平行宇宙，新科诺奖得主皮布尔斯解读：宇宙的起源与归宿

深度挖掘：我们知道地球围绕太阳转，但地球怎么知道太阳在哪里？

在浩瀚的宇宙，速度是我们探索太空的关键，但速度和它对宇宙的影响是难解的谜题。有件事可以确定，速度能开启大门，通往一个我们意想不到的宇宙。在宇宙中，速度决定一切。爱因斯坦告诉我们速度如何改变时间和空间，向我们展示了宇宙奇特的一面

詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles） 　　刚刚，普林斯顿大学的宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）由于在物理宇宙学中的孝敬，与另外两位天文学家米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹分享了今年的诺贝尔物理学奖。 　　在这篇文章中，皮布尔斯与另外3位作者向我们讲述了宇宙波澜壮阔的演化史。经由数百亿年的演化后，今天存在于宇宙中的恒星与星系会酿成怎样，宇宙的归宿又是什么？ 　　在约莫一百多亿年前的某个时刻，我们现在能考察到的所有物质和能量都群集在一个比硬币还小的区域里，随后，它最先以一种难以想象的速率膨胀并冷却。当温度下降到1亿倍太阳焦点温度时，自然界的那些基本作用力最先泛起，基本粒子夸克则自由地徜徉在能量海洋里。接着，宇宙又膨胀了1 000倍，我们眼下能考察到的所有物质占有的空间膨胀到了太阳系那么大。 　　那时，自由夸克最先被约束在中子和质子里。当宇宙又膨胀1 000倍后，质子与中子最先聚在一起组成原子核，今天的氦原子和氘原子大部门就是那时形成的。以上所有历程都发生在大爆炸后的一分钟内，此时温度仍然太高，原子核还不能捕捉电子。直到宇宙连续膨胀了30万年后，中性的原子才最先大量泛起，这时宇宙尺寸到达了现在的千分之一。往后，中性原子最先凝结成气体云，这些云团随后演化成恒星。在宇宙膨胀到现在尺寸的五分之一时，恒星聚在一起，形成了年轻的星系。 　　当宇宙尺度到达现在的一半时，恒星里的核反应发生了大多数重元素，类似地球的行星就是由这些元素组成的。我们的太阳系相对对照年轻：形成于50亿年前，那时宇宙尺度是现在的三分之二。随着时间流逝，恒星的形成历程会耗尽星系中的气体，因此恒星数目正逐渐削减。再过150亿年，像太阳这样的恒星会更稀疏，对天空考察者来说，那时的宇宙将远不如现在这般热闹。 　　对宇宙起源与演化的熟悉，是20世纪最伟大的科学成就之一。这些知识来自于数十年一直刷新的实验与理论。地面上和太空中的最新望远镜吸收着数十亿光年以外的星系发出的光线，向我们展示宇宙年轻时的容貌。粒子加速器探索着早期宇宙高能环境下的基本物理现象。卫星探测着宇宙膨胀早期遗留下来的靠山辐射，展现出我们所能考察到的最大尺度上的宇宙图景。 　　尺度宇宙模子（也称大爆炸理论）对这些海量数据的注释最为乐成。这个理论主张说，宇宙从初期的致密态最先膨胀，膨胀在大尺度上近乎平均。现在该理论没有遇到根本性的挑战，固然，它也存在一些有待解决的问题。好比，天文学家还不能一定星系是若何形成的，然则也没有证据能否认该历程是在大爆炸框架内发生的。实际上到现在为止，从这个理论引申出的种种预言通过了所有的测试。 　　然则，大爆炸理论现在也只做到这种水平，另有许多主要的谜题有待揭开。宇宙在膨胀之前是什么样子的？（我们不能通过天文考察，回溯到大爆炸之前的时刻。）在遥远的未来，当最后一颗恒星耗尽了核燃料后会发生什么？没有人知道谜底。 　　我们可以从差异的视角——神秘主义、神学、哲学或科学——来熟悉宇宙。在科学上，我们只信赖那些经由实验或考察证实的器械，因此我们选择的是一条繁重乏味的门路。爱因斯坦确立的广义相对论确立了质量、能量、空间和时间的关系，现已被很好地验证并接受。