本報(bào)記者 劉霞 綜合外電

    19世紀(jì)末，由于牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁理論趨于完善，一些物理學(xué)家認(rèn)為，“物理學(xué)的發(fā)展實(shí)際上已經(jīng)結(jié)束，物理學(xué)已經(jīng)走到窮途末路了”。殊不知，彼時(shí)彼刻，物理學(xué)正醞釀著兩場(chǎng)翻天覆地的大革命：愛(ài)因斯坦的相對(duì)論徹底地改變了人們對(duì)時(shí)間、空間、重力以及宏觀宇宙的理解；而量子力學(xué)則揭示出一個(gè)奇異的微觀宇宙。這兩大橫空出世的革命令人驚覺(jué)宇宙之神奇以及人類直覺(jué)之不可靠。

    然而，事情并沒(méi)有就此結(jié)束，物理學(xué)的車輪仍然在科學(xué)的驅(qū)使下滾滾前行。將量子理論和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型這兩大20世紀(jì)的支柱理論整合起來(lái)，創(chuàng)建出一個(gè)最終解釋萬(wàn)事萬(wàn)物運(yùn)行規(guī)律的“萬(wàn)物之理”，仍舊是科學(xué)家們一直在苦苦追尋的夢(mèng)想。疑似希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)或許只是一個(gè)啟示，告訴我們到了我們?cè)俅嗡⑿挛锢韺W(xué)面貌的時(shí)候了。當(dāng)然，一切還是要從最基本的問(wèn)題出發(fā)。

    為此，英國(guó)《新科學(xué)家》網(wǎng)站集結(jié)了眾多當(dāng)代著名物理學(xué)家的真知灼見(jiàn)，為我們梳理了物理學(xué)的現(xiàn)狀和面臨的困境，以幫助我們消除心頭的疑問(wèn)。

    第一部分：

    物理學(xué)陷入的困境

    布賴恩·格林：美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的理論物理學(xué)教授，以下文字摘自于他2011年出版的著作《隱藏的現(xiàn)實(shí)》。格林被公認(rèn)在超弦理論中做出了很多具有開(kāi)拓性的發(fā)現(xiàn)，他曾在20多個(gè)國(guó)家開(kāi)過(guò)普及和專業(yè)講座，著有《優(yōu)雅的宇宙》《宇宙結(jié)構(gòu)和優(yōu)雅宇宙》等書。

    數(shù)學(xué)是現(xiàn)實(shí)之根嗎？

    是什么讓我們?nèi)绱舜_定數(shù)學(xué)能揭示自然界最深處的奧秘呢？

    19世紀(jì)晚期，英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋意識(shí)到光是一種電磁波，他基于此創(chuàng)立的麥克斯韋方程組表明，光速應(yīng)該為30萬(wàn)千米/秒。這一數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值相差無(wú)幾。但是，麥克斯韋方程組給后人留下了一點(diǎn)小小煩惱，那就是，30萬(wàn)千米/秒這一數(shù)值是相對(duì)于什么而言的呢？

    愛(ài)因斯坦為了解決光速的參考系問(wèn)題，人為地引入了“以太（aether）”這一概念。愛(ài)因斯坦設(shè)想在宇宙中充滿了一種均勻的無(wú)質(zhì)量的物質(zhì)，他把它叫做“以太”，光速就是以這種“以太”為參照系的。但是，后來(lái)的理論發(fā)展和實(shí)驗(yàn)卻證明，“以太”是不存在的，光速在任何參考系中都是一樣的。這也是狹義相對(duì)論的一個(gè)基礎(chǔ)。

    愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的狹義相對(duì)論顛覆了幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)與空間、時(shí)間、物質(zhì)和能量有關(guān)的一切思想，但愛(ài)因斯坦并沒(méi)有止步于此，最終，他創(chuàng)立了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論認(rèn)為，萬(wàn)有引力不是一般的力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。廣義相對(duì)論目前仍然是宇宙模型的基礎(chǔ)。

    上述細(xì)節(jié)具有重大的歷史意義，但又不僅如此，所有人都看到了麥克斯韋方程組背后的數(shù)學(xué)，而只有天才的愛(ài)因斯坦才花費(fèi)了很大的精力和心血來(lái)研究它，并最終基于此做出了偉大的發(fā)現(xiàn)。

