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![]() 歐洲空間局的普朗克衛星通過觀測所謂大爆炸余熱中微小的不均勻性，為科學家提供了迄今最為精確的宇宙學數據。圖片來源：space.com
現代宇宙學大約有80多年的歷史，從埃德溫·哈勃發現宇宙膨脹算起，宇宙學成為了一門實證科學。
在我看來，宇宙學有過三次大發現期。第一個大發現期是愛因斯坦為首的理論家用廣義相對論建立起宇宙學的基礎，后來由哈勃將這個理論放在堅實的觀測基礎之上。第二個大發現期始于上世紀60年代，從發現宇宙微波背景輻射起，到宇宙學家建立現實的熱大爆炸理論，再到上世紀80年代初阿蘭·古斯等人提出暴漲理論。第三個大發現期則從上世紀90年代開始，一直持續到現在，看勢頭還會繼續下去。
上世紀90年代發現了什麼？一是發現了宇宙微波背景輻射中微小的非各向同性，二是發現宇宙在加速膨脹。這兩個發現先后在2006年和2011年獲得諾貝爾物理學獎，其重要性可見一斑。過去20年來，所有宇宙學觀測不過是將這兩項發現更加精確化。這樣的結果是，我們已經有了所謂的宇宙學“標准模型”。
宇宙學“標准模型”這個“標准模型”真的很標准嗎？也許是，也許不是。
在我們的宇宙中，存在4種完全不同的能量。第一種，也是我們熟知的一種，是重子物質，或者說可見物質。這些物質組成地球及地球上的生命和非生命，組成我們的太陽系和銀河系，以及天上一切可以通過電磁手段觀測的星系和星系間的物質。第二種，是暗物質。這些物質其實比可見物質還要多，大約是可見物質的5倍，存在于銀河系和一切類似的星系中。第三種，就是前面提到的宇宙微波背景輻射。它們是能量很低的光子，在現在的宇宙能量組分中還占不到万分之一。第四種，就是暗能量了。這是宇宙中最大的分支，占能量組分70%左右。也許還有第五種、第六種能量，如宇宙中微子背景和引力波背景。這些組分理論上存在，還沒有被探測到。
可以肯定，大約在140億年前，宇宙誕生于大爆炸。在大爆炸之初，也許發生過時間極短的暴漲（多長時間還不確定，只能說大約是10-30秒或稍長）。在這個極短的暴漲期，我們現在的可見宇宙從一個微觀空間突然長大了1026倍，成為一個宏觀宇宙。在暴漲結束的時候，一切粒子產生了。此時宇宙非常熱，溫度超過了任何可見天体中的溫度。接下來，宇宙繼續膨脹，但膨脹的速度變慢。到了宇宙大小大約是現在一半的時候，由于所有物質的密度一直被稀釋，而暗能量的密度變化不大，暗能量開始主導宇宙的膨脹，推動宇宙開始加速膨脹，一直到今天。
非常有趣的是，在那個極短的暴漲期，宇宙不但成長了很多倍，還產生了極小的不均勻性，幅度大約是十万分之一。這個不均勻性后來導致恒星、星系和星系團的產生，同時也使宇宙微波背景輻射產生了很小的不均勻性。上世紀90年代初，美國的COBE衛星探測到了這個不均勻性。探測這些起伏只有十万分之一的不均勻性，需要非常靈敏的微波接收器，同時還要求宇宙學家能夠精細扣除很多已知的不均勻性，例如來自行星和銀河系的輻射。
COBE的發現震動了宇宙學家，因為這個發現几乎驗證了理論家最瘋狂的想象。接下來，美國的另一顆衛星WMAP繼承了COBE，對微波背景輻射作了更加精確的測量。再后來，歐洲的普朗克衛星繼承了WMAP，將微波背景輻射的測量精度又提高了一大步。普朗克衛星的主要測量部分在2010年年底就結束了，但科學家用了兩年多時間才從普朗克衛星傳回來的海量數據中提取出宇宙的信息，一來因為數據巨大，二來因為扣除其他非宇宙學輻射不是一件容易的事。
