原創(chuàng)： 滿威寧 返樸

10月8日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半授予James Peebles，獎(jiǎng)勵(lì)他在物理宇宙學(xué)方面的理論發(fā)現(xiàn)。Peebles 提出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型和物理理論，描述和解釋大爆炸之后宇宙的演化，這些理論模型與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)很好地吻合，使得宇宙學(xué)從描述性、猜測(cè)性的學(xué)科，轉(zhuǎn)變?yōu)榭深A(yù)測(cè)、可驗(yàn)證的精準(zhǔn)科學(xué)。

加州州立大學(xué)舊金山分校物理與天文系的滿威寧教授贊嘆道：包括 Peebles 在內(nèi)的人類兩千年科學(xué)史上那些智慧又勤奮的靈魂幫助我們?cè)诙虝旱纳锌吹搅四敲催b遠(yuǎn)的過去和未來(lái)。今天，她希望用通俗有趣又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目破兆尭嗳祟I(lǐng)略這份科學(xué)之美，了解我們的宇宙從哪里來(lái)，會(huì)到哪里去。

撰文 | 滿威寧（加州州立大學(xué)舊金山分校物理與天文系終身教授）

又到了每年10月盡可能通俗地給大家介紹諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的時(shí)間。我希望盡量用貼近中學(xué)物理的語(yǔ)言，講清楚這些得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的工作做了什么，為什么要做，怎么做的，有什么結(jié)果和展望。

2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半頒給美國(guó)普林斯頓大學(xué)的詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），“獎(jiǎng)勵(lì)他在物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)”，另一半則共同授予了瑞士天文學(xué)家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和 迪迪?！た迤潱―idier Queloz）師徒，以獎(jiǎng)勵(lì)他們“發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系之外別的恒星的行星”。

這是非常特殊的一年，因?yàn)檫@兩項(xiàng)工作涉及的領(lǐng)域相距甚遠(yuǎn)，一個(gè)研究浩瀚宇宙的發(fā)展歷史，一個(gè)尋找太陽(yáng)系外的行星，宇宙物理學(xué)和天文物理其實(shí)是完全不同的兩個(gè)學(xué)科。雖然這樣的組合十分罕見，但關(guān)于獲獎(jiǎng)原因的致辭還是可以合并在這一句里面：以獎(jiǎng)勵(lì)他們“為人類對(duì)宇宙演化和地球在宇宙中的位置的理解做出的貢獻(xiàn)”。

是的，重要的是這兩項(xiàng)工作深刻地改變了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。

我們是誰(shuí)？我們從哪里來(lái)？我們會(huì)到哪里去？幾乎所有哲學(xué)分支，都會(huì)關(guān)注這些本源問題。

更進(jìn)一步，我們的宇宙從哪里來(lái)，我們的宇宙會(huì)到哪里去？恐怕也是任何好奇的靈魂都很關(guān)注的問題。

科學(xué)家們?cè)?00年前發(fā)現(xiàn)，從地球上觀測(cè)到的遙遠(yuǎn)星系的光譜發(fā)生了紅移（頻率變低了），這意味著星系正在遠(yuǎn)離我們而去。1916年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，徹底改變了人們對(duì)時(shí)間和空間的理解，顛覆了之前認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的，宇宙亙古不變的觀念。1929年美國(guó)天文學(xué)家哈勃證實(shí)：離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系正在以越快的速度遠(yuǎn)離我們，說明整個(gè)宇宙空間在膨脹，現(xiàn)代宇宙學(xué)開始萌芽。

這篇科普由于篇幅過長(zhǎng)，涉及的領(lǐng)域過多，我把它分作上下兩篇，上篇介紹宇宙的起源和演化，下篇介紹如何尋找太陽(yáng)系外行星以及找到了什么。

中間坐立著的是 James Peebles。 | 圖片來(lái)源：Princeton University

我們先來(lái)講講皮布爾斯，他對(duì)宇宙學(xué)理論的貢獻(xiàn)是如此廣泛，以至于一時(shí)之間人們都很難說清楚到底是哪一項(xiàng)或者哪幾項(xiàng)具體的工作為他贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。

