宇宙探索新發(fā)現(xiàn)

吳　凡

仰望星空，宇宙之謎，難以窮盡。宇宙是如何起源的?宇宙的年齡是多少?黑洞是怎么產(chǎn)生的?人類對茫茫宇宙的探索，不斷有新發(fā)現(xiàn)。關(guān)于宇宙起源的問題，目前大爆炸的理論已被科學家們廣泛接受。盡管如此，大爆炸理論只是建起了研究的框架，框架里的諸多問題依然是懸而未決。近年來，隨著科學家在諸如暗能量、黑洞、宇宙加速膨脹的課題上有了最新發(fā)現(xiàn)，使得宇宙進化的過程變得日益清晰起來。

大爆炸理論的缺陷

上個世紀40年代末俄裔美籍科學家喬治·伽莫夫提出了“大爆炸理論”，用以解釋宇宙的起源。他認為宇宙是從一個溫度極高、密度極大的火球中誕生的，并稱我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，其溫度約為6K(6K=－267℃)，即后來所謂的宇宙微波背景輻射，它是充滿整個宇宙的電磁波。1964年美國貝爾電話公司的兩位無線電工程師彭齊斯和威爾遜意外地發(fā)現(xiàn)了這個微波背景輻射，恰好與伽莫夫預言的宇宙背景輻射十分接近，它在溫度上對應為2.7K，它無疑是對大爆炸理論最有力的支持。這一發(fā)現(xiàn)使我們能夠獲得很久以前在宇宙誕生時期所發(fā)生的宇宙過程的信息。彭齊亞斯和威爾遜由此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

如果宇宙確實如大爆炸理論所說，從一個無限小的奇點向外膨脹而產(chǎn)生，那么從大的尺度說，宇宙中不同區(qū)域的性質(zhì)應該不一樣，起碼宇宙空間中物質(zhì)的密度就應該有所不同。但是宇宙并不像大爆炸理論所描述的那樣，從宇宙學的尺度來看，宇宙中各向具有高度的均勻性，無論在哪個方向上測量微波背景輻射，人們都能大致得到2.7K這個數(shù)字。

另一方面，從美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射的微波背景開拓者衛(wèi)星(COBE)和最近的微波各向異性探測器(WMAP)所捕捉到的微波背景輻射信息來看，宇宙誕生后38萬年左右基本上是均勻的，但不是非常均勻，微波背景輻射的各向異性只有十萬分之一，最終這種微小差異造成了小范圍內(nèi)物質(zhì)的聚集，星系由此而形成。

再者，按大爆炸理論，從宇宙最初的不均勻性還預示著宇宙是彎曲的。但是最近WMAP的觀測顯示我們的宇宙空間是沒有彎曲的無限平直的世界。后文將要指出，為了彌補大爆炸理論上的這些缺陷，20年前物理學家古斯和佐藤各自提出了宇宙暴脹論的假說，并且經(jīng)受了WMAP觀測結(jié)果的關(guān)鍵性檢驗。

宇宙年齡已有137億歲

關(guān)于宇宙的年齡一直沒有一個準確的定論。對此，天文學家們一直在追尋宇宙年齡的確鑿證據(jù)。最近美國國家航空航天局的研究小組根據(jù)微波各向異性探測器的觀測結(jié)果，認為年齡是137億歲(正負2億歲)，并繼續(xù)加速膨脹。再者，明確了宇宙的構(gòu)成是普通物質(zhì)僅占4％，真相不明的暗物質(zhì)占2396，使宇宙迅速膨脹卻真相不明的“暗能量”占73％，而且求出相當宇宙膨脹速度的哈勃常數(shù)為71。

關(guān)于宇宙年齡的問題，現(xiàn)在計算的方法是在假設的膨脹速度的基礎(chǔ)上，追溯推算出宇宙體積為零時的時間而得出的。根據(jù)上述最新的數(shù)據(jù)以大約1％的誤差算出宇宙的年齡是137億歲。

從這次的觀測結(jié)果，占宇宙73％的暗能量增強了過去愛因斯坦提出的“宇宙常數(shù)”的可能性。有意思的是，愛因斯坦沒想到，當初他認為是錯誤的、讓他極為懊悔的“宇宙常數(shù)”竟然是極有道理的，幾乎可稱得上是宇宙的本質(zhì)。

