宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第24章
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湍流机制的第二个重大问题是，我们对旋转星系的认识发生了根本的改变。直到1974年，天文学家们还认为所有的椭圆星系都在旋转，而且转得越快，形状就越扁。但后来，牛津大学的研究生詹姆斯·宾尼证明，解释椭圆星系的形状为什么是扁平的，并不要求星系必须在旋转。＇13＇这些星系中的大多数恒星都沿着随机的轨道运动，而星系的总体形状是在它产生的过程中形成的。渐渐地，这种想法得到了天文观测支持：许多椭圆星系的旋转速度都太慢了，不足以导致这种扁平的形状，而一些椭圆星系甚至是绕着“错误的”对称轴旋转。这两个进展导致了星系形成自湍流的理论的迅速消亡。事实上，湍流对宇宙膨胀产生的影响太过剧烈，会导致极其严重的不规则性和扭曲，而这恰恰与我们今天观测到的各向同性、均匀的宇宙大相径庭。
畸变的宇宙：从Ⅰ号到Ⅸ号
任何宇宙演化理论的目的，都是试图寻找尽可能简洁的宇宙诞生时的初始条件。当我们将已知的相互作用力置于这些初始条件之上时，世界上一切复杂现象就可以统统冒出来。
——乔治·勒梅特＇14＇
直到1950年，宇宙学研究的主要内容还是那些到处都一样、各个方向的膨胀速率也都相同的宇宙学模型。这叫做“均匀”（到处都一样）和“各向同性”（各个方向都相同）的宇宙。它们是对称性最高的宇宙学模型，也是爱因斯坦方程组最简单也最容易理解的解。时不时地，也会出现另一种类型的宇宙模型，例如由卡斯纳、爱因斯坦和罗森、施特劳斯、托尔曼和哥德尔发现的宇宙模型，或者最先由乔治·勒梅特和伊夫金·栗弗席兹提出的、在各向同性均匀的基础上有一些微小扰动的宇宙模型。然而，这些不同寻常的宇宙模型能被发现纯属偶然。人们并不清楚这样的模型一共有多少种，应该如何进行分门别类。这种状况在1951年的时候发生了改变，当时亚伯拉罕·陶伯（Abraham Taub，1911～1999）完成了一项意义深远的系统性研究，囊括了所有均匀但不是各向同性的宇宙模型。＇15＇无论身处这个宇宙的哪个角落，你都会看到相同的宇宙演化历史。天文学家就像一只独来独往的猫，无论他们身在何处，宇宙的任何角落看起来都差不多。但如果朝着不同的方向看，你就会发现一些不同之处。爱德华·卡斯纳在20世纪20年代发现了第一个这样的宇宙模型，那是其中最简单的一个。可是，这种均匀但不是各向同性的宇宙一共会有多少种呢？
1977年，我在加州大学伯克利分校做博士后研究，当时亚伯拉罕·陶伯（大家都叫他“亚伯”）是数学系广义相对论研究组的组长。我属于天文系，但我会参加陶伯小组的组会和非正式的午间聚餐。对年轻的科学家来说，陶伯相当令人生畏，因为他的知识极为广博，经验极其丰富，而且非常挑剔，从不与人聊家常：你可不能跟他讨论不成熟的想法。他建立了伯克利的计算机实验室，同普林斯顿的冯·诺依曼有合作，也同爱因斯坦和哥德尔有联络；他是震荡波和流体力学的世界级权威；在罗伯特逊的指导下，他于1935年取得了博士学位，因此也是广义相对论和宇宙学领域的专家。他管理的组会秉承了传统的法官审问式风格（inquisitorial style），如果他还有疑问没解决，就从不允许主讲者继续往下讲；在学术讨论中，就连来访的诺贝尔奖得主也被他当作研究生一样对待。起初，他看起来脾气很暴躁，但是渐渐地你会发现，他还挺慈爱的：他对待年轻的学者，就像是一个父亲，管理着一个巨大的家庭，孩子们随时会任性胡闹，要费尽心思使他们步入正轨。
