宇宙之謎藏在這10個地方（一）

自138億年前的那一場大爆炸中誕生以來，我們的宇宙經(jīng)歷了一個波瀾壯闊、異彩紛呈的演化歷史。雖然許多細節(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個最大、最激動人心的謎團，它們涉及行星、恒星、星系、黑洞以及其他奇怪而有趣的話題。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——

一切是怎么開始的？

當宇宙的幕布拉開的時候，燈光卻來得稍晚了一會兒。所以大爆炸實際上是在黑暗中發(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。從遠處看，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？因為我們從對星系運動的觀察中得知，自宇宙誕生以來，空間就一直在膨脹，充斥在空間里的光，其波長也被不斷拉長。盡管它最初能量很高，波長很短（光子能量跟頻率成正比，跟波長成反比），但經(jīng)過一百多億年的膨脹，它的波長已被拉得老長。如今，它充滿整個宇宙空間，形成一個低頻的微波背景，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，我們在天空中以難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年時間于2014年完成的。這項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。大家可能都知道，關于早期的宇宙，有兩個著名的理論，一個是大爆炸理論，一個是暴脹理論。但兩者不是競爭關系，后者其實是前者在細節(jié)上的補充。

補充什么呢？因為根據(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，那里少一點，在密度上會產(chǎn)生差異。如果宇宙靜止不動，這些漲落本來是可以消除的。就像你房間里的空氣，其密度也時刻在漲落，但并沒有形成一個讓人窒息的死角。因為漲落是隨機的，通過臨近空間的物質(zhì)交換，可以隨著時間抹平。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)分布當然也不會均勻。

但天文觀測的事實恰恰是，物質(zhì)在宇宙中的分布是相當均勻的。如何解釋這個顯而易見的矛盾？這時暴脹理論出場了。它說，宇宙誕生之后，經(jīng)歷過一陣抽風似的急劇膨脹（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物質(zhì)均勻性問題。

但是，宇宙為什么會突然抽風似地暴脹呢？暴脹的推動力來自何物？暴脹理論自身無法回答這個問題，只好杜撰一個能量很高的“暴脹場”，說它是幕后主謀。可是，這基本上等于什么都沒說。此外，如果暴脹場能量很高，按理論預言，應該會在時空產(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“循環(huán)”宇宙模型，說宇宙通過膨脹、收縮、膨脹……在周而復始地循環(huán)著;大爆炸其實是一次大反彈，而不是無中生有的創(chuàng)世。

那么，宇宙到底誕生于一場無中生有的爆炸，還是一場收縮-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——

宇宙的前生會是什么？

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

自那以后，天文學家又找到了30多個類似的事件，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？人們至今沒達成共識。關于其來源的猜測，從合并的中子星到外星人的飛船，幾乎什么都有。其中一個最令人難以置信，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“反彈”，沒搞錯吧？

這個觀點初聽起來確實有點驚世駭俗，但也并非胡思亂想。思考的出發(fā)點是那個著名的黑洞奇點。

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

他們求助于量子引力理論——一種把廣義相對論和量子力學結合起來的理論。雖然這個理論還沒有完全成功建立起來，但一些主要的觀點已經(jīng)有了，比如在這個理論中，時空不是光滑連續(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，“黑洞奇點體積無限小，密度無窮大”這種說法也不對了，奇點也不會被壓縮到體積無窮小的狀態(tài)。

2014年，一位法國物理學家證明，這些時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，當奇點的體積被引力壓縮到一定程度，它就開始反彈了。結果是一個戲劇性的大反彈，將黑洞變成白洞，噴出黑洞之前所吞噬的一切。

另一組法國物理學家則進一步證明，宇宙大爆炸之后，會形成很多微型黑洞，這些黑洞在反彈中產(chǎn)生的高頻無線電信號，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。事實上，宇宙大爆炸的起點也是一個奇點。更重要的是，黑洞內(nèi)部的奇點與宇宙大爆炸的奇點沒有什么不同。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。

當然，這一切還只是停留在紙面上的猜測。天文學家還是盡快弄清楚FRB的真實來源才好。