黑暗的宇宙

李杰信

目前专家共识，我们的宇宙，由73%黑暗能量（dark energy）、23%黑暗物质（dark matter），和4%我们熟悉的物质组成。

先谈谈我们熟悉的那4%的物质。

中学时死背周期表：氢氦锂铍硼、碳氮氧氟氖、钠镁铝硅磷……，朗朗上口，互相炫耀。化学老师循循善诱：这些可是组成天地间所有物质的基本元素，记住三、五十个，终生受用不尽。几十年过去了，这些组成天地间100%物质的基本元素，曾几何时，竟然跌份缩水，成4%了？宇宙96%物质已不在人类周期表管辖范围之内？

15世纪前，人类意气风发，自认雄踞宇宙中心。哥白尼和开普勒粉碎了这个美梦。好，就让太阳做中心吧！但伽俐略又看到太阳系以外还有好多个太阳，我们只偏居银河系一个不起眼的角落。厉害的还有哈勃（Edward Hubble），在20世纪初，冲出10万光年小小的银河系，看到宇宙竟然还有成千上万个像银河系一样的星系。1990年代，哈勃望远镜上天，一眼看到了137亿年前“大霹雳”时的宇宙尽头，再加上对一些“超新星”和宇宙背景电磁波的精确测量，发现：不得了啊！宇宙好像被一个巨大的“反重力场”力量向外推，另外从星系间互动的速度，也发现宇宙的实际总质量，都比我们能看到的物质，要多出5、6倍之多。“反重力场”力量是怎么来的，我们不知，多出的质量是怎么来的，我们也不知。因为不知，所以我们只能称它们为“黑暗”能量和“黑暗”物质。虽然这些“黑手党”身影藏在暗处，但它们的作为却是欲盖弥彰，占据宇宙73%加23%，绝对强势的比例，比人类周期表上宇宙元素的总和，还多出24倍！

人类把宇宙主人位置拱手相让，太阳系也不是银河系的贵族区，银河系只是宇宙上亿个星系中的一个。到此为止，人类还能阿Q精神：我们小归小，但和整个宇宙组成材料相同，大家还是血脉相连的好亲戚。而“黑暗”能量和“黑暗”物质出现后，人类竟然沦落成宇宙微不足道的另类分子，连组成生命的材料都不是宇宙的首选设计！人类呀，认命吧。

宇宙对人类的蔑视还没罢休。人类以有限的能力，发现我们能以电磁波光速侦测到的宇宙，年龄为137亿年。我们的宇宙可能是一个更大宇宙中的一个小孤岛宇宙。我们的宇宙像小孤岛，因为我们最多只能回望到137亿年前发出的光，而比137亿年更老的宇宙，即使漂荡其间，我们永远看不到。现在人类变得特谦虚，现在看不到，或永远看不到的东西，已然不敢说它不存在了。宇宙学家想通了这一点，就打开了想象力，反正无法以科学验证，只要不违背我们这个宇宙的物理定律就行。现在专家们认为，“平行宇宙”（parallel universe），或称“多重宇宙”（multiverse）可能存在。各宇宙因出生成长凋谢过程不同，所以就各有各不同的物理常数和定律。并且，这些宇宙的数目应为无穷，此起彼落，互动连连，生死循环，没完没了，才能以科学思维解释，无需引进“造物主”上帝的概念。

过去500多年来，人类一再被宏伟的宇宙羞辱和修理，知识越累积，人类越无知。我们充满异类黑暗玩意的137亿光年大小的宇宙，仅仅可能是无限多个宇宙的一员。宇宙多到连名册都无法建立，渺小的人类还谈得上在宇宙占据着怎样的地位吗？

但是，人类在宇宙占据的地位毕竟是一个重要课题。不管宇宙有多大，我们多渺小，你和我在此热烈地讨论这件事，就给宇宙注入了无比的活力和欢乐。我们虽是另类材料组成，但物以稀为贵，人类可能是宇宙的钻石呢！

我们的宇宙73、23和4这个比例，不能说只是为人类设计的，但这个比例却制造出一个绝对特殊的环境，孕育出了有智慧的生命。73、23和4这三个数目字，玄机深藏，我们试着解读一下。

临界密度

1920年代，哈勃发现，我们的宇宙像是充气中的气球，不停地膨胀。观测到宇宙膨胀，的确是件了不起的大事，但由此引发出的问题更需要解决。宇宙为什么会膨胀？它就这么永远膨胀下去吗？星系间的万有引力能抵消这股膨胀力量，再把宇宙往回拉成收缩状态吗？

