100年內人們發現的10大宇宙奧秘

06-05

看我們如何從銀河邁向宇宙。

人類對宇宙的了解程度。斯隆數字化巡天

100年前，人類對宇宙的認識還非常有限。那時人們認為，構成整個宇宙的，只是銀河內的恆星、星團和星雲。構成物質的，也只不過是原子核和電子。那時人們認為宇宙間只存在兩種基本作用力——引力和電磁力。那時的科學，自1600年代以來，一直被牛頓引力學說統治著。但在兩個月間，就遭遇了愛因斯坦廣義相對論強有力的挑戰。

在隨後的100年間，每隔10年，就會有一個大發現，這些發現重塑了我們腦海中和宇宙有關的概念。

1919年11月10日的《紐約時報》（左）和1919年11月22日的《倫敦插畫新聞》（右）。

1910年代——廣義相對論

愛因斯坦的學說被證實。廣義相對論解釋了牛頓引力學說無法解釋的現象：水星軌道的進動。作為一種科學理論，解釋已知現象顯然還不夠，它還需預言我們未曾見到的事件。於是在這100年中，引力時間膨脹、強引力透鏡和弱引力透鏡、慣性系拖拽、引力紅移等現象被一一發現。第一種現象是1919年，由愛丁頓等人在一次日全食期間，觀察被彎曲的星光時發現的。太陽周圍被彎曲的星光總量與愛因斯坦的預言相符，而與牛頓學說相悖。由此，我們對宇宙的看法被永遠改變。

埃德溫·哈勃 / NASA / ESA / R. Gendler / Z. Levay / 哈勃遺產小組

1920年代——膨脹的宇宙

在此之前，我們不知道銀河系以外還有宇宙。但這種看法被1920年代的埃德溫·哈勃改變。他在觀察天空中的所謂「旋渦星雲」時發現，那裡存在和銀河系變星相似的天體。它們的亮度是如此之低，因此必然存在於數百萬光年以外。哈勃並未就此停止探索，他還測算出了大量星系的後退速度和與我們的距離，把一個膨脹著的浩瀚宇宙捧到了我們面前。

后髮座星系團。Adam Block / 萊蒙山天空中心 / 亞里桑那大學

1930年代——暗物質

人們一直以來都認為，如果我們能夠測出所有恆星的質量，再加上氣體和塵埃，便能夠獲知宇宙中究竟有多少物質。但是弗里茨·茲威基在觀察了高密度星系團（如上圖的后髮座星系團）後發現，恆星和我們所知的「普通物質（如原子）」質量總和不足以解釋這些星系團內部的高速運動。他稱這些缺失的質量為「dunkle materie」，也就是德語的「暗物質」。人們直到1970年代，在對普通物質有了更好的了解後，才對這方面的觀察加以重視。暗物質廣泛地分布在各個星系中。據我們現在所知，它們和普通物質的比例高達5比1。

1940年代——宇宙大爆炸

在這個時期，雖然大量的實驗和觀測資源湧向間諜衛星、導彈和核技術的研發領域，理論物理學家也沒有停止努力。1945年，喬治·伽莫夫根據宇宙的膨脹學說，作了一個大膽的推論：假如宇宙今天在持續地膨脹和冷卻，那它必然有一個熾熱和緻密的過去。繼續追溯宇宙的過往，必然存在一個熾熱和緻密到中性原子無法存在的時期，在此之前，連原子核也無法存在。如果確實是這樣，那麼在宇宙中第一顆恆星誕生之前，宇宙必然是由數種最輕的元素按一定的比例構成的，那麼到了今天，在宇宙的所有方向上，必然滲透著大爆炸的餘暉，它的溫度必然只比絕對零度高了那麼一點。這個理論框架就是今天我們所知的「宇宙大爆炸」，而這個偉大的觀點就出自1940年代。

1950年代——重元素從何而來

與大爆炸競爭的便是霍伊爾的恆穩宇宙學說。這個學說中最引人注目的觀點是，他認為今天的所有重元素並非是在宇宙早期形成的，而是由前幾代恆星製造出來的。在霍伊爾和劍橋大學其他學者的努力下，人們從細節上了解了這些元素是如何在恆星內部的核聚變反應中出現的。最突出的一點是，他們認為氦聚變為碳的方式是人們前所未見的：3α過程（氦原子核又被稱為α粒子），這一過程產生的碳，其存在的方式是一種新的狀態。這種新的狀態在數年後被別的科學家發現，今天被稱為「碳的霍伊爾狀態」。由此我們知道，今天地球上的所有重元素，都源自前幾代的恆星。

