宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第33部分

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　　　　直到第一个直接证据，也就是超新星的观测结果出现以前，关于微波背景辐射和星系结团的不同类型观测的最佳拟合结果也暗示了宇宙学常数的存在，但这并不能让粒子物理学家信服。粒子物理学理论预示了宇宙学常数的存在，但其值在0到1之间且预期等于1。然而，在1998年超新星数据之前的观测数据所允许的宇宙学常数最大不超过10…120，这就跟0差不多了。因此，大多数粒子物理学家相信，宇宙学常数就是0，其原因一定是高能物理学中存在某种尚未发现的重要原理。在得知超新星观测证实了宇宙中的确存在宇宙学常数，或者某种与之类似的机制，而且其取值离奇小，只有　10…120时，人们不禁百思不得其解。为什么这么小？什么机制能够产生这么小的宇宙学常数，比粒子物理学家预期的取值还要小10120倍？
　　　　宇宙学常数带来的重重迷雾还不止于此。如果这个微小的数目再扩大10倍，即不过10…119时，星系和恒星就无法形成了。而且，即使你举手回答说宇宙学常数一开始的时候就是10…120，这也无法解决问题。宇宙的甚早期存在一系列特殊时期，那时，自然界的基本相互作用逐个从一种统一的相互作用中剥离了出来，于是不同相互作用的强度也出现了差异。每当这个时候，宇宙学常数的大小就会被重置，变得比初始的10…120大得多。任何物理机制，如果想要解释宇宙学常数今天的大小，都必须把眼光放长远，横跨宇宙的不同历史时期，提前预知宇宙不同时期的不同变化结果，并将这些影响全部抵消。我们从没听说过有这样一种物理机制的存在。
　　　　到目前为止，没有任何人能够解释，为什么宇宙学常数或者我们称之为“暗能量”的取值如此怪异。也许引力理论中存在一些完备的新机制，或者量子的机制，能够解释这种现象。物理学家开始尝试拓展爱因斯坦的引力理论，向其中加入新型的几何形式。这样的话，物质所引起的空间弯曲程度就会略有不同，当宇宙的体积变大时，这种差异也会随之增大。＇15＇人们估计，如果考虑到量子宇宙学和初始奇点极端条件之间的相互影响，引力理论就会发生变化。然而，人们并不指望爱因斯坦理论的变化发生在宇宙非常晚的时期，因为此时物质的密度很低，产生的引力场也很弱，没有什么量子引力的效应值得考虑。这样的理论修正当然会导致宇宙晚期的加速膨胀＇16＇，不过其中大部分修正也会在别的地方引起一些我们还没看到的效应。然而，经过这般修正的理论看起来就跟宇宙学常数一样不自然。因此，暗能量是现代宇宙学的前沿问题。
　　　　到目前为止，弦理论和M…理论的研究还没能对这个问题提供什么帮助，这令人很失望。也许，我是说也许，我们走错了方向，对于宇宙的加速膨胀或宇宙学常数来说，并不存在传统意义上的解释。宇宙学常数的大小也许是随机的，是由多重宇宙弦景观的某种量子机制所导致的。在不同的宇宙中，宇宙学常数的大小是随机变化的。我们也许会发现自己生活在多重宇宙的一个子宇宙中，其中宇宙学常数刚好允许星系和恒星的形成。但是对于大多数研究者来说，这个结果非常令人失望，可是我们得学着适应。如果有人因此畏缩不前，认为这是科学方法的溃败，那我会给他讲一个小故事，一个科学研究的真实故事。
　　　　想象你在公元　1600年，正试图说服开普勒（1571～1630），他的太阳系理论并不需要预言太阳系里有多少行星。但在开普勒看来＇17＇，行星的数量表明自然界中存在一种深层的数学对称性。如果谁认为太阳系的一个数学模型并不能完全且唯一地确定行星数目的话，那他就是大逆不道，就是在否定科学。
　　　　开普勒发现，五种正多面体都有一组唯一的内嵌球或外接球。如果这些圆球和正多面体像洋葱皮一样一个接一个地嵌套起来，一共就会形成六层圆球，对应当时已知的六颗行星——水星、金星、地球、火星、木星和土星。按照正确的顺序摆放正八面体、正二十面体、正十二面体、正四面体和立方体，开普勒发现，这些外接球面之间的间距就跟每个行星（假设的）圆形轨道半径的比例一致。他将这个现象画成了图12。7。
