第6章 人类需要破解宇宙天书(5)

3.人类重现宇宙开初的演化历史

现代宇宙学的主要目的是，利用在地球及其附近确立的物理学定律，或利用从这些局部成立的定律合乎逻辑地作出的推论，根据今天所得到的证据，详细地重现宇宙过去的历史。当然，我们在时间上回溯得越久远，宇宙环境就变得越极端，我们或许需要作出的外推与那些能在实验室中检验的物理学定律也就偏离得越远。

我们关于膨胀宇宙图景的发展，及对其既往之重现进展非常缓慢。在20世纪30年代，比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特在此事的起步阶段起了带头作用。他的“原始原子”理论乃是我们如今所说的“大爆炸”理论的鼻祖。40年代后期，一位移居美国的俄国人乔治·盖莫夫（George Gamov）与他的两位年轻的研究生拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）一起，又迈出了最重要的几步。他们开始认真考虑已知的物理学理论用于勾画宇宙早期阶段状况的可能性。他们认识到了关键之所在。如果宇宙肇始于遥远过去的某种既热且密的状态，那就应该留下某种从这个爆发式的开端洒落的辐射。更具体地说，他们认识到，过去应该存在着某个时候，其时宇宙的年龄仅为几分钟，它热得足以使每个地方都发生核反应。后来，更加详细得多的预言和观测结果证实了这些重要的见地。

1948年，阿尔弗和赫尔曼预言，从大爆炸散落的残余辐射由于宇宙膨胀而冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度以上（5℃），或者说5℃（绝对零度等于摄氏零下273度，即-273℃）。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视，而被埋没在浩瀚的物理学文献之中。另外几位科学家考虑了一个热的膨胀宇宙之起源问题，便是他们谁也不知道阿尔弗和赫尔曼的论文。理由是明白的。当时的通讯、交流方式无法与今天同日而语。在40年代和50年代，在大多数物理学家看来，再现宇宙早期的细节并不是一种非常严肃的科学活动。但是多年以后，即1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Rober Wilson）却十分意外地发现了这种宇宙辐射场，当时他们正在为跟踪第一颗“回声号”（Ccho）卫星而校准一种很灵敏的无线电天线。与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特·迪克（Rober Dicke）领导的一个科学家小组已独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言，并着手设计一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射。他们听说了贝尔实验室这台接收器中存在着无法阐明的噪声，并立即将它解释为源自大爆炸的残余辐射。它相当于在电磁波谱的微波部分波长为7.35厘米的某种无线电波信号；如果假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度——这与阿尔弗和赫尔曼富于灵感的估计非常接近。它被称为“宇宙微波背景辐射”。作为其预言与发现始末的一项追记，我们应当提及：1983年，人们开始获悉前苏联无线电物理学家什茂诺夫也许早在1957年就已发现了这种辐射，并用俄文公布了这一事实。什茂诺夫建造了一种对微波信号敏感的天线，并报道探测到了某种在天空中各个方向上均匀的信号，与之相当的辐射所具有的温度介乎1K和7K之间。当时无论是他本人或是其他任何人都不清楚这项发现的重要性。事实上，什茂诺夫直到1983年才闻知大爆炸的预言以及彭齐亚斯和威尔逊的发现，而这已经是后两人因18年前作出他们那项卓越的发现而荣获诺贝尔奖之后5年的事情了。

这项发明是人们开始认真地研究大爆炸模型的一种信号。渐渐地，人们对宇宙微波作了更多的观测，这些观测揭示了宇宙微波背景辐射的其他性质。这种辐射在所有的方向上都有相同的强度，精度至少高达千分之一。而且，人们在不同频率上测量了它的强度，开始揭示出其强度随频率变化的方式（即它的“谱”）具有纯热的特征。这样的辐射称为“黑体”辐射。不幸的是，地球大气中的分子对于辐射的吸收和发射阻碍了天文学家去证实整个背景辐射谱正是热辐射谱，人们仍然怀疑，它或许是由宇宙开始膨胀之后很久发生的种种剧烈事件产生的而并非产生于大约150亿年以前的膨胀之始。只有在地球大气外观测这种辐射才能消除这种疑虑，而这正是美国国家宇航局（NASA）的宇宙背景探测器（COBE）卫星于1989年开始从空间测量整个背景辐射谱的第一项巨大成就。那是人们在自然界中所曾见到的最完美的黑体谱，它非常引人注目地确认了宇宙过去曾比今天要热成千上万度。因为只有在如此极端的条件下，宇宙中的辐射才有可能呈黑体形式而达到如此高的精度。

