1700927707
宇宙继续膨胀和冷却。现在它包含简单的原子核、高能电子和大量的光,一切都处于相互散射的过程中。经过大约30万年,宇宙的温度已经冷却到足以使电子慢下来,被核束缚住,形成完全成熟的原子。这种原子有效阻止了光的进一步散射,自此光在宇宙中畅通无阻的状态在很大程度上受到遏制。这种光就是所谓的宇宙微波背景(CMB)辐射,一种由伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼预言,并为彭齐亚斯和威尔逊探测到的大爆炸的光的回声。
1700927708
1700927709
经过COBE卫星对宇宙微波背景辐射的详细测量,我们知道,经过30万年后,宇宙中有些地方的密度稍高于平均密度。这些区域逐渐吸引更多的物质,变得更加致密,从而在宇宙大约10亿岁的时候形成了第一批恒星和星系。恒星内部的核反应继续形成中等重量的元素,而最重的元素则是在恒星死亡前的剧烈挣扎条件下形成的。正是由于在恒星上形成了诸如碳、氧、氮、磷和钾等元素,才最终使得演化出生命成为可能。
1700927710
1700927711
到今天为止,宇宙已有150亿年的历史。《独立报》上的插图将人类的出现置于顶层,有点谄媚的意味,因为它夸大了我们在宇宙历史中的角色。虽然生命在地球上已存在了数十亿年,但人类的出现只有10万年左右。要将他置诸其间,如果宇宙的历史用张开双臂后两个指尖之间的长度来表示这个时间表的话,那么人类存在的时间仅相当于指甲锉刮一下的宽度。
1700927712
1700927713
重要的是要记住,这个创生和演化的历史是有具体的证据来支撑的。物理学家们,如伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼等,进行了详细的计算,估计了早期宇宙的环境,并预言了早期宇宙如何会在当前的宇宙中留下自己的印记,即氢氦比和宇宙微波背景辐射。这些预言都惊人的准确。正如诺贝尔奖获得者、物理学家斯蒂芬·温伯格所指出的那样,大爆炸模型绝不是一种想入非非的猜测:“我们的错误不在于我们把理论看得太认真,而是我们没有给予它足够的重视。我们总是很难意识到我们在办公桌上玩弄的这些数字和方程与现实世界的联系。更糟糕的是,我们通常会认为,某些现象只是不适合可敬的理论和实验上的努力。伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼之所以比其他人更应该得到巨大的荣誉,就在于他们非常重视早期宇宙的问题,在于他们用已知的物理定律去说明最初3分钟。”
1700927714
1700927715
当一家报纸准备在头版对一个宇宙学模型进行广泛报道时,正如亚瑟·爱丁顿所言,这是个强烈的迹象:大爆炸模型已经从理论研讨会上搬到了科学的陈列室里。然而这并不意味着这个模型就是完美无缺的,因为总是存在一些悬而未决的问题和一些细节需要处理。本篇结语的其余部分将对这些仍待解决的问题和细节做一简述。几段文字不可能有望传递出这些问题的细微之处、深度和真正的意义,但它们应能表明,虽然广义上说,大爆炸模型的概念已被证明是正确的,但要让所有的宇宙学家都信服,还将有很长的路要走。
1700927716
1700927717
例如,我们知道,今天的星系分布是大爆炸后大约30万年里宇宙密度变化的结果,但这些密度变化的起因是什么?另外,根据爱因斯坦的广义相对论,空间可以是平的,也可以向内弯曲或向外弯曲。在平直的宇宙中,光线可以永远走一直线,就像球在一个平坦、光滑的平面上滚动,但在弯曲的宇宙中,光线可以沿着环形轨道行进并返回到其出发点,就像一架飞机绕地球赤道飞行一周。根据天文观测,我们的宇宙似乎是平直的,因此就有这么一个问题:为什么我们的宇宙是平直的,什么时候它可能是弯曲的?
