标准模型或成宇宙学发展桎梏

2013年04月01日作者：段歆涔来源：中国科学报

普朗克拍下宇宙高清“婴儿照” 标准模型或成宇宙学发展桎梏

标准模型的6个参数几乎完全符合宇宙微波背景下不同温度波动的分布。

图片来源：ESA、THE PLANCK COLLABORATION

■本报实习生段歆涔

新闻有时候隐藏在科学家没说的话里。研究人员日前发布了一张最佳的宇宙微波背景图，宇宙大爆炸在图中就如斑驳的晚霞一般。欧洲空间局（ESA）普朗克探测器收集的数据验证了宇宙学家关于宇宙成因与组成物质的标准模型的正确性。但是一些科学家原本希望普朗克探测器能揭示一些标准模型所不能解释的概念死角，并为从更深层次理解宇宙提供线索。遗憾的是，普朗克探测器未能发现这些。

一些宇宙学家担忧，宇宙学研究可能正受困于一种可以解释所有测量结果但却留下更大无法回答问题的理论。粒子物理学家已经饱受这种折磨达30年之久，他们的标准模型可以解释通过核粒子加速器发现的任何事物，包括最新发现的希格斯玻色子，但却无法回答更重要的概念问题。美国麻省理工学院（MIT）的宇宙学家Max Tegmark说：“标准模型的弊端已经困扰粒子物理学几十年，现在轮到宇宙学了。”

根据宇宙学标准模型的描述，宇宙在一次大爆炸中诞生，就像一碗浓稠的热汤般由物质与能量组成。在最初的10-30秒内，空间的扩展速度大于光速。这种“膨胀”速度呈几何级地将空间“拉平”得如绷紧的床单一般。同一时刻，空间的扩展还放大了原始空间中微小量子的波动，这种波动最终促使星系形成。另外，量子的波动还造成宇宙微波背景中温度的差异，这一现象已被于2009年发射的普朗克探测器精确地捕捉到。

通过研究宇宙微波背景以及利用其他测量手段，宇宙学家能够推测出宇宙的组成物质。普朗克探测器对这些测量方法进行了改进，尤其是对美国宇航局（NASA）于2001年发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的改进（该探测器于2001年至2010年间收集数据）。根据普朗克的数据，宇宙是由4.9%的普通物质，26.8%神秘的暗物质（通过它的引力作用各星系才能联系在一起），以及68.3%奇异的暗能量组成。宇宙已经诞生138亿年，这比WMAP的数据还要早1亿年。英国剑桥大学宇宙学家，同时也是普朗克研究小组成员的George Efstathiou于3月21日在法国巴黎ESA总部召开的一场新闻简报会上报告称，宇宙中有层次地存在着许多大小不一的“热点”与“冷点”，标准的宇宙学对于这些点的密钥分布推断得近乎完美。这一事实令人震惊，因为点对点理论仅有6个可调参数。

更重要的一点Efstathiou在报告中并没有提到。实际上，科学家将许多希望寄托于普朗克探测器上。例如，宇宙微波背景中温度的差异也许并非是随机分布的，或者推断的波动密度排列也许缺少一种独特的统计学特性。任何一种发现都能将膨胀的简单模型“量子场”论排除掉。但是，凡是标准模型不涉及的数据，Efstathiou在报告中都没有提及。他说：“我们不需要那些数据。”

但数据确实显示了一些特殊信息。Efstathiou也说，从大方面看，出现了一些“异常情况”。例如，南部天空的气温变化较北部更频繁。Tegmark说，这种怪事早已被WMAP发现，并且可以传递一些细节来揭示膨胀是如何开始的。他说：“或许宇宙正尝试着向我们传递某种信息。”

但是，很难去解读这些异常现象。宇宙微波背景中涟漪的产生是一个随机的过程。因此单独解读某一现象只能得到一些有提示性但却无价值的信息，正如你总能把天空上漂浮的某一朵白云看成某种动物一样。马里兰州巴尔的摩市约翰斯·霍普金斯大学的宇宙学家Charles Bennett曾经是WMAP小组的负责人，他说：“如果你手中的数据多到足够将它们按照多种方式重新排列的话，你最终将有所发现。”

许多宇宙学家认为宇宙学研究的前途仍然是光明的。标准理论既没有具体规定什么是暗物质和暗能量，也没有说明宇宙膨胀的方式，因此许多重大问题仍然有待研究。通过对宇宙微波背景的进一步研究，宇宙学家将很快能够对膨胀作出解释。研究人员正着眼于研究微波极化中的漩涡模式，该模式起源于宇宙膨胀过程中产生的重力波。Bennett说，通过研究漩涡模式，科学家可以对宇宙膨胀过程有所了解。

但如果没有那些“发现”的话，宇宙学家将被差强人意的标准模型束缚住手脚，而这一结局已经被预测过了。曾是一名科学记者的新泽西州霍博肯市史蒂文斯理工学院的John Horgan于1996年在他所著的《科学的目的》一书中争论道：宇宙学家和粒子物理学家已不可能再有任何发现了。科学家对Horgan的论点嗤之以鼻，并且在2年后以事实证明了其判断的荒谬性。天文学家于1998年发现宇宙正在以加速度的方式膨胀，这是证明宇宙中存在暗能量的第一份证据。

现在，暗能量是宇宙学标准模型的一部分，但却使标准模型变得更加死板。Horgan说：“科学家努力地为标准模型添砖加瓦使它变得完美，但他们最终会失望的。我不喜欢说我早说过了，但我必须要这么说。”

《中国科学报》 (2013-04-01 第3版国际)