大爆炸宇宙模型

在1959年，有人對美國科學家作過一次調查，試探他們對當時物理科學的理解。調查中有一道題目是：「你對宇宙的年齡有何想法？」。超過三分之二的人對這個問題的答案是認為宇宙是永恆不變、始終如一的，沒有開始沒有結束，所以談不上「年齡」的問題。

就在5年之後，兩位在美國新澤西貝爾實驗室工作的科學家的意外發現改變了大多數科學家對這個問題的看法。

阿諾·彭齊亞斯（ArnoPenzias）於1933年出生在德國的一個猶太家庭。那正是納粹開始當道的年代，所幸彭齊亞斯6歲時就被兒童救援行動送到了英國，翌年又和父母一同移居了美國，避免了經歷這場戰亂。之後，他畢業於紐約著名的布魯克斯技術高中，在哥倫比亞大學獲得博士學位，然後來到了新澤西霍姆代爾的貝爾實驗室工作。

彭齊亞斯在那兒碰到了比他小3歲的合作者羅伯特·威爾遜（RobertWilson）。1964年，他們的合作項目是有關射電天文學和衛星通信實驗。為了更好地接受從衛星返回的信號，他們在實驗室附近的克勞福德山架設了一台新型的喇叭天線。當他們將天線對準天空方向檢測噪音性能時，發現在波長為183.75px的地方，一直有一個類似「雜訊」的信號存在，這個額外的信號使得他們的天線的雜訊比原來預期的數值增加了100倍。於是，他們徹底檢查天線，清洗了上面的鴿子窩鳥糞之類的贓物。然而，「雜訊」信號依然存在（圖2-17-1）。並且奇怪的是，這種雜訊與天氣、季節、和時間都無關，也與天線的方向無關。好像是某種充滿天空的、頑固存在的神秘之光。

圖2-17-1：微波背景輻射

兩位科學家被他們所接受到的神秘信號所困惑，猜測輻射可能是來自於銀河系之外的其它什麼星系。彭齊亞斯正好有個朋友在MIT物理系作教授，與他電話聊天時談及普林斯頓大學幾個天體物理學家之一（皮伯斯）在某討論會上的一個發言。這幾個人（迪克、皮伯斯、勞爾和威爾金森）研究的是稱之為「大爆炸」的一種宇宙演化模型。根據這個理論，他們認為在現在的宇宙中應該充滿著某種波長（幾個厘米）的微波輻射。這種輻射無孔不入、無處不在，是很有可能被當時的無線電探測儀器接受到的。如果接受到了的話，就是對「大爆炸」理論的一個非常有力的證據。

知道了這個情況，彭齊亞斯和威爾遜的心情有些激動。聽起來，他們所收到的頻率大約4080兆赫的「不明雜訊」就非常符合普林斯頓科學家們所期望能探測到的微波輻射，難道我們真的在無意中發現了這麼重要的宇宙學證據嗎？

好在普林斯頓離霍姆代爾不遠，汽車半小時就到了。電話聯繫之後，天文學家們很快便來到了貝爾實驗室，考察喇叭天線觀察接受到的「雜訊」數據。經過一段時間的討論、研究、分析的結果，結論使兩個小組的人員都很興奮，他們認為：這些信號的確是宇宙學家們所預言的「微波背景輻射」，不是普通的噪音，而是大爆炸的餘音！

之後，兩個小組的兩篇文章同時發表在《天體物理學報》的同一期上^{【1】【2】}。這是科學家第一次向人們宣布宇宙微波背景輻射（CMB）的發現，為此彭齊亞斯和威爾遜還一起獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

後來，更多的天文觀測資料支持了宇宙起源於「大爆炸」的學說。從1959年的調查，到大多數人觀點的轉變，說明科學界對物理理論的認同是基於實驗及觀測事實的基礎上，而不僅僅是數學理論模型。注意這兒說的是「科學界的認同」，與在普通大眾中做的調查是兩碼事。

大爆炸學說的確是從理論模型開始的，最早提出它的還居然是一位天主教神父，也就是上一篇中提到過的比利時宇宙學家喬治·勒梅特。勒梅特在當神父的同時，也熱衷於研究愛因斯坦的廣義相對論及哈勃的觀測數據。然後，1931年，他從宇宙膨脹的結論出發，對廣義相對論進行時間反演，認為膨脹的宇宙反演到過去應該是坍縮、再塌縮、……，一直到不能坍縮為止。那時宇宙中的所有質量都應該集中到一個幾何尺寸很小的「原生原子」上，當今的時間和空間結構就是從這個「原生原子」產生的。

