直徑2.5倍于銀河系的UGC 2885星系，是本地宇宙中最大的漩渦星系之一，其恒星數(shù)量是銀河系的10倍。但是這一切還只有其總質(zhì)量的15%。UGC 2885 85%的質(zhì)量由看不見的暗物質(zhì)組成。NASA / ESA / B. Holwerda (University of Louisville)

科學(xué)家相信宇宙源自一次“大爆炸”。這當(dāng)然不是空穴來風(fēng)，而是以許多堅(jiān)實(shí)的觀測證據(jù)作為基礎(chǔ)的。過去幾十年間，各種新型精密觀測手段的問世，讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)更加認(rèn)真地審視和修正對宇宙的看法，還原宇宙的歷史。在對比了各種不同的觀測結(jié)果之后，我們發(fā)現(xiàn)它們之間的吻合度令人吃驚。所有的證據(jù)都指向宇宙正如理論預(yù)測那樣，源自“大爆炸”，并在加速膨脹。從這個(gè)角度看，我們的宇宙是可以理解的。

但是宇宙學(xué)家也很矛盾，因?yàn)樗麄冊谡J(rèn)識(shí)宇宙的基本事實(shí)過程中遇到了一些麻煩。我們對暗物質(zhì)、暗能量幾乎一無所知，但這兩者占到了當(dāng)今宇宙質(zhì)能總和的95%以上。我們不理解，宇宙中的質(zhì)子、電子和中子是如何從宇宙大爆炸中幸存下來的。事實(shí)上，今天我們所知的一切都在暗示，這些粒子理論上應(yīng)該在很久以前就被反物質(zhì)所毀滅。為了讓我們觀測到的宇宙“有意義”，宇宙學(xué)家“被迫”得出結(jié)論，空間在其誕生的最早時(shí)刻，經(jīng)歷過一個(gè)短暫的超快速膨脹階段，也就是所謂的暴漲階段。但我們對這個(gè)宇宙史上的關(guān)鍵性紀(jì)元也一無所知。

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后發(fā)座星系團(tuán)直徑2000萬光年的球狀空間內(nèi)擁有數(shù)千個(gè)星系。1930年代，F(xiàn)ritz Zwicky通過觀察這個(gè)星系團(tuán)，發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)內(nèi)星系的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)導(dǎo)致它解體，除非這個(gè)星系團(tuán)擁有10倍于肉眼可見物質(zhì)的質(zhì)量。NASA / ESA / The Hubble Heritage Team (STScI / AURA)

也許所有這些謎最終都會(huì)有解，只要宇宙學(xué)家堅(jiān)持不懈。但是就目前來看，這些問題都十分棘手?？茖W(xué)家為了尋找暗物質(zhì)粒子，建造了超級機(jī)器，但是它們依然杳無蹤跡。盡管人們可以用更高的精度對宇宙膨脹的速度進(jìn)行測量，但是至今依然不知道導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量本質(zhì)是什么。

從這個(gè)角度來看，一些宇宙學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們正在探尋的更可能只是一些表象，它們不是散亂的線條，它們的背后可能隱藏著更大的秘密。也許這些不解之謎是有關(guān)聯(lián)的，會(huì)極大地改變我們的宇宙觀，以及我們對宇宙最初時(shí)刻的看法。

暗物質(zhì)可能是現(xiàn)代宇宙學(xué)家最愿意談?wù)摰脑掝}。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中的大部分物質(zhì)并不是由原子或其他任何已知成分構(gòu)成的，它們不發(fā)光，不反光，也不吸收光。

由于對暗物質(zhì)本質(zhì)的不了解，宇宙學(xué)家常常假設(shè)它們是某種粒子。研究人員一直以來都認(rèn)為，暗物質(zhì)粒子會(huì)通過一種和弱互作用力（正是這種力導(dǎo)致了放射性衰變）強(qiáng)度相當(dāng)?shù)牧ハ嘤绊懀疫@些粒子的數(shù)量是從大爆炸那一刻就被決定了的，它們大致相當(dāng)于當(dāng)前宇宙中的暗物質(zhì)總量?；谶@一觀點(diǎn)，“弱互作用大質(zhì)量粒子”成為了假想中暗物質(zhì)的最佳候選者。

