【宇宙論的對話︰熱大爆炸和暴脹宇宙】

江南布衣

【宇宙論的對話︰熱大爆炸和暴脹宇宙】

 

作者: 李新洲 孫玨岷

 

明子︰我最近讀到了19世紀英國著名詩人菲茨杰拉德（E.Fitz-Gerald）的詩句，“進入這個宇宙，卻不知道自己源自何方，就像流水無奈地流淌。”

 

這些詩句使我這個學文學的學生對宇宙充滿了好奇，同時對宇宙究竟是什麼不免有些迷惘。

 

今天特地向您這位宇宙學專家請教。

司空教授︰最近20年來，太空探測器一個接著一個發射了，加上許多大型的地面探測設備相繼投入運行，關于宇宙的知識也迅速地增加起來。

 

現在可以認為，以這些知識為基礎，總算有可能對宇宙的本質作出更進一步的了解了。

 

宇宙學也逐漸走向成熟。

 明子︰請先告訴我，現代意義下的宇宙學是什麼時候開始的？

司空教授︰1917年愛因斯坦提出了他的廣義相對論。

 

廣義相對論是一門關于時間、空間和引力的理論，現代宇宙學是建立在廣義相對論的基礎上的。

 明子︰您的意思是否說利用牛頓力學是無法研究宇宙的？

司空教授︰是的。

 

牛頓認為，如果宇宙是有限的，就有邊界和中心，由于各部分之間的相互吸引，物質必然會落向中心，在那里形成一個巨大的物質球，這與觀測相悖。

 

因此，牛頓的宇宙模型是無限的，在總體上它是穩定的。

 

但是，1826年，德國天文學家奧伯斯（H.Olbers）提出了一個發人深省的問題︰

 

如果宇宙是無限的，並且均勻地分布著無數類似于太陽的恆星，則無論從哪一個方向看，觀測者的視線總會遇上一顆恆星。

 

于是天空每單位面積的亮度跟太陽表面單位面積的亮度差不多，夜晚的天空不會是黑暗的，應十分明亮，晝夜不分。

 

這個矛盾稱為奧伯斯佯謬，它否定了牛頓的靜態無限宇宙模型。

 明子︰廣義相對論又是怎樣解決這個夜黑問題的呢？

司空教授︰愛因斯坦在1917年發表了題為《根據廣義相對論的宇宙學考察》的論文，他將廣義相對論的引力場方程用于整個宇宙並試圖求得一個解。

 

愛因斯坦所得到的是一個有限無邊的靜態宇宙模型，它可看成是四維空間中的一個三維球面。

 

由于這是一個有限的模型，不存在奧伯斯佯謬。

 明子︰噢，這樣說來，愛因斯坦就是相對論宇宙學的先驅者，那篇論文就可以看作現代宇宙學的開端。

司空教授︰你說得很對。

 

但是，隨著河外星系退行（譜線紅移）的發現，愛因斯坦的靜態宇宙模型很快被否定了，1930年愛丁頓（A. S. Eddington）又證明這個模型是不穩定的，只要有小擾動，就會膨脹或收縮，因而實際上不可能保持靜態。

 

其實早在1923年，俄羅斯數學家弗里德曼（A.Φ　）就找到了一個引力場方程的膨脹宇宙解。在紅移發現後，弗里德曼宇宙備受重視，成為現代宇宙學的基礎。

明子︰星系的譜線紅移效應，就像火車離開我們時鳴笛聲的頻率會變低的道理一樣吧。

 

那麼是不是可以由此推出宇宙在膨脹，星系之間彼此相距會越來越遠？

司空教授︰不僅如此，根據哈勃定律，星系分離的速度跟它們之間的距離成正比。

 

由此推測， 在時間上往回追溯，必定在過去某一時刻宇宙中的物質集結在一起，密度極高。

 

比利時的勒梅特（A.G.Lemaitre）設想宇宙早期處于極端稠密的狀態，像一個巨大的發射性原子核。

 

在1932年，他提出宇宙起源于這個被稱為“原始原子”的爆炸的想法。

 

1948年，伽莫夫（G.Gamow）等人又將宇宙膨脹跟元素形成聯系起來。

 

這就是後來被稱作熱大爆炸理論的開端。

 明子︰熱大爆炸這個專門術語是什麼時候被采用的呢？

司空教授︰著名英國天文學家霍伊爾（F.Hoyle）一直對大爆炸理論持懷疑態度。

 

他提出了一種稱作穩恆態理論的宇宙模型，這個理論假定宇宙在時間和空間上是無限的，並且通過一種尚不可知的機制不斷產生新物質。

 

