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1、宇宙边缘的黑暗很多领域的研究者都非常想直接目睹过去的情景，但是他们通常只能通过风化的化石、腐烂的羊皮纸或是木乃伊遗体拼凑起遥远过去的信息。而宇宙学却截然不同，这一学科研究的是宇宙的起源和发展，实际上在这一领域，我们可以直接见证历史。人们肉眼所看到的点点星光是几年前或是几千年前射向我们的光子，效力大的望远镜发现远处物体所发射的光向我们这里走过的时间远远超过几年或几千年，有时甚至长达数十亿年。我们看到的远古的光线实际上是远古的时间。过去十年对于这些远古星光的观察不仅为宇宙的过去提供了很深邃的见解，而且对于宇宙未来的本质也提供了深刻的见解。由于一种叫做“暗物质”的物体，这些数据所提供的未来尤其令人不
2、安。发现暗物质的故事从一个世纪以前开始，当时阿尔伯特爱因斯坦认识到空间并非艾萨克牛顿所预期的那样一成不变，恰恰相反，爱因斯坦通过自己研究的广义相对论发现，空间和时间可以扭曲和旋转，其反应的状态就像孩子跳跃的蹦床一样。实际上，空间的可延展性极强，按照数学上的推理，宇宙的大小是随着时间进行必要的改变的，空间的结构一定是在膨胀或是收缩，总之不可能完全不变。对爱因斯坦来说，他无法接受这一结论，他已经花了十年艰难的时间来发展相对论，寻找对于重力更好的理解方式，但是对他来说，宇宙膨胀说或是宇宙缩小说的观念似乎完全错误，因为它公然违背了人们最普遍的知识-即宇宙是固定不变的。爱因斯坦迅速做出了回应，他修改了相
3、对论的方程式，以便数学结果可以产生出不变的宇宙。如同拔河中的僵持阶段一样，静态的局面需要相等而且相反的作用力来抵消彼此的力量。对于很远的距离以外，形成宇宙的力就是重力的引力，所以爱因斯坦推论出需要一个与引力相排斥的反作用力。但是这会是什么力呢？爱因斯坦惊讶地发现，自己简单地修改相对论的方程式需要反重力，反重力的概念将令牛顿非常惊讶-因为反重力是在推动对方而不是吸引对方。像地球和太阳这样普通的物体，只能产生引力。但是数学公式表明，在更远的地方，就像桑拿房中充满蒸汽一样，有一种能量可以产生重力的反作用力，这种能量均匀地充斥着太空，只是我们无法看见。爱因斯坦把这一充满太空的能量称为宇宙常数。他还发现
4、只需微调一下宇宙常数的数值，其产生的斥力就能精确地抵消恒星和星系所产生的引力，从而产生静态的宇宙。爱因斯坦不禁如释重负地叹了口气。然而十二年以后，爱因斯坦却对自己引入宇宙常数的概念后悔不迭。1929年，美国天文学家埃德温哈勃发现所有远处的星系都在向远离我们的方向奔去，宇宙星系大批离去可以直接从广义相对论中得到最佳解释：就像正在烘烤的松饼上的罂粟种子在面团膨胀后互相分离一样，太空星系也互相分离。哈勃的观察建立了一个概念，没有必要设置宇宙常数，宇宙不是静止不变的。如果当初爱因斯坦相信自己广义相对论的最初数字，他可能早在宇宙膨胀这一发现的十多年以前就做出空前宏伟的预言-宇宙在不断膨胀。如今，他却只能
5、自己舔伤复原，迅速在广义相对论的方程式中取消宇宙常数，据一位他颇信任的同事说，他称其为自己一生中最大的错误。但是宇宙常数的故事还远远没有结束。到二十世纪九十年代，我们发现两组天文学家煞费苦心，精确观测到了远处的超新星（极其明亮的爆炸的恒星，在宇宙中可以清楚看到），这可以确定空间的膨胀率在宇宙历史中的变化，研究者们预期夜空中物质的引力将令膨胀变慢，就像地球的重力使得抛向空中的球速越来越慢，通过见证远处的超新星，这些宇宙的明灯与在过去的不同时段宇宙的膨胀率，两队宇航员寻求对这一计算定量研究，但是，天文学家们在分析数据时，吃惊地发现膨胀率没有减慢，而是加快了速度。这就好像从你的手中抛出一个球，球速越
