第6章　什么使宇宙结合在一起？

宇宙学家最初意识到宇宙中除了眼睛能看见的物质之外还有其他物质，甚至是加上黑暗的重子物质之外仍无法解释宇宙中所有物质的总量时，他们自然而然想到的第一个假设，是宇宙中肯定还存在非重子形式的物质，以某种奇怪的粒子或粒子团的形式，飘荡在可视的恒星和星系之间。随着此后对宇宙的观测不断深入，这一假定渐渐确立，强烈表明宇宙中确实存在一种奇怪的暗物质。但是，这些观测同样表明，即便把这些重子和奇怪的粒子的最大值加在一起，仍无法使宇宙呈扁平状，因此宇宙中肯定还存在第三种东西，那就是暗能量。我们已经说过，把宇宙中包括重子和其他奇怪的粒子的所有物质都加起来，也仅仅达到了使宇宙保持扁平所需物质的30%。尽管如此，奇怪的暗物质仍然对宇宙得以构成起到了重要的作用（其作用比重子所起的作用强6～7倍），因此，我们要首先讨论一下暗物质，然后再去讨论暗能量。

在这些暗物质的总质量中，除了中微子占去了微不足道的一小部分，其余的肯定都是低温物质，也就是说它们的运动速度比光速低很多。研究者一般按照其属性将其称作“低温暗物质”（cold dark matter，缩写为CDM）。不过有些天文学家特别喜欢新造首字母缩写词，这些人将其称作WIMP，意思是“弱相互作用有质量粒子”（Weakly Interacting Massive Particles）。^[38]这两个术语指的是同一种东西。不过虽然我们希望CDM能够简单一点，由同一种物质构成就好了，可实际的观测结果告诉我们，没有任何证据表明我们的愿望能够实现。我们现在所能了解的一切告诉我们，有可能存在多种不同的弱相互作用有质量粒子，只要它们的质量总和加起来能达到宇宙呈扁平状所需的16%。事实上，物理学家目前能够想到的，只有两种有可能是其所说的CDM粒子。这可能是由于他们的想象力太不够，不过这也避免了让CDM粒子的局面变得过于复杂。CDM可能由这两种粒子中的任意一种，或是两者混合构成，只要其总质量能达到关键的临界比例：26%。大家已经发现，现在我们已经进入了我们以为自己所了解的领域，而不再是我们所了解的领域，而且，随着我们开始讨论暗能量，情况会变得更加捉摸不定。

冷暗物质的第一种可能是所谓的轴子（axion）。这个名字很恰当，因为这种粒子的存在（假如它确实存在的话）与粒子的自旋这一属性有关。我们可以将其想象成小球绕自身的轴旋转，不过这种想象和量子世界的所有其他类比一样，只能说明部分问题，而非全部实情。凑巧的是，美国有一种洗衣粉的商标也是Axion，提出Axion的物理学家正是从这种洗衣粉获得了灵感，想出了这么一个名字。可见，在给新发现的物质起名字的时候，像孩子一样兴奋莫名的，并不只是天文学家。

物理学家最初是在20世纪70年代末发现有必要引入Axion的概念，当时他们正竭尽全力试图搞清楚“量子色动力学”（QCD）的含义。该学说指出，某种粒子衰变违背了时间对称性的原则——换言之，该粒子衰变只能在单一时间方向上有效。这引起了物理学家的警觉，因为理论物理学最重要的基石之一，就是认为这样的相互作用从时间上将不论是“前进”还是“后退”都是一样的，就像是看一个球体滚动的录像，不论是正着放还是反着放，我们看不出区别。为了使该相互作用重新具有时间对称性，^[39]理论学家必须建立新的场论；正如量子世界里的所有场一样，这种场也必须和一种粒子建立联系——这里的粒子就是“轴子”。

这一模型的早期版本提出，轴子的质量相对而言较大，而且用不了几年，就能在加速器实验中测出来。可失败随之接踵而来。刚开始，人们想尽了各种办法，却无论如何也找不到轴子。到了20世纪80年代，QCD学说又引入了“大统一理论”（the Grand Unified Theories，缩写为GUTs），新的理论模型要求轴子的质量应该比预想的小得多，这又使得它变得越发的轻而难以直接测量到。有人将其戏称作“看不见的”轴子，许多物理学家则把它当作笑谈。为了解释一点点对称性破缺而发明这么一种轻得测都测不到的粒子，有什么意义吗？况且，无论如何，对称性破缺都是实际存在的。但是，当宇宙学家意识到需要存在暗物质时，轴子恰好是一种现成的粒子，填补了这一空缺。而且，后来人们发现，应用弦理论可以自然推导出存在有轴子。

弦理论的各个不同版本都预言，轴子还有另外一个关键属性，那就是，除了其质量极其微小之外，由于它是粒子相互作用而产生的，这些相互作用决定了它的速度比光速低许多。如果这些想法都正确无误，那么大爆炸中会产生大量的轴子，其产生时间大约与夸克被压缩形成质子和中子处于同一时期，但是轴子确实会成为低温暗物质粒子。因此，在早期宇宙中，轴子并不像中微子那样传遍整个空间并将早期结构抹平，而是会在其自身引力的作用下汇集成团，造成凹陷，使得重子物质陷落进去。这两种粒子可能是共同构成了所有的低温暗物质。

人们发现，测量单个轴子质量的最好办法，是通过天体物理学进行，而非粒子物理学。因为轴子只与重子发生微弱的相互作用，像中微子一样，它们可以轻而易举地穿越恒星的中心进入外部空间，不受任何阻碍。轴子脱离可以将能量带走，使恒星内核冷却。轴子越重，这种冷却过程就越有效（中微子的效用可以忽略不计）。如果每个轴子的质量超过0.01电子伏特（0.01eV），就会影响到恒星的外观以及某些古老恒星的爆发方式，使其像超新星那样产生可以被我们观测到的爆发。由于这些效应尚未从恒星中实际观测到，因此轴子的质量必然小于0.01电子伏特，或是电子质量的0.002%。理论模型则指出，其质量可能还要小，小于0.0001电子伏特。因此，直到现在，在地球上的加速器实验中都没有找到轴子这一现实其实一点都不令人奇怪！

