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从夸克到宇宙

得益于粒子物理大胆思想的推动和千兆像素的电荷耦合器件照相机(CCD)以及计算机的技术飞速进步,宇宙学正处于蓬勃的发展之中。现在,宇宙的基本图景已 经确定了:137亿年的历史,平直的空间,且正处于加速膨胀阶段;宇宙由4%的原子、20%的暗物质、76%的暗能量组成;另外还有证据表明量子微扰是星 系和其他结构形成的种子。尽管我们对宇宙了解了很多,但距离完全的认识它还相差甚远。随着我们对宇宙和它演化规律了解的不断深入,宇宙学正处于它的黄金时 期。 宇宙经常超乎我们的想像,宇宙学的进步也往往得益于科技的进步和新想法的涌现。20世纪20年代,哈勃(Hubble)在威尔逊山使用2.5米的胡克 望远镜发现了宇宙膨胀,爱因斯坦刚刚创立的广义相对论则为理解大爆炸提供了数学基础。20世纪60年代随着在帕洛马山5米的海尔望远镜的建成,天文学家们 的视野也拓展到了可观测宇宙的边缘。1964年,应用射电技术阿莫·彭齐亚斯(Amo Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)发现的宇宙大爆炸的微波背景辐射揭示了宇宙创生时的极高温和高密。 20世纪80年代宇宙学滑入了低谷,桑德齐(Sandage)描述了当时的宇宙学主要是测量的两个物理量:宇宙膨胀率和减速因子。尽管热大爆炸宇宙模 型的根基是恰当的,这其中也包括了宇宙结构是怎样通过引力从一个小的物质密度涨落进而形成了星系、星系团、超星系团的,然而对于这些微小的密度扰动起源却 并没有足够的证据。而且,当时我们只了解大爆炸0.00001秒以后的宇宙,对于更早期甚至是大爆炸时的宇宙我们还知之甚少。因为缺乏物理理论基础,早期 的宇宙被认为是由质子、中子和其他基本粒子组成的海洋。 现在的宇宙学正处于蓬勃的发展之中。在过去的8年里,该领域已经两次获得了《科学》杂志评出的年度进展:一个是1998年发现的宇宙加速膨胀;另一个 是2003年建立的标准宇宙模型。随着新想法的提出和科技的进步,从夸克的发现、CCD在空间望远镜上的使用以及弦理论,20世纪90年代科学革命的足迹 遍布了各个领域。

从夸克到宇宙

来自于粒子物理学的新思想改变了宇宙学的语言和交流方式。我们最想知道的几个物理量是:宇宙微波背景的温度、谱图和各项异性,宇宙的形状,宇宙的组成,现今物质的大尺度分布,以及非均匀性的功率谱。 通过使用更大的望远镜、更好的探测器和更快的计算机,天文学家和物理学家们已经在更为精确地测定了这些基本量,把处于混沌的宇宙学变成了精确的宇宙 学。在绝大多数情况下,这不仅仅是一个测量,更是一张相互补充、环环相扣的网,这张网限定了宇宙的参数,巩固了宇宙学的框架,改变了宇宙学的进程。宇宙学 不再是俄罗斯物理学家列弗·郎道(Lev Landau)所说的那样,“宇宙学家们经常犯错误,但却从来不被怀疑。”这就是我们的宇宙:总体来说,宇宙空间是平直的,年龄为137亿年,对此我们所了解的精度已达到了1%;另外宇宙正以70±2千米/秒/百万秒差距的 速率膨胀,而且是加速膨胀;此外宇宙由24±4%的物质和76±4%的暗能量组成,物质的4.2±0.5%是以原子形式存在的,0.1-1%以中微子形式 存在,其余的大部分物质则是暗物质,而暗物质到底是什么目前还不清楚。恒星——桑德齐宇宙模型中唯一的成分——仅占整个宇宙成分的1%。同时,微波背景辐 射的重要特性也已经被测量,其温度为2.725±0.001开(K),而且在好于1°的分辨率下其微小的涨落(大约0.001%)也已经被测定。 夸克的发现(组成中子和质子的基本单位)和夸克之间“渐进自由”的特性,为人们了解早期宇宙开启了一扇大门:早期的宇宙是由夸克和其他基本粒子组成的 热汤,但是它却像化学家所描述的理想气体一样简单。像夸克汤一样的早期宇宙引发了许多的问题:反物质在哪?非均匀性的起源是什么?为什么宇宙如此平直、年 龄如此大?现今存在于宇宙微波背景光子中的、大爆炸的热量从何而来?是什么驱动了大爆炸? 关于早期宇宙创立瞬间的思索和对于上述问题的潜在解答都基于一个大胆的猜想,即基本粒子和自然力是怎样统一的?又是怎样一分为四的?许多想法具有它深 远的影响(例如,中微子和“电荷宇称”破缺能解释反物质为什么这样少),但有两个想法是当前宇宙学发展的中心:一个是作为一种新物质形式存在的暗物质;另 一个是作为宇宙早期膨胀动力学解释的暴涨。

