夸克和宇宙
Michael S. Turner 文 X.-M. Deng 譯
http://bolide.lamost.org/articles/article132.htm
得益于粒子物理大膽思想的推動(dòng)和千兆像素的電荷耦合器件照相機(jī)（CCD）以及計(jì)算機(jī)的技術(shù)飛速進(jìn)步，宇宙學(xué)正處于蓬勃的發(fā)展之中?，F(xiàn)在，宇宙的基本圖景已經(jīng)確定了：137億年的歷史，平直的空間，且正處于加速膨脹階段；宇宙由4%的原子、20%的暗物質(zhì)、76%的暗能量組成；另外還有證據(jù)表明量子微擾是星系和其他結(jié)構(gòu)形成的種子。盡管我們對(duì)宇宙了解了很多，但距離完全的認(rèn)識(shí)它還相差甚遠(yuǎn)。隨著我們對(duì)宇宙和它演化規(guī)律了解的不斷深入，宇宙學(xué)正處于它的黃金時(shí)期。
宇宙經(jīng)常超乎我們的想像，宇宙學(xué)的進(jìn)步也往往得益于科技的進(jìn)步和新想法的涌現(xiàn)。20世紀(jì)20年代，哈勃（Hubble）在威爾遜山使用
20世紀(jì)80年代宇宙學(xué)滑入了低谷，桑德齊（Sandage）描述了當(dāng)時(shí)的宇宙學(xué)主要是測(cè)量的兩個(gè)物理量：宇宙膨脹率和減速因子。盡管熱大爆炸宇宙模型的根基是恰當(dāng)?shù)模@其中也包括了宇宙結(jié)構(gòu)是怎樣通過(guò)引力從一個(gè)小的物質(zhì)密度漲落進(jìn)而形成了星系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)的，然而對(duì)于這些微小的密度擾動(dòng)起源卻并沒有足夠的證據(jù)。而且，當(dāng)時(shí)我們只了解大爆炸0.00001秒以后的宇宙，對(duì)于更早期甚至是大爆炸時(shí)的宇宙我們還知之甚少。因?yàn)槿狈ξ锢砝碚摶A(chǔ)，早期的宇宙被認(rèn)為是由質(zhì)子、中子和其他基本粒子組成的海洋。
現(xiàn)在的宇宙學(xué)正處于蓬勃的發(fā)展之中。在過(guò)去的8年里，該領(lǐng)域已經(jīng)兩次獲得了《科學(xué)》雜志評(píng)出的年度進(jìn)展：一個(gè)是1998年發(fā)現(xiàn)的宇宙加速膨脹；另一個(gè)是2003年建立的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。隨著新想法的提出和科技的進(jìn)步，從夸克的發(fā)現(xiàn)、CCD在空間望遠(yuǎn)鏡上的使用以及弦理論，20世紀(jì)90年代科學(xué)革命的足跡遍布了各個(gè)領(lǐng)域。
來(lái)自于粒子物理學(xué)的新思想改變了宇宙學(xué)的語(yǔ)言和交流方式。我們最想知道的幾個(gè)物理量是：宇宙微波背景的溫度、譜圖和各項(xiàng)異性，宇宙的形狀，宇宙的組成，現(xiàn)今物質(zhì)的大尺度分布，以及非均勻性的功率譜。
通過(guò)使用更大的望遠(yuǎn)鏡、更好的探測(cè)器和更快的計(jì)算機(jī)，天文學(xué)家和物理學(xué)家們已經(jīng)在更為精確地測(cè)定了這些基本量，把處于混沌的宇宙學(xué)變成了精確的宇宙學(xué)。在絕大多數(shù)情況下，這不僅僅是一個(gè)測(cè)量，更是一張相互補(bǔ)充、環(huán)環(huán)相扣的網(wǎng)，這張網(wǎng)限定了宇宙的參數(shù)，鞏固了宇宙學(xué)的框架，改變了宇宙學(xué)的進(jìn)程。宇宙學(xué)不再是俄羅斯物理學(xué)家列弗·郎道（Lev Landau）所說(shuō)的那樣，“宇宙學(xué)家們經(jīng)常犯錯(cuò)誤，但卻從來(lái)不被懷疑。”
這就是我們的宇宙：總體來(lái)說(shuō)，宇宙空間是平直的，年齡為137億年，對(duì)此我們所了解的精度已達(dá)到了1%；另外宇宙正以70±
夸克的發(fā)現(xiàn)（組成中子和質(zhì)子的基本單位）和夸克之間“漸進(jìn)自由”的特性，為人們了解早期宇宙開啟了一扇大門：早期的宇宙是由夸克和其他基本粒子組成的熱湯，但是它卻像化學(xué)家所描述的理想氣體一樣簡(jiǎn)單。像夸克湯一樣的早期宇宙引發(fā)了許多的問題：反物質(zhì)在哪？非均勻性的起源是什么？為什么宇宙如此平直、年齡如此大？現(xiàn)今存在于宇宙微波背景光子中的、大爆炸的熱量從何而來(lái)？是什么驅(qū)動(dòng)了大爆炸？
