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自138亿年前的那一场大爆炸中诞生以来，我们的宇宙经历了一个波澜壮阔、异彩纷呈的演化历史。虽然许多细节已为我们掌握，但正如苏格拉底所说“你知道得越多,你不知道的也就越多。”宇宙中依然有许多事情谜一样让人困惑，让人抓痒…… 从本期开始，我们将以连载的方式介绍宇宙中10个最大、最激动人心的谜团，它们涉及行星、恒星、星系、黑洞以及其他奇怪而有趣的话题。我们将每期介绍2个，分5期刊完。让我们现在就开始吧。  1、宇宙微波背景辐射 它是什么？ 大爆炸之后的余晖 它在哪里？ 到处都在 涉及的谜团—— 一切是怎么开始的？ 当宇宙的幕布拉开的时候，灯光却来得稍晚了一会儿。所以大爆炸实际上是在黑暗中发生的，并不像我们想象的那样，伴随着大火或巨响。 倒不是说没有光。光是有的，但所有光子很快就被高能的带电粒子吸收了，所以跑不远。从远处看，没有一束光能透过黑暗。直到大约38万年之后，物质冷却到足以形成原子，这种状况才终止，光才获得解放。这些刚获得“解放”的最早期的光，我们现在仍然可以看到。 为什么它没有跟后来的光相混淆呢？因为我们从对星系运动的观察中得知，自宇宙诞生以来，空间就一直在膨胀，充斥在空间里的光，其波长也被不断拉长。尽管它最初能量很高，波长很短（光子能量跟频率成正比，跟波长成反比），但经过一百多亿年的膨胀，它的波长已被拉得老长。如今，它充满整个宇宙空间，形成一个低频的微波背景，温度大约为2.7K，此即宇宙微波背景辐射。 自1964年发现它以来，我们在天空中以难以置信的精度描画出了宇宙微波背景辐射分布地图。其中最好的一幅是普朗克卫星花了4年时间于2014年完成的。这项工作虽然澄清了许多问题，但也招引来新的困惑。 新困惑与宇宙暴胀有关。大家可能都知道，关于早期的宇宙，有两个著名的理论，一个是大爆炸理论，一个是暴胀理论。但两者不是竞争关系，后者其实是前者在细节上的补充。  补充什么呢？因为根据大爆炸理论，宇宙诞生之后，所有的物质都还是微观粒子，所以服从量子规律。在婴儿宇宙中，这些粒子的分布随着量子涨落，这里多一点，那里少一点，在密度上会产生差异。如果宇宙静止不动，这些涨落本来是可以消除的。就像你房间里的空气，其密度也时刻在涨落，但并没有形成一个让人窒息的死角。因为涨落是随机的，通过临近空间的物质交换，可以随着时间抹平。但婴儿宇宙在急剧地膨胀，涨落形成后，相邻空间来不及发生物质交换就被彼此分开了。于是，涨落就永久地保留了下来。这样胀大起来的宇宙，物质分布当然也不会均匀。 但天文观测的事实恰恰是，物质在宇宙中的分布是相当均匀的。如何解释这个显而易见的矛盾？这时暴胀理论出场了。它说，宇宙诞生之后，经历过一阵抽风似的急剧膨胀（比光速还快！），此即暴胀。暴胀把一小块空间迅速胀成一大块。我们现在所看到的宇宙，可能是由当初非常非常小的一块膨胀来的。既然原先大家都挤在一小块空间里，密度差异必定也非常小，可以近似地看作是均匀划一的，那么现在物质分布看起来非常均匀也就不奇怪了。这样，暴胀理论就完美地解决了这个物质均匀性问题。 但是，宇宙为什么会突然抽风似地暴胀呢？暴胀的推动力来自何物？暴胀理论自身无法回答这个问题，只好杜撰一个能量很高的“暴胀场”，说它是幕后主谋。可是，这基本上等于什么都没说。