誕生12億年后出現(xiàn)大規(guī)模結(jié)構(gòu)

在美國國家航空航天局新發(fā)現(xiàn)中最令人吃驚的是，第一代恒星在宇宙誕生之后第2億年就開始發(fā)光，比許多科學家預測的還要早得多。日本國家天文臺的杉山教授說：“微波各向異性探測器除了觀測到宇宙微波背景輻射的非常詳細的溫度起伏的圖像，還觀測到偏光，即光(電磁波)的偏移情況。從這個偏光的狀態(tài)知道宇宙誕生第2億年大規(guī)模的中性氫發(fā)生再離子化?！?/p>

從宇宙誕生的38萬年后，宇宙中各自存在的質(zhì)子與電子相互結(jié)構(gòu)構(gòu)成氫原子(中性氫)，光線變直，宇宙從黑暗中浮出，具有了可視性。但是，現(xiàn)在在星系間空間的質(zhì)子與電子幾乎各自離子化存在。

關(guān)于這個再離子化何時發(fā)生，迄今為止尚不能正確地知道，但是宇宙開始出現(xiàn)的星輻射紫外線，則是揭下中性氫的電子產(chǎn)生的。杉山教授說：“宇宙微波背景的電磁波通過偏光的狀態(tài)向我們傳達了質(zhì)子俘獲電子的信息。這次從它的偏光狀態(tài)確認宇宙誕生后的第2億年背景輻射的電磁波與電子碰撞的痕跡?！奔从钪嬲Q生后的第2億年，星星發(fā)光，通過這個恒星輻射紫外線，中性氫的電子被揭下，開始了宇宙的再離子化。

另外，日本東京大學的岡村教授的研究小組通過夏威夷的凱克望遠鏡觀測到宇宙誕生后第12億年就有了與現(xiàn)在星系團相匹敵的大規(guī)模的結(jié)構(gòu)。岡村教授說：“我們在后發(fā)座方向發(fā)現(xiàn)宇宙誕生后的第12億年有43個星系成帶狀聚在一起，以及星系完全不存在的區(qū)域?！辫b于微波各向異性探測器的溫度起伏非常小，岡村教授認為從那種狀態(tài)僅用了12億年就完成了恒星和星系的大規(guī)模結(jié)構(gòu)，看來很可能是受“暗物質(zhì)”的影響。

具體的恒星或星系，以及星系群的大規(guī)模結(jié)構(gòu)是怎樣構(gòu)成的，我們還不完全清楚，這次一系列觀測結(jié)果被視為在闡明宇宙進化上的重要發(fā)現(xiàn)。

哈勃常數(shù)的確定

1929年美國天文學家埃德溫·哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都在遠離銀河系而去。他注意到，遠處的星系比近處的星系更快速地飛離，它們的距離和速度有一定的關(guān)系，于是他提出了著名的哈勃定律，即星系從地球遠去的相對速度等于地球到星系的距離與哈勃常數(shù)的乘積。從這個事實求出相當其膨脹速度的哈勃常數(shù)，并且知道它幾乎相等于求宇宙年齡。因為從這個速度單純地往前推，就可知道宇宙開始膨脹的時刻，即誕生的時刻。為此，若干研究小組測出各個星系的距離與速度，試圖測定哈勃常數(shù)。2001年“哈勃太空望遠鏡主要計劃”之一是以誤差14％的精度求出哈勃常數(shù)為72。

這次從微波各向異性探測器進行宇宙微波背景輻射的觀測求出哈勃常數(shù)為71，具有誤差5％的精度。那么，是否可以說哈勃常數(shù)幾乎就是這個值了呢?東京大學的佐藤教授這么說：“從宇宙微波背景輻射的結(jié)果給出了在相當精確定位下的哈勃常數(shù)的值。這個值與2001年哈勃太空望遠鏡觀測的結(jié)果幾乎相同。”

復活宇宙常數(shù)

