第221章 星轨之问（2/2）

“大约150亿年前，”费政老师的声音变得悠远，仿佛在讲述一个古老的神话，“整个宇宙——时间、空间、物质——都聚集在一个极小、极热、密度极高的状态。我们称之为‘奇点’。”

他在点旁边写下“t=0”。

“然后，它开始膨胀。”费政老师说，“不是我们平常理解的爆炸，而是时空本身开始扩张。1929年，哈勃发现星系都在远离我们，而且远离速度与距离成正比——这就是宇宙膨胀的直接证据。”

他在时间轴上向右移动粉笔。

“但随着研究的深入，天文学家发现标准大爆炸模型有些问题。”费政老师停下笔，“比如，为什么宇宙如此均匀？为什么如此平坦？1980年，古斯等人提出了‘暴胀理论’，认为宇宙在极早期经历了指数级膨胀——在极短时间内，宇宙尺寸膨胀了数十个数量级。”

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。”

下课铃就在这时响了。

但没有人动，同学们还沉浸在那“70%”的巨大空缺带来的震撼中。

王强第一个跳起来，几乎是冲上讲台：“老师！那暗物质粒子什么时候能找到？”

“欧洲核子研究中心正在建造大型强子对撞机。”费政老师耐心回答，“如果顺利，本世纪末可能投入运行。那也许是我们寻找暗物质粒子的最好机会。”

“如果找不到呢？”贾永涛也挤了过来，“是不是就证明暗物质不存在？”

“那问题就更复杂了。”费政老师说，“也许需要修改引力理论，比如莫德纳和米尔格罗姆提出的mond理论。但这会带来更多问题。目前主流观点还是倾向于存在暗物质粒子。”

张明举手：“老师，您刚才还提到系外行星？”

“啊，对了！”费政老师像是突然想起什么，脸上露出笑容，“这是最近几年最激动人心的发现。1995年，迈耶和奎洛兹宣布发现了第一颗围绕类太阳恒星飞马座51运行的行星。到现在，已经有好几颗这样的系外行星被发现了。”

“都是像木星那样的气态巨行星吗？”周博问。

“目前发现的大多是‘热木星’——质量大，轨道周期短，距离恒星近。”费政老师点头，“它们的形成机制挑战了基于太阳系的标准理论。但未来，随着观测技术进步，我们一定会发现更多样化的行星系统，也许会有类地行星。”

莉莉眼睛发亮：“那上面会有生命吗？”

“不知道。”费政老师诚实地说，“但如果我们能发现一个拥有液态水、大气适宜的行星……那将是人类历史上最伟大的发现之一。”

同学们的问题像连珠炮似的，一个接一个。

费政老师一一作答，不时在黑板上补充草图或公式。

窗外天色更加阴沉，云层低得仿佛要压到教学楼顶，可教室里却热气腾腾，像是有一团火在燃烧——那是求知欲的火，是对宇宙的好奇之火。

放学铃响了第二次。

盛老师从后门探进头来，秃顶在走廊灯光下亮闪闪的：“费老，还不下课啊？食堂快没菜了！”

费政老师看了眼手表，笑了：“呀，都快十二点半了。”

他转向我们，语气里带着歉意：“同学们，咱们该吃饭了。”

“老师！”王强一把拉住他的教案，动作快得让人猝不及防，“再讲会儿吧！那个超大质量黑洞和类星体是怎么回事？”

“对啊老师！”贾永涛也凑过来，几乎要趴在讲台上，“还有您刚才提到活动星系核的统一模型，什么意思啊？”

张明、周博、肖恩都围了上去，把讲台挤得水泄不通。

朱娜和王梅也拿着笔记本等在旁边，眼神热切。

莉莉拽着晓晓的袖子，激动得直跺脚。

我也挤在人群里，手里攥着写满问题的草稿纸——关于暴胀的细节、关于背景辐射的各向异性、关于星系形成……

费政老师看着我们，无奈又欣慰地摇摇头，他伸手从王强手里抢救回自己的教案，又拍了拍贾永涛的肩膀：“好啦好啦！教案要扯坏了！”

“老师您再讲点儿呗！”贾永涛不肯松手，一副耍赖的模样。

“这样吧——”费政老师妥协了，开始收拾教案和那本厚笔记，“咱们去食堂，一边吃饭一边讲，中吧？我也饿了，听说今天有红烧排骨。”

“好！”我们异口同声，声音大得把走廊里经过的其他班同学吓了一跳。

我们簇拥着费政老师走出教室，像一群刚发现新大陆的探险家。

王强和贾永涛一左一右走在费政老师身边，还在追问暗物质的事。

张明和周博跟在后面，讨论着引力波探测的原理。

肖恩则挤到前面，问起了哈勃空间望远镜的最新发现。

朱娜和王梅拿着笔记本悻悻地跟着。

莉莉拉着晓晓，兴奋地比划着什么。

走廊窗外，天色阴沉如暮。

光秃秃的树枝在北风中狂舞，扭曲成各种怪异的形状。

冬青和松柏的深绿色在灰白背景下显得格外沉静，像是这场风中唯一的定力。

学校的道路干净整洁，昨夜的风已将落叶吹扫干净，落叶都堆积在围墙南侧，露出灰白的水泥地面。