人類是如此這番去破解宇宙之謎的!
人類是如此這番去破解宇宙之謎的!
宇宙，是物理學和天文學最大的研究對象，是我們這個物質世界的整體，了解甚至弄清它的性質、結構和演化規(guī)律，一直是人類的夢想。時至今日，宇宙學已經(jīng)成為了一門精確科學，它差不多達到了半個世紀之前粒子物理在人們心目中的地位。正是半個世紀以前，粒子物理領域新現(xiàn)象不斷出現(xiàn)、新粒子不斷被發(fā)現(xiàn)，新的發(fā)現(xiàn)觸動了物理學的基本問題，促使宇宙學發(fā)生了一個重大的飛躍。宇宙學曾經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，歸納有下述十個重大過程與發(fā)現(xiàn)。
第一大發(fā)現(xiàn)過程：恒星、星系和星系團的發(fā)現(xiàn)
古代人類對宇宙的認識是極為膚淺的。古希臘的亞里士多德、托勒密等人建立的宇宙模型是以地球為中心的(簡稱地心說)。直到約500年前，波蘭的哥白尼提出了以太陽為中心的日心說，才推翻了至少統(tǒng)治了1800多年的地心說。這一步極其艱難，哥白尼的著作《天體運行論》直到他臨終之前才得以出版面世；意大利的伽利略因為支持哥白尼的觀點而被羅馬宗教裁判所囚禁；支持并發(fā)展哥白尼觀點的布魯諾更被燒死在羅馬的鮮花廣場。布魯諾進一步提出，宇宙中還有許許多多的太陽。
太陽與地球之間的距離約有1.5億千米，相當于光走8.3分鐘的路程。比如牛郎星，離我們的距離約有16光年(即光走16年的距離)；織女星，約有27光年。除太陽以外，離我們最近的恒星，叫比鄰星，距離約為4.3光年。
我們這個太陽系實際上是處在一個呈盤狀分布的恒星系統(tǒng)內，離盤中心較遠，約有2萬6千光年。這個恒星系統(tǒng)就是銀河系，它包含有一千多億顆恒星。
其實，銀河系外面還有許許多多類似銀河系的恒星系統(tǒng)(稱之為星系)。銀河系是我們這個地球所在的星系的特別名稱。銀河系外，最靠近我們的星系是大麥哲倫云和小麥哲倫云，它們離我們的距離約為16萬光年。我們現(xiàn)在所能觀測到的距離已到百億光年的尺度。
由此我們可以總結出一個原理，稱作“宇宙學原理”——從大尺度來看，宇宙物質的分布是各向同性的、均勻的；宇宙既沒有中心，也沒有邊緣；觀測者從宇宙任何一個地方來看，宇宙的性質、運動和規(guī)律都是完全一樣的。
第二大發(fā)現(xiàn)過程：萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)
萬有引力是牛頓在開普勒(Johannes Kepler，1571年～1630年)對行星運動研究成果的基礎上總結得到的。現(xiàn)在我們知道，世界上一共只有4種基本力，即強作用、電磁作用、弱作用和萬有引力作用。強作用和弱作用都是短程力，只有在微觀世界中才有明顯的作用，它們的力程只有10-13厘米甚至更短。電磁作用和萬有引力作用的強度與距離的平方成反比，兩個物體之間的距離越大，相互作用的力也越弱。但它們都是長程力，而在宇宙中，距離增大，物體也增多，大尺度上總的作用強度是不能忽略的。
因此，它們可以在宏觀世界甚至宇觀世界中起作用。電磁作用的強度比萬有引力作用強很多，比如兩個質子之間的電磁作用要比它們之間的萬有引力作用強1萬億億億億(1036)倍。但是，電荷有正、有負，從大尺度范圍來看，正負電荷相消，電磁作用已基本上抵消掉了。所以，從宇宙大尺度來看，實際上只有萬有引力才占絕對的支配地位。300多年前，牛頓(I. Newton)發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律為宇宙學的研究鋪設了第二塊里程碑。
第三大發(fā)現(xiàn)過程：廣義相對論的創(chuàng)建
宇宙學作為一門科學，是研究這個整體的性質、結構、運動和演化規(guī)律的學問。也必須建立在觀測事實的基礎上，并且形成一個系統(tǒng)的邏輯體系。如果宇宙是有限的，按照牛頓的時空觀，它應當占有一個有限的空間。這樣一個宇宙，必然有一個中心，也有一個邊界。既然有邊界，那么，邊界之外又是什么？邊界之內還是個整體嗎？既然有中心，那么，在萬有引力作用的支配下，周圍物質就會掉向中心附近，物質分布就不會均勻，就無法解釋觀測支持的“宇宙學原理”。不論宇宙有限還是無限，牛頓力學和牛頓時空觀均不能作為研究宇宙的一個正確的科學框架。
