听爱因斯坦说：宇宙是由什么构成的

萝莉Small_Lo

第1章　宇宙是由什么构成的?
    我们曾经认为自己是如此的接近真相。宇宙的整体轮廓已经基本完成,科学家们都在忙于决定宇宙结构和演化历史。伴随着更大更好的天文望远镜的出现,天文学家希望能看到和他们印象中的宇宙相吻合的精细结果。但是,出现在望远镜中的世界却和预想中的大相径庭。通过统计宇宙中无数星系和其中无数恒星所发出的光,我们能计算出所有物质的总和,而这一数据正是决定宇宙最终命运的关键。但是,所有观测都明白无误地指出,能够出现在我们视野中的恒星和星系,只是宇宙中全部物质的一小部分——另外还有大量物质,是我们无法从望远镜中看到的。这种隐形物质由各种各样被称作暗物质的新型粒子构成。而这些暗物质,将比我们见过的,或是在最高级的实验室中创造出的任何物质都更加新奇。
    更惊人的一种可能,是宇宙中的绝大部分成分甚至不是任何物质,而是一种正在使宇宙加速膨胀的奇怪的新能量。宇宙膨胀是爱因斯坦广义相对论做出的一个最疯狂的预言。从时间初始的那一刻起,空间本身就开始膨胀,而随着空间的扩张,散布在其中的星系也迅速地彼此远离。宇宙学家原本期望万有引力(它能汇聚物质)能对抗宇宙的扩张,并降低膨胀的整体速率。但我们所看到的却是完全相反的现象。这一发现彻底颠覆了我们原本对宇宙的领悟。这就像某天傍晚,当我们下班开车回家时,原本期待引力会使汽车安稳地行驶在路面上的司机,却突然发现自己漂浮在天空之上,并且还在不断地升高。宇宙的膨胀非但没有减慢,反而在不断加速,朝着一个未知的将来飞去。而这一切都是暗能量在背后不停地驱动。引力,这个曾经被认为是宇宙大尺度中的统治者,正在将对宇宙的控制权割让给这个未知的、看不见的存在。
    从某种意义上说,科学又进入了新一轮的探索,而这次探索将比任何魔幻小说都更神奇。在我们的眼睛和望远镜中出现的宇宙,将是一片压倒性的黑暗,其中近乎四分之三是暗能量,四分之一是暗物质,而我们以前所熟悉的常规物质,只是零星散布在宇宙中的些许点缀,就像夜幕中无边大海上的一点闪光。在20世纪物理学良好发展的基础之上,如今我们又踏入了一个全新的领域。

如此先进的新世界观,必然要求一种同样先进的新观察方法。爱因斯坦的广义相对论,给我们带来了一种对宇宙的颠覆性理解,而这种理解正在指引科学家们将空间本身做成望远镜。这种构想一旦成功,这些由万有引力打造的宇宙望远镜,其能力将远远超过我们能在地球上建造的任何设备。
    根据爱因斯坦的理论,空间和时间能被任何形式的质量扭曲。每一个行星、恒星和星系都会在空间中产生一个凹陷——物体的质量越大,凹陷越大。因此,无论暗物质是什么,也无论它在哪里聚集,都会使周围的空间变形。当光穿过这些由大质量物体所产生的凹陷时,自然而然地就会改变方向,其结果和在空间放置一个巨大的透镜是一样的。单从引起光线弯曲和偏转的效果来看,这种由空间结构变化所产生的引力透镜,和传统的由玻璃或塑料制成的光学透镜没什么两样。
    尽管这是一个很抽象的理论,但在现实中,这一理论可能会成就一项非常实际的应用,并由此衍生出当代宇宙探索者手中最强大的工具。就像我们能通过理解量子力学,创造出一项革新性的影像技术——核磁共振成像(MRI)。通过该技术医生可以直接观察人体的内部结构,而这在一百年前根本是无法想象的。广义相对论同样给予了天体物理学家一种观测宇宙的新方法。爱因斯坦理论将我们的视线推广到了一个新极限,并首次为我们揭示了宇宙中黑暗组成部分的细节。在引力透镜的帮助下,我们能够将观察范围扩大到最遥远的星系,发现其他远离太阳系的神秘行星以及空间中旋转的黑洞。
    更重要的是,我们可以借助引力透镜去揭开暗物质和暗能量的神秘面纱。科学家已经开始研究这些包裹着星系和恒星、并占据宇宙大部分组分的暗物质,同时着手探究无光区域的宇宙结构。在无限延展的宇宙中,暗物质形成了一个由引力刻画、并带有暗能量印鉴的网络,而引力透镜是唯一可以帮助我们绘制出这张网的工具。这种新式的引力望远镜——即爱因斯坦望远镜——将帮助我们破解暗物质和暗能量的谜题,并最终带领我们获得对空间、时间、物质和能量的基础本质更深层次的领悟。
    核心问题在尝试寻找答案之前,我们必须先理解所面对的核心问题。进入21世纪以来,研究宇宙的科学家们所面临的最严峻、同时也是最引人注目的问题,正是人类在尝试理解周围世界时所提出的一个最古老的问题:
    宇宙是由什么构成的?”
    这个问题是数千年来科学研究的焦点所在,且毫无疑问已经取得了足以令人震惊的进展。我们现在可以解释视线所及的一切事物:从地球上的物体到地球本身,再到最遥远星系中的恒星。在最基本的层面上,它们都是由原子和分子组成的,而原子和分子又可以分解为夸克和电子。在过去的一百年间,我们深入发掘了原子和分子的特性。直到20世纪末,一些学术权威甚至迫不及待地想要宣称,我们已经找到了这个古老问题的答案——科学的尽头已经到来。
    他们显然是错误的。
    随着不断更新对这个问题的理解,科学家们为这一古老的研究注入了新的活力。我们发现原先对这个问题的领悟竟是如此的有限,它仅仅包含了宇宙中的一小部分。无论是亚原子世界的最新实验,还是对遥远宇宙的新观测数据,这些来自科学研究完全不同领域的进展,结合在一起为我们绘制了一幅难以置信的图像。在这个图像中,“宇宙是由什么构成的?”这个问题将被彻底地改写。现在我们已经知道,宇宙的大部分成分都和我们所熟悉的地球上的物质大不相同。事实上,宇宙的主要组分甚至不属于任何物质,而是一些我们至今无法理解的新成分。
    从一个科学家的角度来看,这些新内容的出现实在是太奇妙了。目前人们所掌握的数据证实了大爆炸理论(宇宙的当前模型)的许多预言,并支持了有关宇宙本身及其演化历史的种种大胆描述。同时,这些数据还为我们提出了一个新的问题——统治宇宙的这些黑暗成分究竟是什么?
    探究万物的本源及其构成,从而了解我们自身所处的环境和地位,是人类最重要的本能之一。无论是一个个体还是整个物种,我们赖以生存的根本,正是这种看上去与生俱来的最本能的好奇心。一旦达到一个新领域,或抓住任何一丝线索,我们就会动用全部的感官来探索这个世界,并扩展我们对世界的定义。


