探測宇宙最初一剎那
自4月7日起進入封閉階段的歐洲強子對撞機和下一代宇宙微波背景輻射探測衛星普朗克將為宇宙大爆炸模型提供數據支持
威爾金森各向異性探測器（WMAP）改變了人類對宇宙的理解 圖片采自NASA網站
認識上的革新
一門學科的成熟標志是研究進入誤差很小的定量化階段。僅僅是20年前，我們還不能說宇宙學是一門嚴密的學科，因為那時許多重要的宇宙學參數還非常不確定。
例如，大家都知道宇宙在膨脹，膨脹的最重要的標志是遠方的天體在退行，越遠的天體退行的速度越快——這就像一個膨脹的氣球，氣球上的任意兩點之間的距離都在變大，本來距離較大的兩點以較大的速度相互離開。天體和我們之間的距離每增大一倍，其退行的速度就增大一倍，這就是有名的哈伯定律。決定宇宙膨脹速度的叫哈伯常數，這個常數的測量在宇宙學史上一直是一個核心問題，20年前的測量誤差是百分之一百。
今天，哈伯常數的測量已經可以精確到百分之二以內，具體數值大約是：距離我們有一百萬光年的天體相對我們的退行速度大約是每秒22公里?？梢韵胂?，如果這個常數的測量不夠準確，那么許多我們關心的數據也不會準確。例如，哈伯常數直接決定了宇宙的年齡。如果哈伯常數的精確度只有百分之百，那么宇宙年齡的準確度大約也是百分之百。這個范圍太大了，如同我們說一個女孩的年齡在10歲到20歲之間。
直到十年以前，我們一直覺得過去宇宙膨脹的速度比現在膨脹的速度要大，而未來的膨脹速度要比現在的速度要小，所以，大爆炸發生的那一刻宇宙膨脹的速度最大。這種觀念和萬有引力很符合，因為既然物體之間存在的萬有引力是吸引力，那么這種吸引力只能將物體之間的速度減低。
但宇宙學的觀測手段的發展在十年前完全革新了我們的認識，就是說，現在宇宙的膨脹速度不是越來越小，而是越來越大。這是非常反直觀的現象。最合理的解釋是宇宙間除了萬有引力之外，還存在著一種無所不在的斥力，是這種斥力在宇宙的尺度上克服了萬有引力，導致宇宙的加速膨脹。這個革命性的結果被多種觀測手段所證實，正是這些觀測手段同時幫助我們精確測量了宇宙膨脹速度、宇宙年齡和其他一些重要的決定宇宙圖像的物理量。下文要介紹的，是這些手段中的一種，也是最重要的一種：測量宇宙中彌漫的微波背景輻射的微小漲落。
大爆炸的遺跡
1964年，彭齊亞斯和威爾遜無意之間發現了彌漫在空間所有方向的微波輻射，這種輻射對應的溫度很低，后來被確認為宇宙間無所不在的微波背景輻射。微波背景輻射正是大爆炸理論預言的宇宙在大爆炸時期遺留到今天的遺跡。彭齊亞斯和威爾遜的發現是現代宇宙學的開端，他們也因此獲得諾貝爾物理學獎。
微波背景輻射是一種特殊的輻射，叫黑體輻射，這是有著固定溫度的輻射。當天文學家將各種不同的微波探測器對準天空深處的時候，他們發現，微波輻射的溫度在天空的所有方向上幾乎完全一樣，都是2.725開爾文。這里的開爾文是溫度的單位，冰點的溫度是273.15開爾文，說明微波輻射的溫度遠遠低于冰點的溫度，亦即宇宙是一個很空很冷的地方。
1990年代初的一項實驗發現告訴我們，幾乎完全均勻的微波輻射有著非常微弱的不均勻性，溫度的漲落只有18個微開爾文。換句話說，溫度的漲落只有十萬分之一。這個發現被授予2006年諾貝爾物理學獎。授獎的一個重要原因是，這項發現再次證實了大爆炸理論，因為大爆炸理論預言了微波輻射的漲落，這種漲落是宇宙在嬰兒期產生的漲落的遺跡。