就能量組分來說，普朗克衛星的結果與前輩WMAP稍有不同。暗能量占總能量的68.3%，可見物質占4.9%，暗物質占26.8%。我們需要重視這些微小的變動，因為它們很可能將改變我們對宇宙的認識，特別是，對暗能量的認識。以上變動的部分與宇宙膨脹速度的變動有關，普朗克衛星的結果是67.3 km/s/Mpc，即67.3千米每秒每百万秒差距，而WMAP最后的結果大約是70km/s/Mpc。另外，宇宙的年齡是138.1億年。
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美國的COBE探測到了宇宙微波背景中微波的不均勻性；美國的WMAP繼承了COBE，對微波背景輻射做了更加精確的測量；歐洲的普朗克衛星則將測量精度又提高了一大截。圖為3個探測器對同一小片天區的探測結果。圖片來源：wordpress.com
解讀普朗克衛星
就目前分析的結果來看，普朗克衛星是支持標准模型的——也就是說，暗物質是“冷”的，暗能量的密度也是一個常數，后者是愛因斯坦在1917年就提出來的。如果暗能量真是一個常數，那麼，我們的宇宙簡單而乏味，理論家就無從推測暗能量的起源是什麼。
為什麼呢？這還得從愛因斯坦說起。1915年完成廣義相對論這一新的引力理論之后，愛因斯坦就著手將他的偉大發現應用于宇宙學。那時，人們還沒有發現宇宙是動態的，連愛因斯坦也假設宇宙是靜止的。但是，万有引力很難解釋一個靜止的宇宙，因此愛因斯坦引入了一個斥力，在他的方程中体現為一個常數——這就是著名的宇宙學常數。盡管在哈勃發現宇宙膨脹之后，愛因斯坦放棄了宇宙學常數，但在引力理論中，宇宙學常數導致斥力，是暗能量最簡單的形式。
万一暗能量真的是這個常數，那它就只是方程中的一個常數而已，我們很難說它有任何動力學起源。最近10年來，弦論界流行一種觀點，認為存在很多很多不同的宇宙，在不同的宇宙中宇宙學常數的具体數值不同。恰好在我們這個宇宙中，宇宙學常數取它現在的值。這個值在理論上確實非常小，但恰好與星系的存在不矛盾，從而允許人類能夠出現。也就是說，如果暗能量是一個常數，我們只能將它當作一個參數來看，最好的解釋就是多元宇宙論和人擇原理。很多人，包括我，當然非常不高興，因為這樣一來，我們就放棄了追根究底的科學精神。當然，我們不能排除多元宇宙以及我們宇宙的偶然性。
那麼，普朗克衛星的結果，對暗能量問題有什麼意義呢？暗能量所占的比重減少了，這很重要，卻沒有重要到我們需要特別注意的地步。哈勃常數變小了，這也很重要，但這些數據需要結合其他天文觀測，才能幫助我們對暗能量做出有意義的限制。
微波背景輻射本身的信息，對暗能量的性質能夠做出的限制非常寬松。舉例來說，如果暗能量不是常數，它的密度隨時間是變大還是變小？普朗克衛星和WMAP都含糊其辭，雖然數據偏向支持變大，但可信度非常低（粗糙地說，大約20%的可能變小，80%的可能變大）。如果將其他天文學數據加進來，得到的限制就會好得多。對于外行來說，這些限制也許很奇怪，因為不同的結合得到的結果不同。對于專家來說，這很正常，因為所有數據的可信度都有一定的限制，它們當然不會給出完全一致的結果。
比方說，如果將宇宙間星系和星系團分布的信息考慮進來，對暗能量性質的限制范圍就小多了。這些數據仍然支持暗能量密度會變大，但只有68%的可信度。如果不考慮星系和星系團的分布，而是考慮超新星的信息，暗能量性質的可能范圍就會變得更小，但仍然不能確定到底是變大還是變小，只是較為偏向支持變大。最有意思的是，如果不考慮前面的那些信息，而只考慮對哈勃常數的獨立測量，暗能量隨時間變大的可能性超過95%，接近99%。由于天文觀測的復雜性，我們現在還不能信任任何一個結果，還需要耐心等待更加可靠的測量。（我個人喜好暗能量變大，這樣一來，不僅我自己的模型有機會成立了，宇宙也變得更加有趣，因為它可能會在有限的時間內終結。）
