造物的声音
COBE卫星在结构形成方面是非常先进的,但是这个仪器还是有许多局限性。COBE最显著的缺点是缺少分辨微波背景中波纹的细微结构的能力。COBE的角分辨率只有10度左右,按照天文标准这是非常低的。作为比较,满月的直径约半度。宇宙学家希望在微波天空中的精细结构里找到许多亟待解决的问题的答案。
早期宇宙的波纹是由一种声波产生的。当宇宙还是非常热,温度在几千度的时候,声音在宇宙中回响。现在的太阳表面具有类似的温度且以相似的方式震动。由于COBE的比较低的分辨率,它只能探测到波长非常长的波纹。这些波纹代表了音调很低的声波,是造物的低音符。在这些声波中包含的信息非常重要但十分不详细;它们的声音相当沉闷。
另一方面,宇宙也应产生更高音调的声音,而这更加有趣。声波是以特定的速度传播,例如在空气中大约是每秒300米。在早期的宇宙,声速应该快很多,接近光速。在微波背景产生的时代,宇宙的大约年龄为300,000岁。从大爆炸时声波首次被激发到宇宙微波背景产生的这段时间,声波只传播了约300,000光年。这个波长的震动产生了特殊的“音符”,如同某个乐器的基调。并非巧合,星系超团大约也是这个尺度;它们正是产生于这个宇宙号角的回响中。
早期宇宙的特征波长应该在微波天空的热点和冷点的图案中显现,但是因为波长相当短,它比COBE能分辨的尺度精细很多。事实上,这些声波产生的点的角尺度大约为一度。因此,从COBE开始,开始了研发探测仪器的竞赛,仪器不仅要能探测宇宙的基本音调也要能探测到更高的和声。通过对造物声音进行详细的分析,希望能回答当代宇宙学面临的许多主要问题。声谱所含的信息包括:宇宙含有多少质量,是否存在宇宙学常数,哈勃常数的值是多少,空间是否是弯曲的,以及是否发生过暴胀。
国际上有两项主要的相关实验,美国国家航空和航天局的MAP试验飞船已于2001年发射而欧空局的“普朗克测量者”预计在几年后发射,它们会绘出极高分辨率的天空波纹的详细图案。如果对这些结构的解释是正确的,我们不久将会对上述问题有确定的答案,我们迫切地期待这一天的到来。
同时,相关线索也强有力地暗示了答案将如何揭晓。两项重要的气球试验,BOOMERANG和MAXIMA已经绘出了小片天空图,只比MAP和“普朗克测量者”的分辨率稍微低一点。这些实验还没有给出确定的答案,但是它们指出宇宙的几何是平坦的。这很容易论证。我们知道声音的特征波长具有可测量的特性。我们也知道这些被观测的声波有多远(大约150亿光年)。因此,如果宇宙是平坦的,我们能够推算出这个声波在天空中的角度。如果宇宙是开放的,这个角度会比平坦宇宙中的小;如果宇宙是封闭的,这个角度会大些。而实验结果暗示了宇宙的平坦性。实验的测量结果与前些章讲的加速膨胀都为宇宙学常数的合理性提供了强有力的证据。确定宇宙是平坦的并且在加速的唯一途径是弄清真空能是否存在。
宇宙结构研究揭示的画面似乎与前面讲过的其他线索是一致的,但是我们仍不知道宇宙如何演化成了现在的样子。解答这个深层次的难题依赖于更加深入地理解物质、空间和时间的性质。下一章将对这些性质进行探讨。