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宇宙學的黃金時代

阿蘭 古斯

宇宙暴脹理論之父

戴維 施拉姆(David Schramm)認為，我們所處的今天，是宇宙學的黃金時代。這話說得千真萬確！當下的宇宙學研究正在從一系列不靠譜的推測，轉變為真正的硬科學分支，它的各種理論可以得到觀測的檢驗和發展。宇宙學最有意思的領域之一，是對宇宙背景輻射的不均勻性起伏的預測，這正是我一直以來深度參與的領域。我們認為，宇宙背景輻射是宇宙大爆炸之后的熱量余暉。這種輻射最顯著的特征之一，是它在所有方向上均勻統一，在忽略了背景輻射中地球相對運動的影響之后，輻射的均勻性達到了十萬分之一的精度。

我深度研究的理論稱為宇宙暴脹理論，這一理論似乎是對宇宙均勻性的解釋。均勻性并不容易理解。你也許會認為，取出烤箱的比薩從熱變涼的過程所體現出的物理學基本原理，就能解釋宇宙的均勻性——事物傾向于達到統一的溫度。實際上，通過宇宙學方程算出宇宙在任意給定的時間里膨脹得有多快，物理學家就可以計算出達到均勻性所需要的時間。

物理學家發現，為了實現整個宇宙背景輻射的均勻性，宇宙需要足夠快地冷卻，信息必須以100倍光速的速度傳播。但是，根據現有的所有物理學理論，任何事物的運動速度都不會超越光速，因此宇宙均勻性的現象就無法得到解釋了。大爆炸理論的經典版本不得不簡單粗暴地假設，宇宙從一開始就是各向同性的，即完全的均勻。

宇宙暴脹理論是標準大爆炸理論的擴展，它進一步描述了最初驅動宇宙膨脹的原因。在大爆炸理論的經典版本中，膨脹是初始假設，也就是不需要任何解釋。經典大爆炸理論算不上一個完整的大爆炸理論，它只能算是描述大爆炸結果的理論。暴脹提供了回答宇宙大爆炸結果的可能答案，目前這個回答看起來幾乎是確定的正確答案。

宇宙暴脹理論利用了現代粒子物理學的結果。粒子物理學預測，高能狀態存在特殊類型的物質，這些物質會導致引力轉向，產生排斥力。暴脹理論認為，早期宇宙包含至少一定量的這種特殊物質。其結果是，你只需要很少一點的這種物質，就可以使排斥力劇烈增大，達到足以覆蓋整個可觀測宇宙的范圍。

由于在暴脹模型中宇宙可以從極端微小的狀態開始演化，所以宇宙暴脹理論對可觀測宇宙的均勻性作出了簡單、有效的解釋。在早期宇宙微小的范圍內，宇宙有充足的時間實現溫度和密度的均勻性，這與房間中的空氣會充滿整個空間從而實現密度均勻的機制相同。并且，如果你將房間孤立起來，足夠長的時間之后，溫度也會達到一致。對于微小的早期宇宙，在暴脹模型的開始之初，宇宙的歷史有足夠的時間讓這些機制發揮作用，最終促成宇宙達到幾乎的均勻狀態。暴脹接管和放大了這些微小區域，將其變得足夠大，直到充滿整個宇宙，將其均勻性與宇宙膨脹開始時保持一致。

當這一理論最初得到進一步發展時，人們開始擔心我們把宇宙設想得過于均勻。宇宙最令人驚嘆的特征之一就是其均勻性，但并不意味著均勻。我們有星系和恒星，有星系團和各種復雜的結構，這些都需要我們對其進行進一步解釋。如果宇宙開始于徹底的均勻性，它將一直保持這樣的均勻，也就不會使物質聚集或是產生特殊的結構。

我相信史蒂芬 霍金是及時個回答了這個問題的人。他指出，量子效應可以拯救我們，雖然他早期的計算不夠。真實世界不是被經典物理學描述的，盡管它很厲害，也可以給我們提供描述事物的決定性方程。但是真實世界，根據我們對物理學的理解，需要量子力學進行描述。這意味著，一切都是概率問題。

我們感知的“經典”世界中，每個物體都有確定的位置和運動軌跡，它們其實只是量子理論預言的不同狀態的平均值而已。如果我們在這里采用這種觀念，至少走對了大方向。這意味著，我們在經典方程中預言的均勻密度僅僅是量子力學密度的平均值，真實值在一個范圍內波動，只是位置有所不同。量子力學的不確定性使早期宇宙的密度可以在某些地方更高一點，而在另一些地方略低一點。

