天尺

李杰信

衛(wèi)星上天后，人類的眼睛變亮了，對宇宙知識的索取已不再小打小鬧，而是擺出財大氣粗的嘴臉，氣勢咄咄逼人，把天庭每個角落都要翻開來看看，豪奪強取，貪婪無止。

‘哈勃望遠(yuǎn)鏡(以下稱哈勃)第一次傳回距地球7千光年‘鷹星云M16星星育嬰室圖像時，人類像被圣靈充滿，眼睛閃爍著淚花。宇宙邊緣數(shù)不盡的星系一一在眼前呈現(xiàn)，愛因斯坦重力場透鏡，巨大星系間碰撞，超新星(supernova)閃爆連連，黑洞吞噬時有所見，宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation，CMBR，以下稱微波)無所不在……。宇宙奧秘已無處可藏，人類將很快就能褪下她最后一層薄紗，看個底兒掉。

但人類怎么也想象不到宇宙之母有如佛祖如來，大手一揮，祭出‘黑暗物質(zhì)和‘黑暗能量寶器，把宇宙96％的秘密嚴(yán)封在法柜之內(nèi)。人類!盡量看吧，現(xiàn)在才讓你知道自己只不過是在4％小圈圈內(nèi)打轉(zhuǎn)，而你贊嘆不已的瑰麗燦爛的宇宙，僅是我家當(dāng)中微不足道的0.4％，另外的3.6％就算是陪你玩的星塵罷了。(作者注：目前的理解，認(rèn)為宇宙含0.4％發(fā)光物質(zhì)，3.6％星塵，23％黑暗物質(zhì)和73％黑暗能量。)

人類打開荷包投下了巨資探測宇宙，本想直搗‘大霹靂(big bang)黃龍老巢，卻踢到了兩塊以黑暗面目出現(xiàn)，堅硬無比的鐵板。

在踢到鐵板同時，由微波數(shù)據(jù)分折，人類在宇宙中找到了一個古老的標(biāo)準(zhǔn)尺標(biāo)(standard yardstick，以下稱‘天尺)。這把天尺后來竟然凝結(jié)在目前我們能觀測到的膨脹宇宙之中。

人類將使用這把天尺，繼續(xù)沒完沒了地跟宇宙搶爭地盤。

先談這兩塊鐵板。

鐵板

第一塊鐵板黑暗物質(zhì)，在1930年代就初現(xiàn)征兆。當(dāng)時由地面望遠(yuǎn)鏡觀測到的星系在巨大星系團中的相對速度太快，遠(yuǎn)超出可見物質(zhì)重力場掌控范圍，理論學(xué)家提出額外重力場由地面尚且看不見的黑暗物質(zhì)提供，科學(xué)界姑且聽之，并未認(rèn)真對待。1960年代地面儀器精進，通過對螺旋星系外圍暈中星體光譜紅位移分析，再次確定其特快速度不符合牛頓萬有引力定律，天文界勉強接受黑暗物質(zhì)存在，以觀后效。

哈勃上天后，看到了在宇宙中遍地開花結(jié)果的重力場透鏡，它們的重力聚焦強度，也遠(yuǎn)超出可見物質(zhì)重力場提供的極限，黑暗物質(zhì)于是又成了幕后推手，在暗中向人類示威。

黑暗物質(zhì)如以粒子出現(xiàn)，它將只與重力場打交道，和電磁世界生死不相往來。人類于是在數(shù)千米深的礦坑，裝上最靈敏的黑暗粒子探測儀，日夜開工30余年，除開一些被理論勉強歸納成“熱”黑暗物質(zhì)的微量高速微中子外，尚無其它有份量的斬獲。好，既然宇宙不主動提供，那我總可以自己制造吧?于是人類又卯足全力，積極籌建“大強粒子對撞機”(Large Hadrons Coilider)，企圖在地球?qū)嶒炇依铮a(chǎn)黑暗粒子。目前估計，大強粒子對撞機的能量，低于黑暗粒子所需能量上萬億倍，最多只可能一窺黑暗粒子的遠(yuǎn)房窮親戚，黑暗物質(zhì)的主角還是背后藏鏡人。

黑暗物質(zhì)的存在并不可怕，可怕的是它的份量幾乎接近可見物質(zhì)的6倍、宇宙所有發(fā)光星系總質(zhì)量的60倍。人類花了好大力氣，目前還僅只能看見作案現(xiàn)場的證據(jù)，兇手卻杳然無蹤。人類以前因無知而無畏，踢到第一塊鐵板后，變成越知越畏，尋知之路茫然。

