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商務(wù)咨詢/顧問/請@yellowscholar?作者：黃先生斜杠青年

#深時光#宇宙學(xué)#科學(xué)史

圖片通過：蓋蒂圖片社

目前關(guān)于宇宙起源的理論非常成功，但充滿了解釋漏洞。期待驚喜

宇宙有開始嗎？它最終會結(jié)束嗎？宇宙是如何演變成我們今天所看到的樣子：一個由恒星、星系、行星組成的“宇宙網(wǎng)”，至少在一顆淡藍(lán)色的星球上，有時會被認(rèn)為是智慧生命？

不久前，這類存在主義問題還被認(rèn)為沒有科學(xué)答案。然而，科學(xué)家們通過一個多世紀(jì)的天文觀測和理論發(fā)展找到了一些答案，這些觀測和理論發(fā)展交織在一起，為我們提供了宇宙學(xué)的大爆炸理論。這一非凡的理論得到了廣泛的天文學(xué)證據(jù)的支持，被科學(xué)界廣泛接受，并且（至少在名稱上）已經(jīng)嵌入了流行文化中。

我們不應(yīng)該太舒服。盡管它講述了一個非常了不起的故事，但當(dāng)前的大爆炸理論給我們留下了許多令人不滿意的懸而未決的問題，最近的天文觀測有可能完全破壞它。大爆炸理論可能很快就會陷入危機(jī)。

理解為什么，它有助于理解這個理論比大爆炸本身更多。宇宙一定有一個歷史性的開始，這是得出結(jié)論認(rèn)為宇宙中的空間正在膨脹的必然結(jié)果。1929年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃和他的助手米爾頓·休馬森對遙遠(yuǎn)星系的觀測取得了顯著的成果。他們研究過的絕大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們，其速度與它們的距離成正比。為了了解這些速度，想象一下地球每年以每秒約 30 公里的平穩(wěn)軌道速度繞太陽朝圣。哈勃和休馬森發(fā)現(xiàn)星系以每秒數(shù)萬公里的速度遠(yuǎn)離，占光速的很大一部分。

哈勃的速度-距離關(guān)系在幾年前就由比利時理論家喬治·勒梅特爾（Georges Lema?tre）預(yù)見到，如今被稱為哈勃-勒梅特定律。速度和距離之間的比例常數(shù)是哈勃常數(shù)，它是衡量宇宙膨脹速率的量度。事實上，星系實際上并沒有以如此高的速度遠(yuǎn)離，地球在宇宙中心也沒有占據(jù)任何特殊位置。星系正在被我們之間空間的膨脹所帶走，就像放氣的氣球上畫的兩個點會隨著氣球膨脹而分開一樣。在一個空間膨脹的宇宙中，一切都被其他一切帶走了。

我是斜杠青年，一個PE背景的雜食性學(xué)者！?致力于剖析如何解決我們這個時代的重大問題！?使用數(shù)據(jù)和研究來解真正有所作為的因素！

大爆炸的故事幾乎和宇宙本身的故事一樣引人入勝

為了掌握這些星系的距離，天文學(xué)家利用所謂的造父變星作為“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”，宇宙燈塔在黑暗中閃爍，可以告訴我們它們有多遠(yuǎn)。但在 1920 年代后期，人們對這些試金石恒星知之甚少，從它們得出的距離也被大大低估，導(dǎo)致科學(xué)家高估了哈勃常數(shù)和膨脹率。天文學(xué)家花了 70 年的時間才解決這個問題。

顯示造父變星 RS Puppis 的哈勃圖像。圖片通過：歐空局/哈勃

但這些問題與主要結(jié)論無關(guān)。如果宇宙中的空間正在膨脹，那么使用已知的物理定律和原理在時間上向后推斷表明，一定有一個時刻，宇宙被壓縮到一個異常高的密度和溫度點，代表了一切的熾熱起源：空間、時間、物質(zhì)和輻射。據(jù)我們所知，這發(fā)生在近 140 億年前。在 1949 年播出的 BBC 廣播節(jié)目中，特立獨行的英國天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾 （Fred Hoyle） 稱其為“大爆炸”理論。這個名字一直存在。

