宇宙学到底玩什麽？ 方励之

2009年夏，台湾国立理论中心和台湾大学梁次震粒子天体物理中心联合举办了一个高强度的暑期学校。主题是宇宙学。整整四天，每天白天上课8小时，傍晚外加讨论。集体吃饭盒，无午休。很像是集训。居然有二百多人从头到尾参加。除了对宇宙起源有神秘感的年轻学生外，给钱的，管钱的，捐钱的也有来的，都想知道：正在成为一门大科学（Big Science）的宇宙学，到底在玩什麽？          在结业式上，主办者陈丕燊教授，要我作一个总结发言。本文就是该发言的通俗简化普及版。希望内行人看物理，外行人看热闹。

两参数年代

现代宇宙学虽然是爱因斯坦早在1917年开创的，但直到1960年代，热衷此道者并不多。没有物理系开设宇宙学课，也没有物理研究所以宇宙学为主题。原因简单，几十年里，宇宙学只有一项观测——哈勃（E.Hubble，1889-1953）的河外星系红移律，它被解释为宇宙膨胀。到1970年，哈勃的嫡传弟子桑德奇(A. R. Sandage，1926- )还宣称，宇宙学就是追求两个数：宇宙膨胀的速率和宇宙膨胀的减速率。一旦两个参数测准了，宇宙学就算完成了[1]。          果真如此，宇宙学很难激起物理学家的研究热情，只能是物理学的一个边缘。          剑桥大学的卢瑟福（(Ernest Rutherford, 1871—1937)有句名言：只有物理学才能算是真正的科学，其他的（学科）都不过是在“集邮”而已。          宇宙学虽然有爱因斯坦为之站台，但比起卢瑟福的研究，确实有差距。卢瑟福的著名工作是用实验证实了原子中有个原子核。上世纪初，原子论刚刚确立，大多数物理学家刚刚接受了“物质是由原子构成的”。但还远远无法直接“看到”原子，更无法看到原子内部。有人说，原子的内部就像一块布丁，软囊囊的，有几个电子嵌在其中；也有人说，原子的内部像一个小太阳系，有个很硬的核，电子绕核转动，像“行星”。原子到底是软还是硬？卢瑟福设计了一个散射实验，检验原子的内部结构模型。他的结果证伪了布丁模型，支持了有核模型。          按卢瑟福的看法，一个学科，如果没有理论模型，没有可检验的预言，没有设计实验去证实或证伪“看不见的”的结构模型，那就还算不上是科学。那种学科里的数据，充其量不过是集邮。          以此衡量宇宙学，哈勃之后，许多物理学家接受了“宇宙膨胀论”，也接受了宇宙年龄是有限的。问题是，早期宇宙“是软还是硬”，是冷还是热？能不能像卢瑟福探测 “看不到的”原子内部那样，探测“看不到的”宇宙早期？ 宇宙现在的年龄是一百三十亿年左右，能不能以实证方法研究宇宙早期的物理状况？如果不能，宇宙学就还没有完全脱离“集邮”水平。          在一百多亿年后的今天，我们真能探知一百多亿年之前发生的事吗？          “能！”伽莫夫（G. Gamow, 1904-1968）答。

