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宇宙學(xué)的黃金時(shí)代

阿蘭 古斯

宇宙暴脹理論之父

戴維 施拉姆(David Schramm)認(rèn)為，我們所處的今天，是宇宙學(xué)的黃金時(shí)代。這話說得千真萬確！當(dāng)下的宇宙學(xué)研究正在從一系列不靠譜的推測，轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲挠部茖W(xué)分支，它的各種理論可以得到觀測的檢驗(yàn)和發(fā)展。宇宙學(xué)最有意思的領(lǐng)域之一，是對宇宙背景輻射的不均勻性起伏的預(yù)測，這正是我一直以來深度參與的領(lǐng)域。我們認(rèn)為，宇宙背景輻射是宇宙大爆炸之后的熱量余暉。這種輻射最顯著的特征之一，是它在所有方向上均勻統(tǒng)一，在忽略了背景輻射中地球相對運(yùn)動(dòng)的影響之后，輻射的均勻性達(dá)到了十萬分之一的精度。

我深度研究的理論稱為宇宙暴脹理論，這一理論似乎是對宇宙均勻性的解釋。均勻性并不容易理解。你也許會認(rèn)為，取出烤箱的比薩從熱變涼的過程所體現(xiàn)出的物理學(xué)基本原理，就能解釋宇宙的均勻性——事物傾向于達(dá)到統(tǒng)一的溫度。實(shí)際上，通過宇宙學(xué)方程算出宇宙在任意給定的時(shí)間里膨脹得有多快，物理學(xué)家就可以計(jì)算出達(dá)到均勻性所需要的時(shí)間。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)宇宙背景輻射的均勻性，宇宙需要足夠快地冷卻，信息必須以100倍光速的速度傳播。但是，根據(jù)現(xiàn)有的所有物理學(xué)理論，任何事物的運(yùn)動(dòng)速度都不會超越光速，因此宇宙均勻性的現(xiàn)象就無法得到解釋了。大爆炸理論的經(jīng)典版本不得不簡單粗暴地假設(shè)，宇宙從一開始就是各向同性的，即完全的均勻。

宇宙暴脹理論是標(biāo)準(zhǔn)大爆炸理論的擴(kuò)展，它進(jìn)一步描述了最初驅(qū)動(dòng)宇宙膨脹的原因。在大爆炸理論的經(jīng)典版本中，膨脹是初始假設(shè)，也就是不需要任何解釋。經(jīng)典大爆炸理論算不上一個(gè)完整的大爆炸理論，它只能算是描述大爆炸結(jié)果的理論。暴脹提供了回答宇宙大爆炸結(jié)果的可能答案，目前這個(gè)回答看起來幾乎是確定的正確答案。

宇宙暴脹理論利用了現(xiàn)代粒子物理學(xué)的結(jié)果。粒子物理學(xué)預(yù)測，高能狀態(tài)存在特殊類型的物質(zhì)，這些物質(zhì)會導(dǎo)致引力轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生排斥力。暴脹理論認(rèn)為，早期宇宙包含至少一定量的這種特殊物質(zhì)。其結(jié)果是，你只需要很少一點(diǎn)的這種物質(zhì)，就可以使排斥力劇烈增大，達(dá)到足以覆蓋整個(gè)可觀測宇宙的范圍。

由于在暴脹模型中宇宙可以從極端微小的狀態(tài)開始演化，所以宇宙暴脹理論對可觀測宇宙的均勻性作出了簡單、有效的解釋。在早期宇宙微小的范圍內(nèi)，宇宙有充足的時(shí)間實(shí)現(xiàn)溫度和密度的均勻性，這與房間中的空氣會充滿整個(gè)空間從而實(shí)現(xiàn)密度均勻的機(jī)制相同。并且，如果你將房間孤立起來，足夠長的時(shí)間之后，溫度也會達(dá)到一致。對于微小的早期宇宙，在暴脹模型的開始之初，宇宙的歷史有足夠的時(shí)間讓這些機(jī)制發(fā)揮作用，最終促成宇宙達(dá)到幾乎的均勻狀態(tài)。暴脹接管和放大了這些微小區(qū)域，將其變得足夠大，直到充滿整個(gè)宇宙，將其均勻性與宇宙膨脹開始時(shí)保持一致。

