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宇宙的演化
Revolution of Universe
Walk through the light to find the shadow,
Til' your gods stall you from the edge,
Sunk in the thought, the feel, the distance,
Was it your secret?
——X Japan《Jade》
目前，人类已经对宇宙有了非常多的了解。几乎人人都知道，宇宙创生于138亿年前的一次大爆炸，紧接着的经历了一段称为暴胀的加速膨胀时期（周五的推文里有一些介绍，而今天小编将带着大家简单回顾一下宇宙的演化历程）。
大爆炸宇宙学的最早的提出者是我们之前提到的勒梅特神父。而真正让大爆炸变成世人所公认的理论的则是伽莫夫。
1915年，爱因斯坦建立了广义相对论之后，现代宇宙学也随之建立。起初爱因斯坦试图建立一个稳态的宇宙模型。但是1922年，苏联数学物理学家弗里德曼利用广义相对论，推导出了膨胀的宇宙模型。
1927年，比利时的神父勒梅特也得到了类似的膨胀的宇宙模型，并且提出了宇宙蛋假说，这是大爆炸理论的雏形。1929年，美国天文学家哈勃依据观测归纳出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，这是对膨胀宇宙的一个有力的验证。
直到1946年，伽莫夫和他的学生阿尔法以及同事核物理学家贝塔一起，正式提出火球理论。
在理论提出的时候，核物理学家贝塔本来并未参与到工作之中。但是爱开玩笑的伽莫夫发现，他的名字很像伽马，于是三个人就凑成了αβγ，并以此为名义发表了论文。火球理论起初并不被看好，反对者（以英国科学家霍伊尔为首，霍是稳恒态宇宙模型的提出者）将其讽刺为Big Bang，即大爆炸。然而，大爆炸理论得到了越来越多的实验验证，1978年，工程师彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了一些无法去掉的背景噪音，而普林斯顿大学的迪克和皮伯斯等人立刻意识到，这正是他们苦寻无果的宇宙微波背景辐射。这是对大爆炸理论的最有力的验证。此外，宇宙中的氦丰度也是大爆炸理论的成功预言之一。
大爆炸理论提出之后，宇宙学发展的另一个里程碑就是暴胀理论的提出。最早的暴胀理论由斯塔罗宾斯基提出。阿兰·古斯、林德等人也在暴胀理论的改进上做出了重大贡献，三人一起获得了2014年的卡弗里奖。
既然说宇宙诞生于大爆炸，那么有读者说，奇点问题无法回避奇点之前。实际上这种说法本身就是错的，因为大爆炸之前，并没有时间这个概念。同理，关于宇宙的终极命运，有大撕裂假说，大撕裂发生之后，时间也不复存在，因此在这两个问题上是无从谈论所谓的 之前 或者 之后 的，尽管这和我们的直觉严重不符。
接下来，我们将从宇宙的演化角度，来对宇宙进行整体的介绍。
大爆炸理论存在一些难以克服的难题。例如，为什么我们的宇宙如此平坦？大爆炸理论认为，如果宇宙想要达到今天这样平坦，那么宇宙的初始能量密度将和临界密度非常接近，否则，随着宇宙逐渐膨胀，这里的偏离会越来越大，直到无法忽略。但是我们的宇宙就好像是有人设计好那样，早期宇宙的物质密度，还真就是在临界密度，好像被人调节过一样。就好比咱们解方程，必须得要初始条件，硬凑一个好的初始条件的确能够解出来方程，但是硬凑的话总是不会让人很满意。
另一条重要的问题就是因果性问题。宇宙微波背景有着高度的各向同性，各处的温度几乎相同。而在膨胀的宇宙中，由于粒子视界的存在，我们无论什么时候，都不可能观测到整个宇宙，因为宇宙中有信息传递速度的上限，这就势必导致视界的存在的。换句话说，宇宙中每一个观测者只能观测到和自己有信息交换的范围。
随着粒子物理学的发展，大统一理论似乎让人们看到了破解这些难题的曙光。然而，这反倒让人注意到，大爆炸理论还会带来一个磁单极子问题。
可见宇宙为何接近一个临界状态，为何在所有方向上几乎以同样的速度膨胀，为何宇宙在各个方向上达到十万分之一以内的相似性？为了解决这一系列问题，斯塔罗宾斯基、古斯、林德等人先后提出了暴胀宇宙模型。
暴胀宇宙指的是宇宙早期历史中一个短暂的加速膨胀时期。我们知道，不同的宇宙演化阶段，都有不同类型的物质在主导着宇宙的演化。宇宙的暴胀也不会是凭空而来的，而是当“暴胀子场”主宰着宇宙中的物质密度时候，就会发生暴胀。而这个场到底是什么，在这里我们不必深究，因为至今并没有一个公认的最好的模型，而这其中的领先者则是慢滚暴胀理论。
