宇宙大爆炸傳奇-19
2001年6月30號，威爾金森微波各向異性探測器搭載德爾塔二型火箭，從佛羅里達州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心升空。這個探測器840公斤，經(jīng)過三個階段來回飛，然后就把它甩到了日地系統(tǒng)第二個拉格朗日點，距離地球150萬公里，在那個點周圍的引力區(qū)比較穩(wěn)定，可以保持跟地球的一個相對穩(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器 威爾金森微波各向異性探測器的維護工作大約一年要四次，為了獲取整個天球的數(shù)據(jù)它就采用了非常復雜的全天掃描，必須把整個天球都掃描一遍，完成一次掃描需要6個月的時間。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果。然后大批的數(shù)據(jù)就傳回了地球，這探測器還是很管用的，這次角分辨率已經(jīng)達到了13分，已經(jīng)是很精細了。之前那個探測器角分辨率只有7度，傳回來的圖片簡直就是馬賽克，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，它擋在前面就沒辦法接受到銀河系后方的信號，那就要想辦法排除銀河系的干擾，銀河系周圍那些星星的干擾也都要排除掉，因為測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。精細的背景輻射圖最后就畫出來了，里面的確有復雜的不規(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，有的地方溫度低了一點，但總體上大致還是均勻的。比較熱的地方就說明了這地方物質密度稍微大一點，稍微冷一點的地方就說明這里物質密度稀疏一點，結果就正是因為這種不均勻性導致今天天體的形成，因為不均勻性會導致這種惡性循環(huán)，稠密的地方引力就會更大嘛，引力更大就會吸附更多的物質，它們就會抱團，抱團密度就更高了，如此循環(huán)往復，直到大型天體的形成。我們的宇宙很喜歡，比如說恒星組成星團，星團組成星系，星系組成星系團，這些都是一團一團，但星系團以上更大尺度的結構就比較均勻了，不再是那種抱團分布，因為彼此之間太過遙遠，相互之間引力就可以忽略不計了，它們就沒法抱團互相轉，這種結構就形成不了，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。就靠威爾金森這個觀測數(shù)據(jù)，我們就發(fā)現(xiàn)宇宙是非常平坦的，因為可以根據(jù)溫度起伏計算出物質的總質量，然后看看宇宙尺寸的大小，那就可以粗略估計也能估出來宇宙到底是什么形狀。有人可能就問了，這宇宙還有形狀嗎？反正無邊無際就對了。其實還真不是這樣的，我們的宇宙是有特定的形狀，那這個形狀是個什么意思呢？這就要回到愛因斯坦廣義相對論的最基本的概念來說。 愛因斯坦廣義相對論認為所謂的引力就是時空彎曲，那一個自由落體運動就是在引力場里做運動，那是一種慣性運動。因為空間是彎曲的，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掉到地上，因為空間是彎曲的，引力就是空間彎曲。這球速度不夠大，它就無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，光速是物質運動速度的上限，不過這也不一定，比如黑洞里的光它就出不來。假如說我們的宇宙是封閉的，那么射出去的光無論飛行多長時間無論飛多遠它總會飛回來，就像踢出去的球總會掉到地面一樣。如果這光飛出去又飛回來那是種什么樣的場景？其實這個就是所謂的大擠壓。宇宙膨脹到一定階段，膨脹速度就會越來越慢，越來越難，到最后就會逐漸停止，然后開始慢慢往回收縮，最后宇宙就會收縮成一個點，這就是所謂的大擠壓，這個過程和大爆炸是相反的，所以我們就說這個宇宙是一個封閉的宇宙。宇宙里的物質足夠多，引力足夠大，換句話說就是空間足夠彎曲，彎到整個空間都封閉了，這就是封閉宇宙。如果宇宙里物質不夠多，那么宇宙的引力也就沒那么大，它就沒辦法封閉。 宇宙的三種可能形狀 根據(jù)威爾金森探測器的數(shù)據(jù)計算就發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙是一個平直宇宙，不是一個封閉的宇宙，也不是因為物質太少導致曲率是負的，也不是雙曲線那種宇宙，從數(shù)學上描述大概就是我們宇宙曲率大約為零。