尋找宇宙邊緣(下篇)

撰文 徐永煊

尋找宇宙邊緣(下篇)

撰文 徐永煊

有一種東西很奇怪，它至大至深，至高無上，籠罩在人們頭頂上方，人們卻不知道它為何物。早在兩三千年前，古希臘科學(xué)家和哲學(xué)家就開始對(duì)它進(jìn)行探索，但時(shí)至今日，人們對(duì)于它依然知之不多。因?yàn)樗瑦垡蛩固棺鲞^深刻檢討，布魯諾被燒死在火刑柱上；也是因?yàn)樗?，埃德溫·哈勃成為世界著?/p>

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在探測(cè)太空

科學(xué)家。為了研究它，人類研制了一大批最新最精良的觀測(cè)工具；也是為了研究它，人們上高山、飛太空不懼辛勞。那么它是什么呢？它就是宇宙。如今，科學(xué)家對(duì)宇宙的研究已有重大突破，然而研究得越深入，它的神奇性就越顯現(xiàn)，越令人神往，這是因?yàn)樗那笆馈⒔裆c未來都充滿神奇。

宇宙”一詞最早出現(xiàn)在戰(zhàn)國時(shí)代的《尸子》中：“上下四方曰宇，往古來今曰宙?！蔽覀冏嫦仍缭?500年前就把“宇宙”同“時(shí)-空”結(jié)合在一起了，這是非常正確的。然而宇宙到底有多大，它的邊緣在哪里，人類卻久久沒有弄清楚。直到20世紀(jì)初期，人們還認(rèn)為銀河系就是我們已知的整個(gè)宇宙。是望遠(yuǎn)鏡提高了我們的眼力，讓我們目擊了土星上空美麗的光環(huán)、木星表面滾動(dòng)的風(fēng)暴云、百萬光年外爆炸的超新星、正在誕生的“嬰兒恒星”、137億年前的早期宇宙、神秘的暗物質(zhì)和神奇的暗能。那么，望遠(yuǎn)鏡對(duì)于宇宙還能揭示什么呢？它能看到宇宙很遙遠(yuǎn)的邊緣嗎？

威爾遜山上的革命

20年前，美國“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)將著名的“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”（簡(jiǎn)稱“哈勃”）放進(jìn)了軌道，這個(gè)用高技術(shù)裝備起來的第一部新一代空間望遠(yuǎn)鏡正在探索宇宙邊緣。它給了我們?cè)S多發(fā)現(xiàn)，許多驚奇。它是當(dāng)代最精良的天文觀測(cè)設(shè)備，能夠同時(shí)拍攝百萬顆恒星照片，它拍攝的照片比地面天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的清晰十多倍。通過在軌道上的四次大修，它成功地進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)19年、總共88萬多次的宇宙觀測(cè)，對(duì)2.9萬個(gè)宇宙天體拍攝了57萬多張照片，傳回地球5萬張高質(zhì)量的精美圖片，它取得的數(shù)據(jù)足以堆滿兩個(gè)美國國會(huì)圖書館?！肮眲?chuàng)造了許多太空觀測(cè)奇跡，例如，發(fā)現(xiàn)了黑洞存在的證據(jù)，探測(cè)到恒星和星系的早期形成過程，觀測(cè)到目前人類所能觸及的最遙遠(yuǎn)（距離地球130億光年）的古老星系，探明宇宙年齡為137億年。這些觀測(cè)對(duì)世俗文化有著極大的沖擊力，對(duì)人類建立新的宇宙觀有著極為重要的影響。

今天，用高技術(shù)裝備起來的其他越來越多的望遠(yuǎn)鏡正加入到“哈勃”的行列，共同揭示宇宙中那些令人難以理解的奧秘：宇宙的大小、年齡和激烈的程度。20世紀(jì)伊始，開始了一場(chǎng)天文學(xué)革命，其標(biāo)志就是建造新的望遠(yuǎn)鏡。這是一場(chǎng)持續(xù)改變我們對(duì)宇宙的感性知識(shí)、擴(kuò)張我們感知的宇宙邊緣和讓我們永遠(yuǎn)在發(fā)現(xiàn)之旅上奔馳的革命，今天我們?nèi)栽谶@條革命道路上向前跑。

