您正在看的天文学是:挑战物理学的暗宇宙——现代宇宙学世纪回眸。

　　继“宇宙加速膨胀”当选为美国《科学》周刊1998年最大爆炸性新闻之后，“暗宇宙”又摘取了该刊2003年十大科学成就的桂冠。为什么说宇宙是“黑暗的”?什么是暗物质和暗能量?它与人们熟知的灿烂星河有何关系?人们是怎么知道它们的存在的?要弄清这些问题，需回顾20世纪初以来近百年的现代宇宙学史。

　　从宇宙膨胀到宇宙大爆炸

　　1929年，哈勃与他的助手赫马森(M. Humason)在《美国国家科学院院报》上发表了一篇题为“河外星云的速度与距离的关系”的论文，在这篇总共六页的文章中第一次发表了遥远星系都在远离地球的结论：星系退行的速度与其离地球的距离成正比，星系离地球越远，退行的速度越快。两年后，他们在美国《天体物理杂志》第一期上再次发表了新的论文。尽管新论文增加了40个河外星云的观测数据，距离扩大了18倍，但是原先发现的退行速度与距离的关系依然成立。因为这一发现直接导出了宇宙膨胀的结论，完全改变了人类对宇宙的认识，成为现代观测宇宙学的开创性标志，因此，被誉为20世纪最伟大的天文学发现，有人甚至把它与400年前的哥白尼革命相媲美。

　　在哈勃以前的年代，宇宙被认为是永恒不变的，这种静止宇宙的观念集中反映在宇宙学常数?撰的引入上。1917年爱因斯坦将他的广义相对论应用于引力理论，导出了著名的场方程。但是，按照他的场方程，宇宙不可避免地要膨胀或收缩。为了使宇宙保持静止，他在方程的一侧加入了一个因子，以平衡引起膨胀或收缩的引力，这个因子即为宇宙学常数?撰。当时，这个常数只有数学上的意义，而无任何物理意义。

　　哈勃的发现使爱因斯坦对此事后悔莫及，甚至自责为“一生中最大的蠢事”。其实，在哈勃之前，德西特(W. de Sitter)、弗里德曼(A. Friedmann)以及比利时神父勒梅特(G. Lema?觘tre)都曾提出过非静止宇宙模型或宇宙膨胀模型。遗憾的是，德西特的宇宙只是个没有任何物质的空宇宙，弗里德曼又因患伤寒过早地离开了人间，而勒梅特的论文却让大名鼎鼎的英国天文学家埃丁顿(A. S. Eddington)给遗忘了。

　　宇宙的膨胀意味着宇宙是有开端的。假如沿时间轴反演宇宙的膨胀就会发现，宇宙在100多亿年前处于尺度极小的灼热、高密的状态，勒梅特称这种状态为原初原子。1948年愚人节，伽莫夫(G. Gamow)和他的学生阿尔法(R. A. Alpher)发表了著名的“?琢?茁?酌”论文。他们发挥了勒梅特的思想，明确地提出了宇宙大爆炸模型。他们认为，宇宙最初处于一个原始火球，后来发生了一次巨大的爆炸，造成了宇宙的急速膨胀。随着宇宙的膨胀和冷却，形成了元素、星系和恒星。至于为什么会发生大爆炸，宇宙大爆炸模型没有给出确切的回答。勒梅特认为是原初原子的放射性衰变，而伽莫夫则认为是前一次宇宙大坍缩引起的反弹。

　　除了宇宙膨胀以外，大爆炸宇宙论的另一个强烈证据来自宇宙3开微波背景辐射。宇宙大爆炸后，最初的宇宙密度极高，辐射与物质间的相互作用极为频繁，彼此处于热平衡状态。随着宇宙的膨胀，空间尺度迅速增大，密度与温度迅速下降，因此，物质与辐射间的相互作用减弱。当温度下降到3 000开时，辐射与物质不再相互作用。此后宇宙进入以物质为主的阶段，物质与辐射随着宇宙的膨胀而各自演化。

　　根据威尔金森微波各向异性探测卫星(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP)2003年的最新测量结果，该时期在大爆炸后的37.9万年。大爆炸理论预言，宇宙中迄今仍残存当年3 000开辐射的余辉。这个预言被彭齐亚斯(A. Penzias)和威耳孙(R. W. Wilson)于1964年观测到的3开微波背景辐射所证实。大爆炸宇宙论的另一个证据来自宇宙轻元素的丰度。宇宙中最丰富的元素是氢和氦，其中氢约占72%，氦约占28%，其他所有元素(称为重元素或金属元素)合计不到1%，这个比例对各个天体大致相同。

