一、經(jīng)典的宇宙觀念

我們從哪里來(lái)？宇宙是什么樣的？這自有人類以來(lái)的永恒疑問(wèn)。從西方的海龜馱大陸，到中國(guó)的天圓地方，誕生了遠(yuǎn)古的神話和宗教。托勒密的天球模型認(rèn)為地球是宇宙的中心，天上的太陽(yáng)和其他行星繞著地球在不同層次的同心球面上運(yùn)行，最高層的星星們則保持不動(dòng)。這是個(gè)粗糙但有效的宇宙模型，更關(guān)鍵的是，符合基督教關(guān)于人間和天堂的描述?，F(xiàn)代天文學(xué)的開創(chuàng)要從哥白尼等算起，借助更先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，伽利略終于發(fā)現(xiàn)地球并非宇宙中心，地球和其他行星是圍繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的。再到十七世紀(jì)，開普勒、胡克等人繼續(xù)為太陽(yáng)系勾勒大概的輪廓。最終偉大的牛頓建立了完美的經(jīng)典力學(xué)大廈，其在天文學(xué)中的威望在發(fā)現(xiàn)冥王星后達(dá)到頂峰。那時(shí)人們確信宇宙間所有的規(guī)律都已發(fā)現(xiàn)殆盡，所有星系的運(yùn)動(dòng)都可納入牛頓力學(xué)的體系中。這一時(shí)期人們相信宇宙是無(wú)限廣大和永恒的存在，也許這使人有某種安全感。但是用牛頓力學(xué)解釋宇宙有個(gè)致命的疑問(wèn)，如果萬(wàn)有引力是正確的，為什么星系不會(huì)因?yàn)槿f(wàn)有引力聚攏到一起？無(wú)論宇宙有沒(méi)有一個(gè)中心，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，星系總會(huì)慢慢靠攏，最后碰撞、毀滅。這給現(xiàn)代天文學(xué)提出了挑戰(zhàn)，但是即使是當(dāng)時(shí)最具有革命精神的人，也無(wú)法想象今后的顛覆性的發(fā)現(xiàn)。

二、現(xiàn)代天文學(xué)的武器

我們?nèi)绾文艿弥?yáng)和遙遠(yuǎn)星星的信息？量子力學(xué)揭示了原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電子在固定的能級(jí)間跳躍，發(fā)出特定頻率的光，進(jìn)而可以預(yù)知各種元素的光譜。太陽(yáng)也發(fā)光，將太陽(yáng)光譜與地球上已知的元素光譜對(duì)照，我們可以知道太陽(yáng)主要是氫、氦等氣體組成，太陽(yáng)就是一個(gè)大氣球。用同樣的方法觀察遙遠(yuǎn)的星光，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其光譜和太陽(yáng)幾乎完全一樣，這說(shuō)明天上那些黯淡的星星，每一顆都是和我們太陽(yáng)一樣的恒星。行星的發(fā)現(xiàn)更困難一些，太陽(yáng)系中的其他行星會(huì)被太陽(yáng)照亮，但是遙遠(yuǎn)的星系中連恒星的光芒都那么黯淡，行星根本看不見。那怎么辦呢？我們知道天體之間有萬(wàn)有引力，盡管行星質(zhì)量相對(duì)恒星要小，但其引力仍會(huì)使恒星軌道產(chǎn)生微小擾動(dòng)，通過(guò)精確觀測(cè)恒星的位置，可以計(jì)算出是否有行星繞恒星公轉(zhuǎn)，具體有幾顆行星。由于要專門鎖定恒星觀測(cè)，目前發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外的行星數(shù)量很稀少?？茖W(xué)家也希望發(fā)現(xiàn)環(huán)境與地球差不多的行星，也許其上能進(jìn)化出類似地球的生命。

