不断膨胀的字宙

一、宇宙大爆炸说

对于现代宇宙学来说，宇宙大爆炸论是它的重要流派，它可以很到位地解释宇宙中的某些基本问题。尽管宇宙大爆炸理论在20世纪40年代才提出，但是20年代以来就开始萌芽了。在20年代的时候，不少天文学者都观测到一个现象，不少河外星系的光谱线和地球上同种元素的光谱线对比，都会有不同的波长变化，也就是红移现象。

在现实中，人们是依据什么推测出曾经可能有过宇宙大爆炸呢?这主要是依赖天文学的观测与研究。我们的太阳不过是银河系中一两千亿个恒星中的一个。而我们银河系同类的恒星系——不计其数的河外星系也有很多。在观测的过程中，我们发现了那些遥远的星系都在远离我们而去，距离我们越遥远的星系，飞离的速度就越快，所以就形成了现在膨胀的宇宙。

针对这个问题，人们开始思考，假如把这些向四面八方远离中的星系运动反过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是否在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢?以后，人们接着又观测到了布满宇宙的微波背景辐射，这说明大概在137亿年前宇宙大爆炸所产生的余波尽管是微弱的但的确是有的。这一发现对宇宙大爆炸论是个重要的支持。

直到1929年，美国的天文学家哈勃发表结论指出：星系谱线红移与星系和地球之间的距离成正比的规律。在他这一理论中指出：假如谱线红移是多普勒效应的结果，那么就表示河外星系都在离开我们向远方行走，并且距离我们越远的星系飞离的速度越快。总的来说，这就像是一幅宇宙膨胀的图像。

宇宙的形成说中，大爆炸理论是比较有影响力的，这一理论起源于20世纪20年代，在40年代得到补充和发展，不过始终都鲜为人知，40年代伽莫夫等人又郑重地提出了宇宙大爆炸理论。这个理论的观点是，宇宙在远古时期曾处于超高温和超密度的状态，人们将这个状态形象地称之为“原始火球”。

时间来到了1932年，勒梅特第一次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍苏联著名天体物理学家伽莫夫首次把广义相对论加入到宇宙理论中，他提出了热大爆炸宇宙学模型：最开始的时候，宇宙源自高温、高密度的原始物质，刚开始的温度甚至达到几十亿摄氏度，但随后温度开始持续下降，于是宇宙就开始膨胀。

前面所说的“原始火球”实际只是一个非常小的点，火球爆炸后，宇宙就持续膨胀，物质密度渐渐变稀，温度也逐渐降低，直到现在的状态。这一理论，能够说明河外天体的谱线红移现象，同时可能圆满地解释多数天体物理学问题。在20世纪50年代初期，人们才开始广泛关注这一理论。

到了60年代，科学家彭齐亚斯和威尔逊又找到了宇宙大爆炸理论的最新的证据，他们了解到了宇宙背景辐射，此后他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，并据此为宇宙大爆炸理论找到了关键的依据。两位科学家在测定银晕气体射电强度时，在大约7.35厘米波长处意外地探测到一个微波噪声，并且无论天线转到什么方向，无论白天黑夜、春夏秋冬，这种神秘的噪声都能保持稳定。它大约相当于3开尔文的黑体发出的辐射。这个意外发现使天文学家们格外激动，这跟他们的预料：当年宇宙大爆炸后，到现在一定会留下点什么，每一个阶段的平衡状态，都必须有一个相应的等效温度，作为时间前进的声响。这两位科学家最后也凭借这一点斩获1978年的诺贝尔物理学奖。

应该说，在科学家霍金身上，20世纪科学的智慧和毅力得到淋漓尽致的体现。他对于宇宙起源后10-43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释：宇宙的起源，最早是比原子更小的奇点，然后就是大爆炸。在大爆炸之后聚集的能量形成了一些基本粒子，这种粒子在强大能量的作用下，慢慢形成了宇宙中的各种物质。

至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。但是，现代的宇宙大爆炸理论依然缺乏大量实验的支持，并且我们还不知道宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

二、疯狂暴胀的宇宙

如果没有暴胀时期，我们所看到的宇宙中相对侧的区域就既没有时间来交换热量，也没有可能达到充分的平衡。这个迷人的快速暴胀带来的一个结果就是我们所观测到的区域只是整个宇宙极小的一部分。即我们只能观察到实际上是我们周围局部的一点变化，而这注定是非常有限的。用一个日常的比喻，我们知道地球从珠穆朗玛峰峰顶到最深的海沟的底部有很大的高度变化。暴胀的等价效果就是把你脚尖下的一小块地方扩展到整个地球这么大，或者等效地把我们缩小到比最小的病毒还小很多的地步，那么在我们能够到达和探索的范围里，高度的变化将是微乎其微的。对于宇宙中的温度起伏，暴胀也带来了同样的效果。