1951年，陶伯发现，早在 1898年时，意大利伟大的几何学家路易吉·比安基（Luigi Bianchi，1856～1928）就已经搞清了所有可能存在的、对任何地方的观测者来说都一样的空间。＇16＇如果不同方向之间存在差别，这些差别也不应该随着地点的变化而变化。比安基的一生都在比萨市的几个优秀的数学研究所中担任教授。他证明，这样的空间只有九种，分别用罗马数字Ⅰ～Ⅸ表述。
图7。2 路易吉·比安基
按照比安基的分类方法，陶伯找到了与膨胀宇宙相符的所有类型的均匀空间。＇17＇罗马式阶梯上陈列着比安基归纳出的Ⅰ号到Ⅸ号的空间类型，从最简单的平坦的欧几里得几何，如卡斯纳的宇宙，到黎曼和罗巴切夫斯基的各向同性的弯曲空间，以及几种新型的并非各向同性的弯曲空间。随着宇宙的膨胀，其中一些空间甚至可以改变曲率的大小：在大部分时间里，它们就像负曲率的“开放”宇宙，但突然之间，又会变成正曲率的空间。又有一些空间，就像哥德尔的宇宙那样，能够旋转，但还有一些空间能以一种扭曲的方式一边旋转一边膨胀。
陶伯没能将所有这些可能性都从爱因斯坦方程组中解出来，但是他将其中一部分解了出来，并且把卡斯纳的宇宙以一种我们前面见过的简洁形式写了下来。直到今天，我们仍然无法从方程组中解出其中最复杂的那个宇宙，但在过去的50年中，几乎所有类型宇宙的总体行为都逐渐得到了定性描述。20世纪60年代，人们对这些“比安基的宇宙”进行了大量研究。直到80年代末期，这种模型才退出了人们关注的焦点。通过研究它，人们可以理解为什么天空中的微波背景辐射是如此地符合各向同性。
比起弗里德曼、勒梅特和德希特的最简单的宇宙，陶伯的各向异性的膨胀宇宙模型要复杂得多，也诡异得多，因为它拥有四个关键性质：
1。剪形畸变
2。旋转
3。存在相对于径向哈勃膨胀的运动
4。曲率各向异性
第一个性质的意思是，拿起一个圆形的球，用手捏它的上下两侧，将它变成鸡蛋的形状。如果说各向同性的膨胀宇宙是由一系列体积增大的圆球所组成的，那么剪形畸变的宇宙就是由一系列体积增大的椭球所组成的（图7。3）。宇宙既要膨胀又要旋转时，也必然会出现剪形畸变（图7。4）。几种性质的综合作用也很容易理解。第三个性质更加微妙。想象一个膨胀的圆球，有一种观察膨胀效应的方法是，从球心沿着半径向外画一条直线。通过测量这些线段的长度，我们就可以推断出宇宙膨胀了多久（图 7。5）。我们倾向于假设我们正在沿着这些虚拟的线段运动（其他星系中的每一个观测者都这么想）。但是我们不能断定，所有天体都随着宇宙的整体膨胀而运动——宇宙学家们将宇宙的总体膨胀称为“哈勃流”。我们所在星系团也许正朝着另外一个方向运动，或者其中存在着大量的随机运动。如果这些背离哈勃膨胀的运动相对缓慢，就像地球围绕太阳转，又和整个太阳系一起围绕银河系中心转那样，或者参与这类运动的物质不太多的话，就不会对宇宙的总体膨胀产生任何可观测效应。但如果这类运动牵扯到大量物质，相比哈勃流的速度又很高的话，就会对宇宙的膨胀产生影响，引起一种剪形畸变。
图7。3 剪应力把球体扭曲成椭球体：（a）没有剪应力时的膨胀，（b）发生了剪形畸变的膨胀
图7。4 旋转对球体的扭曲作用
图7。5 在一个各向同性的膨胀宇宙中，有一个星系相对于总体膨胀还有一个额外的运动