这种先天的好奇心带领人类走出自家的后院,激励我们去发展更复杂的工具,从而将原有的感官延伸到更深远的地方。它鼓励我们将批判性的思维技巧和跳跃的想象力结合在一起,去思考这些新工具究竟能告诉我们什么。当我们意识到即将进入一个全新的领域时,冒险旅途中最激动人心的时刻也随之到来。无论是踏上一片新大陆的海岸,还是在新行星上降落,或是潜入海面以下新的深度,我们都将开始了解原本未知的伟大世界,并为这些勇敢的探索绘制出新的篇章。
    宇宙的情况
    在对宏观宇宙和微观世界这两个极端尺度的研究中,科学家们都取得了令人吃惊的进展。在亚原子粒子这个最微小的尺度上,粒子物理的标准模型(Standard Model)为我们提供了一个有关常规物质基本构架的理论基础。迄今为止,这一坚实的理论经受住了来自各方面的考验。而在另一个极端,作为宇宙大爆炸模型基石的广义相对论,也取得了巨大的成功。
    对微观世界(即亚原子世界)的描述,定义了最小的已知物质粒子和它们相互作用的方式——一个原子的终极成分是什么以及是什么力量将它们结合在一起。在实验方面,我们主要有两种方法可以探索粒子的世界。第一种方法是对事物进行拆分。物理学家们成功地分解了他们手边的任何事物,并将所得的结果分门别类归纳起来。对此,他们采用的方式并不怎么温柔。目前的方法基本上是将两小块具有超高能量的物质碰撞在一起,并观察从这个碰撞中会出现什么——尽管可能只是短短的一瞬。这种方法听上去很像一个10岁的孩子用铁锤拆卸录像机一样简单。但幸亏有爱因斯坦的质能方程E=mc2,碰撞中的一些能量可能会被转换成新的粒子。碰撞的能量越多(即初始粒子以更快的速度冲向彼此),产生的粒子就越重(也更罕见)。所以这里有一点小矛盾——将粒子拆散成小块需要高速碰撞,但作为回报,碰撞之后的产物却可能是一些质量更大的新型粒子。
    第二种方法是设置一个陷阱,并期待它能捕获到一些粒子,或是粒子经过时留下的痕迹。为了构造这样一个陷阱,我们需要一个靶标——粒子可以与之碰撞、耦合或散射的对象。作为粒子捕获器,靶标可以具有各种各样的尺寸和成分:一小块硅晶体,一个容纳50 000吨水的水箱,甚至是地球的大气层。依附在这些靶标上的探测器可以收集和统计耦合的最终产物,标记带电粒子的出现,记录短暂的发光或是感应靶标温度的微小增加。


