諸緣來去何增減？笑擁斜陽照海天。。。 短暫人生幾番風雨情。 匆匆走過幾度回眸戀。 心坎鑲著足痕淚光影。 誰悟得無生法忍行去。 *幻羽*捻題一*悟行* 2023/01/03/18:34:58

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                 (圖)─宇宙微波背景輻射各向異性天圖

第一代宇宙背景探測衛星COBE，第二代威爾金森微波背景輻射各向異性探測衛星WMAP，第三代普朗克（Planck）衛星
 

          ※宇宙學研究進展與趨勢※  文：*黃慶國*博士

狹義相對論、廣義相對論和量子力學構成現代物理學的三大基石。這三個基本理論在過去的一個多世紀裏深刻地推進了人們對從微觀世界到宇觀世界的理解和認識。20世紀初，愛因斯坦在提出廣義相對論後進一步提出：宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的，並且宇宙演化的動力學遵循廣義相對論。以此標誌現代宇宙學的誕生。哈勃定律的發現表明，宇宙正處在不斷膨脹的狀態。沿著時間的方向回溯，宇宙在極早期處於極度高溫熾熱的狀態，即大爆炸。宇宙早期大爆炸的余暉——微波背景輻射的發現強有力地支援了宇宙大爆炸模型。正因如此，宇宙微波背景輻射的發現者彭齊亞斯和威爾遜分享了1978年諾貝爾物理學獎。現在的大爆炸宇宙學模型也被稱為宇宙學標準模型，大爆炸宇宙學將微觀和宇觀的基本物理緊密地聯繫在一起，很可能提供了一條通向這三個基本理論大統一之路。

由於光速和宇宙年齡的有限性，可觀測宇宙的大小是有限的，大約為幾百億光年。宇宙是人類所研究的最大客體。面對如此浩瀚的宇宙時空，宇宙學研究面臨三個基本的問題：宇宙的基本組成成分是什麼？這些基本組成成分在宇宙中是如何分佈的（即宇宙的結構）？既然宇宙不是靜止不動的，那麼宇宙又是如何隨時間演化的？在宇觀尺度上，引力發揮著至關重要的主導作用。在廣義相對論的理論框架下，這三個問題並不是孤立的，而是交織在一起的。比如，宇宙不同基本組成成分的物性可以影響宇宙結構的形成過程，同時又能影響宇宙演化。特別需要強調的一點是，宇宙學研究與在實驗室裏進行研究的一個最大的不同在於：宇宙學是探索在不斷隨時間演化的時空背景下的物理規律。

儘管現代宇宙學已經誕生約一百年，但是在很長一段時間裏，宇宙學並沒有被公認為是足夠嚴肅的科學。其中一個最主要的原因是缺乏精確的宇宙學觀測。伴隨著觀測技術的突飛猛進，宇宙學觀測［特別是以威爾金森微波背景輻射各向異性探測衛星（WMAP）為代表］取得突破性進展。最近20年以來，精確的宇宙學觀測可以精准地測定宇宙學基本參數，開啟了精確宇宙學的黃金時代。正因如此，過去20年宇宙學的發展對基礎科學研究產生了十分廣泛的影響。

早在20世紀初，人們通過對銀河系內恒星運動的觀測就開始提出銀河系中似乎存在某種暗的物體的設想。1933年，瑞士天文學家茨維琪通過對星系團中星系運動的觀測發現宇宙空間中存在不發光的物體，並將之稱為暗物質。到20世紀六七十年代，美國天文學家魯賓和弗德通過精確測量星系的旋轉曲線發現大多數星系都存在這種看不見的物體。之後，暗物質逐漸被廣泛確認為宇宙不可或缺的組成成分之一。隨後的很多宇宙學觀測，包括引力透鏡、微波背景輻射及宇宙大尺度結構等，都一致確證宇宙中確實存在暗物質，而且暗物質約占全部物質的85％！然而，暗物質是常規物體或者粒子的可能性在很早以前就被排除了。那麼暗物質是什麼？一種理論認為暗物質可能是一種新奇的粒子，它只能和常規物質發生極為微弱的相互作用，因此也被稱為弱相互作用大品質粒子。這些暗物質粒子彌漫在整個宇宙，並且可能無時無刻不在穿過地球。為了捕捉這些粒子，科學家們在很深的地下建造實驗室，試圖以此摒除常規粒子的影響，從而搜尋到暗物質粒子通過這種微弱的相互作用所產生的微小的反沖信號。但遺憾的是，雖然經過了十餘年的不懈努力，無論是美國南達科他州一座廢棄的金礦坑裏安裝的實驗裝置還是我國的錦屏地下實驗室都一無所獲。儘管弱相互作用大品質粒子的假設在理論上有奇跡般的優點，但是這些零結果迅速壓縮了它們可能存在的理論空間。弱相互作用大品質粒子作為暗物質的基礎開始出現動搖。因此探討其他可能的物理解釋顯得越來越有必要。修改引力理論是其中的一種可能，但是通過修改引力來解釋暗物質相關的觀測現象總是顯得有些捉襟見肘。近年來，軸子或者類軸子作為暗物質的候選者正越來越受到關注。此外，或許暗物質根本就不是基本粒子，而是大品質緻密天體，如原初黑洞等。原初黑洞作為暗物質候選者的假設隨著2016年觀測到雙黑洞併合的引力波事件而備受矚目。總之，暗物質仍然是基礎物理研究中的一大謎團，需要以更開放的態度來繼續探索。

