互动科普

宇宙庞大无比，不论从空间还是时间上看，皆是如此。在人类历史的大部分时间里，宇宙都是我们的设备和头脑所无法触及的。到了20世纪，这一局面发生了戏剧性的变化。从爱因斯坦的广义相对论到基本粒子的现代理论，一系列伟大的想法陆续涌现。与此同时，从乔治·埃勒里·海尔（George Ellery Hale）建造100英寸、200英寸的反射望远镜将我们“带出”银河系，到哈勃空间望远镜把我们送回到星系诞生之初，不断出现的强大设备也拓展着我们的视野。过去20年来，理解宇宙的步伐还在持续加速：我们意识到暗物质并非由普通原子构成，发现宇宙中还存在暗能量，就连宇宙暴胀和多重宇宙之类的大胆想法都已经渐露端倪。

100年前，宇宙似乎是简单的：永恒不变，只有一个星系，包含几百万颗可见恒星。今天的宇宙看起来要复杂得多，也丰富得多。宇宙始于137亿年前发生的大爆炸。在随后不到一秒的时间里，宇宙是一锅无定形的“热汤”，由最基本的粒子、夸克（quark）和轻子（lepton）构成。随着宇宙的膨胀和冷却，不同层次的结构依次出现：先是中子（neutron）和质子（proton），然后是原子核，原子，恒星，星系，星系团，最终形成超星系团（supercluster）。现在，我们可以观测到的宇宙局部拥有1,000亿个星系，每个星系又包含1,000亿颗恒星，或许还有数目相当的行星。星系本身被神秘暗物质的引力束缚成形。宇宙仍在膨胀，事实上还在加速膨胀，动力由暗能量提供——这是一种更加神秘的能量形式，它产生的万有引力作用是排斥而不是吸引。

研究宇宙演化要解决的首要问题，就是理解宇宙如何从一锅简单的“夸克汤”，演变为我们今天看到的复杂无比的星系、恒星、行星和生命。这些结构都是依照物理学基本规律，历经数十亿年一个个自发出现的。在探索宇宙起源的过程中，宇宙学家先通过已经得到确认的宇宙演化史，回溯到大爆炸后最初一微秒；再依据已经建立、但仍待证据证实的理论，推进到大爆炸后10–34秒；最终目标则是创世的最初一瞬，相关想法仍属推测。尽管宇宙的最终起源依然超出我们的把握，但我们已经有了一些极其诱人的猜测，包括多重宇宙（multiverse）的概念，即宇宙由无穷多个互不连通的子宇宙（subuniverse）构成。

膨胀的宇宙

1924年，利用美国威尔逊山上直径100英寸（约2.5米）的胡克望远镜（Hooker telescope），埃德温·哈勃（Edwin Hubble）证明，被历代天文学家研究和推测了数百年的模糊星云，实际上是像银河系一样的星系——这一发现把已知宇宙的范围扩大了1,000亿倍。几年后，他又证明，这些星系正按照一定的模式相互飞离。描述这一模式的数学关系式现在被称为“哈勃定律”（Hubble’s law）：星系间距越远，彼此飞离的速度就越快。根据哈勃定律逆时间倒推回去，所有星系都在137亿年前汇聚于一点——这，就是大爆炸。

科学家后来发现，哈勃定律用广义相对论很好解释：空间本身在膨胀，星系只是被裹挟在其中“随波逐流”（参见第26页图）。光也会被拉伸，从而发生红移——这个过程削弱了光的能量，因此宇宙随着膨胀而逐渐冷却。宇宙膨胀为理解今天的宇宙如何形成提供了一条叙事线索。随着宇宙学家逆时间追溯，宇宙变得越来越密，越来越热，越来越极端，越来越简单。在探索创世之初的过程中，我们还将探测自然界的内部机制，因为大爆炸本身是我们可以利用的最强大加速器，是地球上能够建造的加速器远远无法企及的。

透过望远镜遥望宇宙空间时，天文学家实际上是在窥探过去——望远镜越大，窥探到的过去就越久远。遥远星系发出的光揭露了宇宙早期的诸多信息，这些光红移的高低标明了宇宙在光传播的这段时间内膨胀了多少。目前的最高红移纪录大约是8，表明这些光在出发时，宇宙的大小只及今天的1/9，年龄仅有几亿年。以哈勃空间望远镜和夏威夷莫纳克亚山上直径10米的凯克望远镜（Keck telescope）为代表的现代望远镜，能够把我们带回到大爆炸后数十亿年，当时类似银河系的星系正在形成。更早之前发出的光红移幅度过大，天文学家必须在红外或射电波段才能观测它们。未来的望远镜，如直径6.5米的红外望远镜——詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）和智利北部由64面射电碟形天线构成的阿塔卡玛毫米波大天线阵（Atacama Large Millimeter Array，ALMA），将把我们带回到宇宙中第一代恒星和星系诞生的时期。