與他類似的還有一位普林斯頓已故的大師約翰·惠勒（John Wheeler，1911-2008），他揭示了核裂變機(jī)制，把廣義相對(duì)論廣泛地引入物理學(xué)，創(chuàng)造了黑洞、蟲洞、多重世界等詞匯和概念，是很多諾貝爾獎(jiǎng)獲得者（比如理查德·費(fèi)曼）的導(dǎo)師或同事。但是諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)習(xí)慣針對(duì)具體單個(gè)的獨(dú)立原創(chuàng)性項(xiàng)目頒獎(jiǎng)（比如說愛因斯坦是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)原理得諾貝爾獎(jiǎng)），更類似于某個(gè)影片的最佳導(dǎo)演或主演獎(jiǎng)，而不是終身成就獎(jiǎng)。所以關(guān)于諾貝爾獎(jiǎng)，像惠勒這樣在很多方面有巨大貢獻(xiàn)的大師，在生前反而不像因某一個(gè)偶然的特殊工作而得獎(jiǎng)的人那么幸運(yùn)，比如因?qū)W生期間跟隨導(dǎo)師熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）一同發(fā)明激光啁啾脈沖放大技術(shù)而在2018年得諾獎(jiǎng)的唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）。如果惠勒活到今年，或許不一樣， 因?yàn)槠げ紶査惯@個(gè)獎(jiǎng)開始有了點(diǎn)終身成就獎(jiǎng)的意味。

諾獎(jiǎng)官網(wǎng)致辭是這樣表述的：“詹姆斯·皮布爾斯對(duì)物理宇宙學(xué)的見解豐富了整個(gè)研究領(lǐng)域，并為過去五十年來(lái)宇宙學(xué)從推測(cè)到科學(xué)的轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。他的理論框架自1960年代中期開始發(fā)展起來(lái)，是我們當(dāng)代關(guān)于宇宙的思想的基礎(chǔ)?！?/p>

皮布爾斯最重要的貢獻(xiàn)是，他在理論方面的研究推動(dòng)宇宙學(xué)從一種經(jīng)驗(yàn)的描述性的學(xué)科發(fā)展成了精確的可以驗(yàn)證、可以預(yù)測(cè)的科學(xué)。有一句話叫作，“凡是沒有任何辦法證偽的命題不能夠稱作科學(xué)命題”。意思就是說科學(xué)在本質(zhì)上有可驗(yàn)證性和可預(yù)測(cè)性。如果一種理論永遠(yuǎn)沒有辦法驗(yàn)證或者證偽，那還不能算本質(zhì)的科學(xué)，只能算一種假說。

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝圖，圖中幾乎每一個(gè)光斑都是一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系。| 圖片來(lái)源：NASA, ESA, and M. Postman and D. Coe (STScI) and CLASH Team

既然觀測(cè)到宇宙在膨脹，按照時(shí)間朝前推演，宇宙就應(yīng)該是一個(gè)物質(zhì)更密集、能量更密集的宇宙。哈勃望遠(yuǎn)鏡等可以讓我們看到百億光年外遙遠(yuǎn)的星系，這意味著我們接收到的那些星系的光信號(hào)來(lái)自百億年之前，也就是當(dāng)我們往宇宙深處觀測(cè)，我們看到的是很久以前的更年輕的宇宙，它確實(shí)更致密，也更熾熱?；趷垡蛩固沟膹V義相對(duì)論在時(shí)間軸上朝前推演，科學(xué)家對(duì)宇宙起源提出了宇宙大爆炸理論（The Big Bang）。在皮布爾斯六十年代開始這個(gè)領(lǐng)域的研究時(shí)，宇宙大爆炸還是一個(gè)沒有多少證據(jù)支持的理論，研究宇宙學(xué)模型的人也非常少。皮布爾斯的工作對(duì)這一理論的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。

宇宙演化示意圖。| 圖片來(lái)源：Wikipedia

接下來(lái)我們將詳細(xì)討論這些問題：

什么是宇宙大爆炸理論？

在大爆炸之前宇宙是什么呢？

在大爆炸之后具體發(fā)生了什么？

宇宙大爆炸理論有哪些實(shí)驗(yàn)證據(jù)？

一些仍待解決的問題和宇宙的未來(lái)

什么是宇宙大爆炸理論？

宇宙大爆炸理論是描述宇宙的源起與演化的理論模型，這一模型理論上是基于愛因斯坦的廣義相對(duì)論，并得到當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)最廣泛最精確的支持 。通過廣義相對(duì)論將宇宙的膨脹進(jìn)行時(shí)間反推，則可得出宇宙在距今約138億年前，起始于一個(gè)密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)（奇點(diǎn)），在膨脹和冷卻的過程中，重子、原子核、原子等等開始形成。在宇宙大爆炸后38萬(wàn)年，宇宙變得透明，電磁波（光）得以穿越太空，隨著宇宙的膨脹和冷卻，那些古老的電磁輻射演化成微波背景存在于整個(gè)宇宙，蘊(yùn)含著早期宇宙的大量信息。繼續(xù)膨脹和冷卻的宇宙，慢慢演化出星云、恒星、星系等可觀測(cè)天體結(jié)構(gòu)，而宇宙誕生初期原初核合成產(chǎn)生的輕元素原子核的豐度（相對(duì)比例）卻保留下來(lái)。皮布爾斯發(fā)明的理論工具和計(jì)算方法能夠解釋這些宇宙初期開始、到現(xiàn)在仍能觀測(cè)到的痕跡（微波背景輻射，輕元素豐度等），并發(fā)現(xiàn)新的物理過程。

宇宙大爆炸和演化的示意圖，圖中從左到右是時(shí)間前進(jìn)的方向，與時(shí)間軸垂直的維度代表宇宙持續(xù)膨脹的空間。| 圖片來(lái)源：NASA

在大爆炸之前宇宙是什么呢？

經(jīng)常有人問，如果宇宙始于大爆炸，那么在大爆炸之前宇宙是什么呢?

