极简宇宙史：认知边界的扩张
美剧爱好者一定知道那部蝉联收视榜首长达10年的剧—— The Big Bang Theory，中文翻译为《生活大爆炸》。该剧讲述了一群钻牛角尖但又非常可爱的科学家的生活，顺带展示了许多有关宇宙的理论。
科普是一件非常有趣的事情，了解世界才能更好了解自己。仰观宇宙之大，方觉一人之渺小。面对浩瀚的星河时，你是否会疑问：我们所处的宇宙是什么时候形成的？怎样形成的？未来又会发生怎样的变化？
授课老师： 蔡一夫 中国科学技术大学教授、博士生导师
窥探宇宙的一生
儿时，大家肯定听过这么一个故事：上古时期，宇宙混沌未开，一位叫作盘古的沉睡巨人醒来后发现周围漆黑一团，便拿起斧头将眼前混沌一劈为二，形成了天地。盘古去世后，他的身体化成日月星辰、大江大河，这才有了世间万物……
当然，这只是一个东方神话故事。关于宇宙起源的猜测，有很多版本：一些人以释加牟尼所说的“一切皆为虚幻”为依据，认为宇宙是虚无的，是人的意识在作怪；一些人则认为宇宙一直都存在，没有起点，也没有终点，即“永恒宇宙理论”……
但在各种版本中，最令人信服的也是最科学的说法是，我们的宇宙诞生于大约138亿年前大爆炸的时空创生过程，即“宇宙热大爆炸理论学说”。
在那场大爆炸创生之后，宇宙大概以10的负30次方秒的时间完成一次加速膨胀，这一原初时期的过程被叫作“暴胀”；紧接着，宇宙在相对比较安静的环境下进行各种元素的形成，大概在大爆炸第3分钟～第20分钟时，会有一个原初核合成的过程；之后，宇宙的核会慢慢冷却下来。
宇宙大爆炸38万年后，我们的宇宙还处于婴儿时期，那时它给自己拍了自拍照，叫作“微波背景辐射”。此后，宇宙又经历了一段很长的低沉时期，就是所谓的“黑暗时期”。这与我们的人生十分相似，孩童时期到青少年时期会有一个沉闷的成长阶段，但是这个阶段十分重要，因为正是在这个阶段开始形成宇宙各尺度的密度分布结构。
大概在宇宙大爆炸后的第4亿年，宇宙终于有第一颗恒星被点燃，此后宇宙就经历了一段波澜壮阔的大尺度结构形成的演化过程。时至今日，我们的宇宙才算是进入了第二个加速膨胀的阶段。
宇宙藏宝图
听上去，宇宙的成长与人的成长历程颇为相似。那它和我们小时候听到的那些神话故事又有什么区别呢？宇宙有138亿年的历史，我们该怎么去证明它？
我在中科院高能物理所的一位导师曾经告诉我，理论被提出之后，需要经过实验进行检验、观测。
幸运的是，时至今日，宇宙不仅孕育了星系结构、恒星结构，还孕育出一批具有高等智慧的生命，也就是人类。而人类又恰好掌握了一批科学技术，其中有一种科学技术就是微波探测技术，叫“CMB探测器”。
证明这个宇宙的理论以及在这个宇宙中进行探索，是根据一系列所谓的“宇宙藏宝图”。如果把我们的视野放到足够大的话，就会发现这个宇宙中充满着非常丰富的结构形状，我们把它叫做“大尺度结构”。
有关大尺度结构的一个观测项目叫“2MASS”，大约于上世纪90年代完成。图中位于中间的A区域，对应的就是我们的银河系，左边D区域，是大家所熟悉的侍女座星系。虽然这个尺度并不是很大，但是它足以给我们提供很多宇观尺度上的天文物理信息。
如果把视野再放大一些看：
宇宙呈现出来的是纤维状的结构。侍女座星系、银河系等在这张照片上是闪闪发光的亮点，这些亮点依附着似乎看不见的黑色的区域，并延伸开来。黑色的区域通常被认为是以暗物质为主导的，但这个暗物质到目前为止，我们还没有找到。
我们还可以把视野放更大一些：
能够看到星空中最远的光来自于138亿年前，也就是大爆炸之后38万年时，宇宙给自己做的一张自拍照“微波背景辐射”，这些红红绿绿的区别，展示的就是当时温度的差别。
在科学界，科学家们会经过大量的科学计算，把这张地图进行小小的翻译，最终得到如下所示的数值图：
