追尋宇宙的曙光

冉浩

1

宇宙到現(xiàn)在為止可能已經(jīng)有137億年的歷史了。按照現(xiàn)在的主流觀點(diǎn)，宇宙很可能是在一次爆炸中產(chǎn)生的，在爆炸中，產(chǎn)生了物質(zhì)、時(shí)空以及法則。灼熱的宇宙在膨脹中漸漸冷卻，形成了今天的宇宙。但是，宇宙形成之初經(jīng)歷了哪些細(xì)節(jié)我們卻不清楚，而這正是科學(xué)家極力探尋的。

曾經(jīng)的故事

嚴(yán)格來(lái)講，我們所看到的星空并非現(xiàn)在的星空，這是一個(gè)假象，因?yàn)檫b遠(yuǎn)空間的光到達(dá)我們的眼睛需要時(shí)間，我們看到的是很久以前的宇宙。每秒30萬(wàn)千米是光的速度，而且很可能是虛空中所有平行宇宙的極限速度。光從太陽(yáng)到達(dá)地球，需要約8分鐘，我們此刻所看到的其實(shí)是8分鐘之前的太陽(yáng)。同樣，當(dāng)我們遙望太空時(shí)，望得越遠(yuǎn)，看到的景象就越古老，可以看到遠(yuǎn)古星系的形成、發(fā)展。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)能看到130億年前的景象，然而，在宇宙大約50萬(wàn)到10億歲這個(gè)年齡段，我們遇到的卻是一片濃得化不開的黑暗。

在130億年前甚至更早的時(shí)候，宇宙中應(yīng)該存在著物質(zhì)，為什么我們看不到？那時(shí)候發(fā)生了什么事情？

地球是宇宙已知物質(zhì)中一種極特殊的狀態(tài)，宇宙中絕大多數(shù)已知物質(zhì)都處于一種等離子態(tài)，這是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)。太陽(yáng)本身就是一個(gè)灼熱的等離子體，宇宙空間中的介質(zhì)也是等離子態(tài)。

等離子態(tài)存在的時(shí)間能夠追溯到宇宙爆炸之初。按照物理學(xué)家的推測(cè)，在宇宙大爆炸之初，所有的基本粒子都以光速運(yùn)動(dòng)著，那時(shí)沒(méi)有原子更沒(méi)有分子。這些基本粒子中有兩類，一類是玻色子，另一類是費(fèi)米子。前者成為我們今天所說(shuō)的各種力，即引力、電磁力、弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力的媒介，后者如電子、夸克等則構(gòu)成了我們現(xiàn)在世界的基石。

隨著宇宙的冷卻，一種被稱為希格斯玻色子的基本粒子凍結(jié)形成了均勻的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)阻礙了費(fèi)米子的運(yùn)動(dòng)，使其減速，然后具備了質(zhì)量，而玻色子則不受影響。這個(gè)說(shuō)法顯然讓很多人摸不著頭腦。為此，英國(guó)科學(xué)界征集可以讓人們理解這件事的比喻，于是有了這樣的說(shuō)法：有一間屋子，政客們均勻地分布在里面，當(dāng)一個(gè)普通人經(jīng)過(guò)時(shí)，沒(méi)人關(guān)注他，他沒(méi)有任何阻礙地通過(guò)了；可當(dāng)首相到來(lái)時(shí)，這些政客則因?yàn)楦鞣N原因圍攏過(guò)來(lái)，聚集在首相周圍，使首相不得不減速，甚至停下來(lái)……

正是這些慢下來(lái)的費(fèi)米子逐漸組合在一起，形成中子、質(zhì)子直至原子和我們所熟知的物體。如果將空間中的希格斯玻色子撤除，我們身上的電子等粒子就會(huì)立刻以光速飛出——這顯然不是我們想看到的場(chǎng)面。希格斯玻色子因?yàn)槭俏镔|(zhì)構(gòu)成的基礎(chǔ)而被稱為“上帝的粒子”。2013年，歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)確認(rèn)了這種粒子的存在，基本確認(rèn)了之前科學(xué)家對(duì)宇宙歷史的猜想，證明希格斯玻色子部分構(gòu)成了我們所說(shuō)的重力場(chǎng)。2013年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了在理論上預(yù)言希格斯玻色子的科學(xué)家。

宇宙在大約50萬(wàn)歲的時(shí)候，已經(jīng)冷卻得不能再維持等離子態(tài)了，速度變慢的粒子凝聚形成了氫、氦等簡(jiǎn)單原子，宇宙變得中性了。但是，今天的宇宙卻是電離態(tài)的，這說(shuō)明曾經(jīng)有一個(gè)契機(jī)使宇宙再次發(fā)生了電離。只是這個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)生時(shí)，宇宙正被黑暗掩蓋，我們什么都看不見(jiàn)。