计算机模拟表明，第一代恒星和星系出现在宇宙年龄约为1亿年时。在此之前，宇宙经历了一段所谓的“黑暗时期”（dark ages），因为那时的宇宙几乎一团漆黑。空间中充斥着毫无特色的“浆糊”，其中5/6是暗物质，1/6是氢和氦——都随着宇宙膨胀而变得越来越稀薄。物质几乎均匀分布，只在密度上有一些很小的起伏涨落，但引力作用会放大这些密度涨落，因为密度较大的区域膨胀速度要比密度较小的区域更加缓慢。到了宇宙诞生1亿年时，密度最大的那些区域已经不再缓慢膨胀，实际上开始向内坍缩。每个这样的区域都包含大约100万倍太阳质量的物质。它们是宇宙中第一批被引力束缚成团的天体。

暗物质占据了这些天体的大部分质量。不过暗物质既不发光，也不吸光，因此仍以大团弥漫物质云的形式存在。氢和氦正好相反，它们会发光，损失能量，从而聚集在物质云的中心。最终，它们会一路坍缩，形成第一代恒星。这些恒星比今天的恒星大得多——每一颗质量都是太阳的数百倍。它们寿命极短，在爆炸中死亡，给宇宙留下了第一批重元素。在随后的大约10亿年时间里，引力将这些百万倍太阳质量的物质云组装成第一代星系。

原始氢云发出的辐射随宇宙膨胀而大幅红移之后，应该能被总接收面积达一平方千米的巨型射电天线阵检测到。这样的天线阵一旦建成，我们就将“目睹”第一代恒星和星系如何电离氢云，终结宇宙的“黑暗时期”（参见《环球科学》2006年第12期《窥探宇宙的黑暗时期》一文）。

炽热开端的暗弱光芒

在“黑暗时期”之前，宇宙中的光源于热大爆炸，红移为1,100。这些辐射原本是橙红色的可见光，现在已经红移到了红外及微波波段。从那一时期遗留至今并且让我们观测到的，是一面布满整个天空的微波辐射墙——这就是阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）于1964年发现的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation，CMB）。它为我们打开了一扇窗，能够窥探年龄仅38万年、处于原子形成时期的“幼儿”宇宙。在这一时期之前，宇宙是一锅由原子核、电子和光子构成的、几乎均匀的“热汤”。随着宇宙冷却到大约3,000 K，原子核和电子开始结合成原子。光子从此不再受到电子的散射，能够畅通无阻地穿越宇宙空间，向我们揭露恒星和星系出现之前宇宙所处的那个更加“单纯”的时期。

1992年，NASA的宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer，COBE）发现，宇宙微波背景辐射的强度存在微弱起伏，即“涨落”。尽管这些涨落的幅度仅有0.001%，但由此反映出的原始物质分布成团性，足以担当“种子”的角色，在引力作用下逐渐演化成后来的星系和更大结构。根据宇宙微波背景辐射中这些涨落在天空中的分布模式，我们“解码”出宇宙的一些基本属性，比如物质能量总密度及成分，还找到了有关宇宙最初一瞬的线索。对这些涨落的细致研究，已经揭示了许多关于宇宙的信息（参见第29页右下插图）。

如果从宇宙年龄38万年那一刻开始倒着播放“宇宙演化”的影片，我们会看到原始等离子体变得越来越热，越来越密。到了此前大约10万年，辐射能量密度超过物质密度，这会使物质无法成团。因此，这一时刻就是引力开始“装配”今天宇宙中所有结构的起点。继续倒放影片，在宇宙年龄不到1秒时，原子核尚未形成，宇宙中只存在原子核的构成粒子——质子和中子。原子核直到大爆炸后数秒钟才出现，而此时宇宙的温度和密度，又恰好适合于核反应的发生。这场被称为“大爆炸核合成”（big bang nucleosynthesis）的核反应，只生成了元素周期表中质量最轻的几种元素：包括大量的氦（按质量算，约占宇宙中所有原子的25%）和少量的锂、氘和氦3。其余的等离子体（约占75%）以质子形式存在，最终变成氢原子。元素周期表中的其他所有元素，都是几十亿年后在恒星内部或恒星爆炸过程中形成的。

