第一部分　耳朵

01．我们所不知晓的物质

菲利普·詹姆斯·埃德温·皮布尔斯是美国普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦荣誉科学教授、美国物理学会会士和英国皇家学会院士、2019年诺贝尔物理学奖得主，以及冷暗物质理论的奠基人。他缓缓地从椅子上站起来朝着对面的书架走去，并从那里取下两个空塑料瓶。[1]

他朝着大瓶子的瓶口吹气，一个低沉的颤音填满了整个房间。接着，他把小瓶子放到唇边，另一个更高的音调响起。“这是同样的原理，”皮布尔斯说道，脸上带着他典型的温和微笑，“每个尺寸的瓶子都有它特有的频率，反之亦然。”

等等，这么简单的道理可不能让你获得诺贝尔奖，对吧？

嗯，如果你成功地将它应用于新生宇宙中的声波，如果你能帮助证明星系在没有大量神秘暗物质的情况下不能稳定存在，如果你借此为我们当前的宇宙学标准模型奠定了基础，那就可以。

于是，在2019年10月8日星期二的清晨5点，皮布尔斯接到了来自瑞典皇家科学院的魔法般的电话。因为他“对物理宇宙学方面的理论发现”，他和另外两个人共同获得了总计约91万美元的奖金，而他获得了其中的1/2。“天啊！”他的妻子艾莉森听到这个消息惊呼道。接着，皮布尔斯开始步行，那是他每天的日常，从家中走到位于普林斯顿大学贾德温大厅二层的办公室。他84岁的大脑里，思绪一片混乱。

众所周知，詹姆斯·皮布尔斯从未想象过他会成为一名宇宙学家。他于1935年出生于加拿大的圣波尼法城，如今是大都市温尼伯的一部分。小时候的他曾是一名小发明家，想成为像吉罗·吉尔鲁斯[1]一样的人——研究《机械画报》杂志，制造电气装置，用火药进行试验，还爱上了蒸汽机车。哦，对了，当北极光在加拿大曼尼托巴省冬季的天空中寂静舞蹈的时候，他总会走到屋外。而且他还知晓如何找到北极星。但那时，天文学并没有真正俘获他那颗精于技术的心。研究生期间第一次接触宇宙学时，他认为宇宙学“极其枯燥，仅为了特定目的而形成，且难以让人信服”，他曾这样告诉天文学家马丁·哈威特。[2]

当他于1958年秋来到普林斯顿后，情况渐渐发生了变化。皮布尔斯是著名物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）研究组里的一名博士生。每周五晚上，迪克都会组织研讨会。在这里，学生、博士后以及教授可以自由地讨论每一个感兴趣的科学话题。起初，皮布尔斯被其他人对量子物理学和广义相对论的理解吓到了，随后他开始珍视这些非正式的会议，不仅是为了会后偶尔可以喝啤酒。原来，迪克对宇宙学的专注思索是可以传染的。

1962年，皮布尔斯完成了关于“电磁力的强度是否随时间变化”这一问题的博士论文。他继续在普林斯顿大学攻读博士后，与迪克以及另外两名博士后——戴维·威尔金森（David Wilkinson）和彼得·罗尔（Peter Roll）合作。皮布尔斯在诺贝尔奖获奖演讲中展示过一张褪色的照片，照片摄于20世纪60年代，当时的他看上去又高又瘦，头发又黑又直，戴着一副眼镜，还穿着有着冰岛特有图案的毛衣。研究生院和在斯德哥尔摩戴黑领带的正式场合还有着不少距离。

皮布尔斯作为物理学家、宇宙学家的生涯开始于1964年夏天的一个炎热的日子。在普林斯顿大学帕尔默物理实验室的闷热的阁楼里，迪克展示了他宏伟的计划：寻找新生宇宙遗留下来的辐射，那源自一场比任何一座阁楼都要热几百万摄氏度的原始大火。科学家猜想，来自这一久远事件的辐射就在宇宙中，只是有待发现。威尔金森和罗尔负责建造用于探测这些辐射的仪器。“皮布尔斯，”迪克问，“你何不深入研究一下这背后的理论呢？”

于是，皮布尔斯研究出了早期膨胀宇宙的热等离子体（即带电粒子的混合体）是如何与高能辐射相互作用并形成浓厚而黏稠的液体的，它们随着低频声波晃动和振荡，就像一锅远古的肉汤。接着，在大爆炸约38万年后，温度下降到足够让中性原子形成的时候，物质和辐射“退耦”了：其中一个的性质不再主宰另一个的行为。虽然现在辐射可以自由地在宇宙中传播——冷却下来变成迪克所寻找的微弱的宇宙背景余辉——物质却以或高密度或低密度的图景被留了下来：这些区域中的密度仅比平均水平高一点儿或者低一点儿，具体大小则由原始声波的频率决定。

