感受现代宇宙学

by P. James E. Peebles
原文 [1] 来自：Scientific American Special Edition, Dec 21, 2002 Cosmos, Page 2~3
translated by Arthur Freeman

这是一个令宇宙学家倍感振奋的时代：新发现不停地涌现，新点子不断地冒出，用以验证这些观念的研究更是快要沸腾了。但与此同时，这又是个令人困惑的时代——并非所有在议的观念都是正确的，它们甚至彼此间都不一致。那么，在这种情况下，我们如何判别哪种观念是进步的呢？以下是我的观点。

基于对已被推翻的诸理论的探讨，宇宙学家们已经稳固地确立了我们这一领域的根基——在过去的70年间，充分的证据表明：我们的宇宙正在不断地膨胀，不断地冷却。首先，来自遥远星系的光存在红移，如果宇宙正在膨胀，各个星系随之被越拉越开，便恰好能佐证这一现象；其次，热辐射充斥着整个宇宙空间，据此可知，宇宙应该一度比现在更密更热；第三，只有过去的温度比现在高得多，才可能导致如今的宇宙含有大量的氘和氦；第四，我们所见的遥远星系其实是它们过去的面貌，因为光的传播需要时间，它们之所以看起来非常年轻，是因其（发出这些光的时候）更加接近还没有多少星系存在的（远古）时期。最后，如果宇宙按照爱因斯坦的引力理论（广义相对论）所预测的那样膨胀，那么，时空的曲率就应该与宇宙间物质的容量有关，这正与现在所知的相符。

宇宙正在膨胀和冷却是大爆炸理论（big bang theory）的核心。请注意，我没有扣“爆炸”[2]（explosion）的字眼——因为，大爆炸理论只是描述我们宇宙的演化，而非追究其开端。

不论是宇宙学还是其他科学，我都把确立那些引人注目的结果的过程比作组装一个构架。我们采用不同的测量手段来增加互证（cross bracing），以使得每一项证据都更有说服力。我们的宇宙膨胀构架在足够坚实的支撑下已经稳如泰山了；大爆炸理论不再遭受严重的质疑，它（与观测事实）契合得很好。即便是最激进的方案——最近的稳态理论（the steady state theory）的变体——也不怀疑宇宙在膨胀、冷却。当然，你还听到宇宙学中的各种不同观念，但可以肯定，它们都为这个构架添砖加瓦，使其更加完备。

例如，我们不知道膨胀之前宇宙的行为。前沿理论 “暴涨”（inflation）是对（大爆炸）构架的很引人注目的补充，但它缺乏旁证。而这恰恰是宇宙学家们孜孜以求的。如果正在进行的各项观测与暴涨发出的独特信号一致，那么我们将把他们视作这一理论的有力证据。但即便到那时，我也不会就暴涨是否真的发生而打赌。我并非批判这一理论，我的意思只是，这一勇敢的、开创性的工作仍然有待检验。

更加明显的证据表明，宇宙中的绝大部分物质由丛聚在星系外围的暗物质构成。对于爱因斯坦声名狼藉的宇宙学常数（cosmological constant），我们也有个合理的解释——它或许是当下宇宙（膨胀）的加速度的一种表现形式。十年前，宇宙学家们普遍欣然地将暗物质作为解释星系中恒星与气体运动的优雅方式。尽管如此，大多数研究者都曾由衷地反感宇宙学常数；而如今，大多数人都接受了它，或者与它类似的概念——第五元素（quintessence）；粒子物理学家更是已经欣然接受了宇宙学常数对量子理论的挑战。这一观念上的转变并不反映（大爆炸构架）与生俱来的弱点；相反，它展现出一种良性的混乱状态中的主题，这种混沌存在于一个已经确立但缓慢发展着的构架周围。只不过是我们这些大自然的学生要随着“课程”的深入来调校我们的概念罢了。

在这种情况下，这些（大自然的）“课程”包括了宇宙加速膨胀的迹象：不同远近的超新星光度，最古老的恒星的年龄，遥远的质量分布周围光线的弯曲，以及贯穿天空的热辐射温度的波动。这些（观测）证据给人以深刻的印象，但我仍对宇宙学常数这一案例的一些细节持怀疑态度，（这些令我怀疑的细节包括）星系演化与其空间分布之间可能存在的矛盾。宇宙加速（膨胀）理论蒸蒸日上，我虽欣赏这个体系，但还不准备投入其中。

人们应怎样判断媒体关于宇宙学进展的报道呢？我对只根据一家之词写出的文章总不大放心。做研究是个繁杂的活，即便是经验最老到的科学家也难以洞彻一切。我们凭什么认为独独这样一个人做得好呢？当然，一群科学家也有可能误入歧途，但这毕竟发生的少。所以，如果记者咨询了领域内的一些代表，并且这些代表一致认为某一结果值得考虑，那么我读起来就感到放心多了。

如果别人（独立地）重现了某一结果，那么这一结果就更值得关注了。当独立的证据导出同一结论时，该结论就开始变得有说服力了。在我看来，最好的科学报道不仅要描写最新的发现和观念，还要涵盖验证和互证的核心过程，尽管这有些枯燥。

时间将会见证一切，暴涨、第五元素以及其他在议的概念最终是会成为（宇宙膨胀）中心构架的一部分，还是被弃置一旁，被替以更好的概念。某种程度上，我们正努力将工作彻底进行，以至于无事可做。但宇宙是个复杂的地方，简单地说，我们不可能在短期内脱离高产的科研生产线。当前的困惑意味着我们所做的是正确的——就像欣欣向荣的建筑工地的喧嚣。

本文作者：P. James E. Peeples 是全世界最卓越的宇宙学家之一，是分析宇宙微波背景辐射和宇宙体积组成先驱中的泰斗。他囊括了诸多天文学最高奖项，包括1982年的海涅曼（Heineman Prize）奖、1993年美国天文学会的亨利·诺里斯·罗素讲席(Henry Norris Russell Lectureship)和1995年太平洋天文学会的布鲁斯奖章（Bruce Medal）；现任普林斯顿大学名誉退休教授。

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[1] 本文是译者关于宇宙学系列译文的开篇。

[2] 译注：此“爆炸”（explosion）与大爆炸理论中的“爆炸”（bang）不是一个意思，前者在这里强调爆炸的开端，后者强调爆炸过程的膨胀性。