這樣，在暴脹結束時，我們期待，在物質幾乎均勻的密度上能泛起輕微的漣漪，而且是可以實際計算的漣漪。坦白地說，我們對粒子物理學的了解還不夠，還不能預測這些漣漪的尺度。但我們可以計算的是，這些起伏的強度依賴漣漪的波長。也就是說，所有尺度的漣漪都存在，你可以計算不同尺度的漣漪具有怎樣不同的強度。你還可以討論我們稱為“頻譜”(spectrum)的東西，我們利用這個詞地描述聲波。當談論聲波的頻譜時，我們討論的是不同波長的聲音具有怎樣不同的強度。同樣的分析也適用于早期宇宙，早期宇宙不同漣漪的不同波長有著各自的強弱程度。今天我們可以在宇宙背景輻射中看到這些漣漪。

我們能看見它們，算得上是現代科技的奇妙貢獻。1982 年當我們及時次預言這種起伏的時候，天文學家還無法注意到地球在背景輻射中運動的效應，這種效應大約占到千分之一的數量級。而我們討論的密度起伏的漣漪，只有十萬分之一的強度。也就是說，宇宙密度起伏的跡象，僅僅是我們當時能勉強觀測到的強度的1%。

我一直不相信我們能真正看到這些漣漪。這要比當前的觀測水平強100倍，這對天文學家來說太難以實現了。但是驚喜和光明在1992年到來了。具有7 度角分辨率(angular resolution)的COBE 衛星(Cosmic Background Explore，宇宙背景探測器)首次探測到了這些漣漪，當然僅僅是最長波長的漣漪，不過我們現在已經有了更好的觀測。現在的角分辨率已經遠遠小于1度，可以非常地測量不同波長的漣漪強度。這可是非凡的成就！

大約一年半以前，BOOMERANG 和MAXIMA 實驗了一系列獨特的聲明。兩個探空氣球實驗給出了宇宙在幾何上具有平坦性的強烈證據，這正是暴脹理論所預言的。在這里，平坦不是指二維平面，三維空間也可以平坦。根據廣義相對論，平坦的宇宙三維空間意味著不存在曲率。利用宇宙演化所引起的漣漪，你實際上可以看到空間的曲率。不過，一年半之前也出現了困擾人們的重大分歧，沒有人知道該如何處理這個問題。他們測量到的頻譜圖像有幾個峰值。這些峰值是早期宇宙密度波的震蕩，這種現象被稱為共振(resonance)，共振使某些特定波長的震動強度增加。測量證明了及時個峰值，恰恰就是我們期待中的位置和形狀。但我們沒找到第二個峰值。

為了用理論擬合數據，人們不得不假設宇宙中存在比過去認為的多了大約10 倍的光子，因為額外的光子可以產生某種阻尼效果，以使第二個峰值消失。當然，所有的實驗都有誤差。如果實驗多次重現，結果不會每次都一致。因此我們可以想象，第二個峰值只是因為運氣不好而恰好沒有被觀測到。盡管如此，如果宇宙包含了其他觀測已經得出的光子密度，峰值不可見的概率將下降為1%。因此預測和理論之間的分歧依然存在。

所有戲劇性的改變都發生在三四個月之前。現在第二個峰值不僅能看得見，而且高度與理論預期一致，一切觀測現在都可以地被理論預測。這真是太好了！雖然我知道在這條道路上我們一定還會遇到很多困難，但我們有了一幅漂亮的圖景，目前來看，它確認了早期的宇宙暴脹理論。

我們當前關于宇宙的圖景面臨著一些新困境，這些問題都是兩三年前出現的。為了擬合數據，匹配觀測，我們必須假設宇宙中存在我們過去不知道的新能量。這種新成分通常被稱為暗能量。就像它的名字所暗示的那樣，我們依然對它的細節所知甚少。它就像是我們之前談論過的排斥力，是早期宇宙中驅動暴脹的元素。事實上，我們今天的宇宙依然充滿了類似的物質。雖然反引力效果比早期宇宙存在過的效果微弱多了，但我們非常確定的是，今天的宇宙正在加速膨脹，這正是暗能量作用的結果。

雖然我試圖對我們已經理解和掌握的知識進行宣傳，但這其中仍然存在很多不確定性。比如，我們依然不清楚宇宙組分中最充足的物質的性質。暗能量占宇宙總質量(能量)的60%，我們卻不了解它到底是什么。它可能是真空能本身，但我們并不知道更多細節。另外，被我們稱為暗物質的部分占宇宙總質量的30%甚至40%，我們同樣不了解它。暗能量產生排斥力并且平滑分布，暗物質像普通物質那樣受到引力作用，它彼此吸引并且成團，但我們不知道它的構成。而我們已經認識的質子、中子、普通物質的原子和分子，只占宇宙總質量的5%。

在宇宙學領域，我們已經取得了巨大進展。但同時，我們目前掌握的理論還遠遠沒發展到說明一切的程度。