霍金博士論文開放引熱議，宇宙的奧秘要從何說起？

10月24日，英國著名物理學(xué)家霍金將自己24歲時(shí)撰寫的博士論文《膨脹宇宙的屬性》（Properties of Expanding Universes）發(fā)布到了劍橋大學(xué)的開放獲取數(shù)據(jù)庫，不到24小時(shí)就被下載了將近6萬次，甚至一度導(dǎo)致網(wǎng)站崩潰。而就在一個(gè)多星期前，雙中子星系統(tǒng)并合引力波被人類首次探測(cè)到，這一天文學(xué)的偉大發(fā)現(xiàn)贏得了廣泛的關(guān)注和贊譽(yù)。

不僅是霍金的論文和引力波，事實(shí)上，現(xiàn)今人類對(duì)宇宙的了解很多都和“宇宙大爆炸”理論有關(guān)，而宇宙中還有很多人類沒能解開的奧秘。不久前天文學(xué)領(lǐng)域的另一發(fā)現(xiàn)同樣不容忽視?！缎l(wèi)報(bào)》10月12日發(fā)表的一篇題為《天文學(xué)家找到宇宙中一半失蹤物質(zhì)》的文章介紹稱，人類首次找到一部分“丟失”的普通物質(zhì)，部分解開了宇宙學(xué)中最令人費(fèi)解的謎題之一。

“失蹤”的普通物質(zhì)如何被發(fā)現(xiàn)

天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙是由普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量組成的。簡(jiǎn)單來說，普通物質(zhì)主要是看得見或摸得著的物質(zhì)。從宏觀角度看表現(xiàn)為行星、恒星和星系等，從微觀角度看則表現(xiàn)為各種粒子。目前的科學(xué)界普遍認(rèn)為，普通物質(zhì)由原子組成，而原子由原子核和核外電子組成，而原子核由中子和質(zhì)子組成；中子和質(zhì)子都由三個(gè)夸克組成，電子則被認(rèn)為是不可再分的基本粒子。關(guān)于物質(zhì)的基本粒子，弦理論主張：弦更加基本，不同粒子只是弦的不同振動(dòng)形式的表現(xiàn)。但是，基于弦理論做出的預(yù)測(cè)都未經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，因而其正確性還有待驗(yàn)證。

《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道中稱，科學(xué)家先前對(duì)宇宙大爆炸遺留下來的輻射進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定了宇宙中物質(zhì)的種類及形式，即普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量三種。最近的空間探測(cè)表明，普通物質(zhì)約占總數(shù)的5%，暗物質(zhì)約占25%，暗能量約占70%。然而，科學(xué)家計(jì)算宇宙中所有可觀測(cè)到的物體（恒星、行星和星系等）后發(fā)現(xiàn)，它們似乎只占了普通物質(zhì)總數(shù)的十分之一到五分之一。也就是說，五分之四到十分之九的普通物質(zhì)沒有被觀測(cè)到，也即“失蹤了”，這個(gè)現(xiàn)象被稱為“重子失蹤問題”（missing baryon problem）, 因?yàn)槠胀ㄎ镔|(zhì)都是由質(zhì)子和中子組成，而重子也是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。倫敦大學(xué)學(xué)院的天體物理學(xué)教授理查德·艾利斯（Richard·Ellis）對(duì)此說道：“人們都同意它們失蹤了，這就提出了一個(gè)問題，它們到底在哪里？”

此前，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多縷高溫、呈散射狀的“氣體”，這些“氣體”把宇宙中的星系連接在一起（過去的一般觀點(diǎn)認(rèn)為星系之間是相互獨(dú)立的），但是天文學(xué)家不知道那些“氣體”是什么?？茖W(xué)家猜測(cè)，這些“氣體”和失蹤的重子存在著某些關(guān)聯(lián)，從而推測(cè)失蹤的重子可能漂浮在連接星系團(tuán)的散射氣體絲（gaseous filaments）或薄片（sheets）中。

提出猜測(cè)之后，科學(xué)家們就開始嘗試對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，但十分困難。這些氣狀物被稱為暖熱星系際介質(zhì)（Warm-hot intergalactic medium，簡(jiǎn)稱Whim），溫度應(yīng)該在100萬攝氏度左右。在這個(gè)溫度下，這些呈絲狀的“氣體”不夠熱，無法釋放出太多的能量，很難用X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。但又不夠冷，導(dǎo)致其無法吸收足夠的通過光線。