這場(chǎng)革命的第一步是一位名叫喬治·埃勒里·海耳的天文學(xué)家攀登加利福尼亞帕薩迪納海拔2000米高的威爾遜山。天文學(xué)家早就認(rèn)識(shí)到，要想得到真正好的天文觀測(cè)資料，就要選擇好的觀測(cè)地址，因此天文學(xué)家往往不遠(yuǎn)萬里選擇天文臺(tái)臺(tái)址（例如中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)曾經(jīng)到荒涼的青海省德令哈建立毫米波觀測(cè)站，而不是在原來的老天文臺(tái)安裝新的望遠(yuǎn)鏡）。作為天文學(xué)家，海耳清楚地知道地球大氣對(duì)天文觀測(cè)的重要性。在天文學(xué)教科書里，“大氣折射”、“蒙氣差”對(duì)天文觀測(cè)的不利影響有充分的描述：地球大氣能改變天體光線的入射方向，在觀測(cè)的天體位置上造成誤差；濃密的大氣層還有消光作用，導(dǎo)致從天體來的光線大大減弱。在威爾遜山上建立天文臺(tái)，把歪曲和減弱望遠(yuǎn)鏡成像能力的低層大氣中的云和霧統(tǒng)統(tǒng)“踩”在腳下，是提高天文觀測(cè)質(zhì)量的重要舉措。因此海耳要看看在這座山的山峰上能否建造一個(gè)天文臺(tái)，讓稀薄的大氣變得清澈透明，更有利于天文觀測(cè)。

在空間快速移動(dòng)的黑洞（想象圖）

喬治·埃勒里·海耳

100年前，在山頂上建天文臺(tái)的想法是具有革命性的，也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。把幾百噸重的鋼鐵和混凝土一點(diǎn)一點(diǎn)地沿狹窄的山路拉上山是不容易的，但為了換取清澈明凈的天空，花點(diǎn)功夫也是值得的。威爾遜天文臺(tái)建成后將是當(dāng)時(shí)地球上最高的天文臺(tái)，并為全球天文臺(tái)勾畫出藍(lán)圖。

這個(gè)天文臺(tái)是海耳的夢(mèng)想，他要在這樣的天文臺(tái)上解決最大的宇宙之謎：找出我們的銀河系之外是否還有其他世界。對(duì)海耳來說，解決天文臺(tái)的高度僅僅是第一步，為了觀測(cè)使人目眩的深空宇宙，他需要在天文臺(tái)上安裝當(dāng)時(shí)世界最大的新望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡是光線的“收集桶”,較大的望遠(yuǎn)鏡可以收集較多的光線，可以聚焦較暗的星。在海耳時(shí)代，大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡是用玻璃透鏡聚焦光線的，當(dāng)玻璃透鏡被做得很大時(shí)，其自身重力也會(huì)變得很大，使望遠(yuǎn)鏡彎曲變形，造成星像失真。這里的“變形”，術(shù)語稱為“畸變”。因此，玻璃透鏡不能做得很大。海耳需要一種新設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡，要求望遠(yuǎn)鏡能收集大量光線，但不能用玻璃透鏡。經(jīng)過周密思索、比較，海耳決定采用伊薩克·牛頓在1688年創(chuàng)造的反射望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡用彎曲的鏡面代替玻璃透鏡，把光線反射到一點(diǎn)來聚焦。海耳采用這種結(jié)構(gòu)，用11年時(shí)間把反射望遠(yuǎn)鏡制作出來。這部望遠(yuǎn)鏡的曲面鏡直徑2.54米，重400千克，安置在12.2米鑄鐵管底座上，整個(gè)裝置安置在30米直徑的圓頂內(nèi)。1917年，公眾見到這架當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡時(shí)一片嘩然。

埃德溫·哈勃

美麗的安德羅美達(dá)

威爾遜山上新建成的望遠(yuǎn)鏡成為當(dāng)時(shí)美國的科學(xué)眼睛，也是世界的科學(xué)眼睛，它的出類拔萃贏得了各國天文學(xué)家的青睞，他們飄洋過海，從世界各地聚集到威爾遜山，輪流守候在它身旁，用它觀測(cè)星空。在天文望遠(yuǎn)鏡殿堂里，威爾遜山的望遠(yuǎn)鏡當(dāng)之無愧地贏得了“宇宙歷史上最重要望遠(yuǎn)鏡”的美譽(yù)。

這架望遠(yuǎn)鏡很快被用來揭示天文學(xué)上一個(gè)久未破解的奧秘：星云。星云是一種讓人費(fèi)解的天體。憑視覺看，它們是恒星之間云霧狀的巨大發(fā)光體，渾然一體，千變?nèi)f化，互相涉及，互為因果。有些星云是卵形漩渦，有些是由恒星組成的纖細(xì)漩渦，還有一些有著分岔的“觸須”。根據(jù)它們的輻射和形狀，星云被分為發(fā)射星云、反射星云、暗星云、超新星遺跡、彌漫星云和行星狀星云。人們通過望遠(yuǎn)鏡見到了幾百個(gè)星云，卻一直無人知道它們是什么，也不知道它們離我們有多遠(yuǎn)。后來，經(jīng)過觀測(cè)研究，人們才知道星云有兩類，一類在銀河系內(nèi)，一類在銀河系外。銀河系內(nèi)的星云才是真正的星云，它們是氣體和塵埃形成的云霧狀物質(zhì)，而銀河系外的“星云”則是由幾千億顆太陽一樣的恒星組成的河外星系。