大小与频率相关，反之亦是如此，正如皮布尔斯用塑料瓶制成的乐器所做的俏皮演示那般。同样的原理适用于大尺度的宇宙，其制造出来的暗含信息的图景被物理学家称为“重子声学振荡”。随着时间的流逝，超密度区域的物质会进一步凝聚形成星系。这就是星系在三维空间中呈现出非随机分布的原因：它们揭露了早期声波是在哪里离开了最密集的物质沉积物。换言之，宇宙当前的大尺度结构是由大爆炸后不久所发生的事件决定的。

这个过程很复杂，你可以暂时忘掉它——在第17章中我们会回到重子声学振荡这个话题。可以说的是，在詹姆斯·皮布尔斯30岁生日的时候，他养成了思考最宏大想法的习惯——也许并不关于生命，但一定有关宇宙和万物。你不需要等到42岁就可以这么做。

皮布尔斯甚至没有因为无线电工程师阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在探测宇宙微波背景辐射方面击败普林斯顿小组而感到沮丧。就在迪克召集他的团队几个月后，1964年在新泽西州霍姆德尔附近的贝尔实验室，彭齐亚斯和威尔逊有了这一发现。“哎，小伙子们，我们被别人抢先了。”迪克在接到关于这一发现的电话后，失望地告诉他们。但是，皮布尔斯记得他当时觉得很兴奋。这一发现意味着他和他的同事并不是在单纯猜想，那里确实有可以研究的东西。

从那以后，皮布尔斯对就宇宙学着了迷。很快，他开始就一个曾经看起来极其枯燥和难以置信的话题进行演讲。他的《物理宇宙学》（Physical Cosmology）一书于1971年秋天出版，就在他成为正教授的前一年。[3]这本书的第一版非常显眼地摆放在他办公桌的书架上，旁边是一个阿尔伯特·爱因斯坦的人偶。

物理宇宙学。几个世纪以来，不，几千年以来，宇宙整体的起源和演化一直被视为某种形而上的东西。在不远的过去，宇宙建立在大象和巨龟的背上，这是神的创造。但最终，神话的迷雾开始散去，这些神话故事为科学审查和物理研究让路。宇宙学成了人们可以触碰、参与、理解和赞叹的东西，人们甚至可以像爱上蒸汽机车一样爱上它。

时间向前快进半个世纪，身材高大的诺贝尔奖得主菲利普·詹姆斯·埃德温·皮布尔斯身着蓝色牛仔裤和苔藓绿色的毛衣在电脑显示器前弯下身子，他摘下眼镜辨认着屏幕上的小字，搜索存档的科学论文，迷失在历史细节中。过去的50年里发生了这么多事！如此多的突破性发现，如此多的“死胡同”，如此多的谜题！但最重要的是，人们逐渐认识到，我们的宇宙，我们的存在，是由一种神秘的物质支配的。由于缺乏更好的理解，这种神秘的东西被称为暗物质。借用《星际迷航》里的一句话来说：“这是物质，吉姆，但不是我们所知道的。”

是的，早在20世纪30年代就已经有了线索。直到20世纪70年代和80年代初期，暗物质才突然亮相，就像一个直到第三幕才出现的令人惊喜的主角，然后戏剧性地改变了剧本的情节。赫瑞修[2]，天堂和地球上的事物比你的哲学之梦中要多得多。

其中的细节还需要时间的沉淀（讲到这之前我们还有很多页要读），但有许多发现只有在一个充满暗物质的宇宙中才有意义。皮布尔斯对星系在宇宙空间中集中分布的研究具有提示性，这项工作是在天文学家有能力创建可靠的三维绘图之前进行的。他与普林斯顿大学的同事耶利米·欧斯垂克的理论性工作似乎表明，盘星系是不可能稳定的，除非它们被巨大的暗物质晕所包围。不久之后，华盛顿卡内基科学研究所的薇拉·鲁宾和肯特·福特（也许）第一次令人信服地证明了星系外部的旋转速度比在没有暗物质存在的情况下快得多。

此外，对宇宙微波背景辐射——来自新生宇宙的遗留辐射——也有了越来越详细的观测，数据表明它就像婴儿的皮肤一样光滑。正是这个意外的结果使得皮布尔斯在1982年提出了冷暗物质模型。那么问题来了。要么是早期宇宙炽热的等离子体分布得过于平滑，要么是目前宇宙的大尺度结构过于结块。鱼和熊掌不可兼得：在一个不断膨胀的宇宙中作用的微弱的引力，永远不会让你从彼时彼地的光滑变成此时此地的凹凸不平。