知道漫天都是恒星，但它們距離我們有多遠(yuǎn)呢？較近的天體可以用三角測(cè)距法測(cè)量，以地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道直徑上兩點(diǎn)為三角形兩頂點(diǎn)，測(cè)量天體的視角差來(lái)計(jì)算天體的距離。這一方法用來(lái)測(cè)量太陽(yáng)系內(nèi)各行星與太陽(yáng)的距離很方便，也可測(cè)量臨近我們的其他恒星。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，距離我們最近的半人馬座的某顆恒星，也有數(shù)光年之遠(yuǎn)。一光年是30萬(wàn)公里/秒*3600秒*24小時(shí)*365天=94608億公里，而太陽(yáng)到地球的距離才8光分。甚至大多數(shù)恒星用三角方法根本測(cè)不出來(lái)，說(shuō)明其距離真是相當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)。那更遠(yuǎn)的恒星距離怎么測(cè)呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種特殊的星體叫“造父變星”，其發(fā)光強(qiáng)弱周期性變化，且周期與其絕對(duì)亮度有比例關(guān)系。在地球上測(cè)定其亮度變化周期，可以得到其絕對(duì)發(fā)光強(qiáng)度作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，再與地球上觀察到的視覺亮度比較，由近亮遠(yuǎn)暗的原理，可以推算它的距離。尋找遙遠(yuǎn)星系中的造父變星，就可以知道星系的距離，由于造父變星的功勞，它又被稱為“量天尺”。用這種方法測(cè)知，銀河系的直徑約10萬(wàn)光年，銀河系有約2000億顆恒星！恒星如此遙遠(yuǎn)意味著我們每晚看到的銀河星光都是恒星數(shù)萬(wàn)年前發(fā)出的光線，我們是真正生活在“歷史的天空下”。也是通過(guò)造父變星，20世紀(jì)20年代哈勃發(fā)現(xiàn)了仙女座河外星系。然而天上還有很多星團(tuán)，極其黯淡，根本無(wú)法發(fā)現(xiàn)其中的造父變星。怎么辦？可以用哈勃定律，紅移量和距離成正比來(lái)計(jì)算距離，這將在下面介紹。由此發(fā)現(xiàn)除銀河系外，還有數(shù)不清的河外星系，目前發(fā)現(xiàn)了的約有10億個(gè)河外星系！另外超新星也可以用于測(cè)距，也一并在下面介紹。總之通過(guò)現(xiàn)代科技，我們認(rèn)識(shí)到宇宙的廣大，也更激起了探尋未知宇宙奧秘的熱情。

