宇宙的故事.docx

宇宙的故事几千年来，人类一直相信宇宙是永恒的。回溯到亘古，夜空中的群星或许早已存在了无限久，而它们也应该会像今夜那样一直闪耀下去，年复一年，直至永远。后来，人们又意识到了我们的地球，太阳，甚至太阳系所在的整个星系，都只是浩瀚星海中的一个普通岛屿而已。整个宇宙从最大的视角上看应该是非常均匀的我们所处的角落，应该和宇宙中每一个遥远的角落异常地相似，这就是所谓的哥白尼原理（Copernican Principle）。这样，环绕我们的宇宙不仅在时间上无限，在空间上也是无垠的。然而到了20世纪初，当Einstein试图运用他的广义相对论方程来描述这样一个静态的宇宙时，却碰到了一个问题。当时，Einstein已经理解了物体之间的万有引力其实是物体的质量弯曲周围时空的几何体现。如果向一个静态的均匀宇宙加入星系，恒星，星际气体等等之类的物质，它们就会相互吸引，导致空间必需收缩。这样一来，宇宙无法在时间上永恒地存在下去。于是，无奈的他在方程里添加了人为的一项一个“宇宙学常数”（the cosmological constant）。这一项引入了充满空间的奇怪的“负压强”，平衡了物质之间的吸引。可是没过了多久，天文学家Hubble在他的望远镜里惊讶地发现宇宙并不是静态的。通过测量来自遥远星系星光的向红端移动的红移（redshift）效应，他发现所有的星系仿佛都在离我们远去。更奇怪的是，距离我们越远的星系，它们的退行速度就成比例地越大。一个很自然的解释就是，整个宇宙的空间在不断地膨胀，正如被吹大的气球膜上的任何两点，它们间的距离不停地在变大。至于物质之间的吸引，则暂时只能减缓这样的膨胀，因为这种趋势具有巨大的惯性。一个动态的宇宙是革命性的观念，以至于Einstein后悔他引入宇宙学常数是他“一生最大的错误”。膨胀的宇宙带给人们两个启示。首先，如果回溯过去，宇宙会比今天要小得多，星系之间曾经彼此靠得很近。宇宙在过去物质分布的密度也会比今天要大，相应地也要比今天热得多。以远小于光速运动的重的物质，简称为物质（matter），它们的能量密度会随时间按照空间体积的反比被稀释。而另一类以光为代表的物质，统称为辐射（radiation），则以光速运动，它们的数量不仅会随着空间膨胀被稀释，它们的波长还相应地被拉长，从而能量变得越来越小。最终，它们的能量密度随时间按照体积4/3次方的反比减小。这样，即使今天宇宙中辐射的量相比于物质来说微不足道，在足够早的过去它却会占主导地位。另一个启示甚至更加重要宇宙的年龄是有限的。回溯过去足够久之后，空间变成了无限小，密度无限大，而温度则会无限高。在这样一个极端的“开端”，已知的物理定律似乎都崩溃了。而另一方面，星系、恒星、行星，直至今天宇宙中一切的复杂结构，都要在自开端以来这一百多亿年中形成，不能慢也不能快。此外，任何一个粒子，哪怕它以光速运动，在这有限的时间内也只能在这个膨胀的“气球”宇宙中移动有限的距离。于是，膨胀的宇宙中存在着视界（horizon），事物之间可能发生因果联系的空间界限我们看不到离我们足够远地方的景象，同时足够远地方发生的物理过程也从来不能影响我们所在附近的事物。这样的膨胀宇宙模型被称为大爆炸模型（the Big Bang theory）,但是这里“大爆炸”并不是重点，因为已知的物理规律并不能帮助人们理解那个奇性的“开端”，重要的则是这个模型系统地预言了随后膨胀并冷却的过程中发生的重要物理过程。