測(cè)定一個(gè)星云是銀河系天體還是河外星系，就需要測(cè)出它到地球的距離，而測(cè)定星云的距離是不容易的，在廣袤的太空中確定天體距離是對(duì)天文學(xué)家最大的挑戰(zhàn)之一。天體的距離是靠觀測(cè)其光線來確定的，天體的光線猶如汽車的頭燈，距離越近，看起來越亮。但是，星星并不是我們想象的那樣分布在與我們距離相同的球面上。這種“相同”是投影產(chǎn)生的錯(cuò)覺。實(shí)際上，不同的天體到我們的距離千差萬別，各不相同。我們有這樣的常識(shí)：在較遠(yuǎn)距離上，汽車頭燈可能與距離近的自行車頭燈有著同樣的亮度；而當(dāng)汽車越來越近時(shí)，汽車頭燈就比自行車頭燈亮多了。天體的情況也是一樣。因此，測(cè)量天體的距離需要有一盞標(biāo)準(zhǔn)的“天燈”做“量天尺”，這把“量天尺”通常用符合條件的恒星（遙遠(yuǎn)星系內(nèi)特別明亮的恒星）來做，并且有一個(gè)專用名稱——“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。

美國天文學(xué)家哈勃測(cè)量了仙女座星云，這個(gè)星云有一個(gè)凄美的神話故事。“仙女座”譯成中文是“安德羅美達(dá)”。在希臘神話中，安德羅美達(dá)是依索比亞國王克甫斯和王后卡西奧佩婭的女兒?？ㄎ鲓W佩婭因不斷炫耀自己的美麗而得罪了海神波塞冬的妻子安菲特里忒，后者要波塞冬替她報(bào)仇。波塞冬遂派海怪蹂躪依索比亞?？烁λ沟弥耸潞蠓浅：ε拢?qǐng)求神諭解救。神諭暗示，唯一的辦法是獻(xiàn)上安德羅美達(dá)，用鐵索把她鎖在海怪（鯨魚座）必經(jīng)之路的巨石上，任由海怪蹂躪。克甫斯夫婦按照神諭的話做了，可憐的安德羅美達(dá)受盡折磨。后來，英雄帕修斯路過這里，看見安德羅美達(dá)的慘痛，立即拿出腰間懸掛的蛇發(fā)魔女墨杜莎的人頭對(duì)著海怪，海怪頓時(shí)化為巖石，原來這是由于墨杜莎有一對(duì)閃閃發(fā)光的特殊眼睛（現(xiàn)在稱墨杜莎的“眼睛”為“大陵五”，是一對(duì)互相繞著轉(zhuǎn)的食變雙星）。帕修斯殺死了海怪，救出了仙女安德羅美達(dá)，演繹了一段英雄救美的佳話。

說完故事，再談哈勃的觀測(cè)。哈勃先在仙女座星云中尋找造父變星，因?yàn)樗x擇造父變星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。他仔細(xì)地對(duì)仙女座星云的照片分析了幾個(gè)月，1923年10月6日，他終于在仙女座邊緣上找到了一顆造父變星。哈勃喜出望外，在照片上畫了兩條黑線，并在黑線之間標(biāo)出造父變星的位置，寫上“變！”作為標(biāo)記。

利用造父變星，哈勃測(cè)量出仙女座星云到地球的距離約為80萬光年，比銀河系內(nèi)已知最遠(yuǎn)的恒星還遠(yuǎn)8倍多。這個(gè)數(shù)據(jù)無可辯駁地表明，仙女座星云是銀河系邊緣外的星系。這次測(cè)量是改變歷史的測(cè)量，哈勃非常激動(dòng)地提起筆，在“仙女座到我們地球的距離比我們銀河系遠(yuǎn)8倍多”這句話后面打了一個(gè)大大的驚嘆號(hào)。

哈勃是幸運(yùn)的，因?yàn)樗袡C(jī)會(huì)接受海耳的邀請(qǐng)，參與了星云距離的測(cè)量。哈勃的成功也是意料之中的。作為當(dāng)時(shí)最著名的觀測(cè)天文學(xué)家之一，每到夜幕降臨、華燈初上的時(shí)候，哈勃便打開天窗，守候在2.54米望遠(yuǎn)鏡旁。哈勃用辛勤的勞動(dòng)獲得了仙女座星云的前所未有的細(xì)節(jié)，他的發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，大大延伸了宇宙的前沿，從此銀河系不再是宇宙的全部，仙女座星云也不是獨(dú)一無二的河外星系，僅哈勃一人就觀測(cè)到了好幾十個(gè)河外星系。位于銀河系外面的星云就像遼闊海洋中的島嶼，星羅棋布地散布在廣袤的宇宙中。天文學(xué)家形象地稱它們?yōu)椤坝钪鎹u”，把密布“島嶼”的宇宙叫做“島宇宙”