三、哈勃的偉大發(fā)現(xiàn)——星系光譜紅移

哈勃的發(fā)現(xiàn)揭開了大爆炸宇宙理論的巨大帷幕。前面說(shuō)到觀察星光可以知道星星的成分和距離，但是它們?cè)鯓舆\(yùn)動(dòng)呢？其側(cè)向運(yùn)動(dòng)可以直接觀察，但徑向運(yùn)動(dòng)由于離我們太遙遠(yuǎn)，幾乎沒(méi)有可觀測(cè)的亮度變化。多普勒效應(yīng)可以幫助我們。當(dāng)我們站在馬路或鐵路邊，汽車或火車?guó)Q笛經(jīng)過(guò)，我們會(huì)先聽到尖銳的聲音，車離我們遠(yuǎn)去時(shí)又聽到低沉的聲音。這是聲波的波長(zhǎng)在傳播中由于聲源相對(duì)我們的運(yùn)動(dòng)而被壓縮或拉伸的結(jié)果，叫多普勒效應(yīng)，我們用它來(lái)做汽車測(cè)速儀。同樣，光是一種電磁波，當(dāng)恒星相對(duì)地球上的觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，光的頻率也會(huì)改變。恒星如果向地球而來(lái)，則光頻上升，光波長(zhǎng)向短波移動(dòng)，稱為藍(lán)移。若恒星遠(yuǎn)離地球而去，則光頻下降，光波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)，稱為紅移。測(cè)量恒星光譜的藍(lán)移或紅移量，可以知道恒星的運(yùn)動(dòng)方向和速度。如果宇宙是穩(wěn)定的，按照猜想，恒星的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是隨機(jī)的，遠(yuǎn)離我們的恒星數(shù)目和向我們而來(lái)的恒星數(shù)目應(yīng)該差不多，也就是說(shuō)，觀測(cè)到的發(fā)生紅移和藍(lán)移的恒星數(shù)量應(yīng)該差不多。結(jié)果哈勃的觀測(cè)表明，絕大多數(shù)恒星都發(fā)生紅移，而且距離越遠(yuǎn)的恒星遠(yuǎn)離的速度越快。這個(gè)發(fā)現(xiàn)非同小可，普遍的紅移表明周圍的星星都在離我們遠(yuǎn)去，這似乎暗示地球又成了宇宙的中心了，其實(shí)不然。打個(gè)比方，就像氣球上任意兩個(gè)點(diǎn)，吹氣球時(shí)，隨著氣球的膨脹，氣球上任意兩個(gè)點(diǎn)間的距離會(huì)迅速拉大，但氣球上任意一點(diǎn)都不是中心。所以哈勃的發(fā)現(xiàn)告訴我們的是，所有星系都在遠(yuǎn)離的事實(shí)表明，我們的宇宙正在膨脹，而非原先以為是穩(wěn)恒的。如果宇宙現(xiàn)在正在膨脹，那么沿時(shí)間回溯，以前宇宙肯定比現(xiàn)在小，則肯定有那么一個(gè)時(shí)刻，宇宙中所有東西都聚集在一起，宇宙必然有個(gè)起點(diǎn)！

四、大爆炸理論及其反對(duì)者

大爆炸的猜想正式登臺(tái)。這個(gè)起點(diǎn)，人們猜想宇宙起始于一個(gè)非常小的點(diǎn)（奇點(diǎn)），并在一次驚天動(dòng)地的大爆炸中誕生，之后一直膨脹至今。有人肯定要問(wèn)，那宇宙誕生之前有什么？宇宙之外有什么呢？大爆炸理論認(rèn)為，這種問(wèn)法是錯(cuò)誤的。按照愛因斯坦的相對(duì)論，時(shí)間和空間是合為一體的四維時(shí)空，則大爆炸的奇異點(diǎn)既是空間的起始點(diǎn)，又是時(shí)間的起始點(diǎn)。宇宙包含一切，沒(méi)有宇宙之前，也沒(méi)有宇宙之外。從星系退行的速度和星系間的距離可以反推宇宙的年齡，現(xiàn)在的看法，宇宙年齡大概為140億年左右。

任何新理論的出現(xiàn)都要遭到保守者的反對(duì)，也只有經(jīng)受這些考驗(yàn)，一個(gè)科學(xué)理論才能走向成熟。大爆炸理論也不例外，它提出之初，就不斷遭到多數(shù)物理學(xué)家的反對(duì)，認(rèn)為太違背永恒宇宙的信仰。相反大爆炸理論受到羅馬教廷的歡迎，認(rèn)為是上帝創(chuàng)造世界的間接證明。愛因斯坦也是穩(wěn)恒宇宙的支持者，他為了得出了一個(gè)符合廣義相對(duì)論的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，不惜假設(shè)了一個(gè)宇宙常數(shù)產(chǎn)生斥力以抵消引力的影響。這個(gè)憑空假設(shè)的宇宙常數(shù)使整個(gè)理論顯得可疑。很多年后，當(dāng)大爆炸理論最終被大家接受時(shí)，愛因斯坦稱這個(gè)假設(shè)是他一生中犯的最大錯(cuò)誤。

穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論另一個(gè)無(wú)法解釋的問(wèn)題是，夜空為什么這么黑？什么意思呢，如果宇宙永恒存在，按照目前觀察到的恒星分布的密度，夜晚的星光應(yīng)該很亮很密集，夜空將亮如白晝，而實(shí)際上我們只看到稀疏的星光。有人反駁說(shuō)遠(yuǎn)處星星的光在傳播途中被星際塵埃吸收了，但如果宇宙永恒存在，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，塵?？倳?huì)被加熱到足夠熱，也會(huì)發(fā)光，天空應(yīng)該還是很亮。大爆炸理論解釋說(shuō)，由于宇宙膨脹得很快，恒星年齡也有限，目前遠(yuǎn)處恒星的光線還沒(méi)來(lái)得及傳到地球上，所以我們看不到太多的星星。

另一位穩(wěn)恒宇宙的支持者質(zhì)霍伊爾質(zhì)疑大爆炸理論無(wú)法解釋構(gòu)成我們宇宙的各種元素是如何形成的，他提出了一個(gè)恒星爐模型。在這個(gè)模型中恒星是個(gè)大氫氣球，在萬(wàn)有引力作用下，氫氣聚集成恒星，恒星中心高溫高壓，氫原子在這里發(fā)生核聚變反應(yīng)生成氦，反應(yīng)產(chǎn)生的壓力正好抵抗外有引力，產(chǎn)生的熱使恒星發(fā)光。在恒星老年，氦元素繼續(xù)聚變成氮、氧、硫，最終合成鐵。當(dāng)核聚變?nèi)剂蠠陼r(shí)，質(zhì)量較小的恒星會(huì)先膨脹成一顆紅巨星，再變成一顆黯淡的白矮星，主要由碳和氧構(gòu)成，依靠電子簡(jiǎn)并壓來(lái)抵抗萬(wàn)有引力。而超過(guò)錢德拉塞卡極限（約1.38倍太陽(yáng)質(zhì)量）的恒星會(huì)死于一場(chǎng)劇烈爆炸，亮度急劇上升（太陽(yáng)亮度的50億倍），此時(shí)的恒星稱為“超新星”，名字叫新星，其實(shí)是垂死的掙扎。根據(jù)史書記載，公元185年，中國(guó)人觀察到半人馬座超新星爆發(fā)，亮度超過(guò)金星（《后漢書》：“客星出南門中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消”），369年又發(fā)現(xiàn)仙后座超新星爆發(fā)，亮度超過(guò)木星，其后又分別在1006（《宋史》：“景德三年四月戊寅，周伯星見，出氐南，騎官西一度，狀如半月，有芒角，煌煌然可以鑒物，歷庫(kù)樓東”）、1054（《宋會(huì)要》：“至和元年五月己酉，出天關(guān)東南可數(shù)寸，歲余稍沒(méi)?！保┖?604年觀察到豺狼座、金牛座和蛇夫座超新星爆發(fā)。

恒星死亡時(shí)，將這些核聚變合成元素噴發(fā)出來(lái)，再經(jīng)過(guò)凝結(jié)形成新的恒星或行星。地球也是在恒星爐中鍛造出來(lái)的，我們身上每個(gè)原子，都曾經(jīng)是某顆恒星的一部分。行星被別的恒星俘獲，構(gòu)成了包括我們太陽(yáng)系在內(nèi)的星系。超新星的結(jié)局為中子星或黑洞。由于萬(wàn)有引力的壓力太大，超新星在短暫的爆發(fā)后朝中心“坍塌”，連電子都被擠壓到原子核中，電子與質(zhì)子中和變成中子，整個(gè)星體變成一個(gè)挨一個(gè)的中子形成的中子星，其密度如此大，一調(diào)羹這種物質(zhì)就比地球總質(zhì)量大好多倍。某些中子星由于自傳和復(fù)雜的磁場(chǎng)作用，會(huì)周期性輻射高能射線脈沖，又稱為脈沖星。

