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1700902991 最简单和最自然的猜测是,它确实是爱因斯坦提出的宇宙常数——但迄今为止,这只是一个有思想的人所做的猜测。λ场如果确实存在,它最重要的特点就是它确实是不变的,而且从宇宙大爆炸以来就具有同样的力。换言之,因为宇宙常数是空间本身的一个属性,虽然宇宙在膨胀,但在每立方厘米的空间中这样的暗能量的值保持不变,而物质密度(不论是“明”物质还是暗物质)则随宇宙膨胀而下降。在大爆炸的火球中,当物质密度相当于现在原子核的密度时,宇宙常数对宇宙膨胀的影响微不足道。在数十亿年的时间里,占主导地位的影响是物质的引力,它所起的作用是减缓宇宙的膨胀速度。但是,随着时间的推移,这种效应逐渐变弱,但是伴随λ场的宇宙斥力却保持不变。如今,物质的密度已经稀薄到只有λ场密度的一半了,λ场刚刚开始(几十亿年前)变成膨胀过程的占主导地位的因素,超过了物质引力的影响,加速宇宙的膨胀。这是一个非常有趣的,而且有可能意义重大的事件(我们稍后会回到这个问题上),我们恰好处于宇宙整个生命的惟一时刻,可以注意到一些现象,表明物质和暗能量处于大致平衡状态。
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1700902993 现在要想使宇宙平坦所需要的密度,平均到整个宇宙,大约是10-29克每立方厘米。这相当于如果原子都分散均匀的话,在每立方米的空间中有5个氢原子。但是物质(包括明的和暗的)是集结成团块状的,密度比这要大得多,因此留下了密度很低的空白区域。然而λ场与此相反,它是均匀散布在宇宙中的,所以每立方厘米包含的能量略低于10-29克,包括那些“空”的空间中也一样。暗能量是如此之小,几乎不可能在实验室中侦测到,而且完全无法用作人类文明的一个潜在的能源来源——整个地球包含的暗能量也只够提供某个美国公民在2005年的年平均电力消耗。在整个太阳系这么巨大的范围内,所有的暗能量加起来,也只相当于太阳本身在短短3个小时内辐射出的能量。但是,由于这种暗能量填满了宇宙的每立方厘米,它现在在大尺度上主导了宇宙的行为。46
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1700902995 除了宇宙常数的概念之外,还有一种概念受到一些天文学家和粒子物理学家的关注。这有可能是某种形式的暗能量,但却不是常数。所有这些暗能量的候选者都被称为“第五元素”(quin-tessence),因为它所涉及的场将是物理学所发现的第五种场力,其他四种是重力、电磁,以及强和弱核力。47第五元素最重要的特点是,它一直都和物质保持了大致相同的密度,并随宇宙的膨胀,与物质的密度同样逐步减小,所以,它在宇宙大爆炸时的作用和现在一样重要(相对于物质),而且,我们所生活的时代,物质和暗能量有大致相同的密度,这并不是一个巧合。可是,为什么物质和暗能量会有大致相同的密度呢?
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1700902997 对粒子物理学家来说,想出一种新的场并找到数学方程来描述它们,并没有什么困难。只是当他们尝试将假想与现实进行匹配的时候困难才会出现。写下一套方程,描述一个“新”的量子场,让它充满整个宇宙,并起到一种压缩弹簧的作用,将宇宙向外推,这没什么难的。还有一个更狡猾的观点试图解释为什么我们生活的时代正好是宇宙膨胀开始加快的时候,这种观点称为“跟踪”场。当宇宙还被辐射主宰时,跟踪场会跟踪辐射的行为,该场本身的能量密度和辐射的能量密度的下降率相同。但是,当宇宙成为被物质主导之后,正如我们所描述的那样,跟踪场开始转而跟踪物质密度的不断变化。在此图景中,行星和恒星的形成是因为物质成为宇宙的主导而引发的,而且假如属性选择合适的话,在物质主导之后,跟踪场的反引力方面开始变得重要起来。因此,生活在行星上的人类毫不奇怪地生活在宇宙加速扩张的早期。
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1700902999 但这里关键的说法是“属性选择合适”。跟踪场以及第五元素的其他理论的自由度太高,要想挑选合适的属性并不容易。以物理学家的行话说,就是有太多的自由参数,你可以使它适合任何情况。因此整个事情错综复杂、人为斧凿痕迹浓厚,而且难以让人信服。M理论专家提出的建议也会遇到类似的难题,虽然这一理论的其他方面还都很吸引人。他们所提出的模型中,不是反引力在加速宇宙的膨胀,而是引力本身(以引力子的形式)随着时间的推移,有越来越多的引力子泄露到我们的“膜”之外,使我们的宇宙对遥远星系的引力渐渐减弱。相比之下,宇宙常数是爱因斯坦的广义相对论中一种简单而且自然(有人会说也是不可避免的)的一部分。在广义相对论方程中,惟一的自由参数是λ场的能量密度,选择正确就能与观察到的宇宙膨胀加速和时空的平坦相匹配。关键的难题是,为什么λ场的能量密度这么小?
