宇宙学的黄金时代

阿兰 古斯

宇宙暴胀理论之父

戴维 施拉姆(David Schramm)认为，我们所处的今天，是宇宙学的黄金时代。这话说得千真万确！当下的宇宙学研究正在从一系列不靠谱的推测，转变为真正的硬科学分支，它的各种理论可以得到观测的检验和发展。宇宙学最有意思的领域之一，是对宇宙背景辐射的不均匀性起伏的预测，这正是我一直以来深度参与的领域。我们认为，宇宙背景辐射是宇宙大爆炸之后的热量余晖。这种辐射最显著的特征之一，是它在所有方向上均匀统一，在忽略了背景辐射中地球相对运动的影响之后，辐射的均匀性达到了十万分之一的精度。

我深度研究的理论称为宇宙暴胀理论，这一理论似乎是对宇宙均匀性的解释。均匀性并不容易理解。你也许会认为，取出烤箱的比萨从热变凉的过程所体现出的物理学基本原理，就能解释宇宙的均匀性——事物倾向于达到统一的温度。实际上，通过宇宙学方程算出宇宙在任意给定的时间里膨胀得有多快，物理学家就可以计算出达到均匀性所需要的时间。

物理学家发现，为了实现整个宇宙背景辐射的均匀性，宇宙需要足够快地冷却，信息必须以100倍光速的速度传播。但是，根据现有的所有物理学理论，任何事物的运动速度都不会超越光速，因此宇宙均匀性的现象就无法得到解释了。大爆炸理论的经典版本不得不简单粗暴地假设，宇宙从一开始就是各向同性的，即完全的均匀。

宇宙暴胀理论是标准大爆炸理论的扩展，它进一步描述了最初驱动宇宙膨胀的原因。在大爆炸理论的经典版本中，膨胀是初始假设，也就是不需要任何解释。经典大爆炸理论算不上一个完整的大爆炸理论，它只能算是描述大爆炸结果的理论。暴胀提供了回答宇宙大爆炸结果的可能答案，目前这个回答看起来几乎是确定的正确答案。

宇宙暴胀理论利用了现代粒子物理学的结果。粒子物理学预测，高能状态存在特殊类型的物质，这些物质会导致引力转向，产生排斥力。暴胀理论认为，早期宇宙包含至少一定量的这种特殊物质。其结果是，你只需要很少一点的这种物质，就可以使排斥力剧烈增大，达到足以覆盖整个可观测宇宙的范围。

由于在暴胀模型中宇宙可以从极端微小的状态开始演化，所以宇宙暴胀理论对可观测宇宙的均匀性作出了简单、有效的解释。在早期宇宙微小的范围内，宇宙有充足的时间实现温度和密度的均匀性，这与房间中的空气会充满整个空间从而实现密度均匀的机制相同。并且，如果你将房间孤立起来，足够长的时间之后，温度也会达到一致。对于微小的早期宇宙，在暴胀模型的开始之初，宇宙的历史有足够的时间让这些机制发挥作用，最终促成宇宙达到几乎的均匀状态。暴胀接管和放大了这些微小区域，将其变得足够大，直到充满整个宇宙，将其均匀性与宇宙膨胀开始时保持一致。

当这一理论最初得到进一步发展时，人们开始担心我们把宇宙设想得过于均匀。宇宙最令人惊叹的特征之一就是其均匀性，但并不意味着均匀。我们有星系和恒星，有星系团和各种复杂的结构，这些都需要我们对其进行进一步解释。如果宇宙开始于彻底的均匀性，它将一直保持这样的均匀，也就不会使物质聚集或是产生特殊的结构。

我相信史蒂芬 霍金是及时个回答了这个问题的人。他指出，量子效应可以拯救我们，虽然他早期的计算不够。真实世界不是被经典物理学描述的，尽管它很厉害，也可以给我们提供描述事物的决定性方程。但是真实世界，根据我们对物理学的理解，需要量子力学进行描述。这意味着，一切都是概率问题。

我们感知的“经典”世界中，每个物体都有确定的位置和运动轨迹，它们其实只是量子理论预言的不同状态的平均值而已。如果我们在这里采用这种观念，至少走对了大方向。这意味着，我们在经典方程中预言的均匀密度仅仅是量子力学密度的平均值，真实值在一个范围内波动，只是位置有所不同。量子力学的不确定性使早期宇宙的密度可以在某些地方更高一点，而在另一些地方略低一点。

