1　膨胀中的宇宙

宇宙是以何种方式、何种原因并从何时开始的？这样一个简单的问题驱动着人类开启了探索宇宙的征程。谜案的线索刚刚浮现，谁会是下一个破解迷局的福尔摩斯？

“我必须对你表示感谢，”夏洛克·福尔摩斯说道，“因为你让我对这个稍显有趣的案子产生了兴趣。”

——《巴斯克维尔的猎犬》（ The Hound of the Baskervilles ）

宇宙是以何种方式、何种原因并从何时开始的？它到底有多大？是什么形状？由何种物质构成？这些问题是任何一个拥有好奇心的孩子都可能会提出的，同时也是数十年来现代宇宙学家上下求索的。对于畅销书作家和记者而言，宇宙学的一个吸引人之处在于，该学科最前沿的许多问题都很容易表述；而其他前沿科学领域，比如量子电子学、DNA测序、神经生理学或者数学，专家提出的问题很难用通俗易懂的语言传达给大众。

20世纪早期，哲学家和天文学家尚未对“空间是绝对固定的”这一概念提出质疑。他们认为，在这个绝对固定的舞台上，恒星、行星和其他所有天体都只是沿着各自的轨道运转。但到了20世纪20年代，这种对宇宙的简单描述开始发生改变。首先是物理学家开始探索爱因斯坦的引力理论会带来什么结果，并获得相应的启发；其次是美国天文学家埃德温·哈勃通过对遥远星系中恒星光线颜色的观测，获得重大发现。

哈勃利用了波的一个简单性质：如果波源远离接收器，接收器收到的波的频率就会下降。如果你想观测这一性质，可以在一潭静止的水里上下摆动手指，看着波峰移动到水面的另一个点，然后将手指朝远离接收点的方向移动。相比于原先移动的那个点，此时接收器接收到的波的频率就会变低，而当你的手指靠近接收点时，接收到的波的频率就会增高。所有的波都具有这种性质。这一性质在声波中的体现就是火车鸣笛或者警笛的音调变化。光也是一种波，当光源远离观察者时，光波频率降低，这意味着被观察的可见光颜色会微微变红，这种现象被称为“红移”。当光源靠近观察者时，接收频率增高，可见光的颜色则变蓝，这种现象被称为“蓝移”。

哈勃发现，星系发出的光呈现出系统性的红移现象。通过测量红移的程度，他可以确定光源后退的速度。同样，通过比较同一类恒星（内在亮度相同的恒星）的视亮度，可以推断出它们与地球的相对距离。他发现，光源距离地球越远，远离的速度就越快。这一趋势被称为“哈勃定律”，该定律用数据来说明如图1-1所示。

图1-2展示了从遥远星系接收到的光信号的例子，与实验室中相同原子发出的光相比，这些来自遥远星系的原子在光谱上向红色方向移动。

哈勃发现的是膨胀的宇宙。在这之前，人们认为宇宙是一个恒常不变的舞台，行星和恒星在其中进行着可观察的固定运动，而哈勃发现宇宙是动态的、变化的。这是20世纪科学界的最大发现，它证实了爱因斯坦广义相对论对宇宙的预言：它不可能是静止的。因为如果星系间不相互远离，彼此之间的引力会使它们聚集在一起。所以宇宙不可能是静止不动的。

如果宇宙正处于一种膨胀的状态，那么当我们倒转历史、回顾过去时，就应该能找到证据证明宇宙起源于一种体积更小、密度更大的状态——该状态的尺寸似乎为零。这个假设后来被称为“宇宙大爆炸”。

我们在宇宙研究方面的步伐迈得有点大。对于宇宙现阶段的膨胀现象，还有许多重要方面值得探究，因此，当下我们不应该一头扎进对宇宙过去的钻研之中。首先，我们要搞清楚到底宇宙中的什么东西在扩张。在电影《安妮·霍尔》中，伍迪·艾伦靠在沙发上表达他对宇宙膨胀的焦虑：“毫无疑问，宇宙膨胀意味着布鲁克林（纽约市的一个区）正在膨胀，你我在膨胀，所有人都在膨胀。”但值得庆幸的是，他的担忧是错的。我们没有膨胀，布鲁克林没有，地球没有，太阳系也没有。事实上，银河系也并未膨胀，甚至成千上万个星系聚集在一起被我们称为“星系团”的集合也没有膨胀。这些物质的集合在化学键力和引力的作用下紧密地结合在一起，它们的相互作用比宇宙膨胀的力更大。

