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辐射——温度2.7开尔文,遍布整个天空。这是大爆炸的‘余晖’。”
他在黑板上写下“cmb: 2.7K”。
“1992年,”费政老师的声音提高了一些,“cobE卫星首次精确测量了它的黑体谱,并发现了微小的各向异性——十万分之一的温度起伏。这些起伏,正是后来星系、恒星、行星形成的‘种子’。”
张明举手:“老师,那这些起伏是怎么变成星系的?”
“通过引力。”费政老师说,“密度稍高的区域引力更强,会吸引更多物质,就像滚雪球。经过几十亿年,这些微小的涨落逐渐放大,形成了我们今天看到的宇宙大尺度结构——星系、星系团、超星系团。”
他停下来,看着黑板上的时间轴:“所以,宇宙起源于一次炽热致密的大爆炸,经历了暴胀,逐渐冷却,形成了原子、星系、恒星、行星,并且至今仍在膨胀。”
周博追问:“那宇宙会一直膨胀下去吗?”
费政老师顿了顿,表情变得微妙。
“这个问题,”他说,“在1996年的今天,还没有定论。”
他在时间轴的右端画了三个分支:一个向上弯曲,一个向下弯曲,一个直线延伸。
“宇宙的未来取决于它的总质量和能量密度。”费政老师解释,“如果密度超过临界密度,引力最终会战胜膨胀,宇宙将停止膨胀并开始收缩,最终可能坍缩回一个奇点——这叫‘大挤压’。”
“如果密度低于临界密度呢?”肖恩问。
“那么宇宙将永远膨胀下去。”费政老师说,“星系之间的距离会越来越远,恒星会燃烧殆尽,宇宙会变得越来越冷、越来越暗,最终进入‘热寂’状态。”
“那如果密度正好等于临界密度呢?”朱娜认真地记着笔记。
“那么宇宙将处于‘临界’状态。”费政老师画了一条水平的虚线,“膨胀速度会逐渐趋近于零,但永远不会反转。这样的宇宙是‘平坦’的。”
他停下来,看着我们:“而cobE的观测数据暗示——宇宙很可能就是平坦的。”
王强皱着眉头,挠了挠他那头乱发:“可是老师,我们算过啊,能看见的星星、星系,加上气体、尘埃,顶多占临界密度的5%左右。就算加上暗物质——您刚才提到过暗物质——也还差得远啊。”
“问到了关键点。”费政老师赞许地看了王强一眼,“确实,我们能观测到的重子物质——也就是组成你我的普通物质——只占临界密度的不到5%。而通过星系旋转曲线、星系团动力学、引力透镜等观测,我们推断还存在大量暗物质。”
他在黑板上写下“暗物质:≈25%”。
“暗物质不发光,不吸收光,只通过引力与普通物质相互作用。”费政老师解释,“它的本质是什么?我们不知道。可能是某种弱相互作用大质量粒子,简称wImp;也可能是其他新奇粒子。这是当前物理学最大的谜题之一。”
“那加上暗物质呢?”贾永涛追问,“够了吗?”
费政老师摇摇头:“即使加上暗物质,也只占临界密度的30%左右。还差70%。”
教室里安静下来。
窗外风声似乎更响了,吹得窗户咯咯作响。
“那剩下的70%……”晓晓轻声说,声音几乎被风声淹没。
费政老师沉默了几秒钟,然后缓缓开口:“有一些理论家在讨论各种可能性。也许是爱因斯坦当年引入又抛弃的‘宇宙学常数’,也许是一种随时间演变的‘精质场’,也许……我们现在的理论根本不对,需要全新的物理。”
他没有在黑板上写下任何字,只是用粉笔在“暗物质”后面画了一个大大的问号。
“要回答这个问题,需要更多的观测,更精确的数据,也许还需要新一代的物理理论。”费政老师放下粉笔,拍了拍手上的灰,“而这,正是你们这一代人可能会参与解决的难题。”
下课铃就在这时响了。
但没有人动,同学们还沉浸在那“70%”的巨大空缺带来的震撼中。
王强第一个跳起来,几乎是冲上讲台:“老师!那暗物质粒子什么时候能找到?”
“欧洲核子研究中心正在建造大型强子对撞机。”费政老师耐心回答,“如果顺利,本世纪末可能投入运行。那也许是我们寻找暗物质粒子的最好机会。”
“如果找不到呢?”贾永涛也挤了过来,“是不是就证明暗物质不存在?”
“那问题就更复杂了。”费政老师说,“也许需要修改引力理论,比如莫德纳和米尔格罗姆提出的moNd理论。但这会带来更多问题。目前主流观点还是倾向于存在暗物质粒子。”
张明举手:“老师,您刚才还提到系外行星?”
“啊,对了!”费政老师像是突然想起什么,脸上露出笑容,“这是最近几年最激动人心的发现。1995年,迈耶和奎洛兹宣布发现了第一颗围绕类太阳恒星飞马座51运行的行星。到现在,已经有好几颗这样的系外行星被发现了。”
“都是像木星那样的气态巨行星吗?”周博问。
“目前发现的大多是‘热木星’——质量大,轨道周期短,距离恒星近。”费政老师点头,“它们的形成机制挑战了基于太阳系的标准理论。但未来,随着观测技术进步,我们一定会发现更多样化的行星系统,也许会有类地行星。”
莉莉眼睛发亮:“那上面会有生命吗?”
“不知道。”费政老师诚实地说,“但如果我们能发现一个拥有液态水、