这样，在暴胀结束时，我们期待，在物质几乎均匀的密度上能泛起轻微的涟漪，而且是可以实际计算的涟漪。坦白地说，我们对粒子物理学的了解还不够，还不能预测这些涟漪的尺度。但我们可以计算的是，这些起伏的强度依赖涟漪的波长。也就是说，所有尺度的涟漪都存在，你可以计算不同尺度的涟漪具有怎样不同的强度。你还可以讨论我们称为“频谱”(spectrum)的东西，我们利用这个词地描述声波。当谈论声波的频谱时，我们讨论的是不同波长的声音具有怎样不同的强度。同样的分析也适用于早期宇宙，早期宇宙不同涟漪的不同波长有着各自的强弱程度。今天我们可以在宇宙背景辐射中看到这些涟漪。

我们能看见它们，算得上是现代科技的奇妙贡献。1982 年当我们及时次预言这种起伏的时候，天文学家还无法注意到地球在背景辐射中运动的效应，这种效应大约占到千分之一的数量级。而我们讨论的密度起伏的涟漪，只有十万分之一的强度。也就是说，宇宙密度起伏的迹象，仅仅是我们当时能勉强观测到的强度的1%。

我一直不相信我们能真正看到这些涟漪。这要比当前的观测水平强100倍，这对天文学家来说太难以实现了。但是惊喜和光明在1992年到来了。具有7 度角分辨率(angular resolution)的COBE 卫星(Cosmic Background Explore，宇宙背景探测器)首次探测到了这些涟漪，当然仅仅是最长波长的涟漪，不过我们现在已经有了更好的观测。现在的角分辨率已经远远小于1度，可以非常地测量不同波长的涟漪强度。这可是非凡的成就！

大约一年半以前，BOOMERANG 和MAXIMA 实验了一系列独特的声明。两个探空气球实验给出了宇宙在几何上具有平坦性的强烈证据，这正是暴胀理论所预言的。在这里，平坦不是指二维平面，三维空间也可以平坦。根据广义相对论，平坦的宇宙三维空间意味着不存在曲率。利用宇宙演化所引起的涟漪，你实际上可以看到空间的曲率。不过，一年半之前也出现了困扰人们的重大分歧，没有人知道该如何处理这个问题。他们测量到的频谱图像有几个峰值。这些峰值是早期宇宙密度波的震荡，这种现象被称为共振(resonance)，共振使某些特定波长的震动强度增加。测量证明了及时个峰值，恰恰就是我们期待中的位置和形状。但我们没找到第二个峰值。

为了用理论拟合数据，人们不得不假设宇宙中存在比过去认为的多了大约10 倍的光子，因为额外的光子可以产生某种阻尼效果，以使第二个峰值消失。当然，所有的实验都有误差。如果实验多次重现，结果不会每次都一致。因此我们可以想象，第二个峰值只是因为运气不好而恰好没有被观测到。尽管如此，如果宇宙包含了其他观测已经得出的光子密度，峰值不可见的概率将下降为1%。因此预测和理论之间的分歧依然存在。

所有戏剧性的改变都发生在三四个月之前。现在第二个峰值不仅能看得见，而且高度与理论预期一致，一切观测现在都可以地被理论预测。这真是太好了！虽然我知道在这条道路上我们一定还会遇到很多困难，但我们有了一幅漂亮的图景，目前来看，它确认了早期的宇宙暴胀理论。

我们当前关于宇宙的图景面临着一些新困境，这些问题都是两三年前出现的。为了拟合数据，匹配观测，我们必须假设宇宙中存在我们过去不知道的新能量。这种新成分通常被称为暗能量。就像它的名字所暗示的那样，我们依然对它的细节所知甚少。它就像是我们之前谈论过的排斥力，是早期宇宙中驱动暴胀的元素。事实上，我们今天的宇宙依然充满了类似的物质。虽然反引力效果比早期宇宙存在过的效果微弱多了，但我们非常确定的是，今天的宇宙正在加速膨胀，这正是暗能量作用的结果。

虽然我试图对我们已经理解和掌握的知识进行宣传，但这其中仍然存在很多不确定性。比如，我们依然不清楚宇宙组分中最充足的物质的性质。暗能量占宇宙总质量(能量)的60%，我们却不了解它到底是什么。它可能是真空能本身，但我们并不知道更多细节。另外，被我们称为暗物质的部分占宇宙总质量的30%甚至40%，我们同样不了解它。暗能量产生排斥力并且平滑分布，暗物质像普通物质那样受到引力作用，它彼此吸引并且成团，但我们不知道它的构成。而我们已经认识的质子、中子、普通物质的原子和分子，只占宇宙总质量的5%。

在宇宙学领域，我们已经取得了巨大进展。但同时，我们目前掌握的理论还远远没发展到说明一切的程度。