開拓對宇宙認識的新天地

孟園 曹海霞

(蘇州大學物理科學與技術學院 江蘇 蘇州 215006)

1 引言

2019年10月8日，在瑞典的斯德哥爾摩瑞典皇家科學院宣布授予加拿大裔美國科學家James Peebles、瑞士科學家Michel Mayor和Didier Queloz諾貝爾物理學獎．諾貝爾物理學委員會對他們的工作給予了高度評價：“這是對宇宙的結構和歷史的新理解，第一次發現了太陽系外的行星軌道，這個發現將徹底改變我們對世界這個概念的理解．”獎項得主之一James Peebles的主要貢獻是使宇宙學從推測轉變為一門精密的科學，建立了目前的大爆炸理論下的宇宙演化框架．他認為我們現在所了解的宇宙只占宇宙世界的5%，剩下的95%是我們目前所不了解的暗物質和暗能量，等待人類進一步探索．

2 大爆炸宇宙論的提出

1917年偉大的物理學家Einstein將廣義相對論用于對宇宙的思考中標志著現代宇宙學的開端．Einstein假設宇宙在空間上是封閉的，大尺度中物質靜態均勻分布，在廣義相對論場方程引入宇宙學常數λ，得出一個靜態宇宙模型[1]．除Einstein給出了一個解外，荷蘭數學家、天文學家Willem de Sitter還找到一個質量密度為零時有中心的解．1922年俄羅斯物理學家Friedmann認為廣義相對論場方程存在非靜態解，根據弗里德曼方程對半徑積分所得到的關于宇宙時間的方程，他提出3種宇宙：

(1)從奇點開始經先減速后加速的膨脹的宇宙；

(2)宇宙在r=0和r=x1之間震蕩，或者從r=x2處開始加速膨脹，其中x1和x2為滿足條件的兩個解，且x1

(3)宇宙從奇點開始減速膨脹，到達最大半徑x1處收縮回零點[2]．

但這一發現并沒有受到科學家的關注甚至有科學家認為這一觀點是錯誤的．直到1929年，Hubble通過對40多個星系光譜的分析發現，銀河系外所有已被發現的星系發出光線的光譜都顯示為紅移．對這一觀測結果說明：銀河外星系不像銀河內星系既有靠近地球也有遠離地球，而是所有的銀河外星系都在離我們遠去，并且一個遙遠星系的紅移大于一個接近地球的星系的紅移，即星系遠離我們的速度與它離我們的距離大致成正比，宇宙在高速膨脹．通過比較星系中特定原子發出的光和地球實驗室原子發出的光我們可以推算出恒星的視向速度，光度測距法估計星系距離后，他便得出了著名的哈勃定律

v=H0r

式中v為遠離速度，r為相對地球的距離，H0為哈勃常數.這與觀測到的結果不謀而合，成為大爆炸宇宙論的有力支持．

美籍原蘇聯原子核物理學家Gamow對他的導師Friedmann支持的宇宙膨脹學說及Bethe支持的恒星熱核反應思想加以發展．并于1948年Gamow，Alpher，Herman發表的一篇名為《化學元素起源》的文章提出早期宇宙處于溫度和密度極限高狀態，化學元素是由于早期不均勻原始物質的迅速膨脹冷卻產生．1949年Alpher和Herman提出關于物質輻射密度值，這些密度值在元素形成初期的宇宙中普遍存在，并指出宇宙的背景溫度在目前的溫度是5 K[3]．20世紀60年代，美國普林斯頓大學的天體物理學家Dick教授領導著他的小組沿著Gamow等人的思路進行研究．若宇宙產生于一場熱爆炸，則可以用微波輻射計直接觀測這種火球輻射留下的輻射，并且這種輻射符合普朗克定律，目前溫度大約為3 K，如果我們探測到了滿足條件的輻射，則可以證明大爆炸宇宙論的正確性．

