爱华网李杰信 现任美国航天总署(NASA)总部资深技术顾问兼太空任务科学家
卫星上天后，人类的眼睛变亮了，对宇宙知识的索取已不再小打小闹，而是摆出财大气粗的嘴脸，气势咄咄逼人，把天庭每个角落都要翻开来看看，豪夺强取，贪婪无止。‘哈勃望远镜’（以下称哈勃）第一次传回距地球7千光年‘鹰星云’M16（图1）星星育婴室图像时，人类像被圣灵充满，眼睛闪烁着泪花。宇宙边缘数不尽的星系一一在眼前呈现，爱因斯坦重力场透镜，巨大星系间碰撞，超新星（supernova）闪爆连连，黑洞吞噬时有所见，宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background radiation，CMBR，以下称微波）无所不在……。宇宙奥秘已无处可藏，人类将很快就能褪下她最后一层薄纱，看个底儿掉。
但人类怎么也想象不到宇宙之母有如佛祖如来，大手一挥，祭出‘黑暗物质’和‘黑暗能量’宝器，把宇宙96%的秘密严封在法柜之内。人类！尽量看吧，现在才让你知道自己只不过是在4%小圈圈内打转，而你赞叹不已的瑰丽灿烂的宇宙，仅是我家当中微不足道的0.4%，另外的3.6%就算是陪你玩的星尘罢了。（作者注：目前的理解，认为宇宙含0.4%发光物质，3.6%星尘，23%黑暗物质和73%黑暗能量。）
人类打开荷包投下了巨资探测宇宙，本想直捣‘大霹雳’（big bang）黄龙老巢，却踢到了两块以黑暗面目出现，坚硬无比的铁板。
在踢到铁板同时，由微波数据分折，人类在宇宙中找到了一个古老的标准尺标（standard yardstick，以下称‘天尺’）。这把天尺后来竟然凝结在目前我们能观测到的膨胀宇宙之中。
人类将使用这把天尺，继续没完没了地跟宇宙抢争地盘。
先谈这两块铁板。
铁板
第一块铁板黑暗物质，在1930年代就初现征兆。当时由地面望远镜观测到的星系在巨大星系团中的相对速度太快，远超出可见物质重力场掌控范围，理论学家提出额外重力场由地面尚且看不见的黑暗物质提供，科学界姑且听之，并未认真对待。1960年代地面仪器精进，通过对螺旋星系外围晕中星体光谱红位移分析，再次确定其特快速度不符合牛顿万有引力定律，天文界勉强接受黑暗物质存在，以观后效。哈勃上天后，看到了在宇宙中遍地开花结果的重力场透镜，它们的重力聚焦强度，也远超出可见物质重力场提供的极限，黑暗物质于是又成了幕后推手，在暗中向人类示威。
黑暗物质如以粒子出现，它将只与重力场打交道，和电磁世界生死不相往来。人类于是在数千米深的矿坑，装上最灵敏的黑暗粒子探测仪，日夜开工30余年，除开一些被理论勉强归纳成“热”黑暗物质的微量高速微中子外，尚无其它有份量的斩获。好，既然宇宙不主动提供，那我总可以自己制造吧？于是人类又卯足全力，积极筹建“大强粒子对撞机”（Large Hadrons Collider），企图在地球实验室里，生产黑暗粒子。目前估计，大强粒子对撞机的能量，低于黑暗粒子所需能量上万亿倍，最多只可能一窥黑暗粒子的远房穷亲戚，黑暗物质的主角还是背后藏镜人。
黑暗物质的存在并不可怕，可怕的是它的份量几乎接近可见物质的6倍、宇宙所有发光星系总质量的60倍。人类花了好大力气，目前还仅只能看见作案现场的证据，凶手却杳然无踪。人类以前因无知而无畏，踢到第一块铁板后，变成越知越畏，寻知之路茫然。
1998年后，人类测量到宇宙在50多亿年前，开始加速膨胀，引发第二块铁板出现。