这张图展现的是，宇宙微波背景辐射所隐藏的功率谱信息。其中，绿色线反映的是微波背景辐射所给出的理论预言，红色小点对应的是观测的数据。在90度的概念处，红色不再是小点，而是一条长长的线，这意味着这个观测的误差会越来越大。
为了了解宇宙，科学家们在不停探索，到目前为止仍有不少科学悬疑。可是，我们为什么要去了解宇宙呢？
早在2000年前，中国伟大的浪漫主义诗人屈原，就为此写了一篇奇文，名叫《天文》。文章第一句就是“遂古之初，谁传道之？”，意思是我们如何探秘宇宙的起源，并考古宇宙早期所经历的演化历史？第二句“上下未形，何由考之”，意思是我们要去理解发生在眼前这个宇宙中的现象，例如，我们所栖息的太空环境中，各个星体结构从何而来？还有一句是“冯翼惟像，何以识之”，意思是能否给出更多理论预言，推动天文和宇宙学及相关观测技术的发展。
由此可见，今天人们对宇宙起源探索思考的方向，与古人对宇宙起源探索思考的方向极其相似。这让我们不禁发问：人类是怎么探索宇宙的？经过这么多代人的探索，人类对宇宙发展情况的了解，又有多少呢？
人类初识现代宇宙学
最近有一部很火的剧叫《安家》，男女主角住所的屋顶上摆着一架望远镜，两人通过望远镜观察星空。这让我不禁想到400多年前，那是望远镜起源的年代。
如上图左上角所示，就是最早应用到天文观测的望远镜复制品。望远镜最早源自欧洲。
1608年，荷兰的一个眼镜商把这个技术拿去申请专利，想通过这个专利发一笔横财。虽然当时欧洲已经有了知识产权的概念，但对知识产权的保护做得并不够到位。所以，当时这一消息不小心被传出后，整个欧洲一片大乱，纷纷抢夺这个专利，因此据闻这位荷兰眼镜商最终并没有真正赚到钱。
1609年，伽利略对眼镜进行了改造，并将其首次应用到天文观测中。伽利略第一次观测的，就是太阳和月亮的运行轨道。这一举动宣告了现代科学中第一门学科的诞生，也即现代天文学。
这是早期西方世界对天文的观测，中国是什么时候开始天文观测的呢？
1616年，意大利科学家利玛窦作为传教士来到中国开始他的大探险。在上海，他认识了当时的中国科学家徐光启，两人建立了非常稳固的中意友谊，利玛窦还将望远镜传授给了徐光启。得到望远镜后，徐光启很快就上交给了当时的国家领导人，也就是明朝最后一个皇帝崇祯帝。望远镜由此在中国发展。
1616年至乾隆年间，中国的经济、贸易、GDP始终是全球第一，但在科技领域相对来说还是落后了一些，并且中国和西方的科技差距越拉越大。
1920年，美国就研发出来了口径大约在2.5米的望远镜，这是当时最大的一个望远镜（上图中的第二张图就是巡天望远镜，这个望远镜的口径就是2.5米，建于20世纪90年代）。到了90年代，美国还向太空发射了哈勃望远镜（上图所示首行第三张），这个望远镜在人类历史上可谓功不可没，它相当于为人类开启了所谓的“上帝视角”，去观看整个宇宙的演化及各种天文现象。
美国的夏威夷岛有一座山叫作Mauna Kea，是当地的土著神山，同时也是天文观测的圣地。西方国家在那里建造了两个口径在10米级的凯克望远镜，两个望远镜做得几乎一模一样（上图左下角）。
新中国成立后，开始在科学技术上穷追猛赶，特别是近些年在贵州平塘镇落成的500米口径的望远镜“FAST”，这是目前世界上单口径最大的射电望远镜（上图所示右下角）。
宇宙时空当中穿梭最快的物体是什么？是光。光的速度在任何一个真空环境下不变，而且没有任何东西能够比光跑得快。
白天，我们享受阳光温暖的照射，我们所感受的温暖，实际上是来自于8分钟之前太阳表面逃离出来的光。光从地球的表面或者从太阳往外走，需要花费大约1个小时走完太阳系的内圈，也就是八大行星体系。
把视角放大一些，假设我们在穿越大约4.24年之后，这个光就会走到离太阳系最近的一颗恒星，也即比邻星。在比邻星那里有几颗行星被称之为类地的系外行星。如果把视角放更大一些，就会发现太阳系附近有各种各样类似于太阳系的恒星环境。