大爆炸這個(gè)起始點(diǎn)是我們現(xiàn)在這個(gè)宇宙的時(shí)間和空間的起點(diǎn)。之所以有人會(huì)問，在這之前是什么，那是因?yàn)槿藗兞?xí)慣了日常經(jīng)驗(yàn)給予我們的時(shí)空觀念。

比如說，如果我是在平原上生活的螞蟻人。我能夠根據(jù)太陽(yáng)分辨東南西北方向，我看到大地向東南西北4個(gè)方向延伸，我對(duì)空間的概念就是一個(gè)無(wú)限延伸的平面。如果有人跟我說地球存在一個(gè)北極，我會(huì)覺得很納悶，我會(huì)問：“我們一直往北走，往北走，走到北極點(diǎn)再往北走又會(huì)是什么呢？”

由于你現(xiàn)在對(duì)空間的認(rèn)識(shí)不再是一個(gè)四面八方無(wú)限延伸的平面，你能夠想象三維的空間，也知道地球是球形。所以你會(huì)告訴我：“空間并不是在四面八方無(wú)限延伸的平面，在這個(gè)地球的表面一直往北走，往北走，走到北極點(diǎn)之后就沒有辦法再往北走了，因?yàn)樵谀莻€(gè)北極點(diǎn)，無(wú)論怎樣邁出任何一小步，你都是在往南走。” 這些對(duì)現(xiàn)代人來(lái)說很好理解，可對(duì)于認(rèn)為空間是無(wú)限延伸平面的螞蟻人來(lái)說是很難想象的。

類似螞蟻人習(xí)慣了平面空間東南西北方向的無(wú)限延伸，我們習(xí)慣地以為時(shí)間是可以在過去和未來(lái)兩個(gè)方向無(wú)限延伸的，所以我們很難想象我們的宇宙的時(shí)間有一個(gè)起點(diǎn)，倒退到那個(gè)起點(diǎn)再往前，沒有辦法再往前，（就像北極點(diǎn)），因?yàn)槲覀兊挠钪娴臅r(shí)間就是從那里開始的。

那是約138億年以前，那個(gè)起點(diǎn)，就是我們宇宙大爆炸發(fā)生的時(shí)刻。

在大爆炸之后具體發(fā)生了什么？

從大爆炸的時(shí)間點(diǎn)開始，高密度高溫高壓的宇宙發(fā)生了非?？焖俚呐蛎浐屠鋮s。大約在膨脹進(jìn)行到10-37秒時(shí)，宇宙發(fā)生了呈指數(shù)增長(zhǎng)的暴脹。在10-33至10-32秒暴脹結(jié)束，稍微冷卻的宇宙出現(xiàn)了夸克等基本粒子。此時(shí)的宇宙仍然非常熾熱，粒子都在高速隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)碰撞，而粒子-反粒子在碰撞中不斷地產(chǎn)生和湮滅。

隨著宇宙的持續(xù)膨脹和冷卻，宇宙溫度降低到不能隨機(jī)產(chǎn)生新的粒子-反粒子對(duì)，高能粒子物理實(shí)驗(yàn)室研究完全能夠企及宇宙這個(gè)階段的溫度所對(duì)應(yīng)的粒子能量，所以人們對(duì)這個(gè)時(shí)間再往后的宇宙演化過程比最初的暴脹過程有更準(zhǔn)確得多的把握。此時(shí)所有粒子-反粒子繼續(xù)成對(duì)湮滅，形成大量光子（電磁波），由于粒子數(shù)目略多于反粒子數(shù)目（原因尚未明），保留的幾乎都是正粒子（比如質(zhì)子、中子和電子），而且速度顯著低于光速，而此時(shí)的宇宙能量密度的主要貢獻(xiàn)來(lái)自正反粒子湮滅產(chǎn)生的大量光子（少部分來(lái)自中微子）。

在大爆炸發(fā)生的幾分鐘后，宇宙的溫度降低到大約十億開爾文的量級(jí)，一些減速的質(zhì)子和中子開始結(jié)合成比氫原子核（一個(gè)質(zhì)子）更復(fù)雜的原子核（比如氘和氦的原子核）。