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1700903001 根据量子场论,要想解释为什么“空”的空间会包含能量并不是什么问题。难处在于如何解释它为什么不包含更多的能量。这种能量称作“真空能量”,在大统一理论和超对称性的背景下会自然产生。这些理论从未说过真空的能量必须为零,只是说它的能量必须是相同的,不管在什么地方。我们可以用高山湖泊来打一个比方。这就好像是说,理论指出湖面必须是平坦的,但是它并不一定与海平面持平,也不是必须处在任何特定的海拔高度。现在的问题是,“自然”的能量尺度对于解释平坦宇宙所需要的能量密度来讲过大了。例如,与量子引力伴随的这种真空能量,其能量密度为10108电子伏特单位。电子伏特是粒子物理学家常用的一个单位。正是这种真空能量推动了宇宙膨胀,直到今天依然在起作用,只不过强度大大降低了。一些宇宙学家认为现在的宇宙的确是在经历一种较弱形式的膨胀——这种看法听起来让人觉得很聪明,甚至有可能也是实情,但实际上对我们的理解却并没有任何助益。如果说它有任何贡献的话,就是它更加强调了现在宇宙的膨胀非常微弱这一令人迷惑的难题。即使是在与大统一理论相匹配的能量级上,其能量密度也只是1096电子伏特,而最小的“自然”真空能量,按照已经被接受的超对称性理论,将只有1044电子伏特。在这些单位中,真空的实际能量密度是10——换言之,即使是最小的“自然”真空能量密度也比观测到的真空能量密度大10-1256倍。
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1700903003 抛开任何其他的考虑,即使真空能量与超对称性推论出的一样大,其产生的反引力作用也将撕裂物质的宇宙,而不会有任何像星系、恒星和行星等例外现象出现的可能。因此,直到SNiA观测结果出现之前,大多数粒子物理学家都假设存在某种宇宙的能量抑制机制,迫使所有的真空能量都下降到了零,而不留有一丁点儿残余。暗能量密度不是零,但确实非常小,这一事实确实成了让理论家头疼的难题。但是,对于这一问题,还有一个耐人寻味的研究线路,也有可能结出硕果。实际的真空能量大小差不多正合适,符合任何尚未观测到的对称性破缺,其能量相当于千分之几eV——正好是现在已知的中微子的能量。不过,这是迄今为止有可能解决这一问题的一个暗示,但也许机缘巧合,恰恰引导着我们走向了宇宙的深层真相(DeeP Truth)。
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1700903005 在未来二十年左右的时间里,通过新一代的卫星观测数千颗遥远的超新星,并通过欧洲核子研究中心与布尔拜等地的地面实验,许多这类问题应该得到解决。这种所谓的“新标准宇宙学”,可以概括为五点:
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1700903007 我们现在生活其中的宇宙来源自早期的一段急速膨胀的时期(暴涨),然后其膨胀速度减慢了下来。
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1700903009 今天的宇宙是平坦的,膨胀在加速。
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1700903011 现在宇宙中的不规则现象(星系、恒星和所有其他天体,包括我们人类自己)都是因为暴涨期间的量子涨落造成的。
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1700903013 宇宙是由大约70%的暗能量和30%的物质构成的。
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1700903015 宇宙中的物质,非重子暗物质比重子物质多大约7倍,只有10%的重子物质(占总宇宙总质能的0.4%)以明亮的恒星的形式存在。总体而言,中微子和明亮的恒星贡献的质量一样多。
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1700903017 因此,我们可以回答本章标题提出的问题了。现在,使宇宙结合为一体的主要是暗能量;但是似乎矛盾的一点是,如果宇宙加速膨胀下去,最终也将是暗能量将宇宙炸碎。但是,我们在这一切之中处于什么位置呢?智能生命出现在宇宙加速膨胀时代的早期,难道只是一个巧合?抑或,这一事实告诉了我们一个关于宇宙性质的深层真理?