打一个简单的比方就清楚了。假设我们的膨胀宇宙像一个气球的表面，只有两维空间。如果把睡觉的蚂蚁放在气球上，然后把气球吹大，这些蚂蚁就以均等的速度相互远离。蚂蚁们会随着它们的宇宙——气球的表面而膨胀。但是如果蚂蚁清醒过来，随着气球的膨胀开始到处乱爬的话，它们之间就额外产生了一种相对的运动，这种运动不能简单地解释为宇宙的整体膨胀。如果太多的蚂蚁朝着一个地方爬，就会在气球的橡胶表皮上弄出一处凹陷，于是就改变了这个方向的膨胀速率。
我们知道，爱因斯坦理论的精髓在于，物质和能量的运动会改变空间的几何性质，其中包括曲率的大小。在弗里德曼和勒梅特发现的各向同性的简单宇宙中，空间的曲率和膨胀速率一样，都是各向同性的——从每个方向看都相同。还有一类陶伯没有算出来的宇宙，它们的性质完全不同，因为其中的空间曲率也会随着方向的不同而变化。卡斯纳的宇宙是最简单的一种膨胀速率为各向异性的宇宙，但它的空间几何任何时候都是平坦的，所以曲率是各向同性的。实际上这只是一种特殊情况。比安基空间最复杂，在任何时候的膨胀速率和空间曲率都是各向异性的（图7。6）。
图7。6 曲率各向异性的空间，有的方向上看像是一个开放的宇宙，有的方向上看像是一个闭合的宇宙。随着时间的流逝，这些方向上的曲率可以从正变到负，反之亦然
这些新型宇宙的曲率是各向异性的，看起来就像往各向同性的宇宙中加入了引力波。不同强度的引力波朝着不同的方向传播，于是沿着传播的方向产生了不同的曲率。如果又想让这些复杂的事物能够同时存在，又想让宇宙看起来是均匀的，那么就得给宇宙加上了一组很强的限定条件，这就是为什么这种类型的宇宙数量非常少。这个问题最先是由比安基发现的。如果允许宇宙的不同角落看起来并不相同的话，那么这样的情况就有无数多种。陶伯对宇宙进行分门别类，就像艺术家为自己的创造力套上一个画框，又像雕塑家将自己的思想集中表达在一块石头上一样。自发引入的限制能令人全神贯注。
均匀的宇宙和一扇新的观察窗口
世界总是黑暗的，光明只不过是把黑暗隐藏了起来。
——丹尼尔·K。麦基南
我们在上一章说到，一个偶然的发现震惊了世界，那就是早期的炙热宇宙留下的微波背景辐射。微波背景辐射的平均温度大约是 2。7 开，但是普林斯顿的射电天文学家很快发现了一种方法，能够更精确地测定这个温度的大小。想要测出温度的精确数值很困难，因为我们首先需要找到一个绝对准确的参考温度，以便测量时比较两者的大小。今天，测量温度的最先进的方法是将一个人造卫星发射到太空中，但是人造卫星必须携带一小瓶温度约为 2。7 开的液氦以作为参考标准。最后，液氦会全部蒸发掉，这也就限制了实验所能持续的时间。
1967年，戴维·威尔金森（David Wilkinson，1935～2002）和布鲁斯·帕特里奇（Bruce Partridge）应用了一种由罗伯特·迪克发明的精巧电子装置，能够以很高的精度测量天空中两个不同方向之间的温度差别，比测量平均温度的精度高得多。差分测量能够得到很高的精度，是因为不需要测量温度的绝对大小。威尔金森和帕特里奇测量了微波背景辐射的强度变化，在探测器的误差范围内，他们什么结果都没发现。于是，他们证明了天空中不同方向的背景辐射的温度之间的差别小于0。1％：微波背景辐射体现出无与伦比的各向同性，宇宙中的物质结团没有强大到足以让宇宙膨胀产生明显畸变的程度。＇18＇
这个发现令世人皆为惊叹。这说明宇宙膨胀的过程极为符合各向同性；实际上�
