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《仰望星空》16 - 暴胀的宇宙

“视界问题”不但困扰着当时无数的物理学家和宇宙学家,也困扰着在美国斯坦福直线加速器中心工作的理论物理学家阿兰·古思(Alan Guth,1947年 - )。不过这个古思是个牛人,他在1979年首次提出了一个理论,后来又经过另外几个科学家的关键改进,使得这个理论成功地解决了困扰学界多年的视界问题,并且被物理学界广泛接受,这就是大名鼎鼎的暴胀理论。这个理论其实非常复杂,也涉及到众多的概念和计算,但是我还是可以试着用一种概括的方式跟大家概述一下:

视界问题之所以会折磨原有的标准大爆炸模型,是因为空间的不同区域分离得太快,不足以建立起热平衡。暴胀理论则减慢了在宇宙最最初期时刻的膨胀速度,使宇宙大火球有足够的时间建立相同的温度。然后,在完成了这个热平衡后,宇宙经历了一次短暂的爆发性的膨胀,而且越来越快,以对早期的缓慢膨胀做出补偿,这就是暴胀这个词的由来。这个理论的核心内容是说,宇宙空间在迅速远离之前就已经建立了共同的温度。

那么这个暴胀的速度是多快呢?古思他们的计算表明,宇宙在十亿亿亿亿分之一秒的时间内,宇宙的尺度突然增大了10的26次方倍,也就是一百亿亿亿倍,相当于一粒尘埃瞬间膨胀成10个银河系这么大。

对于一个科学理论尤其是物理理论来说,有两样东西很重要,一个是数学上的严格推导,还有一个就是能得到观测数据的实证。暴胀理论要得到科学共同体的认可也一样需要实证。那么暴胀理论是否能做出一些可以被检验的预言呢?是可以的。在一大批理论物理学家的共同努力下,其中也包括大名鼎鼎的霍金,他们发现,空间的快速膨胀并不会导致辐射的绝对均匀。相反,他们发现,因为量子涨落的存在,在宇宙看似均匀的微波背景辐射中必定也会存在极为微弱的温度涨落,这就像光滑的水面上会泛起微微的涟漪一般。这种温度的涨落随着宇宙的膨胀,会被不断地放大。

科学家们绘制了一张宇宙背景辐射温度涨落的曲线图。

说明:图中的曲线是理论计算值,小白点是实际测量值

预言已经提出,那么接下去的事情就是观测实证了。1989年11月18日,美国发射了人类历史上的第一个宇宙微波背景辐射探测器,简称COBE。在物理学家乔治·斯穆特和约翰·马瑟的带领下,有1000多位研究人员为了这台探测器忙碌着。两年多后,1992年4月23日,他们宣布了一项激动人心的发现:宇宙微波背景辐射的温度涨落找到了,而且和理论预测相符得很好。这条消息使整个科学界都为之兴奋,这又是广义相对论的一次重大胜利。2001年6月30日,美国宇航局NASA又发射了一颗宇宙微波背景辐射探测器,简称WMAP,这颗探测器被发射到了地球和太阳的第二拉格朗日点上,这是地球与太阳的一个引力平衡点,它可以保证这颗探测器永远躲在地球的影子中,从而避免太阳辐射的干扰。让我们来看看它最终发布的九年数据图像是什么样的:

图 WMAP发布的九年数据图像

这张图与暴胀理论预言的相符程度令人叹为观止,有了如此坚实的实证基础,暴胀理论作为宇宙大爆炸理论的补充之一,一直统治宇宙学领域至今,被称之为标准宇宙模型。

引发了上述一切惊人理论的源头是哈勃做出的卓越发现。真人哈勃走了,另一个“哈勃”很快就要现世,它把人类对宇宙的认识继续向前推进了一大步。

星际有机分子

在茫茫太空中,恒星与恒星之间并不是空无一物的,而是散落分布着大量的星际尘埃,在光学天文望远镜中它们是无形的。但是,自从射电天文望远镜发明后,它们就不再是无形的了,因为星际尘埃会发射出无线电波,根据它们发射出的无线电波的特征,科学家们能够分析出这些尘埃云中原子和分子的构成。比如星际间最多的氢原子,它就会发射出波长为21厘米的无线电波,因此21厘米波成了宇宙中最常见的无线电波,被称之为氢波段。随着探测的深入,天文学家们发现星际间存在着各种各样的分子。首先是1963年,科学家们在仙后座的一片星际空间中发现了羟基(OH),也就是氢氧基。然后是1968年,在银河系的中心附近,人马座B2区域探测到了一片巨大的分子云,在里面发现了氨分子(NH3)和水分子(H2O)。这时,天文学家们已经很激动了,因为按照这个趋势下去,很有可能就可以发现有机分子。如果在太空中找到了有机分子,那么就为生命的起源找到了一个新的方向,同时也大大增加了生命可以在宇宙中自然发生的可能性。果然,仅仅过了一年,1969年,科学家们还是在那片分子云中探测到了甲醛(HCHO),这可是真正的有机分子,这个发现意义重大。

