“137億年前，宇宙誕生了。那時候宇宙還很小，它所有的能量都集中在一個奇點(diǎn)內(nèi)，這個奇點(diǎn)沒有體積。后來奇點(diǎn)突然爆炸，于是就有了我們今天的宇宙”。 可是如果大爆炸沒有初始奇點(diǎn)呢？埃及本哈大學(xué)的艾哈邁德·法拉格·阿里和加拿大阿爾伯塔省萊斯布里奇大學(xué)的蘇麗亞·達(dá)斯合著的論文著眼于愛因斯坦廣義相對論中的一個結(jié)果，即雷喬杜里方程。但他們并沒有使用經(jīng)典的雷喬杜里方程，而是使用了一些量子微調(diào)的變量。結(jié)果是，這項(xiàng)工作消除了大爆炸初始奇點(diǎn)的需要。更有意思的是，這篇論文還預(yù)測了宇宙學(xué)常數(shù)，而這個概念是愛因斯坦在1917年提出的。愛因斯坦在他的廣義相對論中增加了一個宇宙學(xué)常數(shù)，使宇宙保持靜止，而不是膨脹，但后來他放棄了這個概念，認(rèn)為這是他在1929年埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)本地星系群以外的所有星系都在彼此遠(yuǎn)離后犯下的“最大錯誤”。這就究竟是怎么回事？ 以下內(nèi)容摘自《宇宙的本質(zhì)》一書在1917 年，愛因斯坦試圖運(yùn)用他的廣義相對論以數(shù)學(xué)的視角來描述宇宙。他希望描繪出可能存在的最簡單模型，其中物質(zhì)完全均勻地分布在空間中。同時他也希望這一模型是靜態(tài)的，既不膨脹也不收縮，以符合銀河系既不膨脹亦不收縮這一事實(shí)（彼時人類認(rèn)為銀河系便是整個宇宙）。唯一能使模型符合上述條件的方法，便是在方程中加入所謂的“宇宙學(xué)常數(shù)”，該數(shù)值用希臘字母Λ 表示。愛因斯坦的方程并未規(guī)定該常數(shù)的值——根據(jù)方程，它可以是零或任何的正值或負(fù)值。取決于宇宙學(xué)常數(shù)的具體數(shù)值：它既可能發(fā)揮一種“反引力”的作用，支撐物質(zhì)對抗引力向內(nèi)的吸引；也可能作為對引力的一種添加，促進(jìn)物質(zhì)的聚集。愛因斯坦為該常數(shù)選擇了一個能使模型保持靜態(tài)的值，這在某種意義上抵消了引力。他在1917 年發(fā)表的有關(guān)宇宙學(xué)的第一篇論文的最后一句寫道：“該常數(shù)之必要性僅在于使物質(zhì)的準(zhǔn)靜態(tài)分布成為可能，正如恒星較小的運(yùn)動速度所要求的那樣?！?/section>當(dāng)哈勃與赫馬森發(fā)現(xiàn)宇宙處于膨脹之中時，愛因斯坦表示宇宙學(xué)常數(shù)的引入是自己學(xué)術(shù)生涯中最大的錯誤。然而，其他研究工作者卻對宇宙學(xué)常數(shù)的價(jià)值更為重視。愛因斯坦的廣義相對論為人類理解宇宙奠定了基礎(chǔ)愛因斯坦始終在尋找廣義相對論方程的單一解，一個對應(yīng)著真實(shí)宇宙的獨(dú)一無二的模型。然而，廣義相對論方程事實(shí)上提供了大量各異的模型。第一個意識到這一點(diǎn)的人是亞歷山大·弗里德曼，他同時也是第一個將膨脹作為宇宙學(xué)模型內(nèi)在特征的人。他從數(shù)學(xué)角度對這些宇宙學(xué)模型進(jìn)行了探索。在1922 年，弗里德曼發(fā)表了自己對廣義相對論中宇宙學(xué)方程的解讀。根據(jù)他的理解，這些方程并不像愛因斯坦所希望的那樣存在獨(dú)一無二的解，而是對應(yīng)著一系列描述時空演化的不同可能方式的模型，即不同的宇宙模型。那時，人類尚無任何方法辨別其中哪個模型符合我們身處的宇宙。重要的是，弗里德曼的所有宇宙模型都會在演化的某個階段經(jīng)歷膨脹。在這些同一主題的不同變奏中，有些宇宙模型會永遠(yuǎn)地膨脹下去，而其他宇宙模型則會在膨脹一段時間之后再次收縮。有些宇宙模型的膨脹速度較快，有些則較慢。