6、飞越快，你会做出结论，有什么力量在向远处推球。天文学家同样做出结论，太空中一定有什么力量在向远处更迅速地推动各个星系，仔细研究这一情况后，他们发现这一推力更有可能来自一个宇宙常数的斥力。爱因斯坦在引入宇宙常数的时候，已经预期到了其数值，于是为了正好平衡普通引力进行了微调，但是其他数值是准确的，宇宙常数的斥力可以超过引力，并且产生了人们所观测到的太空加速膨胀。如果爱因斯坦现在还在世的话，他关于斥力是大自然的保留剧目的发现很可能让他再获一次诺贝尔奖。尽管爱因斯坦的“坏理念”也被证实很有预见性，这实在有些不寻常，但是围绕着宇宙常数还有很多令人困惑的问题，如果太空中充斥着看不见的能量，它们从何而来呢？
7、这种暗物质（按照现代通行的说法）是太空中永存的吗，还是随着时间变化而变化力量呢？也许最令人困惑的问题是数量的细节。最精确的计算太空中充斥的暗物质的尝试也和巨大的因数测量值10123(即1后面有123个0)不相配，这是科学史上理论和实践最大的错配。这些是当今最深奥的谜团中最重要的问题，但是在这些谜团的旁边就是一个无懈可击的结论，也是特别令人不安的结论。如果暗物质没有随着时间的发展而递减，那么加速膨胀的太空将丝毫不减慢速度，让远处的星系飞得越来越远。千亿年之后，不在我们附近的星系都将随着扩张的太空飞走，它们离我们太遥远了，飞行速度比光速还快（尽管光速在太空中速度最快，而太空膨胀的速度却没有极限）。
8、在这场穿越迅速变宽的鸿沟的战争中，这些星系所发出的光线也必输无疑。光线将永远无法到达地球，不管我们将来的望远镜有多么先进，所有星系将永远超越我们的视线之外。 正因如此，当未来的天文学家遥望天空时，他们将再也无法见证历史了。因为历史在太空的悬崖边飘然而去，他们所观测到的除了一望无际的黑色寂静之外将一无所有。如果很久以后的天文学家们拿到了我们这个时代所记录的信息，证实宇宙是充满星系的膨胀物，他们将面临特殊的选择：他们应当相信关于宇宙“原始的”知识，与他们几十亿年来所看到的不一致的知识？还是应当勇敢地聚焦自己的观察，为只有在黑暗的大海中飞行一小群星系，孤岛一样的宇宙寻找种种解释，而我们很清楚这一宇宙
9、的概念是完全错误的？ 如果未来的天文学家没有我们的记录，可能因为他们所处的行星已经是在夜空一片黑暗很久以后，那又如何呢？对他们来说，宇宙是膨胀充满星系的膨胀物这一概念将完全是理论概念，没有一点实证。我们很习惯这样的概念，只要努力工作，专心致志，就一定会穿越障碍，充分了解现实，证实自己的理解。但是遥望星空，我们却只能捕捉到一点点光子的信息，这些几十亿年前宇宙发射的电报。这信息像回音一样穿越几十亿年，依然清晰如昨日。有时候大自然紧紧守住自然法则的秘密，而有的时候现实的本质就在地平线处向我们招手。Related Reading 超越爱因斯坦的宇宙1.“超越爱因斯坦”项目为理解空间、时间和物质的关联方
10、式，爱因斯坦及其追随者提出了三个预言。第一，宇宙源于大爆炸，并通过不断膨胀而形成；第二，空间和时间连成扭曲的节，这些节被称为“黑洞”，黑洞内时间会停止；第三，空间本身含有分裂宇宙的某种能量。在最初提出这三个预言时，每个都很不可思议，甚至于包括爱因斯坦在内的所有人都认为不可能。令人难以置信的是，这三个预言都已被证实。然而爱因斯坦贡献是一个难以理解的迷，因为他的理论无法解释他的惊人预言所引出的三个问题：（1）什么引发了大爆炸？（2）在黑洞边界空间、时间和物质会发生什么？（3）分裂宇宙的神秘暗能量是什么？为找到答案，我们提出了“超越爱因斯坦”项目。答案需要新理论来解答，例如宇宙膨胀说和高能粒子理论的
