宇宙中心黑暗的空白

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(guān)宇宙的圖片是極為成功的——可能就是因?yàn)橛钪嬲鎸?shí)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(gè)宇宙。而對于宇宙學(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)遠(yuǎn)比這些普通的星體和氣體更讓人難以捉摸的是這兩個(gè)實(shí)體：暗物質(zhì)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(xì)地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(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，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(fù)擔(dān)而導(dǎo)致我們無法忍受？——正如馬克·吐溫 （Mark Twain）曾經(jīng)比喻過，對于一個(gè)微不足道的事實(shí)卻投入大量的資金批發(fā)回了一大批的猜想。

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(yù)示的理論是相類似的，它認(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)的重力場中，預(yù)言與廣義相對論卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏離。

廣義相對論與其所不同的預(yù)言是：它認(rèn)為具有大的加速度的物體在時(shí)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(yùn)動(dòng)，如果它們在輻射引力波的同時(shí)逐漸失去能量，那么它們恰恰應(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，所以廣義相對論就成為了我們?nèi)绾螌τ谝粋€(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)?shù)姆睆?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)它們的質(zhì)量和能量的分布，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的工作，我們做了一些簡單的假設(shè)。

最主要的假設(shè)是哥白尼原理，它所講的是我們并不是在一個(gè)特殊的地方。宇宙與任何一個(gè)地方都是一樣的，實(shí)際上也確實(shí)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(gè)數(shù)字，那就是宇宙空間的物質(zhì)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(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新增一些項(xiàng)來加入到這個(gè)方程中。

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。而在20世紀(jì)20年代，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)，而它的膨脹將會(huì)因物質(zhì)的重力而逐漸變的緩慢。

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)不斷地向外擴(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。然而直到70年代，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系旋轉(zhuǎn)的太快時(shí)，它才被完全觀測到。

根據(jù)廣義相對論，或者普遍知道的牛頓物理學(xué)，肉眼可以觀測到的物體的重力太過于弱小而無法將整個(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結(jié)合引力。而暗物質(zhì)的存在是有其他證據(jù)證明的，比如星系如何成群結(jié)隊(duì)地運(yùn)動(dòng)，它們又是如何將光線彎曲從而送達(dá)給我們。當(dāng)然，這也需要它將所有的物質(zhì)在最初的地方聚集在一起形成星系?？傊滴镔|(zhì)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(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)，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(gè)暗物質(zhì)顆粒。但是，它對于宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型只產(chǎn)生了非常輕微的影響：它在廣義相對論中的引力效應(yīng)與普通的物質(zhì)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(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)家們通過監(jiān)控1a型超行星的爆炸尺寸便已經(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。似乎存在一些貫穿著整個(gè)宇宙的排斥力，使得物質(zhì)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(shù)的復(fù)興，在真空中的能量可以產(chǎn)生一種排斥力，雖然粒子物理學(xué)極力地想要解釋為什么空間中必然隱藏著相當(dāng)小的能量密度。所以，富有想象力的專家已經(jīng)有了很多其他的想法，比如那些還觀測不到的粒子所產(chǎn)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(zhì)似乎確實(shí)是真實(shí)存在的。當(dāng)一顆在大爆炸后距今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)部的物質(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”。空間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(dāng)于大約250質(zhì)子的質(zhì)量），它只是宇宙中全部能量密度的4.5%而已。

暗物質(zhì)占有22.5%的份量，而暗能量則是剩下的73%（見圖表）。我們有關(guān)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(jié)果非常符合的基礎(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，今天的共識宇宙學(xué)便涵蓋了一種第三外來元素。當(dāng)宇宙只有10-36秒那么年幼的時(shí)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(shí)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(shí)消除一切不合它意的行為。

當(dāng)膨脹告一段落，膨脹場便轉(zhuǎn)化成了物質(zhì)和輻射的形式。場中的量子漲落也轉(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所觀察到的結(jié)果的認(rèn)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(shù)學(xué)表達(dá)上，只是需要在宇宙常數(shù)上添加一個(gè)額外項(xiàng)。但是，曾經(jīng)這種膨脹場一度成為了宇宙的全部組成內(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)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(chǎn)生新的“宇宙軍團(tuán)”而完全脫離我們的認(rèn)知范圍。對于大多數(shù)的宇宙學(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)言是顯而易見和必不可少的。

同時(shí)建立的模型也面臨著觀察上小細(xì)節(jié)的挑戰(zhàn)。大爆炸產(chǎn)生的鋰-7理論上要比實(shí)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(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)疑了有關(guān)宇宙在大尺度上是均勻平滑的這一假設(shè)。

“陰暗三人組”

當(dāng)然，這些瑣碎的小細(xì)節(jié)可以隨著測量數(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（Robert Kirshner）說過：“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?！彼堑谝粋€(gè)揭露暗能量真相的超新星團(tuán)隊(duì)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(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。它的年代和成份都可以被精確地了解到。暗物質(zhì)似乎創(chuàng)造了星系和其他的結(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曾經(jīng)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)示著一個(gè)新的物理學(xué)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?！钡灰覀儫o法在實(shí)驗(yàn)室里對暗物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，或者對暗能量提供一個(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性——一種未知的未知，一些在我們所建立的宇宙數(shù)學(xué)模型中最基本的錯(cuò)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(yuǎn)？又或許一些新的觀察發(fā)現(xiàn)可以幫助我們重新調(diào)整廣義相對論宇宙學(xué)理論？

我們可能需要找到一些替代品來彌補(bǔ)目前觀察到的微弱的跡象。但是，可能一旦我們舍棄了那有關(guān)于現(xiàn)實(shí)的被忽視的假設(shè)，神秘面紗或許就會(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。