    這個(gè)故事很好地闡釋了諾貝爾獎(jiǎng)得主史蒂芬·溫伯格的一段話。溫伯格曾經(jīng)表示：“我們的錯(cuò)誤并不在于我們太把已有的理論當(dāng)回事，而在于我們并沒(méi)有對(duì)它們給予足夠的重視?！?/p>

    溫伯格的這段話指的是天文學(xué)上的另一個(gè)重大突破——美國(guó)科學(xué)家拉爾夫·阿爾法、羅伯特·赫爾曼以及喬治·伽莫夫的預(yù)測(cè)，即大爆炸之后的瞬間會(huì)產(chǎn)生宇宙微波背景輻射。其實(shí)，只要科學(xué)家們將廣義相對(duì)論與基本的熱力學(xué)理論結(jié)合在一起考慮，就會(huì)自然而然地得出上述結(jié)論。

    1948年，阿爾法和赫爾曼預(yù)言，宇宙大爆炸產(chǎn)生的殘留輻射，由于宇宙的膨脹和冷卻，如今它所具有的溫度約為絕對(duì)零度（零下273攝氏度）以上5開(kāi)，或者說(shuō)5K。但是他們的預(yù)言并未引起人們的普遍重視。

    直到1965年，美國(guó)新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位無(wú)線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在為跟蹤一顆衛(wèi)星而校準(zhǔn)一具很靈敏的無(wú)線電天線時(shí)，十分意外地發(fā)現(xiàn)了這種宇宙輻射場(chǎng)。與此同時(shí)，在附近的普林斯頓大學(xué)，由羅伯特·迪克領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)小組也已獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了阿爾法和赫爾曼作過(guò)的預(yù)言，并著手設(shè)計(jì)出了一臺(tái)探測(cè)器以供搜索大爆炸的殘留輻射。他們假設(shè)它是熱輻射，那么它所具有的能量就相應(yīng)于2.7K的溫度——這與阿爾法和赫爾曼富于靈感的估計(jì)非常接近?？茖W(xué)家們將其稱為“宇宙微波背景輻射”。宇宙微波背景輻射的存在，給大爆炸理論提供了有力的支持。

    無(wú)可否認(rèn)，溫伯格的這句話具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。盡管多年來(lái)，已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)證明與現(xiàn)實(shí)世界有關(guān)的數(shù)學(xué)是他埋首于書桌得到的，但是這并不是說(shuō)我們的理論學(xué)家們隨便涂抹的任何方程式都能達(dá)到溫伯格的水平。沒(méi)有令人信服的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)定哪個(gè)方程式值得認(rèn)真對(duì)待，這可真是一件藝術(shù)活。

    當(dāng)然，愛(ài)因斯坦就是這方面的藝術(shù)大師。在他于1905年發(fā)表了狹義相對(duì)論公式之后的幾十年內(nèi)，他就對(duì)數(shù)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域爛熟于心了，而同時(shí)代的大多數(shù)物理學(xué)家則對(duì)這些領(lǐng)域知之甚少甚至一無(wú)所知。在他邁向廣義相對(duì)論的最終等式的過(guò)程中，在將這些數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)同他的物理學(xué)直覺(jué)結(jié)合在一起這個(gè)方面，愛(ài)因斯坦展示出了罕見(jiàn)的天賦。

    比如，1919年，當(dāng)愛(ài)因斯坦看到一條消息說(shuō)，科學(xué)家們對(duì)日全食的觀測(cè)證實(shí)了廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)——光應(yīng)沿著曲線行進(jìn)時(shí)，他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，要是結(jié)果不一樣，“他只能對(duì)上帝說(shuō)‘抱歉’了，因?yàn)樗_信他的理論是正確的”。