大家可能从我前面的语气中看出来，我对轴子不大感兴趣，虽然我们必须承认，它“可以”存在。我之所以对其不感兴趣，其中一个原因是，即便无形的轴子的确存在，我们恐怕也不可能探测到它。事实上，我只知道有一种认真的假设，告诉我们如何去搜索轴子。然而即便是这一提议，看上去也只是有成功的希望而已。

这一提议是建立在人们的一个希望上面，即通过探测轴子和电磁场之间极其微弱的相互作用来证实其存在。但是，这一希望，以及在可预见的将来探测轴子的现实可能性，都极其渺茫。尤其是当我们了解到，中微子已经是一种很少与其他东西发生相互作用的粒子，可是这种可能性已经是轴子相互作用可能性的100亿倍了，我们就更能体会为何探测轴子的希望如此渺茫了。尽管如此，相关理论仍然指出，轴子在极其偶然的情况下会与电磁场发生相互作用，产生一个光子，其波长取决于轴子的质量。而且由于存在（假如轴子存在的观念正确无误的话）大量的轴子，有朝一日我们就有可能发明相应的技术，探测到这种光子。可问题是，每100亿个轴子中才会有1个发生这种可探测到的相互作用，这就像探测单个中微子的概率一样小。

这件事情只存在一丝极其渺茫的希望。这是因为，所有光子的波长都极其近似。只不过，由于单个轴子穿过空间的动作所产生的蔓延，就像一束激光中的光子（只不过要弱许多许多），它们的影响会累积起来，产生可以测到的电磁波噪声，即在单一波长的频谱中，显示为一个凸起。这种探测器的原理是这样的：首先，我们需要一个金属盒子（物理学家称之为“空腔”），其大小正好让波长合适的光子在空腔中形成驻波——这与调整管风琴的声管使其发出某个音符的固定声波是同样的道理，只不过是应用在了电磁波上。这一腔体应该予以屏蔽，使其免受外界的干扰，而且要用液态氦冷却，使其接近绝对零度（-273℃），而且不能包含任何普通物质，只包含无法排除的中微子（好在这种粒子不会产生轴子所产生的那种信号）以及宇宙中存在的其他任何低温暗物质粒子，当然了，如果有轴子的话，也包含在内。用人类所能制造的最强的磁场充满盒子，调谐好灵敏的无线电探测器，收集轴子的信号。

如果空腔为立方体，边长1米，充满人类所能制造出的最强磁场后，预计轴子输出的功率也只不过有1瓦特的一亿亿亿分之一（10^-24）。为了更好地理解这一点，物理学家劳伦斯·克劳斯假设轴子探测器的体积像太阳那么大，其输出功率也只相当于60瓦的灯泡。因此，大多数富有理性的人并不指望会看到轴子存在的证据，而只是希望能探测到某种暗物质，这也没什么奇怪的。

好在对于抱有我们这种想法的人来说，低温暗物质（CDM）有更出色的候选人，它可以自然地（事实是不可避免地）从超对称性的概念中推导出来，而且如果它存在的话，一定会在不久的将来被发现。正如我们在第2章所看到的那样，超对称性（SUSY）意味着存在各种各样的超对称伙伴，其中每一种都对应一种已知的粒子，但是只有最轻的超对称伙伴（LSP）才是稳定的。这马上让我们想到，超对称伙伴是宇宙学家所能找到的很好的低温暗物质候选人。

这里只有一个小小的不便之处：就我们目前对超对称的了解而言，我们并不知道超对称伙伴到底是什么。它可能是光微子（photino，光子的超对称性伙伴），或引力微子（gravitino，引力子的超对称性伙伴），或其他的超对称性粒子。根据这一理论的某些版本，^[40]它甚至可以是两种或多种粒子的混合物，就像中微子一样。中微子在空间传播的时候，就是实验中探测到的3种中微子的混合物。但有一件事我们确实知道，那就是超对称伙伴没有电荷，因为如果它有电荷，就会很容易被发现——甚至在天文学家感到有必要存在低温暗物质之前就已经被人发现了。因此，为了保证所有的选项都是可能的，超对称伙伴经常被称作“中性伴随子”[neutralino——换言之，就是“中性超对称性小粒子”（little neutral SUSY particle）]。中性伴随子这个名字指的不是任何具体的粒子，而是一个涵盖了所有的超对称伙伴的通用名。

虽然，最初的超对称性理论认为，中性伴随子的质量只有几GeV（大家可能还记得1GeV大约相当于1个质子，或1个氢原子的质量）。可是在加速器实验中我们至今未能制造出这些粒子，这说明它们的质量事实上应该超过50GeV。在其质量尺度的另一端，我们还可以根据宇宙学理论为其质量设定极限值。正如我们在第5章所看到的，大爆炸中一些额外粒子的存在（例如更多类型的中微子）加力向外推动宇宙，使得宇宙膨胀得更快。中性伴随子也会起到相同的效用，而且如果每颗中性伴随子的质量超过大约3000GeV，宇宙就会膨胀得过快，我们也就无法存在并在这里研究这些概念了。这并不是一个限制性很强的极限值，但是某些超对称性（理论物理学家倾向于将其看作经过改进的超对称性理论）理论表明其上限可能是这一极限的1/10，即大约300GeV，也就是氢原子质量的300倍左右。目前，人们最好的猜测是中性伴随子的质量大约在100GeV到300GeV之间（大约相当于地球上自然产生的最重的原子的质量；比如，铀原子核的质量就接近235GeV）。让我们感到欣慰的是，下一代的加速器实验正好可以探测这一范围的粒子。这种加速器可能能够直接探测到暗物质，使其从假想的范畴变成科学上实际存在的物质。