當(dāng)然，僅僅理論告訴我們事情何時開始是不夠的。我們要求更多。我們還期待大爆炸理論能夠講述我們宇宙的故事，描述宇宙如何從一開始演化，以及它如何成長為我們今天看到的恒星和星系的宇宙網(wǎng)絡(luò)。理論家們將此簡化為一個簡單的存在主義問題：恒星和星系為什么存在？為了給出適當(dāng)?shù)慕忉專蟊ɡ碚摫旧硪呀?jīng)從其不那么卑微的開端演變而來，一路上拾取了急需的額外成分，這個故事幾乎與宇宙本身的故事一樣引人入勝。

大爆炸理論是一種物理宇宙學(xué)理論，建立在阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論方程（本質(zhì)上是愛因斯坦的引力理論）的解的基礎(chǔ)上，應(yīng)用于整個宇宙。愛因斯坦本人在 1917 年就開始了這個球。當(dāng)時，他選擇捏造自己的方程，以獲得描述一個智力上令人滿意的靜態(tài)、永恒宇宙的解。十年后，勒梅特重新發(fā)現(xiàn)了一種描述膨脹宇宙的替代解決方案。盡管愛因斯坦拒絕了這一點，稱其為“相當(dāng)可惡”，但當(dāng)面對哈勃和休馬森提供的證據(jù)時，他最終撤回了。

1932 年 1 月，阿爾伯特·愛因斯坦和威廉·德·西特在加利福尼亞州帕薩迪納。圖片通過：Google

1932 年，愛因斯坦與荷蘭理論家威廉·德·西特 （Willem de Sitter） 合作，提出了他的理論的新表述。在愛因斯坦-德·西特宇宙中，空間正在膨脹，宇宙被假設(shè)包含的物質(zhì)剛好足以施加溫和的引力制動，確保膨脹在無限長的時間后減慢并最終停止，或者到我們現(xiàn)在不關(guān)心的未來。這種物質(zhì)的“臨界”密度還確保了空間是“平坦的”或歐幾里得的，這意味著我們熟悉的教室?guī)缀涡螤钫忌巷L(fēng)：平行線永遠(yuǎn)不會交叉，三角形的角度加起來是 180 度。換個角度想。臨界密度提供了一個“金發(fā)姑娘”宇宙，這個宇宙最終將恰到好處地適合人類居住。根據(jù)定義，愛因斯坦-德西特膨脹宇宙是大爆炸理論的早期版本。它構(gòu)成了幾十年來宇宙學(xué)研究的基礎(chǔ)。

但是，一旦我們試圖使用愛因斯坦-德·西特版本來講述我們自己的宇宙的故事，問題就開始了。它就是行不通。

如果大爆炸后的宇宙膨脹得快一點或慢一點，恒星和星系就不會形成

應(yīng)用愛因斯坦方程需要做出一些假設(shè)。其中之一稱為宇宙學(xué)原理，假設(shè)宇宙在大尺度上是均勻的（到處都一樣）和各向同性（在各個方向上都是均勻的）。但是，如果我們的宇宙在大爆炸后的最初時刻是這樣，那么物質(zhì)就會均勻地向各個方向傳播。這是一個問題，因為如果引力均勻地拉動所有方向的所有物質(zhì)，那么什么都不會移動，因此不會形成恒星或星系。早期宇宙需要的是一點各向異性，即散布的多余物質(zhì)區(qū)域，這些區(qū)域?qū)⒆鳛楹阈呛托窍敌纬傻挠钪妗胺N子”。這種各向異性在愛因斯坦-德西特宇宙中找不到。那么它從哪里來呢？

