這個過程牽涉到巨大的能量。時空本身就能感受到:就像在湖表面互相圍繞轉動的小船之間產生的水波一樣,紅巨星與白矮星之間的舞蹈也引起巨大的引力波,在時空這一宇宙構造本身中波動與傳播,沖刷著周圍的天體,改變著時間與空間。
你看著那顆體積巨大的恆星越來越多的物質掉落到白矮星的表面,明顯感覺到某些不同尋常的事就要發生。你是對的。白矮星的確收穫了許多質量,到達了太陽質量的140%,一個質量門檻。越過這個門檻之後,白矮星自己核心的壓力突然大到以一種新的劇烈到超乎想象的鏈式反應,給自己帶來了非凡的死亡。一眨眼間,它炸了開來。這種爆炸所發出的亮度超過太陽五十億倍。真是讓人印象深刻的告別演出。
這種爆炸形成了所謂的ia型超新星。在所有星系中,它所發生的頻率都是大概一百年一次。對於我們來說,它們是一種非常方便的工具,因為它們都很相似,甚至一模一樣:它們的發生總是在一顆白矮星吞噬另一顆恆星後質量超過了太陽質量的140%,因此它們永遠放射出同樣亮度的光——五十億個太陽所發出的光被合併在一個不比我們地球大多少的小點上。它可比造父變星亮多了。這個特點讓它們成為照亮我們宇宙最遠處的理想的蠟燭,我們可以藉此驗證哈勃的膨脹定律。
ia型超新星比其他一切天體都亮許多,因此與造父變星不同,人造的望遠鏡能將它們從遙遠的星系中分離出來。知道了它們真正的亮度,就像利用造父變星的原理一樣,科學家們就能推測出它們離我們的距離,以及它們離我們遠去的速度。
一九九八年,兩組獨立的科學家研究了這種遙遠的超新星並且發表了他們的研究結果。其中一組由美國天體物理學家薩爾·波爾馬特(saulperlmutter)帶領,另一組由美國天體物理學家布萊恩·施密特(brianschmidt)與亞當·里斯(adamriess)帶領。兩組科學家們都發現大約五十億年前,在經過了大約八十億年的正常行為之後,宇宙的膨脹開始加速。
科學界被震驚了。
你也應該如此。
不僅僅因為它們出乎意料,而且相反的結論看上去才更合理。
在大尺度上,統治所有一切的是愛因斯坦的廣義相對論,愛因斯坦的引力理論與牛頓的理論一樣,只允許物體間相互吸引。因此,充滿整個宇宙的不管什麼物質,無論是普通物質、反物質,還是暗物質,在長期看來,終會讓膨脹變慢。而不是加速。
然而波爾馬特、施密特和里斯的觀測給出了另一種結果,唯一能夠讓這種矛盾自圓其說的辦法只能是引入一種全新的東西來解釋這種加速。而且這種東西必須佈滿整個宇宙。而且它還必須具備一種獨特的性質:它必須能夠產生類似反引力的作用力,讓物質與能量之間互相排斥而非吸引。
因為某種我們尚不知道的原因,這種新的力量在大約五十億年以前超過了其他所有大尺度力量,而在此之前,它的效應是零。
這種令人迷惑不解的能量被稱為「暗能量」,而且有趣的是,為了對應它所被觀察到的效應,暗能量應該大量存在。
根據現代推測,事實上,那是一個巨大的能量。
是暗物質的量的三倍之多。
是構成我們的普通物質的量的十五倍。
因為發現了宇宙膨脹在加速而非放慢,波爾馬特、施密特和里斯獲得了二〇一一年的諾貝爾物理學獎。我們宇宙的整個能量分佈不得不被徹底重新估算。今天,依據nasa衛星的估算,我們宇宙的能量構成如下:
暗能量:72%。
暗物質:23%。
我們已知物質(包括光):4.6%。
你在自己整個旅程中所看到的一切只佔我們整個宇宙所含物質總量的4.6%。其餘的都是未知。
與暗物質不同,很久以前,就有人推測了某種型別的暗能量的存在。大約在一百年前,作出這個推測的就是愛因斯坦本人。他甚至稱此為他自己「最大的失誤」,雖然在今天看來,他的失誤在於把這個預測看成失誤。
