1700902820
1700902821
透过宇宙微波背景辐射的涟漪，我们发现在重组阶段，即宇宙诞生后仅仅几十万年，宇宙中重子物质分布存在的不规则性只相当于十万分之一。这相当于在1000米深的湖面上，出现了只有1厘米高的涟漪。如果宇宙仅仅有重子，只能提供扁平状所需的物质密度的百分之五或更低，那么宇宙的膨胀就会将原本存在的涟漪拉伸平整，此时引力还来不及产生作用，将重子聚拢起来产生像恒星和星系这样有趣的事物。一个涟漪的引力对于宇宙扩张的力量来说过于微弱了，根本就无力抵挡。但是有其他证据表明——这些证据也是从分析宇宙背景辐射获得的——在宇宙诞生后10亿年内，也许是在5亿年内，即从背景辐射开始发出时，一些像恒星或超级巨星的热物体已经形成，并对周围的环境施加影响。
1700902822
1700902823
有关的影响是，第一批此类超级巨星加热了它们附近的气体。这种热能将氢和氦原子中的电子剥离，使这些在重组时已合并成中性原子的材料重新发生电离，那时宇宙的年龄只是现在年龄的大约千分之一。这意味着，宇宙中再次出现了自由电子，可能与大爆炸火球遗留下来的电磁辐射发生反应。但是，由于这个时候宇宙的密度已急剧下降，背景辐射并没有被完全阻挡模糊。相反，电离材料在穿越背景辐射时留下了印记。事实上，我们看到的印记（这影响了辐射的偏振现象，与偏振光眼镜影响射入的光线的效应一样），是由于从发生重新电离的时间至今，辐射和自由电子穿越这段时空发生相互作用的结果。这是一段约为130亿光年长的低密度物质“柱”。这些观测结果能够让我们计算出，在天空的任何方向，这样的“柱”中有大约多少个这样的电子。把这些知识与我们所知的随着宇宙扩大宇宙中重子密度的变化结合起来，表明这些电子柱应该有多长，并因此得知其在再电离阶段的终点在何地（或说何时）。这一估计中有一些不确定性，部分是因为再电离可能是在一个十几万年的时期内发生的，而不是宇宙中所有的地方同时发生；另一部分原因是在宇宙微波背景基础上的研究观测所给出的估计，与对已知最遥远明亮的物体，即所谓的类星体的研究所给出的估计略有不同。但是，这些将是下一代探测器才能解决的细节问题。有一点是明白无误的，再电离过程发生在大爆炸10亿年后，其距离我们的地点相应的红移大于7。30
1700902824
1700902825
哈勃太空望远镜已经给出了证据，说明物质此时已经开始结团，形成了恒星和小星系（称为矮星系）。哈勃太空望远镜花了很长时间对一小片天空进行曝光拍照，记录下了视域中最暗、最遥远的物体的图像。这就是所谓的哈勃超深空外太空照片（Hubble UltraDeeP Field，缩写为HUDF）。2004年的HUDF分析显示，里面存在大约100个微弱的红色斑点，每一个对应一个矮星系，我们看到的是当宇宙刚刚超过10亿岁的时候离开这个星系的光。但是，即便它们也算不上是第一个炽热物体，因为那样的物体对应的红移约为15至20，相当于130亿至135亿年的回溯时间，距离宇宙大爆炸之后只有一两亿年。想象这些对象与现在的宇宙的关系，可以看作是一个70岁的人“回头看”他才11个月大的时候的婴儿照。31
1700902826
1700902827
对于第一个炽热物体如何形成，在计算机模拟的基础上，还有一丝猜测的因素，但我们认为我们知道发生了什么。以下情况可能至少大面上是正确的，而且将被下一代空间望远镜验证和改进。
1700902828
1700902829