宇宙膨胀总得有个起点。1960年代发现了宇宙背景电磁波，目前就定下以137亿年前的“大霹雳”事件，做为宇宙膨胀的开始。宇宙胀呀胀地往外飞了80多亿年，突然间膨胀速度加快，好像有巨大的黑暗能量在暗中推动，离奇到不可思议。更令人胆战心惊的事，就是宇宙间充斥着看不见的黑暗物质，带着螺旋星系飞快转动，包括我们银河系在内。

发生了这么多事，我们总得整理出一个头绪。人类的本性希望宇宙千秋万世不要变化，今天夜里看到的星星，最好万代以后的子子孙孙也能欣赏赞叹。人类在地球能生存的年限，以目前收集到的古生物化石记录估计，不到一千万年，如白驹过隙，转瞬灭绝。宇宙几百亿年后最终的膨胀或收缩，其实对人类而言, 本不需操心，可谓干卿何事？但人类就是老大不愿意让宇宙膨胀到“大撕裂”（big rip），或最终以“大挤压”（big crunch）收场。虽然这些事件发生时，人类肯定早已从宇宙蒸发，做不成现场证人，但仍一厢情愿地要求宇宙不要永远快速膨胀，更不得最终收缩。最友善的宇宙，该是慢慢地、无止尽地向不膨胀也不收缩的最终状态接近。要想达到这个完美的终极境界，就需要一个精心微调出来临界密度（critical density）为1的宇宙。

临界密度小于1的宇宙将永远膨胀，春蚕到死丝方尽，用完宇宙最后一滴能量，最终以达到绝对零度低温深冻的大撕裂散花收场。临界密度大于1的宇宙，膨胀一阵子后会逆转收缩，最终以大挤压完结。这两类宇宙环境起伏太大，可能孕育不出灵慧的生命。智能型生命的存在，指向我们宇宙的临界密度为1……，最终极境界是不收缩也不膨胀。

其实宇宙学家是以0.73+0.23+0.04=1.00来表达这三个绝对数目字，并不是以三个相对的百分比73%+23%+4%=100%来计算。各类型宇宙的临界密度不一定非是1.00不可，黑暗能量和黑暗物质可多可少，但智能型娇弱的生命，人类衷心认为，只能从精心微调、临界密度为1的宇宙中孕育出来。所以，在我们自认为临界密度非等于1不可的宇宙，两组数字混淆使用，勉强可以接受。

下面谈谈占临界密度绝大比例为0.73的黑色能量。

黑暗能量—免费的午餐

1998年的天文观测，证实我们宇宙的膨胀速度加快了，并且仍在加速状态，已持续了50多亿年。

宇宙“大霹雳”后开始膨胀，直觉上不难解释。依这个逻辑推演，膨胀可以持续，但物质间的万有引力在后面拽，速度应该渐渐变慢下来，才讲得通。但宇宙只按照人类的意愿膨胀了80亿年，近期的50多亿年，包括现在在内，我们的宇宙竟然找到了能量库，开始加速前行。

这神秘的黑暗能量，到底从哪里来的呀？这是当今宇宙对人类智慧最大的挑战。

前沿的理论说，这股神秘的能量，来自宇宙的虚无空间，并还为它取了个炫名：“真空能量”（vacuum energy）。

黑暗能量摇身一变，成了真空能量。真空呀真空，真正大空。大空之境，何来能量？

物理的量子力学中有一个重要概念，就是“测不准原理”（uncertainty principle）。“测不准原理”说，宇宙间任何物理现象的测量，都有误差。举个简单的例子，就量一杯热水的温度吧。量温度要用温度计。温度计本身的温度肯定比要量的热水温度低。温度计插到水中后，开始从热水中吸热，热水的温度降一点，和温度计插入前的温度显然不同。所以，我们虽然量到了热水的一个温度，但这个温度已经变了，差别可能相当细微，却已不是原来的温度了。更别谈一杯水的温度本来就不均匀，是上面的温度呢？还是杯底的温度呢？好，为了精确起见，就把杯子缩小，杯子里的水就更接近同一温度。但相对的，温度计的体积更大了，对杯中水的温度干扰更大，测出的温度误差更大。

在宏观世界里，一杯水的温度量得准不准，不是重要的事。管它是48.76摄氏度还是48.82摄氏度，不妨碍一口喝下去就成。但在微观世界里，高速飞行的粒子躲在量子“测不准原理”守护神的后面，它们的身影永远笼罩着一层神秘的薄纱，真人永不露相。在微观的量子世界里，“测不准原理”无所不在，尤其对几个重要关口，防卫得更紧，零绝对温度就是一个例子。粒子一般在绝对温度不等于零的环境中取得热能，转换成动能飞行。聪明的人类就想，好，有温度你动，那我就把你关进绝对温度为零的环境中，没热能可用，你粒子就得乖乖地从空中掉下来，一动不动地躺在那里让我看个够。“测不准原理”说：没门儿，没有所谓精确的绝对零度这回事，我又怎么可能赤裸裸地让你看清楚呢？在绝对零度上下，我是会量子震荡（quantum fluctuation）的，形成一团朦胧的雾，你视线又模糊了，还是看不清楚吧！

