“宇宙”到底是个什么玩意?——这个问题的答案相当宽泛:克苏鲁学家可能会说“宇宙是盲目吃鱼之神阿撒托斯的梦境”;物理学家可能会说“宇宙是一切时空及其内涵的总和”;陆九渊可能会说“吾心即宇宙”;笔者的某位朋友可能会说“宇宙是原神启动”……无论具体的答案是什么,它们无一例外都是在对宇宙进行描述。
从科学的角度来看,对事物描述的前提和结果都是构建、完善和引用模型的过程,描述什么就构建什么的模型,科学要描述宇宙,就要构建宇宙学模型。在众多的宇宙学模型中,有一个模型相对简单并且得到了相对广泛的认可,这个模型就是Λ-CDM宇宙学模型(Lambda-cold-dark-matter model)。
Λ-CDM宇宙学模型,如同其名字那样,假设宇宙的各项活动同Λ-CDM高度相关,以这种假设为前提,这个模型预测出的部分理论值能够同观测数据相拟合,并且能够对实践产生相对有益的指导,唯有如此我们才会发展它。
Λ是宇宙学常数(亦称宇宙常数),它同暗能量相关。20世纪,人们在对宇宙的研究中先后得出两个颠覆性的结论:第一,宇宙在膨胀。第二,宇宙的碰撞并没有因为引力相互作用而减慢,它反而是在加速膨胀。这些事实指出真空中或者真空本身有种神秘的能量抵消了引力并且推动着宇宙的膨胀,我们称之为“暗能量”(dark energy),同Λ相关。根据估计,暗能量占宇宙总质能的大约三分之二,然而人类目前没有任何办法来对暗能量进行直接观测,我们在理论上对也其知之甚少,至少它既不是普通物质也不是暗物质,也因此我们才给其取了一个这么模糊不清的名字。总之,为了回答”宇宙到底是个什么玩意“这个问题,科学家必须要首先回答”暗能量到底是个什么玩意“。
CDM是cold(冷)dark(暗)matter(物质)的缩写。同样是在上个世纪,科学家发现只含有普通物质的宇宙暴涨模型所推算出的理论值同观测值严重不符,仅仅依靠普通物质的质能的话连恒星都无法形成,这说明宇宙空间中还存在着人们尚未发现的无法直接观测的质能存在,我们称之为“冷暗物质”,它占宇宙大概三分之一的质能。人们对冷暗物质同样知之甚少,但好歹比暗能量多一点。暗物质在宇宙大尺度结构(星系、星系团、超星系团等)的形成中起着重要作用,因此其能够参与引力相互作用,但是它基本不参与电磁相互作用和强行相互作用(在一些理论中,暗物质会参与弱相互作用)。冷暗物质运动速度远低于光速,所以它“冷”,它也不会对外辐射电磁波,所以它“暗”。
当然也有部分物理学家反对暗物质和暗能量的假设,他们提出了不含暗物质和暗能量的宇宙学模型,然而并没有成为主流。(依稀记得有个印度老哥推算出宇宙年龄是两百多亿岁,但他的假设是物理常数可变和光子疲劳)
暗能量和冷暗物质都带着“暗”字,人类目前无法对其进行观测,相对应的,自然存在着“亮物质”,也就是普通物质(matter)。大到恒星,小到电子的许多事物都是普通物质,然而普通物质实际上仅占宇宙中质能的大概4%(这个数据不是固定的也不是确定的)。从宏观上看,我们的宇宙中存在着矮行星、卫星、行星、褐矮星、恒星、中子星、黑洞、白矮星……(天体的科普之后另写一篇文章,挖坑~)宏观视角下的普通物质上限相当高,比如目前已知最大的黑洞SDSS J073739.96+384413.2质量为910亿倍太阳质量,半径为130亿千米;从微观看,人类虽然还没有成功构建出“大一统理论”(也有物理学家认为这没有意义),但我们已经初步提出了标准模型(这也能写一篇文章,再挖坑~)。
“宇宙”到底是个什么玩意——笔者相信,这会是一个长期伴随人类文明的问题,它的答案应当是动态和有限的。它动态,因为每个时代的思考者得出的答案都受到了其所处时代观测手段和科技水平的约束,下一个进步的时代的答案必然要和先前的不同。这样的死循环似乎令人沮丧,但我们不妨这么想“所有的科学结论本质上都只是假说,追求真相是完善假说的核心目标而不是必然结果”;它有限,因为它仅仅反映了宇宙学模型的完善程度,超过宇宙学模型之外的问题是没法仅仅通过它来解决的,比如宇宙大爆炸模型并不研究“大爆炸之前发生了什么”“奇点的外面是什么”这些问题;单纯对宇宙观测的深入和进一步的天体研究也无法回答“有没有外星人”,这还需要生命科学、心理学等学科的参与,但是量子生物学、脑科学的发展仍然相当落后,所以这是个从知识和直觉都无法回答的问题。
毋庸置疑,Λ-CDM宇宙学模型也只是众多理论中的一个,感兴趣的读者可以去了解
最后,让笔者来正面回答这个问题。“宇宙”到底是个什么玩意?
不知道,但是山就在那里。