在下一个15年里,宇宙学的未来也许并不清晰。像以前一样,宇宙可能再一次超出了我们的掌控;也许就像粒子物理学家希望他们的标准模型是成功的一样,就宇宙学而言,我们会有更高的精度却没有更多的认识——
得益于粒子物理大胆思想的推动和千兆像素的电荷耦合器件照相机(CCD)以及计算机技术的飞速进步,宇宙学正处于蓬勃的发展之中。现在,宇宙的基本图景已经确定了:137亿年的历史,平直的空间,且正处于加速膨胀阶段;宇宙由4%的原子、20%的暗物质、76%的暗能量组成;另外还有证据表明,量子微扰是星系和其他结构形成的种子。尽管我们对宇宙了解了很多,但距完全认识它还相差甚远。随着我们对宇宙和其演化规律了解不断地深入,宇宙学正处在它的一个黄金时期。
对宇宙的了解
宇宙经常超乎我们的想象,宇宙学的进步也往往得益于科技的进步和新想法的涌现。1920年代,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在威尔逊山用直径2.5米的胡克望远镜发现了宇宙膨胀时,爱因斯坦刚刚创立的广义相对论则为理解宇宙大爆炸提供了数学基础。1960年代,随着直径5米的海尔望远镜的建成,天文学家的视野也拓展到了可观测宇宙的边缘。1964年,利用射电技术阿莫·彭齐亚斯(Amo Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现,宇宙大爆炸的微波背景辐射揭示了宇宙创生时的极高温和高密。
1980年代宇宙学滑入了低谷,桑德齐(Sandage)描述了当时的宇宙学主要测量的两个物理量:宇宙膨胀率和减速因子。尽管热大爆炸宇宙模型的根基是恰当的,这其中也包括了宇宙结构是怎样通过引力从一个小的物质密度涨落进而形成了星系、星系团、超星系团的,然而对于这些微小的密度扰动起源却没有足够的证据。而且,当时只了解大爆炸0.00001秒以后的宇宙,我们对于更早期和大爆炸时的宇宙还知之甚少。因为缺乏物理理论基础,早期的宇宙被认为是由质子、中子和其他基本粒子组成的海洋。
现在的宇宙学正处于蓬勃的发展之中。在过去的8年里,该领域已经两次获得了《科学》杂志评出的年度进展:一次是1998年发现的宇宙加速膨胀;另一次是2003年建立的标准宇宙模型。随着新设想的提出和科技的进步,从夸克的发现、CCD在空间望远镜上的使用以及弦理论,科学革命的足迹在1990年代遍布了各个领域。
来自于粒子物理学的新思想改变了宇宙学的语言和交流方式。我们最想知道的几个物理量是:宇宙微波背景的温度,谱图和各项异性、宇宙的形状、组成、现今物质的大尺度分布,以及非均匀性的功率谱。
通过使用更大的望远镜、更好的探测器和运算速度更快的计算机,天文学家和物理学家已经在更为精确地测定了这些基本量,把处于混沌的宇宙学逐渐变成了精确的宇宙学。在绝大多数情况下,这不仅仅是一个测量,更是一张相互补充、环环相扣的网,这张网限定了宇宙的参数,巩固了宇宙学的框架,改变了宇宙学的进程。宇宙学不再是俄罗斯物理学家列弗·郎道(Lev Landau)所说的那样“:宇宙学家经常犯错误,但却从来不被怀疑。”
我们的宇宙
总体来说,宇宙空间是平直的,年龄为137亿年,对此我们所了解的精度已达到了1%;另外宇宙正以70±2千米/秒/百万秒差距的速率膨胀,而且是加速膨胀;此外宇宙由24±4%的物质和76±4%的暗能量组成,物质的4.2±0.5%是以原子形式存在的,0.1~1%以中微子形式存在,其余的大部分物质则是暗物质,而暗物质到底是什么目前还不清楚。恒星——桑德齐宇宙模型中唯一的成分——仅占整个宇宙成分的1%。同时,微波背景辐射的重要特性也已经被测量,其温度为2.725±0.001开,而且在好于1°的分辨率下其微小的涨落(大约0.001%)也已经被测定。
夸克的发现(组成中子和质子的基本单位)和夸克之间“渐进自由”的特性,为人们了解早期宇宙开启了一扇大门:早期的宇宙是由夸克和其他基本粒子组成的热汤,但它却像化学家所描述的理想气体一样简单。像夸克汤一样的早期宇宙引发了许多的问题:反物质在哪?非均匀性的起源是什么?为什么宇宙如此平直、年龄如此大?现今存在于宇宙微波背景光子中的大爆炸热量从何而来?是什么驱动了大爆炸?
