打開(kāi)宇宙之門

本文所闡述的，是一種比較復(fù)雜的膨脹模式。相信讀者在看完之后，會(huì)對(duì)宇宙產(chǎn)生一種全新的、更加深刻的認(rèn)識(shí)。筆者說(shuō)明，由于中微子在本文中唱主角，所以這里首先介紹一下它的身世與特點(diǎn)，以便加深我們對(duì)它的整體印像。

中微子(不算它的反粒子)共有三種形態(tài)：電子中微子、繆子中微子、陶子中微子。它們雖然同屬構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子，但因極難探測(cè)，而且由它們所涉及的難解的宇宙之謎又實(shí)在太多，因此成為物理學(xué)界的“宇宙幽靈”。

但自中微子問(wèn)世的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，中微子到底有沒(méi)有質(zhì)量一直是物理學(xué)界的一樁懸案。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，中微子的質(zhì)量應(yīng)該嚴(yán)格等于零(胡扯，沒(méi)有東西我們研究它做什么)。但某些實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明中微子的質(zhì)量很可能又不是零。因此自中微子這一微粒面世以后，人們一直迫切地想了解中微子的質(zhì)量真相。

20世紀(jì)的最后10年，以日本的小柴昌俊為首的一批科學(xué)家設(shè)計(jì)了“超級(jí)神岡”中微子實(shí)驗(yàn)室，他們?cè)谧M50000噸純水的容器的內(nèi)壁上安裝了13000多個(gè)光電管，這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置從1996年開(kāi)始投入運(yùn)作。到了1998年，也就是珀、施兩個(gè)科研小組發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的同一年，小柴昌俊小組終于也給出了中微子有靜止質(zhì)量和振蕩的確鑿證據(jù)。這一成果在當(dāng)時(shí)的國(guó)際物理界引起了很大轟動(dòng)。

中微子的質(zhì)量找到了，現(xiàn)在我們就可以展開(kāi)對(duì)宇宙膨脹機(jī)制的研討工作。中微子的質(zhì)量非常微小，小到只及電子的百萬(wàn)分之一。但其總量又異常巨大，據(jù)說(shuō)甚至要比全部顯物質(zhì)質(zhì)量的總和還要大。與其他粒子相比，中微子的數(shù)量比它們要多出數(shù)十億倍。這是因?yàn)橛钪婺墚a(chǎn)生中微子的地方極多，比如超新星爆發(fā)、x射線雙星、高速質(zhì)子流、塞弗特星系和類星體等特殊天體，都是產(chǎn)生中微子的超級(jí)大本營(yíng)(超新星爆發(fā)時(shí)，中微子會(huì)卷走其總能量的99％，而僅僅余下的l％，其發(fā)光量也要比太陽(yáng)一生所發(fā)出的光的總和還要多)。除此之外，像遍布宇宙的太陽(yáng)之類的普通恒星，也同樣是中微子的發(fā)源地。雖然普通恒星的產(chǎn)量遠(yuǎn)不及特殊天體大，但由于此類恒星在宇宙中無(wú)可匹敵的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，就必然要成為本文脫穎而出的一群“黑馬”。我想如果通過(guò)大家對(duì)中微子的研究與探索，能從根本上改變?nèi)藗儗?duì)宇宙存在的總體認(rèn)識(shí)，那么這種工作的意義無(wú)論怎樣估價(jià)都不為過(guò)。現(xiàn)在就從太陽(yáng)開(kāi)始：

當(dāng)太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變不停地向外輻射光和熱時(shí)，其核心兩個(gè)氫核碰撞會(huì)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)中微子，四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核時(shí)，會(huì)釋放出兩個(gè)中微子。在整個(gè)太陽(yáng)內(nèi)部的聚變過(guò)程中，每秒所產(chǎn)生的中微子的數(shù)量竟然高達(dá)2×10²⁴個(gè)之巨，然而這個(gè)數(shù)字所反映的只不過(guò)是太陽(yáng)在短短的一秒內(nèi)所產(chǎn)生的中微子量，如果改以日、月、年來(lái)計(jì)算，中微子的數(shù)量又該有多少?