那么，從哈勃常數(shù)71所求的宇宙年齡是否可以說相當準確的呢?實際不是那么回事。例如假定宇宙是平直的，從這個數(shù)值所得的年齡大約92億歲?，F(xiàn)已知道在我們銀河系中心附近存在的球狀星團是超過130億歲的老年天

體，所以這二者顯然是矛盾的。

解決這一矛盾最簡單的辦法，是恢復“宇宙常數(shù)”作為現(xiàn)時宇宙的積極組成部分的理論地位。說起來膨脹的宇宙用愛因斯坦廣義相對論的引力方程來描述最合適。愛因斯坦一開始考慮宇宙不應該膨脹或收縮。因此，為了制止物質(zhì)的引力引起的收縮，即讓宇宙“靜止”下來，在引力方程中引入了一項“宇宙常數(shù)”。

上個世紀20年代美國天文學家哈勃觀測到宇宙確實是在不斷膨脹，而且這一觀測結(jié)果完全與愛因斯坦引入“宇宙常數(shù)”之前的引力方程的計算結(jié)果相吻合，迅速得到了世界上絕大多數(shù)科學家的認可。愛因斯坦非常后悔，他本來是想把宇宙“靜止”下來，但實際上宇宙是在膨脹著的。他因此承認：“引入‘宇宙常數(shù)是我這一生所犯的最大錯誤!”但是，從最近的觀測獲知宇宙正在加速膨脹，可以說被拋棄的宇宙常數(shù)又一次被復活了。

這次微波各向異性探測器的觀測數(shù)據(jù)暗示宇宙常數(shù)的存在，而且正是占宇宙73％的暗能量提高了這個宇宙常數(shù)的可能性。

宇宙加速膨脹的證據(jù)

根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，引力未必一定是吸引的力，它還可以是相互排斥的“斥性引力”，由于迄今為止所知的物質(zhì)或能量都產(chǎn)生的是引力，因此科學家推測，整個宇宙也都是引力統(tǒng)治的王國。所謂“斥性引力”只是理論上的假設，與我們現(xiàn)在的宇宙沒有關(guān)系。而且，直到上個世紀90年代，天文學家還相信，是引力導致了宇宙膨脹速度在逐漸減慢。

然而，宇宙總是給人以驚訝。1998年，天文學家觀測到的一次超新星爆發(fā)在瞬間發(fā)出了100億倍太陽亮度的光線，但是這個觀測數(shù)據(jù)卻比按流行的宇宙理論預測的亮度值要低。于是，有一部分科學家懷疑，這個現(xiàn)象也許說明，宇宙的膨脹速度并不總是一直處于減速狀態(tài)，有些時候宇宙膨脹是在加速!如果那樣的話，幾十億年前爆發(fā)的超新星的光線有可能穿越了比預計更長的路程到達地球，因此亮度比理論值低，也就不足為怪了。

這個結(jié)論太驚世駭俗，如果宇宙膨脹曾經(jīng)加速，就說明了宇宙空間中也有斥性引力在起作用，這種力量讓宇宙的退行速度加快。

但是主流科學家對這種解釋表示質(zhì)疑，他們提出其他的原因也能讓超新星看上去比預期的要昏暗，比如漂浮在星系間的塵埃遮蔽了超新星的光線，或者早期誕生的超新星本來就比較暗。幸好有一種方法可以驗證哪種說法正確。如果超新星看上去比較暗淡是由于宇宙塵埃遮蔽造成的，或者是星體原本就比較暗淡，那么光線的減弱應當隨著天體紅移的增加而更加明顯。而如果超新星變暗是由于宇宙在經(jīng)歷了早期的減速膨脹后轉(zhuǎn)為加速膨脹造成的，那么來自減速時期爆發(fā)的超新星光線應該顯得比理論值明亮(反之，加速膨脹時期爆發(fā)的超新星光線則應顯得比理論值暗淡)。

為了利用紅移效果來測定宇宙膨脹快慢，就必須尋找一顆亮度固定，并且雖然離我們很遠卻可以被觀測到的天體?？茖W家們發(fā)現(xiàn)一種稱為Iα型超新星，這顆超新星爆發(fā)的時間發(fā)生在100億年前，當時的宇宙只有現(xiàn)在的三分之一那么大。這顆星體很明亮，比假定宇宙塵埃遮蔽而導致的亮度要明亮許多，因此超新星變暗至少不完全是由宇宙塵埃造成的，應該還有宇宙減弱膨脹的影響。