  在20世纪,这两种方法都被广泛地应用于大量创新性实验。而当实验物理学家正忙于兴奋地收获和分析各种各样奇怪的物质粒子时,理论物理学家则在量子力学理论的帮助下,尝试着将所有这些成员整合在一起,并构造出一个亚原子世界的整体数学表述。在这一过程中,不同的模型会给出不同的预言,并在下一代实验中得到检验。不断有人提出新的粒子,随后这些粒子又被发现。同时,还有一些奇怪的相互作用被观测到,接着又由一些基本的规则所解释。作为最后出现的理论,粒子物理标准模型既简单又优美,最重要的是符合了所有的实验数据。它描述了构成“常规物质”的基本粒子,而这些物质正是组成地球和地球上万物的基石,也是唯一一类为我们所熟知的物质。
    看看我们身边的任何一样东西,一本书,一条狗,我们正在呼吸的空气,全都是由这些本质上相同的物质组成的。无论什么东西,都可以被拆分成各种各样的分子,而每个分子则由一个或者多个原子组成。不同种类的原子——例如氢原子、氧原子以及金原子——都被收录于我们自高中时代就很熟悉的化学元素周期表中。每个原子由一个原子核和包裹它的电子云组成,原子核能被进一步分割成中子(不带电荷,neutron)和质子(带正电,proton),而中子和质子又各自由三个夸克(quark)组成。迄今为止,我们还没有发现夸克能继续进行分裂,因此它也被认为是中子和质子的最小构成单元。
    我们可以到月球表面捧起一把灰尘,或是从太阳中心取出1 500万摄氏度的气体(假定在经历这样的旅行后还可以生存)。我们可以飞向远方星系的任意恒星,或是深深挖掘到地球的中心。我们还可以参观任何一个粒子物理研究中心,例如芝加哥城外的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory, 简称为Fermilab),并取出任何一个实验的产物。上述所有的物质,不管是热是冷,是粗糙还是光滑,产量充足或极端罕见,都是由相同的基本材料构成的:组成人体或书本原子的夸克和电子(electron),两种虽然质量更大、但其他方面与夸克和电子完全相同的对应粒子,以及在核反应中产生的被称作中微子(neutrino)的幽灵粒子。1
    世界上共存在6种夸克:上夸克(up)和下夸克(down),粲夸克(charm)和奇异夸克(strange),顶夸克(top)和底夸克(bottom)。除此之外,自然界还包括电子、　介子(muon)和　粒子以及三种不同味(flavor)的中微子即电子中微子、　中微子和　中微子。上述这些粒子被编入三个“家庭”2(同一个家庭成员间的相互作用更强),其完整编目如图1—1所示。通过这样或那样的方式,我们已经发现了所有这些粒子,而它们之间各种各样的组合也组成了所有由常规物质构成的事物。例如,要构造元素周期表中的任何元素,我们只需要一些夸克(两个上夸克+一个下夸克=质子;两个下夸克+一个上夸克=中子)和一些电子。

除此之外,每种粒子还拥有一种与之对应的反粒子(antiparticle)。除了所带电荷相反,反粒子和对应粒子在其他各方面完全一致。例如,正电子(positron)的质量和电子完全相同,但所带电荷为正。而每一个夸克也都拥有一个孪生反夸克,反质子(antiproton)则由两个反上夸克和一个反下夸克构成。这些粒子被统称为反物质(antimatter),它们之间存在常规的引力相互作用,且被认为是标准模型中的一部分。
    也许反物质听上去像是科幻小说中的概念,而且质子和反质子在碰面之后也确实会魔术般地一起消失,但这并不是真的那么超乎想象。尽管我们仍然在设法理解为什么宇宙几乎完全是由物质组成的(而不是反物质),但反物质粒子确实经常出现在自然界(例如一些核衰变)和科学实验中(费米实验室产生的反质子射线以及由位于加利福尼亚州门洛帕克(Menlo Park)的斯坦福线形加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center, SLAC)产生的正电子射线)。当然,反物质在任何情况下都不会长期存在。一旦它遭遇到一点物质,就会通过相互湮灭的方式消失,而两个粒子的质量则被(至少短暂地)全部转化为纯的能量。
    上述所有粒子间的相互作用——包括物质和反物质——都可以被归纳为四种基本力。引力可能是大家最熟悉的一种(同时也可能是我们了解最少的)。而看来互不相干的电力和磁力,实际上只是同一种电磁力的不同表示。至于我们最不熟悉的核力,则包括两种类型——强相互作用和弱相互作用。上面所说的后三种力——强、弱和电磁相互作用——都各自存在一种与之关联的力传播子,物质粒子正是通过这些力传播子的交换来进行彼此间的耦合。带电粒子(例如电子)要通过电磁力的载体——光子(photon)——和其他带电粒子发生相互作用。原子核中的夸克被传递强相互作用的胶子(gluon)捆绑在一起。而电子和中微子之间的弱相互作用则通过W波色子(W boson)和Z波色子(Z boson)传递。对于引力,也许同样存在着传播力的引力子(graviton),但我们至今还未观测到它的存在。这也是粒子物理学中一个悬而未决的关键问题。
    粒子物理的标准模型是一个对亚原子世界的数学表述。它非常成功地描述了构成常规物质的基本粒子以及它们之间的相互作用。尽管标准模型不是万能的——事实上依然还有很多严肃的问题等待我们去回答,比如为什么一些粒子比其他粒子重?为什么有三个粒子家族而不是一个?究竟是否存在引力的量子理论?等等——但是,迄今为止我们尚未发现标准模型本身的任何弱点。


