仰望星空，宇宙之謎，難以窮盡。宇宙是如何起源的?宇宙的年齡是多少?黑洞是怎么產(chǎn)生的?人類對(duì)茫茫宇宙的探索，不斷有新發(fā)現(xiàn)。關(guān)于宇宙起源的問(wèn)題，目前大爆炸的理論已被科學(xué)家們廣泛接受。盡管如此，大爆炸理論只是建起了研究的框架，框架里的諸多問(wèn)題依然是懸而未決。近年來(lái)，隨著科學(xué)家在諸如暗能量、黑洞、宇宙加速膨脹的課題上有了最新發(fā)現(xiàn)，使得宇宙進(jìn)化的過(guò)程變得日益清晰起來(lái)。
大爆炸理論的缺陷 上個(gè)世紀(jì)40年代末俄裔美籍科學(xué)家喬治?伽莫夫提出了“大爆炸理論”，用以解釋宇宙的起源。他認(rèn)為宇宙是從一個(gè)溫度極高、密度極大的火球中誕生的，并稱我們的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，其溫度約為6K(6K=－267℃)，即后來(lái)所謂的宇宙微波背景輻射，它是充滿整個(gè)宇宙的電磁波。1964年美國(guó)貝爾電話公司的兩位無(wú)線電工程師彭齊斯和威爾遜意外地發(fā)現(xiàn)了這個(gè)微波背景輻射，恰好與伽莫夫預(yù)言的宇宙背景輻射十分接近，它在溫度上對(duì)應(yīng)為2.7K，它無(wú)疑是對(duì)大爆炸理論最有力的支持。這一發(fā)現(xiàn)使我們能夠獲得很久以前在宇宙誕生時(shí)期所發(fā)生的宇宙過(guò)程的信息。彭齊亞斯和威爾遜由此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
如果宇宙確實(shí)如大爆炸理論所說(shuō)，從一個(gè)無(wú)限小的奇點(diǎn)向外膨脹而產(chǎn)生，那么從大的尺度說(shuō)，宇宙中不同區(qū)域的性質(zhì)應(yīng)該不一樣，起碼宇宙空間中物質(zhì)的密度就應(yīng)該有所不同。但是宇宙并不像大爆炸理論所描述的那樣，從宇宙學(xué)的尺度來(lái)看，宇宙中各向具有高度的均勻性，無(wú)論在哪個(gè)方向上測(cè)量微波背景輻射，人們都能大致得到2.7K這個(gè)數(shù)字。
另一方面，從美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)射的微波背景開(kāi)拓者衛(wèi)星(COBE)和最近的微波各向異性探測(cè)器(WMAP)所捕捉到的微波背景輻射信息來(lái)看，宇宙誕生后38萬(wàn)年左右基本上是均勻的，但不是非常均勻，微波背景輻射的各向異性只有十萬(wàn)分之一，最終這種微小差異造成了小范圍內(nèi)物質(zhì)的聚集，星系由此而形成。
再者，按大爆炸理論，從宇宙最初的不均勻性還預(yù)示著宇宙是彎曲的。但是最近WMAP的觀測(cè)顯示我們的宇宙空間是沒(méi)有彎曲的無(wú)限平直的世界。后文將要指出，為了彌補(bǔ)大爆炸理論上的這些缺陷，20年前物理學(xué)家古斯和佐藤各自提出了宇宙暴脹論的假說(shuō)，并且經(jīng)受了WMAP觀測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵性檢驗(yàn)。
