【現(xiàn)在的主流宇宙學(xué)模型與觀(guān)測(cè)事實(shí)符合得極好，只是必須用到太多不明“真相”的黑暗成分。圖片來(lái)源：deviantart.net】
（文/ Stephen Battersby）對(duì)于我們的眼睛來(lái)說(shuō)，星星即是宇宙。然而對(duì)于宇宙學(xué)家而言，它們不過(guò)是閃爍的塵埃，是宇宙真相中不起眼的點(diǎn)綴而已。有兩樣難以捉摸的東西，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通的星星和氣體，分別被稱(chēng)為暗物質(zhì)和暗能量。我們對(duì)它們一無(wú)所知，只知道它們似乎構(gòu)成了宇宙中的幾乎所有一切。
這對(duì)孿生的幽靈足以讓我們暫時(shí)停下腳步，思量在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，我們仔細(xì)建立的宇宙學(xué)模型是否正確。還不僅于此。我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型還指出，在大爆炸之后的瞬間，空間就被一種未知的東西拉伸成形，這第三種“暗”成分被稱(chēng)為暴脹場(chǎng)。這可能意味著，在我們視線(xiàn)之外還隱藏著無(wú)數(shù)其他宇宙，其中的大多數(shù)另類(lèi)得不可思議——而它們的存在，只是為了讓我們的宇宙模型能夠發(fā)揮作用。
讓我們的觀(guān)測(cè)承載起這些幻影，負(fù)擔(dān)是否太過(guò)于沉重？難道真如馬克·吐溫（Mark Twain）所言，投入一些微不足道的事實(shí)，就能收獲一大堆猜測(cè)不成？
標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的物理基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦出發(fā)點(diǎn)是一個(gè)簡(jiǎn)單的觀(guān)測(cè)事實(shí)：任意物體的引力質(zhì)量完全等同于它的慣性質(zhì)量，也就是它抵御加速度的能力（參見(jiàn)《犧牲愛(ài)因斯坦 顛覆相對(duì)論基石》一文）。由此，他推導(dǎo)出了一組方程，描述質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)如何彎曲空間，以及這種彎曲如何被我們視為引力。蘋(píng)果落地正是因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量彎曲時(shí)空所致。
在地球這種引力相對(duì)較弱的環(huán)境中，廣義相對(duì)論的效果看起來(lái)跟原先牛頓引力理論的預(yù)言非常相似。牛頓理論把引力當(dāng)成一個(gè)作用力，在物體之間瞬間傳遞。然而，在引力場(chǎng)較強(qiáng)的地方，兩者的預(yù)言就會(huì)大相徑庭。廣義相對(duì)論多出了一個(gè)預(yù)言：加速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生微小漣漪，被稱(chēng)為引力波。雖然引力波尚未被直接觀(guān)測(cè)，但1974年發(fā)現(xiàn)的一對(duì)致密脈沖星在相互旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中正在彼此靠近，就好像它們正在發(fā)射引力波，從而損失軌道能量一樣。
引力在宇宙尺度上是自然界的主導(dǎo)力量，因此廣義相對(duì)論就成了我們把宇宙當(dāng)成一個(gè)整體，描述其運(yùn)動(dòng)及演化的最佳工具。但是它的方程極其復(fù)雜，可調(diào)節(jié)的參數(shù)多到讓人發(fā)悚。如果把一套復(fù)雜的參數(shù)代入方程，比如真實(shí)宇宙中質(zhì)量和能量紛繁復(fù)雜的分布細(xì)節(jié)，整套方程就會(huì)變得無(wú)法求解。為了建立一個(gè)有效的宇宙學(xué)模型，我們做了一些簡(jiǎn)化假設(shè)。
最主要的假設(shè)被稱(chēng)為哥白尼原理，即我們所處的位置并無(wú)任何特殊之處。宇宙在任何地方看起來(lái)都應(yīng)該差不多是一樣的——事實(shí)上，當(dāng)我們?cè)谧銐虼蟮某叨壬戏叛弁?，物質(zhì)分布確實(shí)是相當(dāng)均勻的。這意味著，愛(ài)因斯坦方程只需要代入一個(gè)參數(shù)就夠了，那就是宇宙的物質(zhì)密度。
【對(duì)于我們的眼睛來(lái)說(shuō)，星星即是宇宙。然而對(duì)于宇宙學(xué)家而言，它們不過(guò)是閃爍的塵埃，是宇宙真相中不起眼的點(diǎn)綴而已。圖片來(lái)源：NASA】
最大的錯(cuò)誤
