球形鸡的基础上稍稍加上几根羽毛，或者说在均匀膨胀宇宙中增加一点微小的不均匀成分，然后看这不均匀性在引力作用下如何演化 -- 当然它会不断增长，直到不均匀性如此之大以致无法再把它视为微扰为止。另一种思路则是把这些微扰本身当成是球形的或者椭球形的，在宇宙膨胀中它的额外引力导致其膨胀逐渐减慢并逆转为收缩，最后形成球形或椭球形的“晕”，星系最终就在这些晕中形成。通过这两种研究方式，再加上对随机初始条件的数学描述，我们获得了一种对宇宙大尺度结构形成的直觉理解。另一方面，现代的电子数字计算技术也使宇宙学家们可以用蛮力求解非球形的问题 -- 通过数值模拟，研究宇宙大尺度结构形成过程。令人惊讶的是，我们发现这一极其复杂的过程，仍然可以被很好地理解。现在，宇宙大尺度结构的形成理论是宇宙学标准模型的重要组成部分。对于宇宙大尺度结构的研究仍在进一步深入。宇宙学家们希望通过对宇宙大尺度结构精密地测量，可以进一步揭示神秘的暗物质和暗能量的性质 -- 它们显然会影响大尺度结构形成的过程，也会改变最终大尺度结构的统计性质。另一方面，大尺度结构可能也是我们探索宇宙起源的最终线索。大尺度结构是微小的原初扰动在引力作用下形成的，而这些原初扰动的来源也是宇宙学理论的重要内容。主流的宇宙学理论认为，它们是在宇宙暴胀 -- 一种宇宙极早期极其剧烈的膨胀中由于量子力学测不准原理导致的量子涨落而产生的。少数宇宙学家则提出了一些不同的宇宙起源理论：比如认为宇宙起源于高维时空中“膜”的碰撞。无论如何，深入研究这些大尺度结构的性质，可能是我们追溯宇宙大爆炸之前的唯一手段。; 个人分类: 科教评论|13276 次阅读|21 个评论

[转载]宇宙的信息丢失：神秘“视觉空洞”？: crossludo 2012-5-24 11:49; 宇宙5亿年信息或丢失形成神秘“视觉空洞”？哈佛科学家认为早期宇宙的信息可能已经永远丢失，随着时间的推移，我们将无法窥视这一宇宙时期。腾讯科技讯（Everett/编译）据国外媒体报道，目前最新的宇宙研究可追溯到130亿年前，仅仅是大爆炸发生后的五亿年左右，这个时期内宇宙的第一代恒星和星系逐渐开始形成，但是科学家们认为当第一代星系完全诞生之后，早期宇宙的信息已经丢失，因此观测“宇宙扰动”的最佳时期应该是恒星开始形成之时。随着时间的推移，我们甚至将无法窥探到这一宇宙时期，形成“视觉空洞”。转播到腾讯微博艺术家绘制的宇宙第一代恒星宇宙学家认为我们目前所在的宇宙极为奇妙而且复杂，其中充满了数千亿个星系以及神秘的宇宙大尺度结构，有着具有137亿年的历史。在宇宙诞生之时，微小的扰动对未来宇宙的演化存在很大的影响，因为随着时间的推移，早期宇宙中任何一个不起眼的扰动都在未来的宇宙中放大，就像一个池塘的波纹，最后会扩散至整个池塘。对此，宇宙学家们正在寻找观测早期宇宙的最佳时间，但现在会是最佳的时间吗？我们能否得知宇宙的将来或者过去数十亿年的事件？哈佛大学的理论宇宙学家阿维·勒布（Avi Loeb）通过最新的计算机模拟研究显示目前理想的观测宇宙时期能触及到130亿年前的宇宙事件，该时间段位于大爆炸之后的大约五亿年。随着时间的推移，最佳观测时间逐渐往后，我们也将失去早期宇宙的详细信息。阿维·勒布对此认为：“我很高兴在这一历史性的时刻成为一名宇宙学家，我们仍然能恢复一些关于早期宇宙的线索。”而对于最佳观测时间，目前科学家有两个相互竞争的理论。一个理论认为年轻宇宙的视界最为靠近我们，因此我们只能看到很少的一部分宇宙信息。另外一个理论认为随着宇宙年龄的增加，我们可以收集到更多的来自遥远宇宙空间的光线。然而，在年龄更大或者其他新加入的宇宙中，物理学家发现坍缩使得引力如同在宇宙池塘中，这段时期的宇宙被喻为“泥潭水域”。两个相互竞争的理论似乎都相互作用，但第一个的问题明显要好于第二个竞争理论。研究结果显示我们研究宇宙扰动的最佳时间为大爆炸之后的五亿年，也就是宇宙中第一代恒星与星系形成之时。由于第一批星系诞生之后，关于早期宇宙的信息很可能随之丢失，而查看宇宙扰动的最佳时期是宇宙第一批恒星诞生之时。现代研究人员通过使用射电望远镜检测了早期宇宙存在的各种物质，比如氢气。当这些无线电波在130亿年之后抵达地球，保留着原有的信息记录，我们仍然可以观测到早期宇宙会发生何种事件。理论宇宙学家阿维·勒布认为射电望远镜是我们调查宇宙的最大希望，通过在大尺度上观测氢元素，我们可以洞察到早期宇宙中发生的事件。而对于另外一部分的宇宙学家而言，加速膨胀的宇宙将使得所获得的图片显得有些暗淡。因为宇宙的加速膨胀，星系正好处于我们的视野之外，这就意味着那些星系的光将永远不会抵达地球。此外，随着引力涉及的大尺度结构越来越大，最终这些被我们所见的星系也将被拉伸到视觉之外。如果届时的时间段是当前宇宙年龄的十至一百倍，宇宙学家将不可能观测到这些星系。根据勒布介绍：如果我们想了解早期宇宙，就应该在永远无法观测到它们之前收集详细数据。; 个人分类: 预测科学|1331 次阅读|0 个评论