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1700903019 我们的确生活在宇宙生命中一个特殊的时刻。以对宇宙膨胀加速的最简单的解释宇宙常数而言(“奥卡姆剃刀原理”也鼓励我们这样做),100亿年前红移为2,暗能量对宇宙密度的贡献只有10%。但是在100亿年后,暗能量将占到宇宙总密度的96%。在更早和更晚些时候,其间的差异更大——例如,在重组(recombination)时期,物质的密度是暗能量密度的10亿倍。现在暗能量与物质对宇宙能量密度的贡献大致相同(差异只有一到两个小数点),这真的是怪事一桩。但至少这对于观测者来说有帮助。由物质主宰的减速膨胀宇宙变成由暗能量主宰的加速膨胀宇宙,红移从0.1变成了1.7,这便于我们用下一代的卫星探测器对这种变化作出观测。
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1700903021 与此同时,理论家对于暗能量和物质对平坦宇宙产生的差不多的贡献将继续发出疑问。如果宇宙常数真的是不变的常数,这就等于问为什么暗能量的密度如此之小。由于能量密度非常小,在很长时期内,λ场对宇宙膨胀的早期所产生的效用很小,即使宇宙正在不断扩大,恒星、星系和星系团还是形成了引力坍缩。我们将在下面的章节中看到,最初的恒星走过其生命周期,并为星系播撒出形成行星和生命的必要的原料,是需要时间的。然后,又过了更长的时间,智能生命出现在了其中至少一颗行星上。这一切发生的时候,宇宙的物质密度已经低于暗能量密度,而宇宙的加速膨胀也才刚刚开始能够被人注意到。但是,在宇宙不太遥远的未来,宇宙膨胀失控有可能让生命无法存活,而且无论怎么说,宇宙中都将变得一无所有,什么也看不到了。人类是一种有趣而复杂的实体,而且我们也生活在宇宙最有趣最复杂的时期之中,因为只有在这段时期之中,像我们这样的生物才可能存在。
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1700903023 但是,所有这一切只适用于非常小的暗能量密度。暗能量密度值超出这个范围,对于任何其他值,像我们这样有趣而复杂的事物就永远无法存在了。如果暗能量密度大,它会超过早期宇宙中物质的引力作用,在失控膨胀的宇宙中将物质变得日益稀薄,使得恒星、行星和人类永远不会形成。另一个极端的可能是λ场的值是负数。如果λ场值为正,对应的是暗能量与反引力;λ场值为负,对应的是暗能量以及某种额外的正引力。除了物质引力之外再加上这样的效应,宇宙会很快坍塌向自身,恒星、行星和人类也无法形成。因此,现在宇宙学家面临宇宙常数的大小这一问题所感到的困惑,和上一代天文学家遇到宇宙是平坦的时候所感到的困惑一样,不明白宇宙为什么能够处于扩张和崩溃之间这种微妙的平衡状态。这一难题的解决到头来却是一个全新的概念,即暴涨理论。我猜想,对宇宙常数问题的解决最终也将是一种全新的东西,它到底是什么,现在任何人可能都还没有想到,而且这种理论会告诉我们关于宇宙性质的某种新的深层真相。不过,在这一伟大的想法产生之前,对如此的“巧合”最好的解释,来自于一种被称为“人择宇宙论”的理论。一些科学家认为这是身处绝境中的权宜之计。不过我却比较喜欢它,而且对于宇宙为何是生命如此舒适的家园这一命题,这无疑是最好的解释。
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1700903025 人择原理背后的基本思路是,宇宙比我们可以看到的还要多许多,甚至可能是无限的多。所谓的多,并不是说在明亮的恒星有更多的暗物质,而是说在可观测宇宙之外,还有更多的时空。我们可以将这种“超级宇宙”称为“大宇宙”,以避免混淆。如果时空(大宇宙)是无限的,那么我们的膨胀的宇宙可能只是这一无垠的海洋里的一个泡沫,并且可能有许多的泡沫(甚至无穷多!)型的“宇宙”,每一个都出现了暴涨,但从我们的宇宙永远无法看到或触到它们。正如我们已经了解到的,我们的太阳系并不是惟一的,银河系也不是惟一的,也许现在是时候该认识到我们的宇宙可能也不是惟一的宇宙了。有些版本的暴涨理论暗示,在这种无限的时空海洋中必须存在无穷多个泡沫宇宙。人择理论则说,没有任何的物理定律规定宇宙常数应该具有特定的值,48因此不同的泡沫宇宙中的宇宙常数应该有不同的值。
