有一些科学家他们的工作永远地改变了我们对宇宙的看法。索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）就是其中之一，他在1998年发现暗能量中起到了核心作用。暗能量是一种无形的能量，在宇宙万物中的比例高达73%，正是它在拉伸空间结构并且导致宇宙在加速膨胀。通过他的开创性研究，这位当时38岁、在美国劳伦斯伯克利国家实验室工作的物理学家彻底颠覆了我们的宇宙模型

David Lindley　文　Shea　编译 30年前，《物理学评论D》中的一篇论文彻底地改变了我们对宇宙起源的认识。它证明，来自粒子物理学的新观点暗示宇宙在其诞生之后极短的时间里可能经历了一个高速膨胀的时期。这一被称为暴涨的阶段可以解释我们的宇宙是如何演化出所观测到密度和均匀性的。暴涨不仅成为了宇宙学理论的核心原则，它还意味着任何有抱负的宇宙学家都必须要学习粒子物理学。 [图片说明]：宇宙诞生和演化的时间线。 在20世纪70年代，粒子物理学家开始构建大统一理论（GUT），它认为在超过1015千兆电子伏特的温度或者能量之上电磁力、强核力和弱核力是相同的。在标准的大爆炸模型中，宇宙初始时的高温足以达到大统一的状态。然后，在宇宙年龄大约10-35秒的时候，强核力脱离了仍然统一在一起的弱电力。理论家意识到，这一转变会导致一个与宇宙学观测不符的结果，那就是它会产生大量的孤立磁北极和磁南极，或者称为磁单极。 当时宇宙学中还存在着两个看似无关的问题。第一个是均匀性问题。宇宙膨胀得如此之快以致于今天可观测宇宙中的所有区域都没有足够的时间通过交换物质和能量来使得它们的温度和密度相当。但为什么宇宙到处看起来却或多或少都是相同的呢？ 第二个问题是我们的宇宙看起来几乎是“平直”的——在最大的距离尺度上时空仅具有很小或者没有曲率。但是在宇宙学标准模型中，任何开始时具有微小曲率（或正或负）的宇宙随着自身的膨胀都会和平直时空差得越来越大。在超过100亿年之后还要让宇宙几乎是平直的就犹如让一支铅笔永远用笔尖保持平衡一样困难。 1979年底，当时在美国斯坦福直线加速器中心的艾伦·古斯（Alan Guth）意识到，他和他的同事最近所给出的一个磁单极问题的解决方案也能解决这两个主要问题。这个解涉及到GUT的一个要素，被称为希格斯场。希格斯场弥漫于整个空间中。随着宇宙膨胀冷却，当希格斯场从一个值转变成另一个值时，强核力就与其他力分离了开。为了解决磁单极问题，之前同在美国康奈尔大学的古斯和亨利·泰（Henry Tye）提出希格斯场不会立即转变而是会在某个错误的值上逗留一段时间。这有点像一个被困在山顶洼地中的小球，它无法滚落到下方的山谷中。一个推迟的希格斯场相变意味着形成较少的磁单极。 [图片说明]：艾伦·古斯。 古斯开始思考推迟相变对于宇宙膨胀意味着什么。当希格斯场处于错误值的时候，它会成为宇宙中占主导的能量。与通常仅包含物质和辐射的宇宙的缓慢膨胀相比，它还具有可以使得宇宙随时间呈指数式膨胀的奇怪特性。 被古斯称为“暴涨”的这一指数式膨胀解决了均匀性问题，因为在早期宇宙中足够小的区域里内部过程会使之变得均匀，随后它就暴涨到了超出我们今天可见的范围。他还证明，暴涨的时间越长，它就会把宇宙铺展得越接近平直。 在他的论文中，古斯承认他的模型存在一个严重的问题。希格斯场不会在空间中的每一个区域完成它的相变，导致一个看上去会和我们所见的宇宙迥然不同的不均匀宇宙。然而就在一年之后，其他人则找到了避免这个问题的方法。 目前在美国芝加哥大学的洛基·科尔布（Rocky Kolb）说，当时只有少数的年轻粒子物理学家开始对宇宙学感兴趣，但是对他而言磁单极问题似乎要比其他的宇宙学问题更为急迫。他说：“当时我们全然不知暴涨最终会变成如此强有力的想法。”