小说家、社会批评家乔治 · 奥威尔(Geoge Orwell)1946年写道：“想要看到鼻子前面的东西须要进行坚忍不拔的斗争。”这句话也适用于描写现代宇宙学的工作。整个宇宙包围着我们——我们也是它的一个组成部分——然而科学家为了理解导致我们在地球上生存的过程，有时必须去考察几乎整个宇宙。尽管研究者们相信，大自然的基本原理是简单的，但是要阐明它却并非易事。天空的暗示是诡秘的。奥威尔格言对宇宙学家想搞清最近关于相距10亿光年的爆炸星的观察结果来说，更是倍感正确。他们发现，同大多数期望值相反，宇宙膨胀(expansion)可能不是在减慢而是在加速。

至少从1929年以来，天文学家就知道宇宙正在膨胀。那时E · P · 哈勃(E. P. Hubble)证明，遥远星系正在远离，好像它们是要让整个宇宙均匀地长大起来。这些向外的运动受到星系团和它们所包容的所有行星、恒星、气体和尘埃的共同引力所抵抗。例如，即使是一张纸片的小小的引力拖牵也会稍稍延缓宇宙的膨胀。10年前，一种理论和观察的一致性说明，宇宙中所有的纸片和其它物质差不多(但绝非十分地)足以制止宇宙的膨胀。用爱因斯坦鼓励宇宙学家采用的几何名词来说，看起来宇宙是“平直的＂。

平直宇宙是另外两种几何的中介物，这两种几何就是“开”和“闭”。在宇宙中，物质同来自大爆炸的推力作战。“开”的情况表示膨胀的胜利，它将永远膨胀下去；“闭”的情况表示引力占有优势，宇宙最后会坍缩回去，以一场可怕的“大挤压”告终。开、闭和平直的情景类似于火箭分别以快于、慢于和恰好等于地球的逃逸速度发射。逃逸速度是克服地球引力吸引所必须的速度。

认为我们是生活在平直宇宙之中，这种理想的均衡是标准暴涨论(inflationary theory)的标志性预言。暴涨论假设宇宙极早期急剧膨胀以符合大爆炸通常表述的几个佯谬。虽然宇宙的可见包容物明显不足以使宇宙平直，然而天体动力学指出，宇宙间存在若比眼睛所看到的要多得多的物质。星系和星系集合体中的大部分物质一定是望远镜看不见的。10多年前，我借用名词“quintessence＂来表示这种所谓暗物质；这个名词原是亚里斯多德用来表示以太(假定渗透在整个空间的不可见物质)的。

然而现在有大量的证据说明，即使是不可见物质也不足以产生平直宇宙。也许宇宙不是平直的，而是相当“开”的；在这种情况下，科学家必须修改以至抛弃暴涨论。或者宇宙真的是平直的；如果是这样，它的主要组成成分就不能是可见物质?暗物质或辐射。相反，它一定是由大量的占据着空空间的更为奇特的能量形态所组成，包括在我们鼻子底下的它。

以下列表说明各种类型的物质，表中的量Ω是物质或能量的密度与平直性所要求的密度之比。

物质的类型

致命的吸引力

这样奇特的能量观念已经有一段很长的盛衰无常的历史了。它是爱因斯坦完成他的广义相对论时建立起来的，还是在哈勃有说服力地证明宇宙正在膨胀之前10多年。相对论把空间、时间和物质联系在一起，不仅约定了宇宙中物体的动力学的科学理解，而且约定了宇宙本身的动力学的科学理解。这在以前是不可能的。不过还存在一个问题，引力同物质感受到的其它基本力不一样，它全是吸引的，只拉不推。物质坚持不懈的引力吸引最终使宇宙坍缩。所以爱因斯坦(他设想的宇宙是稳定的、静态的)在他的方程中额外加进一个项，叫“宇宙项”。它可以产生一个新的通贯空间的长程力而使宇宙稳定。如果它的值是正的，这个项就出现一推斥力——一种反引力。反引力可以使宇宙在其自身重力的作用下保持不变。

不超过5年，爱因斯坦就放弃了这种“拉郎配”的项，把它看作是他的“最大失误”。由这个项提供的稳定性是错觉；更重要的是，证据开始确认：宇宙正在膨胀。早在1923年，爱因斯坦在给数学家赫尔曼 · 韦尔(Hernann Weyl)的信中写道：“如果没有准静态宇宙，那就除掉宇宙项！”像在它之前的以太那样，看来这个项的前途是进历史垃圾箱。