中微子不帶電，其靜止質(zhì)量幾近于零，但核聚變所賦予它的勢(shì)能又非常之強(qiáng)大，以上三大特征使中微子具有其他所有粒子都不具備的極強(qiáng)的穿透力。更令人驚奇的是它具有長(zhǎng)期保持其強(qiáng)度的特殊能力：據(jù)說(shuō)中微子不管跨越多大的歷史時(shí)空，其超強(qiáng)勢(shì)頭一直不減。這當(dāng)然是既難得又極其罕見(jiàn)的特點(diǎn)。但也并不一定如某些物理學(xué)家所預(yù)言和贊美的那樣，說(shuō)中微子甚至能一口氣連續(xù)穿越8千億個(gè)地球而毫發(fā)無(wú)損，這種說(shuō)法肯定是錯(cuò)誤的。而且正是由于這類錯(cuò)誤的濫觴，阻礙了此后許多重大事件的發(fā)現(xiàn)。

中微子的長(zhǎng)處亦源于它極微小的尺度和極怪辟的個(gè)性：若論其小，任何原子對(duì)它來(lái)說(shuō)都無(wú)疑于一座空曠的山谷；若談其怪，它除了對(duì)引力能產(chǎn)生微不足道的一點(diǎn)反應(yīng)之外，和其他任何粒子都老死不相往來(lái)。所以多年來(lái)盡管人們對(duì)它青眼有加，但若認(rèn)真想與其對(duì)話卻是難上加難。不過(guò)世上畢竟沒(méi)有絕對(duì)的事，中微子盡管桀驁不馴，卻終不免有失手露怯之處，專家測(cè)算，平均每一百萬(wàn)個(gè)中微子穿越地球之時(shí)，仍然有一個(gè)會(huì)與地球大氣產(chǎn)生反應(yīng)。如果這一推論正確，那么這百萬(wàn)分之一的中微子，就有可能是我們打開(kāi)宇宙之門的一把特殊的鑰匙。不過(guò)這“唯一”的一把鑰匙也只能給人一點(diǎn)啟示而無(wú)任何實(shí)際用途。因?yàn)榻?jīng)過(guò)計(jì)算，我發(fā)現(xiàn)利用大氣原子來(lái)阻擋中微子的沖擊根本行不通：對(duì)于中微子那極微小的尺度，即便鎢和鉛那樣致密的金屬都形同無(wú)物，空氣中疏松的分子、原子、質(zhì)子、中子和電子如何能攔擋得住中微子的腳步?可是，中微子就真的能夠在龐大的宇宙中橫行無(wú)忌、顧盼自雄了么?

時(shí)至今日，現(xiàn)代天文物理學(xué)確實(shí)是這么認(rèn)為的。他們當(dāng)然不無(wú)道理，因?yàn)闊o(wú)論其尺度和勢(shì)能，中微子的確具有橫行宇宙獨(dú)步天下之能力。

但是他們忘記了其中最重要的一點(diǎn)：即“不管中微子有多么微小，它畢竟不為零，只要其質(zhì)量不為零，就不可能逃脫物理法則即引力對(duì)它的約束”。與恒星中心那勢(shì)力超凡的引力場(chǎng)相比，中微子再?gòu)?qiáng)的勢(shì)能也顯得微不足道，最后只能“下馬”乖乖受縛了事。所以盡管現(xiàn)在尚未曾做過(guò)任何一項(xiàng)哪怕最基本的物理實(shí)驗(yàn)，我仍然有絕對(duì)的把握斷言：一切恒星物理中心的引力場(chǎng)，都是中微子所無(wú)法逾越的天然障礙。因此，在引力尚占主導(dǎo)地位的星球星系，一束中微子不遠(yuǎn)萬(wàn)里地從宇宙深處飛來(lái)，突然在大質(zhì)量恒星中心的引力場(chǎng)中碰壁，而在本恒星與彼出發(fā)點(diǎn)之間產(chǎn)生了一個(gè)力矩，于是，宇宙的膨脹之門便從這里開(kāi)啟。

物理學(xué)家計(jì)算，星際空間平均每立方厘米每秒通過(guò)330個(gè)中微子，其密度僅次于光子。但其單位勢(shì)能卻是普通光子的千百倍。所以當(dāng)每秒千百萬(wàn)億的中微子與恒星的質(zhì)量中心不斷產(chǎn)生斥力矩，其排斥力即推力之大是可以預(yù)見(jiàn)的。

那么導(dǎo)致宇宙膨脹的中微子量又該如何統(tǒng)計(jì)和計(jì)算呢?這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，不妨仍以太陽(yáng)為例，設(shè)：太陽(yáng)每秒約產(chǎn)生2×10²⁴個(gè)中微子；以上的乘積先乘以銀河系恒星的2000億；以上所得的和再乘以總星系的500億；以上的總和再加上特殊天體所貢獻(xiàn)的20％。這些數(shù)字的總和，就應(yīng)是整個(gè)宇宙已知天體每秒所貢獻(xiàn)的全部中微子量。

