第一部分　耳朵

01．我們所不知曉的物質

菲利普·詹姆斯·埃德溫·皮布爾斯是美國普林斯頓大學阿爾伯特·愛因斯坦榮譽科學教授、美國物理學會會士和英國皇家學會院士、2019年諾貝爾物理學獎得主，以及冷暗物質理論的奠基人。他緩緩地從椅子上站起來朝著對面的書架走去，并從那里取下兩個空塑料瓶。[1]

他朝著大瓶子的瓶口吹氣，一個低沉的顫音填滿了整個房間。接著，他把小瓶子放到唇邊，另一個更高的音調響起。“這是同樣的原理，”皮布爾斯說道，臉上帶著他典型的溫和微笑，“每個尺寸的瓶子都有它特有的頻率，反之亦然。”

等等，這么簡單的道理可不能讓你獲得諾貝爾獎，對吧？

嗯，如果你成功地將它應用于新生宇宙中的聲波，如果你能幫助證明星系在沒有大量神秘暗物質的情況下不能穩定存在，如果你借此為我們當前的宇宙學標準模型奠定了基礎，那就可以。

于是，在2019年10月8日星期二的清晨5點，皮布爾斯接到了來自瑞典皇家科學院的魔法般的電話。因為他“對物理宇宙學方面的理論發現”，他和另外兩個人共同獲得了總計約91萬美元的獎金，而他獲得了其中的1/2。“天啊！”他的妻子艾莉森聽到這個消息驚呼道。接著，皮布爾斯開始步行，那是他每天的日常，從家中走到位于普林斯頓大學賈德溫大廳二層的辦公室。他84歲的大腦里，思緒一片混亂。

眾所周知，詹姆斯·皮布爾斯從未想象過他會成為一名宇宙學家。他于1935年出生于加拿大的圣波尼法城，如今是大都市溫尼伯的一部分。小時候的他曾是一名小發明家，想成為像吉羅·吉爾魯斯[1]一樣的人——研究《機械畫報》雜志，制造電氣裝置，用火藥進行試驗，還愛上了蒸汽機車。哦，對了，當北極光在加拿大曼尼托巴省冬季的天空中寂靜舞蹈的時候，他總會走到屋外。而且他還知曉如何找到北極星。但那時，天文學并沒有真正俘獲他那顆精于技術的心。研究生期間第一次接觸宇宙學時，他認為宇宙學“極其枯燥，僅為了特定目的而形成，且難以讓人信服”，他曾這樣告訴天文學家馬丁·哈威特。[2]

當他于1958年秋來到普林斯頓后，情況漸漸發生了變化。皮布爾斯是著名物理學家羅伯特·迪克（Robert Dicke）研究組里的一名博士生。每周五晚上，迪克都會組織研討會。在這里，學生、博士后以及教授可以自由地討論每一個感興趣的科學話題。起初，皮布爾斯被其他人對量子物理學和廣義相對論的理解嚇到了，隨后他開始珍視這些非正式的會議，不僅是為了會后偶爾可以喝啤酒。原來，迪克對宇宙學的專注思索是可以傳染的。

1962年，皮布爾斯完成了關于“電磁力的強度是否隨時間變化”這一問題的博士論文。他繼續在普林斯頓大學攻讀博士后，與迪克以及另外兩名博士后——戴維·威爾金森（David Wilkinson）和彼得·羅爾（Peter Roll）合作。皮布爾斯在諾貝爾獎獲獎演講中展示過一張褪色的照片，照片攝于20世紀60年代，當時的他看上去又高又瘦，頭發又黑又直，戴著一副眼鏡，還穿著有著冰島特有圖案的毛衣。研究生院和在斯德哥爾摩戴黑領帶的正式場合還有著不少距離。

