【現(xiàn)在的主流宇宙學(xué)模型與觀測事實(shí)符合得極好,，只是必須用到太多不明“真相”的黑暗成分,。圖片來源：deviantart.net】

（文/ Stephen Battersby）對于我們的眼睛來說，星星即是宇宙,。然而對于宇宙學(xué)家而言,，它們不過是閃爍的塵埃，是宇宙真相中不起眼的點(diǎn)綴而已,。有兩樣難以捉摸的東西,，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的星星和氣體，分別被稱為暗物質(zhì)和暗能量,。我們對它們一無所知,，只知道它們似乎構(gòu)成了宇宙中的幾乎所有一切。

這對孿生的幽靈足以讓我們暫時(shí)停下腳步,，思量在過去的一個(gè)世紀(jì)里,，我們仔細(xì)建立的宇宙學(xué)模型是否正確。還不僅于此,。我們的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型還指出,，在大爆炸之后的瞬間，空間就被一種未知的東西拉伸成形,，這第三種“暗”成分被稱為暴脹場,。這可能意味著，在我們視線之外還隱藏著無數(shù)其他宇宙,，其中的大多數(shù)另類得不可思議——而它們的存在,，只是為了讓我們的宇宙模型能夠發(fā)揮作用。

讓我們的觀測承載起這些幻影，負(fù)擔(dān)是否太過于沉重,？難道真如馬克·吐溫（Mark Twain）所言,，投入一些微不足道的事實(shí)，就能收獲一大堆猜測不成,？

標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的物理基礎(chǔ)是愛因斯坦的廣義相對論,。愛因斯坦出發(fā)點(diǎn)是一個(gè)簡單的觀測事實(shí)：任意物體的引力質(zhì)量完全等同于它的慣性質(zhì)量,，也就是它抵御加速度的能力（參見《犧牲愛因斯坦 顛覆相對論基石》一文）,。由此，他推導(dǎo)出了一組方程,，描述質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)如何彎曲空間,，以及這種彎曲如何被我們視為引力。蘋果落地正是因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量彎曲時(shí)空所致,。

在地球這種引力相對較弱的環(huán)境中,，廣義相對論的效果看起來跟原先牛頓引力理論的預(yù)言非常相似。牛頓理論把引力當(dāng)成一個(gè)作用力,，在物體之間瞬間傳遞,。然而，在引力場較強(qiáng)的地方,，兩者的預(yù)言就會(huì)大相徑庭,。廣義相對論多出了一個(gè)預(yù)言：加速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生微小漣漪，被稱為引力波,。雖然引力波尚未被直接觀測,，但1974年發(fā)現(xiàn)的一對致密脈沖星在相互旋轉(zhuǎn)的過程中正在彼此靠近，就好像它們正在發(fā)射引力波,，從而損失軌道能量一樣,。

引力在宇宙尺度上是自然界的主導(dǎo)力量，因此廣義相對論就成了我們把宇宙當(dāng)成一個(gè)整體,，描述其運(yùn)動(dòng)及演化的最佳工具,。但是它的方程極其復(fù)雜，可調(diào)節(jié)的參數(shù)多到讓人發(fā)悚,。如果把一套復(fù)雜的參數(shù)代入方程,，比如真實(shí)宇宙中質(zhì)量和能量紛繁復(fù)雜的分布細(xì)節(jié)，整套方程就會(huì)變得無法求解,。為了建立一個(gè)有效的宇宙學(xué)模型,，我們做了一些簡化假設(shè)。

最主要的假設(shè)被稱為哥白尼原理,，即我們所處的位置并無任何特殊之處,。宇宙在任何地方看起來都應(yīng)該差不多是一樣的——事實(shí)上，當(dāng)我們在足夠大的尺度上放眼望去，物質(zhì)分布確實(shí)是相當(dāng)均勻的,。這意味著,，愛因斯坦方程只需要代入一個(gè)參數(shù)就夠了，那就是宇宙的物質(zhì)密度,。

【對于我們的眼睛來說,，星星即是宇宙。然而對于宇宙學(xué)家而言,，它們不過是閃爍的塵埃,，是宇宙真相中不起眼的點(diǎn)綴而已。圖片來源：NASA】

最大的錯(cuò)誤

愛因斯坦在他自己建立的第一個(gè)簡化宇宙模型里填滿了均勻分布的無碰撞塵埃,，結(jié)果這個(gè)宇宙會(huì)在自身引力作用下收縮,。他把這種收縮視為一個(gè)問題，因此為了避開收縮,，他在方程中添加了新的一項(xiàng),，使得真空本身獲得了一個(gè)恒定的能量密度。它的作用是排斥,，因此加入適量的這種“宇宙學(xué)常數(shù)”,，就可以確保宇宙既不膨脹，也不收縮,。到了20世紀(jì)20年代,，當(dāng)觀測表明宇宙確實(shí)正在膨脹時(shí)，愛因斯坦將他的這個(gè)舉動(dòng)稱為是他最大的錯(cuò)誤,。