    我非常確信，當(dāng)能夠顛覆廣義相對(duì)論的有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，愛(ài)因斯坦肯定會(huì)換種口氣說(shuō)話。但是，愛(ài)因斯坦的這句話，卻很好地展示了一套數(shù)學(xué)方程式如何通過(guò)它們條理清晰的內(nèi)部邏輯、優(yōu)雅美妙的結(jié)構(gòu)以及廣泛的適用性來(lái)精確地彰顯現(xiàn)實(shí)。幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為我們提供了豐富的證據(jù)，表明數(shù)學(xué)能夠揭示世間萬(wàn)事萬(wàn)物不為人知的運(yùn)行奧秘，而且，物理學(xué)也在數(shù)學(xué)的引領(lǐng)下，一次次迎來(lái)了不朽的巨變。

    然而，愛(ài)因斯坦對(duì)于他本人提出的數(shù)學(xué)方程，接受程度也是有限的。他并沒(méi)有“足夠認(rèn)真”地看待他的廣義相對(duì)論，他并不相信廣義相對(duì)論能預(yù)測(cè)出黑洞或者宇宙在不斷膨脹。但是，其他科學(xué)家卻比愛(ài)因斯坦本人更重視廣義相對(duì)論的方程式，而且，這些科學(xué)家研究愛(ài)因斯坦理論所取得的成就在近百年來(lái)已經(jīng)為人們理解宇宙學(xué)確定了航向。

    相反，在其生命的最后20年里，愛(ài)因斯坦將全副身心都投入到了數(shù)學(xué)領(lǐng)域，希望能夠?yàn)槲锢韺W(xué)創(chuàng)立一個(gè)大一統(tǒng)的理論。不過(guò)，當(dāng)我們檢閱歷史時(shí)，我們不得不承認(rèn)，那些年里，愛(ài)因斯坦對(duì)他所處的數(shù)學(xué)叢林過(guò)于執(zhí)著了，甚至有人都覺(jué)得他好像被數(shù)學(xué)牽著鼻子走，有點(diǎn)過(guò)于“盲目”了。在應(yīng)該認(rèn)真嚴(yán)肅地對(duì)待哪個(gè)方程式這一問(wèn)題上，甚至愛(ài)因斯坦有時(shí)也會(huì)犯錯(cuò)。

    量子力學(xué)卻為這種物理學(xué)和數(shù)學(xué)之間的困境提供了另外一種可能的解決辦法。1926年，埃爾溫·薛定諤寫下了他的量子波等式，在此后的幾十年間，人們認(rèn)為這個(gè)等式僅僅與分子、原子和亞原子粒子等一些微小的領(lǐng)域相關(guān)。但是，1957年，普林斯頓大學(xué)的休·艾福雷特博士對(duì)愛(ài)因斯坦在半個(gè)世紀(jì)之前的建議——要嚴(yán)肅對(duì)待數(shù)學(xué)作出了回應(yīng)。艾福雷特認(rèn)為，薛定諤的等式應(yīng)該可以適用于任何方面，因?yàn)樗械奈镔|(zhì)，無(wú)論大小，都由原子、分子和亞原子粒子組成，而這些粒子全部遵循薛定諤提出的概率法則。按照這種邏輯推演下去，我們可以得出一個(gè)結(jié)論，那就是，不僅實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)遵循薛定諤方程，實(shí)驗(yàn)對(duì)象也是如此。艾福雷特?fù)?jù)此提出了他的“多重宇宙理論”。該理論認(rèn)為，宇宙在第一次“大爆炸”后還在不斷“大爆炸”，形成無(wú)數(shù)宇宙，因此，在一系列平行世界中，所有可能的結(jié)果都可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。

    50多年過(guò)去了，我們?nèi)匀徊恢腊＠滋氐耐普摲椒ㄊ欠裾_。但是，通過(guò)非常嚴(yán)肅認(rèn)真地對(duì)待量子理論背后的數(shù)學(xué)，他可能已經(jīng)做出了科學(xué)探索領(lǐng)域內(nèi)最有意義的一個(gè)。從此，旨在幫助我們更深入地理解現(xiàn)實(shí)的很多數(shù)學(xué)方程式，都普遍引入了各種版本的多重宇宙。簡(jiǎn)而化之，“多重宇宙”指的是在數(shù)學(xué)上允許存在的每個(gè)可能的宇宙都對(duì)應(yīng)著一個(gè)真實(shí)的宇宙。極端一點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是，數(shù)學(xué)即現(xiàn)實(shí)。