或許你還記得,還是在第二部分裡,愛因斯坦不喜歡我們所處的宇宙正在變化、演化這種說法。他更願意認為時間與空間現在是,以前也曾經是,將來也將一定是他自己所體驗到的那樣。不幸的是,就是他自己的廣義相對論——最初所用的最簡單的形式——展現出完全另外一種影像。廣義相對論顯示時空可以——也的確——發生改變。為了給宇宙不變留出可能,他發現自己能夠通過增加一個附加項來修改自己的方程式,那是他的方程式中唯一允許的附加項。在那個時候,這是一個大膽的修改:愛因斯坦的方程式在當時意味著(現在也依然意味著)我們宇宙的區域效能量絕對對應於它的區域性幾何,因此一旦兩者中的一項能夠改變,另一個也將隨之改變。將某種新形式的能量加入到宇宙各處也就意味著改變了宇宙各處的形狀和動態。所謂能量,愛因斯坦指的是所有具有引力效應的東西,現在包括物質、光、反物質、暗物質和一切具有正常、恰當的引力吸引行為的其他所有東西。
但愛因斯坦所加入的附加項能夠具有兩種效應(吸引或排斥),具體表現出哪種效應則取決於它的值。在實體上,它與充滿了整個宇宙的能量相對應。他稱此為宇宙學常數。
有了它,宇宙能夠靜態存在,並行為合理,遵循了愛因斯坦的哲學觀。
放下心來的愛因斯坦終於能夠在晚上睡好覺了。
然而,大約十年之後,哈勃的研究將宇宙的膨脹變成了已被實驗證明了的事實。沒有所謂靜態宇宙。因此愛因斯坦放棄了他的宇宙學常數並稱它的被引入為自己最大的失誤。
大約又是一百年之後,現在看起來充滿諷刺的是,他從紙上擦去的,可能正是理論學家們孜孜以求的、解釋人類所發現的最大謎團所必需的工具:驅使宇宙膨脹加速的暗能量。宇宙學常數能帶給我們一個處於靜態的完全對立面之上的宇宙,這個宇宙正經歷著加速了的膨脹,如同觀測所證實的那樣。它能夠解決暗能量問題。剩下的唯一問題就是找到這種能量的來源。我們將在第七部分再來討論此事。
現在,我希望每個人都能犯愛因斯坦那種失誤。
不管最後暗能量是什麼東西,它的出現已經改變了我們對宇宙學的看法。在波爾馬特、施密特和里斯的發現之前,我們的宇宙被認為有兩種可能的未來,具體是哪種取決於它的總體質量。如果含有的物質太多,它的膨脹註定要在某天逆轉,引力將佔據主導,就像在每兩個現在正分開的物體之間掛有非常有力的彈簧。在這種情況下,整個宇宙將會收縮,所有一切都會以所謂「大擠壓」結束。它就像大爆炸,只是倒過來,就像你所經歷的旅程,是快進,而非回溯。
另一種可能性是沒有足夠的物質或能量防止一切彼此分離。波爾馬特、施密特和里斯所引入的暗能量顯示出這或許是更有可能發生的未來。除非某天又有什麼出乎意料的事擊中了我們的望遠鏡,不然很有可能這個反引力作用場將確保宇宙的膨脹永無止境,帶來非常寒冷的宇宙未來。兩種方式(大擠壓和凍死)都悽慘無比,我同意。但你將在接下來及最後部分中看到,寒冷而死或許也遠遠不是結束。
現在,再說一次,還有一種可能就是愛因斯坦的理論在這麼大的尺度上不適用。如果是這樣,那麼我們就不能用他的方程式來推斷暗能量的存在。就像在一顆大恆星邊上使用牛頓的引力定律會帶來錯誤的軌道一樣,愛因斯坦的方程式也很可能在某個狀態下飄離現實。到今天為止,更有可能暗能量是真實的,甚至其中還牽涉到量子效應的可能性。對於那些想把非常微小與非常巨大聯絡在一起的人來說,這是一個非常令人興奮的前景。
不管怎樣,無論它們的本質到底是什麼,暗物質與暗能量都至關重要。牛頓的引力理論讓我們在太陽周圍找到了新的行星。愛因斯坦的引力理論帶我們找到了更大的謎團。這些謎團大到包含了我們開啟大門進入極大尺度上的現實世界所需要的線索或鑰匙。
帶著這些發現帶給我們的謙遜感,現在是時候去看看為什麼廣義相對論不可能是適用於一切的理論,為什麼它預言了它自己的失敗。