“时间的印记”_宇宙起源
“可是除了你是个单身汉、律师、共济会会员、哮喘病患者这些显而易见的事实以外，我
确实对你一点也不了解。”
引自《诺伍德的建筑师》①
1992 年，全世界的新闻媒介都因美国国家宇航局发布的下述声明而变得异常兴奋：宇宙背景探测器（COBE）卫星已经观测到天空各处微波背景辐射温度的极微小的变化。COBE 卫星是在地球大气外观测这些辐射的，从而避免了由地球大气造成的虚假变化，所达到的观测精度也比先前所有的地面实验结果更高。它的做法是不断地来回探测角间距大于约 10°的天空区域（满月在天空中约占 2°的范围），以测定来自不同方向的微波背景辐射光子的温度之差。所发现的这种差异仅约为十万分之一。它究竟意味着什么？人们又为何因此而激动不已（有些浪漫夸张的评论家甚至说它是史无前例的最重要的科学发现！）？
天文学家的任务之一是解释我们周围宇宙中的各种事物——例如行星、恒星和星系。行星和恒星用普通的方式来解释是不难理解的。如果我们从未见过行星和恒星，我们也几乎肯定能预期，在宇宙中的什么地方可能和应该存在这样的天体。它们是挤压物体的重力和亚原子的压力相抗衡的产物。恒星是比较富有戏剧性的天体。在恒星中，上述两种相反的自然力达到平衡，而压力则大得足以启动和维持一连串的核反应。当一个物质球大到其中心压力足以将物质加热至几百万摄氏度时，一颗恒星就诞生了。这就告诉了我们为什么恒星会有那么大。
因此，我们可以利用自己所了解的基本物理原理，来理解像恒星和行星之类的结构为何得以存在。但是谈论星系时，我们的知识就靠不住了。我们并不知道，一旦弄清了不同自然力之间相平衡的情况，是否就足以解释星系和星系团为何具有所观测到的质量、形状和大小。几乎可以肯定这还不行。星系和星系团是宇宙中物质密度变得远大于外界平均物质密度的“岛屿”。对于我们太阳系置身其中的银河系来说，平均密度要比外部宇宙的平均密度大约高出一百万倍。宇宙中存在这种密度特别高的地方其实并不神秘。如果我们取某种完全平滑的物质分布，然后引进某种非常微小的不均匀性，那么它们就会像滚雪球那样变得越来越大。例如，在物质稍多的地方，引力拉曳比较强，就会将更多的物质从周围的低密度区曳往该处，于是它又更加容易曳引更多的物质，累积过程就这样继续进行下去。这一过程称为“引力不稳定性”（见图 7· l）；300 年前艾萨克·牛顿首先认识到了这种过程。无论宇宙是否膨胀，这种过程都起作用，只不过在膨胀宇宙中物质的集结要花费更长的时间，因为这种膨胀力图把正在集结的物质互相拉开。不言而喻，如果在最早的时刻宇宙各处的物质分布有极微小的差异，那么随着宇宙的膨胀和成长，这些不规则性就应该逐渐变得越来越显著。最后，与宇宙的其余部分相比，它们将会变得如此之密集，以至于不再随宇宙的普遍膨胀而膨胀。
① 《诺伍德的建筑师》，福尔摩斯探案之一。此处引文为福尔摩斯对其委托人、一位遭陷害的无辜青年约
翰·赫克托·麦克法兰所言。福尔摩斯初遇这位素昧平生的年轻人，瞬息间便作出了这些准确的判断——
译者 它们分离出来，成为稳定的物质岛；这些物质处于由其组成成分施予的重力拉曳与其内部运动的外向压力相平衡之中。然而，你可以看到，如果我们打算用引力不稳定性过程来解释星系的形成，那么我们就需要知道有关宇宙开始膨胀、或开始膨胀后不久的某些状况。因为引力不稳定性过程致使微小的初始不规则性增大，所以在未来任何一个给定的时刻，那些不规则性所达到的程度取决于它们一开始时的水平。