    如果迫使我們思考平行世界的某些數(shù)學(xué)方程式或者所有的數(shù)學(xué)方程式都被證明與現(xiàn)實(shí)有關(guān)，那么，愛(ài)因斯坦著名的“追問(wèn)”——該宇宙擁有它所具有的特征是否僅僅因?yàn)闆](méi)有其他宇宙可能具有該特征這一問(wèn)題將有一個(gè)確定無(wú)疑的答案：不。我們的宇宙并非唯一一種可能，其性質(zhì)可能與現(xiàn)在不同，而且，其他宇宙的性質(zhì)確實(shí)也可能不同。如果真是如此，那么，為什么某些事情會(huì)是現(xiàn)在這種情況？為其尋找一個(gè)基本的解釋將是一件徒勞無(wú)功的事情。毫無(wú)疑問(wèn)，統(tǒng)計(jì)可能或者純粹是偶然無(wú)疑會(huì)進(jìn)入我們對(duì)于巨大宇宙的理解中。

    我并不知道事情最終會(huì)有一個(gè)怎樣的結(jié)局，也沒(méi)有任何人知道。但是，只有通過(guò)無(wú)畏的付出和追尋，我們才能深切地了解到我們的局限性。只有通過(guò)理智地追尋理論，通過(guò)嚴(yán)肅地對(duì)待數(shù)學(xué)，即使有些數(shù)學(xué)方程式會(huì)將我們引入完全陌生的領(lǐng)域，我們也有機(jī)會(huì)揭示隱藏著的現(xiàn)實(shí)。

    斯蒂芬·巴特斯：現(xiàn)居倫敦，是《新科學(xué)家》雜志的顧問(wèn)。

    宇宙心臟深處的黑暗虛空

    我們已經(jīng)建立起來(lái)的宇宙模型非常成功，可能很大程度上是因?yàn)椋Ｐ椭械慕^大部分完全是出自于我們的想象吧。

    對(duì)我們的眼睛來(lái)說(shuō)，星星即宇宙。但是，對(duì)宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，星星不過(guò)是一些閃光的微塵，是宇宙這所大房子的重要裝飾物而已。在宇宙空間內(nèi)，還存在著兩種難以捉摸的物質(zhì)，其重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通的星星和氣體，那就是：暗物質(zhì)和暗能量，我們對(duì)它們一無(wú)所知，但我們知道，它們顯然與萬(wàn)事萬(wàn)物都有關(guān)聯(lián)。

    這對(duì)“孿生幽靈”或許足以讓我們停下奔忙的腳步，促使我們思考，我們歷時(shí)一個(gè)多世紀(jì)費(fèi)心費(fèi)力創(chuàng)建的宇宙模型是否正確。而且，情況還不止于此。我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型也表明，在大爆炸之后的一霎那，空間就被第三種目前還不為人所知的東西拉伸成形，科學(xué)家們將這第三種“暗勢(shì)力”稱為“暴脹場(chǎng)”。這或許意味著，在我們看不見(jiàn)的地方，還存在著無(wú)窮多個(gè)其他的宇宙，其中的大部分宇宙對(duì)于我們來(lái)說(shuō)另類得不可思議，其存在可能只是為了讓我們建立的宇宙模型更好地發(fā)揮作用而已。

    那么，讓我們的觀察來(lái)承載這些“暗夜幽靈”，是否有點(diǎn)過(guò)于沉重呢?。侩y不成真如馬克·吐溫所說(shuō)的：我們只是投資了一點(diǎn)微小的事實(shí)，就能得到一大堆的推測(cè)？

    我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的物理學(xué)基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，廣義相對(duì)論始于一個(gè)非常簡(jiǎn)單的觀察：任何物體的引力重量完全等于其慣性質(zhì)量，愛(ài)因斯坦對(duì)這一等效原理的闡釋，亦是廣義相對(duì)論的根本精神，就是質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲，而彎曲的時(shí)空則導(dǎo)致其他質(zhì)量加速。蘋果落地就可以采用這種方法來(lái)解釋：因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量很大，使其周圍的四維時(shí)空發(fā)生了彎曲，因此，蘋果就順著彎曲的時(shí)空向地球移動(dòng)了。

