这个过程牵涉到巨大的能量。时空本身就能感受到:就像在湖表面互相围绕转动的小船之间产生的水波一样,红巨星与白矮星之间的舞蹈也引起巨大的引力波,在时空这一宇宙构造本身中波动与传播,冲刷着周围的天体,改变着时间与空间。
你看着那颗体积巨大的恒星越来越多的物质掉落到白矮星的表面,明显感觉到某些不同寻常的事就要发生。你是对的。白矮星的确收获了许多质量,到达了太阳质量的140%,一个质量门槛。越过这个门槛之后,白矮星自己内核的压力突然大到以一种新的剧烈到超乎想象的链式反应,给自己带来了非凡的死亡。一眨眼间,它炸了开来。这种爆炸所发出的亮度超过太阳五十亿倍。真是让人印象深刻的告别演出。
这种爆炸形成了所谓的ia型超新星。在所有星系中,它所发生的频率都是大概一百年一次。对于我们来说,它们是一种非常方便的工具,因为它们都很相似,甚至一模一样:它们的发生总是在一颗白矮星吞噬另一颗恒星后质量超过了太阳质量的140%,因此它们永远放射出同样亮度的光——五十亿个太阳所发出的光被合并在一个不比我们地球大多少的小点上。它可比造父变星亮多了。这个特点让它们成为照亮我们宇宙最远处的理想的蜡烛,我们可以借此验证哈勃的膨胀定律。
ia型超新星比其他一切天体都亮许多,因此与造父变星不同,人造的望远镜能将它们从遥远的星系中分离出来。知道了它们真正的亮度,就像利用造父变星的原理一样,科学家们就能推测出它们离我们的距离,以及它们离我们远去的速度。
一九九八年,两组独立的科学家研究了这种遥远的超新星并且发表了他们的研究结果。其中一组由美国天体物理学家萨尔·波尔马特(saulperlmutter)带领,另一组由美国天体物理学家布莱恩·施密特(brianschmidt)与亚当·里斯(adamriess)带领。两组科学家们都发现大约五十亿年前,在经过了大约八十亿年的正常行为之后,宇宙的膨胀开始加速。
科学界被震惊了。
你也应该如此。
不仅仅因为它们出乎意料,而且相反的结论看上去才更合理。
在大尺度上,统治所有一切的是爱因斯坦的广义相对论,爱因斯坦的引力理论与牛顿的理论一样,只允许物体间相互吸引。因此,充满整个宇宙的不管什么物质,无论是普通物质、反物质,还是暗物质,在长期看来,终会让膨胀变慢。而不是加速。
然而波尔马特、施密特和里斯的观测给出了另一种结果,唯一能够让这种矛盾自圆其说的办法只能是引入一种全新的东西来解释这种加速。而且这种东西必须布满整个宇宙。而且它还必须具备一种独特的性质:它必须能够产生类似反引力的作用力,让物质与能量之间互相排斥而非吸引。
因为某种我们尚不知道的原因,这种新的力量在大约五十亿年以前超过了其他所有大尺度力量,而在此之前,它的效应是零。
这种令人迷惑不解的能量被称为“暗能量”,而且有趣的是,为了对应它所被观察到的效应,暗能量应该大量存在。
根据现代推测,事实上,那是一个巨大的能量。
是暗物质的量的三倍之多。
是构成我们的普通物质的量的十五倍。
因为发现了宇宙膨胀在加速而非放慢,波尔马特、施密特和里斯获得了二〇一一年的诺贝尔物理学奖。我们宇宙的整个能量分布不得不被彻底重新估算。今天,依据nasa卫星的估算,我们宇宙的能量构成如下:
暗能量:72%。
暗物质:23%。
我们已知物质(包括光):4.6%。
你在自己整个旅程中所看到的一切只占我们整个宇宙所含物质总量的4.6%。其余的都是未知。
与暗物质不同,很久以前,就有人推测了某种类型的暗能量的存在。大约在一百年前,作出这个推测的就是爱因斯坦本人。他甚至称此为他自己“最大的失误”,虽然在今天看来,他的失误在于把这个预测看成失误。