人们利用高空飞行的U2型飞机进行了另一项关键性的实验，以证实背景辐射并非近期起源于宇宙中邻近我们的部分。这些早先的间谍飞机机身极小、翼展却很大，这使它们成了非常适合于进行天文观测的稳定平台。这时，它们是朝上测天而不再是往下观地了！它们探测到天空各处的辐射强度具有某种系统的变化。倘若这种辐射起源于遥远的过去，那么出现这种变化便在意料之中。如果这种辐射型成了某种均匀膨胀的“海洋”——它生成于宇宙的早期，那么我们就将在这海洋中航行。地球环绕太阳运动，太阳环绕银河系中心运动，银河系又在本星系群中运动，如此等等；这一系列的运动意味着我们正沿着某个方向在背景辐射中穿行。当我们沿此方向观看时，辐射强度将显得最强，在与之相差180°的方向上辐射强度则显得最弱；在这两者之间，辐射强度应随角度而呈某种富有特征的余弦变化，就像在暴雨中奔跑，胸前湿得最厉害，背后则湿得最少。这里，在我们运动的方向上被扫过的是微波。正如预期的那样，观测揭示了某种完美的“余弦式”变化。

接着，几项不同的实验证实了这一发现——它又被称为“天空大余弦”。它肯定了这样一个事实：我们，以及包含我们寓居其中的本星系团在内的那个区域，都正相对于宇宙微波海而运动。因此，背景辐射不可能是局部区域产生的，要不它就会和我们一块儿运动，那样我们就不会看到其强度与温度的余弦变化了。

我们穿越来自大爆炸的背景辐射而运动，并不是造成其强度随方向稍有变化的唯一可能的原因。倘若宇宙在不同的方向上正以稍稍不同的速率膨胀，那么在膨胀得较快的方向上，辐射就将较弱较冷。类似地，如果在某些方向存在着某些物质特别集中或特别匮乏的区域，那么这也将使我们从这些方向上接收到的辐射强度发生变化。发射COBE卫星的动机就是搜索这些变化，1992年，这些变化的发现成了世界各国报纸的头条新闻。

当我们考察来自天空中不同方向的背景辐射强度时，我们就获悉了有关宇宙结构的大量引人注目的事情。我们发现，它正在所有的方向上以相同的速率膨胀，其精度优于千分之一。我们说这种膨胀近似地是“各向同性的”——也就是说，在每个方向上都相同。如果有人从某个“宇宙博览馆”中随机地挑选有可能存在的宇宙，那就会有无数个在某些方向上远比其他方向膨胀得更快的宇宙品种，或者是以很高速度旋转，或者甚至是在某些方向上收缩而同时又在其他方向上膨胀着的宇宙变种。我们的宇宙确实很特殊。它似乎处于某种安排得极为妥善的状态之下：在所有的方向上膨胀都以相同的速度进行下去，其精度非常之高。这就好像你回到家里发现所有孩子的卧室都极其整洁——一种非常不容易遇到的事情。这一定是施加了某种外界的影响。同样地，对于宇宙引人注目的各向同性而言，也必定存在着某种解释。

宇宙学家们长期以来都把宇宙膨胀之各向同性视为必须予以阐释的一大疑谜。

宇宙学家们在寻找这些解释时，构造了各种可能的宇宙史，它们既能说明已知的事实，又能为尚未说明的性质提供解说。宇宙学家们最感兴趣的是这样的假设：它既能解释有关宇宙的令人困惑的特征，又能预言某些尚未探测到的宇宙新属性搜索这种预期的特征，就可以凭借观测来检验原先的假设，这恰如利用实验室中的实验来检验其他科学理论的预言。遗憾的是，我们并不能保证自己的仪器灵敏得足以进行我们想要的一切观测。由于这种现实的局限性，对于许多理论作出的预言，我们尚无法用观测来检验。但是，正是此类预言往往支配着未来将会发展何种新型的天文台或人造卫星。

可以采取的第一条途径是说宇宙就是各向同性地开始膨胀的。宇宙目前的状态只不过是其特殊的起始条件的某种反映。事情现在所以如此，乃是因为当初如彼。实际上，这解决不了什么问题。它什么也没有解释，也没有告诉我们任何新东西。当然，它也可能是对的。倘若果真如此，我们也许就可以指望，存在着某种更深刻的“原理”，它使宇宙必然（或者至少是以压倒优势的可能性）肇始于某种各向同性膨胀的状态之中。这一原理也许在较为局部的范围内还有着其他应用，据此便可以揭示其自身之存在。其令人不悦之处则在于，它把解释宇宙现状的重担完全置于未知的（而且也许是不可知的）宇宙起始状态之上。

