宇宙的最初時刻有最令人震驚的秘密，但它卻守口如瓶。
直徑2.5倍於銀河系的UGC 2885星系，是本地宇宙中最大的漩渦星系之一，其恆星數量是銀河系的10倍。但是這一切還只有其總質量的15%。UGC 2885 85%的質量由看不見的暗物質組成。NASA / ESA / B. Holwerda (University of Louisville)
科學家相信宇宙源自一次「大爆炸」。這當然不是空穴來風，而是以許多堅實的觀測證據作為基礎的。過去幾十年間，各種新型精密觀測手段的問世，讓科學家有機會更加認真地審視和修正對宇宙的看法，還原宇宙的歷史。在對比了各種不同的觀測結果之後，我們發現它們之間的吻合度令人吃驚。所有的證據都指向宇宙正如理論預測那樣，源自「大爆炸」，並在加速膨脹。從這個角度看，我們的宇宙是可以理解的。
但是宇宙學家也很矛盾，因為他們在認識宇宙的基本事實過程中遇到了一些麻煩。我們對暗物質、暗能量幾乎一無所知，但這兩者佔到了當今宇宙質能總和的95%以上。我們不理解，宇宙中的質子、電子和中子是如何從宇宙大爆炸中倖存下來的。事實上，今天我們所知的一切都在暗示，這些粒子理論上應該在很久以前就被反物質所毀滅。為了讓我們觀測到的宇宙「有意義」，宇宙學家「被迫」得出結論，空間在其誕生的最早時刻，經歷過一個短暫的超快速膨脹階段，也就是所謂的暴漲階段。但我們對這個宇宙史上的關鍵性紀元也一無所知。

后髮座星系團直徑2000萬光年的球狀空間內擁有數千個星系。1930年代，Fritz Zwicky通過觀察這個星系團，發現星系團內星系的運動速度會導致它解體，除非這個星系團擁有10倍於肉眼可見物質的質量。NASA / ESA / The Hubble Heritage Team (STScI / AURA)
也許所有這些謎最終都會有解，只要宇宙學家堅持不懈。但是就目前來看，這些問題都十分棘手。科學家為了尋找暗物質粒子，建造了超級機器，但是它們依然杳無蹤跡。儘管人們可以用更高的精度對宇宙膨脹的速度進行測量，但是至今依然不知道導致宇宙加速膨脹的暗能量本質是什麼。
從這個角度來看，一些宇宙學家發現他們正在探尋的更可能只是一些表象，它們不是散亂的線條，它們的背後可能隱藏著更大的秘密。也許這些不解之謎是有關聯的，會極大地改變我們的宇宙觀，以及我們對宇宙最初時刻的看法。
暗物質可能是現代宇宙學家最願意談論的話題。天文學家發現宇宙中的大部分物質並不是由原子或其他任何已知成分構成的，它們不發光，不反光，也不吸收光。
由於對暗物質本質的不了解，宇宙學家常常假設它們是某種粒子。研究人員一直以來都認為，暗物質粒子會通過一種和弱互作用力（正是這種力導致了放射性衰變）強度相當的力互相影響，且這些粒子的數量是從大爆炸那一刻就被決定了的，它們大致相當於當前宇宙中的暗物質總量。基於這一觀點，「弱互作用大質量粒子」成為了假想中暗物質的最佳候選者。

大部分星系團中的暗物質和常規物質會集中在大致相同的空間位置上，但是這個星系團ZwCl 0024+1652是個例外。這個大型星系團有一個暗物質環（藍色），直徑在260萬光年左右，它與星系團中的可見星系和氣體是分離的。NASA / ESA / M.J. Jee (Johns Hopkins University)
科學家相信他們知道應該怎樣去檢測這些粒子，研究它們的個性。在這一信念的推動下，物理學家設計了許多偉大的實驗，試圖識別這些粒子，研究它們是如何從宇宙大爆炸過程中誕生的。在過去幾十年間，研究人員在地球深處部署了大量敏感的暗物質探測器，它們能夠感知到暗物質粒子與原子發生的碰撞。
這些精巧的實驗運行得和它們的設計一樣好，但是至今仍一無所獲。十年前，還有許多科學家堅信這些實驗一定會取得成果，但是事實證明暗物質的本質和我們認為的極為不同，它們遠比我們想像的更加神秘。
雖然暗物質是由難以捉摸的「弱相互作用大質量粒子」構成的可能性仍然存在，地下實驗的一無所獲，已經開始促使物理學家將目標轉向暗物質的其他候選者。其中之一，是一種假想中的超輕粒子——軸子。軸子是根據粒子物理學家Roberto Peccei和Helen Quinn 1977年的理論預言的。雖然科學家已經在使用強大的磁場，試圖將軸子轉化為光子，以此來發現軸子，但是這樣的研究卻因這些粒子本身的特點而受到了很大限制。
