孫文德

對(duì)于我們的肉眼，繁星就是整個(gè)宇宙。而對(duì)于宇宙學(xué)家，它們不過是閃爍的塵埃，在無限廣袤的空間中無關(guān)緊要的裝飾而已。遠(yuǎn)比這些普通的星體和氣體更讓人難以捉摸的是暗物質(zhì)和暗能量，我們除了知道它們是無處不在的外，其他便一無所知。

這對(duì)幽靈姊妹花的魅力足夠讓我們停下來，仔細(xì)思考一下我們過去幾個(gè)世紀(jì)如此精心構(gòu)建出的宇宙模型是否都是對(duì)的。標(biāo)準(zhǔn)的宇宙論也曾經(jīng)提到過，在宇宙大爆炸之后形成的未知膨脹場(chǎng)和1/3的黑暗中，宇宙空間正逐漸延伸成一條裂縫般的形狀。這一切可能暗示，有其他無數(shù)的多元宇宙在超出我們視線的空間里藏匿著，它們可能是無法想象的外星人。但也正是它們的存在，對(duì)我們宇宙建模的工作是有利的。

我們標(biāo)準(zhǔn)宇宙論的物理基礎(chǔ)是愛因斯坦的廣義相對(duì)論。他的理論開始于一個(gè)簡單的觀察：任何物體的重力質(zhì)量或者慣性質(zhì)量恰恰等于它所受的阻力除以它的加速度。從而他推導(dǎo)出了方程，這些方程可以表述空間是如何被質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)所扭曲，以及我們應(yīng)該如何理解這種重力的彎曲。蘋果之所以會(huì)落向地面，是因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量使得時(shí)空發(fā)生了彎曲。

在相對(duì)低密度的環(huán)境中，比如地球，廣義相對(duì)論和牛頓早期理論所預(yù)示的理論是類似的，認(rèn)為重力作為一種力是可以在物體之間相互傳遞的。而在較強(qiáng)的重力場(chǎng)中，預(yù)言與廣義相對(duì)論卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏離。

廣義相對(duì)論認(rèn)為，具有大的加速度的物體在時(shí)空中所引起的微小漣漪可以成為引力波，然而這種波迄今從未被直接觀察到。一對(duì)在1974年被觀察到的脈沖星彼此正呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)，如果它們?cè)谳椛湟Σǖ耐瑫r(shí)逐漸失去能量，它們恰恰應(yīng)該做螺旋運(yùn)動(dòng)。

在宇宙尺度上，引力是最具主導(dǎo)性的自然之力，所以廣義相對(duì)論就成為我們對(duì)一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)的宇宙進(jìn)行建模的最好的工具。但是，它的方程有著令人望而生畏的數(shù)組陣列，相當(dāng)繁復(fù)。如果你給它輸入一組復(fù)雜的數(shù)據(jù)，比如，真實(shí)宇宙中各種混亂的物質(zhì)的質(zhì)量和能量分布，那么方程將變得根本無法計(jì)算。為了使宇宙模型可以有效工作，科學(xué)家做了一些簡單的假設(shè)。

最主要的假設(shè)是哥白尼原理，認(rèn)為宇宙與任何一個(gè)地方都是一樣的，它里面的物體是均勻分布的，只不過我們需要用更大的尺度來衡量它而已。這就意味著，我們只需要在愛因斯坦的方程中輸入一個(gè)數(shù)字，那就是宇宙空間的物質(zhì)密度。

第一簡化宇宙模型的欠缺

愛因斯坦的第一簡化宇宙模型是他對(duì)惰性粉塵進(jìn)行了一個(gè)均勻密度的賦值，同時(shí)找出一個(gè)可以在自身重力作用下逐漸收縮的宇宙。他把這作為一個(gè)問題，并且根據(jù)中空的空間自身可以產(chǎn)生恒定的能力密度，不斷地在這個(gè)方程中新增一些項(xiàng)。

