夸克和宇宙

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夸克和宇宙

　　得益于粒子物理大胆思想的推动和千兆像素的电荷耦合器件照相机（CCD）以及计算机的技术飞速进步，宇宙学正处于蓬勃的发展之中。现在，宇宙的基本图景已经确定了：137亿年的历史，平直的空间，且正处于加速膨胀阶段；宇宙由4%的原子、20%的暗物质、76%的暗能量组成；另外还有证据表明量子微扰是星系和其他结构形成的种子。尽管我们对宇宙了解了很多，但距离完全的认识它还相差甚远。随着我们对宇宙和它演化规律了解的不断深入，宇宙学正处于它的黄金时期。

　　宇宙经常超乎我们的想像，宇宙学的进步也往往得益于科技的进步和新想法的涌现。20世纪20年代，哈勃（Hubble）在威尔逊山使用2.5米的胡克望远镜发现了宇宙膨胀，爱因斯坦刚刚创立的广义相对论则为理解大爆炸提供了数学基础。20世纪60年代随着在帕洛马山5米的海尔望远镜的建成，天文学家们的视野也拓展到了可观测宇宙的边缘。1964年，应用射电技术阿莫·彭齐亚斯（Amo Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现的宇宙大爆炸的微波背景辐射揭示了宇宙创生时的极高温和高密。

　　20世纪80年代宇宙学滑入了低谷，桑德齐（Sandage）描述了当时的宇宙学主要是测量的两个物理量：宇宙膨胀率和减速因子。尽管热大爆炸宇宙模型的根基是恰当的，这其中也包括了宇宙结构是怎样通过引力从一个小的物质密度涨落进而形成了星系、星系团、超星系团的，然而对于这些微小的密度扰动起源却并没有足够的证据。而且，当时我们只了解大爆炸0.00001秒以后的宇宙，对于更早期甚至是大爆炸时的宇宙我们还知之甚少。因为缺乏物理理论基础，早期的宇宙被认为是由质子、中子和其他基本粒子组成的海洋。

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现在的宇宙学正处于蓬勃的发展之中。在过去的8年里，该领域已经两次获得了《科学》杂志评出的年度进展：一个是1998年发现的宇宙加速膨胀；另一个是2003年建立的标准宇宙模型。随着新想法的提出和科技的进步，从夸克的发现、CCD在空间望远镜上的使用以及弦理论，20世纪90年代科学革命的足迹遍布了各个领域。

　　来自于粒子物理学的新思想改变了宇宙学的语言和交流方式。我们最想知道的几个物理量是：宇宙微波背景的温度、谱图和各项异性，宇宙的形状，宇宙的组成，现今物质的大尺度分布，以及非均匀性的功率谱。

　　通过使用更大的望远镜、更好的探测器和更快的计算机，天文学家和物理学家们已经在更为精确地测定了这些基本量，把处于混沌的宇宙学变成了精确的宇宙学。在绝大多数情况下，这不仅仅是一个测量，更是一张相互补充、环环相扣的网，这张网限定了宇宙的参数，巩固了宇宙学的框架，改变了宇宙学的进程。宇宙学不再是俄罗斯物理学家列弗·郎道（Lev Landau）所说的那样，“宇宙学家们经常犯错误，但却从来不被怀疑。”

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这就是我们的宇宙：总体来说，宇宙空间是平直的，年龄为137亿年，对此我们所了解的精度已达到了1%；另外宇宙正以70±2千米/秒/百万秒差距的速率膨胀，而且是加速膨胀；此外宇宙由24±4%的物质和76±4%的暗能量组成，物质的4.2±0.5%是以原子形式存在的，0.1-1%以中微子形式存在，其余的大部分物质则是暗物质，而暗物质到底是什么目前还不清楚。恒星——桑德齐宇宙模型中唯一的成分——仅占整个宇宙成分的1%。同时，微波背景辐射的重要特性也已经被测量，其温度为2.725±0.001开（K），而且在好于1°的分辨率下其微小的涨落（大约0.001%）也已经被测定。