或许你还记得,还是在第二部分里,爱因斯坦不喜欢我们所处的宇宙正在变化、演化这种说法。他更愿意认为时间与空间现在是,以前也曾经是,将来也将一定是他自己所体验到的那样。不幸的是,就是他自己的广义相对论——最初所用的最简单的形式——展现出完全另外一种图像。广义相对论显示时空可以——也的确——发生改变。为了给宇宙不变留出可能,他发现自己能够通过增加一个附加项来修改自己的方程式,那是他的方程式中唯一允许的附加项。在那个时候,这是一个大胆的修改:爱因斯坦的方程式在当时意味着(现在也依然意味着)我们宇宙的局部能量绝对对应于它的局部几何,因此一旦两者中的一项能够改变,另一个也将随之改变。将某种新形式的能量加入到宇宙各处也就意味着改变了宇宙各处的形状和动态。所谓能量,爱因斯坦指的是所有具有引力效应的东西,现在包括物质、光、反物质、暗物质和一切具有正常、恰当的引力吸引行为的其他所有东西。
但爱因斯坦所加入的附加项能够具有两种效应(吸引或排斥),具体表现出哪种效应则取决于它的值。在实体上,它与充满了整个宇宙的能量相对应。他称此为宇宙学常数。
有了它,宇宙能够静态存在,并行为合理,遵循了爱因斯坦的哲学观。
放下心来的爱因斯坦终于能够在晚上睡好觉了。
然而,大约十年之后,哈勃的研究将宇宙的膨胀变成了已被实验证明了的事实。没有所谓静态宇宙。因此爱因斯坦放弃了他的宇宙学常数并称它的被引入为自己最大的失误。
大约又是一百年之后,现在看起来充满讽刺的是,他从纸上擦去的,可能正是理论学家们孜孜以求的、解释人类所发现的最大谜团所必需的工具:驱使宇宙膨胀加速的暗能量。宇宙学常数能带给我们一个处于静态的完全对立面之上的宇宙,这个宇宙正经历着加速了的膨胀,如同观测所证实的那样。它能够解决暗能量问题。剩下的唯一问题就是找到这种能量的来源。我们将在第七部分再来讨论此事。
现在,我希望每个人都能犯爱因斯坦那种失误。
不管最后暗能量是什么东西,它的出现已经改变了我们对宇宙学的看法。在波尔马特、施密特和里斯的发现之前,我们的宇宙被认为有两种可能的未来,具体是哪种取决于它的总体质量。如果含有的物质太多,它的膨胀注定要在某天逆转,引力将占据主导,就像在每两个现在正分开的物体之间挂有非常有力的弹簧。在这种情况下,整个宇宙将会收缩,所有一切都会以所谓“大挤压”结束。它就像大爆炸,只是倒过来,就像你所经历的旅程,是快进,而非回溯。
另一种可能性是没有足够的物质或能量防止一切彼此分离。波尔马特、施密特和里斯所引入的暗能量显示出这或许是更有可能发生的未来。除非某天又有什么出乎意料的事击中了我们的望远镜,不然很有可能这个反引力作用场将确保宇宙的膨胀永无止境,带来非常寒冷的宇宙未来。两种方式(大挤压和冻死)都凄惨无比,我同意。但你将在接下来及最后部分中看到,寒冷而死或许也远远不是结束。
现在,再说一次,还有一种可能就是爱因斯坦的理论在这么大的尺度上不适用。如果是这样,那么我们就不能用他的方程式来推断暗能量的存在。就像在一颗大恒星边上使用牛顿的引力定律会带来错误的轨道一样,爱因斯坦的方程式也很可能在某个状态下飘离现实。到今天为止,更有可能暗能量是真实的,甚至其中还牵涉到量子效应的可能性。对于那些想把非常微小与非常巨大联系在一起的人来说,这是一个非常令人兴奋的前景。
不管怎样,无论它们的本质到底是什么,暗物质与暗能量都至关重要。牛顿的引力理论让我们在太阳周围找到了新的行星。爱因斯坦的引力理论带我们找到了更大的谜团。这些谜团大到包含了我们打开大门进入极大尺度上的现实世界所需要的线索或钥匙。
带着这些发现带给我们的谦逊感,现在是时候去看看为什么广义相对论不可能是适用于一切的理论,为什么它预言了它自己的失败。