笔下文学

恒星星系宇宙及其起源（第3页）

千百年来，人们始终在问：宇宙是怎样开始的，它会不会结束，怎样结束?然而当20世纪50年代有可能科学地解释这个问题时，大多数天文学家却试图回避。伽莫夫是一个例外。1948年伽莫夫研究出了一个方案，认为勒迈特利（GeesLemaitre，1894—1966）提出的某种原始“宇宙蛋”或者“超级原子”的爆炸可能导致宇宙内各种元素的形成。伽莫夫是通俗科学读物作家，很快就由于这一关于宇宙起源的思想而声名鹊起，尽管这一思想并没有被普遍接受。

其实，许多科学家感到“早期阶段”问题要么不属于科学的范围，要么就是对科学的一种冒犯。英国物理学家霍伊尔（FredHoyle，1915—2001），也是一位科普作家，与奥地利人彭第（HermannBondi，1919—2005）和古尔德（ThomasGold，1920—2004）联合提出了一个与之对抗的理论。由于极其不满意时间具有开端这一思想，他们提出的一幅图景称为“稳态宇宙”，其中物质不断创生，结果推动了宇宙的膨胀。宇宙的膨胀是哈勃在观测到所有星系都离我们而去时作出的结论。霍伊尔取笑伽莫夫的理论，戏称其为“大爆炸”理论。可以想象当这个名称后来流行时他会感到多么惊愕。

微波背景

与此同时，1964年新泽西州的贝尔实验室有两位研究者彭齐亚斯（ArnoAllanPenzias，1933—）和威尔逊（Robertilson，1936—），他们正在利用实验室的大型射电天线搜寻来自天空的弱信号，但是在对付背景噪声以便提取更清楚的信号时却遇到了麻烦。于是，他们把设备拆开，检验底盘，检验所有的接头。他们甚至在底盘中发现了鸽子窝，于是小心地轰走了这些鸟，把鸟窝移到几英里之外的地方。但是鸽子又回来了。他们再次轰走它们。但依然无法摆脱这种穿透宇宙的微波背景辐射。这一辐射就像巨大的回声，似乎意味着很久以前的某个时间发生过某种重大事件，从而使整个宇宙的温度升高，现在它已经几乎完全消散了。这是第一次真正支持年轻的伽莫夫于1948年提出的思想，他不仅预言了这一辐射，而且还正确地计算出它的精确温度是绝对零度之上的3K。

然后在1992年，另一份证据问世。处理宇宙背景探测器（icBadExplorer，COBE）太空船发回地面数据的科学工作小组宣布，与以前的证据不一样，宇宙背景辐射具有“波纹”。以前，威尔逊和彭泽亚斯以及后来所有研究者收集到的数据，都表明背景辐射的温度都是相同的，不管你观察的是天空的哪一部分。从这一恒定的温度，科学家推论得出，早期宇宙一定是光滑和均匀的，完全没有现在宇宙学家所谓的“肿块”。当我们遥望天空，看到一团一团的物质——星系、星云——点缀在空旷的太空里时，这些斑点就是宇宙学家所谓的“肿块”。

新的数据引人注目，因为它非常精确。ASA在1989年发射的，在第一年里沿着轨道进行了几亿次温度测量。在这样大量的数据中，COBE小组发现温度有微小的变化，冷热相差只有一度的百万分之三十，这些变化发生在早期宇宙气体密度有微小涨落的区域内，差不多是大爆炸之后的300000年。（当我们说到时间开始之后仅仅300000年时，就好像一个活了90岁的人一生中的第一天一样。）

当然，究竟宇宙是不是从大爆炸开始，还是以别的方式，创世的思想总会提出这样的问题：物质最先是从哪里来的?但是，正如宇宙学家霍金（StephenHawking，1942—）曾经说过的那样：这就像问北极之北5英里在什么地方一样。或者，换句话说，任何关于“大爆炸之前”的问题都是非物理的。时间存在于宇宙中——宇宙却不存在于时间里。

黑洞

与此同时，20世纪50年代在剑桥大学发生了一场个人奋战。年轻的物理学研究生霍金刚刚得知，他患了一种名叫肌萎缩侧索硬化症，难怪在过去的几年里，他走路和说话变得越来越不协调，逐步发展的瘫痪在几年内将把他困在轮椅上。在未来的岁月里，他只能眼看着体力衰退，直至死亡。这位卓越的年轻学生立刻陷于深深的失望之中。怎样把已经开始的充满希望的事业进行下去?难道一切都要放弃吗?几个月过去了，他的工作没有进展。

