探测宇宙最初一刹那

来源: 作者:李淼（中科院理论物理所）　　[2008-04-09 16:01:49]
自4月7日起进入封闭阶段的欧洲强子对撞机和下一代宇宙微波背景辐射探测卫星普朗克将为宇宙大爆炸模型提供数据支持
威尔金森各向异性探测器（WMAP）改变了人类对宇宙的理解　图片采自NASA网站
认识上的革新
一门学科的成熟标志是研究进入误差很小的定量化阶段。仅仅是20年前，我们还不能说宇宙学是一门严密的学科，因为那时许多重要的宇宙学参数还非常不确定。
例如，大家都知道宇宙在膨胀，膨胀的最重要的标志是远方的天体在退行，越远的天体退行的速度越快——这就像一个膨胀的气球，气球上的任意两点之间的距离都在变大，本来距离较大的两点以较大的速度相互离开。天体和我们之间的距离每增大一倍，其退行的速度就增大一倍，这就是有名的哈伯定律。决定宇宙膨胀速度的叫哈伯常数，这个常数的测量在宇宙学史上一直是一个核心问题，20年前的测量误差是百分之一百。
今天，哈伯常数的测量已经可以精确到百分之二以内，具体数值大约是：距离我们有一百万光年的天体相对我们的退行速度大约是每秒22公里。可以想象，如果这个常数的测量不够准确，那么许多我们关心的数据也不会准确。例如，哈伯常数直接决定了宇宙的年龄。如果哈伯常数的精确度只有百分之百，那么宇宙年龄的准确度大约也是百分之百。这个范围太大了，如同我们说一个女孩的年龄在10岁到20岁之间。
直到十年以前，我们一直觉得过去宇宙膨胀的速度比现在膨胀的速度要大，而未来的膨胀速度要比现在的速度要小，所以，大爆炸发生的那一刻宇宙膨胀的速度最大。这种观念和万有引力很符合，因为既然物体之间存在的万有引力是吸引力，那么这种吸引力只能将物体之间的速度减低。
但宇宙学的观测手段的发展在十年前完全革新了我们的认识，就是说，现在宇宙的膨胀速度不是越来越小，而是越来越大。这是非常反直观的现象。最合理的解释是宇宙间除了万有引力之外，还存在着一种无所不在的斥力，是这种斥力在宇宙的尺度上克服了万有引力，导致宇宙的加速膨胀。这个革命性的结果被多种观测手段所证实，正是这些观测手段同时帮助我们精确测量了宇宙膨胀速度、宇宙年龄和其他一些重要的决定宇宙图像的物理量。下文要介绍的，是这些手段中的一种，也是最重要的一种：测量宇宙中弥漫的微波背景辐射的微小涨落。
大爆炸的遗迹
1964年，彭齐亚斯和威尔逊无意之间发现了弥漫在空间所有方向的微波辐射，这种辐射对应的温度很低，后来被确认为宇宙间无所不在的微波背景辐射。微波背景辐射正是大爆炸理论预言的宇宙在大爆炸时期遗留到今天的遗迹。彭齐亚斯和威尔逊的发现是现代宇宙学的开端，他们也因此获得诺贝尔物理学奖。
微波背景辐射是一种特殊的辐射，叫黑体辐射，这是有着固定温度的辐射。当天文学家将各种不同的微波探测器对准天空深处的时候，他们发现，微波辐射的温度在天空的所有方向上几乎完全一样，都是2.725开尔文。这里的开尔文是温度的单位，冰点的温度是273.15开尔文，说明微波辐射的温度远远低于冰点的温度，亦即宇宙是一个很空很冷的地方。
1990年代初的一项实验发现告诉我们，几乎完全均匀的微波辐射有着非常微弱的不均匀性，温度的涨落只有18个微开尔文。换句话说，温度的涨落只有十万分之一。这个发现被授予2006年诺贝尔物理学奖。授奖的一个重要原因是，这项发现再次证实了大爆炸理论，因为大爆炸理论预言了微波辐射的涨落，这种涨落是宇宙在婴儿期产生的涨落的遗迹。
大爆炸宇宙论中有一个非常重要的领域，是研究宇宙间的结构是如何产生的，如恒星的起源，像银河系一样的星系的起源，以及由一些星系组成的星系团的起源，这些结构在宇宙学中统称为大尺度结构，因为涉及的尺度非常大，经常在百万光年以上（一光年是光走了一年的距离，大约是9万亿公里）。最初，有很多学说解释这些结构如何产生于宇宙创生的不久之后。这些学说的共同之处是假定宇宙中的一切不均匀性，包括物质组成的星系、星系团，以及微波背景辐射中的不均匀性，都来源于宇宙在极早期的原始不均匀性。爱因斯坦的引力理论告诉我们，宇宙中任何不均匀性都会导致引力的不均匀性，而引力的不均匀性也会反映在微波背景辐射中。可以说，被探测到的微波背景辐射的不均匀性，虽然非常小，却是宇宙留给我们的最原始的化石。
就像考古学家能够从化石的研究中发现生物的进化历史，宇宙学家也能够从微波背景辐射的温度涨落中分析出宇宙的进化历史，甚至能够帮助我们精确地测定宇宙演化的一些重要数据，例如我们前面提到的宇宙膨胀速度和加速度、宇宙年龄、宇宙中的平均物质密度，以及导致宇宙加速膨胀的一种过去闻所未闻的能量：暗能量。
WMAP探测器五年
美国在2001年6月发射了一颗卫星，专门用来探测微波背景辐射的涨落，就是维尔金森各向异性探测器（WMAP）（参见本报2001年7月6日 《揭示宇宙大爆炸的奥秘》一文）。探测计划的负责人是约翰·霍普金斯大学的查尔斯·本内特。这个探测器的任务就是精确测量天空上分隔180度至0.25度的任意两个方向的温度差。测量的最终结果可以用一个全天温度图来表示（其实探测到的是五个波段的微波温度，可以用三个图来表示）。经过一年的观测和半年左右的数据研究，这个研究小组在2003年2月发布了他们的重要结果。
