【宇宙學中你需要知道的五件事情】

江南布衣

【宇宙學中你需要知道的五件事情】

 

 （本文已刊載于《天文愛好者》雜志2009年第10期）

 

Liz Kruesi　文　Shea　編譯

 

你一直在被哈勃定律所困擾嗎？

 

一直在為大爆炸而困惑嗎？

 

讓我們重新審視一下這些問題，尋找這些宇宙學中重大問題的解答。

　　

宇宙學的目的是了解宇宙的起源和演化，單從這一點就能看出它的雄心勃勃。

 

近一個世紀前，天文學家發現絕大多數的星系正在遠離我們，並由此揭示出了一個讓人驚駭的事實——我們的宇宙正在膨脹。

 

幾十年前，天文學家意識到，天空中充滿了宇宙形成之後不久光子所發出的微弱射電波。

 

幾年前，專門用來探測這一宇宙微波背景的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）則又發現了強有力的證據，證明我們的宇宙在極早期經歷過一個超高速膨脹的“暴漲”階段。

 

 

[圖片說明]︰WMAP探測到的宇宙微波背景輻射。圖中的不同顏色代表了溫度在2.725開上下十萬分之一的波動。版權︰NASA。

　　

有些人認為現如今的宇宙學正處于“黃金時代”。

 

然而，相對于它不斷所取得的進展，一些宇宙學中最基本的概念卻讓人難以把握。

 

這裡列舉出五件宇宙學中最讓人困擾的事情，它們或許是普通人想要理解宇宙學家們目前所做的最大障礙。

 

一、如果遙遠的星系都在離我們而去，這是否意味著我們就處在宇宙的中心？

　　

用一個字回答︰不。

　　

20世紀20年代，美國威爾遜天文台的埃德溫‧哈勃（Edwin Hubble）和米爾頓‧赫馬森（Milton Humason）發現，除了距離最近的星系之外，其他的星系都在遠離我們而去。

 

此外他們還發現，距離越遠的星系其退行的速度越快。

 

但是，這些星系的退行運動並不是穿行于宇宙空間之中的，而是宇宙空間自身的整體膨脹。

 

星系只不過是搭了個便車而已。

　　

1916年，德國理論物理學家阿爾伯特‧愛因斯坦（Albert Einstein）發表了他的廣義相對論。

 

這一理論拓展了他早先的想法，囊括了引力對空間的形狀以及時間流逝的影響。

 

一年之後，荷蘭天文學家威廉‧德西特（Willem de Sitter）使用愛因斯坦的理論證明，一個幾近真空的宇宙必定會膨脹。

 

哈勃認為，他所看到的星系退行現象正是一個由“德西特空間”所組成的宇宙的如實表現。

　　

在膨脹的宇宙中傳播的光線會被拉伸。

 

光子會損失能量，因此譜線的位置會向長波（紅光）段移動。

 

同時，超新星爆發的信號也會被拉伸。

 

遙遠星系中的超新星會比近距星系中的持續更長時間，而且距離越遠持續的時間就越長。

 

這就意味著宇宙空間自身也在膨脹。

 

被瓖嵌在宇宙空間中的星系在跟隨空間一起遠離其他的天體。

　　

天文學家通常會使用氣球來比喻膨脹的宇宙。

 

氣球表面的圖案代表星系。

 

對氣球充氣就相當于宇宙的膨脹，這時氣球表面每個圖案之間的距離就會變大。

 

不幸的是，絕大多數人試圖把這一類比推向另一個極端，詢問氣球的中心是什麼。

 

 

[圖片說明]︰宇宙膨脹是宇宙空間自身的膨脹。版權︰Astronomy/Roen Kelly。

　　

必須要明白的是，這本質上是一個二維的實驗。

 

在一張白紙上畫許多的點，然後在一張透明片上把剛才的畫放大再畫一遍。

 

將兩者重疊起來，並且任取一點作為參考點。

 

“無論這個點在哪兒，每個點上的‘觀測者’都會看到其他點在離他/她而去，”

 

美國加州大學歐文分校的阿薩塔‧庫雷（Asantha Cooray）解釋說，“這正是宇宙中的每個星系所正在發生的。”

　　

另一個想象宇宙膨脹的途徑是把它看成是一個葡萄乾麵包。

 

當麵包（宇宙空間）膨脹的時候，每顆葡萄乾（星系）都會看到其他的葡萄乾在遠離自己而去。

 

而這些葡萄乾自身並沒有改變，變化的是它們所處的空間。

 

同時，每顆葡萄乾也都是等價的，因為所有葡萄乾都在遠離它。

 

美國宇航局戈達德航天中心的宇宙學家、2006年諾貝爾獎得主約翰‧馬瑟（John Mather）說︰“你所要做的就是想象一個空間，這個空間中的所有東西都在和它一起膨脹。”

　　

