构建宇宙模式

对于我们的肉眼，繁星就是整个宇宙。而对于宇宙学家，它们不过是闪烁的尘埃，在无限广袤的空间中无关紧要的装饰而已。远比这些普通的星体和气体更让人难以捉摸的是暗物质和暗能量，我们除了知道它们是无处不在的外，其他便一无所知。

这对幽灵姊妹花的魅力足够让我们停下来，仔细思考一下我们过去几个世纪如此精心构建出的宇宙模型是否都是对的。标准的宇宙论也曾经提到过，在宇宙大爆炸之后形成的未知膨胀场和1/3的黑暗中，宇宙空间正逐渐延伸成一条裂缝般的形状。这一切可能暗示，有其他无数的多元宇宙在超出我们视线的空间里藏匿着，它们可能是无法想象的外星人。但也正是它们的存在，对我们宇宙建模的工作是有利的。

我们标准宇宙论的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。他的理论开始于一个简单的观察：任何物体的重力质量或者惯性质量恰恰等于它所受的阻力除以它的加速度。从而他推导出了方程，这些方程可以表述空间是如何被质量和运动所扭曲，以及我们应该如何理解这种重力的弯曲。苹果之所以会落向地面，是因为地球的质量使得时空发生了弯曲。

在相对低密度的环境中，比如地球，广义相对论和牛顿早期理论所预示的理论是类似的，认为重力作为一种力是可以在物体之间相互传递的。而在较强的重力场中，预言与广义相对论却出现了严重的偏离。

广义相对论认为，具有大的加速度的物体在时空中所引起的微小涟漪可以成为引力波，然而这种波迄今从未被直接观察到。一对在1974年被观察到的脉冲星彼此正呈螺旋状运动，如果它们在辐射引力波的同时逐渐失去能量，它们恰恰应该做螺旋运动。

在宇宙尺度上，引力是最具主导性的自然之力，所以广义相对论就成为我们对一个整体运动的宇宙进行建模的最好的工具。但是，它的方程有着令人望而生畏的数组阵列，相当繁复。如果你给它输入一组复杂的数据，比如，真实宇宙中各种混乱的物质的质量和能量分布，那么方程将变得根本无法计算。为了使宇宙模型可以有效工作，科学家做了一些简单的假设。

最主要的假设是哥白尼原理，认为宇宙与任何一个地方都是一样的，它里面的物体是均匀分布的，只不过我们需要用更大的尺度来衡量它而已。这就意味着，我们只需要在爱因斯坦的方程中输入一个数字，那就是宇宙空间的物质密度。

第一简化宇宙模型的欠缺

爱因斯坦的第一简化宇宙模型是他对惰性粉尘进行了一个均匀密度的赋值，同时找出一个可以在自身重力作用下逐渐收缩的宇宙。他把这作为一个问题，并且根据中空的空间自身可以产生恒定的能力密度，不断地在这个方程中新增一些项。

那么，它的重力最终会变为排斥力，所以正确地添加一些宇宙常数可以保证宇宙既不会膨胀也不会收缩。20世纪20年代，当观察表明宇宙确实在膨胀时，爱因斯坦表示这是他最大的错误，而这刚好让其他人可以将相对论的方程应用于膨胀的宇宙中。他们得到了一个模型：宇宙开始于一个无法想象密度的初始点，它的膨胀将会因物质的重力而逐渐变得缓慢。

这便是宇宙大爆炸的雏形。那个时候，最主要的问题便是这样的膨胀是否会走向停止。答案似乎是不会，在逃离的星系中所含的物质太少了。宇宙将会不断向外扩张，然后宇宙谱开始逐渐被观察到。早在20世纪30年代，第一位来自黑暗星空的使者便敲开了我们的大门。但直到70年代，当天文学家发现星系旋转得太快时，它才被完全观测到。

根据广义相对论，肉眼可以观测到的物体的重力太过弱小，从而无法将整个星系结合在一起。天文学家总结称，一定存在不可见的物体提供了额外的引力。而暗物质的存在是有其他证据证明的，比如星系成群结队地运动，并将光线弯曲从而送给我们。

暗物质的身份一直都是未知的，它似乎是一种超越了粒子物理标准模型的物质。但是，它对宇宙学标准模型只产生了非常轻微的影响：在广义相对论中，它的引力效应与普通物质是一样的，所以即使它的引力如此巨大，对于阻止宇宙的膨胀仍然很渺小。

看来对这团黑暗物质的第二种形式的表述需要更深层次的变革。在20世纪90年代，天文学家通过监控1a型超新星的爆炸，已经可以非常精细地追踪宇宙的扩张轨迹。他们指出，宇宙的膨胀是处于加速状态的，似乎存在一些贯穿整个宇宙的排斥力，使得物质之间的引力溃不成军。