我们知道，今天存在着星系和星系团。我们对最遥远的星系和它们可能的祖先的观测，揭示出当宇宙膨胀到今日规模的五分之一时，像官们这样的过密区域即已存在。但是，我们真正需要了解的乃是在极遥远的过去（当时宇宙膨胀所及的尺度只有今日的千分之一，这一时刻要比人们所见的诸如星系和星系团之类的任何东西都早得多），密度过剩的程度有多大。这正是 COBE 卫星所能做的事情。
从膨胀宇宙灼热的早期阶段余下的辐射随着宇宙的膨胀而冷却。当膨胀大约持续了 1000 万年的时候，辐射已冷却到容许宇宙中开始形成简单原子和分子的地步。在更早的时候，原子和分子将因遭遇周围的高能辐射而旋即瓦解。在宇宙史上的 1000 万年①之后，辐射的光子不再从电子上散射（因为后者被束缚于围绕着原子核的轨道上），它在空间和时间中自由地飞翔，而变成我们今天观测到的微波背景辐射。然而，当这些光子开始在宇宙中自由飞翔时，它们就会携带受到所经区域中环境影响的有关信息。在密度稍高于平均值的地方，辐射的温度要比它们穿过更稀薄的区域下降得稍慢一些。这意味着，如果我们能够画出今日天空中不同方向上微波辐射温度的变化图，那么它将能为我们提供一张宇宙年龄仅为 1000 万岁时——这要比足月怀胎的星系形成早得多——的物质分布“快照”。
在人们用地面探测器搜索多年而未获成功之后，COBE 卫星终于发现了背景辐射温度的这些涨落。它们是很小的——仅为十万分之一。这就告诉我们，从宇宙年龄为 1000 万岁直到第一个星系形成的时代（那时宇宙的年龄是数十亿岁），上述不均匀性需要通过引力不稳定性放大多少倍。这将使我们得以确定在上述时段内垦系的形成过程。因此，人们为终于发现了这些涨落而激动，但是，宇宙学家们并不为此而特别惊讶。要是不存在这样的涨落，那倒是会令人大吃一惊的，因为那样的话，星系是形成了，但它们却没有留下从何而来的任何痕迹。
这种涨落的大小还向我们道出宇宙在其最初时刻的一些重要情况，并使我们有可能对暴胀宇宙假说的各个方面作出检验。为了弄清楚这种可能性，我们必须更仔细地考察一下暴胀现象。
在引入暴胀概念以前，关于日后成长为星系的那些涨落的起源问题是很难解决的。没有什么原理能告诉我们涨落是怎样出现的，是何时出现的，以及如果它们确实出现了，那么又该有多大。人们所能做的一切，只是循踪今日的涨落水平，并假设先前出现了引力不稳定性，而逆着时间回溯，以确定在早先任何给定时刻涨落应该有多大。不幸的是，预期宇宙中任何时候都应存在的自然随机涨落幅度太小，远远不能提供为形成星系所需的那种不规则性。人们很快就认识到，暴胀概念提供了某种新的可能性。如果一个有因果联系的微小区域经历了一个加速膨胀的“暴胀”阶段，那么自然随机涨落也
① 此处原文误作 ten billion years（100 亿年）——译者 就从微观尺度暴胀，而变成我们今日可见宇宙尺度上的不规则性的“种子”。这种涨落的强度取决于促成加速膨胀的那些物质具有何种形式。如果你将某种粒子作为所考虑的具体候选对象，那么你就可以预言在暴胀时代出现的涨落的大小。这乃是朝着弄清星系起源问题迈出的一大步。我们有了不规则性的起始水平，嗣后它又为引力不稳定性所放大。这里，我们并不需要知道宇宙是如何开端的，然而，却需要知道引发暴胀的、具有负 D 值的物质的具体种类，这是因为由此产生的不规则性程度相当灵敏地取决于物质的种类及其与自身和与其他普通物质相互作用的强度。COBE 信号的强度正告诉我们这些相互作用有多强。幸运的是，由 此产生的不规则性还有一个更重要的特征，相对于驱使暴胀的那些物质“身份”之不确定性而言，这一特征就有力得多了。