除非暗物质是非常奇怪的东西：一种新型粒子，它对引力有反应，但对电磁力或强核力等自然界的其他基本力没有反应。它根本不与早期宇宙的热辐射浴相结合。它移动得足够慢，用粒子物理学的说法就是“足够冷”，在宇宙背景辐射被释放之前，它就已经开始聚集成一个看不见的脚手架了。它是由陌生东西所构成的宇宙蜘蛛网，随后吸收了陈旧的普通原子，接着继续形成我们今天看到的发光的星系和星团。这就是冷暗物质。

物理宇宙学的理论发现是2019年诺贝尔物理学奖获奖原因。果不其然，在皮布尔斯提出冷暗物质模型后的40年里，这一理论蔚然成风，它富有启发性、极具成效，并成为现今宇宙学标准模型的一部分。（该模型的另一个关键成分是暗能量，它与暗物质一样神秘，我们将在第16章对它进行讨论。）但是，皮布尔斯不是一个爱吹嘘的人，他觉得自己完全有理由保持谦虚。

他说，首先，理论发现排在“真实”发现之后。2019年诺贝尔物理学奖另外的获奖者是天文学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹，他们两人在1995年发现了太阳系外第一颗围绕类日恒星运行的行星。这是一大发现。此外，还有2012年发现的希格斯粒子，以及2015年发现的引力波。这些都是科学家证实的原本只是（广为人知的）猜想的重大事件。而冷暗物质理论与这些完全不同。

其次，至少在一段时间内，皮布尔斯对理论的投入比其他物理学家要少。特别是在冷暗物质模型处于早期阶段的时候，他对来自宇宙学家的热捧感到不安。对他来说，当时他并未认真看待这个模型。“嘿，我只是想解决平滑度问题，这是我能想到的符合观测结果的最简单的模型。是什么让你们觉得这个模型是对的？我还能研究出其他的模型呢。”事实上，他也的确这么做了；其中一些模型根本不需要暗物质。当然，这些模型没能经受住时间的考验。而冷暗物质模型做到了。

再次，皮布尔斯认识到了他的模型的局限性。或许存在这样一个美好的理论，这个统一模型既能解释宇宙背景辐射的特性，又能解释宇宙中星系的分布。但是，它充满了漏洞。正如皮布尔斯向我解释的那样，暗物质是一个不成熟的概念。我们被这种荒谬的东西困住了，我们不得不凭空想象并亲手将它加入我们对宇宙的理解中。我们需要暗物质，但我们不知道它是什么。有太多问题悬而未决。

但这并不是说我们对暗物质一无所知，它的足迹遍布各处；在后文中，我们将逐一与它们见面。而通过研究这种神秘物质是如何影响其周围环境的，我们至少在理解其特征方面取得了一些进展。

尽管如此，有时候它看上去仍然很奇怪且令人难以置信。在天上发现新的东西并不让人惊讶，但正如暗物质科学家声称的那样，我们怎么会错过占了所有物质中85%的暗物质呢？正如皮布尔斯所说，我们不就是用手把它放进模型中来解释观测结果的吗？所有这些天体物理印记都有可能构成令人信服的证据，但我们还准备等待多久才能找到无可辩驳的证据呢？我们的解决方案中有多少人为因素？我们的理论有多少假设？

要是暗物质压根儿不存在，又会怎么样？

我承认，我时不时地就会处于怀疑之中。暗物质、暗能量、神秘的暴胀般的宇宙诞生、多元宇宙——看在上帝的分儿上，这一切似乎都太牵强，太虚构了。大自然不可能如此疯狂、狡猾和残忍，不是吗？还是只是我缺乏想象力，无法接受大自然没有义务满足我的期望？我是不是像彼得·潘一样不想长大且一直相信小叮当[3]，相信我小时候所了解的那个简单易懂的宇宙？

问题是，仅仅举两个例子，我对爱因斯坦的广义相对论（尽管我并不完全理解它）或中微子的存在一点儿也不感到震惊。假如我生活在19世纪，当我听说相对论及其结果——黑洞、引力波、时空扭曲和时间变慢，如果没有令人信服的证据，我还会相信这些吗？如果有人告诉我，每一秒钟都有亿万个不带电的、几乎没有质量的粒子（也就是中微子）光速穿过我的身体，我难道不会笑出声来吗？但爱因斯坦1915年提出的理论在4年后得到证实，而中微子在1956年首次被探测到——那一年我出生了。这两者都属于我所成长的宇宙，也是我已经接受了的宇宙。至于自然中新出现的、同样违反直觉的热点，也许是我太保守了。

但是，我们仍需谨慎。科学家以前犯过错误，甚至经常犯错。通向对宇宙更好、更完整的理解的道路上遍布着被抛弃的理论和错误的假设，这些理论和假设困住人们的时间超过了应有的时间。其原因是，科学家是一个保守的群体。即使面对矛盾的证据，他们也宁愿调整现有的理论以适应矛盾的数据，而不是将其丢进垃圾桶。除非有更成功的理论出现，否则就是这样。