“灰烬”学

伽莫夫原是苏联物理学家。早年，他与另外两位年轻的苏联理论物理学家，伊万年科（D. Ivanenko， 1904-1994），和朗道（L. Landau, 1908-1968，1962物理学诺奖获得者），号称“三剑客”。三人一度追求同一位女生。1928年，三人还以剑客风度，合作写了一篇具有宇宙学意义的论文“World constant and limiting transition”， 献给该女生[2]。结局是谁也没追上。随后，“三剑客”分道扬镳了。1933年，伽莫夫叛逃西方。1934年，向卢瑟福借了一笔英镑，买船票，去了美国。          伽莫夫认为，我们能够观测研究宇宙早期。他的论据是，“根据一颗核弹爆炸一百多天后留下来的‘灰烬’，我们就能推知核爆炸最初几个微秒时的物理状态。为什么不能根据大爆炸一百多亿年后留下来的‘灰烬’，推知宇宙最初几小时或几分钟时的物理状态？” 更简单地说，根据你家的炉灰，就能知道你家前几天炉子里烧了什麽。          伽莫夫的这个论证，是基于核弹研究的成果。核弹爆炸的“灰烬”是一些放射性同位素。2009年5月，北韩的秘密核爆后，根据WC-135侦察机在大气里收集到的微量的异样放射性同位素，就断定了该核爆的物理参数。          1940年代末，伽莫夫和他的学生阿尔法（R. Alpher， 1921-2007）根据核物理研究宇宙大爆炸留下的灰烬。他们的结论是，宇宙大爆炸的主要“灰烬”，是轻的化学元素，如重氢（或氘），氦等。他们断言，如果现今的“氢氦比”起源于大爆炸，那末，今天的宇宙温度应是5度（绝对温度）左右。这是第一个宇宙“灰烬”学（学名应是宇宙学的核合成学）的预言。阿尔法-伽莫夫预言所用的物理理论，与核弹的“灰烬”学一样。          在二战期间，伽莫夫并没有参加过核弹制造。因为他年轻时曾是苏联红军，军衔上校，不受美国当局信任。不过，他的朋友特勒（E. Teller, 1908-2003）在曼哈顿项目（Manhattan Project）的物理理论部工作。两人曾有合作。他们出名的一项工作是，伽莫夫-特勒 beta-衰变理论。合作者之间的物理思想的交流，当局想管也管不着。伽莫夫熟知核弹“灰烬”学理论方法。二战后，从核弹制造业下岗的物理学家，有些也转到了宇宙“灰烬”学研究。          可惜，阿尔法-伽莫夫的预言太早了，当时还难于探测天空背景的5度辐射。他们的预言很快被遗忘了。1960年代，普林斯顿的迪克（R. Dicke， 1916-1997)和他的学生重新得到阿尔法-伽莫夫的结论——有宇宙背景温度辐射。迪克不仅专精广义相对论和宇宙学，而且是电磁波探测器的技术专家，他发明的射电度量器， 就命名为迪克度量器。迪克和他的学生打算用他的度量器检验宇宙背景温度辐射预言。可惜，他们晚了半步。仪器还没有装好，贝尔电话公司的A.Penzias和 R.Wilson就宣布，用迪克度量器探到了背景温度辐射。不过，Penzias和 Wilson原本目的并不是验证宇宙“灰烬”学的预言，他们甚至不知道这个预言。Penzias和 Wilson目的是发展低噪声微波天线，为贝尔电话公司的卫星通讯服务。背景温度辐射这个意外的发现，使Penzias和 Wilson不意外地获1978物理诺奖。现在知道宇宙背景温度是2.725度，测量准确到万分之一。宇宙学走向精确化。

醉后狂言天安门

此后不久，1986年夏，国际天文学联合会（IAU）在北京及时地召开了第124届讨论会（IAU-124）。论题是“观测宇宙学”。这是IAU讨论会第一次以此为题。也是国际天文学联合会第一次在北京召开讨论会。          插一个故事，IAU的组织法，像联合国，有会员国制。其中有两个会员国，正式名称分别是：中国南京（China Nanjing），中国台北（China Taipei）。以此称呼台湾海峡两岸政治实体，实数少见。在座的诸位，如果熟悉海峡两岸关系史，就能猜得出来，这种称呼法，是谁的主意？（提示∶在研究过宇宙学的学者圈子里找。）在组织国际会议时，要特别注意正式名称。在致祝酒词时必须说∶“我们`中国南京’宇宙学家欢迎大家来….”          就这样，各国知名的和不知名的宇宙学家们，大都被欢迎来北京了。          8月29日晚，全体与会者，像美国总统尼克松一样，在人民大会堂国宴厅受到顶级的款待（见图1）。一个个禁不住中国酒肉的穿肠过，开始放浪形骸。          宴毕，只见半醒半醉的二百多人，趔趔趄趄地步出希腊廊柱式的人民大会堂，晃晃悠悠地走上世界第一大的天安门广场。可能是秋夜的薰风使酒力大发，一个个狂言不断。有的大呼“排场，真够排场，可比路易十四的镜厅王族宴”，有的喃喃自语“值了，值了，报名费没白交” Sandage则酒后吐真言∶“这次讨论会标志着观测宇宙学真正开始了”。不再提他的两参数宇宙学了。Sandage的真言被不太醉的M. Longair听到了。后者，后来是英国皇家天文学家（Royal Astronomer），即女皇伊丽莎白二世陛下的司天监监正 （他们都在图1中的主桌上）。          第二天，8月30日，会议闭幕，由Langair作总结，他的开场白就引用Sandage的天安门酒后真言“This symposium marks the real beginning of observational cosmology”.[3]。就这样，天安门广场又多了一条光荣━━观测宇宙学的正式诞生地。 图1∶IAU-124“观测宇宙学”讨论会正式晚宴主桌。在北京人民大会堂国宴厅。在座的有（从最靠近画屏的地方数起）：G.Burbidge (美, 基特峰国家天文台主任)，钱学森（中国科协），M.S.Longair (大不列颠女皇陛下“司天监监正”), 吴甘美（中国科协），J.Audouze(法，巴黎天文台台长，后为法国总统密特朗的科学顾问)，A.Sandage（美, 加州理工学院），K.I.Kellerman（美，国家射电天文台台长），G..Setti (意，欧南天文台执行主任)，宋健（国家科委主任），H.Arp（德，马普天体物理研究所），王绶琯（北京天文台台长） V. Rubin (美，暗物质研究开拓者) 等。站立致祝酒辞者是方励之（中国科学技术大学）。