3 宇宙微波背景輻射的發現

離美國普林斯頓大學不遠處的克勞福德山上，坐落著一架射電望遠鏡，貝爾實驗室的兩位青年A.A.Penzias和R.W.Wilson正在計劃測量銀河系內高緯星系的銀暈輻射．在仔細排除了其他輻射影響后,測得的總的天線溫度減去天線各向噪聲的等效溫度得到多余的溫度值3.5 K遠大于實驗誤差1 K，天線的多余溫度令Penzias和Wilson很困惑，在和Dicke小組討論了測量結果后，Dicke小組認為貝爾實驗室所得的結果正是他們一直在尋找的宇宙微波背景輻射，后來經過Dicke小組的進一步測量，確定這種輻射存在于宇宙的各處，各向同性，并且有大約3 K的黑體譜[4]．1965年宇宙微波背景輻射的成功探測對我們宇宙演化理論有著非常重要的意義，Penzias和 Wilson也因宇宙微波背景輻射的成功探測獲得1978年的諾貝爾物理學獎．另外，在輻射溫度為3 K這一前提下，Peebles等人計算出宇宙早期氦的豐度值約為22%到28%，與現有的宇宙中的氦豐度26%相當，由于氦元素十分穩定，所以氦的豐度也可作為大爆炸宇宙的另一重要證據．1974年美國COBE衛星的發射使宇宙微波背景輻射譜分析提高到前所未有的精確程度，2006年的諾貝爾物理學獎獲得者John C. Mather和George F.Smoot借助COBE衛星證明在波長在1 μm到1 cm宇宙微波背景輻射符合黑體輻射特征，證實了在較短波長范圍內宇宙背景也完全符合黑體輻射，還更精確地測量到背景輻射的溫度在一個方向上比相反方向高0.003 K．他們測得的宇宙背景輻射的微小漲落，解釋了星系及恒星形成的原因，確定了我們的宇宙是平直的，會一直膨脹下去[5]．

4 現代科學視野下的宇宙演化圖景

目前大爆炸宇宙理論已成為天文學界的主流觀點，盡管這一模型還有待科學家們的進一步完善，但此模型為我們描述的宇宙的演化規律，是在大量證據的基礎上建立的，為大多數科學家認同．1946年Gamow等人就提出過熱大爆炸宇宙模型，該理論認為宇宙誕生于大約150億年前，當時的宇宙處于高密和高溫的狀態，隨著宇宙的迅速膨脹，各種粒子在合適的溫度下相互作用，宇宙變冷[6]．基于大爆炸理論，科學家James Peebles幫助建立了目前的標準宇宙學模型，描述了宇宙從大爆炸開始經由量子漲落到宇宙暴漲再到各種粒子、星系天體形成的演化過程(圖1)[7]．

圖1 宇宙的演化過程(圖片來源 NASA/WMAP Science Team)

現代的宇宙演化認為在137.7億年前，宇宙產生于一次體積無限小、溫度密度非常高的奇點爆炸，從爆炸開始到宇宙時間10-43s(普朗克時間)前,時間沒有意義，物質時空還未分化，4種基本作用力統一于一個超大統一力場．普朗克時間后至宇宙時間10-36s，這一階段宇宙繼續膨脹，溫度約為1028K，引力場和電核力場從統一力場中分離，伴有各類粒子和能量的生成，造成時空彎曲[8]．宇宙時間10-36s到10-32s,美國理論物理學家Alan Harrey Guth提出宇宙暴脹的觀點，這一觀點可解決目前磁單極問題，此時高能級的量子真空向低能級躍遷，產生巨大的斥力效應，宇宙尺度按指數級瞬間增大約50個量級，磁單極子的密度變得極小，所以無法被觀測到.宇宙從對稱狀態變為對稱破缺狀態，正是這種對稱破缺使我們的宇宙不斷演化，各種粒子如夸克、玻色子、輕子產生，電核力場分裂為強核力場和電弱力場，宇宙溫度下降至1022K左右．從10-32s到10-10s，宇宙中充滿高溫的夸克膠子電漿，電弱力場又分化為電磁力場和弱核力場，至此4種基本力場全部分離，宇宙溫度為1015K左右．宇宙時間10-10s到10-3s，這一階段稱為粒子時代，由于溫度降低，夸克組合形成質子和中子，正反強子在高溫下大量成對湮滅，釋放的能量減緩了宇宙冷卻速度，由強子轉化時產生的光子和中微子數量逐漸增加，此時宇宙溫度在1010K左右．宇宙時間10-3s到3 min，這一階段稱為核合成時代，未轉化的質子、中子形成了氫原子核和氦原子核，此時宇宙溫度大約在108K．宇宙時間3 min到30萬年，自由電子被原子核俘獲，形成氫原子和氦原子，此時氫原子和氦原子密度為10-21g/cm3與實驗室的真空密度10-20g/cm3接近，宇宙溫度大約在104K．從宇宙的30萬年至今，宇宙中充滿由氫和氦組成的稀薄氣體，在萬有引力作用下，氫、氦原子開始聚集，原始星系出現，恒星發出的光子被氫原子和氦原子吸收，變成氫離子和氦離子，光只能傳到有限遠，宇宙是不透明的．隨著氫離子和氦離子的增加，光子可以在宇宙中自由傳播，宇宙逐漸明亮，宇宙50億年，在原始星系中形成了第一代恒星．正是一代又一代的天文學家通過不懈的探索向我們描繪出一幅壯闊的宇宙生命畫卷．

