第1章 宇宙誕生時的情景(2 / 3)

這是WMAP拍照的宇宙的“嬰兒照片”,因為拍的是它僅有380 000歲時的照片。每個點很可能代表在創造餘暉中的微小量子波動,它們隨後擴展,創造了我們今天看到的星團和星係。

今天,大量的天文數據積累的速度超過了科學家建立理論的速度。事實上,我認為我們正進入一個宇宙理論的黃金時代。(盡管WMAP衛星給人深刻的印象,與歐洲 2007 年要發射的普朗克〔Planck〕衛星相比,它可能會成為一個矮子。普朗克衛星將給天文學家更加詳細的有關微波背景輻射的圖片。)在多年的思索和瘋狂的猜想之後,今天宇宙論終於成熟。在曆史上,宇宙學家因名聲不是太好而感到痛苦。他們滿懷激情所提出的有關宇宙的宏偉理論僅僅符合他們的一點可憐的數據。正如諾貝爾獎獲得者列夫·蘭道(Lev Landau)所諷刺的:“宇宙學家常常是錯誤的,但從不被懷疑。”科學界有句格言:“思索、更多的思索,這就是宇宙學。”

20世紀60年代後期,我在哈佛大學主修物理,我考慮是否有研究宇宙學的可能性。從童年開始我就對宇宙的起源著迷。然而,隻要看一看這個領域就知道它令人困窘。它根本不是一門實驗科學,不能用精密的儀器檢驗你的假設,而是一些不精確的猜測的理論。宇宙學家忙於激烈地爭論,世界是在宇宙大爆炸時誕生的?還是自始至終以穩定的狀態一直存在?但是由於數據太少,各種理論的數量超過了數據的數量。事實上,數據越少,爭論越激烈。

在整個宇宙學的曆史中,由於可靠數據太少,導致天文學家的長期的不和和痛苦,他們常常幾十年憤憤不平。例如,就在威爾遜山天文台的天文學家艾倫·桑德奇(Allan Sandage)打算做一篇有關宇宙年齡的講演前,先前的發言者辛辣地說:“你們下一個要聽到的全是錯的。”當桑德奇聽到反對他的人贏得了很多聽眾,他咆哮著說:“那是一派胡言亂語。它是戰爭——它是戰爭!”

宇宙的年齡

天文學家一直渴望知道宇宙的年齡。幾個世紀以來,學者、牧師和神學家一直試圖估計宇宙的年齡,在他們的探討中所用的唯一方法是自亞當和夏娃所產生的人類的宗譜。在 20 世紀,地質學家利用岩石中殘存的放射性元素給出地球年齡的最佳估計。與此相比,今天的 WMAP 衛星測量了大爆炸的回波,給我們最具權威的宇宙的年齡。WMAP數據揭示,我們的世界是在137億年前發生的劇烈的大爆炸中誕生的。

(多年來,一個困擾宇宙學的最令人不安的事實是,由於數據不完善,計算得出的宇宙的年齡常常比行星和星星的年齡要年輕。以前估計的宇宙的年齡是10億到20億年,與地球的年齡 45億年和最老的星星的年齡 120億年相矛盾。現在,這些矛盾消除了。)

WMAP 對希臘人 2 000 年前提出的宇宙是由什麼構成的爭論問題,給出了意想不到的轉折性的答案。過去一個世紀,科學家相信他們已經知道了這個問題的答案。經過上千次艱苦的實驗,科學家得出結論:宇宙是由大約100多種不同類型的原子構成的。這些原子在元素周期表上按次序排列,第1個是氫元素。這一理論成為現代化學的基礎,事實上,在每個高中的科學課程上都是這樣教的。WMAP現在毀滅了這種信念。

為了確認以前的實驗,WMAP得出我們所看見的周圍的物質,包括山、行星、星星和星係隻占宇宙總物質和總能量的4%。(在這4%的物質中,絕大部分是氫和氦,大約隻有0. 103%是重元素。大部分宇宙實際上是由完全不知道起源的、神秘的、不可見的材料構成的。)我們所熟悉的構成我們世界的元素僅占宇宙的0.103%。在某種意義上,科學被拉回到幾個世紀以前,那時還沒有出現原子假設,因為物理學家掌握了事實:宇宙是由全新的、不知道的物質和能量形式所支配的。

根據 WMAP的觀測,23%的宇宙是由奇怪的、不確定的、叫做暗物質的物質構成的。這些物質有重量,以巨大的光環圍繞著星係,但是它們完全看不見。暗物質在我們的銀河係是如此普遍和豐富,以至它的重量為所有星星的10倍。盡管看不見,這種奇怪的暗物質能夠間接地被科學家觀察到,因為它能使光線彎曲,就像玻璃那樣,因此可以靠它所產生的光線扭曲來定位。

談到從 WMAP 數據得到的奇怪結果時,普林斯頓天文台的天文學家約翰·巴赫恰勒(John Bahcall)說:“我們生活在一個難以相信的、瘋狂的宇宙中,但它是一個我們現在已經知道了它的詳細特性的宇宙。”

但是,從WMAP數據得出的最令人吃驚的大概是宇宙的73%是由完全不知道的叫做暗能量形式構成的,或隱藏在空間的看不見的能量構成的。愛因斯坦在 1917 年曾提出暗能量的概念,後來又放棄它,他將它稱為他的最大錯誤。現在暗能量又作為整個宇宙的驅動力重新出現了。現在人們相信這個暗能量產生一個新的抗重力場,它使星係分開。宇宙自身的最終命運將由暗能量決定。