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大部分星系團(tuán)中的暗物質(zhì)和常規(guī)物質(zhì)會(huì)集中在大致相同的空間位置上，但是這個(gè)星系團(tuán)ZwCl 0024+1652是個(gè)例外。這個(gè)大型星系團(tuán)有一個(gè)暗物質(zhì)環(huán)（藍(lán)色），直徑在260萬光年左右，它與星系團(tuán)中的可見星系和氣體是分離的。NASA / ESA / M.J. Jee (Johns Hopkins University)

科學(xué)家相信他們知道應(yīng)該怎樣去檢測這些粒子，研究它們的個(gè)性。在這一信念的推動(dòng)下，物理學(xué)家設(shè)計(jì)了許多偉大的實(shí)驗(yàn)，試圖識(shí)別這些粒子，研究它們是如何從宇宙大爆炸過程中誕生的。在過去幾十年間，研究人員在地球深處部署了大量敏感的暗物質(zhì)探測器，它們能夠感知到暗物質(zhì)粒子與原子發(fā)生的碰撞。

這些精巧的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行得和它們的設(shè)計(jì)一樣好，但是至今仍一無所獲。十年前，還有許多科學(xué)家堅(jiān)信這些實(shí)驗(yàn)一定會(huì)取得成果，但是事實(shí)證明暗物質(zhì)的本質(zhì)和我們認(rèn)為的極為不同，它們遠(yuǎn)比我們想像的更加神秘。

雖然暗物質(zhì)是由難以捉摸的“弱相互作用大質(zhì)量粒子”構(gòu)成的可能性仍然存在，地下實(shí)驗(yàn)的一無所獲，已經(jīng)開始促使物理學(xué)家將目標(biāo)轉(zhuǎn)向暗物質(zhì)的其他候選者。其中之一，是一種假想中的超輕粒子——軸子。軸子是根據(jù)粒子物理學(xué)家Roberto Peccei和Helen Quinn 1977年的理論預(yù)言的。雖然科學(xué)家已經(jīng)在使用強(qiáng)大的磁場，試圖將軸子轉(zhuǎn)化為光子，以此來發(fā)現(xiàn)軸子，但是這樣的研究卻因這些粒子本身的特點(diǎn)而受到了很大限制。

超星系團(tuán)Abell 901/902擁有數(shù)百個(gè)星系和大量暗物質(zhì)。圖中用洋紅色描繪了暗物質(zhì)的大致分布區(qū)域。NASA / ESA / C. Heymans (University of British Columbia) / The STAGES Collaboration / ESO / C. Wolf (Oxford University) / The COMBO-17 Collaboration

針對暗物質(zhì)難以被探測的另一種解釋是，宇宙的最初時(shí)刻可能和宇宙學(xué)家想像的有很大差異。以“弱相互作用大質(zhì)量粒子”為例，計(jì)算顯示，新生的宇宙可能在其最初的百萬分之一秒內(nèi)制造出了大量的此類粒子，當(dāng)時(shí)它們和周圍由夸克、膠子等亞原子構(gòu)成的粒子漿達(dá)成了某種均衡?！叭跸嗷プ饔么筚|(zhì)量粒子”可能在這些環(huán)境中幸存了下來，最終構(gòu)成了我們今天宇宙中的暗物質(zhì)。而這一過程取決于它們?nèi)绾位ハ嘤绊懀约跋嗷ビ绊懙母怕视卸啻?。但是在?jì)算中，科學(xué)家常常假設(shè)在最初的時(shí)刻，空間的膨脹是均勻的，沒有意外事件，也沒有相態(tài)的改變。所以假如我們說這種簡單的假設(shè)是不成立的，也是合理的。