如果以低温暗物质形式存在的物质比重子多7倍，而且每个低温暗物质粒子的质量是140GeV，那么，由于重子的平均质量大约是1 GeV，宇宙中每20个重子就有一个中性伴随子。如果它们是均匀地分布在宇宙空间，那就意味着每4立方米空间里只有1个中性伴随子——但是，我们也已看到，它们也肯定像宇宙中发光的物质一样聚集在一起，因此穿过地球和我们的实验室（实际上也穿过了我们的身体）的中性伴随子应该比平均状态要多，应该能够被探测到。

如果中性伴随子的质量在我们预计的最低端，除了在大型强子对撞机（LHC）中通过粒子碰撞从能量中获取中性伴随子之外，我们还有两种办法可以在实验室里探测中性伴随子。这两种办法都取决于这样一个现象：要想让重子“注意到”中性伴随子的存在（不包括通过引力而发现），只有当中性伴随子与原子的原子核发生碰撞，并从上面弹开。对于和中性伴随子质量相当的原子来说，这种碰撞后的分散更像是两个桌球的碰撞效果，被撞击的原子核发生卷曲，而撞击的中性伴随子则沿新的方向运动。如果被撞击的原子是非常有序地排列成有规则的形状，那么这种事件就极有可能产生能被我们观测到的效应。为了最大限度降低这种晶格中原子的自然振动，我们需要将其降低到仅比绝对零度（-273℃）高一点的温度。而且为了减少其他的干扰（例如，宇宙射线），它还必须与外界屏蔽。所有这些要求都极难做到。不过一旦条件满足了，那么我们就可能可以开始讨论如何探测中性伴随子了。

如果中性伴随子和原子核的碰撞——基本上和桌球的碰撞一样——在超级冷冻且经过屏蔽的晶体中（比如硅或者锗）发生，那么，理论上讲，我们可能探测到两种效应。一种效应是原子卷曲可能会引起附近原子的振动，产生一波极小的涟漪，从晶体中传过，产生极微弱的声波。如果晶体材料上覆盖着一层超导材料，那么传递到超导体的声波就可以测量到。晶体的原子结构是由电磁力组织在一起的，就好像每个原子都是通过橡皮筋和身边的原子连在一起。大家可以想象，当声波穿过晶体的时候，这些橡皮筋都会发生振动。人们已经用特制的硅，使用“常规”的放射进行撞击证明了这一技术是有效的，但是尚未能用它来探测到中性伴随子。

还有一种办法来探测中性伴随子：使用普通的原子，将其构成的晶体进行超级冷冻，用来检测中性伴随子碰撞后温度的变化。因为中性伴随子的运动首先会让“目标”原子核发生卷曲，随后，这种能量通过原子之间的“橡皮筋”的振动，让它周围的原子发生不规则、无序的运动。通过这种方式释放的能量只有几KeV，因此一个中性伴随子撞击到一小片硅上引起的温度升高只有1度的几千分之一——不过如果目标样品的温度已经降低到了仅比绝对零度高千分之几度，那么这种温度变化将意味着晶体的温度会增加1倍！另外，测量如此精细温度变化的技术已经经过了验证，而且确实有效。并且，这一次已经有人宣称（不过是未经证实的）探测到了暗物质的“信号”。

人们曾经以为该实验发现了称作DAMA（是“暗物质”的英文单词DArk MAtter的各前两个字母组成的）的暗物质粒子。该实验是在意大利的格朗达·萨索（Grand Sasso）的一个矿山里进行的，它位于亚平宁山脉之中，与外界隔绝。根据21世纪初公布的数据，实验用的探测器围绕碘化钠的晶体建造，已经运行了数年，以显示因季节而产生的波动。之所以会有季节间的波动，一个可能的解释是，由于地球绕太阳转动，在太阳的一面，地球是迎着我们星系中的中性伴随子运行；而当运行到了太阳的另一方面，则是与中性伴随子同向运行。这就像是撞车一样，迎头相撞会产生更多的能量；而追尾产生的能量则较少，因此中性伴随子实验会显示出季节性的变化。DAMA小组宣称还探测到了中性伴随子的质量在45GeV到75GeV之间。可惜（或许是值得庆幸的，因为该实验测算的质量很低），其他本应和DAMA精度一样高的实验[其中包括一项称作“低温暗物质搜索”（the Cold Dark Matter Search，简称CDMS）]的实验，使用的是锗和硅，探测器安放在美国明尼苏达州的一个矿井中，却没有获得这样的效果。

在我看来，这种类型的探测器是最有可能找到低温暗物质粒子的，而且这一天已经为期不远了。其中，我比较看好的一个实验位于约克郡布尔拜（Boulby）的一个矿井中。既然我们有可能很快就探测到中性伴随子，看来还值得对其仔细描述一番。

由于这种暗物质的候选对象（中性伴随子）只具有微弱的相互作用，对于重达10千克的物质，其原子核与这样的一个粒子发生碰撞的概率在一天之中只有一次。虽然在我们周围重子构成的宇宙射线远远少于中性伴随子射线，但由于重子能更容易地与常规物质发生作用，因此会产生更多的碰撞。也正是由于这一原因，布尔拜的实验才放置在盐矿的深井中。这是欧洲最深的矿井，位于地下1.1千米处。来自太空的宇宙射线只有百万分之一的概率穿越矿井上面的岩层。但是对于地表上每秒钟10亿次左右的大质量弱相互作用粒子（WIMP）射线来说，只有3个会与矿井上方的岩层中的原子核发生碰撞，而且它们无法被完全阻挡，只能被减速。

即便是这样的“过滤”也不足以将背景噪声的水平（相当于听收音机中波时的静电噪声）降低到探测器中暗物质发生事件的相等水平，此外我们还必须考虑到岩层所具有的自然放射性带来的干扰。不过，这类放射中，有许多都能被包裹探测器的屏蔽材料所吸收——常规的铅、铜、石蜡或聚乙烯——或是把探测器置于200吨纯水中。这么多的水（仅仅为了起到屏蔽的作用）的容积是20万升，相当于奥林匹克标准游泳池容积的1/10，或是第5章所提到的中微子探测器体积的一半。