接下来，这个场必须讯速地衰减，否则宇宙将以可怕的速度继续膨胀下去。而当它快速衰减之后，宇宙重新进入了减速膨胀的阶段，直到暗能量主导宇宙为止。为了解决永恒暴胀问题，也就是说从暴胀相进入膨胀相，物理学家不得不引入额外的物理机制。霍金生前最后一篇挂在预印本上的论文，正是研究永恒暴胀的文章。
暴胀认为，宇宙在极短的时间内，突然膨胀到非常大的尺度。这个尺度之大，足以包容今天的可观测宇宙。而在这个剧烈膨胀的过程中，再多的不平坦也被抹平了。此外，暴胀子场中的量子涨落也会在很久之后演化成了目前的宇宙大尺度结构，而磁单极子问题也被稀释到可以忽略的地步。
除了暴胀之外，火凤凰宇宙也是目前一个较为火热的替代理论。火凤凰宇宙是基于胚理论的一种循环宇宙模型，宇宙在两个额外维中的三维胚世界的碰撞中浴火重生，重新回到膨胀的状态。而这一理论的主要支持者，正是曾为暴胀宇宙学立下汗马功劳的斯坦哈特。
暴胀结束之后，宇宙开始重子合成，早期宇宙中的密度不均匀会产生原初黑洞，原初黑洞不仅和重子合成有关，也是暗物质的候选者之一。
之后宇宙开始各种相变。我们所熟知的各大基本作用力在这里就开始崭露头角，逐渐分离开来。而这一切都发生在不到1秒之内。早期宇宙效率如此之高，和相当高的粒子密度是分不开的。
而宇宙中的核合成，主要发生在宇宙大爆炸三分钟之内，主要产物是氦元素，同时伴有少量的氘、锂、铍等。宇宙中其他更重的元素不是在早期核合成时期产生的，而是依赖于晚期恒星内部核反应，以及超新星爆发。
大约在大爆炸37万年之后，质子和电子得以结合成为氢原子。此时，光子才从中脱耦，并开始在宇宙中自由传播。随着宇宙进一步膨胀，就成了今天我们观测到的宇宙微波背景辐射。
CMB的研究具有重大的意义，因为CMB的产生意味着宇宙变成了透明的，人类可以通过电磁手段来观测，而这之前的宇宙，人类只能依靠引力波来获取吉光片羽。微波背景辐射是宇宙38万岁时从3000度的高温等离子体状态转化为中性气体而遗留下来的残留余辉，现在的温度只有约2.725度。也正因如此，CMB被俗称为宇宙大爆炸的余晖。
前面我们提到了COBE和WMAP，WMAP是目前研究CMB的主力军之一。事实上，COBE的创举在于，在不同的方向上，发现有10^-5大小的温度起伏，这是所能看到的宇宙的最早图象。好比看到了“上帝”的脸。 而WMAP已经能够观测到10^-6这个程度。而今天，Planck的观测要更加精细，甚至专门有后普朗克宇宙学一词。
正因如此，宇宙微波背景被称作宇宙最初的光。
在宇宙10亿岁的时候，宇宙的大尺度结构已经开始逐渐形成。而在6亿岁的时候，宇宙逐渐开始从减速膨胀演化到加速膨胀。再过几十亿年，我们的太阳系就形成了。而到今天为止，人类仅仅存在了二百多万年。
尽管观测数据强烈支持宇宙是平坦的，但是一直缺乏理论上的论证。因此，对宇宙动力学进行整体分析，会对这些现象有合理的解释。我们知道，非线性动力学系统比线性系统复杂得多。诸如解的存在唯一性，在线性情形下是显然的，而在非线性情形下则不再一目了然。而宇宙演化的动力学是一个非线性系统，因此宇宙动力学系统可以存在各种性质不同的解，并且可以综合运用非常多的数学知识。
在对宇宙的认识上，我们没必要妄自菲薄，也没必要认为人类处在宇宙中，就无法观测整个宇宙。我们举个很简单的例子，一个处于蹦蹦床上的蚂蚁，能否知道自己所处的是平直的网格还是弯曲的网格呢？显然蚂蚁也不可能飞到外面看一看，但是它可以走一个大圆，然后看看圆周率和祖冲之给出的一不一致；或者走一个三角形，测量一下内角和，这样就可以知道其所在的空间的大小。此外，虽然存在视界，但是人类还是可以利用观测到的“副产品”进行推敲，这里是不存在逻辑问题的。
目前，观测宇宙学已经发展到相当出色的地步，例如，宇宙背景探测器（COBE）卫星关于CMB的观测，是诺贝尔奖级别的工作，它对大爆炸的做出了足够的验证，并且进一步确信宇宙在大尺度上是均匀且各向同性。
此后，观测宇宙学进入了研究黄金年代，NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局（ESA）的普朗克卫星相继升空，第一个大规模数码巡天项目——斯隆数字巡天观测（SDSS）也展开了运行。2013年，暗能量巡天观测（DSE）开始运行，目前也取得了较多的成果。而宽视场红外巡天望远镜（WFIRST）、韦伯太空望远镜（JWST）、30米望远镜和大麦哲伦望远镜等等也是观测宇宙学的生力军。
那么，宇宙的命运将会是怎样呢？暗能量究竟是什么呢？且听下回分解。
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作者：王纪尧
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