5 新的挑戰：暗物質與暗能量

暗物質和暗能量被稱為宇宙之謎.1933年，瑞士天文學家Zwicky在研究后發座星系團時，發現這些星系的運動速度非常大．這意味著星系團之間的引力場和星系團的質量大大超過了我們的估計，由此Zwicky提出星系團中應該存在著相當質量的暗物質，但當時暗物質這一說法并沒有引起天文學界的關注．直到1960年，天文學家Vera Rubin和Kent Ford發現渦旋星系的旋轉曲線在半徑很大處依然平坦延伸使暗物質開始得到天文界的關注；此后大量證據表明，宇宙中存在著相當質量的、目前我們無法觀測到的物質，稱為暗物質，約占宇宙世界的26.8%．雖然目前還沒有確定暗物質是哪種粒子，但我們可以預測暗物質具有以下幾個特點：暗物質是冷的，不反光，無碰撞性；與其他粒子有引力作用；比較穩定不容易衰變等等．暗物質可通過結合天文觀測和引力波觀測進行探測，根據暗物質的性質預測暗物質的可能粒子有大質量弱相互作用粒子、軸子和類軸子、惰性中微子[9]．那么需要指出的一點是，暗物質的存在是在認為萬有引力定律和廣義相對論正確的前提下得出的．

大爆炸理論為我們展示了一個逐漸膨脹和冷卻的宇宙，那么我們的宇宙未來是永遠膨脹還是膨脹到一定程度收縮取決于宇宙物質密度，計算表明宇宙中物質密度遠小于臨界密度，宇宙將逐漸減速膨脹，但兩個超新星小組通過對la超新星的研究發現我們的宇宙竟然是加速膨脹的．那么這個膨脹的加速度是從何而來，一種說法是愛因斯坦認為，不僅質量會產生引力，壓強也是引力產生的重要原因，當壓強為負時引力表現為斥力，但是宇宙中不存在壓強為負的物質，這種“負壓強物質”是一種能量，稱為暗能量．這種暗能量的密度會隨時間變化，也就是在宇宙膨脹的過程中，暗能量會從宇宙中不斷冒出，目前暗能量約占宇宙世界的68.3%．另一種說法是愛因斯坦一直認為他最大的錯誤宇宙學常數，也許

正確的，我們應該尋找其他方程來解決多余能量的問題．暗能量空間分布可能具有顯著性．研究人員發現，大型的巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope)是一種強大的暗能量探測儀，結合宇宙微波背景的測量，可以得到暗能量密度的測量值[10]．

雖然目前仍無法確定暗物質和暗能量是什么，但天文學家已經著手使用各種方法對暗物質和暗能量進行探測，相信終有一天我們能夠解開暗物質和暗能量目前這一宇宙之謎．