宇宙之謎藏在這10個(gè)地方（一）

石無魚

自138億年前的那一場(chǎng)大爆炸中誕生以來，我們的宇宙經(jīng)歷了一個(gè)波瀾壯闊、異彩紛呈的演化歷史。雖然許多細(xì)節(jié)已為我們掌握，但正如蘇格拉底所說“你知道得越多，你不知道的也就越多。”宇宙中依然有許多事情謎一樣讓人困惑，讓人抓癢……

從本期開始，我們將以連載的方式介紹宇宙中10個(gè)最大、最激動(dòng)人心的謎團(tuán)，它們涉及行星、恒星、星系、黑洞以及其他奇怪而有趣的話題。我們將每期介紹2個(gè)，分5期刊完。讓我們現(xiàn)在就開始吧。

1、宇宙微波背景輻射

它是什么？

大爆炸之后的余暉

它在哪里？

到處都在

涉及的謎團(tuán)——

一切是怎么開始的？

當(dāng)宇宙的幕布拉開的時(shí)候，燈光卻來得稍晚了一會(huì)兒。所以大爆炸實(shí)際上是在黑暗中發(fā)生的，并不像我們想象的那樣，伴隨著大火或巨響。

倒不是說沒有光。光是有的，但所有光子很快就被高能的帶電粒子吸收了，所以跑不遠(yuǎn)。從遠(yuǎn)處看，沒有一束光能透過黑暗。直到大約38萬年之后，物質(zhì)冷卻到足以形成原子，這種狀況才終止，光才獲得解放。這些剛獲得“解放”的最早期的光，我們現(xiàn)在仍然可以看到。

為什么它沒有跟后來的光相混淆呢？因?yàn)槲覀儚膶?duì)星系運(yùn)動(dòng)的觀察中得知，自宇宙誕生以來，空間就一直在膨脹，充斥在空間里的光，其波長(zhǎng)也被不斷拉長(zhǎng)。盡管它最初能量很高，波長(zhǎng)很短（光子能量跟頻率成正比，跟波長(zhǎng)成反比），但經(jīng)過一百多億年的膨脹，它的波長(zhǎng)已被拉得老長(zhǎng)。如今，它充滿整個(gè)宇宙空間，形成一個(gè)低頻的微波背景，溫度大約為2.7K，此即宇宙微波背景輻射。

自1964年發(fā)現(xiàn)它以來，我們?cè)谔炜罩幸噪y以置信的精度描畫出了宇宙微波背景輻射分布地圖。其中最好的一幅是普朗克衛(wèi)星花了4年時(shí)間于2014年完成的。這項(xiàng)工作雖然澄清了許多問題，但也招引來新的困惑。

新困惑與宇宙暴脹有關(guān)。大家可能都知道，關(guān)于早期的宇宙，有兩個(gè)著名的理論，一個(gè)是大爆炸理論，一個(gè)是暴脹理論。但兩者不是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，后者其實(shí)是前者在細(xì)節(jié)上的補(bǔ)充。

補(bǔ)充什么呢？因?yàn)楦鶕?jù)大爆炸理論，宇宙誕生之后，所有的物質(zhì)都還是微觀粒子，所以服從量子規(guī)律。在嬰兒宇宙中，這些粒子的分布隨著量子漲落，這里多一點(diǎn)，那里少一點(diǎn)，在密度上會(huì)產(chǎn)生差異。如果宇宙靜止不動(dòng)，這些漲落本來是可以消除的。就像你房間里的空氣，其密度也時(shí)刻在漲落，但并沒有形成一個(gè)讓人窒息的死角。因?yàn)闈q落是隨機(jī)的，通過臨近空間的物質(zhì)交換，可以隨著時(shí)間抹平。但嬰兒宇宙在急劇地膨脹，漲落形成后，相鄰空間來不及發(fā)生物質(zhì)交換就被彼此分開了。于是，漲落就永久地保留了下來。這樣脹大起來的宇宙，物質(zhì)分布當(dāng)然也不會(huì)均勻。

但天文觀測(cè)的事實(shí)恰恰是，物質(zhì)在宇宙中的分布是相當(dāng)均勻的。如何解釋這個(gè)顯而易見的矛盾？這時(shí)暴脹理論出場(chǎng)了。它說，宇宙誕生之后，經(jīng)歷過一陣抽風(fēng)似的急劇膨脹（比光速還快！），此即暴脹。暴脹把一小塊空間迅速脹成一大塊。我們現(xiàn)在所看到的宇宙，可能是由當(dāng)初非常非常小的一塊膨脹來的。既然原先大家都擠在一小塊空間里，密度差異必定也非常小，可以近似地看作是均勻劃一的，那么現(xiàn)在物質(zhì)分布看起來非常均勻也就不奇怪了。這樣，暴脹理論就完美地解決了這個(gè)物質(zhì)均勻性問題。