所谓无巧不成书,一件激动人心的大事发生了。1969年9月的一个星期天早上,澳大利亚上空突然出现了一个巨大的火球,并且发出惊天动地般的隆隆声。火球在墨尔本以北的一个叫做默奇森的小镇上空爆炸,陨石像雨点般地洒落下来。在躲过了这轮“空袭”后,小镇上的居民们兴高采烈地捡起了天赐的礼物——一种罕见的碳质球粒陨石。默奇森陨石很快就被不同的研究机构购买去,没过多久,一些惊人的消息便陆续传来。这些至少已经在宇宙中存在了45亿年之久的天外来物上面布满了氨基酸,超过了74种,其中只有8种是地球上已存在的种类。人类第一次在宇宙中找到了构成生命的必须物质,虽然氨基酸还不能称之为生命,但找到了氨基酸就相当于找到了构成生命的“零件”。2001年,美国加州的埃姆斯研究中心宣布,他们在默奇森陨石中发现了一系列复杂的多羟基化合物,也就是一种“糖”,而这种糖是地球上不曾发现过的,这是真正的外星糖。虽然,糖也不能称之为生命,但它比氨基酸离生命更近了一步。

在人马座的那片分子云中接着又发现了大量的有机分子,那里就像是一个巨大的宝库,不断带给科学家们惊喜。1974年,科学家们发现这片分子云中存在着大量的乙醇分子,乙醇就是酒精啊。这片“酒精云”的乙醇分子总量据估算多达8000亿亿亿升,如果把地球掏空了来装这些宇宙美酒,那么需要7000多个地球才装得下。

类星体

1960年,有一颗被命名为3C 48的恒星引起了美国天文学家桑德奇的注意, 3C 48号恒星的光谱中,在一个被天文学家们认为绝不应该的奇怪位置上,出现了几条又宽又亮的发射谱线。到了1963年,另外一个荷兰裔的美国天文学家施密特也发现了另外一颗恒星3C 273具有同样的情况。看来,这种奇怪的现象还不是特例。经过一番仔细的研究,施密特有了一个非常重大的发现,原来这些发射谱线就是人们早已熟知的氢原子的发射谱线,只是这些谱线朝着红光的方向移动了非常大的一段距离,这就意味着,这些恒星有着非常大的红移量。这个事情让所有的天文学家都大大地吃了一惊,如果施密特的发现是对的,那么这就说明,这种恒星在以非常非常高的速度远离我们而去。比如,3C 48号恒星的红移如果换算成退行速度,竟然高达光速的三分之一,而3C 273也达到了光速的六分之一。因此,虽然在光学望远镜中它们看起来就像是一颗恒星,但是它们肯定不是一颗普通的恒星,在我们的银河系中不可能出现如此高速退行的恒星,它们距离银河系非常非常遥远,根据哈勃定律,它们距离我们至少也有几亿光年。所以,天文学家们就把这种看上去像恒星但肯定不是恒星的天体称之为类星体。

类星体一经发现,就激发了大量天文学家的好奇,人们纷纷把射电望远镜指向了已经发现的那些类星体。类星体最初是在射电波段发现的,然而它在光学波段、紫外波段、X射线波段都有很强的辐射,射电波段的辐射只是很小的一部分。

因为类星体具有如此巨大的辐射,所以一开始天文学家们都认为类星体应该也是一个像星系一样的庞然大物,包含了成千上万亿个天体,否则哪里来的这么高的亮度呢?可是,接下去的一个发现又让天文学家们大跌眼镜,这些类星体会在很短的时间内,也就是几天或者几周之内,它们的光度(辐射强度)就发生非常显著的变化。因为辐射的速度在星体内部的传播速度不可能快于光速,因而可以推定这些类星体的大小最多也只有几“光日”到几“光周”。这个发现把天文学家们都搞蒙了,这么小的天体,怎么可能产生如此巨大的能量?即便是到了今天,我们也不敢说真正解开了这个谜题。

脉冲星

1967年,英国剑桥大学穆拉德射电天文台建造的一台英国最大的射电天文望远镜落成,这台超级巨大的射电望远镜采用了很多新型的技术,它的接收面积达到了2万平方米,差不多相当于三个足球场那么大。这台望远镜的灵敏度非常高,可以探测到来自宇宙深处的微弱信号。

剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授是这个项目的负责人,为了检测刚刚投入使用的这台超级射电望远镜是否运转正常,需要对数据记录做一些最基础的校验工作。这些基础工作很重要,但却非常繁琐,基本上属于体力活。休伊什教授叫来了他的一个研究生,24岁的乔丝琳·贝尔小姐。教授指着一堆长达100多米的纸带对贝尔小姐说:“从今天开始,你每天就帮我分析这些纸带上的记录,按照我教给你的校验方法,仔细过一遍,千万不要有什么遗漏。”10月的某一天,贝尔小姐发现了一些不寻常的东西。