    廣義相對(duì)論是一種嶄新的重力理論。當(dāng)涉及到微弱的重力場(chǎng)時(shí)，它可被簡(jiǎn)化為牛頓理論。因此牛頓的重力理論可看成是廣義相對(duì)論的近似。日常生活的重力現(xiàn)象都可以用牛頓或廣義相對(duì)論描述。不過(guò)，當(dāng)重力場(chǎng)很強(qiáng)的時(shí)候，二者就有差異。在強(qiáng)大的重力場(chǎng)下，廣義相對(duì)論預(yù)言的有些結(jié)果就與牛頓重力相異。這些當(dāng)然都由時(shí)空彎曲引起。例如光線會(huì)被重力場(chǎng)扭曲，就沒(méi)有牛頓理論的對(duì)應(yīng)。

    廣義相對(duì)論的另外一個(gè)重要預(yù)測(cè)是，時(shí)空擾動(dòng)可以波動(dòng)形式傳播。這些引力波就像水面被擾動(dòng)時(shí)傳出的水波，但波動(dòng)的是時(shí)空本身。不過(guò)，引力波的強(qiáng)度很弱，而且物質(zhì)對(duì)引力波的吸收效率極低，因此直接探測(cè)引力波極為困難。美歐日等國(guó)家都在建造一些大型的引力波天線，希望能接收到宇宙遠(yuǎn)方傳來(lái)的微弱的引力波。曾有人宣稱在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)探測(cè)到了引力波，但未得到公認(rèn)。1974年，天文學(xué)家們觀察到一對(duì)致密的名為脈沖星的恒星相互圍繞，按照廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，如果它們因?yàn)獒尫懦鲆Σ◤亩鴵p失一部分能量就會(huì)如此。

    在宇宙的尺度上，萬(wàn)有引力是自然界的支配之力，因此，代表了現(xiàn)代物理學(xué)中引力理論研究最高水平的廣義相對(duì)論（是一種關(guān)于萬(wàn)有引力本質(zhì)的理論）是我們最好的工具，我們可以借助廣義相對(duì)論為宇宙創(chuàng)建模型，描述和展示宇宙作為一個(gè)整體是如何移動(dòng)的以及宇宙的一舉一動(dòng)。廣義相對(duì)論方程是一個(gè)以時(shí)空為自變量、以度規(guī)為因變量的帶有橢圓形約束的二階雙曲型偏微分方程，它以復(fù)雜而美妙著稱，而且，其可調(diào)節(jié)的參數(shù)多得令人發(fā)憷，如果提供一個(gè)復(fù)雜的輸入，諸如真實(shí)宇宙的質(zhì)量和能量散亂分布的細(xì)節(jié)，這個(gè)方程幾乎就很難有解了。為了創(chuàng)建出一個(gè)實(shí)用的宇宙學(xué)模型，我們需要簡(jiǎn)化假設(shè)。

    其中主要的假設(shè)是哥白尼原則（The Copernican principle），這是物理學(xué)和哲學(xué)的一條基本法則，以文藝復(fù)興時(shí)代提出“日心說(shuō)”的波蘭天文學(xué)家尼古拉·哥白尼命名。它的定義是：沒(méi)有一個(gè)觀測(cè)者有特別的位置，宇宙各處看起來(lái)應(yīng)該都一樣。當(dāng)我們?cè)谧銐虼蟮膶用嫔嫌^察時(shí)，也的確如此，萬(wàn)事萬(wàn)物都分布得非常均勻。這意味著愛(ài)因斯坦方程只需要帶入一個(gè)參數(shù)就夠了，那就是宇宙的物質(zhì)密度。廣義相對(duì)論認(rèn)為，時(shí)空彎曲的程度是由物質(zhì)的密度分布所決定的。

    愛(ài)因斯坦最大的錯(cuò)誤

    有鑒于此，愛(ài)因斯坦用具有統(tǒng)一密度的惰性塵埃來(lái)填充他的第一個(gè)精簡(jiǎn)版的宇宙模型，該模型所展示的宇宙在自身的引力下會(huì)收縮。他認(rèn)為這是個(gè)問(wèn)題，因此，發(fā)明了一個(gè)術(shù)語(yǔ)（宇宙常數(shù)）來(lái)抵消幾乎無(wú)處不在的引力，用以保持宇宙的恒定不變。然而，上世紀(jì)20年代，觀測(cè)結(jié)果表明，宇宙實(shí)際上在不斷膨脹，愛(ài)因斯坦后來(lái)將宇宙常數(shù)稱為他一生中“最大的錯(cuò)誤”。

