宇宙中的“光”，告訴了我們如此多的信息？

在科學的所有分支中，宇宙學大概是最玄乎的，因為它要以整個宇宙作為研究對象。宇宙學家研究宇宙就有點類似瞎子摸象，僅憑摸到的象鼻或者象牙就要推想出整只大象的樣子來，其難度是可想而知的。所以，倘若你貼著宇宙學家的肚皮，把他們的心聲都聽一遍，那么不外乎是：新數據，新數據……這就不難理解，為何2013年3月21日對于他們來說，就像過節一樣。因為這一天，歐洲宇航局發布了迄今分辨率最高的全天宇宙微波背景輻射圖（簡稱CMB圖）。對于宇宙學家來說，這不啻是一份厚禮。

宇宙中的“第一縷光”

據《圣經》“創世紀”上的說法，宇宙原先一片混沌，后來上帝說：“要有光！”，于是才有了光。

在科學版的“創世紀”里，宇宙起源于一場大爆炸。不過宇宙在誕生之后很長一段時間里，差不多也是一片混沌。因為那時溫度太高，飛行的盡是高能光子，而高能光子很容易被附近的原子吸收，飛行不遠，所以整個宇宙幾乎是不透明的。

事情到了后來才有改觀。隨著宇宙膨脹，溫度越來越低，高能光子的比例漸漸減少，而低能光子卻增多起來。在大爆炸之后大約38萬年，宇宙的溫度降低到了約3000K。此時高能光子已寥寥無幾。低能光子因沒有足夠的能量把原子電離，所以不能被原子吸收。這樣，低能光子在宇宙中就可以暢行無阻了。這才有了宇宙的“第一縷光”。這些低能光子充斥整個宇宙，形成物質運動和演化的背景，就好比戲臺上的布景一樣，所以叫“宇宙背景輻射”。

漲落中包含重要信息

背景輻射最初波長是很短的。你要是把一根鎢絲加熱到3000K，它發出的光波差不多就是背景輻射最初的樣子。但后來宇宙不斷膨脹，波長被拉長了。從背景輻射出現至今，宇宙的尺度變大了1100多倍，所以這些充斥宇宙的光，波長被拉長了1100多倍，今天已相當于微波的水平了，所以又稱其為“宇宙微波背景輻射”。它所對應的溫度也由原來的3000K降低到了2.7K，僅比絕對零度高出一點點。

大致來看，微波背景輻射的溫度在整個天空幾乎是均勻的，但也有微小的漲落，有的地方溫度稍高一點，有的地方稍低一點。這些差異是怎么來的呢？

宇宙學家認為，既然我們今天的宇宙已經形成了恒星、星系、星系團等結構，就說明宇宙小時候，物質的分布不是絕對均勻的。這里多一點點，那里少一點點，這樣由于萬有引力和宇宙膨脹的共同作用，才能形成宇宙今天的樣子。

既然微波背景輻射是宇宙小時候的第一張“照片”，那么這個原初的“胎記”就應該在照片上有所體現。所以，微波背景輻射溫度分布的不均勻性，反映了宇宙早期的一些特征。

這就是宇宙學家要一次次描繪CMB圖，精度一次比一次高的原因。最近這一次的全天高精度CMB圖是由2009年升空的普朗克衛星描繪的。那么，這一次它能告訴我們些什么呢？

宇宙暴漲像球從碗底滾下

根據標準的宇宙學理論，宇宙在大爆炸發生后不到10-35秒，即發生了一場急劇的膨脹，在不到10-33秒的時間內，體積膨脹了1078倍，這就是所謂的“暴漲期”。經過暴漲之后，宇宙才又漸漸恢復為正常的膨脹。

但是暴漲是如何發生的？以什么形式發生的？宇宙學家對此卻大有分歧。比如說大家都承認，在暴漲發生時，宇宙膨脹得越來越快，但這個加速過程是類似于一個球從碗的內邊緣滾到碗底呢？還是像球從倒扣的碗，沿著碗壁滾到桌上？雖然兩種情況下，小球的速度都越來越大，但在前一種情況，加速度由大變小，后一種情況，加速度由小變大。還有，這口“碗”是像瓶子一樣深呢，還是像碟子一樣淺？

普朗克衛星繪制的高分辨率CMB圖表明，暴漲中宇宙膨脹獲得越來越快的速度，這一點類似于一個球從一口倒扣在桌子上的碗底沿著外緣滾下來。這樣一來，現有的暴漲模型中，大概70%就可能要被淘汰了。