事情很快就變得更糟了。理論家們意識到，要了解我們從愛因斯坦-德·西特版本的大爆炸中看到的宇宙需要進(jìn)行非凡的微調(diào)。如果大爆炸后的直接宇宙膨脹得快一點或慢一點，那么恒星和星系就永遠(yuǎn)沒有機(jī)會形成。這種微調(diào)可以追溯到物質(zhì)的臨界密度或“金發(fā)姑娘”密度。偏離僅百億分之一的臨界密度——無論更高還是更低——都會產(chǎn)生與我們自己的宇宙截然不同的宇宙，其中沒有智慧生命可以見證。

情況變得更糟：對螺旋星系形成的理論研究和對其恒星自轉(zhuǎn)運動的觀測研究得出了另一個明顯令人不安的結(jié)論。這兩者都無法通過考慮我們所能看到的所有問題來解釋。僅基于恒星可見物質(zhì)的計算表明，即使可以滿足允許它們形成的條件，螺旋星系在物理上仍然是不可能的，并且其中恒星的旋轉(zhuǎn)模式應(yīng)該看起來非常不同。雪上加霜的是，當(dāng)天文學(xué)家將所有可見恒星和星系中可以識別的物質(zhì)加起來時，他們只發(fā)現(xiàn)了臨界密度所需物質(zhì)的 5% 左右。宇宙的其余部分在哪里？我們的宇宙顯然比愛因斯坦-德西特版本的大爆炸理論要多。

其中一些問題的解決方案只能通過回顧宇宙故事的開端才能找到，而且由于這不是天文學(xué)家可以理解的時刻，理論家們再次需要弄清楚可能發(fā)生了什么。

在 1980 年代初期，一群理論家得出結(jié)論，在最早的時刻，大爆炸后的宇宙應(yīng)該小到足以受到隨機(jī)量子漲落的影響——空間中特定位置存在的能量的暫時變化，受維爾納·海森堡的不確定性原理控制。這些波動在某些地方產(chǎn)生了微小的多余物質(zhì)濃度，而在另一些地方則留下了空隙。然后，這些各向異性會通過稱為宇宙膨脹的瘋狂指數(shù)膨脹爆發(fā)印在更大的宇宙上。

通過這種方式，微小的物質(zhì)濃度將生長為恒星和星系以后涌現(xiàn)的種子。在一定程度上，宇宙膨脹也固定了微調(diào)問題的某些方面。它就像一個鈍器：無論一開始可能是什么條件，宇宙膨脹都會將宇宙錘成想要的形狀。

理論家們還推斷，熾熱、年輕的宇宙會表現(xiàn)得像一個帶電等離子體球，比氣體更流暢。它將包含被剝離回其基本成分的物質(zhì)，只有在溫度因進(jìn)一步膨脹而充分冷卻時才會組裝原子核和電子。他們明白，在大爆炸后僅僅幾十萬年，就會有一個奇異的時刻，當(dāng)時溫度已經(jīng)降到足夠低，允許帶正電的原子核（質(zhì)子和氦核）和帶負(fù)電的電子結(jié)合形成中性氫和氦原子。這一刻稱為重組。

本應(yīng)在等離子體球中的帶電粒子之間來回舞動的光被釋放出來，通過空間向各個方向傳播，宇宙變得透明：字面意思，是一個“讓光”的時刻。其中一些光線是可見的，盡管周圍顯然沒有人看到它。這是宇宙中最古老的光，被稱為宇宙背景輻射。

就像宇宙犯罪現(xiàn)場的血跡一樣，它在天空中留下了溫度變化的模式

隨著宇宙的不斷膨脹，這種輻射會進(jìn)一步冷卻：1949 年的估計表明，它今天的溫度將比絕對零度高出約 5 度（或 -268oC），對應(yīng)于微波和紅外輻射。這一估計在很大程度上被遺忘了，直到 1964 年才被重新發(fā)現(xiàn)。一年后，當(dāng)物理學(xué)家爭先恐后地建造一種設(shè)備來尋找它時，美國射電天文學(xué)家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)了它。這一發(fā)現(xiàn)改變了一切。宇宙背景，宇宙處于起步階段時發(fā)生的事件的見證者，正準(zhǔn)備作證。

