宇宙大爆炸傳奇-19
2001年6月30號(hào)，威爾金森微波各向異性探測(cè)器搭載德?tīng)査突鸺?，從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心升空。這個(gè)探測(cè)器840公斤，經(jīng)過(guò)三個(gè)階段來(lái)回飛，然后就把它甩到了日地系統(tǒng)第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)，距離地球150萬(wàn)公里，在那個(gè)點(diǎn)周?chē)囊^(qū)比較穩(wěn)定，可以保持跟地球的一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這樣就可以不太需要人去照顧它。 威爾金森微波各向異性探測(cè)器 威爾金森微波各向異性探測(cè)器的維護(hù)工作大約一年要四次，為了獲取整個(gè)天球的數(shù)據(jù)它就采用了非常復(fù)雜的全天掃描，必須把整個(gè)天球都掃描一遍，完成一次掃描需要6個(gè)月的時(shí)間。第一次公布的數(shù)據(jù)是在2003年，里面就包含了兩組全天掃描的數(shù)據(jù)，這大概就是工作兩年的結(jié)果。然后大批的數(shù)據(jù)就傳回了地球，這探測(cè)器還是很管用的，這次角分辨率已經(jīng)達(dá)到了13分，已經(jīng)是很精細(xì)了。之前那個(gè)探測(cè)器角分辨率只有7度，傳回來(lái)的圖片簡(jiǎn)直就是馬賽克，還需要去做大量處理，去掉各種干擾因素才行，最大的障礙就是銀河系，它擋在前面就沒(méi)辦法接受到銀河系后方的信號(hào)，那就要想辦法排除銀河系的干擾，銀河系周?chē)切┬切堑母蓴_也都要排除掉，因?yàn)闇y(cè)量的是微波背景輻射嘛，既然是背景輻射那肯定就不能要前面那些東西。精細(xì)的背景輻射圖最后就畫(huà)出來(lái)了，里面的確有復(fù)雜的不規(guī)則的花紋，背景輻射的確是有這種微小的起伏，有的地方溫度高了一點(diǎn)，有的地方溫度低了一點(diǎn)，但總體上大致還是均勻的。比較熱的地方就說(shuō)明了這地方物質(zhì)密度稍微大一點(diǎn)，稍微冷一點(diǎn)的地方就說(shuō)明這里物質(zhì)密度稀疏一點(diǎn)，結(jié)果就正是因?yàn)檫@種不均勻性導(dǎo)致今天天體的形成，因?yàn)椴痪鶆蛐詴?huì)導(dǎo)致這種惡性循環(huán)，稠密的地方引力就會(huì)更大嘛，引力更大就會(huì)吸附更多的物質(zhì)，它們就會(huì)抱團(tuán)，抱團(tuán)密度就更高了，如此循環(huán)往復(fù)，直到大型天體的形成。我們的宇宙很喜歡，比如說(shuō)恒星組成星團(tuán)，星團(tuán)組成星系，星系組成星系團(tuán)，這些都是一團(tuán)一團(tuán)，但星系團(tuán)以上更大尺度的結(jié)構(gòu)就比較均勻了，不再是那種抱團(tuán)分布，因?yàn)楸舜酥g太過(guò)遙遠(yuǎn)，相互之間引力就可以忽略不計(jì)了，它們就沒(méi)法抱團(tuán)互相轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)就形成不了，我們現(xiàn)在看到的這些日月星辰啊什么星云啊都是得益于宇宙早起那么微小的溫度起伏。就靠威爾金森這個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們就發(fā)現(xiàn)宇宙是非常平坦的，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)溫度起伏計(jì)算出物質(zhì)的總質(zhì)量，然后看看宇宙尺寸的大小，那就可以粗略估計(jì)也能估出來(lái)宇宙到底是什么形狀。有人可能就問(wèn)了，這宇宙還有形狀嗎？反正無(wú)邊無(wú)際就對(duì)了。