盡管宇宙學(xué)家對我們宇宙在其一生的大部分時(shí)間中如何膨脹已經(jīng)了解了很多，他們對宇宙大爆炸后的認(rèn)識(shí)仍然很少，更不用說宇宙的最初時(shí)刻了。對于解釋宇宙在其最初時(shí)刻如何演化，發(fā)生過什么樣的事，我們在根本上是沒有直接觀測證據(jù)可以依賴的。宇宙的這一紀(jì)元是不可見的，它深埋在無法穿透的能量、距離和時(shí)間之中。

我們對宇宙這段歷史的認(rèn)識(shí)，比基于推斷的猜想還要少。如果在時(shí)間上回溯足夠久遠(yuǎn)，我們所知的與宇宙有關(guān)一切都可能與今天完全不同。那時(shí)的物質(zhì)和能量可能是以與今天完全不同的形態(tài)存在的，它們之間的作用力，也有可能是我們從未見過的。那時(shí)可能發(fā)生過科學(xué)尚無法解釋的關(guān)鍵性事件和狀態(tài)轉(zhuǎn)變。物質(zhì)之間可能以完全不同的方式互相影響著，而空間和時(shí)間本身也可能有與今天我們所知完全不同的行為方式。

旋渦星系NGC 3972在扮演宇宙距離標(biāo)尺方面起了重要作用。這個(gè)星系內(nèi)有大量造父變星，可供天文學(xué)家丈量相對較近星系的距離。2011年這個(gè)星系內(nèi)還出現(xiàn)了一顆Ia型超新星。科學(xué)家可以通過它們測算哈勃常數(shù)。NASA / ESA / A. Riess (STScI / JHU)

基于這一理念，許多宇宙學(xué)家開始考慮一種可能性，即我們找不到組成暗物質(zhì)的粒子，其原因不僅與暗物質(zhì)本質(zhì)本身有關(guān)，還有可能與暗物質(zhì)的形成時(shí)期有關(guān)。因此在研究暗物質(zhì)的同時(shí)，許多科學(xué)家開始研究起宇宙大爆炸后的最初時(shí)刻。

1929年，埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)星系離我們遠(yuǎn)去的速度與它們和我們的距離成正比。這是宇宙在膨脹的首個(gè)清晰證據(jù)。從此以后，當(dāng)前宇宙膨脹的速度——哈勃常數(shù)——成了宇宙學(xué)家眼中我們宇宙的關(guān)鍵特性之一。

公平地說，測量哈勃常數(shù)一直以來都是個(gè)難題。哈勃的最初測定由于存在系統(tǒng)性錯(cuò)誤，導(dǎo)致結(jié)果比實(shí)際值高出近7倍。1990年代，教科書中提及的哈勃常數(shù)低的只有50km/s/Mpc，高的可達(dá)100km/s/Mpc。盡管近二十年來測量精度不斷提高，人們?nèi)晕茨塬@得一個(gè)統(tǒng)一的接近正確的值。事實(shí)上，隨著這些測量水平的提高，不同測量方式得出結(jié)果間存在差異的情況也越來越頻繁。

南極“冰立方”中微子天文臺(tái)，其任務(wù)就是尋找來自宇宙的中微子。在這些亞原子粒子中，理論上會(huì)有一部分來自暗物質(zhì)的候選者——“弱相互作用大量粒子”的衰變。但是至今什么都沒發(fā)現(xiàn)。Martin Wolf (IceCube / NSF)

測量哈勃常數(shù)的一種方法是，測量那些天體正在以多快的速度遠(yuǎn)離我們，正像哈勃1929年所做的一樣。哈勃利用了一種特殊的變星來進(jìn)行測量，也就是“造父變星”，一種固有亮度（光度）和它們的明暗變化周期有準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系的變星。現(xiàn)代宇宙學(xué)家仍在利用造父變星進(jìn)行測量，但與此同時(shí)又增加了一些天體類型，比如Ia型超新星——一種爆發(fā)的白矮星，它們的固有亮度基本上都是一樣的。研究人員綜合所有最新數(shù)據(jù)之后發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹速度大約是72至76km/s/Mpc。