物理学家从各个角度,用各种方法对标准模型和这些基本粒子进行了细致的研究,这个模型成功地通过了所有考验——这绝对是一个伟大的成就。
    回到起点
    对宇宙学的研究也在20世纪取得了令人震惊的成果。我们现在已经掌握了大量的证据来支撑大爆炸理论(Big Bang theory)。根据这一理论的描述,宇宙起始于由能量组成的高温致密混沌,并在随后的亿万年间,随着延续至今的时间和空间膨胀而逐渐冷却。尽管名字听起来很吓人,但大爆炸并不是空间中发生的爆炸,而是时间和空间的起点——或者更准确地说,是当前人类对物理学的领悟能把我们带到最接近起点的地方。
    “大爆炸”这个术语常被用于指代两个概念——一是大爆炸理论,即宇宙从最初的高温致密状态下膨胀的模型;二是大爆炸事件本身,即宇宙起源的那个密度无限大且温度无限高的点[专业术语称为奇点(singularity)]。“大爆炸”一词最早是由一个英国物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)于1949年在英国广播公司(British Broadcasting Corporation,BBC)的一个电台节目中提出的。他本人实际倾向于一个相反的、被称为定态宇宙(steady-state universe)的理论。对于那些“认为宇宙中所有物质都是在过去某个特定时间的一次大爆炸中产生的早期理论”3,他持反对意见,并认为这些理论和当时的观测结果不符。但是,霍伊尔在学术界是少数派,而且定态宇宙理论也和目前的观测数据不符。与之相比,大爆炸理论(这个术语随后被它的拥护者所接受)则被证明和目前所有的实验结果保持着惊人的一致。
    在大约137亿年前,我们今天所看到的宇宙(甚至更大的范围),都包含在一个温度极高、密度也极大的点内。那时还没有恒星或星系,只有一片由各种可能出现的粒子组成的沸腾的能量海洋。不断碰撞的粒子,在“产生—分解—湮灭—再产生”这个循环过程中不停地出现和消失。这片能量海洋的温度和密度都接近于无限——在宇宙的最早期,温度甚至高于1亿亿亿亿(1032)摄氏度。
    无论是什么原因引起的大爆炸(关于这个问题有很多有趣的想法,以后我们会对这些想法进行讨论),都导致了宇宙的存在,空间也在随之而来的膨胀中逐渐冷却。在宇宙年龄达到百万分之一秒时,温度很快降低到10万亿(1013)摄氏度,并宣布了一个宇宙历史新时代的到来:粒子——包括质子和中子——开始从宇宙的原始混沌中凝聚出来。

在达到这个标志性的温度以前,宇宙中过高的温度使得物质粒子无法形成并存活下来——一旦三个夸克聚合在一起形成质子,其他带有足够能量的粒子将撞击这个质子,并使它再次分裂。在这里,我们不妨想象一下:在一个幼儿园的小房间内,挤满了精力充沛且到处乱跑的小朋友。即使我们能在这里搭起积木,也会很快被撞倒。只有当所有的小朋友都玩累了,不再时刻不停地从房间的这一头跑到那一头时,积木搭成的城堡才有可能保存到幼儿园放学。同理,如果中子和质子要在宇宙中长久生存,就必须等到粒子的平均能量(随温度一起下降)减少到将粒子分解为夸克所需的能量以下。
    在大爆炸以后大约一分钟时,宇宙的温度已经降到了10亿摄氏度以下。质子和中子开始相互结合在一起,并通过所谓的核合成过程(nucleosynthesis)形成了一些最轻的元素。(其他的重元素将在以后的恒星和恒星爆炸中出现。)这些轻元素——主要是氢以及少量的氦和锂——构成了弥漫在宇宙中的第一缕气体,并最终形成了第一批恒星。
    然而在此时,恒星的形成条件还尚未成熟。早期的宇宙是非常平滑的,在粒子和能量的海洋中只会形成体积很小的不均匀团块——某个地方粒子多一些,某个地方粒子少一些。这些团块代表了恒星和星系的种子。一旦引力超过空间膨胀,成为宇宙间最主要的作用,这些种子就会在引力的作用下不断生长发育。而为了使这一切能够发生,物质必须在宇宙中取得优势地位。
    在大爆炸发生的数万年以后,宇宙能量主要以辐射的形式存在——即光和快速运动的粒子。物质(即缓慢运动的粒子)仅占整体能量的很小一部分。幸运的是(至少对我们来说),物质对辐射的比例会随宇宙的膨胀而改变,并一直增长直到物质占据统治地位,而辐射则变得越来越不重要。这一变化对我们的存在是至关重要的。在一个充满辐射的宇宙中,空间膨胀将压倒引力汇聚物质的作用,从而阻止未来恒星和星系种子的生长。因此,在各种天体结构——包括我们的银河系——开始形成之前,物质必须成为宇宙的主要成分。
    但在宇宙的最初时刻,几乎所有能量还都以辐射的形式存在。原始的宇宙混沌中存在着光子和以接近光速运动的相对论性物质粒子,它们全都被归为辐射一类。事实上,这些物质粒子的总能量几乎全部来自它们的运动能量,因此它们的行为更像辐射(光),而不像物质(有质量的物体)。


随着宇宙的膨胀和温度的降低,物质粒子的能量也不断下降,直到它们的速度减小到非相对论性(粒子的运动能量远小于它的质能)。缓慢运动的物质粒子从此脱离了辐射的行列,转而成为物质的一员。然而,即使在大多数物质粒子成为非相对论性之后,辐射仍然是宇宙的主宰——剩余的辐射(主要是光和中微子)仍然拥有比物质更多的能量。
    宇宙接下来的膨胀改变了这一切。我们不妨想象一大块充满物质粒子和光的空间。当宇宙扩张时,空间的体积增大,但粒子的数目却是不变的——因此粒子的密度减小了。这种效果对物质粒子和光子的作用是相同的。但是,光子还将为别的原因付出额外的损失。事实上,当空间扩张时,光波也会被拉伸——光的波长将变得更长。因为光子的能量随波长的增加而减小,光的能量密度就会因为这一拉伸效果而进一步减小。因此,随着时间的流逝和宇宙的膨胀,光能量密度将比物质能量密度以更快的速率减少,直到被物质能量超过。
    在大爆炸后大约50 000年时,关键的转变发生了。物质第一次和辐射平分秋色,宇宙的结构也开始形成。在宇宙经过了56 000年这个标志性的年龄之后,温度降到了10 000摄氏度以下,原始密度分布中那些不均匀的小块儿,开始在引力的作用下生长。
    但是对原子来说,这个温度仍然太高了。已经形成的轻元素的原子核,依然无法束缚住在这个温度下快速飞行的电子。由于空间充满了带正电荷的裸原子核和带负电荷的自由电子,光子便不可能自由飞行。事实上,由于光子会和周围的带电粒子发生相互作用(通过电磁力),这些早期的光子在一个接一个的带电粒子间不断发生碰撞,并在每次碰撞后发生能量和方向的改变。因此,这时的宇宙看上去仿佛充满了浓厚的雾气。
    大约在大爆炸之后38万年,宇宙温度降低到了3 000摄氏度以下,电子和质子终于能够结合在一起,形成不带电的原子。光子也从此获得了自由。没有带电粒子的羁绊,大爆炸产生的光子可以毫无阻碍地在空间和时间中旅行。直到约140亿年后的今天,这些光子仍继续在宇宙中以宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)的形式存在。作为大爆炸的余晖,这种早期宇宙的残留物毫无疑问是研究宇宙学的宝库。今天,当我们对现存的光辐射进行观测时,看到的正是宇宙原始混沌中浓雾的轮廓——即大爆炸后不到40万年时宇宙的图像。


