宇宙的背景为什么是黑的

宇宙的背景为什么是黑的
宇宙的背景为什么是黑的

宇宙的背景为什么是黑的
宇宙是什么样子的?这或许是人类提出过的最难以解答的问题之一.借助每一个时代最先进的观测工具,宇宙学家们曾经提出过各种各样的假设,从托勒密的水晶球到霍金的果壳宇宙.然而,很少有人会像杰夫里•威克斯（Jeffrey Weeks）这样,给出如此简单甚至略显粗暴的答案:想知道宇宙是什么样的吗?拿一个足球放在面前,看,宇宙就是这样一个由12块五角形的“皮子”拼接起来的巨大“足球”!
威克斯是美国纽约州坎顿市的一名独立数学家,这很容易让人联想起我们这里每年层出不穷的号称证出哥德巴赫猜想的农民数学家.但10月9日出版的《自然》杂志却把威克斯及其同事合作的论文作为封面.原因很简单:足球宇宙假说尽管大胆,但却是基于精确的观测数据和合理的数学建模而得出的.
这一假说主要源自NASA的威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP）的观测结果.今年2月份的时候,WMAP拍摄到了大量宇宙年龄为38万年时的高清晰度图片,并揭示了大爆炸后留下的到处皆在的宇宙微波背景的秘密.根据这些宇宙微波背景——宇宙在幼年时期发出的冷光——中的冷点和热点的大小,能够推算出宇宙的年龄和构成.数据显示,在这个背景中,尽管存在像海浪一样的波动起伏——早期宇宙中恒星和星系形成时留下的遗迹,但总体看来,却相当平均,并不存在太大的波浪.这就与目前主流的无限宇宙论发生了冲突.
“一个无限的宇宙应当包含有各种大小的波.WMAP的观测结果向我们指出,宇宙很可能是有限的——这就像你在自己的澡盆里不可能看到惊涛骇浪.”威克斯在接受SPACE.COM采访时形象地指出.对于他来说,最好的解释,就是宇宙实际上是一个庞卡莱（法国数学家）12面体空间,“它与数据令人吃惊地吻合”.
早在威克斯之前,就曾经有人提出过这一设想.然而,直到最近,猜想才得到了现实观测数据的支持.研究人员指出,在经过了近两千年的猜测之后,人类可能已经接近了答案的核心:我们身处的宇宙,到底是有限的,还是无限的?它究竟是广袤的,开放的,还是狭小的,封闭的?在这个宇宙之外,是否还存在着其他的,与我们相似或迥异的宇宙?
根据最新的理论,宇宙是由12个五角形的面边对边无缝拼合起来的一个空间.当你走出一个面的边界时,便会进入另一个面.举一个简单的例子,拿一张纸,将它卷成一个圆筒.从接缝处出发,在走过长长的一圈后,你还会回到终点.但如果在卷成圆筒的时候将纸翻转一下,以对角线点彼此相对,你会发现,尽管你从纸的正面出发,但当回到出发点时,你却到了纸的另一面.这是拓扑学上相当有趣的一个小实验.新的足球宇宙模型尽管比它复杂得多,但原理还是一致的.
如果这个理论是真的,光也会按照同样的模式在宇宙中旅行.这样,天文学家就完全可能在宇宙中找到一个物体在不同时间的多个图像,“就像在不同的角度看到同一个人,只是可能从正面看时,他是50岁,但从上面看时,他是7岁”.
对普通人更有吸引力的则是,至少从理论上讲,如果你在宇宙中一直向前,永不回头,在经过了长途旅行后——约为600亿光年——你将回到你最开始出发的地方!
剑桥大学的宇宙学家詹娜•利文（Janna Levin）指出,除了12面体结构,还存在有其他的可能.但这至少是一个有意义的开始.■
奥伯斯佯谬:关于“宇宙是什么”的最著名的问题之一
当你在仰望繁星点点的夜空时,不知是否曾经想到过这样一个问题:夜空为什么是黑暗的?