把相對論方程應(yīng)用于膨脹宇宙的是其他人,。他們得到了一個(gè)模型：宇宙始于一個(gè)密度高到難以想象的小點(diǎn)，膨脹速度則在物質(zhì)引力的作用下逐漸放緩,。

這就是大爆炸宇宙學(xué)的由來,。當(dāng)時(shí)的主要問題在于，宇宙膨脹最終會(huì)不會(huì)停下來,。答案似乎是否定的：宇宙中的物質(zhì)太少,，引力不足以束縛住四散逃逸的星系。宇宙應(yīng)該會(huì)永遠(yuǎn)向外擴(kuò)散下去,。

接下來,，宇宙幽靈便開始浮現(xiàn)。第一位黑暗使者早在20世紀(jì)30年代就已登門,，但直到20世紀(jì)70年代末,，當(dāng)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系自轉(zhuǎn)速度太快時(shí)，它才被人完全認(rèn)清,?？梢娢镔|(zhì)的引力太弱，根據(jù)廣義相對論，甚至直接依據(jù)古老的牛頓物理學(xué),，它們都應(yīng)該無法維系住這些星系才對,。天文學(xué)家得出結(jié)論，必定存在大量看不見的物質(zhì),，提供了更多引力來維系星系,。

暗物質(zhì)的存在也得到了其他證據(jù)的支持，比如星系群的運(yùn)動(dòng)以及它們彎曲光線的方式,。第一代星系在形成之初,，也需要它們幫忙先把物質(zhì)拉攏在一起?？偠灾?，暗物質(zhì)的總質(zhì)量似乎是可見氣體和恒星的5倍左右。

但暗物質(zhì)的成分仍然未知,。它們似乎是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的東西。盡管我們盡了最大的努力,，還是沒有在地球上觀測到或者是創(chuàng)造出一個(gè)暗物質(zhì)粒子,。不過，它對宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的改變并不大：在廣義相對論中,，暗物質(zhì)的引力作用和普通物質(zhì)完全相同,，然而即便有這么多能夠產(chǎn)生引力的物質(zhì)，也不足以讓宇宙膨脹停下腳步,。

第二位黑暗使者引發(fā)了一場更深刻的變化,。20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家對Ia型超新星的爆發(fā)進(jìn)行了觀測,，這種方法能夠追蹤宇宙膨脹的速度,，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往。他們發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速,，似乎有某種斥力作用于整個(gè)宇宙,，正在全面壓制物質(zhì)間的萬有引力。

精確的配方

這有可能是愛因斯坦宇宙學(xué)常數(shù)的再生,，即真空中一種能夠產(chǎn)生排斥的能量,。然而，粒子物理學(xué)家仍在糾結(jié),，為什么空間本身隱含著這么小的能量密度,。于是，富有??想象力的理論學(xué)家提出了其他想法,，比如由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子產(chǎn)生的能量場,，再比如源自可觀測宇宙之外或者從其他維度“滲透”過來的作用力。

不管這種暗能量是什么，它看起來足夠真實(shí),。大爆炸后僅37萬年,，第一代原子形成時(shí)釋放的輻射，如今已成為宇宙微波背景輻射,。微波背景中包含著某種圖案,，由溫度稍高和稍低的斑點(diǎn)構(gòu)成，分別代表著年輕宇宙中密度稍高和稍低的地方,。這些斑點(diǎn)的典型尺度可以用來衡量,，空間作為一個(gè)整體，被其中的物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)彎曲到了何種程度,。結(jié)果表明,，空間看上去幾乎是完全平直的，這意味著所有能夠彎曲空間的效應(yīng)必定都相互抵消掉了,。這也意味著,，必需要有某種額外的斥力，來平衡由于膨脹和物質(zhì)引力產(chǎn)生的彎曲,。星系在空間中的分布模式也給出了類似的結(jié)論,。

【W(wǎng)MPA探測器發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景輻射中溫度稍高和稍低的點(diǎn)構(gòu)成了某種圖案,，這種圖案告訴我們宇宙在整體上幾乎是平直的,。圖片來源：mit.edu】

所有這些觀測證據(jù)，讓我們得到了宇宙的一份精確配方,?？臻g中普通物質(zhì)的平均密度為每立方米0.426幺克（1幺克等于10^-24克，0.426幺克大約相當(dāng)于0.25個(gè)質(zhì)子）,，占宇宙總能量密度的4.5%,。暗物質(zhì)占了22.5%，暗能量則占到了73%,?；趶V義相對論的大爆炸宇宙模型與我們的觀測符合得極好——只要我們能夠坦然接受“虛構(gòu)”出來的那95.5%的宇宙。