如果宇宙是無限的，甚至無法解釋“夜里為什么天那么黑”。夜里太陽雖在反面，但還是可以看到許多恒星，太陽也是一顆恒星，只是與其它恒星遠近不同。按一顆恒星來講，因為亮度與距離平方成反比，遠的恒星自然看起來暗，但是，遠處的恒星數(shù)目要多得多，所有星提供的總亮度未必低。特別是，按照宇宙學原理，如果考慮同一距離上的恒星，那么，一個星的亮度與距離平方成反比，而同一距離上的總星數(shù)卻與距離平方成正比，正比、反比正好相消。因此，每個距離上所有星提供的總亮度是與距離無關的。如果宇宙無限，按照牛頓的時空觀，所有距離上的星加起來，亮度應是無限的。夜里天黑的事實與牛頓框架下的宇宙無限相沖突，這就是著名的奧伯斯悖論——亮度與距離的反平方關系。萬有引力也有反平方關系，于是出現(xiàn)類似的希立格悖論——如果宇宙中任何一個天體都會對某一物體產(chǎn)生萬有引力作用，如果宇宙無限，那么任何方向上的總作用力都是無限大的，這與事實也不相符。
1915年，愛因斯坦(A. Einstein)發(fā)表了廣義相對論，對萬有引力理論作出了劃時代的變革。牛頓把萬有引力看作兩個物體之間的超距作用。在愛因斯坦看來，一個物體受另一個物體的萬有引力作用而運動，是因為另一個物體由于其質量而改變了周圍的空間，使空間彎曲，而這個物體由于處在彎曲空間中才導致了運動。因此，在廣義相對論看來，其實沒有力，運動只是由于空間彎曲。兩年以后，在1917年，愛因斯坦將廣義相對論用來研究宇宙，為現(xiàn)代宇宙學提供了正確的研究框架。
那個時候的傳統(tǒng)觀點是認為宇宙是靜止的。但是，愛因斯坦在他的廣義相對論引力場方程中卻找不到靜態(tài)的解。道理很簡單，因為愛因斯坦的引力場方程也只有引力，沒有斥力，在這個情況下是不可能有靜態(tài)解的。為了得到靜態(tài)解，愛因斯坦在他的方程中人為地加進了一個具有等效斥力作用的宇宙常數(shù)(記作Λ)項，以抗衡引力，從而獲得了一個有限而無邊，也沒有中心的均勻的靜態(tài)宇宙解。這是第一個具有現(xiàn)代科學意義的宇宙學解，稱為愛因斯坦靜態(tài)宇宙模型。
愛因斯坦模型有個缺點——不穩(wěn)定。即使愛因斯坦得到了一個在某個時刻處于靜止狀態(tài)的宇宙，它也經(jīng)不起擾動。設想某個時刻宇宙有一個擾動，使它稍微膨脹了一點兒，那么，它的所有天體與天體之間的距離就略有增大，導致萬有引力減小而更有利于膨脹；如果使它稍微收縮了一點兒，那么，它的所有天體之間的距離就略有減小，導致萬有引力增大而更有利于收縮，因而不可能保持靜止狀態(tài)。為了解決這個問題，1922年，弗利德曼(A. Friedmann)放棄了愛因斯坦的靜態(tài)假設，考慮一個動態(tài)的宇宙。假設宇宙原本就處在膨脹狀態(tài)或者收縮狀態(tài)，這時就沒有靜態(tài)宇宙的那種不穩(wěn)定性。宇宙究竟在膨脹還是在收縮，得由觀測來確定。
第四大發(fā)現(xiàn)過程：宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)
1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)紅移現(xiàn)象，給我們提供了一個利用測量紅移來確定遙遠星系離我們的距離的有效方法。遠處星系的每一條光譜譜線的波長都比實驗室內測得的同一條譜線的標準波長要長，即光顯得偏紅了，而且這種波長變長的程度(指波長增長量與標準波長之比，稱作紅移)正比于星系離我們的距離。紅移表示的是星系在離我們遠去，而且，愈遠的星系離我們而去的退行速度愈大。哈勃非常敏銳地指出，“愈遠的星系離我們而去的退行速度愈大”正好表現(xiàn)了宇宙正在膨脹。宇宙膨脹并不是只指各個星系在離我們而遠去。這種膨脹在宇宙各處都是一樣的，各處的星系都在均勻地相互遠去。
雖然哈勃的發(fā)現(xiàn)仍然沒有確定宇宙在空間上究竟有限還是無限，但卻可以確定在時間上是有限的，即宇宙有個誕生的時刻。假定宇宙膨脹是等速的，我們就可以按此速度倒算回去，總有一天宇宙會收縮到密度、溫度都是無窮大的狀態(tài)，那就是宇宙誕生的時刻。有了生日，就可以求出每個時期的年齡，通常把這樣求得的宇宙年齡稱為“哈勃年齡”。 當然，宇宙膨脹不可能是等速的。由于膨脹會使星系與星系之間的距離增大，而萬有引力使星系與星系之間相互拉住，它對膨脹起阻力作用，因此宇宙的膨脹只能是減速的。就是說，倒算回去時，宇宙將越來越快地收縮到起點。