甚至有一部分宇宙模型誕生時十分龐大，隨時間收縮到了某個特定的密度，之后轉(zhuǎn)而開始膨脹。然而對于所有這些宇宙模型而言，至少在演化的某些階段，宇宙都會以如下這種方式膨脹：無論身處宇宙中的哪一個點(diǎn)，都會看到其他點(diǎn)正在退行、遠(yuǎn)離自己，而一個點(diǎn)的視向退行速度同該點(diǎn)與觀測者之間的距離成正比——這與哈勃和赫馬森在20 世紀(jì)20 年代即將結(jié)束時的發(fā)現(xiàn)完全一致。愛因斯坦對于多個模型并存的情況始終不太滿意，他繼續(xù)尋找著一個能夠描述真實(shí)宇宙的獨(dú)一無二的模型。在20 世紀(jì)30 年代初，哈勃定律被發(fā)現(xiàn)后不久，愛因斯坦與荷蘭天文學(xué)家威廉·德西特（Willem de Sitter）共同提出了愛因斯坦- 德西特宇宙模型，這是廣義相對論方程所允許的諸多不同變奏中最為簡單的一個。在這一模型中，宇宙恰好是平直的（這是愛因斯坦那時所能想到的唯一特例），而且Λ＝ 0。它成為可供其他模型進(jìn)行比較的基準(zhǔn)模型。然而，愛因斯坦－德西特宇宙模型有一項(xiàng)令人尷尬的特征，愛因斯坦與德西特都盡量不提及這一點(diǎn)。在這一模型中，宇宙當(dāng)前膨脹的速度與宇宙的年齡之間存在一種獨(dú)一無二的對應(yīng)關(guān)系——顯然，宇宙現(xiàn)在膨脹得愈快，它達(dá)到當(dāng)前大小所耗費(fèi)的時間便愈少，但同時我們也需要考慮到在大爆炸之后宇宙膨脹速度的減緩。假設(shè)愛因斯坦－德西特宇宙模型確實(shí)能精確地描述宇宙，那么運(yùn)用哈勃本人發(fā)現(xiàn)的哈勃定律（紅移－距離關(guān)系）中的常數(shù)值，計(jì)算所得的宇宙年齡竟只有12 億年，遠(yuǎn)小于地球的年齡，而在20 世紀(jì)30年代，地球的年齡已廣為人知。很顯然，某些方面出了差錯。我們現(xiàn)在知道哈勃常數(shù)的早期測量結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際值，而宇宙的真實(shí)年齡約為140 億年。但在20 世紀(jì)30 年代（以及之后的數(shù)十年內(nèi)），有擺脫此種窘境的另一種方法，喬治·勒梅特也鐘情于此方法。倘若Λ 的值選擇得恰好合適，那么廣義相對論的方程可以描述如下這一宇宙模型：宇宙誕生于極其致密的狀態(tài)，在膨脹一段時間之后，如同飛鳥在原地盤旋一般保持穩(wěn)定，既不膨脹也不收縮，在某個不確定的期限內(nèi)一直保持此種狀態(tài)，此后又再次開始膨脹。如果我們所在的這個宇宙以這種方式運(yùn)轉(zhuǎn)，而且我們正處于第二個膨脹階段，那么宇宙的年齡或許便要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運(yùn)用對當(dāng)前紅移－距離關(guān)系的測量結(jié)果所計(jì)算出的年齡。在20 世紀(jì)30年代，選擇哪一類模型來描述宇宙似乎純粹基于個人偏好。 選擇不同的宇宙學(xué)常數(shù)值能夠解決在宇宙學(xué)研究中遇到的任何問題，包括宇宙年齡問題。數(shù)學(xué)家樂于探索這些可能性，但天文學(xué)家卻希望摒棄宇宙學(xué)常數(shù)這一概念，因?yàn)閷⑵溆米饕粋€隨觀測需求而進(jìn)行調(diào)整的修正系數(shù)未免顯得過于隨意。然而，當(dāng)對真實(shí)宇宙的觀測結(jié)果變得精確到能排除其他許多更為瘋狂的宇宙學(xué)設(shè)想時，我們清楚地認(rèn)識到，即便考慮到最新得出的哈勃常數(shù)估值以及相應(yīng)延長的宇宙年齡，愛因斯坦－德西特宇宙模型仍然有所欠缺。20 世紀(jì)90 年代，宇宙學(xué)常數(shù)終于不再受到冷落，與其說是天文學(xué)家希望如此，不如說是他們別無選擇。