構建宇宙模式

孫文德

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。遠比這些普通的星體和氣體更讓人難以捉摸的是暗物質和暗能量，我們除了知道它們是無處不在的外，其他便一無所知。

這對幽靈姊妹花的魅力足夠讓我們停下來，仔細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1/3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，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。但也正是它們的存在，對我們宇宙建模的工作是有利的。

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生了彎曲。

在相對低密度的環境中，比如地球，廣義相對論和牛頓早期理論所預示的理論是類似的，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了嚴重的偏離。

廣義相對論認為，具有大的加速度的物體在時空中所引起的微小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，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我們對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的質量和能量分布，那么方程將變得根本無法計算。為了使宇宙模型可以有效工作，科學家做了一些簡單的假設。

最主要的假設是哥白尼原理，認為宇宙與任何一個地方都是一樣的，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。

第一簡化宇宙模型的欠缺

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作用下逐漸收縮的宇宙。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，不斷地在這個方程中新增一些項。

那么，它的重力最終會變為排斥力，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。20世紀20年代，當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，它的膨脹將會因物質的重力而逐漸變得緩慢。

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。但直到70年代，當天文學家發現星系旋轉得太快時，它才被完全觀測到。

根據廣義相對論，肉眼可以觀測到的物體的重力太過弱小，從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引力。而暗物質的存在是有其他證據證明的，比如星系成群結隊地運動，并將光線彎曲從而送給我們。

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。但是，它對宇宙學標準模型只產生了非常輕微的影響：在廣義相對論中，它的引力效應與普通物質是一樣的，所以即使它的引力如此巨大，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，天文學家通過監控1a型超新星的爆炸，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的，似乎存在一些貫穿整個宇宙的排斥力，使得物質之間的引力潰不成軍。

宇宙的精確“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。富有想象力的專家已經有了很多想法，比如那些還觀測不到的粒子所產生的能量場，以及來自不可見宇宙或者其他維度的力。

不管它是什么，暗物質似乎是真實存在的。當一顆距今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，意味著所有引起彎曲的因素都是可以忽略的。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。

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/平方米（1幺克等于10-24克，0.426幺克相當于250個質子的質量），它只是宇宙中全部能量密度的4.5%。

暗物質占有22.5%的分量，而暗能量則是剩下的73%。我們有關大爆炸宇宙模型的建立是基于廣義相對論與觀測基礎上的，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秒那么小的時候，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。

當膨脹告一段落時，膨脹場便轉化為物質和輻射的形式。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觀測事實的認證，與眾多其他概念一起，成為了一種新的解釋。膨脹對于廣義相對論來說沒有什么復雜處理，在數學表達上，只需要在宇宙常數上添加一個額外項。但是，這種膨脹場曾經一度成為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，仍然是個謎。

此外，一旦膨脹場開始工作便很難停下來，它將持續不斷地產生新的“宇宙軍團”，并且完全脫離我們的認知范圍。對于大多數宇宙學家來說，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必不可少的。

與此同時，建立的模型也面臨著觀察上小細節的挑戰。模型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。最新發現的40億光年遠的超銀河結構，也質疑了宇宙在大尺度上是均勻平滑的這一假設。

宇宙中心的黑暗真相

當然，這些瑣碎的小細節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·科什納說：“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。”

從愛因斯坦的塵埃填充宇宙論到現在的因添加了更多成分而更符合動力學的宇宙模型，基礎的數學模型是沒有變化的，它的年代和成分都可以被精確了解到。暗物質似乎創造了星系和其他結構，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那段無比震撼的出生方式。“陰暗三人組”的每一位成員都預示著新物理學的誕生。

科什納把這視為挑戰：“這并不意味我們的討論有什么缺陷，它給我們的恰恰是鼓舞而不是失望。”但只要我們無法在實驗室里對暗物質進行驗證，或者為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。或許引力量子理論可以帶我們走得更遠，又或許一些新的發現可以幫助我們重新調整廣義相對論的宇宙學理論。

我們可能需要找到一些替代品來彌補目前觀察到的微弱跡象。一旦我們舍棄了那些關于現實的被忽視的假設，神秘面紗也許就會被揭開，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。（張小寧插圖）