劉曉霖/編譯

我們不知道這些暗夜幻影是什么，但看似可以是任何東西

●我們建立的這幅有關宇宙的圖片是極為成功的——可能就是因為宇宙真實的身份大部分被完全偽裝起來了吧。

對于我們的肉眼，繁星就是整個宇宙。而對于宇宙學家，它們不過是閃爍的塵埃，在無限廣袤的空間中無關緊要的裝飾而已。遠遠比這些普通的星體和氣體更讓人難以捉摸的是這兩個實體：暗物質和暗能量。我們除了知道它們是無處不在的，其他的便都一無所知。

這對幽靈姊妹花的魅力足夠讓我們停下來，仔細地思考一下我們過去幾個世紀如此精心構建出的宇宙模型是否都是對的。標準的宇宙論也曾經提到過，在宇宙大爆炸之后形成的未知膨脹場和三分之一的黑暗中，宇宙空間正逐漸延伸成一條裂縫般的形狀。這一切可能暗示著有其他無數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，而也正是它們的存在對我們宇宙建模的工作是有利的。

這些有著舉足輕重分量的幻影對于我們的觀察是否是一種負擔而導致我們無法忍受？——正如馬克·吐溫 （Mark Twain）曾經比喻過，對于一個微不足道的事實卻投入大量的資金批發(fā)回了一大批的猜想。

我們標準宇宙論的物理基礎是愛因斯坦的廣義相對論。他的理論開始于一個簡單的觀察：任何物體的重力質量或者慣性質量恰恰等于它所受的阻力除以它的加速度。從而他推導出了方程，這些方程可以表述空間是如何被質量和運動所扭曲，以及我們應該如何理解這種重力的彎曲。蘋果之所以會落向地面是因為地球的質量使得時空發(fā)生了彎曲。

在相對低比重的環(huán)境中，比如地球，廣義相對論和牛頓早期理論所預示的理論是相類似的，它認為重力作為一種力是可以在物體之間相互傳遞的。而在較強的重力場中，預言與廣義相對論卻出現(xiàn)了嚴重的偏離。

廣義相對論與其所不同的預言是：它認為具有大的加速度的物體在時空中所引起的微小的漣漪可以成為引力波。然而這種波迄今從未被直接觀察到。一對在1974年被觀察到的脈沖星彼此正呈螺旋狀運動，如果它們在輻射引力波的同時逐漸失去能量，那么它們恰恰應該做螺旋運動。

在宇宙尺度上引力是最具主導性的自然之力，所以廣義相對論就成為了我們如何對于一個整體運動的宇宙進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組陣列，相當的繁復。如果你給它輸入一組復雜的數據，比如，真實宇宙中各種混亂的物質它們的質量和能量的分布，那么方程將變得根本無法計算。為了使宇宙模型可以有效的工作，我們做了一些簡單的假設。

最主要的假設是哥白尼原理，它所講的是我們并不是在一個特殊的地方。宇宙與任何一個地方都是一樣的，實際上也確實是這樣。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數字，那就是宇宙空間的物質密度。

他最大的失誤

愛因斯坦的第一簡化宇宙模型是他對惰性粉塵進行了一個均勻密度的賦值，同時找出一個可以在自身重力下逐漸收縮的宇宙。他把這作為一個問題，并且根據中空的空間自身可以產生恒定的能力密度不斷地新增一些項來加入到這個方程中。

那么它的重力最終會變?yōu)榕懦饬?，所以正確地添加一些宇宙常數可以保證宇宙既不會膨脹也不會收縮。而在20世紀20年代，觀察表明宇宙確實在膨脹時，愛因斯坦表示這是他最大的錯誤。而這剛好讓其他人可以將相對論的方程應用于膨脹的宇宙中。他們得到了一個模型，宇宙開始于一個無法想象密度的初始點，而它的膨脹將會因物質的重力而逐漸變的緩慢。

這便是宇宙大爆炸的雛形。那個時候，最主要的問題便是這樣的膨脹是否會走向停止。答案似乎是不會——在逃離的星系中所含的物質太少了。宇宙將會不斷地向外擴張，然后宇宙譜開始逐漸被觀察到。早在20世紀30年代，第一位來自黑暗星空的使者便敲開了我們的大門。然而直到70年代，當天文學家發(fā)現(xiàn)星系旋轉的太快時，它才被完全觀測到。

根據廣義相對論，或者普遍知道的牛頓物理學，肉眼可以觀測到的物體的重力太過于弱小而無法將整個星系結合在一起。天文學家總結稱一定存在不可見的物體提供了額外的結合引力。而暗物質的存在是有其他證據證明的，比如星系如何成群結隊地運動，它們又是如何將光線彎曲從而送達給我們。當然，這也需要它將所有的物質在最初的地方聚集在一起形成星系?？傊滴镔|的存在可能是我們所看到的星體和空氣的5倍以上。

暗物質的身份一直都是未知的。它似乎是一種超越了粒子物理標準模型的物質，所以我們盡最大努力，才可能在地球上發(fā)現(xiàn)或者說創(chuàng)造出一個暗物質顆粒。但是，它對于宇宙學標準模型只產生了非常輕微的影響：它在廣義相對論中的引力效應與普通的物質是一樣的，所以即使它的吸引力如此巨大，對于阻止宇宙的膨脹仍然很渺小。