　　宇宙为什么具有这样一个比例的元素丰度?虽然恒星内部核合成理论能很好地解释除锂以外所有重元素的丰度，但无法解释氦、氘、锂的丰度。如果这些元素是在恒星内部合成的，那么，宇宙背景辐射应比现在的测量值大10倍，这就是所谓的氦困难。宇宙大爆炸学说认为，只要假定宇宙诞生之初质子数与中子数之比是5∶1，那么，在温度下降到10亿度时，质子与中子合成为氘核，并由氘核进一步合成氦核。这个过程只需几分钟(从最初10-2～102秒)，多余的质子就成为了氢核。大爆炸理论成功地解释了氢、氦、氘及锂的丰度，也成为温伯格所著的《宇宙最初三分钟》书名的由来。

　　大爆炸宇宙模型成功地解释了1970年代前发现的天文观测事实，描绘了宇宙从诞生至今的过程。但是，它有两个重大缺陷：没有解释为什么会发生大爆炸，也无法预言宇宙未来的命运。在一些观测事实面前，特别是在宇宙的平直性和视界问题上，它同样也显得束手无策。这就是1970年代起宇宙学家所面临的新问题。

　　宇宙暴胀理论的预言——平直宇宙

　　上抛的皮球是否落回地面取决于地球的质量，宇宙是否继续膨胀取决于宇宙所包含的物质多少，即宇宙物质密度。当宇宙物质密度超过某个临界密度值，宇宙最终将变膨胀为收缩，这称为闭宇宙;当宇宙物质密度低于临界值，则宇宙将永远地加速膨胀，这称为开宇宙;而当两者相等时，宇宙将永远地惯性膨胀，这就是平直宇宙。对二维宇宙来说，这三种情况的宇宙形状分别对应于球面、马鞍形和平面。所以，宇宙的命运取决于宇宙物质密度与临界密度之比。临界密度值可以根据宇宙的能量守恒得出，大约为10-23克/米3，即每立方米内大约有六个氢原子。

　　长期以来，宇宙学家对宇宙到底属于哪一种情况一直争论不休。宇宙物质密度与临界密度之比究竟是多少?观测结果始终徘徊在1附近，时而比1大，时而比1小。于是人们猜测，宇宙物质密度很可能就是等于临界密度。但是，人们也发现，要真是这样的话，这种概率也是小到微乎其微，相当于倒立的笔尖能够几百万年不倒。只要宇宙稍有“风吹草动”，它就会偏离临界密度。是什么力量使宇宙能够自我调谐得如此完美?

　　1981年，美国物理学家古斯(A. H. Guth)提出了宇宙暴胀理论。按照他的理论，在大爆炸后10-36秒时，宇宙温度下降到1028开，并在某种标量场(其数值与时空坐标选择无关的一种物理量)的真空能驱动下膨胀。当宇宙温度下降到1028开以后，宇宙进入过冷状态，于是真空发生对称破缺，进入伪真空态，结果，真空很快发生相变，释放出大量能量，驱动宇宙指数式暴胀。临近结束时，暴胀的能量变成粒子和热能，宇宙进入再加热阶段而迅速变热，同时建立起热平衡。整个暴胀过程历时约10-33秒，宇宙尺度增大了1026倍，从暴胀前的10-25厘米区域增大到了约10厘米。

　　暴胀理论完美地解决了视界问题。所谓视界问题就是：观测发现，宇宙在大尺度上是极其均匀的，例如天空中两个相反方向上的微波背景辐射温度表现出惊人的一致。但是按照大爆炸宇宙论，这些区域超出了彼此能够相互作用的范围——视界。彼此无关的区域怎么能保持一致呢?于是，大爆炸宇宙论只能假设宇宙本来就是均匀的，它是大爆炸的初始条件。在暴胀理论看来，今天的宇宙之所以会超过视界是暴胀的结果。在暴胀前它们的尺度是那么的微小，完全在视界以内，因此能充分地相互作用，并达到均匀。而且，由于暴胀，宇宙处处都获得了充分的伸展，即使早期宇宙是弯曲的，经过暴胀也变得平坦了，这好比吹胀了的气球，球面上每一小块看上去几乎都是平坦的。所以，暴胀理论预言，宇宙是平直的，或者说宇宙的曲率为零。

