NASA资深技术顾问李杰信：天外还有天外天

shen7727

NASA资深技术顾问李杰信：天外还有天外天
来源：新浪科技
先谈宇宙的视界和平直两个问题，再谈暴胀理论和由它引发出来的那天外还有的一片天外天。
　　五百年前，人类认为地球是宇宙的中心；四百年前，太阳系理论确定；20世纪初，银河系外遥远的星系群崭露头角；1960年代，人类首次听到微弱的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation，CMBR，以下皆称微波），确定是宇宙“大霹雳”(big bang)留下的空谷回音；1980年初，“暴胀”(inflation)理论现世，成功解释了下文将详谈的宇宙“视界”(horizon)和“平直”(flatness)两大难题，同时自然地引出了宇宙外的宇宙问题；1990至21世纪初，哈勃望远镜和各类测量微波强度的卫星相继上天，精确测量出我们的宇宙年龄为137亿年，并且提供了以实验印证暴胀理论的可能性。
　　无所不在的微波，每天都在提醒人类，现在的电波虽弱，但我宇宙是从极大能量大霹雳中出身的，可别小看我哦！人类知道这个秘密后，兴奋不已，连对宇宙说：“小的记住了！”。记住归记住，但无法满足人类的好奇心。您宇宙在大霹雳强光一闪硝烟弥漫那个动作中，到底使了什么障眼法，变出视界和平直两大景像，把137亿年后的您变得如此诡异难懂？您一定身怀绝技，在大霹雳那一瞬间，以特异功能，想永远淹没您的庐山真面目吧。
　　宇宙大霹雳几乎在第一秒钟内，就把我们的宇宙搞定。要了解大霹雳的内涵，就非得揭开这最初一秒钟的奥秘。
　　其实一秒钟还是太长太长。真正要攻关的时间段是从大霹雳起动后的0.00000000000000000000000000000000001(小数点后34个0后加一个1，10-35)秒就要开始。
　　古思(Alan Guth)在1980年代前后发明了暴胀理论，就是要深一层理解大霹雳的古怪特性。如果这个理论是对的，它就能轻易地解决宇宙的视界和平直两大难题，顺手也解决了下文略叙的磁单极(magnetic monopole)问题。
　　您会问，宇宙的视界和平直关我何事？管他视界清不清楚，宇宙平不平直，我还不是一样过日子？没错。但视界和平直两大难题解决后，竟然拉出来一个比我们宇宙至少大出100,000,000,000,000,000,000,000(1后23个0，1023)倍的宇宙。不管那个宇宙有没有外星人存在，您不想认识一下它，知道些它可能和我们互通款曲的渠道吗？
　　现在让我们全神贯注，先谈宇宙的视界和平直两个问题，再谈暴胀理论和由它引发出来的那天外还有的一片天外天。
　　宇宙视界问题
　　人类测量到微波后，发现它有两个主要特性：第一，它以360度全方位笼罩地球；第二，它的强度，也就是温度，出奇均匀。从任何方向看过去，变化都不超过10万分之一。这两个特性看起来稀松平常，但仔细思考一下，却大不妥。问题的来源可以这么理解：微波从大霹雳后37.6万年开始在清亮透明的宇宙射出，137亿年后传到地球，让人类的无线电大耳朵听到。人类从东面听到了，从西面也听到了。如果把东西两个方向的距离加在一起，就发现，以光的速度，在137亿年内走不完。换句话说，地球宇宙方向的东方和地球宇宙方向的西方，不可能有机会互传短讯，曾经通气，那它们之间的微波强度，为什么几乎相同？
　　这就是微波带来的宇宙视界问题。
　　在日常生活中，两杯水放在房间里不同的地方，温度都不可能相同到百分之一度以内，除非把两杯水混在一起搅拌。宇宙微波在相距超过数百亿光年的两块宇宙地段，竟然相似到10万分之1，并且没在一起搅和过，真奇怪呀！
　　在谈下文之前，需澄清几个概念。
　　宇宙年龄目前定在137亿年，是精确微波测量加上理论计算的结果，被普遍接受，争议不多。大霹雳后37.6万年，宇宙降温到3,000K，电子速度慢到可以让质子捕捉到，形成氢原子，宇宙自此不再带电，变成中性，电磁波开始通行无阻，随着不停膨胀的宇宙起舞。这也是专家们较无争论的共识。