哈勃的發(fā)現(xiàn)表明，宇宙是從高溫、高密我們所能觀測到的最大距離究竟有多大呢？下面將會看到，今天的宇宙年齡約為137億年。那么，宇宙剛誕生時發(fā)出的光，到今天應當走了約137億光年。這是不是說，我們所能觀測到的最大距離就是137億光年呢？不是的。在這期間，宇宙還在不斷膨脹，我們所能觀測到的最大距離應當比這大得多。可以估算出，這個最大距離達400多億光年。
第五大發(fā)現(xiàn)過程：大爆炸宇宙學的提出與檢驗
大爆炸的含意實際上就是“膨脹”二字。物質與空間不可分，它們一起膨脹，并非是從高溫高密的一個點向四面八方爆炸開來。這里，宇宙仍然可以有限，也可以無限，視宇宙平均物質密度大小而定。當宇宙平均密度大于某個值(稱臨界密度),宇宙就是封閉的有限的；小于那個值，就是開放的無限的；而恰好等于那個值，宇宙就是平直的。臨界密度可以從哈勃常數(shù)計算出來，今天的宇宙臨界密度大體相當于每立方米內只有約5個質子。
氫占宇宙總質量的四分之三，氦4占四分之一，而所有其它元素質量的總和只占不足1%。在宇宙早期很高的溫度下，氫原子中的質子和中子固然可以復合成氘核并放出一個光子，但很高能量的光子碰撞氘核也會使它又分裂為質子和中子。只要供給2.2兆電子伏特以上的能量，就可將氘核分裂為質子和中子。由于宇宙早期的光子數(shù)密度比質子、中子數(shù)密度要高幾十億倍，氘核是積累不起來的。但當宇宙膨脹降溫到約109K時(相當于宇宙年齡為3分鐘)，光子的平均能量就降低到約為100千電子伏特，這時能使氘核分解為質子、中子的高能光子已經(jīng)為數(shù)不多，氘核就可以顯著地積累起來，并進一步反應生成氦4，核合成過程便可快速進行。核合成產(chǎn)生的輕核素中有四種是穩(wěn)定的，即氦4、氘(即氫2)、氦3、鋰7，而氚(即氫3)和鈹7是放射性的，它們最終會衰變成氦3和鋰7。4種輕核素豐度的觀測值均與理論計算值相符合，盡管豐度跨越了9個量級。
原初氦4是在宇宙年齡只有3分鐘時形成的，而氦4又是宇宙間豐度極高，僅次于氕(即氫1)的第二號核素，在宇宙演化中有非凡的重要意義。要知道，自由中子的壽命只有一刻鐘，如果中子不能在遠短于一刻鐘的時間內成功躲進氦4而成為穩(wěn)定中子，世界上將不再有中子，氫以外的所有其它一切元素均無法形成。可見，理論算出來的“3分鐘年齡”和“四分之一豐度”這兩個數(shù)字是多么的重要，也多么的合理。正是這兩個數(shù)字，保證了宇宙演化過程中有氦4為我們的宇宙保存了足夠多的中子可以利用。元素周期表中除氕和那四個原初輕核素以外的各種元素就是在以后的恒星過程中由質子和氦4中的中子通過各種各樣的核過程合成的。
氦4是在宇宙年齡只有3分鐘時形成的，而氦4又是宇宙間豐度極高，僅次于氕(即氫1)的第二號核素，在宇宙演化中有非凡的重要意義。要知道，自由中子的壽命只有一刻鐘，如果中子不能在遠短于一刻鐘的時間內成功躲進氦4而成為穩(wěn)定中子，世界上將不再有中子，氫以外的所有其它一切元素均無法形成。可見，理論算出來的“3分鐘年齡”和“四分之一豐度”這兩個數(shù)字是多么的重要，也多么的合理。正是這兩個數(shù)字，保證了宇宙演化過程中有氦4為我們的宇宙保存了足夠多的中子可以利用。元素周期表中除氕和那四個原初輕核素以外的各種元素就是在以后的恒星過程中由質子和氦4中的中子通過各種各樣的核過程合成的。輕核素原初合成給宇宙大爆炸學說提供了強有力的證據(jù)。不僅豐度的觀測值與理論值符合得很好，而且我們可借此確定宇宙重子物質(看得見的物質)的密度。
如果光子能量高于電離能(對氫是13.6電子伏特)，它就可以又把氫原子電離成質子和電子，因而氫原子積累不起來。類似地，質子(以及氘核、氦核)與電子可以復合成中性氫(氘、氦)原子而放出光子。同樣因為光子數(shù)十分巨大，只有當宇宙繼續(xù)膨脹而降溫到約3×103K時(相當于宇宙年齡為38萬歲)，能電離氫原子的光子已經(jīng)為數(shù)不多，宇宙便從等離子體狀態(tài)轉變?yōu)橹行栽託怏w狀態(tài)。由于中性原子不與光子發(fā)生作用，此后宇宙對于光子便變成透明的，光子在其中運動將不受碰撞改變而一直保持到今天。