不過,，我們還必須“發(fā)明”更多東西才行,。為了解釋宇宙為什么在所有方向上看起來都均勻到如此極致，今天的主流宇宙學(xué)理論還包含第三種詭異的成分,。在宇宙年齡只有10^-36秒時(shí),，一種壓倒性的力量接管了整個(gè)宇宙。這種被稱為暴脹場的東西,，像暗能量一樣表現(xiàn)為斥力,，但要強(qiáng)大許多,，導(dǎo)致宇宙爆發(fā)式膨脹了至少10²⁵倍，拉平了空間,，還抹去了所有的整體不規(guī)則性,。

這段被稱為暴脹的時(shí)期結(jié)束時(shí)，暴脹場轉(zhuǎn)變成了物質(zhì)和輻射,。暴脹場中的量子漲落,，變成了密度上的細(xì)微起伏，最終演變成宇宙微波背景中的斑點(diǎn),，以及今天的星系,。這個(gè)夢幻一般的故事，看起來與觀測事實(shí)也是相符的,，但它也再次引入了許多“空想”出來的概念,。對于廣義相對論而言，暴脹并不麻煩——在數(shù)學(xué)上,，它只需要再加上一個(gè)跟宇宙學(xué)常數(shù)完全相同的項(xiàng)即可,。但是，這個(gè)暴脹場在某一時(shí)刻必須百分之百構(gòu)成宇宙中的全部成分,，而它的起源則與暗物質(zhì)或暗能量一樣,，提出了一個(gè)大難題。更重要的是,，暴脹一旦開始就很難停止：它會(huì)創(chuàng)造出眾多與我們的宇宙風(fēng)格迥異的宇宙。在一些宇宙學(xué)家看來,，預(yù)言存在多重宇宙成了一個(gè)迫切的理由,，逼著他們?nèi)ブ匦聦徱晿?biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的基本假設(shè)。

標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型在觀測上也遇到了一些小麻煩,。大爆炸在理論上能夠產(chǎn)生的鋰7,，要比宇宙中的實(shí)際含量高出許多。微波背景輻射中某些特征似乎能夠排列成行,，特定視線方向上的星系看起來似乎更傾向于左旋自轉(zhuǎn),，這些都無法用標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋。新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)長達(dá)40億光年的超星系結(jié)構(gòu),，也對宇宙在大尺度上平滑均勻的假設(shè)提出了質(zhì)疑,。

黑暗三重奏

隨著更多觀測數(shù)據(jù)的出爐，或者計(jì)算方法的改進(jìn),，這些小麻煩很可能會(huì)自行消失,。但更大的問題仍然存在。美國哈佛大學(xué)的宇宙學(xué)家,、率先發(fā)現(xiàn)暗能量的超新星觀測組成員羅伯特·克什納爾（Robert Kirshner）說：“這我們不知道暗能量是什么,，也不知道暗物質(zhì)是什么,，這或多或少會(huì)讓人有一點(diǎn)尷尬?！?/p>

自愛因斯坦那個(gè)滿是塵埃的宇宙模型開始,，宇宙學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)就再也沒有發(fā)生過變化，但不斷添加的成分使得今天的宇宙模型更具活力,，也體現(xiàn)了更多的細(xì)節(jié),。宇宙的年齡和構(gòu)成已經(jīng)被了解得相當(dāng)精確。暗物質(zhì)似乎已經(jīng)創(chuàng)造出了星系和其他結(jié)構(gòu),；暗能量暗示宇宙將加速膨脹,，步入一個(gè)寒冷而孤寂的未來；暴脹則指出宇宙誕生于劇烈動(dòng)蕩之中,。這三駕黑暗馬車,，每一駕都指向了全新的物理學(xué)。

克什納爾將其視為一個(gè)挑戰(zhàn),，“這并不意味著我們的觀點(diǎn)有任何缺陷,。它帶來的不是絕望，而是靈感,?！钡牵灰覀冞€沒有在實(shí)驗(yàn)室里找到暗物質(zhì)的證據(jù),，或者證明暗能量的物理基礎(chǔ),，我們就有可能仍然深陷于某種根本性的誤解之中——或許，我們關(guān)于宇宙的數(shù)學(xué)模型出了某個(gè)非?；A(chǔ)的岔子,，基礎(chǔ)到了迄今為止還沒有人想象得出這個(gè)錯(cuò)誤會(huì)是哪一種形式，只是一個(gè)未知的未知,。量子引力論能告訴我們前進(jìn)的方向嗎,？抑或，一些新的觀測能指引我們再次改寫建立在廣義相對論基礎(chǔ)之上的宇宙學(xué)嗎,？

我們只有一些最含糊的線索,，指引我們?nèi)ふ姨娲挠钪鎸W(xué)模型。但或許,，我們只需要擯棄一個(gè)沒有人注意到的關(guān)于現(xiàn)實(shí)的假設(shè),，帷幕就會(huì)升起，所有的黑暗隨即煙消云散,，繁星之夜將再現(xiàn)光芒,。