互动科普

大爆炸理论比以往任何时候都更站得住脚

成功之巅

George Musser

每当《科学美国人》登出一篇有关宇宙学的文章时，编辑部总会收到不少来信。抱怨说宇宙学根本就不是一门科学，而只是不受限制地任意胡猜乱想而已。不过，即使说过去的情况曾经如此，现在肯定已不再是这种情况了。单单在过去几个月中，研究人员就已经对最大尺度上的宇宙进行了一大批引入注目的高精度观测。这些观测不仅使大爆炸理论的定量描述更加严密，而且它们还暗示了一些次级效应——或许就是研究人员长期寻找的宇宙膨胀及冷暗物质的证据。圣迭戈加利福尼亚大学的宇宙学家David Tytler说，以前宇宙包含一些互不关联的构想，现在它可以进一步考察更深一层的细节了。”

虽然大爆炸理论早就得到三大观测证据的有力支持(这三大证据分别是宇宙微波背景辐射、轻元素的丰度以及遥远星系向外的速度等)，但它们支持的只是大爆炸理论的不同方面。只是到去年，对微波背景辐射的观测才达到了足够高的精度，使它能够为第一二项证据提供交叉验证。两台气球携带的望远镜(分别名为Boomerang和Maxima)以小于l度的分辨率测量了微波背景辐射，其测量结果揭示该辐射存在小尺度的涨落。l0年前COBE卫星的现测揭示微波背景辐射有大尺度的涨落，这种涨落具有尺度不变性，即无论涨落的尺度为多大其相对强度都是相同的。而小尺度的涨落则与之不同，它们似乎在某些称为“峰”的尺度上达到最大强度。

这些峰的大小和强度使宇宙学家得以了解空间的几何特性与物质的密度。具体的想法是，随着宇宙的不断扩大，开始时表现出尺度不变性的密度涨落逐渐发展成越来越大的尺度上的同步振荡。微波背景辐射揭示了当宇宙的年龄为40万年时这过程进行得有多快。自那以后，随着重力逐渐使物质集聚成星系之类的天体，同步振荡开始削弱。

Boomerang与Maxima的观测结果令人们喜忧参半。喜的是这两台望远镜观察到了预测的峰中最大的一个峰，这证明宇宙在几何上是平坦的。忧的是它们未能现测到第二个峰。这意味着宇宙中存在的通常物质比研究人员根据元素丰度而推断出存在的物质要多得多。

令大家感到欣慰的是，这矛盾现在已经解决。今年4月，由芝加哥大学的John E Carlstrom及其研究小组操纵的第3台望远镜——地基角尺度干涉仪（DASI）——测到第二个峰。与此同时，Boomerang小组也意识到它过高估计了Boomerang望远镜的指向精度，其结果便是使图像中的微小细节变模糊。该小组设法消除了这一偏差并纳入新的数据后，第二个峰就出现了。Maxima望远镜关于第二个峰的观测结果没有变化，但它的误差范围反正已经把其它实验的值包括进去了。

Boomerang小组修改后的结果令某些宇宙学家不知该相信哪个结果才好，但观测人员回答说，用不同的方法得出了相同的结果就是这些结果值得倍赖的理由。无论如何，美国航空航天局(NASA)的微波各向异性探测器以及分辨率更高的新型地基仪器很快就将给宇宙学家们带来确定无疑的结果。

虽然某些媒体的报导把这些发现说成是“证实”了宇宙暴胀和冷暗物质，但这类说法并不完全真实。几何平坦性和尺度不变性是早在暴胀提出之前就根据非常一般的原则预测了的。诚然，暴胀的大多数替代理论都因为未能预测到多重峰而被排除掉，但这与接受暴胀理论并不是一回事。类似地，要说暗物质肯定是真实存在的东西而非理论上人为造出的东西，研究人员现在还没有这个把握。

不过，直接证据的现身可能已经为期不远了。现在已经有某些数据暗示，微波背景辐射存在着轻微的“倾斜”，也就是暴胀模型所预测的对精确的尺度不变性的偏离。此外，据哈佛-史密森天体物理学研究中心的Rupert A. C. Croft说，在星系际气体云的分布中也存在这种倾斜。至于暗物质，卢特格斯大学的Arthui Kosowsky说各个峰的相对强度是决定其生死命运的检验证据。冷暗物质具有引力，但不产生压力，因此冷暗物质的存在将会突出编号由奇数的峰(这类峰代表原始振荡周期中引力占主导地位的那一部分)，同时削弱偶数序号的峰(即压占导地位的那一部分)。如果你同意从某一角度来观察现有数据，你或许会说第3个峰的确更大了。幸运的是，随着观测精度以现有的速率不断改进，这种斜视很快将不再必需了。

大爆炸理论的四大支柱

宇宙微波背景辐射——这种辐射的能谱表明，炽热等离子体一度曾充满整个宇宙，斑点结构揭示这一“原始汤”呈轻微的不均匀分布。

元素丰度——元素丰度在历史上曾是四大支柱中最精确的证据，它证明炽热而不断膨胀的宇宙中产生过核反应。

星系速度——星系的距离与其退行速度成正比，证明宇宙在不断膨胀，较大距离上的轻微偏离提示膨胀的速度有所加快。今年4月由高Z值超新星搜寻小组证认出的最遥远的超新星进一步证明了这一点。

大尺度结构——对星系和星系际云的结构与运动的观测研究（例如2dF星系红移巡天）逐渐打造出支撑大爆炸理论的又一支柱。这类研究考察的是几亿光年及其以下的尺度，它的结果与探测大小为1亿光年及其以上的结构的微波背景辐射研究结果相当吻合，不仅两种模式存在着广泛的一致，而且微波背景辐射涨落的痕迹也出现在星系的结构中。

【曾祥蓉 贺光金／译 向俊／校】