超星系團Abell 901/902擁有數百個星系和大量暗物質。圖中用洋紅色描繪了暗物質的大致分布區域。NASA / ESA / C. Heymans (University of British Columbia) / The STAGES Collaboration / ESO / C. Wolf (Oxford University) / The COMBO-17 Collaboration
針對暗物質難以被探測的另一種解釋是，宇宙的最初時刻可能和宇宙學家想像的有很大差異。以「弱相互作用大質量粒子」為例，計算顯示，新生的宇宙可能在其最初的百萬分之一秒內製造出了大量的此類粒子，當時它們和周圍由夸克、膠子等亞原子構成的粒子漿達成了某種均衡。「弱相互作用大質量粒子」可能在這些環境中倖存了下來，最終構成了我們今天宇宙中的暗物質。而這一過程取決於它們如何互相影響，以及相互影響的概率有多大。但是在計算中，科學家常常假設在最初的時刻，空間的膨脹是均勻的，沒有意外事件，也沒有相態的改變。所以假如我們說這種簡單的假設是不成立的，也是合理的。
儘管宇宙學家對我們宇宙在其一生的大部分時間中如何膨脹已經了解了很多，他們對宇宙大爆炸後的認識仍然很少，更不用說宇宙的最初時刻了。對於解釋宇宙在其最初時刻如何演化，發生過什麼樣的事，我們在根本上是沒有直接觀測證據可以依賴的。宇宙的這一紀元是不可見的，它深埋在無法穿透的能量、距離和時間之中。
我們對宇宙這段歷史的認識，比基於推斷的猜想還要少。如果在時間上回溯足夠久遠，我們所知的與宇宙有關一切都可能與今天完全不同。那時的物質和能量可能是以與今天完全不同的形態存在的，它們之間的作用力，也有可能是我們從未見過的。那時可能發生過科學尚無法解釋的關鍵性事件和狀態轉變。物質之間可能以完全不同的方式互相影響著，而空間和時間本身也可能有與今天我們所知完全不同的行為方式。
旋渦星系NGC 3972在扮演宇宙距離標尺方面起了重要作用。這個星系內有大量造父變星，可供天文學家丈量相對較近星系的距離。2011年這個星系內還出現了一顆Ia型超新星。科學家可以通過它們測算哈勃常數。NASA / ESA / A. Riess (STScI / JHU)
基於這一理念，許多宇宙學家開始考慮一種可能性，即我們找不到組成暗物質的粒子，其原因不僅與暗物質本質本身有關，還有可能與暗物質的形成時期有關。因此在研究暗物質的同時，許多科學家開始研究起宇宙大爆炸後的最初時刻。
1929年，埃德溫·哈勃發現星系離我們遠去的速度與它們和我們的距離成正比。這是宇宙在膨脹的首個清晰證據。從此以後，當前宇宙膨脹的速度——哈勃常數——成了宇宙學家眼中我們宇宙的關鍵特性之一。
公平地說，測量哈勃常數一直以來都是個難題。哈勃的最初測定由於存在系統性錯誤，導致結果比實際值高出近7倍。1990年代，教科書中提及的哈勃常數低的只有50km/s/Mpc，高的可達100km/s/Mpc。儘管近二十年來測量精度不斷提高，人們仍未能獲得一個統一的接近正確的值。事實上，隨著這些測量水平的提高，不同測量方式得出結果間存在差異的情況也越來越頻繁。
南極「冰立方」中微子天文臺，其任務就是尋找來自宇宙的中微子。在這些亞原子粒子中，理論上會有一部分來自暗物質的候選者——「弱相互作用大量粒子」的衰變。但是至今什麼都沒發現。Martin Wolf (IceCube / NSF)
測量哈勃常數的一種方法是，測量那些天體正在以多快的速度遠離我們，正像哈勃1929年所做的一樣。哈勃利用了一種特殊的變星來進行測量，也就是「造父變星」，一種固有亮度（光度）和它們的明暗變化周期有準確對應關係的變星。現代宇宙學家仍在利用造父變星進行測量，但與此同時又增加了一些天體類型，比如Ia型超新星——一種爆發的白矮星，它們的固有亮度基本上都是一樣的。研究人員綜合所有最新數據之後發現，宇宙的膨脹速度大約是72至76km/s/Mpc。
但是故事還沒有結束。宇宙學家還可以通過研究宇宙大爆炸後38萬年時，首批原子形成時期遺留下來的微光，來推斷哈勃常數。這微光，也就是所謂的宇宙微波背景中的溫度細微變化，呈現了當時宇宙中物質是如何分布的。
通過仔細的分析，我們可以從微波背景中讀出許多與年輕宇宙有關的細節，包括當時存在著多少物質和能量的其他形態，以及空間是如何膨脹的。宇宙微波背景告訴我們，哈勃常數大約是67km/s/Mpc，這個數值比宇宙學家通過更直接的測量方法得出的結果小得多。
「天線星系」由一對相互影響的旋渦星系NGC 4038和NGC 4039組成。它們距離地球約6500萬光年，擁有許多造父變星和一顆Ia型超新星。這對星系是少數同時擁有這兩種「標準燭光」的星系之一。ESA / Hubble & NASA
