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类星体的发现，导致了恒稳态理论的倒塌。二十年时间，技术进步就让一个主流理论失效了。 还没完，1965年贝尔实验室的天文学家彭齐亚斯和威尔逊利用自己设计制造的射电望远镜观测银河系气体云发出的无线电信号，注意到了一种无法消除的、来自天空各个方向的噪声。 在日常学界电话交流中，他们把这个恼人的问题说给了普林斯顿大学的物理学家罗伯特·迪克，迪克恰好就是那个继续验证伽莫夫猜想——宇宙大爆炸时产生的微波背景辐射——的专家团队领导人。 迪克的团队当时正通过搜集二战遗留的雷达设备组装成了一个射电望远镜——想想也真不容易，这些科学家不仅要构造理论、大量计算，还得会动手组装机械——这恰恰是美国人的长项，几乎所有的美国人，都乐于且善于自己动手干身边可能涉及到任何机械的、手工的活。 不过迪克毕竟在大学，资金也好，设备渠道也好，都不及贝尔实验室，所以他的射电望远镜怎么也无法做到消除地球大气层自身的噪声。能够做到这一点的，恰好又只有彭齐亚斯和威尔逊那台。 什么都是“恰好”，看起来是偶然，偶然背后就是极其复杂的必然。 基础科学的进展，绝不仅仅是国家科研项目和资金投入的问题，关键在于环境、条件和氛围。 想想，如果没有如此之高的顶尖级科学家的集中度，大家恰好都在一个圈子里研究各种问题，随时探讨交流就可以有所发现，如果没有自小培养动手能力的氛围，怎么能恰好让能够发现微波辐射的一批人，与正在研究大爆炸背景辐射的人碰到一起呢？ 迪克听到彭齐亚斯的叙述后，几乎是在一秒钟之内就确定，那就是他要找的东西。 找到了信号，接着就要分析信号背后的本质——宇宙深处的量子涨落。简单说，大爆炸在极微观层面就是粒子的振动——量子涨落，这种涨落当然也就是一种波，也正是这些细微的涨落起伏，造成了宇宙初期和后期各部分的些微差异，这些差异就成了星系乃至生命的起源。 这样细微的信号，可不能光从地面去观测，这就需要能够更多排除地面噪音的卫星来观测。 这个观测结果终于在上世纪90年代初由美国的COBE卫星绘制出来，就是我们今天看到的那个椭圆形的宇宙背景辐射图景——那就是万物的样子。 而且测试出来背景辐射的温度为2.7开尔文度，与伽莫夫半个世纪前计算的5开尔文度相当接近。  背景辐射的发现，与大爆炸理论契合度相当之好，至少证明了曾经存在过宇宙的暴胀，也能解释何以会出现物质分布的差异。 好像大爆炸理论有了相当的支撑。不过，在当代看来，大爆炸仍然有三个问题无法解决，而且貌似观测与理论预测还出现了不小的差异： 其一是之前提到过的，暴胀那么快，为什么宇宙却各处都很均匀，没有出现褶皱？暴胀那么快，何以又能出现物质结构的形成？ 其二是暴胀过程中，时间和空间产生并且瞬间被拉扯扩大，量子涨落幅度很大，应该会有引力波的大幅震荡，而且这一波动还应该留在现存宇宙中，可以被观测到（这一点在2019年实现了）。 其三是大爆炸理论预测的锂原子数量，与现有的观测差异非常之大，几乎无法解释为何锂的同位素会有如此之大差异的比例。 为了解释，大家开始给理论打补丁。 这在历史上已经重复发生过很多次——其实，从简洁优美的角度来讲，一个理论到了需要打补丁，不停打补丁的阶段，也就到了该被抛弃的阶段了。 作者举例了经典的打补丁——以太。以太这个东西的出现，就是为了解释当认定光是一种波，那么光波是在什么载体里传播，被创造出来的概念。 直到20世纪初期，迈克尔逊和莫雷的实验，以及爱因斯坦重新证明光也是粒子（之前牛顿的观点），才让人们意识到，以太完全是人造的概念，并没有这么一个事物存在。 大爆炸理论为了解释无法解释的问题，也被科学家们打了补丁，两个著名的补丁——其一是暗物质，其二是暗能量 稍微了解物理学的人都知道暗物质和暗能量，需要提示的是，这两个东西本质上和之前的以太一样，其实只是概念，至今也没有找到观测证据，也无法做实验来证明。是可以随时被抛弃的。 众所周知，暗物质最早提出，就是为了解释一些遥远星系中，按照能观测到的星体数量和质量，不足以产生足够的引力，来吸引星系中所有高速运动的星体（按照观测到的速度和质量，这些星体早就应该四散逃窜掉了，何以还能被吸引在一起构成星系）这个问题。 于是只好设想有一些我们看不到的物质，有质量，产生了额外的引力。 暗物质用以解释大爆炸之后暴胀阶段，宇宙何以能产生物质聚集。