　　古斯的暴胀理论现在称为老暴胀论，它存在严重的缺点，会使宇宙变得不均匀。1982年苏联物理学家林德(A. Linde)等人提出了新的暴胀理论，认为相变是缓慢发生的。1983年林德又提出了混沌暴胀理论，认为暴胀的初始条件是混沌的，宇宙处处发生了暴胀，其中暴胀最充分的区域产生了今天均匀的宇宙。此后20余年来，各种暴胀理论应运而生，它们基本上可分为三类：一类是大暴胀场模型，其暴胀初始值很大，如林德的混沌暴胀理论;第二类是小暴胀场模型，其暴胀初始值很小，相变是缓慢发生的;第三类是混合暴胀模型，这类模型中出现二次暴胀相变。最近的WMAP观测结果似乎更倾向于第三类模型。

　　最近，WMAP观测及超新星观测得到的宇宙总物质密度为1.02±0.02，非常接近于1，说明现今宇宙几乎是平直的，证实了暴胀模型的预言。

　　低物质密度的宇宙

　　在理论模型进展的同时，宇宙学家一直在努力测定宇宙中的物质密度。物质密度的大小是宇宙学中最关键的问题，也是宇宙学家长期以来争论不休的问题之一。根据暴胀理论的预言，宇宙是平直的，因此，宇宙物质密度应当等于临界密度。那么实际情况又如何呢?

　　通常认为，宇宙中的物质以两种形式存在：一种是普通物质，也就是我们看到的发光物质;还有一种是辐射能。在考虑宇宙物质密度时，后者完全可以忽略，因为今天的宇宙以物质为主，宇宙辐射能量密度远小于物质密度，而前者则可根据观测估计。最简单的方法就是对天体分门别类地按光度大小进行计数，然后利用天体的质光关系(即天体的发光强度与其质量的关系)换算成质量(称为光度质量)。此外，还可以根据牛顿万有引力定律分析天体系统内成员的运动，以获得该系统的质量[称为动力学质量或维里(Virial)质量]。当然还有许多其他估计质量的方法。

　　1933年，瑞士天文学家兹维基(F. Zwicky)首先发现，天体的光度质量远小于其维里质量，这就是后来数十年间广为天文学家所关注的短缺质量或隐匿质量问题，它说明天体系统内部含有许多不发光物质，人们无法观测到它，但在引力上却能够表现出来。不过，天文学家并不清楚这是些什么样的物质，因此后来将它们统称为暗物质。

　　暗物质的存在明显地反映在银河系自转中。银河系的转动与太阳系有很大的不同。太阳系99%以上的质量集中在太阳，因此，太阳系的转动基本遵循开普勒定律，称为开普勒运动。而银河系的质量散布在各个部分，所以，银河系不同距离上的天体以不同的速度转动，这种转动方式称为较差转动。在太阳系的外部，由于恒星非常稀疏，那里的恒星应当基本遵循开普勒方式旋转，即距离越远，速度越小。然而，实际情况恰好相反。观测结果表明，太阳系外部恒星的旋转速度在持续增加。唯一能解释这种现象的，就是在银晕里存在着大量不可见物质，它们对外部恒星的吸引加快了它们的转动。这种现象也同样发生在附近的漩涡星系中。根据现在的估计，星系里的暗物质占星系总质量的90%以上。

　　迄今为止，暗物质的观测证据已非常充分。星系团的稳定形态、引力透镜现象、微波背景辐射的各向异性、星系的X射线观测等都表明，宇宙中存在大量暗物质。这种暗物质又冷又暗，其主要成分并不是星系际气体尘埃、褐矮星、死亡的恒星、行星之类，因为这些成分通过观测还是能够察觉的。现在认为，一种大质量的、有弱相互作用或超弱相互作用的粒子可能是暗物质的主要成分，例如中微子、引力微子、引力子等。

　　估计宇宙物质密度的方法有若干种，其中最古老和最简单的就是质光比方法。首先确定最大天体系统的平均质光比，然后乘上宇宙平均光密度，即可获得宇宙物质密度。当然，这种方法包含很大的观测误差。进入1990年代后，

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