皮布爾斯作為物理學家、宇宙學家的生涯開始于1964年夏天的一個炎熱的日子。在普林斯頓大學帕爾默物理實驗室的悶熱的閣樓里，迪克展示了他宏偉的計劃：尋找新生宇宙遺留下來的輻射，那源自一場比任何一座閣樓都要熱幾百萬攝氏度的原始大火。科學家猜想，來自這一久遠事件的輻射就在宇宙中，只是有待發現。威爾金森和羅爾負責建造用于探測這些輻射的儀器。“皮布爾斯，”迪克問，“你何不深入研究一下這背后的理論呢？”

于是，皮布爾斯研究出了早期膨脹宇宙的熱等離子體（即帶電粒子的混合體）是如何與高能輻射相互作用并形成濃厚而黏稠的液體的，它們隨著低頻聲波晃動和振蕩，就像一鍋遠古的肉湯。接著，在大爆炸約38萬年后，溫度下降到足夠讓中性原子形成的時候，物質和輻射“退耦”了：其中一個的性質不再主宰另一個的行為。雖然現在輻射可以自由地在宇宙中傳播——冷卻下來變成迪克所尋找的微弱的宇宙背景余輝——物質卻以或高密度或低密度的圖景被留了下來：這些區域中的密度僅比平均水平高一點兒或者低一點兒，具體大小則由原始聲波的頻率決定。

大小與頻率相關，反之亦是如此，正如皮布爾斯用塑料瓶制成的樂器所做的俏皮演示那般。同樣的原理適用于大尺度的宇宙，其制造出來的暗含信息的圖景被物理學家稱為“重子聲學振蕩”。隨著時間的流逝，超密度區域的物質會進一步凝聚形成星系。這就是星系在三維空間中呈現出非隨機分布的原因：它們揭露了早期聲波是在哪里離開了最密集的物質沉積物。換言之，宇宙當前的大尺度結構是由大爆炸后不久所發生的事件決定的。

這個過程很復雜，你可以暫時忘掉它——在第17章中我們會回到重子聲學振蕩這個話題。可以說的是，在詹姆斯·皮布爾斯30歲生日的時候，他養成了思考最宏大想法的習慣——也許并不關于生命，但一定有關宇宙和萬物。你不需要等到42歲就可以這么做。

皮布爾斯甚至沒有因為無線電工程師阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）在探測宇宙微波背景輻射方面擊敗普林斯頓小組而感到沮喪。就在迪克召集他的團隊幾個月后，1964年在新澤西州霍姆德爾附近的貝爾實驗室，彭齊亞斯和威爾遜有了這一發現。“哎，小伙子們，我們被別人搶先了。”迪克在接到關于這一發現的電話后，失望地告訴他們。但是，皮布爾斯記得他當時覺得很興奮。這一發現意味著他和他的同事并不是在單純猜想，那里確實有可以研究的東西。

從那以后，皮布爾斯對就宇宙學著了迷。很快，他開始就一個曾經看起來極其枯燥和難以置信的話題進行演講。他的《物理宇宙學》（Physical Cosmology）一書于1971年秋天出版，就在他成為正教授的前一年。[3]這本書的第一版非常顯眼地擺放在他辦公桌的書架上，旁邊是一個阿爾伯特·愛因斯坦的人偶。

物理宇宙學。幾個世紀以來，不，幾千年以來，宇宙整體的起源和演化一直被視為某種形而上的東西。在不遠的過去，宇宙建立在大象和巨龜的背上，這是神的創造。但最終，神話的迷霧開始散去，這些神話故事為科學審查和物理研究讓路。宇宙學成了人們可以觸碰、參與、理解和贊嘆的東西，人們甚至可以像愛上蒸汽機車一樣愛上它。

時間向前快進半個世紀，身材高大的諾貝爾獎得主菲利普·詹姆斯·埃德溫·皮布爾斯身著藍色牛仔褲和苔蘚綠色的毛衣在電腦顯示器前彎下身子，他摘下眼鏡辨認著屏幕上的小字，搜索存檔的科學論文，迷失在歷史細節中。過去的50年里發生了這么多事！如此多的突破性發現，如此多的“死胡同”，如此多的謎題！但最重要的是，人們逐漸認識到，我們的宇宙，我們的存在，是由一種神秘的物質支配的。由于缺乏更好的理解，這種神秘的東西被稱為暗物質。借用《星際迷航》里的一句話來說：“這是物質，吉姆，但不是我們所知道的。”