此后，WMAP又两次公布了后续观测结果，分别是3年观测的结果和5年观测的结果。WMAP的5年观测结果是今年3月初刚刚公布的。下面我们简要介绍一下WMAP5年观测所获得主要物理结论。
宇宙在最开初的时候发生了一次热大爆炸，在此期间，所有基本粒子以接近光速的速度运动。不但如此，在热大爆炸之前，宇宙很有可能经历了一次剧烈的膨胀时期，这个膨胀时期非常短，只有10-32秒甚至更短（作为对比，地球上最精确的时钟误差是每天1阿秒，即10-18秒）。在如此之短的时间内，宇宙在尺度上膨胀了至少1026倍。这个剧烈膨胀假说是美国人阿伦·古斯（Alan Guth）在1979年提出来的，当时他希望能够用这个假说解释我们看到的宇宙为什么几乎是均匀的，特别是微波背景辐射的近乎完美的均匀性。
古斯的假说现在几乎为WMAP和其他实验所证实。在这些令人激动的观测和实验之前，理论家们做了很多研究，将古斯的假说通称为暴涨宇宙论。暴涨理论不仅解释了我们的宇宙为什么能够膨胀到如此之大，还能解释宇宙中恒星、星系形成所需要的不均匀性。前面我们已经提到，这些不均匀性和微波背景辐射中的微弱不均匀性来源于同一个物理原因。而这个原因，就是暴涨时期时空的量子涨落。
在极短的暴涨期间，宇宙几乎是冷的，没有任何物质，只存在着一种奇怪的能量，其性质非常像现在宇宙间的暗能量，但暴涨期的“暗能量”密度非常大，是现在暗能量密度的10100倍左右。在暴涨结束的时候，驱动宇宙暴涨的能量转化为粒子的能量，在这个时候，热大爆炸宇宙才真正开始，宇宙间充满了以光速运动的粒子。这些粒子包括了所有已知的粒子，还有一些未知的粒子——组成暗物质的粒子。这些粒子经过核合成形成氢和氦这些轻元素，这些元素的丰度现在能够测得很准，并且我们能够通过现在的丰度推出过去的丰度，在计及丰度的演化之后。轻元素的丰度的计算也是大爆炸学说的重要证据。大约38万年后，宇宙中的质子和电子组成氢原子，宇宙开始变得透明，也就是说WMAP探测到的光子是从那个时候发出的。
此后最初的恒星开始形成，最初的星系也开始形成。当宇宙还是现在的一半大小左右时，宇宙中的暗能量开始超过物质密度（包括一般的物质和暗物质），宇宙的膨胀速度逐渐开始加速。迄今为止的结论是，宇宙中的能量72.1%左右是暗能量，其余是普通物质和暗物质，其中只有4.6%是我们看到的普通物质，23.3%是暗物质。剩下的不到万分之一的能量是光子和中微子。宇宙的年龄大约是137.3亿年，误差是1000万年。宇宙学预言了中微子背景辐射，很像微波背景辐射，但目前还没有办法直接探测到这种辐射。WMAP可以说间接地看到了中微子背景辐射，对中微子的种类作出限制。
哪种模型是正解
对于宇宙学家来说，最有意思的还不是上面的那些结果，因为那些结果和WMAP的三年结果相差不大。宇宙学家和理论物理学家希望WMAP新的结果能够帮助他们了解更多的关于暴涨时期的信息，以及了解物理学中的一些最为基本和微观的规律。
自从古斯建立了暴涨宇宙的概念后，物理学家们提出了很多不同的具体模型，不下一百种。作为理论家，我们非常希望实验和观测能够帮助我们在这些众多的可能性中选出一种。这个希望目前看来还过于奢侈，但是WMAP已经能够排除一些暴涨模型。相比其他实验，这已经是令人乐观的进步。
微波辐射涨落一个特殊的性质是高斯性，即涨落的大小分布是高斯分布，这是著名的钟形线分布。涨落的钟形线分布也是传统的暴涨模型所预言的。新结果中最具吸引力的发现是涨落的钟形线分布也不是绝对的，有所谓非高斯性，使得涨落的分布不再那么对称。如果这是真的，那么很多传统的暴涨模型将被排除，基于我们传统微观物理的模型基本不能解释这种不对称。我认为，这很可能是揭示新的物理规律的开端。
事实上，研究弦论和量子引力的物理学家们早就期望微波背景辐射更加精确的测量能够为我们指出一条通向统一所有微观物理规律的道路，因为最早期的宇宙和最微观的物理有不可分割的关系。我对宇宙学的进一步实验抱乐观态度，这些实验和欧洲核子中心即将运转的大型强子对撞机（4月7日已进入封闭阶段）一道将会带我们进入一个新的物理学黄金时代。
WMAP预计运行8年。现在已经接近7年。我们期待8年的观测结果将会带来更多的信息。欧洲太空总署计划今年发射一颗专用于测量宇宙微波背景辐射的卫星，这颗卫星以发现量子的物理学家普朗克（Max Planck）命名。普朗克卫星的测量精度将比WMAP好十倍左右，我们几乎可以肯定她将测量到偏离钟形线分布，从而促使我们不得不思考新的微观物理规律。当然，普朗克卫星也会给我们带来其他意料不到的结果。
来源:www.infzm.com
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