大爆炸宇宙論中有一個非常重要的領域，是研究宇宙間的結構是如何產生的，如恒星的起源，像銀河系一樣的星系的起源，以及由一些星系組成的星系團的起源，這些結構在宇宙學中統稱為大尺度結構，因為涉及的尺度非常大，經常在百萬光年以上（一光年是光走了一年的距離，大約是9萬億公里）。最初，有很多學說解釋這些結構如何產生于宇宙創生的不久之后。這些學說的共同之處是假定宇宙中的一切不均勻性，包括物質組成的星系、星系團，以及微波背景輻射中的不均勻性，都來源于宇宙在極早期的原始不均勻性。愛因斯坦的引力理論告訴我們，宇宙中任何不均勻性都會導致引力的不均勻性，而引力的不均勻性也會反映在微波背景輻射中?？梢哉f，被探測到的微波背景輻射的不均勻性，雖然非常小，卻是宇宙留給我們的最原始的化石。
就像考古學家能夠從化石的研究中發現生物的進化歷史，宇宙學家也能夠從微波背景輻射的溫度漲落中分析出宇宙的進化歷史，甚至能夠幫助我們精確地測定宇宙演化的一些重要數據，例如我們前面提到的宇宙膨脹速度和加速度、宇宙年齡、宇宙中的平均物質密度，以及導致宇宙加速膨脹的一種過去聞所未聞的能量：暗能量。
WMAP探測器五年
美國在2001年6月發射了一顆衛星，專門用來探測微波背景輻射的漲落，就是維爾金森各向異性探測器（WMAP）（參見本報2001年7月6日 《揭示宇宙大爆炸的奧秘》一文）。探測計劃的負責人是約翰·霍普金斯大學的查爾斯·本內特。這個探測器的任務就是精確測量天空上分隔180度至0.25度的任意兩個方向的溫度差。測量的最終結果可以用一個全天溫度圖來表示（其實探測到的是五個波段的微波溫度，可以用三個圖來表示）。經過一年的觀測和半年左右的數據研究，這個研究小組在2003年2月發布了他們的重要結果。
此后，WMAP又兩次公布了后續觀測結果，分別是3年觀測的結果和5年觀測的結果。WMAP的5年觀測結果是今年3月初剛剛公布的。下面我們簡要介紹一下WMAP5年觀測所獲得主要物理結論。
宇宙在最開初的時候發生了一次熱大爆炸，在此期間，所有基本粒子以接近光速的速度運動。不但如此，在熱大爆炸之前，宇宙很有可能經歷了一次劇烈的膨脹時期，這個膨脹時期非常短，只有10-32秒甚至更短（作為對比，地球上最精確的時鐘誤差是每天1阿秒，即10-18秒）。在如此之短的時間內，宇宙在尺度上膨脹了至少1026倍。這個劇烈膨脹假說是美國人阿倫·古斯（Alan Guth）在1979年提出來的，當時他希望能夠用這個假說解釋我們看到的宇宙為什么幾乎是均勻的，特別是微波背景輻射的近乎完美的均勻性。
古斯的假說現在幾乎為WMAP和其他實驗所證實。在這些令人激動的觀測和實驗之前，理論家們做了很多研究，將古斯的假說通稱為暴漲宇宙論。暴漲理論不僅解釋了我們的宇宙為什么能夠膨脹到如此之大，還能解釋宇宙中恒星、星系形成所需要的不均勻性。前面我們已經提到，這些不均勻性和微波背景輻射中的微弱不均勻性來源于同一個物理原因。而這個原因，就是暴漲時期時空的量子漲落。
