3.人類重現宇宙開初的演化歷史

現代宇宙學的主要目的是，利用在地球及其附近確立的物理學定律，或利用從這些局部成立的定律合乎邏輯地作出的推論，根據今天所得到的證據，詳細地重現宇宙過去的歷史。當然，我們在時間上回溯得越久遠，宇宙環境就變得越極端，我們或許需要作出的外推與那些能在實驗室中檢驗的物理學定律也就偏離得越遠。

我們關于膨脹宇宙圖景的發展，及對其既往之重現進展非常緩慢。在20世紀30年代，比利時牧師兼物理學家喬治·勒梅特在此事的起步階段起了帶頭作用。他的“原始原子”理論乃是我們如今所說的“大爆炸”理論的鼻祖。40年代后期，一位移居美國的俄國人喬治·蓋莫夫（George Gamov）與他的兩位年輕的研究生拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）和羅伯特·赫爾曼（Robert Herman）一起，又邁出了最重要的幾步。他們開始認真考慮已知的物理學理論用于勾畫宇宙早期階段狀況的可能性。他們認識到了關鍵之所在。如果宇宙肇始于遙遠過去的某種既熱且密的狀態，那就應該留下某種從這個爆發式的開端灑落的輻射。更具體地說，他們認識到，過去應該存在著某個時候，其時宇宙的年齡僅為幾分鐘，它熱得足以使每個地方都發生核反應。后來，更加詳細得多的預言和觀測結果證實了這些重要的見地。

1948年，阿爾弗和赫爾曼預言，從大爆炸散落的殘余輻射由于宇宙膨脹而冷卻，如今它所具有的溫度約為絕對零度以上（5℃），或者說5℃（絕對零度等于攝氏零下273度，即-273℃）。但是他們的預言并未引起人們的普遍重視，而被埋沒在浩瀚的物理學文獻之中。另外幾位科學家考慮了一個熱的膨脹宇宙之起源問題，便是他們誰也不知道阿爾弗和赫爾曼的論文。理由是明白的。當時的通訊、交流方式無法與今天同日而語。在40年代和50年代，在大多數物理學家看來，再現宇宙早期的細節并不是一種非常嚴肅的科學活動。但是多年以后，即1965年，美國新澤西州貝爾實驗室的兩位無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Rober Wilson）卻十分意外地發現了這種宇宙輻射場，當時他們正在為跟蹤第一顆“回聲號”（Ccho）衛星而校準一種很靈敏的無線電天線。與此同時，在附近的普林斯頓大學，由羅伯特·迪克（Rober Dicke）領導的一個科學家小組已獨立地重新發現了阿爾弗和赫爾曼早先作過的預言，并著手設計一臺探測器以供搜索大爆炸的殘留輻射。他們聽說了貝爾實驗室這臺接收器中存在著無法闡明的噪聲，并立即將它解釋為源自大爆炸的殘余輻射。它相當于在電磁波譜的微波部分波長為7.35厘米的某種無線電波信號；如果假設它是熱輻射，那么它所具有的能量就相應于2.7K的溫度——這與阿爾弗和赫爾曼富于靈感的估計非常接近。它被稱為“宇宙微波背景輻射”。作為其預言與發現始末的一項追記，我們應當提及：1983年，人們開始獲悉前蘇聯無線電物理學家什茂諾夫也許早在1957年就已發現了這種輻射，并用俄文公布了這一事實。什茂諾夫建造了一種對微波信號敏感的天線，并報道探測到了某種在天空中各個方向上均勻的信號，與之相當的輻射所具有的溫度介乎1K和7K之間。當時無論是他本人或是其他任何人都不清楚這項發現的重要性。事實上，什茂諾夫直到1983年才聞知大爆炸的預言以及彭齊亞斯和威爾遜的發現，而這已經是后兩人因18年前作出他們那項卓越的發現而榮獲諾貝爾獎之后5年的事情了。

這項發明是人們開始認真地研究大爆炸模型的一種信號。漸漸地，人們對宇宙微波作了更多的觀測，這些觀測揭示了宇宙微波背景輻射的其他性質。這種輻射在所有的方向上都有相同的強度，精度至少高達千分之一。而且，人們在不同頻率上測量了它的強度，開始揭示出其強度隨頻率變化的方式（即它的“譜”）具有純熱的特征。這樣的輻射稱為“黑體”輻射。不幸的是，地球大氣中的分子對于輻射的吸收和發射阻礙了天文學家去證實整個背景輻射譜正是熱輻射譜，人們仍然懷疑，它或許是由宇宙開始膨脹之后很久發生的種種劇烈事件產生的而并非產生于大約150億年以前的膨脹之始。只有在地球大氣外觀測這種輻射才能消除這種疑慮，而這正是美國國家宇航局（NASA）的宇宙背景探測器（COBE）衛星于1989年開始從空間測量整個背景輻射譜的第一項巨大成就。那是人們在自然界中所曾見到的最完美的黑體譜，它非常引人注目地確認了宇宙過去曾比今天要熱成千上萬度。因為只有在如此極端的條件下，宇宙中的輻射才有可能呈黑體形式而達到如此高的精度。