物理学家乐于在没有这种干扰的情况下工作。在广义相对论中，引力源(或吸或斥)是能量，物质只是能量的一种形态。然而爱因斯坦的宇宙项则截然不同，与宇宙项相联系的能量并不依赖于时间和位置，因而名之为“宇宙常数”。由常数引起的力，即使完全没有物质和辐射，它也在作用。因此，它的源必然是一种存在于空空间的古怪的能量。像以太一样，宇宙常数赋予真空的几乎是玄学的辉光。它的让位使大自然重现合理性。

难道真是这样的吗？到20世纪30年代，在一个完全独立的背景下宇宙常数显露微光。这就是把量子力学的定律同爱因斯坦的狭义相对论结合起来的努力。物理学家P · A · M · 狄拉克(Dirnac)和后来的R · 费因曼(Feyman)、J · S · 施温格尔(Schwinger)、S · 托蒙那加(Tomonage)指明：空空间比任何人早先想象还要复杂。原来基本粒子会从“无”中突然产生，又突然消失。如果它们是在一个非常短的时间里这么做的，人们就无法对它们进行直接测量。这样的虚粒子如同它的称呼那样，显得像安琪儿坐在针尖上一样不自然。

虚现实

如果虚粒子能够改变原子的性质，它们是不是也会影响宇宙膨胀呢？1967年，俄罗斯天体物理学家Y · B · 泽多维支(Zeldovich)证明，虚粒子精确地担负起与宇宙常数相联系的能量。但是这存在一个重大难题。量子力学预示虚粒子的整个谱线，覆盖了每一可能的波长。物理学家把所有的效应加在一起时，总能量为无穷大。即使理论家将小于某一波长的量子效应忽略不计(对于这些波长，人们很少了解的量子引力效应有可能改变事物)，计算得出的真空能量约为120个数量级，这比宇宙所包含的全部物质的能量还要大。

如此其大无比的宇宙常数效应到底是什么呢？从奥威尔格言中得到启示，可以很容易地在它的值上设置观察极限。举起你的手，看着你的指头。如果常数像量子论天真地描述的那样大，那末你的眼睛和手之间的空间会急速膨胀，以致从你的手处发出的光永远也达不到你的眼睛。要看清在你面前的是什么，是一场坚忍不拔的斗争(打个譬喻)，而且永远看不见它。然而事实上你什么都可以看见，这说明空空间的能量不可能是巨大的。我们不但能看到臂端，还能看到宇宙遥远的地方。这一事实对宇宙常数给出一个更严格的限制：比上面提出的估计差不多要小120个数量级。理论和观察之间的矛盾是当今物理学中最复杂的量子难题。

测定宇宙年龄是现代宇宙学长期存在的难题之一。天文学家从测量星系速度中可以计算出星系到达现在位置所花费的时间(假定它们都从同一地点出发)。对于第一近似，人们可以对引力引起的减速忽略不计。然后宇宙以恒速膨胀，时间间隔正好是星系间距离与所测得的分离速度之比，即著名的哈勃常数的倒数。哈勃常数值越高，膨胀率越快，因而宇宙越年轻

哈勃首次估算出以他的名字命名的常数是500每秒每兆秒差距，意思是指两个分离距离1兆秒差距(约300万光年)的星系正以平均500公里/秒的速度飞离开去。这个值意味着宇宙年龄为20亿年。这与已知的地球年龄(约40亿年)构成令人头痛的矛盾。当考虑到物质的引力吸引时，分析预示，物体的运动比假定它是常速要快，即花时间较少，到达现在位置较早。这一改变使年龄估算减小三分之一。不幸的是，这样一来反而使上述差额更大了。

天文学家在过去70年里改进了他们对膨胀率的测定，可是计算出来的宇宙年龄和宇宙中物体的年龄之间的紧张局面还是继续存在。过去10年里，由于发射了哈勃太空望远镜，发展了新的观察技术，用不同方法对哈勃常数的测量结果最后汇合到一起了。卡内治天文台的W · L · 弗里德曼(Freedman)和她的同事们的推导值是73公里每秒每兆秒差距(最可能阈值为65至81，取决于实验误差的大小)。这些结果为平直宇宙年龄确定了上限：大约100亿年。