第二条途径是将事物的现状考虑为在宇宙中进行的各种物理过程的结果。这样的话，也许无论宇宙的初始状态是多么地不规则，在历经数十亿、上百亿年之后，所有的不规则性均已刷尽，留下的则是某种各向同性的膨胀。这种做法有一个优点，即激励人们拟定某种确切的研究计划，以期发现它是否可能真的正确无误。是否存在这样的物理过程：它能够抹平膨胀中的非均匀性？“抹平”的过程历时多久？时至今日，它们能否摆脱所有的不规则性，或者只是消除了其中的一小部分？不仅如此，这种做法还有一个令人满意的特点：它使我们对宇宙现状作出的假设尽可能不依赖于我们对未知的宇宙初始状态的了解。我们很乐于能够这么说：无论宇宙是如何开端的，在它的早期历史上必不可避免地会发生一些物理过程，后者确保了宇宙在膨胀150亿年之后，看起来差不多就应该像它今天的那种模样。

这第二种哲学虽然听起来极富吸引力，但也有一个弱点。如果我们真能证明宇宙之现状确实与其起始时的条件无关，那么我们现在观测宇宙的结构也就不能告诉我们有关那些起始条件的任何情况了。因为这样的话，宇宙的现状便可与任何起始状态相容。但是，与此相反，如果宇宙目前的结构——其膨胀之各向同性、或是由星系成团性展示的结构图案——部分地反映了宇宙开初的方式，那么就存在着这样的可能性：通过我们今天对于宇宙的观测，或许便能断定有关宇宙初始状态的某些情况了。

长期以来，早期宇宙内发生过那些事件被笼罩在迷雾中。现在，由于近代粒子物理学的发展，科学家们有了一个在宇宙创生最初一分钟里所发生事件的合理图像。下面就来叙述一下这一图像。

我们从宇宙创生大爆炸以后的1/100秒时期的历史开始叙述。那时，宇宙温度高达1000亿开以上，因此不存在普通物质。原子和分子尚未形成，便因高温而爆炸开了。整个空间充满着基本粒子组成的“汤”，“汤”内含有相同数量的电子、中微子（当中子衰变为质子和电子时产生的粒子）、正电子（带正电荷的电子的反物质）、反中微子（中微子的反物质）和光子；少量的重得多的粒子，包括质子和中子以及组成暗物质的一些奇异粒子。

要了解那时的宇宙致密到什么程度是困难的，不过可以想象所有的物质实体被压缩到一个比它们现在所占范围小数十亿倍的区域。这么小范围的空间维持不了多久，很快，宇宙的尺度便快速增大。在我们最初的“快拍”以后头几秒的时间内，宇宙差不多胀大了100倍。

宇宙胀大，其中的物质开始冷却。这是由下述物理原理所决定的：密闭系统在膨胀时温度势必要下降。这一快速冷却将导致许多重要的变化：第一，许多存在着的粒子，如电子和中微子将发现有利于它们与其反粒子的结合，结合的益处是在结合过程中获得能量。当物质与反物质融合时，它们彼此消灭了对方并产生出光子形式的辐射。因此，在这一时期，光子的数量骤然增加。与此同时，宇宙中的大多数中子转变为质子、电子和中微子。由此可见，在此时期终结时，剩下的主要是光子的“海洋”，在此“海洋”中点缀着不同数量的质子、电子、中微子和中子，以及较少量的稀有粒子。

对于原始宇宙演化阶段的下一步观察，我们来看看大爆炸以后3分钟的景象。宇宙比我们上一次“快拍”时大大地冷却了。由于温度降低，粒子的运动变慢，这就使它们有可能合并成稳定的原子核。

首先组成的原子核（不算氢核，因为它不过是质子罢了）是氘，也叫作重氢，它是由一个质子和一个中子组成的。一段时间以后，宇宙中的大多数中子都被纳入氘内去了。

下一个元素是当氘与质子聚合时形成的氦的稀有形式氦-3。再下一步，当中子碰撞氦-3时，诞生出普通的氦-4。一步一步地，从氢到锂，所有我们知道的氢原子核都是由质子、中子和氘等基本成分组成的。