但是，宇宙為什么會(huì)突然抽風(fēng)似地暴脹呢？暴脹的推動(dòng)力來自何物？暴脹理論自身無法回答這個(gè)問題，只好杜撰一個(gè)能量很高的“暴脹場(chǎng)”，說它是幕后主謀。可是，這基本上等于什么都沒說。此外，如果暴脹場(chǎng)能量很高，按理論預(yù)言，應(yīng)該會(huì)在時(shí)空產(chǎn)生漣漪（即引力波），但我們迄今沒有在微波背景輻射圖上發(fā)現(xiàn)任何引力波的痕跡。

凡此種種，引起一些人的不滿。于是，他們干脆另起爐灶，提出一個(gè)“循環(huán)”宇宙模型，說宇宙通過膨脹、收縮、膨脹……在周而復(fù)始地循環(huán)著;大爆炸其實(shí)是一次大反彈，而不是無中生有的創(chuàng)世。

那么，宇宙到底誕生于一場(chǎng)無中生有的爆炸，還是一場(chǎng)收縮-膨脹的輪回呢？答案仍然是未知數(shù)，而且兩派似乎都試圖從微波背景輻射中尋找支持自己一方的證據(jù)。

2、洛里默爆發(fā)

它是什么？

一陣快速、密集的無線電脈沖

它在哪兒？

來自銀河系之外

涉及的謎團(tuán)——

宇宙的前生會(huì)是什么？

它來去匆匆，所以我們沒有注意到它也就不足為怪了。2007年，美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)的杜坎·洛里默和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了洛里默爆發(fā)。當(dāng)時(shí)，他們正在澳大利亞新南威爾士查閱帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡往年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。他們注意到在2001年7月24日記錄下的數(shù)據(jù)中，有一陣強(qiáng)烈得幾乎無法想象的無線電脈沖。它持續(xù)時(shí)間不到5毫秒，但釋放的能量相當(dāng)于太陽在五天內(nèi)噴發(fā)出的能量。

自那以后，天文學(xué)家又找到了30多個(gè)類似的事件，并稱它們?yōu)椤翱焖贌o線電爆發(fā)（FRB）”。但它們到底是由什么天體產(chǎn)生的呢？人們至今沒達(dá)成共識(shí)。關(guān)于其來源的猜測(cè)，從合并的中子星到外星人的飛船，幾乎什么都有。其中一個(gè)最令人難以置信，但意義非同一般的解釋是：它來自“反彈”的黑洞，即所謂的“白洞”。黑洞是光吃不吐，而白洞恰恰相反，光吐不吃。

黑洞也會(huì)“反彈”，沒搞錯(cuò)吧？

這個(gè)觀點(diǎn)初聽起來確實(shí)有點(diǎn)驚世駭俗，但也并非胡思亂想。思考的出發(fā)點(diǎn)是那個(gè)著名的黑洞奇點(diǎn)。

我們知道，在黑洞的奇點(diǎn)，物質(zhì)密度無限大，時(shí)空無限彎曲，連包括廣義相對(duì)論在內(nèi)的所有物理定律都統(tǒng)統(tǒng)失效了。這是很多物理學(xué)家無法接受的，所以他們想盡辦法來消除這個(gè)討厭的奇點(diǎn)。

他們求助于量子引力理論——一種把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來的理論。雖然這個(gè)理論還沒有完全成功建立起來，但一些主要的觀點(diǎn)已經(jīng)有了，比如在這個(gè)理論中，時(shí)空不是光滑連續(xù)、無限可分的，而是像石榴籽一樣，一粒一粒的，時(shí)間和空間都不可能無限小，都有它們的最小單位，就好比石榴籽是以1粒為單位的，你可以說2粒、3粒，但不能說0.5粒、3/4粒。這樣，“黑洞奇點(diǎn)體積無限小，密度無窮大”這種說法也不對(duì)了，奇點(diǎn)也不會(huì)被壓縮到體積無窮小的狀態(tài)。

2014年，一位法國(guó)物理學(xué)家證明，這些時(shí)空顆粒能夠被彎曲和壓縮的程度是有限的，就像古人形容的“捶不扁的銅豌豆”一樣，當(dāng)奇點(diǎn)的體積被引力壓縮到一定程度，它就開始反彈了。結(jié)果是一個(gè)戲劇性的大反彈，將黑洞變成白洞，噴出黑洞之前所吞噬的一切。

另一組法國(guó)物理學(xué)家則進(jìn)一步證明，宇宙大爆炸之后，會(huì)形成很多微型黑洞，這些黑洞在反彈中產(chǎn)生的高頻無線電信號(hào)，非常類似今天觀察到的FRB。這樣，我們就把FRB跟反彈中的黑洞（即白洞）聯(lián)系了起來。

沒有理由就此止步。事實(shí)上，宇宙大爆炸的起點(diǎn)也是一個(gè)奇點(diǎn)。更重要的是，黑洞內(nèi)部的奇點(diǎn)與宇宙大爆炸的奇點(diǎn)沒有什么不同。如果黑洞能反彈，為什么宇宙就不能反彈？這樣一來，上一話題中提出的循環(huán)宇宙模型似乎就更合理了。

當(dāng)然，這一切還只是停留在紙面上的猜測(cè)。天文學(xué)家還是盡快弄清楚FRB的真實(shí)來源才好。