宇宙之謎：只剩下為數不多的細節

當地時間2013年3月21日，歐洲航天局公布了普朗克空間望遠鏡在15個月內拍攝的圖像。這些圖像可證明宇宙起源於大爆炸的理論，但圖像也包含了與宇宙學標准模型的一些成分相抵觸的細小差異，例如被認為激發了大爆炸的「暗能量」比以前所知的要少。 圖為普朗克衛星與上一代衛星WMAP探測結果的精度對比。圖片來源：歐洲空間局

沒有什麼謎語比寫在天上的更加巨大了。我們的宇宙存在了多長時間？它由什麼組成？宇宙中的結構是怎麼一步一步地形成的？這些不同的能量成分的起源是什麼？最後，時間和空間的本質是什麼？

最近歐洲航天局的普朗克衛星讓我們更加接近了這些巨大謎語的答案。

最近十年來，宇宙學家掌握的宇宙的細節超出了過去整個宇宙學史所掌握的，幾乎可以給出一個精確的宇宙進化史，只剩下不多的細節了。各種不同的天文學觀測手段對我們的知識做出了貢獻，宇宙學家尤其喜歡談論WMAP，這是一個在太空中觀測宇宙中無所不在的射電信號的航天器。

這兩年，大家的注意力和談話內容轉移到了歐洲發射的普朗克衛星，這顆衛星的壽命雖然比WMAP短，但造價更高，能力更強。2013年3月21日，歐洲航天局和普朗克衛星科學工作組第一次發布了研究成果，全世界的宇宙學家正忙於解讀這些成果。

最初的宇宙學

哥白尼伽利略牛頓解開太陽系之謎之後，天文學家和物理學家是上世紀才慢慢解開宇宙之謎的。

哈勃等人先發現銀河系不是整個宇宙，後來，哈勃又發現銀河系之外的遙遠的天體相對我們作退行運動。哈勃用類似的方式發現了河外星系和宇宙膨脹，但他得出的宇宙膨脹速度比現在大了近十倍，這和當時測量距離的粗糙方式有關。即使測量非常不准確，但不妨礙他的定性結論的正確性：遠離我們的星系相對我們的退行速度與距離成正比。

自然，理論家總是歷史中的先知。在哈勃發現哈勃定律之前的十年，第一代宇宙學家在愛因斯坦的時空理論的基礎上發現了宇宙膨脹的規律，亞歷山大·弗裡德曼在1922年從愛因斯坦方程解出宇宙膨脹解，1927年，工程師兼神父勒梅特也發現了膨脹宇宙解，他干脆建議宇宙起源於一個原初「原子」，起源於這個原初「原子」的大爆炸。勒梅特的理論非常接近宇宙學的現代理論了。

當然，最先研究宇宙學的還是愛因斯坦，可惜他引進了一個靜態宇宙，為了這個靜態宇宙，他還引進了「宇宙學常數」，這個常數現在普遍被稱為暗能量，因為在愛因斯坦那裡，這個常數就是真空能量，在現代宇宙學理論中，這個能量可能更加復雜，不只是一個常數。它是不是常數，現在還是一個巨大的難題。

大爆炸理論

在更大的尺度上，宇宙雖然在膨脹，但天體的退行速度不嚴格遵循哈勃定律。宇宙的膨脹速度與宇宙中的能量組成有關，例如，普通物質使得宇宙膨脹的速度慢慢變慢，而暗能量會引起無所不在的斥力，使得宇宙膨脹的速度慢慢變大。當然，由於愛因斯坦的時空理論，不論在哪種情形，非常遙遠的天體的退行速度不嚴格與距離成正比，宇宙學家有一整套公式可以用來計算這些退行速度。

正是由於我們對理論的熟知，導致1990年代末發現暗能量，此時，哈勃用的造父變星已經不夠用了，天文學家用非常遙遠的超新星確定了宇宙膨脹的速度在加速！這個發現震撼了整個天文界和物理界，發現的三個主要人物在2011年獲得諾貝爾物理學獎。

在發現宇宙加速膨脹之前，物理學家早就建立了當時認為的成熟的宇宙學。這個宇宙學理論認為，我們的宇宙起源於一個發生在大約一百億年前的大爆炸。在發生大爆炸的時候，宇宙還很小，物質密度異常高，也沒有天體，只有一鍋等離子原始電漿，裡面什麼粒子都有。

