2019-09-12
以下文章来源于新原理研究所
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新原理研究所
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已知的总是有限的，未知的则是无限的；从知识上说，我们像是处在一个令人费解的无边海洋中的小岛。我们每一代人的任务就是多回收一点土地。——赫胥黎
宇宙究竟有多大？我们可能永远也无法知道确切的答案。但我们可以知道的是，可观测宇宙有多大：920亿光年。这是一个非常庞大的数字，下图或许可以帮助你更直观的感受可观测宇宙的大小：Wikimedia Commons
在可观测的宇宙中，又包含了多少个星系？是几千万个？或是几亿个？又或是几千亿个？在透露这个数字之前，让我们先把目光投向太空。在一个晴朗的夜晚，抬头仰望星空，除了看到明亮的月光之外，还会看到闪烁的繁星。但大多数地方都是漆黑的，肉眼能看到的终究是非常有限的。
现在，试着随机选择天空中的一小片区域，比如在月亮的附近：对于肉眼而言，这片区域显然是完全漆黑、空无一物的。但事实真的是如此吗？如果把哈勃太空望远镜对准这里呢？它又会看到什么？
当天文学家第一次这么做的时候，结果震惊了所有人！在连续收集了12天的光之后，哈勃太空望远镜揭示了一幅极其壮丽的景象：是的，那片看似漆黑一片、空无一物的背后，隐藏着数千个的星系。每一个星系又都包含了数十亿个像太阳一样的恒星。而许多恒星都有绕其旋转的行星，就像地球绕着太阳一般。
艺术想象图。距离地球40光年外的一颗名为TRAPPIST-1e的行星，有着令人窒息的景象：红色天空中的明亮天体，若隐若现。这些天体不是像月亮一样的卫星，而是围绕着一颗暗淡红星旋转的岩石行星。| 图片来源：NASA
但是，记住，月亮附近的这片区域是随机选择的，天空中任何其他的区域看起来几乎都是一样的。由此我们可以推测，可观测宇宙中包含了至少两万亿个星系！至少两万亿个星系！下面这张图展示了整个可观测宇宙的图像：其中白色的点是星系，周围的球体是宇宙微波背景的最后散射面。
那么这一切是从何而来的呢？1917年，爱因斯坦将他的新引力理论——广义相对论应用在宇宙学研究上，他的计算结果预示着，宇宙并不是静态的。当时，爱因斯坦还无法接受一个随着时间而演化的宇宙。但到了上个世纪20年代，当哈勃发现遥远的星系正在远离我们的时候，爱因斯坦意识到自己犯了“一生中最大的错误”。是的，宇宙正在膨胀！
由于空间膨胀，星系会逐渐远离我们。这一惊人的发现标志着现代宇宙学的开端，它意味着宇宙的年龄是有限的，从而也直接促进了后来大爆炸理论的发展。大爆炸的思想很简单：由于宇宙正在膨胀，因此它有一个更炽热和致密的过去。那些曾经更加紧密的一切，都随着时间的推移，变得越来越遥远。
记住，大爆炸理论并没有告诉我们任何关于宇宙是如何开始的信息。也不要将大爆炸想象成一次爆炸，大爆炸是在所有地方同时开始的。空间中的每一点都等价于另一点。尽管一切看起来都在离我们远去，但宇宙是没有中心的。因为对于遥远星系中的其他观测者（如果有）来说也是如此。
自爱因斯坦提出广义相对论后，他的理论就一直被用于研究宇宙的起源和演化。在最最早的时刻，广义相对论的方程在某一点会出现奇异性，我们将这个事件标记为时间 t=0。在 t=0 之前，空间和时间失去了它们熟悉的意义。我们有时称 t=0 为大爆炸（奇点）。
如果把宇宙的整个历史压缩成一年，那么人类出现在最后一天的最后一个小时。而在最后一秒，人类才开始使用科学的方法，去探索宇宙的奥秘和规则。在这趟探索的旅途中，科学家迅速地发展出了粒子物理学、核物理、原子物理、引力理论，这使他们可以重建从宇宙诞生后的10⁻¹⁰秒到今天的整个历史。这是非常值得惊叹的成就！
在《42+42》一文中，我们看到了宇宙历史的一些重要事件，比如物质-反物质不对称、第一批恒星的诞生，太阳系的形成......但我们接下来先来着重关注两个重要事件：大爆炸核合成（BBN）和复合。
早期的宇宙是非常非常炙热的，所以不可能存在稳定的原子。物质是以自由的电子和原子核（质子和中子）的形式存在的。偶尔两个质子会合并成氦核。上个世纪发展出来的大爆炸核合成（BBN）理论，以惊人的精确度预测了轻元素的比例：~75% 的氢，~25% 的氦，10⁻⁵% 的氘，10⁻¹⁰% 的锂。我们在古老的气体云中精确地看到了这些比例，这是大爆炸理论的一大成就。
大爆炸后，随着宇宙逐渐的冷却，形成了第一批的化学元素：氢、氦和微量的锂。今天，氢和氦依旧占据了98%的宇宙，它们是恒星的主要成分。更重的元素主要从宇宙射线裂变、中子星合并、大质量恒星爆炸、垂死的低质量恒星、白矮星爆炸中产生。
我们能看到的最早的光，是在大爆炸后38万年后形成的。在此之前，宇宙仍然充满了自由电子和原子核组成的等离子体，所以光无法传播到很远。复合时期，标志着宇宙冷却到足以形成第一个稳定原子的时间。在那一刻，光开始自由地传播。