也许你会认为这是一个并不值得回答的低级问题,甚至还会反问一句——夜空为什么不是黑暗的呢?但实际上,从1576年英国人托马斯•蒂杰斯第一次在著作中描述这个后来被命名为“奥伯斯佯谬”（Olbers' Paradox）的问题时起,在近400年的时间里,它一直是天文学上关于“宇宙是什么”的最著名的难题之一.
要理解这个问题为什么是一个难题,你可以先设想自己正身处于一个无穷大的森林之中.尽管森林中的树木彼此间距不同、大小不一,但因为森林是无穷大的,那么,无论你向哪一个方向望出去,或远或近,你总可以看见至少一棵树.
现在,易森林为宇宙.我们已经知道,宇宙中充满了和银河系中的恒星类似的恒星以及星系,那么,当我们仰望宇宙时,在任何一个方向,都应当有至少一颗发光的恒星在等待着我们的目光,整个天空本应是一片眩目的光芒.为什么我们实际看到的,却是深黑的夜空呢?
不要以为这是因为太远的恒星因为太暗而无法被我们看见.设想我们居于宇宙的中心,恒星和星系与我们的距离就相当于球的半径.假设所有的恒星或星系的绝对星等大致相当,尽管半径较大的那一层中的恒星或星系可能看上去较暗,但更大的球面面积意味着更多的恒星和星系.因此,从理论上讲,每一层中的恒星和星系的亮度总量应当是相等的.
其实,奥伯斯佯谬之所以会成为一个问题,是因为它立足于以下的假设:宇宙是无限的、永恒的且不变的.只要其中有一项条件不符,结论就会完全不同.
人们最先对宇宙永恒不变这一假设提出了质疑.有趣的是,最先认识到这一点的并不是天文学家,而是著名的诗人和小说家爱伦•坡.这位热心的业余科学家在去世前不久的一次演讲中指出,之所以夜空中会存在广袤的黑暗缺口,是因为那些我们看不见的恒星和星系距离我们如此的遥远,它们发出的光根本来不及到达我们这里.另一位爱尔兰科学家德阿比（d'Albe）则在1907年左右提出,如果宇宙诞生于10万年前,那么离我们超过10万光年以上的天体发出的光根本不可能到达我们这里.
直到上个世纪20年代后,奥伯斯佯谬才得到合理的解答.它的命名还要再迟30年,始自50年代宇宙学家赫尔曼·邦迪对在此问题上做出过巨大贡献的德国天文学家海因里希•奥伯斯的纪念.80年代,马萨诸塞大学的天文学家爱德华•哈里森（Edward Harrison）整理出大量与奥伯斯佯谬相关的资料,撰写了《夜间的昏暗》一书.在书中,哈里森曾非常惊异于一点,即从牛顿、哈雷等天文学家以降,为什么从来没有人把奥伯斯佯谬的问题倒过来,将夜晚天空的黑暗作为宇宙诞生于有限时间以前的理由.随着宇宙是一个“有限的12面体”假说的提出,哈里森可能要为自己的著作添上新的一章:为什么此前没有人从奥伯斯佯谬中领悟到,宇宙也可能是有限的呢?
夜晚的天空为什么是黑的?这是经典宇宙学中的一个著名的问题．
自古以来,人们就不断地对宇宙进行种种猜测．古代的人们曾经认为
星星是镶嵌在一个透明球面上的．中国最古老的宇宙结构学说盖天说
的基本观点是天圆地方．托勒政的地心宇宙体系和哥白尼的日心地动
宇宙体系中都包括恒星天球的内容．中世纪的思想家尼古拉认为宇宙
是无限的．牛顿把空间和时间的无限性作为他的理论的基本原理．他
还推断：星星的数目必定是无限的,而且相当均匀地分布在空间．观
测上,英国著名的天文学家威廉·赫歇耳和约翰·赫歇耳父子宣布至
少某些可观测星云是与银河系具有相同尺度和结构的由分立的恒星组
成的系统．这些星系居于整个宇宙之中．19世纪天文学家普遍认为可
观测宇宙必须是静态、无限的和均匀的．而对静态、无限、均匀的宇
宙的一个著名反对意见即夜黑问题,也称奥伯斯佯谬．这个样谬是说,
若恒星发出的光不变且都相同,而空间又是欧几里得的（平直的）,
则在此种宇宙中整个天空的亮度看起来是均匀的,且与太阳一般亮．
因为无论从哪一个方向观看天空,视线都会碰到一个星星．这一点可
以用一个简单的几何论证说明：现考虑进入人眼的一束细长的锥形光
线．虽然恒星表面的视亮度与距离平方成反比,但锥体的截面积（或
恒星的数目）随距离平方而增加,则集中在锥体内的光与它从什么地
方发出没有关系,因而整个天空就要亮得像太阳一样,实际上夜空却
是黑的．如何才能消除观测与理论之间的矛盾呢?
