仰望星空光阴的故事我们上次说到

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仰望星空光阴的故事。物理学家|宇宙|大爆炸|微波---

我们上次说到，四方上下曰宇，古往今来曰宙。人们仰望满天繁星的时候，不禁要问，宇宙是什么时候诞生的?诞生的过程是怎样的?今后，它又将走向哪里呢?

宇宙有生日

89年前，美国天文学家哈勃发现星系存在普遍的红移现象，也就是说，宇宙是在膨胀的。当科学界普遍接受宇宙膨胀的事实后，科学家自然会想，既然宇宙在膨胀，那么我们把时间的录像带回放，是不是宇宙会越缩越小，到达起初的一个小点。1932年，比利时天文学家勒梅特根据哈勃常数算出，这个回放的时间是137亿年。

1948年前后，出生于俄国的美国物理学家伽莫夫在前人的基础上，提出了“热大爆炸”的概念，在他的大爆炸学说里，宇宙诞生于137亿年前的一个奇点，这个奇点具有极小的尺度、极高的温度、压力和密度，大爆炸发生后的10^-43秒(普朗克时间)~1秒内，能量向外扩散，温度下降，基本粒子开始形成，四大基本作用力逐渐分离;接着的1秒到几十万年的时间内，氢原子和氦原子用了三分钟开始形成，核合成在17分钟内使氢原子和氦原子丰度逐渐稳定，接下来的几十万年，原子核与电子结合成中性原子，光子得以自由奔跑，温度下降到几千K;再经过一百多亿年的漫长演化，星系、星体、恒星、行星开始形成，宇宙背景温度降低到大约3K，我们地球上的生命在此出现。这就是我们现在看到的宇宙形态。

如今，大爆炸理论之所以能被广泛接受、成为天体物理的主流理论，是因为科学家从各个角度给出了支持它的证据。

首先，天文观测计算出的宇宙年龄与大爆炸理论相符，其次，宇宙中氢元素、氦元素丰度与大爆炸理论相当--氦形成时期，大约30%的氢通过反应形成了氦;最后，也是最重要的一个证据--宇宙微波背景辐射。

其实，大爆炸理论提出后，很多天体物理学家和高能物理学家试图想要找到这种大爆炸的遗迹。可是，真正无心插柳做成这事儿的，却是两位无线电工程师。

上世纪六十年代，美国新泽西州的两位无线电工程师彭齐亚斯和威尔逊，他们在与卫星通讯的工作中，需要用到一种号角型的天线。某天，他们发现天线无论朝向哪个方向，都能接收到一个噪声，他们考虑到各种因素，试图消除这个噪声，但这个噪声始终无法被消除，它处在大约等效于3K温度的微波波段，且无处不在。

当他们将这个发现写成一篇短短的论文公之于众之后，物理学家迪克敏锐地意识到这就是宇宙大爆炸后能量冷却下来的余烬!据说，他也一直试图用小天线寻找这个信号，可惜被两位工程师抢了先，据称他在得知消息的第一时间，对他的小组说:”We’ve been scooped!”

后来，微波背景辐射无数次地被验证，宇宙大爆炸在人们心中愈发得到确认了。彭齐亚斯和威尔逊因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

我们如何出场?--看上帝的脸色

大爆炸理论一经验证，人们心里踏实了一小会儿，紧接着，一种不安感弥漫开来--如果大爆炸的余晖真的显示出处处均匀的样子，就说明宇宙并没有哪个地方可以特殊一些，多囤积一些物质聚集起来，那么星体、星系从哪里来?现在看文章的你和写文章的我又是从哪里冒出来的呢?可事实是，太阳存在、地球存在、你和我都存在，显然，宇宙需要一些种子，让一切不均匀起来!

