科技主題ppt
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⑧ 製作關於科技的PPT
宇宙是如何誕生並且演化到今天的?其未來又將走向何方?這個科學命題——或者說哲學命題,數千年來一直困擾著人類。
大約14年前,人們一度以為有了完美的答案:通過對於宇宙背景微波輻射的觀測,天文學家最終驗證了1929年愛德文哈勃(Edwin Hubble)的猜想,即宇宙誕生於大約137億年前的大爆炸(Big Bang)。之後,隨著宇宙的演化,銀河系、太陽系、地球,乃至我們人類自身,都陸續登場。
2006年10月,正是憑借這一重要成就,美國科學家喬治斯穆特(George F Smoot)、約翰馬瑟(John C Mather)分享了該年度的諾貝爾物理學獎。
但我們對宇宙的了解,顯然也還剛剛開始。就在此一個月後,美國航空航天局(NASA)公布的最新研究結果表明:至少在90億年前,一種被稱為「暗能量」(dark energy)的神秘力量已經存在。
也就是說,在整個宇宙誕生後不到50億年時,就開始受到暗能量影響。而此前,科學家普遍認為,在宇宙的早期,或許這種力量並不存在,因為那個時候主宰一切的還是我們熟悉的引力。
盡管這一結果仍不能確定地告訴我們宇宙的未來是怎樣的,但顯然,它為我們徹底理解宇宙的運行規律帶來了新的曙光。相關的論文也將發表在2007年2月美國《天體物理學報》(The Astrophysical Journal)上。
這一研究小組的負責人、美國約翰霍普金斯大學(John Hopkins)教授阿德姆瑞斯(Adam Riess)在接受《財經》記者采訪時表示:「我們距離真正了解暗能量仍然很遠。但很顯然,這是非常重要的一步,因為它給出了更多的『線索』(clue)。」
宇宙為什麼加速膨脹?
暗能量的發現過程極富戲劇性。
按照宇宙大爆炸理論,在大爆炸發生之後,隨著時間的推移,宇宙的膨脹速度將因為物質之間的引力作用而逐漸減慢,就像緩慢踩了剎車的汽車一樣。也就是說,距離地球相對遙遠的星系,其膨脹速度應該比那些近的星系慢一些。
但1998年,美國加州大學伯克利分校(UC Berkeley)物理學教授、勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)高級科學家索爾皮爾姆特(Saul Perlmutter),以及澳大利亞國立大學布賴恩施密特(Brian Schmidt)分別領導的兩個小組,通過觀測發現,那些遙遠的星系正在以越來越快的速度遠離我們。
換句話說,宇宙是在加速膨脹,彷彿一輛不斷踩油門的汽車,而不是像此前科學家所預測的那樣處於減速膨脹狀態。
這樣一個完全出乎意料的觀測結果,從根本上動搖了對宇宙的傳統理解。那麼到底是什麼樣的力量,在促使所有的星系或者其他物質加速遠離呢?