那么，它的重力最終會(huì)變?yōu)榕懦饬?，所以正確地添加一些宇宙常數(shù)可以保證宇宙既不會(huì)膨脹也不會(huì)收縮。20世紀(jì)20年代，當(dāng)觀察表明宇宙確實(shí)在膨脹時(shí)，愛因斯坦表示這是他最大的錯(cuò)誤，而這剛好讓其他人可以將相對(duì)論的方程應(yīng)用于膨脹的宇宙中。他們得到了一個(gè)模型：宇宙開始于一個(gè)無法想象密度的初始點(diǎn)，它的膨脹將會(huì)因物質(zhì)的重力而逐漸變得緩慢。

這便是宇宙大爆炸的雛形。那個(gè)時(shí)候，最主要的問題便是這樣的膨脹是否會(huì)走向停止。答案似乎是不會(huì)，在逃離的星系中所含的物質(zhì)太少了。宇宙將會(huì)不斷向外擴(kuò)張，然后宇宙譜開始逐漸被觀察到。早在20世紀(jì)30年代，第一位來自黑暗星空的使者便敲開了我們的大門。但直到70年代，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系旋轉(zhuǎn)得太快時(shí)，它才被完全觀測(cè)到。

根據(jù)廣義相對(duì)論，肉眼可以觀測(cè)到的物體的重力太過弱小，從而無法將整個(gè)星系結(jié)合在一起。天文學(xué)家總結(jié)稱，一定存在不可見的物體提供了額外的引力。而暗物質(zhì)的存在是有其他證據(jù)證明的，比如星系成群結(jié)隊(duì)地運(yùn)動(dòng)，并將光線彎曲從而送給我們。

暗物質(zhì)的身份一直都是未知的，它似乎是一種超越了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的物質(zhì)。但是，它對(duì)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型只產(chǎn)生了非常輕微的影響：在廣義相對(duì)論中，它的引力效應(yīng)與普通物質(zhì)是一樣的，所以即使它的引力如此巨大，對(duì)于阻止宇宙的膨脹仍然很渺小。

看來對(duì)這團(tuán)黑暗物質(zhì)的第二種形式的表述需要更深層次的變革。在20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家通過監(jiān)控1a型超新星的爆炸，已經(jīng)可以非常精細(xì)地追蹤宇宙的擴(kuò)張軌跡。他們指出，宇宙的膨脹是處于加速狀態(tài)的，似乎存在一些貫穿整個(gè)宇宙的排斥力，使得物質(zhì)之間的引力潰不成軍。

宇宙的精確“配方”

這可能是愛因斯坦宇宙常數(shù)的復(fù)興，在真空中的能量可以產(chǎn)生一種排斥力。富有想象力的專家已經(jīng)有了很多想法，比如那些還觀測(cè)不到的粒子所產(chǎn)生的能量場(chǎng)，以及來自不可見宇宙或者其他維度的力。

不管它是什么，暗物質(zhì)似乎是真實(shí)存在的。當(dāng)一顆距今37萬年的原子受到一個(gè)更冷或更熱的點(diǎn)所顯示出的模糊模式的作用（而這個(gè)點(diǎn)就是早期那個(gè)不是十分致密的宇宙），宇宙中的微波背景輻射便釋放了出來。這個(gè)典型點(diǎn)的尺寸可以被用于計(jì)算這個(gè)空間受它內(nèi)部物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)影響變彎曲的程度。所得的結(jié)果似乎都是平坦的，意味著所有引起彎曲的因素都是可以忽略的。這就再一次需要一些附加的排斥能量，來平衡這種膨脹和物體重力引起的彎曲。

以上的一切便給我們提供了一份對(duì)于宇宙的精確“配方”?？臻g中普通物體的平均密度是0.426幺克/平方米（1幺克等于10-24克，0.426幺克相當(dāng)于250個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量），它只是宇宙中全部能量密度的4.5%。

暗物質(zhì)占有22.5%的分量，而暗能量則是剩下的73%。我們有關(guān)大爆炸宇宙模型的建立是基于廣義相對(duì)論與觀測(cè)基礎(chǔ)上的，至少目前我們已經(jīng)拼出了95.5%的宇宙。

