追寻宇宙的曙光

冉浩

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宇宙到现在为止可能已经有137亿年的历史了。按照现在的主流观点，宇宙很可能是在一次爆炸中产生的，在爆炸中，产生了物质、时空以及法则。灼热的宇宙在膨胀中渐渐冷却，形成了今天的宇宙。但是，宇宙形成之初经历了哪些细节我们却不清楚，而这正是科学家极力探寻的。

曾经的故事

严格来讲，我们所看到的星空并非现在的星空，这是一个假象，因为遥远空间的光到达我们的眼睛需要时间，我们看到的是很久以前的宇宙。每秒30万千米是光的速度，而且很可能是虚空中所有平行宇宙的极限速度。光从太阳到达地球，需要约8分钟，我们此刻所看到的其实是8分钟之前的太阳。同样，当我们遥望太空时，望得越远，看到的景象就越古老，可以看到远古星系的形成、发展。

现在，我们已经能看到130亿年前的景象，然而，在宇宙大约50万到10亿岁这个年龄段，我们遇到的却是一片浓得化不开的黑暗。

在130亿年前甚至更早的时候，宇宙中应该存在着物质，为什么我们看不到？那时候发生了什么事情？

地球是宇宙已知物质中一种极特殊的状态，宇宙中绝大多数已知物质都处于一种等离子态，这是除固态、液态和气态之外的物质第四态。太阳本身就是一个灼热的等离子体，宇宙空间中的介质也是等离子态。

等离子态存在的时间能够追溯到宇宙爆炸之初。按照物理学家的推测，在宇宙大爆炸之初，所有的基本粒子都以光速运动着，那时没有原子更没有分子。这些基本粒子中有两类，一类是玻色子，另一类是费米子。前者成为我们今天所说的各种力，即引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力的媒介，后者如电子、夸克等则构成了我们现在世界的基石。

随着宇宙的冷却，一种被称为希格斯玻色子的基本粒子冻结形成了均匀的结构，这种结构阻碍了费米子的运动，使其减速，然后具备了质量，而玻色子则不受影响。这个说法显然让很多人摸不着头脑。为此，英国科学界征集可以让人们理解这件事的比喻，于是有了这样的说法：有一间屋子，政客们均匀地分布在里面，当一个普通人经过时，没人关注他，他没有任何阻碍地通过了；可当首相到来时，这些政客则因为各种原因围拢过来，聚集在首相周围，使首相不得不减速，甚至停下来……

正是这些慢下来的费米子逐渐组合在一起，形成中子、质子直至原子和我们所熟知的物体。如果将空间中的希格斯玻色子撤除，我们身上的电子等粒子就会立刻以光速飞出——这显然不是我们想看到的场面。希格斯玻色子因为是物质构成的基础而被称为“上帝的粒子”。2013年，欧洲大型强子对撞机确认了这种粒子的存在，基本确认了之前科学家对宇宙历史的猜想，证明希格斯玻色子部分构成了我们所说的重力场。2013年度的诺贝尔物理学奖就颁给了在理论上预言希格斯玻色子的科学家。

宇宙在大约50万岁的时候，已经冷却得不能再维持等离子态了，速度变慢的粒子凝聚形成了氢、氦等简单原子，宇宙变得中性了。但是，今天的宇宙却是电离态的，这说明曾经有一个契机使宇宙再次发生了电离。只是这个转变发生时，宇宙正被黑暗掩盖，我们什么都看不见。

希望，21厘米

科学家给出了一个推测：在引力作用下，氢、氦等原子聚合形成了超级大质量的天体，它们也许是恒星，也许是黑洞，但是，这个时候很可能还没有星系。这些天体因为质量巨大，启动了热核反应，转化成等离子体，它们的射线使附近区域的介质电离。宇宙中接二连三地出现这样的天体，就像夜幕降临后逐渐亮起的一盏盏明灯。电离化的区域逐渐扩大，连成一片……可是，无尽的氢原子等介质吸收了这些天体发出的光亮，黑暗使我们无法看到当时的景象。

不过，也并非一丝希望都没有，因为氢原子本身也是可以发光的。氢原子有两个能量状态，当它由高能状态跃迁至低能状态时就会发出一个光子，这个光子的波长是21厘米。当氢原子大量吸收其他光时，自身就会释放出这种光子，当时的宇宙很可能是被这种特殊的光“照亮”的，这是宇宙的黎明。如果我们能够探测到这些21厘米波长的光，我们就有希望“看到”当年宇宙黎明的景象。不过，要探测到这种光难度很大，因为它们到达地球时已经极为微弱，而且能量已经衰减到米级波长——这正是广播电视占用的波段，要想从宇宙辐射以及漫天的节目信号中将它们分离出来，是多么困难！

要找到它们，庞大的搜索设备和强大的计算能力是必需的，为此，世界多个天文台建立了专门的射电望远镜天线阵。目前，已经运行的项目有许多，中国国家天文台的21CMA项目也致力此事。为了避免电磁污染的干扰，21CMA项目的设备安装在新疆天山深处人迹罕至的地方。

科学家开发了众多数据处理方法处理探测项目中每小时TB级的海量数据，可是至今仍没有哪个国家的科学家取得突破性进展。不过，也并非全无收获，比如，科学家发现，对21厘米光子的探测，有希望计算出宇宙最初物质扰动、中微子质量等的大致范围，也能研究暗物质和暗能量的性质。

2013年，美国的团队取得了一些突破，他们没有直接在茫茫宇宙中寻找21厘米光，而是将关注点对准了存在于各个星系中央的超级黑洞。这些超级黑洞在吞噬物质的时候会发出辐射，由于银河外星系背景光的存在，这些超级黑洞看起来会更“暗”一点，或者说它们在望远镜上的成像被背景光干扰了那么一点。以此为突破口，他们计算出了河外星系背景光的情况。他们坚信，21厘米光一定会混在来自河外星系的背景光中，下一步的任务就是将这些光从其中分离出来，虽然这看起来困难重重。

未来接替哈勃望远镜的詹姆斯·韦伯空间望远镜也有望成为完成这一任务的巨大助力，不过这要等到它2018年开始服役的时候。尽管前途可能很艰辛，但所有的科学家都满怀信心，21CMA项目的主持人、天体物理学家武向平院士更是表示：“再过5年的时间，宇宙的‘第一缕曙光一定会被看到，不是我们就是别人。”

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