10月24日，英國著名物理學家霍金將自己24歲時撰寫的博士論文《膨脹宇宙的屬性》（Properties of Expanding Universes）發(fā)布到了劍橋大學的開放獲取數(shù)據(jù)庫，不到24小時就被下載了將近6萬次，甚至一度導致網(wǎng)站崩潰。而就在一個多星期前，雙中子星系統(tǒng)并合引力波被人類首次探測到，這一天文學的偉大發(fā)現(xiàn)贏得了廣泛的關注和贊譽。
不僅是霍金的論文和引力波，事實上，現(xiàn)今人類對宇宙的了解很多都和“宇宙大爆炸”理論有關，而宇宙中還有很多人類沒能解開的奧秘。不久前天文學領域的另一發(fā)現(xiàn)同樣不容忽視。《衛(wèi)報》10月12日發(fā)表的一篇題為《天文學家找到宇宙中一半失蹤物質》的文章介紹稱，人類首次找到一部分“丟失”的普通物質，部分解開了宇宙學中最令人費解的謎題之一。
“失蹤”的普通物質如何被發(fā)現(xiàn)
天文學家認為，宇宙是由普通物質、暗物質和暗能量組成的。簡單來說，普通物質主要是看得見或摸得著的物質。從宏觀角度看表現(xiàn)為行星、恒星和星系等，從微觀角度看則表現(xiàn)為各種粒子。目前的科學界普遍認為，普通物質由原子組成，而原子由原子核和核外電子組成，而原子核由中子和質子組成；中子和質子都由三個夸克組成，電子則被認為是不可再分的基本粒子。關于物質的基本粒子，弦理論主張：弦更加基本，不同粒子只是弦的不同振動形式的表現(xiàn)。但是，基于弦理論做出的預測都未經(jīng)實驗證實，因而其正確性還有待驗證。
《衛(wèi)報》報道中稱，科學家先前對宇宙大爆炸遺留下來的輻射進行測量，根據(jù)測量結果確定了宇宙中物質的種類及形式，即普通物質、暗物質和暗能量三種。最近的空間探測表明，普通物質約占總數(shù)的5%，暗物質約占25%，暗能量約占70%。然而，科學家計算宇宙中所有可觀測到的物體（恒星、行星和星系等）后發(fā)現(xiàn)，它們似乎只占了普通物質總數(shù)的十分之一到五分之一。也就是說，五分之四到十分之九的普通物質沒有被觀測到，也即“失蹤了”，這個現(xiàn)象被稱為“重子失蹤問題”（missing baryon problem）, 因為普通物質都是由質子和中子組成，而重子也是由質子和中子構成的。倫敦大學學院的天體物理學教授理查德·艾利斯（Richard·Ellis）對此說道：“人們都同意它們失蹤了，這就提出了一個問題，它們到底在哪里？”
此前，天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多縷高溫、呈散射狀的“氣體”，這些“氣體”把宇宙中的星系連接在一起（過去的一般觀點認為星系之間是相互獨立的），但是天文學家不知道那些“氣體”是什么?？茖W家猜測，這些“氣體”和失蹤的重子存在著某些關聯(lián)，從而推測失蹤的重子可能漂浮在連接星系團的散射氣體絲（gaseous filaments）或薄片（sheets）中。
提出猜測之后，科學家們就開始嘗試對此進行驗證，但十分困難。這些氣狀物被稱為暖熱星系際介質（Warm-hot intergalactic medium，簡稱Whim），溫度應該在100萬攝氏度左右。在這個溫度下，這些呈絲狀的“氣體”不夠熱，無法釋放出太多的能量，很難用X射線望遠鏡觀測到。但又不夠冷，導致其無法吸收足夠的通過光線。
科學家只能另辟蹊徑，首先假設大爆炸中遺留下來的光線經(jīng)過熱氣體時，其中的一些光線與氣體粒子碰撞發(fā)生散射，會在宇宙微波背景中留下暗淡的斑點或輪廓?？茖W家們使用普朗克衛(wèi)星拍攝的微波背景圖像驗證了這一假設。然后，再利用斯隆數(shù)字巡天所制作的宇宙三維地圖，選取出可能由絲狀物連接的星系。最后，將普朗克圖像組合在每個星系的周圍的區(qū)域，使那些重子鏈能夠被觀測到。
2015年，歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星就嘗試繪制這種效應，但是由于星系之間的氣體絲太微弱，那些暗淡的輪廓或斑點不能再普朗克地圖上顯示出來。此次，英國愛丁堡大學的Anna de Graaff研究小組發(fā)現(xiàn)，星系之間的區(qū)域的密度大約是周圍空間的6倍，這些氣態(tài)絲狀物大約可以占到宇宙中普通物質的30%。法國奧賽天文物理研究所的科學家團隊計算出的結果略低于這個水平，但兩方面的數(shù)據(jù)是一致的。由此證明，那些失蹤的物質并沒有丟失，而是隱藏在那些氣體絲中。
盡管這個發(fā)現(xiàn)可以部分解決那個長期存在的謎題,但還有一部分普通物質沒有被找到，有觀點認為剩余部分由其他物質諸如暗物質或暗能量組成。普通物質尚且如此神秘，與之共同構成宇宙的暗物質和暗能量則更加深不可測。