但现在暴涨已经成为了宇宙学不可分割的一部分，有望解释包括诸如星系和星系团这样的结构起源等越来越多的问题。 （本文已刊载于《世界科学》2011年第06期） [Physical Review Focus 2011年3月25日] 扩展阅读 检验暴涨 随着普朗克探测器和地面以及气球实验的不断推进，它们对于支配着宇宙大爆炸之后不久的暴涨来说意味着什么呢？      宇宙学中你需要知道的五件事情 你一直在被哈勃定律所困扰吗？一直在为大爆炸而困惑吗？让我们重新审视一下这些问题，寻找这些宇宙学中重大问题的解答……   瓶中的宇宙 物理学家们经常借鉴其他领域的技术。但是从这些技术中你能获得些什么呢？实验桌上的简单实验能为早期宇宙提供新的见解吗？   

Jeffrey Hall　文　Shea　译 和太阳最接近的恒星掌握着我们这颗恒星过去和未来的线索。

Francis Reddy　文　Shea　编译 两年来，费米γ射线空间望远镜一直注视着宇宙中的活动星系、脉冲星、γ射线暴甚至还有量子引力，为我们展现了宇宙最剧烈的一面。 从2008年6月11日发射升空以来，美国宇航局（NASA）的费米γ射线空间望远镜以从未有过的深度把高能宇宙详尽地展现在了世人的面前。它观测了不同年龄的脉冲星、γ射线暴以及几十亿光年远的星系中巨大黑洞的爆发。 [图片说明]：由“费米”第一年的数据制做而成的迄今最深、最锐利的γ射线全天图。它显示的是“费米”上的大面积望远镜（LAT）所探测到的能量大于300兆电子伏或能量高于可见光约1.5亿倍以上的γ射线的分布，颜色越明亮说明γ射线越多。版权：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration。 这些以及其他来自γ射线天空的信号携带了宇宙中最剧烈现象的信息。这些高能量辐射也使得科学家们能够探索宇宙学和基本物理学中的关键问题。这是一次漫长的发现之旅，而我们的行程才刚刚开始。随着“费米”观测的不断积累，我们也在越来越深入宇宙，发现其前所未见的细节。 狂彪的光子 γ射线和射电波、可见光以及X射线属同宗，因为它们都是电磁波谱的一部分。γ射线的波长仅有几万亿分之一米——相当于一个原子的尺度或者更小——因此它在电磁波谱中有着最高的频率和能量。简单地说，γ射线是光的最高能量形式。 [图片说明]：2008年6月11日使用“德尔塔”2型火箭“费米”从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的17-B发射平台升空。版权：United Launch Alliance/Cartetoneallie。 事实上，电磁波谱中γ射线的能量跨度超过了其他部分的总和。科学家们会使用电子伏特来做为光子能量的单位，它的定义是一个电子经过1伏特的电势加速后所获得的动能。可见光的能量落在大约2～3电子伏特之间。牙医用X光大约为60,000电子伏特。即使能量最低的γ射线，其能量是这个数字的2倍，能量更高的甚至可以达到它的数万亿倍以上。幸运的是，大气为地球上的生命遮挡了危险的γ射线。 γ射线天文学的概念则可以追溯到1958年和当时在美国康乃尔大学的理论天体物理学家菲利普·莫里森（Philip Morrison）。他提出可见光——观测天文学的基础——从本质上讲只是次级现象。恒星发光是因为其核心处的核反应所产生的γ射线加热气体所至。其他高能过程中也会产生γ射线，莫里森研究了几种可以发出γ射线的天体。 漫长的成长 虽然莫里森和其他人的研究瞬间激起了天文学家的兴趣，但从太空探测γ射线的早期尝试被证明是非常令人沮丧的。半个世纪后，“费米”在第一年的运转中就发现了1,500个源——相对于以前最佳的情况提高了5倍。