“島宇宙”的出現(xiàn)打破了銀河系是宇宙邊緣的舊觀念，“河外有河，天外有天”，辯證法在這里得到了很好的詮釋。哈勃用當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)資料深刻地改變了人類的宇宙觀。今天，最大的望遠(yuǎn)鏡仍在觀測(cè)宇宙，而且比哈勃時(shí)代觀測(cè)的范圍更加廣闊。今天望遠(yuǎn)鏡穿越了100多億光年，“看”到了數(shù)千億個(gè)星系位于我們的銀河系外面，每一個(gè)星系都由數(shù)千億星組成。天空中的星星數(shù)比地球上所有海濱和沙漠的沙粒的總和還要多！

哈勃使用過的2.54米望遠(yuǎn)鏡

破譯星光密碼

19世紀(jì)初，英國物理學(xué)家渥拉斯頓制造了一架分光鏡，用來分析太陽光。這是一架破譯光線密碼的儀器，它能像雨后彩虹那樣把白色太陽光分離成五彩繽紛的光譜，讓隱藏在光譜里的宇宙奧秘暴露在天文學(xué)家面前。分光鏡之所以具有奇妙的功能，源于光線是一種電磁波，每一種顏色都有自己的波長(zhǎng)。紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的波長(zhǎng)依次變短，頻率依次變高，紅光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，頻率較低，紫光波長(zhǎng)較短，頻率較高；白光是紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的光線混合而成的。因此，利用分光鏡可以分析出天體發(fā)射的光線里含有哪些成分。換句話說，利用分光鏡可以破譯天體光線的密碼，獲取天體的信息。

1842年，奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒提出一條原理，被稱為“多普勒原理”。該原理指出，當(dāng)發(fā)射光線的物體相對(duì)于觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)到光線的波長(zhǎng)要發(fā)生變化——光源向觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，光被壓縮，波長(zhǎng)變短，頻率變高，出現(xiàn)藍(lán)移（也稱紫移）；相反，當(dāng)光源背離觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，光被拉伸，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低，出現(xiàn)紅移。光源運(yùn)動(dòng)的速度越高，這種效應(yīng)越顯著。因此，根據(jù)光線是紅移還是藍(lán)移，可以計(jì)算出光源在視線方向的運(yùn)動(dòng)方向，根據(jù)紅移或藍(lán)移的大小，可以計(jì)算出光源在視線方向的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)多普勒原理，恒星光譜線的位移既能顯示恒星是向著還是背著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，也能據(jù)此計(jì)算出恒星的運(yùn)動(dòng)速度大小。

1928年，哈勃利用多普勒原理研究新發(fā)現(xiàn)的星系的紅移，借以找出星系的移動(dòng)速度。他分析了許多星系的速度，并按照星系的遠(yuǎn)近列成表，觀察它們的速度同星系距離的關(guān)系，結(jié)果得出了一個(gè)令人震驚的結(jié)論：離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系紅移越大，遠(yuǎn)離的速度越快。1929年，他在星系速度與距離之間建立了一個(gè)有趣的關(guān)系：離開越遠(yuǎn)的星系紅移越大，遠(yuǎn)離的速度也越大。這就是著名的哈勃定律。由這條定律得出結(jié)論：宇宙在膨脹。

哈勃的發(fā)現(xiàn)引出一個(gè)問題：如果宇宙在膨脹，那么是什么促使它膨脹的呢？天文學(xué)家從哈勃的發(fā)現(xiàn)中尋找出答案。哈勃發(fā)現(xiàn)，宇宙中的星系在相互移開，用天文學(xué)上的術(shù)語，叫做“退行”，而且是自然“移開”的。所謂宇宙在膨脹，并非星系在離開我們，而是空間本身在伸展。也就是說，宇宙和星系就像練球房和球一樣，球是星系，練球房就是宇宙，練球房“膨脹”了，球與球之間的空間自然就增大了?？茖W(xué)家由此想到：在過去某些時(shí)間，“練球房”和“球”不都在一個(gè)中心點(diǎn)嗎？追溯到過去，中心點(diǎn)——宇宙的爆發(fā)點(diǎn)溫度比現(xiàn)在高，密度比現(xiàn)在大，而且越早期溫度越高，密度也越大。宇宙是從一個(gè)高溫、高密狀態(tài)膨脹演化而來的。因此，蘇聯(lián)著名天文學(xué)家伽莫夫在20世紀(jì)50年代提出了大爆炸宇宙學(xué)理論。