    隨后，其他科學(xué)家將廣義相對(duì)論的方程式應(yīng)用于不斷膨脹的宇宙，并創(chuàng)建出了一個(gè)新的宇宙模型，該模型認(rèn)為宇宙源于一個(gè)最初密度無(wú)限大的點(diǎn)，因?yàn)槲镔|(zhì)的重力，宇宙膨脹的速度逐漸變慢。宇宙大爆炸天文學(xué)就這樣橫空出世了。不過(guò)，我們也面臨一個(gè)主要的問(wèn)題，那就是，這種膨脹是否會(huì)停止。答案似乎是否定的。在不斷漂浮的星系內(nèi)，重力能夠駕馭的物質(zhì)少得可憐，宇宙將不斷平滑地向外膨脹。

    此時(shí)此刻，暗物質(zhì)和暗能量這些宇宙“幽靈”開(kāi)始慢慢浮出水面，變得具體，且進(jìn)入人們的思維。20世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茨威基發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果：在星系團(tuán)中，看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的。茨威基首先發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在，他的發(fā)現(xiàn)大大推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。但由于暗物質(zhì)根本不與光發(fā)生作用，更不會(huì)發(fā)光，在天文上用光的手段絕對(duì)看不到暗物質(zhì)，因此，當(dāng)時(shí)許多人并不相信茨威基的結(jié)果。

    直到20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家在觀測(cè)宇宙其他一些星系中的恒星運(yùn)行速度時(shí)就發(fā)現(xiàn)，越往外，圍繞中心的速度并不都是衰減下去，而是和內(nèi)圈恒星的速度差不多。這與越往外，物質(zhì)越少，引力也越小，速度也應(yīng)該越低的常規(guī)不符。由此反推，此時(shí)雖然外圈的那些能被直接觀測(cè)到并數(shù)出來(lái)的星星數(shù)目變少了，但其實(shí)內(nèi)部的物質(zhì)數(shù)量并沒(méi)有減少，引力也沒(méi)有變小，只不過(guò)觀測(cè)不到而已，科學(xué)家們大膽地猜測(cè)：宇宙中一定有某些物質(zhì)沒(méi)有被我們的天文觀測(cè)所發(fā)現(xiàn)，這些物質(zhì)被稱為“暗物質(zhì)”。

    此后，其他證據(jù)，包括星系群的運(yùn)動(dòng)方式、星系朝我們而來(lái)的路上彎曲光線的方式等，都成為暗物質(zhì)存在的證據(jù)。另外，在最開(kāi)始，為了將物質(zhì)緊緊膠合在一起產(chǎn)生星系，也需要暗物質(zhì)。科學(xué)家們還推測(cè)，暗物質(zhì)的數(shù)量可能是可見(jiàn)的氣體和星星的5倍。

    目前，暗物質(zhì)的身份對(duì)我們來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)未解之謎，暗物質(zhì)似乎并不在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之內(nèi)。盡管我們盡了最大努力，卻仍然沒(méi)有在地球上制造出甚至觀察到暗物質(zhì)。但是，它對(duì)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的影響微乎其微：在廣義相對(duì)論中，其引力作用與普通物質(zhì)的引力作用一模一樣，而且，即使有這么多能產(chǎn)生豐富引力的物質(zhì)，也很難讓宇宙停下膨脹的腳步。

    第二種“暗勢(shì)力”則引發(fā)了一場(chǎng)更加深刻的變革。在上世紀(jì)90年代，使用名為1a型的超新星爆發(fā)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家們對(duì)宇宙膨脹進(jìn)行了更加精確地追蹤。種種觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，宇宙正在加速膨脹，似乎有某種斥力彌漫于廣袤的宇宙間，徹底打敗了物質(zhì)間的萬(wàn)有引力?？茖W(xué)家將這種尚不知道的反引力作用稱為“暗能量”。