　　　　今天，任何头脑正常的行星天文学家都不会像开普勒那样，试图预测太阳系中有多少颗行星，或者寻找某种深层意义。那个数目不过是历史的巧合，源自于太阳系早期物质的合并和另外一些偶然因素。其实，太阳系完全可以是另外一个样子。行星的数目应该是随机的。所以行星天文学家真正关心的问题是，随着轨道半径的不同，行星的大小和成分会体现出什么样的变化趋势以及其他的动力学细节。
　　　　图12。7　开普勒对柏拉图太阳系模型的扩展，摘自他第一部重要的天文学著作《宇宙的奥秘》（Mysterium　Cosmographicum，1600）
　　　　宇宙学常数会不会像行星总量一样呢？仅仅由于我们认为宇宙学常数是宇宙的一个基本性质，并不能说明它的取值必然是唯一的，必然由自然法则完全确定。宇宙学常数可能是那些深层规律所产生的一个完全随机的结果：一个意外，尽管这个意外对我们非常重要。除此之外，并无更多意涵。但就像太阳系的故事一样，这并不是整个故事的结局。可见宇宙还存在很多特征可以作为科学研究的实验室，要想知道我们的理论和解释对不对，就必须把这些特征都找出来。或许在遥远的将来，宇宙学家看待我们对宇宙学常数的研究，就像我们看待开普勒专注于太阳系的行星数量一样。
　　　　但或许还有一线希望。最近，道格拉斯·肖和我为这个问题＇18＇提出了一个全新的解决方案。我们向爱因斯坦提出的方程组中加入了一个方程，于是就允许宇宙学常数在必要时改变它的能量形态，并且会保证这种非量子的图景能够决定宇宙近期的膨胀行为。由此，我们可以得出一个漂亮的预言。如果你是宇宙诞生后　tu时刻的观测者，你总是可以观测到宇宙学常数的效应，其大小为（tp/tu）2，其中tp=10…43秒叫做普朗克时间。由于目前宇宙的年龄是tu=4。3×1017秒，因此我们预期宇宙学常数的大小为0。5×10…121，与实际观测相符。＇19＇值得注意的是，我们并没有引入任何新的能量形式，也没有对爱因斯坦方程组作出量子修正，也没有涉及所有可能宇宙形成的多重宇宙，没有让人择原理要求其中的宇宙学常数取值很小。更重要的是，这个新理论对可见宇宙空间曲率的当前取值作出了一个明确的预言：曲率应该是正的，而且曲率项对应的等效能量的观测值＇20＇应该是…0。005　6。该能量现在的观测值在…0。013　3到＋0。008　4之间。不过，综合欧洲空间局的普朗克卫星绘制的全天空微波背景辐射分布图以及图12。5中的其他观测数据，将会大幅增加观测的精度。我们应该很快就能证实或证伪这个十分精确的预言了。
　　　　我们的故事讲了很久。开始时，我们讲的是要想理解天上的事情是多么困难。我们又讲了确认恒星和星系是否存在是多么困难的一件事情。1915年，爱因斯坦广义相对论的创立是一个分水岭，标志着我们对宇宙以及对其他可能的宇宙有了全新的看法。那是我们第一次开始从整体上研究宇宙，我们作出了各式各样的理论预言，理解了不同宇宙模型的主要性质，并有所取舍。我们也讲到，爱因斯坦方程组有越来越多的解被揭开了面纱，那些宇宙模型向人们展示了大量出人意料的特性。我们也讲到，人们如何用方程组的解来解释天文学观测，或者用哲学观点来描述宇宙应该是什么样子。
　　　　现有的宇宙学标准模型是我们说过的最长寿的模型，也就是暴胀宇宙理论。这种理论认为，宇宙在很久很久以前曾经爆发过一次加速膨胀，并且它能成功地预言我们观测到的宇宙早期产生的微波背景辐射的微小涨落服从某种特殊的模式。用超级计算机模拟星系结团的复杂行为，再将结果与新型望远镜无与伦比的精确观测相比较，我们就绘制出一幅宇宙的图景，有些地方我们都能理解，有些地方仍然迷雾重重。
　　　　我们不得不面对这样一种观点，即多重宇宙中有无穷多个真实的宇宙，每个宇宙的性质都各不相同，我们的宇宙只是其中之一。我们的宇宙某些方面应该很特别，这才会导致我们的存在，或者还有其他形式智慧生物的存在。如今我们又发现，大约在50亿年以前，我们的宇宙开始了第二轮加速膨胀。
　　　　哥白尼告诉我们，我们的行星并不是宇宙的中心。现在，我们也许不得不承认，就连我们的宇宙也不是宇宙的中心。

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