科學(xué)家只能另辟蹊徑，首先假設(shè)大爆炸中遺留下來的光線經(jīng)過熱氣體時(shí)，其中的一些光線與氣體粒子碰撞發(fā)生散射，會(huì)在宇宙微波背景中留下暗淡的斑點(diǎn)或輪廓?？茖W(xué)家們使用普朗克衛(wèi)星拍攝的微波背景圖像驗(yàn)證了這一假設(shè)。然后，再利用斯隆數(shù)字巡天所制作的宇宙三維地圖，選取出可能由絲狀物連接的星系。最后，將普朗克圖像組合在每個(gè)星系的周圍的區(qū)域，使那些重子鏈能夠被觀測(cè)到。

2015年，歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星就嘗試?yán)L制這種效應(yīng)，但是由于星系之間的氣體絲太微弱，那些暗淡的輪廓或斑點(diǎn)不能再普朗克地圖上顯示出來。此次，英國愛丁堡大學(xué)的Anna de Graaff研究小組發(fā)現(xiàn)，星系之間的區(qū)域的密度大約是周圍空間的6倍，這些氣態(tài)絲狀物大約可以占到宇宙中普通物質(zhì)的30%。法國奧賽天文物理研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)計(jì)算出的結(jié)果略低于這個(gè)水平，但兩方面的數(shù)據(jù)是一致的。由此證明，那些失蹤的物質(zhì)并沒有丟失，而是隱藏在那些氣體絲中。

盡管這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以部分解決那個(gè)長(zhǎng)期存在的謎題,但還有一部分普通物質(zhì)沒有被找到，有觀點(diǎn)認(rèn)為剩余部分由其他物質(zhì)諸如暗物質(zhì)或暗能量組成。普通物質(zhì)尚且如此神秘，與之共同構(gòu)成宇宙的暗物質(zhì)和暗能量則更加深不可測(cè)。

暗物質(zhì)和暗能量

暗物質(zhì)主要是指宇宙中不發(fā)出任何輻射的物質(zhì)，它不能被探測(cè)，但存在引力作用。由于暗物質(zhì)不發(fā)光、不發(fā)出電磁波且不參與電磁相互作用，許多人猜測(cè)中微子可能就是暗物質(zhì)。但已經(jīng)有研究表明，中微子是熱暗物質(zhì)，而宇宙暗物質(zhì)主要是冷暗物質(zhì)，因此該猜測(cè)很可能被駁倒。由于暗物質(zhì)的一些特殊性質(zhì)，現(xiàn)在很難揭開它的真實(shí)面目。

但是，人類探索的腳步從未停止。盡管目前尚無直接證據(jù)證明暗物質(zhì)存在，但它在理論上有著重要作用。2013年華裔諾貝爾物理學(xué)家獲得者丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的研究組宣布他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與暗物質(zhì)粒子碰撞的理論值一致，但這一發(fā)現(xiàn)最終被判定不足以證明暗物質(zhì)存在?，F(xiàn)在，四川的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室、暗物質(zhì)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)的“悟空”號(hào)和歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）都在開展證實(shí)暗物質(zhì)的存在的研究。

相比暗物質(zhì)，暗能量更加神秘。粒子物理學(xué)、弦理論、宇宙學(xué)專家麗莎·蘭道爾在《暗物質(zhì)與恐龍》一書中指出，暗能量不是物質(zhì)，它僅僅是能量。暗能量的分布總是均勻，滲透于宇宙的各個(gè)角落。人類無法通過輻射的方法探測(cè)到暗能量，它不像暗物質(zhì)具有引力，而是具有斥力。不過， “宇宙膨脹加速”這一現(xiàn)象可以證明其存在，而暗能量的斥力作用也可以用來解釋宇宙的膨脹。2011年，S.Perlmutter、B.P.Schmidt、和A.G.Riess因證實(shí)宇宙加速膨脹而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此外，宇宙的平直性（即宇宙在大尺度結(jié)構(gòu)上是平直的）也能夠證明暗能量的存在。理論上的宇宙物質(zhì)密度應(yīng)該等于大爆炸理論中的臨界密度，但普通物質(zhì)和暗物質(zhì)相加后遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這一數(shù)值，因而推測(cè)出不足的部分就是暗能量。

