詹姆斯·皮布尔斯（图片来历：wikipedia）
刚刚，普林斯顿大学的世界学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）由于在物理世界学中的奉献，与别的两位地理学家米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹共享了本年的诺贝尔物理学奖。
在这篇文章中，皮布尔斯与别的3位作者向咱们叙述了世界汹涌澎湃的演化史。经过数百亿年的演化后，今日存在于世界中的恒星与星系会变成怎样，世界的归宿又是什么？
撰文：詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）、戴维·施拉姆（David Schramm）、埃德温·特纳（Edwin Turner）、理查德·克朗（Richard Kron）
翻译：赵东海
在大约一百多亿年前的某个时间，咱们现在能观测到的一切物质和能量都集合在一个比硬币还小的区域里，随后，它开端以一种难以想象的速度胀大并冷却。当温度下降到1亿倍太阳中心温度时，天然界的那些根本作用力开端呈现，根本粒子夸克则自在地徜徉在能量海洋里。接着，世界又胀大了1 000倍，咱们眼下能观测到的一切物质占有的空间胀大到了太阳系那么大。
那时，自在夸克开端被捆绑在中子和质子里。当世界又胀大1 000倍后，质子与中子开端聚在一起组成原子核，今日的氦原子和氘原子大部分便是那时构成的。以上一切进程都发作在大爆破后的一分钟内，此刻温度依然太高，原子核还不能捕获电子。直到世界持续胀大了30万年后，中性的原子才开端许多呈现，这时世界规范抵达了现在的千分之一。尔后，中性原子开端凝结成气体云，这些云团随后演化成恒星。在世界胀大到现在规范的五分之一时，恒星聚在一起，构成了年青的星系。
当世界规范抵达现在的一半时，恒星里的核反应发作了大多数重元素，相似地球的行星便是由这些元素构成的。咱们的太阳系相对比较年青：构成于50亿年前，那时世界规范是现在的三分之二。跟着时间消逝，恒星的构成进程会耗尽星系中的气体，因而恒星数目正逐渐削减。再过150亿年，像太阳这样的恒星会更稀疏，对天空观测者来说，那时的世界将远不如现在这般热烈。
对世界来源与演化的知道，是20世纪最巨大的科学成果之一。这些常识来自于数十年不断改造的试验与理论。地上上和太空中的最新望远镜接纳着数十亿光年以外的星系宣布的光线，向咱们展现世界年青时的容貌。粒子加速器探究着前期世界高能环境下的根本物理现象。卫星勘探着世界胀大前期留传下来的布景辐射，展现出咱们所能观测到的最大规范上的世界图景。
规范世界模型（也称大爆破理论）对这些海量数据的解说最为成功。这个理论主张说，世界从初期的细密态开端胀大，胀大在大规范上近乎均匀。现在该理论没有遇到根本性的应战，当然，它也存在一些有待处理的问题。比方，地理学家还不能必定星系是怎么构成的，但是也没有根据能否定该进程是在大爆破结构内发作的。实际上到现在为止，从这个理论引申出的各种预言经过了一切的查验。
但是，大爆破理论现在也只做到这种程度，还有许多重要的谜题有待揭开。世界在胀大之前是什么姿态的？（咱们不能经过地理观测，回溯到大爆破之前的时间。）在悠远的未来，当终究一颗恒星耗尽了核燃料后会发作什么？没有人知道答案。
咱们能够从不同的视角——神秘主义、神学、哲学或科学——来知道世界。在科学上，咱们只信任那些经过试验或观测证明的东西，因而咱们挑选的是一条沉重庸俗的路途。爱因斯坦创建的广义相对论确立了质量、能量、空间和时间的联系，现已被很好地验证并承受。爱因斯坦指出，物质在空间均匀散布与他的理论十分契合。他未经评论便假定，在大规范上均匀来说世界是静态不变的。