根據(jù)這一理論，大爆炸發(fā)生在一瞬間，而宇宙就是在這個(gè)瞬間誕生的。宇宙誕生以后，曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀演化。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)，大爆炸的整個(gè)過程是：在宇宙早期，溫度極高，在100億K（開氏度）以上，物質(zhì)密度也相當(dāng)大，整個(gè)宇宙體系達(dá)到平衡，那時(shí)宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)；由于整個(gè)宇宙體系在不斷膨脹，結(jié)果溫度很快下降，當(dāng)溫度下降到10億K左右時(shí)，中子開始失去自由存在的條件，或者發(fā)生衰變，或者與質(zhì)子結(jié)合成重氫和氦等元素，開始形成化學(xué)元素；當(dāng)溫度進(jìn)一步下降到100萬K后，早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束，宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核；當(dāng)溫度下降到幾千攝氏度時(shí)，輻射減退，宇宙間的物質(zhì)主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐漸凝聚成氣體云，再進(jìn)一步演化形成各種各樣的恒星、星系和星系團(tuán)，成為我們今天看到的宇宙。

彭齊亞斯和威爾遜借以發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的巨型天線

“無意”獲得諾貝爾獎(jiǎng)

今天的人們無法回到宇宙初期目睹宇宙演化的真實(shí)畫面，只能依據(jù)觀測(cè)資料，運(yùn)用物理理論進(jìn)行分析，推斷出大爆炸的大致過程。所謂觀測(cè)資料，是指散落在宇宙空間的大爆炸余燼——微波背景輻射。

1964年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜兩位研究人員為了檢驗(yàn)一臺(tái)巨型天線的低噪聲性能，把天線對(duì)準(zhǔn)了沒有明顯天體的天空區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，無意間收到一個(gè)相當(dāng)大的微波噪聲，波長(zhǎng)7.35厘米。精確測(cè)量顯示，這種輻射的溫度相當(dāng)于絕對(duì)溫度為3K的黑體輻射。而且無論天線指向何方，它們都存在。彭齊亞斯和威爾遜最初懷疑設(shè)備出了問題，產(chǎn)生了干擾，于是他們對(duì)儀器的各個(gè)部件進(jìn)行試驗(yàn)，甚至掃去了天線內(nèi)的鴿子糞便。他們從冬到夏，夜以繼日地做試驗(yàn)，觀測(cè)了天空每一個(gè)可能的方向，甚至就連對(duì)兩年前夏季發(fā)生的一次高空核爆炸是否產(chǎn)生了帶電粒子都做了考慮。但是各種考慮都徒勞無功，找不到信號(hào)來源。這種既不是來自天體輻射、也不是儀器干擾產(chǎn)生的微波噪聲，看來只可能是廣闊宇宙空間產(chǎn)生的了。難道虛無縹緲的宇宙空間存在背景輻射嗎？?jī)晌谎芯咳藛T找不出答案。由于無法解釋這個(gè)溫度的來源，盡管他們對(duì)自己的結(jié)果確信無疑，卻沒有公布測(cè)量結(jié)果。

1965年，彭齊亞斯和威爾遜獲悉，以迪克為首的普林斯頓大學(xué)研究小組正在研究宇宙背景輻射，他們立即與迪克教授取得了聯(lián)系。經(jīng)過雙方深入討論，彭齊亞斯和威爾遜初步斷定，他們發(fā)現(xiàn)的正是普林斯頓大學(xué)研究的宇宙背景輻射。他們估計(jì)，迪克等人之所以沒有探測(cè)到這種輻射，乃是因?yàn)樗麄兊奶炀€靈敏度不夠。于是，彭齊亞斯和威爾遜撰寫了一篇600字的論文——《在4080兆赫處天線附加溫度的測(cè)量》，宣布了他們的成果。

就這樣，彭齊亞斯和威爾遜“意外”地發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射（簡(jiǎn)稱CMB），看到了大爆炸的余輝，聽到了“開天辟地”的聲響。他們是幸運(yùn)的，而更幸運(yùn)的是，他們的發(fā)現(xiàn)為大爆炸理論提供了證據(jù)，對(duì)科學(xué)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。為了彰顯他們?cè)诳茖W(xué)上的貢獻(xiàn)，瑞典諾貝爾委員會(huì)1978年授予他們諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

從此，宇宙微波背景輻射成了天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家案頭的熱門研究課題，理論家研究它的理論，觀測(cè)者則觀測(cè)它的細(xì)節(jié)。美國宇航局的“宇宙背景輻射衛(wèi)星”（簡(jiǎn)稱COBE）在1989年11月應(yīng)運(yùn)升空。這個(gè)探測(cè)器成功地給出世界上第一張微波背景輻射溫度圖，圖上顯示出天空區(qū)域的平均能量（或溫度）有萬分之一起伏，冷的區(qū)域與熱的區(qū)域交替漲落。這些觀測(cè)暗示，微波背景輻射是不均勻的。理論家認(rèn)為，微波背景輻射是大爆炸的余燼，大約產(chǎn)生于大爆炸之后38萬年，較“熱”的光子來自早期宇宙的稠密區(qū)域，起伏現(xiàn)象表明恒星和星系是物質(zhì)分布不均勻的結(jié)果。這一結(jié)論把宇宙學(xué)家的視線引向了宇宙的“嬰兒時(shí)期”。