宇宙 370,000 萬歲時印在天空上的宇宙微波背景輻射圖顯示了與密度略有不同的區(qū)域相對應(yīng)的微小溫度波動。圖片通過：歐空局和普朗克合作組織

量子漲落產(chǎn)生的微小物質(zhì)濃度并通過宇宙膨脹印在更大的宇宙上，會使某些地方的宇宙背景比其他地方稍微熱一些。這在天空中的宇宙背景中留下了溫度變化的模式，就像宇宙犯罪現(xiàn)場的血跡一樣。

這些微小的溫度變化是由美國宇航局宇宙背景探測器衛(wèi)星上的儀器檢測到的，并于 1992 年報告。領(lǐng)導(dǎo)探測它們項目的喬治·斯穆特 （George Smoot） 努力尋找最高級的詞語來傳達(dá)這一發(fā)現(xiàn)的重要性?！叭绻阌凶诮绦叛觯彼f，“就像看到上帝一樣。證據(jù)就在。我們的存在歸功于大爆炸早期宇宙中量子漲落產(chǎn)生的物質(zhì)分布的各向異性，宇宙膨脹給更大的宇宙留下了深刻的印象。

但宇宙膨脹無法解決星系形成物理學(xué)和恒星自轉(zhuǎn)帶來的問題，也無法解決密度缺失帶來的問題。奇怪的是，暴躁的瑞士天文學(xué)家弗里茨·茨威基 （Fritz Zwicky） 在 1933 年就已經(jīng)提出了部分解決方案。他的努力被遺忘了，直到 1970 年代才被重新發(fā)現(xiàn)。星系比看起來大得多，這表明一定存在一種僅通過其引力相互作用的無形物質(zhì)。茲威基稱之為 dunkle Materie：暗物質(zhì)。每個螺旋星系，包括我們自己的銀河系，都籠罩在暗物質(zhì)光環(huán)中，這對其形成至關(guān)重要，并解釋了為什么這些星系中的恒星會以這種方式旋轉(zhuǎn)。

這是朝著正確方向邁出的重要一步，但這還不夠。即使據(jù)估計，宇宙中暗物質(zhì)的數(shù)量是普通可見物質(zhì)的五倍，但宇宙中約 70% 的物質(zhì)仍然缺失。

斯特羅諾默現(xiàn)在擁有宇宙歷史上最早時刻的證據(jù)，以及這段歷史中更晚的物體的證據(jù)。宇宙背景輻射的年齡約為 138 億年。但附近的星系可以使用造父變星測量距離，則要年輕得多。我們可以通過承認(rèn)光不會瞬間從一個地方傳播到另一個地方來了解這一點。這需要時間。光從太陽表面到達(dá)我們需要八分鐘，所以我們看到的是八分鐘前出現(xiàn)的太陽，稱為“回溯”時間。但造父變星是單獨的恒星，因此它們作為標(biāo)準(zhǔn)蠟燭的用途僅限于附近的星系，回溯時間短達(dá)數(shù)億年。為了重建宇宙的故事，天文學(xué)家必須以某種方式找到一種方法來彌合其歷史上這些點之間的巨大鴻溝。

可以研究更遙遠(yuǎn)的星系，但只能通過觀察其中包含的所有恒星發(fā)出的光的總和。天文學(xué)家意識到，當(dāng)一顆恒星在一顆壯觀的超新星中爆炸時，它可以在短時間內(nèi)照亮整個星系，向我們展示星系的位置以及它被膨脹帶走的速度有多快?；厮輹r間可以從數(shù)百年延長到數(shù)千萬年。某類超新星將自己作為標(biāo)準(zhǔn)蠟燭，可以通過研究附近擁有一顆或多顆造父變星的星系中的超新星來校準(zhǔn)到其宿主星系的距離。