希望，21厘米

科學(xué)家給出了一個(gè)推測(cè)：在引力作用下，氫、氦等原子聚合形成了超級(jí)大質(zhì)量的天體，它們也許是恒星，也許是黑洞，但是，這個(gè)時(shí)候很可能還沒(méi)有星系。這些天體因?yàn)橘|(zhì)量巨大，啟動(dòng)了熱核反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成等離子體，它們的射線使附近區(qū)域的介質(zhì)電離。宇宙中接二連三地出現(xiàn)這樣的天體，就像夜幕降臨后逐漸亮起的一盞盞明燈。電離化的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，連成一片……可是，無(wú)盡的氫原子等介質(zhì)吸收了這些天體發(fā)出的光亮，黑暗使我們無(wú)法看到當(dāng)時(shí)的景象。

不過(guò)，也并非一絲希望都沒(méi)有，因?yàn)闅湓颖旧硪彩强梢园l(fā)光的。氫原子有兩個(gè)能量狀態(tài)，當(dāng)它由高能狀態(tài)躍遷至低能狀態(tài)時(shí)就會(huì)發(fā)出一個(gè)光子，這個(gè)光子的波長(zhǎng)是21厘米。當(dāng)氫原子大量吸收其他光時(shí)，自身就會(huì)釋放出這種光子，當(dāng)時(shí)的宇宙很可能是被這種特殊的光“照亮”的，這是宇宙的黎明。如果我們能夠探測(cè)到這些21厘米波長(zhǎng)的光，我們就有希望“看到”當(dāng)年宇宙黎明的景象。不過(guò)，要探測(cè)到這種光難度很大，因?yàn)樗鼈兊竭_(dá)地球時(shí)已經(jīng)極為微弱，而且能量已經(jīng)衰減到米級(jí)波長(zhǎng)——這正是廣播電視占用的波段，要想從宇宙輻射以及漫天的節(jié)目信號(hào)中將它們分離出來(lái)，是多么困難！

要找到它們，龐大的搜索設(shè)備和強(qiáng)大的計(jì)算能力是必需的，為此，世界多個(gè)天文臺(tái)建立了專門的射電望遠(yuǎn)鏡天線陣。目前，已經(jīng)運(yùn)行的項(xiàng)目有許多，中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)的21CMA項(xiàng)目也致力此事。為了避免電磁污染的干擾，21CMA項(xiàng)目的設(shè)備安裝在新疆天山深處人跡罕至的地方。

科學(xué)家開發(fā)了眾多數(shù)據(jù)處理方法處理探測(cè)項(xiàng)目中每小時(shí)TB級(jí)的海量數(shù)據(jù)，可是至今仍沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家的科學(xué)家取得突破性進(jìn)展。不過(guò)，也并非全無(wú)收獲，比如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，對(duì)21厘米光子的探測(cè)，有希望計(jì)算出宇宙最初物質(zhì)擾動(dòng)、中微子質(zhì)量等的大致范圍，也能研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)。

2013年，美國(guó)的團(tuán)隊(duì)取得了一些突破，他們沒(méi)有直接在茫茫宇宙中尋找21厘米光，而是將關(guān)注點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)了存在于各個(gè)星系中央的超級(jí)黑洞。這些超級(jí)黑洞在吞噬物質(zhì)的時(shí)候會(huì)發(fā)出輻射，由于銀河外星系背景光的存在，這些超級(jí)黑洞看起來(lái)會(huì)更“暗”一點(diǎn)，或者說(shuō)它們?cè)谕h(yuǎn)鏡上的成像被背景光干擾了那么一點(diǎn)。以此為突破口，他們計(jì)算出了河外星系背景光的情況。他們堅(jiān)信，21厘米光一定會(huì)混在來(lái)自河外星系的背景光中，下一步的任務(wù)就是將這些光從其中分離出來(lái)，雖然這看起來(lái)困難重重。

未來(lái)接替哈勃望遠(yuǎn)鏡的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡也有望成為完成這一任務(wù)的巨大助力，不過(guò)這要等到它2018年開始服役的時(shí)候。盡管前途可能很艱辛，但所有的科學(xué)家都滿懷信心，21CMA項(xiàng)目的主持人、天體物理學(xué)家武向平院士更是表示：“再過(guò)5年的時(shí)間，宇宙的‘第一縷曙光一定會(huì)被看到，不是我們就是別人?！?/p>

2endprint