大霹雳后，宇宙开始膨胀，人类觉得新奇，但还能接受。那个爆炸事件不是以碎片往外飞的？但碎片如果往外不是越飞越远越慢，反而是越飞越远越快，那可就神奇了。在碎片往外飞时，没看到过第二次补充能量的爆炸呀？加速的能量由那来的呀？一连串问号，找不到答案。
在天文学用语中，不知道答案的问题，常被冠以‘黑暗’两字，有如医学上以‘症状’ 命名，皆知其然不知其所以然，‘黑暗’能量就这样粉墨登台，成为向人类智慧挑战的另一块大铁板。
宇宙加速膨胀之事非同小可，人类一定要把这个事实搞得门儿清，才能集中精力，仰攻黑暗能量的奥秘。
宇宙中的标准烛光
要精确测量宇宙在每个时期的膨胀速率，先得量出在每个时期中的星系离地球的距离和对地球的相对速度。距离一般以某类标准亮度的星光明暗来测量，恰似我们看一根蜡烛，越近越亮，越远越暗。由烛光的明亮度，我们可测出距离。因为光在宇宙中传播需要时间，动辄数10亿年，宇宙空间是个巨大的时空隧道，距离除以光速，得到一个粗略的星光起程时间，准确数字需以一般相对论理论计算，在概念上，要理解宇宙空间动态膨胀的因素。速度测量比较复杂，牵涉到光谱红位移现象。光学上的红位移和声学中的‘都卜勒效应’（Doppler Effect）物理性质相同：朝你驶来的汽车喇叭声频率增高，往尖的方向升；离你远去的汽车喇叭声频率转低，往柔的方向降。车的速度越快，频率变化越大。飞机对地速度也是以都卜勒效应量出的。宇宙有一种星体，泛称为超新星。历史上最出名的一颗超新星在1054年爆炸，时为宋仁宗至和元年，出现在金牛座，数日内亮度增强上亿倍，白日可见，亮如金星，是古天文史上最出名的一颗超新星，中国人叫它为‘天关客星’。超新星其实不‘新’，是重量级恒星在重力场和聚核能剧烈搏斗后的死亡告白，来去匆匆，称‘客星’反更恰当。超新星在星空中突然出现，除开壮丽又恐怖之外，也肩负着下一代恒星和行星系的播种工作，把几亿年惨淡经营的重元素，像天女散花似的，洒向大片星际空间，如杜鹃啼血，成为后代星云的原始素材，终归像火凤凰，在几十亿年后，又凝聚成星，浴火重生，而大部份散播出去的重元素，也被生命采用，在我们的基因和血液里活动。据专家统计，每个人体内都有好几公斤的碳和成千上万个超新星的重元素原子。追溯我等生命的最初源头，超新星的贡献在此要提一下。
依星体质量，超新星分好几种类型，生老病死各有不同。其中一类称Ia型的（图2），爆炸前质量接近我们太阳的1.38倍，爆炸时将几亿年储存下来的家当如碳和铁等重元素，一个子儿不留地喷洒出去，瞬间绝对光度达我们太阳的50亿倍。神奇的是这类Ia型超新星，不论在宇宙中何处出现，绝对光度总是太阳的50亿倍。这么强的光度，能穿透宇宙上百亿光年的距离。还有，在爆炸后数月内，光度依次由金属镍钴铁56等放射性元素能量提供，定时定量递减，绝对光度演变可以以理论计算得知。这两种特性，佐以红位移的测量，使Ia型超新星成为天文学家梦寐以求的宇宙标准烛光。
图2:左下角亮点为1994年发现的Ia型超新星SN1994d，与图中右上左下分布的处女星系（Virgo galaxy）为邻，距地球5,500万光年。
宇宙中另有‘造父变星’（Cepheid variable stars）类标准烛光，绝对光度最高可达太阳万倍，能穿透6,000万光年空间。6,000万光年不是个短距离，但这篇文章谈的距离至少上10亿光年，此类烛光不管用，在此略去不谈。
人类目前发现最古老的Ia型超新星SN1997ff年龄达113亿年，是目前人类在宇宙中找到的最遥远的标准烛光。
