探寻宇宙的婴儿期——纪念广义相对论发表100周年和宇宙

□ 萧耐园

探寻宇宙的婴儿期
——纪念广义相对论发表100周年和宇宙

□ 萧耐园

爱因斯坦的《广义相对论》论文发表于1915年12月2日，今年将迎来论文发表100周年。英国物理学家狄拉克盛赞广义相对论，说它“也许是人类做出的最伟大的科学发现”。广义相对论为现代宇宙学的发展奠定了基础，革新了人类对时空关系的认识，掀开了科学史上新的一页。今年也是宇宙微波背景辐射发现50周年。1965年宇宙微波背景辐射的发现在天文学史上具有重要意义，这一发现被誉为20世纪60年代射电天文学的四大发现之一，成为射电天文学发展史上的光辉一页。意义更加深远的是这一发现极大地推动了现代宇宙学的发展，使大爆炸宇宙模型跃升为标准宇宙模型，成为现代宇宙学的的主流学说。

第一个具有现代科学意义的宇宙学解——爱因斯坦静态宇宙模型

现代宇宙学在20世纪诞生、发展和完善，它对于传统的宇宙观念实现了革命性的突破，使得人类破天荒地对整个宇宙有了全面而深入的科学认识。现代宇宙学植根于20世纪全新的物理学理论和以新技术为基础获得的许多新的观测事实。在主流学说发展的过程中，时时呈现其他许多不同观点和学说与之针锋相对地斗奇争胜，甚至出现各擅胜场的局面。现代宇宙学的开创者是伟大的物理学家爱因斯坦。他所创立的广义相对论不仅成为现代宇宙学说的理论基础，而且提出了全新的时空观念。

如果宇宙是静态的，而且在每一方向都是无限的，那么每根视线都会终结于一个恒星上，这就使得夜空和太阳一样明亮。这意味着宇宙不能以我们今天看到的状态存在了无限久的时间。过去一定发生过某些事情，使得恒星在有限的过去时刻点亮，而那些非常遥远的恒星的光线尚未到达我们这里。因此，夜空并不在每一个方向发光。

膨胀宇宙模型的提出。1922年，弗利德曼提出了宇宙在膨胀的假设。1927年，勒梅特发表了爱因斯坦场方程的一个严格解，并由此进一步指出宇宙是膨胀的，最初起源于一个“原始原子”的爆炸。这个原始原子是只比太阳大30倍左右却含有我们今天所见宇宙中全部物质的球。这个球像一个不稳定原子核的裂变那样发生爆炸而创造了膨胀的宇宙。1929年，埃德温•哈勃通过观测发现从地球到达遥远星系（galaxy）的距离正比于这些星系的红移（redshift），这一膨胀宇宙的观点也在1927年被勒梅特在理论上通过求解弗里德曼方程而提出，这个解后来被称作弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。哈勃的观测表明，所有遥远的星系和星团在视线速度上都在远离我们这一观察点，并且距离越远退行视速度越大。如果当前星系和星团间彼此的距离在不断增大，则说明它们在过去的距离曾经很近。从这一观点物理学家进一步推测：在过去宇宙曾经处于一个极高密度且极高温度的状态——奇点。

1915年爱因斯坦发表了广义相对论，导出了引力场方程来描述空间状态。1917年爱因斯坦将引力场方程应用于整个宇宙，希冀建立现代意义上的宇宙模型。为求解方程，他提出了“宇宙学原理”作为基本假设。这个原理认为，就大尺度（以10亿光年计）来看，宇宙物质的分布是均匀的和各向同性的。宇宙学原理的假设符合观测实际，而且它成了现代宇宙学说共同遵循的基本原则。引力场方程中只有引力，没有斥力，爱因斯坦以近似方法求解引力场方程，无法求得静态解。但是当时的传统观念认为宇宙是静止的，爱因斯坦为了得到静态解，在方程中人为地加入了一个“宇宙常数”项，等效于斥力，以抗衡引力，从而获得了一个有限无边，也没有中心的均匀的静态宇宙解，称为爱因斯坦静态宇宙模型。