恒星爐模型非常好的解釋了構(gòu)成行星的各種元素的由來(lái)，但沒(méi)法解釋形成恒星的氫是如何來(lái)的，而且按照這個(gè)理論的計(jì)算，宇宙中恒星爐產(chǎn)生的元素氦的豐度（就是所占總物質(zhì)的比例）沒(méi)有實(shí)際上觀察到的那么大。霍伊爾又假設(shè)氫是持續(xù)不斷的從宇宙中創(chuàng)造出來(lái)的，這個(gè)憑空的假設(shè)和愛因斯坦的宇宙常數(shù)一樣缺乏依據(jù)。而大爆炸理論認(rèn)為，氫和氦都是在宇宙誕生后極短時(shí)間內(nèi)被制造出來(lái)的。《圣經(jīng)——?jiǎng)?chuàng)世紀(jì)》中說(shuō)“上帝說(shuō)要有光，于是便有了光”。按照大爆炸理論，宇宙誕生之初，沒(méi)有物質(zhì)，只有以輻射形式存在的能量。在宇宙早期極高的能量密度下，愛因斯坦著名的質(zhì)能方程（E=mc2，原子彈和氫彈就是一丁點(diǎn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量的結(jié)果）使得能量與物質(zhì)間維持持續(xù)不斷的相互轉(zhuǎn)化，達(dá)到一種熱平衡，光子與核子間的比例約為10億比1。而且高溫下物質(zhì)也表現(xiàn)得極像輻射，可以認(rèn)為宇宙此時(shí)是一鍋炙熱的宇宙湯。具體來(lái)說(shuō)，宇宙誕生1微秒后，隨宇宙膨脹，溫度下降到1萬(wàn)億度，光開始轉(zhuǎn)化成最基本的物質(zhì)，如電子正電子中子質(zhì)子中微子等。3分鐘后，溫度下降到1千萬(wàn)度左右，這時(shí)基本粒子開始結(jié)合形成最基本的原子核氫、氦以及少量的鋰，宇宙的基本成分從此固定了。但直到約38萬(wàn)年之后，宇宙溫度變成1萬(wàn)度時(shí)，原子核才能和電子結(jié)合形成原子。再往后，它們隨宇宙膨脹而分散，但相鄰的星云又在引力作用下聚集、凝結(jié)成恒星，大約在宇宙誕生后10億年，宇宙中第一個(gè)星系形成，此時(shí)溫度已經(jīng)下降到零下200度。150億年后的今天，溫度約零下270度，我們的太陽(yáng)是第二或第三代恒星了。在這一模型下計(jì)算得到元素氦的豐度正和我們今天的觀測(cè)相符，從而霍伊爾的恒星爐理論反過(guò)來(lái)進(jìn)一步支持了大爆炸理論。

