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設(shè)備與工具■蔡一夫、樸云松、張新民/文 《現(xiàn)代物理知識》
自愛因斯坦發(fā)表廣義相對論以來已有一百年，該引力理論得到了廣泛驗證也推動了基礎(chǔ)物理的蓬勃發(fā)展。現(xiàn)代宇宙學(xué)正是愛因斯坦引力理論下發(fā)展極為成功的一門學(xué)科。本文旨在回顧現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展簡史，詳細闡述研究現(xiàn)狀和所取得的一系列科學(xué)成就，并對它的未來發(fā)展做一個展望。本文具體介紹熱大爆炸宇宙學(xué)的發(fā)展歷史、宇宙加速膨脹帶來的暗能量驚人發(fā)現(xiàn)、星系旋轉(zhuǎn)曲線所揭示的暗物質(zhì)，以及早期宇宙暴脹學(xué)說和相應(yīng)的擾動理論在微波背景輻射中的精確檢驗。這些課題都是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最具影響的熱點話題。筆者借此文拋磚引玉，期待更多年輕學(xué)者能加入到宇宙學(xué)的科研隊伍當(dāng)中，推動其在不久將來能有更進一層的重大突破。
宇宙學(xué)，源自于人類最樸素的宇宙觀，是對大自然一切存在所共同分享的一個居住環(huán)境的自我認知。古人舉首眺望星空時，就在模糊的想象中認定了我們的宇宙即眼前這片浩瀚的星河。自古希臘時期，自然哲學(xué)家們?nèi)缤欣彰?、亞里士多德等就通過他們最直觀的想象去描述我們的宇宙，其中最有影響的便是托勒密的地心說。16~17 世紀，隨著文藝復(fù)興引發(fā)的科學(xué)革命，給人類帶來了新的宇宙論，這便是由哥白尼、開普勒及伽利略等人提出和傳播的日心說理論。緊接著牛頓于 1687 年發(fā)表了人類歷史上最具濃重一筆的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，為人類揭開了萬有引力的面紗，并讓人們可以通過物理法則去認識天體運轉(zhuǎn)的復(fù)雜規(guī)律。
圖1 從地心說（左上）到日心說（右上）再到牛頓引力理論，人類耗費了千年的努力才得以一瞥宇宙的奧義
如果說萬有引力定律是上帝賜予人類的第一顆蘋果，那么第二顆便是愛因斯坦于 1915 年提出的廣義相對論。這是一個徹底摒棄絕對慣性坐標(biāo)的物理理論。在這里，引力被解釋為宇宙時空的彎曲，而這一時空背景下所有的物體都遵循著測地線的統(tǒng)一法則，無一特殊。當(dāng)愛因斯坦提出廣義相對論之后就立刻將其應(yīng)用到了我們的宇宙演化規(guī)律。當(dāng)時天文學(xué)家對宇宙的認識還非常有限，甚至還不太清楚銀河系外還有大量和銀河系類似的星系。因此，出于數(shù)學(xué)上的原因，愛因斯坦提出了后來影響深刻的宇宙學(xué)原理，即宇宙各向均勻和各向同性。在這一理論框架下，蘇聯(lián)宇宙學(xué)家弗里德曼于 1922 年給出了至關(guān)重要的描述宇宙背景的動力學(xué)演化方程，并指出宇宙背景可以是膨脹演化的。1929 年美國天文學(xué)家哈勃給出星系的紅移與星系間的距離成正比的定律并推導(dǎo)出星系在相互退行的膨 脹論。這一具有里 程碑意義的發(fā)現(xiàn) 意味著，我們的宇 宙中星系曾經(jīng)非 ?？拷⒃诩s百 億年前可能來自 于一個時空點，而 這一刻的宇宙無比致密。
圖2 根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論描述，我們的時空是彎曲的，星體運動的軌跡是測地線軌道，引力則是時空彎曲的效應(yīng)