爱因斯坦指出，物质在空间平均漫衍与他的理论异常吻合。他未经讨论便假定，在大尺度上平均来说宇宙是静态稳定的。 　　在1922年，俄国理论家亚历山大·A·弗里德曼（Alexander A. Friedmann）意识到爱因斯坦的宇宙是不稳定的，最稍微的扰动也会引起宇宙膨胀或缩短。同时洛厄尔天文台（Lowell Observatory）的维斯托·M·斯莱弗（Vesto M. Slipher）发现了星系正在相互远离的首个证据。随后，卓越的天文学家埃德温·哈勃在1929年又证实晰星系远离我们的速率与它离我们的距离大致成正比。 　　宇宙膨胀意味着，宇宙从一团高度致密的物质演化为今天相相互距遥远的星系。英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）是第一个给上述历程取名“大爆炸”（the big bang）的人，他的本意是想取笑这个理论，但这个名字实在太生动了，便就此流传开来。不外这个名字将宇宙膨胀描绘得似乎是空间中一点上的某个物质发生了某种爆炸，若干有些误导人。 　　实在完全不是那么回事：在爱因斯坦的宇宙中，空间与物质的漫衍是紧密联系的，考察到的星系系统的膨胀反映的是空间自己的睁开。大爆炸理论的要点在于空间的平均密度随宇宙膨胀下降，而物质漫衍并没有可见的边缘。对通俗爆炸来说，运动得最快的粒子飞向空的空间；而对大爆炸理论来说，粒子则是平均地充满空间。宇宙膨胀对被引力约束的星系或星系团的巨细没什么影响，只是使它们之间的空间舒展了而已。在这种意义上，宇宙膨胀很像是葡萄干面包发酵。生面团类似空间，而葡萄干就像星系团。当面团膨胀时，葡萄干相互远离，随便两颗葡萄干相互星散的速率完全取决于它们之间的面团有若干。 　　60年来，我们已经积累了许多支持宇宙膨胀的证据。第一个主要证据是红移——星系会发射或吸收某些特定波长的光，若是星系在远离我们，这些发射或吸收特征线将被拉长，也就是说退行速率越大，特征线就会变得越红。
　　在宇宙的岁数只有现在的五分之三时，星系团是宇宙代表性的景观。哈勃望远镜已经在轨道上运行了22年，通过它的连续考察，我们获得了星系团的影像。有些星系看上去相互处在对方的引力场里。这样的相互作用在离我们较近的星系团中相当少见，说明宇宙确实在演化。
　　哈勃定律 　　哈勃通过丈量发现，远处星系的红移比近处星系的红移要大。这就是现在熟知的哈勃定律，它正是平均膨胀宇宙模子所展望的效果。哈勃定律解释，星系的退行速率即是它们间的距离乘上哈勃常数。近处星系的红移效应十分微弱，要使用相当优良的丈量仪器才气检测到。而那些异常遥远的星系——好比射电星系和类星体——的红移就异常惊人了，其中一些星系的退行速率可到达光速的90%。 　　哈勃对宇宙图景另有另一个要害孝敬。他对天空差异偏向的星系计数，发现它们似乎漫衍得很平均。哈勃常数在所有偏向上似乎都是相同的，这正是平均宇宙膨胀的必然效果。现代巡天证实了这条基本原则：宇宙在大尺度上是平均的。只管近处的星系显示出成团性，不外更深的巡天照样能反映出相当的平均性。 　　以银河系为例，现在银河处在一个由20多个星系组成的团体中，而这又是本超星系团（local Supercluster）延伸出的星系联合体的一部门。星系团的结构一级一级往上，一直上升到5亿光年的尺度。随着考察尺度的增添，其内平均物质密度的升沉一直减小。在靠近考察极限的尺度上，平均物质密度升沉不到0.1%。 　　为了验证哈勃定律，天文学家需要丈量星系的距离，有一种方式是考察星系的视亮度。若是某星系比另一个同类星系暗4倍，那么距离约莫就是它的2倍。这一关系已在考察可及的距离局限内考试过了。 　　有批评者指出，看上去更小更暗的星系不一定真的距离更远。幸运的是，有明确迹象解释红移越大的星系确实距离也越大。证据来自引力透镜效应（参见左图）。