物理群星
1984 天体与宇宙学

宇宙学标准模型

The Standard Model of Cosmology

五个百分点是我们认得的物质,二十七个是不发光的暗物质,剩下六十八个是让空间加速膨胀的东西。整部宇宙史,六个数字就写完了。

当时的困境

1980 年代初,宇宙学被几个数字夹在中间,怎么摆都不合适。

暴胀理论说空间必须是平的,也就是宇宙的总密度恰好等于临界密度。这个预言很硬,因为它是暴胀机制的直接后果,不是可以调的参数。

可数得到的物质远远不够。 把星系团里的所有质量加起来,包括从引力效应推出的暗物质,也只到临界密度的三分之一上下。

大爆炸核合成又封住了另一头。 宇宙里氘与氦的丰度,取决于火球冷却时有多少质子和中子。观测到的丰度只允许普通物质占临界密度的百分之几——所以那三分之一里的绝大部分,不可能是普通物质。

还有一个更尴尬的矛盾: 按当时的哈勃常数算出的宇宙年龄,比球状星团里最老的恒星还年轻。宇宙比它装着的东西年轻,这显然不行。

最后,如果宇宙真的是开放的(密度低于临界值),那么物质结成今天这些星系所需的原初涨落必须相当大,微波背景上的温度起伏早就该被测到了。可当时一轮又一轮的观测只测出上限,什么也没看见。

每一条都有依据,合在一起却拼不成一幅图。

洞见时刻

皮布尔斯用两篇论文把这幅图拼了出来,中间隔了两年。

1982 年那篇处理暗物质。此前人们大多设想暗物质是中微子那样又轻又快的粒子,但这样的「热」暗物质在早期宇宙里跑得太快,会把小尺度的涨落抹平,结构只能自上而下地从超星系团碎成星系——和观测对不上。皮布尔斯改设它是冷的:粒子运动慢,因此能在小尺度上先结团,星系先形成,再聚成团、聚成超星系团。他还顺手算出了一个可以被证伪的数:微波背景的温度涨落应在十万分之一量级。

关键在于,冷暗物质不带电、不与光子作用,所以它可以在复合之前就开始结团,而普通物质还被辐射压按着动不了。等到宇宙变透明,普通物质掉进暗物质早已挖好的引力势阱里——星系形成的时间表这才对得上。

1984 年那篇处理缺口。皮布尔斯把爱因斯坦请走过的宇宙学常数请了回来:如果空间是平的(暴胀要求),而物质只占三成,那剩下的七成就交给 Λ\Lambda。这一项还顺带解决了年龄问题——有了它,宇宙在膨胀史的中段会走得慢一些,因此比只有物质时更老。

三成冷暗物质加七成宇宙学常数:ΛCDM\Lambda\mathrm{CDM} 这个名字就是这么来的。

诺贝尔奖委员会后来对这两篇论文的评价是:到 1984 年,宇宙学标准模型的全部成分都已就位。

而当时几乎没有人相信那个宇宙学常数。它在方程里躺了十四年,才等到证据。

涟漪效应

此后二十年是一连串验证,而且验证的次序几乎是反过来的——先证实了最不被相信的那一条。

1992 年,COBE 卫星测到了温度涨落,量级正是皮布尔斯 1982 年预言的十万分之一。

1998 年,两个团队用远处的 Ia 型超新星测膨胀史,发现膨胀在加速。那个躺了十四年的 Λ\Lambda 项,以「暗能量」的名义成了观测事实。

1998 年底,一只气球望远镜在南极上空绕飞了十天,2000 年发表的结果第一次量到了第一个声学峰。 这件事的来历要追到 1970 年:皮布尔斯与余算过,复合之前光子与重子是一锅耦合的流体,密度扰动在其中像声波一样传播,因此微波背景的涨落谱上应该有一排周期性的峰;同一年苏尼亚耶夫与泽尔多维奇从另一条路说清了这排峰的物理。峰的角位置直接给出空间的曲率。测出来的位置说:宇宙是平的——当时的精度约一成,此后一路收紧。

2003 年起 WMAP、2013 年起普朗克把整条谱测了下来。 那条曲线与 1970 年那张手算的图摆在一起几乎重合。今天的数字是:普通物质 4.9%、冷暗物质 26.6%、暗能量 68.5%,宇宙年龄 138 亿年——六个自由参数就能同时拟合微波背景、星系巡天、引力透镜与轻元素丰度,这是这个模型最有分量的地方。

一个模型能被这么多互不相干的观测同时钉住,在物理学里并不多见。

如果没有它

抽掉它,宇宙学就退回到 1960 年代那种状态:一门可以争论几十年而无从裁决的学问。今天之所以能说出「宇宙 138 亿岁」并且给出误差棒,是因为有一个参数极少的框架,把彼此独立的观测逼到同一组数字上。

但这个模型最诚实的地方,恰恰是它承认自己不懂什么。

那 26.6% 的暗物质,我们知道它必须在那里、知道它冷、知道它不发光,但地下实验室找了三十多年,一个粒子也没抓到。那 68.5% 的暗能量更糟:如果把它解释成真空能,量子场论给出的估计比观测值大出上百个数量级,这是物理学里最难看的一次理论与观测对不上。

裂缝也已经出现。用微波背景加这个模型推出的膨胀率约为每秒每百万秒差距 67 公里,用近处的造父变星与超新星一级级量上去得到的约 73,两者的误差棒都在缩小,差距却没有消失。这道「哈勃张力」可能意味着某处有未发现的系统误差,也可能意味着这六个数字还不够。

皮布尔斯自己对此的说法是:我们同时拥有一门牢靠的科学,和一堆你随口就能问倒它的简单问题。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.皮布尔斯与余《膨胀宇宙中的原初绝热扰动》,《天体物理学杂志》第 162 卷第 815 页(1970)
  2. 2.苏尼亚耶夫与泽尔多维奇《遗迹辐射的小尺度涨落》,《天体物理与空间科学》第 7 卷第 3 页(1970)
  3. 3.奥斯特里克与皮布尔斯《扁平星系稳定性的数值研究:冷星系能否存活?》,《天体物理学杂志》第 186 卷第 467 页(1973)
  4. 4.皮布尔斯《标度不变原初扰动引起的大尺度背景温度涨落与质量涨落》,《天体物理学杂志》第 263 卷第 L1 页(1982)
  5. 5.皮布尔斯《受暴胀约束的宇宙学模型检验》,《天体物理学杂志》第 284 卷第 439 页(1984)
  6. 6.皮布尔斯与拉特拉《带时变宇宙学「常数」的宇宙学》,《天体物理学杂志》第 325 卷第 L17 页(1988)
  7. 7.斯穆特等《COBE 微差微波辐射计第一年天图中的结构》,《天体物理学杂志》第 396 卷第 L1 页(1992)
  8. 8.德贝尔纳迪斯等《来自宇宙微波背景高分辨率天图的平坦宇宙》,《自然》第 404 卷第 955 页(2000)
  9. 9.普朗克合作组《普朗克 2018 结果(六):宇宙学参数》,《天文学与天体物理学》第 641 卷 A6(2020)