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宇宙探索新发现
作者：吴 凡
来源：《百科知识》2008年第11期
仰望星空，宇宙之谜，难以穷尽。宇宙是如何起源的?宇宙的年龄是多少?黑洞是怎么产生的?人类对茫茫宇宙的探索，不断有新发现。关于宇宙起源的问题，目前大爆炸的理论已被科学家们广泛接受。尽管如此，大爆炸理论只是建起了研究的框架，框架里的诸多问题依然是悬而未决。近年来，随着科学家在诸如暗能量、黑洞、宇宙加速膨胀的课题上有了最新发现，使得宇宙进化的过程变得日益清晰起来。
大爆炸理论的缺陷
上个世纪40年代末俄裔美籍科学家乔治·伽莫夫提出了“大爆炸理论”，用以解释宇宙的起源。他认为宇宙是从一个温度极高、密度极大的火球中诞生的，并称我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，其温度约为6K(6K=－267℃)，即后来所谓的宇宙微波背景辐射，它是充满整个宇宙的电磁波。1964年美国贝尔电话公司的两位无线电工程师彭齐斯和威尔逊意外地发现了这个微波背景辐射，恰好与伽莫夫预言的宇宙背景辐射十分接近，它在温度上对应为2.7K，它无疑是对大爆炸理论最有力的支持。这一发现使我们能够获得很久以前在宇宙诞生时期所发生的宇宙过程的信息。彭齐亚斯和威尔逊由此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。 如果宇宙确实如大爆炸理论所说，从一个无限小的奇点向外膨胀而产生，那么从大的尺度说，宇宙中不同区域的性质应该不一样，起码宇宙空间中物质的密度就应该有所不同。但是宇宙并不像大爆炸理论所描述的那样，从宇宙学的尺度来看，宇宙中各向具有高度的均匀性，无论在哪个方向上测量微波背景辐射，人们都能大致得到2.7K这个数字。
另一方面，从美国国家航空航天局(NASA)发射的微波背景开拓者卫星(COBE)和最近的微波各向异性探测器(WMAP)所捕捉到的微波背景辐射信息来看，宇宙诞生后38万年左右基本上是均匀的，但不是非常均匀，微波背景辐射的各向异性只有十万分之一，最终这种微小差异造成了小范围内物质的聚集，星系由此而形成。
再者，按大爆炸理论，从宇宙最初的不均匀性还预示着宇宙是弯曲的。但是最近WMAP的观测显示我们的宇宙空间是没有弯曲的无限平直的世界。后文将要指出，为了弥补大爆炸理论上的这些缺陷，20年前物理学家古斯和佐藤各自提出了宇宙暴胀论的假说，并且经受了WMAP观测结果的关键性检验。
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宇宙年龄已有137亿岁
关于宇宙的年龄一直没有一个准确的定论。对此，天文学家们一直在追寻宇宙年龄的确凿证据。最近美国国家航空航天局的研究小组根据微波各向异性探测器的观测结果，认为年龄是137亿岁(正负2亿岁)，并继续加速膨胀。再者，明确了宇宙的构成是普通物质仅占4％，真相不明的暗物质占2396，使宇宙迅速膨胀却真相不明的“暗能量”占73％，而且求出相当宇宙膨胀速度的哈勃常数为71。
关于宇宙年龄的问题，现在计算的方法是在假设的膨胀速度的基础上，追溯推算出宇宙体积为零时的时间而得出的。根据上述最新的数据以大约1％的误差算出宇宙的年龄是137亿岁。
从这次的观测结果，占宇宙73％的暗能量增强了过去爱因斯坦提出的“宇宙常数”的可能性。有意思的是，爱因斯坦没想到，当初他认为是错误的、让他极为懊悔的“宇宙常数”竟然是极有道理的，几乎可称得上是宇宙的本质。