COBE衛(wèi)星探測(cè)宇宙背景輻射（想象圖）

宇宙微波背景輻射溫度圖

研究極早期宇宙，需要高分辨率的探測(cè)資料，探測(cè)這樣的資料，“宇宙背景輻射衛(wèi)星”是辦不到的，因?yàn)樗膫鞲衅鞣直媛什粔?。于是，?001年6月30日美國宇航局發(fā)射了“威爾金森微波各向異性探測(cè)器”（簡(jiǎn)稱WMAP），這個(gè)探測(cè)器的外形與彭齊亞斯和威爾遜的巨大天線相類似，但性能精良得多，并且裝備了兩架反射望遠(yuǎn)鏡。整個(gè)裝置在距離地球約150萬千米的第二拉格朗日點(diǎn)上飛行，進(jìn)行復(fù)雜的全天掃瞄，全天掃瞄一次需6個(gè)月。WMAP的飛行目的是高精度地檢測(cè)大爆炸輝光，嘗試尋找星系形成的原因和察看大爆炸之初的狀況。

WMAP在多年飛行中取得許多重要成果，科學(xué)家于2003年公布了其第一批觀測(cè)結(jié)果，隨后又相繼發(fā)布了多批觀測(cè)資料。根據(jù)WMAP的觀測(cè)結(jié)果繪制的宇宙微波背景溫度圖揭示了大量信息，圖上小紅點(diǎn)是物質(zhì)開始聚集、最后形成星系團(tuán)的地方，是揭示恒星和星系最初如何形成的至關(guān)重要的證據(jù)。

WMAP是比較精確的探測(cè)器，它的資料既幫助天文學(xué)家推斷出宇宙很早的時(shí)期（大爆炸之后約億億億分之一秒）發(fā)生的事，也讓天文學(xué)家揭示了巨大的宇宙之謎——宇宙的精確年齡。一般認(rèn)為，自大爆炸以來宇宙的年齡是137.5億年，誤差為正負(fù)1.1億年；而根據(jù)WMAP的觀測(cè)得出的數(shù)據(jù)是137.3億年，誤差為正負(fù)1.2億年。137億歲的宇宙很古老，但卻不是無限大的。根據(jù)宇宙的年齡，科學(xué)家立刻計(jì)算出宇宙的大小——從宇宙誕生點(diǎn)到宇宙邊緣的長(zhǎng)度，即宇宙半徑。在地球上看，宇宙半徑等于光速與宇宙年齡的乘積。所以，宇宙年齡是137億年，就意味著宇宙半徑相當(dāng)于137億光年。光速雖然很大，但卻是有限值，宇宙年齡也是有限的，兩個(gè)有限數(shù)相乘，其結(jié)果一定也是有限大的。因此，宇宙一定是有限的。然而，哲學(xué)上認(rèn)為宇宙是無限的，人的認(rèn)識(shí)也是無限的。WMAP得出的結(jié)論與辯證法相悖，這是怎么回事？原來，盡管WMAP觀測(cè)的宇宙邊緣比其他望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)得多，其測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到最接近真實(shí)值，但仍然只能探測(cè)有限的宇宙。

觀測(cè)工具的進(jìn)步必定帶來新的認(rèn)識(shí)：根據(jù)WMAP測(cè)量出的宇宙的物質(zhì)成分分析，我們的宇宙主要是由看不見的暗能和暗物質(zhì)組成的，暗能占73%，暗物質(zhì)占23%，整個(gè)宇宙只有4%的物質(zhì)是看得見的。唉，人類用望遠(yuǎn)鏡觀天400年，竟然只看到了4%的宇宙！

獨(dú)一無二的“哈勃”

WMAP把我們從地球上帶回到宇宙誕生后億億億分之一秒的時(shí)刻，又把前人從未見過的宇宙邊緣的細(xì)節(jié)展現(xiàn)在我們面前，這是歷史上任何其他望遠(yuǎn)鏡所不及的。然而，記錄這些結(jié)果的是人眼看不見的微波輻射，那么什么時(shí)候我們才能用普通的可見光觀測(cè)宇宙中的星系呢？科學(xué)家給出的答案是，“等到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡技術(shù)獲得巨大飛躍并且用來指向天空的時(shí)候?！蔽覀冃疫\(yùn)地看到，這一天已在1990年4月25日到來了。這個(gè)展示“光學(xué)望遠(yuǎn)鏡技術(shù)獲得巨大飛躍”的“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”的發(fā)射，打開了宇宙的一個(gè)新窗戶。

