“宇宙大爆炸”理论正面临破产？|哈勃|宇宙大爆炸|宇宙学|星系|暗物质|粒子|超大质量黑洞

毫无疑问，我们在理解宇宙、它的历史和它的起源方面取得了令人难以置信的进步。但同样不可否认的是，我们也面临着极大的困惑，尤其是在我们对宇宙最初时刻的理解上。宇宙最早的时刻无疑守护着最惊天动地的秘密，而这些秘密或许能引发科学的巨大变革。但我们的宇宙仍然守口如瓶。

UGC2885星系，直径是银河系的2.5倍，是本地宇宙中最大的旋涡星系之一，恒星数量是银河系的10倍。但这一切仅占其总质量的15%。UGC288585%的质量由不可见的暗物质组成。NASA/ESA/B.Holwerda（路易斯维尔大学）科学家认为宇宙起源于一次“大爆炸”。这当然不是空穴来风，而是基于大量确凿的观察证据。在过去的几十年里，各种新的精密观测方法的出现，让科学家们有机会更认真地审视和修正他们对宇宙的看法，还原宇宙的历史。比较各种观察结果后，我们发现它们之间的一致性程度令人吃惊。所有证据都表明，宇宙起源于一次“大爆炸”，并且正在加速膨胀，正如理论所预测的那样。从这个角度来看，我们的宇宙是可以理解的。

但是宇宙学家也很矛盾，因为他们在理解宇宙的基本事实时遇到了一些困难。我们对暗物质和暗能量几乎一无所知，但这两者占当今宇宙总质量和能量的95%以上。我们不明白宇宙中的质子、电子和中子是如何在大爆炸中幸存下来的。事实上，我们今天所知道的一切都表明，这些粒子在理论上早就应该被反物质湮灭了。为了让我们观察到的宇宙“有意义”，宇宙学家“被迫”得出这样的结论：空间在其最早的时刻经历了一个短暂的超快速膨胀阶段，称为膨胀。但我们对宇宙历史上的这个关键时期也一无所知。

后发座星系团在一个直径2000万光年的球形空间中拥有数千个星系。1930年代，FritzZwicky观察了这个星系团，发现除非星系团的质量达到肉眼可见物质质量的10倍，否则星系团中星系的运动速度会导致其解体。NASA/ESA/TheHubbleHeritageTeam(STScI/AURA)

也许所有这些谜团最终都会被解开，只要宇宙学家坚持不懈。但就目前而言，这些问题都非常困难。科学家们建造了超级机器来寻找暗物质粒子，但仍然无处可寻。虽然人们可以更精确地测量宇宙的膨胀率，但究竟是什么暗能量导致了宇宙的加速膨胀，目前还不得而知。从这个角度来看，一些宇宙学家发现，他们所寻找的更可能只是表象，而不是零星的线条，背后可能隐藏着更大的秘密。也许这些未解之谜是相关的，可能会极大地改变我们对宇宙的看法，以及我们对宇宙最初时刻的看法。

暗物质可能是现代宇宙学家谈论最多的话题。天文学家发现，宇宙中的大部分物质不是由原子或任何其他已知成分构成的，它们不会发光、反射或吸收光。

由于对暗物质的本质缺乏了解，宇宙学家常常假设它们是某种粒子。长期以来，研究人员一直假设暗物质粒子通过与弱相互作用力（引起放射性衰变的力）一样强的力相互作用，并且这些粒子的数量是从大爆炸那一刻起就确定的，它们是大致相当于当今宇宙中暗物质的总量。基于这一观点，“弱相互作用的大质量粒子”成为假想暗物质的最佳候选者。

大多数星系团中的暗物质和常规物质会集中在大致相同的空间位置，但这个星系团ZwCl0024+1652是个例外。这个巨大的星系团有一个直径约260万光年的暗物质环（蓝色），与星系团中的可见星系和气体分离。NASA/ESA/M.J.Jee（约翰霍普金斯大学）