苏联数学家弗里德曼用严格的数学方法重新求解了爱因斯坦引力场方程，并未人为地引入宇宙常数项。1 922年，得到1个静态解以及3个均匀和各向同性的通解。这个静态解是不稳定的，只要有小扰动，就会雪崩式地膨胀或收缩，因而宇宙实质上不可能保持静态。这3个通解都反映了宇宙是膨胀的。与这种解对应的宇宙称为弗里德曼宇宙模型。

随着河外星系退行的发现，人们认识到宇宙事实上是在膨胀。比利时天文学家勒梅特结合星系退行现象，重新研究了弗里德曼宇宙模型，在理论上确立了大尺度宇宙空间随时间膨胀的概念，把河外星系的普遍退行解释为宇宙膨胀的结果，提出了勒梅特宇宙模型。起初，爱因斯坦即使承认勒梅特论文的数学证明无懈可击，但也不愿放弃静态宇宙的观念。然而，爱因斯坦和勒梅特在20世纪30年代早期参加了一系列国际会议，他们能够经常交换意见。爱因斯坦终于被说服。1935年，在普林斯顿勒梅特作了一次学术报告，爱因斯坦站起来鼓掌，有人听见他这么说：“这是我从来没有听过的关于创世的最优美和令人满意的解释。”

爱因斯坦的静态模型被否定了。爱因斯坦本人也放弃了宇宙静止的观点，后悔在引力场方程中引入宇宙常数项，认为这是他一生中最大的错事。尽管如此，爱因斯坦静态宇宙模型仍被认为是第一个具有现代科学意义的宇宙学解。

始料未及的揶揄者——“宇宙大爆炸”理论的流行

1929年，哈勃定律发现后，弗里德曼宇宙模型和勒梅特宇宙模型受到广泛重视。1931年，勒梅特在《自然》杂志上发表题为“关于原始原子的假设”的论文，又进一步提出宇宙由一个高温、极密的“原始原子”开始膨胀的宇宙起源理论。他设想几十亿年之前，从虚无之中，出现一个光芒四射的微小颗粒，几乎无限炽热和致密，在这个火球里是整个空间。而且随着空间的产生，时间也诞生了。这个原始火球的能量无限密集，或者说起初的宇宙内都是以辐射（光子）形式存在的能量，以后物质自发地从其中开始出现。事实上，爱因斯坦曾预言能量可以转化为物质，反之亦然。但是勒梅特未能阐明原始原子如何形成，也未进一步说明物质产生的过程，即宇宙如何进一步演化而成为现今的状态。不过他的假设成了现代大爆炸宇宙学的出发点。

勒梅特的假设提出以后，许多学者对之抱怀疑甚至鄙弃的态度。更有一些天文学家提出了自己的宇宙理论，其中有的曾广泛长期地流行。如英国天文学家霍伊尔等于1948年提出稳恒态宇宙学，直到20世纪60年代，这个学说的气势还盖过了大爆炸宇宙学。霍伊尔对勒梅特的设想不以为然，以揶揄的口吻嘲笑这个设想为“大爆炸”（Big Bang）。使霍伊尔始料未及的是，他的揶揄反而使勒梅特的理论以这个名称广为流传，以后也以这个名称而发展。