當(dāng)這一理論最初得到進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，人們開始擔(dān)心我們把宇宙設(shè)想得過于均勻。宇宙最令人驚嘆的特征之一就是其均勻性，但并不意味著均勻。我們有星系和恒星，有星系團(tuán)和各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這些都需要我們對其進(jìn)行進(jìn)一步解釋。如果宇宙開始于徹底的均勻性，它將一直保持這樣的均勻，也就不會使物質(zhì)聚集或是產(chǎn)生特殊的結(jié)構(gòu)。

我相信史蒂芬 霍金是及時(shí)個(gè)回答了這個(gè)問題的人。他指出，量子效應(yīng)可以拯救我們，雖然他早期的計(jì)算不夠。真實(shí)世界不是被經(jīng)典物理學(xué)描述的，盡管它很厲害，也可以給我們提供描述事物的決定性方程。但是真實(shí)世界，根據(jù)我們對物理學(xué)的理解，需要量子力學(xué)進(jìn)行描述。這意味著，一切都是概率問題。

我們感知的“經(jīng)典”世界中，每個(gè)物體都有確定的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，它們其實(shí)只是量子理論預(yù)言的不同狀態(tài)的平均值而已。如果我們在這里采用這種觀念，至少走對了大方向。這意味著，我們在經(jīng)典方程中預(yù)言的均勻密度僅僅是量子力學(xué)密度的平均值，真實(shí)值在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，只是位置有所不同。量子力學(xué)的不確定性使早期宇宙的密度可以在某些地方更高一點(diǎn)，而在另一些地方略低一點(diǎn)。

這樣，在暴脹結(jié)束時(shí)，我們期待，在物質(zhì)幾乎均勻的密度上能泛起輕微的漣漪，而且是可以實(shí)際計(jì)算的漣漪。坦白地說，我們對粒子物理學(xué)的了解還不夠，還不能預(yù)測這些漣漪的尺度。但我們可以計(jì)算的是，這些起伏的強(qiáng)度依賴漣漪的波長。也就是說，所有尺度的漣漪都存在，你可以計(jì)算不同尺度的漣漪具有怎樣不同的強(qiáng)度。你還可以討論我們稱為“頻譜”(spectrum)的東西，我們利用這個(gè)詞地描述聲波。當(dāng)談?wù)撀暡ǖ念l譜時(shí)，我們討論的是不同波長的聲音具有怎樣不同的強(qiáng)度。同樣的分析也適用于早期宇宙，早期宇宙不同漣漪的不同波長有著各自的強(qiáng)弱程度。今天我們可以在宇宙背景輻射中看到這些漣漪。

我們能看見它們，算得上是現(xiàn)代科技的奇妙貢獻(xiàn)。1982 年當(dāng)我們及時(shí)次預(yù)言這種起伏的時(shí)候，天文學(xué)家還無法注意到地球在背景輻射中運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，這種效應(yīng)大約占到千分之一的數(shù)量級。而我們討論的密度起伏的漣漪，只有十萬分之一的強(qiáng)度。也就是說，宇宙密度起伏的跡象，僅僅是我們當(dāng)時(shí)能勉強(qiáng)觀測到的強(qiáng)度的1%。

我一直不相信我們能真正看到這些漣漪。這要比當(dāng)前的觀測水平強(qiáng)100倍，這對天文學(xué)家來說太難以實(shí)現(xiàn)了。但是驚喜和光明在1992年到來了。具有7 度角分辨率(angular resolution)的COBE 衛(wèi)星(Cosmic Background Explore，宇宙背景探測器)首次探測到了這些漣漪，當(dāng)然僅僅是最長波長的漣漪，不過我們現(xiàn)在已經(jīng)有了更好的觀測。現(xiàn)在的角分辨率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1度，可以非常地測量不同波長的漣漪強(qiáng)度。這可是非凡的成就！