年龄危机

这个年龄是不是够老了？这取决于天文学家所能确定的最老物体的年龄是什么。在我们的星系中最古老的恒星是那些发现时是紧密团集的物体，叫球状星团。其中有些是在我们星系的边缘，因而被认为是银河系中最早形成的恒星。以恒星燃烧核燃料快慢的计算为基础，估算它们的年龄惯常为150到200亿年的范围。这样的物体显得比宇宙还老。

为了确定这个年龄矛盾是不是宇宙学或星体模型的缺失，我和我的同事们1995年对球状星团的年龄重新作了估量。我们模拟了300万颗不同恒星的生命周期，它们的性质展现出不确定性，然后用我们的模型恒星与那些球状星团相比较。我们得到的结论是，最古老的也只有125亿年。这仍然同平直的?由物质所支配的宇宙年龄不一致。

但两年前欧洲太空局发射了Hipparcos卫星，去测量邻近10万多颗恒星的位置，修改到达这些恒星的距离，间接地也对到达球状星团的距离作了修改。新的距离影响了我们对它的亮度的估算，迫使我们重做分析。因为亮度决定恒星消耗燃料的速率，从而决定对它们的寿命的估值。现在看来在观察误差限度内球状星团年轻到100亿年，恰好与宇宙年龄一致。

但是这种勉强的一致并不能让人心安理得，因为它要求两组年龄估值都紧挨它们允许范围的边缘。它们唯一能够给出的是我们生活在一个平直的、由物质所支配的宇宙中的前提条件。一个物质低密度的?有意义的减速开宇宙会多少缓解紧张的局势。即使如此，要把年龄提高到125亿年以上的唯一办法还是得考虑这样一个宇宙：支配它的不是物质，而是宇宙常数。合成推斥力会使哈勃膨胀一直加速，星系就要比今天飞离得更慢，到达它们现在的间隔所花的时间更长，因而宇宙更老。

现行的年龄估算值仅仅是启发性的。同时，观察宇宙学的别的支柱最近也已动摇。天文学家考察前所未有的大范围宇宙时清点宇宙包含物的能力提高了。现在的情况迫使人们不得不同意，物质的总量不足以产生平直宇宙。

1996年，当加州大学的P · R · 泰特劳(Tytler)、S · 鲍尔斯(Burles)和他们的同事们应用类星体的光被星系际氢云吸收来测量原始氘的丰度时，相关联的观察前进了一大步。因为这些云绝对没有包含恒星，所以它们的氘云只能是由大爆炸产生的。泰特劳和鲍尔斯的发现意味着普通物质的平均密度占要使宇宙平直所需要的数量的4~7%之间。

天文学家在研究宇宙中最大的引力束缚物体——星系团中探测了物质的密度。数以百计的集合体几乎占去所有的可见物体。它们的大部分明亮包含物取星际热气体的形态，它们放出X射线。从X射线波谱推断，这种气体的温度取决于团的总质量：团越厚重，引力越大，因而抵抗引力支撑气体的压力必然越大，温度也就升得越高。德国普朗克天体物理研究所的S · D · M · 怀特(White)及其同事们在1993年搜集了几个团的资料，推论出明亮物质占物体总质量的10~20%。与测量氘所得的结果结合起来，意味着团集物质(包括质子和中子以及更多的异粒子，如暗物质候选物)的总密度占使宇宙平直所需要的60%。

宇宙物质密度推断值概表

也与大尺度的物质分布相关的第三组观察结果支持这样的观点：宇宙物质太小，不能使宇宙平直。大概没有比宇宙学领域对宇宙结构的起源和本性的理解有如此大的进步。长期以来天文学家都认为星系是初期宇宙中物质的微小集结体聚集起来的，但是没有人知道怎么会产生这样大的波动。80年代暴涨论的发展提供了第一个可能的机制，即量子涨落的增大达到宏观尺度。

根据暴涨所作出的结构增长的数字模拟，已证明暗物质不是由质子和中子所组成，而是由别种类型的粒子(如所谓WIMPs)所组成。宇宙微波背景辐射中的微小的波纹可以生长成我们现在看到的大结构。尤有甚者，如果物质的总密度高，物质的集结物还要演化成星系团。现代宇宙历史中许多富集的团增大得比较缓慢，这说明物质密度小于平直宇宙所要求的50%。

