科學大家|宇宙的起源：大爆炸之前是什麼？

最新 01-05

　　出品| 新浪科技《科學大家》

　　撰文| 蔡一夫中國科學技術大學教授

　　宇宙的起源，這個話題大家在平時日常生活中可能聊得比較少。幾年前，我還是單身的時候，經常和家人，朋友聊這些話題，他們不約而同地去問：你是做什麼的？我記得那個時候也會被安排和一些異性朋友見面，她們也會在餐桌前聊這些話題。我就會跟對方侃侃而談半個小時，之後發現對面的椅子已經空了。但是我是非常幸運的人，兩年半前我遇到了一個非常美麗的姑娘，她沒有走，並且一直陪伴著我，不久前我們迎來了我們的小baby。我想把我的故事跟更多的朋友在一起分享，今天我們聊一聊「我們宇宙的考古」。

　　說到考古，大家經常想到的是關於人類起源的考古，今天我們考古學家發現數百萬年前保存非常完整人類骸骨的化石，是一位女性，我們給她起名叫Lucy，距今6萬年前，來自非洲。他們不斷挑戰世界觀的邊界。那個時候我們對世界的認知非常有限，體現在地理上的約束上。他們不斷地想走出非洲，走向世界，才有了今天：我們人類成為了地球的霸主。

　　人類文明史上也出現過很多非常輝煌的文明，比如2300年前的歐洲出現了非常偉大的文明：古希臘文明。有一位哲學家被譽為智慧的集大成者，就是亞里士多德。他是一個非常天才的人，不僅集成了老師柏拉圖所強調的教學概念，他還強調了科研的態度。

　　當時，亞里士多德不僅興建各種圖書館、博物館，繼承前人已知的知識外，還去興建實驗室，天文台，去觀測當時他們所看到的一切物理現象和天體現象。於是，他發掘新的知識，創造了雅典學派或者說逍遙學派。他認為我們人類生活在一個球體上，就是地球。他認為地球是宇宙的中心，也就是所謂的地心說。他死後大約300多年，歐洲文明進入到了古羅馬時期。古羅馬時期也出現了一位哲學家，就是托勒密。托勒密繼承了這樣的觀點，發展出成體系的地心學說。

　　在地球的另一端，我們中國也正處於一個偉大的文明時期，就是漢朝。有一位偉大的天象學家就是張衡。張衡他出生在天象觀測世家，他有著得天獨厚的條件去積累前人的數據，最後製成了一個渾天儀，推翻了中國過去所持有的所謂天圓地方的理論。在人類文明史上長達1300多年的時間裡，人類對宇宙的認識一直是被地心說和渾天說所統治。

　　另一個重要的歷史時期就是文藝復興時期。大航海時代的開始，使當時人類對於科技的需求不斷提高，很快他們把望遠鏡技術應用到天文觀測。那時湧現了一大批天文學家，也是天文學作為現代科學最早興起的第一個學科。當時哥白尼指出，如果堅持地心說，很多現象是沒有辦法解釋的，比如經常開玩笑說我最近運氣不太好，喝涼白開也塞牙縫，是犯了「水逆」。「水逆」是因為我們強行把我們的世界中心放在地球上，認為水星圍繞地球轉才看到了違反常識的現象。但如果把我們世界中心從地球稍稍往旁邊挪那麼一點點，挪到太陽這裡，我們發現這些問題就迎刃而解了。哥白尼去世之後，一百年之後又一位非常偉大的天才，就是牛頓誕生了。牛頓用他的一生，創造了牛頓三大定律，還創造了微積分，最後形成了牛頓力學。當時，牛頓力學非常成功地解釋了日心說，以太陽為中心，八大行星圍繞太陽運動的體系，最終又形成了新的人類宇宙觀和世界觀。

　　這個局面一直到上世紀初被另外一個人類天才所挑戰，在1905年的時候，這位天才提出了相對論時空觀的概念。大家應該都非常熟悉愛因斯坦提出的質能方程。他認為物質的質量是一種能量，是能量存在的一種形式。之後又花了十年把這個概念進行升級，到了1915年，愛因斯坦把狹義相對論升級到了廣義相對論。