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1700903027 在有些泡沫(宇宙)中,该常数的值较大,从宇宙形成时扩张就在加速,不会形成恒星、行星或人类。而在其他泡沫宇宙中,宇宙常数是负值,该泡沫在像生命等有趣的事发生之前就会崩溃坍塌。只有在某些具有较小的宇宙常数,而且其他条件也“恰到好处”的泡沫中,生命才会出现。总体而言,将会有多种可能的宇宙,我们则恰好生活在一个允许人类存在的宇宙中。
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1700903029 虽然人择宇宙论受到了暴涨理论以及发现的宇宙常数非常小这两者的推动,但是实际上这一理论有着悠久的历史。现代版的人择宇宙论是由英国的研究员布兰登·卡特(Brandon Carter)在20世纪70年代初提出的,虽然在此之前,伟大的物理学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)在20世纪50年代曾使用过某种具体的人择论点作出了一个重要发现(我们将在下一章讨论此问题)。卡特在1973年波兰的一次会议上指出,“我们所能期望观测的内容,必须受到某种限制,限制条件就是人类必须存在并作为观察者”,到目前为止,这仍然是对人择原理最好、最简洁的阐述。但是,即使早在1903年,在他的《人在宇宙的地位》(Man’s Placein theUniUerse)一书中,阿尔弗雷德·罗素·华莱士(Al-fred RusselWallace,他最知名的一点是独立发现了“达尔文的”自然选择进化论)写道:
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1700903031 我们知道自己周围存在着一个巨大而复杂的宇宙……这可能是为了产生一个适于生命演化的世界绝对必需的。
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1700903033 但是,要想进行人择观点的推理,我们无需遍览整个宇宙。例如,在我们的太阳系中,可能纯粹是由于机缘巧合,而非出于任何人择的意义,在靠近太阳周围的轨道上有四个岩石构成的行星(水星、金星、地球和火星),而不是三颗或五颗。没有任何根本性的原因规定地球上天文学家的产生和进化只能在有另外三个岩石行星存在的情况下进行。但是,为何天文学家在地球上演化产生了,而不是在其他三个岩石行星上,却是有根本性的原因。在我们所处的太阳系中,已经出现了某种人的“选择效应”。在这三个邻近的行星中——金星、地球和火星——只有地球适合像我们现在这样的生命形式存在。像我们这样的生命形式只能生存在地球上,所以当我们环顾四周会毫不奇怪地发现,地球恰好是我们生活的星球。假设在某种意义上,宇宙有自己的选择,可以具有不同的物理性质,那么与此完全相同的逻辑会说,只有在像我们这样的适宜生命存在的宇宙中,像我们这样的生命形式才会出现,观察周围发生的一切,并测量像宇宙常数之类的事物——这不仅仅是反复的唠叨,其他行星的例子就可以证明。既然我们都活着,因此这一论点还可以继续下去,我们会毫不奇怪地发现,我们生活在一个有利于生命的宇宙中,这一点并不比发现鱼类生活在水中更令人惊讶。
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1700903035 不论你是喜欢还是痛恨这个想法,这基本上是一个个人问题。即使是那些喜欢这一论点的人,如果发现存在一些根本的原因,能够解释暗能量的密度为何如此之小,也会感到很高兴。不过,问题的底线的是,我们确实存在,我们生活在一个年龄大约是140亿年的平坦的宇宙中,直到最近,这个宇宙中的暗能量开始超过引力,增大了膨胀的速率。考虑到宇宙的性质,我们是如何到这里来的呢?为了回答这个问题,我们首先必须知道构成我们自身的东西,以及除了氢和氦以外所有产生自大爆炸的重子物质,都来自何处。现在,我们暂时抛开宇宙这个整体,开始关注当宇宙还年轻的时候,我们自己的星系(以及数千亿个像它一样的星系)所发生的事情。
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