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大时代

2012-03-22 15:46 作者:苗千来源:三联生活周刊 2012年第12期 2012年第12期
有个笑话讲,中国的看门人大多都会问来访者三个终极问题:你是谁?你从哪里来?你要到哪里去?这种问题看上去容易,不过要是上升到哲学层面思考,还真的都难以回答。

阿诺·彭齐亚斯 罗伯特·威尔森 宇宙大爆炸

阿诺·彭齐亚斯(前)和罗伯特·威尔森在1965年发现了宇宙背景辐射,为宇宙大爆炸理论提供了有力证据(摄于1964年,贝尔实验室天文台)

自古以来人们也一直以类似的方式追问宇宙,屈原在《天问》中就写道:“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢暗,谁能极之?冯翼惟象,何以识之?明明暗暗,惟时何为?阴阳三合,何本何化?”这大概算得上是早期中国人提出的关于宇宙学的问题,表现了人对于自身以及所处宇宙的好奇。

现代的科学家们显然不满足于只是提出宽泛的问题,尤其是自从爱因斯坦的广义相对论开创了宇宙学以来,人类对于宇宙的理论和实验探索一刻都没有停止过。通过现代宇宙学的研究,大多数科学家认为我们的宇宙起源于大约137亿年前的一次大爆炸,宇宙大爆炸源于一个时空的“奇点”,而在此之前并不存在“时间”与“空间”。宇宙在大爆炸之后的瞬间经历了暴胀(Inflation),使得原本规模比原子还要小的婴儿宇宙以比光速还快得多的速度膨胀,它的规模瞬间就超过了人们现在可以观测到的范围。这种暴胀使得我们的宇宙中各个方向上的物质分布都比较均匀(也可能因此宇宙中的正反物质没有在瞬间发生湮灭而变成能量)。有些科学家对此并不十分信服,认为发生大爆炸的奇点必然会“有些什么东西”,或是在宇宙大爆炸之前就存在其他形式的宇宙;更多的科学家希望可以探寻到关于宇宙起源更多的细节:时空的奇点究竟具有什么性质?大爆炸究竟是如何发生的?宇宙又缘何暴胀?我们是否可以把宇宙大爆炸和宇宙暴胀理论纳入到现代基础物理学中?

宇宙大爆炸的余波至今还到处回荡在宇宙空间里,这就是阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson)在1965年发现的宇宙背景辐射,这种余波在宇宙大爆炸之后逐渐冷却,现在温度大约为高于绝对零度2.725摄氏度。宇宙学家们就像是看门人一样,用尽各种手段探测研究宇宙背景辐射,希望对它的研究可以回答我们对宇宙提出的终极问题:宇宙是什么?它从哪里来?又要发展到哪里去?自从宇宙背景辐射被发现,很多科学家就预测到,由于大爆炸时微小的不均匀,它在空间中存在微小的差异,这个推测在1992年被美国航空航天局的COBE探测器验证,之后,越来越多的宇宙背景辐射探测器被发射升空,如同一个个人类的时间机器,希望可以在太空中找到宇宙诞生的奥秘。

无论是为了探索最微小的基本粒子而建造的大型强子对撞机(LHC),还是为了探索宇宙背景辐射而发射的各种远赴太空深处的探测器,都标志着人类的科学探索进入了大时代。2001年,美国航空航天局在佛罗里达发射了威尔金森微波各向异性探测器(WMAP),这个探测器以研究宇宙背景辐射的先驱、科学家大卫·威尔金森(David Wilkinson)命名,希望可以探测到宇宙背景辐射在各个方位的微小差别,绘制出整个宇宙的背景辐射地图,从而验证各种关于宇宙诞生的理论。人们通过它传回的数据第一次绘制出了高精度的宇宙背景辐射地图,第一次精确地测算出宇宙中重子、暗物质和暗能量所占的比例,也首次把宇宙的年龄精确到了大约137.3亿年。

欧洲太空总署(ESA)也没有落后,他们在1993年开始制订计划,经过16年的艰苦劳动,在2009年发射了拥有更高精度的,同样用于探测宇宙背景辐射的探测器,这个探测器最开始被命名为COBRAS/SAMBA,之后改用以伟大的德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)之名命名的普朗克探测器,它于2009年5月发射升空,在2009年7月到达拉格朗日点(太阳系中的一个平衡位置)。普朗克探测器配置了更加灵敏精确的热辐射探测器,用来绘制更加精确的宇宙背景辐射地图。普朗克探测器为了达到更高的精度,携带了三个降温装置,这三个降温装置配合工作,可以把探测器的温度降低到只高于绝对零度0.1摄氏度,算得上是宇宙中温度最低的探测器。在距离地球150万公里的太空,普朗克探测器已经完成了两次对于宇宙全方位背景辐射的探测,并且已经把高精度的数据传回了地球。2011年11月,普朗克探测器上的冷却剂耗光,它也将结束探测任务——但是接下来还会有一次长达30个月的5次宇宙全方位探测任务。根据普朗克探测器传回来的资料,人们将可以绘制出一个前所未有的高于WMAP探测器精度的宇宙背景辐射地图,通过这个地图,人们将可以了解到更多关于宇宙诞生之初的细节。

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