藏在科學“烏雲”背后的美麗新世界

11月1日，國家天文台宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家陳學雷在第一財經研究院與“賽先生”主辦的活動上，介紹了暗物質、暗能量及相關領域的研究進展

陳琳

100年前，愛因斯坦推導出廣義相對論。從相對論出發，人們發現了“時間旅行”的可能性，領教了原子裂變的巨大能量，推演出宇宙的起源和終結、黑洞和暗能量等諸多科學奇景。相對論因此被稱為“20世紀最美麗的思想”，和量子力學共同構成了現代物理學的兩大支柱。

在相對論和量子力學誕生之前，光速問題和黑体輻射是籠罩在經典物理之上的兩朵“烏雲”。如今，經典物理頭上的烏雲已經散去，但科學界出現了新的“烏雲”，也就是相對論未能解釋的謎團——暗物質與暗能量。揭開暗物質和暗能量之謎，已經成為21世紀最熱門的科學命題。

近日，由“賽先生”和第一財經研究院主辦，在上海海洋大學圖文信息中心舉行的“百年相對論”系列活動，正圍繞這一最前沿的科學研究命題展開。主講嘉賓、國家天文台宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家陳學雷，以“聆聽天籟：黑暗時期到今日宇宙的21cm探針”為題，介紹了暗物質、暗能量及相關領域的科研進展。主題演講之后，載人潛水器“蛟龍號”5000米海試現場海試副總指揮、上海海洋大學深淵科學技術研究中心主任崔維成，與陳學雷進行了主題為“科學探索的極限運動——太空VS深淵”的對話，鼓勵在座青年學子繼承科學家無畏的求知精神，積極投身科學探索事業。

用陳學雷的話來，之所以將暗物質和暗能量稱為現代科學頂上的“烏雲”，是因為大部分科學現象，都可以在粒子物理標準模型的框架中得到滿意的解釋。這是現代物理學取得的巨大成就。但這一框架，並不適用於暗物質和暗能量。

愛因斯坦曾經試圖根據廣義相對論的方程推導整個宇宙的模型。他發現，在一個只有引力作用的模型中，宇宙是動態的，不是膨脹就是收縮。為了使這個宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在方程裏增加了“宇宙常數”的概念。“宇宙常數”代表了一種假想的斥力，同萬有引力相反，它隨天體之間距離的增大而增強，抵消引力的作用。不過，之后，因為當時的一些科學發現，愛因斯坦急忙將宇宙常數扔進了垃圾堆，並聲稱這是他“一生中犯的最大錯誤”。

然而，“宇宙常數”又因為暗物質和暗能量“復活”了。

暗物質是天文學家在觀測宇宙時的意外“發現”。上世紀30年代，瑞士天文學家弗裏茨·茨威基發表了驚人言論。根據他的推算，在星系團中，可見的星系占總質量的1/300，99%以上的質量是不可見的。這意味，星系團中隱藏某種不為人知的神秘物質。越來越多的觀測讓這個觀點看起來越來越可信。

按照萬有引力定律，當物體圍繞引力中心旋轉，離中心越遠的物體，速度應該越低。但科學家在觀測一些星系的運行時卻發現，圍繞星系中心運行的恆星，速度並不都是向外圈逐漸衰減的。恰恰相反，有些外圈恆星竟然和內圈恆星的運行速度差不多。由此，科學家推測，在外圈，只是可見的物質變少了，事實上，客觀存在的物質數量和質量並沒有減少，引力也沒有變小。人類無法觀測到的這些物質，也就是所謂的暗物質。

此外，天文學家還發現，宇宙不僅在膨脹，而且正以前所未有的加速度向外擴張。離我們越遙遠的星系，遠離我們的速度越快。也就是，在宇宙中，應該存在某種與引力相反的斥力量，“暗中”把不同的星系以加速膨脹的運動方式“撕扯”開來。由於它和暗物質一樣是不可見的，因此科學家稱它為暗能量。

近年來，科學家通過各種觀測和計算證實，暗能量和暗物質不僅存在，且在宇宙中占主導地位。其中，暗能量的總量約達宇宙總量的73%，暗物質約占22%、普通物質僅約占5%。“我們一直以為，宇宙的秘密在滿天繁星中。但現在，我們才發現滿天繁星只是宇宙的少數，剩下的大部分都披隱形外衣。這聽上去怎麼會不讓人感到驚心動魄呢？”陳學雷認為，這就是求知路上的“悖論怪圈”。當我們以為對宇宙奧秘了解越來越多時，我們面對的未知也成正比增加。

而這些深遠的未知，為陳學雷這樣的科學家提供了前進和探索的動力。“探索暗物質和暗能量，揭開它們的神秘面紗，科學家面對的是一條漫長而艱辛的道路。”和國內外其他立志於揭開暗物質、暗能量的隱形外衣的科學家一樣，之前，陳學雷對暗物質和暗能量已經做了大量理論研究，研究內容包括構造暗物質和暗能量的理論模型，以及觀測檢驗的方法。而現在，他負責的“天籟計劃”，將通過小尺度上中性氫的21cm譜，去觀測和尋找第一代發光天體的電離氫區。按照陳學雷的構想，他的團隊從電離氫區的性質去區分暗物質星與普通的第一代恆星。“今天科學界所面臨的狀況，與19世紀末、20世紀初相對論和量子力學誕生前非常類似，撥開烏雲，就會發現在其背后隱藏的美麗新世界。”