在極短的暴漲期間，宇宙幾乎是冷的，沒有任何物質，只存在著一種奇怪的能量，其性質非常像現在宇宙間的暗能量，但暴漲期的“暗能量”密度非常大，是現在暗能量密度的10100倍左右。在暴漲結束的時候，驅動宇宙暴漲的能量轉化為粒子的能量，在這個時候，熱大爆炸宇宙才真正開始，宇宙間充滿了以光速運動的粒子。這些粒子包括了所有已知的粒子，還有一些未知的粒子——組成暗物質的粒子。這些粒子經過核合成形成氫和氦這些輕元素，這些元素的豐度現在能夠測得很準，并且我們能夠通過現在的豐度推出過去的豐度，在計及豐度的演化之后。輕元素的豐度的計算也是大爆炸學說的重要證據。大約38萬年后，宇宙中的質子和電子組成氫原子，宇宙開始變得透明，也就是說WMAP探測到的光子是從那個時候發出的。
此后最初的恒星開始形成，最初的星系也開始形成。當宇宙還是現在的一半大小左右時，宇宙中的暗能量開始超過物質密度（包括一般的物質和暗物質），宇宙的膨脹速度逐漸開始加速。迄今為止的結論是，宇宙中的能量72.1%左右是暗能量，其余是普通物質和暗物質，其中只有4.6%是我們看到的普通物質，23.3%是暗物質。剩下的不到萬分之一的能量是光子和中微子。宇宙的年齡大約是137.3億年，誤差是1000萬年。宇宙學預言了中微子背景輻射，很像微波背景輻射，但目前還沒有辦法直接探測到這種輻射。WMAP可以說間接地看到了中微子背景輻射，對中微子的種類作出限制。
哪種模型是正解
對于宇宙學家來說，最有意思的還不是上面的那些結果，因為那些結果和WMAP的三年結果相差不大。宇宙學家和理論物理學家希望WMAP新的結果能夠幫助他們了解更多的關于暴漲時期的信息，以及了解物理學中的一些最為基本和微觀的規律。
自從古斯建立了暴漲宇宙的概念后，物理學家們提出了很多不同的具體模型，不下一百種。作為理論家，我們非常希望實驗和觀測能夠幫助我們在這些眾多的可能性中選出一種。這個希望目前看來還過于奢侈，但是WMAP已經能夠排除一些暴漲模型。相比其他實驗，這已經是令人樂觀的進步。
微波輻射漲落一個特殊的性質是高斯性，即漲落的大小分布是高斯分布，這是著名的鐘形線分布。漲落的鐘形線分布也是傳統的暴漲模型所預言的。新結果中最具吸引力的發現是漲落的鐘形線分布也不是絕對的，有所謂非高斯性，使得漲落的分布不再那么對稱。如果這是真的，那么很多傳統的暴漲模型將被排除，基于我們傳統微觀物理的模型基本不能解釋這種不對稱。我認為，這很可能是揭示新的物理規律的開端。
事實上，研究弦論和量子引力的物理學家們早就期望微波背景輻射更加精確的測量能夠為我們指出一條通向統一所有微觀物理規律的道路，因為最早期的宇宙和最微觀的物理有不可分割的關系。我對宇宙學的進一步實驗抱樂觀態度，這些實驗和歐洲核子中心即將運轉的大型強子對撞機（4月7日已進入封閉階段）一道將會帶我們進入一個新的物理學黃金時代。
WMAP預計運行8年?，F在已經接近7年。我們期待8年的觀測結果將會帶來更多的信息。歐洲太空總署計劃今年發射一顆專用于測量宇宙微波背景輻射的衛星，這顆衛星以發現量子的物理學家普朗克（Max Planck）命名。普朗克衛星的測量精度將比WMAP好十倍左右，我們幾乎可以肯定她將測量到偏離鐘形線分布，從而促使我們不得不思考新的微觀物理規律。當然，普朗克衛星也會給我們帶來其他意料不到的結果。