时间起源

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第1章 没有昨日：宇宙膨胀的发现 有这样一个事实可能会构成一个奇妙的比喻：即使是 最大的望远镜，其目镜也不能大过人类的眼睛。（英、德文 意同）。 ——路德维希?维特根斯坦，《文化与价值》 20世纪90年代末是宇宙学发现的黄金十年之巅峰。在 长期以来一直被视为一个天马行空的领域之后，宇宙学—— 这门敢于在整体上研究宇宙起源、演化和命运的科学——终 于成熟了。精密的卫星和地面仪器给出了令人注目的观测结 果，这让全世界的科学家都为此感到兴奋不已。这些观测正 在改变我们对宇宙的认知，就好像宇宙在和我们交谈一样。 对理论家来说，这是对现实世界的一个非常重大的检验，这 告诉他们要把握好自己的推断，使自己模型的预言变得更加 翔实。 在宇宙学中，我们会去发现过去的事情。宇宙学家们 是时间的旅行者，而望远镜就是他们的时光机。当我们观察 深空时，我们会回溯到时间深处，因为来自遥远恒星和星系 的光传播了数百万年甚至数十亿年才能到达我们。早在 1927年，比利时牧师兼天文学家乔治·勒梅特（Georges Lema?tre）就曾预言，若考虑如此长的时间范围，在此范 围内空间是会膨胀的。但直到20世纪90年代，先进的望远 镜技术才使得追踪宇宙膨胀的历史成为可能。 这段历史让人感到有些意外。例如，在1998年天文学 家发现，大约50亿年前，空间的扩张已经开始加速，可是 所有已知的物质形式都会互相吸引，因此扩张速度应该减缓 。从那以后，物理学家们一直在想，这种奇怪的宇宙加速度 是否是由爱因斯坦的宇宙学常数驱动的。这是一种看不见的 、类似以太的暗能量，它会导致引力相互排斥而不是吸引。 一位天文学家打趣说，宇宙看起来就像洛杉矶：有三分之一 的物质、三分之二的能量。 显然，如果宇宙现在正在膨胀，那么它在过去一定更 加受挤压。如果你倒推宇宙历史——当然，这只是一个数学 练习——你就会发现，所有的物质曾经都非常密集地聚集在 一起，而且非常热，因为当物质被挤压在一起时会发热并产 生辐射。这种原始状态被称为热大爆炸。自上世纪90年代 黄金时期以来的天文学观测已经将宇宙的年龄——即从大爆 炸时刻起流逝的时间——定为138亿年，误差范围是2000万 年。 出于对宇宙诞生之谜的好奇，欧洲航天局（ESA）于 2009年5月发射了一颗卫星，以完成有史以来最详细、最雄 心勃勃的夜空扫描。它的目标是寻找大爆炸遗留下来的热辐 射中的一种神秘的涨落模式。宇宙诞生时产生的热量在不断 膨胀的宇宙中旅行了138亿年之后，今天到达我们的时候是 非常低的：2.725 K，约-270摄氏度。在这个温度下，辐射 主要位于电磁波谱的微波波段，因此残余的热量被称为宇宙 微波背景辐射或CMB辐射。 图2:由欧洲航天局的普朗克卫星拍摄的热大爆炸余晖 的天图，以量子先驱马克斯·普朗克的名字命名。不同灰度 的斑点代表了古老的宇宙微波辐射从天空不同方向到达我们 时的轻微温度变化。乍一看，这些涨落似乎是随机的，但一