人們的預(yù)期是，在大爆炸之后，宇宙的膨脹速度會隨著時間的推移而放緩，達(dá)到我們今天使用哈勃-勒梅特定律測量的速度。根據(jù)愛因斯坦-德·西特爾的版本，它將在未來繼續(xù)減速，最終停下來。但當(dāng)天文學(xué)家在 1990 年代后期開始使用超新星作為標(biāo)準(zhǔn)蠟燭時，他們的發(fā)現(xiàn)確實令人驚訝。擴(kuò)張的速度實際上正在加快。

進(jìn)一步的數(shù)據(jù)表明，大爆炸后的宇宙確實已經(jīng)減速，但大約 50 億年前，這已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀佟＞哂兄S刺意味的是，愛因斯坦在 1917 年在他的方程中引入并在 1932 年放棄的軟糖現(xiàn)在不得不被放回原處。愛因斯坦在他的方程中添加了一個額外的“宇宙學(xué)術(shù)語”，由“宇宙學(xué)常數(shù)”控制，它為空曠的空間注入了神秘的能量。解釋加速膨脹的唯一方法是將愛因斯坦的宇宙學(xué)術(shù)語恢復(fù)為大爆炸理論。虛空的神秘能量被稱為暗能量。

我喜歡把這看作是宇宙在歌唱的時期

1905年，愛因斯坦通過他的方程E = mc證明了質(zhì)量（m）和能量（E）的等價性2，其中 c 是光速。當(dāng)物質(zhì)的臨界密度被表示為質(zhì)能的臨界密度時，暗能量占宇宙缺失的 70%，這可能并不奇怪。它也可能注定了它最終的命運。隨著宇宙的不斷膨脹，越來越多的宇宙將從視野中消失。而且，隨著宇宙變得越來越冷，仍然觸手可及的物質(zhì)可能會無情地走向“熱死亡”。

我們怎么知道？在宇宙背景輻射中可以找到更多答案。理論家們進(jìn)一步推斷，重力與大爆炸后等離子體球中巨大的輻射壓力之間的競爭會引發(fā)聲振蕩——聲波——只要物質(zhì)過多。這些聲音波以光速的一半以上傳播，所以即使周圍有人可以聽到，這些聲音也是聽不到的。盡管如此，我仍然喜歡將此視為宇宙歌唱的時期。

聲振蕩在宇宙背景的溫度和宇宙中星系的大規(guī)模分布中留下了明顯的印記。如果不首先假設(shè)特定的宇宙學(xué)，在這種情況下是包括暗物質(zhì)和暗能量在內(nèi)的大爆炸理論，就無法對這些印記進(jìn)行建模。2013 年報告的建模結(jié)果告訴我們我們生活在什么樣的宇宙中——它的物質(zhì)和能量的總密度、空間的形狀、暗物質(zhì)的性質(zhì)和密度、愛因斯坦宇宙常數(shù)的值（以及暗能量的密度）、可見物質(zhì)的密度以及今天的膨脹率（哈勃常數(shù)）。這就是我們知道的方式。

但故事還沒有結(jié)束。天文學(xué)家通過使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步研究造父變星和超新星，繼續(xù)加深對宇宙歷史的理解。因為這些研究是基于使用標(biāo)準(zhǔn)蠟燭測量速度和距離的研究，所以它們提供了對哈勃常數(shù)和宇宙歷史后期膨脹率的測量，不需要特定宇宙學(xué)的假設(shè)。從聲振蕩分析中推斷出的哈勃常數(shù)和膨脹率必然是一個依賴于模型的預(yù)測，因為它源自宇宙歷史上更早的事件。有一段時間，預(yù)測和測量非常一致，大爆炸理論看起來很穩(wěn)健。