　　而廣義相對論的觀點認為物質的質量可以使我們周邊的時空發生扭曲，他認為引力不再是相互作用的概念，而是因為時空彎曲才體現出的現象。中國的一位偉大科學家楊振寧在2005年世界物理年對這項工作做了一個評論，他說洛倫茲提出相對論的數學公式，但是並沒有給出物理解釋；龐加萊在哲學上討論相對論的意義，但是依然不明白相對論的物理含義；真正懂得相對論物理意義的人，只有那位26歲的年輕專利局小職員，就是這個可愛的小老頭愛因斯坦。

　　愛因斯坦提出了偉大的相對論時空觀，之後我們人類很快就發展出來了一個新的宇宙觀，我說的很快是指過去一百年，一百年的時間裡我們努力研究宇宙的演化，形成了熱大爆炸宇宙學說，這個學說成為了人類新的時空觀和宇宙觀。

　　熱大爆炸宇宙說描述了我們宇宙在過去138億年的演化歷史。其中有兩個名詞，一個是「暴漲（inflation）」，另一個是「宇宙微波背景輻射」。「暴漲」，這個名詞來自於經濟學。「暴漲」指的是宇宙在138億年前，時空奇點大爆炸之後，大約經歷了10的負32次方秒的時間，宇宙體積放大了10的80次方倍，這是前所未有的一次劇烈放大。在暴漲前的一個原子結構大小，在暴漲之後，放大到跟太陽系整個體積大小一樣的量級。發生這麼早宇宙演化過程，就是我們所認為的宇宙起源的一種可能性。

　　這個學說認為暴漲場導致了暴漲過程的發生。在上世紀80年代的時候，該學說成功地在宇宙微波背景輻射即所謂「宇宙的藏寶圖」中，預言了宇宙微波背景輻射當中溫度的漣漪。暴漲理論與90年代美國發射的空間衛星的觀測結果驚人的一致，也就是說這個理論得到了實驗上強有力的支持。

　　但是，不論是熱大爆炸宇宙學說，還是升級版的暴漲學說，都沒有辦法逃避一個問題，那就是認為宇宙來自於一個時空奇點。宇宙的溫度、能量密度、壓強，以及其他你所能想像的物理參量，在那一時刻都是發散，都是無窮大的。物理上我們很難接受無窮大的存在。有一些物理學家和天文學家會認為會存在著其他不同的宇宙起源，比如認為宇宙經過了漫長的收縮時期，然後又開始膨脹，建立了反彈宇宙學。這個學說也認為存在一個標量的物質場，經歷不斷的震蕩演化，驅動了收縮的過程。這個學說也可以解釋宇宙微波背景輻射上溫度的漣漪。

　　什麼是宇宙微波背景輻射？宇宙微波背景輻射是宇宙中的藏寶圖，宇宙大爆炸之後，38萬年的時候給自己做了自拍。為什麼這麼說？大家想像一下，宇宙曾經有非常高的溫度，在那種環境下，宇宙中的物質無法以我們熟悉的分子，原子的結構去存在，而是以帶電離子的形式存在。那個時候的宇宙看上去像一鍋粥一樣。宇宙的膨脹耗散了宇宙自己的能量，等到宇宙的溫度降低到某個臨界溫度以下的時候，宇宙中的質子和電子會形成穩定中性的氫原子，如同上帝說要有光，於是我們有了光。那個時刻宇宙發出的光如同脫韁野馬一般狂奔，一直到被智慧生命，比如地球上的人類所捕獲。這就是宇宙微波背景輻射的由來。

　　宇宙微波背景輻射的發現意味著什麼？意味著給這個世紀的人們帶來了新的宇宙觀，告訴我們，宇宙是一個有溫度的宇宙。

　　這個預言發生在上世紀40年代，當時已經有些物理學家和宇宙學家預言了宇宙的溫度。上世紀70年代的時候，貝爾實驗室的兩位無線電工程師在一個非常巧合情況下，想做無線電實驗，但總是有穩定的背景雜訊存在，他們百思不得其解，甚至為此清理了實驗室裡面鴿子窩，但發現雜訊還是存在。最終他們找到了美國普利斯頓大學的幾位教授，因此發現了宇宙微波背景輻射。這個工作也獲得了1978年的諾貝爾獎。我們的宇宙溫度是2.725K，就是大約-270攝氏度。1989年美國發射的衛星發現了溫度的漣漪，後來2006年被授予了諾貝爾物理學獎。