即便在采取了所有上述措施后，系统中仍会存在背景噪声，因此，实验的最后一步是利用探测器以及统计学技术，将能够区分的由背景噪声以及原子卷曲造成的事件剥离出来，只留下中性伴随子碰撞造成的事件。此时，我们就可以使用上文所介绍的声波探测技术以及温度探测技术了。

虽然存在这么多的困难，布尔拜小组最关心的却不是他们的探测器也许会失败，而是大型强子对撞机（LHC）团队或许会先他们获得中性伴随子。根据其实际质量，中性伴随子可能能够在21世纪第一个10年结束之前，从欧洲原子核研究中心的对撞机所发出的质子流的碰撞中产生出来。但是，更重的粒子却很难制造。如果中性伴随子的质量像更受人欢迎的超对称性理论所预言的那样，那么布尔拜矿井中的探测器，或是世界其他地方的同类探测器，就有可能首先探测到它。

即便是布尔拜实验，或是其他的暗物质实验找到了行踪飘忽不定的中性伴随子，我们也只是知道了使宇宙平滑所需的所有物质的30%。到20世纪90年代中期，通过对比模拟星系集群与真正的宇宙图，我们已经弄清楚，聚集在一起形成像星系一样天体的物质，有可能不超过宇宙呈平坦状态所需密度的30%物质（重子或其他粒子），而且，宇宙暴涨理论也明确要求宇宙必须是平坦的。在任何一种情况下，正如我们在第3章所探讨的，许多宇宙学家长期以来就感到，宇宙必须是平坦的，因为任何偏离平坦的状态，都会随着宇宙在大爆炸之后出现指数级的膨胀。在20世纪60年代，我还是个学生的时候，这一论点令我印象尤其深刻。任何人，只要赞同这一看法，就不得不自动地承认，宇宙另外的其他70%必须是一种拥有完全统一形式的不成团的东西，它对星系的形成没有什么大的影响，因为它没有“凹陷”，不过它确实对时空结构产生了影响。令这些宇宙学家高兴的是，爱因斯坦早在1917年就发现了完全符合这些条件的东西——尽管他是因为错误的原因而发现它的，而且他在后来又彻底放弃了这个发现。

爱因斯坦于1916年完成了广义相对论。这一理论描述的是空间和时间之间通过引力进行相互作用的问题。该理论一完成，他所做的第一件事就是用它来对涉及物质、空间和时间的最大对象——宇宙——进行数学描述。^[41]这些都发生在1917年，当时许多科学家仍认为我们的银河系就是整个宇宙，而当时被称为星云的暗弱光斑还没有被确定为是银河系以外的其他星系。当时人们一致的看法是宇宙从根本上讲是静态的、不变的——个别的恒星可能会诞生，度过自身的生命周期然后死亡（如森林中的每一棵树），但银河系这整个“森林”将永远保持大致相同的整体外观。爱因斯坦立即就碰了钉子。广义相对论方程最简单的形式不允许有任何存在静态宇宙的可能性。广义相对论的方程所描述的是不断扩大的宇宙，在这个模型中，引力的作用是使扩张缓慢减速；此外，还有一个坍缩的宇宙模型，其中重力的作用是加速崩溃。但是这些方程无法描述处于这两个情景之间的“刀口之上”的宇宙。拥有这样一个稳态宇宙的唯一办法，是假设宇宙中存在一种对抗引力的力，这种力将抵消掉引力的作用，使宇宙中的一切都悬在那里，处于膨胀和坍缩之间的刀口之上。但是只需给方程中加入一个极微小的协调量（爱因斯坦称之为宇宙常数）就会使平衡变得可能。^[42]虽然爱因斯坦从来没有这样说过，但宇宙常数实际上是一种反引力，或反引力场，充斥了整个宇宙。方程中显示的数字原则上讲可以是任何值，只要它不变就行，爱因斯坦用希腊字母“拉姆达”（λ）为其命名。但是要想让宇宙模型呈现为静态的，λ只能有一个特殊的值。

但是爱因斯坦为方程式加入宇宙常数还不到10年，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）就已经证明在银河系之外还有其他的星系。到20世纪30年代初，哈勃与米尔顿·赫马森（Milton Humason）合作，根据这些河外星系的红移现象，发现宇宙在膨胀。很显然，宇宙不是静态的。爱因斯坦得知后立即就放弃了宇宙常数，不过从那以来，一直还有一些宇宙学家对数学而不是对数学方程式是否准确描述了我们生活在其中的宇宙这一事实更感兴趣。他们继续研究方程的不同变化形式。

像所有的场一样，λ场也具有能量，而能量和质量转换可以扭曲时空。因此，λ场有助于让时空变得平坦，同时还起到反引力的作用，或是让宇宙膨胀得更快。到20世纪90年代中期，科学家发现，为了使他们的模拟能与真正的宇宙相匹配，他们模型的构成需要满足这些条件：重子占4%，冷暗物质占26%，此外还有70%别的平坦的东西。此时，上述想法开始伺机而动。如果这所谓的“别的东西”是λ场，那么模拟结果就能完美匹配所观察的宇宙，此外一切也都能纳入广义相对论的框架。该模型被称为“λ冷暗物质模型”（λCDM），被认为是一个巨大的成功，至少专家们都是这么看的。对于重拾爱因斯坦已经抛弃的想法是否合适，有些人持有疑虑。另外，在酷爱模型的人之外，一些天文学家还不太确定模型的建立过程究竟有多精确。而且所有这一切还引出一个奇怪的，但有趣的预言——它奇怪至极，弄得很少有人讨论它。如果确实存在一个λ场充满了我们的宇宙，其总能量相当于重子和冷暗物质能量总和的2倍，那么它的斥力作用在可观测到的宇宙边缘应该有显著的效果——随着宇宙年龄增加，它应当使宇宙膨胀速度加快，因为其反引力效应应该开始超过引力，占主导地位。

