文/物理系老郭
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我上大學(xué)那會兒,有一回在圖書館翻書,翻到個詞叫“重子聲波振蕩”。
六個字,拆開每個都認識,擱一塊兒就跟天書似的。
我盯著那頁看了半天,心想這玩意兒跟我有啥關(guān)系。后來才知道,它跟宇宙的命運有關(guān)系。
今天想跟大伙兒聊聊這把尺子。
不是裝修用的那種,是一把4.9億光年長的尺子。
一、我們怎么量夠不著的東西
說尺子之前,先說說量東西這事兒。
量一根木頭,你拿卷尺一拉就行。量你家到菜市場的距離,你走一趟也就知道了。可要是量你夠不著的東西呢?
比如天上的星星。
古人想了個辦法。他們發(fā)現(xiàn),把手伸出去,閉一只眼,手指頭能擋住月亮。這不是什么神通,是幾何。知道手指頭的寬度,知道手臂的長度,再看月亮被擋住的視角,就能算出距離。
這個辦法到今天還在用,只不過手指頭換成了望遠鏡。
后來天文學(xué)家又找到一種法子,叫“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。
啥意思呢?有些星星爆炸的時候,亮度是固定的。你知道它本來該多亮,再看它現(xiàn)在顯得多亮,就能算出它離你多遠。就像你知道一個燈泡是100瓦的,看它亮不亮,就知道它遠不遠。
聽起來挺合理,對吧?
可問題是,萬一那燈泡臟了呢?萬一它本身就不是100瓦的呢?那算出來的距離就不準(zhǔn)了。
天文學(xué)家一直想找一把真正的尺子。
不是光年那種單位,單位不是尺子。尺子是實實在在的東西,長度固定,所有人都認,拿去一比劃,距離就出來了。
可上哪兒找這么一把尺子呢?還得是量宇宙用的。
答案藏在138億年前。
二、一鍋湯里的漣漪
138億年前,宇宙剛出生。
那時候沒有星星,沒有銀河,沒有地球,甚至沒有原子。整個宇宙是一鍋滾燙的等離子體濃湯。
湯里有三樣?xùn)|西。
一是光子,就是光的小顆粒。二是重子,就是咱們現(xiàn)在說的普通物質(zhì),那時候帶電。三是暗物質(zhì),看不見摸不著,但拽著引力。
那時光子和重子粘在一起,分不開,像連體嬰,攪和成一團流體。
這團流體里有兩股勁兒在較勁。
暗物質(zhì)在中間拽,想往里縮,這是引力。光子在往外推,想往外跑,這是壓力。
一拉一推,像彈簧,又像心跳。一收一放之間,震蕩就開始了。
往池塘里扔塊石頭,水波一圈圈蕩開。這鍋宇宙濃湯里也一樣,蕩起了一圈圈漣漪。
這就是聲波。
不是咱們聽見的那種聲波,是在等離子體里傳播的波。它以超過一半光速的速度在宇宙里狂奔。
如果就這么一直跑下去,也就沒有后來的事了。可關(guān)鍵時刻來了。
宇宙38萬歲的時候,溫度降到了3000度左右。電子和原子核終于能好好待在一起了,變成了中性原子。
光子解脫了,不再被重子拽著,撒腿就跑,飛向四面八方。
今天咱們抬頭看天,能看到的宇宙微波背景輻射,就是那批光子跑到現(xiàn)在,被我們接住了。
光子一跑,推力沒了。聲波停了。
但波停了,痕跡還在。
物質(zhì)被推到了一個特定半徑的圈上,那個圈上密度稍微大一點。就像池塘突然結(jié)冰,把剛才蕩開的漣漪凍住了,形狀還在,輪廓還在。
這個圈多大呢?
物理學(xué)家算過,換算到今天,半徑大約是4.9億光年。
這就是那把尺子。
一把天然生成、長度固定的巨尺。
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三、尺子藏在哪里
尺子有了,可上哪兒找呢?
