一個天才引發(fā)的“世紀(jì)混亂”

彌塵

自愛因斯坦提出廣義相對論至今，已經(jīng)有100年了，在過去的一個世紀(jì)里，這個偉大的理論顛覆了我們對宇宙景象的認(rèn)知?，F(xiàn)在，就讓我們重新回顧一下那些廣義相對論里的關(guān)鍵時刻（混亂時刻）吧！

“宇宙常數(shù)”被證偽？

用最簡單的話解釋，這其實是一個有16個自變量、非常復(fù)雜的二階偏微分方程組。手握方程的愛因斯坦繼續(xù)腦洞大開，在1916年預(yù)言了引力波的存在。

引力波，是具有大質(zhì)量的物體相互作用時產(chǎn)生的一種波。那么，如何證明引力波的存在？比如，月亮本來圍著地球開心地轉(zhuǎn)圈圈，后來人們發(fā)現(xiàn)它離地球越來越遠(yuǎn)。這是因為地月系統(tǒng)喪失了一部分能量——引力勢能通過引力波將這部分能量發(fā)射到了宇宙深處。

加號后面的那一坨，就是傳說中的“宇宙常數(shù)”——愛因斯坦設(shè)想的未知宇宙能量，它是一個恒量，用來保持宇宙的恒定不變。但后來人們發(fā)現(xiàn)，宇宙并不是恒定不變的，而是膨脹的，這就注定了愛因斯坦與宇宙常數(shù)之間會有一場相愛相殺的大戲。

1919年，亞瑟·愛丁頓在日全食過程中觀察到了愛因斯坦的引力透鏡效應(yīng)，超大質(zhì)量的太陽扭曲了時空，把光的路線都彎折了——原本藏在太陽背后看不到的星星，由于引力透鏡改變了光的路徑，竟然被愛丁頓發(fā)現(xiàn)了。

這件事之后，到了20世紀(jì)20年代，愛德文·哈勃（哈勃望遠(yuǎn)鏡就是以他命名的）以及其他一些科學(xué)家表示，遙遠(yuǎn)的星系無時無刻不在和我們say byebye——這是宇宙大爆炸膨脹說的第一個線索。不僅如此，亞歷山大·弗里德曼和喬治·勒梅特也分別獨立發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦方程的一個解。這個解描述的是一個均勻膨脹的宇宙。

至此，愛因斯坦不得不低頭承認(rèn)，在廣義相對論方程式中加入宇宙常數(shù)是他一生“最大的錯誤”。就這樣，愛因斯坦把宇宙常數(shù)一腳踢開，從此生死不復(fù)相見。

但愛因斯坦真的錯了嗎？

“宇宙幽靈”是否存在？

此后，關(guān)于相對論的研究并沒有停止。拋開宇宙常數(shù)，人們有了一連串的新發(fā)現(xiàn)。

1930年，蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡提出，特定質(zhì)量的恒星能夠坍縮成密度大到“宇宙第一飛毛腿”光（速度為300000千米/秒）都無法逃離的天體——聽著耳熟嗎？沒錯，就是黑洞。

1933年，弗里茨·茲威基觀察到星系團(tuán)似乎正在被不可見物質(zhì)的引力牽引旋轉(zhuǎn)著，這是判定暗物質(zhì)存在的第一條線索。暗物質(zhì)，就是那種明明存在卻又看不見摸不著，只能靠它們帶來的引力證明自己存在的東西，黑黝黝的一團(tuán)，堪稱“宇宙幽靈”。

到了20世紀(jì)40年代，理論學(xué)家預(yù)言，如果宇宙是由一個致密熾熱的奇點爆炸膨脹而來，應(yīng)該會留下余燼：宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射，就是宇宙大爆炸后殘留的余熱，就像一鍋端下火爐的開水在逐漸變涼，最后殘存一點溫度。

