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愛因斯坦放出的精靈

通常,我們將通過天文學的常規手段觀測到的物質稱為發光物質,或者重子物質。這些物質當然不一定要發光,例如低溫氣體,發出的也許只是微波;也不一定是重子(質子和中子),例如電子,但我們通常這麼稱呼參與電和磁過程的物質。

宇宙中的發光物質居然只佔5%不到,這在十年前是不可想像的。其餘的是什麼?如果我們不求甚解,一句話可以概括,就是暗組分,不參與電磁作用,至少不直接參與電磁作用,所以用地球上目前已有的技術,我們根本「看不到」它們。如果我們想瞭解得稍稍多些,這些暗組分分成兩個截然不同的部分,一種叫暗物質,一種叫暗能量。

愛因斯坦相對論告訴我們,物質就是能量,能量就是物質,為什麼這裡我們要將暗物質和暗能量分開?原因是雖然暗物質也是能量,暗能量也是能量,它們的物理特徵卻完全不一樣。暗物質在天文學中的表現行為很像普通的物質,例如它們通過萬有引力互相吸引,也與普通物質之間有萬有引力,更加「人性化」。可以這麼說,有物質的地方就有暗物質。當然,由於暗物質本身比物質還要多(在宇宙中,暗物質大約是物質的5倍),有暗物質的地方不見得就有物質,但暗物質和物質處在一個「團隊」中,如銀河系,如比銀河系更大的本星系團。

暗能量則不同,它們不特別親和物質和暗物質,在宇宙間均勻地分佈著,哪裡有空間,哪裡就有暗能量。並且,暗能量之間不存在引力,卻存在斥力,這種斥力愛因斯坦早在20世紀30年代就提出來了,後來與當時的天文觀測不符,愛因斯坦放棄了這個建議。暗能量之間的斥力可能導致宇宙膨脹的速度不斷地加快。20世紀的最後三年,宇宙學家正是通過發現宇宙在做加速膨脹推斷宇宙間充滿了暗能量,而且暗能量多於暗物質和物質的總和。這樣,愛因斯坦不小心放出的精靈再不能被收進神燈了。

我曾經將宇宙的各階級比喻成和諧社會的各階級。暗物質比暗能量要少,比物質要多,只能是中產了,物質最少,可以比喻成佔少數的富人階層。比較有意思的是,宇宙學家們也將有暗能量和暗物質的宇宙模型稱為和諧宇宙模型,或者一致性宇宙模型。這裡的和諧的意思不是說宇宙中的各種成分和諧地相處,而是這個宇宙模型和所有的天文觀測一致,不再有明顯的矛盾。

天文學家們的數據在這個暗宇宙模型中看起來是和諧了,研究宇宙的理論家卻前所未有地不一致、不和諧起來。我喜歡說有多少宇宙學家就有多少暗能量理論,事實上,暗能量理論的數目也許大於宇宙學家的數目。所以,在各種宇宙學研討會上,我們經常看到五花八門的理論,經常看到宇宙學家爭論不休。最簡單的理論就是愛因斯坦當年的理論,暗能量是一個常數,是單位體積中的真空的能量,永遠不變。然而,這種最簡單的可能是理論家們最難解釋的,為什麼真空能存在?為什麼真空能這麼小——相對地球上常見的能量密度?但是,為什麼真空能又很大——相對宇宙中的平均物質密度?

暗能量的理論五花八門到宇宙學家可以不顧一切地拋棄物理學中的一些重要假設。例如,有一種理論認為暗能量的密度會越變越大,最終導致宇宙大撕裂,先是星系團被撕裂,然後是星系被撕裂,然後太陽系被撕裂,最後是原子和基本粒子被撕裂。這種理論雖然違背了一些物理學「常識」,但有些理論家認為實驗方面有一定的證據。我在兩年前也提出了自己的暗能量理論,認為暗能量的大小由宇宙的某種尺度決定,這個理論的基礎是所謂全息原理:宇宙可以用包含宇宙的一個球面來描寫,換句話說,宇宙中進行的一切可以被忠實地投射到它的一個「人為」的邊界上。我的理論有一定的市場,但也有很多反對意見。最近,在蘇州的暗宇宙會議上有些同行討論了這個理論,也有人提出了質疑。討論和質疑都對研究有好處,也許,這次會議的討論會促使我在將來提出其他理論。

決定所有假設的命運的是未來的實驗。目前,理論家們的處境可以通過修改一句詩來概括:「暗宇宙給了我一雙黑色的眼睛,我卻用它尋找光明。」自然,這光明就是暗宇宙背後的那個深刻的物理規律。