根據(jù)威爾金森探測器的數(shù)據(jù)還算出來，宇宙的年齡大約是137億年，誤差大概在2億年上下，在天文學上這已經(jīng)是一個比較精確的數(shù)值了?？茖W就是按下葫蘆起來瓢，曲率為零已經(jīng)是一個比較特殊的情況了，天下哪有這么巧的事，怎么就恰好是零啊，而且在這么漫長的時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。這種情況打個比方就好比是非洲山溝里的土著人跟我們說一模一樣的話，口音啊詞匯啊都一模一樣這種感覺，但我們又彼此不知道對方的存在，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，宇宙兩邊要說想同謀一下是不可能的，因為光都來不及跑嘛。這個問題就擺到了科學家的面前，宇宙早期為什么會有這種微小的溫度起伏，是從哪來的呢？ 第二個問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法解釋的問題，就是這個模型的缺陷。于是人們就把目光投向了大爆炸開始的那一瞬間，科學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，就是普朗克尺度時間內(nèi)，這個宇宙的尺寸就已經(jīng)膨脹到了相當大的范圍。這個相當大有多大？大概就是1后面跟了75個零這么大范圍，只花了10^-34秒，也就是常說的普朗克時間，這就被稱之為暴脹。這暴脹速度太快了，遠遠超過了光速，時空本身空無一物，什么都沒有，因此它并不受光速的限制，而我們物質的運動是受光速的限制，你不可能比光速運動的更快了，但是時空沒有這樣的限制。我們這個宇宙就是從虛空中炸出來的，因為在這個時期膨脹極快，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。那時候如果有一個小小的蟲洞，它也就會嘭一下被放大，時空泡沫有兩個小泡也被放大了，那說不定殘留到今天還有，那我們宇宙里的蟲洞就有可能得到保留，還有什么子宇宙啊孫宇宙啊，子子孫孫無窮匱也，這些泡沫說不定今天都還能找到。因為暴脹，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，但宇宙之外就難說了，因為宇宙膨脹已經(jīng)超出了我們的視野范圍了，它膨脹速度超過光速那理論上我們是沒辦法看見了。 本來宇宙膨脹之前都是擠在一起的，它的尺度很小，所有每個地方都很一致。那時候所有的分化都沒產(chǎn)生，因為暴脹的緣故很快變得無比巨大，所以宇宙兩邊都差不多，因為后來的變化速度很慢而且很小， 比不上暴脹那會了?？傊?，暴脹理論和威爾金森探測器的數(shù)據(jù)吻合的非常好，人們也就逐漸接受了這個理論。接下來的數(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，也就是這些看得見摸得著的普通物質，只占物質總量的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來全加一起也才這么多，剩下那堆物質我們就看不見。這還得了嗎？這就引出了21世紀物理學上的兩朵烏云，就是所謂的暗物質和暗能量。我們知道20世紀的兩朵烏云，一朵是黑體輻射問題，另一朵是光速不變問題，結果一個導致量子力學的誕生，另一個導致相對論的誕生。這個還要從20世紀30年代講起。 大部分還是暗物質 在20世紀天文學有很多重大發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)都跟加州威爾遜山天文臺有關，威爾遜山天文臺有當時世界上最大的天文望遠鏡，號稱一百英寸望遠鏡。當時埃德溫·哈勃就在那工作，他發(fā)現(xiàn)了這宇宙正在膨脹，星系正遠離我們而去。威爾遜山離加州理工大學不遠，在加州理工大學的操場上就能看到整座山。恰好美國1929年經(jīng)濟大蕭條，整個金融圈哀鴻遍野。這大蕭條持續(xù)了整整10年，但加州理工大學倒有點像世外桃源。到了1933年角落里就坐著一個對星星著迷的男人，他叫茲威基，當時是加州理工大學的一名年輕的學者，當時他就把自己注意力放到了一個叫后發(fā)座星系團的天體上面，這個星系團就在我們熟悉的獅子座附近，是一個有著1000多個大星系、30000多個小星系組成的星系團。這個星系團的得名還是因為一個埃及法老，托勒密三世的王后的頭發(fā)有關，反正就是神話傳說了。