在138亿年后的今天，我们接收到了来自那个时期的光，即所谓的宇宙微波背景（CMB）。当人们在上个世纪60年代第一次观测到CMB时，他们发现它是完全均匀的。在各个方向上温度都是相同的，约为2.725开尔文（K）。随着观测技术的进步，科学家陆续发射了不同的卫星，比如COBE、WMAP和PLANCK，来收集这些最古老的光。
当测量越来越精确时，他们发现了万分之一的微小变化。CMB上不同颜色的斑点，代表着温度的差异。有些地方较热，有些地方较冷。CMB的温度变化反映了物质原始密度的微小变化。随着时间的推移，在引力的作用下，这些物质的涨落会增加，密度越高的区域会变得越密集，也就形成了星系、恒星和行星。
BBN和CMB的成功，使大爆炸理论在所有其他理论中脱颖而出。但是，这个简单的结构形成图景却有一个问题。让我们来思考一个现在观测者的过去光锥：
这张图显示了在宇宙大爆炸初始奇点时刻与宇宙微波背景辐射（CMB）的最后散射时刻（即复合时期），光锥是如何与恒定时间的空间表面相交的。在最后散射面上的A、B两点被分开180度，也就是天空中相反的两个点。这两个点又有各自的过去光锥。
大爆炸奇点和最后散射之间的时间，要远远比最后散射和今天之间的时间小的多。从图中可以清晰地看到，A和B两点的过去光锥并没有交集。但是时空区域只有在光锥重叠时才会交换信息，这意味着A和B从来没有因果接触：这同样适用于在CMB上分开两度以上的两个点。
由此看来，CMB是由许多因果不相连的区域组成的。但我们所观测到的CMB的温度，却几乎是完全一致的！天空中两个相隔非常遥远、从未接触的点，为什么会有相同的温度？是谁告诉了这些独立的区域可以拥有相同的温度？这个令人困惑的问题叫做视界问题。
如果我们能够设法使奇点和最后散射之间的有效时间，大于最后散射和现在的有效时间，那么视界问题就会得到解决。换句话说，如果在传统大爆炸之前，还有更多额外的时间：
有效时间称为“共形时间”。奇点和复合之间的物理时间总是38万年。但与视界问题相关的是共形时间。这样一来，CMB中的任何一点的过去光锥都会重叠，而整个CMB就会起源于一个因果相连的空间区域。那么，CMB的均匀性就有了一个因果解释。
能够做到这一点的物理过程，被称为宇宙暴胀。在暴胀期间，宇宙会呈指数式的膨胀。如果暴胀持续的足够久，CMB中相反的区域，就会在宇宙初期时靠的足够近，所以它们之间就是有“交流”的。由于暴胀的原因，可观测宇宙起源于一个比传统大爆炸的简单推断要小得多的空间区域：以物理时间来衡量，暴胀只持续了10-34秒。
暴胀理论不仅解决了视界问题，它还解释了传统大爆炸理论无法回答的其他问题。例如，为什么宇宙是如此平坦？为什么在今天的宇宙中没有发现磁单极子？或者是其他的高能粒子？
暴胀期间的量子涨落会产生微小的不均匀性。因此，在宇宙存在的最初时刻，就已经种下了形成星系、星系团和CMB温度各向异性的原始种子。对暴胀假设的一个关键检验就来自对CMB涨落的统计的研究。
不仅如此，暴胀理论还作出了许多可检验的预言，其中一个最受瞩目的预言是原初引力波。这是宇宙诞生时产生的时空波动，它会在CMB中留下独特的信号。如果有一天能够发现原初引力波的信号，那无疑将是宇宙学史上最伟大的发现之一。
在暴胀提出的几十年间，一直是非常成功的科学理论。直到2017年，有一些科学家开始对暴胀理论发起了猛烈的挑战，引发了一场巨大的辩论。如今，这场“战争”仍在继续。
暴胀对于宇宙是个好东西。如果这就是它的全部故事，那么微波辐射在四面八方都会是一样的。那么这微小的差异来自何处？1982年，我写了一篇论文，提出这些差异源自于暴胀时期的量子涨落。发生量子涨落是不确定性原理的结果。此外，这些波动是形成宇宙中的星系、恒星和我们的种子。——霍金
在这100多年中，我们的宇宙观发生了天翻地覆的改变，我们不断地在拓宽我们的知识边界。当我们抬头仰望星空时，有的人看到了流星划过，有的人看到了星星间的遥相呼应，有的人则看到了未知。
宇宙中充满了谜题，而身在其中的我们，怎么可能会对它不好奇，不去探索呢？在几十光年外的外星世界中，是否酝酿出了生命？甚至演化出了智慧生命？在数千光年外，两颗共舞的白矮星，隐藏着哪些不为人所知的秘密？在数亿光年之外，中子星合并产生的引力波，是否能够解决宇宙中的最大的矛盾：宇宙膨胀的究竟有多快？
在100多亿年前，第一批恒星点亮了宇宙，但是它们在哪里？它们形成的确切时间是什么？......
上图是一幅可观测宇宙的对数图，我们需要知道的是，这些我们可以看到行星、恒星、星系等，仅仅占据了宇宙的5%，而另外95%完全是个谜！其中26.6%是暗物质，68.4%是暗能量。
今天，我们之所以能够在这里发问，是因为在宇宙诞生的一秒后，物质在一场湮灭大战中战胜了反物质，才使我们的存在成为可能。但我们并不知道为什么会发生这样的事情。而不断地追问、探索，或许就是我们存在的意义。
扩展阅读：
http://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/concepts/cosmology.pdf
https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-inflation-theory-faces-challenges/