颇具矛盾意味的是,大爆炸时产生的原始光线的解放,同时也宣告了宇宙黑暗时代的到来——一个新的光线不再产生的时代。由于在黑暗时代中没有新光源(那时恒星还没形成),因此我们在数百万年间失去了宇宙的图像和信息。在黑暗中,引力继续施加着它不可阻挡的影响。随着每个小块儿的引力将越来越多的物质汇聚在它身边,物质分布中的这些不均匀区域也变得越来越大。
    黑暗时代随着第一批恒星的出现而结束。我们并不知道第一颗恒星诞生的准确时刻,仅粗略知道大约是在大爆炸之后的几百万年间。氢气云在它们自身的重压下坍塌,导致气体中心的温度和压力增加,进而引发了点亮恒星和宇宙的热核反应。大型恒星的产生过程非常迅速和猛烈,而它们的终结过程更是如此。在短暂地存活了一会儿之后,它们就会发生爆炸,并释放出大量的能量和粒子。伴随着这一过程产生的还有重元素,其中包括我们赖以生存的铁元素。
    在接下来的130亿年间,由恒星组成的小型星系开始形成,并在合并和吞噬的过程中慢慢变大,随后和其他数以百计甚至数以千计的星系组合在一起形成星系团。当这些星系中的新生恒星不断燃烧时,在它们形成过程中所遗留下的盘状残骸(debris disk)则有可能合并成为行星,包括大型气体行星、小型冰行星和富含矿物质的岩石行星。作为我们所属的恒星,太阳大约于50亿年前首次放出光芒,地球和太阳系中的其他成员,则由环绕太阳的盘状气体和尘埃形成。
    时至今日,我们的宇宙已经经过了约137亿年的演化,它包含超过1 000亿个星系,每个星系中又包含数百亿颗恒星。宇宙间的温度几乎降低为零。作为一个宇宙温度计,微波背景辐射最初能达到3 000摄氏度以上,而现在仅有绝对零度之上2.73度(低于-270℃),并且还将变得更冷。这部宇宙发展演化的历史,已经得到了来自三方面的关键证据的支持。在这里,我们简要列出观测的结果,而对这些证据的深入分析将留到后面的章节。

萝莉Small_Lo

●宇宙膨胀:1929年,埃德温·哈勃[美国著名天文学家,哈勃太空望远镜以他的名字命名。——译者注](Edwin Hubble)发表了他的第一篇论文,公布了遥远星系正逐渐离我们远去的证据,从而证明我们生活在一个不断膨胀的宇宙中。4迄今为止,大量后续测量都验证了这一结论,并确定了宇宙膨胀的速度(误差范围约为5%)。5根据这一膨胀理论,当我们随时间逆行去考察过去的宇宙时,将发现星系会变得越来越密集,宇宙会变得温度更高且密度更大,并最终到达拥有接近无限大温度和密度的点——大爆炸。
    ●轻元素的形成:核合成过程对早期宇宙中丰富的轻元素做出了精确的预言。随着天文学家不断提高对原始混沌中氦、氘和锂元素丰度的测量,所得结果与大爆炸模型的预言一直保持着惊人的一致。6
    ●宇宙微波背景辐射(CMB):CMB首次发现于1965年。7而通过研究一个起始于高温致密状态、且经过亿100亿~150亿年的扩张和冷却过程的宇宙模型,所得的理论结果和实际观测到的辐射温度完全一致。这一结果正式宣告了大爆炸模型的成功。
    大爆炸也为CMB做出了另一个预言。在早期宇宙中,除了一些非常微小但很重要的隆起或凹陷外,几乎所有地方都是完全平滑的流体。在某些地方流体略微稠密一点,而在其他地方则稍微稀疏一点。在CMB产生的时候,这种差别大致在十万分之一这个数量级上。但是,在使富人越富、穷人越穷的引力作用下,微小的致密区域在过去的亿万年不断变大,并通过它们的引力吸引着越来越多的外来物质。透过这些构成天体结构的种子,我们就能看到今天的宇宙——那些串联在物质网上光彩夺目的星系和星系团。
    作为早期流体(宇宙雾)的一个映射图像,CMB也应该具有相同的不均匀性。1992年,科比(COBE)卫星对CMB做了一个非常精确的全天空扫描,并在每一个点上都得到了几乎完全相同的温度2.73开氏度——除了一点点的涨落。这些在CMB温度分布中出现的涨落大致为十万分之一,并呈现出和理论预言完全相符的块状痕迹。(有关最新的天空微波图像,请参考彩图C.10。)