问题是，宇宙常数就是这样——它是不变的。另外，它还非常小。但是，重力服从平方反比定律，距离越远，引力也越来越弱。当宇宙还年轻的时候，物质比现在更紧密地挤在一起，当时引力非常强大，超过了λ的力。但是，随着宇宙膨胀，密度变小，引力的作用稳步变弱，直到变得比λ力还弱。从那个时候开始，重力无法再减缓宇宙的膨胀，λ力开始起作用，加快宇宙的膨胀。但是，起初几乎没有人对λ冷暗物质模型的这一含义多加思考，而且对来自完全不同背景，以及钟爱不同星系模型的科学家来说，这一含义根本没有进入他们的头脑。20世纪90年代末，这些人都在试图测量极其遥远的超新星爆炸的距离。

试图通过测量宇宙中越来越遥远物体的距离来拓展整个宇宙的规模，这一光荣传统可追溯到哈勃本人。正是哈勃发现了某个星系发出的光产生的红移，与它跟我们之间的距离成正比——但是为了发现这一点，他需要使用各种其他技术，测量相对较近的星系的距离。对宇宙星际距离进行校准非常困难，因为更遥远的星系的光芒也更暗，研究起来很困难。该项目直到20世纪90年代末才真正完成，所观测的星系也远远超过了哈勃所能观测到的任何星系。而研究者所使用的工具则是以他的名字命名的“哈勃太空望远镜”。这里还存在另一微妙之处。所谓的“哈勃定律”的最简单的形式，只适用于以不到光速1/3的速度离我们远去的星系，其相对的红移是0.3。

对于较小的红移，这种变化可以被看作星系离开速度除以光速——因此红移值为0.1，也就意味着该星系是在以光速的1/10远去。但是，红移为1并不意味着该星系是以光速在退离，因为红移关系实际上是非线性的。正如我们在前面提到的，哈勃没有注意到这一点，因为他的观测所能看到的红移现象，只相当于光速的百分之几。我们可以用广义相对论计算出红移与距离的确切关系（爱因斯坦在引入宇宙常数的时候，忽视了广义相对论的这一预言功能），这种计算可以考虑到两者之间存在的非线性关系。严格地说，非线性适用于所有的红移，但是对于较小的红移来说，需要做的更正极小，基本上无需考虑。依照非线性关系，红移为2对应的退离速度为光速的80%（而不是光速的2倍！），而红移为4对应的则“仅仅”是光速的92%。要想让退离速度达到光速，那么红移的值就必须是无限大。正如我们已经提到的，微波背景辐射的红移约为1000，这意味着从线性角度衡量，宇宙现在的尺寸比该辐射发出的时候（即大爆炸几十万年后）大1000倍。

测量那些距离可以用其他方式来确定的远距离物体的红移，成了科学家永无止境的追求。20世纪90年代，许多天文学研究小组开始利用最新的望远镜技术研究被称为超新星的恒星爆炸所发出的光。超新星是人们见过的普通恒星发出的最大规模的爆发。这一切发生在一些恒星的生命即将结束的时候，那时恒星会坍缩，释放出巨大的引力能，这种能力转换成光以及其他辐射，将恒星打碎。在一个短暂的时间内，一个单一的恒星以这种方式爆炸，释放出的能量相当于整个银河系内所有的恒星释放的能量（它所发出的光会超过1000亿颗太阳），因此，这些明亮的“灯塔”在宇宙很远的地方都能看到。超新星有几种不同类型，但是对附近星系的这些恒星爆炸（其距离已经众所周知）所作的研究表明，其中的一种称作SN iA（名字来自“Supernova iA”）的超新星的峰值亮度总是相同。这意味着，如果这类超新星爆发出现在一个非常遥远的星系，那么可以对比其目视亮度和本征亮度，计算出它的距离。然后，将这一直接测量出的距离与红移进行对比，校准非常遥远的天体的距离尺度——在这种情况下，“非常遥远”对应红移值大约为1的情况（当宇宙还只有其目前的一半大小的时候），不过，创纪录的星系的红移值是惊人的10。

进行了这些观测之后，研究人员发现，SN iA超新星红移值很高的时候，其亮度比按照广义相对论计算出的它们“应该”有的亮度略暗。对此，其中的一种解释是，这些超新星所处的星系实际上都比根据广义相对论计算出的距离更远一点。但是，要想让观测结果与计算结果相符，只需对广义相对论作一简单的调整。新增很小的一个宇宙常数，将使宇宙膨胀得快一点，这样就使这些星系在宇宙大爆炸之后运行到离我们更远一些的地方了。换言之，宇宙的膨胀正在加速。

宇宙膨胀加速这一发现成了1998年的头条新闻（《科学》杂志称赞它是“年度突破”），许多报道（甚至包括科学期刊）都暗示宇宙学撞了南墙，并说宇宙学家对此倍感困惑。许多宇宙学家只是把这当作新闻来看，他们一直都在试图找到为何宇宙的70%都不见踪影的解释，对他们来说，重新启用宇宙常数只不过是解决难题的最简单的办法。毕竟，从爱因斯坦时代起，宇宙常数的概念就被提出了，并且所有著名的宇宙学教科书都探讨过它。问题是，如同物理学的任何领域一样，λ场包含能量，能量可以转换为质量，而恰当的宇宙常数正是使宇宙保持平坦所需要的。可是了不起的是，为了解释超新星观测中所发现的高红移，我们需要一个同样的宇宙常数的值。至少对我来说，这件事真正令人惊讶的地方在于，竟然有这么多的天文学家对自己学科的历史竟然如此无知（即使是最晚近的历史！）。在相当长的一段时间内（近5年的时间，当然了，与宇宙的年龄相比这不算长），大家竟然都没有意识到问题的所有方面是多么的巧合，即使这确实要求我们对宇宙的本质和最终命运进行重新思考。