恒星爐模型還有更深刻的意義，在研究恒星演化過(guò)程中，彭羅斯發(fā)現(xiàn)約數(shù)倍于太陽(yáng)質(zhì)量的大質(zhì)量恒星不可避免的要崩塌到一個(gè)奇點(diǎn)上去形成所謂的黑洞，將此過(guò)程的發(fā)生順序反過(guò)來(lái)就是一種爆炸?；艚饘⑴砹_斯的結(jié)果應(yīng)用在宇宙上，發(fā)現(xiàn)在廣義相對(duì)論下，宇宙必然誕生于一次唯一的奇點(diǎn)大爆炸。這樣宇宙大爆炸理論終于接近完善了。單單黑洞這個(gè)話題就值得開個(gè)專題來(lái)講。黑洞，顧名思義，就是某種不可見的空洞，最主要的性質(zhì)是其引力如此之大，以至于光線都無(wú)法從中逃脫，空間彎曲為一個(gè)閉合曲面。在黑洞中一切已知的物理定律都失效，我們所能觀察到的實(shí)際上是不可觀察的事件的集合的邊界，即黑洞的視界。“黑洞無(wú)毛”，一切物質(zhì)落入黑洞之后就喪失原有的信息，黑洞僅攜帶面積、質(zhì)量、溫度、自轉(zhuǎn)等少數(shù)幾個(gè)可觀測(cè)量，這似乎違反熱力學(xué)第二定律——孤立系統(tǒng)熵增原理。然而黑洞有溫度和熵，即也有輻射，以一種奇怪的方式遵從熱力學(xué)第二定律，黑洞并非那么黑的。物質(zhì)被吸入黑洞過(guò)程中被加速及加熱，產(chǎn)生強(qiáng)烈輻射，以高能輻射噴流形式從黑洞轉(zhuǎn)軸方向噴射出來(lái)，據(jù)信可產(chǎn)生可觀測(cè)的伽瑪射線。即使黑洞附近空無(wú)一物，黑洞視界附近也會(huì)偶然產(chǎn)生虛實(shí)粒子對(duì)，具有負(fù)能量的粒子被黑洞吸收，正能量粒子逃離，從而使黑洞來(lái)起來(lái)有輻射，并損失能量。黑洞蒸發(fā)速度或輻射功率隨質(zhì)量的增大而減小。大型黑洞質(zhì)量可有太陽(yáng)的一億倍，溫度甚至比宇宙微波背景輻射還低，故其蒸發(fā)小于吸收。銀河系中心被懷疑存在這樣的巨型黑洞，否則無(wú)法解釋銀河系本身自轉(zhuǎn)的速度為什么這么大。事實(shí)上，科學(xué)家甚至估計(jì)宇宙中黑洞的數(shù)量比恒星還多。某些微型黑洞可能產(chǎn)生于宇宙大爆炸初期偶然的高溫高壓環(huán)境下，稱為“太初黑洞”，它有很強(qiáng)的輻射，實(shí)際上是白熱的。最小的微型黑洞可能比原子還小。而一些中等大小的太初黑洞可能殘存到現(xiàn)在，并有可能通過(guò)伽瑪射線輻射觀察到。

五、大爆炸的證據(jù)——宇宙微波背景輻射

經(jīng)過(guò)多個(gè)回合的較量，大爆炸理論逐漸占了上風(fēng)，然而還缺乏更直接的證據(jù)，物理不是宗教，需要切實(shí)的證明。前蘇聯(lián)物理學(xué)家伽莫夫（曾寫過(guò)廣受歡迎的相對(duì)論及量子論科普讀物《物理世界奇遇記》）相信，宇宙創(chuàng)生之初產(chǎn)生大量輻射，很多輻射轉(zhuǎn)化成了物質(zhì)，但應(yīng)該還有些輻射殘存下來(lái)，而且應(yīng)該充斥整個(gè)宇宙空間，像是宇宙的背景一樣。如果能觀察到這種輻射，就可有力的證明大爆炸理論的正確性。由于宇宙的膨脹，這些大爆炸產(chǎn)生的背景輻射要在今天觀察到，其波長(zhǎng)應(yīng)強(qiáng)烈的紅移到微波波段，溫度冷卻到約3K。美國(guó)兩位科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試貝爾實(shí)驗(yàn)室的微波衛(wèi)星通訊裝置時(shí)無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了這個(gè)輻射，大爆炸理論由此得到多數(shù)宇宙學(xué)家的認(rèn)同。