因此，大爆炸宇宙學又作出了一個精確定量的重要預言：今天應當仍然存在一種無處不在的保持著宇宙38萬歲時脫胎出來的呈黑體輻射譜型的宇宙背景輻射。唯一的變化是，隨著宇宙的膨脹，輻射波長從3000K的黑體譜紅移成了2.725K的黑體譜。因為2.725K的輻射已在微波波段，所以常被稱為宇宙微波背景輻射。1964年～1965年，彭齊亞斯(A. A. Penzias)和威爾遜(R. W. Wilson)兩位工程師在研究他們的微波天線性能時，無意中發(fā)現(xiàn)了一種噪聲性輻射，它其實就是宇宙微波背景輻射。
人們在看電視時，如果沒有節(jié)目，屏幕上就會出現(xiàn)雪花噪聲，其中約1%就是來自宇宙微波背景輻射。彭齊亞斯和威爾遜當初只在一個固定波長(7.3厘米)上作了測量，定出相當于黑體輻射溫度為3.5K(±1K)。后來，全世界許多人在各種各樣的波長上進行測量，均符合黑體輻射譜。特別是在馬塞(J. Mather)的領導下，利用1989年發(fā)射升空的宇宙背景探測者(COBE)衛(wèi)星上的儀器(FIRAS)精確地測得了宇宙微波背景輻射譜，它是溫度為2.725K的極好的黑體譜，與大爆炸宇宙學的理論預言精確一致。他們測得這種輻射是高度各向同性的(各個方向測得的等效溫度相同)。這一點也與在宇宙學原理條件下得到的預言一致。因為發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射，彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978年度的諾貝爾物理學獎。
第六大發(fā)現(xiàn)過程：暗物質的發(fā)現(xiàn)
在大爆炸宇宙學取得重大成果的過程中，人們也同時意識到，除了地球上熟知的重子物質(元素周期表中的所有物質，或稱重子物質)以外，還應該存在更多而看不見的暗物質。早在1937年，茲維基(F. Zwicky)就注意到，大星系團中的星系速度太大，以致無法將它們通過引力束縛住，除非星系團的質量超過星系團內可見星系總質量估算值的100倍以上。這個事實首次顯示了大量暗物質的存在。以后，人們用光度方法和力學方法測量了許多天體的質量，總是發(fā)現(xiàn)力學測定的質量比光度測定的要大得多。特別是，魯賓(V. Rubin)等對許多星系測量了它們的旋轉曲線，即測量了離星系中心位置不同距離處物質繞星系中心的旋轉速度與離中心距離的關系曲線，發(fā)現(xiàn)與僅用看得見的物質的萬有引力作用下的理論值十分不符，表明星系外圍有非常大的由暗物質組成的暗暈存在。
暗物質究竟是什么？暗物質看不見，因而不具有強作用、也沒有電磁作用，至多可以有弱作用。但它肯定具有萬有引力作用，在宇宙大尺度物質結構的形成中起著極為重要的作用。暗物質由什么粒子組成？大體上說，它們應當具有如下三個性質：1)沒有強作用和電磁作用，否則就會看得見；2)壽命長(至少可以與宇宙年齡相比擬)；3)當暗物質粒子隨著宇宙膨脹降溫到與其它粒子不再發(fā)生作用時，它的速度應當降到遠低于光速，即它的質量應當很大。迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子，沒有一種同時具有這3個性質。事實上，在所有已知粒子中，壽命長和質量大兩種性質就已經(jīng)限定只可能是質子或穩(wěn)定原子核內的中子，然而質子和中子均有強作用和電磁作用，不符合暗物質的要求。 暗物質粒子可能是中微子的超對稱對應粒子(neutralino)，或者K-K(Kaluza-Klein)粒子等。這幾種粒子至今還尚未發(fā)現(xiàn)，而且，超對稱理論預言的所有粒子至今均還沒有發(fā)現(xiàn)。
第七大發(fā)現(xiàn)過程：暴脹宇宙學的提出與檢驗
雖然大爆炸宇宙學非常成功，但在進一步細致研究時卻遇到了一些重大的困難。從觀測看，宇宙在大尺度上顯現(xiàn)均勻，表明宇宙各處之間必曾有過相互作用，有過因果聯(lián)系，因為決不可能有無緣無故的均勻。特別是微波背景輻射的高度各向同性，表明至少在宇宙年齡約為38萬歲時宇宙物質在空間上的分布是高度均勻的。這里有兩個距離量很重要。一個叫粒子視界，這是宇宙從誕生到年齡為t時刻光傳播所能達到的最大范圍，在這個范圍內的任何兩點之間均可能曾經(jīng)發(fā)生過相互影響。因此，視界也可看作有因果聯(lián)系的最大范圍。距離超過視界的兩點之間不可能有從一個點對另一個點施加過的作用，除非作用的傳遞速度超光速，而這是不可能的。另一個叫宇宙尺度，這是描述宇宙范圍的尺度。宇宙尺度隨時間的變化，決定于宇宙膨脹的速率，而這個速率決定于具體的物質狀態(tài)。