核合成理论准确预言了宇宙最原始样品（即最古老恒星和高红移气体云）中元素及同位素的观测丰度。氘的丰度对宇宙中的原子密度十分敏感，在宇宙学中起到了一个特殊作用：氘丰度的观测值暗示，普通物质总量占宇宙总能量密度的百分比为4.5 ± 0.1（其余部分由暗物质和暗能量构成）。这一估计值与分析宇宙微波背景辐射所得的宇宙成分数据精确吻合。这一吻合堪称是一场伟大胜利，因为两种观测方法截然不同：一种依据的是宇宙诞生仅一秒钟时的核物理过程，另一种则依据宇宙年龄约38万年时的原子物理过程。不同方法得出相同结论，不仅是对宇宙如何演化的理论模型、更是对所有现代物理学的一个强有力检验。

夸克汤中找答案

在宇宙诞生的最初一微秒内，就连质子和中子都无法存在，宇宙还是“一锅汤”，由自然界中更基本的构成单元——夸克、轻子和载力子［包括光子（photon）、W玻色子（W boson）、Z玻色子（Z boson）及胶子（gluon）］构成。我们能够肯定夸克汤的存在，因为今天在地球上的粒子加速器中，实验已经重现出了当时的环境（参见《环球科学》2006年第6期《宇宙最初几微秒》一文）。

为了探索这一时期，宇宙学家不再依赖越来越大、越来越好的望远镜，而是借助从粒子物理学中借鉴的强大想法。粒子物理标准模型（Standard Model）30年前的发展过程，已经催生出不少大胆的推测，比如弦论（String theory），试图统一看似各不相同的基本粒子及作用力。事实证明，这些新想法在宇宙学上也有应用，其重要性不亚于热大爆炸这一原创想法。它们暗示，极大的世界和极小的世界之间存在着出人意料的深入联系。暗物质的本质、物质—反物质的不对称性、不均匀夸克汤本身的起源——这三个关键问题的答案都开始初露端倪。

现在看来，宇宙早期的夸克汤时期似乎是暗物质的诞生地。暗物质的身份仍然没有确定，但它的存在已经确凿无疑。包括银河系在内的每一个星系，甚至星系团，都是被不可见的暗物质施加的引力束缚成形的。不管暗物质是什么，它与普通物质之间的相互作用都必须足够微弱，否则它早就该以其他方式露出马脚了。为自然界中的作用力和粒子寻求统一框架的种种尝试，已经预言了一些稳定或“长寿”的粒子，它们可能共同构成了暗物质。这些粒子应该是夸克汤时期残存至今的遗迹，而且按照预言，它们与原子之间的相互作用极其微弱。

候选者之一是渺中子（neutralino），这是一类全新的、与已知粒子一一对应的假想重粒子中质量最轻的一个。渺中子的质量被认为介于质子质量的100倍～1,000倍之间，恰好落入日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）的探测能力范围之内。为了寻找这种粒子或者它发生相互作用时产生的副产物，物理学家还专门建造了超灵敏的地下探测器、探测卫星及各式各样的气球承载探测器。

另一个候选者是轴粒子（axion）—— 一种质量约为电子万亿分之一的超轻粒子。夸克的行为与标准模型预言之间存在细微差异，科学家据此推测可能存在轴粒子。在超强磁场中，轴粒子可以转化为光子，这一事实成了检测轴粒子种种努力的依据。渺中子和轴粒子都拥有一个重要性质，用专业术语来说，它们都很“冷”——尽管形成于炽热环境，它们依然运动缓慢，因此很容易成团形成星系。

宇宙早期的夸克汤时期或许还掌握着另一个秘密：为什么今天的宇宙主要由物质一统江湖，而不是物质和反物质各占半壁江山？物理学家认为，宇宙最初拥有等量的物质和反物质，但到了某一时刻，宇宙中的物质多出了一丁点儿——大约每出现十亿对正反夸克就多出一个夸克。这种不平衡确保了足够多的夸克能够在宇宙膨胀和冷却过程中发生的正反夸克湮灭中幸存下来。40多年前的加速器实验显示，物理学规律确实偏向于物质，但“偏心”程度极其微弱；在宇宙极早期发生的一系列仍有待了解的粒子相互作用中，这种微弱的偏向性导致了夸克过剩。

科学家认为，夸克汤产生于宇宙极早期，或许是大爆炸后10–34秒宇宙发生急剧膨胀之时。这种急剧膨胀被称为暴胀（inflation），由一种大体类似于电磁场的新能量场——暴胀场（inflaton）驱动。暴胀能够解释宇宙的一些基本性质，例如宇宙的大体均匀性，以及“埋下”种子最后演化出星系及其他结构的成团性。随着暴胀场的衰退和消散，场中剩余的能量被释放给了夸克和其他粒子，从而为大爆炸提供了“热量”，也创造出了夸克汤本身。

