100年以来，我们的宇宙观是如何发生翻天覆地的变化？
原创 Ethan Siegel 原理 2017-07-24
已知的总是有限的，未知的则是无限的；从知识上说，我们像是处在一个令人费解的无边海洋中的小岛。我们每一代人的任务就是多回收一点土地。
——赫胥黎
文：Ethan Siegel
译：小雨
整整100年前，我们的宇宙观和现在非常的不同。那个时候，已知最远的恒星也只距离我们上千光年远，它们都处于银河系之中，我们认为没有比这更远的天体了。那个时候，我们假定宇宙是静态的，在夜空中观测到的螺旋和椭圆的天体被认为是包含在我们的星系之中。那个时候，牛顿的引力还没有完全被爱因斯坦的新理论推翻，而大爆炸、暗物质和暗能量等科学概念也没有被提出来。但是在接下来的每个时代中，在理论和观测的并行发展下，我们对宇宙的理解越来越深刻。每一次的发现都带来了无限的惊喜，但同时也带来了更多的困惑。
1910s：爱因斯坦的理论得到验证！
广义相对论因解释了牛顿引力无法解释的水星近日点进动问题而名声大震。但是，一个成功的科学理论不仅仅需要能够给出符合所有现有观测的理论的结果，它还需要做出可被检验的新预言。而在这一方面，广义相对论表现的相当出色。1919年，广义相对论的第一个预言被验证：在日全食期间观测到遥远星光发出的光线，在经过太阳时发生了弯曲。而星光弯曲的程度与爱因斯坦的理论预言的相一致，但不符合牛顿理论的预测。从此，我们对宇宙的看法就彻底发生了变化。此外，广义相对论还预言的引力时间膨胀、强和弱引力透镜、惯性系拖曳效应、引力红移等等都被后来的实验或观测所证实。
△ 1919年，天文学家爱丁顿对日全食的观测结果显示，广义相对论完美地描述了星光在大质量物体附近发生了偏折，推翻了牛顿的图景。（图片来源：The Illustrated London News, 1919）
1920s：哈勃的发现
上个世纪20年代，人们依旧认为银河系就是整个宇宙，而Edwin Hubble的工作一下子拓宽了我们的视野——银河系不过是众多星系中的一员。通过观测夜空中的一些螺旋星云，Hubble定位了跟在银河系中同一类型的单独的变星。但这些变星的亮度非常低，意味着它们离地球百万光年之外，这远远超过了银河系的范围。哈勃并没有因此止步，他继而测量了十几个星系的退行速度和距离，从而发现了宇宙正在膨胀，而不是静止不变的！
△ 哈勃在仙女座星系中发现的造父变星，才使我们意识到宇宙的广漠。（图片来源：E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team.）
1930s：暗物质的提出
科学家曾一度认为如果我们可以测量包含在恒星内的所有质量，或许再加上气体和尘埃，就可以计算出宇宙中的所有物质。然而，在上个世纪30年代，当Fritz Zwicky观测了一个致密的星系团中的星系（比如下图的后发星系团）后发现，恒星和我们所谓的“普通物质”（比如原子）不足以解释星系团的内部运动。因此，他推断必然存在着额外的新物质，称其为暗物质。不幸的是他的观测结果一直被忽略。直到20世纪70年代，当天文学家发现暗物质普遍存在于单独的旋转星系后，暗物质才成为了研究热点。根据现代宇宙学模型以及观测表明，现在宇宙中暗物质与普通物质之间的质量比例为5：1。
△ 后发星系团中两个明亮巨大的星系。NGC4889（左）和稍微小一点的NGC4874（右），各自的大小都超过百万光年。但是在外围的星系运动的如此之快，暗示着整个星系团应该存在着一个巨大的暗物质晕。（图片来源：Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona）
1940s：宇宙源于大爆炸
这段时期，虽然大部分的实验和观测资源都花在了间谍卫星、火箭技术和核技术的发展，但理论物理学家并没有停止对宇宙进行探索。1945年，George Gamow对膨胀的宇宙做出了终极推论：如果今天的宇宙正在不断膨胀和冷却，那它应该有一个更加炽热和致密的过去。回溯过去，肯定有一段时间由于宇宙的温度太高、密度太大，以至于无法形成稳定的中性原子，而在更早之前，甚至连原子核都无法形成。如果这是对的，那么在任何恒星诞生之前，宇宙最初的材料中，最轻的元素应该有一个特定的比例，并且今天我们应该能够观测到宇宙早期遗留下来的余晖，这些余晖的温度刚好在绝对零度以上，并且散布在各个方向。这个框架便是今天所谓的大爆炸理论，这是在那个动荡年代中最美妙的思想。