20世纪40年代起俄裔美国物理学家伽莫夫研究了宇宙大爆炸。他假设宇宙的历史可以追溯到其温度为1 00亿开（“开”是绝对温度的温标，1开的标度与1ºC的标度相等，0开相当于－273.15ºC）以上的时期。在这么高的温度下，粒子的热碰撞足以使原子核瓦解，也就是说这时宇宙中的粒子只能以质子、中子、电子等形态存在，因而没有各种元素。他认为与星系等宏观性结团一样，原子核作为微观性结团，也只能是宇宙演化的产物。随着宇宙的膨胀，温度持续下降，微观性结团就有可能。1948年，他与他的学生阿尔弗撰写了一篇论文“化学元素的起源”，文章从考虑宇宙曾经处于高温和极密状态出发，提出在宇宙最初3分钟内，温度下降到10亿开，这样的高温足以导致核反应极快地发生，质子和中子结合成核子数较少的原子核，包括氢的同位素氘（一个质子和一个中子）、氚（一个质子和两个中子）、氦（两个质子和两个中子）及其同位素氦3（两个质子和一个中子）以及极少量的锂和铍。于是各种轻元素被合成，这被称为元素生成理论。在上述核合成过程中，宇宙依然在膨胀，温度依然在下降，所以核合成过程不会长久持续。实际上到宇宙年龄约1小时时，温度下降到约1亿开，宇宙早期的核合成就完全结束了。文章发表时与美国核物理学家贝特一起署名，由于这样的署名，这篇论文的内容又被称为α β γ理论。这是相当成功的理论，合理地解释了氦的宇宙平均丰度高达25%的事实。它的提出为关于宇宙起源的大爆炸学说奠定了坚实的理论基础，为以后的发展开创了理论探索的先河。伽莫夫还预言现今宇宙应有大爆炸残留下来的背景辐射。这就是说，宇宙在大爆炸初期的极高温，随着宇宙的膨胀而不断降低，到现在整个宇宙还残留下很低的背景温度。

阿尔弗和物理学家赫尔曼，深入探讨伽莫夫的这个预言，认为时至今日，剩余辐射还可能以低强度的微波背景被探测到。就在当年，他们从理论上推导了一个计算宇宙背景辐射温度的方程式，他们求得当前温度约5开。方程式中包含一些参数，当时这些参数没有像现在这样准确，如果把现在所测定的各个参数代入公式，背景辐射温度应是2.,开。

原来，在宇宙相当年轻时，它的温度极高，所有原子都被离解。宇宙是由原子核和自由电子组成的等离子体。自由电子特别容易散射辐射（即光子），这就是说光线不能传播很远就遇到电子的散射，当时的宇宙是不透明的。随着宇宙膨胀，密度下降，温度也下降，于是达到了温度低于3000开的那一点。在较低的温度下，电子与原子核（主要是氢核即质子以及氦核即α粒子）结合形成原子。中性原子非常不容易吸收辐射，光子与实物失去了有效的碰撞，这被称为光子的退耦。这时宇宙对于辐射已经变得透明了。这个时期在大爆炸开始后的38万年，称为复合时期或退耦时期。这时的宇宙已从原来的以辐射为主，转化为以物质为主的时期。各种天体都是在退耦时期之后陆续形成的。退耦后的光子被称为背景光子，它是一种很冷的光子气体，产生了伽莫夫以及阿尔弗和赫尔曼所称的背景辐射。如果能探测到这一背景辐射，那就意味着“看到”了宇宙38万年时的景象。若把现在年龄为138亿年的宇宙，看作100岁的老人，那么38万年的宇宙相当于刚刚出生1天的婴儿。

如果没有节目, 电视屏幕上“嘶嘶”地闪着雪花，这再普通不过的雪花噪音竟包含来自138亿年前宇宙大爆炸的遗物——微波背景辐射。微波背景辐射其实就在我们身边，当然肉眼是看不到的。电视机通过天线接收的电磁波中，有1%来自微波背景辐射。这种电磁波对人体健康没有影响，而且随着宇宙的膨胀，力量越来越弱，温度越来越低，但它不会消失。微波背景辐射高度各向同性意味着在年龄为38万岁时宇宙物质分布是高度均匀的，这个特征强烈支持了宇宙学原理和大爆炸宇宙学。

这个背景辐射绝大部分落在电磁波谱的射电和红外部分，信号十分微弱。很长时期里探测技术都难以实现有效的测量。何况在那个时代稳恒态宇宙论还有很广泛的影响，这样人们就没有多少动力去实现这个困难的测量任务。所以，在1948年以后的十多年里，没有人认真研究这个问题。