于是，在這個歷史背景下，20 世紀 40 年代，伽莫夫等人建立起了熱大爆炸宇宙學(xué)說。這一理論描述了我們的宇宙創(chuàng)生于一個時空奇點的大爆炸，在極早的嬰兒期宇宙中充斥著由微觀粒子構(gòu)成的輻射流體，溫度極高且密度極大，這一溫度在整個宇宙背景下是統(tǒng)一均勻的，也就是我們的宇宙溫度。宇宙創(chuàng)生之后的幾分鐘隨著溫度的降低，這些輻射粒子逐漸冷卻，迅速通過核反應(yīng)合成了氫氦等輕元素的原子核，并在三十八萬年以后通過與電子的復(fù)合逐漸形成中性原子。隨著膨脹的持續(xù)使宇宙溫度進一步下降，最早的一批恒星就慢慢形成。隨著這一批恒星的誕生與死亡，宇宙中又逐漸合成了碳氧硅鐵等元素，同時老一批恒星的死去時拋出的星際塵埃又為新一代恒星的誕生創(chuàng)造了原料，乃至后來的星系結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)。這整個過程便是熱大爆炸宇宙學(xué)理論下的宇宙所經(jīng)歷的壯闊景象。而今天我們的宇宙溫度被發(fā)現(xiàn)是2.73K的絕對溫度。
熱大爆炸宇宙學(xué)說預(yù)言了我們的宇宙有一個背景溫度，這就說明我們的宇宙背景應(yīng)該存在著一個具有特別分布規(guī)律的輻射。該預(yù)言為人類揭示了宇宙學(xué)歷史上最為重要的實驗發(fā)現(xiàn)之一，這便是宇宙微波背景輻射（CMB）。1989 年，美國宇航局發(fā)射了一顆專門探測 CMB 的觀測衛(wèi)星，即宇宙背景探測者衛(wèi)星（COBE）。這一實驗在當(dāng)時以極為完美的精度驗證了 CMB 的黑體譜及背景溫度。不僅如此，COBE 衛(wèi)星還為人類帶來了一個額外的驚喜，在這個輻射背景上人類首次觀測到“漣漪”，即十萬分之一的溫度漲落。這一微小的漲落后來在 CMB 實驗的第二代和第三代，即美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和歐洲宇航局的普朗克（Planck）衛(wèi)星，得到了極高精度的測量并被完美驗證。由于 COBE 衛(wèi)星實驗所帶來的巨大影響，2006 年諾貝爾物理學(xué)獎被授予了 COBE 衛(wèi)星項目的兩位首席科學(xué)家，馬瑟和斯穆特。而這一領(lǐng)域的科技成就和其他宇宙學(xué)觀測實驗一起確立了所謂的“精確”宇宙學(xué)的來臨。
圖3 CMB 的發(fā)現(xiàn)與實驗發(fā)展。上圖從上至下分別是CMB 的發(fā)現(xiàn)，第一代衛(wèi)星實驗COBE，第二代衛(wèi)星實驗WMAP；下圖是歐洲宇航局最新發(fā)射的Planck 衛(wèi)星
CMB 的發(fā)現(xiàn)不僅僅是證實了熱大爆炸宇宙學(xué)，它還為人們檢驗微觀世界的基本物理法則提供了強有力的途徑。例如，CMB 不僅具有溫度漲落還可以給出偏振信號，這可以被用來對物理學(xué)中的基本對稱性進行精確的檢驗。值得一提的是，來自中國科學(xué)院高能物理研究所等單位的科研人員提出了利用 CMB 實驗的偏振數(shù)據(jù)來檢驗在基本粒子物理中具有基礎(chǔ)性地位的電荷 - 宇稱 - 時間反演（CPT）對稱性的新方法，并取得了重要成果。他們的基本想法是：如果 CPT 被破缺了，CMB 光子的偏振方向在宇宙空間中傳播時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)的角度代表了 CPT 破缺的程度，并改變最終可觀測的 CMB 偏振功率譜。CMB 光子是我們能看到的最遙遠的光子，其傳播距離之長使得即使很微弱的 CPT 破缺反應(yīng)也會在光子漫長的傳播過程中累加成可觀測的信號。研究小組設(shè)計的這種用 CMB 偏振檢驗 CPT 對稱性的新方法使檢測靈敏度大大提高，更有趣的是他們在首次分析 WMAP 和 Boomerang 南極氣球?qū)嶒灁?shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)了 CPT 破缺的疑似跡象。