“哈勃”由美國宇航局和歐洲空間局合作研制，由美國“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)部署進(jìn)軌道。“哈勃”的發(fā)射實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)家萊曼·斯必澤（也譯作斯皮策）在太空建立天文臺(tái)的夢(mèng)想。1946年，斯必澤在《在地球之外的天文觀測(cè)優(yōu)勢(shì)》一文中指出，太空中的天文臺(tái)有兩項(xiàng)優(yōu)于地面天文臺(tái)的性能。其一，角分辨率不受星光閃爍、大氣湍流的影響；其二，在太空，紅外和紫外觀測(cè)沒有大氣層的吸收?！肮钡能壍涝诘孛嬉陨?00千米的高空，那里既不受地球大氣對(duì)天文觀測(cè)的影響，也沒有煙、霧、云遮蔽宇宙光線之憂，因而大大提高了望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體的能力。

“哈勃”是一架經(jīng)典光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，長(zhǎng)13.3米，直徑4.3米，重11.6噸，造價(jià)近30億美元。其望遠(yuǎn)鏡主鏡是卡塞格林式反射望遠(yuǎn)鏡，口徑2.4米，能在光學(xué)、紫外和紅外等多個(gè)波長(zhǎng)范圍工作。同地面大望遠(yuǎn)鏡相比，“哈勃”的口徑不算大，但由于在大氣層上面觀測(cè)，擺脫了大氣束縛，因此具有空間分辨率高和天光背景暗的突出優(yōu)點(diǎn)。此外，“哈勃”帶有廣角行星照相機(jī)，可同時(shí)拍攝百萬顆恒星照片，拍攝的照片比地面同類天文望遠(yuǎn)鏡拍攝的清晰十多倍。所有這些突出優(yōu)點(diǎn)使得“哈勃”成為當(dāng)代最精良的天文觀測(cè)設(shè)備。

萊曼·斯必澤

“哈勃”的基本任務(wù)是拍攝天體像，它的“大眼睛”在真空中“注視”兩星期就能得到一張?zhí)炜障衿?，這種像片不是計(jì)算機(jī)制作的，而是數(shù)字圖像?！肮迸臄z的圖像猶如晶體一樣清晰，它們都反映出很異常的空間事件，如爆炸星的遺跡、空間的流體——正在誕生新恒星的巨大氣體和塵埃云，它們?cè)诰薮蟊P面上渦旋和碰撞以創(chuàng)造出超級(jí)星系的遙遠(yuǎn)星系等。

望遠(yuǎn)鏡是時(shí)間機(jī)器，我們現(xiàn)在看到的光子實(shí)際上是從130多億年前開始旅行的，它們穿過漫長(zhǎng)的星際空間來到我們這里。所以，利用“哈勃”不僅能看到光線向外穿越的空間，而且能讓時(shí)光“倒流”，看到光線的出發(fā)點(diǎn)。1995年，“哈勃”做過一次逆轉(zhuǎn)時(shí)間回頭看光線出發(fā)點(diǎn)的試驗(yàn)。試驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：先把“哈勃”指向宇宙中一個(gè)黑點(diǎn)（即天空中什么也沒有的點(diǎn)），然后對(duì)天空中這個(gè)黑點(diǎn)觀測(cè)10天，猶如它在通過銀河系的一個(gè)小鑰匙孔觀測(cè)外面的宇宙一樣。據(jù)實(shí)驗(yàn)人員描述，“哈勃”在那個(gè)黑點(diǎn)上見到了1萬個(gè)星系。在像上看到的每一個(gè)光點(diǎn)代表一個(gè)星系，每一個(gè)星系都由數(shù)千億顆太陽那樣的星組成。這種像叫做“哈勃深空?qǐng)觥??！肮羁請(qǐng)觥北砻?，從星系來的光線比人眼看到的任何光線暗40億倍！而且那些光線在幾十億年前就開始旅行了。“哈勃”的鏡面進(jìn)行過4次升級(jí)，在2009年最后一次飛行中獲得的新“深空?qǐng)觥北砻?，它見到過大爆炸后近6億年的最遠(yuǎn)的星。

“哈勃”創(chuàng)造了許多太空觀測(cè)奇跡，發(fā)現(xiàn)了黑洞存在的證據(jù)，探測(cè)到恒星和星系的早期形成過程，觀測(cè)到目前人類所能觸及的最遙遠(yuǎn)天體——距離地球130多億光年的古老星系。利用這些觀測(cè)資料，天文學(xué)家提出了7500多份科學(xué)研究報(bào)告，并且取得12項(xiàng)最重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，其中與宇宙學(xué)相關(guān)的發(fā)現(xiàn)就有8項(xiàng)，它們分別是：證實(shí)了暗物質(zhì)的存在，探測(cè)到類星體明亮的光線，發(fā)現(xiàn)宇宙正加速膨脹，揭示星系形成全過程，“稱重”超大質(zhì)量黑洞，觀測(cè)到宇宙中最強(qiáng)烈的爆炸，觀測(cè)到恒星壯觀的死亡過程，發(fā)現(xiàn)宇宙年齡為130多億年。我們有理由相信，在一定意義上，“哈勃”在科學(xué)史上是真正獨(dú)一無二的。