测量某Ia型超新星相对亮度，我们就能得知它与地球间的距离。有了距离，就知光线出发时间。从光谱都卜勒红外移效应，可知道它的速度。两组实际观测数据合起来，就知道宇宙在那个时期的膨胀速率。每个时期的膨胀速率相互比较，就得出宇宙在50多亿年前开始加速膨胀，铁证如山。
宇宙加速膨胀的能源来自我们不懂的黑暗能量。它加速膨胀时，肯定也带着黑暗物质飞奔。以Ia型超新星当然可测量出宇宙在每个时期的膨胀速度，但是Ia型超新星并不是遍地开花，天涯难寻，人类最好在宇宙中还能找到其它独立的测量工具，来追踪和理解黑暗能量和黑暗物质的物理行为。
人类一厢情愿地向往，如果在宇宙中能找到一根天尺该有多好。用这根固定长度的尺，测量它在宇宙每个时期长度的变化，不是又可以从另一个角度，观察黑暗能量和黑暗物质的作为吗？
混沌中的声波振荡
目前人类的理解，宇宙在‘大霹雳’初期，应通过为期极为短暂的‘暴胀’过程，以超过光速上百倍的速度，一下子膨胀了近100亿亿亿亿亿亿亿亿倍。在超高速膨胀阶段，无可避免地引起一些局部的量子起伏，在萌芽的宇宙中留下了无法磨灭的永恒胎记。随着宇宙的成长，这个胎记就转移到混沌初开时的各类带电粒子混合浓汤或电浆之中。宇宙的原始电浆经过一阵子膨胀冷却，电子、质子和中子成为重要成份，外加闷在电浆中的主力成份电磁波或光子。肯定地，不带电的黑暗物质也混在其中。黑暗能量在暴胀时以高能量品牌的‘伪真空能’发过一次神功，至今已精力耗尽，转变成一般温和品牌的‘真空能’，随宇宙体积增大，深挖地广积粮，养精蓄锐，待机复出。
扯远一点。温和品牌的‘真空能’耐心地等了近80亿年，在50多亿年前终能重掌大权，再次推动宇宙加速膨胀前进。
言归正传。由于量子起伏留下的胎记，原始电浆局部发生细微变化，造成有些部位电浆浓度略高，重力场引力增大，电子质子和中子就成群结队地来凑热闹，往里挤。挤呀挤的温度就上升了。挤到最厉害时，电磁光子开始抵抗反击，把挤进来的物质往外推，温度随之下降。一挤一推，在混沌初开的电浆中就产生了声波振荡（acoustic oscillation）。
混沌的电浆就这样又挤又推，振荡不止。光子在浆雾中也跟着振荡，加上左碰电子右撞质子，中子也衰变成电子质子再变回中子，来回和光子捣乱，使光子寸步难行。转眼间到了大霹雳后的37.6万年，宇宙的大环境降到了绝对温度3,000K，质子可以把每个电子抓住，形成氢原子。电浆没电了，变成中性。光子一看，时机来了，就从中性的浆雾中，脱身而出，踏上征途，开始漫长的宇宙之旅，137亿年后，抵达地球，被人类天上地下无所不在的无线电大耳朵听到。
简单说来，这就是宇宙微波背景辐射（图3）的来龙去脉。
图3：以太阳系为中心测量出的全宇宙在“大霹雳”37.6万年后的宇宙背景电磁微波分布图。宇宙背景电磁微波分布极为均匀，五年累积的资料（2001-2006）呈现出不均匀部份仅为均匀部份的十万分之一级数。不同颜色表示电磁微波强度或温度的不同，不均匀部位的平均直线大小为37.6万光年，对地球的张角约为1度。
图3表示的是全宇宙360度全方位微波投影在一个椭圆形的平面图，是大霹雳37.6万年后宇宙刚变成中性时的微波分布图。这个微波其实分布得极为均匀，不均匀的幅度只是均匀数值的10万分之一，比台球还要光滑，深藏着宇宙好些大秘密，在此仅解读一、二。