    (圖)─銀河系及周圍的暗物質暈示意圖  圖片來源：歐洲南方天文臺

在熱大爆炸宇宙學中，宇宙早期處於輻射為主時期。隨著宇宙的膨脹，宇宙慢慢冷卻下來。當宇宙的溫度遠低於其中粒子的品質，這些粒子的運動速度遠小於光速，因而大致可看成是靜止的，宇宙漸漸進入物質為主時期。但是無論是輻射或者是物質為主時期，由於引力的吸引作用，宇宙膨脹的速度應當越來越慢。然而，20世紀末，通過將Ia型超新星標定為“標準燭光”，人們可以精確地測量宇宙的膨脹歷史，發現宇宙現階段並不處於減速膨脹，而是處於加速膨脹的狀態。此發現完全改變了人們對宇宙的認識，天體物理學家薩爾·波爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·裏斯也因此發現獲得了2011年諾貝爾物理學獎。暗能量具有負的壓強，提供等效的斥力，從而推動宇宙現階段的加速膨脹。愛因斯坦提出的宇宙學常數是暗能量最簡單的候選者，它的狀態參數為-1（即它對應的壓強和能量密度之比）。受益於精確的宇宙學觀測，目前的觀測資料顯示暗能量狀態參數相對於-1的偏離不超過10％，因此至少在領頭階（leading order）水準上暗能量可以看成是宇宙學常數。宇宙學常數的自然起源是真空能。隨著宇宙的膨脹，真空不發生變化，那麼真空的能量密度就保持不變。狹義相對論和量子力學相結合得到的量子場論是研究微觀世界最強有力的工具。不幸的是，基於現有對量子場論的認識，人們估計真空能的大小比實際觀測到的宇宙學常數大了約120個數量級！這就是宇宙學常數問題（或者暗能量問題）。暗能量真的就是宇宙學常數嗎？暗能量有沒有動力學？現有的一些觀測資料暗示暗能量有稍稍偏離宇宙學常數的跡象，但是這些資料的可靠性依然存在較大的爭議。增加資料的統計量並提升對系統誤差的理解和認識成為未來相關領域發展的一個關鍵。預計在未來十年左右的時間裏，通過宇宙大尺度結構的觀測等方法可以較現有的測量精度提高約一個數量級，屆時我們將對暗能量的性質有更進一步的認識。如果發現確鑿的證據證實暗能量偏離宇宙學常數，那將是下一個諾貝爾獎的有力競爭者。