英國作家阿瑟·柯南·道爾（Arthur Conan Doyle）曾借夏洛克·福爾摩斯之口說過如下這句名言：“在排除掉一切不可能的情況之后，剩下的即使看似再不可能，也一定是真相?！?/section>20 世紀(jì)90 年代末，暴脹的概念（詳見第129 頁）已經(jīng)得到不少學(xué)者的認(rèn)可，更得到了宇宙背景探測器的數(shù)據(jù)以及其他有關(guān)宇宙微波背景輻射的測量結(jié)果的支持。宇宙必然是平直的。然而與此同時，對于星系運(yùn)動方式的研究又始終未能得出確鑿的證據(jù)來證明宇宙中以物質(zhì)形式存在的質(zhì)量超過了使宇宙平直所需質(zhì)量的30%。20 世紀(jì)90 年代中后期，有一種突破研究瓶頸的方法愈發(fā)受到重視，它便是宇宙學(xué)常數(shù)的概念。事實(shí)上，宇宙學(xué)常數(shù)可以對宇宙產(chǎn)生兩種截然相反的影響。先來討論第一種影響。倘若Λ 的值選擇得恰當(dāng)，那么它能使時空具有“彈性”，產(chǎn)生某種反引力的作用，即某種宇宙斥力。它對應(yīng)的是真空的能量，正如引力對應(yīng)的是物質(zhì)的能量。我們再來討論宇宙學(xué)常數(shù)對于宇宙的第二種影響。根據(jù)質(zhì)能方程，質(zhì)量與能量之間存在當(dāng)量關(guān)系，而質(zhì)量與引力相關(guān)，因此，與宇宙學(xué)常數(shù)相關(guān)的能量也能施加一種引力作用。倘若Λ 的值選擇得恰當(dāng)，那么宇宙中存在的與前述宇宙斥力有關(guān)的能量，便可能達(dá)到使宇宙平直所需質(zhì)量（質(zhì)能）的約70%，而同時又可確保宇宙的膨脹只受到微不足道的影響，這是一種到了今日微小得幾乎無法被探測到的影響。將宇宙學(xué)常數(shù)給出的約70% 與以物質(zhì)形式存在的約30% 相加，我們便可得到恰好能使宇宙變得平直的質(zhì)能。理論工作者們探索了模型所允許的可能性，并發(fā)現(xiàn)了在宇宙中以暗物質(zhì)形式存在的質(zhì)量確實(shí)只有臨界密度所對應(yīng)質(zhì)能的大約30% 且暴脹確實(shí)曾經(jīng)發(fā)生的前提下，能使一切情況契合的最簡單的解釋。這一理論仍然不像許多人所期待的那般簡潔，且依然顯得有些牽強(qiáng)，但正如所有的杰出理論一樣，它可以用對于真實(shí)宇宙的進(jìn)一步觀測來加以檢驗(yàn)。超新星在這個故事中擔(dān)任的角色是標(biāo)準(zhǔn)燭光，我們可以借由它們來測量宇宙中的遙遠(yuǎn)距離。Ⅰ型超新星的亮度并不完全相同，但通過它們達(dá)到峰值后逐漸變暗的方式，我們可以推斷出它們的最高絕對光度。天文學(xué)家可以首先觀測距離已知的近鄰星系中的Ⅰ型超新星，當(dāng)在極遙遠(yuǎn)的星系中也探測到Ⅰ型超新星的存在時，再通過將其視亮度與近鄰超新星的視亮度相比較，計(jì)算出極遙遠(yuǎn)星系中的這顆超新星的距離。這種測距方式的難點(diǎn)在于尋找極遙遠(yuǎn)星系中的超新星，而直至1998 年，探測技術(shù)才發(fā)展到足以完成這項(xiàng)任務(wù)。彼時，有兩支科研團(tuán)隊(duì)運(yùn)用最新技術(shù)對同一現(xiàn)象進(jìn)行了獨(dú)立研究。幸運(yùn)的是，他們得到了同一個答案。在這兩個國際團(tuán)隊(duì)中，一個團(tuán)隊(duì)使用位于夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck telescope），另一個團(tuán)隊(duì)則在澳大利亞的斯特朗洛山天文臺（Mount Stromlo Observatory）與賽丁泉天文臺（Siding Spring Observatory）進(jìn)行觀測。