物質狀態(tài)大體上有兩種，一種是粒子運動速度接近光速(高溫時的物質，比如輻射)；另一種是粒子運動速度遠小于光速(溫度不高時的物質，簡稱物質)。重要的是，不論輻射為主還是物質為主，宇宙尺度增長(膨脹)的速度總比視界增大要慢得多！就是說，今天看到的宇宙均勻的范圍，在宇宙早期應遠大于當時的視界。這意味著宇宙早期只可能形成視界大小的一個一個均勻小區(qū)。不同小區(qū)之間沒有因果聯(lián)系，它們的密度就沒有理由取同樣的值。因此，微波背景輻射的高度各向同性，以及今天觀測到的基本均勻的宇宙大尺度物質分布，均無法得到解釋，稱為視界疑難。
從另一個角度來看，今天觀測到的宇宙中的物質密度，包括看得見的物質、暗物質和輻射，其總和雖明顯小于臨界密度，卻并不相差很遠，兩者頂多只差幾倍。如果按已知的膨脹規(guī)律倒退回去，宇宙早期的物質密度應十分接近臨界密度，而且接近的程度十分驚人，差別只在小數(shù)點后第幾十位上。是什么原因使宇宙早期的物質密度如此接近臨界密度？也就是說，是什么規(guī)律使宇宙早期的幾何性質如此接近平直？用純粹的偶然性是難以解釋的。這就叫做平直性疑難。
理論上曾預言存在磁單極子。什么叫磁單極子？磁單極子是指單獨存在的磁北極或磁南極，就像單獨存在的正電荷或負電荷那樣。但是，實驗上或觀測上，均沒有找到過磁單極子。這也是一個重大的疑難，稱磁單極子疑難。視界疑難、平直性疑難和磁單極子疑難，是大爆炸宇宙學極為成功的背景上出現(xiàn)的三個帶有根本性的疑難問題。
怎樣解決視界疑難？我們已經(jīng)看到，無論輻射為主還是物質為主，均存在視界疑難，除非宇宙早期存在一種與通常物質完全不同的新物態(tài)。那么，怎樣的新物態(tài)才能避免視界疑難呢？1981年，顧斯(A. H. Guth)利用當時粒子物理上正在研究的真空破缺、真空相變之類的概念，設想宇宙在極早期的大統(tǒng)一時代(宇宙年齡約為10-35秒，甚至更早)，曾短暫停留(持續(xù)約10?33秒)在一個亞穩(wěn)真空態(tài)上，隨后發(fā)生相變而轉為基態(tài)真空，并釋放能量而導致大量粒子生成。這里，真空至少有兩個狀態(tài)，一個是高能的亞穩(wěn)真空態(tài)，一個是低能的基態(tài)真空態(tài)。基態(tài)真空態(tài)就是通常意義上的真正的真空態(tài)。亞穩(wěn)真空態(tài)是否能夠充當所需的新物態(tài)呢？這種物態(tài)的各種性質均與基態(tài)真空態(tài)相同，只是能量密度不為零。因此，這種物態(tài)可以看成一種真空能，它的能量密度應當是個常數(shù)，不隨宇宙膨脹而變。相比之下，無論輻射為主還是物質為主，其能量密度都是隨宇宙膨脹而變的。
顧斯指出，這種新物態(tài)會導致宇宙的猛烈膨脹，稱為暴脹。在短短的約10-33秒鐘時間內，使宇宙尺度猛增了幾十個量級，遠遠超過了上面所述視界與宇宙尺度之間的巨大差異。這種暴脹的速度相當于眼睛一眨從一粒豌豆脹大成銀河系的大小。這樣，今天觀測到的宇宙尺度實際上是由大統(tǒng)一時代遠小于視界的一個極小區(qū)域膨脹而來，看到的宇宙保持均勻正是因為來自原本均勻的這個小區(qū)域，因此觀測到的均勻性并不違背因果律。顧斯的這個設想后來經(jīng)很多人改進和修正(如A. D. Linde等)，但細節(jié)仍無定論。顯然，暴脹的存在對空間尺度產(chǎn)生了重大影響，導致了視界疑難的解決。
同時，暴脹的存在也能解釋平直性疑難。宇宙物質密度接近臨界密度的程度，也就是宇宙的幾何性質接近平直性的程度。其實，暴脹機制很容易產(chǎn)生高度平直的宇宙，我們不妨形象地來說明：為什么膨脹會使宇宙空間減少彎曲，導致平直？比如一個氣球，如果將它吹得很大，球面的幾何形狀就會變得很平。因此，從宇宙剛誕生不久的一般性(不需要微調)的彎曲空間很容易經(jīng)暴脹而產(chǎn)生出早期宇宙更高度的平直性，甚至還有很大富余，使今天的宇宙仍然高度平直。就是說，暴脹學說不僅解決了原有的疑難，而且預言了我們今天宇宙的總物質密度應當仍然十分接近于臨界密度，而臨界密度是可以根據(jù)哈勃常數(shù)的觀測值直接算出來的。這是個可供觀測檢驗的極強的精確預言！