其實(shí)還真不是這樣的，我們的宇宙是有特定的形狀，那這個(gè)形狀是個(gè)什么意思呢？這就要回到愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的最基本的概念來(lái)說(shuō)。 愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論認(rèn)為所謂的引力就是時(shí)空彎曲，那一個(gè)自由落體運(yùn)動(dòng)就是在引力場(chǎng)里做運(yùn)動(dòng)，那是一種慣性運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榭臻g是彎曲的，因此它不走直線，自由落體就是按照空間的彎曲走弧線，這就是踢出去的球總會(huì)掉到地上，因?yàn)榭臻g是彎曲的，引力就是空間彎曲。這球速度不夠大，它就無(wú)法逃脫空間彎曲的陷阱。那光總能鉆出去吧，光速是最快的了，光速是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的上限，不過(guò)這也不一定，比如黑洞里的光它就出不來(lái)。假如說(shuō)我們的宇宙是封閉的，那么射出去的光無(wú)論飛行多長(zhǎng)時(shí)間無(wú)論飛多遠(yuǎn)它總會(huì)飛回來(lái)，就像踢出去的球總會(huì)掉到地面一樣。如果這光飛出去又飛回來(lái)那是種什么樣的場(chǎng)景？其實(shí)這個(gè)就是所謂的大擠壓。宇宙膨脹到一定階段，膨脹速度就會(huì)越來(lái)越慢，越來(lái)越難，到最后就會(huì)逐漸停止，然后開(kāi)始慢慢往回收縮，最后宇宙就會(huì)收縮成一個(gè)點(diǎn)，這就是所謂的大擠壓，這個(gè)過(guò)程和大爆炸是相反的，所以我們就說(shuō)這個(gè)宇宙是一個(gè)封閉的宇宙。宇宙里的物質(zhì)足夠多，引力足夠大，換句話說(shuō)就是空間足夠彎曲，彎到整個(gè)空間都封閉了，這就是封閉宇宙。如果宇宙里物質(zhì)不夠多，那么宇宙的引力也就沒(méi)那么大，它就沒(méi)辦法封閉。 宇宙的三種可能形狀 根據(jù)威爾金森探測(cè)器的數(shù)據(jù)計(jì)算就發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙是一個(gè)平直宇宙，不是一個(gè)封閉的宇宙，也不是因?yàn)槲镔|(zhì)太少導(dǎo)致曲率是負(fù)的，也不是雙曲線那種宇宙，從數(shù)學(xué)上描述大概就是我們宇宙曲率大約為零。根據(jù)威爾金森探測(cè)器的數(shù)據(jù)還算出來(lái)，宇宙的年齡大約是137億年，誤差大概在2億年上下，在天文學(xué)上這已經(jīng)是一個(gè)比較精確的數(shù)值了。科學(xué)就是按下葫蘆起來(lái)瓢，曲率為零已經(jīng)是一個(gè)比較特殊的情況了，天下哪有這么巧的事，怎么就恰好是零啊，而且在這么漫長(zhǎng)的時(shí)間里宇宙的尺度相距剛好幾百億光年，而宇宙兩邊的溫度幾乎一致，分布上也看不出什么差異，這就太一致了。這種情況打個(gè)比方就好比是非洲山溝里的土著人跟我們說(shuō)一模一樣的話，口音啊詞匯啊都一模一樣這種感覺(jué)，但我們又彼此不知道對(duì)方的存在，這就很奇葩了。我們?nèi)タ次⒉ū尘拜椛渚桶l(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的情況，宇宙可視范圍恨不得有900億光年的直徑，如今137億年的宇宙年齡，根本不夠光從這頭跑到另外那邊，宇宙兩邊要說(shuō)想同謀一下是不可能的，因?yàn)楣舛紒?lái)不及跑嘛。這個(gè)問(wèn)題就擺到了科學(xué)家的面前，宇宙早期為什么會(huì)有這種微小的溫度起伏，是從哪來(lái)的呢？ 