“宇宙”到底是個什麼玩意?——這個問題的答案相當寬泛:克蘇魯學家可能會說“宇宙是盲目吃魚之神阿撒託斯的夢境”;物理學家可能會說“宇宙是一切時空及其內涵的總和”;陸九淵可能會說“吾心即宇宙”;筆者的某位朋友可能會說“宇宙是原神啟動”……無論具體的答案是什麼,它們無一例外都是在對宇宙進行描述。
從科學的角度來看,對事物描述的前提和結果都是構建、完善和引用模型的過程,描述什麼就構建什麼的模型,科學要描述宇宙,就要構建宇宙學模型。在眾多的宇宙學模型中,有一個模型相對簡單並且得到了相對廣泛的認可,這個模型就是Λ-CDM宇宙學模型(Lambda-cold-dark-matter model)。
Λ-CDM宇宙學模型,如同其名字那樣,假設宇宙的各項活動同Λ-CDM高度相關,以這種假設為前提,這個模型預測出的部分理論值能夠同觀測數據相擬合,並且能夠對實踐產生相對有益的指導,唯有如此我們才會發展它。
Λ是宇宙學常數(亦稱宇宙常數),它同暗能量相關。20世紀,人們在對宇宙的研究中先後得出兩個顛覆性的結論:第一,宇宙在膨脹。第二,宇宙的碰撞並沒有因為引力相互作用而減慢,它反而是在加速膨脹。這些事實指出真空中或者真空本身有種神秘的能量抵消了引力並且推動著宇宙的膨脹,我們稱之為“暗能量”(dark energy),同Λ相關。根據估計,暗能量佔宇宙總質能的大約三分之二,然而人類目前沒有任何辦法來對暗能量進行直接觀測,我們在理論上對也其知之甚少,至少它既不是普通物質也不是暗物質,也因此我們才給其取了一個這麼模糊不清的名字。總之,為了回答”宇宙到底是個什麼玩意“這個問題,科學家必須要首先回答”暗能量到底是個什麼玩意“。
CDM是cold(冷)dark(暗)matter(物質)的縮寫。同樣是在上個世紀,科學家發現只含有普通物質的宇宙暴漲模型所推算出的理論值同觀測值嚴重不符,僅僅依靠普通物質的質能的話連恆星都無法形成,這說明宇宙空間中還存在著人們尚未發現的無法直接觀測的質能存在,我們稱之為“冷暗物質”,它佔宇宙大概三分之一的質能。人們對冷暗物質同樣知之甚少,但好歹比暗能量多一點。暗物質在宇宙大尺度結構(星系、星系團、超星系團等)的形成中起著重要作用,因此其能夠參與引力相互作用,但是它基本不參與電磁相互作用和強行相互作用(在一些理論中,暗物質會參與弱相互作用)。冷暗物質運動速度遠低於光速,所以它“冷”,它也不會對外輻射電磁波,所以它“暗”。
當然也有部分物理學家反對暗物質和暗能量的假設,他們提出了不含暗物質和暗能量的宇宙學模型,然而並沒有成為主流。(依稀記得有個印度老哥推算出宇宙年齡是兩百多億歲,但他的假設是物理常數可變和光子疲勞)
暗能量和冷暗物質都帶著“暗”字,人類目前無法對其進行觀測,相對應的,自然存在著“亮物質”,也就是普通物質(matter)。大到恆星,小到電子的許多事物都是普通物質,然而普通物質實際上僅佔宇宙中質能的大概4%(這個數據不是固定的也不是確定的)。從宏觀上看,我們的宇宙中存在著矮行星、衛星、行星、褐矮星、恆星、中子星、黑洞、白矮星……(天體的科普之後另寫一篇文章,挖坑~)宏觀視角下的普通物質上限相當高,比如目前已知最大的黑洞SDSS J073739.96+384413.2質量為910億倍太陽質量,半徑為130億千米;從微觀看,人類雖然還沒有成功構建出“大一統理論”(也有物理學家認為這沒有意義),但我們已經初步提出了標準模型(這也能寫一篇文章,再挖坑~)。
“宇宙”到底是個什麼玩意——筆者相信,這會是一個長期伴隨人類文明的問題,它的答案應當是動態和有限的。它動態,因為每個時代的思考者得出的答案都受到了其所處時代觀測手段和科技水平的約束,下一個進步的時代的答案必然要和先前的不同。這樣的死循環似乎令人沮喪,但我們不妨這麼想“所有的科學結論本質上都只是假說,追求真相是完善假說的核心目標而不是必然結果”;它有限,因為它僅僅反映了宇宙學模型的完善程度,超過宇宙學模型之外的問題是沒法僅僅通過它來解決的,比如宇宙大爆炸模型並不研究“大爆炸之前發生了什麼”“奇點的外面是什麼”這些問題;單純對宇宙觀測的深入和進一步的天體研究也無法回答“有沒有外星人”,這還需要生命科學、心理學等學科的參與,但是量子生物學、腦科學的發展仍然相當落後,所以這是個從知識和直覺都無法回答的問題。
毋庸置疑,Λ-CDM宇宙學模型也只是眾多理論中的一個,感興趣的讀者可以去了解
最後,讓筆者來正面回答這個問題。“宇宙”到底是個什麼玩意?
不知道,但是山就在那裡。