在暴脹學說中，磁單極子疑難也可以迎刃而解。雖然理論預言磁單極子的質量很大，比質子要重億億倍，數(shù)目也不算太少，但正是因為暴脹，磁單極子被大大稀釋了，從而解釋了為什么至今沒有觀測到它。我們看到，宇宙學研究經(jīng)歷了大爆炸宇宙學和暴脹宇宙學兩個階段，取得了很大成功。大爆炸宇宙學幾乎沒有引入什么特殊的假設，卻獲得了原初核合成和微波背景輻射那樣精確的觀測檢驗。暴脹宇宙學雖然引入了尚未直接檢驗的暴脹假設，但產(chǎn)出卻極為豐富。它不僅解釋了視界、平直性和磁單極子等重大疑難，還作出了今日宇宙幾乎精確平直等極強的預言。
十分精彩的是，雖然暴脹假設似乎不那么自然，卻能與高能粒子物理相印證，而且與大爆炸宇宙學銜接得極好。暴脹只發(fā)生在宇宙極早期僅10?33秒的短暫時間內，暴脹后的真空相變釋放能量形成大批粒子使宇宙重新加熱，從而與大爆炸宇宙學自然接軌。甚至有人直接把暴脹結束時的重新加熱看作宇宙大爆炸的開始。暴脹假設好比對大爆炸宇宙學動了一次大手術，但卻是一次只有局部“微創(chuàng)”(只影響10?33秒的短暫時間)而獲得極大成功(不影響10?33秒以上極大時間范圍的原有大爆炸宇宙學結論)的大手術。
盡管暴脹機制本身尚缺乏強的理論依據(jù)，也還未得到直接的觀測檢驗，但由于暴脹學說解決了一批重大的基本問題，它的預言又獲得了觀測檢驗，因而已得到國際天文界的認可。國際天文學聯(lián)合會(IAU)已為顧斯和Linde頒發(fā)了2004年度的Gruber宇宙學獎。Linde本人對這個學說給出了中肯的評價，他說；“暴脹學說還不能說已經(jīng)贏得了這場比賽，因為目前還只有這匹賽馬。”
第八大發(fā)現(xiàn)過程：宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)
雖然大爆炸宇宙學和暴脹宇宙學非常成功，但還有一些重要問題尚待澄清。比如，觀測得到的可見物質密度和暗物質密度之和仍遠小于臨界密度，似乎與暴脹宇宙學的預言不符。難道還有第三種怪物質填補這個空缺？又比如，宇宙膨脹早已是不爭的事實，但萬有引力的存在，使宇宙膨脹只能減速，不能等速，更不能加速。人們花了幾十年時間試圖測出宇宙膨脹的減速因子，卻分歧極大，得不到協(xié)調的結果。再比如，宇宙年齡的測定也出現(xiàn)問題。通常，把球狀星團(最古老的天體)的年齡看作宇宙年齡的下限，而把哈勃年齡(指按等速膨脹外推而定出的年齡)看作宇宙年齡的上限。然而，有一段時間在觀測上竟出現(xiàn)了上、下限倒置的情形，意味著宇宙的年齡小于球狀星團的年齡(有點像“父親的年齡”小于“兒子的年齡”)，實屬荒唐。
為了測定宇宙膨脹的減速因子，必須找到一種標準燭光的極強光源。標準燭光是為了可以通過亮度觀測來確定距離，強光是為了放在遙遠的宇宙學距離上仍能觀測到。Ⅰa型超新星是由白矮星和它的伴星組成的雙星系統(tǒng)，在白矮星不斷從伴星吸積物質，當其質量增加到錢德拉塞卡(S. Chandrasekhar)極限(約1.4倍太陽質量)時所發(fā)生的猛烈爆發(fā)。正因為它總是發(fā)生在幾乎相同的質量條件下，Ⅰa型超新星就應幾乎具有標準燭光的性質，同時又是極強的光源。1998年，利斯(A. G. Riess)等人的高紅移超新星課題組和1999年，珀耳莫特(S. Perlmutter)等人的超新星宇宙學課題組，就用Ⅰa型超新星經(jīng)過諸多校正后作為“標準燭光光源”進行觀測，兩個課題組都發(fā)現(xiàn)那些遠的Ⅰa型超新星的亮度比預期的更暗(即更遠)。從而，他們發(fā)現(xiàn)了宇宙不是在減速膨脹，而是在加速膨脹。這是一個十分令人震驚的發(fā)現(xiàn)。所謂萬有引力，自然是只有引力，沒有斥力。因此，宇宙膨脹只可能減速，不可能加速。幾十年來人們也只是致力于測定宇宙膨脹的減速因子而得不到明確結果。加速膨脹的發(fā)現(xiàn)意味著存在斥力，而且，現(xiàn)今的宇宙整體上看應當是以斥力為主。這就意味著要修改萬有引力定律，或者至少要增加一種新力(斥力)，或者增加一種能產(chǎn)生斥力的新物態(tài)。無論哪一種，都是了不起的新發(fā)現(xiàn)。