    精準(zhǔn)的配方

    這可能是愛(ài)因斯坦的“宇宙學(xué)常數(shù)”的再生，當(dāng)然，這和當(dāng)初愛(ài)因斯坦引入以給出平滑的宇宙模型不同，現(xiàn)在的“宇宙學(xué)常數(shù)”代表了暗物質(zhì)和暗能量。科學(xué)家們認(rèn)為，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能嚴(yán)格說(shuō)其是一種斥力，只能稱其為能量。盡管如此，粒子物理學(xué)家們?nèi)栽诩m結(jié)，為什么空間本身暗藏有這么小的能量密度呢？于是，富有想象力的理論學(xué)家們紛紛給出各種解釋，比如由迄今為止還沒(méi)有被看到的粒子產(chǎn)生的能量場(chǎng)；來(lái)自于可見(jiàn)的宇宙之外或者由其他維度發(fā)射過(guò)來(lái)的作用力等等。

    不過(guò)，上述富有想象力的觀點(diǎn)目前都沒(méi)有得到證實(shí)。無(wú)論暗能量是什么，它似乎足夠真實(shí)。目前為科學(xué)界普遍接受的宇宙起源理論認(rèn)為，宇宙誕生于距今約137億年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景輻射被認(rèn)為是“大爆炸”的“余燼”，均勻地分布于整個(gè)宇宙空間?！按蟊ā敝蟮挠钪鏈囟葮O高，之后30多萬(wàn)年，隨著宇宙膨脹，溫度逐漸降低，宇宙微波背景輻射正是在此期間產(chǎn)生的。

    宇宙微波背景輻射上有一些溫度不一的斑點(diǎn)，分別代表著年輕宇宙密度稍高和密度稍低的地方。這些斑點(diǎn)的典型尺度可以被科學(xué)家們用來(lái)衡量空間作為一個(gè)整體被其內(nèi)的物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)彎曲到何種程度。結(jié)果表明，宇宙看上去幾乎平滑無(wú)比，這意味著所有這些彎曲效應(yīng)都必須被抵消。這就使得科學(xué)家們?cè)俅涡枰承╊~外的排斥能量來(lái)平衡由于膨脹和物質(zhì)的引力所導(dǎo)致的彎曲。星系在空間中的分布模式也給出了同樣的結(jié)論。

    所有這些觀測(cè)線索，讓我們獲得了一份宇宙的精確配方?？臻g中普通物質(zhì)的平均密度是0.426攸克（yoctogram）（1攸克為10-24克）/立方米，這些物質(zhì)占宇宙總能量密度的4.5%，而暗物質(zhì)占22.5%，暗能量占73%。我們建立在廣義相對(duì)論基礎(chǔ)上的宇宙大爆炸模型與我們的科學(xué)觀察非常吻合，只要我們坦然接受我們虛構(gòu)出來(lái)的“暗勢(shì)力”占據(jù)了宇宙95.5%的份額。

    不過(guò)，這并不意味著我們已經(jīng)大功告成，我們必須“發(fā)明”更多東西才行。為了解釋宇宙為什么在各個(gè)方向看起來(lái)如此一致，目前的主流宇宙學(xué)理論還引入了第三種“詭異”元素，那就是暴脹場(chǎng)。宇宙學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)宇宙形成僅10-36秒時(shí)，一種具有顛覆性的力量接管了整個(gè)宇宙，這種力量就是暴脹場(chǎng)，其像暗能量一樣是排斥力，但比暗能量強(qiáng)大很多，它導(dǎo)致宇宙爆炸性地膨脹為原來(lái)的1025倍，讓宇宙變平滑，同時(shí)抹去了所有的整體不規(guī)則性。

    當(dāng)這段暴脹期終結(jié)時(shí)，該暴脹場(chǎng)就轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射。該暴脹場(chǎng)中的量子漲落，變成了宇宙密度的細(xì)微變化，最終演變?yōu)橛钪嫖⒉ū尘爸械陌唿c(diǎn)和我們目前看到的漫天星系。

