在宇宙面前，相對論和量子論打起來了

宇宙產生于一個無限密實的小點，之后逐漸膨脹，宇宙的膨脹會因引力作用逐漸慢下來，這就是大爆炸宇宙論。事實是否如此呢？答案似乎是否定的，因為宇宙中的物質太少，它們的引力無法將逃離的星系重新拉回來，宇宙將一直膨脹下去。

1964年對天文學，尤其是對宇宙學來說，可謂標志性的一年。是年，“宇宙大爆炸”理論終于成為關于宇宙起源的主流學說。接著，美國貝爾實驗室的兩位工程師終于發現了宇宙微波背景輻射，那是理論家一直預言的大爆炸的余燼。第三個大發現，是天體物理學家早就預言的中子星。

半個世紀過去了，宇宙學的進展又如何呢？

繁星閃爍的夜空給人一種深奧莫測的感覺。但對宇宙學家來說，遠遠超過它們的，是兩個神秘的客體，即暗物質和暗能量。我們不知道它們是什么，它們似乎就是一切。

這一對幽靈使我們懷疑，科學界花了半個世紀小心翼翼建立起來的宇宙學模型是否正確。根據我們的標準宇宙學說，在大爆炸后一瞬間，宇宙中介入了一個暗的、未知的客體，學界稱之為暴脹場（它具有斥力，類似暗能量，但遠比后者強烈得多）。這就意味著存在無數宇宙，它們絕大多數跟我們的宇宙大不一樣，隱沒在我們的視線之外。

我們標準宇宙模型的物理基礎是愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦出于一個簡單的觀察，發現所有客體的引力質量正好等于對其加速的反抗力，也即慣性質量。從這里，他推導出一些方程，說明空間如何被質量和運動所彎曲，以及我們如何把時空的彎曲看作引力。蘋果掉到地上，按愛因斯坦的說法，是因地球的質量彎曲了時空。

相對來說，在一個較小的引力環境（諸如地球）中，廣義相對論的效應類似于早先的牛頓理論：他把引力視為在一個瞬間通過兩個個體之間的力。但在強引力場中，二者的結論就十分不同了。

廣義相對論有一個重要的預言，即一個大質量的加速體會在時空中引起微小的波紋———引力波。不過，這種引力波至今還未被人類觀測到。1974年，天文學家觀測到一對相互環繞運行的脈沖星（即中子星，密度很高）互繞速度有所變慢，這跟輻射引力波逐漸喪失能量的理論正好吻合。

在宇宙中，引力是統治者，因此，在模擬整個宇宙的運動和行為中，廣義相對論是我們最佳的工具。然而，因為其方程極為復雜難懂，物理學家通常將其簡化來求解。因為宇宙的物質分布相當均勻，只要將一個數據———宇宙的物質密度———帶入愛因斯坦的方程即可。

最初，愛因斯坦為了求解宇宙學方程，引入了一種不活潑的、分布密度均勻的塵粒。結果是，宇宙在其引力作用下開始收縮。愛因斯坦認為這是一個問題，因為當時科學界的觀點是：宇宙應是恒穩態的。愛因斯坦對其方程略做修改，添加了一個新項，以保證真空空間中的能量密度處于不變，而其引力顯現為排斥，也就是說宇宙是在膨脹。為此，他又引入了一個“宇宙學常數”，以使宇宙既不膨脹也不收縮。1929年，天文學家的觀測表明，宇宙確實在膨脹。愛因斯坦稱“宇宙學常數”為他的最大失誤。

有些旋轉速度極快的星系，其單個天體的慣性質量已經遠超過維系整個星系存在的引力了，可它們還在這個星系里運轉，完全沒有逃脫的跡象。是什么在維系著星系的存在？

此后，人們就應用這一相對論方程，來解釋一個膨脹的宇宙。他們獲得一個宇宙學模型：宇宙產生于一個無限密實的小點，之后逐漸膨脹，宇宙的膨脹會因引力作用逐漸慢下來，這就是大爆炸宇宙論。事實是否如此呢？答案似乎是否定的，因為宇宙中的物質太少，它們的引力無法將逃離的星系重新拉回來，宇宙將一直膨脹下去。

隨著觀察技術的進步，宇宙“幽靈”開始出現。第一個關于暗物質的“噩耗”出現于20世紀30年代，不過那時只有個別天文學家承認它的存在。到了20世紀70年代，天文界觀察到一些奇怪的現象，有些星系的旋轉速度非常快，其相互之間的引力根本不足以把它們“拉住”，因此，科學家推斷，在它們之間可能存在大量的看不見的物質提供著額外的引力，使星系得以維持，而不至于散架。星系群反射到地面的星光出現的彎曲和它們運行的狀態，也反映著暗物質的存在。

總的來說，似乎需要5倍于可見物質的暗物質存在，才能解釋上述現象。但至今人們還是難以摸清暗物質的特性，它似乎超越了粒子物理學的標準模型。雖然科學界付出了巨大的努力，但是我們還未在地球上看到或制造出暗物質。不過，它們只是稍稍改變了宇宙學的標準模型，在相對論中，認為其引力效應跟普通物質是一樣的。這些暗物質引力太小，不足以阻止宇宙的膨脹。

理論上，在宇宙大爆炸發生之后，宇宙空間會因受到其中的物質和運動的影響而彎曲。可事實是，它幾乎是完全扁平的，這意味著可能造成宇宙彎曲的力量被抵消了。是什么力量抵消了這些彎曲？

第二種看不見的東西，需要現有物理理論做出很深刻的改變才能解釋。

20世紀90年代，天文學家比以往任何時候都更精確地跟蹤了宇宙的膨脹。他們測量了超新星Ia的爆炸，結果表明，宇宙在加速膨脹，似乎有一種斥力在起作用，它遍及整個宇宙。