他們測量了極遙遠(yuǎn)星系中數(shù)十顆Ⅰ型超新星的亮度，并將推斷得出的距離與那些星系的紅移進(jìn)行了比較。在將根據(jù)近鄰星系計(jì)算出的哈勃常數(shù)運(yùn)用于極遙遠(yuǎn)星系后，他們發(fā)現(xiàn)極遙遠(yuǎn)星系的視向退行速度要比此前預(yù)期的數(shù)值略小一些。這意味著宇宙的膨脹是在加速而不是在減速。重點(diǎn)在于：對于近鄰星系而言，我們觀測到的是它們不久之前的狀態(tài)；而對于遙遠(yuǎn)星系而言，我們所觀測到的卻是它們在遙遠(yuǎn)過去的狀態(tài)，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光經(jīng)過相當(dāng)長的時間才到達(dá)我們。近鄰星系相互遠(yuǎn)離的速度比遙遠(yuǎn)星系相互遠(yuǎn)離的速度更快，這說明宇宙正在以愈來愈快的速度膨脹。單就其本身而言，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)已然足夠引人關(guān)注。然而，更加令人驚嘆的一點(diǎn)是，與觀測結(jié)果相匹配所需的宇宙斥力的大小，恰好也可以提供使宇宙平直所需質(zhì)能的大約70%。美國夏威夷州冒納凱阿火山凱克天文臺的兩架巨型望遠(yuǎn)鏡。這兩架望遠(yuǎn)鏡各有一面直徑為10 米的物鏡 在做出上述發(fā)現(xiàn)之后，依然留有一個不確定的問題，即宇宙是否確實(shí)如暴脹理論所預(yù)言的那樣是完全平直的。新發(fā)展出的技術(shù)再一次提供了檢驗(yàn)預(yù)言的方法。在空間中傳播的輻射會受到空間曲率的影響，而且其傳播的距離愈遠(yuǎn)，所受的影響便愈大。宇宙微波背景輻射在空間中傳播的時間，比人類所能探測到的其他任何輻射都要更長。因此從原則上說，來自天空不同區(qū)域的這種輻射之間的精確變化斑圖，便能揭示從宇宙大爆炸的“火球”開始直到我們這個跨越140 億光年空間的位置的空間曲率。20 世紀(jì)90 年代末，由熱氣球攜帶升入高空的儀器所能探測到的宇宙微波背景輻射中的波動，是宇宙背景探測器所能探測到的最小波動的1/35。2000 年公布的兩次熱氣球探測任務(wù)的結(jié)果顯示，宇宙是平直的，誤差在10% 以內(nèi)——這意味著Ω 介于0.9 與1.1 之間。鑒于已有明確證據(jù)表明使宇宙平直所需的質(zhì)能中只有大約30% 以物質(zhì)的形式存在，這意味著該質(zhì)能的大約70% 必然是以能量形式存在的——這與對超新星的研究所得出的結(jié)果相一致。人類由此獲得了強(qiáng)有力的證據(jù)，無論愛因斯坦是否愿意接受，宇宙學(xué)常數(shù)都是真實(shí)存在的。暴脹理論的所有組成部分——宇宙中物質(zhì)的總量、超新星研究所要求的加速度、通過測量宇宙微波背景輻射而揭示出的宇宙平直性，它們之間的緊密契合使暴脹理論成為21 世紀(jì)初毋庸置疑的最佳宇宙學(xué)理論。它提供了一種方法來解答最后一大謎題：為何宇宙并不是完全均勻的，而是存在足夠大的不規(guī)則度，從而使人類的存在成為可能呢？真空的能量來自何處？根據(jù)量子物理學(xué)，真正意義上的“真空”并不存在，因?yàn)檎嬲摹罢婵铡币竽芰恐禐榱?，而量子物理學(xué)最為著名的定律之一——海森伯不確定性原理（Heisenberg uncertainty principle）指出，任何事物都不可能有一個精確的值——不僅我們不可能精確地測量事物，而且宇宙中完全不存在絕對的精確性。由此而論，在任何微小的空間里，時間與能量之間都存在著一種平衡。被稱為“虛粒子對”（virtual particle pair）的粒子可以（事實(shí)上是必須）從無到有地憑空出現(xiàn)，前提是它們會在一段確定的時間內(nèi)相互湮滅。