宇宙年齡已有137億歲 關(guān)于宇宙的年齡一直沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定論。對(duì)此，天文學(xué)家們一直在追尋宇宙年齡的確鑿證據(jù)。最近美國(guó)國(guó)家航空航天局的研究小組根據(jù)微波各向異性探測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果，認(rèn)為年齡是137億歲(正負(fù)2億歲)，并繼續(xù)加速膨脹。再者，明確了宇宙的構(gòu)成是普通物質(zhì)僅占4％，真相不明的暗物質(zhì)占2396，使宇宙迅速膨脹卻真相不明的“暗能量”占73％，而且求出相當(dāng)宇宙膨脹速度的哈勃常數(shù)為71。
關(guān)于宇宙年齡的問(wèn)題，現(xiàn)在計(jì)算的方法是在假設(shè)的膨脹速度的基礎(chǔ)上，追溯推算出宇宙體積為零時(shí)的時(shí)間而得出的。根據(jù)上述最新的數(shù)據(jù)以大約1％的誤差算出宇宙的年齡是137億歲。
從這次的觀測(cè)結(jié)果，占宇宙73％的暗能量增強(qiáng)了過(guò)去愛(ài)因斯坦提出的“宇宙常數(shù)”的可能性。有意思的是，愛(ài)因斯坦沒(méi)想到，當(dāng)初他認(rèn)為是錯(cuò)誤的、讓他極為懊悔的“宇宙常數(shù)”竟然是極有道理的，幾乎可稱得上是宇宙的本質(zhì)。
誕生12億年后出現(xiàn)大規(guī)模結(jié)構(gòu) 在美國(guó)國(guó)家航空航天局新發(fā)現(xiàn)中最令人吃驚的是，第一代恒星在宇宙誕生之后第2億年就開(kāi)始發(fā)光，比許多科學(xué)家預(yù)測(cè)的還要早得多。日本國(guó)家天文臺(tái)的杉山教授說(shuō)：“微波各向異性探測(cè)器除了觀測(cè)到宇宙微波背景輻射的非常詳細(xì)的溫度起伏的圖像，還觀測(cè)到偏光，即光(電磁波)的偏移情況。從這個(gè)偏光的狀態(tài)知道宇宙誕生第2億年大規(guī)模的中性氫發(fā)生再離子化?！?
從宇宙誕生的38萬(wàn)年后，宇宙中各自存在的質(zhì)子與電子相互結(jié)構(gòu)構(gòu)成氫原子(中性氫)，光線變直，宇宙從黑暗中浮出，具有了可視性。但是，現(xiàn)在在星系間空間的質(zhì)子與電子幾乎各自離子化存在。
關(guān)于這個(gè)再離子化何時(shí)發(fā)生，迄今為止尚不能正確地知道，但是宇宙開(kāi)始出現(xiàn)的星輻射紫外線，則是揭下中性氫的電子產(chǎn)生的。杉山教授說(shuō)：“宇宙微波背景的電磁波通過(guò)偏光的狀態(tài)向我們傳達(dá)了質(zhì)子俘獲電子的信息。這次從它的偏光狀態(tài)確認(rèn)宇宙誕生后的第2億年背景輻射的電磁波與電子碰撞的痕跡?！奔从钪嬲Q生后的第2億年，星星發(fā)光，通過(guò)這個(gè)恒星輻射紫外線，中性氫的電子被揭下，開(kāi)始了宇宙的再離子化。
另外，日本東京大學(xué)的岡村教授的研究小組通過(guò)夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到宇宙誕生后第12億年就有了與現(xiàn)在星系團(tuán)相匹敵的大規(guī)模的結(jié)構(gòu)。岡村教授說(shuō)：“我們?cè)诤蟀l(fā)座方向發(fā)現(xiàn)宇宙誕生后的第12億年有43個(gè)星系成帶狀聚在一起，以及星系完全不存在的區(qū)域?！辫b于微波各向異性探測(cè)器的溫度起伏非常小，岡村教授認(rèn)為從那種狀態(tài)僅用了12億年就完成了恒星和星系的大規(guī)模結(jié)構(gòu)，看來(lái)很可能是受“暗物質(zhì)”的影響。
