互动科普

很久以前的宇宙一定很小，当时宇宙的温度非常高

1965年有一个大发现，可以与“哈勃定律”相提并论。那就是美国的阿诺·彭齐亚斯博士（Arno Penzias， 1933～）和罗伯特·威尔逊博士（Robert Wilson， 1936～）搞清楚了这样一件事情，天空中各个方向上，都充满了均匀的光（微波波段）。这种光就叫做“宇宙背景辐射”。彭齐亚斯和威尔逊博士正是因为这个发现获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

现在的宇宙中充满了宇宙背景辐射，辐射的光子均匀地飞向四面八方。那么，宇宙背景辐射的存在又说明了什么呢？

按照宇宙膨胀的说法，过去的宇宙一定是很小的，也就意味着当时的物质密度很大。空间的收缩意味着其中的光的波长也在收缩。一般来说，波长变短的光总是要比原来的波长的光含有更高的能量，因此随着时间的回溯，宇宙中充满着高能的光（比如紫外线比可见光的波长更短，所具有的能量也更高）。也就是说，曾经很小的宇宙会处于一种高温（高能）的灼热状态。这个曾经的高温高密的宇宙被称为“大爆炸宇宙”。

也可以反过来说，现在所观测到的宇宙背景辐射是过去宇宙处于高温灼热状态的证据。正像黑色的木炭在温度变高的时候也会发光一样，一般来说，高温的物体会发出与温度相对应的光来（热辐射）。通常认为遥远过去的宇宙内部都是一些处于极高温的状态的气体。如此一来，高温的气体发出的光将会充满整个宇宙。这些光在宇宙膨胀下波长变长，到了现在，作为宇宙背景辐射被观测到了。所以，宇宙背景辐射可以说就是来自曾经高温的小宇宙经过漫长岁月之后的“远古之光”。

图1.什么是宇宙背景辐射？

从地球（银河系）上看，宇宙各个不同的方向上都充满了均匀的光（是比可见光的波长更长的微波）。这就是宇宙背景辐射。现在宇宙中充满了宇宙背景辐射。随着时间的回溯，空间变得更小，其中充满的宇宙背景辐射光的波长也会变得更短，能量会变高。也就是说，曾经的宇宙是一个充满高能的光的灼热世界

为什么早期宇宙的光作为宇宙背景辐射现在才到达地球

因为光的速度是有限的，所以从宇宙深处发出来的光需要花费相当长的时间才到达地球。比如仙女座星系距离我们大约250万光年，所以现在测到的光实际上是250万年前发出的。即，望向宇宙深处的地方，看到的是它过去的状态。

另一方面，大约138亿年前大爆炸宇宙诞生之后不久，处于灼热的宇宙中充满了光，这些光花费了138亿年的时间到达了地球，也就是现在我们看到的宇宙背景辐射。也就是说，宇宙背景辐射相当于观测的极限，是从非常遥远的宇宙发来的光。

理解的关键在于“超光速膨胀”

在微波背景发出的时候，现在的可观测区域的大小（数百亿光年）只有现在的1000分之1左右，也就是几千万光年大。这就是现在看到的宇宙背景辐射的光源，也就是距离今天我们地球的也不过是几千万光年远的意思。

说到几千万光年的距离，通常会认为光只要几千万年就能够到达，所以这个138亿年前发出的光才到达地球听起来有点不可思议。为什么在宇宙尺度还很小的时候发出的光花了这么久时间才到达呢？人们难免会有这样的疑问。

    这个问题的答案是，“从现在地球的角度看，当时的宇宙背景辐射源的退行速度实际上是超过光速的”。也就是说，当时宇宙背景辐射的光在向地球前进的过程中，空间也在膨胀，因此反倒是在远离地球。

之后，宇宙膨胀开始减速。这是由于宇宙空间中存在的天体、气体等物质的引力（收缩的能力）抵抗了宇宙的膨胀。结果是在某个时刻以后，宇宙膨胀造成的远离速度（退行速度）开始小于光速，这时宇宙背景辐射的光开始接近地球。

比灼热的宇宙更早期的是“暴胀”，膨胀的速度远超光速

宇宙背景辐射的观测结果给宇宙学带来了新的谜题。虽然宇宙背景辐射是温度只有3K（约为-270℃）的光（微波），但这一温度在全天都极其均匀，这是非常不自然的。现在已知，温度高的地方与温度低的地方的差别只有10万分之1左右。不免让人疑惑“温度均匀得有点不可思议吧？”宇宙学家们为什么认为这是一个谜呢？

比如，请看下图中的A地和B地。A与B两处发出的宇宙背景辐射都要经过138亿年的时间才能到达图中心的银河系（地球）的位置。也就是从A地的光到不了B地，反过来从B地发出的光也到不了A地。

图2. 宇宙之谜的“视界疑难”？

根据宇宙背景辐射的观测结果，宇宙背景辐射源所在的地方的温度，在全体各个方向上基本都是一样的。图中A地与B地相距甚远，所以物质不能相互混合，包括光在内的所有的信息“交换”都是不可能的，也就是说处处相同的温度没有必然性。这一不自然的温度一致性在宇宙学中是一个很大的问题，被称为“视界疑难”。

