如果我們的宇宙(讓我們只談論這個可見宇宙)在過去曾經更小,你如何才能證明?真正的時光旅行不是一個選項,但你能夠看到過去。
現在,你應該已經習慣於這個事實:當你看到從距離幾十億光年外的恆星上射來的星光時,你看到的是它們在幾十億年前的樣子。你看到的是過去。因此你能夠檢查當時的宇宙是否更小,或者,從到達你處的光線裡尋找線索。
然而,這並不容易,特別是要從我們所看到的宇宙邊遠處理解這些資訊。
解決這個問題的最好方式莫過於先找出我們可以預期什麼,然後再檢查預期與現實是否相符。這就是理論物理學家們的工作(至少,這是他們有時候應該乾的活)。
現在,讓我們在通過望遠鏡觀察之前,先看看我們能夠得到哪些推論。
你回到了熱帶小島的沙灘上。
夜已很深,但你沒有仰望星辰,你小心謹慎地再次確認沙灘上只有你一個人後,開始自言自語,邊說邊想,在大腦裡建立宇宙過去的畫面……「如果宇宙在膨脹,那麼它在過去肯定比現在小。」
「行。」
「而且,如果它在過去比現在要小,那麼它的引力,或者說那時它在時空所造成的彎曲,要比現在更顯著,因為它所有的質量與能量被包含在一個更小的體積裡。」
「不管怎樣,這是愛因斯坦的方程式告訴我們的。」
「好。」
「那個時候,時空開始膨脹,基於某種原因,宇宙開始膨脹了。它一開始很小,非常緻密,充滿了質量與能量,然後,經過一百三十八億年的膨脹,它變成了今天的模樣,有了地球,以及你在你小島上空可以看到的恆星們。」
「如果過去宇宙還小,那就是正確的圖景。」
「當時緻密的是質量還是能量實際上沒有什麼差別,因為質量與能量對於時空的幾何學有著相同的影響。這也是愛因斯坦說的。」
「至此為止,一切都好。」
「現在,如果所有的能量都集中在一個很小的體積裡,那麼肯定有很多摩擦或其他事件發生,早期的宇宙肯定非常熱。」
聽起來還合理?是的,而且你也不是第一次得到這個結論。
接下來,你可以從上面得到兩個推論:
第一個是,那時候的宇宙如此緻密,就算認為那時候所有的光都無法從中穿過也不算可笑。
「光無法從中穿過……唔……那個聽起來就像一道牆……」
的確如此。你是對的。
做得好。
如果宇宙膨脹模型是正確的話,這樣一個地方必須存在。現在,這樣一個地方的確存在。你見過它的表面:臨界最後散射面。它限制了我們所能看到的宇宙。
你所做的一切非常出色。
你剛經歷了一個物理學家夢寐以求的經歷:從純粹的邏輯出發,利用愛因斯坦的方程式和你離開沙灘後所見到的宇宙,你得出一個推論:一道光無法透過的牆應該存在於我們的過去,而且能夠被看見……而且這道牆的確存在。我們已經通過實驗探測到它,你會看到,甚至它已被標記出來。
我理解,讀到這裡,你並沒有覺得自己革命了我們關於宇宙的看法,那是因為你在推理出這道牆之前已經見過它了。你沒有為試圖證實它的存在而花費二十年工夫,早在任何人見到它之前。對於那些搜尋它的人們來說,這道牆被證實存在讓他們欣喜若狂。
如何被證實的呢?
好了,你又開始踱步思索,你意識到一個問題:那道你在當今我們可見宇宙邊緣所見到的牆與你剛才想象出來的牆有些不匹配,是不是?那道真實的牆,我們的望遠鏡所探測到的那道牆,很冷,但它應該是很熱的。
多熱?
有人的確利用愛因斯坦的方程式計算過它應有的溫度。他們的結論是一個比較大的數字:大約3000°c。他們發現,整個宇宙,在我們的宇宙變得透明時,應該有那麼熱。
你在天空中看到的那道牆卻沒那麼熱。
那是個問題。
你有沒有忘了什麼?
你是不是想過,你推斷出存在著一個很熱的過去,是因為有著時空的膨脹,宇宙中可見的部分隨著時間長大,如同你的朋友們在天空裡證實的一樣?那種膨脹會不會對溫度產生影響?
是的,不僅僅是會,而是必定。這改變了一切。
去用一下你廚房裡的烤爐。將它加熱,裡面的空氣變熱了。將火爐關掉,想象這隻烤爐突然膨脹,變成一整幢房子那麼大。它內部的溫度與它在微小體積時相比會大大降低。
美國科學家喬治·伽莫夫(georgegamow)、拉爾夫·阿爾弗(ralphalpher)與羅伯特·赫爾曼(robertherman)在一九四八年就通過計算得出結論,由於宇宙的膨脹,剛才提到的3000°c高溫只有很小一部分遺留下來,從你那道牆上發出,充斥於我們整個可見宇宙。他們所預期的溫度是多少?大概在-260°c到-270°c之間,比絕對零度高3°c到13°c。
一九六五年,在伽莫夫與他的同事們作出猜想的十七年後,兩位美國物理學家亞諾·彭齊亞斯(arnopenzias)和羅伯特·威爾森(robertwilson)在美國貝爾實驗室做著一個特別的工作。他們需要設立一個天線來接收氣球衛星的無線電回聲訊號。這是份簡單的好工作,可是他們卻碰到了一個相當奇怪的障礙,他們在自己的訊號裡一直聽到有種討厭的噪聲。為了消除這一干擾,對得起自己的工資,他們想出各種聰明的辦法檢查,尋找各種可能的工程錯誤,但情況毫無改善。不管他們採用什麼手段,噪聲依然還在,一點都沒有改善。最後實在找不到原因,他們只能懷疑是不是鴿子或其他什麼高飛的鳥類干擾了自己最靈敏的天線。雖然兩人都有很高的學術成就,但每天卻都將自己最多的時間花費在清潔儀器和咒罵那些會飛的動物上。可是噪音毫無改善的跡象,他們最後打電話給自己的理論物理學家朋友們求助。很快,他們便意識到自己就算嘗試一輩子都無法去除這個噪音。他們所聽到的噪聲不是那些飛鳥的禮物,它甚至都不是來自地球的「噪聲」。它是一種訊號。一種溫度的訊號,對應於-270.42°c的溫度。並且它們來自太空,來自所有地方。
伽莫夫、阿爾弗與赫爾曼預言過它們的存在,這是愛因斯坦方程式帶來的推論。它是我們宇宙最後不透光時刻的溫度殘留,一百三十八億年前凍結的留影,那時候我們比現在小許多的宇宙所含的質量與能量如此緻密,以至於光線都無法通過。
彭齊亞斯和威爾森用實驗證實了那個在當時一些科學家看來如此怪誕不經的理論的預言,要知道大爆炸理論名字本身就是當時最著名的教授之一,英國劍橋大學的弗雷德·霍伊爾(fredhoyle)為了嘲笑它而取的。
彭齊亞斯和威爾森在一九七八年獲得了諾貝爾物理學獎。他們發現了位於可見宇宙盡頭的臨界最後散射面所殘餘的熱量。這種輻射,熱大爆炸理論的鐵證之一,被稱為宇宙微波背景輻射。
彭齊亞斯和威爾森證實了大爆炸理論找對了方向。