红移巡天与星系分布的大尺度结构: 陈学雷 2010-7-26 07:09; 我上个月组织了一个关于红移巡天与星系分布大尺度结构的暑期学校，见我今天发布的另一篇博客文章（ http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=347349)，这里简单介绍一下这个题目。早在上世纪30年代，夏普利、哈勃等通过对照相底片上星系位置的分析就已经发现星系的分布是随机的，但并不是相互独立的，而是有明显的成团性。统计学家奈曼和斯科特构造的简单的随机分布星系团模型预研的统计性质与观测明显不符合。到了50－60年代，阿贝尔、兹维基等人观测到由大量星系构成的星系团。即使是没有明显成团的星系，彼此仍有一定关联性，可以用关联函数、功率谱等数学工具加以描述（参见我的博文物质功率谱与关联函数测量一文， http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=291288）。但是，要全面准确地描述三维的大尺度结构，仅仅知道星系在天球上的位置分布是不够的，还要定出其距离，这就要借助于红移巡天，也就是说，对一定范围内的星系系统地测量其光谱，定出红移。历史上第一个大规模的红移巡天是哈佛大学天体物理中心(CfA)进行的巡天，1977年开始进行，到1982年完成，观测了亮于14.5等的所有UGC星系的红移，在1984到1985年进行的CfA2巡天，又测定了北天1.8万个星系的红移。这些工作初步揭示了星系的大尺度结构三维分布，人们观测到了星系构成的长城（纤维状结构）、空洞等，激发了许多天文学家的想象力，同时也引发了很多质疑。一方面，天文学家们希望把巡天扩展到更大的深度和规模，观测更暗和距离更远的更多星系。另一方面，很多天文学家也认识到，对于这些更大规模的巡天，要真正得到准确可靠的结果，对于巡天必须做更好地规划，特别是要获得均匀、完备的观测样本，并且以尽可能均匀的条件进行系统的观测。斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)就是这些构想的结果。该项目由斯隆基金会给予一定资助，经过进行规划，建造了专用的望远镜。该望远镜并不大（2.5米），但设计上相当特别，能够实施大面积的测光观测（观测天体的成像、位置、亮度和颜色）和多目标的光谱观测。经过十多年艰苦的研发后，该项目于2000年开始运行，迄今已系统地观测12000平方度天区（全天球的面积约4万平方度），探测到了约3.5亿个天体，获得了93万个星系、12万个类星体和46万个恒星的光谱。截至2008年9月，直接利用这些数据人们已发表了至少两千多篇论文，被引用7万多次，至少有70多个博士的毕业论文是根据SDSS的数据发表的。SDSS也成为历史上参与人数最多也是最为成功的天文学项目之一。我国的科学家在80年代也意识到大规模光谱巡天是未来天文学研究一个有前途的方向，也可能是一个我国天文学发展可以实现赶超的突破口，王绶倌院士、苏定强院士等在80年代提出了建造大天区面积多光纤光谱望远镜(Large sky Area Multi-Object fiber Spectroscopic Telescope, LAMOST)的设想，该望远镜设计独特，有效口径4米，可同时观测4000个天体目标的光谱（相比之下，SDSS望远镜原设计同时观测640个天体光谱，去年改造后可同时观测1000个天体光谱）。该望远镜于2008年10月建成，并已命名为郭守敬望远镜，以纪念我国古代著名科学家郭守敬。望远镜的总工程师崔向群老师去年当选为中科院院士。目前，该望远镜正在调试中（根据部分调试期间获得的观测数据已发表了几篇论文）。调试结束后，该望远镜将开始更大规模的巡天，成为今后几年我国天文学研究的重要数据来源之一。但是，应该看到的是，国际上关于大尺度结构巡天的研究近年来发展迅速，是当代天文学和宇宙学研究的主要方向之一。LAMOST也仅仅是这方面的一个仪器，而且也受到性能和台址的局限，其作用仍然将是有限的。对于大尺度结构的研究，我们还需要继续不断前进。; 个人分类: 科学普及|7048 次阅读|3 个评论

物质密度功率谱及原初非高斯性的测量（10000个科学难题）: 陈学雷 2010-1-30 00:43; 下面是我们为《10000个科学难题天文卷》写的另一篇稿子。因为公式较多，以pdf文件上传。 PDF; 个人分类: 科学普及|5856 次阅读|2 个评论

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