第一项要求是要确定什么样的暗物质能使星系形成。虽然我们对于使整个宇宙保持为一个整体的暗物质还有许多话要说，但是有一个关键的特征需要在这里指出。当天文学家最初意识到需要暗物质的概念来解释宇宙动力学时，当时有两种候选理论，还有一个众所周知的竞争者。这个竞争者是中微子。人们一直假定中微子的质量为零，因此它能够以光速（像光子一样）旅行。但至少物理学家知道中微子是存在的，而且宇宙中有这么多的中微子（宇宙大爆炸所产生的中微子的数量，与背景辐射中光子的数量大约相同），因此，即使每个中微子只有极小的质量，其总和也将非常之大，足以达到宇宙扁平性所需的密度。直到20世纪90年代初，地球上所进行的实验，没有任何一个能够确定中微子是否确实拥有质量，但是对天文学和宇宙学的研究却得到了有关中微子令人惊讶的信息。
1700902830
1700902831
我们暂时撇开质量问题。实际上是宇宙学最先确定存在有3种（3种“味道”）的中微子，分别对应电子、τ子和μ子。中微子极其难以捉摸，要想证明其他种类的中微子并不存在是一项艰巨的任务，这依赖于间接的推论和大量的猜测。单从地面试验来说，在20世纪80年代初所有的物理学家都说，必然存在有不少于737种“味”的中微子，随后几年中，他们费尽心机将数量极限下调到了44种，然后是30种。到了20世纪80年代后半期，由于欧洲核子研究中心的一个重大实验终于使种类降到了6种。但是，他们所做的事情，只是确认了宇宙学家已经知道的事实。
1700902832
1700902833
其原因在于，中微子的种类到底有多少，影响到宇宙大爆炸时的原始核合成所产生的氦的量。所产生的氦的确切数额，取决于核合成阶段宇宙扩张的速度，速度越快，氦越多（因为这样自由中子就锁定在了氦原子核中，衰变的机会更少）。影响宇宙扩张速率的一个因素是现有的轻子的种类（也包括其反粒子，默认情况下粒子和反粒子都包括在内了）。大家可以将轻子看作是帮助宇宙膨胀的压力，轻子的种类越多，产生的压力越大，使宇宙膨胀的速度越快。宇宙学的计算告诉我们，在最古老的恒星中，观测到的氦含量大约不到25%，由此推算，在宇宙的原始核合成阶段，只能有5个类型的轻子。其中两个是光子和电子，那么剩下的就只能有3种中微子。每增加一种“味道”的中微子，氦的比例将上升1个百分点；中微子的类型有4种，就将氦的含量向上推了2.5%，这种可能已经被天文观测排除了。自20世纪80年代以来，地球上的加速器实验已经变得足够强大，可以通过这种实验来确定中微子的种类，其结果也和上面的推论相同。从这一角度看，在地球上测量到的中微子类型的数量，能够告诉我们宇宙大爆炸制造了多少氦——这一惊人的结果，证明粒子物理学和宇宙学所面对的都是宇宙本质的根本性的真理。
1700902834
1700902835
另外，也是天文观测最先告诉物理学家，中微子具有质量。这是从研究一个比宇宙大爆炸更接近我们的对象——太阳——所获得的结果。这提供了另一种联系，将实验室规模的物理学、天体物理学和宇宙学联系在一起，强调指出，支撑这些学科的科学，是涉及世界如何运行时，我们真正了解的东西。
1700902836
1700902837
我们在第二章探讨大统一理论时曾提到这事儿，它可以追溯到40多年以前，即20世纪60年代初期。当时，来自布鲁克海文国家实验室的一个科研小组，由雷·戴维斯（RayDavis）领导，在南达科他州里德的一个矿井的1.5千米的地下，安装了一个实验装置，用来检测来自太阳的中微子。之所以要把实验设备埋得如此之深，是为了避免来自空间的称为宇宙射线的粒子的干扰。但这一设备也必须非常敏感，因为中微子极不“乐意”与普通密度的物质发生反应。它们能自如地穿过太阳的核心，而不会受到任何干扰（光子就不同了，它们需要经过曲折的道路才能到达太阳的表面），而且可以轻易地穿过探测器上方1.5千米的固体岩石。探测器本身的大小相当于奥运会标准游泳池的五分之一。这是一个充满了40万升全氯乙烯的水箱，这种液体常用来进行所谓的“干洗”。科研人员希望，来自太阳的稀少的中微子，能够和全氯乙烯中的氯原子发生相互作用，产生放射性氩同位素的原子，后者通过适当的手段可以测量到。