现在流行的理论在一定程度上增加了大爆炸理论的复杂度。大多数宇宙学家们现在相信曾有一个异常短暂的快速膨胀期暴胀期。在大爆炸后10-35秒到10-32秒，宇宙扩展了几十亿倍。在暴胀阶段的最后，膨胀回到了一个比较稳定的速度，和今天观测到的一致。

但是为什么在婴儿期宇宙膨胀速度会如此突然地急剧增加?看起来需要引入一种新型的力，它和引力起的作用相反，以造成这种巨大的加速。科学家已经开始研究这种力应该具备什么样的属性，但还没有得出明确的结论。就我们所知，暴胀发生前的宇宙环境并没有任何特别之处，故而这种加速力的突然出现和消失显得多少有些随意。但是它的存在确实使我们能够处理宇宙同谋的问题。

引入暴胀之后还能为我们解决哪些问题呢?暴胀还能解释我们今天观察到的宇宙中的另两种现象。没有暴胀，这两种现象根本不好解释。首先，根据粒子物理的标准理论，一种被称作“磁单极子”的粒子应该能够偶尔被探测到，但实际上，我们从未探测到磁单极子。这无疑需要某种解释。比如，为了辩论我们假设在大爆炸中产生了100万亿个这种粒子，那么我们会感到奇怪何以一个都没有被发现。但是如果同样数目的粒子散布在比暴胀之前大几十亿倍的宇宙中，那么在我们可观测的宇宙范围内找不到这种粒子就很有可能了。暴胀的力度是如此之大，就在它起作用的短暂时间里，它所产生的宇宙也比传统大爆炸理论所预计的大了不知道多少倍。暴胀为这些失踪的粒子提供了一个解释：它们被过度稀释了。

三、宇宙膨胀越大越冷

在第一个普朗克时间之后，微小而炽热的宇宙不可思议地开始膨胀，也开始逐渐冷却下来。宇宙是一个沸腾的夸克海洋，每个夸克携带着巨大的能量以极高的速度在运动，结果是当时没有我们现在看到的这些原子和分子的形态，因为这些复杂的结构是不可能抵御极高温度的分裂力的。夸克的能量太高，无法被捕获和限制在质子和中子内。事实上在宇宙的婴儿期，夸克可以自由飞驰直到与一个相邻的夸克相撞。除了夸克，这种早期的亚原子粒子的浆汁中还含有反夸克——除了带有相反的电荷，和夸克一模一样。现在人们相信每种粒子都有对应的反粒子，除了所带电荷不同外其他特性完全一致。电子对应的反物质粒子是正电子，带有正电荷，其他方面和电子相同。在科幻小说里反物质的概念很常见，它们是无数极为先进的星际飞船发动机的基础，所有这些都来自一个实验事实：当一个粒子和对应的反粒子相撞时，两个粒子都会湮灭，同时释放出巨大的能量。如果在原始宇宙中一个夸克与一个反夸克相遇，它们就会消失，同时发出辐射闪光。反之，足够高能的辐射(当然是在宇宙演化的早期阶段的能量水平)也可以同时产生一对粒子，包含粒子和它的反粒子。这个时期的宇宙充满了辐射，辐射产生粒子对，粒子又极快地在互相碰撞中湮灭，并把能量转移回背景辐射。

贯穿整个时期，宇宙持续地膨胀和冷却。经过第一个1微秒(相当于103个普朗克时间)，当温度降低到约10万亿摄氏度的临界值以下时，夸克的运动速度降低到能够被它们之间的相互引力(强力)所捕获的程度。三个一组夸克聚集到一起形成了我们熟悉的质子和中子，合称重子;而反夸克聚集成反质子和反中子，合称反重子。如果重子和反重子的数量是相等的，那么极有可能它们之间的碰撞会使得重子全部湮灭。而当宇宙膨胀时，辐射的能量被稀释，不再能够产生新的粒子，这样宇宙中的物质就不可能留存到现在。

仅仅由于从一开始就存在的一点微弱的不平衡挽救了物质，使得我们今天能够存在，使我们可以在这里思考很久以前发生过什么。出于我们至今尚未知晓的原因，每十亿个反重子会对应十亿零一个重子，所以在最初的混战结束后，几乎所有的反重子都消失了，残余的质子和中子形成了今天的原子核。

