[译文]探究宇宙黑暗的一面
本帖最后由 一分半 于 2009-1-19 10:11 编辑[译文]探究宇宙黑暗的一面
By Richard Panek
去年五月，在一次纪念具有里程碑意义的发现十周年的学术会议上，空间望远镜科学研究院的院长给大家上一堂历史课，他告诉在座的学者，“天体物理挑战基础物理是不太常有的事情，在过去的400年历史中，这样的事例用一两个手就能数完,然后这种事就发生了。”学术会议是在巴尔的摩举办的。
这份清单可能开始于伽利略在1610年的发现：木星卫星，它告诉我们在夜空中除了肉眼可见的之外还存在着更多的天体；金星的盈亏现象则证实了哥白尼学说的宇宙观。在物理学界，伽利略的观测引导了牛顿万有引力定律的出现；在哲学界则引领了启蒙运动。现在，一百位世界顶尖的宇宙学家会聚一堂，对于这份清单上最新加上的新发现进行为期四天的庆祝：1998年发现的宇宙膨胀并不是像天文学家们原先认为的在减缓，相反是在加速膨胀。“这是颠覆性的科学”芝加哥理论学家Michael Turner在STScI的报告会上重申了这个观点。这需要“完全改变我们对基础物理的理解”，这也可能是一场改变文明的科学，甚至可以说是开创了第二次哥白尼式革命，让我们再次想象自己在宇宙中的位置。在这个发现过去10年之后，观测者和理论学家们找到了足够的理由来庆祝，其中包括一些很有希望找出导致宇宙膨胀加速的东西的新技术。但同时他们也在考虑最终究竟能够了解到多少。正如Moutain说的“我们用自己的信誉下了个赌注来保证事实上我们知道我们正在做什么。”
一次革命的开始
这场革命开始于20世纪70年代，Vera Rubin（华盛顿卡内基协会）和其他人发现，在一个接一个的旋涡星系中，外旋臂旋转的速率与中心的恒星大致上是一样的。根据牛顿定律，这些星系应该会撕得粉碎——除非它们包含有某种“暗物质”使它能保持平衡。到了70年代末，大多数天文学家都推断宇宙中包含了比望远镜所能看到的更多的物质。
但究竟多多少？在物质的搅动和万有引力的操纵下，宇宙膨胀应该减缓。这些物质的质量是否足以最终导致膨胀的反转，亦或者最终仅足够使膨胀停止。
两组天文学家花了将近整个90年代试图解决这个非常棘手的问题。在Saul Perlmutter（劳伦斯伯克力国家实验室）和Brian Schmidt（澳大利亚国立大学）的领导下，竞争小组使用Ia型超新星作为“标准烛光”，它们拥有大致一样的亮度，能够让天文学家们运用简单的越暗越远的公式进行距离计算。1997年底到1998年年初，两个小组同时都注意到越远的超新星看上去更暗淡，也就是说，比预计地更遥远。两个小组独立得出了结论，他们测量到宇宙并非在减速膨胀，而是在加速。
“这两个小组彼此对立”Turner说道。在一定程度上由于是两个竞争小组达成很罕见的一致，使得这个惊人的结论比只有一个小组获得的更容易被天体物理界接受。同年，Turner为这个促使宇宙明显加速的东西设计了一个专有名词“暗能量”。
在过去的十年里，各种不同的观测手段进一步稳固了1998年的结论，并且得到了实质上完全一样的宇宙中质能分布的测量结果：73%的暗能量和23%的暗物质。剩下只有4%是由星系、恒星、行星和人组成，这些普通物质都是通常是我们物理学和哲学研究的对象，而现在就好象按照宇宙法则来说，只是“一点点污染”，Lawrence Krauss（亚利桑那州立大学）这样说道。
反引力
“暗能量”是个新名词，但并非新的理念。1917年，爱因斯坦在他的广义相对论出版仅一年后，他就在思索他的空间弯曲方程的宇宙学意义。为了保持他的方程式所描述的宇宙能够如望远镜中所见的宇宙那样稳定，他不得不推测宇宙中有某种使引力平衡的力存在。他在他的方程中用一个希腊字母Λ表示这种能量来源。当1929年Edwin Hubble发现了宇宙膨胀的证据后，爱因斯坦放弃了Λ。如今，随着宇宙膨胀似乎在加速的消息传出，天文学家再次引入这个概念，来表示一种操纵超大规模的反引力。
但是是什么形成了这种能量？如果你知道，请为自己订一张去斯德哥尔摩的机票。对于暗物质，科学家至少还试图找到了一些候选者，中性子和轴子，假象粒子可以解决粒子物理学标准模型中的一些问题（详见《天空与望远镜》:2008年8月刊，第30页）。现在所有的研究者必须要做的就是找到它们，尽管这伴随着巨大的困难。然而，但是暗能量却向我们提出了一个更为严峻的挑战，而且越来越让人灰心丧气想退却，这项任务不是要侦测到它，而是要定义它——要弄明白它是如何起作用的。
如果暗能量不能随着时间和空间的改变而改变，那它的行为就如同爱因斯坦的宇宙常数。如果它随着时间和空间的改变而改变了，那它就是“精质”（quintessence）。但这两个名词就像“暗能量”本身一样，只是一个标签，科学家们采取这样的方式来替代对自然现象的理解。
