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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。”
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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”。
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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。
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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。”
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1700927760 图104 WMAP(威尔金森微波各向异性探测器)卫星被设计用来测量探测宇宙微波背景辐射,其分辨率比COBE卫星高35倍。它的观测结果如本图所示,于2003年公布。菱形格式相当于图102所示的COBE图的投影。这幅图可以卷起来形成一个球面,球面的两侧也都在图中显示出来。你可以想象WMAP卫星在球的中心看着满天际的宇宙微波背景辐射的变化。
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1700927762 WMAP的数据允许对宇宙的各种参数进行比以往任何时候都更加准确的测量。WMAP团队估计,宇宙年龄为137亿年,误差在2亿年范围内。他们还计算出宇宙中暗物质占23%,暗能量占73%,普通物质仅占4%。而且,这种变化的大小与天文学家所期望看到的宇宙早期存在一个暴胀阶段是基本一致的。
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1700927764 虽然大多数宇宙学家会同意阿尔弗和赫尔曼的观点,但需要注意的是,大爆炸模型仍有一些坚定的批评者,他们仍然偏爱永恒宇宙的观念。当稳恒态模型变得不成立时,它的一些支持者转向了修正后的版本——准稳态模型。继续支持这些少数人的观点的宇宙学家们为他们挑战大爆炸的正统角色而感到非常自豪。事实上,弗雷德·霍伊尔在2001年是带着他的坚定信念——准稳态模型是正确的,而大爆炸模型是错误的——去世的。他在自传中写道:“然而,正像许多大爆炸宇宙学的支持者认为的那样,声称我们已接近正确理论的边缘,在我看来这无疑是一种傲慢。如果说我自己曾经陷入这样的陷阱,那么它也是一种短暂的傲慢,而且必然要遭到报应。”这种健康挑战是科学固有的一部分,应该得到鼓励。毕竟,大爆炸模型本身就是反对既有权威的结果。
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1700927766 霍伊尔对大爆炸模型的仇视可能因下述事实而复杂化:正是他的这个命名帮助公众加快对大爆炸概念的意识。“大爆炸”这个称呼被证明是对创生理论的既简短,又具有冲击力且令人难忘的概括,但它却是由这一理论的最大的批评者发明的。虽然一些宇宙学家喜欢“大爆炸”一词的小报基调,但另一些人却抱怨说它似乎不适合用来描述这一宏伟庄严的概念。甚至在1992年6月21日出版的比尔·沃特森的连环画里,卡通人物加尔文和霍布斯都指出了这个问题。加尔文对霍布斯说:“我一直在阅读有关宇宙开端的书。他们称它为’大爆炸’。科学家怎么会想象宇宙的所有物质都来自比针头还小的一个点的爆炸,这是不是很怪异?他们就不能拿出一个比’大爆炸’更令人回味的名字?这是科学的整个问题所在。要试图描述难以想象的奇迹,你得有一大批经验主义者。”加尔文接着提议将“可怕的太空KabIooie”作为替代的名称,这个称呼某些宇宙学家实际上已经使用了一段时间,有时它缩写为HSK。
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