在1920年之前，人类曾经以为银河系就是整个宇宙，但1920年-1924年期间，美国科学家哈勃用当时最大的望远镜，观测到以前以为是在银河系中离散的仙女座星云，尺度距离比银河系还大。由此确定在银河系之外，也有其他的“河外星系”。于是我们视野变得越来越大，最后发展到，在望远镜的辅助下，可观测宇宙的直径范围大约有910亿光年。
但910亿光年就是宇宙的尽头吗？当然不是。我们所感受到的每一束来自太阳的光，都发生在8分钟之前，我们看到最远的光来自于138亿年前。而宇宙空间的尽头就是时间的开始，也就是宇宙的起源。
宇宙的起源
宇宙在大约138亿年前的大爆炸中，不仅释放了难以想象的能量，时间和空间也从此慢慢展开。在那之后，宇宙大概以10的负30次方秒的时间完成一次加速膨胀，我们把它叫作“暴胀”。
这个暴胀的过程是如何实现的？在这个过程中又有哪些重要的理论预言可以被实验观测？
如果把宇宙类比成一个小球，这个小球就是宇宙暴胀的物质场，如图曲线所示就是当时宇宙爆炸的过程。
但无论是热大爆炸还是暴胀宇宙起源，都面临一个问题——宇宙在创生的时候来自于一个时空起点，也可以叫作奇点，这个奇点在传统观念中是不可被理解、被接受的。于是有人就提出了其他的起源可能，比如，反弹宇宙。
反弹宇宙的观点认为，我们的宇宙的确经历了138亿年的热膨胀历史，但在那之前并不是来自于大爆炸奇点，而是来自于另一个宇宙。那个宇宙是收缩过来的，并且与我们今天的宇宙进行了一个时间上的衔接。
如图所示就是我们今天的宇宙微波背景辐射上的温度涟漪，这个结果和暴胀的起源是非常相似的。
经历138亿年后，宇宙孕育了生命，其中目前已知最为关键的生命体就是人类。我们人类的生命与循环是什么？答案是碳氢氧循环。
碳氢氧循环的背后是电磁相互作用，在对电磁相互作用的认知基础上，人类掌握了基于电磁相互作用的一系列技术，其中一个技术就是微波技术。
微波技术离我们的日常生活非常近。最常见的微波炉，其分子加热原理就是微波技术。只不过，当我们把同样的技术，拿去接收宇宙自婴儿时期遗留下来的微波信号，就一下子变得非凡了，也因此才看到138亿年前宇宙的自拍照。
可能会有人问：自拍照是怎么来的？其实，宇宙大爆炸之后的温度非常高，所有的粒子都处于一个 “基本粒子”的形态，这些“基本粒子”都会不停地去碰撞，然后弹开，接着再碰撞再弹开。如此反复，使得当时的宇宙就像一锅沸腾的热粥，“粥”里有“莲子”，有“各种配方”。
之后，由于宇宙膨胀推动时空展开时是需要能量的，由此宇宙的温度开始慢慢冷却下来。当到达3000摄氏度左右时，这一过程中“基本粒子”冷却凝固成常见的非相对论粒子状态，并慢慢形成密度涨落结构。其中有一些粒子是电子和光子，在参与电磁相互作用时，电子和质子相互捕获形成“中性氢”，中性氢的形成又让宇宙变成了中性的结构。在这时候，光子可以自由穿梭，一直穿梭到整个宇宙的时空尺度，直到今天我们人类能够去捕获这个信息。
（宇宙婴儿时期的自拍照）
上世纪四五十年代，一批宇宙学家通过理论计算，推算出了宇宙微波背景辐射，并提出了一个新的宇宙观：宇宙是一个有温度的宇宙。这个宇宙温度从当时演化到今天大约是零下270摄氏度。
这期间有一个非常有趣的小插曲。当时没有计算机，宇宙学家们做理论计算非常不容易。但在他们费了九牛二虎之力得出计算结果后，又需要向政府申请基金以做实验支持。而当时正值二战结束，全世界尤其是欧洲政府，没有经济条件慷慨地支持科学家的这些实验。
但也有幸运儿。美国普林斯顿大学一位叫James Peebles的宇宙学家和他的导师Robert Dicke，非常幸运地申请到了一笔可观的经费。在两人摩拳擦掌进行实验的时候，他们办公室的门被另外两个年轻人敲开，这两个年轻人一个叫Arno Penzias，另一个叫Robert Wilson。