从夸克到宇宙

通过宇宙学观测,从星系到超星系团的宇宙尺度,暗物质的组成不可能是通常的原子,从而粒子物理学提出了暗物质的三个候选者。第一个候选者是中微子;现 在我们知道中微子有质量并且它是暗物质的一部分,但仅仅是一小部分,不超过1%。现在希望放在了其他两个候选者身上:(1)渺中子 (neutralino),它的质量是质子质量的100倍,是弦理论所预言的最轻的粒子;(2)轴子(axion),它的质量比电子小一万亿倍。 暴涨的中心内容是,宇宙在极早期经历了由一种被称为暴涨场(inflaton)的标量场所驱动的猛烈加速膨胀,但暴涨的物理原因还不明确。这种加速膨 胀导致了一个光滑、平直、高温的宇宙(热量源自暴涨场的能量传递给了宇宙中其他的粒子),与此同时量子涨落也会从亚原子尺度暴涨到宇宙学尺度,产生了形成 宇宙结构所需要的密度不均匀性。 把暴涨和暗物质放在一起就是宇宙结构形成的冷暗物质模型(CDM)(“冷”指的是暗物质粒子如渺中子或轴子运动缓慢,这又导致了这一模型的相关结论不 会依赖暗物质的质量)。CDM详细的描述了宇宙结构是怎样形成的以及宇宙是怎样变亮的。这也激发起观测(这种观测或许只有得益于有新技术才能实现)来认识 我们的宇宙,从第一代恒星形成(大爆炸后不超过10亿年)不久后的星系和宇宙大尺度结构的形成与演化一直到现在。 美国宇航局(NASA)的宇宙背景探测器(COBE),在1992年首先探测到了全天空范围内宇宙微波背景各项异性的微小变化,证实了导致大尺度结构 形成的非均匀性的存在,进而为宇宙学翻开了全新的一页。通过对宇宙微波背景各项异性的了解,我们可以探知宇宙的过去、现在和未来。2006年,约翰·马瑟 (John Mather)和乔治·斯穆特(George Smoot)由于他们在COBE上的工作而获得了当年的诺贝尔物理学奖。从夸克到宇宙