但是故事還沒有結(jié)束。宇宙學(xué)家還可以通過研究宇宙大爆炸后38萬年時(shí)，首批原子形成時(shí)期遺留下來的微光，來推斷哈勃常數(shù)。這微光，也就是所謂的宇宙微波背景中的溫度細(xì)微變化，呈現(xiàn)了當(dāng)時(shí)宇宙中物質(zhì)是如何分布的。

通過仔細(xì)的分析，我們可以從微波背景中讀出許多與年輕宇宙有關(guān)的細(xì)節(jié)，包括當(dāng)時(shí)存在著多少物質(zhì)和能量的其他形態(tài)，以及空間是如何膨脹的。宇宙微波背景告訴我們，哈勃常數(shù)大約是67km/s/Mpc，這個(gè)數(shù)值比宇宙學(xué)家通過更直接的測量方法得出的結(jié)果小得多。

“天線星系”由一對相互影響的旋渦星系NGC 4038和NGC 4039組成。它們距離地球約6500萬光年，擁有許多造父變星和一顆Ia型超新星。這對星系是少數(shù)同時(shí)擁有這兩種“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的星系之一。ESA / Hubble & NASA

這意味著什么？假設(shè)這些研究已經(jīng)正確地把所有系統(tǒng)的不確定性考慮在內(nèi)，這兩種測量哈勃常數(shù)的方式就是不相容的——至少在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型框架內(nèi)是這樣。要讓這些矛盾的結(jié)果相容，天文學(xué)家必須改變對宇宙膨脹和演化的思考方式，至少重新考慮宇宙大爆炸后幾十萬年間物質(zhì)和能量的存在形式。

根據(jù)愛因斯坦的《廣義相對論》，空間膨脹的速度取決于其所含物質(zhì)和其他能量形式的密度。當(dāng)宇宙學(xué)家從宇宙微波背景中獲取哈勃常數(shù)的值時(shí)，他們必須對暗物質(zhì)、中微子和其他成分的含量作出假設(shè)。

也許針對存在于用不同方式測得的哈勃常數(shù)間的差異，最簡單的解釋是，在最初幾十萬年，宇宙中存在的能量比人們之前設(shè)想要多。這些能量可能會(huì)以某種奇異的、難以相互影響的輕粒子形態(tài)存在，或以某種早已消失的真空暗能量形態(tài)存在。也有可能宇宙演化史上存在某些我們還不了解的階段。我們只是還不知道該如何去解開這個(gè)難解之謎。

圖中藍(lán)色區(qū)域?yàn)镋l Gordo星系團(tuán)中的暗物質(zhì)分布區(qū)。天文學(xué)家通過觀察更遠(yuǎn)處星系影像的扭曲程度來尋找暗物質(zhì)在哪里。NASA / ESA / J. Jee (University of California, Riverside)

完全有可能，宇宙學(xué)家今天面對的諸多難題，在實(shí)驗(yàn)和觀測的幫助下，在幾年中就能完美解決掉。但是最終我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們對宇宙的研究越深入，我們對宇宙的認(rèn)識(shí)就越膚淺。努力了幾十年，暗物質(zhì)的本質(zhì)依然是個(gè)謎，暗能量問題看上去也近乎無解。我們?nèi)匀徊恢澜M成我們宇宙中原子的粒子是如何從大爆炸的最初時(shí)刻幸存下來的，我們對宇宙暴漲，對它的運(yùn)作方式，甚至是它如何開始，如何結(jié)束也知之甚少——假如暴漲這樣的事真的發(fā)生過的話。

