发现宇宙:科学认知和科幻想象力的双重提升

爱因斯坦的洞察力 宇宙需要被重新发明一次，而爱因斯坦的理论就像灯光一样照亮了其理论的发展道路。他描绘出了一个崭新的引力理论的轮廓，其中宇宙中所有的物质、所有的粒子、所有的能量都影响着宇宙自身的结构：时空在质能的作用下发生弯曲。 ——让·艾森施泰特（Jean Eisenstaedt） 在1931年的美国，爱因斯坦在著名喜剧大师查理·卓别林的陪同下出席了后者主演的无声电影《城市之光》（City Lights）的首映。来自截然不同的两个领域的名人都受到了观众的热烈欢迎，据说卓别林当时对爱因斯坦说了这样一句有名的话：“他们为我欢呼是因为我的电影他们都能看懂，为你欢呼则是因为你的理论没人能看懂。” 爱因斯坦的广义相对论已经成了艰涩难懂的代名词和人类智力的终极挑战。爱因斯坦想要创造的符合哥白尼原理的新运动定律和引力定律需要极为复杂的数学语言，甚至他自己——开始都曾被难倒。爱因斯坦坦言自己的数学水平没有达到自己的需求，他出众的才华主要来自物理上的理解力，而非数学技巧。不过，如果他的数学水平不能胜任，他总能找到能胜任的人：他曾经的学生和朋友马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann）就是位才华出众的数学家，熟悉现代数学各种*抽象的分支。格罗斯曼也非常认可爱因斯坦敏锐的物理直觉，他认为爱因斯坦能够看穿大自然*深处的奥秘，并在各个方面都对他帮助良多。1912年，爱因斯坦拒绝了很多更知名大学提供的职位，选择在苏黎世任教，之所以做出这样的选择，就是为了能和在这里任纯数学教授的格罗斯曼继续密切合作。 格罗斯曼为爱因斯坦引入了新的数学语言，以表达他对引力如何影响宇宙形状的观点。他告诉爱因斯坦，要想写出对所有人都“一视同仁”的、“民主”的自然定律，可以使用一种深奥难懂的纯数学分支—张量运算（tensor calculus），它可以保证爱因斯坦想要的普适性。格罗斯曼也为爱因斯坦介绍了非欧几何的*新进展—早几年前史瓦西开始探讨的关于弯曲表面的几何学，但为什么爱因斯坦需要了解这些奇形怪状的几何学呢？ 牛顿力学中的空间就像一个固定着的大舞台，行星、彗星等天体就在这个舞台上运动。天体可以来来去去，但空间本身是固定的，不管内部的物质如何运动，空间本身不会变化，也不能变化。然而，爱因斯坦的空间比这要灵活得多，它会因受到物质和运动的作用而弯曲变形，就像一片橡胶皮一样。在质量极大的地方，空间会发生强烈的弯曲，而在离大质量物体越远的地方，空间就会相应地变得平直。当一个物体从一点运动到另一点时，它会在弯曲的空间中选择*短的路径——也就是*“直”的线。在大质量物体周围，空间会形成一个“坑”，如果另一个物体经过附近，*短路径就会倾向于让它掉进“坑”内。在物体经过以后，空间本身也会因为物体的影响而变形，物体刚刚走过的轨迹也随之改变。这样，爱因斯坦就把引力的作用简单地归结为空间的弯曲，也就是说，“力”这个概念已经完全没有必要存在了，只有弯曲的空间。 看到这里你或许会问，这不就是把牛顿的“力”的概念换了种说法吗？但爱因斯坦的理论还不止这些。在牛顿的固定空间中，如果你让一个球从时空的“舞台”上滚过去，它不会影响到在舞台前面看着这一切的你，但在爱因斯坦的宇宙中就完全不一样了：如果空间就像一块橡胶皮一样可以变形，那从上面滚过去的球也会让它弯曲变形，如果此时你站在离球有一定距离的地方，你也会被拽向同样的方向——这就是爱因斯坦与牛顿空间观的真正区别。 为了把这样的想法变成一个新的引力理论，爱因斯坦需要找到新的引力方程，以告诉我们空间的形状和时间的流逝具体是如何随着运动或静止的质量和能量改变的，在此情况下又如何保证能量守恒。美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）曾经把爱因斯坦的广义相对论浓缩成简明扼要的两句话：“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。” 爱因斯坦利用格罗斯曼教他的张量运算，把他的方程以数学形式表达了出来。这些方程能够保证对所有运动状态下的观察者都同样成立——无论观察者的运动状态如何，是旋转、加速、上蹿下跳还是螺旋前进。无论观察者的实验室怎么运动，他们推导出来的引力定律都是完全一样的。 