              (圖)─宇宙加速膨脹示意圖  圖片來源：

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儘管一個包含有暗能量和暗物質的熱大爆炸理論幾乎可以完全解釋現在所有的觀測資料，但是這個理論本身存在著一些不可克服的困難。比如，在標準的熱大爆炸理論中，現在觀測到的幾乎完全各向同性的微波背景輻射天圖其實是由數萬個在宇宙早期沒有因果聯繫的區域組成，那麼這些沒有因果聯繫的區域為什麼具有幾乎完全相同的溫度？這個問題也被稱為“視界問題”。艾倫·古斯、安德列·林德以及阿列克謝·斯特羅賓斯基在20世紀80年代初先後提出，在熱大爆炸之前宇宙應當歷經一段近指數的加速膨脹過程，這個過程被稱為暴脹。宇宙暴脹可以自然地將宇宙早期的不均勻性和各向異性給抹勻了。與此同時，暴脹還自然地拉直了宇宙的空間曲率。因此，空間平直的宇宙可以看成是暴脹模型的一個自然預言。最新的宇宙學觀測發現在千分之五誤差水準上強烈支持一個空間平直的宇宙模型。另一方面，暴脹發生在宇宙極早期，那個時候宇宙尺度極為微小，因此量子效應不可忽略。正是這些不可忽略的量子效應給幾乎被暴脹完全抹勻的背景帶來微小的密度漲落。暴脹結束後這些微小的密度漲落在引力的吸引作用下逐漸演化出今天所觀測到的宇宙結構。由於暴脹期間哈勃參數幾乎不隨時間演化，因此暴脹所產生的密度擾動功率譜幾乎不隨擾動的尺度變化。這一特性也被稱為近標度不變性。近標度不變的原初密度漲落是宇宙暴脹模型的又一個自然預言。現有的精確宇宙學觀測在很高的置信水準上支持暴脹的這一預言。可以說，早期宇宙暴脹模型不僅可以自然地解決熱大爆炸宇宙的所有困難，而且它所預言的宇宙空間平直性和近標度不變的原初密度漲落都已經得到精確宇宙學觀測的強烈支持。鑒於古斯、林德和斯特羅賓斯基對暴脹宇宙學的巨大貢獻，他們三位榮獲了2014年卡弗裏獎。然而，如何從基本理論出發構造自然的暴脹模型？暴脹發生的能標和它的動力學過程到底如何？暴脹的動力學依具體模型而定。然而，基於引力的普適性，暴脹期間通過量子效應從真空中產生的引力波對暴脹的動力學並不敏感，只由暴脹的能標決定。為區別於天體物理過程產生的引力波，暴脹期間產生的引力波也被稱為原初引力波。一旦探測到原初引力波就可以確定暴脹的能標。暴脹可以產生原初引力波，但是暴脹對原初引力波的強度並沒有一般性的預言。為了更進一步揭示早期宇宙暴脹的物理過程，包括我國的阿裏原初引力波探測計畫及在南極的宇宙微波背景偏振成像望遠鏡等，都競相加入到搜尋原初引力波信號的國際競爭中來。

此外，過去人們對宇宙的觀測基本上都是基於電磁信號。2016年2月，鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）觀測組宣佈發現雙黑洞併合產生的引力波，從此打開了一扇觀測宇宙的新視窗。從大爆炸到宇宙年滿38萬年，宇宙中充斥著各種帶電的粒子。這些帶電的粒子和光發生強烈的相互作用，使得光無法在宇宙間自由地傳播。然而由於引力是萬有的，引力波可以輕易地穿透這些帶電的介質將早期宇宙的資訊攜帶出來。可以預見引力波宇宙學將逐漸成為宇宙學研究的一個不可或缺的組成部分。

宇宙學從根本上來說是一門實驗科學，宇宙學的未來有賴於更精確的宇宙學觀測。暗物質和宇宙加速膨脹（包括宇宙現階段的加速膨脹和宇宙早期暴脹）被譽為現代基礎物理學的兩朵烏雲。這兩個問題的解決很可能會引發新的基礎物理學革命。此外，宇宙學的發展還會對測量中微子絕對品質、確定中微子品質排序，以及揭示宇宙正反物質不對稱的奧秘等起到關鍵的推動作用。總之，隨著精確宇宙學的進一步深入發展，宇宙學的每一次進步都必將對基礎物理學產生深遠的影響。

            （本文摘選自科學出版社《2017科學發展報告》）

﹝作者簡介﹞

黃慶國，男，1977年10月出生，博士。現任中國科學院理論物理研究所研究員，國家理論物理重點實驗室暗能量和早期宇宙暴脹方向召集人。

黃慶國，理論物理學家。中科院理論物理研究所研究員。2000年畢業于中國科學技術大學近代物理系，獲學士學位。2004年於中國科學院理論物理研究所獲博士學位。自2004年7月起，先後於中國科學院理論交叉研究中心和韓國高等研究院從事博士後研究員研究工作。2010年3月入選中國科學院“引進國外傑出人才計畫（百人計畫）”回國工作 。主要的研究領域涉及早期宇宙相關物理，暗能量以及量子引力理論等領域 。