人們利用高空飛行的U2型飛機進行了另一項關鍵性的實驗，以證實背景輻射并非近期起源于宇宙中鄰近我們的部分。這些早先的間諜飛機機身極小、翼展卻很大，這使它們成了非常適合于進行天文觀測的穩定平臺。這時，它們是朝上測天而不再是往下觀地了！它們探測到天空各處的輻射強度具有某種系統的變化。倘若這種輻射起源于遙遠的過去，那么出現這種變化便在意料之中。如果這種輻射型成了某種均勻膨脹的“海洋”——它生成于宇宙的早期，那么我們就將在這海洋中航行。地球環繞太陽運動，太陽環繞銀河系中心運動，銀河系又在本星系群中運動，如此等等；這一系列的運動意味著我們正沿著某個方向在背景輻射中穿行。當我們沿此方向觀看時，輻射強度將顯得最強，在與之相差180°的方向上輻射強度則顯得最弱；在這兩者之間，輻射強度應隨角度而呈某種富有特征的余弦變化，就像在暴雨中奔跑，胸前濕得最厲害，背后則濕得最少。這里，在我們運動的方向上被掃過的是微波。正如預期的那樣，觀測揭示了某種完美的“余弦式”變化。

接著，幾項不同的實驗證實了這一發現——它又被稱為“天空大余弦”。它肯定了這樣一個事實：我們，以及包含我們寓居其中的本星系團在內的那個區域，都正相對于宇宙微波海而運動。因此，背景輻射不可能是局部區域產生的，要不它就會和我們一塊兒運動，那樣我們就不會看到其強度與溫度的余弦變化了。

我們穿越來自大爆炸的背景輻射而運動，并不是造成其強度隨方向稍有變化的唯一可能的原因。倘若宇宙在不同的方向上正以稍稍不同的速率膨脹，那么在膨脹得較快的方向上，輻射就將較弱較冷。類似地，如果在某些方向存在著某些物質特別集中或特別匱乏的區域，那么這也將使我們從這些方向上接收到的輻射強度發生變化。發射COBE衛星的動機就是搜索這些變化，1992年，這些變化的發現成了世界各國報紙的頭條新聞。

當我們考察來自天空中不同方向的背景輻射強度時，我們就獲悉了有關宇宙結構的大量引人注目的事情。我們發現，它正在所有的方向上以相同的速率膨脹，其精度優于千分之一。我們說這種膨脹近似地是“各向同性的”——也就是說，在每個方向上都相同。如果有人從某個“宇宙博覽館”中隨機地挑選有可能存在的宇宙，那就會有無數個在某些方向上遠比其他方向膨脹得更快的宇宙品種，或者是以很高速度旋轉，或者甚至是在某些方向上收縮而同時又在其他方向上膨脹著的宇宙變種。我們的宇宙確實很特殊。它似乎處于某種安排得極為妥善的狀態之下：在所有的方向上膨脹都以相同的速度進行下去，其精度非常之高。這就好像你回到家里發現所有孩子的臥室都極其整潔——一種非常不容易遇到的事情。這一定是施加了某種外界的影響。同樣地，對于宇宙引人注目的各向同性而言，也必定存在著某種解釋。

宇宙學家們長期以來都把宇宙膨脹之各向同性視為必須予以闡釋的一大疑謎。

宇宙學家們在尋找這些解釋時，構造了各種可能的宇宙史，它們既能說明已知的事實，又能為尚未說明的性質提供解說。宇宙學家們最感興趣的是這樣的假設：它既能解釋有關宇宙的令人困惑的特征，又能預言某些尚未探測到的宇宙新屬性搜索這種預期的特征，就可以憑借觀測來檢驗原先的假設，這恰如利用實驗室中的實驗來檢驗其他科學理論的預言。遺憾的是，我們并不能保證自己的儀器靈敏得足以進行我們想要的一切觀測。由于這種現實的局限性，對于許多理論作出的預言，我們尚無法用觀測來檢驗。但是，正是此類預言往往支配著未來將會發展何種新型的天文臺或人造衛星。

