看我們?nèi)绾螐你y河邁向宇宙。

人類對(duì)宇宙的了解程度。斯隆數(shù)字化巡天

100年前，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)還非常有限。那時(shí)人們認(rèn)為，構(gòu)成整個(gè)宇宙的，只是銀河內(nèi)的恒星、星團(tuán)和星云。構(gòu)成物質(zhì)的，也只不過是原子核和電子。那時(shí)人們認(rèn)為宇宙間只存在兩種基本作用力——引力和電磁力。那時(shí)的科學(xué)，自1600年代以來，一直被牛頓引力學(xué)說統(tǒng)治著。但在兩個(gè)月間，就遭遇了愛因斯坦廣義相對(duì)論強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。

在隨后的100年間，每隔10年，就會(huì)有一個(gè)大發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)重塑了我們腦海中和宇宙有關(guān)的概念。

1919年11月10日的《紐約時(shí)報(bào)》（左）和1919年11月22日的《倫敦插畫新聞》（右）。

1910年代——廣義相對(duì)論

愛因斯坦的學(xué)說被證實(shí)。廣義相對(duì)論解釋了牛頓引力學(xué)說無法解釋的現(xiàn)象：水星軌道的進(jìn)動(dòng)。作為一種科學(xué)理論，解釋已知現(xiàn)象顯然還不夠，它還需預(yù)言我們未曾見到的事件。于是在這100年中，引力時(shí)間膨脹、強(qiáng)引力透鏡和弱引力透鏡、慣性系拖拽、引力紅移等現(xiàn)象被一一發(fā)現(xiàn)。第一種現(xiàn)象是1919年，由愛丁頓等人在一次日全食期間，觀察被彎曲的星光時(shí)發(fā)現(xiàn)的。太陽周圍被彎曲的星光總量與愛因斯坦的預(yù)言相符，而與牛頓學(xué)說相悖。由此，我們對(duì)宇宙的看法被永遠(yuǎn)改變。

埃德溫·哈勃 / NASA / ESA / R. Gendler / Z. Levay / 哈勃遺產(chǎn)小組

1920年代——膨脹的宇宙

在此之前，我們不知道銀河系以外還有宇宙。但這種看法被1920年代的埃德溫·哈勃改變。他在觀察天空中的所謂“旋渦星云”時(shí)發(fā)現(xiàn)，那里存在和銀河系變星相似的天體。它們的亮度是如此之低，因此必然存在于數(shù)百萬光年以外。哈勃并未就此停止探索，他還測(cè)算出了大量星系的后退速度和與我們的距離，把一個(gè)膨脹著的浩瀚宇宙捧到了我們面前。

后發(fā)座星系團(tuán)。Adam Block / 萊蒙山天空中心 / 亞里桑那大學(xué)

1930年代——暗物質(zhì)

人們一直以來都認(rèn)為，如果我們能夠測(cè)出所有恒星的質(zhì)量，再加上氣體和塵埃，便能夠獲知宇宙中究竟有多少物質(zhì)。但是弗里茨·茲威基在觀察了高密度星系團(tuán)（如上圖的后發(fā)座星系團(tuán)）后發(fā)現(xiàn)，恒星和我們所知的“普通物質(zhì)（如原子）”質(zhì)量總和不足以解釋這些星系團(tuán)內(nèi)部的高速運(yùn)動(dòng)。他稱這些缺失的質(zhì)量為“dunkle materie”，也就是德語的“暗物質(zhì)”。人們直到1970年代，在對(duì)普通物質(zhì)有了更好的了解后，才對(duì)這方面的觀察加以重視。暗物質(zhì)廣泛地分布在各個(gè)星系中。據(jù)我們現(xiàn)在所知，它們和普通物質(zhì)的比例高達(dá)5比1。

1940年代——宇宙大爆炸

在這個(gè)時(shí)期，雖然大量的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)資源涌向間諜衛(wèi)星、導(dǎo)彈和核技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域，理論物理學(xué)家也沒有停止努力。1945年，喬治·伽莫夫根據(jù)宇宙的膨脹學(xué)說，作了一個(gè)大膽的推論：假如宇宙今天在持續(xù)地膨脹和冷卻，那它必然有一個(gè)熾熱和致密的過去。繼續(xù)追溯宇宙的過往，必然存在一個(gè)熾熱和致密到中性原子無法存在的時(shí)期，在此之前，連原子核也無法存在。如果確實(shí)是這樣，那么在宇宙中第一顆恒星誕生之前，宇宙必然是由數(shù)種最輕的元素按一定的比例構(gòu)成的，那么到了今天，在宇宙的所有方向上，必然滲透著大爆炸的余暉，它的溫度必然只比絕對(duì)零度高了那么一點(diǎn)。這個(gè)理論框架就是今天我們所知的“宇宙大爆炸”，而這個(gè)偉大的觀點(diǎn)就出自1940年代。

