以原初中微子、暗能量和引力波探寻宇宙的起源

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一个“疯狂的宇宙”从何而来？宇宙的诞生绝非神话、传说和宗教能够解释。宇宙学存在一个最大的谜题——“迷失的起点”、或“迷失的奇点”，目前解释宇宙起点、或宇宙诞生的主流学说是“宇宙大爆炸理论”，证明宇宙大爆炸的最好证据是宇宙微波背景辐射，它是宇宙大爆炸遗留的痕迹。在广义相对论发表100多年、宇宙微波背景辐射发现50多年的今天，人们依然通过背景辐射来倾听“宇宙的回响”，发掘宇宙起源的“创世遗迹”。瑞典皇家科学院将2006年的诺贝尔奖授予了美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性，这是宇宙学探索史上的一个重要里程碑，标志了宇宙学进一步从科学哲学走向科学的探讨，从简单、粗糙走向复杂、精确的研究方式。为了从微波背景辐射的分布特征来解释宇宙起源和演变的奥秘，美国航天局发射了包括威尔金森微波各向异性探测器在内的几代探测卫星，欧洲航天局发射了普朗克太空卫星。不排除中国科学院未来发射更精密的宇宙微波背景辐射探测卫星的可能，就像不排除中国科学院未来几年开建大型强子对撞机——中国版的LHC一样。太空微波背景辐射探测器和大型强子对撞机符合重大基础科学装置的定义。

宇宙背景微波各向异性探测器和大型强子对撞机对宇宙奥秘探索的价值符合哲学工具论的“等效原理”，符合哲学交互论的“互补原理”，前者以星系结构的形成来揭示宇宙起源的奥秘，后者以物质结构的形成来阐明宇宙诞生的秘籍。既然中国科学院将宇宙科学视为“第一科学”，将宇宙探索视为中国科学家的“第一使命”，那么“牛奶”——背景辐射探测器是需要的，“面包”——大型对撞机也是需要的。1964年，美国射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了宇宙物理学家预测的微波背景，两人获得了1978年的物理学诺贝尔奖。微波背景辐射是宇宙最古老的光线，它在今日宇宙变成了弥漫在整个太空的绝对温标为2.725k的黑体辐射，电磁波谱处于微波的频率，它在宇宙诞生的时刻积聚为一种数亿度高温的超强辐射，那时的宇宙超高能量的光子和致密、高温、高压、或“白热化”的氢气等离子体混合成了超级能量体，随着宇宙大爆炸和持续的大膨胀，高密、高温、高压的“三高宇宙”发生了快速的稀释化，大膨胀对应了温度的大衰减，或宇宙体积的膨胀和宇宙温度的下降符合哲学对应论的“反等效原理”。宇宙原初的最古老光子的光度在宇宙大膨胀过程中变得越来越弱、能量变得越来越低、波长变得越来越长，逐渐形成了今日宇宙古老光子的背景辐射。科学家之所以普遍相信宇宙大爆炸理论，一个主要的原因是这个理论很好地解释了宇宙微波背景辐射的形成，而其它的宇宙起源理论既不能很好地解释它的存在，也不能预测它的2.725k辐射值。

宇宙微波背景辐射也许与原初引力波存在我们未知的关联性、或背景辐射隐藏了原初引力波的痕迹。原初概念指的是从宇宙大爆炸到大约38万年的一段时期，3宇宙温度在它诞生的38万年后下降到数千度的水平，自由移动的质子和电子结合为中性氢原子，光子在迅速膨胀的宇宙空间“畅行无阻”，“光子脱耦”使得整个太空变得相对透明。假设宇宙大爆炸产生了引力波，那么宇宙原初引力波可能在宇宙微波背景辐射中留下了我们今天可以观测的印记。在宇宙诞生的时刻，原初引力波被密集的质子、电子等物质粒子阻隔、吸收，就像“原初光子”不能自由移动一样，原初引力波不能自由传播、或原初引力波和原初光子的非自由流动性符合哲学属性论的“等效原理”。随着宇宙膨胀到大约38万年的时期，宇宙的高温、高密下降到光子自由移动、引力波能自由传播的状态，原初引力波不能被等离子阻隔、吸收，原初引力波在包含宇宙微波辐射的空间自由传播，很有可能留下扰动的特别记号。就像科学家引入了极早期宇宙的“光子脱耦”概念一样，我们可以引入极早期宇宙的“引力波脱耦”概念，原初光子和原初引力波的“脱耦”符合哲学机制论的“等效原理”。