光的速度在宇宙中是最快的，所以也就没有任何物质能穿越A、B两地之间的距离了。类似声波这样的波，它的速度比光速要小，所以也没有任何的波能传播A、B两地之间那么远。换句话说，A地与B地之间在过去没有任何的“交流”，物质也不会发生混合，所以也就没道理温度要相等。不止如此，A地与B地之外，全天的温度都极其均匀，所以这就是令宇宙学研究者们感到烦恼的地方。这个谜题被称作“视界疑难”。

“宇宙是‘平坦的’”也是个大谜题

还有其他的谜题，前面介绍过，根据天文观测，宇宙（更正确的说法是可观测范围之内）基本上是平坦的（曲率基本为零）。但是，研究者们认为这一点也不自然。

宇宙并不弯曲为什么会令人感到不可思议呢？松原博士给出了以下的说明：“太阳周围的局部空间是弯曲的，实际上这一点已经被确认。也就是说空间可以是弯曲的。相反地，在大的尺度上，宇宙却平得像镜子的表面一样，可以说非常的不可思议。”

根据广义相对论，在诞生之后的宇宙如果曲率稍微偏正的话（类似球面上的曲率）在宇宙膨胀一段时间后就会转为收缩，最后发生大挤压。反之如果宇宙的曲率稍微偏负（类似马鞍面的曲率）的话，膨胀的速度会过快，最终宇宙会发生大撕裂。今天我们看到的这些天体大部分也就不会存在。结果就是宇宙的平坦性看起来像被“微调”过一样。这个宇宙平坦的不自然的问题被称为“平坦性疑难”。

暴胀解决了宇宙学中的疑难问题

在1980年前后，佐藤胜彦博士（现任职于日本自然科学研究机构）以及阿兰·古斯博士（现任美国麻省理工学院教授）等一些研究者提出了“暴胀理论”来解决这些问题。这个理论的核心就是：“早期宇宙经历过一轮速度比光速还要快得多的惊人膨胀”。古斯博士把这样的快速膨胀叫做“暴胀”。

行速度）可以超过光速，不过比起暴胀还是小巫见大巫。差不多在10的负36次方（100亿的100亿的100亿的100万分之1）秒左右的时间里，空间膨胀了10的43次方（100亿的100亿的100亿的100亿的1000）倍。上一瞬间还在眼前的空间以远远超过光的速度远离而去，多么惊人的膨胀啊。而且暴胀是一种加速膨胀，也就是随着时间的流逝，膨胀得越来越快。

   如果暴胀真的发生过，视界疑难就能解决。图2中的A地与B地在暴胀之前距离很近，因此可以发生“交流”，之后被暴胀拉开到了遥远的地方，也就能够说明为什么温度基本一样了。

平坦性疑难也能够解决。地球的表面是弯曲的，但在我们目力所及的范围内基本是平坦的。同样地，宇宙在很大的规模上即便是弯的，其中的一个很小的部分看起来也是平坦的。这个小的部分在暴胀的作用下迅速膨胀已经超过了现在可观测的尺度，如此一来，在这个范围内的宇宙是平坦的也就不足为怪了。

图3. 暴胀可以解决“平坦性疑难”

即使开始时宇宙的曲率很大（最左边），其中一块小区域上看起来也是平坦的。这个小区域在暴胀的作用下，已经膨胀到了几百亿光年的尺度（最右边）。因此在这个范围内是平坦的也并不奇怪。

引起暴胀的机制尚未揭开

暴胀最终停止的时候，也就是结束了剧烈膨胀的时期。这时，由暴胀所带来的巨大能量，会转化为大量的物质和光，宇宙进入盛满高温高密物质的状态。也就是热大爆炸宇宙诞生了。直到今天宇宙还在膨胀，可以说是暴胀之后残留的惯性使然。

另外，通常在使用“大爆炸”这个词的时候，有时指“宇宙的诞生”，有时指“宇宙的开端”，意义广泛（不精确）。但是在现在宇宙学中使用大爆炸一词的时候，一般指代的都是暴胀结束之后高温高密的宇宙的诞生。也就是说，在暴胀之后发生了大爆炸。

那么暴胀又是由什么引起的呢？佐藤博士和古斯博士也提出了相应的机制，但是这些说法现在已经不是主流观点了。当时的宇宙空间中充满了能够引起暴胀的物质，被称为“暴胀子”。至于暴胀子是什么现在还不清楚。目前处于假说林立的状态。

而且暴胀会持续多长时间也并不完全清楚。甚至有人认为并不是全部宇宙空间中的暴胀都结束了，也就是说在遥远宇宙中仍有某些地方直到今天可能还在发生着暴胀。这种想法叫做“永久暴胀”。

永久暴胀的想法如果是对的，宇宙的全部体积将会大的不得了。可观测的几百亿光年的范围，与宇宙全部体积相比说是“沧海一粟”也不为过。

存在很多宇宙吗？

暴胀理论给出了更加惊人的预言。宇宙并不只有我们一个，可能存在无数个。这种存在很多个宇宙的观点叫做“多重宇宙论”（multiverse）。在英文中，宇宙叫做universe，其中词根uni的意思是“唯一的”，而multi对应的就是“多重”的意思了。