1700927718
1700927719
暴胀理论为这两个问题——密度变化和宇宙表观平直性的起源——提供了一种可能的解释。这一理论是由阿兰·古斯在1979年末发展出来的。当他第一次想到宇宙的暴胀这个概念时,古斯简直惊呆了,他很快在他的笔记本上写下“壮观的实现”。这不是轻描淡写,因为暴胀看起来就像是向大爆炸模型添了点有价值的东西。有各种版本的暴胀,但其本质是这种理论提出了在宇宙最早的瞬间的一种快速扩张的阶段,这个阶段大约在10-35秒后结束。在这个暴胀时期,宇宙的体积大约每10-37秒扩大一倍,这意味着到这一阶段结束,宇宙体积大约倍增100倍。这听起来好像不是很多,但一个著名的寓言故事说明加倍的力量。
1700927720
1700927721
这则寓言讲述的是一位波斯大臣是怎样向他的苏丹讨米的。他希望能这样来给他米:在国际象棋棋盘的第一个方格内放一粒米,以后每个方格内放的米粒数加倍,即在第二个方格放2粒米,然后是4粒、8粒、16粒等等。苏丹同意了,认为最终的米粒数应该不会太多。但实际上他因此破产了,因为棋盘的最后一格将有9223372036854775808粒米。所有方格内的米粒数的总和将几乎是这个数的两倍,这远远超过了当今全球大米的年产量。
1700927722
1700927723
所以,暴胀将在瞬间使宇宙的体积大大扩充。在我们今天看到的较为舒缓的膨胀之前,尤其是在0.00000000000000000000000000000000001秒之前,暴胀将对宇宙的发展产生重大影响。主要是,新生儿宇宙的密度虽然只有微不足道的变化,但暴胀会放大这些微小变化,从而导致30万年后为天文学家所知晓的显著变化。这些变化,特别是高密度团块,随后又成为星系形成的种子。
1700927724
1700927725
暴胀的另一个后果是,暴胀前并不平坦的宇宙将成得非常平坦。台球的表面显然不是平的,但如果让它的体积反复倍增27次,那么它的体积将和地球一样大。地球仍具有弯曲的表面,但它的弯曲要比一个台球的小多了,按人的尺度看,它的外观看上去非常平坦。同样,暴胀宇宙也会给出平坦的印象,这就是天文学家今天看到的景象。
1700927726
1700927727
1700927728
1700927729
1700927730
1700927731
1700927732
1700927733
图103 在英国,COBE的发现占据了《独立报》1992年4月24日星期五报纸的头版。
1700927734
1700927735
文章预告宇宙微波背景辐射的变化是对宇宙的大爆炸模型的最终认可,并用黑体图解释了这个模型。
1700927736
1700927737
密度变化和平整度问题的解决还为解决另一个神秘的问题提供了潜在的可能性。当天文学家从相反的方向来比较他们的宇宙视角时,发现两个相距超过200亿光年的宇宙拼块之间似乎存在很强的相似性。宇宙学家原本以为宇宙在这个距离上应该发散得更厉害,但暴胀可以解释为什么不是这样。宇宙的两个部分在暴胀之前可能彼此非常接近,因此它们非常相似。后来,经过暴胀带来的梦幻般的膨胀后,他们突然被分开了一个相对大的距离,但它们仍然保留了其初始的相似性,因为分离发生得实在太快了。
1700927738
1700927739
古斯的暴胀理论依然处在讨论阶段,但许多宇宙学家认为,它将在适当的时候被纳入大爆炸模型。吉姆·皮布尔斯曾经说过:“如果暴胀是错的,那么上帝就错过了一个好把戏!暴胀是一个美妙的想法。不过,也有其他许多美妙的但大自然已决定不予采用的想法,所以,如果这是错的,我们也不必抱怨太多。”
1700927740
1700927741
让大爆炸宇宙学家们夜不能寐的另外一些东西就是暗物质。观测表明,在星系外围做轨道运动的恒星有巨大的速度,但靠近星系中心的所有恒星的引力不足以阻止这些外围恒星飞离星系。因此,宇宙学家认为,星系中必定存在大量的暗物质,即那种不发光但其引力足以让外围恒星保持在其轨道上运动的物质。虽然暗物质的概念可以追溯到20世纪30年代在威尔逊山上工作的弗里茨·兹维基,但宇宙学家仍无法确定其真实性质,而且相当尴尬的是,计算表明,宇宙中的暗物质要比普通的恒星物质更多。