这个找种子的历史使命，落在了年轻的乔治·斯穆特身上。

当时，根据理论预言，这种不均匀度的量级可能在十万分之一，而当时的技术观测精度勉强在千分之一到万分之一的量级。何况，银河系运动带来的噪声、银河系本身辐射出的各种电磁波，都要比这种可能的不均匀性量级大很多，又非常不巧遇到NASA史上最大危机--“挑战者号”升空爆炸，原有的宇宙微波背景探测器上天的计划被迫经历了很多挫折，所以，这个寻找种子的道路十分崎岖。

最终，在1992年1月的某天，在揭开层层纱布(过滤掉各种背景和噪音)之后，宇宙微波不均匀的图像终于出现在斯穆特团队的眼前，又经过三个月的数据检验和加工，同年4月3日，这幅宇宙微波不均匀图像被展示在世人面前，当时的媒体称它为“上帝之脸”。它较为精确地记录下宇宙曾经的物质分布情况，前后2000名科技人员，用了近20年的时间，贡献了这个伟大的成果，斯穆特作为主帅，获得了2006年诺贝尔物理学奖。

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1992年，COBE发布的“上帝之脸”

2003年，来自威尔金森各向异性探测器的第二代宇宙微波图像问世，分辨率提高了50倍。2013年，“普朗克”宇宙微波卫星得到的第三代宇宙微波观测结果又将分辨率提高了十倍，并将宇宙年龄上调至138.2亿年。与第一代“上帝之脸”相比，给出的关于宇宙的信息已经不可以同日而语。借由这些数据，人们开始理解引力如何作用、物质如何汇聚、直至形成我们今天看到的宇宙结构。

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2013年，“普朗克”卫星公布的宇宙微波观测数据

我们向何处去?

宇宙有生日，那么时间有尽头吗?宇宙接下来的命运早已写好吗?

其实，宇宙中存在着吸引和排斥两种不同的趋势--由物质带来的万有引力引起宇宙向内塌缩，而某种神秘力量令宇宙向外膨胀，二者彼此抗衡，后来，人们管这股神秘力量叫做暗能量，物质和暗能量的相对多少，决定了宇宙的命运。根据今天的宇宙学模型，一般认为暗能量的密度是大致不变的，所以，最终宇宙是继续膨胀、走向冷寂，还是向内塌缩、走向熊熊燃烧的终点，取决于宇宙中物质的多少。物质太少，引力抵消不了向外膨胀的趋势，宇宙会永远膨胀下去;物质太多，宇宙会被引力拉回来，最终塌陷。这个膨胀和塌陷的临界点，科学家们叫做“临界密度”，在这个密度上，两种能量正好相互抵消。这个密度是多少呢?10^-29 g/cm3，这是个什么概念呢?电子的质量只有10^-27 g，只要我们宇宙中每立方厘米能有百分之一个电子以上，我们的宇宙都终将会塌缩回去。但是，就是这个看上去不高的门槛，我们的宇宙并没有达到。科学家把全宇宙已知的各种星体、星尘、黑洞、粒子等所有物质加起来，也仅仅连临界密度的5%都凑不到。后来，星系中个别恒星异常的运动速度、引力透镜的发现，令现代科学家形成共识--存在总质量约为一般物质5~6倍的看不见的暗物质。一般物质和暗物质加在一起，贡献了临界密度的27%。很可惜，按照这个密度，宇宙仍避免不了膨胀下去直至一片冷寂。2011年，三位物理学家波马特、施密特、里斯因为发现宇宙加速膨胀的事实，获得诺贝尔奖。宇宙走向一片冰冷的速度，可能会越来越快。

回到故事开始的时间

细心的读者可能注意到，我们前面提到了普朗克时间--大爆炸发生后的10^-43秒。你有没有想要问，那10^-43秒之前发生了什么呢?答案是，没有人知道。现在的物理理论，最早只能讨论到普朗克时间，在此之前发生的事情，目前还是人类认知的禁区。也许有一天，相对论与量子理论能完美融合，在宇宙走向冷寂之前，给人类一个满意的答案。