是的，早在20世紀30年代就已經有了線索。直到20世紀70年代和80年代初期，暗物質才突然亮相，就像一個直到第三幕才出現的令人驚喜的主角，然后戲劇性地改變了劇本的情節。赫瑞修[2]，天堂和地球上的事物比你的哲學之夢中要多得多。

其中的細節還需要時間的沉淀（講到這之前我們還有很多頁要讀），但有許多發現只有在一個充滿暗物質的宇宙中才有意義。皮布爾斯對星系在宇宙空間中集中分布的研究具有提示性，這項工作是在天文學家有能力創建可靠的三維繪圖之前進行的。他與普林斯頓大學的同事耶利米·歐斯垂克的理論性工作似乎表明，盤星系是不可能穩定的，除非它們被巨大的暗物質暈所包圍。不久之后，華盛頓卡內基科學研究所的薇拉·魯賓和肯特·福特（也許）第一次令人信服地證明了星系外部的旋轉速度比在沒有暗物質存在的情況下快得多。

此外，對宇宙微波背景輻射——來自新生宇宙的遺留輻射——也有了越來越詳細的觀測，數據表明它就像嬰兒的皮膚一樣光滑。正是這個意外的結果使得皮布爾斯在1982年提出了冷暗物質模型。那么問題來了。要么是早期宇宙熾熱的等離子體分布得過于平滑，要么是目前宇宙的大尺度結構過于結塊。魚和熊掌不可兼得：在一個不斷膨脹的宇宙中作用的微弱的引力，永遠不會讓你從彼時彼地的光滑變成此時此地的凹凸不平。

除非暗物質是非常奇怪的東西：一種新型粒子，它對引力有反應，但對電磁力或強核力等自然界的其他基本力沒有反應。它根本不與早期宇宙的熱輻射浴相結合。它移動得足夠慢，用粒子物理學的說法就是“足夠冷”，在宇宙背景輻射被釋放之前，它就已經開始聚集成一個看不見的腳手架了。它是由陌生東西所構成的宇宙蜘蛛網，隨后吸收了陳舊的普通原子，接著繼續形成我們今天看到的發光的星系和星團。這就是冷暗物質。

物理宇宙學的理論發現是2019年諾貝爾物理學獎獲獎原因。果不其然，在皮布爾斯提出冷暗物質模型后的40年里，這一理論蔚然成風，它富有啟發性、極具成效，并成為現今宇宙學標準模型的一部分。（該模型的另一個關鍵成分是暗能量，它與暗物質一樣神秘，我們將在第16章對它進行討論。）但是，皮布爾斯不是一個愛吹噓的人，他覺得自己完全有理由保持謙虛。

他說，首先，理論發現排在“真實”發現之后。2019年諾貝爾物理學獎另外的獲獎者是天文學家米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲，他們兩人在1995年發現了太陽系外第一顆圍繞類日恒星運行的行星。這是一大發現。此外，還有2012年發現的希格斯粒子，以及2015年發現的引力波。這些都是科學家證實的原本只是（廣為人知的）猜想的重大事件。而冷暗物質理論與這些完全不同。

其次，至少在一段時間內，皮布爾斯對理論的投入比其他物理學家要少。特別是在冷暗物質模型處于早期階段的時候，他對來自宇宙學家的熱捧感到不安。對他來說，當時他并未認真看待這個模型。“嘿，我只是想解決平滑度問題，這是我能想到的符合觀測結果的最簡單的模型。是什么讓你們覺得這個模型是對的？我還能研究出其他的模型呢。”事實上，他也的確這么做了；其中一些模型根本不需要暗物質。當然，這些模型沒能經受住時間的考驗。而冷暗物質模型做到了。