1998年后，人類測量到宇宙在50多億年前，開始加速膨脹，引發(fā)第二塊鐵板出現(xiàn)。

大霹靂后，宇宙開始膨脹，人類覺得新奇，但還能接受。那個爆炸事件不是以碎片往外飛的?但碎片如果往外不是越飛越遠(yuǎn)越慢，反而是越飛越遠(yuǎn)越快，那可就神奇了。在碎片往外飛時，沒看到過第二次補充能量的爆炸呀?加速的能量由那來的呀?一連串問號，找不到答案。

在天文學(xué)用語中，不知道答案的問題，常被冠以‘黑暗兩字，有如醫(yī)學(xué)上以‘癥狀命名，皆知其然不知其所以然，‘黑暗能量就這樣粉墨登臺，成為向人類智慧挑戰(zhàn)的另一塊大鐵板。

宇宙加速膨脹之事非同小可，人類一定要把這個事實搞得門兒清，才能集中精力，仰攻黑暗能量的奧秘。

宇宙中的標(biāo)準(zhǔn)燭光

要精確測量宇宙在每個時期的膨脹速率，先得量出在每個時期中的星系離地球的距離和對地球的相對速度。距離一般以某類標(biāo)準(zhǔn)亮度的星光明暗來測量，恰似我們看一根蠟燭，越近越亮，越遠(yuǎn)越暗。由燭光的明亮度，我們可測出距離。因為光在宇宙中傳播需要時間，動輒數(shù)10億年，宇宙空間是個巨大的時空隧道，距離除以光速，得到一個粗略的星光起程時間，準(zhǔn)確數(shù)字需以一般相對論理論計算，在概念上，要理解宇宙空間動態(tài)膨脹的因素。速度測量比較復(fù)雜，牽涉到光譜紅位移現(xiàn)象。光學(xué)上的紅位移和聲學(xué)中的‘都卜勒效應(yīng)(Doppler Effect)物理性質(zhì)相同：朝你駛來的汽車?yán)嚷曨l率增高，往尖的方向升；離你遠(yuǎn)去的汽車?yán)嚷曨l率轉(zhuǎn)低，往柔的方向降。車的速度越快，頻率變化越大。飛機對地速度也是以都卜勒效應(yīng)量出的。

宇宙有一種星體，泛稱為超新星。歷史上最出名的一顆超新星在1054年爆炸，時為宋仁宗至和元年，出現(xiàn)在金牛座，數(shù)日內(nèi)亮度增強上億倍，白日可見，亮如金星，是古天文史上最出名的一顆超新星，中國人叫它為‘天關(guān)客星。超新星其實不‘新，是重量級恒星在重力場和聚核能劇烈搏斗后的死亡告白，來去匆匆，稱‘客星反更恰當(dāng)。超新星在星空中突然出現(xiàn)，除開壯麗又恐怖之外，也肩負(fù)著下一代恒星和行星系的播種工作，把幾億年慘淡經(jīng)營的重元素，像天女散花似的，灑向大片星際空間，如杜鵑啼血，成為后代星云的原始素材，終歸像火鳳凰，在幾十億年后，又凝聚成星，浴火重生，而大部份散播出去的重元素，也被生命采用，在我們的基因和血液里活動。據(jù)專家統(tǒng)計，每個人體內(nèi)都有好幾公斤的碳和成千上萬個超新星的重元素原子。追溯我等生命的最初源頭，超新星的貢獻(xiàn)在此要提一下。

依星體質(zhì)量，超新星分好幾種類型，生老病死各有不同。其中一類稱Ia型的，爆炸前質(zhì)量接近我們太陽的1.38倍，爆炸時將幾億年儲存下來的家當(dāng)如碳和鐵等重元素，一個子兒不留地噴灑出去，瞬間絕對光度達(dá)我們太陽的50億倍。神奇的是這類Ia型超新星，不論在宇宙中何處出現(xiàn)，絕對光度總是太陽的50億倍。這么強的光度，能穿透宇宙上百億光年的距離。還有，在爆炸后數(shù)月內(nèi)，光度依次由金屬鎳鈷鐵56等放射性元素能量提供，定時定量遞減，絕對光度演變可以以理論計算得知。這兩種特性，佐以紅位移的測量，使Ia型超新星成為天文學(xué)家夢寐以求的宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光。

宇宙中另有‘造父變星

(Cepheid variable stars)類標(biāo)準(zhǔn)燭光，絕對光度最高可達(dá)太陽萬倍，能穿透6,000萬光年空間。6,000萬光年不是個短距離，但這篇文章談的距離至少上10億光年，此類燭光不管用，在此略去不談。