在1922年，俄国理论家亚历山大·A·弗里德曼（Alexander A. Friedmann）意识到爱因斯坦的世界是不稳定的，最细微的扰动也会引起世界胀大或缩短。一起洛厄尔地理台（Lowell Observatory）的维斯托·M·斯莱弗（Vesto M. Slipher）发现了星系正在彼此远离的首个根据。随后，出色的地理学家埃德温·哈勃在1929年又证明晰星系远离咱们的速度与它离咱们的间隔大致成正比。
世界胀大意味着，世界从一团高度细密的物质演化为今日彼此相距悠远的星系。英国世界学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）是第一个给上述进程取名“大爆破”（the big bang）的人，他的原意是想挖苦这个理论，但这个姓名实在太生动了，便就此流传开来。不过这个姓名将世界胀大描绘得如同是空间中一点上的某个物质发作了某种爆破，多少有些误导人。
其实彻底不是那么回事：在爱因斯坦的世界中，空间与物质的散布是紧密联系的，观测到的星系体系的胀大反映的是空间自身的打开。大爆破理论的要害在于空间的均匀密度随世界胀大下降，而物质散布并没有可见的边际。对一般爆破来说，运动得最快的粒子飞向空的空间；而对大爆破理论来说，粒子则是均匀地充溢空间。世界胀大对被引力捆绑的星系或星系团的巨细没什么影响，仅仅使它们之间的空间扩展了罢了。在这种意义上，世界胀大很像是葡萄干面包发酵。生面团相似空间，而葡萄干就像星系团。当面团胀大时，葡萄干彼此远离，恣意两颗葡萄干彼此别离的速度彻底取决于它们之间的面团有多少。
60年来，咱们现已堆集了许多支撑世界胀大的根据。第一个重要根据是红移——星系会发射或吸收某些特定波长的光，假如星系在远离咱们，这些发射或吸收特征线将被拉长，也便是说退行速度越大，特征线就会变得越红。
在世界的年岁只要现在的五分之三时，星系团是世界代表性的景象。哈勃望远镜现已在轨道上运行了22年，经过它的持续观测，咱们得到了星系团的印象。有些星系看上去彼此处在对方的引力场里。这样的彼此作用在离咱们较近的星系团中适当稀有，阐明世界的确在演化。
哈勃规律
哈勃经过丈量发现，远处星系的红移比近处星系的红移要大。这便是现在熟知的哈勃规律，它正是均匀胀大世界模型所猜测的成果。哈勃规律标明，星系的退行速度等于它们间的间隔乘上哈勃常数。近处星系的红移效应十分弱小，要运用适当精巧的丈量仪器才干检测到。而那些十分悠远的星系——比方射电星系和类星体——的红移就十分惊人了，其间一些星系的退行速度可抵达光速的90%。
哈勃对世界图景还有另一个要害奉献。他对天空不同方向的星系计数，发现它们如同散布得很均匀。哈勃常数在一切方向上如同都是相同的，这正是均匀世界胀大的必然成果。现代巡天证明晰这条根本原则：世界在大规范上是均匀的。尽管近处的星系显示出成团性，不过更深的巡天仍是能反映出适当的均匀性。
以银河系为例，现在银河处在一个由20多个星系组成的团体中，而这又是本超星系团（local Supercluster）延伸出的星系联合体的一部分。星系团的结构一级一级往上，一向上升到5亿光年的规范。跟着调查规范的添加，其内均匀物质密度的崎岖不断减小。在挨近观测极限的规范上，均匀物质密度崎岖不到0.1%。
为了验证哈勃规律，地理学家需求丈量星系的间隔，有一种办法是调查星系的视亮度。假如某星系比另一个同类星系暗4倍，那么间隔大约便是它的2倍。这一联系已在观测可及的间隔规模内查验过了。
