作者簡介
黃慶國，理論物理學(xué)家。中科院理論物理研究所研究員。2000年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，獲學(xué)士學(xué)位。2004年于中國科學(xué)院理論物理研究所獲博士學(xué)位。自2004年7月起，先后于中國科學(xué)院理論交叉研究中心和韓國高等研究院從事博士后研究員研究工作。2010年3月入選中國科學(xué)院“引進(jìn)國外杰出人才計(jì)劃（百人計(jì)劃）”回國工作 。主要的研究領(lǐng)域涉及早期宇宙相關(guān)物理，暗能量以及量子引力理論等領(lǐng)域 。
狹義相對論、廣義相對論和量子力學(xué)構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的三大基石。這三個基本理論在過去的一個多世紀(jì)里深刻地推進(jìn)了人們對從微觀世界到宇觀世界的理解和認(rèn)識。20世紀(jì)初，愛因斯坦在提出廣義相對論后進(jìn)一步提出：宇宙在大尺度上是均勻且各向同性的，并且宇宙演化的動力學(xué)遵循廣義相對論。以此標(biāo)志現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生。哈勃定律的發(fā)現(xiàn)表明，宇宙正處在不斷膨脹的狀態(tài)。沿著時間的方向回溯，宇宙在極早期處于極度高溫?zé)霟岬臓顟B(tài)，即大爆炸。宇宙早期大爆炸的余暉——微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)強(qiáng)有力地支持了宇宙大爆炸模型。正因如此，宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)者彭齊亞斯和威爾遜分享了1978年諾貝爾物理學(xué)獎?，F(xiàn)在的大爆炸宇宙學(xué)模型也被稱為宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，大爆炸宇宙學(xué)將微觀和宇觀的基本物理緊密地聯(lián)系在一起，很可能提供了一條通向這三個基本理論大統(tǒng)一之路。
由于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(xué)研究面臨三個基本的問題：宇宙的基本組成成分是什么？這些基本組成成分在宇宙中是如何分布的（即宇宙的結(jié)構(gòu)）？既然宇宙不是靜止不動的，那么宇宙又是如何隨時間演化的？在宇觀尺度上，引力發(fā)揮著至關(guān)重要的主導(dǎo)作用。在廣義相對論的理論框架下，這三個問題并不是孤立的，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(jié)構(gòu)的形成過程，同時又能影響宇宙演化。特別需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，宇宙學(xué)研究與在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行研究的一個最大的不同在于：宇宙學(xué)是探索在不斷隨時間演化的時空背景下的物理規(guī)律。
盡管現(xiàn)代宇宙學(xué)已經(jīng)誕生約一百年，但是在很長一段時間里，宇宙學(xué)并沒有被公認(rèn)為是足夠嚴(yán)肅的科學(xué)。其中一個最主要的原因是缺乏精確的宇宙學(xué)觀測。伴隨著觀測技術(shù)的突飛猛進(jìn)，宇宙學(xué)觀測［特別是以威爾金森微波背景輻射各向異性探測衛(wèi)星（WMAP）為代表］取得突破性進(jìn)展（圖1）。最近20年以來，精確的宇宙學(xué)觀測可以精準(zhǔn)地測定宇宙學(xué)基本參數(shù)，開啟了精確宇宙學(xué)的黃金時代。正因如此，過去20年宇宙學(xué)的發(fā)展對基礎(chǔ)科學(xué)研究產(chǎn)生了十分廣泛的影響。
圖1 宇宙微波背景輻射各向異性天圖
第一代宇宙背景探測衛(wèi)星COBE，第二代威爾金森微波背景輻射各向異性探測衛(wèi)星WMAP，第三代普朗克（Planck）衛(wèi)星
圖片來源：https：//www.kosmonautix.CZ/wp-content/uploads/2-Cobe-WMAP-Planck.jpg
早在20世紀(jì)初，人們通過對銀河系內(nèi)恒星運(yùn)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(shè)想。1933年，瑞士天文學(xué)家茨維基通過對星系團(tuán)中星系運(yùn)動的觀測發(fā)現(xiàn)宇宙空間中存在不發(fā)光的物體，并將之稱為暗物質(zhì)。到20世紀(jì)六七十年代，美國天文學(xué)家魯賓和弗德通過精確測量星系的旋轉(zhuǎn)曲線發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系都存在這種看不見的物體。之后，暗物質(zhì)逐漸被廣泛確認(rèn)為宇宙不可或缺的組成成分之一（圖2）。隨后的很多宇宙學(xué)觀測，包括引力透鏡、微波背景輻射及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等，都一致確證宇宙中確實(shí)存在暗物質(zhì)，而且暗物質(zhì)約占全部物質(zhì)的85％！