□作者: 李新洲 孙珏岷
[1]
明子：我最近读到了19世纪英国著名诗人菲茨杰拉德（E.Fitz-Gerald）的诗句，“进入这个宇宙，却不知道自己源自何方，就像流水无奈地流淌。”这些诗句使我这个学文学的学生对宇宙充满了好奇，同时对宇宙究竟是什么不免有些迷惘。今天特地向您这位宇宙学专家请教。
司空教授：最近20年来，太空探测器一个接着一个发射了，加上许多大型的地面探测设备相继投入运行，关于宇宙的知识也迅速地增加起来。现在可以认为，以这些知识为基础，总算有可能对宇宙的本质作出更进一步的了解了。宇宙学也逐渐走向成熟。
明子：请先告诉我，现代意义下的宇宙学是什么时候开始的？
司空教授：1917年爱因斯坦提出了他的广义相对论。广义相对论是一门关于时间、空间和引力的理论，现代宇宙学是建立在广义相对论的基础上的。
明子：您的意思是否说利用牛顿力学是无法研究宇宙的？
司空教授：是的。牛顿认为，如果宇宙是有限的，就有边界和中心，由于各部分之间的相互吸引，物质必然会落向中心，在那里形成一个巨大的物质球，这与观测相悖。因此，牛顿的宇宙模型是无限的，在总体上它是稳定的。但是，1826年，德国天文学家奥伯斯（H.Olbers）提出了一个发人深省的问题：如果宇宙是无限的，并且均匀地分布着无数类似于太阳的恒星，则无论从哪一个方向看，观测者的视线总会遇上一颗恒星。于是天空每单位面积的亮度跟太阳表面单位面积的亮度差不多，夜晚的天空不会是黑暗的，应十分明亮，昼夜不分。这个矛盾称为奥伯斯佯谬，它否定了牛顿的静态无限宇宙模型。
明子：广义相对论又是怎样解决这个夜黑问题的呢？
司空教授：爱因斯坦在1917年发表了题为《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文，他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙并试图求得一个解。爱因斯坦所得到的是一个有限无边的静态宇宙模型，它可看成是四维空间中的一个三维球面。由于这是一个有限的模型，不存在奥伯斯佯谬。
明子：噢，这样说来，爱因斯坦就是相对论宇宙学的先驱者，那篇论文就可以看作现代宇宙学的开端。
司空教授：你说得很对。但是，随着河外星系退行（谱线红移）的发现，爱因斯坦的静态宇宙模型很快被否定了，1930年爱丁顿（A. S. Eddington）又证明这个模型是不稳定的，只要有小扰动，就会膨胀或收缩，因而实际上不可能保持静态。其实早在1923年，俄罗斯数学家弗里德曼（A.Φридман）就找到了一个引力场方程的膨胀宇宙解。在红移发现后，弗里德曼宇宙备受重视，成为现代宇宙学的基础。
明子：星系的谱线红移效应，就像火车离开我们时鸣笛声的频率会变低的道理一样吧。那么是不是可以由此推出宇宙在膨胀，星系之间彼此相距会越来越远？
司空教授：不仅如此，根据哈勃定律，星系分离的速度跟它们之间的距离成正比。由此推测， 在时间上往回追溯，必定在过去某一时刻宇宙中的物质集结在一起，密度极高。比利时的勒梅特（A.G.Lemaitre）设想宇宙早期处于极端稠密的状态，像一个巨大的发射性原子核。在1932年，他提出宇宙起源于这个被称为“原始原子”的爆炸的想法。1948年，伽莫夫（G.Gamow）等人又将宇宙膨胀跟元素形成联系起来。这就是后来被称作热大爆炸理论的开端。
明子：热大爆炸这个专门术语是什么时候被采用的呢？