正如所論證的那樣，我們必須構(gòu)造出更多的模型。為了解釋為什么宇宙看起來在各個(gè)方向上都是極其均勻的，今天的宇宙學(xué)便涵蓋了一種第三外來元素。當(dāng)宇宙只有10-36秒那么小的時(shí)候，一種壓倒性的力量便開始操控一切。這種膨脹場(chǎng)像暗能量一樣具有排斥的作用，但卻更加有實(shí)力引起宇宙爆炸性的膨脹。它可以壓扁空間，同時(shí)消除一切不合它意的行為。

當(dāng)膨脹告一段落時(shí)，膨脹場(chǎng)便轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射的形式。場(chǎng)中的量子漲落也轉(zhuǎn)變成了密度的細(xì)微變化，這些最終都會(huì)變成宇宙中微波背景的原點(diǎn)，也就是今天的星系。

這么奇妙的故事再一次得到了觀測(cè)事實(shí)的認(rèn)證，與眾多其他概念一起，成為了一種新的解釋。膨脹對(duì)于廣義相對(duì)論來說沒有什么復(fù)雜處理，在數(shù)學(xué)表達(dá)上，只需要在宇宙常數(shù)上添加一個(gè)額外項(xiàng)。但是，這種膨脹場(chǎng)曾經(jīng)一度成為宇宙的全部組成內(nèi)容，它最原始的樣子與暗物質(zhì)和暗能量一樣，仍然是個(gè)謎。

此外，一旦膨脹場(chǎng)開始工作便很難停下來，它將持續(xù)不斷地產(chǎn)生新的“宇宙軍團(tuán)”，并且完全脫離我們的認(rèn)知范圍。對(duì)于大多數(shù)宇宙學(xué)家來說，開始重新思考標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的基本假設(shè)，有關(guān)多元宇宙的預(yù)言是必不可少的。

與此同時(shí)，建立的模型也面臨著觀察上小細(xì)節(jié)的挑戰(zhàn)。模型無法解釋宇宙背景輻射中在一些情況下的可能排列組合，還有為什么沿著確定直線的星系似乎更偏向于左向旋轉(zhuǎn)。最新發(fā)現(xiàn)的40億光年遠(yuǎn)的超銀河結(jié)構(gòu)，也質(zhì)疑了宇宙在大尺度上是均勻平滑的這一假設(shè)。

宇宙中心的黑暗真相

當(dāng)然，這些瑣碎的小細(xì)節(jié)可以隨著測(cè)量數(shù)據(jù)的增多或者計(jì)算上的校正消除掉。但是，更大的問題仍然存在著。哈佛大學(xué)的宇宙學(xué)家羅伯特·科什納說：“我們不知道暗能量是什么，我們也不知道暗物質(zhì)是什么，這確實(shí)有那么一點(diǎn)兒尷尬。”

從愛因斯坦的塵埃填充宇宙論到現(xiàn)在的因添加了更多成分而更符合動(dòng)力學(xué)的宇宙模型，基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型是沒有變化的，它的年代和成分都可以被精確了解到。暗物質(zhì)似乎創(chuàng)造了星系和其他結(jié)構(gòu)，暗能量預(yù)示著宇宙正在加速駛?cè)胍粋€(gè)陰冷孤獨(dú)的未來，膨脹論則暗示著宇宙那段無比震撼的出生方式?！瓣幇等私M”的每一位成員都預(yù)示著新物理學(xué)的誕生。

科什納把這視為挑戰(zhàn)：“這并不意味我們的討論有什么缺陷，它給我們的恰恰是鼓舞而不是失望?！钡灰覀儫o法在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，或者為暗能量提供一個(gè)有說服力的物理基礎(chǔ)，這種深層次的誤解就仍然有存在的可能?；蛟S引力量子理論可以帶我們走得更遠(yuǎn)，又或許一些新的發(fā)現(xiàn)可以幫助我們重新調(diào)整廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)理論。

我們可能需要找到一些替代品來彌補(bǔ)目前觀察到的微弱跡象。一旦我們舍棄了那些關(guān)于現(xiàn)實(shí)的被忽視的假設(shè)，神秘面紗也許就會(huì)被揭開，而所有的黑暗終將會(huì)被驅(qū)逐消散，星空將重新恢復(fù)燦爛奪目的一面。（張小寧插圖）