无心插柳——“看到”了宇宙38万年时的景象

彭齐亚斯、威尔逊和他们使用的喇叭形接收天线

1960年贝尔电话公司为了执行通信卫星计划，在美国新泽西州的霍尔姆德尔的克劳福德山上建造了一台口径6.1米、长15.2米、总重18吨的巨型号角形反射天线，用来接收“回声”号卫星上反射回来的信号。这台天线的重要特点是频带比较宽又不受来自周围无线电波的影响，并能排除来自地面的干扰。但是过了几年，通信卫星升空，这台天线就失去了作用。1963年，美国射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊申请利用已弃置的这台号角形天线作射电源的测量，获得批准。他们研制了一台波长为7.35厘米的以液氦制冷的低噪声微波放大器。1964年7月至1965年4月，他们开展了测量，对测量中的各种噪声源做了仔细的筛选，惊讶地发现有一种相当于天线温度3.5开不明其来源的噪声，天线温度是射电天文学上定义的参数，用来衡量从一辐射源进入天线系统的信号强度。这种噪声也相当于温度3.5K的黑体的辐射。他们发现有一对鸽子在天线里筑窠，里面落满鸽粪。两位科学家穿上白大掛亲自进去扫除了这些令人讨厌的鸽粪，但仍无济于事。经过后来更加仔细的测量，他们进一步发现这种噪声极为均匀地分布于整个天空，既不随昼夜交替、也不因四季更迭而改变。他们做了多方面的仔细分析，认为这种额外的噪声信号不可能来自仪器或地面，也不可能来自地球的大气层或银河系的晕圈。最终他们得出结论，探测到了来自宇宙空间的一种辐射，但是不明白这究竟是什么。

话分两头，到了1964年，苏联的泽尔多维奇、道洛希凯维奇和诺维柯夫，英国的霍伊尔和泰勒以及美国的皮伯斯等人又各自独立地研究了宇宙背景辐射问题。他们证明，现在宇宙中应当残留有绝对温度几开的微波背景辐射。这些工作把对这种辐射的探测提上了日程。

美国普林斯顿大学的物理学家迪克十分清楚，如果能由射电天文方法实际测量到这种辐射，将是对大爆炸学说的关键性支持，意义将是非凡的。于是就在1964年迪克和他的同事劳尔以及威尔金森决定研制一架专用的射电设备以探测这种来自宇宙的背景辐射。他们设计制造的设备是一台角锥状喇叭天线，配有高灵敏度、低噪声的接收器，工作波长为3.2厘米。但是他们的全部装置还没有完成，就得知贝尔公司的科学家已经探测到宇宙剩余温度所表现的微波辐射。

他们来到霍尔姆德尔，认定彭齐亚斯和威尔逊测得的3K微波背景辐射就是大爆炸的余辉。于是两个科学小组各自撰写了“宇宙黑体辐射”和“4080兆赫处额外天线温度测量”两篇论文，发表在1965年第142期的美国《天体物理学杂志》上。1965年12月迪克小组的仪器建成，完成了在3.2厘米波段的观测，证实了彭齐亚斯和威尔逊的发现。之后有人在1毫米直至70厘米的射电波段上进行广泛的测量，又有人在红外的多个波段上进行了观测。观测结果一致证实，这种微波背景辐射确实是有着相当于3K温度的黑体辐射的频谱。微波背景辐射的发现被科学界公认为是继1929年哈勃定律问世以来，天体物理学上的又一重大突破，直接证实了大爆炸宇宙学的预言，是大爆炸宇宙学的重要观测证据。从此以后大爆炸宇宙学受到普遍重视，被誉为标准宇宙模型，并随着理论研究的不断深入和观测事实的不断丰富，成为宇宙学中的主流学说。正因为如此，彭齐亚斯和威尔逊荣获1978年诺贝尔物理学奖。

目睹上帝的脸——发现宇宙背景辐射的各向异性

微波背景辐射的发现的确是对大爆炸学说的有力验证，但是不久就暴露出一个问题：它实在是太均匀了。早期的测量显示，不论你向天空哪方看去，背景辐射的温度到处一样。可是大爆炸学说预言，只要宇宙是在一次巨大的爆炸中诞生的，早期宇宙中的物质的分布应该是不均匀的，就像爆炸中四散飞溅的碎块，因而背景温度也应有起有落。均匀的背景辐射标志着大爆炸火球也极度均匀，这看来是不可能的。还有更糟的是，如果辐射是极度均匀的，整个标准模型将难以立足，因为要是真的没有些许不均匀性，没有些许物质稍显稠密的星星点点，那么也就没有恒星和星系赖以生根发芽的种子，以至于我们人类也不知从何而来。