11、新见解。这些现代理论正如爱因斯坦的理论一样，做出了让人难以相信的惊人预言：不可见的维度和超越我们之外的完整宇宙。面对和引导这些新理论，我们必须找出证据，而现在强大的新技术使这成为可能。这就是启动“超越爱因斯坦”项目的原因。通过探索这三个问题，即爱因斯坦的贡献，我们迎来了探索宇宙的又一次革命。通过应用观测结果及跨宏微尺度新观点，我们可以描绘出未来发展的蓝图。2. 什么引发了大爆炸？在过去十年里，大爆炸留下的辐射残骸图已经展示了最初印在宇宙上的褶皱。引力牵引这些褶皱形成了含有星星和星系的凹凸不平的宇宙和我们今天看到的星系群。然而尚未解答的问题是：宇宙的雏形为什么是如此光滑的，最先留下这些小却非常重
12、要的褶皱的是什么。爱因斯坦理论是大爆炸模式的基础，但却无法解释这些问题甚至最简单的问题：什么引发了大爆炸（图1）。膨胀宇宙学解释了宇宙很光滑的原因，但还不太完善。根据计算推测，膨胀应该会产生时空的单一分子即引力子，最大引力波（在30亿年内）应该会在宇宙微波背景辐射光的偏振中留下细微图形。3. 在黑洞边界宇宙、时间和物质会发生什么？当今宇宙中最大的引力源是在星系中央、由星星分裂形成的黑洞。通过检验吸进黑洞的物质，通过倾听黑洞在时空扭曲时所产生的波，可以研究这些隐形的黑洞。X射线天文卫星的新数据表明：绕黑洞运行的气体速度接近光速，这意味着在气体进入无法逃脱的区域内，时间在放慢。超越爱因斯坦项目将调
13、查宇宙中的黑洞，详细描述在动荡的漩涡边缘空间和时间发生了什么。星群X射线天文台将有收集光子的功能，来记录进入黑洞界面的物质运动。“超越爱因斯坦”项目也将倾听引力波（由爱因斯坦所预言的新能量）所承载的时空信息。太空激光干涉仪将用于倾听黑洞融合破碎以及空间物质流动所引起的噪声，这些声音将有助于揭示物质和能量转化成时空弯曲的机制。引力波的测量将提供一种理解黑洞附件空间和时间行为的新方法，并带我们到达理解时空奇异的新领域。4. 分裂宇宙的神秘暗能量是什么？二十世纪九十年代标志性的发现是：宇宙在加速膨胀。反引力这种神秘力，源于我们所称的“暗能量”。因为爱因斯坦最初认为宇宙是静止的，他推测即使在没有物质和
14、辐射的绝对真空中仍可能存在暗能量，他称之为“宇宙常数”。当哈勃望远镜发现了宇宙膨胀时，爱因斯坦否定了自己的观点，称之为最大的失误。当理查德費曼和其他人建立物质的量子理论时，他们意识到“稀薄空间”充满了不断形成和泯灭的暂态分子。物理学家开始怀疑，事实上一定存在暗能量，但还无法预测其大小。通过最近对宇宙膨胀的测量，宇航员们发现，爱因斯坦的“失误”并非失误：某种形式的暗能量确实存在着，主导了宇宙的整个质量能量分布，而且暗能量所产生的力在分裂宇宙。5.“超越爱因斯坦”项目的技术路线“超越爱因斯坦”项目试图从两个方面推动科技进步：直接探测大爆炸最初留下的引力波信号，以及为黑洞视界成像。项目的核心在于爱因斯坦的两个天文观察装置，星群X射线天文台和太空激光干涉仪。这些功能强大的装置将为解答黑洞、大爆炸和暗能量问题开辟新路。项目还包括了一系列精选的爱因斯坦探测器，每个都着重解决一个科学问题，以及一个包含技术提升、理论研究和教育的项目，为探测器和两个天文台提供支持。超越爱因斯坦项目将进行开天辟地的科学研究，以达到激发公众的目的。1