科学家们相信他们知道如何检测这些粒子并研究它们的特性。在这种信念的推动下，物理学家设计了许多伟大的实验来试图识别这些粒子并研究它们是如何从大爆炸过程中出现的。在过去的几十年里，研究人员在地球深处部署了大量灵敏的暗物质探测器，可以感知暗物质粒子和原子的碰撞。

这些巧妙的实验正在发挥作用，正如它们设计的那样，但到目前为止，它们一无所获。十年前，许多科学家坚信这些实验会取得成果，但事实证明，暗物质的本质与我们想象的大相径庭，它们远比我们想象的更神秘。

虽然暗物质由难以捉摸的“弱相互作用的大质量粒子”构成的可能性仍然存在，但地下实验的失败已经开始促使物理学家将注意力转向暗物质的其他候选者。其中之一是一种假想的超轻粒子，称为轴子。轴子是基于1977年粒子物理学家RobertoPeccei和HelenQuinn的理论预测的。尽管科学家们一直在使用强大的磁场来尝试将轴子转化为光子来探测轴子，但此类研究受到了这些粒子特性的极大限制。

超星系团Abell901/902拥有数百个星系和大量暗物质。暗物质的粗略分布以洋红色描绘。NASA/ESA/C.Heymans（不列颠哥伦比亚大学）/TheSTAGESCollaboration/ESO/C.Wolf（牛津大学）/TheCOMBO-17Collaboration

对暗物质探测困难的另一种解释是，宇宙的最初时刻可能与宇宙学家的想象大不相同。以“弱相互作用大质量粒子”为例，计算表明，新生宇宙可能在最初的百万分之一秒内产生了大量此类粒子，当时它们及其周围由夸克、胶子等亚粒子组成.由原子组成的颗粒浆料达到一定的平衡。“弱相互作用的大质量粒子”可能在这些环境中幸存下来，最终构成了当今宇宙中的暗物质。这个过程取决于它们相互影响的方式和频率。但在计算中，科学家们往往假设在初始时刻，空间膨胀是均匀的，没有意外，也没有相位变化。所以如果说这个简单的假设不成立，也是有道理的。尽管宇宙学家已经了解了我们的宇宙在其生命的大部分时间里是如何膨胀的，但他们对大爆炸后的宇宙仍然知之甚少，更不用说宇宙的最初时刻了。我们基本上没有直接的观测证据可以依赖来解释宇宙是如何演化的以及它最早的时刻发生了什么。宇宙的这个时代是看不见的，深埋在无法穿透的能量、距离和时间中。

我们对这段宇宙历史的了解比我们根据外推法猜测的要少。如果你回到足够远的时间，我们所知道的关于宇宙的一切可能与今天完全不同。那时的物质和能量可能已经以与今天完全不同的形式存在，它们之间的作用力也可能是我们从未见过的。可能存在科学尚未解释的关键事件和状态转变。物质可以以截然不同的方式相互作用，空间和时间本身可以以与我们今天所知的截然不同的方式运行。

旋涡星系NGC3972作为宇宙距离标尺发挥着重要作用。这个星系中的大量造父变星使天文学家能够测量相对较近的星系的距离。2011年，该星系发生了Ia型超新星爆发。科学家们可以用它们来测量哈勃常数。NASA/ESA/A.Riess(STScI/JHU)

基于这个想法，许多宇宙学家开始考虑我们无法找到构成暗物质的粒子的可能性，其原因不仅与暗物质的性质与自身有关，也可能与暗物质的形成时期有关。因此，许多科学家在研究暗物质的同时，开始研究大爆炸后的最初时刻。

1929年，埃德温哈勃发现星系远离我们的速度与它们与我们的距离成正比。这是宇宙正在膨胀的第一个明确证据。从那时起，当前的宇宙膨胀率——哈勃常数——已经成为宇宙学家眼中宇宙的关键属性之一。