再次，皮布爾斯認識到了他的模型的局限性。或許存在這樣一個美好的理論，這個統一模型既能解釋宇宙背景輻射的特性，又能解釋宇宙中星系的分布。但是，它充滿了漏洞。正如皮布爾斯向我解釋的那樣，暗物質是一個不成熟的概念。我們被這種荒謬的東西困住了，我們不得不憑空想象并親手將它加入我們對宇宙的理解中。我們需要暗物質，但我們不知道它是什么。有太多問題懸而未決。

但這并不是說我們對暗物質一無所知，它的足跡遍布各處；在后文中，我們將逐一與它們見面。而通過研究這種神秘物質是如何影響其周圍環境的，我們至少在理解其特征方面取得了一些進展。

盡管如此，有時候它看上去仍然很奇怪且令人難以置信。在天上發現新的東西并不讓人驚訝，但正如暗物質科學家聲稱的那樣，我們怎么會錯過占了所有物質中85%的暗物質呢？正如皮布爾斯所說，我們不就是用手把它放進模型中來解釋觀測結果的嗎？所有這些天體物理印記都有可能構成令人信服的證據，但我們還準備等待多久才能找到無可辯駁的證據呢？我們的解決方案中有多少人為因素？我們的理論有多少假設？

要是暗物質壓根兒不存在，又會怎么樣？

我承認，我時不時地就會處于懷疑之中。暗物質、暗能量、神秘的暴脹般的宇宙誕生、多元宇宙——看在上帝的分兒上，這一切似乎都太牽強，太虛構了。大自然不可能如此瘋狂、狡猾和殘忍，不是嗎？還是只是我缺乏想象力，無法接受大自然沒有義務滿足我的期望？我是不是像彼得·潘一樣不想長大且一直相信小叮當[3]，相信我小時候所了解的那個簡單易懂的宇宙？

問題是，僅僅舉兩個例子，我對愛因斯坦的廣義相對論（盡管我并不完全理解它）或中微子的存在一點兒也不感到震驚。假如我生活在19世紀，當我聽說相對論及其結果——黑洞、引力波、時空扭曲和時間變慢，如果沒有令人信服的證據，我還會相信這些嗎？如果有人告訴我，每一秒鐘都有億萬個不帶電的、幾乎沒有質量的粒子（也就是中微子）光速穿過我的身體，我難道不會笑出聲來嗎？但愛因斯坦1915年提出的理論在4年后得到證實，而中微子在1956年首次被探測到——那一年我出生了。這兩者都屬于我所成長的宇宙，也是我已經接受了的宇宙。至于自然中新出現的、同樣違反直覺的熱點，也許是我太保守了。

但是，我們仍需謹慎。科學家以前犯過錯誤，甚至經常犯錯。通向對宇宙更好、更完整的理解的道路上遍布著被拋棄的理論和錯誤的假設，這些理論和假設困住人們的時間超過了應有的時間。其原因是，科學家是一個保守的群體。即使面對矛盾的證據，他們也寧愿調整現有的理論以適應矛盾的數據，而不是將其丟進垃圾桶。除非有更成功的理論出現，否則就是這樣。

例如，在17世紀荷蘭物理學家克里斯蒂安·惠更斯發表他的光波動理論后的很長一段時間里，科學家假設“空”的宇宙空間必須由一種稱作“以太”的東西填充，這是一種假想的光波傳播的媒介。當后來的實驗與關于這種神秘物質的最初的簡單想法相矛盾時，物理學家并沒有拋棄這一概念，而是對其進行調整，以更好地與觀測結果相符。最終，他們使自己陷入了一個離奇的困境，在這種情況下，以太必須是一種無限的、透明的、無質量的、無黏性的又非常像剛體的流體。最后，直到1905年愛因斯坦的狹義相對論使神奇的以太變得多余時，科學家才廢除了它。