例如，在17世纪荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯发表他的光波动理论后的很长一段时间里，科学家假设“空”的宇宙空间必须由一种称作“以太”的东西填充，这是一种假想的光波传播的媒介。当后来的实验与关于这种神秘物质的最初的简单想法相矛盾时，物理学家并没有抛弃这一概念，而是对其进行调整，以更好地与观测结果相符。最终，他们使自己陷入了一个离奇的困境，在这种情况下，以太必须是一种无限的、透明的、无质量的、无黏性的又非常像刚体的流体。最后，直到1905年爱因斯坦的狭义相对论使神奇的以太变得多余时，科学家才废除了它。

类似的事情还发生在18世纪后期，化学家不得不承认世界上不存在燃素这种东西。这种类似于火的元素曾被认为是某些物质在燃烧时释放出来的。这些物质只在能够释放燃素的时候才能燃烧；“火在缺少空气时会灭”这一事实被理解为一定数量的空气只能吸收这么多的燃素。这一吸引人的想法在约1700年由德国化学家格奥尔格·施塔尔（Georg Stahl）提出并收获了大量追随者，即使实验表明某些金属（比如镁）在燃烧时会变得更重——这是一个奇怪的发现，因为根据施塔尔的理论，部分物质必然被释放。燃素的支持者简单地得出结论：这种神秘东西的重量一定是负的！1783年，法国化学家安托万·拉瓦锡令人信服地证明，燃烧是一个需要氧气的化学过程，这时候，燃素的支持者终于屈服了。直到那时，氧气的特性才为人所知。

最后，我忍不住要提一下科学家押错赌注的一个非常著名的例子：托勒密的本轮理论。从两个非常合理（至少对于古希腊人来说合理）的假设开始——地球位于宇宙的中心，并且天体以恒定的速度进行完美的圆圈运动——托勒密提出了他颇为精巧的地心世界观。根据这位公元2世纪的学者的看法，一颗行星在一个小圆圈（本轮）中运动，其中心沿着一个被称为均轮的更大的圆圈中绕地球运行。

为了与观测到的行星在天空中的运动相一致，托勒密的模型需要大量的本轮和进一步的设计，比如均轮中心与地球有一个任意角度的偏离。尽管如此，这个复杂而烦琐的模型仍然存在了至少14个世纪，直到尼古拉斯·哥白尼和约翰内斯·开普勒最终为我们提供了当前的日心说世界观，在这个理论中，行星以不同的速度沿着围绕太阳的椭圆轨道运动。

因此，我们到了这一步。我们从未真正见过暗物质，但我们认为它一定存在。然而，我们应该始终铭记，为了保持我们的理论转盘的转动，我们的论点中有多少无声的假设，存在多少我们允许自己引入的对理论的修复和调整。我们不想再被本轮带错方向了，不是吗？

这是一个令人不安的想法。要么宇宙中有大量的暗物质，它们令人沮丧地成功逃脱了当今超灵敏仪器的探测。要么，所有这些勤奋的科学家都是在追寻一个幻影。

吉姆·皮布尔斯不相信我们永远都找不到一个关于暗物质及万物理论的终极答案。他说，即使我们如今对自然有了如此包罗万象的描述，也不能保证我们能够用真实的宇宙来检验它。大自然为什么要给我们任何证据呢？诚然，在过去，我们已经成功地找到了证明和反驳理论所需的证据，但在未来这很可能会发生改变。也许我们会达到某个极限，我们所需的证据是不可能获取的。他时常担忧：我们最终会得到一个完全自洽的理论，但是我们很可能无法验证它。唉，不能保证不会发生这种情况。

不过，皮布尔斯并没有因为他可能无法活着见证暗物质之谜的破解而泄气。在他的诺贝尔奖演讲中，他告诉听众：“我很高兴把许多我没能解决的有趣的研究问题留给年青一代。”[4]两个月前，在接受诺贝尔奖网站主编亚当·史密斯（Adam Smith）的采访时，皮布尔斯表示，希望年青一代会对所发现的暗物质的本质感到惊讶。“这是我的浪漫梦想：我们会再一次为此感到惊讶。”[5]

在遍布全球的天文观测站、粒子物理实验室和空间科学研究所里，成百上千名优秀的青年科学家正在努力工作，以实现吉姆·皮布尔斯的浪漫梦想。他们不仅准备好了迎接惊讶，而且极其渴望。

看起来暗物质一定是在那里的。接下来，我们想知道它是什么。

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[1]迪士尼动画《米老鼠和唐老鸭》中的一名山雀科学家。——译者注

[2]赫瑞修，《哈姆雷特》中的人物。——译者注

[3]迪士尼“奇妙仙子”系列中的第一部《小叮当》的主角，一个小精灵。——编者注