说句公道话，测量哈勃常数一直是个难题。哈勃最初的测量在系统上是错误的，导致结果比实际值高出近七倍。90年代，教科书上提到的哈勃常数低至50km/s/Mpc，高至100km/s/Mpc。尽管在过去的二十年中测量精度不断提高，但尚未获得接近正确的统一值。事实上，随着这些测量水平的提高，不同测量结果之间的差异变得更加频繁。

南极“冰立方”中微子观测站，其使命是寻找宇宙中的中微子。这些亚原子粒子中的一些理论上可能来自“弱相互作用的大质量粒子”的衰变，这些粒子是暗物质的候选者。但到目前为止还没有找到任何东西。MartinWolf(IceCube/NSF)

测量哈勃常数的一种方法是测量这些物体远离我们的速度，就像哈勃在1929年所做的那样。哈勃使用一种特殊的变星作为它的测量，即“造父变星”，一种变星，其固有亮度（光度）与其明暗变化周期之间具有精确的对应关系。现代宇宙学家仍在用造父变星进行测量，但与此同时增加了Ia型超新星等天体类型——本质上具有相同亮度的白矮星爆炸。结合所有最新数据后，研究人员发现宇宙的膨胀速度约为72至76km/s/Mpc。

但是故事还没有结束。宇宙学家还可以通过研究大爆炸38万年后第一个原子形成时留下的微弱光来推断哈勃常数。这种微光，即所谓的宇宙微波背景中温度的微妙变化，显示了当时物质在宇宙中的分布情况。

仔细分析，我们可以从微波背景中读出许多关于年轻宇宙的细节，包括当时存在多少物质和其他形式的能量，以及空间如何膨胀。宇宙微波背景告诉我们哈勃常数约为67km/s/Mpc，这个值比宇宙学家通过更直接的测量得出的值小得多。

“触角星系”由一对相互作用的螺旋星系NGC4038和NGC4039组成。它们距离地球约6500万光年，拥有许多造父变星和一颗Ia型超新星。这对星系是为数不多的同时拥有两种“标准烛光”的星系之一。ESA/Hubble&NASA

这是什么意思？假设这些研究正确地解释了所有系统不确定性，那么测量哈勃常数的两种方法是不相容的——至少在标准宇宙学模型的框架内是这样。为了调和这些相互矛盾的结果，天文学家必须改变他们对宇宙膨胀和演化的思考方式，至少要重新考虑大爆炸后数十万年物质和能量的存在。根据爱因斯坦的《广义相对论》，空间膨胀的速度取决于物质的密度和它所包含的其他形式的能量。当宇宙学家从宇宙微波背景推导出哈勃常数的值时，他们必须对暗物质、中微子和其他成分的数量做出假设。

对于以不同方式测量的哈勃常数之间的差异，也许最简单的解释是，在最初的几十万年里，宇宙中的能量比以前认为的要多。这些能量可能以一些奇异的、难以与之相互作用的轻粒子的形式存在，或者以一些早已消失的真空暗能量的形式存在。也有可能在宇宙的历史中存在我们尚不了解的阶段。我们只是还不知道如何解开这个谜团。

图中蓝色区域为ElGordo星系团中的暗物质分布区域。天文学家通过观察更遥远星系图像的扭曲来寻找暗物质的位置。NASA/ESA/J.Jee（加州大学河滨分校）

今天宇宙学家面临的很多问题完全有可能借助实验和观测在几年内得到完美解决。但最终我们会发现，我们对宇宙研究得越多，对它的了解就越少。经过几十年的努力，暗物质的本质仍然是个谜，暗能量问题似乎几乎无解。我们仍然不知道构成我们宇宙中原子的粒子是如何在大爆炸的最初时刻幸存下来的，而且我们对暴胀知之甚少，它是如何工作的，甚至它是如何开始和结束的——如果暴胀是这样的话真的发生了一件事。

从这个角度来看，我们不禁要问，在这些谜团的背后，是否隐藏着比一些无关的单一问题更大的东西。也许他们在暗示宇宙的最初时刻并不是我们想象的那样。也许这些问题预示着宇宙学的一场革命。