像星系这样质量伟大且致密的天体可以形成自然透镜，由于可见光和其他电磁辐射的轨迹被弯折，任何位于它后面的辐射源都将发生一个扭曲放大的像（甚至可能是多个像）。因此若是一个星系位于地球和某些遥远天体的连线上，它将弯折这些天体发出的光线，使遥远天体变得可见。在已往的10年里，天文学家已经发现了20多个引力透镜。人们注意到，透镜后方天体的红移总是比透镜自己的高，这也定性地证实了哈勃定律。 　　哈勃定律之所以具有重大意义，不仅由于它形貌了宇宙的膨胀，还由于它能用来盘算宇宙的岁数。具体来说，大爆炸距今的时间是哈勃常数当前值与其转变率的函数。天文学家已大致算出膨胀的速率，但还没有人能准确测得其转变率。 　　不外人们照样可以从宇宙平均密度来估量这个量。由于引力抑制了宇宙膨胀，我们可以预期，星系相互远离的速率将比以前更慢，因此膨胀速率的转变率与引力的拖拽效应有关。引力是由平均密度决议的，若是只思量星系内里和四周的可见物质,并以此来盘算密度，那宇宙的岁数可能在100亿～150亿年之间（这个局限还思量了宇宙膨胀率的不确定性）。 　　不外许多研究者以为宇宙密度要比上述盘算效果的最小值大，由于所谓的暗物质的存在将发生影响，带来差异。一种看法以为，宇宙的密度足够大，因此在遥远的未来，膨胀速率将降到靠近于0。在这种假设下，宇宙的岁数将降至70亿～130亿年。 　　为了让这些估测加倍准确，天文学家都在致力于研究若何更好地丈量星系的距离和宇宙的密度。估测出的膨胀时间可作为磨练大爆炸理论的主要指标。若是这个理论是准确的，可考察宇宙中的所有器械都应该比从哈勃定律算出的宇宙岁数要年轻。
　　遥远星系的多重成像看上去像暗弱的蓝色椭圆，

新研究发现太空飞行改变宇航员消化系统菌群多样性

美国西北大学的一项新研究表明，太空飞行会让宇航员的内脏菌群发生重大改变，但具体原因尚是一个未知数。为了进行这项研究，西北大学的科学家研发了一个名为“STARMAPS”的新工具，用于分析一系列实验的数据，包括在航天飞机和国际空间站上进行的老鼠实验

这是引力透镜效应导致的。当远处物体发出的光被滋扰物体的引力场偏折时，这种效应就会泛起。在这张图里，红色星系团群集在中央，使位于它们后方更远处的星系的像扭曲了。这张图片由哈勃望远镜提供。 　　这两个时间尺度实在看上去大致相容。好比，由白矮星冷却速率估得银河系中最古老的恒星约莫已有90亿岁。由盘算恒星核反应燃料的消耗率推知，银河系晕中的恒星年数更大，约莫为120亿年。而凭据放射性年月测定法测出的最古老化学元素的岁数也是约120亿年。实验室的工作人员是依据原子物理和核物理推算出这些数据的。值得注意的是，上述效果与由宇宙膨胀推算的宇宙岁数大体上是一致的。 　　另一个理论——稳恒态宇宙理论同样乐成地对宇宙的膨胀和平均性做出了注释。1946年，3个英格兰物理学家——霍伊尔（Hoyle）、赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）和托马斯·戈尔德（Thomas Gold）——提出了如下宇宙学理论：宇宙在永远膨胀，而物质自觉地发生出来填充真空。当新发生的物质积累到一定水平就会形成新的恒星接替老的。这个稳恒态假设预言，近处的星系团在统计意义上跟远处的应该是相同的。而大爆炸理论做出的预言则跟稳恒态理论差异，它以为若是星系是很久以前形成的，那么远处的星系应该看上去比近处的星系年轻，由于它们发出的光线需要更长的时间才气到达我们这里，这些星系应该包罗更多年轻的恒星和更多还未形成恒星的气体。