尽管霍金的健康无法恢复，但是他的事业可以恢复，这对科学来说，是一件幸运的事情。他的导师想出了一个计划：向他提出一个如此富有魅力的问题，以至他无法舍弃。就这样，霍金开始深入地探究黑洞，成了世界上在这个课题上最知名的专家，这个课题是现代天文学最有挑战性的问题之一。

霍金

美国物理学家惠勒（JohnArchibaldWheeler，1911—）在20世纪60年代创造了“黑洞”这个词，表示恒星坍缩时最终形成的一种结构，那只不过是一个奇点。根据爱因斯坦的相对论，当这种情况发生时，任何东西都无法逃离高度集中的质量——甚至包括光。所以黑洞是看不见的，除非注意它的效应。

1974年，霍金提出“黑洞并不黑”的概念，也就是说，他认为黑洞能够缓慢地释放辐射。他说，黑洞也许有可能像在太阳底下蒸发的雪球。这似乎是矛盾的，因为根据定义，黑洞是如此之重，以至于没有东西可以逃逸它的引力，包括光。这就是为什么把它叫做黑洞的缘故。黑洞的周边叫做视界，不允许任何东西逸出。

但是，霍金率先把量子力学运用到黑洞理论中，由此提出物质可以在视界里的“虚”空间产生的思想。也就是说，根据量子理论，虚粒子不断产生和湮灭，其速度快到永远不会干扰能量和质量守恒定律所要求的平衡。霍金认为，这只能发生在黑洞的视界上，当大多数虚粒子立刻湮灭在黑洞中时，偶尔也可能有少许沿另一方向泄漏出去，于是黑洞就会缓慢释放出辐射。

失踪的质量

天文学中观测到的古怪现象之一是瑞士天文学家茨维基（FritzZwicky，1898—1974）在1933年发现的。这个现象可与黑洞匹敌，有时称之为“失踪的质量”，因为许多线索都告诉我们，有某些东西是用任何类型的望远镜也观测不到的，茨维基称之为暗物质。茨维基是一个性情暴躁、爱好抬杠的人，正如一位同事说的那样，他“喜欢证明别人错了”，这就不奇怪为什么正是他最早注意到宇宙账簿的不平衡现象。他提出“失踪的质量”这一思想，就是为了说明看不见的暗物质一定存在——有可能在星系和星系之间存在某种比我们能够检测到的物质多10至100倍的东西。

起初，没有人信他的，时至今日，某些天文学家依然认为，我们看到的物质不足以造成我们看到的恒星和星系之间的连接。在宇宙中似乎有更大的引力，其大小比我们根据明亮物质的观测所能够解释的大得多。

事实上，目前的怀疑是，我们已经发现，我们迄今为止没有办法检测宇宙中99％的物质。它既不发光也无法用X射线或射电天文学的方法检测，但是我们却能看到它的引力效应。

例如，20世纪70年代华盛顿特区卡内基研究所的鲁宾（VeraCooperRubin，1928—）和福特（W．KentFord）收集了广泛的数据，它们表明在星系团中，远离中心的星系以比我们看得见的质量——恒星和发光气体——赖以约束在星系团中的引力效应大得多的速度运动。他们对旋臂星系旋转的研究表明在星系边缘有暗晕轮的存在。鲁宾和福特估计，在这一晕轮中暗藏有10倍于我们实际上在星系中看到的物质量的某种东西。在比星系更大的尺度上对星系运动所作的统计分析支持这些思想，并且估计暗物质比我们能够探测到的物质量大30倍（星系内部除外，在这里普通物质占了优势）。自从1978年以来，在卡内基有一个小组，其中包括鲁宾、福特、伯尔孙（DavidBursein）和怀特默（BraleyWhitmore），他们分析了200个以上的星系，得到的结果都是肯定的。

什么是暗物质?还没有人能够明确说明。但是可以肯定的是，它绝不是普通物质。也就是说，它不可能是我们无法检测到的由恒星和暗星组成的黑洞或者小块的固体物质。到了1984年，候选者是中微子（如果其质量大于零）或者假设的粒子：光微子（photino）、引力微子（gravitino）和轴子（axion）。有些科学家认为，暗物质也许是大爆炸留下的运动缓慢的基本粒子。

有些天体物理学家认为，白矮星与失踪质量有关，因为自矮星是一种衰退的恒星，由气体的收缩而形成，但因其质量非常小，核反应不能在其核心进行。由于其中没有核反应发生，白矮星都非常暗，难以检测到，以至没有人发现过白矮星，因此它们只被看成是假设中的存在。然而，1995年第一颗白矮星终于被发现了。直到2003年9月，又发现了好几十颗白矮星，这要归功于极其灵敏的红外探测器。许多天文学家认为，白矮星在宇宙中很可能和常规的恒星一样普遍存在。在恒星附近发现的某些大型气体行星（不存在于太阳系中）也可能是白矮星。所以，白矮星可以对某些失踪质量作出很好的解释。