在大爆炸大約38萬(wàn)年之后，在繼續(xù)膨脹和冷卻的宇宙內(nèi)，電子和原子核開始結(jié)合成為原子（主要是氫原子）。宇宙開始變得透明，因?yàn)楣庾樱姶挪ǎ┑靡韵鄬?duì)自由地傳播（而不是被電子和質(zhì)子吸收散射）。產(chǎn)生于宇宙大約38萬(wàn)歲時(shí)的電磁波輻射一直在宇宙中傳播，它們的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射。從今天這些光子的能量中，可以推斷出早期宇宙的溫度下限、密度和能量分布等信息。

聽起來(lái)很玄，其實(shí)可以慢慢理解。比如說大家都能想象冰融化的過程：隨著溫度的升高，固體分子攜帶的熱運(yùn)動(dòng)能量增加，直到這些單個(gè)分子的能量大到可以掙脫分子間晶格作用力的束縛，固體就熔化成液體。溫度繼續(xù)升高，超過沸點(diǎn)，分子能量大到可以徹底擺脫其余分子，于是沸騰成為自由的氣態(tài)。當(dāng)溫度高達(dá)幾千度，粒子熱運(yùn)動(dòng)的能量就可以撕裂原子，產(chǎn)生等離子體（比如在地球大氣層離地幾百到一千公里的電離層）。而隨著溫度繼續(xù)升高，原子核和電子之間的束縛會(huì)被打破，十億度以上溫度對(duì)應(yīng)的能量則可以把原子核拆開。溫度再高，質(zhì)子中子也不能穩(wěn)定存在，等等。

所以你能夠想象在宇宙大爆炸初期溫度高于1016度， kT能量遠(yuǎn)高于 1T（1012）電子伏特的時(shí)候，不存在我們所了解的物質(zhì)。溫度越高，能量密度越大，越能打破萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)核力、弱核力等的層層束縛，瓦解一切。這樣的過程反過來(lái)，或許你就能想象和理解在宇宙逐步膨脹降溫的過程中，我們熟悉的物質(zhì)是怎樣得以產(chǎn)生的。

宇宙從大爆炸逐漸演化到今天的歷史。| 圖片來(lái)源：NASA

隨著宇宙繼續(xù)膨脹和冷卻，宇宙能量密度主要來(lái)自靜止質(zhì)量產(chǎn)生的萬(wàn)有引力的貢獻(xiàn)，并超過原先光子（電磁波）形式的能量密度。宇宙早期略微不均勻的密度差異會(huì)逐漸擴(kuò)大，因密度稍大的區(qū)域有更強(qiáng)的萬(wàn)有引力吸引附近的物質(zhì)，這些區(qū)域的密度會(huì)進(jìn)一步增大，經(jīng)過漫長(zhǎng)的演化，最終形成了星云、恒星、星系等我們觀測(cè)到的宇宙結(jié)構(gòu)。最早的恒星在宇宙兩億到四億歲左右時(shí)誕生，而我們太陽(yáng)系誕生在46億年前，也就是大爆炸后大概92億年左右。

宇宙大爆炸理論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

為什么科學(xué)家對(duì)于宇宙大爆炸理論普遍接受，而且能夠繪聲繪色地講述這么多細(xì)節(jié)呢？

前面我們提到過，以皮布爾斯為代表的科學(xué)家們從理論上奠定了物理宇宙學(xué)的基礎(chǔ)，提出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型和物理理論來(lái)描述和解釋大爆炸之后宇宙的演化，最重要的是這些理論模型在以下幾個(gè)方面與人們觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，使得宇宙學(xué)從描述性、猜測(cè)性的學(xué)科，變成了可預(yù)測(cè)、可驗(yàn)證的精準(zhǔn)的科學(xué)。

1、宇宙年齡

不同的方法獨(dú)立測(cè)量和推算出的宇宙年齡（大爆炸至今的時(shí)間間隔）吻合得很好。對(duì)宇宙背景輻射的測(cè)量給出了宇宙的冷卻時(shí)間，而對(duì)宇宙膨脹率的測(cè)量也可以通過向前推演來(lái)計(jì)算其近似年齡。包括普朗克航天器、威爾金森微波各向異性探針和其他系統(tǒng)對(duì)宇宙微波背景輻射及其溫度波動(dòng)的測(cè)量，還有使用 Ia 型超新星進(jìn)行的宇宙膨脹測(cè)量等等，取得很統(tǒng)一的結(jié)果?，F(xiàn)在公認(rèn)的宇宙年齡可以被界定在 137.9億年±0.2億年的范圍內(nèi)。