關(guān)于早期宇宙創(chuàng)立瞬間的思索和對(duì)于上述問題的潛在解答都基于一個(gè)大膽的猜想，即基本粒子和自然力是怎樣統(tǒng)一的？又是怎樣一分為四的？許多想法具有它深遠(yuǎn)的影響（例如，中微子和“電荷宇稱”破缺能解釋反物質(zhì)為什么這樣少），但有兩個(gè)想法是當(dāng)前宇宙學(xué)發(fā)展的中心：一個(gè)是作為一種新物質(zhì)形式存在的暗物質(zhì)；另一個(gè)是作為宇宙早期膨脹動(dòng)力學(xué)解釋的暴漲。
通過(guò)宇宙學(xué)觀測(cè)，從星系到超星系團(tuán)的宇宙尺度，暗物質(zhì)的組成不可能是通常的原子，從而粒子物理學(xué)提出了暗物質(zhì)的三個(gè)候選者。第一個(gè)候選者是中微子；現(xiàn)在我們知道中微子有質(zhì)量并且它是暗物質(zhì)的一部分，但僅僅是一小部分，不超過(guò)1%?，F(xiàn)在希望放在了其他兩個(gè)候選者身上：（1）渺中子（neutralino），它的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的100倍，是弦理論所預(yù)言的最輕的粒子；（2）軸子（axion），它的質(zhì)量比電子小一萬(wàn)億倍。
暴漲的中心內(nèi)容是，宇宙在極早期經(jīng)歷了由一種被稱為暴漲場(chǎng)（inflaton）的標(biāo)量場(chǎng)所驅(qū)動(dòng)的猛烈加速膨脹，但暴漲的物理原因還不明確。這種加速膨脹導(dǎo)致了一個(gè)光滑、平直、高溫的宇宙（熱量源自暴漲場(chǎng)的能量傳遞給了宇宙中其他的粒子），與此同時(shí)量子漲落也會(huì)從亞原子尺度暴漲到宇宙學(xué)尺度，產(chǎn)生了形成宇宙結(jié)構(gòu)所需要的密度不均勻性。
把暴漲和暗物質(zhì)放在一起就是宇宙結(jié)構(gòu)形成的冷暗物質(zhì)模型（CDM）（“冷”指的是暗物質(zhì)粒子如渺中子或軸子運(yùn)動(dòng)緩慢，這又導(dǎo)致了這一模型的相關(guān)結(jié)論不會(huì)依賴暗物質(zhì)的質(zhì)量）。CDM詳細(xì)的描述了宇宙結(jié)構(gòu)是怎樣形成的以及宇宙是怎樣變亮的。這也激發(fā)起觀測(cè)（這種觀測(cè)或許只有得益于有新技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)）來(lái)認(rèn)識(shí)我們的宇宙，從第一代恒星形成（大爆炸后不超過(guò)10億年）不久后的星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成與演化一直到現(xiàn)在。
美國(guó)宇航局（NASA）的宇宙背景探測(cè)器（COBE），在1992年首先探測(cè)到了全天空范圍內(nèi)宇宙微波背景各項(xiàng)異性的微小變化，證實(shí)了導(dǎo)致大尺度結(jié)構(gòu)形成的非均勻性的存在，進(jìn)而為宇宙學(xué)翻開了全新的一頁(yè)。通過(guò)對(duì)宇宙微波背景各項(xiàng)異性的了解，我們可以探知宇宙的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。2006年，約翰·馬瑟（John Mather）和喬治·斯穆特（George Smoot）由于他們?cè)?/span>COBE上的工作而獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
[圖片說(shuō)明]：頂圖為WMAP看到的CMB。WMAP測(cè)量到微波背景中的高溫（紅色）和低溫（藍(lán)色）區(qū)域彰顯了宇宙在40萬(wàn)年時(shí)物質(zhì)分布的不均勻性，其中溫度變化的范圍為±200μK，相應(yīng)的物質(zhì)密度變化為0.01%。底圖是CMB非各項(xiàng)同性的球諧多極矩展開，揭示了CMB其內(nèi)在數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，它同時(shí)也被用來(lái)確定宇宙學(xué)參數(shù)。圖中的點(diǎn)以及相應(yīng)的誤差棒對(duì)應(yīng)的是WMAP的測(cè)量結(jié)果和測(cè)量的誤差，實(shí)線是和諧宇宙模型所預(yù)言的結(jié)果。陰影區(qū)域是每個(gè)多極矩所允許的變化范圍。圖片版權(quán)：NASA/WMAP科學(xué)小組。
