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請對宇宙的永恒魅力行注目禮

宇宙


請對宇宙的永恒魅力行注目禮

宇宙全景圖
據中國日報網：宇宙學的魅力就是，如果它能走上紅毯的話，天文學家將為它謀殺掉所有的菲林 。甚至 ， 我們在不能完全理解的情況下，也絲毫不妨礙去欣賞它的美――
幾個世紀以來，人們對宇宙了解得越多 ， 反而越驚恐地發現自己對宇宙是怎樣的無知 。畢竟，人類探索宇宙的歷史，和宇宙自身的經歷相比起來，實在滄海一粟 。
但現在，深空探測工具正以不可想象的速度發展著，它們代替人類的眼睛去望向廣袤無垠的深處，返回地球的大量數據不斷完善甚至更改著人們對宇宙的理論推測 。
譬如說，在15年前，有一小群科學家改變了一些長久以來被人們認作公理的東西――那就是關于宇宙是如何運行的認知 。
一直以來人們的觀點是，宇宙起源于大爆炸，并且其隨后的碰撞過程正因為無數宇宙的重力影響而逐漸變慢的論調，一直占據著天體物理學界乃至普通人的思想高地 。但實際上恰恰相反，宇宙碰撞的速率不僅沒有減緩，反而正在逐漸加快；此前人們也一直認定暗物質決定著宇宙的整體運動，但事實上，并非“物質”而是暗能量在主導著這一膨脹過程 。
美國《探索》雜志五月刊的封面故事就詳細記述了以上理念被扭轉的歷史進程，并且論述了關于暗能量的定義及其如何影響宇宙的最新理論 。文章刊發后，在學者群體中引起了巨大的反響，以至于《探索》雜志社的收件箱里堆滿了要求了解更多更詳細內容的來信 。于是，《探索》的編輯們決定選取當今宇宙學中幾個影響最廣泛的命題，附以篇章對其進行解答 。
而這些所謂新世紀的“宇宙之謎”，即便命題再大，它的答案也絕不會是泛泛之論 ， 而是經過不斷修正的或仍在討論中的那些最前沿的論述 。
問題一：人們已經得到宇宙的全景圖，但是并不知曉它的起始點在哪里 。是否有一種方法可以讓人們通過各個星系的演化軌跡，逆向倒推到這個點呢？
這個問題 ， 以及其他相似的提問，可以說都涉及到了當今宇宙學研究中一條最為復雜、深奧的基礎性理念 。一直以來，大爆炸常被人們誤解為發生在空間中的膨脹，而事實上，它是空間本身的膨脹 。換句話說 ， 大爆炸每時每刻都在發生，因為空間與物質、能量一樣，作為大爆炸的產物而與前兩者同時產生 。從這個意義上而言，不存在所謂的供宇宙向其延展的“外部空間”，人們也不可能找到宇宙大爆炸發生的具體位置 。每個人隨意席地而坐，都可以把自己當前的坐標看做是大爆炸的中心――這個看似不嚴肅的回答，就是最嚴肅的答案 。
我們認為，當前的星系 ， 總體上呈現出向各個方向散逸的狀態 。無論從宇宙中的哪個位置進行觀察，都能夠得到相同的結果 。實際上觀察者的位置毫無意義，對于一個全部處于膨脹狀態中的宇宙而言 ， 任何位置都是中心 。因而試圖通過星系運動軌跡來逆向推算大爆炸起始位置是徒勞的，人們繞了半天只會發現又回到了出發的地方 。
也許有人會問，為何星系們都能夠以非常齊整的形式 ， 在空間中運行不悖？回答這個問題，需要首先拋棄將空間看做固定、僵化事物的思維 。只有這樣，才能夠真正理解星系在空間中高速運行只是一種表象，其后的實質依然是空間本身的膨脹 。
問題二：宇宙具有怎樣的外形？“氣球類比”似乎將其形容為一個中空的球體，但是看起來不會這么簡單 。
所謂“氣球類比” ， 其實是一種科學家借以更形象解釋宇宙膨脹的可視化工具：假定人們坐在一只巨大的、表面有很多標記點的氣球上 。當氣球開始膨脹時，人們就會看到這些標記點從自己的位置朝著各個方向移動而去 。而不管人們坐在表面的什么位置，都會看到同樣的情景 。此外 ， 標記點移動的速度與它們移動的距離成正比例 。比如，整個氣球的體積如果在一分鐘里膨脹了一倍，那么原本距離人們一英寸遠的標記點現在就距離兩英寸，兩英寸遠的則變為四英寸，以此類推 。
這種理論的問題在于 ， 它畢竟只是一種類比 。整個氣球的表面用局部比例尺上看，實際上是一張二維的平面，而宇宙則是一個三維的空間 。氣球作為集合體，在三維世界里有一個中心 ， 但宇宙沒有 。借用因宇宙加速理論而獲得諾貝爾獎的布萊恩・施密特教授的話說，“氣球的內部更應當是一個四維的世界” 。在他看來，只有這樣，才能真正將宇宙看作一個高維度的球體 。不過對于一般人而言，這實在太過抽象 。
宇宙學家們當然曾討論過宇宙的外形問題 。因為空間的外形受其整體密度的影響，所以這里就有一種方法：觀察一束在空間里做超長距離旅行的光，看它發生怎樣的變化――是出現了彎曲還是更加筆直地前行 。當前最被接受的一種宇宙模型，是上世紀80年代提出的“暴脹”理論 。該理論認為宇宙的外形應當是絕對的扁平 。這在當時引發了爭論，但現在已經被證實是正確的 。通過研究大爆炸發生后短時間里散射出的微波射線，美國國家航空航天局的威爾金森微波各向異性探測器已經發現，宇宙的扁平度高達99.6% 。
問題三：大爆炸之前的存在是什么？是什么導致了大爆炸的發生？還有多少相同原因產生的宇宙存在？
對這個問題最簡單也最誠懇的回答 ， 恐怕是無人知曉 。
當然，依然有很多人并不甘于“不知道”這三個字 。于是便有了成篇累牘的科技文獻 ， 以及那些奇思妙想 。
其中，上世紀二、三十年代就有一批包括艾爾伯特・愛因斯坦在內的科學家提出 ， 宇宙或許是一個在膨脹與收縮兩極之間生生不息、循環不止的永恒存在 。這一起源理論很明顯違反了熱力學第二定律，因此被證明是不成立的 。宇宙本質上是在不斷衰減而非重置 。不過這種理論直到現在依然擁有眾多的信徒 。
另一種著名的理論是膜宇宙學 ， 它的代表人物是普林斯頓大學的保羅・斯泰恩哈特教授 。這種理論認為，大爆炸的起因是兩張“膜”發生了碰撞――三維的世界穿越了一個更高維度的空間 。如果人們想要理解得更直觀一些 ， 手持兩張褶皺的紙進行相互碰撞就是最富視覺效果的解釋 。當兩張膜發生碰撞，我們的宇宙就此誕生 ， 隨后兩張膜各奔東西 。不過在一萬億年左右之后，它們還將再次會面并重復同樣的事情，即制造一場新的大爆炸和一個新的宇宙 。按照斯塔恩哈特的演算，該過程不違背熱力學定律，因而將循環往復 ， 沒有窮盡 。
以上兩者之外，永恒宇宙輪還有一支由“暴脹理論”演變而來的重要分支 。宇宙學家安德烈・林德和阿蘭・古斯 ， 即“暴脹理論”的提出者意識到，按照自己的理論模型，大爆炸的個數并非1個而應當是無數個，并且每一個都導致新宇宙的誕生 。于是在他們的“永恒暴脹”模型中，宇宙多元而非我們獨有，多元宇宙在范圍與持續時間上都是無窮盡的 。每一個宇宙都源自于一個能量場中的單次量子起伏 ， 并且迅速發展壯大 。這些能量場可以看做引發大爆炸發生的導火索，用古斯自己的話說 ， 是“終極的免費午餐” 。
