重塑人类宇宙观：过去100年里最重要的十大宇宙科学突破

小心愿

2016年已经来临。此时回顾过去，我们必须认识到，仅仅在100年前，我们对于宇宙的认知还是下面这样：我们银河系中的恒星、星团和星云就是宇宙的全部，所有的物质都是由原子核和电子组成的，自然界仅存在两种力，分别是重力和电磁力。而那时，再过两个月，牛顿万有引力定律——这一从17世纪开始统治整个宇宙的理论，即将被爱因斯坦的广义相对论推翻。那时起的100年间，每10年，我们对宇宙的认识都会被刷新一次。1910年代：爱因斯坦的理论得到证实！广义相对论因解释牛顿万有引力定律所不能解释的事情（水星围绕太阳轨迹的岁差问题）而名声大震。但对一个科学理论来说，只解释我们已经观测到的东西是不够的；它需要对一些还未被观测到的事物做出预测。在过去的一个世纪里，它已经做出了很多预测——引力时间膨胀、强和弱引力透镜，惯性系拖曳效应、引力红移等等。但是，第一个预测是由爱丁顿等人在1919年的日全食中观测到的星光弯曲。星光绕太阳弯曲的观测量与爱因斯坦的理论一致，而与牛顿不符。从那时起，我们对宇宙的看法从此改变。20世纪20年代：我们仍然不知道在银河系之外还有宇宙的存在，但这一切因为20世纪20年代埃德温·哈勃的工作而改变了。他观察到了天空中一些螺旋状的星云，并能够准确地在其中确定先前已知存在于银河系中的某种变星。只是，它们的亮度是如此之低，肯定是在我们银河系的几百万光年之外。哈勃并没有在此停止，他继续测量了十几个星系的退行视速度和距离，从而发现了我们今天所知的正在膨胀的广袤宇宙。20世纪30年代：曾经人们一度认为如果你能测量出所有恒星的质量，或许再加上气体和尘埃，你就能得出了宇宙中的所有物质。然而，通过观察一个致密星团中的星系(比如上面的后发座星系团)，Fritz Zwicky发现恒星以及我们所知的「普通物质」(比如原子)并不足以解释这些星团的内部运动。他将这种新物质命名为暗物质。对暗物质的观测一直被忽略，直到20世纪70年代，人们对普通物质有了近一步的了解，才发现每个星系中都存在有大量的暗物质。我们现在知道暗物质比普通物质多，质量之比为5:1。20世纪40年代：当大量的实验和观察资源进入到间谍卫星、火箭和核技术的发展时，理论物理学家们仍然在努力工作。1945年，乔治·伽莫夫对宇宙膨胀做出了最终的推断：如果现在宇宙正在不断膨胀与冷却，那它在过去应该更热，密度更大。回溯过去，一定有一个时间点，那时的宇宙太过炙热、密度太高，以至于无法形成中性原子，而在那之前连原子核也无法形成。如果这些是真的，那么在任何恒星形成之前，宇宙最初的材料中，最轻的元素应该有一个特殊的比例，并且，现在的宇宙中应该有一些余晖弥散在各个方向上，温度仅比绝对零度高一点点。这个理论框架在今天被熟知为宇宙大爆炸理论，是20世纪40年代产生的最伟大的思想。20世纪50年代：与大爆炸相竞争的思想是稳恒态宇宙模型（Steady-State model），由Fred Hoyle和同时代的其他人提出。最精彩的是，他们认为今天地球上所有稍重一些的元素不是在早期炙热且稠密的状态下形成的，而是形成于最初几代恒星之时。Hoyle及其合作者Willie Fowler和Burbidge夫妇（Geoffrey和Margaret）详尽地描述了当恒星发生核聚变时，如何按照元素周期表的顺序逐渐产生出了新的元素。最为出色的是他们预言了氦聚变成碳的过程，而这个过程过去从未被观察到过。从这个理论，我们知道地球上现有的所有重元素都来自于最初的几代恒星。20世纪60年代：经过大约20年的辩论之后，人们终于获得了决定宇宙历史命运的重要发现：观测发现了来自大爆炸的残留辉光，也就是宇宙微波背景辐射。