第二個(gè)問(wèn)題就是我們的宇宙為什么就這么平坦，為什么微波背景輻射的一致性如此之好，這都是宇宙大爆炸模型無(wú)法解釋的問(wèn)題，就是這個(gè)模型的缺陷。于是人們就把目光投向了大爆炸開(kāi)始的那一瞬間，科學(xué)家就推斷出在那一瞬間一定發(fā)生了什么不尋常的事，然后就有人提出了暴脹理論，也就是在大爆炸后的一瞬間，就是普朗克尺度時(shí)間內(nèi)，這個(gè)宇宙的尺寸就已經(jīng)膨脹到了相當(dāng)大的范圍。這個(gè)相當(dāng)大有多大？大概就是1后面跟了75個(gè)零這么大范圍，只花了10^-34秒，也就是常說(shuō)的普朗克時(shí)間，這就被稱之為暴脹。這暴脹速度太快了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了光速，時(shí)空本身空無(wú)一物，什么都沒(méi)有，因此它并不受光速的限制，而我們物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是受光速的限制，你不可能比光速運(yùn)動(dòng)的更快了，但是時(shí)空沒(méi)有這樣的限制。我們這個(gè)宇宙就是從虛空中炸出來(lái)的，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)期膨脹極快，因此那種微小的量子起伏就被放大了，就形成了現(xiàn)在這種略微的溫度差。那時(shí)候如果有一個(gè)小小的蟲(chóng)洞，它也就會(huì)嘭一下被放大，時(shí)空泡沫有兩個(gè)小泡也被放大了，那說(shuō)不定殘留到今天還有，那我們宇宙里的蟲(chóng)洞就有可能得到保留，還有什么子宇宙啊孫宇宙啊，子子孫孫無(wú)窮匱也，這些泡沫說(shuō)不定今天都還能找到。因?yàn)楸┟?，我們宇宙之前的所有的彎曲啊皺紋啊全被抹平了，那起碼我們視野里的宇宙是很平坦的，但宇宙之外就難說(shuō)了，因?yàn)橛钪媾蛎浺呀?jīng)超出了我們的視野范圍了，它膨脹速度超過(guò)光速那理論上我們是沒(méi)辦法看見(jiàn)了。 本來(lái)宇宙膨脹之前都是擠在一起的，它的尺度很小，所有每個(gè)地方都很一致。那時(shí)候所有的分化都沒(méi)產(chǎn)生，因?yàn)楸┟浀木壒屎芸熳兊脽o(wú)比巨大，所以宇宙兩邊都差不多，因?yàn)楹髞?lái)的變化速度很慢而且很小， 比不上暴脹那會(huì)了?？傊?，暴脹理論和威爾金森探測(cè)器的數(shù)據(jù)吻合的非常好，人們也就逐漸接受了這個(gè)理論。接下來(lái)的數(shù)據(jù)又讓人們大跌眼鏡，那就是我們宇宙中的這些中子物質(zhì)，也就是這些看得見(jiàn)摸得著的普通物質(zhì)，只占物質(zhì)總量的4%到5%。那些龐大的星系啊恒星啊星云啊還有元素周期表上所有的元素啊都算進(jìn)來(lái)全加一起也才這么多，剩下那堆物質(zhì)我們就看不見(jiàn)。這還得了嗎？這就引出了21世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵烏云，就是所謂的暗物質(zhì)和暗能量。我們知道20世紀(jì)的兩朵烏云，一朵是黑體輻射問(wèn)題，另一朵是光速不變問(wèn)題，結(jié)果一個(gè)導(dǎo)致量子力學(xué)的誕生，另一個(gè)導(dǎo)致相對(duì)論的誕生。這個(gè)還要從20世紀(jì)30年代講起。 大部分還是暗物質(zhì) 在20世紀(jì)天文學(xué)有很多重大發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)都跟加州威爾遜山天文臺(tái)有關(guān)，威爾遜山天文臺(tái)有當(dāng)時(shí)世界上最大的天文望遠(yuǎn)鏡，號(hào)稱一百英寸望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)時(shí)埃德溫·哈勃就在那工作，他發(fā)現(xiàn)了這宇宙正在膨脹，星系正遠(yuǎn)離我們而去。