四、宇宙暴胀之后

经过暴胀之后，宇宙膨胀到了如此巨大的地步，我们所能观察到的宇宙仅仅是整体极其微小的一部分，所以只能够测量出它的局部性质。因此可以得出这样的结论，即我们看到的宇宙是平坦的。在这个巨大的宇宙中我们无法获知自己观测范围之外的几何学是什么样子的。不管在宇宙中可能存在多少种几何学，暴胀说明了为什么我们看到的宇宙是平坦的。

在暴胀之后，宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却。大爆炸后3秒，温度降低到约10亿开尔文。宇宙中3/4的物质是氢，其余几乎都是氦。氦原子有2个电子，环绕着由2个质子和2个中子组成的原子核。

大爆炸理论预言每有10个质子，即10个氢原子核，就会相应地产生1个氦原子核。现在氢和氦的比例依然是10比1。这可能是对大爆炸理论最为简明有力的验证。恒星将氢转化为氦，所以我们可以预料氦的比例会有所提高。如果我们在宇宙某处发现了一个孤立的物体，其中氦的含量比预计的低，那就必须开始彻底地重新考虑我们的理论，但到目前为止还没有发现这种情形。

所以我们是否相信大爆炸?它的主要竞争对手——稳恒态理论看上去已经寿终正寝了。现在，大爆炸占据了舞台。不可忘记，理论是难以证明的。我们只能够尽力使其与所有的已知事实相符，而带有暴胀的大爆炸理论看起来可以满足这个要求。但是，任何时候都有可能有新的发现，使我们看到原有理论的致命裂痕。不过在一个新的牛顿或者另一个爱因斯坦变出另一套更好的理论之前，我们还要和大爆炸待在一起。

五、大爆炸的回声

无论有意还是无意，很多读者都曾亲身感受过这种伴随大爆炸的“大火球”熄灭时的微弱回声。把电视天线拔掉或者调谐到没有频道的地方，你会看到黑白的天电干扰。这种干扰中的1%来自宇宙微波背景。在它最初发出137亿年后，仍能干扰你的电视图像。

电子捕获进程对于宇宙的温度极为敏感，一旦温度降低到上述临界值之下，捕获过程就以惊人的速度发生。由于暴胀的原因，宇宙温度在整个空间范围内几乎完全一样，这意味着这一过程几乎在整个宇宙内同时发生，其结果是光线可以不受阻碍地穿越宇宙，使我们在137亿年后仍然可以看到这幅我们宇宙演化的特殊时刻的快照。这种观察以前某个特定时刻的景象的能力是天文学所独有的。通常当我们试图观察比较遥远的宇宙区域时，视线会被邻近的星系所遮挡，它们发出的光线还是比较近期的。宇宙变得透明这个不可思议的事件现在可以不受遮挡地观测到，我们称之为宇宙微波背景，或CMB。

现在，这种微波辐射的频率等效为一个平均温度仅比绝对零度高2.7开尔文的发射机。如果这个辐射真是大爆炸的回声，那为什么会如此之冷?其原因很简单：这些辐射在发出时，宇宙的温度是3000摄氏度，在它传向我们的过程中，它所穿过的空间一直在膨胀，使得光的波长越来越长，于是表观温度越来越低。这是我们首次遇到的红移现象，它具有极端的重要性。

最初，辐射似乎是绝对均匀的，与方向无关。即使把我们自己的星系所发出的微波辐射造成的前景辉光减去，在宇宙微波背景上较亮的天区看上去也和其他部分几无二致。但我们今日看到的宇宙却是明显“结块”的。星系组成星系团，星系团又构成超星系团，而它们之间相隔甚大。这些地方正由诸如英澳2度视场巡天计划和斯隆(Sloan)巡天计划进行详尽的检查，而且已经延伸到距离地球10亿光年之遥的地方。无论从这些观测结果中我们绘制出怎样的宇宙画像，必须坚信的是它绝不是均匀的，所以很明显有什么地方搞错了。在看上去均匀的早期宇宙里，一定隐藏着生成我们今天看到的不均匀结构的原因。

宇宙微波背景的发现为大爆炸理论的若干预言提供了强有力的支持。例如，发出的辐射与一个黑体的特征相符合。黑体是一个假设能吸收所有进入它的辐射的物体，如果被加热，则它的辐射能谱中任意频率上的强度只取决于它的温度。在实际应用中，我们能够据此得知发射体的性质。例如，它应该与外界的影响相隔绝。在大爆炸和30万年后的透明期之间的那个炽热、高密度和不透明的宇宙正是这样的一个发射体。理论和观测结果之间符合得如此之好，在大多数数据曲线上，表示预测值的线宽要大于测量的不确定量。这在科学上是很少见的情况，在观测天文学中更是独一无二。