除了遥远天体系统性地退行之外，有两个被观测所证实的重要预言让人们大体上接受了膨胀宇宙的图景。一个叫做大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis）。在“开端”之后仅三分钟的时候，宇宙中充满了炽热的辐射，以至于组成各种原子核的基本要素，质子（氢核）和中子（统称核子），都还在自由地运动于这锅“热汤”之中。当温度降低到一个临界点时，无序的热运动不再能抗拒核子之间强大的吸引，它们开始束缚到一起。于是，随着一系列链式反应的启动，质子和中子合并形成最轻的一些原子核氘，氦，锂，氚，铍 . . 一个接着一个。自由的中子只有平均15分钟的寿命就会衰变，因此这最初的三分钟时间是如此地重要，因为中子必须要及时结合到原子核中才能幸免下来。如果自由中子的寿命再短一些，我们就只能得到一个全部是氢元素的单调的宇宙，恒星无法被点燃，生命也无从形成。大爆炸核合成精确地预言了宇宙中3/4的元素是氢，剩下几乎1/4的元素是氦，而所有其他的元素含量甚微。少量的轻元素在大爆炸核合成时期形成，到铁为止的元素则在宇宙后期的恒星热核反应中形成。而大量更重的元素，则全部在剧烈的超新星爆炸瞬间被合成出来说我们都是星尘并不为过。这些定量预言的大部分和观测到的元素丰度令人惊叹地吻合！第二个重要的预言是宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background），它后来被射电天文学家在实验中很偶然地发现了。当年轻的宇宙达到30万年的时候，温度仍然比较高，所以电子还不能被质子捕获形成中性的氢原子。宇宙中还存在着大量的辐射，即电磁波，或者日常所说的光。在这样一个电离的环境中，光并不能自由地沿直线传播，它们不断地与带电粒子碰撞、折射与反弹。换句话说，这时的宇宙不是透明的如果我们设想处在当时的宇宙中，则我们会被炽热的光亮包围，而看不清远处的任何物体。就在这时，随着膨胀宇宙的进一步冷却，另一个临界点达到了。疲软的热运动不再能阻止电子和质子束缚成中性氢，而宇宙对光变成透明了。这一关键事件被称为复合（recombination）。于是宇宙开始30万年的光得以在空间中自由穿行，携带古老的信息到达从未到达过的远方。而今天的人们也得以观察到这团宇宙之初的余辉。由于宇宙的膨胀，今天这团余辉中的光的波长已经被拉长到了微波波段，而不为人眼所见，温度也相应地降到绝对温度2.7K。然而，今天这些微波还在从四面八方不断地以几乎相同的强度到达我们所在。微波背景辐射和大爆炸核合成一起，成为了膨胀宇宙的最有力的实验证据。大爆炸宇宙学模型远没有就此胜利。膨胀宇宙观存在着大量疑难。在观测上，人们有出乎意料的发现：宇宙中存在数目巨大的看不见的物质。人们发现像我们的银河系这样的星系外围的星体以反常高的速度在运动，似乎它们是在被一个巨大的、不能被发光可见物质总量所解释的质量所吸引着。当来自遥远星系的星光传播到我们眼前时，人们发现它们被横在中间的难以解释的巨大质量分布所扭曲这是所谓的弱引力透镜效应（weak gravitational lensing）。此外，人们还发现许多星系团中的成员星系也在以高速运动，星系团中发光的物质总量似乎完全不足以把它们吸引住不让它们四处飞散。种种证据让人们相信宇宙中存在着总量达可见物质5倍的暗物质（dark matter），它们主宰着宇宙中物质结构的演化。