用我們世界的眼光觀察暴脹理論下的多元宇宙，會有十分奇異的感覺 。每一個宇宙都將擁有自己的物理定律，有些或許會跟我們的非常相似，而有些則或許截然相反 。試圖用一套規則解釋所有粒子與力的弦理論就曾預言，各不相同的宇宙的總數目，將達到105那么多 。當然，這僅僅是一種猜測而已 。
與其他理論相比，暴脹理論與當前業已觀察到的真實宇宙的許多特性相吻合，因而也贏得了眾多經驗主義者的支持追捧 。比如，它預測了一種特殊的宇宙微波背景的圖樣，而威爾金森微波各向異性探測器以及普朗克衛星的觀測結果佐證了這一預測 。盡管這個事例依然不能徹底認定暴脹理論的完全正確，但暴脹理論看起來確實是最為可信的學說之一 。
問題四：如果大爆炸初期宇宙的擴張速度超過了光速，那么這是否違背了愛因斯坦提出的“沒有任何事物的速度可以超越光速”？
如果宇宙膨脹論的模型是正確的話，那么宇宙擴張的速度，的確曾經比光速快得太多太多 。不過這僅僅發生在宇宙產生后的10－30秒 。咋一看，這確實違反了愛因斯坦狹義相對論中沒有任何事物的運動速度可以超過光速的論斷，但是，狹義相對論同時也具體地指出 ， 任何具有質量的物體都無法趕上或超越光速，但空間是沒有質量的 。在早期的宇宙中，物體以低于光速的速度在空間中運動，空間本身則以超光速的速度運動，這絲毫未違背愛因斯坦的理論 。
也許以上聽起來有些像詭辯 ， 但這真的完全符合愛因斯坦相對論的論述與精髓 。因為狹義相對論解釋的是光與運動物體的行為特征，以及物理定律為何適用于我們所在宇宙的所有觀察者 。然而一個高度擴張的空間是不會受制于這些針對光與物體的物理定律的 ， 并且任何以超光速收縮的物體也是根本無法觀測的 。
總之，回答超光速是否會惹愛因斯坦生氣的問題，關鍵在于能否掙脫物體在空間中運動這一慣性思維的束縛 ， 開始從空間本身也能夠延伸擴張的新角度思考問題 。這也是理解暗能量和宇宙加速膨脹等新概念的前提 。
問題五：《探索》雜志本期封面文章的作者提到，“紅移”是由于光受多普勒效應發生拉伸而造成的，但是這并不正確 。紅移的真正原因是受空間伸展的影響，這與多普勒效應造成的波長延伸有著本質區別 。
作者沒有犯錯 。當遙遠的星系逐漸遠離地球，它們發出的光便會產生拉伸 ， 這就是紅移現象，即在可見光波段，光譜的譜線朝紅端移動了一段距離 ， 波長變長、頻率降低 。1929年，埃德溫・哈勃便是借助該現象以及天文學家維斯托・斯里弗爾的觀測數據，推演出了宇宙的表觀膨脹 。包括哈勃本人在內的許多科學家 ， 都把紅移現象的原因歸于多普勒效應，盡管這種解釋在技術上存在不少不嚴謹的地方 。
多普勒效應對于電波的影響表現為，當電波朝向你運動時，它造成電波的聚集；反之，則令電波拉伸 。一個最淺顯的例子 ， 就是消防車的警笛 。當車輛向你駛來時，警笛聲會變得異常刺耳；而當它從你身邊駛離后，警笛聲立刻消減了許多 。通過觀察天文望遠鏡前來來往往的不同星體，科學家們發現 ， 多普勒頻移效應始終存在并發揮作用 。而這隨后演化成為一種最主要的發現未知行星的方法 。
不過，科學家始終強調，宇宙膨脹的根源，在于空間本身的擴張 ， 而非星系穿越空間的運動 。當光波穿越膨脹中的空間，它本身便會隨之被拉伸與紅移 。就像上文說到的氣球模型，如果在氣球表面畫上一道線代表光波 ， 那么球體膨脹時這道線就會變長與扭曲 。這與多普勒效應影響電磁波的結果是一樣的，只不過遙遠星系的紅移被稱作宇宙學紅移 。