这种均匀分布的、2.725 K的辐射是由Arno Penzias和Bob Wilson在1965年发现的，当时他们谁也没有意识到他们究竟发现了什么。随着时间的推移，该辐射的全波段黑体辐射光谱以及它的波动都被测量出来，从而表明宇宙真的开始于一次「大爆炸」。20世纪70年代：在1979年末，一位年轻的科学家对生命有了新的想法。Alan Guth一直以来都在努力寻找方法来解决大爆炸理论中一些无法解释的问题，例如为什么宇宙在空间上是如此平坦；为什么在所有方向上的温度都一样；为什么没有超高能量的残留物等。这时他有了一个关于宇宙暴胀的想法。宇宙暴胀理论认为，在宇宙的炙热致密状态之前，存在一个呈指数膨胀的状态，所有能量都束缚在空间的结构中。现在的暴胀理论与Guth的初始想法相比，已经有了很多的改进，但是后续的观测（包括宇宙微波背景中的涨落、宇宙大尺度结构、星系聚集、团簇和形成的方式）都支持暴胀理论的预测。我们的宇宙不仅始于一次大爆炸，而且在大爆炸发生之前，还有另外一个状态。20世纪80年代：虽然看起来不大可能，但是在1987年，爆发了近100年来离地球最近的超新星爆发。不仅如此，这也是人类拥有可探测超新星发出的中微子的探测器以来，首次探测到超新星爆发。尽管我们已经看到了发生在其他星系的超新星爆发，但是我们从没见过一次距离如此之近的超新星爆发，以至于我们可以直接观测到这些中微子。这20多颗中微子的发现标志着中微子天文学的开始，而随后的进步又让我们发现了中微子振荡、中微子质量和发生在一百万光年之外的超新星爆发所诞生的中微子。而在下一次发生在我们银河系的超新星爆发中，我们将探测到超过数十万的中微子。20世纪90年代：如果你认为暗物质以及发现宇宙如何开始是一个大命题的话，那么你可以想象一下当1998年研究人员发现宇宙将会如何终结时引起了多么大的轰动。历史上我们人类想象了三种可能的命运：大挤压：宇宙的膨胀将不足以克服一切物质的引力，最终宇宙会在一次大挤压中崩溃。大冷寂：宇宙的膨胀将会超过所有物质引力的总和，从而使得宇宙中的一切都会相互远离，最终导致大冷寂。临界宇宙：或者我们将处在上述两种情况之间，宇宙膨胀的速度将会趋向于零而永远不会达到零。虽然远处的超新星爆发暗示着宇宙正在加速膨胀，并且随着时间的推移，远处的星系相互远离的速度正在加快。不仅宇宙最终会冷却，并且，这些相互不相关联的星系最终也会消失在我们的宇宙视野中。除了我们本身的星系之外，其他的星系将不会和我们的银河系相遇，我们最终的命运将会是寒冷而孤独的。在1000亿年以后，除了我们自己所处的星系之外，我们将再也看不到其他的星系。21世纪伊始：宇宙微波背景辐射在1965年发现以后并没有就此终结，而我们关于大爆炸残留辉光的波动（或者缺陷）的测量发现了一些新的现象：宇宙究竟是由什么构成的。来自COBE（宇宙背景探测器）的数据被WMAP（Wilkinson微波各向异性探测器）取代了，而反过来又被普朗克卫星进一步改进了。除此之外，来自大型星系巡天项目（如2度视场星系红移巡天和斯隆数字巡天 ）的宇宙大尺度结构数据和遥远的超新星爆发数据相结合，绘出了一幅宇宙的现代图景：0.01%的辐射以光子的形式存在0.1%是中微子，非常轻微地导致了星系团周围的引力晕4.9%是正常物质，包括由原子构成的所有事物27%是暗物质，或者说一种神秘的、不与任何物质发生相互作用（引力除外）的粒子，它们塑造了我们今天所观察到的宇宙结构。68%是暗能量，这是空间本身所固有的属性。2010年到2020年之间，又会有什么样的重大发现呢？是否会开创引力波天文学？我们是否会发现暗物质的真面目？上世纪的关于宇宙暴胀的预测是否会被证实？或者，我们是否可以发现宇宙中的地外生物？我们尚不知道。但有一件事情是确定的：随着2016年的到来，我们对于宇宙的理解，将会又我们对此所投入的资源所决定。