　　验证稳恒态假设 　　从理论上说，这个磨练很容易，但真正研发出足够敏捷的探测器以研究遥远的星系却花了好几代人的时间。当天文学家检查近邻射电星系时，他们在光学波段看到的是大致呈圆形的恒星系统；而远处的射电星系看上去呈拉长甚至是不规则的结构。此外，与近处星系差异，在大部门远距离星系中，可见光波段的图像通常跟射电波段的相近。 　　天文学家研究大质量、麋集的星系团时，同样发现了近邻星系与远处星系有差异。远距星系团包罗正在形成恒星的偏蓝星系；而近处类似的星系团却包罗偏红星系，其中的恒星形成早就不活跃了。哈勃望远镜的考察证实，至少有部门年轻星系团中的强烈恒星形成流动是由于成员星系的碰撞造成的，而这种历程在现在异常罕有。 　　若是所有星系都在相互远离而且都是由早先的形态演化而来，那么相符逻辑的推论就是，它们曾经充塞在一片浓密的物质与能量之海中。事实上，在对遥远星系所知不多的1927年，比利时神甫、宇宙学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）就已经提出，宇宙的膨胀可追溯到一个极其致密的状态，他称之为远古的“超级原子”（super-atom）。他以为我们也许能够探测到它的遗留辐射。可是，这个辐射应该是什么样子的呢？ 　　在宇宙异常年轻和炙热的时刻，辐射很容易被种种粒子吸收或散射，因而不能沿直线传播太远。这样一直的能量交流维持着热平衡，任何特定区域都不太可能比平均水平要热或冷太多。当物质和能量处在这种状态时，就会发生所谓的热辐射谱，其中各波长的辐射强度完全由温度决议。因此，大爆炸发生的辐射可以由它的能谱辨认出来。 　　事实上，这个宇宙靠山热辐射已经被发现了。20世纪40年月，美国麻省理工学院的罗伯特·H·迪克（Robert H. Dicke）一直致力于改善雷达，他发明晰微波辐射计——一种检测微弱辐射的装备。到了上世纪60年月，贝尔实验室最先在望远镜上使用辐射计来追踪早期通讯卫星Echo-1和Telstar。没有想到，制作该装备的工程师探测到了分外的辐射信号，随后，阿诺·A·彭齐亚斯（Arno A. Penzias）和罗伯特·W·威尔逊（Robert W. Wilson）判定出这个信号是宇宙靠山辐射。有意思的是，彭齐亚斯和威尔逊的这个思绪源于迪克的启发，由于迪克曾建议人们用辐射计来征采宇宙靠山辐射。 　　天文学家通过使用宇宙靠山探测器（COBE）卫星和大量探空火箭、气球、地面装备，对靠山辐射作了深入研究。发现宇宙靠山辐射有两个特征。一是它各向同性。[1992年美国航空航天局戈达德太空飞行中央的约翰·马瑟（John Mather）向导的COBE研究团队证实晰其涨落的幅度不跨越十万分之一。]这很好注释，辐射平均充满在空间中就会发生这样的效果，正如大爆炸理论预言的那样。 　　二是靠山辐射能谱异常靠近2.726K的黑体谱。毫无疑问，宇宙靠山辐射是在宇宙远热于2.726K时发生的，但科学家们早就展望到辐射看上去温度会对照低，20世纪30年月美国加州理工学院的理查德·C·托尔曼（Richard C. Tolman）指出，宇宙靠山的温度将因宇宙膨胀而下降。 　　宇宙靠山辐射可以证实，宇宙是由致密高热的状态膨胀而来的，由于这是发生这种辐射所必须的条件。在谁人致密高热的宇宙里，热核反应合成了比氢重的元素，包罗氘、氦和锂。值得注意的是，由此盘算出来的轻元素比例与考察到的丰度是一致的。也就是说，所有证据都解释，轻元素确实是在年轻炙热的宇宙中天生的，而那些更重的元素，则要在未来作为恒星内部热核反应的产物时才会泛起。 　　轻元素合成理论是在第二次世界大战之后的科研热潮中泛起的。乔治·伽莫夫（George Gamow）、乔治·华盛顿大学的研究生拉尔夫·A·阿尔法（Ralph A. Alpher）和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）等人通过战争时期获得的核物理数据，展望了早期宇宙中发生了哪些核历程，天生了哪些元素。阿尔法和赫尔曼还意识到，在现代宇宙中应该能找到大爆炸的残留物。 　　只管这项工作中的许多主要细节有误，但它究竟开创性地将核物理和宇宙学关联起来了。正由于研究人员证实，早期宇宙可以看成是某种核反应堆，物理学家才气准确盘算大爆炸中发生的轻元素的丰度，以及它们随后是若何在星际介质和恒星内部转变的。