无物质

许多的调查研究发现都说明宇宙的物质太少，无法使它平直，这就有了充分的说服力去克服反对这种可能性的强大的理论偏见。这样两种解释是可行的：要么宇宙是开的，要么宇宙是某种与普通物质无关的额外能量形式使它平直的。为了识别这两种可能选择，天文学家用高分辨能力的仪器去测量微波背景。得到的初步结果是支持平直宇宙的。与此同时，研究工作者研究了遥远超新星，首次提供试验性证据，证明宇宙膨胀在加速；这是个由别种数据启示的数值相同的宇宙常数指示信号。微波背景的观察和超新星的观察说明了宇宙学的两个不同方面。微波背景揭示宇宙的几何形状，而不论呈什么几何形状都对总的宇宙密度敏感。反之，超新星直接探测宇宙膨胀率，它取决于：物质密度(它减缓膨胀)和宇宙常数(它加速膨胀)之差。

把所有这些结果综合起来，说明要使宇宙平直，需要宇宙常数贡献40~70%的能量。且不去说证据的优越性，值得铭记一个古老的格言：预言与所有观察结果相符的天文学理论多半是错误的；这里只要有某一个测量或预言可能是错误的就够了。然而理论家却急于弄清20年前曾是不可思议的东西：一个大于零的宇宙常数却大大小于通行的量子论预示。某种精良的技艺必须减去虚粒子能量到小数点123位，而第124位则保留不变——这是自然界仅见的精确性。

最近由德克萨斯大学的S · 温伯格(Weinber)和他的同事们开拓的一个方向，祈求于宇宙学家的最后手段：人择原理。如果所观察的宇宙仅仅是无数互相分离的宇宙中的一个——每个宇宙可以有稍稍不同的自然常数，如同一些暴涨论和正在兴起的量子引力观念相结合所建议的那样——那末物理学家就有望估算出宇宙常数的大小，只要向一问哪一种宇宙中智能生命有可能演化就行了。温伯格等人已经得到这样一个结果：它与今天的宇宙常数的表观大小一致。

但是大多数理论家不觉得这些观点有多少说服力。因为这些观点意味着没有理由给宇宙常数取一个特定的值。事情正是如此。尽管他们那些论证可能是正确的，然而物理学家还没有试尽别的可能性；那些可能性可以让基础理论而不是用历史的偶然事件来限制宇宙常数。

另一个方向是根据狄拉克的传统建立起来的。狄拉克论证道，宇宙中有一个测量到的大数，即它的年龄，相应地还有它的大小。如果某种物理量随时间变化，那末它们今天就必然可以是很大，也可以是很小。宇宙常数就是一例。事实上，它可以不是常数。我们毕竟是第一次和唯一的一次生活在宇宙的历史长河中，如果宇宙常数是固定的、非零的，这时物质密度(它随宇宙膨胀而减小)与空空间中储存的能量就不相上下。怎么会这样巧合？有几个组已经设想出某种宇宙能量形态去模拟宇宙常数，但它是随时间变化的。

这一概念是由普林斯顿大学的P · 詹姆斯(James)、E · 费泼斯(Feebles)和B · V · 拉特赖(Ratra)10年前探索出来的，别的组因被超新星的新发现所激励，使这一观念复活了。有些是从弦论中吸收了新兴的概念。宾夕法尼亚大学的R · 开德威尔和P · J · 斯汀哈特(Steinhardt)重新提出“quintessence＂来描述这种可变化的能量。这是理论难题的一个度量标准；使得原来配用这个名词的暗物质，现在相比之下似乎是平凡世俗了。虽然我很欢喜“qurtessence”这个词，但是有关这个词的理论观念似乎没有一个让人非信不可。各个观念的设置都是有目的的。宇宙常数问题的艰巨性依然存在。

宇宙学家怎么确切地知道他们是否与理论上复杂化了的宇宙相一致呢？新的微波背景的测量继续进行着的遥远超新星的分析和遥远类星体的引力透镜测量，应当能在今后几年里证实宇宙常数。有一件事是确定无疑的，这就是：20世纪80年代那个假设平直宇宙是由物质所支配的标准宇宙学是死亡了。宇宙或者是开的，或者充斥着起源未知的能量，二者必居其一。虽然我相信证据倾向于支持后者，然而两者都要求一种对物理学的戏剧性的新理解。换句话说，“无”是趣味的极境。

[Sinuifie American，1999年第1期]