关于早期宇宙创立瞬间的思索和对于上述问题的潜在解答都基于一个大胆的猜想,即基本粒子和自然力是怎样统一的?又是怎样一分为四的?许多想法具有其深远的影响(如中微子和“电荷宇称”破缺能解释反物质为什么这样少),但有两个想法是当前宇宙学发展的中心:一个是作为一种新物质形式存在的暗物质;另一个是作为宇宙早期膨胀动力学解释的暴涨。
暴涨和暗物质
通过宇宙学观测,从星系到超星系团的宇宙尺度,暗物质的组成不可能是通常的原子,为此粒子物理学提出了三个候选者:第一个候选者是中微子。现在我们知道中微子有质量并且是暗物质的一部分,但仅仅是一小部分,不超过1%。目前把希望放在了其他两个候选者身上:(1)渺中子(neutralino),它的质量是质子质量的100倍,是弦理论所预言的最轻的粒子;(2)轴子(axion),它的质量比电子小1万亿倍。
根据暴涨的中心内容,宇宙在极早期经历了由一种被称为暴涨场(inflaton)的标量场所驱动的剧烈加速膨胀,导致了一个光滑、平直、高温的宇宙(热量源自暴涨场的能量传递给了宇宙中其他的粒子),但暴涨的物理原因还不明确。与此同时,量子涨落也会从亚原子尺度暴涨到宇宙学尺度,产生了形成宇宙结构所需要的密度不均匀性。
把暴涨和暗物质放在一起就是宇宙结构形成的冷暗物质模型(CDM)(“冷”指的是暗物质粒子如渺中子或轴子运动缓慢,这又导致了CDM的相关结论不会依赖暗物质的质量)。CDM详细描述了宇宙结构是怎样形成的以及宇宙又是怎样变亮的。这也激发起观测(这种观测或许只有得益于新技术才能实现)来认识我们的宇宙,从第一代恒星形成(大爆炸后不超过10亿年)不久后的星系和宇宙大尺度结构的形成与演化一直到现在。
研究人员认为在宇宙大爆炸之后仅几微秒内可能就是夸克—胶子等离子体的“完美的液态”,上图模拟了在近乎“完美的”液体中夸克间的相互作用和流动
1992年,宇宙背景探测器(COBE)首先探测到了全天空范围内宇宙微波背景各项异性的微小变化,证实了导致大尺度结构形成的非均匀性的存在,进而为宇宙学翻开了全新的一页(通过对宇宙微波背景各项异性的了解,我们可以探知宇宙的过去、现在和未来)。2006年,约翰·马瑟(John Mather)和乔治·斯穆特(George Smoot)因在COBE上的工作而获得诺贝尔物理学奖。
继COBE之后,威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)以及部分地面和气球实验也对宇宙微波背景进行了观测。从这些实验所得到的高精度结果以及斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)和2度视场计划(Two-Degree Field project)的观测,精确测定了宇宙学参数,并基本证实了CDM图像的正确性,为暗物质和暴涨的存在提供了强有力的证据。
暗能量的发现
暴涨和暗物质是由理论所预言的;然而,暗能量的出现也是令人震惊的。1998年,对于桑德齐的第二个数值减速因子的测量出现了意外的转机。使用新的技术和更好的用于测定宇宙距离的标准烛光(Ia型超新星——白矮星通过吸积伴星的质量而使自身质量超过了钱德拉塞卡极限所引发的核爆炸),两个天文学观察小组发现宇宙正在加速膨胀,而不是减速。换句话说,对于减速因子而言,尽管最先的定义是为了保证它是正值,但现在实际的观测却是负值!