许多奥秘已经开始转向天体物理学家所谓的“暗能量”。天文学家对这一可能性发生兴趣已经有好几年了，2003年10月完成的三维宇宙图似乎肯定了暗能量的存在。在把宇宙的大尺度结构细化之后，这幅图景反映了宇宙140亿年演变中各种力的相互作用以及星系与暗物质的聚集。它还提供了一种估计，普通物质占到宇宙的5％，传统的暗物质占到大约25％，而渗透在这个宇宙中的暗能量则构成了宇宙其余的70％。斯隆数字太空勘测（SloanDigitalSkySurvey，SDSS）国际工作组可以作为许多21世纪科学计划管理的复杂性的一个范例，它组织了来自13个研究所的200位科学家为这幅图景工作。

在20世纪90年代中期以前，天体物理学家和宇宙学家把引力看成是修饰和形成宇宙的主要力量。后来在遥远的太空中观测到恒星爆炸，表明还有一种力——“暗能量”——使宇宙向外扩张。2003年2月，一张研究不同星系的早期图像肯定了暗能量的存在。一位科学家评论说：“证据之网极为强大，所有观测都指向暗能量。”现在的问题是，暗能量究竟是什么?

一揽子全包……

萦绕于宇宙学家和亚原子物理学家心头挥之不去的最为令人着迷的问题就是：这一切是怎样开始的?

现在几乎所有理论家都同意，一定有过一个起源时刻，也一定有过一场大爆炸，它源于比任何原子核还要小的粒子的一次急剧性爆炸。尽管暴胀理论出现某些漏洞，但这一宇宙暴胀模式的新理论，在天文学家和宇宙学家中取得了广泛认同。暴胀理论回答了“大爆炸”理论涵盖的许多问题，但不是全部问题。

例如，为什么不是所有一切都正好在那爆炸的瞬间，如此激烈地炸飞，以至于所有物质都均匀散布开来，既没有相互连接，也没有局部集中，没有恒星、行星、星系和彗星?或者，如果不是有足够的动力使得所有事物四散飘离，那么，为什么这一紧凑的原始宇宙不可以是挤作一团?理论家实际上计算过宇宙要避免这两种命运的临界值，并且这种计算是有效的。

为了携带这个力，不得不假设存在一种古老的信使粒子，叫做希格斯（Higgs）玻色子，这是一种超重量的粒子，扮演大统一力的信使，就像光子现在充当电磁力的信使一样。在时间开始时，粒子和反粒子可以相互快速转变。例如，一个夸克可以变成一个反电子（正电子）或一个反夸克，而一个反夸克又可以变成一个中微子或一个夸克，等等。这个过程是以希格斯玻色子作为媒介的——但是这种粒子还有待发现。欧洲核子研究中心有一个研究小组正在捕捉希格斯粒子存在的证据，他们是这样认为的，这种粒子有时也叫做“上帝的粒子”，因为它负责传递所有质量给原子性粒子。但是也许要等待欧洲核子研究中心新的加速器完成后才有结果。如果检测到了希格斯粒子，由原子性粒子，包括轻子和夸克等组成的以及量子色动力学所描述的复杂组合——所谓“标准模型”的原子图景——将会得到验证。然而，现在这一验证也许还要等待。

要把所有四种力综合在一起的努力更为大胆，也更富有猜测性，这四种力是把引力也包括进来，量子色动力学——夸克的行为及其颜色特性——加上引力。这些概念，有时被称为万物理论（TOES），非常复杂。有一种所谓的超弦理论曾经一度相当普及，这种理论解释说，在大爆炸最初的一刹那，并没有点状粒子，只有一小段弦。它需要十维才能运作——九个是空间，一个是时间。要解释为什么我们只知道三维的空间，理论家推测那是因为另外六维自行卷曲了。

然而，许多科学家对于这种过度的理论化感到不安，这些复杂的理论一环扣一环，几乎难以诉诸实验进行验证。再有，研究越来越小的基本粒子结构，要求越来越大的加速器和探测器。最终目的——通过统一对称原理理解物质的基本结构——值得赞美，但是需要的数学复杂性却没有止境。结果，许多批评者担心宇宙科学有变成某种新神话的危险，因为它已与可检验的科学失去联系。

然而，纵观1946年以来的几十年，天文学家和宇宙学家得到了极其丰富的新数据、新展望和新思想。研究人员发展了更为复杂的研究宇宙以及宇宙结构和起源的方法，它们的精确度和准确度都达到了前所未有的程度。再有，与粒子物理学的高度交叉对两个领域都产生了重要的新启示。