只有当我们站在大规模的星系的尺度上时，才会发现宇宙的膨胀力超越了局部引力。例如，与我们相邻的仙女座星系正向银河系移动，因为仙女座星系和银河系之间的引力大于宇宙的膨胀力。星系群是宇宙膨胀的标尺，膨胀的并非星系本身。我们可以用一个简单的方式进行类比，比如位于正在膨胀的气球表面的尘埃。气球不断膨胀，表面的尘埃也会散开，但每个尘埃微粒本身并不会以同样的方式膨胀。尘埃的作用就是标记气球表面被拉伸的距离。同样，我们最好将宇宙的膨胀看作星系群之间空间的扩展，如图1-3所示。

我们可能会担心所有星系都在远离地球这一事实造成的后果。但星系远离的为什么是地球呢？如果我们对科学史有一丁点儿了解，就必然知晓，哥白尼证明地球并非宇宙的中心。如果我们认为宇宙的一切都在离地球远去，实质是又把地球置于了无限宇宙的中心位置。但事实并非如此。膨胀的宇宙不像大爆炸一样在空间中存在某个起点。宇宙并非从某个固定的背景空间开始膨胀，宇宙包含了所有膨胀的空间。

请将空间想象成一片弹性薄板，任何物质在这个可延展的空间上的存在和运动都会产生凹痕和弯曲。宇宙弯曲的空间就像四维球体的三维表面，这是我们无法直观看到的。但如果将宇宙想象成一个平面，一个只有两个维度的空间，那它就近似于一个三维球体的表面。

设想这个三维的球体表面正在变大，就像图1-3中膨胀的气球一样。气球的表面是一个膨胀的二维宇宙，如果我们在上面标记两个点，当气球充气时，这些点就会相互远离。如果在气球表面标记许多点后再充气，你就会发现，无论你将自己放在气球表面何处，当气球膨胀时，除你之外的所有其他点都会离你远去。

你也会发现哈勃的膨胀定律：与那些相距较近的点相比，相距更远的点之间在以更快的速度相互远离。从这个例子中我们可以看到，虽然气球的表面代表空间，但气球膨胀的中心根本不在表面。气球的表面不存在膨胀的中心，也没有任何边缘，因此你不可能从宇宙的边缘掉下去。宇宙不会膨胀成任何东西，因为宇宙就是一切。

至此，我们会产生一个问题：宇宙的膨胀是否会无限地持续下去？如果我们将一块石头扔到空中，它会被地球的引力拉回来，扔的力量越大，传递给石头的能量就越多，它在被拉回地球之前所能达到的高度就越高。现在我们知道，如果以超过11.2千米/秒的速度发射一个物体，它就能脱离地球引力。这便是火箭的关键发射速度，太空科学家称之为脱离地球引力的“逃逸速度”。

上述观点也适用于任何被引力阻碍的爆炸或者膨胀着的物质系统。如果物质向外的动量超过了引力内拉所产生的能量，该物质便会超越逃逸速度，继续膨胀。但是，如果引力在该物质各部分间产生的力较大，则这个正在膨胀的物体最终会重回原点，就像在地球上扔石头一样。膨胀的宇宙也是如此。宇宙膨胀之初也有一个临界启动速度，如果膨胀的速度超过该值，那么宇宙中所有物质的引力将无法阻止膨胀，并且宇宙将永远膨胀下去。相反，如果膨胀速度小于临界值，膨胀将停止并发生逆转，最终收缩到尺寸为零的状态，也就是它的初始状态。