威爾遜山離加州理工大學(xué)不遠(yuǎn)，在加州理工大學(xué)的操場(chǎng)上就能看到整座山。恰好美國(guó)1929年經(jīng)濟(jì)大蕭條，整個(gè)金融圈哀鴻遍野。這大蕭條持續(xù)了整整10年，但加州理工大學(xué)倒有點(diǎn)像世外桃源。到了1933年角落里就坐著一個(gè)對(duì)星星著迷的男人，他叫茲威基，當(dāng)時(shí)是加州理工大學(xué)的一名年輕的學(xué)者，當(dāng)時(shí)他就把自己注意力放到了一個(gè)叫后發(fā)座星系團(tuán)的天體上面，這個(gè)星系團(tuán)就在我們熟悉的獅子座附近，是一個(gè)有著1000多個(gè)大星系、30000多個(gè)小星系組成的星系團(tuán)。這個(gè)星系團(tuán)的得名還是因?yàn)橐粋€(gè)埃及法老，托勒密三世的王后的頭發(fā)有關(guān)，反正就是神話傳說(shuō)了。茲威基才不關(guān)心這玩意兒，他考慮的是一堆密密麻麻的數(shù)字，他寫(xiě)了一大堆紙就是在計(jì)算，卻發(fā)現(xiàn)怎么算都算不對(duì)，他想計(jì)算星系團(tuán)的質(zhì)量。要想測(cè)量星系團(tuán)的質(zhì)量一般有兩種辦法，一種叫做動(dòng)力學(xué)質(zhì)量計(jì)算，要算出這個(gè)星系之間的相對(duì)速度和平均速度。星系之間不是相互繞著轉(zhuǎn)嘛，這到底是個(gè)什么運(yùn)動(dòng)，根據(jù)這個(gè)運(yùn)動(dòng)就可以算出來(lái)大概有多少質(zhì)量，用牛頓萬(wàn)有引力定律就可以了。還有一個(gè)辦法叫做光度學(xué)質(zhì)量，就是我看看你有多亮，你那些亮閃閃的東西總歸都是物質(zhì)，不是物質(zhì)的話不可能平白無(wú)故發(fā)光啊。我只要看看你有多亮我就能知道你有多少物質(zhì)。結(jié)果茲威基他就用兩種方法去計(jì)算這個(gè)后發(fā)座星系團(tuán)的總質(zhì)量，結(jié)果算出來(lái)很不可思議，動(dòng)力學(xué)質(zhì)量算出來(lái)之后是光度學(xué)質(zhì)量的400倍，按理說(shuō)它們算出來(lái)應(yīng)該是相等的，怎么會(huì)差400倍這么多？那么后發(fā)座星系團(tuán)里有99%的質(zhì)量是下落不明的，根本找不到。在這個(gè)動(dòng)力學(xué)質(zhì)量中，難道那個(gè)牛頓運(yùn)動(dòng)定律就不再適用了？或者說(shuō)是星系團(tuán)的主要質(zhì)量并不由可見(jiàn)的星系構(gòu)成呢？于是茲威基就做了一個(gè)大膽的推測(cè)，他認(rèn)為宇宙中大部分質(zhì)量是不可見(jiàn)的，因此光度測(cè)量它的亮度是測(cè)算不出來(lái)的，于是就誕生了一個(gè)詞叫暗物質(zhì)。 弗里茨·茲威基 在當(dāng)時(shí)那時(shí)候相對(duì)論還沒(méi)被廣泛應(yīng)用，畢竟那時(shí)候很多人都搞不懂這玩意兒，所以茲威基計(jì)算的時(shí)候還是用牛頓經(jīng)典力學(xué)去計(jì)算的。既然暗物質(zhì)不發(fā)光也不反光，那就根本沒(méi)辦法看到它們，用觀測(cè)手段也就沒(méi)辦法對(duì)它們研究了。到了第二年也就是1934年，茲威基和另外一個(gè)科學(xué)家就發(fā)明了一個(gè)詞叫超新星，而且他們猜測(cè)這個(gè)超新星最后會(huì)變?yōu)橐活w中子星，嘿，他還真猜對(duì)了，他特別能猜。天才的靈感就體現(xiàn)在特別能猜中某件事上，于是茲威基的興趣就變了，他就把精力放到了研究超新星上去了，暗物質(zhì)這是他就放到一邊了，反正現(xiàn)在這會(huì)也沒(méi)辦法研究。