科學家們將這種與引力相反的斥力來源,稱為「暗能量」。但「暗能量」到底意味著什麼?至今我們能夠給出的,只是一個十分粗略的宇宙結構「金字塔圖景」:
我們所熟悉的世界,即由普通的原子構成的一草一木、山河星月,僅占整個宇宙的4%,相當於金字塔頂的那一塊。
下面的22%,則為暗物質。這種物質由仍然未知的粒子構成,它們不參與電磁作用,無法用肉眼看到。但其和普通物質一樣,參與引力作用,因此仍可能探測到。
作為塔基的74%,則由最為神秘的暗能量構成。它無處不在,無時不在,由於我們對其性質知之甚少,所以科學家還不清楚如何在實驗室中驗證其存在。惟一的手段,仍然是通過天文觀測這種間接手段來了解其奧秘。
對Ia類型超新星(supernova)的爆發進行觀測,則是目前最主要觀測手段。這種超新星是由雙星系統中的白矮星(white dwarf)爆炸形成的,亮度幾乎恆定。這樣,通過測量其亮度,就可以知道其和地球之間的距離,進而了解其速度。
藉助哈勃這樣靈敏的天文儀器的幫助,我們至少可以觀測到90億光年之外,即了解宇宙在90億年前的信息。
霍普金斯大學教授阿德姆瑞斯給我們展示的最新「暗能量」場景如下:
在大爆炸後的初期,宇宙經歷了一個急速膨脹階段。此後,由於暗物質以及物質之間的距離非常接近,在引力作用下,宇宙的膨脹速度開始減速。
然而,至少在90億年前,宇宙中另外一種力量——表現為排斥力量的暗能量已經出現,並且開始逐步抵消引力作用。
隨著宇宙的膨脹,不斷增長的暗能量終於在大約50億至60億年前超越引力。此後,宇宙從減速膨脹,轉變為加速膨脹狀態,並且一直持續至今。
愛因斯坦的遺產
中國科學技術大學物理學教授李淼曾經半開玩笑地表示:「有多少暗能量專家,就有多少暗能量模型。」也許這種說法不無誇張之處,但暗能量在理論方面的混沌狀況,從中也可見一斑。
其中,最具戲劇性的理論,則是復活愛因斯坦當年提出的「宇宙常數」(cosmological constant)。1917年,被認為是整個20世紀最偉大的科學家阿爾伯特愛因斯坦(Albert Einstein),為了建立一個穩態宇宙模型,最早提出了這個概念。不過,後來就連他本人也承認,「宇宙常數」只是一個錯誤的概念。
但暗能量的存在,則為宇宙常數提供了新的可能性。如果暗能量就是這個宇宙常數的話,那麼它的力量強弱將只和宇宙的大小有關。隨著宇宙的膨脹,其體積逐漸增大,因而暗能量也將逐漸增大。最終,它會達到一個臨界點,使得宇宙從減速狀態變成加速狀態,並且一直加速下去。
中國科學院高能物理所研究員張新民在接受《財經》記者采訪時指出,迄今為止的觀測結果,包括瑞斯最新的結果在內,與愛因斯坦的宇宙常數理論「都很符合」。
但是,宇宙常數距離成為一種確定性的暗能量理論還差得很遠。一些科學家半開玩笑地說,按照這種模型,宇宙將一成不變地加速膨脹下去,未免太「枯燥」(boring)了一些。
當然,最為致命的是,按照量子場論計算出來的宇宙常數,比天文觀測獲得的上限至少也要高出10的120次方倍。
一個最為詭異但不乏科學依據的解釋,是「多宇宙論」。觀測和理論或許都沒有錯,事實上,在我們生存的宇宙之外,還存在多到無法計數的其他的宇宙。科學家們可以想像到的宇宙數量不是以萬或者億來計算的,很可能多到10的1000次方個。
每個宇宙都有不同的宇宙常數,而我們恰恰生存在一個宇宙常數很小的宇宙中。彷彿冥冥之中有一個「上帝之手」,把一個適合智慧生命生存的宇宙呈現在我們面前。
但對於這種寄希望多宇宙存在的「人擇原理」(anthropic principle),在天文學家和物理學家中間都存在很大的爭議。中國科學院高能物理所研究員張新民對《財經》記者說,很多人認為這僅僅是一種猜想而已,還遠遠談不上「原理」。
更為尖銳的批評,則認為這種解釋與其說是一種科學理論,倒不如說更像一種宗教信仰。
為避免這種沖突,科學家們提出個各種暗能量理論,來代替宇宙常數模型。其中比較有代表性的包括精質(quintessence)模型、幽靈(phantom)模型等,張新民和中國科學技術大學物理學教授李淼也分別提出了精靈(quintom)和全息(holographic)模型。