这两位年轻人是受聘于贝尔实验室的无线电工程师（贝尔实验室就是如今美国AT&T公司的前身）。之所以找上James Peebles和Robert Dicke，是因为他们在拿无线电接收器去做远程电话设计时，发现无论怎样调整无线电，背景里总是有一个非常稳定的噪声。刚开始他们以为是有鸟在接收器里筑巢，但将接收器清理干净后，噪声仍然稳定存在。
这个现象让James Peebles和Robert Dick大为吃惊。在把他们的数据拿过来进行分析后，两位科学家发现，原本自己要做的实验，竟然被这两位无线电工程师误打误撞，提前发现了宇宙微波背景辐射的存在，从而证明了宇宙的温度变化。
实际上，宇宙微波背景辐射离我们的生活很近。无论是黑白电视还是彩色电视，背后都有一个电子发射器的晶体管，在没有任何信号的时候打开电视，都能看见一片黑白相间的雪花屏，这个雪花屏当中就有一部分的信号是来自于宇宙微波背景辐射。
由于这两位无线电工程师发现了宇宙微波背景辐射，所以在1978年，他们被授予了诺贝尔物理学奖。许多人还特别为James Peebles扼腕叹息，认为他错过了一次完美的诺奖成就。
到了1989年，美国NASA发射人类历史上第一颗宇宙微波背景辐射探测卫星“科比卫星”。这颗卫星在1992年的时候公布了一个数据（如上图左上角所示），可以看到这个温度上面会有一些涟漪，这意味着我们的宇宙是一个有尘埃、有丰富结构的宇宙。
其实James Peebles之前就做了理论计算，并且给出了相应的预言，但可惜的是，2006年诺贝尔物理学奖颁布给了科比卫星的首席科学家John Mather和George Smoot，这一次James Peebles仍旧榜上无名。
直到2019年，James Peebles终于如愿以偿地获得了诺贝尔物理学奖，当时与他一起获奖还有另外两位天文学家Michel Mayor和Didier Queloz。颁奖典礼上，诺奖委员会给出高度评价：“他们的工作帮助我们去理解宇宙的演化，以及我们的宇宙中地球所扮演的角色。”
这个评价意义非凡，但他们担得起。James Peebles以他一生的努力，为我们理解宇宙宏观的结构铺垫了理论基础。Michel和Didier有着“系外行星猎手”之称，率先发现了在太阳系之外还存在着其他的类太阳系环境，且在类太阳系的环境当中，有一些结构和地球相似的行星，从而展现了一个新的宇宙观。
结合这一系列的观测发现，可以认为宇宙存在着一个终极配方，揭示了整个宇宙是组分的拼图：在宇宙微波背景辐射的观测基础上，我们确认了热大爆炸宇宙学理论的正确性，明确目前我们所在的宇宙年龄是138亿年，正处于青壮年时期；了解到宇宙中的重元素占比不到万分之三，还有不到千分之三的看不见的中微子，夜晚所见的恒星所占的比例不到千分之五；知道宇宙大爆炸后38万年时形成了氢元素，后期又形成了一些氦元素，这两大元素在宇宙中总共占了大约4%的比重；发现可见物质在我们的宇宙中所占的比重不到5%，剩下的95%以上都属于黑暗宇宙，其中约有25%是暗物质，剩下的70%左右是“暗能量”……
其中，暗物质的发现尤其值得一提。这一发现最早可以追溯到上世纪30年代，当时一位天体物理学家Fritz Zwicky在比较理论推算和观测结果时发现，我们的宇宙中可能有一些离失的拼图，于是他提出了“暗物质”的概念。但“暗物质”存在的重要证据则是由女天文学家维拉·鲁宾确认的。
当时是上世纪八十年代，没有超级计算机的帮助，维拉·鲁宾没日没夜地长期观测星系运动，然后在草稿纸上不断打点，以确认各个星系在星空中的位置。经过上百万张草稿纸的打点和计算，她分析出，这些星系在旋转时会有一个旋转速度的反常，透过这个反常，她证明了我们的宇宙中存在暗物质。
遗憾的是，直到2016年离世，维拉·鲁宾都没有拿到诺贝尔物理学奖。
微波背景辐射的发现与探测
2009年，欧洲空间局发射了人类历史上第三颗宇宙微波背景辐射卫星“普朗克卫星”，并在2013年开始对外公布相关监测数据。