从夸克到宇宙

[图片说明]:顶图为WMAP看到的CMB。WMAP测量到微波背景中的高温(红色)和低温(蓝色)区域彰显了宇宙在40 万年时物质分布的不均匀性,其中温度变化的范围为±200μK,相应的物质密度变化为0.01%。底图是CMB非各项同性的球谐多极矩展开,揭示了CMB 其内在数学结构,它同时也被用来确定宇宙学参数。图中的点以及相应的误差棒对应的是WMAP的测量结果和测量的误差,实线是和谐宇宙模型所预言的结果。阴 影区域是每个多极矩所允许的变化范围。 COBE之后,NASA的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)以及许多地面和气球实验也对宇宙微波背景进行了观测。从这些实验所得到的高精度结果 以及斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)和2度视场计划(Two-Degree Field project)的观测一起所描绘出了宇宙的大尺度结构,精确测定了宇宙学参数,并基本证实了CDM图像的正确性,这为暗物质和暴涨的存在提供了强有力的 证据。 暴涨和暗物质是由理论所预言的;然而,暗能量的出现也是令人震惊的。1998年,对于桑德齐的第二个数值减速因子的测量出现了意料之外的转机。使用新 的技术和更好的用于测定宇宙距离的标准烛光(Ia型超新星——白矮星通过吸积伴星的质量而使自身的质量超过了钱德拉塞卡极限所引发的核爆炸),两个小组发 现宇宙正在加速膨胀,而不是减速。换句话说,对于减速因子而言,尽管最先的定义是为了保证它是正值,但现在实际的观测却是负值! 尽管宇宙的这种神秘加速膨胀至今仍是最为困扰整个科学界的问题之一,但它又是我们目前对宇宙的认识中缺失的一块。直至20世纪90年代末,尽管暴涨和 CDM理论在解释宇宙结构形成时很成功,但仍有一个很小的细节无法解释:越来越多的观测证据显示宇宙是平坦的、宇宙密度是等于临界密度的,但是宇宙中物质 的密度只占整个临界密度的30%。那么,剩下的临界密度的70%到哪去了呢?宇宙的加速解决了这个问题:已经观测到的宇宙加速膨胀预示了一种极为光滑、弥 散的能量的存在(现在被叫做暗能量),它可以解释宇宙中所缺失的70%的那一部分。尽管暗能量的存在看起来很荒唐,但当宇宙加速膨胀被发现的时候,我们目 前的这个和谐宇宙模型(concordance model)也迅速地容纳了它。实际上,在发现暗能量之几年,两个理论文章就已经预言了它的存在。 在广义相对论的框架之内,暗能量能够解释宇宙的加速膨胀,这是因为爱因斯坦的理论早已预言了这种压强为负、起斥力作用的物质的存在。暗能量的理论从量 子真空能、存在新的标量场到弦理论预言的不可见的额外空间维度,各式各样。与广义相对论的解释不同,最有意思的一种可能性是使用新的引力理论来解释宇宙加 速膨胀,进而不需要假设暗能量的存在。 暗能量令人困惑的根源要追溯到量子力学的诞生和爱因斯坦著名的宇宙学常数项。根据量子力学中的测不准原理,真空应当是充满“虚粒子”的海洋。但是这些 虚粒子所产生的效应却是实实在在的(它们会使得原子谱线偏移并改变基本粒子的质量),并且也已经被证实。大量粒子产生的压力等价于负的能量密度,在数学上 就是爱因斯坦的宇宙学常数,量子真空能似乎为宇宙的加速膨胀提供合理的解释。然而,有一个小的问题:当理论家试图计算量子真空能量的时候,他们得到的数值 却惊人得大。这就是所谓的宇宙学常数问题,它已经困扰了我们30多年,由于它现在和解释宇宙加速膨胀联系在了一起,因此我们无法再回避这个问题了。 现在,我们对宇宙的了解已经很多:它的形状、年龄、组成、暴涨开始的证据、从夸克汤到宇宙大尺度结构形成的时间线,但对于诸如宇宙中特殊原子混合物的 存在、暗物质及暗能量的了解却不是很多。我们不了解暗物质究竟是什么,宇宙为什么加速膨胀,同样也不知道如果宇宙在早期确实经历了暴涨那么又是什么触发了 它。与郎道曾经说的有所不同,今天的宇宙学家们很少出错但却经常被怀疑。从夸克到宇宙

从夸克到宇宙

[图片说明]:大爆炸的时间线,从暴涨到夸克汤,从轻核诞生到原子形成,再到星系和引力束缚结构的最终形成。 随着新的加速器、望远镜和地面实验的出现,在未来的15年里宇宙学会得到更长足的发展。渺中子有可能在费米实验室的万亿电子伏对撞机或者在欧洲核研究 组织(CERN)的大型强子对撞机中产生,又或者存在于银河中的渺中子和轴子有可能被及其灵敏的探测器探测到。以观测偏振为目标的新一代宇宙微波背景实验 将能够揭示暴涨中的第三个也是最有决定性的信号(例如,在由时空度规中的量子涨落所产生的引力波)并且约束暴涨发生的时间。同时,暗能量空间望远镜也将会 解释为什么宇宙在加速膨胀提供线索。 因为宇宙学和粒子物理的科学议程已经交织在了一起,所以随着我们对宇宙了解的不断深入,我们也会不断推进对支配宇宙的基本定律的认识。粒子物理学中最 被看好的就是弦理论。但是如果弦理论要真正成为一个“万物之理”,那么它就需要一个“本垒打”。因为它目前的许多理论预言已经超出了地球实验室的范畴,许 多弦理论家寄希望于宇宙学,例如对于暴涨的基本认识(或者是一个更为吸引人的解决方案),对宇宙加速膨胀的解释,更或者是洞察大爆炸本身的特性。 在下一个15年里,宇宙学的未来并不清晰。像以前一样,宇宙再一次超出了我们的掌控。也许就像是粒子物理学家们希望他们的标准模型是成功的一样,我们 会发现就宇宙学而言我们会有更高的精度但却没有更多的认识。然而,我有信心并且预计为了大幅度推动我们对夸克和宇宙的认识,宇宙学的长期繁荣将最终使它进 入黄金期。

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