似乎我们的银河系，以及其他所有的河外星系，都被巨大的暗物质晕所包围在夜空中最近最亮的星系也只是暗淡的小斑点，但倘若我们可以看见它们周围巨大的暗物质晕，或许夜空就会像梵高的星夜那样灿烂。今天人们相信，这些看不见的暗物质是由一种重粒子所组成，但这种粒子和组成可见物质的核子、电子和光子几乎没有任何相互作用它们像幽灵一样穿梭在我们的四周，来去无阻。黑暗的宇宙中还有着比暗物质更加奇异的东西：暗能量（Dark Energy）的存在，在最近又被天文观测所证实。超新星爆发是宇宙中剧烈的灾变事件，一类超新星发出的光亮几乎恒定，所以当它们看上去更暗时，我们就知道它们更遥远。天文学家利用这样的“标准烛光”来丈量宇宙的大小，特别是宇宙最近的膨胀历史。他们惊讶地发现宇宙在近期膨胀开始加速。由于传统的物质，包括暗物质和辐射，由于它们的引力作用，都只能使宇宙膨胀减缓，这意味宇宙中必定还存在着性质非常奇特的“暗能量”它具有负的压强，从而起到一种有效的排斥作用。还记得Einstein“一生最大的错误”吗？有趣的是，宇宙学常数正是“暗能量”的一种可能解释，Einstein抛弃了它，但是今天它又回来了！直到今天为止，人们还不知道暗物质和暗能量到底是什么。不过暂时，让我们撇下这些宇宙的黑暗成分，来看看膨胀宇宙模型另外一些更加微妙的困难。首先是关于空间几何性质的问题。从数学上讲，一个空间上均匀的宇宙可以是三种不同情况之一：宇宙可以是平坦的，就如我们日常所感知的那样；宇宙可以具有正曲率，就像一个球面，上面的两条“直线”延长后总会再次相交；或者，宇宙还可以具有负曲率，就像一个马鞍面，上面的两条“平行的直线“却可以越离越远。知晓我们的宇宙属于那一种情形并不是想象的那般容易，这需要在天文学的巨大尺度上做几何测量。实际上，知道一个遥远天体到我们的准确距离是很困难的，因而在很长的时间里，人们不知道宇宙的曲率是正是负。后来，随着天文学观测精度的提高，人们发现宇宙的曲率既不是正也不是负，而是平坦的。乍看起来，平坦的宇宙似乎最为自然，然而在一个动态的膨胀模型中，确保宇宙今天基本平坦却需要宇宙在”开端“极端地平坦。这种对于初始条件的病态敏感性始终让严肃的理论家觉得不太舒服。对于初条件的敏感性还体现在另外的方面。其一是宇宙大尺度结构（large scale structure）的演化。从行星系统，恒星和恒星团，再到单个的星系，我们把眼光放到宇宙中越来越大的尺度，最终到达由近千个星系组成的星系团，这是今天宇宙中最巨大的被引力束缚住的系统。但在更大的尺度上（也就是哥白尼原理开始成立的尺度上），宇宙仍然呈现出上图（来自Sloan数字巡天）类似蛛网的结构，其中的每一个像素点都是一个星系，这种网状的结构被称为cosmic web。这样的大尺度结构正是物质在引力作用下聚团坍缩的结果。利用计算机模拟的手段，人们可以还原出这样的结构长大的全过程，如下图所示，从左至右，大尺度结构随时间在长大，即物质从初始比较均匀的状态演化成越来越集中于这张宇宙之网的蛛丝和节点的位置。现在的问题是，在初始的时刻（最左图），我们需要一个初条件宇宙开始时物质分布不能是完全均匀的，否则今天看到的这种不均匀的结构就无从解释。在微波背景辐射中，人们发现了这种初条件类似的印记。下图是最近Planck卫星测量的令人惊叹的全天微波温度各向异性，其中红点和蓝点在天空中看上去大约有一度大小，它们所代表的冷热差异极其细微，大约只有十万分之一的差别。这种微小的涨落独立地佐证了宇宙开端需要一个不均匀的初条件。