那么暗能量解释啥呢？解释何以宇宙始终都能快速膨胀下去。按照相对论，宇宙膨胀到一定阶段，最初爆炸时的动量会耗散殆尽，然后开始收缩，最终塌陷成一团。为啥宇宙还没有这样呢？ 爱因斯坦弄不懂，他比较喜欢一个恒稳态的宇宙，于是在他的方程中加入了宇宙常数λ，来维持宇宙的均衡。 后来他发现这是一个巨大的错误，因为观测证据表明，宇宙一直在膨胀。不过，到当代，大家又发现还是需要爱因斯坦的这个补丁常数，干嘛呢，用以解释何以宇宙始终在加速膨胀！ 补丁补丁。 再有一个问题就是，虽然微波背景辐射来自大爆炸初期，但它并非是自大爆炸那一瞬间产生的。 从大爆炸开始，到光子可以直线穿行于宇宙，之间还间隔了38万年之久，在这38万年中，宇宙充满了质子和电子冲来撞去的，光子无法在期间穿行。 一直到38万年之后，宇宙冷却到了3000℃，原子开始形成，才没有了那么多电子乱飞，光才得以穿行——一直持续到今天，这第一束光被拉长了1000倍，成了今天的背景辐射。（这一部分，敝号在去年随笔《大宇宙》中详细论述过） 所以，背景辐射本身也无法再回溯到宇宙最初的38万年。要知道那38万年的事，还得找到一些更精妙的东西。 这个精妙的东西，就是引力波。记得吧，引力波其实是人们质疑大爆炸理论的地方——大爆炸一定会产生引力大幅震荡，这个波幅也一定会持续到今天，比那第一束光早上38万年，要能观测到引力波，才能说明真有大爆炸那一瞬。 2002年美国的LIGO引力波探测项目启动，在相隔3000公里的汉福德和利文斯顿两地建造了LIGO和LISALIGO两个激光干涉测量仪。 这样的距离保证了同一束引力波对两地会有些微不同的影响。探测仪的原理是这样的：一对真空管道，成L型直角对应，各长4公里，然后各自一端发射激光，激光在管道中来回75次再相遇。 在这个过程中，受到引力波的干扰，激光来回75次相遇之后产生的干涉条纹（想想托马斯杨的双缝干涉实验）会有发生偏移。 测试了十三年之后的2015年，终于排除万难探测到了引力波的存在。引发了2016年中国的引力波热。这本书写成的时候，还未探测到引力波，所以作者也表示怀疑，也许引力波也只是个假设而已。 所以，大爆炸又获得了一个支撑证据。 不过，有关一切始于一个点的观念，仍然存在一个难点——四种力的统一，就是著名的引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。其中强力和弱力，都是原子核力，弱力就是衰变时的力，强力则是把粒子结合为原子的力。 几个带有正电的质子何以能够紧密结合，这其中的力之大，难以想象——记得敝号是在前年随笔的《神秘的量子生命》中详述过其中的解释，量子力学中的隧穿效应，才能较好地解释这种结合力——微小的粒子可以借助量子概率的效应突破屏障出现在任意地方。 后来，量子力学解决了电磁力和核力的统一，唯独无法解决引力——引力作用于宏观世界，而且是经典力学，只有相对论能加以解释——这就是为什么说，狭义相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，实际是因为只有用两个不同的理论才能解释不同的力。 但毕竟是要统一的——宇宙不是始于一个点吗，难道起初就有两种力吗？ 这就是弦理论，也就是M理论的起源。它是用来统一引力与量子力的，而且也是所有理论中，唯一起源于数学而非观测和经验的理论——它来源于欧拉方程，仅仅是因为形式接近，能够更好的描述弦的振动。 后来弦理论自己又分裂成5种不同的弦理论来解释，为了统一这5种不同的弦理论，又出来了膜理论，把5种弦统一为膜。M理论要求的不止是3维世界，也不是加上时间的4维，而是11维。 膜理论的好处是把宇宙视为一张漂浮在四维空间中的橡皮膜，其它维度都蜷缩在一起。 膜是寒冷的、死寂的，三种力都在膜以内蜷缩，唯独有引力会从膜上渗透出来，对其它宇宙膜发生吸引，然后可能会与其他宇宙膜发生碰撞，砰！大爆炸发生。 之后，膜慢慢冷却，归于死寂，直到下一次引力造成的宇宙“车祸”再次发生。 谁能想象11维的世界。这些维度实际上都是数学抽象，到实际中，M理论家们只能解释有6个-7个维度蜷缩起来了。这让M理论只能是一种直觉抽象，说实话，M理论至今也没有能提出一项可经实验验证的预测，它一直都是在解释其它理论已经预测和证实的结果。