　　在这幅包罗了从3亿～10亿光年远的天体的图中，可以显著看出星系是平均漫衍的。唯一不平均的地方是靠近中线的间隙，那是由于天空的这个区域被银河挡住了。这张图片由普林斯顿大学的迈克尔·施特劳斯（Michael Strauss）依据红外天文卫星的数据制作。
　　宇宙大拼图 　　我们对早期宇宙的熟悉还不能直接获得星系形成的完整图景。只管如此，我们照样掌握了好几块拼图。引力将导致物质密度增进，由于它会抑制高密度区域的膨胀，使那里变得越来越麋集。我们已在近邻星系团的生长中考察到了这个历程，星系可能也是在同样的历程中形成的，只是尺度要小些。 　　辐射的压力会抑制早期宇宙结构的增进，不外当宇宙膨胀到现在尺寸的0.1%时就不一样了。在谁人时刻，宇宙温度约为3 000K，低到足够使离子和电子结合成中性的氢和氦原子。中性物质不怎么受辐射影响，可以群集起来形成气体云，然后再坍塌成星团。考察解释，在宇宙到达现在五分之一巨细时，物质已群集成伟大的气体云，形成星系的雏形了。 　　当务之急是注释一个看似矛盾的问题——早期宇宙考察到的平均性和现在星系的团块漫衍。天文学家以为早期宇宙密度升沉不大，由于在宇宙靠山辐射中只考察到异常细小的不规则身分。到现在为止，确立与现有丈量数据相容的理论还算容易，但更要害的磨练还在举行中。特别是只有在考察分辨率小于1度时，差异星系形成理论所预言的靠山辐射涨落才气看出显著区别。现在还无法举行这么小尺度的丈量，但研究人员已经在着手准备这方面的实验了。未来就知道现在那些星系形成理论中有哪个能通过磨练，想想就令人激动。 　　据我们所知，当前的宇宙是最适合生命生长的——在考察可及的宇宙局限内约莫有1万亿亿颗太阳这样的恒星。大爆炸理论以为，生命只能存在于宇宙的某一阶段——已往它太热，未来它的资源又有限。虽然大部门星系还在发生新的恒星，但其他许多星系已经耗尽了它们的气体贮备。300亿年后，星系将变得黯淡，充满了殒命或弥留的恒星，与现在相比，适合生命栖身的行星将少得多。 　　宇宙也许会永远膨胀下去，所有的星系和恒星最终将变得又暗又冷，这就是“大降温”（big chill）。另一种可能是“大挤压”（big crunch），若是宇宙的质量足够大，万有引力最终将逆转膨胀，所有的物质和能量都市重新坍缩回到一点。下一个10年里，随着研究人员丈量宇宙质量方式的一直改善，我们也许会知道现在的膨胀最终将演变为“大降温”照样“大挤压”。 　　在不久的未来，我们能对大爆炸有更深刻的明白。对宇宙膨胀率和恒星岁数的丈量已经证实，恒星岁数确实比宇宙膨胀历史要短。天文学家正在行使望远镜（好比设在夏威夷岛上口径10米的凯克望远镜、口径2.5米的哈勃望远镜以及漫衍在南极和人造卫星上的其他新望远镜）考察靠山辐射，同时开展物理实验寻找“暗物质”，这些起劲也许最终能让我们知道，宇宙内物质是若何影响时空曲率，而曲率又是若何反过来影响我们对遥远星系的考察的。 　　此外，我们还将继续研究那些超出大爆炸理论局限的问题。好比，为什么会发生大爆炸？在那之前有什么？宇宙是否有兄弟姊妹？（即在我们考察所及的局限之外是否另有其他膨胀区域。）自然基本常数为什么是现在这些值？粒子物理学的最新进展提供了一些有趣的解题思绪，但问题在于若何用实验进一步证实。 　　在我们讨论这些宇宙学问题时，必须切记一点：所有物理理论都只是真实的近似，各有其应用局限。人们总是一直将那些已被实验证实的旧理论融入到新的更远大的理论框架中去，物理学就是这样前进的。 　　大爆炸理论已为大量事实所证实，它注释了宇宙靠山辐射、轻元素的丰度和宇宙的膨胀。因此，未来的宇宙学理论一定得包罗大爆炸理论。宇宙学已完成了从哲学到物理学的生长，往后它获得的任何新进展，都要接受考察和实验的双重验证。