有一段几厘米长的记录引起了贝尔小姐的注意,这段记录表明,似乎有一个神秘的信号源每到子夜时分就会发生闪烁,而每天的子夜时分,射电望远镜正对着狐狸星座的上方,坐标是赤纬23度,赤经约为19时20分。贝尔小姐立即将这个情况报给了老板休伊什。

教授对这个原因不明的信号产生了浓厚的兴趣,他们怀着激动的心情,决定针对这个区域作进一步的详细观测。无线电信号呈现强规律变化,这应该是像人一样的智慧生命才能做到的事情,如果这些信号被证实是外星生命发送的,这绝对会成为一个震惊全世界的发现。到了11月28日,自动化记录笔在纸带上绘出了一连串脉冲曲线,这个神秘的射电源发出的无线电脉冲波长是3.7米,每两个脉冲的间隔都等于1.337秒,精确得令人发指。教授震惊了,在努力排除了一切人为干扰等可能性之后,休伊什教授望着狐狸星座,心想那可能是真的了,这些信号是那里的外星人发出来的。他想到了在科幻小说中看到过的名为“小绿人”的外星人,于是将这个神秘的信号正式命名为“小绿人信号”。

休伊什教授最开始认为,这是居住在一颗行星上的外星人发出的射电信号,这颗行星围绕着它的太阳公转,这个精确的公转周期引起了脉冲信号精确的周期性变化。但是教授很快否定了自己的这个浪漫想法,哪有一颗行星1.337秒就绕自己的太阳转一圈,那颗行星上的一年岂不是只有1.337秒?这简直太疯狂了。随着进一步的仔细观测,该脉冲宽度仅为16毫秒,那么发射出这种信号的天体的直径小于3000千米。这正是当时的最新的恒星理论中预言的白矮星或者中子星的尺度。

到了第二年,有着超常毅力的贝尔小姐在长长的记录纸带中,又发现了4个同样性质的射电源,它们共同的特点都是间隔时间非常短,只有几秒钟,频率都是81兆赫,这就更加排除了外星人的可能。你说哪有那么巧,这么多的外星人全都刚好用81兆赫的频率,在宇宙中不同的地方不约而同地呼叫地球。

后来的精密测量表明,所观测到的脉冲信号是由于该天体自转造成的。1968年2月,著名的英国科学刊物《自然》杂志上,报道了休伊什教授观测到的来自天体的周期性脉冲射电辐射,其周期短而精确,为1.3373011秒。天文学家形象地将其命名为“脉冲星”。

哈勃的宇宙

自从上世纪50年代人类的火箭能把卫星送上天之后,天文学家们就在梦想着能不能把望远镜送上太空,在太空中一睹宇宙的风采。地面上的望远镜无法避免地会受到地球大气的影响,就好像从水下望向水面之外的景物,所有的东西都扭曲了,因为光线会被水折射。同样的道理,地球大气也会折射光线,使得地面上望远镜拍摄的照片会失真。于是从1978年开始,美国宇航局联合欧空局一起开始建造一台太空望远镜,并以传奇的美国天文学家哈勃的名字命名。这台长12.8米,口径4.27米,重8吨的庞然大物从外型上看就像一个“长了翅膀的可乐罐”,它总共耗资15亿美元。可是没想到,它建成后就遇上了1986年美国挑战者号航天飞机的失事,美国宇航局停飞了所有的航天飞机,哈勃只得耐心地在仓库中待命.一直等到1990年的4月24日,美国宇航局经过4年多的休整,终于迎来了挑战者号之后的首次发射,这次发射的航天飞机是奋进号,任务就是送哈勃上天。

哈勃太空望远镜很成功地被送入了地球上空600千米的轨道上,然而,当哈勃拍摄的第一张照片传回来后,在场的科学家们几乎要崩溃了,这台被寄予厚望的太空望远镜拍出来的照片居然是糊的,效果还不如地面上的望远镜。诊断后确认,哈勃有严重的质量问题,镜片在磨制的过程中有误差,这个误差是1.3毫米,就是这么一点点的误差导致哈勃患上了极为严重的“近视”。这个事件在美国民众中引起了轩然大波,人民纷纷指责美国宇航局用纳税人的血汗钱制造了一个史上最贵的太空垃圾,甚至有媒体把哈勃与泰坦尼克号悲剧并列,可见这次事故在当时的影响有多大。有一家媒体的评论是这样的:“如果埃德温·哈勃知道这个以他的名字命名的望远镜竟是这副德性,恐怕会在坟墓里气得打滚吧?”好在美国宇航局化悲痛为力量,他们忍辱负重,在三年之后居然神奇地给哈勃装了一副眼镜——增加了一组矫正镜片。视力恢复后的哈勃开始显示出它无与伦比的强大力量,它将颠覆整整一代天文学家的观念,把人类对宇宙的认识往前再次推进了一大步。

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