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从0到1，宇宙微波背景理论的历程
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2006年，安赫丽卡和我被邀请到斯德哥尔摩，庆祝COBE卫星的研究成果获得诺贝尔物理学奖。不出所料，COBE团队内部开始争抢功劳。最后，奖项由乔治·斯穆特和约翰·马瑟（John Mather）二人分享。看到他俩和解，我十分欣慰。整个COBE团队都被邀请过去，沐浴在当之无愧的荣耀中。我感到，那些不愉快的嫌隙被无休止的高雅酒会用一个明显的事实所黏合了，那就是，他们完成了一项伟大的工作，不仅让两个人同时获得了诺贝尔奖，更重要的是，他们拍下的第一张宇宙“婴儿照”创造出了一个生机勃勃的新领域，把宇宙学的研究带进了一个崭新的时代。我多么希望，乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼也出现在这里。
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2013年3月21日清晨，我5点就起床了，为了看一个巴黎的网络直播——普朗克卫星团队即将公布他们的第一张宇宙微波背景辐射图像。过去的10年里，ACBAR、ACT、南极望远镜等实验设备都曾拓宽我们对宇宙微波背景的知识，但普朗克卫星才是WMAP探测器以来最大的里程碑。我正在刮胡子时，乔治·艾夫斯塔休（George Efstathiou）正在向公众讲述他们的成果，突然一股怀旧和兴奋交织的感觉涌上了我的心头。我仿佛回到了1995年3月，当时艾夫斯塔休邀请我到牛津大学去和他合作，为还未发射的普朗克卫星开发一种新算法。这是我第一次被邀请参加学术合作，感到十分荣幸。我们一起开发出了一种去除干扰信号的新方法，帮助普朗克项目得到了欧洲空间局（ESA）的资金。时光荏苒，现在浴室镜里这个老了8岁、正在刮胡子的我，终于要看到这个项目的成果了。
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当艾夫斯塔休展示普朗克卫星最新的天图时，我忍不住放下刮胡刀，找出我们之前清除了前景干扰的WMAP探测器天图放在笔记本电脑屏幕旁边。它们几乎严丝合缝！宇宙邪恶轴心依然存在！我把这两张图都放到了图2-5中，好让你进行对比。你可以看到，所有大尺度结构都能精致地吻合在一起，但普朗克天图中有更多的小斑点。这是由于它有出众的灵敏度和分辨率，能拍下WMAP探测器因无法辨认而模糊掉的小细节。普朗克卫星证明，我们多年的等待是值得的！由于它出色的质量，普朗克卫星总算为WMAP探测器之前的表现提供了一份可对照的答题卡。仔细消化普朗克卫星的结果后，我认为WMAP项目团队的工作完全能得A+。当然，普朗克卫星项目团队也是如此。然而我认为，普朗克卫星给人们最大的惊喜就是：没有惊喜——从本质上说，它再一次确认了我们已经相信的宇宙图景，只是更加精确。宇宙微波背景辐射，终于成熟了。
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泰格马克教授将普朗克卫星天图投影到了一个球体上，读者可以仔细端详它丰富的色彩和细节。扫码关注“湛庐教育”，回复“穿越平行宇宙”获取该图。
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到现在为止，我们已经将最早的时间由140亿年前拨回到大爆炸后40万年，看见周围的空间充满了炙热的等离子体。那时候，没有人，没有行星，没有恒星，也没有星系——只有原子在弹来蹦去，辐射出耀眼的光芒。然而，更加神秘的问题浮出水面：这些原子从何而来？
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原子是大爆炸的产物吗
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宇宙，一个熊熊燃烧的核聚变反应堆
