在宇宙面前，相對(duì)論和量子論打起來(lái)了

宇宙產(chǎn)生于一個(gè)無(wú)限密實(shí)的小點(diǎn)，之后逐漸膨脹，宇宙的膨脹會(huì)因引力作用逐漸慢下來(lái)，這就是大爆炸宇宙論。事實(shí)是否如此呢？答案似乎是否定的，因?yàn)橛钪嬷械奈镔|(zhì)太少，它們的引力無(wú)法將逃離的星系重新拉回來(lái)，宇宙將一直膨脹下去。

1964年對(duì)天文學(xué)，尤其是對(duì)宇宙學(xué)來(lái)說(shuō)，可謂標(biāo)志性的一年。是年，“宇宙大爆炸”理論終于成為關(guān)于宇宙起源的主流學(xué)說(shuō)。接著，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師終于發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，那是理論家一直預(yù)言的大爆炸的余燼。第三個(gè)大發(fā)現(xiàn)，是天體物理學(xué)家早就預(yù)言的中子星。

半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，宇宙學(xué)的進(jìn)展又如何呢？

繁星閃爍的夜空給人一種深?yuàn)W莫測(cè)的感覺(jué)。但對(duì)宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它們的，是兩個(gè)神秘的客體，即暗物質(zhì)和暗能量。我們不知道它們是什么，它們似乎就是一切。

這一對(duì)幽靈使我們懷疑，科學(xué)界花了半個(gè)世紀(jì)小心翼翼建立起來(lái)的宇宙學(xué)模型是否正確。根據(jù)我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)說(shuō)，在大爆炸后一瞬間，宇宙中介入了一個(gè)暗的、未知的客體，學(xué)界稱之為暴脹場(chǎng)（它具有斥力，類似暗能量，但遠(yuǎn)比后者強(qiáng)烈得多）。這就意味著存在無(wú)數(shù)宇宙，它們絕大多數(shù)跟我們的宇宙大不一樣，隱沒(méi)在我們的視線之外。

我們標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的物理基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦出于一個(gè)簡(jiǎn)單的觀察，發(fā)現(xiàn)所有客體的引力質(zhì)量正好等于對(duì)其加速的反抗力，也即慣性質(zhì)量。從這里，他推導(dǎo)出一些方程，說(shuō)明空間如何被質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)所彎曲，以及我們?nèi)绾伟褧r(shí)空的彎曲看作引力。蘋果掉到地上，按愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，是因地球的質(zhì)量彎曲了時(shí)空。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，在一個(gè)較小的引力環(huán)境（諸如地球）中，廣義相對(duì)論的效應(yīng)類似于早先的牛頓理論：他把引力視為在一個(gè)瞬間通過(guò)兩個(gè)個(gè)體之間的力。但在強(qiáng)引力場(chǎng)中，二者的結(jié)論就十分不同了。

廣義相對(duì)論有一個(gè)重要的預(yù)言，即一個(gè)大質(zhì)量的加速體會(huì)在時(shí)空中引起微小的波紋———引力波。不過(guò)，這種引力波至今還未被人類觀測(cè)到。1974年，天文學(xué)家觀測(cè)到一對(duì)相互環(huán)繞運(yùn)行的脈沖星（即中子星，密度很高）互繞速度有所變慢，這跟輻射引力波逐漸喪失能量的理論正好吻合。

在宇宙中，引力是統(tǒng)治者，因此，在模擬整個(gè)宇宙的運(yùn)動(dòng)和行為中，廣義相對(duì)論是我們最佳的工具。然而，因?yàn)槠浞匠虡O為復(fù)雜難懂，物理學(xué)家通常將其簡(jiǎn)化來(lái)求解。因?yàn)橛钪娴奈镔|(zhì)分布相當(dāng)均勻，只要將一個(gè)數(shù)據(jù)———宇宙的物質(zhì)密度———帶入愛(ài)因斯坦的方程即可。

最初，愛(ài)因斯坦為了求解宇宙學(xué)方程，引入了一種不活潑的、分布密度均勻的塵粒。結(jié)果是，宇宙在其引力作用下開(kāi)始收縮。愛(ài)因斯坦認(rèn)為這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)界的觀點(diǎn)是：宇宙應(yīng)是恒穩(wěn)態(tài)的。愛(ài)因斯坦對(duì)其方程略做修改，添加了一個(gè)新項(xiàng)，以保證真空空間中的能量密度處于不變，而其引力顯現(xiàn)為排斥，也就是說(shuō)宇宙是在膨脹。為此，他又引入了一個(gè)“宇宙學(xué)常數(shù)”，以使宇宙既不膨脹也不收縮。1929年，天文學(xué)家的觀測(cè)表明，宇宙確實(shí)在膨脹。愛(ài)因斯坦稱“宇宙學(xué)常數(shù)”為他的最大失誤。

有些旋轉(zhuǎn)速度極快的星系，其單個(gè)天體的慣性質(zhì)量已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)維系整個(gè)星系存在的引力了，可它們還在這個(gè)星系里運(yùn)轉(zhuǎn)，完全沒(méi)有逃脫的跡象。是什么在維系著星系的存在？