大爆炸之所以能发生，是通过对黑洞的研究得出一些线索的。黑洞与之前的暗物质一样，也只是概念和推测，并没有确实的观测证据。 最早提出黑洞概念的，是1783年的英国天文学家约翰·米歇尔——他提出黑洞概念的同时，美国刚刚产生第一部宪法。 他想法也挺简单，因为他在思考逃逸速度——比如一个物体要脱离地球引力的速度，他测算出来是11.2公里/秒，也就是40000公里/小时。接着他继续思考，比地球更大的星体，逃逸速度会是多少，一直思考到，有没有一种质量大到逃逸速度必须超过光速的星体——那意味着连光都逃逸不了，就变成一个黑色的恒星了。 1916年躲在一战战壕里的史瓦西使用相对论计算出了史瓦西半径——存在质量大到光也逃逸不了的星体黑洞——他测算的就是质量可弯曲空间，质量大到空间弯曲成闭环，光就无法脱离表面。 任何拥有巨大质量的恒星，受引力拉扯，物质会不断聚拢集中，但同时又受到恒星内部核反应的排斥力影响，所以恒星会保持一段时间的蓬松状态——就像现在的太阳这样。到内核反应耗尽，引力就会占据上风，开始塌缩。 根据泡利不相容原理，粒子太过靠近的话，需要拥有不同的速度，这样又再次产生斥力，体现到宏观层面，就是恒星塌缩一段时间之后会变成超新星爆发，超新星爆发就是宇宙产生新物质的主要方式。 并不是所有的恒星都会变成超新星——这类恒星一般至少要是太阳的1.5倍以上规模才行，没有达到这个规模的恒星，引力仍然超过斥力，会继续塌缩，直至变成黑洞。 接下来人们继续设想，黑洞其实并没有停止，还在继续塌缩！到极致密，极压缩阶段，再次发生大爆炸——也许这就是宇宙大爆炸的来源。 不过这样一来，我们的整个宇宙其实就相当于存在于一个巨大的黑洞中，与世隔离。没有理由否认，可能存在许许多多个其它的黑洞宇宙，大家相互隔离，无法知道对方的存在——平行宇宙就此而来。 与M理论、弦理论和广义相对论并行的，还有一个独立试图统一引力与其他三力的理论——圈量子引力论，loop quantum gravity。 在圈量子引力论的宇宙图景中，大爆炸的发生就像是一块在量子视角下乱糟糟皱成一团的弹力布，然后嘣地一下抖愣开了。这么一弹开延展，宇宙把之前的性质全都抛弃了，新的性质和物质又再次生成。 接下来很多就是纯粹的数学想象了。 美国当代著名的理论物理学家约翰·惠勒，展现出了一个富具想象力的学者能提出些什么好玩的东西。惠勒是当代伟大的物理学家理查德·费曼的老师，费曼是量子电动力学（QED）的开创者。敝号将推出费曼传记的随笔。 我们今天熟知的“黑洞”、“虫洞”、“白洞”、“万物源于比特”这些概念和说法，均是惠勒构想出来的。 惠勒甚至构想，我们所经历的一切不过就是一连串的信息而已，从逻辑上来讲，整个宇宙的存在时间也可以不超过10万年——即人类大脑具备观测和思考能力的时间——所有的一切有可能都是我们观测和思考的结果。 万物源于比特这个想法，其实在某种程度上与牛顿的机械宇宙观类似，牛顿一直认为我们只要掌握了此时宇宙的全部状态，就可以预测未来任一时间的状态。法国的拉普拉斯也这么认为。 唯一的问题是，我们需要掌握的状态信息，实在是太庞大了，不仅很难全部收集到，也很难全部同时观测到——这超出了我们所知的计算能力，设想一下每一个粒子的速度和位置。因此，我们只能采用概率的方法来计算——这就是量子比特理论的起源。 量子比特的一个结果就是量子计算机，采用量子算法可以把计算机的处理能力提升到一个不可想象的地步。这意味着量子计算机可以把宇宙模拟到极其精细的地步——宇宙也许可以网格化到普朗克长度。 有两个重要的科学观念值得重提一下： 第一，科学最大的长处在于它能够洞察自身的局限，科学理论从来不会说自己遍及宇宙无所不能，只要不能通过实验或观测数据加以验证，那就不是科学。 所以，科学并没有权力和优势去评论宗教，宗教也不会试图去影响科学，由于信仰无法被证实或证伪，所以科学不会去评价信仰，也没有什么科学的信仰。就科学而言，这种情况没有意义。 第二，一个理论是否在价值观上、在哲学上讨人喜欢，是不是容易理解，是不是符合常识，都不重要。 重要的是理论预测的结果，与实验结果相符。理论在实践、实验、观测上行得通，那么就可以被接受，即便理论看起来是荒谬的，那么你也要准备接受荒谬。 |
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