具體的恒星或星系，以及星系群的大規(guī)模結(jié)構(gòu)是怎樣構(gòu)成的，我們還不完全清楚，這次一系列觀測(cè)結(jié)果被視為在闡明宇宙進(jìn)化上的重要發(fā)現(xiàn)。
哈勃常數(shù)的確定 1929年美國(guó)天文學(xué)家埃德溫?哈勃通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都在遠(yuǎn)離銀河系而去。他注意到，遠(yuǎn)處的星系比近處的星系更快速地飛離，它們的距離和速度有一定的關(guān)系，于是他提出了著名的哈勃定律，即星系從地球遠(yuǎn)去的相對(duì)速度等于地球到星系的距離與哈勃常數(shù)的乘積。從這個(gè)事實(shí)求出相當(dāng)其膨脹速度的哈勃常數(shù)，并且知道它幾乎相等于求宇宙年齡。因?yàn)閺倪@個(gè)速度單純地往前推，就可知道宇宙開(kāi)始膨脹的時(shí)刻，即誕生的時(shí)刻。為此，若干研究小組測(cè)出各個(gè)星系的距離與速度，試圖測(cè)定哈勃常數(shù)。2001年“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡主要計(jì)劃”之一是以誤差14％的精度求出哈勃常數(shù)為72。
這次從微波各向異性探測(cè)器進(jìn)行宇宙微波背景輻射的觀測(cè)求出哈勃常數(shù)為71，具有誤差5％的精度。那么，是否可以說(shuō)哈勃常數(shù)幾乎就是這個(gè)值了呢?東京大學(xué)的佐藤教授這么說(shuō)：“從宇宙微波背景輻射的結(jié)果給出了在相當(dāng)精確定位下的哈勃常數(shù)的值。這個(gè)值與2001年哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的結(jié)果幾乎相同?！?
復(fù)活宇宙常數(shù) 那么，從哈勃常數(shù)71所求的宇宙年齡是否可以說(shuō)相當(dāng)準(zhǔn)確的呢?實(shí)際不是那么回事。例如假定宇宙是平直的，從這個(gè)數(shù)值所得的年齡大約92億歲?，F(xiàn)已知道在我們銀河系中心附近存在的球狀星團(tuán)是超過(guò)130億歲的老年天
體，所以這二者顯然是矛盾的。
解決這一矛盾最簡(jiǎn)單的辦法，是恢復(fù)“宇宙常數(shù)”作為現(xiàn)時(shí)宇宙的積極組成部分的理論地位。說(shuō)起來(lái)膨脹的宇宙用愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的引力方程來(lái)描述最合適。愛(ài)因斯坦一開(kāi)始考慮宇宙不應(yīng)該膨脹或收縮。因此，為了制止物質(zhì)的引力引起的收縮，即讓宇宙“靜止”下來(lái)，在引力方程中引入了一項(xiàng)“宇宙常數(shù)”。
上個(gè)世紀(jì)20年代美國(guó)天文學(xué)家哈勃觀測(cè)到宇宙確實(shí)是在不斷膨脹，而且這一觀測(cè)結(jié)果完全與愛(ài)因斯坦引入“宇宙常數(shù)”之前的引力方程的計(jì)算結(jié)果相吻合，迅速得到了世界上絕大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)可。愛(ài)因斯坦非常后悔，他本來(lái)是想把宇宙“靜止”下來(lái)，但實(shí)際上宇宙是在膨脹著的。他因此承認(rèn)：“引入‘宇宙常數(shù)’是我這一生所犯的最大錯(cuò)誤!”但是，從最近的觀測(cè)獲知宇宙正在加速膨脹，可以說(shuō)被拋棄的宇宙常數(shù)又一次被復(fù)活了。