有批评者指出，看上去更小更暗的星系不必定真的间隔更远。走运的是，有清晰痕迹标明红移越大的星系的确间隔也越大。根据来自引力透镜效应（拜见左图）。像星系这样质量巨大且细密的天体能够构成天然透镜，由于可见光和其他电磁辐射的轨道被弯折，任何坐落它后边的辐射源都将发作一个歪曲扩大的像（乃至或许是多个像）。因而假如一个星系坐落地球和某些悠远天体的连线上，它将弯折这些天体宣布的光线，使悠远天体变得可见。在曩昔的10年里，地理学家现已发现了20多个引力透镜。人们注意到，透镜后方天体的红移总是比透镜自身的高，这也定性地证明晰哈勃规律。
哈勃规律之所以具有重大意义，不只由于它描绘了世界的胀大，还由于它能用来核算世界的年岁。具体来说，大爆破距今的时间是哈勃常数当时值与其改变率的函数。地理学家已大致算出胀大的速率，但还没有人能准确测得其改变率。
不过人们仍是能够从世界均匀密度来估量这个量。由于引力按捺了世界胀大，咱们能够预期，星系彼此远离的速度将比从前更慢，因而胀大速度的改变率与引力的拖拽效应有关。引力是由均匀密度决议的，假如只考虑星系里边和邻近的可见物质,并以此来核算密度，那世界的年岁或许在100亿～150亿年之间（这个规模还考虑了世界胀大率的不确定性）。
不过许多研讨者以为世界密度要比上述核算成果的最小值大，由于所谓的暗物质的存在将发作影响，带来不同。一种观念以为，世界的密度满足大，因而在悠远的未来，胀大速度将降到挨近于0。在这种假定下，世界的年岁将降至70亿～130亿年。
为了让这些估测愈加准确，地理学家都在致力于研讨怎么更好地丈量星系的间隔和世界的密度。估测出的胀大时间可作为查验大爆破理论的重要目标。假如这个理论是正确的，可观测世界中的一切东西都应该比从哈勃规律算出的世界年岁要年青。
悠远星系的多重成像看上去像暗弱的蓝色椭圆，这是引力透镜效应导致的。当远处物体宣布的光被搅扰物体的引力场偏折时，这种效应就会呈现。在这张图里，赤色星系团集合在中心，使坐落它们后方更远处的星系的像歪曲了。这张图片由哈勃望远镜供给。
这两个时间规范其实看上去大致相容。比方，由白矮星冷却速率估得银河系中最陈旧的恒星大约已有90亿岁。由核算恒星核反应燃料的耗费率推知，银河系晕中的恒星年岁更大，大约为120亿年。而根据放射性时代测定法测出的最陈旧化学元素的年岁也是约120亿年。试验室的工作人员是根据原子物理和核物理核算出这些数据的。值得注意的是，上述成果与由世界胀大核算的世界年岁大体上是共同的。
另一个理论——稳恒态世界理论相同成功地对世界的胀大和均匀性做出了解说。1946年，3个英格兰物理学家——霍伊尔（Hoyle）、赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）和托马斯·戈尔德（Thomas Gold）——提出了如下世界学理论：世界在永久胀大，而物质自发地发作出来填充真空。当新发作的物质堆集到必定程度就会构成新的恒星顶替老的。这个稳恒态假定预言，近处的星系团在核算意义上跟远处的应该是相同的。而大爆破理论做出的预言则跟稳恒态理论不同，它以为假如星系是很久从前构成的，那么远处的星系应该看上去比近处的星系年青，由于它们宣布的光线需求更长的时间才干抵达咱们这儿，这些星系应该包括更多年青的恒星和更多还未构成恒星的气体。
验证稳恒态假定
从理论上说，这个查验很简单，但实在研宣布满足活络的勘探器以研讨悠远的星系却花了好几代人的时间。当地理学家查看近邻射电星系时，他们在光学波段看到的是大致呈圆形的恒星体系；而远处的射电星系看上去呈拉长乃至是不规则的结构。此外，与近处星系不同，在大部分远间隔星系中，可见光波段的图画一般跟射电波段的附近。
地理学家研讨大质量、密布的星系团时，相同发现了近邻星系与远处星系有不同。远距星系团包括正在构成恒星的偏蓝星系；而近处相似的星系团却包括偏红星系，其间的恒星构成早就不活泼了。哈勃望远镜的观测证明，至少有部分年青星系团中的激烈恒星构成活动是由于成员星系的磕碰构成的，而这种进程在现在十分稀有。