　　經過半個世紀的努力，通過對宇宙微波背景輻射的不斷的研究，我們得出結論：熱大爆炸宇宙學關於宇宙在過去的138億年中如何演化的理論，是非常正確的。並且我們還得到了一個非常有趣的宇宙組分的拼圖，這個宇宙組分拼圖中我們發現有68.9%的貢獻來自於暗能量，有26%的貢獻來自於暗物質，只有不到5%是來自於我們所熟悉的可見物質，比如氫元素。

　　關於宇宙微波背景輻射，不僅有溫度漣漪，如果把設備加上偏振片，會發生什麼呢？上面會有偏振的圖案，就像我們去電影院看電影過去看2D，現在看3D，圖像會更加立體化。宇宙微波背景輻射當中藏著非常扭曲的偏振圖案，而這個偏振圖案當中藏著宇宙中非常寶貴的財富，就是來自宇宙最早期的引力波，稱為原初引力波。

　　原初引力波和物質密度波，這二者是宇宙起源模型當中必然存在的兩種波動模式。原初引力波是時空量子漲落的漣漪，通過對原初引力波的研究，我們能更加準確地了解宇宙在極早期到底發生了什麼。

　　在2017年春天的國際會議上，有30多位頂級物理學家，包括4位諾貝爾獎獲得者，對於宇宙的起源和演化問題吵得不可開交，我把他們吵架的文章整理一下，把辯論結果列了一下，基本達成一致的觀點是宇宙微波背景輻射當中存在著兩種偏振模式，E模偏振和B模偏振。各種各樣的宇宙學模型對E模的預測比較接近，但是對B模偏振的預測差異巨大。如果能捕獲到原初的B模偏振，就有機會解密我們的宇宙起源。

　　把我們的偏振圖像和非常美麗的梵高的《星空》組合在一起，會發現有驚人的類似之處。接下來一個很有趣的問題，我們到哪裡去找這樣一種圖像呢？在地球上我們能夠選擇的地點並不是特別多，因為對於這種信號的捕獲需要觀測地具有非常好的天氣條件，比如水氣非常少，非常乾燥，大氣透明度度非常高的地區。地球上大約有四個理想的地點，分別是南半球的南極，南美洲智利的阿塔卡瑪沙漠，北半球的格陵蘭島，還有中國的西藏。目前在國際上已經有很多這方面的努力，像南極的IceCube，在智利也有許多望遠鏡。北半球還不能說有這方面已建成的，但是我們中國正在努力建設的是西藏的ALiCPT。這個項目在2014年的時候由中科院高能所的張新民研究員提出，在2016年年底正式立項啟動。這個項目是集結了中國所有的宇宙學研究力量，和國際上開展的合作項目。這三個圖很有意思，第一個是衛星圖，展示了地理位置，第二個是立項的時候拍的航拍圖，高度是海拔5250米，這是位置的海拔。經過兩年的努力，再給大家看一個一周之前我們拍的航拍圖，我們完成了實驗室的構建，完成瞭望遠鏡基座建設，這個地方要放置望遠鏡以及數據採集系統。

　　回顧一下，過去在人類漫長的演化歷史當中，人類歷史每一次輝煌都見證了一個新的世界觀、新的宇宙觀的誕生。經過過去100年的努力，物理學家和宇宙學家描繪了一個非常成熟的宇宙觀，就是熱大爆炸宇宙學說。過去將近40年的歷程中，一些有關宇宙起源的思考慢慢也在開始興起，例如上世紀70年代和80年代所提出的暴漲學說，成功預言了宇宙微波背景輻射當中存在的溫度漣漪。但是無論是暴漲還是大爆炸宇宙學，都沒有辦法回答我們宇宙是如何從一個時空基點，從一個發散的點演化而來的。

