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夸克和宇宙
Michael S. Turner 文 X.-M. Deng 译
得益于粒子物理大胆思想的推动和千兆像素的电荷耦合器件照相机（CCD）以及计算机的技术飞速进步，宇宙学正处于蓬勃的发展之中。现在，宇宙的基本图景已经确定了：137亿年的历史，平直的空间，且正处于加速膨胀阶段；宇宙由4%的原子、20%的暗物质、76%的暗能量组成；另外还有证据表明量子微扰是星系和其他结构形成的种子。尽管我们对宇宙了解了很多，但距离完全的认识它还相差甚远。随着我们对宇宙和它演化规律了解的不断深入，宇宙学正处于它的黄金时期。
宇宙经常超乎我们的想像，宇宙学的进步也往往得益于科技的进步和新想法的涌现。20世纪20年代，哈勃（Hubble）在威尔逊山使用2.5米的胡克望远镜发现了宇宙膨胀，爱因斯坦刚刚创立的广义相对论则为理解大爆炸提供了数学基础。20世纪60年代随着在帕洛马山5米的海尔望远镜的建成，天文学家们的视野也拓展到了可观测宇宙的边缘。1964年，应用射电技术阿莫·彭齐亚斯（Amo Penzias）和罗伯特·威尔逊（RobertWilson）发现的宇宙大爆炸的微波背景辐射揭示了宇宙创生时的极高温和高密。
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来自于粒子物理学的新思想改变了宇宙学的语言和交流方式。我们最想知道的几个物理量是：宇宙微波背景的温度、谱图和各项异性，宇宙的形状，宇宙的组成，现今物质的大尺度分布，以及非均匀性的功率谱。
通过使用更大的望远镜、更好的探测器和更快的计算机，天文学家和物理学家们已经在更为精确地测定了这些基本量，把处于混沌的宇宙学变成了精确的宇宙学。在绝大多数情况下，这不仅仅是一个测量，更是一张相互补充、环环相扣的网，这张网限定了宇宙的参数，巩固了宇宙学的框架，改变了宇宙学的进程。宇宙学不再是俄罗斯物理学家列弗·郎道（Lev Landau）所说的那样，“宇宙学家们经常犯错误，但却从来不被怀疑。”
这就是我们的宇宙：总体来说，宇宙空间是平直的，年龄为137亿年，对此我们所了解的精度已达到了1%；另外宇宙正以70±2千米/秒/百万秒差距的速率膨胀，而且是加速膨胀；此外宇宙由24±4%的物质和76±4%的暗能量组成，物质的4.2±0.5%是以原子形式存在的，0.1-1%以中微子形式存在，其余的大部分物质则是暗物质，而暗物质到底是什么目前还不清楚。恒星——桑德齐宇宙模型中唯一的成分——仅占整个宇宙成分的1%。同时，微波背景辐射的重要特性也已经被测量，其温度为2.725±0.001开（K），而且在好于1°的分辨率下其微小的涨落（大约0.001%）也已经被测定。
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美国宇航局（NASA）的宇宙背景探测器（COBE），在1992年首先探测到了全天空范围内宇宙微波背景各项异性的微小变化，证实了导致大尺度结构形成的非均匀性的存在，进而为宇宙学翻开了全新的一页。通过对宇宙微波背景各项异性的了解，我们可以探知宇宙的过去、现在和未来。2006年，约翰·马瑟（John Mather）和乔治·斯穆特（George Smoot）由于他们在COBE上的工作而获得了当年的诺贝尔物理学奖。
[图片说明]：顶图为WMAP看到的CMB。WMAP测量到微波背景中的高温（红色）和低温（蓝色）区域彰显了宇宙在40万年时物质分布的不均匀性，其中温度变化的范围为±200μK，相应的物质密度变化为0.01%。底图是CMB非各项同性的球谐多极矩展开，揭示了CMB其内在数学结构，它同时也被用来确定宇宙学参数。图中的点以及相应的误差棒对应的是WMAP的测量结果和测量的误差，实线是和谐宇宙模型所预言的结果。阴影区域是每个多极矩所允许的变化范围。图片版权：NASA/WMAP科学小组。
COBE之后，NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及许多地面和气球实验也对宇宙微波背景进行了观测。从这些实验所得到的高精度结果以及斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）和2度视场计划（Two-Degree Fieldproject）的观测一起所描绘出了宇宙的大尺度结构，精确测定了宇宙学参数，并基本证实了CDM图像的正确性，这为暗物质和暴涨的存在提供了强有力的证据。[hide] 暴涨和暗物质是由理论所预言的；然而，暗能量的出现也是令人震惊的。1998年，对于桑德齐的第二个数值减速因子的测量出现了意料之外的转机。使用新的技术和更好的用于测定宇宙距离的标准烛光（Ia型超新星——白矮星通过吸积伴星的质量而使自身的质量超过了钱德拉塞卡极限所引发的核爆炸），两个小组发现宇宙正在加速膨胀，而不是减速。换句话说，对于减速因子而言，尽管最先的定义是为了保证它是正值，但现在实际的观测却是负值！
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现在，我们对宇宙的了解已经很多：它的形状、年龄、组成、暴涨开始的证据、从夸克汤到宇宙大尺度结构形成的时间线，但对于诸如宇宙中特殊原子混合物的存在、暗物质及暗能量的了解却不是很多。我们不了解暗物质究竟是什么，宇宙为什么加速膨胀，同样也不知道如果宇宙在早期确实经历了暴涨那么又是什么触发了它。与郎道曾经说的有所不同，今天的宇宙学家们很少出错但却经常被怀疑。
[图片说明]：大爆炸的时间线，从暴涨到夸克汤，从轻核诞生到原子形成，再到星系和引力束缚结构的最终形成。图片版权：粒子数据小组/劳伦斯伯克利国家实验室/美国能源部/美国自然科学基金会。
随着新的加速器、望远镜和地面实验的出现，在未来的15年里宇宙学会得到更长足的发展。渺中子有可能在费米实验室的万亿电子伏对撞机或者在欧洲核研究组织（CERN）的大型强子对撞机中产生，又或者存在于银河中的渺中子和轴子有可能被及其灵敏的探测器探测到。以观测偏振为目标的新一代宇宙微波背景实验将能够揭示暴涨中的第三个也是最有决定性的信号（例如，在由时空度规中的量子涨落所产生的引力波）并且约束暴涨发生的时间。同时，暗能量空间望远镜也将会解释为什么宇宙在加速膨胀提供线索。
因为宇宙学和粒子物理的科学议程已经交织在了一起，所以随着我们对宇宙了解的不断深入，我们也会不断推进对支配宇宙的基本定律的认识。粒子物理学中最被看好的就是弦理论。但是如果弦理论要真正成为一个“万物之理”，那么它就需要一个“本垒打”。因为它目前的许多理论预言已经超出了地球实验室的范畴，许多弦理论家寄希望于宇宙学，例如对于暴涨的基本认识（或者是一个更为吸引人的解决方案），对宇宙加速膨胀的解释，更或者是洞察大爆炸本身的特性。
在下一个15年里，宇宙学的未来并不清晰。像以前一样，宇宙再一次超出了我们的掌控。也许就像是粒子物理学家们希望他们的标准模型是成功的一样，我们会发现就宇宙学而言我们会有更高的精度但却没有更多的认识。然而，我有信心并且预计为了大幅度推动我们对夸克和宇宙的认识，宇宙学的长期繁荣将最终使它进入黄金期。
出自：Science
发布日期：2007-01-05
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[ 本帖最后由 bolidemag 于 2007-8-6 20:02 编辑 ] | 
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