100年以來，我們的宇宙觀是如何發生翻天覆地的變化？

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

已知的總是有限的，未知的則是無限的；從知識上說，我們像是處在一個令人費解的無邊海洋中的小島。我們每一代人的任務就是多回收一點土地。

——赫胥黎

文：Ethan Siegel

譯：小雨

整整100年前，我們的宇宙觀和現在非常的不同。那個時候，已知最遠的恆星也只距離我們上千光年遠，它們都處於銀河系之中，我們認為沒有比這更遠的天體了。那個時候，我們假定宇宙是靜態的，在夜空中觀測到的螺旋和橢圓的天體被認為是包含在我們的星系之中。那個時候，牛頓的引力還沒有完全被愛因斯坦的新理論推翻，而大爆炸、暗物質和暗能量等科學概念也沒有被提出來。但是在接下來的每個時代中，在理論和觀測的並行發展下，我們對宇宙的理解越來越深刻。每一次的發現都帶來了無限的驚喜，但同時也帶來了更多的困惑。

1910s：愛因斯坦的理論得到驗證！

廣義相對論因解釋了牛頓引力無法解釋的水星近日點進動問題而名聲大震。但是，一個成功的科學理論不僅僅需要能夠給出符合所有現有觀測的理論的結果，它還需要做出可被檢驗的新預言。而在這一方面，廣義相對論表現的相當出色。1919年，廣義相對論的第一個預言被驗證：在日全食期間觀測到遙遠星光發出的光線，在經過太陽時發生了彎曲。而星光彎曲的程度與愛因斯坦的理論預言的相一致，但不符合牛頓理論的預測。從此，我們對宇宙的看法就徹底發生了變化。此外，廣義相對論還預言的引力時間膨脹、強和弱引力透鏡、慣性系拖曳效應、引力紅移等等都被後來的實驗或觀測所證實。

1919年，天文學家愛丁頓對日全食的觀測結果顯示，廣義相對論完美地描述了星光在大質量物體附近發生了偏折，推翻了牛頓的圖景。（圖片來源：The Illustrated London News, 1919）

1920s：哈勃的發現

上個世紀20年代，人們依舊認為銀河系就是整個宇宙，而Edwin Hubble的工作一下子拓寬了我們的視野——銀河系不過是眾多星系中的一員。通過觀測夜空中的一些螺旋星雲，Hubble定位了跟在銀河系中同一類型的單獨的變星。但這些變星的亮度非常低，意味著它們離地球百萬光年之外，這遠遠超過了銀河系的範圍。哈勃並沒有因此止步，他繼而測量了十幾個星系的退行速度和距離，從而發現了宇宙正在膨脹，而不是靜止不變的！

哈勃在仙女座星系中發現的造父變星，才使我們意識到宇宙的廣漠。（圖片來源：E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team.）

1930s：暗物質的提出

科學家曾一度認為如果我們可以測量包含在恆星內的所有質量，或許再加上氣體和塵埃，就可以計算出宇宙中的所有物質。然而，在上個世紀30年代，當Fritz Zwicky觀測了一個緻密的星系團中的星系（比如下圖的后髮星系團）後發現，恆星和我們所謂的「普通物質」（比如原子）不足以解釋星系團的內部運動。因此，他推斷必然存在著額外的新物質，稱其為暗物質。不幸的是他的觀測結果一直被忽略。直到20世紀70年代，當天文學家發現暗物質普遍存在於單獨的旋轉星系後，暗物質才成為了研究熱點。根據現代宇宙學模型以及觀測表明，現在宇宙中暗物質與普通物質之間的質量比例為5：1。

后髮星系團中兩個明亮巨大的星系。NGC4889（左）和稍微小一點的NGC4874（右），各自的大小都超過百萬光年。但是在外圍的星系運動的如此之快，暗示著整個星系團應該存在著一個巨大的暗物質暈。（圖片來源：Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona）

1940s：宇宙源於大爆炸

這段時期，雖然大部分的實驗和觀測資源都花在了間諜衛星、火箭技術和核技術的發展，但理論物理學家並沒有停止對宇宙進行探索。1945年，George Gamow對膨脹的宇宙做出了終極推論：如果今天的宇宙正在不斷膨脹和冷卻，那它應該有一個更加熾熱和緻密的過去。回溯過去，肯定有一段時間由於宇宙的溫度太高、密度太大，以至於無法形成穩定的中性原子，而在更早之前，甚至連原子核都無法形成。如果這是對的，那麼在任何恆星誕生之前，宇宙最初的材料中，最輕的元素應該有一個特定的比例，並且今天我們應該能夠觀測到宇宙早期遺留下來的餘暉，這些餘暉的溫度剛好在絕對零度以上，並且散布在各個方向。這個框架便是今天所謂的大爆炸理論，這是在那個動蕩年代中最美妙的思想。