爱因斯坦的方程可谓优美：它本身是一个用来规定曲面的几何形状如何变化的纯数学定理，却神奇地与满足能量、动量守恒的物理学定律相等价。而更神奇的是，当你考虑物体质量较小、运动速度也较慢（相对光速而言）的情况时，爱因斯坦的方程就与牛顿引力定律完全吻合了。 *畅销的宇宙 理智的人以不受重要的事情影响，并对不重要的事情感兴趣为荣。他认为这是一种生活观，也可以让事物“保持平衡”…… ——西莉亚·格林（Celia Green） 1996年夏天，一场大型宇宙学会议在位于美国新泽西州的 普林斯顿大学召开，这也是普林斯顿大学建校250周年的庆典活动之一。当时天气闷热潮湿得可怕，还有雷暴雨，参会者们住的老旧学生宿舍，空调几乎没什么制冷效果，到礼堂听报告的时候才让人好受些。这场大会的一项新奇之处在于，它不仅仅安排了常规的学术报告，还安排了两位演讲者甚至三位演讲者同台演讲，就像政治候选人一样，劝说你接受某一个宇宙模型，而非对手的。在报告中“推销”完自己的理论之后，演讲者会进入一个关键的互相辩论环节，观众也能加入。 总的来说，当时的宇宙学家对暴胀宇宙的想法还是比较满意的，他们并没有过多地考虑混沌宇宙与永恒暴胀宇宙，而多元宇宙甚至都没有进入他们的词汇表，虽然多元宇宙的概念经由人择理论的讨论已经为大家熟悉。这场会议更多地围绕一些细节问题，包括宇宙膨胀速率、宇宙年龄及星系形成是否及时的详细观测，还有宇宙物质与能量非均匀的分布模式是否与早期宇宙暴胀理论中的不规则处源头所符合。 而每位做报告的宇宙学家要做的，就是说服大家认为他们自己关于宇宙物质和膨胀类型的理论能*好地符合所有的观测结果。跑在*前面的是迈克尔·特纳（Michael Turner）的模型，该模型认为，宇宙膨胀速率接近临界速率—正如暴胀理论所预言的，但他的宇宙拥有一个小小的正的宇宙学常数，也就是那个爱因斯坦发明了然后又抛弃的东西，正是这个正的宇宙学常数产生了排斥的引力效应，让宇宙加速膨胀至今。特纳指出，他的理论比其他理论更成功并不是意外，因为它的绝大部分与和它竞争的其他理论都一样，只是多加了一点点东西（宇宙学常数），而正是这个宇宙学常数让这一模型与观测结果符合得更好。 这个“获胜”的模型被称为“Λ—CDM”模型，Λ念作拉姆达，表示的是宇宙学常数，CDM是“cold dark matter”（冷暗物质）的缩写。冷暗物质是所有宇宙模型中都必须包含的一种物质，因为宇宙中所有发光的物质总数所产生的引力只有星系与星系团引力强度的十分之一，因此，为了解释这个矛盾，宇宙就得存在很多不发光的暗物质，它们必须以一种特殊的方式存在，只参与引力相互作用或是弱相互作用，否则它们就会抑制氘核的生成，那么宇宙诞生三分钟时氘核的数量就与我们的观测结果不符了。这意味着，暗物质*有可能是一种中微子，或者一种类似中微子的新类型粒子，可以感知到弱相互作用。而已知的中微子数量不满足这个要求，它们太轻了，而且1985年有物理学家首次用大型计算机模拟宇宙膨胀时发现，中微子聚集成团的模式与实际情况并不符合。 为了满足所有这些要求，这种类似中微子的粒子必须比质子还重得多，因此移动速度也会相应很慢，所以又加了“冷”这个词来修饰—因为温度也就是气体中分子运动的平均速度。在计算机模拟中，它们缓慢的速度产生了一种独特的小尺度星系，与观测结果符合得很好。Λ—CDM模型也就是在冷暗物质的基础上再加上了一个额外的宇宙学常数Λ，它在所有方面都领先于其他理论，但没有人为它的成功感到激动，甚至该理论的提出者也一样：因为这个理论实在太人为、太不自然了，而且说老实话，太丑陋了。 这一*符合观测事实的宇宙很像勒梅特在60年前提出的宇宙模型。同此前的爱因斯坦一样，当时的宇宙学家已经对宇宙学常数失去了兴趣。为了在Λ—CDM宇宙中起到应有的作用，它需要取一个小到令人难以置信的值（10—120），这个值是如此之小，以至于很多物理学家相信它真正的值其实是0，只是让它等于0的深层物理学原理还没有被发现，或许到将来的某一天我们就会发现这样一条新的对称性原理，而在那之前我们只能忽视它，这是粒子物理学家中很常见的观点。不过，天文学家总是有点怀疑他们的数据出了问题。宇宙学常数Λ所赖以依托存在的东西很可能*终会消失，或是比我们预想的更不确定。哪怕是认真对待Λ—CDM 模型的人也对此相当谨慎，因为支持它的证据并不直接。我们如今并不能直接观测到宇宙膨胀的加速度，而只能在对宇宙过去行为的观测中捕获宇宙加速膨胀对其的影响。