与大尺度结构反映今天的物质分布截然不同的是，这是一张宇宙30万年时的照片微波背景辐射反映了那时宇宙中辐射的分布。人们发现这样的初条件需要细致地选取如果初始的不均匀性太大，则今天的宇宙在大尺度上看就不可能显得那么均匀；反之若太小，考虑宇宙的年龄是固定的，则宇宙今天将过于均匀，星系等结构还尚未形成。关于这个初条件还有一个奇怪的地方：前面我们提到了有限的宇宙年龄意味着存在视界，当我们盯着全天微波背景辐射的任意两片不同区域看时，它们在宇宙30万年时相隔的距离比那时的视界大得多，也即不可能有因果的物理过程可以联系这两片区域。但是观测无疑地告诉我们它们的温度差异只有十万分之一！总结说来，我们看到的宇宙需要一个特别的初条件：极度地平坦，几乎但又不完全均匀，然后还似乎是非因果的！这是为什么呢？理论物理学家给这个问题找了一个疯狂的解释：暴涨（inflation）。后来他们发现，这个解释其实不那么疯狂，而且很可能是对的。他们设想，在宇宙刚诞生的时候，可能距开端仅仅10的负12次方秒，宇宙经历了一个指数膨胀的过程，空间涨大了至少10的20次方倍。这个指数膨胀过程，很可能由另一种像暗能量这样的物质状态所引起。这样一来，我们今天觉得天空中因果独立的两片区域，在暴涨之前仅仅相距微观长的距离它们其实是因果相连的。另外，无论暴涨之间宇宙有多么弯曲，在暴涨之后我们所看到的宇宙范围自然会是异常平坦的。这正好比地球如此巨大，从而站在她表面的我们难以感知其弧度。暴涨满意地解释了今天宇宙的平坦和看似非因果的总体上的均匀性，但暴涨还能解释更多，它能解释宇宙初始的微小起伏！这是因为真空存在着量子涨落，在微观的尺度上，真空呈现出一种极大的不确定性，如同下图显示的时空泡沫一般。如果空间没有在飞速膨胀，这种量子涨落并不能为我们所察觉。但在暴涨时期，这些涨落在很短的时间内被拉大到比视界还要大，从而被固定下来。理论家的严格计算表明，这些量子涨落完美地提供了暴涨结束之后宇宙中的微小不均匀性，暴涨的预言和今天所有的宇宙学观测所吻合，即暴涨提供的初条件定量地解释了今天看到的微波背景辐射中的冷热起伏和大尺度上的物质分布的网状结构；换句话说，追溯到最初，量子涨落是今天宇宙中无限复杂结构的“种子”。如果你凝望今天夜空中的繁星点点，再想到它们事实上都起源于微小的量子涨落，这一切都显得那么不可思议！世界的量子本性，一种与我们的日常经验格格不入的本性，以这样一种奇怪的方式创造了我们的世界。当故事讲到这里时，我们已经站在了今天的位置上人们对于宇宙演化历史的主要理解， 就仅限于以上的全部，不多也不少。人们依然不理解暗物质和暗能量，也完全不知道什么触发了暴涨。这些问题在不久的将来也许会有一个答案。现在我们不妨设想让时间从头来过，去回顾宇宙历史上的那些重要时刻：在宇宙开端的时候，今天我们所熟悉的物质可能都并不存在，只有真空中那捉摸不定的量子涨落。然而，因为某种原因暴涨发生了，而这些微观的量子涨落在短时间内变成了宇宙中宏观的不均匀性。这不均匀性虽然微小，但是却奠定了宇宙之后物质结构演化的开始。暴涨结束之时，能量被转化成了各种基本粒子。高密度的宇宙中充满着炽热的辐射。这一阶段持续了远不到一秒，但已知全部的W,Z玻色子，胶子，以及各种夸克和轻子，甚至最近才证实的Higgs玻色子还有暗物质粒子，都在这锅“热汤”中大量存在过。但宇宙持续的膨胀冷却着这锅“热汤”，重的粒子纷纷退出热平衡及湮灭，在今天不留下一丝痕迹。在宇宙三分钟的时候，中子通过于质子结合幸免于衰变，产生了一系列最轻