此外，如果暴胀场能量很高，按理论预言，应该会在时空产生涟漪（即引力波），但我们迄今没有在微波背景辐射图上发现任何引力波的痕迹。 凡此种种，引起一些人的不满。于是，他们干脆另起炉灶，提出一个“循环”宇宙模型，说宇宙通过膨胀、收缩、膨胀……在周而复始地循环着；大爆炸其实是一次大反弹，而不是无中生有的创世。 那么，宇宙到底诞生于一场无中生有的爆炸，还是一场收缩-膨胀的轮回呢？答案仍然是未知数，而且两派似乎都试图从微波背景辐射中寻找支持自己一方的证据。 2、洛里默爆发 它是什么？ 一阵快速、密集的无线电脉冲 它在哪儿？ 来自银河系之外 涉及的谜团—— 宇宙的前生会是什么？ 它来去匆匆，所以我们没有注意到它也就不足为怪了。2007年，美国西弗吉尼亚大学的杜坎·洛里默和他的学生发现了洛里默爆发。当时，他们正在澳大利亚新南威尔士查阅帕克斯射电望远镜往年的观测数据。他们注意到在2001年7月24日记录下的数据中，有一阵强烈得几乎无法想象的无线电脉冲。它持续时间不到5毫秒，但释放的能量相当于太阳在五天内喷发出的能量。 自那以后，天文学家又找到了30多个类似的事件，并称它们为“快速无线电爆发（FRB）”。但它们到底是由什么天体产生的呢？人们至今没达成共识。关于其来源的猜测，从合并的中子星到外星人的飞船，几乎什么都有。其中一个最令人难以置信，但意义非同一般的解释是：它来自“反弹”的黑洞，即所谓的“白洞”。黑洞是光吃不吐，而白洞恰恰相反，光吐不吃。  黑洞也会“反弹”，没搞错吧？ 这个观点初听起来确实有点惊世骇俗，但也并非胡思乱想。思考的出发点是那个著名的黑洞奇点。 我们知道，在黑洞的奇点，物质密度无限大，时空无限弯曲，连包括广义相对论在内的所有物理定律都统统失效了。这是很多物理学家无法接受的，所以他们想尽办法来消除这个讨厌的奇点。 他们求助于量子引力理论——一种把广义相对论和量子力学结合起来的理论。虽然这个理论还没有完全成功建立起来，但一些主要的观点已经有了，比如在这个理论中，时空不是光滑连续、无限可分的，而是像石榴籽一样，一粒一粒的，时间和空间都不可能无限小，都有它们的最小单位，就好比石榴籽是以1粒为单位的，你可以说2粒、3粒，但不能说0.5粒、3/4粒。这样，“黑洞奇点体积无限小，密度无穷大”这种说法也不对了，奇点也不会被压缩到体积无穷小的状态。 2014年，一位法国物理学家证明，这些时空颗粒能够被弯曲和压缩的程度是有限的，就像古人形容的“捶不扁的铜豌豆”一样，当奇点的体积被引力压缩到一定程度，它就开始反弹了。结果是一个戏剧性的大反弹，将黑洞变成白洞，喷出黑洞之前所吞噬的一切。 另一组法国物理学家则进一步证明，宇宙大爆炸之后，会形成很多微型黑洞，这些黑洞在反弹中产生的高频无线电信号，非常类似今天观察到的FRB。这样，我们就把FRB跟反弹中的黑洞（即白洞）联系了起来。 没有理由就此止步。事实上，宇宙大爆炸的起点也是一个奇点。更重要的是，黑洞内部的奇点与宇宙大爆炸的奇点没有什么不同。如果黑洞能反弹，为什么宇宙就不能反弹？这样一来，上一话题中提出的循环宇宙模型似乎就更合理了。 当然，这一切还只是停留在纸面上的猜测。天文学家还是尽快弄清楚FRB的真实来源才好。 |
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