COBE之后，NASA的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）以及許多地面和氣球?qū)嶒?yàn)也對(duì)宇宙微波背景進(jìn)行了觀測(cè)。從這些實(shí)驗(yàn)所得到的高精度結(jié)果以及斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）和2度視場(chǎng)計(jì)劃（Two-Degree Field project）的觀測(cè)一起所描繪出了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，精確測(cè)定了宇宙學(xué)參數(shù)，并基本證實(shí)了CDM圖像的正確性，這為暗物質(zhì)和暴漲的存在提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。
暴漲和暗物質(zhì)是由理論所預(yù)言的；然而，暗能量的出現(xiàn)也是令人震驚的。1998年，對(duì)于桑德齊的第二個(gè)數(shù)值減速因子的測(cè)量出現(xiàn)了意料之外的轉(zhuǎn)機(jī)。使用新的技術(shù)和更好的用于測(cè)定宇宙距離的標(biāo)準(zhǔn)燭光（Ia型超新星——白矮星通過(guò)吸積伴星的質(zhì)量而使自身的質(zhì)量超過(guò)了錢德拉塞卡極限所引發(fā)的核爆炸），兩個(gè)小組發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹，而不是減速。換句話說(shuō)，對(duì)于減速因子而言，盡管最先的定義是為了保證它是正值，但現(xiàn)在實(shí)際的觀測(cè)卻是負(fù)值！
盡管宇宙的這種神秘加速膨脹至今仍是最為困擾整個(gè)科學(xué)界的問題之一，但它又是我們目前對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)中缺失的一塊。直至20世紀(jì)90年代末，盡管暴漲和CDM理論在解釋宇宙結(jié)構(gòu)形成時(shí)很成功，但仍有一個(gè)很小的細(xì)節(jié)無(wú)法解釋：越來(lái)越多的觀測(cè)證據(jù)顯示宇宙是平坦的、宇宙密度是等于臨界密度的，但是宇宙中物質(zhì)的密度只占整個(gè)臨界密度的30%。那么，剩下的臨界密度的70%到哪去了呢？宇宙的加速解決了這個(gè)問題：已經(jīng)觀測(cè)到的宇宙加速膨脹預(yù)示了一種極為光滑、彌散的能量的存在（現(xiàn)在被叫做暗能量），它可以解釋宇宙中所缺失的70%的那一部分。盡管暗能量的存在看起來(lái)很荒唐，但當(dāng)宇宙加速膨脹被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，我們目前的這個(gè)和諧宇宙模型（concordance model）也迅速地容納了它。實(shí)際上，在發(fā)現(xiàn)暗能量之幾年，兩個(gè)理論文章就已經(jīng)預(yù)言了它的存在。
在廣義相對(duì)論的框架之內(nèi)，暗能量能夠解釋宇宙的加速膨脹，這是因?yàn)閻垡蛩固沟睦碚撛缫杨A(yù)言了這種壓強(qiáng)為負(fù)、起斥力作用的物質(zhì)的存在。暗能量的理論從量子真空能、存在新的標(biāo)量場(chǎng)到弦理論預(yù)言的不可見的額外空間維度，各式各樣。與廣義相對(duì)論的解釋不同，最有意思的一種可能性是使用新的引力理論來(lái)解釋宇宙加速膨脹，進(jìn)而不需要假設(shè)暗能量的存在。