科学家对暗能量的解释分为两种，一种天体物理学的模型将暗能量看成是一个常量，这和爱因斯坦在宇宙学场方程中引入的宇宙常数相一致，爱因斯坦引入宇宙常数不是为了预言暗能量的存在，而是为了获得一个静态宇宙的方程解。另一种天体物理学的模型将暗能量看成是一个变量。近日，意大利佛罗伦萨大学的里萨里蒂和英国杜伦大学的卢索在一项对类星体的观测中发现，宇宙的膨胀比之前预期得更快，这预示了推动宇宙膨胀的暗能量随着宇宙的变老变得越来越强，两位科学家的研究成果从一个侧面证明了暗能量是一个变量。里萨里蒂和卢索利用了美航局的钱德拉X-射线太空望远镜和欧航局的XMM-牛顿太空望远镜的观测数据，他们对1600多个类星体的退行速度进行了观测和计算，两位科学家发表在《自然》杂志上的文章再次证实了宇宙的加速膨胀现象。宇宙近期比早期的膨胀速度更快，早期宇宙的暗能量更弱，晚期宇宙的暗能量更强，暗能量的变化性可能在宇宙微波背景辐射图谱留下印记。暗能量如何从早期宇宙的“休眠期”变为之后的“活跃期”？通过对类星体和超新星距离与宇宙微波背景辐射的观测和分析，科学家可能找到其中的一些线索。

威尔金森微波各向异性探测器在十年前的探测结果表明，在宇宙的极早期存在大量的中微子，在宇宙年龄大约38万年时，最古老的中微子、或原初中微子占到宇宙成分的10%，中性原子占到12%，暗物质占到63%，宇宙极早期的暗能量占到极小的比例，宇宙成分奇异性的变化在于，中微子在今日宇宙的所占比例低于1%，暗能量在今日宇宙的所在比例高达73%。2015年，欧洲普朗克卫星项目的科学家声称，他们发现了宇宙大爆炸后1秒时间产生的中微子，“原初中微子”在宇宙微波背景辐射中留下了“蛛丝马迹”的痕迹。在极早期的宇宙、或原初宇宙中，氢元素的等离子体和光子产生了很强的耦合性，原初光子在宇宙诞生后的大约38万年不能在太空自由穿行，天文学家不能通过对原初光子的观测来探索宇宙早期的状态，然而，中微子几乎不与任何物质粒子发生相互作用，它们被称之为宇宙的“隐身人”，今日宇宙的中微子“轻而易举”地穿越了地球和我们的身体，我们感觉不到它们的存在。原初中微子不与原初等离子体产生“耦合”，它们在极早期的宇宙自由移动，通过对原初中微子的观测，天文学家可能发现极早期宇宙的特性。
就像宇宙微波背景辐射的发现证实了宇宙大爆炸理论一样，“中微子背景辐射”的发现同样证实了宇宙起源的大爆炸理论，微波光子背景辐射和中微子背景辐射符合哲学证明论的“等效原理”。在宇宙微波背景辐射中发现原初光子和发现原初中微子符合哲学价值论和意义论的“等效原理”，同样，在宇宙微波背景辐射中寻找引力波、暗能量、中微子的痕迹符合哲学方法论的“等效原理”。通过比较极早期和今日宇宙的光子、暗能量、引力波和中微子的辐射特性，科学家能够找到宇宙大爆炸的更多证据、能够发现宇宙演变的更多事实。

（宇哲手稿：2019-3-26）

本文选自：今日头条