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穿越平行宇宙 [:1700916042]
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穿越平行宇宙
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穿越平行宇宙 宇宙学家经常会犯错，但他们从不优柔寡断。
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列夫·朗道（Lev Landau）
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从理论上说，理论和实践是一样的，但从实践的角度来说，它们却截然不同。
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爱因斯坦
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“哇！”我惊讶得下巴几乎掉到了地上。我站在路边，一句话也说不出来。眼前的这番景象，我每天都会看到，但却从没好好地端详过它。此时，正是凌晨5点钟，我把车停在一条横穿亚利桑那州沙漠地带的高速公路边，正在查看地图。突然间，我被深深触动了——看，天空！这不再是我从小看到的那片被光污染得糟透了的斯德哥尔摩的天空，因为那里只能看到北斗七星和几颗稀疏又暗淡的星星。而此时此刻，我正凝视着的是一片蔚为壮观、摄人心魂的浩瀚苍穹，成千上万颗明亮的光点，汇成了美不胜收的各种形态。银河闪耀其上，就像一条壮丽的星系高速公路，横跨整个苍穹。
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在干燥的沙漠空气中，我的视野被放大，能看到海拔2 000米以上。但我相信，你也曾在远离城市灯光的地方见过这样的美景，你一定和我一样，心中充满了敬畏。那么，这一敬畏又源于何处？毫无疑问，一部分是因为星星和这辽阔的一切。但是，还有一些其他的东西令我们惊讶万分，那就是星星组成的形态。我们的祖先对这些形态十分好奇，为了解释它们而创造出了许多神话故事。一些文明把星星分组，想象成一个个星座，并用神话中的人物来描绘它们。很显然，恒星在夜空中并不是像波点图案一样均匀分布，而是成团成簇的。那天凌晨，我所看见的最大的星际形态，不是别的，正是我们的银河。利用望远镜，我们会发现，星系与星系一起也能聚集成团簇状的结构，拥有着迷人的形态，组成了星系群和星系团以及硕大无朋的丝状结构，盘踞着亿万光年的宇宙空间。那么，这些形态是怎么形成的呢？这些巨大的宇宙结构究竟源于何处呢？
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在上一章的结尾，我们了解到万有引力会带来不稳定性，这同样使我们开始疑惑宇宙大尺度结构的起源。换句话说，我们的理性探讨和对星空的敬畏之情，两者殊途同归，都提出了同样的一个问题：这些宇宙结构源自何方？这就是本章将要探索的关键问题。
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通缉令：寻找精密宇宙学
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正如我们在上一章所看到的那样，人类依然不理解宇宙的终极起源，尤其不知道在宇宙成为核聚变反应堆、一秒钟能膨胀两倍之前发生了什么事。不过，那之后的140亿年发生的事情，我们已经了解得很多了，那就是膨胀和聚集成团。这两个过程都受到万有引力的控制，将炙热、平滑的“夸克粥”转变成今天这个点缀着灿烂星辰的宇宙。在上一章里，我们把宇宙的历史快放了一遍，其中，宇宙膨胀逐渐稀释和冷却了基本粒子，让它们能够聚集成较大的结构，比如原子核、原子、分子、恒星和星系。自然界存在4种基本作用力，其中3种力轮流驱动着聚集成团的过程：首先是强相互作用力将原子核黏合在一起，接着是电磁力造就了原子和分子，最后是万有引力编织出了让夜空熠熠生辉的大尺度结构。
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万有引力是如何做到这一点的？如果你骑自行车时遇到红灯，你会捏紧刹车闸，此时你就会立刻感受到引力导致的不稳定——因为你会开始不由自主地左右摇晃。为了保持平衡，你只好把其中一只脚放在地上，才不至于摔倒。这些不稳定性的本质是由于细微的波动被放大了。在自行车的例子中，你离平衡状态越远，引力就越容易将你拉倒。而对宇宙来说，宇宙离完美的均质越远，聚集的程度就越容易被引力放大。如果一个区域的密度比周围稍稍大一些，引力就会把邻近的物质也拉过来，让它的密度变得更大，这样它的引力也就变得更大，使得它累积质量的速度也越快。这就好像当你本身就很有钱时，赚钱就变得更容易一样，当质量很大时，累积更多质量的过程就变得很容易。140亿年的光阴，万有引力带来的不稳定性已经足够将哪怕一丁点儿的密度起伏放大为巨大致密的团簇，比如星系，从而将曾经无聊透顶的宇宙涂抹得多姿多彩。
