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1700927508 撇开创生问题,这个问题对两个模型都仍很困难,宇宙学家的注意力集中在大爆炸模型剩下的唯一问题上:目前还不清楚从大爆炸创生的宇宙如何能够演化出星系。正如霍伊尔曾经指出的:“如果你假定足够猛烈的爆发能够解释宇宙的膨胀,那么像星系这样的凝聚状态就永远无法形成。”换句话说,霍伊尔抱怨的是,大爆炸之所以荒谬,就是因为它把所有现存物质炸得四分五裂来创建一个包含稀薄的,甚至一鳞半爪的物质的宇宙,而不是一个物质集中于星系的宇宙。
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1700927510 大爆炸的支持者被迫同意,大爆炸将导致——至少在初期——一锅物质汤,它确实被宇宙膨胀炸得四分五裂。大爆炸模型面临的挑战是明确的——宇宙如何能够从无可比拟的平淡景观中演化出一个由巨大的虚空隔开的大质量星系?
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1700927512 大爆炸宇宙学家希望,早期宇宙虽然很均匀,但不可能一直呈完全的均匀。他们乐观地认为,早期宇宙中一定存在某种程度上的小扰动,是它打乱了宇宙的同质性。如果是这样的话,那么他们认为,这些密度上最微小的变化足以引发宇宙必要的演化。
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1700927514 稍致密点的区域将会形成吸引物质的引力中心,从而使得这些区域吸引更多的物质,变得更为致密,如此循环,直至形成第一个星系。换句话说,如果宇宙学家推测密度上存在丝毫变化,那么就不难想象引力是如何驱使宇宙形成丰富而复杂的结构和次级结构的。
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1700927516 如果这就是大爆炸模型的星系形成机制,那么宇宙极早期的密度涨落将成为非凡的宇宙凝结的最早的种子。今天宇宙中充满了平均密度大约为1 g/cm 3的物质,这个密度与水的密度差不多。例如,太阳的密度比水稍致密些,为1.4 g/cm3,而土星则不太密集,为0.7 g/cm3。另一方面,宇宙也有巨大的虚空,虚到几乎没有任何物质。因此,宇宙的整体平均密度,如果同时将星系和虚空空隙考虑进来,大致是0.000000000000000000000000000001g/cm3。这意味着有些宇宙区域,特别是我们居住的地方,要比平均密度致密1030倍。
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1700927518 因此,大爆炸的看法是,早期宇宙是一锅最均匀、最一致、最顺滑的可以想象的物质汤。在这个几乎处处均匀的海洋里有那么一丁点变化,它在数十亿年间引发了一连串事件,使得宇宙变成既有高密度的星系又有密度接近于零的虚空空间。
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1700927520 表6
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1700927522 下表列出了大爆炸模型和稳恒态模型孰是孰非的不同判据。它显示的是在1978年所获数据基础上这两个模型的表现。本表是表4的升级版。“√”和“×”给出每个模型在相关判据前的大致优劣,问号表示该项缺乏数据或赞同和不赞同的难辨胜负。
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1700927527 为了证明真的发生过这种巨大的转变,大爆炸宇宙学家们将不得不去寻找触发星系形成的密度变化的证据。否则,没有这些确凿的涨落证据,大爆炸模型就无从回答少数稳恒态理论家(如霍伊尔)的批评。
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1700927529 寻找早期宇宙涨落的最合适的地方显然是宇宙最古老的遗迹,即CMB辐射。这种辐射是宇宙历史上某个特定时刻发射出来的,因此现在被当作化石,它代表宇宙在创生后大约30万年间最早原子形成时的状态。因此通过检测这种CMB辐射,射电天文学家能够在时间上有效地回溯宇宙在其早期阶段的演化。大爆炸模型估计,宇宙至少有100亿岁,所以能够看到年龄30万年的宇宙就相当于看到了仅为目前年龄的0.003%时的宇宙。让我们给宇宙一个更人性化的时间尺度。我们将当今的宇宙比作一个70多岁的老人,那么CMB辐射的出现则发生在宇宙还只是一个出生仅短短几个小时的初生婴儿。
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1700927531 观察CMB辐射相当于时间上回头看可能不是那么显然,但天文学家观测一颗遥远恒星时其实做的是同样的事情。如果一颗恒星距离我们100光年,那么它的光就将要100年才能到达我们这里,所以我们只能看到的这颗恒星是它100年前的状态。同样,如果CMB辐射是在数十亿年前被释放出来的,并用了数十亿年才到达我们这里,那么当天文学家最终发现它时,他们实际看到的便是数十亿年以前的宇宙,那时它只有30万岁。