宇宙起源於大約138億年前「奇點」的一次大爆炸？這聽起來實在是匪夷所思。人們很自然地要問：如果認為宇宙有開始的話，那麼，在那之前又是什麼呢？可能誰也無法回答這個問題。但也有人認為大爆炸之前可能是無數次的塌縮和膨脹的往複循環。各種猜測都有，但僅僅限於猜測。有什麼能比宇宙起源的問題更能吸引人，又更能困擾人呢？事實上，無論科學家給出什麼樣的宇宙演化圖景，都一定會使大眾產生出沒完沒了的答覆不了的更多問題。因為人類對宇宙還是如此的無知，在博大浩瀚的宇宙面前，人類顯得如此的渺小和幼稚。科學家們也不過是盡其所能來理解和解釋這個世界而已。

當初，大爆炸不過是基於愛因斯坦的引力場方程，在弗里德曼假設的均勻各向同性條件下簡化倒推到時間的原點而得到的假說。但當得到越來越多的實驗事實驗證支持之後，假說就成了科學理論。這本來就是人類認識大自然的無可非議的途徑之一，並不保證該理論就會永遠正確下去。科學精神絕不會排斥任何新的理論來取代舊有的理論，如果它能夠解釋更多的觀測事實的話。科學史上的多次革命已經強有力地證明了這點。

哈勃定律證實了宇宙膨脹的事實後，有兩種互相對立的解釋。與勒梅特相對立的英國天文學家弗雷德·霍伊爾等人提出了一種穩態理論。有趣的是，霍伊爾在1949年3月的一期BBC廣播節目中，將勒梅特的理論稱作「大爆炸的觀點」，沒想到這個當時頗帶諷刺攻擊意味的名詞，之後卻成了勒梅特理論的標籤。

大爆炸理論並不完善，但它是迄今為止能夠解釋更多的天文現象而被物理學家天文學家普遍接受的宇宙演化理論。如今的大多數物理學家都相信，大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理論。

對科學界的人士來說，下面一個問題更具有實際的研究意義：大爆炸之後的宇宙是如何演化到現在這個狀況的？

物理學家喬治·伽莫夫，最早支持和完善了大爆炸學說。根據現有的宇宙理論，大爆炸之後的宇宙進化主要有3個階段：極早期宇宙、早期宇宙、結構形成。伽莫夫當時提出的太初核合成過程，發生在大爆炸之後「早期宇宙」時段中的3分鐘到20分鐘之間，見圖2-17-2a。

1940年代，伽莫夫與他的學生，提出了熱大爆炸宇宙學模型。當時，伽莫夫指派阿爾菲研究了大爆炸中元素合成的理論，在阿爾菲1948年提交的博士論文中，伽莫夫說服朋友漢斯·貝特把他的名字署在了論文上，又把自己的名字署在最後，這樣，三個人名字：阿爾菲、貝特、伽莫夫的諧音恰好組成前三個希臘字母α、β、γ。於是這份標誌宇宙大爆炸模型的論文，在1948年4月1日愚人節那天發表，稱為αβγ理論^【3】。

根據熱大爆炸宇宙模型，極早期的宇宙，所有的物質都高度密集在一個很小的範圍內，溫度極高，超過幾十億度。在大爆炸開始的最初3分鐘內發生了些什麼^【4】？物質處於何種狀態？其中不乏物理模型，但大多數屬於猜測，是很難用實驗和觀測驗證的。

圖2-17-2：宇宙大爆炸模型

大爆炸後的「極早期宇宙」階段，對我們來說是難以想像的「短」，大約只是最開始的10^-12秒。而在如此「轉瞬即逝」的一剎那，物理學家們仍然大有文章可做，將這個階段分成了許多更小的時間間隔。比如說，在最開始的10^-40秒，被物理學家們稱為量子引力階段。那時候的「世界」應該表現出顯著的量子效應和巨大的引力。接著，宇宙進入暴漲時期：空間急劇變化、時空迅速拉伸、量子漲落也被極快速地放大，併產生出強度巨大的原初引力波。

2014年3月17日，哈佛史密松天體物理中心的天文學家約翰·科瓦克博士等宣布，他們利用設置在南極的BICEP2探測器研究宇宙微波背景輻射時，直接觀測到了原初引力波的「印記」^【5】。2014年10月，又有了進一步的消息^【6】。但是，最後的證實還得拭目以待。

儘管與我們現實生活中的時間尺度比起來，10^-12秒很短，但對於光和引力波信號來說，也能走過300微米左右的距離。電子的經典半徑的數值只有10^-15米的數量級，這段300微米的短短距離中已經足以容得下約1000億個電子。何況那時候連電子都還未能形成。所以，當我們算出了這些數據之後，多少也能對物理學家為什麼要研究這「極早期宇宙」有了一點點理解。因為這段時間雖然極短，卻也是包含了大量可研究內容的。

