宇宙的95%无法被直接观测到。我们所称的"暗",其实只是未知的物质与能量——也许是现代物理学最重大的悬而未决的问题。
两种我们看不见的力量——只能看到它们的作用。
普朗克卫星任务(欧洲空间局,2009–2013年运行,2018年公布最终分析结果)以前所未有的精度,通过宇宙微波背景辐射中极其微小的温度涨落,重建了宇宙的物质与能量构成。结果对我们的自我认知而言颇为发人深省:所有由原子构成的东西——恒星、行星、气体,乃至我们自身——只占宇宙能量密度的约5%。
剩下的部分由两种成分构成,我们只能通过它们的引力效应和宇宙学效应间接了解它们:暗物质像普通物质一样产生引力作用,却不发光、不吸收光也不反射光;暗能量则赋予宇宙一种微弱的排斥效应,使其膨胀不断加速。这两种现象都不是理论上先被预言出来的,而是从与既有认知相矛盾的观测结果中推断出来的:暗物质是在20世纪30年代与70年代,从星系运动速度异常过快中被发现的;暗能量则迟至1998年,才从遥远超新星的亮度异常暗淡中被揭示。以下各章将展示这两条线索是如何被发现的——以及时至今日,我们对它们真实本质的了解依然多么有限。
1933年,天文学家弗里茨·兹威基注意到,后发座星系团中星系的运动速度远快于该星系团可见质量所能允许的范围——他将这部分缺失的质量称为"暗物质",但当时学界对这一观测结果并未给予太多重视。真正提供了决定性、被广泛接受的证据的,是薇拉·鲁宾与肯特·福特在20世纪70年代的工作:他们测量了仙女座星系等旋涡星系中恒星与气体的自转速度,并将其与距星系中心的距离相对照。
依据薇拉·鲁宾与肯特·福特(20世纪70年代)绘制的示意图——典型旋涡星系的量级。
按照牛顿引力定律以及可见质量的分布,自转速度在致密的中心区域之外应随距离增大而下降——正如太阳系外侧行星的公转速度随距离增大而减小一样。然而实测速度在远离发光星盘之外依然几乎保持恒定。在已知物理学框架内唯一说得通的解释是:星系被一个延伸广阔、不可见的物质晕包围,正是它的引力将外侧恒星维持在各自的轨道上。
兹威基早在1933年就已握有关键线索:他将后发座星系团中缺失的质量称为"暗物质"(原文为德语:dunkle Materie)——这一术语正是由他这位在加州理工学院工作的瑞士德语区天文学家自己创造的。他的测量方法(将维里定理应用于星系团速度)在方法论上存在漏洞,数据也相当粗略——他的想法因此被当作奇谈怪论搁置了数十年。直到鲁宾精确、几乎无可辩驳的自转曲线出现,才让这位孤独先驱的边角笔记变成现代宇宙学的核心基石之一。
自转曲线只是开端。此后,来自各种不同观测方法的独立证据不断累积——每一项都独自支持着"存在一种不可见却具有引力作用的成分"这一图景。
几乎没有其他天体系统能像子弹星系团(1E 0657-56)这样直观地展现暗物质的存在:钱德拉望远镜拍摄的X射线图像显示出炽热、发光的气体——即普通物质的主体——所在的位置。而弱引力透镜质量图则独立地显示出实际总质量的所在位置。两种分布明显相互错开。
这种空间上的分离,单靠修改引力理论几乎无法解释,自2006年公布以来,它一直被视为支持存在一种独立、几乎不发生相互作用的物质形式的最直接证据之一。
暗物质的存在,在天体物理学界被认为已有充分证据支持。但它究竟是什么,依然悬而未决。搜寻工作集中在三类截然不同的候选者身上:
目前最耗费心力的实验致力于寻求直接探测证据:XENONnT(位于意大利格兰萨索)和LUX-ZEPLIN(位于美国南达科他州)等探测器,在深埋地下的实验室中观测数吨超纯液态氙,等待一个WIMP粒子与氙原子核碰撞的罕见信号。迄今为止尚未发现令人信服的信号。每一次新的零结果测量都会进一步缩小可能参数空间的范围,却仍无法回答这个问题——在此坦承尚无法给出定论是诚实的态度:暗物质的本质仍是物理学中最活跃、也最悬而未决的研究领域之一。