而這可能是愛因斯坦“宇宙學常數”的復活，真空中存在的一種能量可以產生一種斥力。雖然粒子物理學家努力解釋為何真空空間應具有很小的能量密度，但富有想象力的理論家卻提出了多種看法。比如，宇宙中存在迄今未知的粒子，它能產生能量場；還有一種說法是這些能量來自可見宇宙外的力或者別的維度的能量。

宇宙學家試圖在宇宙微波背景輻射中尋求答案，因為它那里有早期宇宙的信息。宇宙微波背景輻射是大爆炸30萬年后第一批原子發射的，構成了一幅昏暗的圖形，揭示出幼年宇宙或密或疏的密度分布。通過一些典型的點，宇宙學家可以繪出其范圍。理論上，宇宙空間會因受到其中物質和運動的影響而彎曲。可事實是，它幾乎是完全扁平的，這意味著造成彎曲的力量被抵消了。是什么力量抵消了這些彎曲？

根據已有的數據，科學家列出了一張宇宙配方：宇宙中普通物質的平均密度為0.43×10-24克/立方米，占宇宙總能量密度的4.5%，暗能量為73%，暗物質為22.5%。

然而，我們必須建立一個精確的模型，以解釋為何不論從哪個方向看，宇宙都顯得十分均勻。今天被廣為接受的宇宙大爆炸理論包含第三個奇怪的因素：在宇宙誕生后的一瞬間（在10-36秒時），出現了一個壓倒性的力量———暴脹場。暴脹場引發了宇宙爆炸性的膨脹，使得宇宙的體積一下子擴大了1025倍。 暗物質似乎產生了星系和其他天體結構，暗能量意味著宇宙將加速離散，在遙遠的未來，它將面臨一個冰冷且孤寂的局面。而這一切，似乎意味著新的物理學的誕生。也許，我們一直生活在一個未知的、被深刻誤解的世界之中。

當暴脹期結束，暴脹場就轉變為物質和輻射。場中的量子波動在密度上變化很小，它們最終成為宇宙微波背景輻射中的點，也即今日的星系。這個推斷跟我們的觀測事實相符，但它也給物理學概念帶來了麻煩。暴脹場一度被視為宇宙的全部內涵，可宇宙的起始點仍含有許多謎，比如暗物質、暗能量，更有甚者，暴脹一旦開始就永不停止，它將創生許多宇宙區域，它們都將脫離我們的宇宙。這一多宇宙論，使得許多宇宙學家更堅決地要求修正標準宇宙學的基本假設。

同時，這個標準模型也面臨著一些觀測的質疑：大爆炸在理論上制造出的鋰7，遠多于它的實際存在；該模型未能解釋微波背景輻射中的某些特征；為何沿著某個視線看過去，星系都偏向于左手自旋。而最近發現的一個超大星系結構，其尺度達40億光年，使得之前的假設———宇宙在大尺度上是平滑的———遇到了挑戰。

也許這些問題會隨著觀測數據的增多自行消失，但有一個問題卻難以解釋。這個問題，就是哈佛大學的宇宙學家R.科什納提出的———暗能量和暗物質究竟是什么？他曾參與20世紀90年代末那次揭示宇宙在加速膨脹的超新星觀測。

暗物質似乎產生了星系和其他天體結構，暗能量意味著宇宙將加速離散。在遙遠的未來，宇宙將面臨一個冰冷且孤寂的局面。而這一切，似乎意味著新的物理學的誕生。也許，我們一直生活在一個未知的、被深刻誤解的世界之中。

自從愛因斯坦的塵粒宇宙模型建立以來，其數學基礎從未變動為基礎建立的，只是填充了更多細節和動態。也許，真到了該修正的時候了。但是，如果我們不能在實驗室里發現暗物質存在的證據，就難以建立關于暗能量的物理基礎。

科什納說，把這些問題視為挑戰，“并不意味著我們的理論有缺陷。它給我們的是一種鼓舞，并非絕望”。在我們有關宇宙的數學模型中，存在著某種基本的差錯，可是我們迄今仍未找出究竟錯在哪里。

或許量子引力理論可以告訴我們應走向何方，又或許某個新的觀察結果能夠讓我們重新構建相對論的宇宙學，這勢必涉及相對論和量子論的結合。用相對論描述宏觀世界，諸如星球、星系和宇宙，顯得很可靠；而量子論在微觀世界，諸如分子、原子和亞原子粒子上游刃有余。想要充分了解宇宙，我們必須知道它如何從一個微小的初生宇宙變成今日的狀態。我們想回到大爆炸的起點，就必須把這兩種理論結合起來。物理學家已為此花了近30年的時間，可是仍未有喜人的結果。為什么會如此艱難呢？

最關鍵的一點是，這兩個理論仍處于不相容的狀態。宇宙最本質的東西是時間和空間，可是這兩個理論對它們的表述大不相同。相對論的時空是一個平滑的、四維的大片；而在量子論中，空間是由無數10-35米的小塊組合而成的，并且從不將時間看成真實的、可觀察的存在。

那么，這兩個理論孰是孰非呢？大多數物理學家都認為量子論是“對”的。因為它的數學結構是如此成功，通過它可以看到世界。但另一方面，量子論的概念看上去是如此怪異而不合事實，是反直覺的，跟客觀存在毫無相關性。就目前來看，科學家對這兩種理論的結合并不看好。

也許，我們正處在新物理學誕生的前夜。

大多數物理學家都認為量子論是“對”的。因為它的數學結構是如此成功，通過它可以看到世界；可是，量子論的概念看上去是如此怪異而不合事實，是反直覺的，跟客觀存在毫無相關性。

宇宙歷史示意圖