類似的事情還發生在18世紀后期，化學家不得不承認世界上不存在燃素這種東西。這種類似于火的元素曾被認為是某些物質在燃燒時釋放出來的。這些物質只在能夠釋放燃素的時候才能燃燒；“火在缺少空氣時會滅”這一事實被理解為一定數量的空氣只能吸收這么多的燃素。這一吸引人的想法在約1700年由德國化學家格奧爾格·施塔爾（Georg Stahl）提出并收獲了大量追隨者，即使實驗表明某些金屬（比如鎂）在燃燒時會變得更重——這是一個奇怪的發現，因為根據施塔爾的理論，部分物質必然被釋放。燃素的支持者簡單地得出結論：這種神秘東西的重量一定是負的！1783年，法國化學家安托萬·拉瓦錫令人信服地證明，燃燒是一個需要氧氣的化學過程，這時候，燃素的支持者終于屈服了。直到那時，氧氣的特性才為人所知。

最后，我忍不住要提一下科學家押錯賭注的一個非常著名的例子：托勒密的本輪理論。從兩個非常合理（至少對于古希臘人來說合理）的假設開始——地球位于宇宙的中心，并且天體以恒定的速度進行完美的圓圈運動——托勒密提出了他頗為精巧的地心世界觀。根據這位公元2世紀的學者的看法，一顆行星在一個小圓圈（本輪）中運動，其中心沿著一個被稱為均輪的更大的圓圈中繞地球運行。

為了與觀測到的行星在天空中的運動相一致，托勒密的模型需要大量的本輪和進一步的設計，比如均輪中心與地球有一個任意角度的偏離。盡管如此，這個復雜而煩瑣的模型仍然存在了至少14個世紀，直到尼古拉斯·哥白尼和約翰內斯·開普勒最終為我們提供了當前的日心說世界觀，在這個理論中，行星以不同的速度沿著圍繞太陽的橢圓軌道運動。

因此，我們到了這一步。我們從未真正見過暗物質，但我們認為它一定存在。然而，我們應該始終銘記，為了保持我們的理論轉盤的轉動，我們的論點中有多少無聲的假設，存在多少我們允許自己引入的對理論的修復和調整。我們不想再被本輪帶錯方向了，不是嗎？

這是一個令人不安的想法。要么宇宙中有大量的暗物質，它們令人沮喪地成功逃脫了當今超靈敏儀器的探測。要么，所有這些勤奮的科學家都是在追尋一個幻影。

吉姆·皮布爾斯不相信我們永遠都找不到一個關于暗物質及萬物理論的終極答案。他說，即使我們如今對自然有了如此包羅萬象的描述，也不能保證我們能夠用真實的宇宙來檢驗它。大自然為什么要給我們任何證據呢？誠然，在過去，我們已經成功地找到了證明和反駁理論所需的證據，但在未來這很可能會發生改變。也許我們會達到某個極限，我們所需的證據是不可能獲取的。他時常擔憂：我們最終會得到一個完全自洽的理論，但是我們很可能無法驗證它。唉，不能保證不會發生這種情況。

不過，皮布爾斯并沒有因為他可能無法活著見證暗物質之謎的破解而泄氣。在他的諾貝爾獎演講中，他告訴聽眾：“我很高興把許多我沒能解決的有趣的研究問題留給年青一代。”[4]兩個月前，在接受諾貝爾獎網站主編亞當·史密斯（Adam Smith）的采訪時，皮布爾斯表示，希望年青一代會對所發現的暗物質的本質感到驚訝。“這是我的浪漫夢想：我們會再一次為此感到驚訝。”[5]

在遍布全球的天文觀測站、粒子物理實驗室和空間科學研究所里，成百上千名優秀的青年科學家正在努力工作，以實現吉姆·皮布爾斯的浪漫夢想。他們不僅準備好了迎接驚訝，而且極其渴望。

看起來暗物質一定是在那里的。接下來，我們想知道它是什么。

---

[1]迪士尼動畫《米老鼠和唐老鴨》中的一名山雀科學家。——譯者注

[2]赫瑞修，《哈姆雷特》中的人物。——譯者注

[3]迪士尼“奇妙仙子”系列中的第一部《小叮當》的主角，一個小精靈。——編者注