這個理論是伽莫夫等人在1948年就提出來的，他們預言了幾個輕元素在宇宙中的豐度，還預言了宇宙中無所不在的射電波，後來被稱為宇宙微波背景輻射。直到1964年，這些射電波才偶然被新澤西州的一架天線接收到，接收到電波的兩位物理學家雖然打算用射電研究天文學，卻壓根沒有想到大爆炸宇宙學。

雖然伽莫夫的同伴阿爾法等人足夠先知，他們計算的宇宙微波波長還是稍稍短了些，或者說，溫度稍稍高了些，大約是5開爾文（高出絕對零度5度），實際發現的溫度是2.7開爾文，與普林斯頓大學物理學家迪吉（Robert Dicke）的計算很接近。當我們說微波輻射有溫度的時候，就是說這些微波射電就像來自一個燒熱的爐子，特點是射電在每個方向都有，而且波長有一定的分布。這些微波射電是一百多億年前發生的那場大爆炸的遺跡。

更加詳細的歷史是這樣的，當宇宙中充滿各種各樣的粒子時，光子也在其中，它們的溫度都是一樣的。這鍋電漿的溫度隨著宇宙膨脹慢慢冷卻，當溫度降低到大約三千度時，電漿中的電子和原子核就復合成原子，它們不再阻礙光子了，宇宙變得透明，那時，宇宙的大小只有現在的一千分之一，年齡大約是38萬年。38萬年與現在的年齡138億年相比，大約是兩秒鐘與一天相比。宇宙變得透明之後，物質和光子就各管各的，光子慢慢冷卻變成現在的宇宙微波背景輻射，溫度也從三千度下降到現在的2.7255開爾文。

愛因斯坦是現代宇宙學之父。圖片來源：wordpress.com

大爆炸之前還有大爆炸

當我引用2.7255這個數字的時候，其實我是在引用普朗克衛星最近發布的數據。要了解普朗克衛星到底做了什麼，我們先從這顆衛星的「祖父」COBE談起。

COBE是微波背景輻射探險者的簡稱（Cosmic Background Explorer），是美國航天局在1989年發射的專門用於探測宇宙大爆炸遺跡微波射電的衛星。這顆衛星早在1977年就計劃發射了，這比我上大學還早了一年，1981年開始制造，也比我大學畢業讀研究生早了一年，但它探測的科學結果要等到1992年才能得到，那時，我已經在加州大學做博士後了。

美國人為什麼制造和發射這顆衛星?其實，在制造這顆衛星的前一年，宇宙學家阿倫·古斯提出了一個異想天開的理論。他覺得，宇宙微波背景輻射在我們能夠看到的巨大的宇宙中的均勻性需要一個理由，而這個理由不包含在宇宙大爆炸理論中。在宇宙大爆炸之前，應該還有一個更大的爆炸，持續時間非常短，比任何不穩定基本粒子的壽命都要短，比如說，大約只持續了10^-34秒或稍長，在這個不可思議的短時間之中，宇宙的大小膨脹了至少10²⁶倍。由於這種巨大的膨脹，即使宇宙本來不均勻，膨脹之後也變得均勻了。

這個理論上的極短時間叫做暴漲期，它解釋了宇宙為什麼是均勻的。當然，雖然微波背景輻射很均勻，宇宙的其他能量如物質並不均勻，我們能夠看到太陽系以及其他無數顆恆星，由上千億顆恆星組成的銀河系以及類似銀河系的其他星系，這些結構是怎麼來的？非常好玩的是，在COBE的建造過程中，物理學家用古斯的理論做了計算，發現暴漲期正好也可以解釋這些結構的起源，同時還預言了微波背景輻射有微小的不均勻性。

COBE發現了微波背景輻射的不均勻性，這些微小的不均勻性非常小，只有十萬分之一左右，這就像我們坐在飛機上看大海，大海的表面基本上是平的。COBE的發現非常重要，它暗示宇宙在大爆炸之前還發生過更加不可思議的大爆炸，後來的大爆炸只不過是更加劇烈爆炸的延續。COBE的發現後來在2006年被頒發了諾貝爾物理學獎。

更多的細節

COBE帶來的成功鼓舞了美國的物理學家和天文學家，緊接COBE的成功，他們在1995年建議再發射一顆衛星，目的還是探測微波背景輻射的不均勻性。

為什麼還要發射一顆？這是因為，既然微波背景輻射在宇宙只有38萬年大的時候就存在了，它一定含有宇宙歷史的重要信息，既然它的不均勻性是宇宙在開端的極短時期留下的，它同時也帶著宇宙起源的信息。COBE雖然發現了不均勻性，但數據實在粗糙，就像一張聚焦不好的嬰兒照片，我們從照片可以判斷這是個嬰兒，但我們還說不好他到底長得如何，所以要再發射一顆性能更好的衛星去拍一張更加清晰的照片。