1700902838
1700902839
太阳内部产生中微子的过程，包括氢氦转换过程，这有点像大爆炸中原始核合成过程。这种聚变过程会释放能量，使太阳发光，并产生中微子。因为我们可以测量出有多少能量从太阳发射出来，而且从实验室里的研究知道，每制造出一个氦核，能产生多少能量，这样就可以计算出每秒中有多少个核反应发生，以及有多少个中微子产生。这一计算告诉我们，每秒钟，在地球上每平方厘米的区域内（包括探测器所在的区域）有70亿个这样的中微子能与氯原子发生恰当的反应。但是，考虑到中微子极难与普通密度的物质发生相互作用，计算预测，每个月里，在霍姆斯特克矿井中，仅有25个中微子能被探测到。而事实上，经过几十年的实验，只记录到了预期的中微子数量的三分之一，即一个月里探测到8个或9个，而不是25个。
1700902840
1700902841
自20世纪60年代以来，许多其他不同类型的探测器记录了类似的结果，而且不论是测量核反应堆或是由宇宙射线与相互作用的大气中原子所产生的中微子（不再仅仅是电子中微子，还有其他种类），都显示出同样的数量不一致性，计算应产生的中微子数目与探测器实际记录到的数字不同。对于这种不一致，惟一可行的解释是，中微子产生的数目和预期的相同，但是在它们飞向探测器的路上出了意外。
1700902842
1700902843
太阳的核心的交互反应所产生的中微子都是电子中微子，而典型的太阳中微子研究中使用的探测器，只能探测到电子中微子。但现在人们已经弄清楚，中微子在穿越空间的过程中，会转变为其他品种（τ子和μ子中微子），或是再变回来。这一过程称为中微子振荡，这意味着，如果一开始是纯粹的电子中微子（当然了，也可以三种当中的其他任何一种），但是很快，这一束中微子中，只有三分之一的电子中微子，另外还有三分之一的τ子中微子和三分之一的μ子中微子。这一过程与波粒二象性这一量子现象有关，而且这一理论并不仅仅是临时拿出来解释太阳中微子之谜的——在研究一种称作K介子的时候，人们就熟知这种振荡了，后来才用它来解释中微子的观测结果。但是这种振荡还有一个极为重要的功能，那就是它们只能发生在有质量的粒子身上。换言之，对南达科他州矿井中的一池干洗液所进行的测量表明，宇宙中的一种最普遍的粒子——中微子——必须是有质量的。每一个中微子的质量可能非常小，但它绝不能是零。
1700902844
1700902845
你可能会认为——许多天文学家有一段时间也这么认为——这解决了宇宙中“失踪”的物质的难题。但人们很快发现，把所有的失踪物质归结到中微子的头上是行不通的。中微子可能是一种暗物质，但它们不能用来解释宇宙中所观测到的明亮物质的分布模式。我们前面提到的两种暗物质被称为“热”和“冷”暗物质。中微子是热的，这是因为它们能以接近光的速度运行。但是，我们为了解释天空中星系的模式，所需要的是一种大量的缓慢移动的冷暗物质（CDM）。
1700902846
1700902847