好，如果宇宙是在某次大爆炸中形成的，那最初所有物質(zhì)應(yīng)該在空間中均勻分布著。那么隨著宇宙膨脹，宇宙中物質(zhì)的分布應(yīng)該也是很均勻才對(duì)，但為什么我們看到的宇宙這么不均勻呢？有的地方星系密集，有的地方空空如也。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡繪制出的宇宙圖像進(jìn)一步表明，宇宙存在著許多大尺度結(jié)構(gòu)。星系的分布并非均勻，有長(zhǎng)河和巨洞。有些地方，上百萬(wàn)個(gè)星系聚集到一起形成巨大的星系團(tuán)。這種大尺度的不均勻性是哪里來(lái)的？大爆炸理論引入量子機(jī)制解釋這一問(wèn)題。量子力學(xué)中一個(gè)基本規(guī)律是不確定性原理，物質(zhì)的位置和速度不能同時(shí)精確測(cè)定，具有一定的隨機(jī)漲落。由于宇宙誕生自一個(gè)比原子還小的奇點(diǎn)，空間的局域?qū)е铝孔訚q落效應(yīng)特別明顯，所以容易由隨機(jī)漲落形成一點(diǎn)點(diǎn)不均勻，進(jìn)而在宇宙迅速膨脹過(guò)程中，這種不均勻保留下來(lái)，形成我們看到的大尺度不均勻結(jié)構(gòu)。那么又要問(wèn)，證據(jù)在哪里？1989年美國(guó)航空航天局（NASA）專門為此發(fā)射“科比”(COBE)衛(wèi)星，全面探測(cè)了微波背景輻射在各個(gè)方向上的分布，繪制了宇宙早期的輻射圖像（宇宙蛋），真的發(fā)現(xiàn)了微小的輻射強(qiáng)度起伏分布，證明宇宙早期的確存在不均勻性，可形容為“宇宙的褶皺”。

六、新的挑戰(zhàn)——暗物質(zhì)、暗能量

似乎理論已經(jīng)相當(dāng)完善，人們?cè)囍鴣?lái)回答幾個(gè)基本問(wèn)題。首先，宇宙的形狀是什么樣的？什么叫宇宙的形狀？打個(gè)比方，一只螞蟻在地球儀上爬，在它看來(lái)，地面是平的，但是我們站在三維空間里知道，地球儀表面是彎曲的。如果螞蟻想要知道它所處的面是不是彎曲，可以在地球儀表面畫個(gè)三角形，測(cè)量三角形內(nèi)角和，如果恰好等于180度，則稱符合歐幾里德幾何，表面就是平的，如果不等于180度，則符合非歐幾何，表面是彎曲的?！拔镔|(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)”。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，引力可以使空間彎曲，就像人走在一個(gè)軟墊子上，人所處的位置總塌下去一塊。在大質(zhì)量星體附近，我們可以看到這種空間彎曲的效應(yīng)。廣義相對(duì)論被世界承認(rèn)正是通過(guò)愛丁頓在某次全日食時(shí)觀測(cè)星光的偏移實(shí)驗(yàn)。星系或星系團(tuán)的質(zhì)量比單個(gè)恒星要大得多，可使周圍使空間彎曲形成“引力透鏡”，星系背后的星光被重新聚焦，一顆星星可能形成多個(gè)像或弧形的像。當(dāng)很大的質(zhì)量聚集在小的空間中時(shí)，周圍的空間被彎曲得如此強(qiáng)烈，光線不能從中逃脫，這就是黑洞。

如果考慮整個(gè)宇宙，空間形狀也可能是彎曲的，但是我們?cè)谌S空間中不能直觀感覺到這種彎曲，得想辦法測(cè)量。宇宙空間的形狀有開放、平直和閉合三種可能，取決于引力和膨脹速度之間的競(jìng)爭(zhēng)。其中使引力恰好與膨脹速度平衡的臨界質(zhì)量可以計(jì)算出來(lái)，大約是每立方米一個(gè)核子。那么怎么測(cè)量整個(gè)宇宙的形狀呢？也是靠測(cè)量廣大空間中的三角形內(nèi)角和。測(cè)量不同方向上的宇宙微波背景輻射來(lái)確定三角形兩條邊，第三條邊靠背景輻射背景的不均勻性大小確定，背景的微小擾動(dòng)以產(chǎn)生輻射時(shí)的聲速傳播，距今對(duì)應(yīng)1度的觀測(cè)角。2001年MAP衛(wèi)星最終測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)我們的宇宙確實(shí)是剛好平直的。如何解釋？由此古思提出了“暴漲”理論，認(rèn)為宇宙在誕生之初經(jīng)歷了一個(gè)急速膨脹的過(guò)程，之后再以較慢的速度膨脹。暴漲理論能解釋平直空間、宇宙年齡等重大問(wèn)題。宇宙開始的可能彎曲由于暴漲而拉平了，就像一個(gè)氣球越膨脹，氣球表面就越接近一個(gè)平面一樣。暴漲還可以解釋磁單極問(wèn)題。宇宙誕生之初由于很高的能量密度，應(yīng)產(chǎn)生大量磁單極，但目前地球上尚未觀察到。暴漲理論認(rèn)為宇宙的劇烈膨脹使磁單極密度迅速變得稀疏，故地球上很難觀察到。