爱因斯坦的宇宙常数认为在一个既定体积的空间内应该包含有固定量的能量，这种能量弥漫整个宇宙，而且不会随时间而改变。由于宇宙的膨胀，空间体积增大，暗能量的作用变得越来越大，从而导致了加速。但根据量子理论，空间能量密度应该比现在测得的73%的宇宙暗能量密度大10120倍。那早期宇宙膨胀的速度将非常快，以至于引力无法将物质拉拢到一起形成恒星和星系。
而对于"精质"(quintessence)，它是从古代假想的第五种元素（古代哲学中，指空气、水、火、土之外的第五种基本物质）的名字得来的，它是之前物理学不知道的一种动力学场（hypothetical field）。原则上，由于它的作用会随时间而改变，那它应该会在遥远的将来使宇宙膨胀减速。
区别这两种选择才刚刚开始，这个项目动员了整个宇宙学界。2003年国家研究委员会的一份报告显示，“暗能量的性质是什么”是11个新世纪最大的科学迷团之一。2006年美国国家科学基金会，国家航空航天局和能源部共同发起了一份暗能量特别行动的报告，列举了四个最有希望解决问题的方法。
测量宇宙膨胀
第一个方法就是使用经过验证的Ia型超新星，它们是白矮星爆炸的结果。在过去的十年里，许多人追随着超新星的观测，其中由Perlmutter或Schmidt1998年的第一合伙人Adam Riess（约翰·霍普金斯大学）带领的成员，通过分析远近不同的超新星，提炼到了意义深远的宇宙加速膨胀的证据。
但仅仅只有超新星的调查报告还不能完全得出结论，因为没有人真正理解白矮星爆炸的力学机制。“我们的主要发现之一”行动小组总结到，“就是没有一个单独的技术可以解答这个难以解决的暗能量问题。”天文学家已经进入到观测的真空期，通过引入一些设计精巧的新技术来完善超新星报告对宇宙膨胀历史的定义，这有可能是揭开暗能量之迷的关键。
除了Ia型超新星，天文学家还可以测量重子声学振荡（BAOs）。在早期宇宙，声波（声学振荡）拥有特殊的行经轨迹，所以使用南极望远镜和阿塔卡马宇宙望远镜这两台新的仪器，就可以相对容易得将其辨别出来。遗憾的是，确定一个星团质量的困难是众人皆知的。最好的方法是测量从热气体中发射出来的X射线。然而，这样得出的结论有一定的不确定性，因此限制了这个方法的可靠程度。
一个神奇的数字
宇宙学家希望所有这些方法最终能得到同一个数字——即暗能量状态方程中用w表述的量。
在量子理论中，暗能量负压强与它的能量密度之比正好等于-1时，所反应的空间本身的性质是不会随时间改变的——例如：宇宙常数。如果是那样的话，即使与-1只有极小的偏离，都无法使宇宙常数成立，那么或许可能是"精质"。为了区分宇宙常数和"精质"，行动小组建议government给予暗能量空间任务优先权。
去年9月，美国太空总署和能源部达成一致共同构建一个价值8亿美元的“联合暗能量任务（JDEM）”，这项任务可以延伸地面观测所不能达到的范围。投入JDEM的资金将计划在明年增加，以达成在2015年前后发射的目标。
尽管由Will J·Percival（英国朴次茅斯大学）带领的小组，在最近的报告中称它们的重子声学振荡（BAO）分析显示宇宙膨胀加速在近期有轻微地增强，致使w的值略微小于-1，但各种不同手段的观测似乎都依然在向w等于-1靠拢。这种类型的“偏离”或者也称之为“头痛的事情”，经常在经过进一步的细查后被排除。但是如Riess自己所述“我记得1998年有一次的偏离没有被消除。”
许多天文学家质疑JDEM的合理性，以及是否有足够的资金来完成这项任务。新的空间望远镜究竟能对之前的观测有多大的改进？如果太空任务发现离-1这个完美数字有偏差的话，这个偏离的极限是否有足够的特征来描述，从而让宇宙学家接受这个结果呢？正如Krauss所说的“我希望在实验性的基础上，我们需要比以往任何时候都要更尽力地去做这件事。”
翻过旧的一页，展开另一页新篇章
然而，即使天文学家得到了他们想要的所有资金，并且拥有相当的自信和高精确度测得了w的值又如何呢？正如科学家们在一开始时就意识到的，他们还不知道如何弄清楚答案。
宇宙学家们甚至愿意考虑这个答案既不是宇宙常数，也不是"精质"。替代者可以修正爱因斯坦的引力方程式。如此多的宇宙学家认为他们应该继续对暗能量的追寻，使得“新兴物理学”的前景变得很光明。“尽管事实似乎是需要用你毕生的精力来探测一个东西，而这个东西并不能告诉我们想知道的答案，”Krauss对STScI学术报告会上的观测者们说道“你依然需要继续去做这件事。”
在2月份，洛杉矶加利福尼亚大学举行的纪念暗能量被提出10周年的纪念会上,科学史学家Robert P·Crease（纽约州立石溪大学）从长远的角度宣布“我们正在翻过旧的一页，展开另一页新篇章，”他之后详细说道“某些天文学的发现具有重大的意义不仅仅是因为它们重新排列了天空中的天体，更因为他们影响了我们人类审视自己的方式和认识自己在宇宙中所处的位置。暗能量的发现正是具有这样的意义。”