要理解科学家们为什么如此坚信大爆炸模型是对宇宙演化的出色(而且是目前最好)的描述,我们必须注意到,上述三个关键证据并不是来自某个单一实验或观测,而是由很多不同的科学家,使用不同的方法和仪器所共同得出的结论。进一步来说,支撑大爆炸模型的每个证据,都着眼于宇宙的一个不同组分和演化历史上的一个不同时期。膨胀速率取决于对星系和恒星近期行为的观测(它们大部分的寿命都在几十亿年左右);CMB收集的是宇宙自身在亿万年前所释放的光;而核合成过程研究的对象甚至更早,它搜寻的是宇宙在只有几分钟年纪时形成的原始原子核云。所有这些观测都和简单的大爆炸模型相符,这绝对是科学史上最伟大的成就之一。
    我们的未知
    当我们对宇宙图景和它的成分理解得越来越清晰时,观测结果也明确地提出了其他三个关键问题。首先,宇宙中存在的物质,远远超过了我们在恒星和星系中所能看到的成分。第二,这些隐形物质中的大多数都不能由我们所熟知的标准模型粒子构成(即上文提到的夸克、电子以及质量更大的另外两个家族)。第三,宇宙的主要成分甚至不是任何形式的物质。
    宇宙间存在黑暗成分的第一个观测证据,是由弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)于1933年发现的。8他最初的目的是要测量一个附近星系团的质量——当时所能找到的最大、最重的物体。他将目标锁定为后发座星系团(Coma cluster)。这个星系团所包含的一千多个星系,全部都在星系团质量的引力牵引下,以难以置信的速度在空间中旋转。兹维基重点观测了其中8个星系,并发现它们比预期的运动速度快得多。
    尽管是四种基本力中最弱的一员,引力却是宇宙的主要推动者和塑造者。对引力工作原理的理解,使得兹维基有能力去尝试这样一个雄心勃勃的方案。通过观察物体在空间中的运动,并(合理地)假定引力是导致这些运动的原因,我们就可以推断出应该存在的质量。宇宙中的每个物体,都在用一种非常确定的方式吸引着身边的邻居——物体的质量越大,产生的引力就越强;而引力越强,运动也就越快。而且,由引力束缚的物体必然存在一个极限速度,超过这个速度的物体一定会从系统的引力中逃逸。


  兹维基发现后发座星系团中星系的运行速度超过每小时200万英里(约每小时320万公里),这一数据意味着这个星系团的实际质量,应当是其中已知所有星系质量总和的50倍。三年后,辛克莱·史密斯(Sinclair Smith)在处女座星系团(Virgo cluster)中发现了类似的结果。9从那以后,对数百个星系团的观测都支持这个结论,即星系团中的多数质量是隐形的。兹维基的文章是用德文写的,在文中他明确提出了“暗物质”(dunkle Materie,德文)存在的可能性。
    尽管暗物质是个很时髦的名字,兹维基的结论还是受到了来自天文学界的大量质疑,并在接下来的近35年间被有意无意地忽略了。直到1970年,在另一组不同尺度的观测实验中出现了第二个且更具说服力的证据支持暗物质的存在。在一个星系中,恒星和气体云都处于绕星系中心运动的轨道上,它们的运动也能够反映出星系的质量。1970年,薇拉·鲁宾(Vera Rubin)和肯特·福特(Kent Ford)将目光聚焦于仙女座星系(Andromeda galaxy,亦称M31),并通过测量气体云在这个星系中运行的速度,发现它一定也含有巨大数量的暗物质。10迄今为止,我们已经掌握了包括银河系在内的超过1 000个星系的数据。这些结果明确地指出,星系中约90%的质量来自暗物质。
    当然,这些隐形的暗物质也许仅仅是一些我们看不清的常规物质——如光芒极其微弱的恒星,或弥漫在星系团和星系中的气体。事实上,这种可能性已经被认真研究了很多年。毫无疑问,这样的恒星和气体是存在的,而且几乎没有办法在相距很远的情况下探测到它们。大爆炸模型中核合成理论对轻元素形成过程的成功描述,对常规物质的数量提出了严格的限制。从质子和中子的混合流体出发,理论宇宙学家采用各种不同的反应率模型,计算了氘(重氢)、氦和锂原子核可能出现的数量。在这一计算中,仅有的自由参数是原始混沌中质子和中子的总数。这个数据发生一点点的改变,都会使氘和锂的最终数量发生剧烈的变化。
    对一个仅比质子略重一点的中子而言,基本上只有两种选择。它可以衰变成一个质子和一个电子,或是联合一个质子形成氘。两个氘核会结合在一起组成一个氦核,偶尔一些氦核也会和其他原子核结合并最终产生少量的锂。决定问题的关键因素是各类相互作用发生的几率以及中子和质子的总数目——它们的密度越高,就越可能在中子衰变之前合并成氘。