宇宙的未來
如果這些替代的暗能量理論能夠成立,它們所指向的將是截然不同的宇宙未來:
根據精質等動力學標量場(scalar field)模型,宇宙的未來將復雜得多;也許將繼續加速膨脹下去,也許會減緩膨脹的速度,甚至走向收縮,導致宇宙最終以與大爆炸相反的「大坍縮」(big crunch)收場。
而根據幽靈模型,暗能量將不斷增大,導致宇宙以越來越快的加速度膨脹。最終,宇宙將走向「大撕裂」(big rip)。
精靈模型則給出了一個「振盪的未來」。張新民對《財經》表示,根據他提出的這一理論,整個宇宙將在加速膨脹和減速膨脹之間反復演繹,「大坍縮」和「大撕裂」這兩種極端的情況都不會出現。
最大的困難,在於迄今為止,我們能夠研究暗能量的手段仍然十分有限。目前,最主流的仍然是藉助超新星的觀測。但有些人擔心,特別是在宇宙早期,可能超新星的亮度也不是恆定的,它也有自己的演化過程。
即使這種擔心可以排除,鑒於這些超新星距離地球非常非常遙遠,觀測它們的難度,在瑞斯看來就像在兩個月球的距離之外觀測一個60瓦的燈泡。即使哈勃望遠鏡具有非常高的敏感度,也存在難以消除的系統誤差。
通過對大尺度宇宙結構(比如星系團等)的研究,或許能為暗能量提供新的線索。一旦暗能量存在的話,星系團的形成過程可能要更慢一些,因為引力需要先克服這種斥力。
目前,一個空間探測計劃斯隆數字巡天(SDSS)已經完成了第一階段為期五年的運行,一旦全部完成之後,這一足以覆蓋四分之一的天空的精細光學成像設備,無疑將披露更多的細節。
據悉,目前中國科學家也正在試圖利用北京附近新上馬的LAMOST(大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡)來觀測超新星,從而探索在中國首次進行暗能量實驗研究的可能性。而利用伽馬暴(超大質量星體爆發而形成的宇宙高能輻射),也許將為進一步研究更早期的暗能量提供間接手段。
北京師范大學物理學教授朱宗宏在接受《財經》記者采訪時指出,目前對於伽馬暴天文學的探索還處在初級階段,有點類似於1998年暗能量剛被發現時的超新星天文學,但其某些性質,從長期來看仍然有可能用來研究暗能量。
那麼,是否有可能利用實驗室來直接研究暗能量呢?一些人已經宣稱,可以利用納米技術來實現這一目標。瑞斯在接受《財經》采訪時表示,一些科學家也希望利用短距離(short-range)的引力實驗,發現暗能量的線索。
美國加州理工學院(CIT)的物理學家西恩卡羅爾(Sean Carroll)也對《財經》記者強調,要找到一個更具確定性的模型,不僅需要天文學上的數據,可能更需要來自粒子物理學的證據。尤其是2007年即將在歐洲投入運行的大型強子對撞機(LHC),或許「我們可以期待」。
不過,由於對暗能量的性質、包括與其他物質的反應機理還不清楚,很多科學家認為,短期之內還無法對實驗室內的工作寄予太大希望;更為現實的渠道,或許仍來自天文觀測。
如果不出意外,普朗克(PLANCK)探測器將於2007年一季度正式升空,它將對天空進行更加精密的探測。在接受《財經》記者采訪時,皮爾姆特也表示,由它所在的實驗室負責設計的超新星加速探測器(SNAP),按照計劃將於2013年或者2014年升空。
「在未來五到十年中,我們對於暗能量的性質或許將有更加清晰的了解。」英國諾丁漢大學物理與天文學院教授克里斯托弗康瑟利斯(Christopher Conselice)對《財經》記者說。
幾乎沒有人否認,暗能量對於整個宇宙學乃至物理學而言,都不啻是一場革命。1979年諾貝爾物理學獎得主斯蒂芬溫伯格(Steven Weinberg)曾明確表示,「如果不解決暗能量這個『路障』,我們就無法全面理解基礎物理學。」著名華裔物理學家、1957年諾貝爾物理
⑨ 求幾張帶有科技感的PPT結尾背景圖
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