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宇宙极简史

宇宙极简史

吴忠超 《 中华读书报 》( 2016年10月26日   24 版)

  对于宇宙的起始,所有文明和意识个体都拥有各自与生俱来的“创世纪”。

 

  在牛顿的宇宙观中,空间向三个相互垂直的方向无限伸展,时间从无限的过去流向无限的将来。但真正严格地对牛顿的时空观进行审思乃自康德《纯粹理性批判》始。康德对空间和时间是否有界以及是否有限的思辨导至所谓的二律背反。之后的一百多年间,后人多半重复并停留在康德的认知上,并没有往前迈进一步。这些问题只有靠科学才能给出判决。

 

  现在一般认为,制约宇宙行为的相互作用应是万有引力。而引力是由爱因斯坦在1915年发现的广义相对论来描述。1916年爱因斯坦在这个理论中得到一个以三维球为空间的静止宇宙模型。三维球虽是无界的,其体积却是有限的。为了容易摹想,可将三维球降低一维,就成为熟悉的二维球面。宇宙静止的观念如此根深蒂固,甚至连爱因斯坦,这位近代科学最伟大的变革者,都不得不引进一个宇宙常数,以对抗天体间的相互万有引力,以从他的引力场方程得到这个静止的宇宙解。

 

  其实牛顿的宇宙只是我们极局部时空的线性外推的幻象而已。所以在哈勃发现宇宙的红移定律之前,没人想到过宇宙还会演化。唯有俄国的弗利德曼在1922年从爱因斯坦方程得到了各向同性和空间均匀的宇宙的演化的解,但没被西方学术界注意。

 

  上世纪二十年代,哈勃在观测邻近星系的光谱时,发现它们绝大多数都向红端移动,星系越远则红移得越厉害。如果把这种红移归因于星系飞离我们引起的多普勒效应,那就表明这些星系正相互飞散开去。宇宙学家将其解释为空间正在膨胀,而星系被空间携带着同行,犹如在一个代表宇宙的气球表面上画了许多代表星系的斑点,随着气球被吹脹,从处于每个斑点上的观测者看来,周围的斑点都往后退去。这种解释至少在美学上令人非常满意:宇宙没有中心!我们的星系并不比其它星系更优越。正如哥白尼体系革除了地球的中心地位,所以宇宙没有中心的观念又被称为哥白尼原理。1929年,哈勃宣布了这个宇宙膨胀的红移定律。宇宙尺度的相对变化率称为哈勃常数。在此前后勒梅特也发现了膨胀的宇宙。从此宇宙膨胀模型深入人心。

 

  此后弗利德曼的解被重新发现,并被作为宇宙学的数学框架。由于引力总是吸引的,所以宇宙的膨胀总是减速的,宇宙的最终命运是重新收缩,不断膨胀,还是处于两者的临界,依物质密度是否比同时刻膨胀率决定的临界密度大小而定。这种解的一个显著特征是宇宙起始于一二百亿年前的一次密度极大温度极高的大爆炸奇点。1948年,伽莫夫计算出在宇宙的最初几分钟会发生什么。在最早的几秒钟,宇宙由电子、质子、中子和它们的反粒子以及辐射组成,在更早的时刻则完全由基本粒子组成。

 

  宇宙在其年龄三十八万年前一直处于不透明状态,这是因为光子在宇宙的等离子汤中不断被散射,直到质子和电子结合成氢原子,而光子的能量不足以将其电离后,光子的平均自由程超过宇宙尺度,宇宙才变成透明的。这个时期叫做复合时期。伽莫夫预言,太空中还存在大爆炸早期炽热的余辉,它应以微波辐射的形式在现时呈现。

 

  在大爆炸场景中可以计算出核合成出的轻元素的丰度,其中最为人知的是氦-4相对于氢按照质量是四分之一。这些预言的丰度和实际测量符合得较好。

 

  宇宙在复合时期后,经历了漫长的黑暗时期和结构形成时期,才形成了恒星、星系、星系团和超星系团。我们的太阳系形成于46亿年前。

 

  1964年彭齐亚斯和威尔孙发现了宇宙微波背景辐射,其温度为3开。现在观测到的这个背景辐射就是宇宙在转变成透明的最后散射面2700开温度的辐射,但由于宇宙从那时迄今的巨大膨胀引起了极大红移,使它变成了今天的这个样子。这个发现使大爆炸模型成为宇宙学的主流模型。

 

  弗利德曼的解当然只是一种理想化的解,那么宇宙中的一些无规性对它的偏离,是否足以使宇宙避免起始于这个大爆炸呢?而大爆炸奇点毕竟意味着物理定律因果律等在该处的崩溃。1970年霍金证明了,在经典广义相对论中,宇宙在大爆炸处的奇点是不可避免的。他认为,研究宇宙的起始必须祈求量子宇宙学。

 

  1970年代后期,人们就意识到,在大爆炸模型中存在平性问题、视界问题和单极子问题。其中平性问题归因于宇宙的演化对于初始条件的极度敏感,只有以不可思议的精度选择初始条件,才能导致今天这么平坦的宇宙。所谓视界问题是,为何在天穹的相当不同的方向上会观测到相同的微波背景温度,须知这些方向在从大爆炸奇点直至最后散射面都没有过任何因果的接触。而单极子问题是,在宇宙极早期随着温度的降低,粒子物理的大统一理论中的希格斯场经历过一系列从对称相向对称破缺相的相变,强、电和弱作用强度随之逐步分离。而那些从大爆炸奇点起从未因果接触过的区域的破缺相无须相同,它们可能会连接形成单极子。人们估算出,目前单极子的密度甚至和核子密度相当,但是迄今从未发现过任何单极子。