從這個(gè)角度，讓人不得不懷疑這些謎團(tuán)背后是否隱藏著比一些互不關(guān)聯(lián)的單一問題更大的東西。也許它們在暗示，宇宙的最初時(shí)刻并非我們想象的那樣。也許這些問題昭示著一次宇宙學(xué)的變革。

我們也許正處在科學(xué)史上的一個(gè)懸崖邊緣，如同1904年那樣。當(dāng)時(shí)，科學(xué)看上去堅(jiān)不可摧。兩百多年來，牛頓物理學(xué)無往不勝。盡管物理學(xué)家已經(jīng)進(jìn)軍電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)，但這些方面和兩百年前牛頓描述的世界沒什么兩樣。對1904年的物理學(xué)家來說，世界已經(jīng)認(rèn)識(shí)得差不多了，沒有多少理由來一次變革。

歐空局普朗克衛(wèi)星獲取的宇宙微波背景。將這些結(jié)果與宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型相結(jié)合后得到的哈勃常數(shù)比通過觀測鄰近星系得到的數(shù)值小。ESA / Planck Collaboration

但和今天宇宙學(xué)家的處境一樣，1904年的物理學(xué)家在面對一些挑戰(zhàn)時(shí)也束手無策。他們相信光在穿越介質(zhì)——所謂的發(fā)光以太時(shí)理應(yīng)會(huì)引起速度的變化，但是實(shí)際上光速總是以相同的速度穿越空間。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)水星軌道與牛頓物理學(xué)預(yù)測的稍有不同，還以為那里有一顆未知的行星——火神星在擾動(dòng)水星的運(yùn)行。

1904年的物理學(xué)家不知道是什么讓太陽燃燒——沒有已知的化學(xué)方法或機(jī)制能夠在如此長的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生那么多的能量。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)多種化學(xué)元素能夠發(fā)射和吸收特定模式的光，但沒有一個(gè)能夠?qū)Υ思右越忉?。也就是說，在當(dāng)時(shí)，原子內(nèi)部的運(yùn)作方式是一個(gè)徹頭徹尾的謎。

事后看來，這些問題其實(shí)預(yù)示著物理學(xué)變革的來臨。1905年，年輕的愛因斯坦用他嶄新的相對論宣示，變革開始了。今天我們已經(jīng)知道發(fā)光以太并不存在，也沒有所謂的火神星。實(shí)際上，它們都是牛頓物理學(xué)基本缺陷的外在表現(xiàn)。相對論完美地解決解釋了這些謎題，而無需新成分或新行星的介入。

當(dāng)科學(xué)家將相對論和新興的量子物理學(xué)相結(jié)合，解釋太陽的長壽及其內(nèi)部原子運(yùn)作機(jī)制變得可能了。這些新的理論打開了一扇新的從前難以想象的探索之門，這扇門通往的方向中就包括了宇宙學(xué)。

科學(xué)變革能夠從深層上改變我們對世界的看法和認(rèn)識(shí)。但是激進(jìn)的改變從來都不是那么容易到來的。我們沒有辦法預(yù)測今天宇宙學(xué)家面臨的謎，究竟是大變革到來前的先兆，還是已有科學(xué)進(jìn)取過程中有待梳理的旁枝末節(jié)。

毫無疑問，我們在認(rèn)識(shí)宇宙，認(rèn)識(shí)它的歷史，以及它的起源方面，已經(jīng)取得了不可思議的進(jìn)步。但是同樣無可否認(rèn)的是，我們也面臨著極大的困惑，尤其是在對宇宙最初時(shí)刻的認(rèn)識(shí)方面。宇宙的最初時(shí)刻，無疑有最令人震驚的秘密，也許這些秘密能夠引領(lǐng)科學(xué)走向偉大的變革。

但是我們的宇宙依然守口如瓶。

Dan Hooper（美國費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室理論天體物理學(xué)小組組長、高級科學(xué)家） / 文

老孫 / 譯