王梅推了推眼镜,轻声说:“那得多快啊……”
“超光速。”费政老师点头,“但这是时空本身的膨胀,不违反相对论。暴胀理论预言宇宙应该是平坦的,而且背景辐射应该几乎各向同性——这两点后来都被观测证实了。”
他继续向右移动粉笔。
“暴胀结束后,宇宙继续膨胀冷却。大约在大爆炸后3分钟,宇宙温度降到约10亿开尔文,氘核得以稳定存在,并迅速引发一系列核聚变,合成了氦-4、氦-3和少量锂-7。”费政老师看向王梅,“这个过程被称为 ‘大爆炸核合成’ ,它产生了宇宙中原初的轻元素。理论预测的丰度,与今天我们观测到的宇宙中轻元素的丰度高度吻合。这是大爆炸理论的第一个关键证据。”
“第二个证据呢?”晓晓轻声问。
“宇宙微波背景辐射。”费政老师说,粉笔停在时间轴上一个位置,“大约30万年后,温度降到约3000开尔文,电子和原子核结合成中性原子,光子开始自由传播。1965年,彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了这种均匀的微波辐射——温度2.7开尔文,遍布整个天空。这是大爆炸的‘余晖’。”
他在黑板上写下“CMB: 2.7K”。
“1992年,”费政老师的声音提高了一些,“COBE卫星首次精确测量了它的黑体谱,并发现了微小的各向异性——十万分之一的温度起伏。这些起伏,正是后来星系、恒星、行星形成的‘种子’。”
张明举手:“老师,那这些起伏是怎么变成星系的?”
“通过引力。”费政老师说,“密度稍高的区域引力更强,会吸引更多物质,就像滚雪球。经过几十亿年,这些微小的涨落逐渐放大,形成了我们今天看到的宇宙大尺度结构——星系、星系团、超星系团。”
他停下来,看着黑板上的时间轴:“所以,宇宙起源于一次炽热致密的大爆炸,经历了暴胀,逐渐冷却,形成了原子、星系、恒星、行星,并且至今仍在膨胀。”
周博追问:“那宇宙会一直膨胀下去吗?”
费政老师顿了顿,表情变得微妙。
“这个问题,”他说,“在1996年的今天,还没有定论。”
他在时间轴的右端画了三个分支:一个向上弯曲,一个向下弯曲,一个直线延伸。
“宇宙的未来取决于它的总质量和能量密度。”费政老师解释,“如果密度超过临界密度,引力最终会战胜膨胀,宇宙将停止膨胀并开始收缩,最终可能坍缩回一个奇点——这叫‘大挤压’。”
“如果密度低于临界密度呢?”肖恩问。
“那么宇宙将永远膨胀下去。”费政老师说,“星系之间的距离会越来越远,恒星会燃烧殆尽,宇宙会变得越来越冷、越来越暗,最终进入‘热寂’状态。”
“那如果密度正好等于临界密度呢?”朱娜认真地记着笔记。
“那么宇宙将处于‘临界’状态。”费政老师画了一条水平的虚线,“膨胀速度会逐渐趋近于零,但永远不会反转。这样的宇宙是‘平坦’的。”
他停下来,看着我们:“而COBE的观测数据暗示——宇宙很可能就是平坦的。”
王强皱着眉头,挠了挠他那头乱发:“可是老师,我们算过啊,能看见的星星、星系,加上气体、尘埃,顶多占临界密度的5%左右。就算加上暗物质——您刚才提到过暗物质——也还差得远啊。”
“问到了关键点。”费政老师赞许地看了王强一眼,“确实,我们能观测到的重子物质——也就是组成你我的普通物质——只占临界密度的不到5%。而通过星系旋转曲线、星系团动力学、引力透镜等观测,我们推断还存在大量暗物质。”
他在黑板上写下“暗物质:≈25%”。
“暗物质不发光,不吸收光,只通过引力与普通物质相互作用。”费政老师解释,“它的本质是什么?我们不知道。可能是某种弱相互作用大质量粒子,简称WIMP;也可能是其他新奇粒子。这是当前物理学最大的谜题之一。”
“那加上暗物质呢?”贾永涛追问,“够了吗?”
费政老师摇摇头:“即使加上暗物质,也只占临界密度的30%左右。还差70%。”
教室里安静下来。
窗外风声似乎更响了,吹得窗户咯咯作响。
“那剩下的70%……”晓晓轻声说,声音几乎被风声淹没。
费政老师沉默了几秒钟,然后缓缓开口:“有一些理论家在讨论各种可能性。也许是爱因斯坦当年引入又抛弃的‘宇宙学常数’,也许是一种随时间演变的‘精质场’,也许……我们现在的理论根本不对,需要全新的物理。”
他没有在黑板上写下任何字,只是用粉笔在“暗物质”后面画了一个大大的问号。
“要回答这个问题,需要更多的观测,更精确的数据,也许还需要新一代的物理理论。”费政老师放下粉笔,拍了拍手上的灰,“而这,正是你们这一代人可能会参与解决的难题。”
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