2、哈勃紅移

哈勃紅移就是我們前面提到過的，在地球上觀測(cè)到的來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光譜全都發(fā)生了紅移（頻率變低），而且距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系紅移越嚴(yán)重，這意味著它們離我們遠(yuǎn)去的速度越快，速度與距離的比值叫哈勃常數(shù)。這并不是因?yàn)槲覀兪怯钪娴闹行?，在宇宙中不同的觀測(cè)點(diǎn)（并不是某一個(gè)特殊的中心）都會(huì)觀察到距離越遠(yuǎn)的星系以更快速度遠(yuǎn)離這樣的現(xiàn)象，所以這是整個(gè)宇宙空間本身在膨脹。我們可以想象，一個(gè)加了葡萄干的面包胚在烤箱內(nèi)膨脹的過程，整個(gè)空間在膨脹，葡萄干與葡萄干之間的距離在增加，相距越遠(yuǎn)的葡萄干之間的距離增加得越快。宇宙大爆炸的理論模型首先就是基于觀測(cè)到的哈勃紅移建立的。對(duì)哈勃常數(shù)的廣泛測(cè)量為宇宙大爆炸理論提供了強(qiáng)有力的佐證。

3、宇宙微波背景的存在與結(jié)構(gòu)

宇宙微波背景（CMB）是非常微弱的宇宙本底輻射，充滿了整個(gè)空間，幾乎各向同性，與任何恒星、星系或者其他物體都無(wú)關(guān) 。1964年美國(guó)射電天文學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，他們也因此得到1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但一開始他們不知道這些無(wú)處不在的微波是什么。

實(shí)測(cè)的宇宙微波背景圖。| 圖片來(lái)源：Planck Collaboration

皮布爾斯和其他科學(xué)家一起，意識(shí)到這種無(wú)處不在的宇宙微波背景是宇宙大爆炸的遺跡。它遵守黑體輻射規(guī)律，所對(duì)應(yīng)的峰值頻率是60G赫茲，而峰值波長(zhǎng)在一毫米左右，每個(gè)光子攜帶的能量對(duì)應(yīng)的溫度是2.7卡爾文，也就是在絕對(duì)零度之上2.7度左右。

前面提到在大爆炸之后38萬(wàn)年左右，宇宙冷卻到質(zhì)子和電子可以結(jié)合形成中性氫原子。光子（電磁波）才可以開始穿越空間，而不是被宇宙間充滿的電荷（質(zhì)子和電子）散射。那時(shí)宇宙對(duì)電磁波來(lái)說開始變得透明，那時(shí)的電磁波直到現(xiàn)在還一直在傳播，卻因?yàn)橛钪婵臻g的膨脹，導(dǎo)致波長(zhǎng)隨著時(shí)間增加。據(jù)普朗克關(guān)系，波長(zhǎng)與能量成反比；根據(jù)玻爾茲曼關(guān)系，能量與溫度成正比。所以這些電磁波，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)，能量和頻率越來(lái)越低，溫度越來(lái)越低，成為宇宙間無(wú)處不在的微波背景。

包括皮布爾斯在內(nèi)的科學(xué)家建立的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撃Ｐ?，不僅吻合宇宙微波背景輻射存在的事實(shí)，也能夠解釋在幾乎各向同性的宇宙背景輻射中存在的微弱各向異性的結(jié)構(gòu)。

4、氫和氦等輕元素的豐度

在1966年皮布爾斯意識(shí)到宇宙背景輻射代表的溫度提供了大爆炸之后創(chuàng)造出多少物質(zhì)的信息，他結(jié)合了粒子物理理論和宇宙背景輻射數(shù)據(jù)中得到的物質(zhì)和光子（輻射能量）的比例，首次對(duì)大爆炸之后合成的不同原子核的豐度（所占比例）進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算。

在大爆炸三分鐘后，當(dāng)宇宙降溫至足以形成穩(wěn)定的質(zhì)子和中子，發(fā)生了原初核合成，只有一個(gè)質(zhì)子的氫原子核最常見。在宇宙溫度降低到十億開爾文下（kT能量大約十萬(wàn)電子伏特），氘核（一個(gè)質(zhì)子一個(gè)中子）開始可以穩(wěn)定存在，氦核開始形成。我們初中開始背的元素周期表的最前幾位，氫、氦、鋰、鈹以及它們的同位素的原子核就是那時(shí)候形成的。這個(gè)原初核合成過程是普遍的，充斥整個(gè)熾熱的宇宙。

但這個(gè)過程只持續(xù)了十幾分鐘，此后宇宙的溫度和密度已經(jīng)不再滿足核聚變發(fā)生的條件，所以沒有比鈹重的原子核生成。宇宙間元素周期表最前幾位的輕元素的豐度（質(zhì)量或數(shù)目的相對(duì)比例）就從那個(gè)時(shí)候開始傳承下來(lái)。

皮布爾斯等科學(xué)家通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，考慮早期宇宙光子與重子的比例、早期宇宙溫度與速度隨時(shí)間快速變化的模型、核聚變發(fā)生的能量條件（也就是溫度條件），推算出原初核合成時(shí)候75%的質(zhì)量是氫，25%的質(zhì)量是氦，0.01%是氘，和極其微量（10-10）的鋰?，F(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙中氫和氦元素豐度與理論數(shù)值的吻合是大爆炸理論的有力證據(jù)之一。