请记住，我们需要解决的困惑，是重子在早期宇宙中分布的微小涟漪，只相当于十万分之一的密度不平衡，如何能够造就今天的星系和星系团，不论宇宙如何膨胀，并将这些涟漪拉伸变得更小。最大规模的明亮星系分布的模式类似于自然海绵的内部，其中空洞区域（缺乏明亮星系的地区）周围围绕着明亮的泡沫，以片状或丝状结合，组成星系团和超星系团。在以热暗物质的引力占主导地位的宇宙中，有可能形成这种结构，但问题是，这需要很长的时间。大爆炸产生的有足够大质量的高速粒子，就像保龄球打倒球瓶一样，会将重子席卷而走，撕扯成丝状或片状，围绕着空间的空白区域的边缘。只有在中微子的速度放慢（“冷却”）到光速的约十分之一时，这一过程才会结束。也只有到那时，由氢和氦构成的大片才会在引力的影响下开始收缩崩溃，最终以一种“自上而下”的过程形成恒星和星系。但是这里“最终”一词很关键。整个过程需要至少40亿年，但我们知道宇宙只有140亿岁，而仅仅在银河系，就有上百亿年的恒星，而更深入的观测，如哈勃超深空探测就表明，宇宙大爆炸之后刚过了10亿年，小星系（但不是大星系）就已经形成了。事实证明，如果中微子的质量比“非常微小”超出一点点，天文学家就会大感窘迫——好在令人高兴的是，实验表明，中微子的质量确实太小，不会对星系形成的模型造成问题。
1700902848
1700902849
中微子必须具有质量以产生振动的原因在于，产生振动时的速率取决于不同种类中微子的质量差异。如果质量为零，就不会有差异了！由于振动的速率取决于质量的不同，中微子充分混合成同等数量的所有三个品种所需穿越的时空，也取决于质量的差异。对这个问题，太阳中微子的研究能告诉我们的很少，因为从地球到太阳的距离非常之大，就连光从太阳到地球的时间都需要8.3分钟，中微子所需的还要长一点。对于绝大多数粒子的相互作用的标准而言，这一时间非常之长，足够其充分而完整地混合。但是，对于宇宙射线和大气层之间相互作用产生的中微子来说，其中一些只需要几分之一秒的时间就能到达探测器，因而对其所做研究的限制就更为严格了。这些研究无法直接告诉我们每种中微子的质量分别是多少，但它们可以给出线索，假设它们的行为与能够更方便地研究的粒子如k介子类似，这就能让我们判断出所有三种中微子的总质量是多少。将中微子对宇宙密度整体的贡献加到一起，我们得出结论，中微子至少贡献了宇宙保持扁平所需质量的0.1%。
1700902850
1700902851
另一方面，我们今天所看到的宇宙这样的结构，以及这种结构出现所需的时间，告诉我们所有热暗物质对宇宙密度的贡献，不超过重子质量的13%——换句话说，不到为了达到扁平所需的总密度的0.5%。这表明，对宇宙中体积最小、重量最轻的事物的观测，与对宇宙中的最大尺度的结构的观测之间，达到了非常令人满意的吻合。而假如粒子物理学家说，为使宇宙达到扁平状，中微子必须至少有0.5%的贡献，而天文学家说中微子的贡献不能超过0.1%，那可就麻烦了。好在情况并非如此。两者之间达到如此程度的协调，有力地证明了，即使是所获得的数据可能并不完全一致，物理学家知道自己研究的是什么。这一点再怎么强调也不过分。
1700902852
1700902853
从能量和质量单位的角度来考虑这个问题，那么这三种中微子各有一个，加起来的总质量还不到2电子伏特，相当于一个单一的电子质量的0.0004%。因此，我们认为，把所有三种中微子的质量全部加起来，其引力只占到使宇宙保持扁平所需引力的百分之零点五到百分之一，我们仍然要弄清楚宇宙中占95%的引力的东西是什么。第一步是要研究冷暗物质对于我们现在所看到的宇宙的结构，产生了怎样的影响——不过现阶段还无需担心CDM粒子有可能是什么，因为对这一次，是宇宙学首先参与进来，并告诉粒子物理学家需要找寻的是什么。
1700902854
1700902855
