已知的總是有限的，未知的則是無限的；從知識上說，我們像是處在一個令人費解的無邊海洋中的小島。我們每一代人的任務(wù)就是多回收一點土地。
——赫胥黎
文：Ethan Siegel
譯：小雨
整整100年前，我們的宇宙觀和現(xiàn)在非常的不同。那個時候，已知最遠(yuǎn)的恒星也只距離我們上千光年遠(yuǎn)，它們都處于銀河系之中，我們認(rèn)為沒有比這更遠(yuǎn)的天體了。那個時候，我們假定宇宙是靜態(tài)的，在夜空中觀測到的螺旋和橢圓的天體被認(rèn)為是包含在我們的星系之中。那個時候，牛頓的引力還沒有完全被愛因斯坦的新理論推翻，而大爆炸、暗物質(zhì)和暗能量等科學(xué)概念也沒有被提出來。但是在接下來的每個時代中，在理論和觀測的并行發(fā)展下，我們對宇宙的理解越來越深刻。每一次的發(fā)現(xiàn)都帶來了無限的驚喜，但同時也帶來了更多的困惑。
1910s：愛因斯坦的理論得到驗證！
廣義相對論因解釋了牛頓引力無法解釋的水星近日點進(jìn)動問題而名聲大震。但是，一個成功的科學(xué)理論不僅僅需要能夠給出符合所有現(xiàn)有觀測的理論的結(jié)果，它還需要做出可被檢驗的新預(yù)言。而在這一方面，廣義相對論表現(xiàn)的相當(dāng)出色。1919年，廣義相對論的第一個預(yù)言被驗證：在日全食期間觀測到遙遠(yuǎn)星光發(fā)出的光線，在經(jīng)過太陽時發(fā)生了彎曲。而星光彎曲的程度與愛因斯坦的理論預(yù)言的相一致，但不符合牛頓理論的預(yù)測。從此，我們對宇宙的看法就徹底發(fā)生了變化。此外，廣義相對論還預(yù)言的引力時間膨脹、強(qiáng)和弱引力透鏡、慣性系拖曳效應(yīng)、引力紅移等等都被后來的實驗或觀測所證實。
△ 1919年，天文學(xué)家愛丁頓對日全食的觀測結(jié)果顯示，廣義相對論完美地描述了星光在大質(zhì)量物體附近發(fā)生了偏折，推翻了牛頓的圖景。（圖片來源：The Illustrated London News, 1919）
1920s：哈勃的發(fā)現(xiàn)
上個世紀(jì)20年代，人們依舊認(rèn)為銀河系就是整個宇宙，而Edwin Hubble的工作一下子拓寬了我們的視野——銀河系不過是眾多星系中的一員。通過觀測夜空中的一些螺旋星云，Hubble定位了跟在銀河系中同一類型的單獨的變星。但這些變星的亮度非常低，意味著它們離地球百萬光年之外，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了銀河系的范圍。哈勃并沒有因此止步，他繼而測量了十幾個星系的退行速度和距離，從而發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹，而不是靜止不變的！
△ 哈勃在仙女座星系中發(fā)現(xiàn)的造父變星，才使我們意識到宇宙的廣漠。（圖片來源：E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team.）
1930s：暗物質(zhì)的提出
科學(xué)家曾一度認(rèn)為如果我們可以測量包含在恒星內(nèi)的所有質(zhì)量，或許再加上氣體和塵埃，就可以計算出宇宙中的所有物質(zhì)。然而，在上個世紀(jì)30年代，當(dāng)Fritz Zwicky觀測了一個致密的星系團(tuán)中的星系（比如下圖的后發(fā)星系團(tuán)）后發(fā)現(xiàn)，恒星和我們所謂的“普通物質(zhì)”（比如原子）不足以解釋星系團(tuán)的內(nèi)部運動。因此，他推斷必然存在著額外的新物質(zhì)，稱其為暗物質(zhì)。不幸的是他的觀測結(jié)果一直被忽略。直到20世紀(jì)70年代，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)普遍存在于單獨的旋轉(zhuǎn)星系后，暗物質(zhì)才成為了研究熱點。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)模型以及觀測表明，現(xiàn)在宇宙中暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間的質(zhì)量比例為5：1。