或許你會(huì)納悶，那么那些重元素怎么來(lái)的，又在哪呢？比如我們所熟知的世界：地球90%左右的質(zhì)量是氧、硅、鋁和鐵啊。

原來(lái)在宇宙中，氫、氦之外的物質(zhì)是如此如此之少。原初核合成之后，在極端條件下，比如恒星內(nèi)部還有核聚變制造出新元素（更重的原子核），有些后來(lái)成為了構(gòu)成行星的材料（比如地球上的氧、硅、鋁、鐵），但是所有的重元素總量是如此之小，并沒有明顯改變宇宙中前幾種輕元素的豐度。

比如說太陽(yáng)系的幾大行星里面，只有4顆巖石星體（水星、金星、地球、火星），其中地球是最大的，但它也仍然只有太陽(yáng)質(zhì)量的33萬(wàn)分之一。太陽(yáng)系內(nèi)的巨型星，比如木星和土星，90%的質(zhì)量是氫。另外雖然木星質(zhì)量是地球的318倍，比起太陽(yáng)還是小一千倍。整個(gè)太陽(yáng)系幾乎所有的質(zhì)量都集中在太陽(yáng)上，而太陽(yáng)的質(zhì)量71%是氫，27%是氦。我們現(xiàn)在整個(gè)宇宙內(nèi)的元素中，氫占75%，氦約占24%，其余元素之和約占百分之一，與原初核合成模型的解釋吻合得很好。另一方面，結(jié)合那些重原子核之間的相對(duì)豐度與我們熟知的重核核反應(yīng)條件，科學(xué)家對(duì)理解此后宇宙內(nèi)恒星和星系的演化也提供了信息和證據(jù)。

5、星系分布中的大尺度結(jié)構(gòu)

宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)（Large-scale structure）是指宇宙間質(zhì)量和光在大范圍內(nèi)（比如上億光年的尺寸）的分布結(jié)構(gòu)。

浩瀚的銀河系的直徑有約十六萬(wàn)光年。數(shù)百上千個(gè)星系（galaxy）之間因?yàn)橐κ`組成星系群，再組成星系團(tuán)（galaxy clusters）。銀河系和仙女座星系等幾十個(gè)星系組成本星系群（the Local Group）。兩千多個(gè)星系組成的室女座星系團(tuán)距離我們五千多萬(wàn)光年，其中M87星系的中心就是之前人類首張黑洞照片的拍攝對(duì)象。本星系群所屬的本星系團(tuán)和室女座星系團(tuán)又都屬于更大的一層結(jié)構(gòu)：直徑一億光年的室女座超星系團(tuán)（Virgo Supercluster）。

（左右滑動(dòng)可查看）從地球到可觀測(cè)宇宙。| 圖片來(lái)源：Andrew Z. Colvin/Wikipedia Commons

超星系團(tuán)又可以形成更大尺度的“巨墻”（Great Wall）。星系群、星系團(tuán)、超星系團(tuán)和巨墻之間被不同尺度的空洞分開， 所以宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)被描述成是纖維狀或泡狀。

纖維狀宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。圖中橙色區(qū)域表示星系團(tuán)和纖維結(jié)構(gòu)密度更高的區(qū)域。| 圖片來(lái)源：Sloan Digital Sky Survey

宇宙微波背景是我們宇宙中“最古老的光”，一直傳播至今，它攜帶的信息揭示出早期宇宙不同方位的微小的溫度漲落，那是后來(lái)演化成宇宙大尺寸結(jié)構(gòu)的種子。皮布爾斯是上世紀(jì)70年代提出宇宙結(jié)構(gòu)形成理論的先驅(qū)，該理論描述了宇宙早期微小的局部密度和溫度差異如何在宇宙膨脹的過程中形成了當(dāng)今可觀測(cè)的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。他貢獻(xiàn)的Lambda 冷暗物質(zhì)理論（ΛCDM）認(rèn)為，宇宙結(jié)構(gòu)是分層增長(zhǎng)的，小的結(jié)構(gòu)首先在其自身萬(wàn)有引力的作用下坍塌，然后合并成連續(xù)的分層結(jié)構(gòu)，形成更大更重的結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型預(yù)測(cè)與宇宙學(xué)大規(guī)模結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果總體上是一致的。

仍待解決的問題和宇宙的未來(lái)

皮布爾斯恰恰在以上好幾個(gè)實(shí)證大爆炸理論的領(lǐng)域都有卓越的貢獻(xiàn)，所以說他推動(dòng)了宇宙學(xué)從經(jīng)驗(yàn)的描述性的學(xué)科發(fā)展成了嚴(yán)謹(jǐn)定量可驗(yàn)證的科學(xué)。他卻謙虛地表示，他的成就得益于很多同行，包括一些前蘇聯(lián)科學(xué)家的貢獻(xiàn)。