△ 可观测宇宙的历史的时间线。自大爆炸以来，可观测宇宙膨胀的越来越大。（图片来源：NASA / WMAP science team）
1950s：来自Hoyle的轻蔑
大爆炸理论并不是解释宇宙起源的唯一理论，它强有力的竞争理论被称为稳恒态模型，由Fred Hoyle和同时代的其他科学家提出。（事实上，“大爆炸”这个名字是Hoyle在BBC举办的一次系列讲座中提出的，并且迅速的流传开来。）最精彩的是，两个理论都推断今天在地球上的重元素都诞生于早期的宇宙。Hoyle和他的同事认为这些重元素并不是在早期炽热和致密的状态下产生的，而是由前代的恒星制造出来的。Hoyle和他的合作者详细地描述了当恒星内发生核聚时，元素是如何一步步地构建起元素周期表。最令人惊喜的是，他们预言了氦聚变成碳的过程是从前没有被观测过的：3氦过程，前提是要求一种新的碳态存在。在Hoyle提出的几年后，这种新的态被Willie Fowler发现，今天被称为霍伊尔碳态（Hoyle state of carbon）。从他们的工作中，现在我们知道地球上现有的所有重元素都来源于一代又一代的恒星的熄灭与诞生。
△ 图中显示了太阳的表面和内部的不同区域，包括发生核聚变的核心。在太阳或其它恒星中的聚变过程，产生了今天宇宙中存在重元素。（图片来源：Wikimedia Commons user Kelvinsong）
1960s：关键性的证据
经历了20多年的辩论，科学家终于发现了决定宇宙历史的主要观测证据：预言中的大爆炸遗留下来的余晖被发现了！1965年，Arno Penzias 和 Bob Wilson 观测到了天空中均匀分布着2.725开尔文的辐射（即所谓的微波背景辐射），但他们一开始并没有意识到他们的发现意味着什么。后来，科学家测量到了这个辐射的完整的黑体辐射光谱，甚至测量到它的涨落，这就证明了宇宙始于一场大爆炸。
△ 如果我们能够看见微波，夜空看起来像是温度为2.7开尔文的绿色椭圆，而中心会出现“噪声”，这是来自更热的银道面。这个温度一致的黑体辐射谱正是大爆炸所预言的遗留的余晖：微波背景辐射。（图片来源：NASA / WMAP science team）
当你今晚走到户外，并摘下帽子，你的头皮就能感受到大爆炸带来的一丝温暖。如果你有一个品质良好的调频收音机，而且你站在两个微波中继站之间，你就会听到“嘶-嘶-嘶”的声音。你可能听到过这样的哔哔声。它像是一种抚慰。有时它很像海浪的拍击声，你听到的声音，大约有千万分之五是来自数十亿年前传来的噪声。
—— Arno Penzias
Simon Singh在《大爆炸简史》一书中讲述了“大爆炸”理论作为宇宙的开端被逐渐接受的过程，介绍了一些鲜为人知的人物对这个理论所做的努力。这是一场惊心动魄的辩论过程，Gamow用打油诗反击稳恒态已过时，Hoyle则继续嘲笑大爆炸模型和那些相信它的人，最终大爆炸理论以良好的预言能力表现出了说服力和包容性。
1970s：一次指数式的膨胀
在1979年末，一个年轻的科学家的脑海中冒出了一个让他为之奋斗一生的想法。Alan Guth提出了宇宙暴胀模型，以解释大爆炸理论无法解释的问题，例如为什么宇宙为何在空间上如此平坦？为什么各个方向的温度都一样？为什么没有产生超高能量的残留物。Guth的暴胀模型指出，在宇宙处于炽热致密的状态之前，事实上它经历了一次指数式的膨胀，所有的能量都束缚在空间的自身结构中。Guth的最初想法经历了几次演变才形成了今天的暴胀理论，之后的一些天文观测都证明了暴胀理论的预测，比如微波背景辐射的涨落、宇宙中的大尺度结构、星系聚集、团簇和形成的方式。
△ 在大爆炸之前，宇宙最早期的阶段，建立了初始条件，才演变成了我们今天所观测到的宇宙。这就是Alan Guth绝妙的想法：宇宙暴胀。（图片来源：E.Siegel）
1980s：爆发的超新星
1987年，天文学家观测到了近100年来距离地球最近的超新星爆发。这也是我们拥有可探测到这些事件发出的中微子的探测器以来，首次探测到的超新星爆发。 虽然我们在其他星系中看到了超大型的超新星爆发，但我们从未有过距离如此之近的超新星爆发，使我们能够观测到这些中微子。 这20个中微子的发现标志着中微子天文学的开始，随后的发展又使我们发现了中微子振荡、中微子具有质量，以及探测来自百万光年外的超新星爆发所产生的中微子。如果目前的探测器仍然在运行，我们将能从银河系里下一个出现的超新星中探测到超过数十万个的中微子。