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过去几十年里，宇宙膨胀和聚集成团的大格局已被人们所知，但直到我开始上研究生并最初接触宇宙学的1990年，人们对它细节的认知还是雾里看花、水中望月。那时，人们尚在辩论宇宙的年龄究竟是100亿年还是200亿年，反映出长期以来人们对宇宙膨胀速度的不同理解。宇宙现在和过去分别膨胀得多快呢？人们对这个问题已经争论了很长时间。而关于宇宙聚集的讨论则建立在更加摇摇欲坠的基础上，因为人们发现，观测值和理论值大相径庭，反映出一个令人震惊的事实：宇宙中有95%的组成部分，我们竟全然不知它们为何物！COBE实验测量数据显示，在宇宙大爆炸40万年后，宇宙只有0.002%的聚集度，这显然说明了，仅靠万有引力，根本不足以把这些微弱的聚集放大到今天我们看到的宇宙大尺度结构，除非存在一种隐藏的物质形式，来贡献额外的引力。
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这种神秘的物质被称为“暗物质”，这个名字正好反映了我们对它的无知。其实，“不可见物质”这个名字会更适合一点，因为它看起来是透明的，而不是黑暗的。如果它穿越你的手掌，你将完全察觉不到。确实是这样，来自太空的暗物质穿透地球时，对地球没有任何影响，而当它穿过整个地球后，会毫发无伤地出现在另一边。如果你觉得暗物质还不够疯狂，下面我将向你介绍另一种神秘物质。有它的存在，宇宙膨胀和聚集的理论预测才能与观测结果相符，它就是暗能量（见图3-1）。人们假定，暗能量只会促使宇宙膨胀，但对聚集成团没有一点贡献，并且暗能量永远都是均匀分布在宇宙中的。
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图3-1 暗物质和暗能量都是不可见的，这意味着，它们之间的相互作用不会产生光线和其他电磁现象。我们只能通过万有引力的作用来判断它们的存在。
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暗物质和暗能量饱受争议已经许多年。对暗能量来说，最简单的候选者就是所谓的宇宙学常数。我们之前提到过，宇宙学常数是爱因斯坦为自己的引力理论所加上的荒唐数字，后来又自称为他一生最大的错误。1934年，为了解释将星系团聚拢在一起的额外引力，天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）提出了暗物质假说。到了20世纪60年代，薇拉·鲁宾（Vera Rubin）发现，旋涡星系的自转速度非常快，如果仅靠可见物质提供的万有引力，它们早就分崩离析了，所以它们一定包含着某种看不见的物质，以提供额外的万有引力，维系星系的完整。这些假说遭到了强烈的质疑——如果我们将这些无法解释的现象都归咎于某些可以穿墙而过的不可见物质，那我们是不是应该相信鬼魂的存在？
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历史上也曾有过令人不安的荒谬先例。在古希腊，当托勒密意识到行星轨道并不是完美的正圆形时，他炮制出一个复杂的理论，声称行星先是绕着较小的圆圈旋转（称为“本轮”[epicycles]），再由这些小圆圈绕着大圆圈旋转。正如我之前讲到的那样，更精确的万有引力理论扼杀了本轮理论，预测出行星的轨道是椭圆形，而不是正圆形。说不定在未来，我们还会发现一个更精确的万有引力理论，这样，暗物质和暗能量也能像本轮理论那样“退休”了。如果真发生了这种事，我们还能不能把今天的宇宙学当真呢？
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这是我上研究生时所问的问题。要回答这些问题，需要更精确的观测，将宇宙学从一个极度缺乏数据、高度依赖推测的领域转变为一门精密的科学。幸运的是，这正是目前正在发生的事。
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精确的微波背景起伏，让预测符合观测
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我们在图2-6中看到了由宇宙微波背景实验所生成的宇宙“婴儿照”，它可以被分解成一组不同天图的组合，即“多极矩”。从本质上讲，每个多极矩中都包含着大小不一的斑点。图3-2中展现了每个多极矩中温度起伏的总量。这条曲线被称为宇宙微波背景的“频谱”（power spectrum），展示了天图中隐藏的宇宙学信息。翻到图2-4，你会看见图中有许多斑点狗一样的斑块——这些斑块大小不一，有的占据天空中1°的范围，有的跨越2°，诸如此类。在频谱中，你能看出每种大小斑块的数量有多少。
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频谱最大的好处在于，我们不仅可以测量它，还可以预测它——对于许多关于宇宙膨胀和聚集的数学模型来说，我们可以准确地计算出它们的频谱长什么样，而且不同模型预测出的曲线相去甚远（见图3-2）。如今，图3-2中的曲线几乎都被观测结果否定了，只剩下唯一的一条。但在我上研究生时，这些被否定掉的曲线中的每一条，都至少有一位德高望重的同行全心全意地相信它是正确的。频谱的曲线形状取决于很多复杂的因素，包括影响宇宙聚集成团的所有因素（比如原子的密度、暗物质的密度、暗能量的密度和“种子”起伏的性质），所以，如果我们能调整关于这些因素的前提假设，让预测符合观测，那我们就能找到一个完美的模型，不仅可以进行预测，还可以测算这些重要的物理量。
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