被各方面實(shí)驗(yàn)結(jié)果最廣泛、最精確地支持的宇宙大爆炸模型已經(jīng)成為科學(xué)界的共識(shí)，但仍然有一些沒有解決的問題。我們知道得越多，接觸到的未知和不確定也就越多。

比如說，前面提到暗物質(zhì)，暗物質(zhì)是在宇宙中被廣泛觀測(cè)到的參與萬(wàn)有引力作用的強(qiáng)大的質(zhì)量，也是解釋宇宙大尺度結(jié)構(gòu)和氦、氘等相對(duì)豐度的理論模型中不可缺少的部分。它們不是我們熟知的常規(guī)物質(zhì)，與質(zhì)子、中子、電子等不同，它們完全不參與任何電磁相互作用，所以被稱為暗物質(zhì)。比如說在銀河系內(nèi)部，提供的引力強(qiáng)到足以拉住銀河系外圍高速旋轉(zhuǎn)的星體使其不飛出銀河系的質(zhì)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銀河系中心黑洞的質(zhì)量，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銀河系內(nèi)部各種星體的質(zhì)量之和。這些存在并提供萬(wàn)有引力的物質(zhì)不發(fā)光，不參與任何電磁相互作用，它們?cè)谟钪嬷写罅糠植?，還會(huì)扭曲星系射向地球的光線，形成透鏡的效果，俗稱引力透鏡。這樣的暗物質(zhì)在現(xiàn)在的整個(gè)宇宙中占26.8%，而我們熟知的常規(guī)物質(zhì)只占4.9%左右?？墒怯捎诎滴镔|(zhì)不參與電磁相互作用，實(shí)驗(yàn)中還從來(lái)沒有捕獲或發(fā)現(xiàn)過暗物質(zhì)粒子，它們到底是什么還是個(gè)謎。

宇宙現(xiàn)在的成分和宇宙38萬(wàn)歲時(shí)的成分。| 圖片來(lái)源：NASA

再比如說，上個(gè)世紀(jì)90年代人們才開始在觀測(cè)中確認(rèn)，宇宙不僅是在膨脹，而且是在加速膨脹（2011年諾貝爾獎(jiǎng)），現(xiàn)階段將宇宙加速膨脹的原因歸結(jié)為愛因斯坦方程的一個(gè)正的宇宙常數(shù)或者“真空能量密度”，根據(jù)質(zhì)量和能量等價(jià)的原理，這意味著現(xiàn)在宇宙68.3%的質(zhì)量或者能量是這種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的能量，我們稱其為暗能量，但我們對(duì)暗能量是什么還知之甚少。

另外，宇宙的命運(yùn)取決于宇宙的曲率和宇宙的密度。盡管宇宙微波背景各向異性探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明宇宙是平坦的（不是封閉或者開放的），誤差只有0.4% 。迄今為止，基于對(duì)宇宙膨脹率和質(zhì)量密度的大量測(cè)量結(jié)果支持一個(gè)將無(wú)限膨脹直到最終“大凍結(jié)”的宇宙。但科學(xué)界對(duì)于宇宙的未來(lái)仍然沒有絕對(duì)定論。

有可能持續(xù)的加速膨脹會(huì)導(dǎo)致宇宙冷卻，逐漸接近絕對(duì)零溫度。在這種情況下，預(yù)計(jì)在1萬(wàn)億到100萬(wàn)億年之后，新的恒星將不會(huì)再形成，當(dāng)已有恒星燃料耗盡并停止發(fā)光時(shí)，宇宙將逐漸變暗，稱為大凍結(jié)。也有可能暗能量的加速膨脹效應(yīng)增強(qiáng)，最終導(dǎo)致大到恒星、小到原子都被拆散的“大撕裂”。膨脹的宇宙最終會(huì)逆轉(zhuǎn)的“大收縮”的可能性也沒有被完全否定。另外，也還有一點(diǎn)可能宇宙會(huì)經(jīng)歷從膨脹到收縮回一個(gè)奇點(diǎn)，到再次大爆炸的循環(huán)過程。我們說過，任何沒有被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)的都只能稱作理論假說。