美國國家航空航天局的科學家們通過測算發(fā)現(xiàn)，宇宙中的星系正在以加速度離我們遠去，也就是說，宇宙的確在加速膨脹。他們認為，只有一種現(xiàn)象才能解釋這種加速膨脹現(xiàn)象，那就是宇宙中確實存在一種起斥力作用的暗能，正是它引起了這種加速膨脹現(xiàn)象。

據(jù)此，最近美國國家航空航天局的一項新發(fā)現(xiàn)證實宇宙中的暗能將抵消宇宙星系引力的作用，使宇宙一直不斷膨脹下去，永遠也不會發(fā)生如劍橋大學理論物理學家斯蒂芬·霍金教授所預言的那種“宇宙大坍縮”結(jié)局?，F(xiàn)在霍金教授也改變了對宇宙的起源和歸宿的看法，認為宇宙最終將無限地膨脹下去，而不是膨脹到一定程度后在引力作用下收縮。關(guān)于這項發(fā)現(xiàn)的重要性，劍橋大學天體物理學家安東尼·拉森比教授稱，美國國家航空航天局的聲明將成為人類宇宙學史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一，并將改變?nèi)祟惖挠钪嬗^。

宇宙起源新說：暴脹理論

上個世紀80年代物理學家阿蘭·古斯與佐藤一彥各自提出了宇宙暴脹論，認為宇宙在大爆炸之初還有一個宇宙超急膨脹的暴脹時期，使沙粒大小的空間在10^－34秒內(nèi)其體積增大了好幾十個數(shù)量級。這種暴脹的急劇程度是以后宇宙大爆炸所進行的那種膨脹速度完全無法比擬的，正是這種暴脹解決了大爆炸理論留下的缺陷。

宇宙暴脹論有兩個關(guān)鍵性的預見：第一，早期宇宙基本上是均勻的，但不是非常均勻。由于考慮早期宇宙是沙粒般極小的區(qū)域，可以認為這個小區(qū)域具有均勻的溫度。接著在它還不及非均勻化的一瞬間就急劇膨脹為很大宇宙的話。自然在這個宇宙中的溫度也就是基本均勻的。事實上，后來美國國家航空航天局的開拓者衛(wèi)星探測結(jié)果證實了暴脹論的這一預見：早期宇宙不是非常均勻的，宇宙背景輻射的溫度有十萬分之一的起伏。

宇宙暴脹論的第二個關(guān)鍵性預言要求宇宙是“平直”的，但不是像光滑的桌面那樣尋常意義上的平坦。新的測量結(jié)果顯示，宇宙實際上是平直的。在宇宙學研究的時空四維世界中，“平直”意味著平行線絕不會相聚，而在彎曲宇宙中，平行線最終將相交。按照愛因斯坦的理論，宇宙的曲率由它所含有的物質(zhì)和能量決定。要使宇宙保持平直，宇宙內(nèi)物質(zhì)的密度和能量的密度之和必須正好等于l臨界值。但是觀測數(shù)據(jù)卻顯示已知物質(zhì)和暗物質(zhì)加在一起也只占總數(shù)的27％。因此其余的73％必然來自一種不可知的暗能量，它對宇宙的未來提供了一種暗示，即所有物質(zhì)加在一起也沒足夠的引力來阻止膨脹，而且具有斥力效應的暗能量還將加速這種膨脹。

同樣的宇宙暴脹論也不是完美無缺，例如究竟是什么導致了宇宙的急劇膨脹?因為宇宙發(fā)生暴脹，則必須要有一種巨大的斥力抗衡萬有引力才行。古斯認為早期宇宙是一鍋“夸克湯”，佐藤認為是真空的“零點能”。總之，什么斥力至今仍不清楚。這些問題或許在即將發(fā)射的普朗克宇宙微波輻射衛(wèi)星等觀測后才能說清楚。