看來對這團黑暗物質的第二種形式的表述需要更深層次的變革。在20世紀90年代，天文學家們通過監(jiān)控1a型超行星的爆炸尺寸便已經可以非常精細地追蹤宇宙的擴張軌跡。他們指出宇宙的膨脹是處于加速狀態(tài)的。似乎存在一些貫穿著整個宇宙的排斥力，使得物質之間的吸引力潰不成軍。

精確“配方”

這可能是愛因斯坦宇宙常數的復興，在真空中的能量可以產生一種排斥力，雖然粒子物理學極力地想要解釋為什么空間中必然隱藏著相當小的能量密度。所以，富有想象力的專家已經有了很多其他的想法，比如那些還觀測不到的粒子所產生的能量場，以及來自于超出了可見宇宙或者其他維度傳遞出的力。

不管它是什么，暗物質似乎確實是真實存在的。當一顆在大爆炸后距今37萬年的原子受到一個更冷或更熱的點所顯示出的模糊模式的作用，而這個點就是早期那個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。這個典型點的尺寸可以被用于計算這個空間受它內部的物質和運動影響變彎曲的程度。所得的結果似乎都是平坦的，意味著所有這些引起彎曲的因素都是必須被忽略的。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。類似的說辭對于空間中的星系模式也是同樣適用的。

以上的一切便給我們提供了一份對于宇宙的精確“配方”?？臻g中普通物體的平均密度是0.426幺克每平方米（1幺克等于10-24克，0.426幺克相當于大約250質子的質量），它只是宇宙中全部能量密度的4.5%而已。

暗物質占有22.5%的份量，而暗能量則是剩下的73%（見圖表）。我們有關大爆炸宇宙模型的建立是基于廣義相對論與我們的所觀察到的結果非常符合的基礎上的，至少目前我們已經拼出了95.5%的宇宙。

正如所論證的那樣，我們必須構造出更多的模型。為了解釋為什么宇宙看起來在各個方向上都是極其均勻的，今天的共識宇宙學便涵蓋了一種第三外來元素。當宇宙只有10-36秒那么年幼的時候，一種壓倒性的力量便開始操控一切。這種膨脹場像暗能量一樣具有排斥的作用，但卻更加有實力引起宇宙以大于1025因子爆炸性的膨脹，它可以壓扁空間、同時消除一切不合它意的行為。

當膨脹告一段落，膨脹場便轉化成了物質和輻射的形式。場中的量子漲落也轉變成了密度的細微變化，這些最終都會變成宇宙中微波背景的原點，也就是今天的星系。

這么奇妙的故事再一次得到了所觀察到的結果的認證，與眾多其他的概念一起，成為了一種新的解釋。膨脹對于廣義相對論來說沒有什么麻煩的處理——在數學表達上，只是需要在宇宙常數上添加一個額外項。但是，曾經這種膨脹場一度成為了宇宙的全部組成內容，它最原始的樣子與暗物質和暗能量一樣，仍然是個迷。

此外，一旦膨脹場開始工作便很難停下來：它將持續(xù)不斷地產生新的“宇宙軍團”而完全脫離我們的認知范圍。對于大多數的宇宙學家來說，開始重新思考標準宇宙學的基本假設，有關多元宇宙的預言是顯而易見和必不可少的。

同時建立的模型也面臨著觀察上小細節(jié)的挑戰(zhàn)。大爆炸產生的鋰-7理論上要比實際在宇宙中檢測到的含量多得多。模型也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。最新發(fā)現(xiàn)的40億光年遠的超銀河結構，也質疑了有關宇宙在大尺度上是均勻平滑的這一假設。

“陰暗三人組”

當然，這些瑣碎的小細節(jié)可以隨著測量數據的增多或者計算上的校正消除掉。但是，更大的問題仍然存在著。哈佛大學的宇宙學家羅伯特·科什納（Robert Kirshner）說過：“我們不知道暗能量是什么？我們也不知道暗物質是什么？這確實有那么一點兒尷尬?！彼堑谝粋€揭露暗能量真相的超新星團隊中的一員。

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份而更具符合動力學的宇宙模型，基礎的數學模型是沒有變化的。它的年代和成份都可以被精確地了解到。暗物質似乎創(chuàng)造了星系和其他的結構；暗能量預示著宇宙正在加速駛入一個陰冷孤獨的未來；膨脹論則暗示著宇宙曾經那段無比震撼的出生方式?！瓣幇等私M”的每一位成員都預示著一個新的物理學的誕生。

科什納把這視為一種挑戰(zhàn)：“這并不意味著我們的討論有什么缺陷。它恰恰給了我們鼓舞而不是失望。”但只要我們無法在實驗室里對暗物質進行驗證，或者對暗能量提供一個有說服力的物理基礎，這種深層次的誤解就仍然有存在的可能性——一種未知的未知，一些在我們所建立的宇宙數學模型中最基本的錯誤，然而迄今我們都無法正確描述它們?；蛟S引力量子理論可以帶我們走的更遠？又或許一些新的觀察發(fā)現(xiàn)可以幫助我們重新調整廣義相對論宇宙學理論？

我們可能需要找到一些替代品來彌補目前觀察到的微弱的跡象。但是，可能一旦我們舍棄了那有關于現(xiàn)實的被忽視的假設，神秘面紗或許就會被揭開，而所有的黑暗終將會被驅逐消散，星空將重新恢復燦爛奪目的一面。