然而，始于20世纪60年代的X射线天文学现在已经发现了数万个源。为什么会有这么大的差异呢？ 这其中有两个原因：探测宇宙γ射线源比科学家预期的更为困难，此外早期对源强度的预测也过于乐观。γ射线具有很强的穿透能力。它们可以穿透几厘米厚的铅，因此无法聚焦。任何空间γ射线望远镜的口径就等于探测器自身的大小。让事情更复杂化的是，带电粒子也可以伪装成γ射线信号，空间传感器探测到的带电粒子要远远多于它们实际探测到的γ射线。“费米”上先进的大面积望远镜（LAT）每2分钟也只能大约探测到一个来自船帆座脉冲星——天空中最强的连续γ射线源——的γ射线光子。 “费米”的两台仪器——LAT和γ射线暴监视器（GBM）——代表着目前空间γ射线探测的最高水准。和其他任何卫星相比，它们所能探测到的γ射线能量范围是最宽的，从8,000电子伏特到超过3,000亿电子伏特。这为天文学家提供了一个从未有过的探索极端宇宙的绝佳机会。 那么，它们都看到了些什么呢？ 追寻宇宙γ射线  1900年 法国巴黎高等师范大学的保罗·维拉尔（Paul Willard）发现镭能发出的一种穿透能力比X射线更强的辐射。 1903年 加拿大麦吉尔大学的欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）将维拉尔的发现命名为“γ射线”。 1949年 美国芝加哥大学的恩里科·费米（Enrico Fermi）发表了第一个有关星系磁场如何加速宇宙线——以接近光速运动的电子、正电子和原子核——的定量计算。 1958年 美国康乃尔大学的菲利普·莫里森（Philip Morrison）提出了γ射线天文学的概念。他预言了许多γ射线源，包括超新星爆发和被宇宙射线轰击的星际气体。 20世纪60年代初 NASA的“探险者”11号卫星进行了第一次可靠的宇宙γ射线探测，在9个小时中探测到了22个光子。使用气球和地面大气切伦科夫望远镜的尝试则均未果。 1967-1969年 NASA的轨道太阳天文台-3探测到来自深空的621个γ射线光子。它证实了银河系γ射线辐射来自宇宙线相互作用并且发现了弥漫γ射线背景。 1969年夏 美国空军维拉卫星对秘密核武器试验进行了6年监测。雷·凯尔巴萨贝尔（Ray Klebasabel）在检查维拉卫星1967年7月2日的数据时发现了第一个γ射线爆发。直到1973年这些发现仍属于机密。 1972年 NASA的小型天文卫星-2证实了弥漫γ射线背景。该卫星研究了蟹状星云脉冲星和船帆脉冲星，并发现了一个意料之外的点源，现在确定为X和γ射线脉冲星。 1975-1981年 欧洲的COS-B卫星探测到第一个银河系外γ射线源——类星体3C 273。NASA的高能天体物理天文台-3发现了来自银河系中心的51.1万电子伏特的γ射线。这对应的正好是电子和正电子的湮灭。 1988年 气球实验探测到了超新星1987A新产生的放射性元素的特征γ射线。 1989年 位于美国亚利桑那州霍普金斯山上的惠普尔10米望远镜代表了第二代大气切伦科夫望远镜。该望远镜探测到了来自蟹状星云的稳定γ射线辐射，现在它被用作为这个领域的“标准烛光”。 20世纪90年代初 大气切伦科夫望远镜发现了来自几个耀变体的高能γ射线。 1991-2000年 NASA的康普顿γ射线天文台引发了该领域的革命。它的BATSE仪器探测到了全天超过2700个的γ射线暴，表明它们是遥远星系中的巨大爆发，并证明存在两种类型的γ射线暴——长暴（持续时间超过2秒）和短暴。它携带的EGRET仪器则进行了第一个能量高于50兆电子伏的全天巡天，发现271点源，其中包括6颗脉冲星和66个耀变体。然而，有170个源无法与其他波段已知天体相对应。 1997-2003年 [...]