不過，那個最大的問題依然懸而未決，即“為什么會發生暴漲？”這就好比我們看到了一樁罪行已經發生，但要等福爾摩斯來告訴我們這一切是怎么回事。

宇宙“邪惡軸心”真實存在

在CMB圖上，溫度較高的地方叫“熱斑”，溫度較低的區域叫“冷斑”。如果宇宙的各個部分是按照均勻一致的方式暴漲的，那么宇宙在任何方向看起來應該都一樣，熱斑和冷斑的分布也應該是隨機的。但事實上，在更早由“威爾金森各向異性探測器”描繪的CMB圖上，冷熱斑的分布就表現出一定的對稱性，對稱軸被宇宙學家戲稱為“邪惡軸心”。其實，這根軸跟邪惡不邪惡毫無關系，只是宇宙學家開開玩笑。

這樣一根軸的存在已經不可思議，更吊詭的是，這根軸還平行于太陽系所在的平面。包括我國科學家在內的一些人對“邪惡軸心”的真實性高度懷疑，認為它很可能是個假象，是由“威爾金森各向異性探測器”人為制造出來的。他們希望通過普朗克衛星繪制更精確的CMB圖，來把它消除掉。

但結果恰好與他們的愿望相反。普氏CMB圖再次證實了“邪惡軸心”的存在。盡管新描繪的“邪惡軸心”已經不完全與太陽系所在平面平行，但它到底是怎么來的，仍然需要一個解釋。

此外，在威氏CMB圖中，有一個大冷斑。在普氏CMB圖中，這個冷斑依然存在。這可能是存在另一個宇宙的證據。有一種理論認為，宇宙可以不斷地冒出來。一些宇宙學家認為，這個大冷斑就是我們的宇宙跟另一個宇宙相撞留下的“傷痕”。

宇宙最終結局是“大撕裂”

普氏CMB圖還提供了關于宇宙未來演化的線索。它送給宇宙學家的一份厚禮是宇宙膨脹速度的一個新數據。

宇宙膨脹速度是用一個叫“哈勃常數”的參數來衡量的。普朗克衛星發射之前，這個數據是通過造父變星得到的。造父變星是宇宙中一類明亮、且亮度呈周期性變化的天體。根據造父變星亮度的周期性變化可以確定星團、星系的距離，因此造父變星被譽為“量天尺”。正是通過比較宇宙現在的膨脹速度跟往回追溯不太遙遠的過去的膨脹速度，天文學家宣稱宇宙在加速膨脹（用膨脹加速度來衡量），并把加速膨脹的背后推手歸因于一種叫“暗能量”的東西。

普氏CMB圖則可以讓宇宙學家推演出宇宙早期的膨脹速度及膨脹加速度。這樣，我們就有了兩個膨脹加速度的值，一個是從現在的宇宙計算出來的，另一個是從早期宇宙計算出來的。

主流理論認為，宇宙加速膨脹的加速度應該是個常數，所以這兩個加速度值應該基本一致。但現在的情況是兩個加速度并非一致。一個可能的解釋是，暗能量的密度隨著時間的推移而變大。如果是這樣，那么今后宇宙膨脹還會不停加速，最后宇宙將面臨“大撕裂”的結局：所有星系團被撕裂成星系，星系被撕裂成恒星……最后，原子被撕裂成原子核和電子，原子核繼續被撕裂，直至變成基本粒子。

此外，反映宇宙膨脹速度的哈勃常數也根據普朗克衛星的最新測量結果做了修正。宇宙年齡與哈勃常數密切相關，修正之后的哈勃常數意味著宇宙年齡約為138.2億年，不再是原先的約137億年。

不存在第四類中微子

普朗克衛星還“干掉”了設想中的第四類中微子。

人類目前已知中微子有三類：電子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子。早先的威氏CMB圖表明，宇宙比我們想像的要均勻得多。宇宙學家在理論上引入第四類中微子來解釋這一現象。這類中微子比現有的中微子行動還詭秘，跟普通物質的作用比前三類還弱，這允許它能夠攜帶能量從宇宙的一個地方飛到另一個地方，而不會被普通物質攔截。這樣它就起到攪拌的作用，能讓宇宙中的物質分布變得更加均勻。

但普朗克衛星繪制的最新CMB圖表明，宇宙物質的分布并沒有原先想像的那么均勻，而這個不均勻性用現存的三類中微子就足可解釋。這樣，假設第四類中微子存在就沒必要了。

最后還有一件禮物，可惜暫時還在分析中：普朗克衛星還被設計用來尋找引力波存在的證據。引力波是愛因斯坦廣義相對論所做的一項重要預言，但一直沒有得到驗證。普朗克衛星能否找到引力波存在的證據，結果要過些時候才能出來，讓我們拭目以待。