　　所以，近20年我們宇宙學家開始涉獵到新的領域，就是反彈宇宙學，針對大爆炸奇點展開一系列科學研究。很幸運的是，天文學已經進入了新的時代，是以前的人非常難以想像的黑科技時代，就是引力波時代，2015年9月份人類首次捕獲來自黑洞的引力波，LIGO引力波天文台發現的，歐洲的LISA項目，還有中國積極推進的天琴和太極項目，這些都在為未來人類的發展做著不懈的努力。我們想要去了解宇宙最一開始到底發生了什麼，我們需要想辦法捕獲那個時候的原初引力波，我們想利用宇宙微波背景輻射的偏振實驗捕獲這麼神奇的信號。中國正在推進的ALiCPT項目就是我們的嘗試。

　　最後引用非常有名的科幻電影《星際迷航》的話，我們想要做的事情是去那前人未至之境，發掘全新的世界觀，踏上一段開拓之旅。（圖片由蔡一夫教授提供）

　　附蔡一夫教授接受新浪科技採訪實錄

　　如何研究黑洞

　　新浪科技：星際穿越這部電影中提到，人類要想徹底研究出黑洞的話，需要進入黑洞內部，研究出奇點的數據才可以，你是如何認為的？

　　蔡一夫：這部片子上映時，我還沒回國，所以我是在加拿大看的這部影片，給我印象特別深刻的就是這個片子，因為我特別喜歡看硬科幻的電影，這樣能留出空間，給我去找電影中邏輯不通及悖論的地方，我自己比較喜歡干這種挑刺的「活」。我特別震驚的並不是蟲洞模型，和黑洞模型，而是男主人公跌入黑洞時的表現手法。如何描述出黑洞背後的世界，如何去體現處理？這些是我之前從來沒有想到過的。

　　新浪科技：只有進入黑洞內部才能研究黑洞嗎？

　　蔡一夫：我不完全認同，2011年還是2012年的時候，我記不太清了，當時我在網上看文章，看到一篇霍金自己一個人署名的文章，你知道這就意味著什麼？霍金的身體狀態大家也清楚，說明在他人生生命的最後幾年，他還在思考這個事情，他提出了一個新的理論，新的學說，黑洞表面可能並不是人類想像的那樣空無一物。其實他是在嘗試把他這一生中所取得的最高成就的這個理論，把它推翻掉。

　　外星生命比較包容？

　　新浪科技：有人說，研究天文會讓人覺得自己很渺小，您怎麼看？

　　蔡一夫：每個人都有自己合適的位置，我們對這個世界的認知實際上是來自於兩層面的。一個是個體所在的環境，我們自己所扮演的一個角色，我們的宇宙有138億年的歷史，從這個角度來看，人類確實非常渺小。還有一個是個人對於自己內心的認識。每個生命的存在，都起到了非常重要的作用，如同我們對於父母，就是非常重要的存在。

　　新浪科技：之前聽說您不太認同《三體》裡面的黑暗森林法則，假如存在外星人的話，那麼他們會是一種什麼樣的文明？

　　蔡一夫：黑暗森林法則的觀點是，如果我們想要一個文明延續下去，活下去就需要躲起來，如果你太囂張了，就會成為所謂的出頭鳥，但是我的個人的觀點正好是相反，假如存在外星生命的話，一定是具有包容性比較高的文化。

　　講課曾經被問「懵」

　　2010年，蔡一夫在中國科學院高能物理研究所獲得博士學位，隨後在國外做了兩期博後，2015年回中國科學技術大學任教。

　　新浪科技：您在國內拿到PhD學位，在國外做了兩期博後，對比國內外的培養模式，您有哪些看法

　　蔡一夫：其實，東西方的教學模式各有千秋。國外的培養模式是一種鼓勵啟發性的教育；而國內更多的是傳統意義上授課類的教學方式，所以國內的學生基本功都非常紮實，但作為一名老師，我比較發愁的是，如何讓學生提問。而在這一點，國外的學生就做的相對比較好。

　　讓我印象最深的是，有一次在國外講學，居然被學生問懵掉了。當時我覺得特別沒面子，但我的導師卻告訴我，這應該值得高興，說明我的課講得很好。但在國內，無論教學，還是做報告，學生提問問題的都太少了。