诞生12亿年后出现大规模结构
在美国国家航空航天局新发现中最令人吃惊的是，第一代恒星在宇宙诞生之后第2亿年就开始发光，比许多科学家预测的还要早得多。日本国家天文台的杉山教授说：“微波各向异性探测器除了观测到宇宙微波背景辐射的非常详细的温度起伏的图像，还观测到偏光，即光(电磁波)的偏移情况。从这个偏光的状态知道宇宙诞生第2亿年大规模的中性氢发生再离子化。” 从宇宙诞生的38万年后，宇宙中各自存在的质子与电子相互结构构成氢原子(中性氢)，光线变直，宇宙从黑暗中浮出，具有了可视性。但是，现在在星系间空间的质子与电子几乎各自离子化存在。
关于这个再离子化何时发生，迄今为止尚不能正确地知道，但是宇宙开始出现的星辐射紫外线，则是揭下中性氢的电子产生的。杉山教授说：“宇宙微波背景的电磁波通过偏光的状态向我们传达了质子俘获电子的信息。这次从它的偏光状态确认宇宙诞生后的第2亿年背景辐射的电磁波与电子碰撞的痕迹。”即宇宙诞生后的第2亿年，星星发光，通过这个恒星辐射紫外线，中性氢的电子被揭下，开始了宇宙的再离子化。
另外，日本东京大学的冈村教授的研究小组通过夏威夷的凯克望远镜观测到宇宙诞生后第12亿年就有了与现在星系团相匹敌的大规模的结构。冈村教授说：“我们在后发座方向发现宇
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宙诞生后的第12亿年有43个星系成带状聚在一起，以及星系完全不存在的区域。”鉴于微波各向异性探测器的温度起伏非常小，冈村教授认为从那种状态仅用了12亿年就完成了恒星和星系的大规模结构，看来很可能是受“暗物质”的影响。
具体的恒星或星系，以及星系群的大规模结构是怎样构成的，我们还不完全清楚，这次一系列观测结果被视为在阐明宇宙进化上的重要发现。
哈勃常数的确定
1929年美国天文学家埃德温·哈勃通过观测发现，几乎所有的星系都在远离银河系而去。他注意到，远处的星系比近处的星系更快速地飞离，它们的距离和速度有一定的关系，于是他提出了著名的哈勃定律，即星系从地球远去的相对速度等于地球到星系的距离与哈勃常数的乘积。从这个事实求出相当其膨胀速度的哈勃常数，并且知道它几乎相等于求宇宙年龄。因为从这个速度单纯地往前推，就可知道宇宙开始膨胀的时刻，即诞生的时刻。为此，若干研究小组测出各个星系的距离与速度，试图测定哈勃常数。2001年“哈勃太空望远镜主要计划”之一是以误差14％的精度求出哈勃常数为72。
这次从微波各向异性探测器进行宇宙微波背景辐射的观测求出哈勃常数为71，具有误差5％的精度。那么，是否可以说哈勃常数几乎就是这个值了呢?东京大学的佐藤教授这么说：“从宇宙微波背景辐射的结果给出了在相当精确定位下的哈勃常数的值。这个值与2001年哈勃太空望远镜观测的结果几乎相同。”
复活宇宙常数
那么，从哈勃常数71所求的宇宙年龄是否可以说相当准确的呢?实际不是那么回事。例如假定宇宙是平直的，从这个数值所得的年龄大约92亿岁。现已知道在我们银河系中心附近存在的球状星团是超过130亿岁的老年天体，所以这二者显然是矛盾的。
解决这一矛盾最简单的办法，是恢复“宇宙常数”作为现时宇宙的积极组成部分的理论地位。说起来膨胀的宇宙用爱因斯坦广义相对论的引力方程来描述最合适。爱因斯坦一开始考虑宇宙不应该膨胀或收缩。因此，为了制止物质的引力引起的收缩，即让宇宙“静止”下来，在引力方程中引入了一项“宇宙常数”。