當(dāng)然，相對(duì)于太陽(yáng)系年齡46億年和靈長(zhǎng)類動(dòng)物百萬(wàn)年的短暫歷史，宇宙在未來(lái)百億或萬(wàn)億年后的命運(yùn)實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了。古人嘲笑杞人憂天，哪里知道我們的宇宙不是亙古不變的。其實(shí)不忙擔(dān)心宇宙的命運(yùn)，太陽(yáng)系內(nèi)行星的命運(yùn)更加明確得多，也近得多。根據(jù)恒星演化的歷史，我們知道，從現(xiàn)在起的11億年內(nèi)，太陽(yáng)將比今天亮10％，地球?qū)岬煤茈y居住。35億年內(nèi)，太陽(yáng)將比現(xiàn)在明亮40％。海洋會(huì)沸騰，大氣中的所有水蒸氣都將流失到太空，地球?qū)⒊蔀榱硪粋€(gè)又熱又干、沒有生命的金星。大約54億年之后，太陽(yáng)將耗盡其核聚變的原料氫，從主序星中消失，成為一顆吞噬水星和金星的紅巨星，再往后會(huì)成為一顆經(jīng)歷萬(wàn)億年再黯淡下去的白矮星。（太陽(yáng)質(zhì)量不夠成為一個(gè)超新星。）

但畢竟那是幾十億年以后的事了，越是了解浩瀚的星空和宇宙，越能體會(huì)人類的渺小。人類短暫的歷史恐怕只是宇宙長(zhǎng)河中微不足道的一點(diǎn)小浪花。

莊子說，“井蛙不可以語(yǔ)于海者，拘于虛也；夏蟲不可以語(yǔ)于冰者，篤于時(shí)也?！备兄x人類兩千年科學(xué)史上那些智慧的靈魂，包括今年的諾獎(jiǎng)獲得者皮布爾斯，他們幫我們這些“夏蟲”在短暫的生命中看到了那么遙遠(yuǎn)的過去和未來(lái)，深刻地改變了人類對(duì)宇宙、對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。

吾生也有涯，而知也無(wú)涯。皮布爾斯說：”每每想到自然是按照我們可以發(fā)現(xiàn)的規(guī)則運(yùn)作的，我就覺得無(wú)比神奇?！?他對(duì)年輕學(xué)者說：“We’re in this for the joy of research, the fascination, the love of science…” （我們做這些是為了研究的喜悅，那些迷戀，和對(duì)科學(xué)的熱愛……）

雖然皮布爾斯在筆者進(jìn)入普林斯頓大學(xué)物理系學(xué)習(xí)的時(shí)候名義上已退休，但他在那之后很長(zhǎng)時(shí)間一直在活躍地工作，筆者也有幸與他有過短暫的接觸。確實(shí)“他既體現(xiàn)了普林斯頓大學(xué)在物理學(xué)、宇宙學(xué)和引力學(xué)方面進(jìn)行杰出、開創(chuàng)性研究的傳統(tǒng)，又體現(xiàn)了該大學(xué)致力于將最優(yōu)秀的學(xué)者投入課堂的承諾?！?正是這些智慧的靈魂鼓舞著我們?cè)诳茖W(xué)的道路上“以有涯隨無(wú)涯”地探索。

“我們是誰(shuí)？我們從哪里來(lái)，我們要到哪里去?” 或許這篇文章可以幫助你稍微了解一點(diǎn)點(diǎn)宇宙從哪里來(lái)，接下來(lái)在下一篇我會(huì)更加接地氣，從地球出發(fā)，詳細(xì)介紹科學(xué)家們?nèi)绾螌ふ姨?yáng)系外行星的具體方法，以及已經(jīng)尋找到了什么?！拔覀兪钦l(shuí)，我們?cè)谀睦? ”我們太陽(yáng)系，我們地球是特別的嗎？是獨(dú)一無(wú)二的嗎？

作者介紹

滿威寧，博士，本科畢業(yè)于吉林大學(xué)少年班，博士畢業(yè)于普林斯頓大學(xué)物理系，在普林斯頓大學(xué)和紐約大學(xué)從事博士后工作?，F(xiàn)任加州州立大學(xué)舊金山分校物理與天文系終身教授，她帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)從事軟凝聚態(tài)物理、無(wú)序材料、準(zhǔn)晶、光子能隙及非線性光學(xué)的研究。歡迎關(guān)注她的個(gè)人科普微信公眾號(hào)mv0 (數(shù)字零）。

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/press-release/

[2] https://www.quantamagazine.org/nobel-prize-in-physics-to-james-peebles-michel-mayor-and-didier-queloz-20191008/

[3] A Briefer History of Time, By Stephen Hawking, Leonard Mlodinow

[4] Principles of physical cosmology by James Peebles, Princeton University Press

[5] Large-Scale Structure of the Universe by James Peebles, Princeton University Press

[6] Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results. The Astrophysical Journal Supplement. 2013, 208 (2): 20.

[7] Wollack, Edward J. Cosmology: The Study of the Universe. Universe 101: Big Bang Theory. NASA.

[8] https://www.princeton.edu/news/2019/10/08/joy-ride-career-peebles-wins-nobel-prize-physics-tackling-big-questions-about

[9] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2006/summary/

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