Olive Heffernan　文　Shea　译 新一代的精密地球模型正在为其第一次“大考”紧锣密鼓地进行准备。但是，增加的复杂性可能会给对未来的气候带来更大的不确定性。

水星恐怕是肉眼可见的行星中最“诡异”的一颗。由于非常靠近太阳，它只会短暂地出现在黎明或者黄昏的霞光之中。在罗马神话中，水星是为诸神报信的使者。现在，这位“信使”正在受到另一个“信使”的探访。

Andrew Grant　文　Shea　编译 黑洞吞噬一切的能力早已为人所知，但也许它们同样也具有创造一切的能力——新的证据表明正是它们为宇宙大爆炸所产生的混沌带来了秩序。 在此，黑洞终于赢得了它们的“尊严”。在被当成是“破坏”之王很长时间以后，科学家们终于开始重新思量黑洞的作用。现在看来，在大爆炸后不久黑洞就出人意料地出现了，而它们的首次亮相也起到了建设性的作用。就在几年前，还没有人能想到这些“怪兽”会出现在早期宇宙中。而现在，科学家们却发现黑洞对于宇宙结构的形成是至关重要的。 [图片说明]：超级计算机模拟的大爆炸后4亿年的一个黑洞。版权：KIPAC/SLAC/M.Alvarez, T. Able和J. Wise。 黑洞——能够以强引力极度弯曲时空进而使得连光线也无法逃脱的天体——以前可没有这样的“好评”。它们曾经被认为是非常罕见的。事实上，爱因斯坦并不相信它们真的存在。但是，在过去的几十年里天文学家已经意识到，黑洞其实很普遍。在几乎每个星系的中心都有一个质量是太阳几百万到几十亿倍的超大质量黑洞。不过，当2003年在宇宙年龄小于10亿年的地方发现了一个巨大的黑洞时，许多人还是为此惊愕不已。从那时起，科学家们就一直在试图找出在这些原初黑洞来自何处以及它们是如何影响随后的宇宙演化的。 2009年8月，一个美国科学家小组对早期宇宙进行了一次超级计算机模拟，为一窥第一代黑洞的“风采”提供了一个诱人的机会。整场“演出”从宇宙大爆炸后2亿年开始，当时宇宙中的第一代恒星已经形成。这些恒星的质量非常巨大，可以达到太阳质量的大约100倍。同时它们也非常具有活力，只需短短数百万年就能烧完它们包含的所有氢。由于氢聚变不再产出可以与其巨大的引力相抗衡的能量，这颗恒星最终就会坍缩成一个密度无穷大的点。 第一代黑洞和我们今天在星系中心看到的超大质量黑洞相比微不足道。而且，由于形成第一代黑洞的恒星都非常活跃会吹散周围的气体，因此一开始它们生长得非常缓慢——在接下去的2亿年里它们的质量只会增加1%。尽管如此，这些中等大小的黑洞却扮演了控制恒星形成的重要角色。落向黑洞的物质所发出的辐射可以把周围的气体加热到大约2,700摄氏度，由此这些气体将很难再聚集形成恒星。 这一超级计算机模拟向世人展现了宇宙婴儿期的样子，但接下去会发生什么？2007年，科学家在宇宙年龄8.4亿年处发现一个质量为太阳10亿倍的超大质量黑洞，这是迄今探测到的最遥远的黑洞。2009年9月另一个科学家小组又在这个黑洞的周围发现了一个有恒星正在形成的大型星系。这些发现多少有些让人费解。因为科学家们认为，在大爆炸之后大约4亿年宇宙中应该到处都是恒星和饥饿的小型黑洞。在5亿年之后，巨型黑洞才会遍及于大型的星系中。为什么局势会如此快地被扭转呢？ 先前的数值模拟中主要关注的是单颗恒星和黑洞，忽略了这些天体之间的相互作用以及它们对早期宇宙中大尺度结构的影响。新的研究表明，第一代黑洞会被高密度的暗物质晕所包围，后者的质量可以达到黑洞自身的数万倍。正是它们构成了原星系，也就是搭建今天看到的星系所需的“积木”。在一个较短的时期内，原星系之间会发生剧烈的碰撞，由此带来的气体和尘埃可以使得其中的黑洞快速生长。在8亿年的时间里一个100个太阳质量的黑洞可以彪升到10亿个太阳质量，而在某些高密度区域这一过程会进行地更快。在这个阶段，黑洞会突然对恒星变得更为“友好”。原星系合并发出的激波会压缩气体，由此可以触发大范围的恒星形成。在非常短的时间内，黑洞会从一个轻量级选手转而变成一个占据星系中心位置的超重量级霸主。 虽然这个想法对为大质量黑洞的形成提供了一个解释，但目前它仍然还停留在理论阶段，尚未被直接的观测证实。因此，理论家们还在改善他们的计算，而其他天文学家则希望利用强大的望远镜来观测更早期的宇宙，来寻找理论家们所预言的这些天体。有理论家甚至表示，如果在宇宙诞生之后5亿年的地方发现了巨型黑洞的话，他们也不会感到惊奇。 哈勃空间望远镜也将参与这一搜索行动。2009年4月在宇宙仅有6.3亿年处发现了一次有可能会导致恒星坍缩成黑洞的爆发。计划于2014年发射的哈勃空间望远镜的继任者詹姆斯·韦布空间望远镜则会把我们的视线带往更古老的宇宙。 不久，天文学家也许就可以直接观察那个宇宙由黑洞主宰而黑洞又会宇宙带来“秩序”的时期。无论是对于理论还是观测天文学而言，那里都是宇宙的最前沿。 （本文已刊载于《世界科学》2010年第5期） [Discover 2009年12月]