1964年，美國新澤西州貝爾電話實驗室。阿諾·彭齊亞斯和約翰·威爾遜在檢測一個非常靈敏的微波探測器時，發(fā)現(xiàn)探測器不管指向何方，總會有額外的噪音。剛開始，他們以為是探測器上的鳥糞搞的鬼，后來他們發(fā)現(xiàn)，不管任何時間、任何方向，額外的噪音幾乎都是一樣的——這說明這種輻射一定彌漫于遙遠(yuǎn)的星際空間中，也不會因地球在宇宙中改變位置而有所改變。

就這樣，這兩個家伙竟然誤打誤撞地發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)，揭開了相對論的黃金時期。

暗能量華麗登場

20世紀(jì)70年代，人們又有了一系列新證據(jù)。薇拉·魯賓提指出，大部分星系都包含暗物質(zhì)，否則它們轉(zhuǎn)得那么快，根本說不通啊。1972年，天鵝座X-1輻射出的X射線被發(fā)現(xiàn)，這成為恒星坍縮成黑洞的首個證據(jù)。

1974年，拉塞爾·赫爾斯與約瑟夫·泰勒發(fā)現(xiàn)了一對中子星CP，它們親密環(huán)繞并變得越來越接近，以引力波的形式釋放能量，與相對論的預(yù)測完全吻合。赫爾斯和泰勒因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

同樣是在1974年，史蒂芬·霍金提出了霍金輻射的概念：量子效應(yīng)能使黑洞蒸發(fā)出粒子——這說明，盡管黑洞的引力無比強大，但還是有東西能從黑洞里逃出來。

到了20世紀(jì)八九十年代，人類對宇宙有了更多、更深刻的認(rèn)識。

1980年，阿蘭·古斯和其他一些科學(xué)家提出，宇宙并不是一直在勻速膨脹，而是在大爆炸后的短暫時期里經(jīng)歷了一個高速擴張的時期，即暴脹階段，正是這一階段使宇宙變得平滑——就像一個癟癟的氣球一下子充滿了氣，變成了鼓鼓的氣球。

1989年，NASA發(fā)射了宇宙微波背景輻射探測器，觀測結(jié)果也與預(yù)測吻合，進(jìn)一步支撐了宇宙膨脹理論。然而，到了1998年，對遙遠(yuǎn)超新星的研究出現(xiàn)了出乎所有人預(yù)料的結(jié)果：宇宙正在加速膨脹。

宇宙竟然正在加速膨脹？這不科學(xué)！哪來的動力？把宇宙所有的物質(zhì)都加上，再加上看不見的暗物質(zhì)，這動力也不夠啊——科學(xué)家們集體迷茫了。為了解釋這一矛盾，科學(xué)家們只能引入明明是莫須有卻必須存在的暗能量。

就這樣，暗能量終于華麗麗地登場了。

實際上，到目前為止，越來越多的關(guān)于宇宙微波背景輻射的詳細(xì)研究，都在不斷印證以暗物質(zhì)和暗能量為主的宇宙膨脹理論，科學(xué)家們也在努力尋找它們的蹤跡。

2003年，意大利中部大薩山的DAMA暗物質(zhì)實驗室宣布，他們發(fā)現(xiàn)了地球在暗物質(zhì)的海洋中前行的信號?？墒牵@一結(jié)論未能得到其他實驗的核實。后來，在南極用BICEP2望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行實驗的物理學(xué)家聲稱，他們在宇宙微波背景中觀察到原初引力波的痕跡，可是之后這一結(jié)論又被撤銷了。

但科學(xué)們都是打不死的小強，其執(zhí)著非常人可比——2008年，歐洲核子研究中心啟動大型強子對撞機，目的之一就是制造暗物質(zhì)粒子。2015年，美國華盛頓里奇蘭市的激光干涉引力波觀測站進(jìn)行了一次重要的升級，其目的就是直接觀察引力波這一“時空漣漪”。

現(xiàn)在，關(guān)于廣義相對論引發(fā)的“百年混亂”可以暫時告一段落了。而我們對宇宙的了解，正是在這樣的“混亂”中從未知走向已知。那么，未來相對論還將引發(fā)哪些爭論和“混亂”？又將帶來怎樣的驚喜？讓我們拭目以待。（來源：蝌蚪五線譜 責(zé)任編輯/余風(fēng)）