这两种情况之间存在着所谓的“英国式的折中宇宙”（British compromise universe），它膨胀的速度刚好符合临界启动速度，即保持使宇宙永远膨胀的速度最小值（见图1-4）。关于宇宙的最大谜团是，它目前正逐渐逼近这个临界值，事实上，宇宙膨胀的速度太接近临界值，使我们无法肯定宇宙现今膨胀的速度到底是在临界值的哪一边，我们也不知道未来宇宙的膨胀速度将如何变化。

宇宙学家认为，我们非常接近这一临界值，宇宙的这种特殊现象需要得到解释。令人难以理解的是，随着宇宙的膨胀和时间的流逝，如果它不是精确地以临界启动速度开始膨胀，那么它的速度便会日渐偏离这个分水岭。这给我们带来一个巨大的难题，因为宇宙已经持续膨胀了约150亿年，但它现在的速度仍然非常接近临界值，我们无法确定它的速度落在临界值的哪一边。

经过如此漫长的时间后，宇宙膨胀的速度依然与临界启动速度难分伯仲，这就要求宇宙的初始膨胀速度与临界启动速度的差别小于1/10000……000（1后面跟36个零）。为什么？后文我会介绍，科学家对宇宙最初膨胀时刻可能发生的事件所做的研究，为这种极不可能的问题提供了一个可能的解释。但在这里，我们只要理解为什么在百亿年的膨胀之后，任何宇宙的膨胀速度都必须与这一临界值非常接近，就已经足够。

如果宇宙膨胀的起始速度比临界启动速度快得多，那么引力就永远无法将同一区域的物质岛聚集在一起形成恒星和星系，而恒星的形成是当前可见宇宙演化过程中至关重要的一步。恒星是物质的聚合，随着聚合物质的不断增多，其中心就会产生足够大的压力，引起自发的核聚变反应。这些核聚变反应在漫长而平静的岁月中将氢变成了氦，这正是太阳正在经历的阶段，但在生命的最后阶段，恒星会遇到一场核能源危机。

每颗恒星都会经历一个快速变化的爆炸时期，在这个过程中，氦被转化成碳、氮、氧、硅、磷以及所有在生物化学过程中起重要作用的元素。当恒星以超新星的形式爆发时，这些元素便散落到太空中，最终融入行星和人类体内。恒星是所有元素的来源，而这些元素也是生物化学复合体乃至生命赖以存在的基础，我们体内的每一个碳原子核都源于恒星。

因此，比临界启动速度膨胀得更快的宇宙永远无法产生恒星，从而也永远无法产生能够进化出复杂“生命体”所需的基本元素，而这些元素是人类或者硅基计算机所必需的。同样，如果宇宙膨胀的速度远低于临界启动速度，它的膨胀将会逆转为坍缩状态，恒星便没有足够的时间成形、爆发以及创造生物的组成元素，这样的宇宙便无法产生生命。

我们能够从以上分析中获得一个令人惊讶的结论：只有那些在数十上百亿年后仍然以非常接近临界启动速度膨胀的宇宙，才能产生足够多的物质，从而形成足以进化出智慧生命的复杂聚合结构（见图1-5）。我们不该惊讶宇宙膨胀的速度为何如此接近临界启动速度，因为我们不可能存在于以其他速度膨胀的宇宙中。

在膨胀宇宙的研究及其历史的重建方面，我们的进展非常缓慢。20世纪30年代，比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）在宇宙探索初始阶段的研究上发挥了主导作用，他的“原始原子”（primeval atom）理论是如今宇宙大爆炸模型的前身。最重要的宇宙研究进展发生在20世纪40年代末，移民美国的俄罗斯人乔治·伽莫夫（George Gamow）带着手下两名年轻的研究生拉尔夫·阿尔夫（Ralph Alpher）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman），开始认真思考如何运用已知的物理学知识阐释膨胀宇宙的初期状态。

阿尔夫和赫尔曼意识到一个关键点：如果宇宙在很久以前是从一个炽热且稠密的状态开始的，那么这个爆炸性的起点应该还残留有一些辐射。更具体地说，在宇宙刚诞生的几分钟，它应该已经处于极度炽热的状态，热到足以让核聚变反应在任何地方发生。这些重要的猜想后来被更加详尽的预测和观察证实。