另一个关卡，就是真空。真空中本来什么都没有，人类掉以轻心，没花心思严肃对待。“测不准原理”把真空看得更紧。你说真空就是真正的空，零能量零结构一切空空空零零零吗？告诉你，没有所谓绝对精确的真空。在绝对真空上下，我有真空震荡（vacuum fluctuation）戏码，老鼠掀帘，露一小手，显出真空能量和真空结构给你看看，我真空家当还不少呢！

物理学家理解到真空的奥秘后，就设计出测量真空的实验，看看真空中到底有些什么结构。哇，不得了啊！真空中竟然真的有量子力场、量子纤维、真空能量等，其中最出名的实验是卡齐米尔效应(Casimir Effect)。

卡齐米尔效应很简单。在真空中放两片不带电平行安置的金属板，把它们之间的距离逐渐拉近，两板之间居然产生一股向内推的压力。这个力量太神奇，所以每一代物理学家都使用最先进的仪器，重复这个实验，作用在两板间的力量就越量越精确，奠定了卡齐米尔效应的正确性。（图1）

卡齐米尔效应指出一条明路。不能小看真空，它有能量内涵和复杂结构。

宇宙中的真空能量，极为纤弱，在“大霹雳”后很长的一段时间，它的地位卑微，一直是被忽略的对象。三十年河东，三十年河西，真空能量开始坐大，曾几何时，竟然在理论上可能成为主宰我们宇宙的力量。

从能量的结构分析，我们的宇宙有三类能量。第一类由物质而来。这类能量的密度，随着膨胀宇宙空间体积的增加，相对逐渐变弱。第二类由电磁波组成。像物质能量一样，它的密度除了也随宇宙体积的增加变弱，外加电磁波在更大的空间中，波长变长，能量相对递减。所以电磁能量密度，在增大了的空间，比物质能量密度衰减的速度快。第三类能量来自虚无飘渺的真空。这类能量密度与空间大小无关，是一个固定能量密度。第一、二类能量总值虽然从“大霹雳”后就固定不变，但密度随空间加大而降低，而真空能量密度恒定，不增不减，以不变应万变。更厉害的是，当宇宙体积不断膨胀变大，由真空而来的总能量，也水涨船高，宇宙越大，真空总能量就越高。只要宇宙不停膨胀，不花一个子儿就能获得无穷无尽的能量，取之不尽，用之不绝，永无能源危机。

目前估计，“大霹雳” 后80亿年内，物质能量密度和电磁能量密度的总和大于真空能量密度，宇宙基本以近等速膨胀，50多亿年前，宇宙膨胀够大了，真空能量密度开始行主导权，注入所谓的真空黑暗能量，造成宇宙膨胀速度加速。如果人类还想要一个最终不胀不缩的宇宙，真空能量密度只能定在0.73这个数值上，其它的0.27中有0.04是我们能看到的熟悉物质能量密度，剩下的0.23是黑暗物质。

有的专家认为，类似这种真空能量的黑暗能量，在大霹雳最最初时段发过一次力，在10-34到10-32秒间，以超光速把宇宙一下子膨胀了1030倍。还有，这个能量从今以后最好逐渐与时递减，才能保有以人为主观意愿不胀不缩的宇宙。这又是另外一篇大文章，在此暂时不谈。

目前人类最聪明的想法认为，黑暗能量来自真空能量，而真空能量是宇宙不折不扣的终极免费午餐。

黑暗物质

黑暗物质的存在，至少来自三个线索。第一，从螺旋星系的转速来看，包括银河系在内，星系外围晕部转速太快，远远超过可见物质重力场操控能力，如无黑暗物质护航，早已飞离星系远逸。第二，从超大星系团中个别星系间互动情况来看，速度已远远超出星系团脱离速度，如无黑暗物质额外重力场参与，应早已劳燕分飞，团聚不再。第三，宇宙间重力场透镜比比皆是，没有巨大黑暗物质重力场的聚光，无法成像。

所以，现代天文学家的共识，皆认为黑暗物质的确存在，但麻烦的事是这类物质深藏暗处，神龙首尾皆不见，侦测不到，苦啊！

追寻黑暗物质，第一个要问的问题，就是这些看不见摸不着的黑暗物质，是由我们熟悉的物质变过去的吗？这些物质，是蜡炬成灰泪已干后由绚烂转成黑暗，从我们望远镜中的视野永远消失，可能吗？