当然，我对此是有一点苛刻。尽管两个相当独立的研究发现了同样的效果，在其他可能的解释得到验证以及独立的支持性证据出现之前，天文学家对高红移超新星的结果持怀疑态度是正确的。举例来说，遥远的超新星之所以看起来昏暗，可能是因为受到了灰尘的遮挡，或者是由于在宇宙还年轻的时候超新星爆炸发出的亮度没那么大（这里要记住高红移对应更久远的过去）。现在这些可能性都已被排除在外，这主要是由于超新星的研究引起了科学家浓厚的兴趣。宇宙中70%的物质实际上以所谓的“暗能量”的形式存在，它还导致了宇宙的膨胀在加速，关于这两点的证据还包括了大尺度中星系运动方式的研究，利用卫星研究我们已经讨论过的微波背景辐射，^[43]此外还有一种技术也妙不可言，该技术观测微波辐射穿过由于星系团的存在而产生的太空中的凹痕，就像光通过一个玻璃透镜发出一样。将这种辐射波长上的微小变化与不经过凹陷到达我们这里的背景辐射进行对比，我们发现，即便是在星系团中，这些凹陷也要比没有轻微的反引力作用的情况下的要浅。此外还有一个对红移为1.76的iA类超新星的观测结果符合对宇宙膨胀加速的预测，但不符合其他的解释，如灰尘的影响等。这一观测（希望这是许多个即将被观测到的这种红移里的第一个）恰好符合这种观点：宇宙的膨胀在宇宙大爆炸之后40亿到50亿年内减缓了，然后又开始加快。^[44]表明使宇宙变得平坦的原因实际上主要是暗能量，这样的证据已经不容置疑。这就要求我们回答什么是暗能量。

最简单和最自然的猜测是，它确实是爱因斯坦提出的宇宙常数——但迄今为止，这只是一个有思想的人所做的猜测。λ场如果确实存在，它最重要的特点就是它确实是不变的，而且从宇宙大爆炸以来就具有同样的力。换言之，因为宇宙常数是空间本身的一个属性，虽然宇宙在膨胀，但在每立方厘米的空间中这样的暗能量的值保持不变，而物质密度（不论是“明”物质还是暗物质）则随宇宙膨胀而下降。在大爆炸的火球中，当物质密度相当于现在原子核的密度时，宇宙常数对宇宙膨胀的影响微不足道。在数十亿年的时间里，占主导地位的影响是物质的引力，它所起的作用是减缓宇宙的膨胀速度。但是，随着时间的推移，这种效应逐渐变弱，但是伴随λ场的宇宙斥力却保持不变。如今，物质的密度已经稀薄到只有λ场密度的一半了，λ场刚刚开始（几十亿年前）变成膨胀过程的占主导地位的因素，超过了物质引力的影响，加速宇宙的膨胀。这是一个非常有趣的，而且有可能意义重大的事件（我们稍后会回到这个问题上），我们恰好处于宇宙整个生命的唯一时刻，可以注意到一些现象，表明物质和暗能量处于大致平衡状态。

现在要想使宇宙平坦所需要的密度，平均到整个宇宙，大约是10^-29克每立方厘米。这相当于如果原子都分散均匀的话，在每立方米的空间中有5个氢原子。但是物质（包括明的和暗的）是集结成团块状的，密度比这要大得多，因此留下了密度很低的空白区域。然而λ场与此相反，它是均匀散布在宇宙中的，所以每立方厘米包含的能量略低于10^-29克，包括那些“空”的空间中也一样。暗能量是如此之小，几乎不可能在实验室中侦测到，而且完全无法用作人类文明的一个潜在的能源来源——整个地球包含的暗能量也只够提供某个美国公民在2005年的年平均电力消耗。在整个太阳系这么巨大的范围内，所有的暗能量加起来，也只相当于太阳本身在短短3个小时内辐射出的能量。但是，由于这种暗能量填满了宇宙的每立方厘米，它现在在大尺度上主导了宇宙的行为。^[45]

除了宇宙常数的概念之外，还有一种概念受到一些天文学家和粒子物理学家的关注。这有可能是某种形式的暗能量，但却不是常数。所有这些暗能量的候选者都被称为“第五元素”（quintessence），因为它所涉及的场将是物理学所发现的第五种场力，其他四种是重力、电磁，以及强和弱核力。^[46]第五元素最重要的特点是，它一直都和物质保持了大致相同的密度，并随宇宙的膨胀，与物质的密度同样逐步减小，所以，它在宇宙大爆炸时的作用和现在一样重要（相对于物质），而且，我们所生活的时代，物质和暗能量有大致相同的密度，这并不是一个巧合。可是，为什么物质和暗能量会有大致相同的密度呢？

对粒子物理学家来说，想出一种新的场并找到数学方程来描述它们，并没有什么困难。只是当他们尝试将假想与现实进行匹配的时候困难才会出现。写下一套方程，描述一个“新”的量子场，让它充满整个宇宙，并起到一种压缩弹簧的作用，将宇宙向外推，这没什么难的。还有一个更狡猾的观点试图解释为什么我们生活的时代正好是宇宙膨胀开始加快的时候，这种观点称为“跟踪”场。当宇宙还被辐射主宰时，跟踪场会跟踪辐射的行为，该场本身的能量密度和辐射的能量密度的下降率相同。但是，当宇宙成为被物质主导之后，正如我们所描述的那样，跟踪场开始转而跟踪物质密度的不断变化。在此图景中，行星和恒星的形成是因为物质成为宇宙的主导而引发的，而且假如属性选择合适的话，在物质主导之后，跟踪场的反引力方面开始变得重要起来。因此，生活在行星上的人类毫不奇怪地生活在宇宙加速扩张的早期。

但这里关键的说法是“属性选择合适”。跟踪场以及第五元素的其他理论的自由度太高，要想挑选合适的属性并不容易。以物理学家的行话说，就是有太多的自由参数，你可以使它适合任何情况。因此整个事情错综复杂、人为斧凿痕迹浓厚，而且难以让人信服。M理论专家提出的建议也会遇到类似的难题，虽然这一理论的其他方面还都很吸引人。他们所提出的模型中，不是反引力在加速宇宙的膨胀，而是引力本身（以引力子的形式）随着时间的推移，有越来越多的引力子泄漏到我们的“膜”之外，使我们的宇宙对遥远星系的引力渐渐减弱。相比之下，宇宙常数是爱因斯坦的广义相对论中一种简单而且自然（有人会说也是不可避免的）的一部分。在广义相对论方程中，唯一的自由参数是λ场的能量密度，选择正确就能与观察到的宇宙膨胀加速和时空的平坦相匹配。关键的难题是，为什么λ场的能量密度这么小？