1965年發現的宇宙微波背景。NASA / WMAP科研小組

1960年代——宇宙微波背景

在經歷了20年的爭論後，人們獲得了能夠決定宇宙歷史的關鍵性發現——預言中的大爆炸餘輝，也就是宇宙微波背景。這個統一的、溫度只有2.725K的餘輝是1965年由阿諾·彭齊亞斯和威爾遜發現的，但當時他們都沒有意識到。直到這一幅射的完整黑體頻譜及其漲落被測定之後。

1970年代——宇宙暴脹

1979年末，年輕的科學家阿蘭·古斯突然意識到，如果宇宙有一個暴脹期，就可以解釋宇宙大爆炸中的諸多未解之謎——為什麼宇宙如此平坦？為什麼宇宙的各個方向溫度是相同的？為什麼沒有超高能量遺留下來？暴脹理論認為，在宇宙到達熾熱、緻密階段之前，曾經有一個呈幾何級膨脹的時期，此時，所有的能量都被束縛在空間本身之中。幾經改進後，古斯不成熟的念頭最後變成了現代暴脹理論。隨後的諸多觀測結果，如宇宙微波背景中的漲落、宇宙大尺度結構，以及星系的聚集和形成，都證實了暴脹理論的預言。由此我們知道，我們的宇宙不但起源於大爆炸，而且在大爆炸發生之前可能還存在著一個階段。

ESA / 哈勃太空望遠鏡 / NASA

1980年代——中微子天文學

1987年，天空中出現了一顆超新星，這是100年以來離我們最近的一顆超新星。雖然星系中超新星眾多，但由於它離我們相當近，我們可以直接觀測這顆超新星釋放出來的中微子。這標誌著中微子天文學的開啟，隨之而來的就是諸如中微子振蕩、中微子質量和百萬光年外超新星中微子等發現。

1990年代——宇宙的命運

暗物質的發現是一件大事，但直到1998年人們才了解宇宙有可能會怎樣死去。通常我們認為有這樣三種可能性：

一是宇宙的膨脹無法克服物質的引力拖拽，最終在大坍縮中重新回歸原點。

二是宇宙的膨脹超越了能將所有物質結合在一起的引力，宇宙中的一切將分崩離析，最終的結果是大凍結。

三是情況位於兩者之間，膨脹速率將無限接近零，但永遠不會到達零，這樣的宇宙被稱為臨界宇宙。

然而，從對遙遠超新星的研究結果中我們得知，宇宙的膨脹在加速，隨著時間的推移，遙遠的星系之間的距離將加速擴大。宇宙不但將面臨大凍結，而且所有未被引力束縛在一起的星系最終都會從宇宙的視線中消失。除了我們本星系群中的星系，沒有任何其它星系會靠近銀河系，我們的命運註定是寒冷和孤寂。1千億年後，我們將看不到除了我們自己所在星系以外的任何星系。

2000年代——宇宙的構成

對宇宙微波背景的發現並沒有在1965年後終止，我們對大爆炸餘輝的觀測讓我們有了一個非常了不起的發現：宇宙的構成。來自COBE、普朗克等衛星的數據，以及從大星系巡天中獲得的宇宙大尺度結構和遙遠超新星的數據，讓我們對宇宙的構成有了一個新的認識，它包含：

0.01%的輻射，以光子形式存在；

0.1%的中微子，它構成了包圍著星系和星系團的引力暈的極少一部分；

4.9%的普通物質，包括構成原子的一切；

27%的暗物質，這是一種神秘的，不與普通物質發生作用（除了引力以外）的物質，而我們看到的宇宙結構之形成卻與它分不開；

68%的暗能量，這種能量是空間本身固有的能量。

宜居帶內的小型系外行星。NASA

2010年代——？

2010年代又將如何奉獻它的偉大發現？我們是否會迎來引力波天文學？我們是否會發現暗物質的真相？宇宙暴脹理論的最後一個預言是否會被證實？還是我們會在地球以外發現生命的存在？

讓我們拭目以待。