此后，人們就應(yīng)用這一相對(duì)論方程，來(lái)解釋一個(gè)膨脹的宇宙。他們獲得一個(gè)宇宙學(xué)模型：宇宙產(chǎn)生于一個(gè)無(wú)限密實(shí)的小點(diǎn)，之后逐漸膨脹，宇宙的膨脹會(huì)因引力作用逐漸慢下來(lái)，這就是大爆炸宇宙論。事實(shí)是否如此呢？答案似乎是否定的，因?yàn)橛钪嬷械奈镔|(zhì)太少，它們的引力無(wú)法將逃離的星系重新拉回來(lái)，宇宙將一直膨脹下去。

隨著觀察技術(shù)的進(jìn)步，宇宙“幽靈”開(kāi)始出現(xiàn)。第一個(gè)關(guān)于暗物質(zhì)的“噩耗”出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，不過(guò)那時(shí)只有個(gè)別天文學(xué)家承認(rèn)它的存在。到了20世紀(jì)70年代，天文界觀察到一些奇怪的現(xiàn)象，有些星系的旋轉(zhuǎn)速度非?？?，其相互之間的引力根本不足以把它們“拉住”，因此，科學(xué)家推斷，在它們之間可能存在大量的看不見(jiàn)的物質(zhì)提供著額外的引力，使星系得以維持，而不至于散架。星系群反射到地面的星光出現(xiàn)的彎曲和它們運(yùn)行的狀態(tài)，也反映著暗物質(zhì)的存在。

總的來(lái)說(shuō)，似乎需要5倍于可見(jiàn)物質(zhì)的暗物質(zhì)存在，才能解釋上述現(xiàn)象。但至今人們還是難以摸清暗物質(zhì)的特性，它似乎超越了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。雖然科學(xué)界付出了巨大的努力，但是我們還未在地球上看到或制造出暗物質(zhì)。不過(guò)，它們只是稍稍改變了宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，在相對(duì)論中，認(rèn)為其引力效應(yīng)跟普通物質(zhì)是一樣的。這些暗物質(zhì)引力太小，不足以阻止宇宙的膨脹。

理論上，在宇宙大爆炸發(fā)生之后，宇宙空間會(huì)因受到其中的物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的影響而彎曲?？墒聦?shí)是，它幾乎是完全扁平的，這意味著可能造成宇宙彎曲的力量被抵消了。是什么力量抵消了這些彎曲？

第二種看不見(jiàn)的東西，需要現(xiàn)有物理理論做出很深刻的改變才能解釋。

20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家比以往任何時(shí)候都更精確地跟蹤了宇宙的膨脹。他們測(cè)量了超新星Ia的爆炸，結(jié)果表明，宇宙在加速膨脹，似乎有一種斥力在起作用，它遍及整個(gè)宇宙。

而這可能是愛(ài)因斯坦“宇宙學(xué)常數(shù)”的復(fù)活，真空中存在的一種能量可以產(chǎn)生一種斥力。雖然粒子物理學(xué)家努力解釋為何真空空間應(yīng)具有很小的能量密度，但富有想象力的理論家卻提出了多種看法。比如，宇宙中存在迄今未知的粒子，它能產(chǎn)生能量場(chǎng)；還有一種說(shuō)法是這些能量來(lái)自可見(jiàn)宇宙外的力或者別的維度的能量。

宇宙學(xué)家試圖在宇宙微波背景輻射中尋求答案，因?yàn)樗抢镉性缙谟钪娴男畔?。宇宙微波背景輻射是大爆?0萬(wàn)年后第一批原子發(fā)射的，構(gòu)成了一幅昏暗的圖形，揭示出幼年宇宙或密或疏的密度分布。通過(guò)一些典型的點(diǎn)，宇宙學(xué)家可以繪出其范圍。理論上，宇宙空間會(huì)因受到其中物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的影響而彎曲。可事實(shí)是，它幾乎是完全扁平的，這意味著造成彎曲的力量被抵消了。是什么力量抵消了這些彎曲？

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，科學(xué)家列出了一張宇宙配方：宇宙中普通物質(zhì)的平均密度為0.43×10-24克/立方米，占宇宙總能量密度的4.5%，暗能量為73%，暗物質(zhì)為22.5%。

然而，我們必須建立一個(gè)精確的模型，以解釋為何不論從哪個(gè)方向看，宇宙都顯得十分均勻。今天被廣為接受的宇宙大爆炸理論包含第三個(gè)奇怪的因素：在宇宙誕生后的一瞬間（在10-36秒時(shí)），出現(xiàn)了一個(gè)壓倒性的力量———暴脹場(chǎng)。暴脹場(chǎng)引發(fā)了宇宙爆炸性的膨脹，使得宇宙的體積一下子擴(kuò)大了1025倍。 暗物質(zhì)似乎產(chǎn)生了星系和其他天體結(jié)構(gòu)，暗能量意味著宇宙將加速離散，在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，它將面臨一個(gè)冰冷且孤寂的局面。而這一切，似乎意味著新的物理學(xué)的誕生。也許，我們一直生活在一個(gè)未知的、被深刻誤解的世界之中。