假如一切星系都在彼此远离而且都是由新近的形状演化而来，那么契合逻辑的推论便是，它们从前充塞在一片稠密的物质与能量之海中。现实上，在对悠远星系所知不多的1927年，比利时神甫、世界学家乔治·勒梅特（Georges Lema tre）就现已提出，世界的胀大可追溯到一个极端细密的状况，他称之为远古的“超级原子”（super-atom）。他以为咱们或许能够勘探到它的留传辐射。但是，这个辐射应该是什么姿态的呢？
在世界十分年青和炙热的时分，辐射很简单被各种粒子吸收或散射，因而不能沿直线传播太远。这样不断的能量交流维持着热平衡，任何特定区域都不太或许比均匀水平要热或冷太多。当物质和能量处在这种状况时，就会发作所谓的热辐射谱，其间各波长的辐射强度彻底由温度决议。因而，大爆破发作的辐射能够由它的能谱辨认出来。
现实上，这个世界布景热辐射现已被发现了。20世纪40时代，美国麻省理工学院的罗伯特·H·迪克（Robert H. Dicke）一向致力于改善雷达，他发明晰微波辐射计——一种检测弱小辐射的设备。到了上世纪60时代，贝尔试验室开端在望远镜上运用辐射计来追寻前期通讯卫星Echo-1和Telstar。没有想到，制造该设备的工程师勘探到了额定的辐射信号，随后，阿诺·A·彭齐亚斯（Arno A. Penzias）和罗伯特·W·威尔逊（Robert W. Wilson）判定出这个信号是世界布景辐射。有意思的是，彭齐亚斯和威尔逊的这个思路源于迪克的启示，由于迪克曾主张人们用辐射计来搜索世界布景辐射。
地理学家经过运用世界布景勘探器（COBE）卫星和许多探空火箭、气球、地上设备，对布景辐射作了深入研讨。发现世界布景辐射有两个特征。一是它各向同性。[1992年美国航空航天局戈达德太空飞行中心的约翰·马瑟（John Mather）领导的COBE研讨团队证明晰其涨落的崎岖不超越十万分之一。]这很好解说，辐射均匀充溢在空间中就会发作这样的成果，正如大爆破理论预言的那样。
二是布景辐射能谱十分挨近2.726K的黑体谱。毫无疑问，世界布景辐射是在世界远热于2.726K时发作的，但科学家们早就猜测到辐射看上去温度会比较低，20世纪30时代美国加州理工学院的理查德·C·托尔曼（Richard C. Tolman）指出，世界布景的温度将因世界胀大而下降。
世界布景辐射能够证明，世界是由细密高热的状况胀大而来的，由于这是发作这种辐射所必需的条件。在那个细密高热的世界里，热核反应组成了比氢重的元素，包括氘、氦和锂。值得注意的是，由此核算出来的轻元素份额与观测到的丰度是共同的。也便是说，一切根据都标明，轻元素的确是在年青炙热的世界中生成的，而那些更重的元素，则要在将来作为恒星内部热核反应的产品时才会呈现。
轻元素组成理论是在第二次世界大战之后的科研热潮中呈现的。乔治·伽莫夫（George Gamow）、乔治·华盛顿大学的研讨生拉尔夫·A·阿尔法（Ralph A. Alpher）和约翰·霍普金斯大学使用物理试验室的罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）等人经过战役时期得到的核物理数据，猜测了前期世界中发作了哪些核进程，生成了哪些元素。阿尔法和赫尔曼还意识到，在现代世界中应该能找到大爆破的残留物。
尽管这项工作中的许多重要细节有误，但它究竟创始性地将核物理和世界学相关起来了。正由于研讨人员证明，前期世界能够看成是某种核反应堆，物理学家才干准确核算大爆破中发作的轻元素的丰度，以及它们随后是怎么在星际介质和恒星内部改变的。