宇宙微波背景辐射有时也会被称作是大爆炸的余辉，均匀地分布于整个宇宙空间。宇宙诞生后大约3 8万年，随着宇宙膨胀，温度逐渐降低，冷却至3000K，这种温度足以让电子在高度活跃的状态下依附在原子核内形成原子物质。这产生了可见范围附近大量的光子流，充满了早期宇宙，空间第一次开始变得透明。随着宇宙和太空自我膨胀，这些光的波长被拉伸至微波范围，从而变成宇宙微波背景辐射（CMB）。

这幅图片显示了宇宙中最古老的光线，记载了宇宙各个不同方向上古老光子的强度，即各方向上宇宙138亿年前的长相，即成功看到了全天早期宇宙的“脸”，这是迄今为止人类所获得的最精确的“宇宙微波背景辐射”图像，几近完美地验证了宇宙标准模型。

原因在于所有上述在地面上开展的初步探测都精度太低，导致这些结果都显示辐射是均匀和各向同性的。好比一张婴儿的照片，由于底片的分辨率和灵敏度都太差，拍到的脸只现出白茫茫的一片，哪儿有甚至于是否有眼耳鼻嘴都无从知晓。那么事实是否如此呢？还需进一步探测。20世纪70年代中期，两位年轻的美国天体物理学家斯穆特和马瑟提出了关于宇宙微波背景辐射各向异性的探测项目。从1 981年开始美国宇航局专门研制了一颗卫星，用来对它作全波段（从微波到红外）的精确测量。1 989年宇宙背景探测（Cosmi c Background Explorer，简称CO BE）卫星发射升空。

1992年4月，COBE卫星的精确测量结果公布于世，显示宇宙背景的温度为2.725开，而且还发现了宇宙背景辐射具有十万分之一的各向异性起伏，也就是说宇宙的某些地方温度比平均温度略高约十万分之几开。现在的这张婴儿照片，由于底片的分辨率和灵敏度都有所提高，拍到的脸已显出了眼耳鼻嘴的粗略轮廓。温度略高是由于物质密度稍高，这反映了宇宙在其婴儿期物质密度分布不均匀，这种差异小到难以置信，却有着深远的影响。所有那些密度稍高的区域正是比其周围有略大的引力，于是它们形成了引力的种子，在它们周围物质慢慢积聚，产生了第一批恒星和星系，这个过程经历了约4亿年。那些起伏是在宇宙仅有万亿亿分之一秒、个头还不如一个质子大的时候产生的量子涨落，随着宇宙膨胀而变大，如今已经成长为宇宙中最大的结构，形成了我们看到的星系和星系团，尺度最大可达上亿光年。也就是说星系、星系团等宇宙大尺度结构正是从这种不均匀的物质状态中演化诞生的。这个发现为人们显示了今天宇宙结构起源之所在。发现宇宙背景辐射的各向异性是推进宇宙大爆炸学说的又一飞跃；这个成就还开创了精确宇宙学的新时代。正由于此，斯穆特和马瑟分享了2006年诺贝尔物理学奖。国外有学者评价发现微波背景辐射各向异性的意义时说，“就像看到了上帝的脸”。就是说，这是我们所能直接看到的宇宙的最早图像。