天文学家在检验他们关于宇宙中结构演进的方式的时候，是拿天空中星系和星系团所留下的分布模式，与膨胀宇宙中引力所导致的不规则性会如何演变的模拟结果进行对比。这话说得很别扭，但听上去却让人觉得做起来很简单。但是这样的观测要求测量数以十万计的星系的红移，它们都过于微弱，肉眼看不到，而且它们分布在天空不同的区域。只有在数字技术的帮助下，如此详细的研究才切实可行。从20世纪末开始，以及进入21世纪以来，科研人员开始用CCD数码摄影技术拍摄星系的“照片”，用计算机分析海量的数据。把红移的测量数据转换成距离，建立起一个从我们的角度来看宇宙向外延伸的由楔形或圆锥形构成的三维地图。即使到如今，我们还没有对整个天空做完这项工作；但是对广泛分布于天空各处的观测，都给出了同样的泡沫状图景，所以我们相信，这些“切片”代表了宇宙的典型图景。
1700902856
1700902857
说起来，倒是相关的计算机模拟更难。如果你有一个足够大的电脑（我的意思是说，如果内存和硬盘空间足够大），你可以用一组数字代表早期宇宙中的每一个星系，运行爱因斯坦的宇宙普遍膨胀的方程以及引力定律，采用不同的初始条件和不同量的冷暗物质，进行模拟计算，看最终哪些看起来就像真正的宇宙。现在已知的星系有几千亿个，这种模拟计算显然是不可能的。而且，模拟中每个这样的“粒子”都相当于太阳质量的大约10亿倍。在最大的此类模拟中，虚拟了100亿颗这样的粒子，模拟整个可见宇宙膨胀的行为。32模拟计算模型设定，这种粒子的统计分布与重组发生时物质的分布方式相同，然后按照虚拟时间来考察粒子如何凝聚在一起。当事情开始变得有趣，模拟就开始重点关注某个正在形成的集群，而不再检视宇宙的其余部分，并重新使用同样多的虚拟粒子，探测这一更小尺度中集群结构的发展。从原则上讲，这一进程能够不断继续，直到个别星系的形成，但这也将当今的计算机技术推到了极限。
1700902858
1700902859
这些研究和绝大多数现代的研究一样，远远超出了任何个人的能力范围。其中最大的一个模拟项目，是由一个称为“室女座联盟”（theVirgoConsortium）国际科学家小组进行的，这个名称来自距离地球最近的大型星系团，位于室女座的方向（但距离远远超出了它）。这一模拟计算是选择一个虚拟的质量点，计算施加在它身上的其他点9，999，999，999的引力影响，然后选择另一点，做同样的计算，一遍又一遍，直到每个点都计算过。在仿真中，每个点都按照所受的全部的引力发生一点移动，“宇宙”也会扩大一点点，然后整个过程一遍又一遍地重复。但是，为了在合理的时间内获得进展（即不要等研究人员都老死），还是必须使用一些捷径。例如，对于相距甚远的点，仿真把数以千计的个别粒子合在一起，并使用其总引力计算其对宇宙另一边的粒子的影响，而不是计算所有单个粒子的影响。这个模拟计算中使用的Unix集群计算机集成了812个处理器，拥有2TB的内存，每秒能够进行4.2万亿次计算（每秒4.2万亿次浮点运算）。即使以这样的速度运行，每次模拟也要运行数周的时间才能产生结果。到2004年年中的时候，模拟已经产生了20万亿字节的数据，包含虚拟宇宙不同发展阶段的64个快照——不同的红移，不同的回溯时间。把这些快照与真正的宇宙中明亮星系的红移图进行对比，清楚地表明，必须存在大量的暗物质，才能解释我们在真正的宇宙中所看到的结构。
1700902860
1700902861
当然，肉眼不可能做出这些比较，尽管我们即使随便地瞥一眼这两幅图也会感到它们惊人地相似。相反，对计算机模拟和实际宇宙的各种丝状、片状和空洞区域进行统计学上的比较，可以让我们客观公正地评价模拟和现实匹配得如何。答案是，两者匹配得确实非常好——前提是，宇宙中存在大量的冷暗物质，而且宇宙是扁平的。
1700902862
1700902863