愛(ài)因斯坦在他自己建立的第一個(gè)簡(jiǎn)化宇宙模型里填滿(mǎn)了均勻分布的無(wú)碰撞塵埃，結(jié)果這個(gè)宇宙會(huì)在自身引力作用下收縮。他把這種收縮視為一個(gè)問(wèn)題，因此為了避開(kāi)收縮，他在方程中添加了新的一項(xiàng)，使得真空本身獲得了一個(gè)恒定的能量密度。它的作用是排斥，因此加入適量的這種“宇宙學(xué)常數(shù)”，就可以確保宇宙既不膨脹，也不收縮。到了20世紀(jì)20年代，當(dāng)觀(guān)測(cè)表明宇宙確實(shí)正在膨脹時(shí)，愛(ài)因斯坦將他的這個(gè)舉動(dòng)稱(chēng)為是他最大的錯(cuò)誤。
把相對(duì)論方程應(yīng)用于膨脹宇宙的是其他人。他們得到了一個(gè)模型：宇宙始于一個(gè)密度高到難以想象的小點(diǎn)，膨脹速度則在物質(zhì)引力的作用下逐漸放緩。
這就是大爆炸宇宙學(xué)的由來(lái)。當(dāng)時(shí)的主要問(wèn)題在于，宇宙膨脹最終會(huì)不會(huì)停下來(lái)。答案似乎是否定的：宇宙中的物質(zhì)太少，引力不足以束縛住四散逃逸的星系。宇宙應(yīng)該會(huì)永遠(yuǎn)向外擴(kuò)散下去。
接下來(lái)，宇宙幽靈便開(kāi)始浮現(xiàn)。第一位黑暗使者早在20世紀(jì)30年代就已登門(mén)，但直到20世紀(jì)70年代末，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系自轉(zhuǎn)速度太快時(shí)，它才被人完全認(rèn)清?？梢?jiàn)物質(zhì)的引力太弱，根據(jù)廣義相對(duì)論，甚至直接依據(jù)古老的牛頓物理學(xué)，它們都應(yīng)該無(wú)法維系住這些星系才對(duì)。天文學(xué)家得出結(jié)論，必定存在大量看不見(jiàn)的物質(zhì)，提供了更多引力來(lái)維系星系。
暗物質(zhì)的存在也得到了其他證據(jù)的支持，比如星系群的運(yùn)動(dòng)以及它們彎曲光線(xiàn)的方式。第一代星系在形成之初，也需要它們幫忙先把物質(zhì)拉攏在一起。總而言之，暗物質(zhì)的總質(zhì)量似乎是可見(jiàn)氣體和恒星的5倍左右。
但暗物質(zhì)的成分仍然未知。它們似乎是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的東西。盡管我們盡了最大的努力，還是沒(méi)有在地球上觀(guān)測(cè)到或者是創(chuàng)造出一個(gè)暗物質(zhì)粒子。不過(guò)，它對(duì)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的改變并不大：在廣義相對(duì)論中，暗物質(zhì)的引力作用和普通物質(zhì)完全相同，然而即便有這么多能夠產(chǎn)生引力的物質(zhì)，也不足以讓宇宙膨脹停下腳步。
第二位黑暗使者引發(fā)了一場(chǎng)更深刻的變化。20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家對(duì)Ia型超新星的爆發(fā)進(jìn)行了觀(guān)測(cè)，這種方法能夠追蹤宇宙膨脹的速度，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以往。他們發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速，似乎有某種斥力作用于整個(gè)宇宙，正在全面壓制物質(zhì)間的萬(wàn)有引力。
精確的配方
這有可能是愛(ài)因斯坦宇宙學(xué)常數(shù)的再生，即真空中一種能夠產(chǎn)生排斥的能量。然而，粒子物理學(xué)家仍在糾結(jié)，為什么空間本身隱含著這么小的能量密度。于是，富有??想象力的理論學(xué)家提出了其他想法，比如由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子產(chǎn)生的能量場(chǎng)，再比如源自可觀(guān)測(cè)宇宙之外或者從其他維度“滲透”過(guò)來(lái)的作用力。
不管這種暗能量是什么，它看起來(lái)足夠真實(shí)。大爆炸后僅37萬(wàn)年，第一代原子形成時(shí)釋放的輻射，如今已成為宇宙微波背景輻射。微波背景中包含著某種圖案，由溫度稍高和稍低的斑點(diǎn)構(gòu)成，分別代表著年輕宇宙中密度稍高和稍低的地方。這些斑點(diǎn)的典型尺度可以用來(lái)衡量，空間作為一個(gè)整體，被其中的物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)彎曲到了何種程度。結(jié)果表明，空間看上去幾乎是完全平直的，這意味著所有能夠彎曲空間的效應(yīng)必定都相互抵消掉了。這也意味著，必需要有某種額外的斥力，來(lái)平衡由于膨脹和物質(zhì)引力產(chǎn)生的彎曲。星系在空間中的分布模式也給出了類(lèi)似的結(jié)論。
所有這些觀(guān)測(cè)證據(jù)，讓我們得到了宇宙的一份精確配方?？臻g中普通物質(zhì)的平均密度為每立方米0.426幺克（1幺克等于10-24克，0.426幺克大約相當(dāng)于0.25個(gè)質(zhì)子），占宇宙總能量密度的4.5%。暗物質(zhì)占了22.5%，暗能量則占到了73%?；趶V義相對(duì)論的大爆炸宇宙模型與我們的觀(guān)測(cè)符合得極好——只要我們能夠坦然接受“虛構(gòu)”出來(lái)的那95.5%的宇宙。