奥伯斯的推导基于以下的宇宙学观点：
1．宇宙物质是均匀分布的．
2．宇宙是静态的．
3．宇宙是无限的．
4．宇宙存在的时间已经无限长．为了避免夜晚的天空像太阳那
么亮的结论,我们必须重新考察上述观点．一个平均密度随观测距离
的增大而减小,并以零为极限的等级式宇宙模型可以消除佯谬,但要
付出失去均匀性的代价．但迄今为止的观测结果是：宇宙物质在大尺
度空间内的分布是均匀和各向同性的．这个观点称为宇宙学原理,是
现代宇宙学理论所必须依据的公理．上述第一点符合宇宙学原理,应
予保留．这样等级式宇宙模型应该放弃．由于奥伯斯假定恒星发光不
变,这一点今天看来最成问题．如果假定恒星并不是永远那么亮,而
是在有限的过去才开始发光,由于远处恒星的光线尚未到达我们这儿,
这也可以避免整个天空像太阳那么亮的结论．这使我们面临着是什么
首次使恒星发光的问题．如此看来一个具有有限过去的宇宙可避免奥
伯斯样谬．此时宇宙在时间上有个开端．另外一个有足够大膨胀速率
的宇宙也能避免奥伯斯佯谬,即使它具有无限的过去．因为根据量子
理论的观点,光子的能量正比于其频率．远距离高速追行光源的光线
将产生非常大的红移,因而其能量将相应减小,使其总和保持有限,
甚至可忽略不计．由于观测上尚无放弃宇宙学原理的理由,第一条观
点应该接受,而第二、第四条应该重新考虑．
20世纪初,爱因斯坦创立了广义相对论,这就为研究宇宙的整体
结构提供了理论基础．宇宙的整体性质由引力场方程决定．荷兰物理
学家德西特首先获得了引力场方程的一个宇宙解,但它是动态的而不
可能是静态的：宇宙要么是膨胀的,要么是收缩的．观测上,哈勃发
现河外星系的视向退行速度与距离成正比,即距离越远,视向速度越
大．这说明宇宙空间中任意两个星系间的距离都在增大,宇宙在膨胀．
如果一个膨胀的宇宙沿时间反溯回去将会达到一个原始的超密态,也
就是宇宙于过去某一时刻创生于一次原初物质的大爆炸过程．这就是
大爆炸宇宙学的宇宙模型．为了理论预言和实验观测相一致,宇宙在
极早期曾经历一个暴胀阶段．显然一个具有有限过去而正在膨胀的大
爆炸宇宙模型能避免奥伯斯佯谬．还有一个具有无限过去的稳恒态宇
宙模型,它虽能消除佯谬,但却要破坏能量守恒且不能解释宇宙微波
背景辐射等,已经不再为人们所接受．
综上所述,现在观测到的宇宙在膨胀,这是科学界公认的．经历
一个暴胀阶段的大爆炸宇宙学模型是一个成功的模型,其理论预言与
实验观测十分吻合．显然这是一个动态的宇宙学模型,且宇宙在时间
上可能有一个开端．这样看来,对于一个均匀、静态、无限的经典宇
宙学模型,其第二、第四条观点不成立．如果放弃这两条,也就自然
不会得出夜晚的天空像太阳那么亮的荒谬结论．