尽管宇宙的这种神秘加速膨胀至今仍是最为困扰整个科学界的问题之一,但它又是我们目前对宇宙的认识所缺失的一块。直至1990年代末,尽管暴涨和CDM理论在解释宇宙结构形成时很成功,但仍有一个很小的细节无法解释:越来越多的观测证据显示宇宙是平坦的、宇宙密度等同于临界密度,但是宇宙中物质的密度只占整个临界密度的30%。那么,剩下的70%的临界密度到哪里去了?
宇宙的加速解决了这个问题:已经观测到的宇宙加速膨胀预示了一种极为光滑、弥散的能量的存在(现在被叫做暗能量),它可以解释宇宙中所缺失的70%的那一部分。尽管暗能量的存在看起来很荒唐,但当宇宙加速膨胀被发现时,我们目前的这个和谐宇宙模型(concordance model)也迅速地容纳了它。实际上,在发现暗能量之前,两篇理论文章就已经预言了它的存在。
WMAP的观测提供了宇宙大爆炸后极速膨胀的新证据
在广义相对论的框架之内,暗能量能够解释宇宙的加速膨胀,这是因为爱因斯坦的理论早已预言了这种压强为负、起斥力作用的物质的存在。暗能量的理论从量子真空能、存在新的标量场到弦理论预言的不可见的额外空间维度,各式各样。与广义相对论的解释不同,最有意思的一种可能性是使用新的引力理论来解释宇宙加速膨胀,进而不需要假设暗能量的存在。
暗能量令人困惑的根源要追溯到量子力学的诞生和爱因斯坦著名的宇宙学常数项。根据量子力学中的测不准原理,真空应当是充满“虚粒子”的海洋。但是这些虚粒子所产生的效应却是实实在在的(它们会使原子谱线偏移并改变基本粒子的质量),现已被证实。大量粒子产生的压力等价于负的能量密度,在数学上就是爱因斯坦的宇宙学常数,量子真空能似乎为宇宙的加速膨胀提供了合理的解释。然而,有一个小的问题:当理论家试图计算量子真空能量的时候,他们得到的数值却大得惊人。这就是所谓的宇宙学常数问题,它困扰了我们30多年,由于它现在和解释宇宙加速膨胀联系在了一起,因此我们无法再回避这个问题了。
宇宙学的未来
现在,我们对宇宙的了解已经很多:它的形状、年龄、组成、暴涨开始的证据、从夸克汤到宇宙大尺度结构形成的时间线,但对于诸如宇宙中特殊原子混合物的存在、暗物质及暗能量的了解却不是很多。我们不了解暗物质究竟是什么,宇宙为什么加速膨胀,同样也不知道如果宇宙在早期确实经历了暴涨,那么又是什么触发了它。与郎道曾经说的有所不同,今天的宇宙学家很少出错但却经常被怀疑。
随着新的加速器、望远镜和地面实验的出现,在未来的15年里宇宙学会得到更长足的发展。渺中子有可能在费米实验室的万亿电子伏对撞机或在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)中产生,又或者存在于银河中的渺中子和轴子有可能被极灵敏的探测器探测到。以观测偏振为目标的新一代宇宙微波背景实验将能够揭示暴涨中的第三个也是最有决定性的信号(如在由时空度规中的量子涨落所产生的引力波)并且约束暴涨发生的时间。同时,暗能量空间望远镜将为宇宙加速膨胀的原因提供线索。
在下一个15年里,宇宙学的未来也许并不清晰。像以前一样,宇宙再一次超出了我们的掌控。也许就像是粒子物理学家希望他们的标准模型是成功的一样,我们会发现就宇宙学而言我们会有更高的精度但却没有更多的认识。然而,我们有信心并预见,为了大幅度推动我们对夸克和宇宙的认识,宇宙学的长期繁荣将最终使它进入一个黄金期。