中微子的總量得到了，下面再來(lái)看看中微子究竟是如何導(dǎo)致宇宙的加速膨脹的：在三維立體四維時(shí)空的宏觀宇宙中，在300億光年那碩大無(wú)比的空間之內(nèi)，到處都分布著星云星系，到處都充斥著勢(shì)力超群的中微子源。現(xiàn)在我們不妨設(shè)想一下：如果銀河系以其2000億顆恒星共同組成一個(gè)統(tǒng)一的斥力維，宇宙其他方位的500億座龐大的星系形成另外500億個(gè)斥力維，當(dāng)這些斥力維在宇宙的各方位、各角度同時(shí)在其核反應(yīng)的過(guò)程中向外噴射超強(qiáng)勢(shì)的中微子流時(shí)，這500多億條每條直徑都寬達(dá)數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)光年的中微子長(zhǎng)河，就會(huì)在整個(gè)宇宙空間中交織出一張碩大無(wú)比的密密麻麻的天網(wǎng)，在這座立體的幾近300億光年的經(jīng)天大網(wǎng)中，眾星系都利用自己手中的中微子的力量排斥對(duì)方，于是星系開(kāi)始分離，宇宙開(kāi)始膨脹。

那么宇宙究竟是何時(shí)開(kāi)始加速膨脹的呢?其實(shí)在星系剛剛分離的那一刻就已經(jīng)開(kāi)始了，不過(guò)初始加速的速率相對(duì)較低而已。其具體機(jī)制是：由于中微子的斥力線極長(zhǎng)，而星系的引力線相對(duì)較短，因此隨著星系距離的逐步加大，星系間的引力線衰減較快，中微子的斥力線則衰減較慢，所以所謂的宇宙加速膨脹，不過(guò)是引力與斥力二者間比例失衡的結(jié)果——引力逐漸微弱，斥力仍然強(qiáng)勁，星系的移動(dòng)速度自然呈遞增態(tài)勢(shì)，于是宇宙加速膨脹的效應(yīng)逐漸開(kāi)始顯現(xiàn)。可是星系間的斥力能夠?qū)е掠钪媾蛎洠阈侵g的斥力為什么就不能讓星系膨脹，最后分崩離析呢?這的確是個(gè)問(wèn)題，不過(guò)此問(wèn)題倒不難解答：第一，星系間的空間大，相互間的引力弱，而中微子的斥力又較少受距離的影響，因此星系之間就比較容易分離；第二，星系內(nèi)的空間小，恒星問(wèn)的引力大，而中微子的斥力又不足以抗衡星系質(zhì)量中心的強(qiáng)大引力，所以星系才得以維持原狀，不至于被斥力所拆散。

話到此處，我覺(jué)得不說(shuō)也會(huì)明白，其實(shí)以上所謂的中微子和它的所有行為，證明它就是人們到處尋找卻一直找尋不到的暗能量。因?yàn)樵诂F(xiàn)今世界上，似乎也只有中微子這種極特殊極乖戾的粒子，才具有暗能量所需要的全部特征：①極大的總量；②極小的單位；③極高的速度；④極強(qiáng)的勢(shì)能；⑤極長(zhǎng)的壽命；⑥極孤僻的個(gè)性。

通過(guò)上面論述可以看出。我們現(xiàn)在所討論的是理論上的純粹的暗能。除此之外，還有一種實(shí)際存在也正在起作用(盡管作用極微)的廣義的暗能：這個(gè)暗能的概念就是除中微子外，整個(gè)大宇宙從伽馬線到射電波的全波段的電磁輻射。因?yàn)樗羞@些發(fā)射性粒子都帶有天然的斥力矩，所以它們甚至包括元所不在的明亮的光子在內(nèi)，都應(yīng)該收在我們的暗能之列。

最后根據(jù)上述事例，我覺(jué)得似應(yīng)設(shè)立一個(gè)屬于我們自己的“宇宙學(xué)常數(shù)”。這個(gè)數(shù)據(jù)不一定準(zhǔn)確，卻能夠比較準(zhǔn)確地體現(xiàn)我們對(duì)質(zhì)能世界的總體認(rèn)識(shí)，不至于過(guò)于偏頗：顯物質(zhì)：20％，暗物質(zhì)：30％，暗能量：50％。

上述比例表明：顯物質(zhì)與暗物質(zhì)相加，恰好等于暗能量的總量；反過(guò)來(lái)暗能量與暗物質(zhì)相加，則等于顯物質(zhì)的四倍。我相信在緩慢膨脹的無(wú)限空間之內(nèi)，相對(duì)平衡的質(zhì)能關(guān)系也許會(huì)更加適合于宇宙存在的真諦。