大宇宙，大困惑

汉水

假若宇宙起始于一次大爆炸，那么大爆炸以后，宇宙的膨胀方式会是怎样的呢？科学家们猜测，宇宙的膨胀应该受到引力的牵制，引力仿佛是宇宙大爆炸的“制动器”，它会慢慢使宇宙的膨胀变得慢下来。为了证明这一点，科学家们需要找到证据，方法是给遥远的天体定位，并测量它们如何运动。以前，人们在宇宙中发现过一种神秘的脉动变星，名为“造父变星”，这种变星的光变周期和光度之间有稳定的关系，因而可用来确定天体的距离，所以造父变星被称为宇宙的“量天尺”。然而现在，当科学家们想研究宇宙的膨胀时，这个“量天尺”已经显得不够用了，因为几十亿光年以外，造父变星已经无法看见。科学家们必须寻找更长的“量天尺”。

他们找到的这个更长的“量天尺”就是超新星。超新星是爆炸的恒星，其中的一种名为Ia型超新星非常亮，是超致密老年恒星——白矮星爆炸的产物。一旦爆炸，它发出的光相当强烈，亮度不亚于整个星系，这使得人们容易在很远的地方观测到它们。除了亮，Ia型超新星的亮度还非常一致，这是因为白矮星的质量有一个上限，爆炸时大多接近这个上限，所以爆炸发出的光度也就基本一样了。光度一样意味着，观测一颗Ia型超新星的亮度可以推测它和地球的距离，亮度高，表明距离近；亮度低，表明距离远，这正是“量天尺”应该具备的重要特性。但要研究宇宙的膨胀，仅仅看亮度还不行，人们还必须观测Ia型超新星的光谱，测出其中的红移量。红移量的大小能告诉人们，在这个超新星爆炸期间，宇宙膨胀了多少。假若科学家们观测了处在不同距离上的超新星，又把测得的红移量和距离对应起来进行研究，他们便不难了解宇宙正在以怎样的方式膨胀了。

使用Ia型超新星完成“量天”的任务，其中的甘苦自然一言难尽，但总的来说，科学家们还是发现了一些遥远的超新星。出人意料的是，它们的星光比预期的要暗，这一结果令科学家们大惑不解，因为这与人们事先的预测恰恰相反，说明宇宙的膨胀不仅没有越来越慢，反而越来越快了。

为什么宇宙的膨胀会变快呢？科学家们认为，一定有一种神秘的力量在与引力抗衡，这种不可见的力量导致宇宙莫名其妙地加速膨胀。他们把这种力量称为“暗能量”。这就是十几年前，科学家们利用超新星发现宇宙正在加速膨胀的故事，其中3位有杰出贡献的科学家于2011年获得了诺贝尔物理学奖。回想当年，爱因斯坦为了引入一种能与引力相抗衡的斥力，曾在他的方程里加了一个常数，他称为“宇宙学常数”。但后来，爱因斯坦认为，加上这个常数是一个错误。然而现在看来，这个常数也不无道理，暗能量正好可用这个常数表示，它正在加速宇宙的膨胀。

科学家们认为，暗能量构成了宇宙中不可见的一部分。2001年，“威尔金森微波各向异性探测器”证实了暗能量占宇宙总物质能量密度的73%。这一结果毫无疑问地表明，暗能量在现代物理学中意义非凡，了解暗能量对理解时间、空间、物质和能量至关重要。然而，暗能量是什么呢？人们并没有找到答案。美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳谈到这种难以捉摸的能量时说：“迄今为止，我们在暗能量研究上的最大成就就是给它起了一个名字。面对这道难题，我们确实只是刚刚起步。”

探索暗能量的困难主要表现在那个“暗”字上，因为人们很难直接观测到它们。事实上，宇宙拿这一套把戏来捉弄人类的智慧已经不是第一次了。大约70年前，科学家们就发现，星系团中可见物质的引力不足以把众多星系束缚在一起，但星系团确实维系了它的稳定，这说明星系团中的引力远远超出了可见恒星所产生的引力，表明星系团中存在着大量我们看不见的物质，这就是科学家们称作“暗物质”的东西。他们认为，暗物质在宇宙中起着重要作用。在宇宙的早期，暗物质聚集的星系团吸收普通物质，开启恒星和星系形成的序幕，在星系的产生和发展中扮演至关重要的角色。暗物质还把众多星系束缚在一起，使星系聚集成团，不致分崩离析。

近几十年来，随着天文学家们对宇宙观测的日益深入，人们意识到，宇宙也许正是在暗物质和暗能量的博弈中发展和演化的。暗物质产生引力，暗能量产生负引力，如果说引力相当于宇宙的“制动器”，那么负引力就相当于宇宙的“加速器”。引力试图把物体结合在一起，而负引力则试图将物体分开。137.5亿年前，宇宙大爆炸开始后，引力的确主宰着宇宙，那时是“制动器”的力量占上风，宇宙的膨胀在一点点地减缓。然而到了大约七八十亿年前，随着宇宙在膨胀中逐渐变稀，引力也越来越弱，这时暗能量开始占据上风了，于是引力逐渐屈服于暗能量，“加速器”开始发生作用，并最终把宇宙从减速膨胀的状态扭转到了加速膨胀的状态上来，这就是我们今天看到的宇宙。

但由于暗物质不与电磁发生作用，人们无法观测到它们，所以人类至今并没有弄清组成暗物质的成分究竟是什么，这成了现代粒子物理学家们深感头痛的一件事，而暗能量更是宛如幽灵一般高深莫测，人类现有的那点认识好像只能对它“望洋兴叹”。我们知道，不论是物理学还是天文学，它们都是以观测和实证作为重要依据的，然而暗物质和暗能量恰恰是难以观测的东西，这真是一个令人颇觉无奈的悖论，事实也证明的确如此。美国加州理工学院的宇宙学家肖恩·卡罗尔说：“宇宙这样戏弄我们真是不公平，它给了我们令人兴奋的线索，然后又关闭大门，阻止我们获得更多的东西。”现在人们已经清楚，暗物质占整个宇宙总物质能量密度的23%，暗能量占宇宙总物质能量密度的73%，这构成了我们对宇宙并不清楚的部分，而这个部分的总和竟占宇宙总物质能量密度的96%。也就是说我们对这96%的宇宙是不了解的，这是现代天文学和现代物理学的大困惑。