2 001年，美国宇航局又发射了威尔金森微波各向异性探测器（W i lki nson M i crowave Ani sot ropy Probe，简称W MAP）卫星，在性能上比COBE卫星改进了许多。威尔金森是原普林斯顿大学迪克团队的成员，之所以冠以他的名字是为了纪念他为探测宇宙微波背景辐射所做出的重大贡献。由W MAP卫星测出的宇宙微波背景辐射各向异性的图像，显然比COBE卫星测出的要清晰得多。同时，天文学家建立了理论模型来计算宇宙微波背景辐射的起伏所对应的空间几何结构，发现W M AP的观测数据符合宇宙空间是平直的情况，这是从观测初步证实了宇宙空间的几何结构。这也反映了宇宙的平均密度十分接近于临界密度。临界密度是弗里德曼宇宙模型预言的一个理论值，当宇宙的平均密度等于它时，宇宙的空间结构将是平直的。这里的所谓平直，意思是宇宙膨胀将会达到一个临界值。平直性的发现也支持了宇宙暴胀理论，并证实了宇宙中除了可观测物质以外，必定存在更大量的不可见物质。分析W M AP卫星的数据，人们还获得了关于宇宙年龄和宇宙内物质和能量组成比例的新数据。

由欧洲空间局主导的“欧几里德”探测器任务，旨在发射太空望远镜对宇宙中神秘的暗能量和暗物质进行研究，给人们带来比以往任何时候都更接近揭开宇宙的一些最黑暗的秘密。新型暗能量探测器将于2020年左右发射进入轨道，定位在距离地球150万千米的“日-地拉格朗日点L2”上。

欧洲空间局与美国宇航局合作于2009年5月14日在法属圭亚那空间基地用阿里亚娜五号火箭把普朗克巡天者卫星和赫歇尔空间天文台一起发射升空。普朗克卫星实际上是一个宇宙微波背景辐射探测器，原来的名称为宇宙背景辐射各向异性卫星和背景各向异性测量卫星（Cosm ic Background Radi at i on Ani sot ropy Sat el l i t e and Satellite for M easurem ent of Background Ani sot ropi es.，缩写为COBRAS/SAM BA），在任务核准后，更改为现在的名称，以纪念德国科学家马克斯•普朗克。普朗克卫星的视野十分广阔，可以对宇宙进行全景扫描，计划要完成4次这样的扫描。这个卫星的目标是以前所未有的高分辨率和灵敏度测量整个天空背景辐射的起伏。届时，科学家就可以掌握更加完整的数据。它的探测将补全威尔金森微波各向异性探测器(W M AP)测量微波背景辐射的不足之处。

2013年，欧洲空间局公布了普朗克卫星拍摄的图片，这是到目前为止有关早期宇宙最详尽的宇宙全景图，以超清晰的细节揭示了宇宙微波背景辐射，以无与伦比的精确性提供了对宇宙标准模型的最佳证明。普朗克全景图还展示了某些前所未知的特征，可能需要新的物理学理论来对之进行解释。其中一个令人惊讶的发现便是天空两个相对半球的平均温度呈现不对称性，这不符合人们按标准模型传统上所了解的情况。

普朗克的探测成果还把宇宙年龄从137.3亿年矫正为138.2亿年，优化了构成宇宙的正常物质、暗物质和暗能量的测量值（神秘的暗能量和暗物质更多了些），现在我们了解的宇宙质能组成为：4.9%为一般的重子物质即可见物质；26.8%为暗物质，它们不辐射也不吸收光线，本质尚未确定；68.3%为神秘的暗能量，造成宇宙膨胀加速，现在人们认为它相当于爱因斯坦当初在他的引力场方程里引入的宇宙常数。W M AP和普朗克的测量，给了我们越来越清晰的宇宙婴儿的照片，现在婴儿脸上不仅眼耳鼻嘴的轮廓分明，而且细节也很清楚了。

对于物理学家和天文学家来说，普朗克的探测成果对研究暗能量和引力宇宙学显得至关重要。已经获得的探测成果可以为将来的卫星任务提供不可估量的推动力，例如欧洲空间局与美国宇航局已联手合作，将于2020年执行欧几里得探测项目。人们正满怀信心地期待着在微波背景辐射的探测上获得更加辉煌的成就。

宇宙从一次大爆炸开始到今天已经有了1 38.2亿年的历史。现代宇宙学已经成为一门相当成熟和精确的学科，它对于宇宙演化的历史，能给出言之有据的描述，其根据建立在物理学理论和大量天文观测的事实之上，其中五十年来不断精确的微波背景辐射的探测是最雄辩的证据和最坚实的支撑。

（责任编辑 张恩红）