　　夸克的发现（组成中子和质子的基本单位）和夸克之间“渐进自由”的特性，为人们了解早期宇宙开启了一扇大门：早期的宇宙是由夸克和其他基本粒子组成的热汤，但是它却像化学家所描述的理想气体一样简单。像夸克汤一样的早期宇宙引发了许多的问题：反物质在哪？非均匀性的起源是什么？为什么宇宙如此平直、年龄如此大？现今存在于宇宙微波背景光子中的、大爆炸的热量从何而来？是什么驱动了大爆炸？

　　关于早期宇宙创立瞬间的思索和对于上述问题的潜在解答都基于一个大胆的猜想，即基本粒子和自然力是怎样统一的？又是怎样一分为四的？许多想法具有它深远的影响（例如，中微子和“电荷宇称”破缺能解释反物质为什么这样少），但有两个想法是当前宇宙学发展的中心：一个是作为一种新物质形式存在的暗物质；另一个是作为宇宙早期膨胀动力学解释的暴涨。

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通过宇宙学观测，从星系到超星系团的宇宙尺度，暗物质的组成不可能是通常的原子，从而粒子物理学提出了暗物质的三个候选者。第一个候选者是中微子；现在我们知道中微子有质量并且它是暗物质的一部分，但仅仅是一小部分，不超过1%。现在希望放在了其他两个候选者身上：（1）渺中子（neutralino），它的质量是质子质量的100倍，是弦理论所预言的最轻的粒子；（2）轴子（axion），它的质量比电子小一万亿倍。

　　暴涨的中心内容是，宇宙在极早期经历了由一种被称为暴涨场（inflaton）的标量场所驱动的猛烈加速膨胀，但暴涨的物理原因还不明确。这种加速膨胀导致了一个光滑、平直、高温的宇宙（热量源自暴涨场的能量传递给了宇宙中其他的粒子），与此同时量子涨落也会从亚原子尺度暴涨到宇宙学尺度，产生了形成宇宙结构所需要的密度不均匀性。

　　把暴涨和暗物质放在一起就是宇宙结构形成的冷暗物质模型（CDM）（“冷”指的是暗物质粒子如渺中子或轴子运动缓慢，这又导致了这一模型的相关结论不会依赖暗物质的质量）。CDM详细的描述了宇宙结构是怎样形成的以及宇宙是怎样变亮的。这也激发起观测（这种观测或许只有得益于有新技术才能实现）来认识我们的宇宙，从第一代恒星形成（大爆炸后不超过10亿年）不久后的星系和宇宙大尺度结构的形成与演化一直到现在。

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美国宇航局（NASA）的宇宙背景探测器（COBE），在1992年首先探测到了全天空范围内宇宙微波背景各项异性的微小变化，证实了导致大尺度结构形成的非均匀性的存在，进而为宇宙学翻开了全新的一页。通过对宇宙微波背景各项异性的了解，我们可以探知宇宙的过去、现在和未来。2006年，约翰·马瑟和乔治·斯穆特由于他们在COBE上的工作而获得了当年的诺贝尔物理学奖。

　　COBE之后，NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及许多地面和气球实验也对宇宙微波背景进行了观测。从这些实验所得到的高精度结果以及斯隆数字巡天和2度视场计划的观测一起所描绘出了宇宙的大尺度结构，精确测定了宇宙学参数，并基本证实了CDM图像的正确性，这为暗物质和暴涨的存在提供了强有力的证据。

　　暴涨和暗物质是由理论所预言的；然而，暗能量的出现也是令人震惊的。1998年，对于桑德齐的第二个数值减速因子的测量出现了意料之外的转机。使用新的技术和更好的用于测定宇宙距离的标准烛光（Ia型超新星——白矮星通过吸积伴星的质量而使自身的质量超过了钱德拉塞卡极限所引发的核爆炸），两个小组发现宇宙正在加速膨胀，而不是减速。换句话说，对于减速因子而言，尽管最先的定义是为了保证它是正值，但现在实际的观测却是负值！