上图是2018年公布的数据，我们从中可以看出宇宙有温度，有温度涟漪。除此之外，我们还可以深挖到更多信息。例如，大家去电影院看3D电影时要领一个眼镜，这个眼镜实际上是偏振片眼镜。
如果把同样的技术拿来应用到天文学观测，大家会发现戴着偏振片去观测宇宙微波背景辐射，看到的不止是温度涟漪，这上面还存在着偏振的图像。把整个的图像用偏振信息展开以后会发现，原来那些红红蓝蓝的斑点，变成了非常优美的这张图。
这张图中的偏振图像还隐藏着一个非常重要的宝藏，也是宇宙揭秘的一把钥匙——原初引力波。
贯穿整个宇宙有两类极为重要的波动，一个是“物质密度波”，今天我们看到的信息结构和温度涟漪最早的形状就是物质密度波；另一个就是“原初引力波”，原初引力波可以穿透到更早的原初时期，更加接近宇宙起源的一刻。
特别值得一提的是2017年，有30多位国际顶级的天文、宇宙学家和物理学家，包括耳熟能详的史帝芬·霍金以及多位诺贝尔获奖者，在一起对于宇宙的起源发起了一次非常激烈的辩论。
这些人吵完之后达成了一个结论：宇宙微波背景辐射中存在着偏振模式，具体来说一个叫E模式，一个叫B模式。
目前大多数宇宙起源的模型跟E模型的预言比较相近，但在这个层面上我们还没有办法揭开宇宙起源之谜。不过如果能够精确测量到B模型偏振的话，B模型偏振就可以告诉我们宇宙中存在的原初引力波的形状。由于原初引力波的测量会因不同种类的宇宙学模型，导致理论预言出现很大差异，因此，我们可能有机会去揭秘宇宙的起源。
这里给大家看幅画作：
这幅画出自荷兰画家梵高。他用他特有的视角去观察星空，最终作下了这么一幅非常美丽的画。可以看到，这幅画的条纹的流行曲线和宇宙微波背景辐射的偏振图像，有着异曲同工之妙，这是一个非常意外的巧合。或许是因为大自然本身就是一个非常伟大的艺术家。
宇宙微波背景辐射中偏振图如此美丽，在哪些地方可以观测宇宙微波背景辐射呢？
地球上有着70多亿人口，世界的各个角落几乎都有人的存在，这让天文学观测受到了极大的污染。不过，在地球上还是有几个不曾遭受污染的角落，譬如南极、南半球智利的阿塔卡马沙漠、欧洲的格陵兰岛以及被世人誉为“世界屋脊”的西藏。
目前国际上在宇宙微波背景辐射的观测布局中，南极已经被密密麻麻地放上很多望远镜，如BICEP、SPT等；智利也摆满了像ACT、POLARBEAR等望远镜；中国则已经决定在西藏的阿里地区开展相关的观测和项目。
阿里CPT这个项目是人类在北半球探索原初引力波的首次尝试。该项目是在2014年由张新民研究员提出，由中科院高能物理所牵头，国内和国际上都有多家单位参与，包括中国科学技术大学、美国的斯坦福大学等都参与其中，整个项目于2016年底在西藏阿里地区正式启动。
上图左上角的图片中标黄的小点，对应的就是AliCPT所选地点，处于西藏的偏喜马拉雅山脉这一片。中间这张图，是2016年底启动项目时做的一张航拍图，从中可以看到有A1、A2、B1、B4四个点，其中最高的点B1，就是测量原初引力波的台址，海拔高度在5250米。
在过去的近百年里，我们通过宇宙微波背景辐射探测，发现了宇宙是有温度的。而接下来，我们希望在这张藏宝图当中进行一个更深入的发掘，去寻找它中间所隐藏的所谓的偏振信号，去捕获来自于宇宙的原初引力波。
可以说，如今天文学的发展已经带领我们人类进入了一个新的时代。无论是欧美提出的LISA，还是中国提出的天琴、太极，这些科研项目都预示着未来的人类科技是不可想象的。
曾经有人问爱因斯坦“你认为宇宙中最不可理解的是什么？”他回答说：“宇宙中最不可理解的是这个宇宙是可以理解的”，这是非常有趣的一个回答。
而在我看来，宇宙中最不可理解的是，像尘埃一般渺小无助的生命体，譬如我们人类，居然可以通过自身的努力，能够一窥浩瀚宇宙中的一点点奥妙。
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