　　至于我们目前能够观测到(observable)的宇宙大小，虽有理论推算数值，但仍在激烈辩论之中。
　　举个最简单的例子。您抬头看到天上一架正要冲破音障的飞机，按下马表，十秒钟后，听到声震(sonic boom)，算出超音速飞机距您约3,500公尺。您身旁挑剔的朋友不表同意，他说，看，飞机又往前飞了10秒钟，已经不在发出声震的位置了，所以您量的距离不对。这个例子用在宇宙中对遥远发光体的观测，还要加上另一层复杂性，就是宇宙永无休止地膨胀。在上面飞机的例子中，至少声震发源地和您中间的距离是固定的，而在宇宙中的观测，光源一面向您方向发射光能，同时又因时空膨胀背您而去。您的观测站，在等待期中，也向光源相反方向移动。并且您等待的时间，不是短短的10秒，而是动辄上亿年。宇宙中的时空坐标，以爱因斯坦的一般相对论为主导，永无休止地膨胀，胀得人头昏眼花，直到脑死方休。
　　因为有这一层不在日常生活经验中的宇宙膨胀作梗，一般大众最容易误解的是我们宇宙的大小。宇宙年龄137亿年，最远的光最多能走137亿年，那宇宙半径肯定是137亿光年，错不了。但别忘了，在光朝您方向前进的这137亿年中，光源和您中间的时空又膨胀了137亿年。简单地用光行走一年的距离(光年)，乘上137亿年，得到的137亿光年半径大小的宇宙，是科学上毫无意义的错误概念。媒体报导无法摆脱这个简单又感性的137亿光年数字，向大众传达了‘大’和‘久’的宇宙内涵，虽是错的，但还算有些正面效果。
　　另一个比较简单无概念错误的计算，是估计从大霹雳37.6万年微波出发后，宇宙到底膨胀了多少倍呢？微波在3,000K的温度出发，能量高、波长短、频率高。137亿年后，被膨胀的宇宙降温到2.735K，能量变低、波长转长、频率偏低。微波的能量和温度成正比，和波长成反比，所以，微波的波长被拉长了3,000/2.735=1,097倍，就算1,000倍吧。所以从微波出发后，宇宙已膨胀了一千倍，和文献中以相对论精确计算出来的1,292倍大致符合。
　　我们的宇宙到底有多大呢？就以137亿年前向地球发光的光源为例，发光后，它和地球又相互向相反方向时空膨胀出去137亿年。光和膨胀时空，有点像龟兔竞跑，但比赛规则概念复杂。我们现在看到的发光体，是它137亿年前的位置。137亿年后的今天，虽然我们再也看不到它了，但它曾经被我们看到过一次，所以应属于我们观测到的宇宙一部份。以这个思维做基础，通过爱氏一般相对论的计算，我们能观测到的宇宙半径为465亿光年，合直径930亿光年。
　　大霹雳37.6万年微波出发时的宇宙有多大呢？由现在930亿光年直径的宇宙，往回推算，缩小一千倍，得约9,000万光年直径。
　　微波出发时，宇宙只有37.6万年的年龄，当时分布在约9,000万光年直径宇宙中的微波均匀度，也在10万分之一上下。但光只能在37.6万光年的范围内通风报信，无法覆盖整个9,000万光年的场面，所以宇宙视界问题在大霹雳后37.6万年就已存在。
　　以目前观测到的微波在整个宇宙中的均匀度，我们几乎能断定宇宙曾经可能一度小到每部位都能以光互通讯息：甲地微波告诉乙地，我这儿微波强度200901，调整后请回答。乙地迅速回信：微波强度已调至200901，并已通知丙地同步调整…。微波强度200901就以光速漫山遍野传到宇宙每个角落，每个部位微波强度微调到整体误差在0.001%之内。
　　但在大霹雳37.6万年后，微波整队出发时，宇宙已膨胀大到直径约9,000万光年，乙地早已在甲地37.6万光年管辖区外，再也无法互相交换情报，比较微波强度了。合理推测，甲和乙等地的通讯搅和应在更早的时间进行。
　　人类要理解宇宙是如何解决视界问题的，还得到微波出发前的混沌初开时的宇宙中寻找线索。

煤缘

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