"暗物质"这个名字并不能说明这种物质究竟是什么——它只描述了它不做什么:它不发光、不吸收光,也不反射光。它同样可以被称为"不可见物质",或者干脆叫"物质X"。"暗能量"也是如此:这只是一个占位性的名字,用来指代一个已被测量到的效应——加速膨胀——其背后的物理成因仍属未知。这两个术语与其说是解释,不如说是对知识空白的坦诚承认。
1998年,两个独立的研究团队——由索尔·珀尔马特领导的超新星宇宙学计划,以及由布赖恩·施密特和亚当·里斯领导的高红移超新星搜索队——发表了一项无人预料到的观测结果。他们利用Ia型超新星作为"标准烛光":这类白矮星爆炸事件会达到一个已知的、几乎统一的最大亮度,从而可以根据其视亮度精确推算出距离。然而,距离越远——也就是时间上越早——的超新星,其亮度却系统性地比一个受物质和引力减速的宇宙所预期的要暗。唯一自洽的解释是:宇宙的膨胀并未减速,反而在加速。珀尔马特、施密特和里斯因这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。
1917年,爱因斯坦在自己的场方程中加入了一个额外的项——宇宙学常数Λ,以使一个静态宇宙成为可能——而在哈勃发现宇宙膨胀之后,他又将其舍弃,称之为自己"最大的错误"。1998年之后,Λ又重新回归,这次是作为解释暗能量最简单的方案:一种恒定的真空能量密度。
问题在于:量子场论所预言的真空能量密度,比实际观测值高出约120个数量级——常被称为物理学史上最糟糕的定量预测。这个观测到的、微小却不为零的数值究竟从何而来,至今仍是未知数。
如果暗能量确实对应于一个真正的宇宙学常数,那么宇宙的未来其实已经大致注定:一种永恒的、不断加速的膨胀。这一最受青睐的情景有一个平淡无奇的名字——大冻结,也称热寂。恒星耗尽燃料,星系逐渐消失在各自可观测视界之外,物质在难以想象的漫长时间尺度上逐渐衰变,直至宇宙达到一种寒冷、极度稀释的平衡状态。
尺度因子随时间演化的示意图——物质主导期的减速膨胀,约50亿年前的转折点,此后转为加速膨胀。
另外一些情景——例如宇宙再次坍缩(大挤压,需要足够多的物质与引力),或时空本身被撕裂(大撕裂,需要暗能量持续增强)——根据目前的观测数据,发生的可能性要小得多。持续膨胀对可观测边界以及超出我们物理可及范围之外的问题意味着什么,可参阅关于宇宙学边界的专题概览作深入了解。
通往大冻结的道路,不是以百万年为单位,而是以那种连宇宙学尺度都显得渺小的数量级来衡量的。我们目前所处的是恒星时代,恒星仍在燃烧(直至约10¹⁴年)。此后进入简并时代,届时只剩下白矮星和褐矮星,再往后是黑洞时代,连黑洞也会通过霍金辐射逐渐蒸发殆尽(约10¹⁰⁰年)。此后还剩下什么,是宇宙学边界专题所探讨的内容——这里只需简要展望一句:如果Λ保持恒定,宇宙的终结不会是一声巨响,而是一场渐渐消逝的余韵。
尽管取得了种种进展,至少还有一个明确的矛盾尚未解决:两种独立的高精度方法,用于测量宇宙当前的膨胀速率(哈勃常数H₀),所得出的数值在统计上并不重合。
通过宇宙距离阶梯得到的本地测量结果约为73.0 km/s/Mpc。基于ΛCDM标准模型、从宇宙微波背景反推得到的结果约为67.4 km/s/Mpc——两者相差约8%至9%,这并非测量噪声所能解释的。这一差异究竟源于尚未发现的系统性误差、暗能量的新物理,还是某种迄今未知的粒子,是当今宇宙学中最活跃的悬而未决问题之一。
哈勃张力并非一个边缘性的小问题,它牵涉到用来校准宇宙中一切距离的基础量。如果它最终被证明只是测量误差,ΛCDM模型将依然完好无损。但如果这一矛盾持续被证实,它可能就是第一个具体的迹象,表明暗能量——或暗物质——远比简单的宇宙学常数所假设的更为复杂。无论哪种可能性,都使哈勃张力成为物理学这一章节中最引人入胜的未解之谜之一。