回顧歷史，我們可以看到，早在1917年愛因斯坦首次發(fā)表現(xiàn)代宇宙學奠基論文時，為了獲得靜態(tài)宇宙而曾引入代表斥力的宇宙學常數(shù)Λ。1929年哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹后，宇宙已經(jīng)不是靜態(tài)，愛因斯坦就放棄了這個常數(shù)。有趣的是，在天體物理研究領域，這個常數(shù)曾經(jīng)三起三落。就是說，當出現(xiàn)問題時，人們就想到它，當問題解決后，人們又把它扔掉，如此這般已發(fā)生了三次。如今發(fā)現(xiàn)了加速膨脹，人們再一次領悟到，這個常數(shù)也許就是解讀此謎的一把鑰匙。
宇宙學常數(shù)Λ相當于真空具有一個能量密度。人們稱這種真空介質為暗能量。按照廣義相對論，不僅物質的質量(或密度)，而且它的壓強，均可以產(chǎn)生萬有引力。通常的物質，密度和壓強總取正值，因此它們均產(chǎn)生引力。比如，一盒氣體(無論是普通物質，還是暗物質)，當它的溫度降到趨于絕對溫度0度時，它的壓強也趨近于0；當它的溫度趨于無窮高時，它的壓強趨于密度乘光速平方的三分之一。因此，任何溫度的氣體的壓強永遠是正的。但是，觀測表明宇宙膨脹是在加速，就是說，除非存在一種新物質，它的壓強是負的。這種負壓強物質就稱為暗能量。愛因斯坦的宇宙學常數(shù)Λ，也相當于一種暗能量。
可見，宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)告訴我們，宇宙中除了通常物質(重子物質)、暗物質以外，還應有一種新物質，叫暗能量。一般地，宇宙物質密度是以臨界密度為單位衡量的，即用物質密度(ρ)與臨界密度(ρc)之比來表示：Ω=ρ/ρc。對于宇宙物質的三種成分，可分別表示為：重子物質(ΩB=ρB/ρc)、暗物質(ΩDM=ρDM/ρc)和暗能量(ΩΛ=ρΛ/ρc)。它們各占多少？三者之和是否按暴脹模型所預言的那樣為1？這是要用觀測來確定和檢驗的。
第九大發(fā)現(xiàn)過程：微波背景輻射各向異性的發(fā)現(xiàn)
微波背景輻射高度各向同性意味著在年齡為38萬歲時宇宙物質分布是高度均勻的。這個特征強烈支持了宇宙學原理和大爆炸宇宙學。在此基礎上如何形成今天的宇宙大尺度結構(恒星、星系、星系團)呢？這可不是容易的事。雖然人們早就知道，均勻分布物質中的微小擾動可以通過引力不穩(wěn)定性——即金斯(J. H. Jeans)機制——來形成星系、恒星，但是，怎樣在合理的宇宙年齡范圍內由適當?shù)臄_動不均勻性形成今天觀測到的星系、恒星，卻并不容易。上世紀80年代初，前蘇聯(lián)的澤耳多維奇(Ya. B. Zeldovich)就把宇宙大尺度結構問題看作宇宙學晴朗天空中的一朵烏云。暴脹理論曾緩解了這個困難。在暴脹期內，以前的起伏不均勻性會被衰減掉。有效的非均勻性種子，將由暴脹后的量子起伏來提供，由它們成長為宇宙微波背景輻射的各向異性，進而形成今天觀測到的宇宙大尺度結構。
理論計算表明，如果宇宙物質只是重子物質，為生成今天觀測到的宇宙大尺度結構，需要有微波背景輻射約10-3量級的各向異性作為種子。如果計及暗物質，就只需要有10-5量級的各向異性作為種子。1992年，COBE衛(wèi)星果然觀測到了微波背景輻射10-5量級的微小各向異性。這個發(fā)現(xiàn)為人們顯示了今天宇宙大尺度結構(星系、恒星形成)的起源之所在。微波背景輻射實際上是人們能夠直接看到的最遠，也就是最早的信號。它的各向異性展示的實際上是最遠，也就是最早的宇宙圖像，相當于宇宙幼年(38萬歲)的照片。斯莫特(G. Smoot)把這個成就“詼諧地”比作“看到了上帝的臉”。
2001年發(fā)射升空的WMAP衛(wèi)星，在性能上比COBE衛(wèi)星改進了許多。由WMAP衛(wèi)星測出的宇宙微波背景輻射的各向異性圖像，顯然比由COBE衛(wèi)星測出的要清晰得多。因此，WMAP的功勞清晰地確認了COBE的成果，促進了諾貝爾獎于2006年授予COBE項目的馬瑟和斯莫特。
第十大發(fā)現(xiàn)過程：精確宇宙學——和諧宇宙學