“大霹雳” 后100秒内，我们熟悉的物质总量，基本上以质子和中子形式出现，已经到位。因为当时的宇宙在极高温状态，约10亿度的温度，质子和中子有足够的能量形成氘核子（质子和中子各一）。此时氢核子，也就是质子，和氘核子之间相对总量的比值固定下来。自此以后，宇宙温度转低，再无能力制造出氘核子。所以，这个比值是我们熟悉物质的签名式，在过去宇宙演化的137亿年中，通过望远镜对每个时期氢氘核子相对蕴藏量的光谱测量，就能得到我们熟悉物质的演变历史，决定它们是否烧光转暗，变成黑暗物质的一部分。

专家通过望远镜的时空隧道，选了大霹霹后期，宇宙中年和现代宇宙三个时期，仔细测量氢氘核子相对蕴藏量的变化，发现，这个比值别来无恙，没变，137亿年来忠心耿耿，没有投靠黑暗物质，还在为我们熟悉物质的宇宙效力。

氢氘核子的比值的确解决了第一个问题的主要部份。但有人问，黑洞（black holes）是黑暗物质的一部份吗？还有，褐矮星（brown dwarfs），不发光的星云，星系间小的氢雪球等等，它们可能是黑暗物质的一部份吗？总体来说，它们的存在，能用电磁波寻出蛛丝马迹，黑暗物质看不见，但看不见的不一定是黑暗物质。这类物质归于后者，属于我们熟悉的物质那一类。

我们熟悉的物质宇宙由四类力量推动：引力，电磁力，弱核力和强核力。四类力量，各有管辖地盘，后三类已互发签证，三通(电磁力，弱核力和强核力)无阻，只有引力部份，仍然无组织无纪律，自我逍遥，归队无期。

黑暗物质很可能在大霹雳时，和我们熟悉的物质先后出现，只是它的物质基因，除开牛顿力学中的引力部份与我们熟悉的物质相通外，其余的物理特性，一概不知。

那，黑暗物质到底是什么东西呢？

在媒体上常常提到的黑暗物质是微中子（neutrinos），它又称‘热黑暗物质，不带电荷，以光速奔驰，在宇宙中的蕴藏数量巨大。微中子在1930年代就被预测存在。你我的身体，每秒钟被来自太阳和宇宙众星系千亿个微中子穿透，但我们浑然不觉。其实，它们更视地球和太阳如无物，随意穿梭，所向披靡。人类绞尽脑汁，在地层深处，安置了最灵敏的侦察装置，经过了50多年的努力，终能一窥它们的卢山真目面。在1945、1995和2002年，诺贝尔物理奖三度颁发给在微中子研究有成就的科学家们。

微中子虽然是黑暗物质的血亲，但总质量太轻，占不到黑暗物质总质量的1%。微中子不是黑暗物质主力部份。

另一模拟较能成气候的黑暗物质叫“微弱作用重粒子”（weakly interacting massive particles, WIMPS），它属于‘冷黑暗物质类，当然也不带电荷，理论上的要求是它的质量越高越好，企盼着它是主力黑暗物质部队，为人类解惑。

中国从1990年代就和意大利合作，在罗马附近一个1,400米深的地下“黑暗物质” （DArk MAtter, DAMA）实验室，进行捕捉WIMPS的工作。

最近在欧洲日内瓦投产使用的“大强粒子碰撞机”（Large Hadron Collider）的主要任务之一，就是寻找WIMPS或是它的远房亲戚。

结语

天文物理学家认为，黑暗能量应该存在，它可能由真空能量而来。真空能量是量子世界的产物，相当神秘，威力可能和想象中一样强大，但到目前为止，仅是理论上的沙盘推演，并无天文数据佐证。更难解的关键问题是，黑暗能量为什么能产生一股“反重力”的推力？这是对当今人类智慧的一个最大挑战。

黑暗物质的存在，有实验数据证实。它生来就有自闭个性，幽暗隐居，人类追寻之路艰难。它很可能是在“大霹雳”初期宇宙能源充沛时，比我们熟悉的物质早一脚出现，抢先用掉大部份能源，造成它拥有极高能量的体质。人类目前卯足了劲儿，打造出“大强粒子碰撞机”，期望能够得着黑暗物质高来高往的能量，要不或许也能找到它一个远房能量较低的穷亲戚，至少能间接推证它的一些特性。

最聪明的人类，为了解决黑暗能量和黑暗物质问题，吹响了“集结号”。

图1：卡齐米尔效应实验。两个在真空中不带电的卡齐米尔平行板（Casimir plates），在近距离内，经由真空震荡（vacuum fluctuation），互相吸引，证明真空中有能量存在。