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周五 · 深空探測 | 周六 · 茶余星話 | 周日 · 天文周歷 宇宙的演化 Revolution of Universe Walk through the light to find the shadow, Til' your gods stall you from the edge, Sunk in the thought, the feel, the distance, Was it your secret? ——X Japan《Jade》  目前，人類已經對宇宙有了非常多的了解。幾乎人人都知道，宇宙創生于138億年前的一次大爆炸，緊接著的經歷了一段稱為暴脹的加速膨脹時期（周五的推文里有一些介紹，而今天小編將帶著大家簡單回顧一下宇宙的演化歷程）。  大爆炸宇宙學的最早的提出者是我們之前提到的勒梅特神父。而真正讓大爆炸變成世人所公認的理論的則是伽莫夫。 1915年，愛因斯坦建立了廣義相對論之后，現代宇宙學也隨之建立。起初愛因斯坦試圖建立一個穩態的宇宙模型。但是1922年，蘇聯數學物理學家弗里德曼利用廣義相對論，推導出了膨脹的宇宙模型。 1927年，比利時的神父勒梅特也得到了類似的膨脹的宇宙模型，并且提出了宇宙蛋假說，這是大爆炸理論的雛形。1929年，美國天文學家哈勃依據觀測歸納出了星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，這是對膨脹宇宙的一個有力的驗證。 直到1946年，伽莫夫和他的學生阿爾法以及同事核物理學家貝塔一起，正式提出火球理論。 在理論提出的時候，核物理學家貝塔本來并未參與到工作之中。但是愛開玩笑的伽莫夫發現，他的名字很像伽馬，于是三個人就湊成了αβγ，并以此為名義發表了論文。火球理論起初并不被看好，反對者（以英國科學家霍伊爾為首，霍是穩恒態宇宙模型的提出者）將其諷刺為Big Bang，即大爆炸。然而，大爆炸理論得到了越來越多的實驗驗證，1978年，工程師彭齊亞斯和威爾遜意外地發現了一些無法去掉的背景噪音，而普林斯頓大學的迪克和皮伯斯等人立刻意識到，這正是他們苦尋無果的宇宙微波背景輻射。這是對大爆炸理論的最有力的驗證。此外，宇宙中的氦豐度也是大爆炸理論的成功預言之一。  大爆炸理論提出之后，宇宙學發展的另一個里程碑就是暴脹理論的提出。最早的暴脹理論由斯塔羅賓斯基提出。阿蘭·古斯、林德等人也在暴脹理論的改進上做出了重大貢獻，三人一起獲得了2014年的卡弗里獎。 既然說宇宙誕生于大爆炸，那么有讀者說，奇點問題無法回避奇點之前。實際上這種說法本身就是錯的，因為大爆炸之前，并沒有時間這個概念。同理，關于宇宙的終極命運，有大撕裂假說，大撕裂發生之后，時間也不復存在，因此在這兩個問題上是無從談論所謂的 之前 或者 之后 的，盡管這和我們的直覺嚴重不符。 接下來，我們將從宇宙的演化角度，來對宇宙進行整體的介紹。  大爆炸理論存在一些難以克服的難題。例如，為什么我們的宇宙如此平坦？大爆炸理論認為，如果宇宙想要達到今天這樣平坦，那么宇宙的初始能量密度將和臨界密度非常接近，否則，隨著宇宙逐漸膨脹，這里的偏離會越來越大，直到無法忽略。但是我們的宇宙就好像是有人設計好那樣，早期宇宙的物質密度，還真就是在臨界密度，好像被人調節過一樣。就好比咱們解方程，必須得要初始條件，硬湊一個好的初始條件的確能夠解出來方程，但是硬湊的話總是不會讓人很滿意。 另一條重要的問題就是因果性問題。宇宙微波背景有著高度的各向同性，各處的溫度幾乎相同。而在膨脹的宇宙中，由于粒子視界的存在，我們無論什么時候，都不可能觀測到整個宇宙，因為宇宙中有信息傳遞速度的上限，這就勢必導致視界的存在的。換句話說，宇宙中每一個觀測者只能觀測到和自己有信息交換的范圍。 隨著粒子物理學的發展，大統一理論似乎讓人們看到了破解這些難題的曙光。然而，這反倒讓人注意到，大爆炸理論還會帶來一個磁單極子問題。 可見宇宙為何接近一個臨界狀態，為何在所有方向上幾乎以同樣的速度膨脹，為何宇宙在各個方向上達到十萬分之一以內的相似性？為了解決這一系列問題，斯塔羅賓斯基、古斯、林德等人先后提出了暴脹宇宙模型。 暴脹宇宙指的是宇宙早期歷史中一個短暫的加速膨脹時期。我們知道，不同的宇宙演化階段，都有不同類型的物質在主導著宇宙的演化。宇宙的暴脹也不會是憑空而來的，而是當“暴脹子場”主宰著宇宙中的物質密度時候，就會發生暴脹。而這個場到底是什么，在這里我們不必深究，因為至今并沒有一個公認的最好的模型，而這其中的領先者則是慢滾暴脹理論。 