有一点需要指出的是，像暗物质一样，宇宙一部分物质是由什么构成的我们并不清楚。另一个更值得注意的是，在经历了400年大量观测和理论创立的过程之后，我们甚至还不知道它是如何起作用的。
——选自《天空和望远镜》2009年2月刊
不错，楼主辛苦了。
PS: 才1月，楼主就搞到了2月的S&T，厉害。。。 这文章翻得我头晕眼花的~~~有啥翻译的不好的地方欢迎指出哈~~~::070821_01.jpg:: 本帖最后由 positron 于 2009-1-17 20:56 编辑
真是新官上任三把火，一分半很活跃啊。
赞一个！
不过，有些地方需要修改。 好文章，顶一下先……至于修改意见嘛，以我的英文水平恐怕有点困难 真是新官上任三把火，一分半很活跃啊。
赞一个！
不过，有些地方需要修改。
positron 发表于 2009-1-17 20:38 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
呵呵，有很多需要修改的了~~希望帮我指出哈~~以后我就能改进了~::070821_01.jpg:: 真是新官上任三把火，一分半很活跃啊。
赞一个！
不过，有些地方需要修改。
positron 发表于 2009-1-17 20:38 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
专家给指导下她吧. 本帖最后由 positron 于 2009-1-17 23:07 编辑
1# 一分半
……在过去的400年历史中，这样的事例用一两个手就能数完，然后这种事现在发生了……
一次革命的开始
……这些物质的质量是否足以最终导致膨胀的反转，……
……在一定程度上由于是两个竞争小组达成很罕见的一致……
反引力
1917年，爱因斯坦在他的广义相对论出版仅一年后……
为了保持他的方程式所描述的宇宙……
他不得不推测宇宙中有某种使引力平衡的力存在……
来描述在大尺度上起作用的“反引力”。
但是这种能量以什么形式存在？……
可以解决粒子物理标准模型中的一些问题的假象粒子……
要弄明白它是如何起作用的。
如果暗能量不随着时间和空间的改变而改变，那它的行为就如同爱因斯坦的宇宙常数。如果它随着时间和空间的改变而改变……
空间能量密度应该具有比现在已测量了73%的宇宙能量密度还要大$10^120$的量值……（这句话我也不知道怎么表述最恰当）
它是当前物理学还不知道的一种动力学场。原则上，由于它的作用会随着时间改变……
测量宇宙膨胀
进行着对超新星大量的、持续的观测……
因为当今学术界对白矮星爆炸的力学机制还不是很清楚……
重子声学振荡（这个组合词我不清楚，不过这里应该是“振荡”，物理学中这么用的）
一个神奇的数字
即暗能量物态方程式中的字母w。（这句译的不对，这里说的是暗能量方程中的一个用$w$表述的量，我不知道这个东西，也不知道该怎么译。）
所反应的空间本身的性质是不会随时间改变的……
即使与-1只有极小的偏离（这种情况下好像一般用偏离这个词）
翻过旧的一页，展开另一页新篇章
他们还是会不知道该如何去理解那些结果。
……而是修改爱因斯坦的引力场方程。对“新物理”的前景的期待使得如此多的宇宙学家认为……
……像暗物质事件一样，宇宙一部分是由什么物质构成的我们并不清楚。……我们甚至还不知道它是如何起作用的（这类地方用“运转”确实很别扭）。
部分是LZ粗心到导致的错误，部分是我所知道的更为专业的表述，部分是我个人认为更为恰当的表述。
文中的neutralinos我不清楚具体是什么，似乎没有“中性子”这个词，至少我没印象。中微子是重要的暗物质候选粒子，但中微子是neutrino，不知道是不是原文写错了。 ::42::感谢感谢哈~！受教了，我对很多名词都还不是很了解它们的英文说法啊~~~ 本帖最后由 deepgreen 于 2009-1-18 01:06 编辑
补充一下这句：
空间能量密度（暗能量密度）应该是目前所测得的值，即宇宙能量密度的73%，的10^120倍（或比...高了120个数量级）。
理由：
前面说的是暗能量，这句说的应该也是暗能量，而且现在的说法是暗能量占宇宙能量密度的73%，正好对应。
顺便查了下电子上面提到的“neutralinos”，应该不是中微子。英文维基百科里提到说它是超对称理论所预测的一种假想粒子。好像没看到有标准翻译，有翻成“中性伴随子”的，也有翻成“中立子”的。这里有更具体点的信息：
http://en.wikipedia.org/wiki/Neutralino