目前,沒有一個人知道暗能量是從何而來。西雅圖華盛頓大學的天文學家克雷格·奧甘(Craig Hogan)承認:“坦率地說,我們確實不理解它,我們知道它的效果,但我們完全沒有線索……每個人都沒有它的線索。”

如果我們采用最新的亞原子粒子理論來試圖計算這個暗能量的值。我們發現它的數值為10120,即1的後麵跟120個零。這個理論和經驗的矛盾遠遠超出了科學曆史上發現的最大差距。這是一個最令我們困惑的問題,我們的最好的理論不能計算整個宇宙最大能源的值。可以肯定,有很多很多的諾貝爾獎在等待勤奮工作的、能夠揭示暗物質和暗能量秘密的人。

膨脹

天文學家仍然試圖竭力處理從 WMAP 得來的大量數據。因為它將古老的宇宙概念一掃而光,一個新的宇宙學的圖景正在出現。查爾斯·L 1 班尼特(Charles L 1 Bennett)是幫助建立和分析WMAP衛星的國際小組的領導人,他說:“我們已經奠定了統一的、一致的宇宙學理論的基礎。”迄今為止,最先進的理論是“宇宙膨脹論”,它是大爆炸理論的重大更新,該理論是麻省理工學院的物理學家艾倫·古思(Alan Guth)首先提出的。在膨脹過程中,在一萬億分之一的一萬億分之一秒,一個神秘的抗重力引起宇宙比預想的更快的速度膨脹。該膨脹期是難以想象的爆炸式的,宇宙膨脹的速度比光速更快。(這不違反愛因斯坦對任何物體的速度都不能超過光速的斷言,因為膨脹的空間是真空的空間。而實質性的物體不能超越光速。)在幾分之一秒中,宇宙不可想象地擴大了1050倍。

為了直觀地說明此膨脹期的動力,想象一個正在膨脹的氣球,在氣球表麵畫了一個星係。我們所看到的充滿了星星和星係的宇宙都位於這個氣球的表麵上,而不是在氣球的內部。現在在氣球上畫一個用顯微鏡可見的小圈。此小圈代表可見的宇宙,即用我們的望遠鏡所看到的一切。(打個比方,如果整個可見的宇宙像亞原子粒子那樣小,那麼實際的宇宙比我們看見的我們周圍的可見宇宙要大許多許多。)換句話說,膨脹的速度是如此之快,以至超出我們的可見宇宙的整個區域並將永遠超出我們可以達到的範圍。

事實上,膨脹是如此巨大,在我們的視野範圍內,氣球看上去似乎是平的。這一事實已被 WMAP 衛星實驗證實了。同樣,地球看上去似乎是平的,因為與地球半徑相比我們人太小了。宇宙看上去是平的,隻是因為它在更大的尺度上是彎曲的。

如果假定早期的宇宙經曆了膨脹的過程,我們就可以毫不費力地解釋很多有關宇宙的謎團,如為什麼它看上去是平的和均衡的。物理學家喬爾·普裏馬克(Joel Primack)在評論膨脹理論時說過:“沒有一個理論能像膨脹理論這樣完滿,以前曾認為它是錯的。”

多元宇宙

盡管膨脹理論與 WMAP 衛星得到的數據一致,但它仍然回答不了一些問題,如什麼引起膨脹?是什麼發出抗重力使宇宙膨脹?有 50 多種建議解釋是什麼引起膨脹,是什麼最終終止膨脹,創建了我們所看見的我們周圍的宇宙。但未達成共識。大多數物理學家讚同快速膨脹期這一核心思想,但是沒有確切的建議回答膨脹背後的發動機是什麼?

因為無人確切地知道膨脹是怎樣開始的,所以同一機理總有可能再次發生,即膨脹式的爆炸可能重複發生。斯坦福大學的俄羅斯物理學家安德烈·林德(Andrei Linde)就提出了這樣的想法,即不管是什麼機理引起部分宇宙突然膨脹,該機理可能仍然在起作用,也許會意外地引起宇宙其他遙遠的區域也發生膨脹。

根據這個理論,一小片宇宙可能突然膨脹、“發芽”,萌生一個“女孩”宇宙或“男孩”宇宙,這些宇宙又可能萌生另一個嬰宇宙,如此不斷進行下去。想象吹一個肥皂泡到空中。如果我們使勁吹,我們看到有些肥皂泡分成兩半,產生新的肥皂泡。宇宙可能會以相同的方式不斷產生新的宇宙。如果這是真的,我們可能生活在這樣一個宇宙的海洋上,每個宇宙像一個漂浮在其他肥皂泡的海洋上的一個肥皂泡。事實上,比“宇宙”更確切的詞應該是“多元宇宙”或“巨型宇宙”。

林德(Linde)將這一理論叫做永恒的、自我再生的膨脹,或“無次序的膨脹”,因為他預想的是一個絕無終止的平行宇宙連續膨脹的過程。首次提出膨脹理論的艾倫·古思(Alan Guth)說:“膨脹理論幾乎是強迫我們接受多元宇宙的思想。”

這一理論也意味著,我們的宇宙可能在某個時候萌生了它自己的一個嬰宇宙。也許我們自己的宇宙也是從更古老、更早期的宇宙萌生出來的。