如果這一發(fā)現(xiàn)得到未來實驗的進一步證實，將大大加深人類對自然界對稱性的認知，并有助于人類了解宇宙中正反物質(zhì)不對稱性的物理起源。這一方法后來也為 WMAP 衛(wèi)星以及 QUaD 地面望遠鏡等實驗組所等采納。為了推進中國宇宙學(xué)在 CMB 方面的實驗研究，中國科學(xué)院高能所的宇宙學(xué)研究團隊及國內(nèi)一些感興趣的單位正在計劃與美國哈佛、普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家們合作，積極推動在我國西藏阿里地區(qū)開展北半球首個 CMB 的觀測實驗。在我國阿里地區(qū)開展 CMB 觀測意義重大，將大大推進 CMB 地面觀測實現(xiàn)全天覆蓋的進程，貢獻中國對 CMB 極化觀測的力量。
熱大爆炸宇宙學(xué)說所描述的宇宙熱膨脹演化歷史到了 20 世紀 90 年代已經(jīng)深入人心，這一理念不僅在 宇宙學(xué)家中被廣泛接受，也被應(yīng)用到基礎(chǔ)物理的其他 方面，例如粒子物理。甚至好萊塢的科幻電影也無處 不在地吸收著宇宙學(xué)發(fā)展的新鮮理念，如盛極一時的 “星球大戰(zhàn)”系列電影。根據(jù)當(dāng)時熱大爆炸的觀點，如果我們的宇宙是由冷物質(zhì)例如星際塵埃所主導(dǎo)，那么這個膨脹的速率是在逐漸下降的。為了驗證這一點，宇宙學(xué)家提出過一個歷史名詞叫做減速因子，并開展天文實驗對Ⅰa 型超新星的爆發(fā)進行了觀測。然而，實驗結(jié)果是令人匪夷所思的。1998 年國際上兩個超新星觀測實驗組通過獨立觀測得出了同樣的結(jié)論，減速因子是負的！這意味著，今天的宇宙膨脹正在加速，似乎存在某一種神秘的負壓物質(zhì)作用于整個宇宙中的星系并將其推開。這一行為是通常的物質(zhì)所做不到的。這一顛覆性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)被譽為 20 世紀自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，盡管它給理論物理學(xué)家?guī)砹肆钊藰O為頭疼的物理問題，但這恰恰說明了該發(fā)現(xiàn)是如此重要。為此領(lǐng)導(dǎo)兩個超新星觀測實驗的科學(xué)家珀爾馬特、里斯和施密特分別于 2006 和 2011 年獲得了邵逸夫獎和諾貝爾物理學(xué)獎的表彰。
圖4 上圖所示為G299 Ⅰa 型超新星遺骸；下圖宇宙加速膨脹的大致時間表
在當(dāng)前的愛因斯坦引力理論框架下，這一驅(qū)動宇宙加速膨脹的神秘黑暗使者就是當(dāng)前宇宙學(xué)家夢回縈繞百思不得其解的暗能量。最簡單的理論解釋方法則是將愛因斯坦于 20 世紀 30 年代拋棄的宇宙學(xué)常數(shù)從他的回收站里重新?lián)旎貋矸胚M我們的宇宙學(xué)方程，因為這一常數(shù)如果是正定的則可以在真空中產(chǎn)生具有排斥效應(yīng)的能量，即正的真空能。然而，粒子物理學(xué)家又陷入了困惑的糾結(jié)，為何我們的宇宙中會隱藏著如此小的能量密度，以至于它一直隱藏在宇宙熱膨脹的背景演化中不起任何效果直至今日才大顯神威。文獻中，富有想象力的宇宙學(xué)家們提出了各種解決方案，其中具有代表性的觀點認為暗能量可能是一類新的動力學(xué)場并且其有效質(zhì)量是極小的。這個場有著一個很浪漫的名字，叫做精質(zhì)（Quintessence），這是一個來自于古希臘的古老傳說，是世界的第五元素（古希臘樸素唯物主義學(xué)者認為世界是由四個基本元素組成）。一旦我們假設(shè)暗能量是一個具有動力學(xué)的場，那么描述這個場動力學(xué)演化行為的最重要物理參量恐怕就是所謂的狀態(tài)方程參數(shù)，它是物質(zhì)場的壓強與能量密度的比值。為了解釋宇宙的加速膨脹，狀態(tài)方程參數(shù)需要足夠接近 -1 這么一個特殊的取值。