普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量如此神秘，那究竟是怎么產(chǎn)生的呢？這就要從宇宙大爆炸說起。

“宇宙大爆炸”理論的產(chǎn)生和發(fā)展

宇宙源于奇點(diǎn)所發(fā)生的大爆炸，這個(gè)爆炸過程被稱為宇宙大爆炸，對(duì)此進(jìn)行描述的理論稱為宇宙大爆炸理論。這一理論認(rèn)為，宇宙起源于大爆炸，而普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量也都是在大爆炸中誕生。

事實(shí)上，宇宙大爆炸早已不是科幻描述。在哈勃定律和宇宙膨脹現(xiàn)象的指引下，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特于1927年最先提出宇宙起源一個(gè)致密的“原點(diǎn)”，其爆炸產(chǎn)生了我們今天的宇宙。1948年，伽莫夫發(fā)表αβγ論文從而建立“大爆炸宇宙”的理論。宇宙大爆炸理論的主要內(nèi)容是：從奇點(diǎn)爆炸到其后的普朗克時(shí)間（時(shí)間量子間的最小間隔）內(nèi)，物理規(guī)律失效，之后進(jìn)入大統(tǒng)一階段，物質(zhì)和能量可以互相交換， 電磁力、弱核力、強(qiáng)核力和引力四種作用力統(tǒng)一。隨著宇宙膨脹和溫度下降，出現(xiàn)夸克、反夸克和光子。而后進(jìn)入核合成時(shí)代，逐步出現(xiàn)輕子、質(zhì)子和中子，然后形成氦核，并且逐步演化出我們當(dāng)今的宇宙。

大爆炸理論提出之初非但沒有得到科學(xué)界的支持，當(dāng)時(shí)還遭受到諷刺。比如“大爆炸”一詞，就是英國天文學(xué)家霍伊爾為了說明伽莫夫理論的荒唐而取的帶有貶義色彩的詞語。甚至伽莫夫自己也對(duì)該理論也信心不足，最終放棄了對(duì)宇宙大爆炸理論的研究，轉(zhuǎn)而研究分子生物學(xué)。不過，經(jīng)過近百年的發(fā)展，宇宙大爆炸理論獲得了許多證據(jù)的支持，成為了一個(gè)流行的理論。

霍金博士論文封面。

這些證據(jù)主要包括宇宙的年齡，氫和氦的豐度和宇宙膨脹等。關(guān)于宇宙膨脹，開頭提到的霍金的博士論文《膨脹宇宙的屬性》是重量級(jí)的研究成果。這部撰寫于1966年的論文第一章就論述了宇宙膨脹給霍伊爾-納卡利引力理論（the Hoyle-Narlikar theory of gravitation ）造成的許多困難。在第二章中，霍金研究宇宙膨脹的攝動(dòng)，并且據(jù)此得出一個(gè)結(jié)論：星系的形成不可能是由于最初始的擾動(dòng)積累而造成的。在第三和第四章，霍金分別介紹了檢測(cè)膨脹宇宙的引力輻射、宇宙模型的奇異現(xiàn)象。此外，宇宙學(xué)起源的引力波，即宇宙大爆炸產(chǎn)生的引力波（或稱為原初引力波）也能證明該理論，但目前探測(cè)到的都是天體物理學(xué)引力波，比如黑洞和中子星合并產(chǎn)生的引力波，它們不能對(duì)該理論提供強(qiáng)有力的證明。

上世紀(jì)80年代左右，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一些問題無法用宇宙大爆炸理論解釋，比如視界疑難、平直性疑難和磁單極等等。為了解決這類問題，物理學(xué)家林德、古斯等人提出宇宙暴脹模型（或暴漲模型）。這個(gè)理論模型其實(shí)只是改進(jìn)版的大爆炸模型，只是在某些時(shí)間段把“爆炸”變成“暴脹”，暴脹比爆炸所描述的宇宙變大的速度更快，以指數(shù)函數(shù)形式發(fā)生。并且，暴脹理論中出現(xiàn)了由“假真空”進(jìn)入“真真空”的事件，而在大爆炸理論中，宇宙直接進(jìn)入真真空狀態(tài)，因此不存在這一階段。

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