宇宙背景辐射是目前天体物理学最集中研究的对象，它还能告诉我们很多东西。它标志着宇宙中最早结构的景象。最近对于宇宙微波背景更为细致的研究揭示出小于万分之一摄氏度的温度起伏。这个差异很微小，但正是形成我们今天看到的周围结构的起因。通过温度来测量物质密度差异的想法听上去有些奇怪，却有充分的理由。就像宇宙背景探测(COBE)卫星显示的那样，在发出宇宙微波背景时的物质密度不是绝对均匀的。在比平均值更为密集的区域内，引力会吸引更多的物质，这种挤压会略微地加热这个区域，这就是我们去探测并测量到的温度起伏。

如果没有这些涨落来让引力发挥作用，那么从一个在产生宇宙微波背景时完全均匀的宇宙中形成现在看到的这种非均匀的、有疏有密的宇宙的历程就不可能完成。但是，空间中涨落的尺度也非常重要。在对宇宙微波背景的观测得到的全天图中可以看出，每个蓝色(略冷)和红色(略热)的区域大小是很相似的，平均起来是1度宽，就是满月视角的两倍。根据以上事实再经过缜密思考，宇宙学家们确定宇宙是平坦的。其理由是，我们的理论可以预言早期宇宙中涨落的实际物理尺寸，将期望值与实际值相比较，可以告诉我们光线自从源头发出后被弯折了多少，这取决于宇宙中物质的数量：物质越多，光线弯曲得越厉害。在封闭宇宙中，光线弯曲较显著，造成涨落区域看上去比预计的要大;而在开放的宇宙中，物质较少，所以涨落区域看上去会小不少。事实上，将仿真结果与实际情况比较后，科学家发现宇宙恰恰含有临界数量的物质，因而宇宙是平坦的。

这种讨论既让宇宙学家们兴奋也令他们沮丧。令他们兴奋的是，对微波背景的研究不仅可以告诉我们辐射发出的那个极早时刻的情况，还能揭示此后宇宙的整个历史。但要想对早期宇宙得出确切的结论，就必须排除后期各种因素的影响，而这是不容易做到的。

六、宇宙是平坦的吗

看似荒唐的暴胀观点的第三根支柱，可能也是说服力最强的——涉及宇宙的几何学。大多数人都熟悉我们在学校可能还有点不情愿学习的欧几里得几何学，我们被告知三角形内角和等于180度。但事情并不总是这样。比如画一条线，从北极出发沿格林尼治子午线到赤道，再沿赤道向东转过90度，最后沿子午线穿过俄罗斯回到北极完成一个三角形。那么我们就经过了2个90度的转角，90度+90度=180度，而我们还需要加上两条子午线之间的那个顶角。欧几里得几何学仅适用于平面。

而宇宙中的几何学是什么样的形式呢?事情可不是那么简单，因为我们面对的是一个四维空间(三个熟知的空间坐标，加上时间)，而非一个二维的表面。宇宙有无数种可能的几何学，而我们的宇宙似乎精心地选择了一个特殊的类型。观测表明，因为我们生活在一个平坦的宇宙中，所以，欧几里得几何学才得以成立。为什么事情会这样?要达到一个平坦的宇宙，宇宙中必须具有确切数量的物质，差异仅在几个原子之间。换句话说，要是我们的宇宙中少了或多了几个原子，那么它的几何特性就不会是平坦。

下面通过一个三维情形的类比来帮助我们理解四维空间。任何一个站在保龄球上的人，当他掉下来时马上就会意识到这是一个球面。那么对于一个很大的球，比如我们幸福地生活于其上的地球，又会怎样呢。即便不是一目了然，我们也很容易发现自己是站在一个曲面上。超出我们想象的是，远在古希腊时期人们就已经知道地球是个球体，他们甚至还成功地测量出了它的直径。现在想象我们正在一个比地球大上万亿倍的球面上，那么所有的实验都会显示这是一个真正的平面。球面的曲率小到根本测量不出来。出行的船只似乎永远也走不到地平线下。

重申一下，我们所掌握的观测事实，固然可以归因于支配大爆炸自身的早期物理学的某些特殊性质，而暴胀理论指出了另一条途径，并获得了更加令人满意的解释。它们之间的分歧在于暴胀能够得出一个比简单大爆炸大得多的宇宙。