编译/馨雅
有许多领域的研究人员,如果能直接看到从前,他们愿意拿自己的犬齿交换。然而通常,他们只有时间的遗迹,像历经风霜的化石、脆化的羊皮纸和木乃伊,通过这些,拼凑出往日的片段。宇宙学——研究宇宙的起源和进化——就不同了。在该领域,我们能确切地观察到从前。
我们肉眼看到闪闪星星,都是穿越数年或数千年的光子,才来到我们面前的。更远物体发出的光,可以用高倍望远镜观测到,这些光走过的旅途更加遥远,有些都好几亿年了。当我们看着从前的光,实际上,我们正看着从前。
过去十年,通过观察从前的光,让人们深入了解了宇宙的过去,令人惊奇的是,也让人对未来有了深刻的洞察力。关于未来,资料显示非常让人不安——因为被称为黑暗能量的事物。
这项发现开始于一个世纪前,阿尔伯特.爱因斯坦意识到空间并非永恒不变的舞台,这观点和艾萨克.牛顿不同。爱因斯坦用广义相对论推导出,空间和时间可以篡改、扭曲、弯曲,就像小孩子跳蹦床。事实上,根据数学计算,空间的可塑性极强,宇宙的大小一直在改变:空间的纤维必须扩张或收缩——不能停滞。
爱因斯坦无法接受这个结论。他花了十年,辛辛苦苦发展广义相对论,希望能找出对地心引力更好的理解。对他来说,会扩张或收缩的宇宙观念,简直就是唧唧歪歪的错误。普遍的智慧认为,在最大的范围内,宇宙是固定不变的,现在出现的观点简直就是一记耳光。
爱因斯坦快速调整。他修正了广义相对论的公式,那么在数学上就会出现一个不变的宇宙。静止的状态,就像战争时的僵局,需要互相抵消、来自相反方向的相等力量。对广袤的空间而言,形成宇宙的力量就是地心引力。那么,爱因斯坦推测,需要提供反方向的平衡力量。但这该是什么力量?
非常触目的是,他发现简化的广义相对论公式会出现——让牛顿目瞪口呆的——反地心引力,这种力量不是引力而是推力。平常所见,地球或太阳,只能产生引力,但数学发现更加奇特的力量——像充满桑拿室的蒸汽一样,空间也充满了看不见的能量——会产生抵消引力的作用。爱因斯坦给这充斥空间的该能量取名:宇宙常数。他发现只要好好调整该常数,星辰星系产生的引力,都能被该数值测算出的反引力精确抵消——宇宙还是静止的。他长舒一口气。
但是,12年后,爱因斯坦后悔引入了宇宙常数的概念。1929年,美国天文学家埃德温.哈伯发现一些遥远的星系离我们远去。对于宇宙大逃亡现像最好的解释,就是广义相对论:就像烤松饼里的罂粟子,当烘焙的时候,烤饼变大了,罂粟子分得更开了。当所在的空间膨胀了,星系也分得更开了。哈伯的发现让宇宙常数没必要存在了。宇宙不是静止的。
如果爱因斯坦只相信广义相对论的计算结果,他还有可能做出史上最伟大的预言——宇宙一直在膨胀——发现该情况将提早10年。然而,他只能暗自神伤,立刻从广义相对论的公式里剔除宇宙常数。而且,据他最信任的同事之一说,爱因斯坦认为这是他的最大错误。
但宇宙常数的问题并未就此了结。
到了20世纪90年代,我们发现:有两组天文学家费尽心思,对遥远的超新星进行观测(爆炸的星星,超越宇宙也能看见它们的光芒),来确定宇宙史上的空间扩张程度。研究人员希望茫茫黑暗里的闪闪星星由于万有引力,爆炸会减速。就像地球引力会让高抛的球减速。通过观察遥远的超新星,追踪宇宙信号——告诉研究人员历史上不同时期的爆炸幅度,让人们能够进行定量分析。但是令人吃惊,当研究人员分析数据后,爆炸没有减缓。爆炸加速了。
加入你高抛球,球上升得越来越快。你可以确定是别的东西拉走了球。相同的,天文学家确定空间必定存在某种事物,该事物越来越快地扯开星系。仔细研究后,他们发现该事物很像抵消引力的宇宙常数。
当爱因斯坦引入宇宙常数时,他认为其价值在于:很好地平衡了正常引力。但实际上,宇宙常数还另有作用:产生抵消引力的反引力,以及产生被观测到的、加速的空间扩张。如果爱因斯坦还活着,他将发现大自然存在的反引力,这会为他赢得另一个诺贝尔奖。
爱因斯坦的一个“馊”主意都能预言,真的很伟大,但还有许多围绕宇宙常数的谜团:是否存在一个空间,它产生弥漫四周、不可见能量,它从哪里来?该黑暗能量(用时髦的说法)在空间永恒不变,还是时刻改变?可能这一切最让人困惑的是一个具体数字。最精细计算黑暗能量的方式,也短缺了10的123次方(即10后面跟了123个零)这样夸张的能量——这是科学史上、理论和实测脱节最厉害的数字。
这些可列当代最大的神秘问题。但不管怎样,有一点已有定论,让人非常不安的一点。假如黑暗能量一直不减弱,空间膨胀将一直加速,那么会让遥远的星系变得更加遥远。再过1000亿年,膨胀的空间将会把我们周围的星系全部扯开,那些星系离我们远去的速度将越来越快,快过了光速。(尽管没有物体的空间移动速度能快过光速,但空间自身膨胀的速度却没有极限。)
星系的距离日益遥远,它们产生的光芒将消失莽莽宇宙中。光将永远不能到达地球,不管我们的天文望远镜的功能如何强大,那些星系永远在我们眼中消失了。
因为这点,未来的天文学家观察天空时,它们再也不能看见过去了。过去已经消失在空间的悬崖处。除了如墨般静止的停滞,观察将一无所获。
如果遥远未来的天文学家们得到我们这个时代流传下去的资料,说有一个膨胀宇宙,里面充斥着星系,他们将面对古怪的选择:是否应该相信原始的知识,这知识同人类亿万年的观察结果,简直就是扳杠?或者他们应该集中精力,自己观察,勇敢地——为漂泊在亘古不变、黑暗海洋里的星系中一个孤独的星球——寻找答案,一个我们确定错误的概念?
假如未来的天文学家没有这些资料,或者由于对那时候的科学尖子们来说,夜晚的星空已经完全黑暗了?对他们来说,包含星系的宇宙膨胀论将会一个纯理论构想,缺乏实证证据。
我们已经熟稔以下观念:只要足够努力和专心,在明白真理和理解事物的道路上,不存在障碍。当仰望星空,我们抓住了几缕带来消息的星光,是亿万年前的宇宙电码。而这消息,回荡在时光里,非常清晰。有时候,大自然用牢不可破的物理定律,来守卫自己的秘密。而有时候,大自然的真相在地平线处招手。
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原文作者:布莱恩·格林(Brian Greene),美国哥伦比亚大学物理学和数学教授,著有《潜藏的秘密:平行宇宙,以及宇宙中深奥的规则》(The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos)。
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