暴胀在夸克和宇宙之间建立了一条意义深远的联系：暴胀场在亚原子尺度上的量子涨落，被这场急剧膨胀放大到了天文学尺度，成了今天我们看见的所有结构的种子。换句话说，我们在宇宙微波背景辐射中看到的图案，其实是这个亚原子世界的一幅超巨型影像。对宇宙微波背景辐射的观测与这一预言相符，提供了最强有力的证据，证明在宇宙极早期的历史上确实发生过暴胀或者类似过程。

宇宙的诞生

宇宙学家还想更进一步，试图弄清宇宙本身的开端，但我们的理论开始变得不那么牢靠了。事实已经证明，爱因斯坦的广义相对论是一个世纪以来，我们不断深入理解宇宙演化的理论基础。但是，广义相对论与同时代物理学的另一大支柱——量子论存在矛盾，物理学界的最大挑战就是将两者融为一体。只有掌握了这样的统一理论，我们才有能力去探索宇宙最初一瞬——大爆炸后约10–43秒之前的所谓“普朗克时期”（Planck era），即时空本身成形的时期。

对统一理论的试验性尝试，已经得出了一些有关宇宙最初一瞬的惊人推论。比如弦论就预言，空间除了3维之外还有额外维度，或许有其他宇宙飘浮在这个更大的空间当中。被我们称为“大爆炸”的事件，或许是我们宇宙与其他宇宙发生的碰撞。弦论与暴胀这一概念的“联姻”，还产生了或许是迄今为止最大胆的想法：多重宇宙——也就是说，宇宙包含无穷多个互不连通的区域，每个区域内部都有一套属于自己的物理规律。

尽管多重宇宙的概念仍处在“婴儿期”，但它已经作出了两项关键的理论发现。第一，描述暴胀的方程强烈暗示，如果暴胀发生过一次，它就应该一而再、再而三地发生，随着时间的流逝，创造出无穷多个暴胀区域。没有任何东西能够在这些区域之间穿越，因此它们对彼此没有任何影响。第二，弦论暗示，这些区域拥有各不相同的物理参数，比如空间维数和稳定粒子的种类等。

多重宇宙这一想法为科学界两个最重大的问题：“大爆炸前发生了什么”和“为什么物理规律会是现在这个样子”（也就是爱因斯坦的著名疑问：在创造这些物理规律时，“上帝有没有别的方案可选”） 提供了新颖的回答。多重宇宙让“大爆炸前发生了什么”变得毫无实际意义，因为曾经发生过无穷多次大爆炸，每一次都引发了属于它自己的暴胀。同样，爱因斯坦的疑问也可以“靠边站”了：在无穷多个宇宙当中，所有可能的物理规律都被尝试过了，因此统治我们宇宙的这些规律之所以会是这样，并没有什么特殊的原因。

宇宙学家对多重宇宙抱有复杂的心态。如果互不连通的子宇宙真的无法通信，我们就根本不可能检测到其他子宇宙的存在；它们似乎“存在”于科学范畴之外。一些宇宙学家甚至想大声疾呼，一次只出现一个宇宙好不好，拜托！另一方面，多重宇宙又解决了许多概念性问题。如果多重宇宙是正确的，哈勃把已知宇宙的范围扩大将近1,000亿倍、哥白尼在16世纪把地球从宇宙中心“宝座”上拉下马来——诸如此类的伟大成就，似乎就成了一些“小小”的进步，距离真正理解我们在宇宙中的地位还相差甚远。

现代宇宙学让我们觉得愈加自卑。我们由质子、中子和电子构成，这些物质加在一起也只占宇宙的4.5%；而我们之所以存在，只是由于极小的世界和极大的世界之间发生了一些微妙的关联。受微观物理规律支配的种种事件，让物质得以“压倒”反物质而成为主流，使孕育出星系“种子”的成团性得以产生，令空间中充满暗物质从而为引力构建星系打下良好的“地基”，还确保暗物质能够在暗能量变得显著、宇宙膨胀开始加速之前就“搭建”出星系（参见本页插文）。与此同时，就本质而言，宇宙学却显得愈加自负。我们能够理解一些不论在空间还是时间上都跟我们的宇宙一样无比庞大的东西——这样的想法表面上看来，甚至是荒谬可笑、不合常理的。这种自卑和自负的奇怪组合，在过去一个世纪的时间里，已经让我们在理解今天的宇宙及其起源的道路上，前行到了一个相当超前的位置。我对未来几年内向前再推进几步充满信心——我坚信，我们生活在宇宙学的“黄金时代”。