大約一年半以前，BOOMERANG 和MAXIMA 實(shí)驗(yàn)了一系列獨(dú)特的聲明。兩個(gè)探空氣球?qū)嶒?yàn)給出了宇宙在幾何上具有平坦性的強(qiáng)烈證據(jù)，這正是暴脹理論所預(yù)言的。在這里，平坦不是指二維平面，三維空間也可以平坦。根據(jù)廣義相對論，平坦的宇宙三維空間意味著不存在曲率。利用宇宙演化所引起的漣漪，你實(shí)際上可以看到空間的曲率。不過，一年半之前也出現(xiàn)了困擾人們的重大分歧，沒有人知道該如何處理這個(gè)問題。他們測量到的頻譜圖像有幾個(gè)峰值。這些峰值是早期宇宙密度波的震蕩，這種現(xiàn)象被稱為共振(resonance)，共振使某些特定波長的震動(dòng)強(qiáng)度增加。測量證明了及時(shí)個(gè)峰值，恰恰就是我們期待中的位置和形狀。但我們沒找到第二個(gè)峰值。

為了用理論擬合數(shù)據(jù)，人們不得不假設(shè)宇宙中存在比過去認(rèn)為的多了大約10 倍的光子，因?yàn)轭~外的光子可以產(chǎn)生某種阻尼效果，以使第二個(gè)峰值消失。當(dāng)然，所有的實(shí)驗(yàn)都有誤差。如果實(shí)驗(yàn)多次重現(xiàn)，結(jié)果不會每次都一致。因此我們可以想象，第二個(gè)峰值只是因?yàn)檫\(yùn)氣不好而恰好沒有被觀測到。盡管如此，如果宇宙包含了其他觀測已經(jīng)得出的光子密度，峰值不可見的概率將下降為1%。因此預(yù)測和理論之間的分歧依然存在。

所有戲劇性的改變都發(fā)生在三四個(gè)月之前。現(xiàn)在第二個(gè)峰值不僅能看得見，而且高度與理論預(yù)期一致，一切觀測現(xiàn)在都可以地被理論預(yù)測。這真是太好了！雖然我知道在這條道路上我們一定還會遇到很多困難，但我們有了一幅漂亮的圖景，目前來看，它確認(rèn)了早期的宇宙暴脹理論。

我們當(dāng)前關(guān)于宇宙的圖景面臨著一些新困境，這些問題都是兩三年前出現(xiàn)的。為了擬合數(shù)據(jù)，匹配觀測，我們必須假設(shè)宇宙中存在我們過去不知道的新能量。這種新成分通常被稱為暗能量。就像它的名字所暗示的那樣，我們依然對它的細(xì)節(jié)所知甚少。它就像是我們之前談?wù)撨^的排斥力，是早期宇宙中驅(qū)動(dòng)暴脹的元素。事實(shí)上，我們今天的宇宙依然充滿了類似的物質(zhì)。雖然反引力效果比早期宇宙存在過的效果微弱多了，但我們非常確定的是，今天的宇宙正在加速膨脹，這正是暗能量作用的結(jié)果。

雖然我試圖對我們已經(jīng)理解和掌握的知識進(jìn)行宣傳，但這其中仍然存在很多不確定性。比如，我們依然不清楚宇宙組分中最充足的物質(zhì)的性質(zhì)。暗能量占宇宙總質(zhì)量(能量)的60%，我們卻不了解它到底是什么。它可能是真空能本身，但我們并不知道更多細(xì)節(jié)。另外，被我們稱為暗物質(zhì)的部分占宇宙總質(zhì)量的30%甚至40%，我們同樣不了解它。暗能量產(chǎn)生排斥力并且平滑分布，暗物質(zhì)像普通物質(zhì)那樣受到引力作用，它彼此吸引并且成團(tuán)，但我們不知道它的構(gòu)成。而我們已經(jīng)認(rèn)識的質(zhì)子、中子、普通物質(zhì)的原子和分子，只占宇宙總質(zhì)量的5%。

在宇宙學(xué)領(lǐng)域，我們已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。但同時(shí)，我們目前掌握的理論還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒發(fā)展到說明一切的程度。