暗能量令人困惑的根源要追溯到量子力學(xué)的誕生和愛因斯坦著名的宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)。根據(jù)量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理，真空應(yīng)當(dāng)是充滿“虛粒子”的海洋。但是這些虛粒子所產(chǎn)生的效應(yīng)卻是實(shí)實(shí)在在的（它們會(huì)使得原子譜線偏移并改變基本粒子的質(zhì)量），并且也已經(jīng)被證實(shí)。大量粒子產(chǎn)生的壓力等價(jià)于負(fù)的能量密度，在數(shù)學(xué)上就是愛因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)，量子真空能似乎為宇宙的加速膨脹提供合理的解釋。然而，有一個(gè)小的問題：當(dāng)理論家試圖計(jì)算量子真空能量的時(shí)候，他們得到的數(shù)值卻驚人得大。這就是所謂的宇宙學(xué)常數(shù)問題，它已經(jīng)困擾了我們30多年，由于它現(xiàn)在和解釋宇宙加速膨脹聯(lián)系在了一起，因此我們無(wú)法再回避這個(gè)問題了。
現(xiàn)在，我們對(duì)宇宙的了解已經(jīng)很多：它的形狀、年齡、組成、暴漲開始的證據(jù)、從夸克湯到宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的時(shí)間線，但對(duì)于諸如宇宙中特殊原子混合物的存在、暗物質(zhì)及暗能量的了解卻不是很多。我們不了解暗物質(zhì)究竟是什么，宇宙為什么加速膨脹，同樣也不知道如果宇宙在早期確實(shí)經(jīng)歷了暴漲那么又是什么觸發(fā)了它。與郎道曾經(jīng)說(shuō)的有所不同，今天的宇宙學(xué)家們很少出錯(cuò)但卻經(jīng)常被懷疑。
[圖片說(shuō)明]：大爆炸的時(shí)間線，從暴漲到夸克湯，從輕核誕生到原子形成，再到星系和引力束縛結(jié)構(gòu)的最終形成。圖片版權(quán)：粒子數(shù)據(jù)小組/勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室/美國(guó)能源部/美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)。
隨著新的加速器、望遠(yuǎn)鏡和地面實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，在未來(lái)的15年里宇宙學(xué)會(huì)得到更長(zhǎng)足的發(fā)展。渺中子有可能在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏對(duì)撞機(jī)或者在歐洲核研究組織（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中產(chǎn)生，又或者存在于銀河中的渺中子和軸子有可能被及其靈敏的探測(cè)器探測(cè)到。以觀測(cè)偏振為目標(biāo)的新一代宇宙微波背景實(shí)驗(yàn)將能夠揭示暴漲中的第三個(gè)也是最有決定性的信號(hào)（例如，在由時(shí)空度規(guī)中的量子漲落所產(chǎn)生的引力波）并且約束暴漲發(fā)生的時(shí)間。同時(shí)，暗能量空間望遠(yuǎn)鏡也將會(huì)解釋為什么宇宙在加速膨脹提供線索。
因?yàn)橛钪鎸W(xué)和粒子物理的科學(xué)議程已經(jīng)交織在了一起，所以隨著我們對(duì)宇宙了解的不斷深入，我們也會(huì)不斷推進(jìn)對(duì)支配宇宙的基本定律的認(rèn)識(shí)。粒子物理學(xué)中最被看好的就是弦理論。但是如果弦理論要真正成為一個(gè)“萬(wàn)物之理”，那么它就需要一個(gè)“本壘打”。因?yàn)樗壳暗脑S多理論預(yù)言已經(jīng)超出了地球?qū)嶒?yàn)室的范疇，許多弦理論家寄希望于宇宙學(xué)，例如對(duì)于暴漲的基本認(rèn)識(shí)（或者是一個(gè)更為吸引人的解決方案），對(duì)宇宙加速膨脹的解釋，更或者是洞察大爆炸本身的特性。
在下一個(gè)15年里，宇宙學(xué)的未來(lái)并不清晰。像以前一樣，宇宙再一次超出了我們的掌控。也許就像是粒子物理學(xué)家們希望他們的標(biāo)準(zhǔn)模型是成功的一樣，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)就宇宙學(xué)而言我們會(huì)有更高的精度但卻沒有更多的認(rèn)識(shí)。然而，我有信心并且預(yù)計(jì)為了大幅度推動(dòng)我們對(duì)夸克和宇宙的認(rèn)識(shí)，宇宙學(xué)的長(zhǎng)期繁榮將最終使它進(jìn)入黃金期。
出自：Science
發(fā)布日期：
聯(lián)系客服