暗物質和暗能量
暗物質主要是指宇宙中不發(fā)出任何輻射的物質，它不能被探測，但存在引力作用。由于暗物質不發(fā)光、不發(fā)出電磁波且不參與電磁相互作用，許多人猜測中微子可能就是暗物質。但已經(jīng)有研究表明，中微子是熱暗物質，而宇宙暗物質主要是冷暗物質，因此該猜測很可能被駁倒。由于暗物質的一些特殊性質，現(xiàn)在很難揭開它的真實面目。
但是，人類探索的腳步從未停止。盡管目前尚無直接證據(jù)證明暗物質存在，但它在理論上有著重要作用。2013年華裔諾貝爾物理學家獲得者丁肇中領導的研究組宣布他們的實驗數(shù)據(jù)與暗物質粒子碰撞的理論值一致，但這一發(fā)現(xiàn)最終被判定不足以證明暗物質存在?，F(xiàn)在，四川的錦屏地下實驗室、暗物質衛(wèi)星科研團隊的“悟空”號和歐洲大型強子對撞機（LHC）都在開展證實暗物質的存在的研究。
相比暗物質，暗能量更加神秘。粒子物理學、弦理論、宇宙學專家麗莎·蘭道爾在《暗物質與恐龍》一書中指出，暗能量不是物質，它僅僅是能量。暗能量的分布總是均勻，滲透于宇宙的各個角落。人類無法通過輻射的方法探測到暗能量，它不像暗物質具有引力，而是具有斥力。不過， “宇宙膨脹加速”這一現(xiàn)象可以證明其存在，而暗能量的斥力作用也可以用來解釋宇宙的膨脹。2011年，S.Perlmutter、B.P.Schmidt、和A.G.Riess因證實宇宙加速膨脹而獲得諾貝爾物理學獎。此外，宇宙的平直性（即宇宙在大尺度結構上是平直的）也能夠證明暗能量的存在。理論上的宇宙物質密度應該等于大爆炸理論中的臨界密度，但普通物質和暗物質相加后遠遠達不到這一數(shù)值，因而推測出不足的部分就是暗能量。
普通物質、暗物質和暗能量如此神秘，那究竟是怎么產生的呢？這就要從宇宙大爆炸說起。
“宇宙大爆炸”理論的產生和發(fā)展
宇宙源于奇點所發(fā)生的大爆炸，這個爆炸過程被稱為宇宙大爆炸，對此進行描述的理論稱為宇宙大爆炸理論。這一理論認為，宇宙起源于大爆炸，而普通物質、暗物質和暗能量也都是在大爆炸中誕生。
事實上，宇宙大爆炸早已不是科幻描述。在哈勃定律和宇宙膨脹現(xiàn)象的指引下，比利時天文學家勒梅特于1927年最先提出宇宙起源一個致密的“原點”，其爆炸產生了我們今天的宇宙。1948年，伽莫夫發(fā)表αβγ論文從而建立“大爆炸宇宙”的理論。宇宙大爆炸理論的主要內容是：從奇點爆炸到其后的普朗克時間（時間量子間的最小間隔）內，物理規(guī)律失效，之后進入大統(tǒng)一階段，物質和能量可以互相交換， 電磁力、弱核力、強核力和引力四種作用力統(tǒng)一。隨著宇宙膨脹和溫度下降，出現(xiàn)夸克、反夸克和光子。而后進入核合成時代，逐步出現(xiàn)輕子、質子和中子，然后形成氦核，并且逐步演化出我們當今的宇宙。
大爆炸理論提出之初非但沒有得到科學界的支持，當時還遭受到諷刺。比如“大爆炸”一詞，就是英國天文學家霍伊爾為了說明伽莫夫理論的荒唐而取的帶有貶義色彩的詞語。甚至伽莫夫自己也對該理論也信心不足，最終放棄了對宇宙大爆炸理論的研究，轉而研究分子生物學。不過，經(jīng)過近百年的發(fā)展，宇宙大爆炸理論獲得了許多證據(jù)的支持，成為了一個流行的理論。
霍金博士論文封面。
這些證據(jù)主要包括宇宙的年齡，氫和氦的豐度和宇宙膨脹等。關于宇宙膨脹，開頭提到的霍金的博士論文《膨脹宇宙的屬性》是重量級的研究成果。這部撰寫于1966年的論文第一章就論述了宇宙膨脹給霍伊爾-納卡利引力理論（the Hoyle-Narlikar theory of gravitation ）造成的許多困難。在第二章中，霍金研究宇宙膨脹的攝動，并且據(jù)此得出一個結論：星系的形成不可能是由于最初始的擾動積累而造成的。在第三和第四章，霍金分別介紹了檢測膨脹宇宙的引力輻射、宇宙模型的奇異現(xiàn)象。此外，宇宙學起源的引力波，即宇宙大爆炸產生的引力波（或稱為原初引力波）也能證明該理論，但目前探測到的都是天體物理學引力波，比如黑洞和中子星合并產生的引力波，它們不能對該理論提供強有力的證明。
上世紀80年代左右，科學家們發(fā)現(xiàn)一些問題無法用宇宙大爆炸理論解釋，比如視界疑難、平直性疑難和磁單極等等。為了解決這類問題，物理學家林德、古斯等人提出宇宙暴脹模型（或暴漲模型）。這個理論模型其實只是改進版的大爆炸模型，只是在某些時間段把“爆炸”變成“暴脹”，暴脹比爆炸所描述的宇宙變大的速度更快，以指數(shù)函數(shù)形式發(fā)生。并且，暴脹理論中出現(xiàn)了由“假真空”進入“真真空”的事件，而在大爆炸理論中，宇宙直接進入真真空狀態(tài)，因此不存在這一階段。
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