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之前我们讲到，伽莫夫对宇宙的过去进行了大胆的推演，成功预测了宇宙微波背景，为我们呈现了绝妙的宇宙“婴儿照”。然而对他来说，这个了不起的成就还远远不够，于是，他把时间往回推演到了更早的时候，并算出了结论。时间越早，温度越高。我们知道，大爆炸后40万年时，几千摄氏度的氢元素充满了宇宙空间，几乎有太阳表面一半那么热，所以那时氢元素发生的事，和太阳表面正在发生的一样——发光。所以产生了宇宙微波背景辐射。伽莫夫还意识到，大爆炸后仅1分钟时，氢的温度大约高达10亿℃，比太阳内核还炙热，所以它一定也会发生太阳内核正在发生的事——核聚变，将氢元素聚变成氦元素。然而不久之后，宇宙逐渐膨胀和冷却，冷到不足以发生核聚变时，就像一只无形的手关掉了这个宇宙核聚变反应堆的开关。那时，还没来得及把所有氢都转化为氦。受到伽莫夫的启发，他的学生阿尔菲和赫尔曼对此进行了进一步计算。那时还是20世纪40年代，由于没有现代计算机，他们的工作受到了极大的限制。
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宇宙在最初的40万年里是不透明的，之前发生的事都被藏在宇宙微波背景的等离子屏幕后。那么，要如何检验伽莫夫的这个预测呢？伽莫夫意识到，这个情况和对恐龙的研究很相似——你根本不可能直接看到发生了什么事，但你能找到化石证据！用现代观测到的数据和计算机重新运行他们的计算过程，你能预测出，当宇宙还是一个核聚变反应堆时，有25%的质量生成了氦。当你用望远镜，通过遥远星系的光谱来测算它们的氦含量时，你会得到一个数字：25%！对我来说，这和发现霸王龙股骨化石一样令人印象深刻——这就是疯狂往事的直接证据。只不过这件事的疯狂之处在于，万事万物都热得疯狂，就像太阳的核心一样。此外，氦元素并不是唯一的“化石证据”。随着伽莫夫的理论变得广为人知，太初核合成理论（也就是大爆炸核合成）预测，三十万分之一的原子是氘[5]，五十亿分之一的原子是锂。这两个比例都已被观测证实，并与理论值完美契合。
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都错了！大爆炸有麻烦了！
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没有人能随随便便成功——伽莫夫的热大爆炸理论遭到了冷遇。实际上，“大爆炸”这个名字还是得自一个批评者——弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），他最初是想以此来嘲笑它的荒谬。根据20世纪50年代的评判标准，大爆炸理论的两个主要预测——宇宙的年龄和原子的丰度，都是错误的。根据哈勃最初对宇宙膨胀的测算预计，宇宙的年龄不会超过20亿年。地质学家们因此感到很困惑，因为地球上一些岩石的年龄都比这个老。此外，伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼当时还希望能证明我们周遭的所有原子都以正确的比例诞生于太初核合成，但他们发现这是不可能的，太初核合成甚至不能产生足够的碳，更不用说氧和其他日常常见的元素了——它只能孕育出氦、氘和一点点的锂。
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我们现在已经知道，哈勃极大地低估了星系之间的距离。正因如此，他得出了错误的结论。他所算出的宇宙膨胀速度比真实速度快了7倍，这意味着，宇宙的年龄应该比他所算出来的老7倍。20世纪50年代，人们对星系距离的观测越来越精确，这个错误逐渐被修正。那些不高兴的地质学家终于得到了安慰。
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大爆炸预测的第二个“谬误”——原子丰度的错误，也在同一时代消融了。伽莫夫在恒星核聚变上做了很多开创性的研究。他和其他科学家的工作都表明，恒星能产生出氦和一点点其他元素，正如我们的太阳现在正在做的一样。那么，其他元素从何而来呢？伽莫夫希望太初核合成能完成这项任务。然而，20世纪50年代，另一个看起来令人吃惊的核物理发现将氦、铍、碳和氧连接起来了。霍伊尔第一个意识到，恒星在生命末期会将氦变成碳、氧和大部分常见的元素，正是这些元素组成了你和我。此外，恒星结束自己生命的时候会发生爆炸，将它孕育的大部分原子都回馈到宇宙空间，形成气体云，将来又能从中诞生出新的恒星和行星，最终诞生你我。换句话说，我们与天堂之间的联系，比祖辈想象的要紧密得多——我们都是星尘。我们位于宇宙之中，宇宙也存在于我们之中。洞悉了这一点，伽莫夫的太初核合成理论经历了从失败到成功的腾飞。原来，宇宙在最初的几分钟内，确实只生成了氦以及一点点氘和锂，而之后的所有原子都是由恒星创造出来的[6]。原子从何而来的问题最终被解决了。不鸣则已，一鸣惊人。正如热大爆炸理论在“冷宫”里平步青云一样，1964年，伽莫夫的另一个预言也被观测证实，并震惊了宇宙学界，这就是牺牲几只鸽子才确认的大爆炸余晖——宇宙微波背景辐射。