根据量子场论，要想解释为什么“空”的空间会包含能量并不是什么问题。难处在于如何解释它为什么不包含更多的能量。这种能量称作“真空能量”，在大统一理论和超对称性的背景下会自然产生。这些理论从未说过真空的能量必须为零，只是说它的能量必须是相同的，不管在什么地方。我们可以用高山湖泊来打一个比方。这就好像是说，理论指出湖面必须是平坦的，但是它并不一定与海平面持平，也不是必须处在任何特定的海拔高度。现在的问题是，“自然”的能量尺度对于解释平坦宇宙所需要的能量密度来讲过大了。例如，与量子引力伴随的这种真空能量，其能量密度为10¹⁰⁸电子伏特单位。电子伏特是粒子物理学家常用的一个单位。正是这种真空能量推动了宇宙膨胀，直到今天依然在起作用，只不过强度大大降低了。一些宇宙学家认为现在的宇宙的确是在经历一种较弱形式的膨胀——这种看法听起来让人觉得很聪明，甚至有可能也是实情，但实际上对我们的理解却并没有任何助益。如果说它有任何贡献的话，就是它更加强调了现在宇宙的膨胀非常微弱这一令人迷惑的难题。即使是在与大统一理论相匹配的能量级上，其能量密度也只是10⁹⁶电子伏特，而最小的“自然”真空能量，按照已经被接受的超对称性理论，将只有10⁴⁴电子伏特。在这些单位中，真空的实际能量密度是10^-12——换言之，即使是最小的“自然”真空能量密度也比观测到的真空能量密度大10⁵⁶倍。

抛开任何其他的考虑，即使真空能量与超对称性推论出的一样大，其产生的反引力作用也将撕裂物质的宇宙，而不会有任何像星系、恒星和行星等例外现象出现的可能。因此，直到SNiA观测结果出现之前，大多数粒子物理学家都假设存在某种宇宙的能量抑制机制，迫使所有的真空能量都下降到了零，而不留有一丁点儿残余。暗能量密度不是零，但确实非常小，这一事实确实成了让理论家头疼的难题。但是，对于这一问题，还有一个耐人寻味的研究线路，也有可能结出硕果。实际的真空能量大小差不多正合适，符合任何尚未观测到的对称性破缺，其能量相当于千分之几eV——正好是现在已知的中微子的能量。不过，这是迄今为止有可能解决这一问题的一个暗示，但也许机缘巧合，恰恰引导着我们走向了宇宙的深层真相（Deep Truth）。

在未来20年左右的时间里，通过新一代的卫星观测数千颗遥远的超新星，并通过欧洲核子研究中心与布尔拜等地的地面实验，许多这类问题应该得到解决。这种所谓的“新标准宇宙学”，可以概括为五点：

·我们现在生活其中的宇宙来源自早期的一段急速膨胀的时期（暴涨），然后其膨胀速度减慢了下来。

·今天的宇宙是平坦的，膨胀在加速。

·现在宇宙中的不规则现象（星系、恒星和所有其他天体，包括我们人类自己）都是因为暴涨期间的量子涨落造成的。

·宇宙是由大约70%的暗能量和30%的物质构成的。

·宇宙中的物质，非重子暗物质比重子物质多大约7倍，只有10%的重子物质（占总宇宙总质能的0.4%）以明亮的恒星的形式存在。总体而言，中微子和明亮的恒星贡献的质量一样多。

因此，我们可以回答本章标题提出的问题了。现在，使宇宙结合为一体的主要是暗能量；但是似乎矛盾的一点是，如果宇宙加速膨胀下去，最终也将是暗能量将宇宙炸碎。但是，我们在这一切之中处于什么位置呢？智能生命出现在宇宙加速膨胀时代的早期，难道只是一个巧合？抑或，这一事实告诉了我们一个关于宇宙性质的深层真理？

我们的确生活在宇宙生命中一个特殊的时刻。以对宇宙膨胀加速的最简单的解释宇宙常数而言（“奥卡姆剃刀原理”也鼓励我们这样做），100亿年前红移为2，暗能量对宇宙密度的贡献只有10%。但是在100亿年后，暗能量将占到宇宙总密度的96%。在更早和更晚些时候，其间的差异更大——例如，在重组（recombination）时期，物质的密度是暗能量密度的10亿倍。现在暗能量与物质对宇宙能量密度的贡献大致相同（差异只有1到2个小数点），这真的是怪事一桩。但至少这对于观测者来说有帮助。由物质主宰的减速膨胀宇宙变成由暗能量主宰的加速膨胀宇宙，红移从0.1变成了1.7，这便于我们用下一代的卫星探测器对这种变化进行观测。

与此同时，理论家对于暗能量和物质对平坦宇宙产生的差不多的贡献将继续发出疑问。如果宇宙常数真的是不变的常数，这就等于问为什么暗能量的密度如此之小。由于能量密度非常小，在很长时期内，λ场对宇宙膨胀的早期所产生的效用很小，即使宇宙正在不断扩大，恒星、星系和星系团还是形成了引力坍缩。我们将在下面的章节中看到，最初的恒星走过其生命周期，并为星系播撒出形成行星和生命的必要的原料，是需要时间的。然后，又过了更长的时间，智能生命出现在了其中至少一颗行星上。这一切发生的时候，宇宙的物质密度已经低于暗能量密度，而宇宙的加速膨胀也才刚刚开始能够被人注意到。但是，在宇宙不太遥远的未来，宇宙膨胀失控有可能让生命无法存活，而且无论怎么说，宇宙中都将变得一无所有，什么也看不到了。人类是一种有趣而复杂的实体，而且我们也生活在宇宙最有趣最复杂的时期之中，因为只有在这段时期之中，像我们这样的生物才可能存在。