虽然已经进行了许多种不同的模拟实验，实验中设定的暗物质的数量不同，宇宙的密度不同，偏离扁平性的程度也不同，等等，不过这里我们无需把这些都细细道来，因为只有一个真正符合我们如今生活于其中的宇宙。但是，这不是走运猜中了，我们也不希望大家以为天文学家是随便找来一种理论，凑巧发现他们竟然对了；为了到达目前的这一步，他们试验了很多次，有时候开始就错了，有时候走进了死胡同，又不得不倒回来。我们现在的模型是已有模型中最好的，也是对宇宙最好的理解，但它是经历了几十年的研究工作才发展起来的，有点类似现代飞机从莱特兄弟的第一架飞行器演变而来的过程。
1700902864
1700902865
该模型所依据的观点，是重子嵌在大片的冷暗物质海洋中。我们在下一章会探讨更多关于冷暗物质的性质等问题，但这里的关键问题是，宇宙学要求它必须存在，而且这种粒子似乎不与重子物质以任何方式发生相互作用，除了引力之外。我们不能确定究竟存在多少这样的粒子，以及其单个的质量是多少（甚至不知道它们是有一种还是多种），但是一个合理的猜测是，他们像质子和中子一样有同种类型的质量。计算机模拟表明，它们散布在整个宇宙，包括明亮星系团之间的空隙。这些空隙中还必然有黑暗的重子，因为为了使仿真模型与真正的宇宙吻合，我们必须假定，重子和冷暗物质粒子在整个宇宙中相互交织。我们看到了明亮星系组成的泡沫格局，因为只有在暗物质密度更大的区域明亮的星系才得以形成。这是由于暗物质的引力将附近的重子气体吸引到引力坑洞中，在这里气体云规模变得足够大，使其发生崩溃，形成恒星和星系。这意味着明亮的东西让我们对宇宙的观察略有偏见，因为实际上宇宙中物质的分布比明亮物质的分布更为均匀。但是，这一偏离值相当之小——这就好像是，如果宇宙中物质的平均密度近乎让气体云崩溃，那么只需要一个相对较小的多余的密度涟漪，就足以启动这一进程。
1700902866
1700902867
对像银河系这样个别星系的研究也揭示出了重子物质和冷暗物质之间的密切关系。实际上，正是对星系的研究首次向人们暗示，宇宙中除了到达我们的眼睛的东西以外，还有更多的内容。只不过多年来，大多数天文学家都不愿意接受这种暗示。
1700902868
1700902869
早在20世纪30年代，在天文学家们认识到他们从望远镜里观察到的一些模糊的光斑实际上是银河系以外的其他星系之后只有10年左右，瑞士天文学家弗里兹·茨维基（Fritzzwicky）注意到星系团的一个奇怪的事情。在许多情况下，这些星系群运行的速度太快，以致其中的所有明亮恒星的引力都不足以将星系团聚集在一起。如果观测结果是正确的，那么根据天文标准，星系团不能保持稳定，而是很快会蒸发消失。当时，河外星系和利用多普勒位移（不是宇宙红移）来测量这些星系运行的速度都是新出现的观点，当时没有几个人愿意接受茨维基的研究结果。但是，如果你不接受这种结果，那么这些结果就暗示，为了使星系团保持稳定（或“在引力的约束下”），在大星系团中，就必须有比单纯以明亮的恒星的形式多几百倍的物质发出引力。茨维基将这种看不见的物质称为“暗（冷）物质”。33即使你不拿这些结果当真，可是在当时没有任何理由认为，在宇宙中不可能有很多黑暗的重子物质，以冷的气体云或光线非常微弱的恒星的形式存在，所以那时人们对此并不是太担心。即便人们在近七十年前就意识到可能存在暗物质，可是直到20世纪60年代，随着对宇宙大爆炸的核合成过程的逐渐了解和对重子物质数量的限定，人们才开始关注研究暗物质。接着，在茨维基的开创性工作近40年后，在20世纪70年代，有关暗物质的主题出现了另一个变化。
[
上一页 ]
[ :1.70090282e+09 ]
[
下一页 ]