這一放就放了幾十年，到了20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)有個(gè)女科學(xué)家叫魯賓，她對(duì)當(dāng)時(shí)天文學(xué)的那些主流研究都不感興趣，她就去研究那種非主流的問(wèn)題叫做星系轉(zhuǎn)動(dòng)曲線問(wèn)題，她在測(cè)量銀河系恒星運(yùn)動(dòng)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了不可思議的事兒。其實(shí)這個(gè)現(xiàn)象很早以前就被別人發(fā)現(xiàn)了，只是被放一邊放了好久，這個(gè)發(fā)現(xiàn)者就是荷蘭著名的天文學(xué)家叫奧爾特，我們太陽(yáng)系里有個(gè)奧爾特云，就是用他的名字命名的，算是老牌天文學(xué)家了。 最外層就是奧爾特云 這個(gè)奧爾特就發(fā)現(xiàn)，按理說(shuō)離銀核心中心越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度就應(yīng)該越慢，可是銀河系外側(cè)的恒星速度幾乎一樣，那么最外側(cè)的恒星實(shí)際速度要比算出來(lái)的快的多。這到底是種什么樣的力量才拖拽著它們不讓它們被甩出銀河系呢？按現(xiàn)在這速度，用牛頓經(jīng)典力學(xué)一算，它早就被甩出去了。結(jié)果不少天文學(xué)家就把當(dāng)年茲威基的想法給挖出來(lái)了，那就是是否有一種我們看不見(jiàn)，而且既不反光也不發(fā)光的物質(zhì)存在，但它有引力，是它的引力把這些恒星給拉住了呢？打個(gè)比方就是在一杯黑咖啡里倒入牛奶，拿勺子這么一攪，里面的那些紋路就像我們銀河系里的恒星，黑咖啡就好比是暗物質(zhì)。至此，科學(xué)家們開(kāi)始腦洞大開(kāi)，紛紛開(kāi)始推測(cè)這暗物質(zhì)到底是什么，當(dāng)然了，的確有很多東西我們是很難看到，比如說(shuō)黑洞這東西不發(fā)光，僅僅是有質(zhì)量。那還有不計(jì)其數(shù)的這種褐矮星，它們非常暗淡，我們要探測(cè)它們也非常困難。還有那種星際塵埃也很難探測(cè)到，它們又冷又暗，這些都還是已知物質(zhì)，并不是暗物質(zhì)，但把它們?nèi)抠|(zhì)量加一起還是不夠分量。到了20世紀(jì)80年代人們終于搞清楚了，就是這些東西是不包括在暗物質(zhì)之內(nèi)的，暗物質(zhì)是一群很低調(diào)，對(duì)電磁波無(wú)感的東西，我們所有的天文觀測(cè)本質(zhì)都是靠電磁波在探測(cè)，比如說(shuō)射電就是微波無(wú)線電波。我們的眼睛是對(duì)光波敏感的，所以就靠無(wú)線電波和電磁波去探測(cè)，不然我們也沒(méi)辦法做天文觀測(cè)了，但偏巧暗物質(zhì)這東西對(duì)電磁波一點(diǎn)反應(yīng)也沒(méi)有。后來(lái)人們就在微波背景輻射里又找到了暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。早期宇宙中的物質(zhì)處于引力收縮和膨脹的平衡之上，所以我們的宇宙是平直的。這個(gè)物質(zhì)的分布方式如果把暗物質(zhì)考慮進(jìn)去的話那和觀測(cè)結(jié)果驚人相似，暗物質(zhì)占宇宙總質(zhì)量的26.8%到27%，而可見(jiàn)物質(zhì)只有4%到5%，這個(gè)結(jié)果就證明了當(dāng)年魯賓這些人的計(jì)算結(jié)果是對(duì)的。 那這個(gè)暗物質(zhì)本身到底是啥？這時(shí)候有人就說(shuō)了，量子科學(xué)家又跳出來(lái)了，就說(shuō)你們這些搞天文的搞不定那這事還是我們擅長(zhǎng)，還是來(lái)靠我們吧。那這幫量子科學(xué)家又做了些什么呢？請(qǐng)看下回分解。
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