然而，“大爆炸”這個詞是1950年霍伊爾在作一系列關于天文學的廣播演講時創造的，霍伊爾的原意確實有點要貶低弗里德曼宇宙學的意思。

 

但是，意想不到的是這個詞很快地流傳開來了。

 

1993年8月，《天空和望遠鏡》（Sky Telescope）雜志發起了一場為大爆炸理論更名的比賽。

 

然而在收到成千上萬個建議之後，大賽的裁決者宣稱，他們沒有發現比“大爆炸”更貼切的名字了。

 明子︰這件事，真正稱得上是對現代科學的一大嘲諷了。

司空教授︰現代科學是建立在觀測和實驗的基礎上的。

 

500年前，當伽利略將他的望遠鏡指向月球的時候，現代意義下的科學就開始了。

 

1948年，伽莫夫的兩位學生阿爾弗（R.Alpher）和赫爾曼（R.Herman）預言，由大爆炸而散落的殘余輻射由于宇宙膨脹而冷卻，現在的宇宙背景輻射所具有的溫度約為絕對零度（即 273℃）以上5℃，或者說5K。

 

但是他們的預言並未引起人們的普遍重視，反而被湮沒在文獻的海洋之中。

 

在1940年代和1950年代，大多數物理學家認為，再現宇宙早期史的細節並不是一種非常嚴肅的科學活動。

 

直到1965年，美國工程師彭齊亞斯（A.Penzias）和威爾遜(R.Wilson)意外地發現了這種輻射，溫度為2.7K。

 

此後，穩恆態宇宙就逐漸退出了舞台。

明子︰噢，我明白了，實踐是檢驗真理的唯一標準麼。

 

不過，您是否能更詳細地談談其中的原由呢？

司空教授︰在穩恆態宇宙中不應出現這樣的熱輻射，因為它先前從未經歷過異常致密的灼熱狀態，宇宙平均說來總是像今天那樣寒冷而寧靜。

 

隨後，觀測又表明宇宙中最輕的化學元素的豐度與大爆炸模型所預期的相等，並證實了它們由宇宙膨脹的最初3分鐘內的核反應所產生的想法。

 

穩恆態模型對這些豐度提出自然的解釋，因為它從未經歷過在整個宇宙中到處都能發生核反應的極端高密度高溫的早期階段。

明子︰原來是這兩項觀測結果為穩恆態宇宙敲響了喪鐘，大爆炸宇宙因為與觀測宇宙完全相符才確立了自己的地位。

司空教授︰對的，但是你不能用“完全”這個詞，因為宇宙學家很快就發現簡單的熱大爆炸宇宙並不能完全解釋所有的觀測問題。

明子︰那還有什麼重大的觀測問題沒有解決呢？

司空教授︰在COBE衛星（宇宙背景輻射探測器）探測到的微波背景輻射的高度均勻性，使大爆炸宇宙學達到光輝成就的顛峰

 

。就像所有理論一樣，在取得其輝煌成就的同時，往往會暴露出一些問題來，這些問題包括均勻性問題，還有單極子問題* ……

 明子︰請等一等。

 

什麼是均勻性問題？

司空教授︰均勻性問題是指宇宙為什麼會如此均勻和各向同性的。

 

早先人們把宇宙的均勻性和各向同性作為一種假設。

 

但是，微波背景輻射的高度均勻性使先前這個假設成為受到精確檢驗的觀測事實，這樣一來，它就不是想當然的事情了，而應當是宇宙中各個部分、各種力反復作用的結果。

 

依照狹義相對論，真空中的光速是物質運動和相互作用傳播速度的上限。

 

同時，宇宙的年齡也是有限的，因此在宇宙創生以來，物質間能進行相互作用的範圍也是有限的。

明子︰您的意思是說，如果大爆炸宇宙學嚴格成立，在宇宙大尺度範圍中，宇宙不應該如此均勻。

司空教授︰是這樣的。

 

單極子問題是指按照大爆炸宇宙學，我們現今的宇宙中，應該含有的單極子濃度之高是不可接受的。

 

為此，宇宙學家認為，在宇宙膨脹的早期會有一個短時期的加速膨脹，這個時期就稱為暴脹時期，通常也稱為暴脹宇宙。

 明子︰暴脹？

 

是不是通貨膨脹？（笑）

司空教授︰在英語中確實使用了同樣的一個詞。

 

就是這樣一段短暫的宇宙暴脹，使得宇宙中任何不規則性被抹平了，也將單極子的濃度沖淡了。

 