1948年，阿尔夫和赫尔曼预测到，宇宙大爆炸后的辐射残余随着宇宙的膨胀在冷却，此前应该保持在比绝对零度 高5开尔文。然而，他们的预测却被湮没在物理文献中。15年后，其他几位科学家开始思考炽热的膨胀宇宙的起源，但没人看过阿尔夫和赫尔曼的相关论文，因为当时的通信并不像如今这么发达。

20世纪50年代和60年代早期，在大多数物理学家眼中，重建宇宙早期历史的细节并不是一件非常严肃的科学活动。但到了1965年，形势发生了改变。阿尔夫和赫尔曼的宇宙辐射场被阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）偶然发现。这种辐射场表现为微波噪声以相同频率从太空的四面八方传来。他俩是新泽西州贝尔实验室的无线电工程师，当时正负责校准一条灵敏的无线电天线以跟踪第一个“回声号”（Echo）卫星。

与此同时，在几千米外的普林斯顿大学，由物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）领导的小组重新独立地计算出了阿尔夫和赫尔曼在很久以前得出的结果，并开始着手设计用于搜寻宇宙大爆炸遗留辐射的探测器。他们听说贝尔实验室的接收器总是接收到无法解释的微波噪声，便很快认定这就是他们正在寻找的大爆炸残余辐射。如果该微波的源头确实是热辐射，则温度为2.7开尔文，这与阿尔夫和赫尔曼的估值非常接近。这种热辐射被称为“宇宙微波背景辐射”（cosmic microwave background radiation）。

宇宙微波背景辐射的发现标志着宇宙大爆炸模型研究的正式开始。渐渐地，其他观测结果进一步揭示了宇宙微波背景辐射的特性。它在每个方向上的强度基本保持一致，上下浮动不超过千分之一。大家在不同频率上测量宇宙微波背景辐射的强度时，发现其强度呈现出典型的随频率变化而变化的特征，而这正是纯热（pure heat）的特征。人们称这种辐射为黑体辐射。可惜的是，地球大气层中分子对辐射的吸收和发散，让天文学家无法确认辐射在整个光谱上是否均为热辐射。

然而，学界仍然怀疑，宇宙微波背景辐射并非产生于宇宙大爆炸，而是源于大爆炸过后很久才发生的某个剧烈事件。而这些疑问只能通过观测地球大气层以外的辐射才能解答。1989年，美国国家航空航天局（NASA）发射的COBE卫星取得了首个成就——从太空中测量到了宇宙微波背景辐射的完整辐射谱。这种辐射拥有自然界可见的最完美的黑体光谱，同时它也证明，宇宙曾经的温度比现今高千百摄氏度（见图1-6）。因为只有在这样极端的条件下，宇宙中的辐射才能以如此高的精确度符合黑体辐射的标准。

另一项重要实验同样证明了宇宙微波背景辐射并非起源于宇宙近期的某个事件，该实验在执行高空飞行任务的U2飞机上实施。U2飞机原本只用作战略侦察机，体型小巧但拥有巨大的翼展，这些特性让其成为非常稳定的观测平台。这次实验与以往向下的观察方向不同，科学家通过观察天际发现，天空中的辐射强度在各个方向上有微小但系统性的变化，正如之前的预测所言。如果辐射在遥远的过去就已经产生，就会出现这种变化。

如果宇宙微波背景辐射在宇宙早期就已经出现，并且形成了一个均匀膨胀的海洋，那就意味着我们会穿过它。地球作为一个整体，绕着太阳运转，而太阳绕着银河系运转；同样，银河系绕着它的邻居运转，这样的例子不胜枚举。这些运动意味着我们正朝着某个方向穿过宇宙微波背景辐射（见图1-7）。当我们顺着这个方向观测时，辐射强度将达到最大值，而在反向180度的方向上，辐射强度值最低，并且在两个极值之间根据角度的不同呈现出典型的余弦变化（见图1-8）。这种现象就好比在暴风雨中奔跑一样，你的前胸最湿，而最干燥的部位是背部。雨就是我们谈论的微波，它对着我们运动的方向横扫过来。