直奔主题，问：微波不均匀现象怎么来的？答：是声波振荡时留下的胎记。问：红色为温高区，黄色次之，浅蓝深蓝为温冷区，它们怎么来的？答：电子质子往一堆挤时热，光子往外推时冷。问：热区有多大？冷区有多大？答：电子质子往一块挤，最长时间能挤37.6万年；光子往外推开电子质子，最长时间也是能推37.6万年。37.6万年后，光子扬长而去，电子质子失去反弹力量，声波振荡停止，中性物质在重力场推动下，逐渐凝聚成胚胎宇宙，继续膨胀。所以如果当时电子质子光子都以接近光的速度挤和推，热、冷区的大小相同，都应是37.6万光年。问：黑暗物质参与了声波振荡壮举了吗？答：黑暗物质只和重力场来往，电磁性的光子推不到黑暗物质，所以，黑暗物质没有参与混沌电浆中的声波振荡。
人类想通了热、冷区大小为37.6万光年后，就赶快用相对论计算一下。嗯，宇宙37.6万年时的大小约为直径9,000万光年，从那时宇宙中心望过去，37.6万光年的张角约为1度。137亿年后，在一个平直的宇宙中，这个张角不变，还应是1度。
这真是一个天大的秘密！人类马上吹起科学总动员号角，召集最聪明的科学家数百人，送上各类最先进的仪器，仔细测量微波冷、热区的张角，竟然真的是1度（图4）。
图4：目前宇宙微波热区对地球的张角平均约为1度。高频率声波振荡的冷、热区张角依次变小。
37.6万光年是宇宙大霹雳后留下的一把宝贵的天尺。这把天尺在大霹雳37.6万年声波振荡停止后，就凝结在胚胎宇宙的材料中。而这把原来只有37.6万光年大小的天尺，137亿年后的今天，也应跟宇宙一起膨胀了1,292倍，如果现在能找得到，目前大小约为4.85亿光年，该是个巨大好用的天尺。
其实这把天尺在宇宙不同时期，有不同的标准长度。我们只要回溯到宇宙某个时期，找到那个时期的天尺，和理论数值比较，就又可以看出当时宇宙膨胀的速度，洞察黑暗物质和黑暗能量的行为。
我们能在宇宙中找到这把凝结在巨大星系结构中的天尺吗？
膨胀中的凝结声波
37.6万光年幅度的声波振荡，在宇宙变成中性后，应凝结在胚胎宇宙的素材中，跟着宇宙一起演化、膨胀。想象一下，在现在可观测到每个时期的星系团宏观结构，都应暗藏着这幅凝结的朵朵涟漪，任何地方都可能是涟漪中央，就像不均匀的微波分布图形一样，星系团结构的分布也应在声波凝结处集结或多或少些星系，离声源中心的距离也会因膨胀变大，不同时期大小各异。
为了寻找宇宙中的朵朵涟漪，人类在地面上建立起观测站，数字扫瞄全宇宙面积的25%，取得近一百万个星系团结构相对位置，进行计算机图像对比，专找圆形图案。
搜索结果，目前似乎找到了这个凝结声波（图5）。
图5: 图下中为执行‘斯隆数字全方位扫瞄’（Sloan Digital Sky Survey）的望远镜，覆盖面超过全宇宙的25%，边长近40亿光年，取得近一百万个星系团结构相对位置（上中呈扇状分布部份），进行计算机图像对比，终于发现了一个凝结的声波，半径约5亿光年（下右）。下左为30万光年大小图像，在巨大扇面上仅为小小的一个逗点。
说‘似乎’，是因为图案并不像微波讯号分布密麻有致，面积大小集中。在2004年，专家们基本接受并认可计算机看出了那朵约5亿光年大小凝结声波的图案，接近理论上约4.85亿光年。但美中不足的是，目前肉眼还看不出来。有些专家说，如果在混沌初开时黑暗物质也参加了声波振荡壮举，那现在凝结后的波动振幅应比计算机看出的明显许多。现在微弱的讯号，也间接说明了黑暗物质并未参与宇宙混沌时期的兴风作浪事件。
结语
黑暗物质和黑暗能量这两块铁板，是对21世纪人类智慧最大的挑战。仰望苍宇，人类找到了好几件利器：Ia型超新星，混沌初开时37.6万光年的微波标准尺标，还有在宇宙演化过程膨胀中的凝结声波尺标。使用这些与黑暗物质和黑暗能量可能有密切关系的测量工具，或许有那么一天人类真的能剥下‘黑暗’的外衣，超越铁板，到宇宙更深处争地盘。