 

  为了解决这些问题,固斯、林德等人猜测,在温度和大统一能量相当的极早期宇宙,一种后来称为暴胀场的标量场的真空能使宇宙在极短时间里进行指数式的极大的暴胀,该标量场从真空能的高点缓缓地滚下,最后快速振荡。这种振荡相当于大量标量粒子的同步运动,它们在这过程中衰变成后续的大爆炸模型中的辐射。只要暴胀足够就可以解决前面的三个问题。

 

  暴胀模型的最美妙之处在于,在它之前的宇宙中的无规性,一旦其尺度随着指数式膨胀到宇宙视界的大小,就被迅速地在视界内抹平而不显现,而视界内光滑时空背景下的量子场涨落的标量部分和张量部分分别成为星系、星系团等宇宙中一切结构和太初引力波的起源。人们假定在暴胀阶段量子场存在不确定性允许的最小涨落,这些涨落的幅度在其尺度扩张到宇宙视界时开始凝固,它们在宇宙的大爆炸阶段又作为激发态回到视界之内。标量涨落体现为最后散射面上的温度变化,它导致密度变化,是星系、星系团等结构的籽。

 

  1989年底发射的COBE卫星在1993年精密测量宇宙背景微波辐射,发现这是自然中最完美的黑体辐射谱,在扣除了我们相对于宇宙本底的千分之一光速数量级的相对运动引起的偶极温度畸变后,该背景呈现为2.726开平均温度的微波辐射,其各向异性相对涨落仅为百万分之六。这和暴胀模型和量子宇宙学的预言相符。

 

  至于张量涨落则较弱,而且只直接影响微波背景辐射的偏振,所以要检测到它非常难。2014年BICEP2小组宣布在南极探测到太初引力波,但后来被否认。从暴胀模型可以算出标量和张量涨落的幅度比,但这要依赖于模型的细节。

 

  1998年,珀尔马特、施密特与里斯借助Ia超新星发现了宇宙正在加速膨胀。现在对宇宙加速膨胀的解释是宇宙的现有物质组成中68%为暗能量,它通常被认为是宇宙常数,还有5%为可见物质和27%为暗物质,后者是我们除了它的引力效应外还没有其他被观测到的效应的物质。

 

  暗物质的非引力效应终归甚至可望在不久的将来被探测到。但暗能量的危机则深重得多。它使人想起十九世纪末科学天空上的两小朵乌云:迈克尔孙-莫雷实验和黑体辐射谱。这两朵云正是二十世纪初发现相对论和量子论的先兆。

 

  随着宇宙的膨胀,可见物质或暗物质都越变越稀薄,而宇宙常数却永恒不变,未来的宇宙演化将由后者主导,膨胀将趋近于指数增长方式。从观测的角度看,在遥远的未来,如星系团那时还存活的话,我们周围的星系团终究将越过宇宙视界,它们在接近视界时会显得固定不动,影像越发红移,越发黯淡,直至消失,正如物体落入黑洞视界一样。

 

  2001年发射的WMAP将角分辨率从COBE的7度提高到13分。从WMAP和基地在南极的测量得到的宇宙微波背景的温度的相关函数可以推出宇宙空间是平的。2009年发射的普朗克卫星进一步完善WMAP的观测,利用哈勃常数和以上的物质组成,把宇宙的年龄精确地确定为138.2亿年。引人注意的是它发现了天穹两半球平均温度的不对称和冷点,这和标准模型的预言相背离。

 

  暴胀模型虽是非常简单的唯象理论,暴胀场是随意引进的,并非从第一原理推出,但非常成功。相当广泛的,但绝非所有的初始条件,都能导致我们现在观测到的宇宙。比如说,它假定了太初涨落是处于基态,所以只能算是一个半自足的模型。

 

  其实宇宙学的最主要问题是宇宙创生问题。1981年霍金提出,“宇宙的边界条件是它没有边界”,宇宙三维空间的量子幅度是所有以它为仅有边界的四维欧氏时空的路径积分。由此仅依赖第一原理就能推导出宇宙的许多性质,如空间的各向同性、宇宙的旋转、时空的维数以及太初黑洞等,特别是可以导出普朗克时期的暴胀,以及太初涨落必然处于基态的推论。其实关于太初涨落,吉本斯和霍金在1977年在计算指数膨胀宇宙的视界的温度时就已经得到。

 

  因为宇宙没有边界,所以宇宙的演化就完全由科学定律所决定。从此宇宙学就成为既自洽又自足的一门科学。而宇宙的所谓终极存在只不过是一套科学定律。

 

  人们正在寻找所谓的统一理论,也许假以时日能够达到目的,如果它存在的话,其形式也许会远远超出任何人的想象。不过无论如何,无边界宇宙无愧是祛除第一推动的最彻底的设想。

 

  爱因斯坦认为,“宇宙最不可理解之处是它是可理解的”。不过,由于我们自身是宇宙的一部分,我们无法离开宇宙来观测它,所以了解宇宙是非常困难的。人择原理认为,“宇宙之所以如此呈现,正是因为生命个体作为观察者的存在”。这也许才稍微触及这个困境。宇宙是唯一的并包容一切的,所以它的创生问题才至关要紧。至于所谓的多宇宙和平行宇宙都可以用奥铿剃刀全部切除,我们观测不到又对我们没有影响的任何东西都不应是科学的研究对象。

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