除了為暗能量提供更新的數據以外，普朗克衛星還傾向于支持一個相對簡單的暴漲理論。從現有的數據看，過去理論家忙了几年設計出的很多復雜模型，並沒有得到任何觀測支持。例如，有的理論家喜歡用好几個量子場來驅動宇宙暴漲，而普朗克衛星似乎在說，一個就足夠了。我覺得這很自然，宇宙雖然復雜，它背后的秘密可能至為簡單。
普朗克衛星數據還有很多精細部分沒有分析出來，例如對光子的極化測量。這些測量會告訴我們更多宇宙的秘密，也許我們還要等上1年才能得到分析的結果。
宇宙的“邪惡軸心”
我們是不是可以說，普朗克衛星除了更加精確，並沒有任何新的發現呢？也不能這麼說。普朗克衛星似乎確定，宇宙存在一個“邪惡軸心”。在這個邪惡軸心的兩邊，宇宙微波背景的漲落稍有不同，難以用“標准模型”來理解。另外，在南半球，似乎存在一個大冷斑，同樣無法用“標准模型”來解釋。魔鬼在細節中，對這些反常細節的研究，或許將揭示關于宇宙更加驚人的秘密。
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普朗克衛星證實了宇宙“邪惡軸心”和大暗斑的存在。“邪惡軸心”是指，宇宙微波背景輻射的平均溫度在某個半球（曲線左上側）要比另一個半球（曲線右下側）略低一些，而“標准模型”預言，不論朝任何方向看去，宇宙都應該大致相同才對。南半球還有一塊冷斑尺度遠遠大于預期（右下圈出部分），同樣無法用“標准模型”來解釋。圖片來源：tumblr.com
我相信，很多理論家很快就會寫出一批論文，來解釋這些反常現象。在看到這些論文之前，為了娛樂大家，我給這個大冷斑寫了一個科幻解釋，不妨再與大家分享一次：
“古達摩陳是一位正在上升的宇宙學新星。他有四分之一中國血統，這是他的姓氏的來源，另外四分之一血統可以追溯到最早移民美國的歐洲人，最后二分之一的血統來自印度。
“古達摩很可能是最后一代宇宙學家。從上世紀開始到本世紀中葉，人類基本弄清了天上的一切，以及宇宙的歷史，只有一個謎團頑固地拒絕理解——那個早在2013年就被發現的冷斑。這個冷斑放在整個宇宙微波漲落圖上並不大，只有几度大小，但完全與當時的理論矛盾。直到今天，宇宙的演化史和理論基本完備，古達摩這樣的人還在為這個冷斑傷腦筋。
“近10年來，由于世界經濟好得難以置信，天文學家又接連向太空發射了兩個大型微波望遠鏡，其中較大的那個重達200噸，覆蓋了几乎所有微波波段。數據被發回，宇宙學家用了不到一年的時間就將數據處理完畢——宇宙學理論依然完美無缺，只是不能理解那個冷斑。
“古達摩正在試圖說服几個大經濟体在南極建一個大型射電望遠鏡。這個鏡子與已經在拉格朗日點的那兩個巨無霸完全不同，主要用來探測那個冷斑，而且，探測波段將提高到遠遠超出微波波段。正是后面這個設計難以說服各國科學官僚，因為主流科學家認為，冷斑就是微波冷斑，與高頻射電無關。
“當然他的建議沒有完全被否決，几個國家建議他先在南極建一個小得多的望遠鏡，看看他能獲得什麼。
“古達摩當然不反對，因為，他心里有一個極大的秘密還不能公開。宇宙學家解釋冷斑的上百個理論中，獨獨缺了一個理論——那就是，冷斑根本不是宇宙演化的自然結果。他認為，在大約5億光年之外，有一個巨大的星系帝國，橫跨大約500万到1000万光年。這個帝國以人工力量將一個星系團或几個星系團的能量提高了。那個巨大的冷斑，其實是微波背景輻射被稍高星系團能量拉長波長的結果。
“如果他的猜測成立，當然需要直接探測來自那里的高頻人為信號。” | 
發表於 2013-4-29 08:45:04
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