人類目前發(fā)現(xiàn)最古老的Ia型超新星SNl997ff年提齡達(dá)113億年，是目前人類在宇宙中找到的最遙遠(yuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

測量某Ia型超新星相對亮度，我們就能得知它與地球間的距離。有了距離，就知光線出發(fā)時間。從光譜都卜勒紅外移效應(yīng)，可知道它的速度。兩組實際觀測數(shù)據(jù)合起來，就知道宇宙在那個時期的膨脹速率。每個時期的膨脹速率相互比較，就得出宇宙在50多億年前開始加速膨脹，鐵證如山。

宇宙加速膨脹的能源來自我們不懂的黑暗能量。它加速膨脹時，肯定也帶著黑暗物質(zhì)飛奔。以Ia型超新星當(dāng)然可測量出宇宙在每個時期的膨脹速度，但是Ia型超新星并不是遍地開花，天涯難尋，人類最好在宇宙中還能找到其它獨立的測量工具，來追蹤和理解黑暗能量和黑暗物質(zhì)的物理行為。

人類一廂情愿地向往，如果在宇宙中能找到一根天尺該有多好。用這根固定長度的尺，測量它在宇宙每個時期長度的變化，不是又可以從另一個角度，觀察黑暗能量和黑暗物質(zhì)的作為嗎?

混沌中的聲波振蕩

目前人類的理解，宇宙在‘大霹靂初期，應(yīng)通過為期極為短暫的‘暴脹過程，以超過光速上百倍的速度，一下子膨脹了近100億億億億億億億億倍。在超高速膨脹階段，無可避免地引起一些局部的量子起伏，在萌芽的宇宙中留下了無法磨滅的永恒胎記。隨著宇宙的成長，這個胎記就轉(zhuǎn)移到混沌初開時的各類帶電粒子混合濃湯或電漿之中。

宇宙的原始電漿經(jīng)過一陣子膨脹冷卻，電子、質(zhì)子和中子成為重要成份，外加悶在電漿中的主力成份電磁波或光子?？隙ǖ?，不帶電的黑暗物質(zhì)也混在其中。黑暗能量在暴脹時以高能量品牌的‘偽真空能發(fā)過一次神功，至今已精力耗盡，轉(zhuǎn)變成一般溫和品牌的‘真空能，隨宇宙體積增大，深挖地廣積糧，養(yǎng)精蓄銳，待機復(fù)出。

扯遠(yuǎn)一點。溫和品牌的‘真空能耐心地等了近80億年，在50多億年前終能重掌大權(quán)，再次推動宇宙加速膨脹前進。

言歸正傳。由于量子起伏留下的胎記，原始電漿局部發(fā)生細(xì)微變化，造成有些部位電漿濃度略高，重力場引力增大，電子質(zhì)子和中子就成群結(jié)隊地來湊熱鬧，往里擠。擠呀擠的溫度就上升了。擠到最厲害時，電磁光子開始抵抗反擊，把擠進來的物質(zhì)往外推，溫度隨之下降。一擠一推，在混沌初開的電漿中就產(chǎn)生了聲波振蕩(acoustic oscillation)。

混沌的電漿就這樣又?jǐn)D又推，振蕩不止。光子在漿霧中也跟著振蕩，加上左碰電子右撞質(zhì)子，中子也衰變成電子質(zhì)子再變回中子，來回和光子搗亂，使光子寸步難行。轉(zhuǎn)眼間到了大霹靂后的37.6萬年，宇宙的大環(huán)境降到了絕對溫度3,000K，質(zhì)子可以把每個電子抓住，形成氫原子。電漿沒電了，變成中性。光子一看，時機來了，就從中性的漿霧中，脫身而出，踏上征途，開始漫長的宇宙之旅，137億年后，抵達(dá)地球，被人類天上地下無所不在的無線電大耳朵聽到。

