宇宙大爆炸：后遗症与三大困惑

由于宇宙整体的空间广阔，演化的时间久远，因此精密的宇宙学观测通常要求的技术门槛颇高。例如，理论预测宇宙微波背景（CMB）的平均温度大约是2.7K，也就是略低于零下270摄氏度，可以想象测量宇宙的背景温度是一件多么艰巨的任务，更别提测量背景温度的变化了。不过，在20世纪60年代晚期，普林斯顿的物理学家却发现一个可精准测量背景辐射温度差的聪明方法：只要找出背景辐射强度的改变，并与侦测器的灵敏度比较，就能精准测定背景温度的变化，而不需实际测量温度的值。利用这个方法，他们测出天空中两个方向间的温度差低于1％。这代表背景辐射具备极不寻常的高均向性，而且宇宙里并不存在可扭曲空间膨胀的巨型物质团块。

在发现背景辐射的极高均向性后，宇宙学家开始将宇宙背景的平滑性与近乎完美的均向膨胀，视为难以理解的神秘问题。毕竟，在爱因斯坦场方程式众多的数学解中，只有少数满足宇宙学原理。因此，假如我们要从其中拣选出如此完美均匀的宇宙，概率必然不高。那么该如何解释我们在辐射背景上观测到的高度平滑和均向性呢？这项难解的疑惑被称为大爆炸宇宙学的“均匀性问题”（smoothness problem）。

由于物理信息以固定的有限光速传播，这一事实也指出广阔宇宙的另一项奇异特性。当宇宙年龄为1秒时，光波所能传递的距离是30万公里。从观测者的角度来说，这代表膨胀开始1秒钟后，宇宙视界的大小涵盖半径约15万公里的范畴，其中包含大约10万个太阳质量的物质。因此，在大爆炸后10秒钟，视界只涵盖150万公里的距离，光波也只能影响大约100万个太阳质量左右的物质。但我们实际观测到宇宙的均匀范畴约是此数值的1015倍。

假如我们仰望相隔2度角以上的两块天区，宇宙的年龄并不足以长到可让光波在这两块区域间自由穿梭，因此两者无法互通能量，没有机会达到平衡，温度也就不可能一致。但我们已知整个天空涵盖了一层无比均匀的宇宙微波背景，显示理论计算所得的视界距离违反了天文观测的结果，这就是所谓的宇宙“视界问题”（horizon problem）。(www.xing528.com)

此外，物理学家对于“大统一理论”（Grand Unified Theory）的信念，也为宇宙带来前所未见的新问题：当电磁作用力在早期宇宙统一浮现时，必伴随产生大量的磁单极（magnetic monopole）——那是狄拉克在1931年时所预测存在且具有超大质量的一种新粒子。磁单极只在与其反粒子碰撞时，才会被消灭。不幸的是，磁单极一旦形成，极少有机会遭遇反磁单极，因此宇宙里应该充满了这种奇怪的粒子。由于磁单极对宇宙密度的贡献，大约是全部恒星与星系总和的1026倍，这样的宇宙不可能存在140亿年这么久而不崩塌，也不可能会有读者在这里阅读此文章。这个新粒子所带来的超级大灾难，就是宇宙的“磁单极问题”（monopole problem）。

大爆炸宇宙模型虽然能够成功解释天文学家所观测到的星系退离、微波背景，以及99％以上的元素丰度等现象，但它至少留下了上述的三大问题，以及早先提到的“平坦性问题”等困惑，亟待解决。这提供了各种关于早期宇宙学说兴起的契机。