接下來，這個場必須訊速地衰減，否則宇宙將以可怕的速度繼續膨脹下去。而當它快速衰減之后，宇宙重新進入了減速膨脹的階段，直到暗能量主導宇宙為止。為了解決永恒暴脹問題，也就是說從暴脹相進入膨脹相，物理學家不得不引入額外的物理機制。霍金生前最后一篇掛在預印本上的論文，正是研究永恒暴脹的文章。  暴脹認為，宇宙在極短的時間內，突然膨脹到非常大的尺度。這個尺度之大，足以包容今天的可觀測宇宙。而在這個劇烈膨脹的過程中，再多的不平坦也被抹平了。此外，暴脹子場中的量子漲落也會在很久之后演化成了目前的宇宙大尺度結構，而磁單極子問題也被稀釋到可以忽略的地步。
暴脹結束之后，宇宙開始重子合成，早期宇宙中的密度不均勻會產生原初黑洞，原初黑洞不僅和重子合成有關，也是暗物質的候選者之一。 之后宇宙開始各種相變。我們所熟知的各大基本作用力在這里就開始嶄露頭角，逐漸分離開來。而這一切都發生在不到1秒之內。早期宇宙效率如此之高，和相當高的粒子密度是分不開的。 而宇宙中的核合成，主要發生在宇宙大爆炸三分鐘之內，主要產物是氦元素，同時伴有少量的氘、鋰、鈹等。宇宙中其他更重的元素不是在早期核合成時期產生的，而是依賴于晚期恒星內部核反應，以及超新星爆發。  大約在大爆炸37萬年之后，質子和電子得以結合成為氫原子。此時，光子才從中脫耦，并開始在宇宙中自由傳播。隨著宇宙進一步膨脹，就成了今天我們觀測到的宇宙微波背景輻射。 CMB的研究具有重大的意義，因為CMB的產生意味著宇宙變成了透明的，人類可以通過電磁手段來觀測，而這之前的宇宙，人類只能依靠引力波來獲取吉光片羽。微波背景輻射是宇宙38萬歲時從3000度的高溫等離子體狀態轉化為中性氣體而遺留下來的殘留余輝，現在的溫度只有約2.725度。也正因如此，CMB被俗稱為宇宙大爆炸的余暉。 前面我們提到了COBE和WMAP，WMAP是目前研究CMB的主力軍之一。事實上，COBE的創舉在于，在不同的方向上，發現有10^-5大小的溫度起伏，這是所能看到的宇宙的最早圖象。好比看到了“上帝”的臉。 而WMAP已經能夠觀測到10^-6這個程度。而今天，Planck的觀測要更加精細，甚至專門有后普朗克宇宙學一詞。 正因如此，宇宙微波背景被稱作宇宙最初的光。  在宇宙10億歲的時候，宇宙的大尺度結構已經開始逐漸形成。而在6億歲的時候，宇宙逐漸開始從減速膨脹演化到加速膨脹。再過幾十億年，我們的太陽系就形成了。而到今天為止，人類僅僅存在了二百多萬年。  盡管觀測數據強烈支持宇宙是平坦的，但是一直缺乏理論上的論證。因此，對宇宙動力學進行整體分析，會對這些現象有合理的解釋。我們知道，非線性動力學系統比線性系統復雜得多。諸如解的存在唯一性，在線性情形下是顯然的，而在非線性情形下則不再一目了然。而宇宙演化的動力學是一個非線性系統，因此宇宙動力學系統可以存在各種性質不同的解，并且可以綜合運用非常多的數學知識。 在對宇宙的認識上，我們沒必要妄自菲薄，也沒必要認為人類處在宇宙中，就無法觀測整個宇宙。我們舉個很簡單的例子，一個處于蹦蹦床上的螞蟻，能否知道自己所處的是平直的網格還是彎曲的網格呢？顯然螞蟻也不可能飛到外面看一看，但是它可以走一個大圓，然后看看圓周率和祖沖之給出的一不一致；或者走一個三角形，測量一下內角和，這樣就可以知道其所在的空間的大小。此外，雖然存在視界，但是人類還是可以利用觀測到的“副產品”進行推敲，這里是不存在邏輯問題的。 目前，觀測宇宙學已經發展到相當出色的地步，例如，宇宙背景探測器（COBE）衛星關于CMB的觀測，是諾貝爾獎級別的工作，它對大爆炸的做出了足夠的驗證，并且進一步確信宇宙在大尺度上是均勻且各向同性。 此后，觀測宇宙學進入了研究黃金年代，NASA的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和歐洲航天局（ESA）的普朗克衛星相繼升空，第一個大規模數碼巡天項目——斯隆數字巡天觀測（SDSS）也展開了運行。2013年，暗能量巡天觀測（DSE）開始運行，目前也取得了較多的成果。而寬視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）、韋伯太空望遠鏡（JWST）、30米望遠鏡和大麥哲倫望遠鏡等等也是觀測宇宙學的生力軍。 那么，宇宙的命運將會是怎樣呢？暗能量究竟是什么呢？且聽下回分解。 - e n d - 作者：王紀堯 |
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