這次微波各向異性探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)暗示宇宙常數(shù)的存在，而且正是占宇宙73％的暗能量提高了這個(gè)宇宙常數(shù)的可能性。
宇宙加速膨脹的證據(jù) 根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，引力未必一定是吸引的力，它還可以是相互排斥的“斥性引力”，由于迄今為止所知的物質(zhì)或能量都產(chǎn)生的是引力，因此科學(xué)家推測(cè)，整個(gè)宇宙也都是引力統(tǒng)治的王國(guó)。所謂“斥性引力”只是理論上的假設(shè)，與我們現(xiàn)在的宇宙沒(méi)有關(guān)系。而且，直到上個(gè)世紀(jì)90年代，天文學(xué)家還相信，是引力導(dǎo)致了宇宙膨脹速度在逐漸減慢。
然而，宇宙總是給人以驚訝。1998年，天文學(xué)家觀測(cè)到的一次超新星爆發(fā)在瞬間發(fā)出了100億倍太陽(yáng)亮度的光線，但是這個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)卻比按流行的宇宙理論預(yù)測(cè)的亮度值要低。于是，有一部分科學(xué)家懷疑，這個(gè)現(xiàn)象也許說(shuō)明，宇宙的膨脹速度并不總是一直處于減速狀態(tài)，有些時(shí)候宇宙膨脹是在加速!如果那樣的話，幾十億年前爆發(fā)的超新星的光線有可能穿越了比預(yù)計(jì)更長(zhǎng)的路程到達(dá)地球，因此亮度比理論值低，也就不足為怪了。
這個(gè)結(jié)論太驚世駭俗，如果宇宙膨脹曾經(jīng)加速，就說(shuō)明了宇宙空間中也有斥性引力在起作用，這種力量讓宇宙的退行速度加快。
但是主流科學(xué)家對(duì)這種解釋表示質(zhì)疑，他們提出其他的原因也能讓超新星看上去比預(yù)期的要昏暗，比如漂浮在星系間的塵埃遮蔽了超新星的光線，或者早期誕生的超新星本來(lái)就比較暗。幸好有一種方法可以驗(yàn)證哪種說(shuō)法正確。如果超新星看上去比較暗淡是由于宇宙塵埃遮蔽造成的，或者是星體原本就比較暗淡，那么光線的減弱應(yīng)當(dāng)隨著天體紅移的增加而更加明顯。而如果超新星變暗是由于宇宙在經(jīng)歷了早期的減速膨脹后轉(zhuǎn)為加速膨脹造成的，那么來(lái)自減速時(shí)期爆發(fā)的超新星光線應(yīng)該顯得比理論值明亮(反之，加速膨脹時(shí)期爆發(fā)的超新星光線則應(yīng)顯得比理論值暗淡)。
為了利用紅移效果來(lái)測(cè)定宇宙膨脹快慢，就必須尋找一顆亮度固定，并且雖然離我們很遠(yuǎn)卻可以被觀測(cè)到的天體?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)一種稱為Iα型超新星，這顆超新星爆發(fā)的時(shí)間發(fā)生在100億年前，當(dāng)時(shí)的宇宙只有現(xiàn)在的三分之一那么大。這顆星體很明亮，比假定宇宙塵埃遮蔽而導(dǎo)致的亮度要明亮許多，因此超新星變暗至少不完全是由宇宙塵埃造成的，應(yīng)該還有宇宙減弱膨脹的影響。
美國(guó)國(guó)家航空航天局的科學(xué)家們通過(guò)測(cè)算發(fā)現(xiàn)，宇宙中的星系正在以加速度離我們遠(yuǎn)去，也就是說(shuō)，宇宙的確在加速膨脹。他們認(rèn)為，只有一種現(xiàn)象才能解釋這種加速膨脹現(xiàn)象，那就是宇宙中確實(shí)存在一種起斥力作用的暗能，正是它引起了這種加速膨脹現(xiàn)象。