宇宙的精确“配方”

这可能是爱因斯坦宇宙常数的复兴，在真空中的能量可以产生一种排斥力。富有想象力的专家已经有了很多想法，比如那些还观测不到的粒子所产生的能量场，以及来自不可见宇宙或者其他维度的力。

不管它是什么，暗物质似乎是真实存在的。当一颗距今37万年的原子受到一个更冷或更热的点所显示出的模糊模式的作用（而这个点就是早期那个不是十分致密的宇宙），宇宙中的微波背景辐射便释放了出来。这个典型点的尺寸可以被用于计算这个空间受它内部物质和运动影响变弯曲的程度。所得的结果似乎都是平坦的，意味着所有引起弯曲的因素都是可以忽略的。这就再一次需要一些附加的排斥能量，来平衡这种膨胀和物体重力引起的弯曲。

以上的一切便给我们提供了一份对于宇宙的精确“配方”。空间中普通物体的平均密度是0.426幺克/平方米（1幺克等于10-24克，0.426幺克相当于250个质子的质量），它只是宇宙中全部能量密度的4.5%。

暗物质占有22.5%的分量，而暗能量则是剩下的73%。我们有关大爆炸宇宙模型的建立是基于广义相对论与观测基础上的，至少目前我们已经拼出了95.5%的宇宙。

正如所论证的那样，我们必须构造出更多的模型。为了解释为什么宇宙看起来在各个方向上都是极其均匀的，今天的宇宙学便涵盖了一种第三外来元素。当宇宙只有10-36秒那么小的时候，一种压倒性的力量便开始操控一切。这种膨胀场像暗能量一样具有排斥的作用，但却更加有实力引起宇宙爆炸性的膨胀。它可以压扁空间，同时消除一切不合它意的行为。

当膨胀告一段落时，膨胀场便转化为物质和辐射的形式。场中的量子涨落也转变成了密度的细微变化，这些最终都会变成宇宙中微波背景的原点，也就是今天的星系。

这么奇妙的故事再一次得到了观测事实的认证，与众多其他概念一起，成为了一种新的解释。膨胀对于广义相对论来说没有什么复杂处理，在数学表达上，只需要在宇宙常数上添加一个额外项。但是，这种膨胀场曾经一度成为宇宙的全部组成内容，它最原始的样子与暗物质和暗能量一样，仍然是个谜。

此外，一旦膨胀场开始工作便很难停下来，它将持续不断地产生新的“宇宙军团”，并且完全脱离我们的认知范围。对于大多数宇宙学家来说，开始重新思考标准宇宙学的基本假设，有关多元宇宙的预言是必不可少的。

与此同时，建立的模型也面临着观察上小细节的挑战。模型无法解释宇宙背景辐射中在一些情况下的可能排列组合，还有为什么沿着确定直线的星系似乎更偏向于左向旋转。最新发现的40亿光年远的超银河结构，也质疑了宇宙在大尺度上是均匀平滑的这一假设。

宇宙中心的黑暗真相

当然，这些琐碎的小细节可以随着测量数据的增多或者计算上的校正消除掉。但是，更大的问题仍然存在着。哈佛大学的宇宙学家罗伯特·科什纳说：“我们不知道暗能量是什么，我们也不知道暗物质是什么，这确实有那么一点儿尴尬。”

从爱因斯坦的尘埃填充宇宙论到现在的因添加了更多成分而更符合动力学的宇宙模型，基础的数学模型是没有变化的，它的年代和成分都可以被精确了解到。暗物质似乎创造了星系和其他结构，暗能量预示着宇宙正在加速驶入一个阴冷孤独的未来，膨胀论则暗示着宇宙那段无比震撼的出生方式。“阴暗三人组”的每一位成员都预示着新物理学的诞生。

科什纳把这视为挑战：“这并不意味我们的讨论有什么缺陷，它给我们的恰恰是鼓舞而不是失望。”但只要我们无法在实验室里对暗物质进行验证，或者为暗能量提供一个有说服力的物理基础，这种深层次的误解就仍然有存在的可能。或许引力量子理论可以带我们走得更远，又或许一些新的发现可以帮助我们重新调整广义相对论的宇宙学理论。

我们可能需要找到一些替代品来弥补目前观察到的微弱迹象。一旦我们舍弃了那些关于现实的被忽视的假设，神秘面纱也许就会被揭开，而所有的黑暗终将会被驱逐消散，星空将重新恢复灿烂夺目的一面。（张小宁插图）