当我们把理论计算的结果和这些轻元素实际测量的丰度进行比较时,发现了一个惊人的结果——宇宙中仅有约5%的物质和能量可以以常规物质的形式存在。11
    暗物质也不可能由反质子之类的反物质构成。大爆炸中产生的所有反物质都在随后很短的时间内湮灭了,留下的只能是物质和湮灭所产生的光能。而且,任何常规粒子的反物质都被认为是标准模型的一部分。因此无论暗物质粒子是什么,它们都不在标准模型的框架之内。
    卡尔·萨根(Carl Sagan)曾经说过:“伟大的理论需要伟大的证据。”12宇宙中的大部分成分是完全不同于常规物质的某种存在,这完全称得上是伟大的理论。而支撑这个理论的另一个伟大证据,则来自于对CMB的新观测。CMB在天空中分布的图像包含了大量信息,随着数据的增加和精度的提高,大爆炸的秘密在图像中呼之欲出。
    这其中最主要的一条信息是宇宙的整体形状。根据爱因斯坦的广义相对论,空间不再是牛顿世界中的静态背景。相反,空间将对能量和物质的存在产生响应,并根据质量的分布发生凹陷和扭曲。同时,空间和时间本身也是不可分割的,它们将以时空的形式形成一个整体。太阳在时空中将产生一个小型凹陷,星系会产生一个更大的变形。同理,宇宙中所有物质和能量的总和,将影响和改变时空的整体形状。质量太多,宇宙将像球面一样向内弯曲;质量太少,它会向相反的方向弯曲,形成一个等效于马鞍面的开放的三维形状;质量不多不少,宇宙的整体几何就是平坦的。
    在1998年12月下旬,一个气球被释放到南极高原的上空,并依靠其搭载的探测器记录了CMB的详细分布图像。在它观测的那一片天空中,所得到的图像明白无误地告诉我们宇宙是平的——这一结论坚决排除了一个仅包含恒星和星系之类可见物质的宇宙模型。13
    除此之外,CMB也记录了有关常规物质数量的信息。在CMB的原始光线出现时,宇宙中的微小团块会把物质拉向致密的区域或者拉离稀疏的区域,并通过这个过程在宇宙流体中产生波纹。在这里,我们不妨想象往两个相同的桶里投入两个相同的球,但其中一个桶中装的是水,而另一个则是油。假设我们能在球投出去之后,同时拍下每个桶里液面的照片。那么仅凭照片中记录的液面波纹形式,我们就可以轻松地判断出哪种流体是水,哪种是油。如果用精度更高的摄影技术(以及有关各种油的详细知识),我们甚至能分辨出油的种类。


同理,在CMB提供的早期宇宙波纹快照中,也存在着大量关于宇宙流体的信息。根据最近的测量,宇宙中仅有5%的物质和能量是常规物质。除此之外,这些测量明确地指出宇宙中23%的组分是一些全新的物质组成(我们仅了解其引力行为与常规物质相似),而剩余的72%甚至根本不是任何物质。
    在讨论这个明显诡异的72%之前,让我们先回顾一下这23%新型物质的情况。所有证据的组合是压倒性的——我们知道它们在那里,是由于其引力对可见天文学物体的影响。为了解释恒星在星系内的运动,我们必须认定星系中存在大量的隐性物质,并靠它们的引力保持恒星在轨道上的运动。星系本身以一定的速度绕彼此旋转,而这个速度所要求的引力,也远远超过星系中可见恒星和尘土的质量总和。而且其他两个关键证据——早期宇宙中轻元素丰度测量和CMB观测——都指出这种额外的质量一定是某种至今未知的物质,是一种看不见(确切地说,不能通过望远镜直接看见)的物质——暗物质。
    长久以来,粒子物理学家们一直怀疑未发现的微观世界要比已发现的更加丰富。尽管我们理解粒子和它们的相互作用,我们却并不知道究竟是什么基本物理机制决定了每个粒子的质量。为什么每个粒子都存在两个除了质量以外其他方面完全相同的对应拷贝,例如电子和质量更大的对应粒子(　介子和　粒子)?为什么20世纪的两项伟大革命——广义相对论(解释宇宙的大尺度行为)和量子物理(描述亚原子世界的小尺度相互作用)——存在着本质矛盾,从而无法合并成为一个统一的量子引力理论?14我们有理由怀疑当前的粒子世界模型,实际上是嵌套在一个更普适的模型中,一个包含至少其中某些问题答案的模型。
    这些更普适的模型也大多认为,隐形的暗物质正是某种具有合适属性的新型粒子。因此,尽管我们仍然不知道什么是暗物质,但至少可以认为它是某种物质(具有质量),有正常的引力相互作用,而且通过扩展常规物质的模型,我们可以选出一些貌似不错的候选者。
    相比之下,剩余72%的宇宙成分则更加费解。

爆发的宇宙
    大爆炸理论的一个重要概念,是我们居住在一个膨胀的宇宙中。随着空间各点之间距离的增加,遥远的星系也在忙不迭地彼此疏远——它们的距离越远,彼此分开的速度就越快。从1929年埃德温·哈勃的最初观测开始,我们已经对这种膨胀进行了多次测量。在过去的几十年中,宇宙学家用不断提高的精度,反复测量着今日宇宙的膨胀速度。事实上,这正是著名的哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope, HST)的一个重要任务。
    这些观测数据的出现,使宇宙膨胀速度逐渐收敛到一个合理的数值。但是,两组天文学家却决定再进一步,把目光从我们所处的宇宙角落,扩展到更深邃的领域。他们决定利用遥远的恒星爆炸(超新星,supernova)来探索过去数亿年间膨胀速度的变化。这些耀眼的超新星在逐渐消失之前,甚至能在一段时间内(一个月)超过整个星系所有恒星的亮度。这使得我们能在很远以外发现它们,并由此追溯到时间的过去。
    天文望远镜所收集的光线,要么是从空间某个物体发出的(例如恒星、星系或者太阳),要么是从物体的表面反射而来的(例如月球或太阳系中的行星)。但无论哪种方式,光都需要一定时间才能从光源出发到达我们面前:月球表面反射的光需要花费大约1.3秒到达地球,而从太阳出发的光则需要8分多钟才能到达地球。也就是说,当我们抬头看月亮时,看到的其实是1.3秒前的月亮,而我们眼中的太阳则是它8分钟之前的影像。总体来说,物体离地球越远,光就需要越长的时间才能到达。因此,我们看到的对象不是它当下所具有的形态,而是它过去的样子。通过观察宇宙的深处,我们能看到星系在亿万年前的状态。1987年,我们观测到一颗恒星在大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud, LMC,离银河系最近的星系之一)发生了爆炸。然而,由于大麦哲伦星云距我们17万光年,因此实际上这颗恒星在17万年前就爆炸了,只是我们花了这么长的时间才得到这个消息。
    超新星搜索者们寻找的是更遥远的猎物。他们把注意力集中在一种具有特殊性质的超新星上——它们的固有亮度是已知的。由于随着距离的增加,光源看上去的亮度会下降,因此我们可以通过测量一个已知固有亮度的物体在视野中的明亮程度,来判断它与我们之间的距离。这一方法使这些超新星成为特有的距离标尺,一些在亿万光年以外都清晰可见的标志物。对这些距离标尺的精确测量,对追溯宇宙膨胀的历史是至关重要的。