當然，拍照片只是一個比喻，真正的觀測要復雜得多。COBE的繼承者叫WMAP，與COBE不同的是，它遠離地球達150萬公裡（比月亮遠多了，月亮距地球的平均距離是38萬公裡）。這顆衛星2001年發射，經過一個復雜的路徑旅行了三個月到達了指定地點。與這顆衛星有關的科學家小組非常努力，幾個月之內就分析了衛星傳回來的第一年觀測數據，在2003年2月就發表了科學結果，從此，很多宇宙學家就圍繞WMAP衛星的結果工作了將近十年，包括我自己。我在2003年6月就發表了一篇理論論文，解釋其中的一個觀測結果。WMAP的有效觀測時間長達9年，幫助我們弄清了很多宇宙歷史的細節。

前面我們提到，WMAP衛星被送到遠離地球150萬公裡的地方，為什麼要這麼遠？因為，我們希望WMAP能夠精確測量宇宙微波背景輻射的微小不均勻性，這就需要排除很多干擾，特別是來自太陽的干擾。如果衛星能夠在地球的掩護下繞著太陽運動，並且與地球同步，這個目的就容易達到。正好，在離地球150萬公裡的地方，有這麼一個點，在那裡，衛星可以與地球同步繞著太陽轉，同時躲在地球的後面。COBE因為在地球軌道上運轉，測量精度也不算高，花費只有數千萬美元，而WMAP的花費達到一億五千萬美元。

普朗克衛星證實了宇宙「邪惡軸心」和大暗斑的存在。「邪惡軸心」是指，宇宙微波背景輻射的平均溫度在某個半球（曲線左上側）要比另一個半球（曲線右下側）略低一些，而「標准模型」預言，不論朝任何方向看去，宇宙都應該大致相同才對。南半球還有一塊冷斑尺度遠遠大於預期（右下圈出部分），同樣無法用「標准模型」來解釋。圖片來源：tumblr.com

更精確的結果

歐洲航天局也早在1990年代就准備造一顆類似WMAP的衛星，用著名物理學家普朗克命名，在WMAP的觀測進入尾聲的時候發射。這顆衛星最後造價達到空前的七億歐元，在2009年發射。

普朗克從2009年8月開始掃描全天空的射電信號，包括古老的微波背景輻射，來自我們銀河系的射電，河外活動星系核發出的射電以及紅外光，我們的太陽系中各種天體的射電輻射。歐洲人的技術完全超出了我們的想象，本來他們計劃讓這顆衛星的全波段掃描工作一年半，結果工作時間是預期的時間的兩倍多。2012年1月13日，衛星上用於冷卻的氦3才被用完，一些觀測不得不結束，現在，這顆衛星還在用不需要高度冷卻的低頻部分觀測。

剛剛公布的結果證實了WMAP的觀測，精度更高了。例如，宇宙年齡是138億年，組成恆星、星系和星系間的物質佔4.9%，而更多的則是看不見的暗物質，佔26.8%，導致宇宙膨脹加速的暗能量佔68.3%，而我們用來分析宇宙史的微波輻射僅僅佔總能量的萬分之一不到。以上這些數字都與WMAP給出的數字稍有不同，我們不能小看這些些微的不同，也許，結合其他天文觀測手段，新數字將會給我們帶來意想不到的結果，例如，也許暗能量像其他宇宙中的能量組成一樣，是變化的。

「邪惡軸心」

是不是可以說，普朗克衛星除了更加精確，並沒有任何新的發現呢？當然不能這麼說。普朗克衛星似乎確定，宇宙存在一個「邪惡軸心」。在這個邪惡軸心的兩邊，宇宙微波背景的漲落稍有不同，難以用宇宙學家設計的「標准模型」來理解。另外，在南半球，似乎存在一個大冷斑，同樣無法用「標准模型」來解釋。魔鬼在細節中，對這些反常細節的研究，或許將揭示關於宇宙更加驚人的秘密。

我總覺得，「邪惡軸心」存在的理由，一定超出了即使是宇宙學家的想象力，而給科幻作家提供了素材。

普朗克衛星剛剛公布了15.5個月的觀測結果，它的全波段觀測用了29個月，所以還有一半的數據等著分析。另外，對於宇宙學專家們更為重要的是，普朗克還沒有公布對射電信號偏振的分析，這些分析可能會告訴我們在那個極短的暴漲期宇宙到底發生了什麼。