這意味著什麼？假設這些研究已經正確地把所有系統的不確定性考慮在內，這兩種測量哈勃常數的方式就是不相容的——至少在標準宇宙學模型框架內是這樣。要讓這些矛盾的結果相容，天文學家必須改變對宇宙膨脹和演化的思考方式，至少重新考慮宇宙大爆炸後幾十萬年間物質和能量的存在形式。
根據愛因斯坦的《廣義相對論》，空間膨脹的速度取決於其所含物質和其他能量形式的密度。當宇宙學家從宇宙微波背景中獲取哈勃常數的值時，他們必須對暗物質、中微子和其他成分的含量作出假設。
也許針對存在於用不同方式測得的哈勃常數間的差異，最簡單的解釋是，在最初幾十萬年，宇宙中存在的能量比人們之前設想要多。這些能量可能會以某種奇異的、難以相互影響的輕粒子形態存在，或以某種早已消失的真空暗能量形態存在。也有可能宇宙演化史上存在某些我們還不了解的階段。我們只是還不知道該如何去解開這個難解之謎。
圖中藍色區域為El Gordo星系團中的暗物質分布區。天文學家通過觀察更遠處星系影像的扭曲程度來尋找暗物質在哪裡。NASA / ESA / J. Jee (University of California, Riverside)
完全有可能，宇宙學家今天面對的諸多難題，在實驗和觀測的幫助下，在幾年中就能完美解決掉。但是最終我們會發現，我們對宇宙的研究越深入，我們對宇宙的認識就越膚淺。努力了幾十年，暗物質的本質依然是個謎，暗能量問題看上去也近乎無解。我們仍然不知道組成我們宇宙中原子的粒子是如何從大爆炸的最初時刻倖存下來的，我們對宇宙暴漲，對它的運作方式，甚至是它如何開始，如何結束也知之甚少——假如暴漲這樣的事真的發生過的話。
從這個角度，讓人不得不懷疑這些謎團背後是否隱藏著比一些互不關聯的單一問題更大的東西。也許它們在暗示，宇宙的最初時刻並非我們想像的那樣。也許這些問題昭示著一次宇宙學的變革。
我們也許正處在科學史上的一個懸崖邊緣，如同1904年那樣。當時，科學看上去堅不可摧。兩百多年來，牛頓物理學無往不勝。儘管物理學家已經進軍電學、磁學和熱學，但這些方面和兩百年前牛頓描述的世界沒什麼兩樣。對1904年的物理學家來說，世界已經認識得差不多了，沒有多少理由來一次變革。
歐空局普朗克衛星獲取的宇宙微波背景。將這些結果與宇宙標準模型相結合後得到的哈勃常數比通過觀測鄰近星系得到的數值小。ESA / Planck Collaboration
但和今天宇宙學家的處境一樣，1904年的物理學家在面對一些挑戰時也束手無策。他們相信光在穿越介質——所謂的發光以太時理應會引起速度的變化，但是實際上光速總是以相同的速度穿越空間。天文學家發現水星軌道與牛頓物理學預測的稍有不同，還以為那裡有一顆未知的行星——火神星在擾動水星的運行。
1904年的物理學家不知道是什麼讓太陽燃燒——沒有已知的化學方法或機制能夠在如此長的時間內產生那麼多的能量。當時的科學家發現多種化學元素能夠發射和吸收特定模式的光，但沒有一個能夠對此加以解釋。也就是說，在當時，原子內部的運作方式是一個徹頭徹尾的謎。
事後看來，這些問題其實預示著物理學變革的來臨。1905年，年輕的愛因斯坦用他嶄新的相對論宣示，變革開始了。今天我們已經知道發光以太並不存在，也沒有所謂的火神星。實際上，它們都是牛頓物理學基本缺陷的外在表現。相對論完美地解決解釋了這些謎題，而無需新成分或新行星的介入。
當科學家將相對論和新興的量子物理學相結合，解釋太陽的長壽及其內部原子運作機制變得可能了。這些新的理論打開了一扇新的從前難以想像的探索之門，這扇門通往的方向中就包括了宇宙學。
科學變革能夠從深層上改變我們對世界的看法和認識。但是激進的改變從來都不是那麼容易到來的。我們沒有辦法預測今天宇宙學家面臨的謎，究竟是大變革到來前的先兆，還是已有科學進取過程中有待梳理的旁枝末節。
毫無疑問，我們在認識宇宙，認識它的歷史，以及它的起源方面，已經取得了不可思議的進步。但是同樣無可否認的是，我們也面臨著極大的困惑，尤其是在對宇宙最初時刻的認識方面。宇宙的最初時刻，無疑有最令人震驚的秘密，也許這些秘密能夠引領科學走向偉大的變革。
但是我們的宇宙依然守口如瓶。
Dan Hooper（美國費米加速器實驗室理論天體物理學小組組長、高級科學家） / 文
老孫 / 譯
參考：
Is the Big Bang In crisis?
https://astronomy.com/magazine/news/2020/05/is-the-big-bang-in-crisis
星空天文系頭條號籤約作者