挺进大科学

Sandage的真言的确不假。IAU-124前后，宇宙学开始到处扩张，所到之处，无往不胜。热大爆炸模型预言宇宙中应有什麽，就找到了什麽。          宇宙“灰烬”学预言：氘与氢之比应是十万分之一。如此小的成分，居然由卫星观测证实了。不少人认为，“氘氢比”一项，足具有获物理诺奖资格。可惜，主要贡献者之一，自驾飞机坠毁，失去被提名资格。          又一次，Physical Review Letters （影响指数最高的物理原创论文期刊）发表一篇核实验文章，说电子微中子（大陆译为中微子）的质量是17电子伏。此文立即遭到大爆炸宇宙学的迎头痛击。在大爆炸模型看来，微中子的质量应不超过1电子伏。后来，果然无人能重复那个17电子伏实验。          大爆炸宇宙学又预言，宇宙背景辐射不是完全均匀的，应有十万分之一左右的小起伏，1989年上天的卫星COBE，果然测到了背景温度小起伏。这个结果得到2006物理诺奖（得奖者为J. Mather和 G. Smoot）。          1980年代后，各个基础物理研究所，粒子物理研究所，纷纷成立宇宙学研究室。物理系纷纷开设宇宙学课。支持宇宙学研究的经费（国际合作的，国家的，私人基金会的）迅速增加。宇宙学终于迈进了大科学的门槛。          来宇宙学淘金淘宝的人，愈来愈多了。现在，宇宙学可不是个小店了，倒像是一个超级市场（见图2）。图中的每个徽记，是一个观测或实验宇宙学项目。图中徽记远远不全。观测宇宙学项目也无处不在，有上山的，有钻山洞的，有设在空间站的，有下矿井的，有潜入深海的，有在南极大陆的，还有想去月球的。          每一个徽记都可以写一篇如何在宇宙学淘宝淘金的“侦探”故事。台湾时下流行的D.布朗小说“天使与魔鬼”等，不过就是这类真故事的“再瞎编”。          暗物质，暗能量的故事，可能人人听过了。不讲了。只讲一个“小”故事∶21CMA。 图2，宇宙学超级市场。其中每一个徽记（logo）代表一个已在进行，或将要进行的观测或实验宇宙学项目。

第一缕光在新疆

圣经有言“要有光（Let there be light）”。据说是上帝说的。但是，上帝没有告诉我们什麽时间有了光，也没有告诉我们这第一缕光是什麽颜色（波段）的。          宇宙学常常同上帝玩一样的课题。而且常常比上帝玩得更认真，更仔细，更执著。          大爆炸模型预言，宇宙间的第一缕星光大约出现在宇宙年龄一亿年左右。在地球上可以接收到的第一缕光应是“红移了的21厘米电磁波”。所以，寻找天外来的“红移了的21厘米电磁波”，是当今观测宇宙学的一个前沿，一大热门。这个项目既重要又富有挑战性。          重要性，自不待言，它是再一次检验大爆炸模型的预言。          挑战性，看看下图（图3），就明白了。          目前，世界上至少有四个“寻找红移了的21厘米电磁波”的大项目。其中最小的一个，是21CMA，迄今已用掉数百万美元了。该项目设在中国新疆的西北，在天山脚下。不要轻信“天山颂”唱的诗情画意，那是广告。相反，在21CMA基地，画意也许有，诗情绝无。茫茫高原，远离人间烟火，荒漠，寒冷，单调不变的白色的雪，偶有不良动物出没。长期坚持，等待宇宙第一缕光，即等待一百三十亿年前第一代星发来的信号。这种研究对心理素质的挑战，堪比“长存抱柱信”。足够写一本偷窥宇宙起源的惊险浪漫小说。          我没有去过21CMA的新疆基地（原因不证自明），虽然那里有我的合作者。只能请他们来美国来欧洲或来台湾，报告他们的进展。我在1976年曾参加过一项观测：在北半球监听南半球打雷传来的哨声。也是坚持和等待，略知那种挑战的分量。          更大的挑战是，观测到的信号，是否具有宇宙学价值？抑或只有 “集邮”意义？没有把握。 3∶设在天山脚下的（红移的）21厘米接收天线阵列。其上有10287个对数周期天线。