可觀測宇宙的歷史的時間線。自大爆炸以來，可觀測宇宙膨脹的越來越大。（圖片來源：NASA / WMAP science team）

1950s：來自Hoyle的輕蔑

大爆炸理論並不是解釋宇宙起源的唯一理論，它強有力的競爭理論被稱為穩恆態模型，由Fred Hoyle和同時代的其他科學家提出。（事實上，「大爆炸」這個名字是Hoyle在BBC舉辦的一次系列講座中提出的，並且迅速的流傳開來。）最精彩的是，兩個理論都推斷今天在地球上的重元素都誕生於早期的宇宙。Hoyle和他的同事認為這些重元素並不是在早期熾熱和緻密的狀態下產生的，而是由前代的恆星製造出來的。

Hoyle和他的合作者詳細地描述了當恆星內發生核聚時，元素是如何一步步地構建起元素周期表。最令人驚喜的是，他們預言了氦聚變成碳的過程是從前沒有被觀測過的：3氦過程，前提是要求一種新的碳態存在。在Hoyle提出的幾年後，這種新的態被Willie Fowler發現，今天被稱為霍伊爾碳態（Hoyle state of carbon）。從他們的工作中，現在我們知道地球上現有的所有重元素都來源於一代又一代的恆星的熄滅與誕生。

圖中顯示了太陽的表面和內部的不同區域，包括發生核聚變的核心。在太陽或其它恆星中的聚變過程，產生了今天宇宙中存在重元素。（圖片來源：Wikimedia Commons user Kelvinsong）

1960s：關鍵性的證據

經歷了20多年的辯論，科學家終於發現了決定宇宙歷史的主要觀測證據：預言中的大爆炸遺留下來的餘暉被發現了！1965年，Arno Penzias 和 Bob Wilson 觀測到了天空中均勻分布著2.725開爾文的輻射（即所謂的微波背景輻射），但他們一開始並沒有意識到他們的發現意味著什麼。後來，科學家測量到了這個輻射的完整的黑體輻射光譜，甚至測量到它的漲落，這就證明了宇宙始於一場大爆炸。

如果我們能夠看見微波，夜空看起來像是溫度為2.7開爾文的綠色橢圓，而中心會出現「雜訊」，這是來自更熱的銀道面。這個溫度一致的黑體輻射譜正是大爆炸所預言的遺留的餘暉：微波背景輻射。（圖片來源：NASA / WMAP science team）

當你今晚走到戶外，並摘下帽子，你的頭皮就能感受到大爆炸帶來的一絲溫暖。如果你有一個品質良好的調頻收音機，而且你站在兩個微波中繼站之間，你就會聽到「嘶-嘶-嘶」的聲音。你可能聽到過這樣的嗶嗶聲。它像是一種撫慰。有時它很像海浪的拍擊聲，你聽到的聲音，大約有千萬分之五是來自數十億年前傳來的雜訊。

—— Arno Penzias

Simon Singh在《大爆炸簡史》一書中講述了「大爆炸」理論作為宇宙的開端被逐漸接受的過程，介紹了一些鮮為人知的人物對這個理論所做的努力。這是一場驚心動魄的辯論過程，Gamow用打油詩反擊穩恆態已過時，Hoyle則繼續嘲笑大爆炸模型和那些相信它的人，最終大爆炸理論以良好的預言能力表現出了說服力和包容性。

1970s：一次指數式的膨脹

在1979年末，一個年輕的科學家的腦海中冒出了一個讓他為之奮鬥一生的想法。Alan Guth提出了宇宙暴脹模型，以解釋大爆炸理論無法解釋的問題，例如為什麼宇宙為何在空間上如此平坦？為什麼各個方向的溫度都一樣？為什麼沒有產生超高能量的殘留物。

Guth的暴脹模型指出，在宇宙處於熾熱緻密的狀態之前，事實上它經歷了一次指數式的膨脹，所有的能量都束縛在空間的自身結構中。Guth的最初想法經歷了幾次演變才形成了今天的暴脹理論，之後的一些天文觀測都證明了暴脹理論的預測，比如微波背景輻射的漲落、宇宙中的大尺度結構、星系聚集、團簇和形成的方式。

