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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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次年,《天空和望远镜》杂志发起了一次取代大爆炸标签的竞赛,但由卡尔·萨根、休·唐斯和蒂莫西·费里斯组成的令人尊敬的评审团对所有参赛词条没有一条有深刻印象。提出的新名称建议包括“哈勃泡泡”、“贝莎D.宇宙”和“SAGAN”(“科学家敬畏上帝的可怕的自然”),等等。他们的结论是:来自41个国家的13099条建议词条没有一条能比霍伊尔原创的“大爆炸”标签更到位。
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这好像证明了一个事实,即大爆炸模型现在已经是我们文化的一部分。在大爆炸作为解释宇宙的创生、发展和历史的模型的发展过程中,整整一代人已经成长起来,我们无法想象这个理论还可以有其他名称。
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甚至连教会也变得喜爱大爆炸模型。自从教宗庇护十二世赞同大爆炸学说后,天主教会在很大程度上容忍了创生这一科学观点。它不再为经文给出的关于宇宙的字面解释寻找任何借口。这被证明其态度有了非常务实的变化。过去,在宇宙所有奥秘的背后都有上帝之手在指导,从火山喷发到太阳的设置,但科学逐个为这些现象提供了理性的和自然的解释。化学家查尔斯·库尔森曾创造了“空白的上帝”这个术语用来指称那个负责说明我们尚无法理解的一切事物的上帝。随着每项知识空白被科学填补,这个上帝的权力正逐渐减弱。但是现在,天主教会集中负责精神世界的引导,而将自然世界的解释工作留给了科学,这意味着科学在知识领域仍能够安全地提供指导,未来的任何科学发现都不能削弱上帝的地位。科学与宗教可以并排相互独立地生活下去。
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1988年,仿佛是为了加强这种独立性,教宗约翰·保罗二世宣布:“基督教的正当性有其自身的内在起源,不指望科学构成其主要的辩护。”随后,在1992年,梵蒂冈甚至承认,它过去对伽利略的迫害是错误的。崇尚太阳中心的宇宙观一度被认为是异端邪说,因为根据圣经:“上帝固定地球作为其基础,它永远不变动。”不过,经过持续13年的调查后,红衣主教普帕德(Poupard)报告称,在审判伽利略的时候,神学家“在描述宇宙的物理结构时,未能把握圣经深刻的非字面的意思。”1999年,教皇通过走访他的波兰家园,并参观了尼古拉·哥白尼的出生地,专门称赞了哥白尼的科学成就等一系列举动,象征性地结束了宗教与宇宙学之间持续了几个世纪的冲突。
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也许是受到教会新确立的宽容政策的鼓舞,一些宇宙学家已决定深入探讨大爆炸模型的哲学意蕴。例如,这个模型描述了宇宙是如何从一锅炽热致密的原始汤开始,然后逐步演变出纷繁的星系、恒星、行星和今天存在的生命形式的——这是不可避免的吗,或者说,宇宙可以有不同的形态吗?皇家天文学家马丁·里斯在他的《仅此6个数》一书中探讨了这个问题。他在书中解释了为什么宇宙的结构最终只取决于诸如引力的强度这样的6个参数。科学家可以测量每个参数的值,这些参数形同于6个数字。里斯想知道,如果宇宙在创生时这些数字取其他的值,事情可能会有怎样的不同。例如,如果引力的数值大一点,那么引力会强得多,这将导致恒星更快地形成。
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有个数字,里斯标以ε,反映的是强的核力,就是将原子核内质子和中子胶合在一起的那种力。ε的值越大,胶粘性越强。测量结果表明,ε=0.007。这实在是幸运得令人难以置信,因为如果它取不同的值,那么后果将是灾难性的。例如取ε=0.006,那么这种核胶水就会略显绵软,这样就不可能使氢聚变成氘,而这是形成氦和所有重元素的第一步。事实上,如果ε=0.006,那么整个宇宙将只有平淡的氢,因此也就没有任何机会构成生命。相反,如果ε=0.008,核胶水就会较强,氢就会过于容易转变成氘和氦——以至于所有的氢都将在大爆炸的早期阶段就已经消失,没什么能够剩下充作恒星的燃料。这同样绝对没有形成生命的机会。
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里斯还检查了规定我们的宇宙的其他5个数字,并解释了它们中任何一个的数值的改变将如何严重地影响到宇宙的演化。事实上,这5个数中的一些数对数值的变化比ε更敏感。如果它们取略微不同于我们测量值的数值,那么宇宙很容易在孕育时就夭折了,或者它一诞生便自我毁灭。
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因此,这6个数似乎早就被调整到适于生命的出现。就好像这6个号码决定了宇宙的演化,这种演化经过精心设置,目的就是为我们的存在创造必要的条件。杰出的物理学家弗里曼·戴森写道:“我越研究宇宙及其架构的细节,越是有更多的证据让我觉得,在某种意义上,宇宙想必知道我们的到来。”
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这一点可以追溯到第5章中提到的人存原理。这条原理是弗雷德·霍伊尔在解释恒星中的碳如何生成时提出的。人存原理指出,任何宇宙学理论必须考虑到一个事实,即宇宙已经演化到包含我们。这意味着,这一事实应当是宇宙学研究的一个重要因素。
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