再者，今天我們周圍的可見宇宙可以從遠小于大暴脹理論所認為的區域膨脹而來，傳統理論是指一直進行減速膨脹的理論。

 

我們的暴脹理論發端于一個微小區域是一種優美的特性，它既可以解釋宇宙總體膨脹中的高度均勻性，也可解釋COBE衛星已經觀測到的極其微小的非均勻性（它們是以後演化中產生星系和星系團的種子）。

明子︰哎呀，我突然想起了一個問題，在我們的視界之外的宇宙與我們所能看到的宇宙部分是一樣的嗎？

 司空教授︰在暴脹宇宙提出之前，一般假定宇宙在我們的視界之外和視界之內幾乎相同。

 

其他的假設就等同于假設我們處在宇宙的一個特殊位置，而這正是哥白尼曾經教導我們要抵制的誘惑。

 

然而暴脹宇宙揭示了宇宙在空間和時間的結構上比我們先前期望的更加豐富多彩。

 明子︰如此說來，宇宙學真像一首詩，不，比詩還精彩。

司空教授︰精彩的還在後面呢！

 

如果宇宙開始于一種混沌的不規則狀態，那麼一些區域將經歷暴脹，而另一些區域不經歷暴脹。

 

不同區域暴脹的大小是不同的，每一個暴脹了的區域就像一個泡泡，在它之內是平滑的，但與其他泡泡內的狀態不同。

明子︰我們就處在其中一個泡泡之中？

司空教授︰我們處在宇宙之中，當然就會處在某個泡泡之中，而且我們的泡泡一定很大，超過了我們的視界。

 

在我們的泡泡之外還有許許多多的泡泡，它們的大小不同，平滑的程度也不同。

明子︰為什麼我們所處的泡泡需要很大？

司空教授︰因為只有大的泡泡才會有很長的壽命，只有長壽命的泡泡才能進化出有智慧的生物。

 

不同泡泡的性質會很不相同。我們稱作“物理學常數”的一些量——引力耦合強度、基本粒子的質量，甚至空間的維數——在不同的泡泡之間都將不同。

明子︰我們能得到另一個泡泡的信號嗎？

司空教授︰在遙遠將來的某一天，天文學家也許會發現鄰近泡泡的信號會進入視野。

 

但是，他們將永遠不會知道，外面到底有多少個其他的泡泡。

明子︰早期宇宙的故事實在太有趣了。

司空教授︰啊，這並不是故事的結尾，旅美俄裔女哲學家林德（A.Linde）已經提出暴脹有一種自繁殖的趨勢。

 

在已經暴脹了的泡泡的小子區域內誘發下一步的暴脹。

 

暴脹好像是一種潛在的無休止的自繁殖過程。

明子︰自繁殖過程？

 

那麼就應該存在著遺傳和變異了？

司空教授︰你說得很對，在這幅奇異的永恆暴脹的圖景中，我們自身所處的位置是非常有趣的。

 

我們生活在一個特殊的泡泡中，它具有一套特殊的物理常數，在看來是永恆的暴脹序列中處于一個特殊的時期。

 

我們只知道我們所屬的泡泡必須以充分長的時間暴脹，生長得足夠大，以使恆星產生所有已知形式的復雜事物和生命賴以形成的元素。

 

我們不能真正知道這種大泡泡的合理性有多少。

 

所謂的遺傳乃指子宇宙將攜帶母宇宙的物理常數的一些記錄，所謂的變異又是指子宇宙的物理常數可能會與母宇宙有微小的差別。

明子︰這樣說林德為自繁殖宇宙披上了一件通過自然選擇進化的外衣。

司空教授︰是的，如果相信生物學家告訴我們的生命的定義是一個擁有繁殖、變異和遺傳的過程，那麼自繁殖暴脹宇宙就有了活力！

明子︰謝謝您，今天我學到了很多知識，不過在暴脹之前的宇宙又是怎樣的呢？

司空教授︰我們下次再談吧，這是又一個精彩的故事。

 *在早期宇宙中，隨著宇宙膨脹，宇宙的溫度逐漸下降，就會發生相變。

 

日常生活中的相變例子是水凝結成冰，人們很容易發現冰往往不是無色透明的，存在著各種各樣的缺陷。

 

在宇宙相變過程中也會形成各種拓撲缺陷，其中的一種就稱為單極子。

 （本文作者李新洲為上海師範大學天體物理聯合研究中心主任、教授，孫玨岷為該中心主任助理。）

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_769.html