△ 后發(fā)星系團(tuán)中兩個明亮巨大的星系。NGC4889（左）和稍微小一點的NGC4874（右），各自的大小都超過百萬光年。但是在外圍的星系運動的如此之快，暗示著整個星系團(tuán)應(yīng)該存在著一個巨大的暗物質(zhì)暈。（圖片來源：Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona）
1940s：宇宙源于大爆炸
這段時期，雖然大部分的實驗和觀測資源都花在了間諜衛(wèi)星、火箭技術(shù)和核技術(shù)的發(fā)展，但理論物理學(xué)家并沒有停止對宇宙進(jìn)行探索。1945年，George Gamow對膨脹的宇宙做出了終極推論：如果今天的宇宙正在不斷膨脹和冷卻，那它應(yīng)該有一個更加熾熱和致密的過去。回溯過去，肯定有一段時間由于宇宙的溫度太高、密度太大，以至于無法形成穩(wěn)定的中性原子，而在更早之前，甚至連原子核都無法形成。如果這是對的，那么在任何恒星誕生之前，宇宙最初的材料中，最輕的元素應(yīng)該有一個特定的比例，并且今天我們應(yīng)該能夠觀測到宇宙早期遺留下來的余暉，這些余暉的溫度剛好在絕對零度以上，并且散布在各個方向。這個框架便是今天所謂的大爆炸理論，這是在那個動蕩年代中最美妙的思想。
△ 可觀測宇宙的歷史的時間線。自大爆炸以來，可觀測宇宙膨脹的越來越大。（圖片來源：NASA / WMAP science team）
1950s：來自Hoyle的輕蔑
大爆炸理論并不是解釋宇宙起源的唯一理論，它強(qiáng)有力的競爭理論被稱為穩(wěn)恒態(tài)模型，由Fred Hoyle和同時代的其他科學(xué)家提出。（事實上，“大爆炸”這個名字是Hoyle在BBC舉辦的一次系列講座中提出的，并且迅速的流傳開來。）最精彩的是，兩個理論都推斷今天在地球上的重元素都誕生于早期的宇宙。Hoyle和他的同事認(rèn)為這些重元素并不是在早期熾熱和致密的狀態(tài)下產(chǎn)生的，而是由前代的恒星制造出來的。Hoyle和他的合作者詳細(xì)地描述了當(dāng)恒星內(nèi)發(fā)生核聚時，元素是如何一步步地構(gòu)建起元素周期表。最令人驚喜的是，他們預(yù)言了氦聚變成碳的過程是從前沒有被觀測過的：3氦過程，前提是要求一種新的碳態(tài)存在。在Hoyle提出的幾年后，這種新的態(tài)被Willie Fowler發(fā)現(xiàn)，今天被稱為霍伊爾碳態(tài)（Hoyle state of carbon）。從他們的工作中，現(xiàn)在我們知道地球上現(xiàn)有的所有重元素都來源于一代又一代的恒星的熄滅與誕生。
△ 圖中顯示了太陽的表面和內(nèi)部的不同區(qū)域，包括發(fā)生核聚變的核心。在太陽或其它恒星中的聚變過程，產(chǎn)生了今天宇宙中存在重元素。（圖片來源：Wikimedia Commons user Kelvinsong）
1960s：關(guān)鍵性的證據(jù)
經(jīng)歷了20多年的辯論，科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了決定宇宙歷史的主要觀測證據(jù)：預(yù)言中的大爆炸遺留下來的余暉被發(fā)現(xiàn)了！1965年，Arno Penzias 和 Bob Wilson 觀測到了天空中均勻分布著2.725開爾文的輻射（即所謂的微波背景輻射），但他們一開始并沒有意識到他們的發(fā)現(xiàn)意味著什么。后來，科學(xué)家測量到了這個輻射的完整的黑體輻射光譜，甚至測量到它的漲落，這就證明了宇宙始于一場大爆炸。
△ 如果我們能夠看見微波，夜空看起來像是溫度為2.7開爾文的綠色橢圓，而中心會出現(xiàn)“噪聲”，這是來自更熱的銀道面。這個溫度一致的黑體輻射譜正是大爆炸所預(yù)言的遺留的余暉：微波背景輻射。（圖片來源：NASA / WMAP science team）
當(dāng)你今晚走到戶外，并摘下帽子，你的頭皮就能感受到大爆炸帶來的一絲溫暖。如果你有一個品質(zhì)良好的調(diào)頻收音機(jī)，而且你站在兩個微波中繼站之間，你就會聽到“嘶-嘶-嘶”的聲音。你可能聽到過這樣的嗶嗶聲。它像是一種撫慰。有時它很像海浪的拍擊聲，你聽到的聲音，大約有千萬分之五是來自數(shù)十億年前傳來的噪聲。