非标准模型

“大爆炸模型一定对吗？”经常听到外行者如是问。          波尔（N.Bohr, 1885-1962，1922物理学诺奖获得者）强调，在回答一个问题前，先要考察一下问题本身是否有意义（因为任何问题都有预设，有的预设就错了）。          巴基斯坦籍物理学家萨拉姆（A. Salam，1926-1996，1979物理学诺奖获得者）曾说（大意）：物理学的荣光就在于，它常常是从错误的基本原则出发得到正确的结果。例子太多了。牛顿力学的基本原则“绝对时空”，是错的；热为“热质”的基本模型，是错的；电磁波是以太中的弹性波，也不对。波尔原子模型的基本假定，从一开始就不自恰。但经典力学，量热学，电动力学的结果都是正确的，波尔模型算出的谱线波长，也正确。可见，在这里如果问“XXXX一定对吗？”，即要求或黑或白的全称答案，就太初级了，还停留在阴阳论等原始哲学水平。正确一点的问法应当是∶还有那些理论上的不自恰？能不能通过重要的观测检验？还有那些问题尚待解决？以及，那里有smoking gun ？（此词来自一洋典故。在宇宙学文献中已常用。尚无公认汉译。大意是“铁证如山”中的“铁证”。）          在宇宙学界，大爆炸模型被称为标准模型。质疑标准模型，企图建立另类宇宙演化模型的研究，被称为非标准探索。在宇宙学学术会议上，常有非标准模型的报告和讨论。          IAU-124 就设有 “非标准探索”（non-standard approach）专题[3]。IAU-124特别重视非标准模型，因为IAU-124国际组织委员会的主席Burbidge本人就是一位另类模型者。在宇宙学界，F. Hoyle, Burbidge夫妇（Geoffrey和Margeret），及H. Arp，是有名的HB2A四人帮，质疑大爆炸标准模型。其中Hoyle以稳恒态宇宙模型闻名于世。Arp是河外天文学家，他专门寻找反例，为难哈勃及Sandage 的河外星系红移律。          Burbidge等 IAU-124组织者知道，中国在1970，80年代有很强的批判宇宙大爆炸模型的声音。要我推荐一两位大爆炸模型的批判者，邀请他们在“非标准探索”专题上作学术报告，陈述对大爆炸模型的质疑和批判。我推荐了两位∶胡乔木，钱学森。前者未被邀，因为组织者们认为，胡为政治家（中国当时意识形态最高负责人），恐怕做不了学术报告，而IAU会议不提供意识形态讲坛。后来想，如果当时邀了胡先生，而把的他马克思主义宇宙论归为“非标准”一类，将会有怎样的“非标准”事件发生？          组织者给钱学森先生发了邀请。但钱先生没有提出学术报告，也没有发表任何评论。而只出席了吃饭（见图1），坐在Burbidge旁边。可惜，酬酢之际，在座者没有听到他对大爆炸标准模型质疑和批判，也没有听到他对HB2A四人帮非标准观点的评论。          诚如萨拉姆对物理发展所概括的，大爆炸标准模型的一些基本观念有可能被超越。但它的原则和结果，像其他的物理领域的原则和结果一样，已为物理学增添了荣光。          在卢瑟福的意义上，宇宙学已是一门真正的科学。它是当今物理学的主流之一。

2009，12， Tucson

[1] A. Sandage, Cosmology：A Searching for Two Numbers, Physics Today, February, (1970) [2] L. Okun, Physics of Atomic Nulei，65, 1370, (2002) [3] IAU-124讨论会纪录，Observational Cosmology, eds. A. Hewitt, G. Burbidge, Li-Zhi Fang, Reidel，(1987)