現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了3組比較好的觀測數(shù)據(jù)，一組來自Ⅰa型超新星的觀測，一組來自宇宙大尺度結構的觀測，一組來自宇宙微波背景輻射的觀測。如果我們把暗能量密度作為縱坐標，把重子物質和暗物質的密度之和作為橫坐標，我們就可以把上述三種觀測數(shù)據(jù)所允許的范圍畫成一張圖。重要的是，這三個允許范圍有個交叉重疊區(qū)域。這個重疊區(qū)域，正是這三種觀測共同允許的范圍，其所對應的暗能量密度為ΩΛ≈0.74，而重子物質和暗物質的密度之和為ΩB+ΩDM≈0.26。考慮到宇宙原初核合成的觀測，即ΩB≈0.04，可知ΩDM≈0.22。因此，宇宙學已經(jīng)進入了可以進行精確計算的時代，不同觀測之間也達到了相互協(xié)調與和諧一致。而且圖中表示平直宇宙的直線幾乎與微波背景輻射的窄長的允許范圍相重合，表明微波背景輻射精確檢驗了暴脹宇宙所預言的空間幾何的平直性。
對比宇宙在38萬歲時和今天的物質豐度分布，可以看出，在宇宙演化的不同時期，不同物質分布的情形是不一樣的。比如，暗能量現(xiàn)在占有很大部分，而在宇宙38萬歲時卻幾乎不存在(因為那時宇宙體積很小，而暗能量密度是個常數(shù))。
結束語:
經(jīng)過10大發(fā)現(xiàn)過程，現(xiàn)在已經(jīng)對宇宙的演化給出了一幅很好的圖表:縱坐標為宇宙尺度，橫坐標為宇宙年齡，宇宙誕生后不久，便經(jīng)歷了一個暴脹時期，在短短的約10-33秒的時間內，宇宙尺度增長了幾十個數(shù)量級，使宇宙幾何性質成為平直的；到宇宙年齡約3分鐘時，經(jīng)歷了宇宙原初核合成時代，極有效地形成了大量氦4和一些輕核素；到宇宙年齡約38萬歲時，宇宙物質從等離子體狀態(tài)轉化為中性原子氣體，光子因不與中性粒子碰撞而在宇宙中自由“游蕩”，成為今天觀測到的微波背景輻射；隨后中性原子氣體開始通過引力的金斯不穩(wěn)定性逐漸成團，在沒有形成可以發(fā)光的恒星以前，宇宙基本上不發(fā)光，進入黑暗時期；約在宇宙4億歲時，形成第一代恒星，出現(xiàn)第一縷曙光，恒星的光使星際介質再一次電離；接著便是漫長的星系、恒星、行星形成和發(fā)展的時代，周期表中的各種元素，就在宇宙最初3分鐘合成的少數(shù)幾個輕核素的基礎上，在恒星過程中逐步形成，生物也隨之在各自適應的行星條件下逐漸形成、繁衍、發(fā)展、進化；隨著宇宙膨脹體積增大而形成大量暗能量，宇宙便進入加速膨脹時期，直到今天成長為年齡約為137億歲的宇宙。
也許正是一個豆蔻年華的青年宇宙，也許已是一個成熟穩(wěn)重的壯年宇宙。這是一幅多么富有詩意的畫卷！經(jīng)過這10大發(fā)現(xiàn)過程的研究，宇宙學已經(jīng)成為相當系統(tǒng)、相當扎實、相當有深度、也相當精確的蓬勃發(fā)展中的一門學問。取得了學術界的普遍認可，也已經(jīng)成為天文學發(fā)展的一個總框架。要知道，地球在宇宙中實實在在只是一個極普通的行星。生活在地球上的人，居然能對宇宙了解到了如此深入的程度，實在是個奇跡！愛因斯坦說過：“宇宙中最不可理解的是，宇宙居然是可以理解的！” 連上帝都會驚嘆: 居然是宇宙中最不起眼的一顆小行星上的一群人類的生物，如此這番去破解宇宙之謎的!
2011.9.4
附圖:
1.阿特斯蘭蒂斯號發(fā)射時
2.從空間站看地球
3.一組太陽圖片
大熊湖的太陽黑子
太陽表面噴流
太陽等離子體噴流
太陽上的海嘯.
3.一組銀河系圖片
銀河系的概念：藍、綠色點顯示距離測量。
銀河系全景照片.
銀河系中心區(qū)域.
銀河系中心新的深景圖.
銀河系中最熱恒星.
伽馬射線看到銀河系全景
4.美國宇航局“哈勃”太空望遠鏡的經(jīng)典照片
狂躁銀河系中心
7500光年的船底星座
完美圓盤.
蝴蝶狀星云.
宇宙噴泉”
氣態(tài)空腔.
星團Pismis
紅蜘蛛星云NGC 6537.
星系團Abell S0740.
哈勃的神秘山.
半人馬座A星系.jpg
棒旋星系NGC6217
超新星“SN1979C”的余燼.
船底星云巨大氫氣柱.
大麥哲倫星系.
大質量恒星的早逝命運.
最遙遠超新星.
鬼魅般的秘密.
黑洞質量為太陽180億倍.
獵戶座星云.
獅子座M66星系.
斯蒂芬五重星系.
“R136”的年輕恒星.jpg
“火焰星云”.
壯觀的星系.
最明亮星系團.