—— Arno Penzias
Simon Singh在《大爆炸簡史》一書中講述了“大爆炸”理論作為宇宙的開端被逐漸接受的過程，介紹了一些鮮為人知的人物對這個理論所做的努力。這是一場驚心動魄的辯論過程，Gamow用打油詩反擊穩(wěn)恒態(tài)已過時，Hoyle則繼續(xù)嘲笑大爆炸模型和那些相信它的人，最終大爆炸理論以良好的預(yù)言能力表現(xiàn)出了說服力和包容性。
1970s：一次指數(shù)式的膨脹
在1979年末，一個年輕的科學(xué)家的腦海中冒出了一個讓他為之奮斗一生的想法。Alan Guth提出了宇宙暴脹模型，以解釋大爆炸理論無法解釋的問題，例如為什么宇宙為何在空間上如此平坦？為什么各個方向的溫度都一樣？為什么沒有產(chǎn)生超高能量的殘留物。Guth的暴脹模型指出，在宇宙處于熾熱致密的狀態(tài)之前，事實上它經(jīng)歷了一次指數(shù)式的膨脹，所有的能量都束縛在空間的自身結(jié)構(gòu)中。Guth的最初想法經(jīng)歷了幾次演變才形成了今天的暴脹理論，之后的一些天文觀測都證明了暴脹理論的預(yù)測，比如微波背景輻射的漲落、宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)、星系聚集、團(tuán)簇和形成的方式。
△ 在大爆炸之前，宇宙最早期的階段，建立了初始條件，才演變成了我們今天所觀測到的宇宙。這就是Alan Guth絕妙的想法：宇宙暴脹。（圖片來源：E.Siegel）
1980s：爆發(fā)的超新星
1987年，天文學(xué)家觀測到了近100年來距離地球最近的超新星爆發(fā)。這也是我們擁有可探測到這些事件發(fā)出的中微子的探測器以來，首次探測到的超新星爆發(fā)。 雖然我們在其他星系中看到了超大型的超新星爆發(fā)，但我們從未有過距離如此之近的超新星爆發(fā)，使我們能夠觀測到這些中微子。 這20個中微子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著中微子天文學(xué)的開始，隨后的發(fā)展又使我們發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩、中微子具有質(zhì)量，以及探測來自百萬光年外的超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的中微子。如果目前的探測器仍然在運行，我們將能從銀河系里下一個出現(xiàn)的超新星中探測到超過數(shù)十萬個的中微子。
△ 超新星1987a爆發(fā)后的遺跡，位于165000光年外的大麥哲倫星云。這是在過去超過3個世紀(jì)中，觀測到離我們最近的超新星。（圖片來源：Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator）
1990s：加速膨脹的宇宙
如果你被暗物質(zhì)和宇宙的起源的發(fā)現(xiàn)所震驚的話，那么你可以想象當(dāng)天文學(xué)家在1998年的發(fā)現(xiàn)使我們第一次有機(jī)會知悉宇宙的命運時引起了多大的轟動。歷史上，我們一直想象宇宙有三種可能的結(jié)局：
宇宙的膨脹不足以抵抗萬物的引力，從而宇宙重新坍縮，在一場大擠壓中終結(jié)。
宇宙的膨脹將遠(yuǎn)勝過萬物產(chǎn)生的引力總和，使宇宙中所有物體相互遠(yuǎn)離，宇宙將在大凍結(jié)中結(jié)束。
宇宙將處于上述兩種結(jié)局之間，宇宙的膨脹率將不斷趨近于零，但從不會真正達(dá)到：一個臨界宇宙。
而在1998年對遙遠(yuǎn)超新星的觀測表明，宇宙正在加速膨脹，并且隨著時間流逝，遙遠(yuǎn)的星系間會加速相互遠(yuǎn)離。宇宙不僅會變冷，那些沒有被束縛的星系最終會消失在我們的視界之外。除了在本星系群中的星系，沒有其它的星系會遇到我們的銀河系，我們注定會在寒冷中孤獨的存在。而在另一個1000億年后，我們將無法看到任何超過我們自身的星系。
△ 宇宙的四種可能命運。最底下的那個跟觀測數(shù)據(jù)最為吻合，是一個由暗能量驅(qū)使的宇宙。（圖片來源：E.Siegel）