據(jù)此，最近美國(guó)國(guó)家航空航天局的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)證實(shí)宇宙中的暗能將抵消宇宙星系引力的作用，使宇宙一直不斷膨脹下去，永遠(yuǎn)也不會(huì)發(fā)生如劍橋大學(xué)理論物理學(xué)家斯蒂芬?霍金教授所預(yù)言的那種“宇宙大坍縮”結(jié)局。現(xiàn)在霍金教授也改變了對(duì)宇宙的起源和歸宿的看法，認(rèn)為宇宙最終將無(wú)限地膨脹下去，而不是膨脹到一定程度后在引力作用下收縮。關(guān)于這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重要性，劍橋大學(xué)天體物理學(xué)家安東尼?拉森比教授稱，美國(guó)國(guó)家航空航天局的聲明將成為人類宇宙學(xué)史上最重大的發(fā)現(xiàn)之一，并將改變?nèi)祟惖挠钪嬗^。
宇宙起源新說(shuō)：暴脹理論
上個(gè)世紀(jì)80年代物理學(xué)家阿蘭?古斯與佐藤一彥各自提出了宇宙暴脹論，認(rèn)為宇宙在大爆炸之初還有一個(gè)宇宙超急膨脹的暴脹時(shí)期，使沙粒大小的空間在10－34秒內(nèi)其體積增大了好幾十個(gè)數(shù)量級(jí)。這種暴脹的急劇程度是以后宇宙大爆炸所進(jìn)行的那種膨脹速度完全無(wú)法比擬的，正是這種暴脹解決了大爆炸理論留下的缺陷。
宇宙暴脹論有兩個(gè)關(guān)鍵性的預(yù)見(jiàn)：第一，早期宇宙基本上是均勻的，但不是非常均勻。由于考慮早期宇宙是沙粒般極小的區(qū)域，可以認(rèn)為這個(gè)小區(qū)域具有均勻的溫度。接著在它還不及非均勻化的一瞬間就急劇膨脹為很大宇宙的話。自然在這個(gè)宇宙中的溫度也就是基本均勻的。事實(shí)上，后來(lái)美國(guó)國(guó)家航空航天局的開(kāi)拓者衛(wèi)星探測(cè)結(jié)果證實(shí)了暴脹論的這一預(yù)見(jiàn)：早期宇宙不是非常均勻的，宇宙背景輻射的溫度有十萬(wàn)分之一的起伏。
宇宙暴脹論的第二個(gè)關(guān)鍵性預(yù)言要求宇宙是“平直”的，但不是像光滑的桌面那樣尋常意義上的平坦。新的測(cè)量結(jié)果顯示，宇宙實(shí)際上是平直的。在宇宙學(xué)研究的時(shí)空四維世界中，“平直”意味著平行線絕不會(huì)相聚，而在彎曲宇宙中，平行線最終將相交。按照愛(ài)因斯坦的理論，宇宙的曲率由它所含有的物質(zhì)和能量決定。要使宇宙保持平直，宇宙內(nèi)物質(zhì)的密度和能量的密度之和必須正好等于l臨界值。但是觀測(cè)數(shù)據(jù)卻顯示已知物質(zhì)和暗物質(zhì)加在一起也只占總數(shù)的27％。因此其余的73％必然來(lái)自一種不可知的暗能量，它對(duì)宇宙的未來(lái)提供了一種暗示，即所有物質(zhì)加在一起也沒(méi)足夠的引力來(lái)阻止膨脹，而且具有斥力效應(yīng)的暗能量還將加速這種膨脹。
同樣的宇宙暴脹論也不是完美無(wú)缺，例如究竟是什么導(dǎo)致了宇宙的急劇膨脹?因?yàn)橛钪姘l(fā)生暴脹，則必須要有一種巨大的斥力抗衡萬(wàn)有引力才行。古斯認(rèn)為早期宇宙是一鍋“夸克湯”，佐藤認(rèn)為是真空的“零點(diǎn)能”?？傊裁闯饬χ两袢圆磺宄?。這些問(wèn)題或許在即將發(fā)射的普朗克宇宙微波輻射衛(wèi)星等觀測(cè)后才能說(shuō)清楚。