宇宙學家假設，在足夠大的距離上——遠大于星系團的尺度，無論觀測者身處何處，他/她所看到的宇宙都是相同的。

 

在愛因斯坦的相對論中，它認為對于任何物理相互作用而言，不存在優越的參考系。

 

上面的論斷是對相對論的一種推廣。

 

科學家們把這一假設稱為“宇宙學原理”，並且一直在檢驗它。

 

到目前為止，它看起來依然是對宇宙非常好的一種近似。

 

 

二、膨脹中的宇宙在往哪裡膨脹？

　　

這是把氣球類比膨脹宇宙過渡外推而導致的另一個問題。

 

宇宙是自我獨立的，它可以在不需要膨脹入其他東西的情況下自我膨脹。

　　

愛因斯坦的相對論為審視宇宙提供了一條新的途徑。

 

它認為引力不再是一種力，而是時空的彎曲。

 

引力場中的物質和能量會按照彎曲時空的“命令”運動。

 

相對論預言，時空的彎曲也會使得光線的路徑彎曲。

 

 

[圖片說明]︰大質量的天體會使得其周圍的時空發生彎曲，由此導致了掠過其邊緣的光線也發生偏折。

　　

1919年的日全食給了科學家直接的證據。

 

如果一個大質量天體（例如太陽）會使得時空發生彎曲，那麼來自遙遠恆星的光線在掠過這個天體的時候就會發生偏折。

 

這一效應雖然很小，但是天文學家根據在日全食時測量到的太陽附近恆星位置的變化足以能發現它。

　　

這只是愛因斯坦相對論眾多實驗驗證中的一個。

 

由此相對論也成為了現代宇宙的一大基石。

 

正如德西特所證明的，空間是一個有機的整體，可以在不需要嵌入高維空間的情況下彎曲、收縮和膨脹。

 

 

三、“大爆炸”到底是什麼樣的爆炸？

　　

“大爆炸”並不是通常意義下的任何一種爆炸。

　　

“在物理學和科學中，‘大爆炸’和爆炸毫不相關，”WMAP的首席科學家查爾斯‧貝內特（Charles Bennett）說。

 

WMAP觀測到了迄今精度最高的宇宙微波背景圖。

 

這些光子自宇宙誕生之後大約38萬年電子和質子首次結合成中性原子起便穿行于宇宙之中。

　　

天文學家已經知道，宇宙正在不斷地變大、冷卻，密度也在不斷降低，這也正是宇宙膨脹的必然結果。

 

如果我們把宇宙的歷史向後推，那麼以前的宇宙就會比現在天文學家看到的要更小，溫度更高，密度更大。

 

 

[圖片說明]︰宇宙大爆炸之後的演化過程。

　　

當可見的宇宙只有目前的一半的時候，物質的密度就會是現在的8倍，宇宙微波背景的溫度就會是現在的2倍。

 

當可見的宇宙只有現在的一百分之一的時候，宇宙微波背景的溫度就是現在的100倍。

 

當可見的宇宙只有現在的一億分之一的時候，背景輻射的溫度可以達到2.73億開。

 

此時宇宙中物質的密度將和目前地球表面空氣的密度相仿。

 

這一溫度可以把宇宙中的氣體完全電離成高速運動的質子和電子。

　　

“‘大爆炸’對于這個理論而言並不是一個非常精確的名字，”

 

貝內特解釋說，“這一理論所描述的是宇宙的膨脹和冷卻，而不是一次爆炸。”

　　

但“大爆炸”不是在空間中的一次爆炸嗎？

 

它的名字會讓人聯想到諸如爆竹這樣的化學爆炸現象，而一旦有了這些先入為主的印象，就很難把大爆炸想象成其他東西。

 

事實上，“大爆炸”更接近物質、能量、時間以及空間自身的創生和伸展。

　　

“更確切地講，‘膨脹宇宙理論’是一個更貼切的名字，因為它就是一個關于宇宙如何膨脹的理論，”WMAP成員、美國普林斯頓大學的戴維‧斯珀格爾（David Spergel）說。

四、“大爆炸”之前是什麼？

　　

沒人知道。

 

也許在大爆炸之前什麼都不存在，也許如美國哈佛大學的阿維‧洛布（Avi Loeb）所說，我們的宇宙“始于循環大爆炸。

 

但是目前還沒有觀測數據能證實這一以及其他的假說。”

 

使用已知的物理定律，宇宙學學家可以把宇宙反推到大爆炸之後的10-43秒，即普朗克時期，但只能到此為止。

 

因此現在的科學無法回答這個問題。

　　

科學家們一直在使用兩種“分立”的理論。

 

一個是描述微觀世界的量子力學，另一個是描述大尺度宇宙的廣義相對論。

 

它們在各自的領域都非常有效，但是彼此不可調和。

 

洛布說︰“我們需要一個能統一量子力學和廣義相對論的理論，由此才能把宇宙反推到大爆炸的源頭。”