然后從 2010 年左右開始，事情又開始出錯。隨著觀測精度的提高，預(yù)測和測量分道揚鑣。差異很小，但似乎很顯著。它被稱為哈勃張力。宇宙的膨脹速度似乎比我們通過模擬它在嬰兒期經(jīng)歷的聲振蕩來預(yù)測的要快一些。想象一下，建造一座橫跨宇宙年齡的橋梁，在鴻溝的“早期”和“晚期”兩側(cè)同時開始。地基、橋墩和橋梁支架已經(jīng)完成，但工程師們現(xiàn)在沮喪地發(fā)現(xiàn)，雙方在中間并沒有完全相遇。

由于不同種類的標(biāo)準(zhǔn)蠟燭的開發(fā)，事情變得復(fù)雜，這些蠟燭比造父變星更容易分析，競爭對手的天文學(xué)家團(tuán)隊目前正在爭論細(xì)節(jié)。我們應(yīng)該在幾年后知道緊張局勢是否真實存在。如果它是真實的，那么修復(fù)它的一種方法是再次調(diào)整大爆炸理論，假設(shè)暗能量隨著時間的推移而減弱，相當(dāng)于假設(shè)愛因斯坦的宇宙常數(shù)實際上不是恒定的。今年 3 月公布了一些初步證據(jù)。

前面還有更多的麻煩。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡于 2021 年圣誕節(jié)發(fā)射升空，可以看到回溯時間超過 130 億年的星系，可以追溯到大爆炸后僅幾億年的時間。我們基于當(dāng)前理論對物理學(xué)的理解表明，在這些回顧時間，我們可能會期望看到第一批恒星和星系正在形成。但望遠(yuǎn)鏡看到的是已經(jīng)完全形成的星系和星系團(tuán)?，F(xiàn)在判斷這是否是一場危機(jī)還為時過早，但有理由產(chǎn)生相當(dāng)大的不安。

一些宇宙學(xué)家已經(jīng)受夠了。大爆炸理論在很大程度上依賴于幾個概念，盡管在過去 20 到 30 年中付出了大量努力，但除了對它們的基本需求之外，我們還沒有獲得額外的經(jīng)驗證據(jù)。該理論非常成功，但充滿了解釋漏洞。宇宙膨脹、暗物質(zhì)和暗能量都是必需的，但都伴隨著嚴(yán)重的警告和疑慮。想象一下，試圖用法西斯主義和某產(chǎn)某義的社會力量來解釋 20 世紀(jì)的（人類）歷史，卻無法解釋這些術(shù)語的含義：從根本上來說，卻沒有真正知道它們是什么。

在 2004 年發(fā)表在《新科學(xué)家》雜志上的一封公開信中，一群叛逆的宇宙學(xué)家宣稱：

在物理學(xué)的其他領(lǐng)域，這種對新的假設(shè)物體的持續(xù)訴求不會被接受為彌合理論與觀察之間差距的一種方式。至少，它會引發(fā)關(guān)于基本理論有效性的嚴(yán)重問題。

這簡直就是科學(xué)事業(yè)在起作用。關(guān)于宇宙和我們在宇宙中的位置的一些最深層次的問題的答案有時顯得令人沮喪地不完整。不可否認(rèn)，盡管存在種種缺陷，但目前的大爆炸理論繼續(xù)主導(dǎo)著宇宙學(xué)科學(xué)，這是有充分理由的。但歷史的教訓(xùn)警告不要變得太舒服。毫無疑問，關(guān)于我們宇宙的故事還有更多有待發(fā)現(xiàn)。還會有更多的驚喜。

挑戰(zhàn)一如既往，是在面對難以捉摸的宇宙時保持謙遜感，并保持開放的心態(tài)。正如愛因斯坦曾經(jīng)說過的那樣：“一個理論的真實性永遠(yuǎn)無法被證明，因為人們永遠(yuǎn)不知道未來的經(jīng)驗是否會與它的結(jié)論相矛盾。

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