当我们画出宇宙中星系和星系团的分布情况时，我们发现成团的程度依赖于我们巡视的尺度。当我们观测宇宙中越来越大的范围时，我们发现这种成团性在渐次变弱。反过来，它在较小的尺度上则变得越来越明显。所以当我们谈论宇宙中的不均匀程度时，就必须具体指明我们感兴趣的尺度。这种随尺度而变化的特征称为不规则性的谱。它可以通过下述观测而确定：考察星系成团性的模式，或者观测天空中一系列角间距上微波背景辐射的温度变化。
关于暴胀理论，颇具魅力的事情之一乃是：它预言有一种特殊的谱将会自然地形成。我们把在天空中两个方向上测出的温度之差除以平均温度称作相对温度变化；暴胀理论预言在两个测量方向之间的夹角增大时，这种相对温度变化本身不应表现出任何变化。这时我们就说谱是平的。
COBE 的观测具有带根本性的重要意义，因为它们最终发现了来自早期宇宙的、尚未充分发展的涨落，日后它们被放大而形成星系和星系团。但是对宇宙学家而言，最令人感兴趣的。还是确定这种涨落的谱，看看它是否与暴胀理论的预言相一致。COBE 卫星在几年之中分若干互相间隔的时段搜集观测资料。“原始”资料需要经过复杂的归算，以消除局部环境——电子仪器、卫星系统、月球、地球等等的已知影响。迄今为止只发表了第一轮的观测资料；它们非常引人注目地表明：涨落谱的斜率在-0.1 到 0.1 之间。
平谱的斜率为零。当其他观测大功告成时，斜率的测定将会改善，斜率值可能落于其中的区间将会显著地缩小。如果那些观测结果使涨落谱的斜率值向零靠拢，那就是对最简单的暴胀宇宙模型作出了极佳的认同。
COBE 卫星只能在 10°或更大的角间距上比较背景辐射的温度，以检验谱的形式。扫描更小的角度所需的实验装置，要比能够送入太空的设备大得多。它必须驻留在地面上。目前，有许多高精度的实验在地球表面干早的地方进行——在加利福尼亚的欧文斯谷。在特内里费① ，以及在南极，或是在飘浮的气球上。它们正在进行一场比赛，看谁能率先在小于 10°的角度上发现微波背景辐射的温度变化。人们不在地面上一并探测天空中较大角间距的背景辐射温度差，其原因在于：在这样的角间距上，地球大气的变化实在太大，它会强烈地影响观测结果。当然，在空间进行观测就不成问题了，因此这需要由 COBE 卫星来做。
① 特内里费（Tenerife），是大西洋东部加那利群岛中的一个岛屿，属西班牙，位于西经 16°34′，北纬 28°19 ′，是地球上优良的天文观测地之一——译者 现在我们来小结一下。我们发现，我们称之为“暴胀”的那个短暂的加速膨胀阶段，必然会造成宇宙各处具有某种特定谱型的密度变化。这种谱在微波背景辐射上留下自己的印记，因此我们可以检验 COBE 卫星观测到的谱是否与暴胀的预言相符。迄今为止，它确实是符合的。这种情况的非凡之处在于，我们有了某种直接的观测手段，来探测可能发生在宇宙年龄仅为 10-35 秒时的物理过程。就此而言，我们应该感到庆幸。宇宙没有理由应该塑造得为我们的研究提供方便。我们并不清楚，单凭人类的思维是否就能发现所有的自然定律，或者是否就能拥有为阐明那些定律核心深处的数学结构所需的才智。但是，姑且假定我们真有这样的才能，那么，倘若我们还能找到用实验来检验这些思想的方法，那可真算是福星高照了。为什么就该有从宇宙的最初时刻留下的遗物，来供我们检验有关当时事态发展的想法呢？根本没有理由可以说为什么非得如此这般。关于宇宙深处结构和遥远过去的至为重要的观测事实是非常少的，但是，使我们惊讶的并不是这种遗物如此之少，而是居然还有此种遗物存在。
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