    而且，這個(gè)夢(mèng)幻般的故事似乎與我們觀察到的事實(shí)非常吻合，它也再次引入了很多“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，只需要加上一個(gè)與宇宙學(xué)常數(shù)完全一樣的術(shù)語(yǔ)而已。但是，在某一時(shí)刻，該暴脹場(chǎng)一定占據(jù)了宇宙100%的空間，而且，其起源也像暗物質(zhì)或暗能量一樣，對(duì)人們來(lái)說(shuō)是個(gè)未解之謎。更重要的是，暴脹一旦開(kāi)始，就很難停下來(lái)：它會(huì)繼續(xù)制造出很多與我們的宇宙風(fēng)格迥異的宇宙。對(duì)有些宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，當(dāng)他們重新審視我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的基本假設(shè)時(shí)，預(yù)言多重宇宙的存在顯而易見(jiàn)就有點(diǎn)迫不及待了。

    標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型也有很多同我們的觀察不一致的地方。比如，宇宙大爆炸制造出的鋰-7在理論上多于宇宙本身包含的。另外，該模型也沒(méi)有解釋宇宙背景輻射中某些特征似乎能夠排列成行以及特定視線方向上的星系看起來(lái)似乎更傾向于左旋自轉(zhuǎn)。而且，科學(xué)家們最近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)40億光年的超星系結(jié)構(gòu)，也讓人們對(duì)宇宙在大層次上是平滑的這一假設(shè)提出了質(zhì)疑。

    黑暗三重奏

    如果科學(xué)家們獲得更多數(shù)據(jù)，或者改變計(jì)算方法，上述諸多小麻煩很可能就會(huì)消失殆盡。但是，更大的問(wèn)題仍然存在。美國(guó)哈佛—史密森尼天體物理學(xué)中心的物理學(xué)家羅伯特·柯什納表示：“我們不了解暗能量，也不了解暗物質(zhì)，這令我們感到相當(dāng)沮喪?！笨率布{也是首先發(fā)現(xiàn)暗能量的超新星團(tuán)隊(duì)中的一員。

    自從愛(ài)因斯坦創(chuàng)立滿是塵埃的宇宙模型以來(lái)，作為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)方法并沒(méi)有發(fā)生改變，但是，科學(xué)家們不斷朝這個(gè)模型“添磚加瓦”，使得現(xiàn)在的宇宙模型更富活力，而且細(xì)節(jié)更加明晰?？茖W(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)精確地知道該宇宙的年齡和組成了。暗物質(zhì)似乎制造出了星系和其他結(jié)構(gòu)；暗能量則暗示著宇宙會(huì)加速膨脹，最終進(jìn)入一個(gè)冰冷和孤獨(dú)的未來(lái)；暴脹理論表明宇宙源于一場(chǎng)暴力事件中。這三駕黑暗馬車，每一駕都指向一項(xiàng)全新的物理學(xué)。

    柯什納將這看成是一個(gè)挑戰(zhàn)。他說(shuō)：“這并不意味著我們的理論中存在著任何瑕疵。我們也并不會(huì)因此而失望，相反，我們深受鼓舞?！钡?，只要我們沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中獲得暗物質(zhì)的證據(jù)，或者為暗能量找到能證明其存在物理學(xué)基礎(chǔ)，我們就有可能深陷某種根本性誤解的桎梏之中——或許，我們的宇宙學(xué)模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)出現(xiàn)了一個(gè)非常根本的偏差，根本到了迄今為止還沒(méi)有人能夠想象得出這個(gè)錯(cuò)誤會(huì)是哪種形式，只是一個(gè)未知的未知。那么，量子引力論會(huì)是我們前進(jìn)的方向嗎？或者，某些新的觀察會(huì)讓我們?cè)僖淮沃貙懳覀兘⒃趶V義相對(duì)論基礎(chǔ)上的宇宙學(xué)說(shuō)？

    現(xiàn)在，我們只有一些最模糊的線索，指引著我們前往何處尋找替代的宇宙模型。但是，或許，我們只需要摒棄一個(gè)沒(méi)有人注意到的與現(xiàn)實(shí)有關(guān)的假設(shè)，帷幕就會(huì)被拉起，所有的黑暗勢(shì)力都將煙消云散，滿天繁星將再現(xiàn)光芒。

    《科技日?qǐng)?bào)》（2013-06-10 二版）