簡單說來，這就是宇宙微波背景輻射的來龍去脈。

直奔主題，問：微波不均勻現(xiàn)象怎么來的?答：是聲波振蕩時留下的胎記。問：紅色為溫高區(qū)，黃色次之，淺藍(lán)深藍(lán)為溫冷區(qū)，它們怎么來的?答：電子質(zhì)子往一堆擠時熱，光子往外推時冷。問：熱區(qū)有多大?冷區(qū)有多大?答：電子質(zhì)子往一塊擠，最長時間能擠37.6萬年；光子往外推開電子質(zhì)子，最長時間也是能推37.6萬年。37.6萬年后，光子揚長而去，電子質(zhì)子失去反彈力量，聲波振蕩停止，中性物質(zhì)在重力場推動下，逐漸凝聚成胚胎宇宙，繼續(xù)膨脹。所以如果當(dāng)時電子質(zhì)子光子都以接近光的速度擠和推，熱、冷區(qū)的大小相同，都應(yīng)是37.6萬光年。問：黑暗物質(zhì)參與了聲波振蕩壯舉了嗎?答：黑暗物質(zhì)只和重力場來往，電磁性的光子推不到黑暗物質(zhì)，所以，黑暗物質(zhì)沒有參與混沌電漿中的聲波振蕩。

人類想通了熱、冷區(qū)大小為37.6萬光年后，就趕快用相對論計算一下。嗯，宇宙37.6萬年時的大小約為直徑9,0007)-光年，從那時宇宙中心望過去，37.6萬光年的張角約為1度。137億年后，在一個平直的宇宙中，這個張角不變，還應(yīng)是1度。

這真是一個天大的秘密!人類馬上吹起科學(xué)總動員號角，召集最聰明的科學(xué)家數(shù)百人，送上各類最先進的儀器，仔細(xì)測量微波冷、熱區(qū)的張角，竟然真的是1度。

37.6萬光年是宇宙大霹靂后留下的一把寶貴的天尺。這把天尺在大霹靂37.6萬年聲波振蕩停止后，就凝結(jié)在胚胎宇宙的材料中。而這把原來只有37.6萬光年大小的天尺，137億年后的今天，也應(yīng)跟宇宙一起膨脹了1，292倍，如果現(xiàn)在能找得到，目前大小約為4.85億光年，該是個巨大好用的天尺。

其實這把天尺在宇宙不同時期，有不同的標(biāo)準(zhǔn)長度。我們只要回溯到宇宙某個時期，找到那個時期的天尺，和理論數(shù)值比較，就又可以看出當(dāng)時宇宙膨脹的速度，洞察黑暗物質(zhì)和黑暗能量的行為。

我們能在宇宙中找到這把凝結(jié)在巨大星系結(jié)構(gòu)中的天尺嗎?

膨脹中的凝結(jié)聲波

37.6萬光年幅度的聲波振蕩，在宇宙變成中性后，應(yīng)凝結(jié)在胚胎宇宙的素材中，跟著宇宙一起演化、膨脹。想象一下，在現(xiàn)在可觀測到每個時期的星系團宏觀結(jié)構(gòu)，都應(yīng)暗藏著這幅凝結(jié)的朵朵漣漪，任何地方都可能是漣漪中央，就像不均勻的微波分布圖形一樣，星系團結(jié)構(gòu)的分布也應(yīng)在聲波凝結(jié)處集結(jié)或多或少些星系，離聲源中心的距離也會因膨脹變大，不同時期大小各異。

為了尋找宇宙中的朵朵漣漪，人類在地面上建立起觀測站，數(shù)字掃瞄全宇宙面積的25％，取得近一百萬個星系團結(jié)構(gòu)相對位置，進行計算機圖像對比，專找圓形圖案。

搜索結(jié)果，目前似乎找到了這個凝結(jié)聲波。

說‘似乎，是因為圖案并不像微波訊號分布密麻有致，面積大小集中。在2004年，專家們基本接受并認(rèn)可計算機看出了那朵約5億光年大小凝結(jié)聲波的圖案，接近理論上約4.85億光年。但美中不足的是，目前肉眼還看不出來。有些專家說，如果在混沌初開時黑暗物質(zhì)也參加了聲波振蕩壯舉，那現(xiàn)在凝結(jié)后的波動振幅應(yīng)比計算機看出的明顯許多?，F(xiàn)在微弱的訊號，也間接說明了黑暗物質(zhì)并未參與宇宙混沌時期的興風(fēng)作浪事件。

結(jié)語

黑暗物質(zhì)和黑暗能量這兩塊鐵板，是對21世紀(jì)人類智慧最大的挑戰(zhàn)。仰望蒼宇，人類找到了好幾件利器：Ia型超新星，混沌初開時37.6萬光年的微波標(biāo)準(zhǔn)尺標(biāo)，還有在宇宙演化過程膨脹中的凝結(jié)聲波尺標(biāo)。使用這些與黑暗物質(zhì)和黑暗能量可能有密切關(guān)系的測量工具，或許有那么一天人類真的能剝下‘黑暗的外衣，超越鐵板，到宇宙更深處爭地盤。