然而，暗物質(zhì)是常規(guī)物體或者粒子的可能性在很早以前就被排除了。那么暗物質(zhì)是什么？一種理論認(rèn)為暗物質(zhì)可能是一種新奇的粒子，它只能和常規(guī)物質(zhì)發(fā)生極為微弱的相互作用，因此也被稱為弱相互作用大質(zhì)量粒子。這些暗物質(zhì)粒子彌漫在整個宇宙，并且可能無時無刻不在穿過地球。為了捕捉這些粒子，科學(xué)家們在很深的地下建造實(shí)驗(yàn)室，試圖以此摒除常規(guī)粒子的影響，從而搜尋到暗物質(zhì)粒子通過這種微弱的相互作用所產(chǎn)生的微小的反沖信號。但遺憾的是，雖然經(jīng)過了十余年的不懈努力，無論是美國南達(dá)科他州一座廢棄的金礦坑里安裝的實(shí)驗(yàn)裝置還是我國的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室都一無所獲。盡管弱相互作用大質(zhì)量粒子的假設(shè)在理論上有奇跡般的優(yōu)點(diǎn)，但是這些零結(jié)果迅速壓縮了它們可能存在的理論空間。弱相互作用大質(zhì)量粒子作為暗物質(zhì)的基礎(chǔ)開始出現(xiàn)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(zhì)相關(guān)的觀測現(xiàn)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(zhì)的候選者正越來越受到關(guān)注。此外，或許暗物質(zhì)根本就不是基本粒子，而是大質(zhì)量致密天體，如原初黑洞等。原初黑洞作為暗物質(zhì)候選者的假設(shè)隨著2016年觀測到雙黑洞并合的引力波事件而備受矚目?？傊?，暗物質(zhì)仍然是基礎(chǔ)物理研究中的一大謎團(tuán)，需要以更開放的態(tài)度來繼續(xù)探索。
圖2 銀河系及周圍的暗物質(zhì)暈示意圖
圖片來源：歐洲南方天文臺（ESO），https://www.shao.ac.cn/kpyd/ywkd/201206/t20120626_3604682.html
在熱大爆炸宇宙學(xué)中，宇宙早期處于輻射為主時期。隨著宇宙的膨脹，宇宙慢慢冷卻下來。當(dāng)宇宙的溫度遠(yuǎn)低于其中粒子的質(zhì)量，這些粒子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速，因而大致可看成是靜止的，宇宙漸漸進(jìn)入物質(zhì)為主時期。但是無論是輻射或者是物質(zhì)為主時期，由于引力的吸引作用，宇宙膨脹的速度應(yīng)當(dāng)越來越慢。然而，20世紀(jì)末，通過將Ia型超新星標(biāo)定為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，人們可以精確地測量宇宙的膨脹歷史，發(fā)現(xiàn)宇宙現(xiàn)階段并不處于減速膨脹，而是處于加速膨脹的狀態(tài)（圖3）。此發(fā)現(xiàn)完全改變了人們對宇宙的認(rèn)識，天體物理學(xué)家薩爾·波爾馬特、布萊恩·施密特和亞當(dāng)·里斯也因此發(fā)現(xiàn)獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎。暗能量具有負(fù)的壓強(qiáng)，提供等效的斥力，從而推動宇宙現(xiàn)階段的加速膨脹。愛因斯坦提出的宇宙學(xué)常數(shù)是暗能量最簡單的候選者，它的狀態(tài)參數(shù)為-1（即它對應(yīng)的壓強(qiáng)和能量密度之比）。受益于精確的宇宙學(xué)觀測，目前的觀測數(shù)據(jù)顯示暗能量狀態(tài)參數(shù)相對于-1的偏離不超過10％，因此至少在領(lǐng)頭階（leading order）水平上暗能量可以看成是宇宙學(xué)常數(shù)。宇宙學(xué)常數(shù)的自然起源是真空能。隨著宇宙的膨脹，真空不發(fā)生變化，那么真空的能量密度就保持不變。狹義相對論和量子力學(xué)相結(jié)合得到的量子場論是研究微觀世界最強(qiáng)有力的工具。不幸的是，基于現(xiàn)有對量子場論的認(rèn)識，人們估計(jì)真空能的大小比實(shí)際觀測到的宇宙學(xué)常數(shù)大了約120個數(shù)量級！這就是宇宙學(xué)常數(shù)問題（或者暗能量問題）。暗能量真的就是宇宙學(xué)常數(shù)嗎？暗能量有沒有動力學(xué)？現(xiàn)有的一些觀測數(shù)據(jù)暗示暗能量有稍稍偏離宇宙學(xué)常數(shù)的跡象，但是這些數(shù)據(jù)的可靠性依然存在較大的爭議。增加數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量并提升對系統(tǒng)誤差的理解和認(rèn)識成為未來相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的一個關(guān)鍵。預(yù)計(jì)在未來十年左右的時間里，通過宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測等方法可以較現(xiàn)有的測量精度提高約一個數(shù)量級，屆時我們將對暗能量的性質(zhì)有更進(jìn)一步的認(rèn)識。如果發(fā)現(xiàn)確鑿的證據(jù)證實(shí)暗能量偏離宇宙學(xué)常數(shù)，那將是下一個諾貝爾獎的有力競爭者。