大爆炸模型中的時間尺度很有趣，在極早期宇宙階段，討論的尺度是如此之小，而在談及宇宙的年齡（137億年）時，又是如此之大，大到連誤差都是以億年計算！這個領域將物理學中極大（大宇宙），和極小（基本粒子）的理論問題奇妙地融合在一起。

有很多方法來估計宇宙的年齡，圖2-17-2b中簡略介紹了使用哈勃定律來計算宇宙年齡的過程。天文學中對宇宙年齡的計算涉及到許多方面，從理論模型到觀測資料的準確度，都會影響計算結果。從理論的角度看，宇宙年齡基本上是和哈勃參數成反比的。但是，哈勃參數如何隨時間變化，就由所採用的理論模型而決定了。而某個時候的哈勃參數值，又與觀測的技術水平有關。此外，宇宙的年齡計算還與星系、恆星，以及地球等等星體年齡的計算結果有關。所以，不是一個簡單的問題。

在「極早期宇宙」，以及稱為「早期宇宙」的第二階段，都是量子物理大顯身手的地方。特別如剛才所述，極早期宇宙時代，量子和引力，兩個不怎麼相容的理論碰到了一起。對那個階段的研究，類似於對黑洞的研究，為量子引力研究開闢了一片天地。

遺憾的是，我們很難得到「極早期宇宙」傳來的信息，因為大爆炸極早期的光波無法穿越稍後「混沌一團」的宇宙屏障。引力波倒是能穿過，這也就是為什麼剛才所說的2014年春天哈佛科學家宣布收到「原生引力波」時科學界激動不已的原因。

所謂「早期宇宙」的時間段，就比「極早期宇宙」要長多了，40萬年左右，它包括了「微波背景輻射」時期。比起人的壽命來說，40萬年很長很長了，但它卻只大約是宇宙現在年齡（137億年）的3萬分之一。所以，早期宇宙只算是宇宙的「孩童時代」。

發生在大爆炸後30-40萬年左右的「微波背景輻射」，是一段特別的時期。這段時期從兩個方面影響了我們對宇宙早期歷史的探索。

其一，在這段時間之前，物質以高溫高密的等離子體形式存在，天地混沌一片，星體尚未形成。光子、電子及其它粒子一起，充滿整個宇宙，是一片晦暗的迷霧狀態。由於光子被粒子頻繁散射，平均自由程很短，形成了一道厚實的屏障，宇宙顯得不透明，使得更早時期（即大爆炸開始到30萬年之間）的光無法穿透這段時空，因此而使得人類對「微波背景輻射」之前—諸如暴漲過程等的研究造成了困難。

在另一方面，隨著宇宙的膨脹，其溫度不斷降低。當宇宙年齡大到38萬年時，溫度降至3000K左右，等離子體中的自由電子逐漸被俘獲，進入複合階段。光子的平均自由程也逐漸增加，宇宙變得透明起來。光子被電子等粒子散射，形成了一種至今瀰漫於宇宙中的背景電磁波，即我們現在稱之為「3K微波背景」的電磁輻射。這種可以被觀察研究的大爆炸的餘暉：「遺留輻射」，已經成為我們研究早期宇宙，發展宇宙論的基礎。

也就是說，宇宙長到40萬年左右的那一段時間，正從孩童時代轉型成人。它既給我們提供了「微波背景輻射」，讓我們從中得以探索到那時候宇宙的種種形態，又以它不透明的身體，阻擋掩蓋了更早期的宇宙，不讓人們看到它更早時候「胚胎未成形」時的模樣。

再後來，隨著宇宙膨脹，溫度逐漸下降，進入到「結構形成」階段。從1億5000萬年至10億年，是再電離期間，宇宙的大部份由等離子體組成。再後來，逐漸形成了恆星、行星、星系等天體，一直到我們現在可見的宇宙。

參考資料：

【1】Dicke,R. H.; Peebles, P. J. E.; Roll, P. J.; Wilkinson, D. T. (July 1965)."Cosmic Black-Body Radiation". Astrophysical Journal 142: 414–419.

【2】Penzias,A.A.; Wilson, R.W. (1965). "A Measurement of Excess Antenna Temperature at4080 Mc/s". Astrophysical Journal 142: 419–421.

【3】Alpher,R. A.; Bethe, H.; Gamow, G. (1 April 1948). "The Origin of ChemicalElements". Physical Review 73 (7): 803–804.

【4】TheFirst Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe ，BasicBooks;，NewYork，(1977)

【5】"BICEP22014 Results Release". National Science Foundation， 2014.

【6】ThePolarbear Collaboration (October 2014). "A Measurement of the CosmicMicrowave Background B-Mode Polarization Power Spectrum at Sub-Degree Scaleswith POLARBEAR. The Astrophysical Journal.

文章來源：http://blog.sciencenet.cn/

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