問題六：暗能量假說似乎是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種 。但現在科學家們關于暗能量性質及定位的種種研究，被懷疑是毫無進展的 。很顯然他們對于所研究的對象至今一無所知，是這樣嗎？
這段論述中，隱含著一個非常有力的質疑：既然天文學家總是顯露出自己暗能量研究進展的緩慢，總是抱怨此研究對象的神秘莫測，是不是連暗能量是否存在他們都無法確定？
我的回答是非常肯定的，他們可以確認這種物質的存在 。讓我們回溯一下暗能量的發現過程 。
自從大爆炸理論在上世紀60年代被普遍認可與接收以來 ， 科學家們一直在試圖計算一個名為減速因子的數字――它描述了宇宙的膨脹過程因為內部物質互相吸引而逐漸減慢的速率 。減速因子之所以如此重要，有以下幾方面的原因 。首先，它告訴人們可觀測宇宙的總質量 ， 以及它的最終命運――逐漸減速的膨脹終將歸于靜止，而后整個過程出現倒轉 。其次，它是確定宇宙年齡的關鍵因素 。因為它記錄著自大爆炸以來宇宙膨脹速率的變化 。
而要計算這個減速率 ， 科學家需要將當前宇宙膨脹的方式，與它在遠古洪荒時的表現進行比較 。幸運的是，光因為擁有固定的速度而成為人們天然的測量尺：觀察一個距離地球100萬光年的星系，對于人類而言，其實看到的是它100萬年前的模樣 。十億、百億、千億光年之外的星系，也是同樣的道理 。
在上世紀90年代，三位科學家就按照這種原理提出了一種全新的計算宇宙減速因子的方法：觀察一顆距離地球非常遙遠、爆發中的超新星 。這種方法不僅讓他們在下個世紀的第十一年榮獲諾貝爾物理學獎，更帶來了暗能量的橫空出世 。
在他們的試驗中，隨著觀測數據的不斷獲??，蛽溟樞的减速因子覀}鸞ケ淶酶 。?直到為零――代表著一個沒有質量的宇宙 。三位科學家并不相信事情就到此為止，果然，減速因子隨后變得比零更小 。這代表著宇宙結束了減速 ， 反而開始了加速運動 。更重要的是，導致加速的力量并非重力，而是另外一種未知的力量 。三人決定稱之為――暗能量 。
1998年，當首篇關于觀測遠距超新星的論文發表后，不少科學家表示了質疑 。但是隨著時間的推移，這種方法的可重復性以及結果的一致性 ， 被不斷得到驗證 。宇宙背景輻射、星系團的演化等方面的研究，也佐證了它的正確性 。
【請對宇宙的永恒魅力行注目禮】所以 ， 暗能量現在不是什么不解之謎，它更像是一本我們可觀測宇宙的行為說明書 。
就像所有的致辭要以感謝告終一樣 。在回答以上問題之后，《探索》雜志指出 ， 對這些重大命題的解答，并非一家之言，而是來自于全世界為之潛心研究并付出辛勞的天文學家、物理學家們，當然 ， 還要感謝無數辛勤的天文望遠鏡以及那些頂尖的設備儀器 。
最后――也是最重要的是，我們必須明白，對于宇宙的起源與湮滅 ， 此時依然有太多未曾觸及的領域和未曾了解的真相，許許多多當下被認作真理的東西，可能很快就被新知所顛覆――那曾經是數個世紀的結晶，如今已可以在幾本書中就匆匆掠過，有些成為真理 ， 有些作為勘誤――但無論是哪種，在科學探索這條歷史長河里，科學家們那些振奮和滌蕩人類心靈的、關于宇宙整體結構和運行機制的認知，永不會隨著時間的流淌而削弱魅力 。(eeook.com)