茲威基才不關心這玩意兒，他考慮的是一堆密密麻麻的數(shù)字，他寫了一大堆紙就是在計算，卻發(fā)現(xiàn)怎么算都算不對，他想計算星系團的質量。要想測量星系團的質量一般有兩種辦法，一種叫做動力學質量計算，要算出這個星系之間的相對速度和平均速度。星系之間不是相互繞著轉嘛，這到底是個什么運動，根據(jù)這個運動就可以算出來大概有多少質量，用牛頓萬有引力定律就可以了。還有一個辦法叫做光度學質量，就是我看看你有多亮，你那些亮閃閃的東西總歸都是物質，不是物質的話不可能平白無故發(fā)光啊。我只要看看你有多亮我就能知道你有多少物質。結果茲威基他就用兩種方法去計算這個后發(fā)座星系團的總質量，結果算出來很不可思議，動力學質量算出來之后是光度學質量的400倍，按理說它們算出來應該是相等的，怎么會差400倍這么多？那么后發(fā)座星系團里有99%的質量是下落不明的，根本找不到。在這個動力學質量中，難道那個牛頓運動定律就不再適用了？或者說是星系團的主要質量并不由可見的星系構成呢？于是茲威基就做了一個大膽的推測，他認為宇宙中大部分質量是不可見的，因此光度測量它的亮度是測算不出來的，于是就誕生了一個詞叫暗物質。 弗里茨·茲威基 在當時那時候相對論還沒被廣泛應用，畢竟那時候很多人都搞不懂這玩意兒，所以茲威基計算的時候還是用牛頓經(jīng)典力學去計算的。既然暗物質不發(fā)光也不反光，那就根本沒辦法看到它們，用觀測手段也就沒辦法對它們研究了。到了第二年也就是1934年，茲威基和另外一個科學家就發(fā)明了一個詞叫超新星，而且他們猜測這個超新星最后會變?yōu)橐活w中子星，嘿，他還真猜對了，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，暗物質這是他就放到一邊了，反正現(xiàn)在這會也沒辦法研究。這一放就放了幾十年，到了20世紀60年代，當時有個女科學家叫魯賓，她對當時天文學的那些主流研究都不感興趣，她就去研究那種非主流的問題叫做星系轉動曲線問題，她在測量銀河系恒星運動的時候發(fā)現(xiàn)了不可思議的事兒。其實這個現(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，這個發(fā)現(xiàn)者就是荷蘭著名的天文學家叫奧爾特，我們太陽系里有個奧爾特云，就是用他的名字命名的，算是老牌天文學家了。 最外層就是奧爾特云 這個奧爾特就發(fā)現(xiàn)，按理說離銀核心中心越遠，轉動速度就應該越慢，可是銀河系外側的恒星速度幾乎一樣，那么最外側的恒星實際速度要比算出來的快的多。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)典力學一算，它早就被甩出去了。結果不少天文學家就把當年茲威基的想法給挖出來了，那就是是否有一種我們看不見，而且既不反光也不發(fā)光的物質存在，但它有引力，是它的引力把這些恒星給拉住了呢？打個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。至此，科學家們開始腦洞大開，紛紛開始推測這暗物質到底是什么，當然了，的確有很多東西我們是很難看到，比如說黑洞這東西不發(fā)光，僅僅是有質量。那還有不計其數(shù)的這種褐矮星，它們非常暗淡，我們要探測它們也非常困難。還有那種星際塵埃也很難探測到，它們又冷又暗，這些都還是已知物質，并不是暗物質，但把它們?nèi)抠|量加一起還是不夠分量。到了20世紀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之內(nèi)的，暗物質是一群很低調(diào)，對電磁波無感的東西，我們所有的天文觀測本質都是靠電磁波在探測，比如說射電就是微波無線電波。我們的眼睛是對光波敏感的，所以就靠無線電波和電磁波去探測，不然我們也沒辦法做天文觀測了，但偏巧暗物質這東西對電磁波一點反應也沒有。后來人們就在微波背景輻射里又找到了暗物質的蛛絲馬跡。早期宇宙中的物質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。這個物質的分布方式如果把暗物質考慮進去的話那和觀測結果驚人相似，暗物質占宇宙總質量的26.8%到27%，而可見物質只有4%到5%，這個結果就證明了當年魯賓這些人的計算結果是對的。 那這個暗物質本身到底是啥？這時候有人就說了，量子科學家又跳出來了，就說你們這些搞天文的搞不定那這事還是我們擅長，還是來靠我們吧。那這幫量子科學家又做了些什么呢？請看下回分解。