1700927742
1700927743
暗物质的一些候选者是所谓的大质量致密晕天体(MACHO),其中包括黑洞、小行星和巨型类木行星。我们无法在一个星系里看到这样的对象,因为它们不发光,但它们都对一个星系内的引力有贡献。暗物质的其他候选者可用大质量弱相互作用粒子(WIMP)来概括,它们包括无法形成大质量致密晕天体的各种类型的粒子,但它们可能会渗透到整个宇宙,除了通过引力,它们几乎不表现出任何存在感。
1700927744
1700927745
到目前为止,我们对宇宙中暗物质的性质和数量只有模糊的线索,这令人非常沮丧,因为宇宙学家在修补大爆炸模型的一些漏洞之前需要对暗物质有全面的了解。例如,暗物质的引力作用可能会在宇宙的早期阶段吸引更多的普通物质,从而有助于在形成星系方面发挥主要作用。
1700927746
1700927747
而且,在时间线的另一端,暗物质可能对宇宙的最终命运起着决定性作用。宇宙自大爆炸之后一直不断在膨胀,但宇宙的所有质量会向内拉动物质,并使膨胀逐渐放缓。这将导致以下三种可能的未来,这个断言是由亚历山大·弗里德曼在20世纪20年代首次提出的。第一种可能,宇宙会一直膨胀下去,只是速率在不断下降;第二种可能,宇宙膨胀会逐渐减速到某个点戛然而止;第三种可能,宇宙膨胀会慢下来,停下来,然后开始收缩,就是我们现今所说的“大挤压”。因此,宇宙的未来取决于宇宙中的引力,而这又取决于宇宙的质量,而宇宙的质量又取决于宇宙中暗物质的量。
1700927748
1700927749
事实上,还有第四个潜在的未来值得认真考虑。20世纪90年代末,天文学家都将天文望远镜对准被称为Ⅰa型超新星的各个特定超新星上。这些超新星非常亮,因此即使它们的爆发是位于遥远的星系,但依然可以被观测到。Ⅰa型超新星还具有指示光变的特性,这种特性可被用来测量它们的距离,从而得到它们所在星系的距离。并且,通过利用其光谱,我们可以测量其退行速度。随着天文学家对Ia型超新星的研究越来越多,测量结果似乎在暗示,宇宙实际上是在以不断增大的速度膨胀。因此宇宙的扩张不是放缓,而是似乎在加快。宇宙看上去是要吹破了。这个让宇宙失控的排斥性推动力仍是一个谜,于是被贴上暗能量的标签。
1700927750
1700927751
鉴于暴胀的瞬间剧烈时期,奇特的暗物质和怪异的暗能量等概念,21世纪的新的大爆炸宇宙的确处在一种奇怪的位置上。看来,著名科学家J.B.S.霍尔丹真有深邃的先见之明,他在1937年写道:“我怀疑宇宙不但比我们假设的要古怪,而且比我们能假设的更古怪”。
1700927752
1700927753
彻底解决大爆炸遗留的奥秘需要在三个方面发起攻击,包括理论的进一步发展、实验室实验,以及最为重要的——对宇宙的更清晰的观察。例如,COBE卫星在1993年12月23日完成了它的科学使命,被装有更先进的探测器(如WMAP)的卫星所取代,其观测结果如图104所示。甚至更好的卫星也已经在设计中,并且在地球表面,将会有更敏锐的射电望远镜、更强大的光学望远镜和实验来寻找暗物质的迹象。
1700927754
1700927755
未来的观测将挑战、检验并发展大爆炸模型。它们可能会对宇宙年龄的估计进行修正,弱化宇宙中暗物质的影响,或填补我们的知识空白。但宇宙学家普遍认为,这些只会对大爆炸模型的整体方案作调整,而不是模式转变到一种全新的模型。大爆炸的先驱拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼在2001年出版的《大爆炸的萌芽》一书中就持有这一观点:“尽管关于宇宙学模型的许多问题仍没有答案,但大爆炸模型处于合理的健康状态下。我们确信,未来的理论和观测工作将主要是非常细微的微调,但我们无法预料,50年后,这个模型是否能被证明基本上是不充分的。再过50年后我们可以回头看看这一切是怎么过来的。”
1700927756
[
上一页 ]
[ :1.700927707e+09 ]
[
下一页 ]