在大爆炸之前，宇宙最早期的階段，建立了初始條件，才演變成了我們今天所觀測到的宇宙。這就是Alan Guth絕妙的想法：宇宙暴脹。（圖片來源：E.Siegel）

1980s：爆發的超新星

1987年，天文學家觀測到了近100年來距離地球最近的超新星爆發。這也是我們擁有可探測到這些事件發出的中微子的探測器以來，首次探測到的超新星爆發。 雖然我們在其他星系中看到了超大型的超新星爆發，但我們從未有過距離如此之近的超新星爆發，使我們能夠觀測到這些中微子。

這20個中微子的發現標誌著中微子天文學的開始，隨後的發展又使我們發現了中微子振蕩、中微子具有質量，以及探測來自百萬光年外的超新星爆發所產生的中微子。如果目前的探測器仍然在運行，我們將能從銀河系裡下一個出現的超新星中探測到超過數十萬個的中微子。

超新星1987a爆發後的遺迹，位於165000光年外的大麥哲倫星雲。這是在過去超過3個世紀中，觀測到離我們最近的超新星。（圖片來源：Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator）

1990s：加速膨脹的宇宙

如果你被暗物質和宇宙的起源的發現所震驚的話，那麼你可以想像當天文學家在1998年的發現使我們第一次有機會知悉宇宙的命運時引起了多大的轟動。歷史上，我們一直想像宇宙有三種可能的結局：

宇宙的膨脹不足以抵抗萬物的引力，從而宇宙重新坍縮，在一場大擠壓中終結。

宇宙的膨脹將遠勝過萬物產生的引力總和，使宇宙中所有物體相互遠離，宇宙將在大凍結中結束。

宇宙將處於上述兩種結局之間，宇宙的膨脹率將不斷趨近於零，但從不會真正達到：一個臨界宇宙。

而在1998年對遙遠超新星的觀測表明，宇宙正在加速膨脹，並且隨著時間流逝，遙遠的星系間會加速相互遠離。宇宙不僅會變冷，那些沒有被束縛的星系最終會消失在我們的視界之外。除了在本星系群中的星系，沒有其它的星系會遇到我們的銀河系，我們註定會在寒冷中孤獨的存在。而在另一個1000億年後，我們將無法看到任何超過我們自身的星系。

宇宙的四種可能命運。最底下的那個跟觀測數據最為吻合，是一個由暗能量驅使的宇宙。（圖片來源：E.Siegel）

2000s：宇宙的成分

宇宙微波背景輻射的發現並不止於1965年，我們對大爆炸的餘暉的漲落的測量告訴了我們宇宙是由什麼構成的。來自COBE衛星的數據被WMAP衛星取代，而之後的Planck衛星又更進一步。此外，結合來自大型星系巡天項目（比如2dF和SDSS）的大尺度結構數據和遙遠的超新星爆發的數據，才有了現代宇宙的圖景：

0.01%的輻射以光子的形式存在，

0.1%的中微子，

4.9%普通物質，包括所有由原子構成的物體，

27%的暗物質，或者說神秘、不與任何物質發生相互作用（除了引力）的粒子，它們構成了今天我們觀測到的宇宙的結構，

68%的暗能量，來自空間自身固有的屬性。

2010s：未結束的時代

開普勒-186系統、開普勒-452系統和太陽系。（圖片來源：NASA/JPL-CalTech/R. Hurt）

愛因斯坦提出的理論取代牛頓引力後的一個世紀，廣義相對論無與倫比地經受住了每一次的實驗和觀測的檢驗。而引力波的發現更是開啟了引力波天文學時代，幫助我們更好的理解宇宙。

合併黑洞產生的引力波。（圖片來源：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project ）

在這100年里，我們從以為銀河系就是整個宇宙，以及對宇宙的年齡一無所知，到現在我們知道宇宙誕生於約138億年前，是一個由暗物質、暗能量和普通物質驅使的膨脹和冷卻的宇宙，並且充滿了潛在可宜居的行星。我們知道宇宙起源，它的命運，它今天看起來是什麼樣的，以及它是如何演變成今天這個樣子的。科學的故事還沒有結束，因為宇宙中還有許多未知的事物等待著我們去發現。我們完全可以期待在未來的100年里，科學的進步和革命會繼續帶給我們驚喜。

來源：原理

國家空間科學中心微信公眾訂閱號（ID：nssc1958）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！