圖3 宇宙加速膨脹示意圖
圖片來源：
https://www.scienceforums.com/uploads/gallery/album_166/med_gallery_1369_166_645658.jpg
盡管一個包含有暗能量和暗物質(zhì)的熱大爆炸理論幾乎可以完全解釋現(xiàn)在所有的觀測數(shù)據(jù)，但是這個理論本身存在著一些不可克服的困難。比如，在標(biāo)準(zhǔn)的熱大爆炸理論中，現(xiàn)在觀測到的幾乎完全各向同性的微波背景輻射天圖其實(shí)是由數(shù)萬個在宇宙早期沒有因果聯(lián)系的區(qū)域組成，那么這些沒有因果聯(lián)系的區(qū)域?yàn)槭裁淳哂袔缀跬耆嗤臏囟?？這個問題也被稱為“視界問題”。艾倫·古斯、安德烈·林德以及阿列克謝·斯特羅賓斯基在20世紀(jì)80年代初先后提出，在熱大爆炸之前宇宙應(yīng)當(dāng)歷經(jīng)一段近指數(shù)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(yù)言。最新的宇宙學(xué)觀測發(fā)現(xiàn)在千分之五誤差水平上強(qiáng)烈支持一個空間平直的宇宙模型。另一方面，暴脹發(fā)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(yīng)不可忽略。正是這些不可忽略的量子效應(yīng)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(jié)束后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(jié)構(gòu)。由于暴脹期間哈勃參數(shù)幾乎不隨時間演化，因此暴脹所產(chǎn)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(biāo)度不變性。近標(biāo)度不變的原初密度漲落是宇宙暴脹模型的又一個自然預(yù)言?，F(xiàn)有的精確宇宙學(xué)觀測在很高的置信水平上支持暴脹的這一預(yù)言?？梢哉f，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(yù)言的宇宙空間平直性和近標(biāo)度不變的原初密度漲落都已經(jīng)得到精確宇宙學(xué)觀測的強(qiáng)烈支持。鑒于古斯、林德和斯特羅賓斯基對暴脹宇宙學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，他們?nèi)粯s獲了2014年卡弗里獎。然而，如何從基本理論出發(fā)構(gòu)造自然的暴脹模型？暴脹發(fā)生的能標(biāo)和它的動力學(xué)過程到底如何？暴脹的動力學(xué)依具體模型而定。然而，基于引力的普適性，暴脹期間通過量子效應(yīng)從真空中產(chǎn)生的引力波對暴脹的動力學(xué)并不敏感，只由暴脹的能標(biāo)決定。為區(qū)別于天體物理過程產(chǎn)生的引力波，暴脹期間產(chǎn)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(biāo)。暴脹可以產(chǎn)生原初引力波，但是暴脹對原初引力波的強(qiáng)度并沒有一般性的預(yù)言。為了更進(jìn)一步揭示早期宇宙暴脹的物理過程，包括我國的阿里原初引力波探測計(jì)劃及在南極的宇宙微波背景偏振成像望遠(yuǎn)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于電磁信號。2016年2月，激光干涉引力波天文臺（LIGO）觀測組宣布發(fā)現(xiàn)雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，從此打開了一扇觀測宇宙的新窗口。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(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使得光無法在宇宙間自由地傳播。然而由于引力是萬有的，引力波可以輕易地穿透這些帶電的介質(zhì)將早期宇宙的信息攜帶出來?？梢灶A(yù)見引力波宇宙學(xué)將逐漸成為宇宙學(xué)研究的一個不可或缺的組成部分。
宇宙學(xué)從根本上來說是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，宇宙學(xué)的未來有賴于更精確的宇宙學(xué)觀測。暗物質(zhì)和宇宙加速膨脹（包括宇宙現(xiàn)階段的加速膨脹和宇宙早期暴脹）被譽(yù)為現(xiàn)代基礎(chǔ)物理學(xué)的兩朵烏云。這兩個問題的解決很可能會引發(fā)新的基礎(chǔ)物理學(xué)革命。此外，宇宙學(xué)的發(fā)展還會對測量中微子絕對質(zhì)量、確定中微子質(zhì)量排序，以及揭示宇宙正反物質(zhì)不對稱的奧秘等起到關(guān)鍵的推動作用?？傊?，隨著精確宇宙學(xué)的進(jìn)一步深入發(fā)展，宇宙學(xué)的每一次進(jìn)步都必將對基礎(chǔ)物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