大约13年前,两个独立的小组——由劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的索尔·帕尔马特(Saul Perlmutter)领导的超新星宇宙学项目(Supernova Cosmology Project),和由澳大利亚斯特朗洛山和赛丁泉天文台(Mount Stromlo and Siding Spring observatories)的布雷恩·施米特(Brian Schmidt)领导的高红移超新星探测小组(High-z Supernova SearchTeam)——开始对这些遥远的超新星进行观测。他们发现了完全出乎意料的结果。15我们原本认为,既然宇宙中的每个小块都被其他小块吸引,它们之间的引力应该能遏制星系间的扩张。但两个超新星小组所发现的,却是宇宙膨胀的加速,而不是减速。宇宙正在加速这一事实,颠覆了我们先前所有的预言。它暗示着必定存在一种东西,在最大和最小的尺度上都挑战着最基本的物理思想。这个发现震惊了整个学术界,并被《科学》杂志选为1998年的“年度突破”。16一定会有东西来推动宇宙的膨胀,一种显著区别于暗物质或其他任何物质的存在。这就是所谓的“暗能量”。
    暗能量是宇宙的主要组成部分,它占据了72%的组分。我们并不知道暗能量是什么,甚至没有任何杰出的候选者。理论物理学家们正在研究一些有可能解释暗能量的想法和模型。这些理论无论是大胆还是保守,其本质都涉及了全新的物理。但遗憾的是,迄今为止尚未有任何一个理论具有足够的吸引力,使之成为主要的竞争者。暗能量对我们来说依然充满了神秘。
    新的问题
    科学的历史中记载着人类认知历程上的伟大变革,而正是它们将人类带入了原先无法想象的世界。这些变革可以由新技术、新实验或新想法激发。例如,列文虎克(Leeuwenhoek)在他发明的显微镜中的惊鸿一瞥,就永远地改变了我们对微观世界的印象。随着时间的推移,量子物理学的出现使物理学家拥有了分解原子和原子核的能力,并得以研究由夸克、电子和中微子构成的亚原子世界。同时,广义相对论又在最大的尺度上为我们描绘了一个全新的宇宙。在那里,空间和时间、物质和能量将被紧紧地联系在一起。和列文虎克从他的显微镜中所看到的一样,这个新世界到处充满了神奇和意外。


对宇宙构成成分的探求,将我们带到了一个新的关键点上。而我们最原始的问题——“宇宙是由什么构成的?”——本质上已经变成“什么是暗物质?”以及“什么是暗能量?”。如果组成原子、分子的常规物质仅仅是宇宙中的一小部分,那其他成分又是什么?究竟是什么样的暗能量主宰着宇宙,并且无视所有物质的引力,强行推动宇宙向外加速膨胀?而如果连最强大的望远镜都无法看到暗物质或暗能量,我们又该如何去回答这些问题?
    对这些有关世界本质问题的新理解,要求我们将现有的最大和最小两个尺度下的物理结合起来,并通过对内部和外部空间的共同探索解决问题。当天文学家在宇宙深处探求过去137亿年间物质和能量在宇宙中留下的痕迹时,他们将得到来自粒子物理学的理论指导;与此同时,天文学家对宇宙的观测,又将反过来加深我们对微观世界的理解——它可以帮助物理学家揭示亚原子世界的隐藏区域,并对新粒子和新维度的提出和检验提供支持。
    在最大和最小这两个极端尺度下进行的研究,将对确定宇宙构成起到至关重要的作用:如果我们提出或发现一个新粒子,它会如何影响星系形成和恒星燃烧的速率?如果我们发现星系正以一个更快的速度彼此远离,又将获得哪些关于“真空”本质的信息?如果大爆炸后数十万年的宇宙快照,能显示基本粒子流体波纹的详细图像,我们又是否能通过已知粒子的计算机模拟来重现这些波纹?还是必须要引入一些全新的事物?
    因此,对宇宙的研究正处在一个激动人心且至关重要的临界点。“宇宙是由什么构成的?”——对于这个古老的问题,我们比以往任何时候都了解得更多;同时,我们也清楚地知道,这个问题本身包含了更深层次的内容,也还有更丰富的知识等待我们去发掘。而目前所有的理论,包括最全面的模型和最复杂的数学计算,在这个问题面前都可能会无功而返。我们几乎可以肯定,对这个问题的解答,必将预示科学界下一次伟大的革命。