“哈勃”經(jīng)過維修升級(jí)后，拍攝照片的精度大大提高（對(duì)比左右圖）

“哈勃”拍攝的最著名照片——《創(chuàng)世之柱》，它顯示了老鷹星云中的恒星誕生過程

超大型望遠(yuǎn)鏡揚(yáng)威

在當(dāng)代天文界，有兩種設(shè)備獲得很高的聲譽(yù)，一是“哈勃”，二是地面超級(jí)望遠(yuǎn)鏡組成的龐大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。前者因揭示了宇宙的許多奧秘而光環(huán)閃爍，后者則因調(diào)查了一項(xiàng)轟動(dòng)整個(gè)天文學(xué)界的發(fā)現(xiàn)而備受好評(píng)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)就是迫使我們改變對(duì)我們頭頂上宇宙的許多看法的神秘力量——“暗能”。美國《科學(xué)》雜志評(píng)價(jià)說，“發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)和暗能存在的新證據(jù)，是2003年所取得的最重大科學(xué)突破。”

暗能是迄今發(fā)現(xiàn)的最神秘的東西，對(duì)于它科學(xué)家至今仍無深刻了解。暗能是從無有（或稱真空）中產(chǎn)生的。暗能的發(fā)現(xiàn)是偶然與必然相結(jié)合的結(jié)果。在20世紀(jì)90年代中期，一個(gè)包括阿列克斯·費(fèi)利彭科在內(nèi)的天文學(xué)家小隊(duì)來到夏威夷莫納克亞山上的凱克天文臺(tái)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的宇宙。他們知道宇宙是膨脹的，但懷疑宇宙是否能一直膨脹下去。他們有一個(gè)理論：宇宙實(shí)際上有可能停止膨脹和開始減慢膨脹。他們認(rèn)為，這如同向空中拋蘋果，地球?qū)μO果的吸引力使蘋果向上的速度越來越小，最后停止運(yùn)動(dòng)并向相反方向運(yùn)動(dòng)。所有星系之間都有相互吸引力，這些力都可以使宇宙膨脹變慢、停止，然后變成向相反方向膨脹，成為一次“大收縮”。

宇宙真的能自己往回收縮嗎？要回答這個(gè)問題，需要在地球上測(cè)量宇宙邊緣的速度。由于距離遙遠(yuǎn)，這種測(cè)量需要最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。這時(shí)，直徑10米的凱克望遠(yuǎn)鏡吸引了許多觀測(cè)者。凱克望遠(yuǎn)鏡是由36塊六邊形鏡片組合而成的，是一架極其出色的天文望遠(yuǎn)鏡，它能使我們對(duì)120億光年遠(yuǎn)的可見宇宙邊緣的星系逐個(gè)進(jìn)行觀測(cè)。但是，就像其他地面望遠(yuǎn)鏡一樣，為了找出這些遙遠(yuǎn)星系的實(shí)際距離，需要有“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。哈勃當(dāng)初是用造父變星作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的，但要測(cè)量比哈勃測(cè)量的遠(yuǎn)得多的星系，造父變星就顯得太暗了。所以，天文學(xué)家現(xiàn)在測(cè)量遙遠(yuǎn)星系時(shí)采用的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”是Ia型超新星。他們利用Ia型超新星測(cè)量了紅移，計(jì)算出這些遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離地球的速度。經(jīng)過幾年的觀測(cè)和計(jì)算，他們?cè)?998年得出令人震驚的結(jié)論：宇宙膨脹完全不是減慢，而是加速。因此，用扔蘋果類比的想法是錯(cuò)誤的，這是由于推動(dòng)宇宙加速膨脹的不是引力，而是一種神秘的力——斥力，天文學(xué)家稱為“暗能”。

“暗能”是什么？它對(duì)宇宙運(yùn)動(dòng)加速起了什么作用？目前這些都是謎。暗能是一種假想的物質(zhì)，很均勻，很稀薄，密度約為每立方厘米10的負(fù)29次方克。正因?yàn)榘的芎芟”。院茈y在實(shí)驗(yàn)室里探測(cè)它，只能通過它造成的宇宙加速膨脹來了解它的存在。根據(jù)現(xiàn)代“宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型”，它建立起73%～74%的宇宙能量。有人提出這樣一些疑問：在暗能推動(dòng)下，宇宙會(huì)一直加速膨脹下去嗎？長(zhǎng)期加速膨脹下去的宇宙最終會(huì)爆裂嗎？這些問題目前都無答案。

凱克望遠(yuǎn)鏡內(nèi)景

根據(jù)凱克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)結(jié)果創(chuàng)制的宇宙場(chǎng)景（想象圖）

望遠(yuǎn)鏡不斷地打開宇宙的新窗戶，科學(xué)家每次通過望遠(yuǎn)鏡考察宇宙新的領(lǐng)域都會(huì)發(fā)現(xiàn)新的驚奇。