司空教授：著名英国天文学家霍伊尔（F.Hoyle）一直对大爆炸理论持怀疑态度。他提出了一种称作稳恒态理论的宇宙模型，这个理论假定宇宙在时间和空间上是无限的，并且通过一种尚不可知的机制不断产生新物质。然而，“大爆炸”这个词是1950年霍伊尔在作一系列关于天文学的广播演讲时创造的，霍伊尔的原意确实有点要贬低弗里德曼宇宙学的意思。但是，意想不到的是这个词很快地流传开来了。1993年8月，《天空和望远镜》（Sky & Telescope）杂志发起了一场为大爆炸理论更名的比赛。然而在收到成千上万个建议之后，大赛的裁决者宣称，他们没有发现比“大爆炸”更贴切的名字了。
明子：这件事，真正称得上是对现代科学的一大嘲讽了。
司空教授：现代科学是建立在观测和实验的基础上的。500年前，当伽利略将他的望远镜指向月球的时候，现代意义下的科学就开始了。1948年，伽莫夫的两位学生阿尔弗（R.Alpher）和赫尔曼（R.Herman）预言，由大爆炸而散落的残余辐射由于宇宙膨胀而冷却，现在的宇宙背景辐射所具有的温度约为绝对零度（即 273℃）以上5℃，或者说5K。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视，反而被湮没在文献的海洋之中。在1940年代和1950年代，大多数物理学家认为，再现宇宙早期史的细节并不是一种非常严肃的科学活动。直到1965年，美国工程师彭齐亚斯（A.Penzias）和威尔逊(R.Wilson)意外地发现了这种辐射，温度为2.7K。此后，稳恒态宇宙就逐渐退出了舞台。
明子：噢，我明白了，实践是检验真理的唯一标准么。不过，您是否能更详细地谈谈其中的原由呢？
司空教授：在稳恒态宇宙中不应出现这样的热辐射，因为它先前从未经历过异常致密的灼热状态，宇宙平均说来总是像今天那样寒冷而宁静。随后，观测又表明宇宙中最轻的化学元素的丰度与大爆炸模型所预期的相等，并证实了它们由宇宙膨胀的最初3分钟内的核反应所产生的想法。稳恒态模型对这些丰度提出自然的解释，因为它从未经历过在整个宇宙中到处都能发生核反应的极端高密度高温的早期阶段。
明子：原来是这两项观测结果为稳恒态宇宙敲响了丧钟，大爆炸宇宙因为与观测宇宙完全相符才确立了自己的地位。
司空教授：对的，但是你不能用“完全”这个词，因为宇宙学家很快就发现简单的热大爆炸宇宙并不能完全解释所有的观测问题。
明子：那还有什么重大的观测问题没有解决呢？
司空教授：在COBE卫星（宇宙背景辐射探测器）探测到的微波背景辐射的高度均匀性，使大爆炸宇宙学达到光辉成就的颠峰。就像所有理论一样，在取得其辉煌成就的同时，往往会暴露出一些问题来，这些问题包括均匀性问题，还有单极子问题* ……
明子：请等一等。什么是均匀性问题？
司空教授：均匀性问题是指宇宙为什么会如此均匀和各向同性的。早先人们把宇宙的均匀性和各向同性作为一种假设。但是，微波背景辐射的高度均匀性使先前这个假设成为受到精确检验的观测事实，这样一来，它就不是想当然的事情了，而应当是宇宙中各个部分、各种力反复作用的结果。依照狭义相对论，真空中的光速是物质运动和相互作用传播速度的上限。同时，宇宙的年龄也是有限的，因此在宇宙创生以来，物质间能进行相互作用的范围也是有限的。
明子：您的意思是说，如果大爆炸宇宙学严格成立，在宇宙大尺度范围中，宇宙不应该如此均匀。
司空教授：是这样的。单极子问题是指按照大爆炸宇宙学，我们现今的宇宙中，应该含有的单极子浓度之高是不可接受的。为此，宇宙学家认为，在宇宙膨胀的早期会有一个短时期的加速膨胀，这个时期就称为暴胀时期，通常也称为暴胀宇宙。
明子：暴胀？是不是通货膨胀？（笑）