然而，很快宇宙學(xué)家意識到暗能量的狀態(tài)方程參數(shù)也可以是演化的，并且不同的演化行為帶來的是完全不同類別的暗能量模型。在這個領(lǐng)域，中國的宇宙學(xué)家們做出了令世界側(cè)目的重要貢獻。特別是 2003 年前后中國科學(xué)院高能物理研究所的張新民組提出了一類新的暗能量動力學(xué)模型，它也有一個很浪漫的名字，叫做精靈（Quintom），這是因為它非常巧妙地將精質(zhì)與幽靈（Phantom）暗能量模型結(jié)合在了一起，描述了一類狀態(tài)方程參數(shù)可以通過動力學(xué)演化越過 -1 的暗能量動力學(xué)特性。該模型一經(jīng)提出便立刻得到了國際宇宙學(xué)同行的廣泛關(guān)注和評論，并于 2010 年在國際權(quán)威綜述類期刊 Physics Reports 撰文介紹。
圖5 暗能量決定了宇宙演化的命運
籠罩在熱大爆炸宇宙學(xué)說上的“烏云”并非暗能量這么一朵，事實上另一朵“烏云”早在 20 世紀 30 年代就已經(jīng)困擾了宇宙學(xué)家很久。20 世紀 70 年代天文學(xué)家通過測量星系的旋轉(zhuǎn)曲線發(fā)現(xiàn)星系自轉(zhuǎn)速度在較大尺度上并不符合理論規(guī)律，在標(biāo)準(zhǔn)理論框架下可見物質(zhì)的引力太弱無法維系星系周邊發(fā)光天體的穩(wěn)定演化。因此，一個大膽的猜想被理論家提了出來，宇宙中可能存在大量不可見的所謂的暗物質(zhì)，正是這些暗物質(zhì)提供了更多的引力來維系宇宙中的星系的穩(wěn)定存在。和暗能量類似，暗物質(zhì)的物理本質(zhì)至今仍然尚未得知。理論學(xué)家相信暗物質(zhì)似乎是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型框架之外的一類新物質(zhì)存在，并且這類物質(zhì)幾乎不參與我們所熟知的粒子物理中的相互作用，而僅僅參與到引力相互作用。此外也有很多疑似觀測信號表明這類物質(zhì)是以新的粒子形態(tài)生活在我們的宇宙當(dāng)中，并對宇宙極早期的大尺度結(jié)構(gòu)形成提供了不可或缺的幫助。直至今日，關(guān)于暗物質(zhì)的理論解釋仍然眾說紛紜，宇宙學(xué)家致力于通過各種實驗手段來探測暗物質(zhì)，例如加速器、地下實驗室、空間觀測等方法，進行直接或者間接實驗，以期待在不久將來能逐漸揭開暗物質(zhì)神秘的面紗，一探究竟。
圖6 斯隆巡天望遠鏡給出的在暗物質(zhì)影響下宇宙大尺度結(jié)構(gòu)隨紅移的分布
之前我們介紹了熱大爆炸宇宙學(xué)可以描述宇宙熱膨脹的演化歷史，其中有輻射、塵埃物質(zhì)，以及通過超新星觀測發(fā)現(xiàn)的暗能量和星系旋轉(zhuǎn)曲線發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)。正是這些物質(zhì)成分構(gòu)成了我們所觀測到的宇宙。通過 CMB 實驗、超新星實驗、大尺度結(jié)構(gòu)觀測等一系列的天文觀測數(shù)據(jù)，再結(jié)合熱大爆炸理論分析，讓我們得到了一份極為精確的宇宙配方。具體來說，宇宙中的可見物質(zhì)成分的平均能量密度約為每立方米 4.3×10^-25 克。而這些可見物質(zhì)在宇宙中所占的比分只有約 4.9%，暗物質(zhì)占到了 26.8%，暗能量則達到 68.3% 之多。
圖7 宇宙的配方
