检验暴涨

随着普朗克探测器和地面以及气球实验的不断推进，它们对于支配着宇宙大爆炸之后不久的暴涨来说意味着什么呢？

　　宇宙空间是寒冷的。但欧洲空间局的普朗克探测器甚至更冷。在“普朗克”的心脏，一张轻薄的丝网被悬挂在近乎真空之中，而那里的温度也由太空中最先进的制冷系统冷却到了0.1开。这张类似蜘蛛网的丝网将会收集来自宇宙微波背景辐射――宇宙创生的余辉――的光子。

　　对于要极其精确地测量宇宙微波背景辐射的“普朗克”而言，超低温的工作条件是必需的。宇宙中最年老的原初光子会以平均2.7开的温度穿行在宇宙中的每一个角落。而来自天空中不同位置的光子的温度又会有着非常非常细微的差异。

　　“普朗克”上的超低温探测器就是设计来以小于百万分之一开的精度探测这些温度涨落的。它的设计者说，这一无以伦比的精度意味着，一旦发射――已于2009年5月14日发射――在2年的寿命里“普朗克”将能解决困扰天体物理界整整一代人的问题。“我们不得不更加地深入，而‘普朗克’则是我们的最佳选择，”荷兰的“普朗克”项目科学家简・陶伯（Jan Tauber）说。

　　陶伯说，近30年来，暴涨理论一直主导着宇宙学家的思绪，这一理论试图解释紧接着大爆炸之后宇宙是怎样演化的。到目前为止暴涨已经通过了所有的观测检验，这些检验主要是通过卫星来观测并且验证由暴涨理论所预言的宇宙微波背景中温度变化的统计特性。但是“普朗克”对于这些温度变化的超高灵敏度将会为暴涨理论“套”上目前最紧的束缚――要么支持暴涨理论，要么就否定它，进而转向其他理论。

　　在现代宇宙学中暴涨确实非常重要。因此对于“普朗克”这个价值6亿欧元、重达2吨的超低温探测器而言，它还有着十几个地面和气球上的竞争对手。大家的目的都是相同的，那就是精细地测量宇宙微波背景辐射。“这是一场激烈的竞赛，”美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔・特纳（Michael Turner）说，“人人都想得到那块瑞典的金牌。”

一臂之力

　　如果没有暴涨的推动，大爆炸只能产生非常小的宇宙。为了调和量子理论和宇宙学，物理学家们乐于相信原初宇宙始于直径10^-35米。但这样一来就会导致矛盾。现在宇宙的年龄已经被可靠地定在了137亿年。如果宇宙诞生的时候确实如科学家希望的那么小并且还以目前的膨胀速率膨胀的话，那么它现在的大小将比这句话末尾的句号还要小得多得多。

　　暴涨通过在宇宙诞生的最初时刻的剧烈膨胀解决了这一显而易见的矛盾。很难用语言来形容这一膨胀有多迅猛，但是作为一个例子，在一个简单的暴涨模型中同样一个近乎无穷小的宇宙可以膨胀到10^{1,000,000,000,000}米。这个数字相当于1后面跟了一万亿个“0”。而且做到这一点它只需要耗时一万亿分之万亿分之万亿分之一秒。就算是光也赶不上这个速度。从大爆炸至今光子可以运动到的最远距离――被称为视界距离――大约为10²⁷米。（这并不和相对论矛盾。在暴涨过程中位于同一点的两个粒子会具有大于光速的相对速度，而这个速度是整个宇宙膨胀的速度。）

　　除了解释宇宙的大小以外，暴涨还干净地解决了许多问题。它解释了为什么宇宙在几何上是平直而非弯曲的――想象一个被吹得非常大的气球，它的表面看上去就像一个非常大的平面。它还解释了从各个方向上看去都迥然不同的宇宙为什么又是如此的相同――有着相同的平均星系密度和微波背景温度。

　　最重要的是，暴涨解释了星系的存在。尽管暴涨使得处于婴儿期的宇宙变得几近彻底平直和真空，但是暴涨也必须遵循量子力学的旨意，它会使得密度在不同的地方出现极其微小的涨落。因此宇宙中的某些地方最终会具有比其他地方更高的密度。这些高密度区就是星系和恒星引力坍缩的种子。诸如2001年发射的美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的早期观测证明，微波背景辐射中不仅存在涨落，而且这些涨落的大小分布与暴涨预言的精确相符。

测量宇宙 　　当20世纪60年代第一次发现宇宙微波背景辐射的时候，它只不过是天空中一片均匀的辐射。但是现在为了精确宇宙学而建造的一系列空间探测器却揭示出微波背景中从未有过的惊人细节。“去年的发现就可以为今年的实验提供校准，”诺贝尔奖得主、宇宙背景探测器（COBE）的首席科学家乔治・斯穆特（George Smoot）说。其中重要的三个探测器和它们的观测结果（“普朗克”的为模拟结果）为： [图片说明]：COBE及其观测结果。版权：NASA。 　　宇宙背景探测器（COBE）：1989年发射。通过比较大片的天区，COBE发现了微波背景在大角度上的温度差异。这一各向异性――1/100,000的量级或者30微开――包含了星系的种子。 [图片说明]：WMAP及其观测结果。版权：NASA/WMAP SCIENCE TEAM。 　　威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）：2001年发射。WMAP在更小的角度下测量了微波背景。它的灵敏度和角分辨率分别是COBE的45倍和33倍。和其他的观测相比，WMAP提供了关于宇宙年龄和组成的最佳限制。 [图片说明]：PLANCK及其模拟的观测结果。版权：ESA。 　　普朗克探测器：2009年发射。“普朗克”将是第一个携带辐射热测定器――超灵敏的温度计――的微波背景辐射探测器。“普朗克”的灵敏度和角分辨率分别是WMAP的10倍和3倍，这使得它可以间接地测量引力波。