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1700927533 如果在宇宙史上此时发生了密度变化,那么它们应该在我们今天看到的CMB辐射上留下印迹。这是因为如果宇宙有些地方的密度稍高于平均密度——一个鼓包——那么在这个地方CMB辐射就会有明显的效应。从这个区域放出的辐射在逃脱鼓包的高于平均密度的额外引力时就会经历一个稍大的挣扎。因此,鼓包处的CMB辐射会失去一些能量,因此它的波长稍长。
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1700927535 这样,通过检查来自宇宙不同方向的CMB辐射,天文学家希望检测到其波长稍有不同。来自波长稍长方向的辐射将表明,它来自古宇宙那些密度稍大的地方,而来自波长略短的不同方向的辐射将表明它源自古宇宙那些密度略小的地方。如果天文学家能从CMB辐射中找到这些波长变化,那么他们将能够证明,在宇宙早期确实存在密度涨落,它们就是形成星系的种子。这样,大爆炸模型将变得更加引人注目。
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1700927537 彭齐亚斯和威尔逊已经证明,存在CMB辐射而且它有大致正确的波长,但现在天文学家们开始要更精确地来测量它,以便表明来自宇宙某一部分的辐射的波长确实不同于其他部分所发出辐射的波长。不幸的是,CMB辐射看起来似乎处处一样。它应该是大致一致的,因为早期宇宙在空间每一点上是非常相似的,但测量显示,来自各个方向的辐射不只是相似,而是完全相同。波长上没有一丁点增加或减少的迹象。
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1700927539 稳恒态理论家抓住这个否定结果作为大爆炸模型的危险征兆,因为今天的CMB辐射的波长观测不到变化意味着在早期宇宙中不存在密度变化,这意味着我们今天看到的星系没法解释。
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1700927541 但大多数宇宙学家并不慌张。他们认为变化肯定是确实存在的,但太微弱,没被检测到,因为现有的观测技术还太粗糙。这似乎是一个合理的说法。例如,你看的这一页的纸张看起来非常光滑,但借助足够灵敏的设备,其表面的不平整度就会变得十分明显(如图99所示)。也许可以证明CMB辐射的真实结构同样如此,其变化还有待更仔细的检查来发现。
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1700927543 到了20世纪70年代,最新设备的灵敏度足以检测出CMB辐射的1%的电位差,但仍然没有任何变化的迹象。变化的可能性只能留到小于1%的区间里去寻找了,但是检测这么微小的变化在地球表面上进行似乎是不可能的。
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1700927548 图99 在图(a)中,肉眼看上去光滑的纸经放大250倍后的结构和变化。图(b)是放大1000倍后的纹理。
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1700927550 因为CMB辐射是在电磁频谱的微波波段,而大气中的水分连续辐射的也是微波,虽然很微弱,但足以压倒CMB辐射的可能存在的任何微小变化。
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1700927552 一个创新的解决方案是设计一个巨大的充有氦气的高空气球,它能上升到地球上空几十千米处,接近太空边缘,这样,气球携带的CMB探测器将能够漂浮在几乎不含水分的大气层上空,由此大气微波带来的干扰将被减低到最小。
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1700927554 然而气球实验困难重重。单一个低温就可能引起脱胶,使得探测器解体。另外,如果设备出现故障,天文学家将束手无策。即使设备运行正常,探测器在气球下降之前也只能工作几个小时。最糟糕的是,装有探测器的缆车有可能落地时会与地面发生撞击,使得数据丢失或毁坏,这样,多年精心准备的努力将毁于一旦。
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1700927556 加州大学伯克利分校的乔治·斯穆特一直痴迷于寻找CMB辐射的变化,曾参加了几次气球实验,但到70年代中期他已不再对此抱有希望。他的气球实验经常是以灾难结束,即使落地完好的那些结果也依然未能揭示CMB辐射有任何变化。对此,斯穆特采用新的战略。他计划将微波探测器安装在飞机上,这样他就可以在较长的时间里以较高的可靠性来收集数据。这要比危险地悬吊在不靠谱的气球下进行实验好多了。
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