1950年代——重元素從何而來

與大爆炸競(jìng)爭(zhēng)的便是霍伊爾的恒穩(wěn)宇宙學(xué)說。這個(gè)學(xué)說中最引人注目的觀點(diǎn)是，他認(rèn)為今天的所有重元素并非是在宇宙早期形成的，而是由前幾代恒星制造出來的。在霍伊爾和劍橋大學(xué)其他學(xué)者的努力下，人們從細(xì)節(jié)上了解了這些元素是如何在恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)中出現(xiàn)的。最突出的一點(diǎn)是，他們認(rèn)為氦聚變?yōu)樘嫉姆绞绞侨藗兦八匆姷模?α過程（氦原子核又被稱為α粒子），這一過程產(chǎn)生的碳，其存在的方式是一種新的狀態(tài)。這種新的狀態(tài)在數(shù)年后被別的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，今天被稱為“碳的霍伊爾狀態(tài)”。由此我們知道，今天地球上的所有重元素，都源自前幾代的恒星。

1965年發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景。NASA / WMAP科研小組

1960年代——宇宙微波背景

在經(jīng)歷了20年的爭(zhēng)論后，人們獲得了能夠決定宇宙歷史的關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)——預(yù)言中的大爆炸余輝，也就是宇宙微波背景。這個(gè)統(tǒng)一的、溫度只有2.725K的余輝是1965年由阿諾·彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時(shí)他們都沒有意識(shí)到。直到這一幅射的完整黑體頻譜及其漲落被測(cè)定之后。

1970年代——宇宙暴脹

1979年末，年輕的科學(xué)家阿蘭·古斯突然意識(shí)到，如果宇宙有一個(gè)暴脹期，就可以解釋宇宙大爆炸中的諸多未解之謎——為什么宇宙如此平坦？為什么宇宙的各個(gè)方向溫度是相同的？為什么沒有超高能量遺留下來？暴脹理論認(rèn)為，在宇宙到達(dá)熾熱、致密階段之前，曾經(jīng)有一個(gè)呈幾何級(jí)膨脹的時(shí)期，此時(shí)，所有的能量都被束縛在空間本身之中。幾經(jīng)改進(jìn)后，古斯不成熟的念頭最后變成了現(xiàn)代暴脹理論。隨后的諸多觀測(cè)結(jié)果，如宇宙微波背景中的漲落、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，以及星系的聚集和形成，都證實(shí)了暴脹理論的預(yù)言。由此我們知道，我們的宇宙不但起源于大爆炸，而且在大爆炸發(fā)生之前可能還存在著一個(gè)階段。

ESA / 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 / NASA

1980年代——中微子天文學(xué)

1987年，天空中出現(xiàn)了一顆超新星，這是100年以來離我們最近的一顆超新星。雖然星系中超新星眾多，但由于它離我們相當(dāng)近，我們可以直接觀測(cè)這顆超新星釋放出來的中微子。這標(biāo)志著中微子天文學(xué)的開啟，隨之而來的就是諸如中微子振蕩、中微子質(zhì)量和百萬光年外超新星中微子等發(fā)現(xiàn)。

1990年代——宇宙的命運(yùn)

暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)是一件大事，但直到1998年人們才了解宇宙有可能會(huì)怎樣死去。通常我們認(rèn)為有這樣三種可能性：

一是宇宙的膨脹無法克服物質(zhì)的引力拖拽，最終在大坍縮中重新回歸原點(diǎn)。

二是宇宙的膨脹超越了能將所有物質(zhì)結(jié)合在一起的引力，宇宙中的一切將分崩離析，最終的結(jié)果是大凍結(jié)。

三是情況位于兩者之間，膨脹速率將無限接近零，但永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)零，這樣的宇宙被稱為臨界宇宙。

然而，從對(duì)遙遠(yuǎn)超新星的研究結(jié)果中我們得知，宇宙的膨脹在加速，隨著時(shí)間的推移，遙遠(yuǎn)的星系之間的距離將加速擴(kuò)大。宇宙不但將面臨大凍結(jié)，而且所有未被引力束縛在一起的星系最終都會(huì)從宇宙的視線中消失。除了我們本星系群中的星系，沒有任何其它星系會(huì)靠近銀河系，我們的命運(yùn)注定是寒冷和孤寂。1千億年后，我們將看不到除了我們自己所在星系以外的任何星系。

2000年代——宇宙的構(gòu)成

對(duì)宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)并沒有在1965年后終止，我們對(duì)大爆炸余輝的觀測(cè)讓我們有了一個(gè)非常了不起的發(fā)現(xiàn)：宇宙的構(gòu)成。來自COBE、普朗克等衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，以及從大星系巡天中獲得的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和遙遠(yuǎn)超新星的數(shù)據(jù)，讓我們對(duì)宇宙的構(gòu)成有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，它包含：

0.01%的輻射，以光子形式存在；

0.1%的中微子，它構(gòu)成了包圍著星系和星系團(tuán)的引力暈的極少一部分；

4.9%的普通物質(zhì)，包括構(gòu)成原子的一切；

27%的暗物質(zhì)，這是一種神秘的，不與普通物質(zhì)發(fā)生作用（除了引力以外）的物質(zhì)，而我們看到的宇宙結(jié)構(gòu)之形成卻與它分不開；

68%的暗能量，這種能量是空間本身固有的能量。

宜居帶內(nèi)的小型系外行星。NASA

2010年代——？

2010年代又將如何奉獻(xiàn)它的偉大發(fā)現(xiàn)？我們是否會(huì)迎來引力波天文學(xué)？我們是否會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的真相？宇宙暴脹理論的最后一個(gè)預(yù)言是否會(huì)被證實(shí)？還是我們會(huì)在地球以外發(fā)現(xiàn)生命的存在？

讓我們拭目以待。