在这幅包括了从3亿～10亿光年远的天体的图中，能够显着看出星系是均匀散布的。仅有不均匀的当地是接近中线的空隙，那是由于天空的这个区域被银河挡住了。这张图片由普林斯顿大学的迈克尔·施特劳斯（Michael Strauss）根据红外地理卫星的数据制造。
世界大拼图
咱们对前期世界的知道还不能直接得到星系构成的完好图景。尽管如此，咱们仍是把握了好几块拼图。引力将导致物质密度增加，由于它会按捺高密度区域的胀大，使那里变得越来越密布。咱们已在近邻星系团的生长中调查到了这个进程，星系或许也是在相同的进程中构成的，仅仅规范要小些。
辐射的压力会按捺前期世界结构的增加，不过当世界胀大到现在规范的0.1%时就不相同了。在那个时间，世界温度约为3 000K，低到满足使离子和电子结组成中性的氢和氦原子。中性物质不怎么受辐射影响，能够集合起来构成气体云，然后再崩塌成星团。观测标明，在世界抵达现在五分之一巨细时，物质已集组成巨大的气体云，构成星系的雏形了。
燃眉之急是解说一个看似对立的问题——前期世界观测到的均匀性和现在星系的团块散布。地理学家以为前期世界密度崎岖不大，由于在世界布景辐射中只观测到十分细小的不规则成分。到现在为止，树立与现有丈量数据相容的理论还算简单，但更要害的查验还在进行中。特别是只要在观测分辨率小于1度时，不同星系构成理论所预言的布景辐射涨落才干看出明显差异。现在还无法进行这么小规范的丈量，但研讨人员现已在着手预备这方面的试验了。将来就知道现在那些星系构成理论中有哪个能经过查验，想想就令人激动。
据咱们所知，当时的世界是最合适生命展开的——在观测可及的世界规模内大约有1万亿亿颗太阳这样的恒星。大爆破理论以为，生命只能存在于世界的某一阶段——曩昔它太热，未来它的资源又有限。尽管大部分星系还在发作新的恒星，但其他许多星系现已耗尽了它们的气体储藏。300亿年后，星系将变得暗淡，充溢了逝世或病笃的恒星，与现在比较，合适生命寓居的行星将少得多。
世界或许会永久胀大下去，一切的星系和恒星终究将变得又暗又冷，这便是“大降温”（big chill）。另一种或许是“大揉捏”（big crunch），假如世界的质量满足大，万有引力终究将反转胀大，一切的物质和能量都会从头坍缩回到一点。下一个10年里，跟着研讨人员丈量世界质量办法的不断改善，咱们或许会知道现在的胀大终究将演变为“大降温”仍是“大揉捏”。
在不久的将来，咱们能对大爆破有更深入的了解。对世界胀大率和恒星年岁的丈量现已证明，恒星年岁的确比世界胀大前史要短。地理学家正在使用望远镜（比方设在夏威夷岛上口径10米的凯克望远镜、口径2.5米的哈勃望远镜以及散布在南极和人造卫星上的其他新望远镜）观测布景辐射，一起展开物理试验寻觅“暗物质”，这些尽力或许终究能让咱们知道，世界内物质是怎么影响时空曲率，而曲率又是怎么反过来影响咱们对悠远星系的观测的。
此外，咱们还将持续研讨那些超出大爆破理论规模的问题。比方，为什么会发作大爆破？在那之前有什么？世界是否有兄弟姊妹？（即在咱们观测所及的规模之外是否还有其他胀大区域。）天然根本常数为什么是现在这些值？粒子物理学的最新进展供给了一些风趣的解题思路，但问题在于怎么用试验进一步证明。
在咱们评论这些世界学问题时，有必要紧记一点：一切物理理论都仅仅实在的近似，各有其使用规模。人们总是不断将那些已被试验证明的旧理论融入到新的更庞大的理论结构中去，物理学便是这样行进的。
大爆破理论已为许多现实所证明，它解说了世界布景辐射、轻元素的丰度和世界的胀大。因而，未来的世界学理论必定得包括大爆破理论。世界学已完成了从哲学到物理学的展开，往后它取得的任何新进展，都要承受观测和试验的两层验证。