　　

在幾個世紀的研究之後，物理學家已經知道了四種基本作用力︰

 

引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。

 

理論物理學家已經統一了電磁力和弱相互作用力。

 

當宇宙的年齡只有一百億分之一秒的時候，“弱電”力分解成了現在我們看到的兩種力。

 

 

[圖片說明]︰大型強子對撞機。版權︰LHC/CERN。

　　

統一弱電力和強相互作用力的嘗試還沒成功，不過科學家們相信，在更早期的宇宙所有的基本力都是統一在一起的。

 

但引力——到目前為止依然是相對論的領地——則是個麻煩。

　　

超弦理論試圖統一相對論和量子力學。

 

它認為，所有的基本粒子都是振動的能量環，被稱為“弦”。

 

無論對應于一個電子還是一個頂夸克，每一種弦都具有特定的振動頻率。

　　

超弦理論則有一個可檢驗的結論，被稱為“超對稱”。

 

它認為每種已知的基本粒子都具有不可見的伴隨粒子。

 

計劃在今年底重啟的歐洲核子中心的大型強子對撞機預期可以達到能用來檢驗超對稱的能標。

 

 

五、宇宙的外面是什麼？

　　

就我們所知，宇宙是無限的。

　　

WMAP的觀測數據已經佐證了暴漲理論，即宇宙經歷了一個超高速膨脹的階段。

 

因此，宇宙很可能要比我們目前所能觀測到的還要大得多得多。

　　

這就有必要區分宇宙自身——大爆炸創生出的一切——和“可觀測宇宙”——我們所能看到的一切。

 

通過對宇宙微波背景的觀測，宇宙學家已經知道宇宙的年齡為137億年。

 

而由于光傳播的速度是有限的，地球上的觀測者因此只能看到在這一時間段內傳播到地球上的光。

 

那麼是不是因為我們在各個方向都能看到137億光年遠的宇宙，于是可觀測宇宙的大小就是這個數值的兩倍呢？

　　

不是。

 

在宇宙微波背景中我們所看到的物質是在137億年之前發出的這些輻射，但在那以後這些物質就凝聚成了星系。

 

由于宇宙膨脹，現在這些星系距離我們大約465億光年。

 

這一“距離”指的是現在這些星系和我們之間的距離，而不是它們發出光線時到我們的距離。

 

所以，可觀測宇宙的“直徑”大約為930億光年。

 

這一結論似乎違背了愛因斯坦的相對論，即光速是物體在空間中運動的極限速度。

 

但是這並不適用于空間自身的膨脹。

 

普適的速度極限在極端情況下會有個別的例外，宇宙的膨脹就是其中之一。

　　

可觀測的宇宙有一個邊界，科學家將其稱為“視界”。

 

那麼在視界外面是什麼？

 

“隨著時間的流逝和宇宙的膨脹，會有越來越多的宇宙進入我們的視界，”

 

美國空間望遠鏡研究所的亞當‧里斯（Adam Riess）說。

 

他說，宇宙學家認為在我們可探測視界之外的宇宙“和我們的沒什麼兩樣”。

　　

物理宇宙學，這一尚不足百年的科學分支，在過去的幾年中取得了重大的成功。

 

這包括了精確地限定宇宙年齡以及發現宇宙加速膨脹。

 

不過宇宙學家們從來沒有說，我們目前的宇宙模型是完整的。

 

美國勞倫斯伯克利國家實驗室的索爾‧珀爾馬特（Saul Perlmutter）將大爆炸模型稱為是“一個有效的假說……一個取得驚人成功的初稿。”

　　

下一代的探測器和實驗——無論是地球上的，例如大型強子對撞機，還是空間中的，例如WMAP的後繼者“普朗克”——將會使得科學家能有機會來檢驗我們目前對宇宙的認識。

 

超對稱乃至弦理論真的成立嗎？

 

到底是什麼驅動了宇宙加速膨脹？

　　

如果說過去只是開場，那麼讓我們一起期待更多的“意料之外”吧。

 

一些關鍵的數字

　　

宇宙正在膨脹並且冷卻。

 

根據大爆炸理論，過去的宇宙比現在的更小、密度更高。

 

137億年︰宇宙的年齡，誤差幾億年。

 

 

930億光年︰目前可觀測宇宙的大小。

 

 

2.725開︰宇宙微波背景輻射的平均溫度。

 

 

4%︰宇宙中組成你、我、行星、恆星等普通物質的含量。

 

 

22%︰宇宙中暗物質的含量。

 

它們是至今尚未被直接探測到的物質，和普通物質之間存在引力，但是不參與其他三種基本相互作用（電磁和強、弱相互作用）。

 

 

74%︰宇宙中暗能量的含量。

 

正是它驅動著宇宙加速膨脹。

 

但是它究竟是什麼尚不為人所知。