比如佐藤博士在1982年提出引起暴胀的母宇宙可以生出子宇宙，子宇宙可以生出孙宇宙，这样的过程可以反复出现。其他的还有很多多重宇宙的理论模型。但是其他的宇宙是否真的存在，则无法用实验或者观测来证明，因此，也有人认为这样的讨论并不属于科学范畴。

图4. 多重宇宙的图像

图中为佐藤博士等在1982年发表的宇宙会产生很多层次的想象图。基于宇宙的暴胀（宇宙的急速膨胀），会产生出更多的子宇宙和孙宇宙来，这一过程可能会不断的延伸，一开始母宇宙与子宇宙之间是相互连接，之后这个“连接部分”被切断，变成分别独立的宇宙。

找到暴胀证据的日子已经不远了？

大爆炸，即宇宙曾经处于高温高密的灼热状态，已经通过宇宙背景辐射得到了证实。至于是否真的是由暴胀引起的并没有得到证实。但是略去过于专业的内容，现在观测到的宇宙背景辐射的分析结果与暴胀理论的预言非常吻合，大多数的宇宙学者都认为暴胀是真实发生的。

还存在更加直接寻找暴胀的证据的方法，那就是去寻找刻在宇宙背景辐射中由暴胀引起的“引力波”的痕迹。所谓引力波也叫做“时空的涟漪”，是空间伸缩的波动在空间中传播的一种现象。暴胀过程中的激烈膨胀过程会在宇宙空间中产生引力波（原初引力波），进而可能影响宇宙背景辐射。具体来说，就是能够预言出光沿着特定方向振动（也叫做“偏振”）模式的规律。

2014年3月，在南极的宇宙背景辐射观测项目BICEP2声称找到了原初引力波的痕迹，引起了广泛的瞩目。可是到了2015年1月，人们认识到了发表的结果存在错误。所发现的偏振光的模式并非由原初引力波产生，而是我们银河系内的尘埃（灰尘）影响的结果。

虽然BICEP2的结果最终只是空欢喜一场，但是对于从宇宙背景辐射中去寻找原初引力波的痕迹的观测技术将不断提升到所需求的程度。有很多的研究小组在挑战着类似的观测。可以预期，发现原初引力波，证实暴胀的那一天说不定已经不远了。

现代物理的最大谜题“暗能量”

在宇宙膨胀的探索中还有另一个重大发现，是1998年由两个观测团组独立发现的──宇宙正处于加速膨胀之中。由于这个贡献，带领观测团组的美国科学家萨尔·波尔马特（Saul Perlmutter）博士、澳大利亚的布莱恩·施密特博士（Brian Schmidt）和美国的亚当·里斯（Adam Riess）博士分享了2011年的诺贝尔物理学奖。

前文中曾介绍过，对于遥远宇宙的观测等同于观测宇宙的过去。两个小组通过对于不同距离上（不同时代）的“Ia型超新星”的观测，得到了宇宙膨胀速度是如何变化的。Ia型超新星是一种非常明亮的恒星爆发现象。

根据广义相对论，天体等物质都有引力存在，这会使得宇宙发生减速。因此，长久以来，人们认为宇宙的膨胀会渐渐地变慢。但是这两个小组打破了常识，发现宇宙膨胀实际上在加速。

试想一个垂直上抛的小球，在地球重力的吸引下，小球会慢慢减速最终开始下落。如果用来类比宇宙加速膨胀的话，就是向上抛出的小球战胜引力的作用，反而加速上升。

为了解释宇宙的加速膨胀，克服物质之间的引力作用，宇宙空间中应该充满着某种未知的能量。这股未知的能量就被称为“暗能量”。暗能量的本质是现代物理学的最大谜题之一。

前面讲述了暴胀也是是宇宙的加速膨胀，和现在的加速膨胀相比只是规模的不同，由于两者的性质相像，所以可能存在着某种关联。

暗能量会对宇宙的未来造成很大的影响。以前认为宇宙的膨胀速度是渐渐变慢的，进而转变成收缩，最终可能压成一点。也就是说宇宙的未来是“大挤压”。

但是发现了宇宙在加速膨胀之后，现在一般认为宇宙会一直膨胀下去了。但是毕竟暗能量的本质还没有搞清楚，所以还不知道在未来是不是会一直地加速膨胀下去。如果加速膨胀的趋势进一步增加的话，未来的结果可想而知。

前面介绍过，星系、太阳、人体、原子等并不会跟随宇宙的膨胀而膨胀。但如果加速膨过于猛烈，那么在遥远的未来，维持着这些构造的力就会被宇宙膨胀所压倒，说不定包含原子在内的所有构造都开始膨胀，宇宙的这种毁灭性的未来就被称为“大撕裂”。

暗能量的本质，在宇宙学中占据着极其重要的位置，现在理论和观测两个方面都在进行着更加深入的研究。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）