當(dāng)暴脹期結(jié)束，暴脹場(chǎng)就轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)和輻射。場(chǎng)中的量子波動(dòng)在密度上變化很小，它們最終成為宇宙微波背景輻射中的點(diǎn)，也即今日的星系。這個(gè)推斷跟我們的觀測(cè)事實(shí)相符，但它也給物理學(xué)概念帶來(lái)了麻煩。暴脹場(chǎng)一度被視為宇宙的全部?jī)?nèi)涵，可宇宙的起始點(diǎn)仍含有許多謎，比如暗物質(zhì)、暗能量，更有甚者，暴脹一旦開(kāi)始就永不停止，它將創(chuàng)生許多宇宙區(qū)域，它們都將脫離我們的宇宙。這一多宇宙論，使得許多宇宙學(xué)家更堅(jiān)決地要求修正標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的基本假設(shè)。

同時(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型也面臨著一些觀測(cè)的質(zhì)疑：大爆炸在理論上制造出的鋰7，遠(yuǎn)多于它的實(shí)際存在；該模型未能解釋微波背景輻射中的某些特征；為何沿著某個(gè)視線看過(guò)去，星系都偏向于左手自旋。而最近發(fā)現(xiàn)的一個(gè)超大星系結(jié)構(gòu)，其尺度達(dá)40億光年，使得之前的假設(shè)———宇宙在大尺度上是平滑的———遇到了挑戰(zhàn)。

也許這些問(wèn)題會(huì)隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的增多自行消失，但有一個(gè)問(wèn)題卻難以解釋。這個(gè)問(wèn)題，就是哈佛大學(xué)的宇宙學(xué)家R.科什納提出的———暗能量和暗物質(zhì)究竟是什么？他曾參與20世紀(jì)90年代末那次揭示宇宙在加速膨脹的超新星觀測(cè)。

暗物質(zhì)似乎產(chǎn)生了星系和其他天體結(jié)構(gòu)，暗能量意味著宇宙將加速離散。在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，宇宙將面臨一個(gè)冰冷且孤寂的局面。而這一切，似乎意味著新的物理學(xué)的誕生。也許，我們一直生活在一個(gè)未知的、被深刻誤解的世界之中。

自從愛(ài)因斯坦的塵粒宇宙模型建立以來(lái)，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)從未變動(dòng)為基礎(chǔ)建立的，只是填充了更多細(xì)節(jié)和動(dòng)態(tài)。也許，真到了該修正的時(shí)候了。但是，如果我們不能在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的證據(jù)，就難以建立關(guān)于暗能量的物理基礎(chǔ)。

科什納說(shuō)，把這些問(wèn)題視為挑戰(zhàn)，“并不意味著我們的理論有缺陷。它給我們的是一種鼓舞，并非絕望”。在我們有關(guān)宇宙的數(shù)學(xué)模型中，存在著某種基本的差錯(cuò)，可是我們迄今仍未找出究竟錯(cuò)在哪里。

或許量子引力理論可以告訴我們應(yīng)走向何方，又或許某個(gè)新的觀察結(jié)果能夠讓我們重新構(gòu)建相對(duì)論的宇宙學(xué)，這勢(shì)必涉及相對(duì)論和量子論的結(jié)合。用相對(duì)論描述宏觀世界，諸如星球、星系和宇宙，顯得很可靠；而量子論在微觀世界，諸如分子、原子和亞原子粒子上游刃有余。想要充分了解宇宙，我們必須知道它如何從一個(gè)微小的初生宇宙變成今日的狀態(tài)。我們想回到大爆炸的起點(diǎn)，就必須把這兩種理論結(jié)合起來(lái)。物理學(xué)家已為此花了近30年的時(shí)間，可是仍未有喜人的結(jié)果。為什么會(huì)如此艱難呢？

最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，這兩個(gè)理論仍處于不相容的狀態(tài)。宇宙最本質(zhì)的東西是時(shí)間和空間，可是這兩個(gè)理論對(duì)它們的表述大不相同。相對(duì)論的時(shí)空是一個(gè)平滑的、四維的大片；而在量子論中，空間是由無(wú)數(shù)10-35米的小塊組合而成的，并且從不將時(shí)間看成真實(shí)的、可觀察的存在。

那么，這兩個(gè)理論孰是孰非呢？大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為量子論是“對(duì)”的。因?yàn)樗臄?shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是如此成功，通過(guò)它可以看到世界。但另一方面，量子論的概念看上去是如此怪異而不合事實(shí)，是反直覺(jué)的，跟客觀存在毫無(wú)相關(guān)性。就目前來(lái)看，科學(xué)家對(duì)這兩種理論的結(jié)合并不看好。

也許，我們正處在新物理學(xué)誕生的前夜。

大多數(shù)物理學(xué)家都認(rèn)為量子論是“對(duì)”的。因?yàn)樗臄?shù)學(xué)結(jié)構(gòu)是如此成功，通過(guò)它可以看到世界；可是，量子論的概念看上去是如此怪異而不合事實(shí)，是反直覺(jué)的，跟客觀存在毫無(wú)相關(guān)性。

宇宙歷史示意圖