随后，几个不同的实验同样证实了后来被我们称作“星空中伟大的余弦”（The Great Cosine in the Sky）的发现。相对于宇宙的微波海洋而言，我们和所居住的星系群在不断移动。因此，辐射不可能产生于星系的内部，因为如果真是这样的话，辐射会随着我们的运动而运动，我们就将无法观察到其强度的余弦变化。

我们正在穿越始于大爆炸的宇宙微波背景辐射是影响辐射强度变化的一个因素，但并非导致其强度在不同方向呈现微小变化的唯一因素。如果宇宙在不同方向上以略微不同的速度膨胀，那么辐射的强度将会在扩张速度较快的方向上减弱（温度变低）。不仅如此，在某些方向上，物质的聚合会变多，而在另外一些方向上，物质难以聚合。物质密度在不同方向的区别同样也会改变来自这些角度的辐射强度。寻找这些变化则成为COBE卫星的使命。1992年，它们的发现震惊了全世界。

我们审视这些来自星空不同方向上的辐射强度值时，发现了一些关于宇宙结构的惊人事实。宇宙在每个方向上都在以几乎相同的速度膨胀，误差不高于千分之一。我们称这种膨胀特点为各向同性，也就是说，宇宙膨胀的速度在每个方向上都是一样的。如果一个人可以从某个所谓的“宇宙展览馆”中随机挑选可能出现的宇宙，那么能选出来的宇宙种类肯定不计其数，而且和当前的宇宙也各不相同。有些宇宙可能在某些方向上的膨胀速度比较快，有的宇宙或许在高速旋转，甚至有的宇宙在某些方向上收缩、在其他方向上膨胀。然而，我们的宇宙是如此特别：它似乎处于一种不可思议的有序状态，在这种状态下，它的膨胀速度在各个方向上都保持着惊人的一致性。这就好比你发现孩子们的卧室都保持着非常整洁的状态一样，这种情况出现的可能性是极低的。这时候，你会思考是否有什么外部因素促使了这一变化。同样，我们必须对宇宙膨胀呈现出的显著的各向同性给出一个合理的解释。

宇宙学家一直认为，宇宙膨胀的各向同性是一个巨大的谜团，必须对此做出解释，而科学家所采取的方法阐明了这个学科的思维方式。第一种解释认为，宇宙在膨胀之初就具有各向同性，而现在的状态只是它特殊起始状态的体现。这便是所谓的“天行有常”。

然而，从实际角度出发，这种解释并不是很有帮助。因为它没有解释任何东西，它的作用就好比用牙仙哄小孩一般 。当然，这个解释有可能是真的，但如果事实真是如此，那我们便希望能够找到一些更深层次的“原理”，以重现宇宙初始阶段各向同性膨胀时的状态。这种“原理”也许可以在其他更适合的地方显现。这种解释的缺点是将阐释宇宙目前状态的希望完全寄托在（对我们而言）未知的（也许是不可知的）初始状态上。

第二种解释认为，将目前的状态看作宇宙中某些物理过程的结果，而这个过程还在继续。因此，我们也许可以将宇宙的初始状态放在一边，无论它最初是多么不规则，但经过数十亿年的岁月洗礼，这些不规则的部分全被磨平，只留下了各向同性的膨胀状态。这种解释的优点是引出了可能的研究主题，例如，宇宙的这种演化过程是否可以消除膨胀的非一致性？达到这种一致性需要花费多长时间？到目前为止，这些过程是否能够消除宇宙膨胀中所有的不规则情况，又或者只能消除其中的一小部分？

第二种解释让我们确信，无论宇宙以何种方式开始，在它的早期阶段，都不可避免地出现了一些演化过程，确保宇宙在历经150亿年的膨胀之后，刚好呈现出如今我们所观察到的模样。

尽管第二种解释听起来很有吸引力，但它也有缺点。如果我们成功地证明宇宙当前状态的由来与其初始状态毫无关联，那么我们对其结构的观察将对宇宙初始状态的探索毫无帮助。 M2GdT/TVX5WJGTdbXXSZWQUCmZ8BmfSagOG13BRjoAyjFP1cmpVoRhZY+D9DESGa