http://www.yeeyan.com/articles/view/39846/11714
PS: 长文章翻译起来工作量比较大呀，校对也很累（电子校对的很细致。。。）。感觉翻译比看原文还要麻烦不少，英文语感，中文语感，中英文专业术语之类的都要把握的比较好。 7# rjxie
专家这帽子太高了。:L 7# rjxie
专家这帽子太高了。:L
positron 发表于 2009-1-17 23:10 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
这可不是帽子,这是实实在在的说法哈,你是这个专业性很强的版面的版主,在大家看来你本来就很专业. 本帖最后由 positron 于 2009-1-18 09:48 编辑
10# deepgreen
超对称模型预言的，可能是超对称粒子。超对称粒子是现在粒子物理中的一个热门话题，LHC的目标之一就是寻找超对称粒子。不过，现在我对其性质和对应的英文还真不太清楚。
看了deepgreen所给的另一个链接，看起来neutralino应该就是超对称粒子。 本帖最后由 一分半 于 2009-1-18 11:12 编辑
关于neutralinos，我也查了很多资料，看到了很多版本翻译，不知道专业的叫法应该是什么，不过感觉还是超对称粒子的说法看到的多一点。
谢谢positron和deepgreen的指出哈~~~我已经全部修改过来了~~~我还要继续向各位学习啊~~~::070821_01.jpg:: both teams noticed that the more distant supernovae seemed dimmer, and therefore farther, than predicted.
两个小组同时都注意到越远的超新星看上去越（更）暗淡，也就是说，比预计的更遥远。
把“越”字改为“更”字，会不会更好些？
在一定程度上由于是两个竞争小组达成很罕见的一致，使得这个惊人的结论比只有一个小组获得的更容易被天体物理界接受，虽然这个结论并不讨人喜欢。
然而，但是暗能量却向我们提出了一个更为严峻的挑战，而且越来越让人灰心丧气想退却，这项任务不是要侦测到它，而是要定义它——要弄明白它是如何起作用的。
原文好象没有兰色部分的意思，有吗？
the nature of the phenomenon
自然现象？
both teams noticed that the more distant supernovae seemed dimmer, and therefore farther, than predicted.
两个小组同时都注意到越远的超新星看上去越（更）暗淡，也就是说，比预计的更遥远。
把“越”字改 ...
q5968661 发表于 2009-1-18 22:07 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
q兄这个句子找的不错，不过应该不是“越”和“更”的差别。注意这个句式不是"the more...the dimmer"类型的句式，而应该是“both teams noticed that the more distant supernovae seemed dimmer than predicted, and therefore farther than predicted”的省略句式。 both teams noticed that the more distant supernovae seemed dimmer, and therefore farther, than predicted.
两个小组同时都注意到越远的超新星看上去越（更）暗淡，也就是说，比预计的更遥远。
把“越”字改 ...
q5968661 发表于 2009-1-18 22:07 http://www.astronomy.com.cn/bbs/images/common/back.gif
q5968661指出的前两个意见都接受啦~,后一个而且越来越让人灰心丧气想退却是daunting的意思的延伸,如果把退却、气馁放在挑战的前面，是不是有点不太顺口？去掉的话又没有这层意思了~~我也是听取别人的意见后把这个意思独立放在后面的，q5968661童鞋有没有什么更好的翻译方法吗？请指教哦~::070821_04.jpg:: 8# positron
敢问大大你现在应该是还在念研究生吧？你所在的大学是以中文还是英文作为教学媒介语？ 太久没上来了，咖啡换新版主了:sleepy:？初次见面，先在这里打个招呼问好，以后多多指教咯！呵~::42::::42::::42::
页:
[1]
2