司空教授：在英语中确实使用了同样的一个词。就是这样一段短暂的宇宙暴胀，使得宇宙中任何不规则性被抹平了，也将单极子的浓度冲淡了。再者，今天我们周围的可见宇宙可以从远小于大暴胀理论所认为的区域膨胀而来，传统理论是指一直进行减速膨胀的理论。我们的暴胀理论发端于一个微小区域是一种优美的特性，它既可以解释宇宙总体膨胀中的高度均匀性，也可解释COBE卫星已经观测到的极其微小的非均匀性（它们是以后演化中产生星系和星系团的种子）。
明子：哎呀，我突然想起了一个问题，在我们的视界之外的宇宙与我们所能看到的宇宙部分是一样的吗？
司空教授：在暴胀宇宙提出之前，一般假定宇宙在我们的视界之外和视界之内几乎相同。其他的假设就等同于假设我们处在宇宙的一个特殊位置，而这正是哥白尼曾经教导我们要抵制的诱惑。然而暴胀宇宙揭示了宇宙在空间和时间的结构上比我们先前期望的更加丰富多彩。
明子：如此说来，宇宙学真像一首诗，不，比诗还精彩。
司空教授：精彩的还在后面呢！如果宇宙开始于一种混沌的不规则状态，那么一些区域将经历暴胀，而另一些区域不经历暴胀。不同区域暴胀的大小是不同的，每一个暴胀了的区域就像一个泡泡，在它之内是平滑的，但与其他泡泡内的状态不同。
明子：我们就处在其中一个泡泡之中？
司空教授：我们处在宇宙之中，当然就会处在某个泡泡之中，而且我们的泡泡一定很大，超过了我们的视界。在我们的泡泡之外还有许许多多的泡泡，它们的大小不同，平滑的程度也不同。
明子：为什么我们所处的泡泡需要很大？
司空教授：因为只有大的泡泡才会有很长的寿命，只有长寿命的泡泡才能进化出有智慧的生物。不同泡泡的性质会很不相同。我们称作“物理学常数”的一些量——引力耦合强度、基本粒子的质量，甚至空间的维数——在不同的泡泡之间都将不同。
明子：我们能得到另一个泡泡的信号吗？
司空教授：在遥远将来的某一天，天文学家也许会发现邻近泡泡的信号会进入视野。但是，他们将永远不会知道，外面到底有多少个其他的泡泡。
明子：早期宇宙的故事实在太有趣了。
司空教授：啊，这并不是故事的结尾，旅美俄裔女哲学家林德（A.Linde）已经提出暴胀有一种自繁殖的趋势。在已经暴胀了的泡泡的小子区域内诱发下一步的暴胀。暴胀好像是一种潜在的无休止的自繁殖过程。
明子：自繁殖过程？那么就应该存在着遗传和变异了？
司空教授：你说得很对，在这幅奇异的永恒暴胀的图景中，我们自身所处的位置是非常有趣的。我们生活在一个特殊的泡泡中，它具有一套特殊的物理常数，在看来是永恒的暴胀序列中处于一个特殊的时期。我们只知道我们所属的泡泡必须以充分长的时间暴胀，生长得足够大，以使恒星产生所有已知形式的复杂事物和生命赖以形成的元素。我们不能真正知道这种大泡泡的合理性有多少。所谓的遗传乃指子宇宙将携带母宇宙的物理常数的一些记录，所谓的变异又是指子宇宙的物理常数可能会与母宇宙有微小的差别。
明子：这样说林德为自繁殖宇宙披上了一件通过自然选择进化的外衣。
司空教授：是的，如果相信生物学家告诉我们的生命的定义是一个拥有繁殖、变异和遗传的过程，那么自繁殖暴胀宇宙就有了活力！
明子：谢谢您，今天我学到了很多知识，不过在暴胀之前的宇宙又是怎样的呢？
司空教授：我们下次再谈吧，这是又一个精彩的故事。
*在早期宇宙中，随着宇宙膨胀，宇宙的温度逐渐下降，就会发生相变。日常生活中的相变例子是水凝结成冰，人们很容易发现冰往往不是无色透明的，存在着各种各样的缺陷。在宇宙相变过程中也会形成各种拓扑缺陷，其中的一种就称为单极子。
（本文作者李新洲为上海师范大学天体物理联合研究中心主任、教授，孙珏岷为该中心主任助理。）
转载文章请首先阅读有关转载说明
文章作者:李新洲 孙珏岷
责任编辑:skylook
|
收藏到网摘:
相关信息:
