当时的困境
1980 年代初,宇宙学被几个数字夹在中间,怎么摆都不合适。
暴胀理论说空间必须是平的,也就是宇宙的总密度恰好等于临界密度。这个预言很硬,因为它是暴胀机制的直接后果,不是可以调的参数。
可数得到的物质远远不够。 把星系团里的所有质量加起来,包括从引力效应推出的暗物质,也只到临界密度的三分之一上下。
大爆炸核合成又封住了另一头。 宇宙里氘与氦的丰度,取决于火球冷却时有多少质子和中子。观测到的丰度只允许普通物质占临界密度的百分之几——所以那三分之一里的绝大部分,不可能是普通物质。
还有一个更尴尬的矛盾: 按当时的哈勃常数算出的宇宙年龄,比球状星团里最老的恒星还年轻。宇宙比它装着的东西年轻,这显然不行。
最后,如果宇宙真的是开放的(密度低于临界值),那么物质结成今天这些星系所需的原初涨落必须相当大,微波背景上的温度起伏早就该被测到了。可当时一轮又一轮的观测只测出上限,什么也没看见。
每一条都有依据,合在一起却拼不成一幅图。
洞见时刻
皮布尔斯用两篇论文把这幅图拼了出来,中间隔了两年。
1982 年那篇处理暗物质。此前人们大多设想暗物质是中微子那样又轻又快的粒子,但这样的「热」暗物质在早期宇宙里跑得太快,会把小尺度的涨落抹平,结构只能自上而下地从超星系团碎成星系——和观测对不上。皮布尔斯改设它是冷的:粒子运动慢,因此能在小尺度上先结团,星系先形成,再聚成团、聚成超星系团。他还顺手算出了一个可以被证伪的数:微波背景的温度涨落应在十万分之一量级。
关键在于,冷暗物质不带电、不与光子作用,所以它可以在复合之前就开始结团,而普通物质还被辐射压按着动不了。等到宇宙变透明,普通物质掉进暗物质早已挖好的引力势阱里——星系形成的时间表这才对得上。
1984 年那篇处理缺口。皮布尔斯把爱因斯坦请走过的宇宙学常数请了回来:如果空间是平的(暴胀要求),而物质只占三成,那剩下的七成就交给 。这一项还顺带解决了年龄问题——有了它,宇宙在膨胀史的中段会走得慢一些,因此比只有物质时更老。
三成冷暗物质加七成宇宙学常数: 这个名字就是这么来的。
诺贝尔奖委员会后来对这两篇论文的评价是:到 1984 年,宇宙学标准模型的全部成分都已就位。
而当时几乎没有人相信那个宇宙学常数。它在方程里躺了十四年,才等到证据。
涟漪效应
此后二十年是一连串验证,而且验证的次序几乎是反过来的——先证实了最不被相信的那一条。
1992 年,COBE 卫星测到了温度涨落,量级正是皮布尔斯 1982 年预言的十万分之一。
1998 年,两个团队用远处的 Ia 型超新星测膨胀史,发现膨胀在加速。那个躺了十四年的 项,以「暗能量」的名义成了观测事实。
1998 年底,一只气球望远镜在南极上空绕飞了十天,2000 年发表的结果第一次量到了第一个声学峰。 这件事的来历要追到 1970 年:皮布尔斯与余算过,复合之前光子与重子是一锅耦合的流体,密度扰动在其中像声波一样传播,因此微波背景的涨落谱上应该有一排周期性的峰;同一年苏尼亚耶夫与泽尔多维奇从另一条路说清了这排峰的物理。峰的角位置直接给出空间的曲率。测出来的位置说:宇宙是平的——当时的精度约一成,此后一路收紧。
2003 年起 WMAP、2013 年起普朗克把整条谱测了下来。 那条曲线与 1970 年那张手算的图摆在一起几乎重合。今天的数字是:普通物质 4.9%、冷暗物质 26.6%、暗能量 68.5%,宇宙年龄 138 亿年——六个自由参数就能同时拟合微波背景、星系巡天、引力透镜与轻元素丰度,这是这个模型最有分量的地方。
一个模型能被这么多互不相干的观测同时钉住,在物理学里并不多见。
如果没有它
抽掉它,宇宙学就退回到 1960 年代那种状态:一门可以争论几十年而无从裁决的学问。今天之所以能说出「宇宙 138 亿岁」并且给出误差棒,是因为有一个参数极少的框架,把彼此独立的观测逼到同一组数字上。
但这个模型最诚实的地方,恰恰是它承认自己不懂什么。
那 26.6% 的暗物质,我们知道它必须在那里、知道它冷、知道它不发光,但地下实验室找了三十多年,一个粒子也没抓到。那 68.5% 的暗能量更糟:如果把它解释成真空能,量子场论给出的估计比观测值大出上百个数量级,这是物理学里最难看的一次理论与观测对不上。
裂缝也已经出现。用微波背景加这个模型推出的膨胀率约为每秒每百万秒差距 67 公里,用近处的造父变星与超新星一级级量上去得到的约 73,两者的误差棒都在缩小,差距却没有消失。这道「哈勃张力」可能意味着某处有未发现的系统误差,也可能意味着这六个数字还不够。
皮布尔斯自己对此的说法是:我们同时拥有一门牢靠的科学,和一堆你随口就能问倒它的简单问题。