就藏在星系的分布里。
那個被凍住的物質(zhì)圈,密度比周圍高一點。引力這東西,密度越高,拽得越狠。物質(zhì)慢慢往那個圈上聚,越聚越多,最后長成了星系。
所以你看全宇宙的星系分布,會發(fā)現(xiàn)一件有意思的事。
隨便找個星系,在離它4.9億光年的地方,碰到另一個星系的概率,比別處稍微大一點。不是大很多,就是稍微大一點。可就是這一點,暴露了那把尺子的位置。
天文學(xué)家把全天的星系畫成圖,在那個距離上找到了一個統(tǒng)計上的鼓包。
尺子就在那兒。
四、這把尺子告訴了我們什么
有了這把尺子,能干啥呢?
能干兩件大事。
第一件,量宇宙的形狀。
如果宇宙是彎的,尺子看著會變形。就像你拿一把直尺去量一個球面,尺子得跟著彎。反過來,你看尺子的形狀,就知道它量的地方是平的還是彎的。
天文學(xué)家拿著這把4.9億光年的尺子去量,發(fā)現(xiàn)尺子的張角跟平坦宇宙算出來的一模一樣。
宇宙是平的。
不是一張紙那種平,是說空間在大尺度上是平的。光走直線就是直線,不會拐彎。
第二件,量暗能量。
宇宙在膨脹,尺子也被撐長了。遠處的尺子,是年輕時候的,短一些。近處的尺子,是年老時候的,長一些。
拿短的和長的比一比,就知道宇宙在不同時期膨脹得多快。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一件怪事。
宇宙早期膨脹得慢,后來突然加速了。
誰推的?
沒人知道。天文學(xué)家給它起了個名字,叫暗能量。
這把尺子,就是暗能量最硬的證據(jù)。
五、尺子之外的事
說到這兒,我想起上大學(xué)那會兒,有個同學(xué)問我,學(xué)物理有什么用。
我說,能知道宇宙是平的。
他說,知道了又怎樣。
我當(dāng)時沒答上來。
現(xiàn)在想想,知道宇宙是平的,確實不能當(dāng)飯吃,不能換錢花。可知道了這件事,你再抬頭看天的時候,感覺不一樣了。
滿天星星,看起來亂糟糟的,可你知道它們之間藏著4.9億光年的規(guī)律。那個規(guī)律是138億年前就定下的,從宇宙的第一聲心跳傳到現(xiàn)在,被你看見了。
你說這算不算用。
人類是個挺有意思的物種。
困在地球上這么一粒微塵上,哪兒也去不了,可偏偏想知道宇宙有多大,從哪兒來,要到哪兒去。
夠不著的東西,我們就想辦法量。量不了的東西,我們就想辦法想。
重子聲波振蕩這把尺子,就是想的產(chǎn)物。
它不是金屬做的,不是木頭做的,是物理學(xué)家在紙上算出來的。可它管用。它告訴我們宇宙是平的,告訴我們暗能量存在,告訴我們宇宙的過去和未來。
有時候我覺得,尺子不只是尺子。
它是人類伸出去的那只手,夠不著星星,就夠著規(guī)律。夠著規(guī)律,就夠著了星星。
那天我在圖書館翻到“重子聲波振蕩”這個詞的時候,不會想到三十多年后,我會坐在這兒,給大伙兒講它是什么。
物理就是這樣。
當(dāng)初看不懂的,后來看懂了。當(dāng)初覺得沒用的,后來發(fā)現(xiàn)它回答了天大的問題。
我不知道你聽完這把尺子的故事,會不會也抬頭看看天。
如果有那么一個晚上,你走在路上,抬頭看見滿天星星,想起它們之間隔著一個4.9億光年的規(guī)律,想起那是138億年前宇宙留下的一道波紋——
那你就是老郭的同道中人了。
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