不過(guò)，我們還必須“發(fā)明”更多東西才行。為了解釋宇宙為什么在所有方向上看起來(lái)都均勻到如此極致，今天的主流宇宙學(xué)理論還包含第三種詭異的成分。在宇宙年齡只有10-36秒時(shí)，一種壓倒性的力量接管了整個(gè)宇宙。這種被稱(chēng)為暴脹場(chǎng)的東西，像暗能量一樣表現(xiàn)為斥力，但要強(qiáng)大許多，導(dǎo)致宇宙爆發(fā)式膨脹了至少1025倍，拉平了空間，還抹去了所有的整體不規(guī)則性。
這段被稱(chēng)為暴脹的時(shí)期結(jié)束時(shí)，暴脹場(chǎng)轉(zhuǎn)變成了物質(zhì)和輻射。暴脹場(chǎng)中的量子漲落，變成了密度上的細(xì)微起伏，最終演變成宇宙微波背景中的斑點(diǎn)，以及今天的星系。這個(gè)夢(mèng)幻一般的故事，看起來(lái)與觀(guān)測(cè)事實(shí)也是相符的，但它也再次引入了許多“空想”出來(lái)的概念。對(duì)于廣義相對(duì)論而言，暴脹并不麻煩——在數(shù)學(xué)上，它只需要再加上一個(gè)跟宇宙學(xué)常數(shù)完全相同的項(xiàng)即可。但是，這個(gè)暴脹場(chǎng)在某一時(shí)刻必須百分之百構(gòu)成宇宙中的全部成分，而它的起源則與暗物質(zhì)或暗能量一樣，提出了一個(gè)大難題。更重要的是，暴脹一旦開(kāi)始就很難停止：它會(huì)創(chuàng)造出眾多與我們的宇宙風(fēng)格迥異的宇宙。在一些宇宙學(xué)家看來(lái)，預(yù)言存在多重宇宙成了一個(gè)迫切的理由，逼著他們?nèi)ブ匦聦徱晿?biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的基本假設(shè)。
標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型在觀(guān)測(cè)上也遇到了一些小麻煩。大爆炸在理論上能夠產(chǎn)生的鋰7，要比宇宙中的實(shí)際含量高出許多。微波背景輻射中某些特征似乎能夠排列成行，特定視線(xiàn)方向上的星系看起來(lái)似乎更傾向于左旋自轉(zhuǎn)，這些都無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解釋。新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)長(zhǎng)達(dá)40億光年的超星系結(jié)構(gòu)，也對(duì)宇宙在大尺度上平滑均勻的假設(shè)提出了質(zhì)疑。
黑暗三重奏
隨著更多觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的出爐，或者計(jì)算方法的改進(jìn)，這些小麻煩很可能會(huì)自行消失。但更大的問(wèn)題仍然存在。美國(guó)哈佛大學(xué)的宇宙學(xué)家、率先發(fā)現(xiàn)暗能量的超新星觀(guān)測(cè)組成員羅伯特·克什納爾（Robert Kirshner）說(shuō)：“這我們不知道暗能量是什么，也不知道暗物質(zhì)是什么，這或多或少會(huì)讓人有一點(diǎn)尷尬。”
自愛(ài)因斯坦那個(gè)滿(mǎn)是塵埃的宇宙模型開(kāi)始，宇宙學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化，但不斷添加的成分使得今天的宇宙模型更具活力，也體現(xiàn)了更多的細(xì)節(jié)。宇宙的年齡和構(gòu)成已經(jīng)被了解得相當(dāng)精確。暗物質(zhì)似乎已經(jīng)創(chuàng)造出了星系和其他結(jié)構(gòu)；暗能量暗示宇宙將加速膨脹，步入一個(gè)寒冷而孤寂的未來(lái)；暴脹則指出宇宙誕生于劇烈動(dòng)蕩之中。這三駕黑暗馬車(chē)，每一駕都指向了全新的物理學(xué)。
克什納爾將其視為一個(gè)挑戰(zhàn)，“這并不意味著我們的觀(guān)點(diǎn)有任何缺陷。它帶來(lái)的不是絕望，而是靈感?！钡?，只要我們還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室里找到暗物質(zhì)的證據(jù)，或者證明暗能量的物理基礎(chǔ)，我們就有可能仍然深陷于某種根本性的誤解之中——或許，我們關(guān)于宇宙的數(shù)學(xué)模型出了某個(gè)非常基礎(chǔ)的岔子，基礎(chǔ)到了迄今為止還沒(méi)有人想象得出這個(gè)錯(cuò)誤會(huì)是哪一種形式，只是一個(gè)未知的未知。量子引力論能告訴我們前進(jìn)的方向嗎？抑或，一些新的觀(guān)測(cè)能指引我們?cè)俅胃膶?xiě)建立在廣義相對(duì)論基礎(chǔ)之上的宇宙學(xué)嗎？
我們只有一些最含糊的線(xiàn)索，指引我們?nèi)ふ姨娲挠钪鎸W(xué)模型。但或許，我們只需要擯棄一個(gè)沒(méi)有人注意到的關(guān)于現(xiàn)實(shí)的假設(shè)，帷幕就會(huì)升起，所有的黑暗隨即煙消云散，繁星之夜將再現(xiàn)光芒。
