宇宙的漣漪

宇宙正向人類展現出它越來越光怪陸離的本質，而實際上，人類目前所探測的日月星辰，只佔到宇宙中總能量的5%左右，還有更多的暗物質和暗能量，它們的本質仍然是宇宙學最深刻的迷。

創立於2002年的邵逸夫獎（The Shaw Prize）在授獎領域似乎不願意與諾貝爾獎完全重合，從2004年起，它每年都會在數學、醫學和天文學三個領域授予有傑出成就的科學家。2014年，來自哈佛大學的丹尼爾·愛森斯坦（Daniel Eisenstein）、杜倫大學的肖恩·科爾（Shaun Cole）和愛丁堡大學的約翰·皮考克（John Peacock）三位天文學家獲得了當年的邵逸夫天文學獎，以「表彰他們在測量星系大尺度結構特征上的貢獻，這些測量包括重子聲波振蕩和紅移空間扭曲，這些測量結果可以對目前的各種宇宙模型做出更嚴格的約束」。不僅如此，隨著宇宙學實驗觀測對於此前理論學家預測的證實，一個宇宙學新的研究方向開始吸引越來越多人的關注。

2014年邵逸夫獎獲得者：（左起）杜倫大學的肖恩·科爾，愛丁堡大學的約翰·皮考克和哈佛大學的丹尼爾·愛森斯坦

想象在一個寧靜的水池中投下一顆石子，它會在水面上形成一個圓形的漣漪向外擴散，這是波在水面上的傳播。假設這時有著漣漪傳播的水面忽然結凍，那麼漣漪的形狀也就將被固定在冰面上，它將記錄下在結凍前的水面的狀態。這個情形有些類似於宇宙的演化過程。在宇宙大爆炸發生了大約37萬年之後，宇宙的整體溫度開始急劇下降，宇宙的整體性質開始發生改變，猶如水面忽然結凍，此時宇宙中的質子可以開始與電子結合，形成中性的氫原子，之後逐漸停留在了原處，而後又會因為受到了暗物質的吸引而聚集，光子則以光速逃脫，而在宇宙暴漲過程中所形成的宇宙結構和因為物質的壓力而產生的漣漪也就此被保存了下來。

在宇宙大爆炸的初期，整個宇宙都處在極小的范圍內和極高的溫度條件下，不可能形成中性原子，光子、電子和質子只能是以等離子體的形式存在，類似於一種液態的「離子湯」，在這種條件下，量子效應佔主導地位。隨後在宇宙暴漲過程中產生的擾動使液態宇宙中的物質密度有所不同，在其中高密度的區域由於光子和重子（質子和中子）之間的耦合作用會產生向外的壓力，因而向外擴張，這些區域在向外擴張的過程中造成內部壓力減小，隨後又要反過來受到周圍相對高壓區域的擠壓，這個過程實際上就是一種波動，它傳播的方式非常類似於聲波，這種「聲波」，此前就被理論學家們預測存在，被稱為「重子聲波振蕩」。

重子聲波振蕩之所以可以在宇宙中以類似於聲速的形式傳播，原因就在於質子、電子和光子之間存在很強的耦合作用，物質完全電離，可以在整體上被當作是一種流體來處理，在其中聲波的傳播速度可以達到驚人的光速的58%。而隨著宇宙的膨脹，溫度急劇降低，重子與光子「去耦」，聲波傳播的速度也開始急劇降低，猶如被瞬間冷凍，而它傳播的距離就被稱為聲視界。

2005年，在美國新墨西哥州的阿帕奇波因特天文台（Apache Point Observatory）執行斯隆數字巡天（SDSS）項目的2.5米廣角光學望遠鏡花了5年時間，對宇宙中22萬個星系進行探測，終於探測到了宇宙中重子聲波振蕩的圖形，同年，英國和澳大利亞合作進行的2度視場星系紅移巡天（2dFGRS）項目也確認了這個結果，宇宙的漣漪首次向人類展現了出來。

在如此廣博的宇宙中呈現出的大尺度結構，實際上是在宇宙的幼兒時期，由其內部的量子擾動現象造成的，因此，研究宇宙的大尺度結構，不僅可以了解剛剛誕生時的宇宙狀態，還可以借此加深對基礎物理學的理解，這種實驗是在地球上絕對無法完成的。

在近年來各種各樣的宇宙學研究中，宇宙學家們最重要的一個任務就是結合理論模型和各種實驗觀測的方法，構建出一個可觀測宇宙物質分布的大尺度地圖，這就需要宇宙學家在繪制宇宙地圖時有一把可以參照的「尺子」來測量出宇宙中各個遙遠天體之間的距離，以Ia型超新星為基准的「標准燭光」可以作為參照，而重子聲波振蕩產生的漣漪，在它產生了100多億年之後，也可能成為宇宙學家手中的一把「標准尺規」，這對於宇宙學研究有著更為深遠的作用。

在宇宙的大尺度下，因為早期的重子聲波振蕩造成宇宙中物質密度的不同，構成了宇宙中一圈圈的漣漪，如今，從極大的尺度來看，宇宙中的各個星系在漣漪的影響之下形成了極為微弱的圓圈，但是如何才能得到這種宇宙中圓圈的尺度？這就需要宇宙學家們利用各種模型進行估算。根據對於宇宙微波背景輻射（CMB）的測量數據，一些宇宙學家建立了宇宙早期等離子體的模型，從而估算出這個圓圈的尺度大約為4.5億光年，這正是宇宙尺規的尺度，它記載著宇宙膨脹的歷程。

2014年12月12日，帝國理工學院、巴塞羅那大學、哈佛大學和奧斯陸大學的幾位宇宙學家在《物理評論快報》（PRL）上發表論文《來自低紅移宇宙的標准尺規、標准燭光和標准鐘表》（Standard Rulers，Candles，and Clocks from the Low-Redshift Universe）。這幾位天文學家僅僅通過宇宙的低紅移數據，對宇宙的特性做了一些基本的假設：假設宇宙的各向同質性，宇宙的膨脹歷史是平穩的，並且在宇宙中存在標准燭光和標准尺規，在此基礎上獨立建立了一個新模型，對於重子聲波振蕩的大小和宇宙膨脹的速度進行測量。與以往通過數學模型進行估算不同，這次天文學家們得到的數據是建立在幾個宇宙基本假設之上的實際測量數據，因此更為值得信任，而論文中講述測量的結果顯示，它與目前宇宙學模型所估算的尺度相吻合。

論文的作者們認為，在光子和重子（質子和電子）「去耦」（Decoupling）之前，取決於聲波振蕩在早期宇宙中的傳播速度和宇宙膨脹的速度，通過實際測量宇宙中重子聲波振蕩的尺度，人們就可以獨立於任何數學模型，建立起宇宙中的「標准鐘表」，人們可以因此更詳細地了解在宇宙誕生早期的細節，同時，結合低紅移測量數據，就可以對目前的很多宇宙模型進行約束。

人類的宇宙學研究正在進入一個嶄新的時期，宇宙學家們逐漸找到了越來越多的手段對宇宙的歷史和現狀進行探測，「標准尺規」正是其中之一。宇宙正向人類展現出它越來越光怪陸離的本質，而實際上，人類目前所探測的日月星辰，只佔到宇宙中總能量的5%左右，還有更多的暗物質和暗能量，它們的本質仍然是宇宙學最深刻的謎。