既然已知我們的宇宙是平直的，那么整個(gè)宇宙的質(zhì)量密度應(yīng)該正好在臨界值，然而把我們所能見的所有恒星行星星云都包括在內(nèi)，質(zhì)量密度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以使宇宙呈平直形狀。由此推測(cè)，還有很多物質(zhì)以某種觀察不到的方式存在，稱為“暗物質(zhì)”。盡管不能直接看到暗物質(zhì)，但它們通過(guò)引力與可見的星體作用，因此仍可估算其多少，目前認(rèn)為，暗物質(zhì)是可見物質(zhì)質(zhì)量的幾十倍。

然后，宇宙的年齡有多大？之前我們說(shuō)到過(guò)，通過(guò)星系間的距離和星系退行速度，我們可以反推宇宙年齡，但是由于星系間引力作用更大，星系退行速度應(yīng)該是一直在減小。綜合這些因素，由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)計(jì)算得到宇宙的年齡約100億年。但當(dāng)時(shí)已知一些大的星系團(tuán)的年齡有120億年，這就導(dǎo)致宇宙年齡比宇宙中天體年齡還小，顯然是不可接受的。后來(lái)，通過(guò)對(duì)一些超紅移超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這些遙遠(yuǎn)超行星的亮度比預(yù)期要暗，也就是說(shuō)它們的距離比預(yù)期要遠(yuǎn)，必須認(rèn)為宇宙一直在加速膨脹才能解釋。宇宙的加速膨脹重新修正了宇宙年齡，約為140億年，這樣就不會(huì)與古老星系團(tuán)的年齡相矛盾了。但這又帶來(lái)新的困難，什么機(jī)制使宇宙加速膨脹？因此又提出由“暗能量”提供排斥力使宇宙膨脹，似乎愛因斯坦的宇宙常數(shù)又回來(lái)了?？偨Y(jié)起來(lái)，我們所能觀察到的所有恒星行星星云加在一起，不過(guò)占宇宙成分的5%，而暗物質(zhì)占25%左右。物質(zhì)和暗物質(zhì)加起來(lái)占1/3，暗能量則占2/3。宇宙的未來(lái)似乎并不樂(lè)觀，按照目前的理論，宇宙將會(huì)永遠(yuǎn)加速膨脹下去，最終夜空中所有的星星都將消失，太陽(yáng)系將成為宇宙中的孤島。

看來(lái)大爆炸理論還有很多未解之謎。暗物質(zhì)是什么？暗能量又是什么？黑洞內(nèi)部發(fā)生了什么？奇點(diǎn)是什么？我們所知越多，未知也越多。在霍金等發(fā)展的量子引力論中，奇點(diǎn)可以理解為量子漲落，從而再次取消了上帝存在的必要性。在時(shí)間很精確的某一瞬間，能量突然漲落到產(chǎn)生整個(gè)宇宙，之后宇宙就按照大爆炸模型演化，直到在某顆藍(lán)色的星球上進(jìn)化出生命我們?？赡茉谖覀兊挠钪嬷幸矔r(shí)時(shí)刻刻由于能量漲落在產(chǎn)生新的嬰兒宇宙，就像天空中漂浮著的熱氣球。那里的物理規(guī)律和我們的世界完全不同。我們也許有可能觀察到這樣的宇宙存在。