但是，所有这一切只适用于非常小的暗能量密度。暗能量密度值超出这个范围，对于任何其他值，像我们这样有趣而复杂的事物就永远无法存在了。如果暗能量密度大，它会超过早期宇宙中物质的引力作用，在失控膨胀的宇宙中将物质变得日益稀薄，使得恒星、行星和人类永远不会形成。另一个极端的可能是λ场的值是负数。如果λ场值为正，对应的是暗能量与反引力；λ场值为负，对应的是暗能量以及某种额外的正引力。除了物质引力之外再加上这样的效应，宇宙会很快坍塌向自身，恒星、行星和人类也无法形成。因此，现在宇宙学家面临宇宙常数的大小这一问题所感到的困惑，和上一代天文学家遇到宇宙是平坦的时候所感到的困惑一样，不明白宇宙为什么能够处于扩张和崩溃之间这种微妙的平衡状态。这一难题的解决到头来却是一个全新的概念，即暴涨理论。我猜想，对宇宙常数问题的解决最终也将是一种全新的东西，它到底是什么，现在任何人可能都还没有想到，而且这种理论会告诉我们关于宇宙性质的某种新的深层真相。不过，在这一伟大的想法产生之前，对如此的“巧合”最好的解释，来自一种被称为“人择宇宙论”的理论。一些科学家认为这是身处绝境中的权宜之计。不过我却比较喜欢它，而且对于宇宙为何是生命如此舒适的家园这一命题，这无疑是最好的解释。

人择原理背后的基本思路是，宇宙比我们可以看到的还要多许多，甚至可能是无限的多。所谓的多，并不是说在明亮的恒星有更多的暗物质，而是说在可观测宇宙之外，还有更多的时空。我们可以将这种“超级宇宙”称为“大宇宙”，以避免混淆。如果时空（大宇宙）是无限的，那么我们的膨胀的宇宙可能只是这一无垠的海洋里的一个泡沫，并且可能有许多的泡沫（甚至无穷多！）型的“宇宙”，每一个都出现了暴涨，但从我们的宇宙永远无法看到或触到它们。正如我们已经了解到的，我们的太阳系并不是唯一的，银河系也不是唯一的，也许现在是时候该认识到我们的宇宙可能也不是唯一的宇宙了。有些版本的暴涨理论暗示，在这种无限的时空海洋中必须存在无穷多个泡沫宇宙。人择理论则说，没有任何的物理定律规定宇宙常数应该具有特定的值，^[47]因此不同的泡沫宇宙中的宇宙常数应该有不同的值。

在有些泡沫（宇宙）中，该常数的值较大，从宇宙形成时扩张就在加速，不会形成恒星、行星或人类。而在其他泡沫宇宙中，宇宙常数是负值，该泡沫在像生命等有趣的事发生之前就会崩溃坍塌。只有在某些具有较小的宇宙常数，而且其他条件也“恰到好处”的泡沫中，生命才会出现。总体而言，将会有多种可能的宇宙，我们则恰好生活在一个允许人类存在的宇宙中。

虽然人择宇宙论受到了暴涨理论以及发现的宇宙常数非常小这两者的推动，但是实际上这一理论有着悠久的历史。现代版的人择宇宙论是由英国的研究员布兰登·卡特（Brandon Carter）在20世纪70年代初提出的，虽然在此之前，伟大的物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）在20世纪50年代曾使用过某种具体的人择论点产生了一个重要发现（我们将在下一章讨论此问题）。卡特在1973年波兰的一次会议上指出，“我们所能期望观测的内容，必须受到某种限制，限制条件就是人类必须存在并作为观察者”，到目前为止，这仍然是对人择原理最好、最简洁的阐述。但是，即使早在1903年，在他的《人在宇宙的地位》（Man’s Place in the Universe）一书中，阿尔弗雷德·罗素·华莱士（Alfred Russel Wallace，他最知名的一点是独立发现了“达尔文的”自然选择进化论）写道：

我们知道自己周围存在着一个巨大而复杂的宇宙……这可能是为了产生一个适于生命演化的世界绝对必需的。

但是，要想进行人择观点的推理，我们无须遍览整个宇宙。例如，在我们的太阳系中，可能纯粹是由于机缘巧合，而非出于任何人择的意义，在靠近太阳周围的轨道上有4个岩石构成的行星（水星、金星、地球和火星），而不是3颗或5颗。没有任何根本性的原因规定地球上天文学家的产生和进化只能在有另外3个岩石行星存在的情况下进行。但是，为何天文学家在地球上演化产生了，而不是在其他3个岩石行星上，却是有根本性的原因。在我们所处的太阳系中，已经出现了某种人的“选择效应”。在这3个邻近的行星中——金星、地球和火星——只有地球适合像我们现在这样的生命形式存在。像我们这样的生命形式只能生存在地球上，所以当我们环顾四周会毫不奇怪地发现，地球恰好是我们生活的星球。假设在某种意义上，宇宙有自己的选择，可以具有不同的物理性质，那么与此完全相同的逻辑会说，只有在像我们这样的适宜生命存在的宇宙中，像我们这样的生命形式才会出现，观察周围发生的一切，并测量像宇宙常数之类的事物——这不仅仅是反复的唠叨，其他行星的例子就可以证明。既然我们都活着，因此这一论点还可以继续下去，我们会毫不奇怪地发现，我们生活在一个有利于生命的宇宙中，这一点并不比发现鱼类生活在水中更令人惊讶。

不论你是喜欢还是痛恨这个想法，这基本上是一个个人问题。即使是那些喜欢这一论点的人，如果发现存在一些根本的原因，能够解释暗能量的密度为何如此之小，也会感到很高兴。不过，问题的底线的是，我们确实存在，我们生活在一个年龄大约是140亿年的平坦的宇宙中，直到最近，这个宇宙中的暗能量开始超过引力，增大了膨胀的速率。考虑到宇宙的性质，我们是如何到这里来的呢？为了回答这个问题，我们首先必须知道构成我们自身的东西，以及除了氢和氦以外所有产生自大爆炸的重子物质，都来自何处。现在，我们暂时抛开宇宙这个整体，开始关注当宇宙还年轻的时候，我们自己的星系（以及数千亿个像它一样的星系）所发生的事情。