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到底什么是大爆炸
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现在，我们已经把时间回溯到了140亿年前，那时候整个宇宙是一个熊熊燃烧的核聚变反应堆。当我说了“我相信大爆炸假说”时，只是指我被这个理论说服了，但仅此而已。
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大爆炸假说
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那时，我们现在所能看到的一切都比太阳的内核还热，它们膨胀得相当迅速，一秒钟内就能膨胀到两倍那么大。
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这个爆炸真的很大，所以我们管它叫“大爆炸”。然而，你也许已经注意到，我给它下的定义十分保守，并没有提到它之前发生的任何事。比如，我并没有暗示宇宙当时的年龄为1秒钟，也没有暗示它的密度曾经无限大或者源自某种令数学规律崩溃掉的奇点。对第1章开头的问题10“大爆炸奇点的存在有证据吗”，答案很简单：“没有！”当然，如果我们把弗里德曼方程向时间的源头一步步推演，它们会在太初核合成1秒钟前一个无限致密的奇点崩溃，但在第6章中我们将会看到，量子力学会让这些方程在还没到达奇点时就失效。我认为，区分一件事是“有确凿证据”还是“高度推测”，是非常重要的。在这件事上，对大爆炸之前的事，尽管我们有许多令人兴奋的理论和暗示（我们将在第4章继续讨论），但坦白讲，我们其实什么都不知道。目前，这就是我们知识的边界。实际上，我们甚至不能肯定宇宙是否真有一个开端，还是在太初核合成之前就已经经历了超出人类理解范围的永恒时间。
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总的来说，人类对时间的认知已被推进到相当久远的过去，揭示出一条宇宙的故事线（我画在了图2-7中）。大爆炸后100万年，空间中充满了相当均匀的透明气体。如果把宇宙这幕戏剧倒着播放，我们会看到这些气体变得越来越炙热，因为其中的原子互相撞击的强度越来越大，直到碎裂成原子核和自由电子——等离子体。接下来，我们会看到氦原子被撞碎，分裂成质子和中子。然后，它们也被撞碎，变成更基本的粒子——夸克。再往后，我们会跨越人类知识的边界，进入一个全凭推测的疆域——在第4章，我们将探讨图2-7中标着“暴胀”和“量子谜题”的两个阶段。现在，让我们再跳到大爆炸后100万年，让时间往后流逝，我们会看到万有引力放大气体间轻微的不均匀，最终形成了我们今天所看到的星系、恒星和丰富多彩的宇宙结构。
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图2-7 尽管我们对宇宙的终极起源知之甚少，但我们对其后140亿年中发生的事却已经了解了很多。随着宇宙的膨胀和冷却，夸克组成了质子（也就是氢核）和中子，接着又聚变成氦核。然后，这些原子核捕获电子，形成原子。在万有引力的作用下，这些原子坍缩成我们今天所观测到的星系、恒星和行星。
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不过，万有引力只能将宇宙间轻微的起伏放大，却无法从虚无中创造出起伏。如果宇宙过去是绝对均匀和统一的，万有引力也无计可施，它会永远保持均匀的状态，不可能创造出任何稠密的块簇，更别说星系了。这意味着，在很早的时候，宇宙中一定撒下了这些起伏的种子，得以让引力来放大，这就像一张宇宙的蓝图，决定了哪些地方会生成星系。那这些起伏的种子从何而来呢？换句话说，我们已经看到了宇宙中原子的起源，但是这些原子何以会排列成庞大的星际结构呢？宇宙大尺度结构从何而来呢？在我们所问的所有宇宙学问题中，我认为这是最硕果累累的。为什么？我们将在接下来的两章探索这个问题。