可以采取的第一條途徑是說宇宙就是各向同性地開始膨脹的。宇宙目前的狀態只不過是其特殊的起始條件的某種反映。事情現在所以如此，乃是因為當初如彼。實際上，這解決不了什么問題。它什么也沒有解釋，也沒有告訴我們任何新東西。當然，它也可能是對的。倘若果真如此，我們也許就可以指望，存在著某種更深刻的“原理”，它使宇宙必然（或者至少是以壓倒優勢的可能性）肇始于某種各向同性膨脹的狀態之中。這一原理也許在較為局部的范圍內還有著其他應用，據此便可以揭示其自身之存在。其令人不悅之處則在于，它把解釋宇宙現狀的重擔完全置于未知的（而且也許是不可知的）宇宙起始狀態之上。

第二條途徑是將事物的現狀考慮為在宇宙中進行的各種物理過程的結果。這樣的話，也許無論宇宙的初始狀態是多么地不規則，在歷經數十億、上百億年之后，所有的不規則性均已刷盡，留下的則是某種各向同性的膨脹。這種做法有一個優點，即激勵人們擬定某種確切的研究計劃，以期發現它是否可能真的正確無誤。是否存在這樣的物理過程：它能夠抹平膨脹中的非均勻性？“抹平”的過程歷時多久？時至今日，它們能否擺脫所有的不規則性，或者只是消除了其中的一小部分？不僅如此，這種做法還有一個令人滿意的特點：它使我們對宇宙現狀作出的假設盡可能不依賴于我們對未知的宇宙初始狀態的了解。我們很樂于能夠這么說：無論宇宙是如何開端的，在它的早期歷史上必不可避免地會發生一些物理過程，后者確保了宇宙在膨脹150億年之后，看起來差不多就應該像它今天的那種模樣。

這第二種哲學雖然聽起來極富吸引力，但也有一個弱點。如果我們真能證明宇宙之現狀確實與其起始時的條件無關，那么我們現在觀測宇宙的結構也就不能告訴我們有關那些起始條件的任何情況了。因為這樣的話，宇宙的現狀便可與任何起始狀態相容。但是，與此相反，如果宇宙目前的結構——其膨脹之各向同性、或是由星系成團性展示的結構圖案——部分地反映了宇宙開初的方式，那么就存在著這樣的可能性：通過我們今天對于宇宙的觀測，或許便能斷定有關宇宙初始狀態的某些情況了。

長期以來，早期宇宙內發生過那些事件被籠罩在迷霧中。現在，由于近代粒子物理學的發展，科學家們有了一個在宇宙創生最初一分鐘里所發生事件的合理圖像。下面就來敘述一下這一圖像。

我們從宇宙創生大爆炸以后的1/100秒時期的歷史開始敘述。那時，宇宙溫度高達1000億開以上，因此不存在普通物質。原子和分子尚未形成，便因高溫而爆炸開了。整個空間充滿著基本粒子組成的“湯”，“湯”內含有相同數量的電子、中微子（當中子衰變為質子和電子時產生的粒子）、正電子（帶正電荷的電子的反物質）、反中微子（中微子的反物質）和光子；少量的重得多的粒子，包括質子和中子以及組成暗物質的一些奇異粒子。

要了解那時的宇宙致密到什么程度是困難的，不過可以想象所有的物質實體被壓縮到一個比它們現在所占范圍小數十億倍的區域。這么小范圍的空間維持不了多久，很快，宇宙的尺度便快速增大。在我們最初的“快拍”以后頭幾秒的時間內，宇宙差不多脹大了100倍。

宇宙脹大，其中的物質開始冷卻。這是由下述物理原理所決定的：密閉系統在膨脹時溫度勢必要下降。這一快速冷卻將導致許多重要的變化：第一，許多存在著的粒子，如電子和中微子將發現有利于它們與其反粒子的結合，結合的益處是在結合過程中獲得能量。當物質與反物質融合時，它們彼此消滅了對方并產生出光子形式的輻射。因此，在這一時期，光子的數量驟然增加。與此同時，宇宙中的大多數中子轉變為質子、電子和中微子。由此可見，在此時期終結時，剩下的主要是光子的“海洋”，在此“海洋”中點綴著不同數量的質子、電子、中微子和中子，以及較少量的稀有粒子。

對于原始宇宙演化階段的下一步觀察，我們來看看大爆炸以后3分鐘的景象。宇宙比我們上一次“快拍”時大大地冷卻了。由于溫度降低，粒子的運動變慢，這就使它們有可能合并成穩定的原子核。

首先組成的原子核（不算氫核，因為它不過是質子罷了）是氘，也叫作重氫，它是由一個質子和一個中子組成的。一段時間以后，宇宙中的大多數中子都被納入氘內去了。

下一個元素是當氘與質子聚合時形成的氦的稀有形式氦-3。再下一步，當中子碰撞氦-3時，誕生出普通的氦-4。一步一步地，從氫到鋰，所有我們知道的氫原子核都是由質子、中子和氘等基本成分組成的。