然而，這并非宇宙學(xué)研究篇章的結(jié)尾，而僅僅是一個序曲。熱大爆炸宇宙學(xué)雖然精確描述了我們的宇宙從創(chuàng)生后幾分鐘到當(dāng)前 138 億年年齡的成長過程，這一學(xué)說卻面臨了若干理論短板。例如，該學(xué)說無法解釋宇宙為什么在所有方向上看起來都如此的均勻和平坦，大尺度結(jié)構(gòu)演化所需要的種子來源于何處，等等。為了解答這一系列的理論問題，美國宇宙學(xué)家古斯于 1980 年提出了暴脹學(xué)說。這一學(xué)說指出我們的宇宙在剛剛誕生約 10^-36 至 10^-32 秒曾經(jīng)歷過一次極為劇烈的加速膨脹，這一想法與暗能量解釋宇宙晚期加速膨脹極為類似，因此它也需要一個動力學(xué)的標(biāo)量場，被稱為暴脹場。該場也像暗能量一樣能將宇宙空間迅速拉伸開來，只不過這個加速膨脹的規(guī)模更為波瀾壯闊，因為它在短短的時間里將我們的宇宙尺度放大了至少 10^25 倍。因此，這個過程十分有效地抹平了宇宙空間可能存在的任何一絲一毫的不平坦性和不規(guī)則性。
特別令人稱道的是，暴脹場自身在不斷產(chǎn)生著微小的量子漲落，這些量子漲落的波長又因為暴脹而被拉伸到極大尺度并且能退相干成經(jīng)典擾動。這些經(jīng)典擾動最后就在 CMB 中留下了絲絲許許的“漣漪”，并且在暴脹結(jié)束之后為我們的宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)形成提供了寶貴的種子。這一理論看上去極為夢幻，然而這一看似天馬行空的宇宙學(xué)擾動理論所預(yù)言的近標(biāo)度不變的溫度擾動功率譜和大尺度結(jié)構(gòu)物質(zhì)功率譜，都在后來日新月異的天文觀測實驗中逐一得到了極高精度的檢驗。在現(xiàn)代宇宙學(xué)中，宇宙學(xué)擾動理論正是基于愛因斯坦的引力理論進行微擾展開并通過研究這些微小的原初擾動的演化行為去確定星系及星系團等大尺度結(jié)構(gòu)的最終形成過程?？梢哉f宇宙學(xué)擾動理論的成功是今天奠定粒子宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)。
圖8 CMB 的溫度漲落，當(dāng)前理論普遍認為該溫度漲落起源于暴脹時期的原初量子漲落
正是基于愛因斯坦提出的廣義相對論，熱大爆炸宇宙學(xué)說和宇宙學(xué)擾動理論結(jié)合在一起，給出了一個僅僅含有六個基本參數(shù)的宇宙學(xué)模型，被稱之為和諧宇宙模型（Concordance model）。這個模型也被普遍認為是宇宙學(xué)框架下的標(biāo)準(zhǔn)模型。當(dāng)前宇宙學(xué)家們正在致力于通過各種天文實驗更精確地檢驗這個宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。然而，現(xiàn)代宇宙學(xué)，作為自創(chuàng)生至今尚不足一百年的科學(xué)分支，在過去的幾十年中已經(jīng)取得了一系列驚艷的重大突破，包括宇宙年齡的精確測量及宇宙加速膨脹等，這些無一不充分證明了愛因斯坦引力理論所取得的巨大成功。但是，無論是宇宙學(xué)家還是粒子物理學(xué)家都從未認為目前的宇宙學(xué)模型是完美無缺的。例如，無論是熱大爆炸學(xué)說還是暴脹學(xué)說，都不可避免的存在一個假設(shè)就是我們的宇宙來自于一個時空的奇點，而這一奇點的物理性質(zhì)到底如何，是否存在正確的數(shù)學(xué)描述，這些都是尚未得知的物理難題。例如，有相當(dāng)一部分宇宙學(xué)家認為宇宙創(chuàng)生的奇點可能并非奇點，而是一個極小尺度的時空，我們的宇宙在大爆炸或暴脹前可以一直存在，或許是幾乎處于靜態(tài)，在緩慢膨脹中，或許可能曾經(jīng)經(jīng)歷過大收縮的過程，后一圖像被稱之為反彈學(xué)說。宇宙學(xué)的研究也極大推動了粒子物理的基礎(chǔ)理論的發(fā)展，例如弦論等。因此，對宇宙學(xué)的研究還遠遠沒有到宣稱收獲的時候，恰恰相反，這應(yīng)該還只是一個更為成功的理論的初章。
來源： 現(xiàn)代宇宙學(xué)簡史[J]. 現(xiàn)代物理知識, 2015, 27(5): 26-30.
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