具體時間限制由虛粒子對的質(zhì)量決定——虛粒子對的質(zhì)量愈大，其能存在的時間便愈短，但測量表明這段時間始終是遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于1 秒的。這些粒子的存在仿佛是趁宇宙“不注意”一般，一旦宇宙有時間“發(fā)現(xiàn)”它們的存在，它們便會再次消隱于虛空。德國物理學(xué)家沃納·海森伯（Werner Heisenberg） 提出的不確定性原理可能是理解宇宙誕生的關(guān)鍵上述這種現(xiàn)象的結(jié)果是，空間成為由虛粒子構(gòu)成的沸騰泡沫，且空間由此獲得了能量與結(jié)構(gòu)。正是這種能量提供了向外的宇宙斥力，而與這種能量相關(guān)的質(zhì)量則完成了使宇宙變得平直的任務(wù)。我們有必要順帶一提，宇宙中各種形式的質(zhì)能相加正好能使宇宙變得平直（Ω 等于1），這一點(diǎn)并不是巧合。暴脹推動宇宙趨向平直，因此可供轉(zhuǎn)化的質(zhì)能便只有這么多，分別以重子、熱暗物質(zhì)、冷暗物質(zhì)與暗能量的形式存在。這正仿佛將水從一個1 升的容器中倒入各種各樣的瓶瓶罐罐，無論水是以何種比例被分配至不同容器的，水的總量都始終等于1 升。盡管量子漲落通常是轉(zhuǎn)瞬即逝的，但它們應(yīng)該已經(jīng)在宇宙中鐫刻下了自己的印記。量子漲落不僅發(fā)生在極短的時間內(nèi)，而且也發(fā)生在極微小的距離尺度上，這是因?yàn)檫@種現(xiàn)象所涉及的真空中的擾動在被迫消失之前沒有時間傳播較遠(yuǎn)的距離。早在宇宙的最初階段，即第一普朗克時間之后、暴脹開始之前，便已經(jīng)有量子漲落發(fā)生了。在暴脹開始支配后來的整個可觀測宇宙時，可觀測宇宙所有的質(zhì)能皆被困在一粒直徑僅有10-25 厘米的微小“種子”內(nèi)部。這一長度是普朗克長度的1 億倍，然而依然只相當(dāng)于質(zhì)子直徑的一萬億分之一。縱然是這樣一粒小得難以想象的“種子”，也已經(jīng)大得足以容納量子漲落，量子漲落涉及的是能量場（正如電磁場一樣）而不是粒子。綜上所述，真空的結(jié)構(gòu)是不斷變化的，不過這種結(jié)構(gòu)始終符合一種特定的統(tǒng)計(jì)模式。隨后，暴脹發(fā)生了，宇宙“種子”中的一切都被遽然撕裂并廣泛擴(kuò)散。在這一過程中，暴脹開始那一瞬間種子內(nèi)部正在進(jìn)行的一切真空中的量子漲落，都被“凍結(jié)”在迅速膨脹的“種子”結(jié)構(gòu)中，并隨著空間的膨脹而被極大地拉伸。在暴脹期間，宇宙事實(shí)上在以比光速更快的速度膨脹（這完全是愛因斯坦的方程所允許的，因?yàn)椴荒艹^光速的只有在時空里的運(yùn)動），而最后一刻量子漲落的模式被永久地鐫刻在從“宇宙火球”中涌現(xiàn)出的“騰騰熱氣”里。量子漲落有一種被稱為“標(biāo)度不變性”（scale invariance）的統(tǒng)計(jì)模式，因?yàn)閺慕y(tǒng)計(jì)學(xué)意義上來說，量子漲落在所有尺度上看起來都是一樣的：倘若從整個畫面中截取一部分并將其放大，那么局部畫面看起來雖然并非與原圖完全一致，但就熱點(diǎn)與冷點(diǎn)的排列而言，卻與原圖具有相同的統(tǒng)計(jì)外觀。宇宙背景探測器與后續(xù)的其他類似衛(wèi)星在宇宙微波背景輻射中探測到的漣漪，正有著與此完全相同的標(biāo)度不變性，只不過在這一例中，此種模式呈現(xiàn)在數(shù)億光年的范圍里，而不是局限在一個直徑僅相當(dāng)于質(zhì)子直徑的一萬億分之一的球內(nèi)。我們?nèi)祟愐彩沁@種模式的一部分——生命也是時間誕生不久之后發(fā)生的量子漲落鐫刻在宇宙中的結(jié)構(gòu)的一部分。分形圖案中的每一個較小組成部分在放大后都可以重現(xiàn)整個圖案
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