△ 超新星1987a爆发后的遗迹，位于165000光年外的大麦哲伦星云。这是在过去超过3个世纪中，观测到离我们最近的超新星。（图片来源：Noel Carboni & the ESA/ESO/NASA Photoshop FITS Liberator）
1990s：加速膨胀的宇宙
如果你被暗物质和宇宙的起源的发现所震惊的话，那么你可以想象当天文学家在1998年的发现使我们第一次有机会知悉宇宙的命运时引起了多大的轰动。历史上，我们一直想象宇宙有三种可能的结局：
宇宙的膨胀不足以抵抗万物的引力，从而宇宙重新坍缩，在一场大挤压中终结。
宇宙的膨胀将远胜过万物产生的引力总和，使宇宙中所有物体相互远离，宇宙将在大冻结中结束。
宇宙将处于上述两种结局之间，宇宙的膨胀率将不断趋近于零，但从不会真正达到：一个临界宇宙。
而在1998年对遥远超新星的观测表明，宇宙正在加速膨胀，并且随着时间流逝，遥远的星系间会加速相互远离。宇宙不仅会变冷，那些没有被束缚的星系最终会消失在我们的视界之外。除了在本星系群中的星系，没有其它的星系会遇到我们的银河系，我们注定会在寒冷中孤独的存在。而在另一个1000亿年后，我们将无法看到任何超过我们自身的星系。
△ 宇宙的四种可能命运。最底下的那个跟观测数据最为吻合，是一个由暗能量驱使的宇宙。（图片来源：E.Siegel）
2000s：宇宙的成分
宇宙微波背景辐射的发现并不止于1965年，我们对大爆炸的余晖的涨落的测量告诉了我们宇宙是由什么构成的。来自COBE卫星的数据被WMAP卫星取代，而之后的Planck卫星又更进一步。此外，结合来自大型星系巡天项目（比如2dF和SDSS）的大尺度结构数据和遥远的超新星爆发的数据，才有了现代宇宙的图景：
0.01%的辐射以光子的形式存在，
0.1%的中微子，
4.9%普通物质，包括所有由原子构成的物体，
27%的暗物质，或者说神秘、不与任何物质发生相互作用（除了引力）的粒子，它们构成了今天我们观测到的宇宙的结构，
68%的暗能量，来自空间自身固有的属性。
△ 上个世纪90年代，微波背景辐射的起伏最初由COBE卫星精确的测量，更精确的测量来自20世纪初的WMAP以及这个世纪20年代的Planck。这幅图中包含了关于早期宇宙的许多信息。（图片来源：ESA and the Planck Collaboration）
2010s：未结束的时代
△ 开普勒-186系统、开普勒-452系统和太阳系。（图片来源：NASA/JPL-CalTech/R. Hurt）
这个时代还没有结束，但到目前为止，我们已经在NASA的开普勒卫星探测到的上千颗系外行星中，发现了潜在的可宜居的类地行星。但是，可以说这并不是这个时代最大的发现，因为LIGO第一次直接探测到的引力波验证了爱因斯坦在百年前对引力所描绘的图景。爱因斯坦提出的理论取代牛顿引力后的一个世纪，广义相对论无与伦比地经受住了每一次的实验和观测的检验。而引力波的发现更是开启了引力波天文学时代，帮助我们更好的理解宇宙。
△ 合并黑洞产生的引力波。（图片来源：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project ）
在这100年里，我们从以为银河系就是整个宇宙，以及对宇宙的年龄一无所知，到现在我们知道宇宙诞生于约138亿年前，是一个由暗物质、暗能量和普通物质驱使的膨胀和冷却的宇宙，并且充满了潜在可宜居的行星。我们知道宇宙起源，它的命运，它今天看起来是什么样的，以及它是如何演变成今天这个样子的。科学的故事还没有结束，因为宇宙中还有许多未知的事物等待着我们去发现。我们完全可以期待在未来的100年里，科学的进步和革命会继续带给我们惊喜。
本文经天体物理学家 Ethan Siegel 授权翻译，原文发表于2017年7月14日的《Forbes》，原文链接：https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/07/14/11-scientific-advances-of-the-past-100-years-gave-us-our-entire-universe/#73838a004128