前 言
那是2004 年圣誕節(jié)后的第二天，加利福尼亞州伯克利一個陽光明媚的冬日。我在夏塔克大道和雪松街拐角處的一家咖啡館外等候索爾· 珀爾馬特。他是加州大學(xué)（University of California，簡稱UC）的一位天體物理學(xué)家。學(xué)校的校園就坐落在陡立于城市邊緣、樹木繁茂的丘陵腳下。而丘陵之上大約1000 英尺處是勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱LBNL）。20 世紀90 年代，轄有UC 和LBNL 成員的兩個團隊的天文學(xué)家，同時但又獨立地發(fā)現(xiàn)了一些引起軒然大波，甚至令人驚慌的事件：我們的宇宙似乎正在爆炸。
珀爾馬特是其中一個團隊的領(lǐng)導(dǎo)者。他那被巨大鏡片強化了的充滿激情的好奇目光，連同發(fā)際線后移露出的高額，讓我想到了伍迪·艾倫。但他找到的可不是什么笑料。實際上，珀爾馬特承認，他們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)將宇宙學(xué)置于危機之中。這兩個團隊研究了遙遠的超新星，結(jié)果顯示：宇宙的膨脹，這一初由埃德溫·哈勃于1929 年觀測到的現(xiàn)象是在加速進行的，而并非很多人所預(yù)測的減速。好像有某些神秘的能量在產(chǎn)生斥力以抵抗引力作用。由于不知其確切性質(zhì)，宇宙學(xué)家們稱之為暗能量。更為重要的是，它似乎占了宇宙物質(zhì)和能量總量的四分之三。
暗能量是宇宙學(xué)家們面臨的，也是令人生畏的難題。此外，還要加上另一個困擾他們數(shù)十年的謎團：暗物質(zhì)。星系有幾乎90% 的質(zhì)量是由這種未知且看不見的物質(zhì)組成的。我們知道它必然存在，因為沒有它產(chǎn)生的引力束縛，星系就會瓦解。珀爾馬特指出，對于大多數(shù)物理學(xué)家，尤其是宇宙學(xué)家來說，面臨的嚴峻現(xiàn)實就是，宇宙大約96% 的物質(zhì)無法用現(xiàn)有的理論來解釋。為了理解物質(zhì)世界而付出的所有努力，僅僅揭示了宇宙的極小一部分組成。
同時還有其他諸多未解之謎。質(zhì)量的起源是什么？宇宙大爆炸之后，本應(yīng)伴隨著物質(zhì)一起產(chǎn)生的反物質(zhì)又發(fā)生了什么？使用現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱量子力學(xué)和愛因斯坦廣義相對論來解釋我們的世界并獲得巨大成功約一個世紀之后，物理學(xué)家們進入了某種停滯期。正如珀爾馬特所說，他和其他一些人正期待著去攀登通往宇宙全新認知的陡峭階梯，而在高處等著他們的，僅僅是一些模糊的想法。
這看起來像是超越人類極限的企圖，其中部分涉及將量子力學(xué)和廣義相對論調(diào)合進一種量子引力理論中去。在這兩個領(lǐng)域相沖突的地方勢不可當?shù)囊�力遭遇微觀體積之處，如黑洞或宇宙大爆炸中其理論并沒有很好地協(xié)同生效。確切地說，它們極為不幸地遭遇了失敗。那些為雄心勃勃的統(tǒng)一嘗試就包括弦論：一套在數(shù)學(xué)上極為復(fù)雜的理論體系。為熱衷這一體系的支持者們希望，它不僅僅帶我們走向量子引力理論，還通往一種萬物理論，允許我們用一些簡單的方程來描述宇宙的一切。但是，暗能量的發(fā)現(xiàn)和弦論本身的進展共同挫敗了這一目標。在同珀爾馬特會面的兩年多以后，舊金山灣區(qū)的另一個冬日里，我親身體會到了物理學(xué)所遭遇的麻煩是何其嚴重。
2007 年2 月底的一個下午，在舊金山希爾頓酒店一間宴會廳級別的會議室內(nèi)，舉辦了美國科學(xué)促進會（American Association for the Advancement of Science，簡稱AAAS）年會。這次會議濟濟一堂。三位物理學(xué)家在討論暗能量，以及它是如何與人們會問及的一些為嚴峻的問題產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的：為何我們的宇宙是這樣的？它為使生命存在而被精細調(diào)節(jié)過嗎？原來暗能量不僅神秘莫測，對于恒星和星系的形成來說，它的占比還似乎處在合適的值上。的謎團并非是為什么會有暗能量，而是為什么它會如此之少。 萊昂納特·薩斯坎德這樣告訴希爾頓會場的聽眾們，他是斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)費利克斯·布洛赫教授，同時也是弦論的創(chuàng)立者之一。他以一種詩意的風(fēng)格繼續(xù)道：事實是，我們的存在恰似站在刀鋒之上，（也就是說）如果暗能量大得多的話，我們就不會出現(xiàn)在這兒，這才是謎團所在。
直到近，科學(xué)家們才有望以弦論來解釋此事：暗能量的值可以很自然地作為該理論簡潔方程的解就像其他那些令人困惑的問題的答案一樣。為什么質(zhì)子比電子重了2000多倍？為什么引力比電磁力弱了那么多？本質(zhì)上來說，為什么自然中的基本常數(shù)是這些值？暗能量問題就是這些關(guān)注點的標志。物理定律中沒有什么能夠解釋，為何我們宇宙的諸多方面就是它們所展現(xiàn)的那樣。它們似乎被格外精細地調(diào)節(jié)過，以產(chǎn)生一個能夠支撐生命存在的宇宙這一事實一直困擾著物理學(xué)家們。
然而弦論所期望的結(jié)局依然遙遙無期。的確，一些物理學(xué)家正在慢慢地摒棄這樣的打算，即有關(guān)宇宙的一切可以被簡化為少量方程。在舊金山，薩斯坎德站出來就這個問題發(fā)表演講。他的演講以為什么老鼠正在逃離船只為題。然而，放棄簡化并不意味著拋棄弦論。恰恰相反，對于薩斯坎德和其他許多人來說，這意味著接受該理論在數(shù)學(xué)上的所有輝煌，盡管它有著令人難以置信的結(jié)果。就現(xiàn)狀來說，弦論為奇異的蘊涵就是多重宇宙的存在。這一想法說的是，我們的宇宙可能只是至少10500 個宇宙中的一個。并且在這一特別的設(shè)想中給出了前面那些問題的答案，即為什么暗能量和其他基本常數(shù)有著它們現(xiàn)有的值。在一個多重宇宙中，暗能量和基本常數(shù)取任何值都是有可能的。事實上，物理定律能夠隨著宇宙的不同而不同。如此一來，物理學(xué)家們解釋我們的宇宙就無須再訴諸精細調(diào)節(jié)。如果多重宇宙存在的話，那么就存在一個無論多么小但總歸是有限的概率，使得我們的宇宙會以其所具備的特征隨機地出現(xiàn)。而掌控這一宇宙的定律則引發(fā)星系和恒星，乃至行星和智慧生命，包括正在問出我們的宇宙為什么是這個樣子的這一問題的物理學(xué)家們的出現(xiàn)。
這就是所謂的人擇原理，不嚴謹?shù)卣f，我們的宇宙之所以是這樣，就是因為我們在這里說它是這樣，假如它有任何不同之處，那么我們也就不存在而無法去質(zhì)詢這一問題。該想法被許多人視作一種逃避，那樣物理學(xué)家們就不必如此辛苦地從性原理出發(fā)去解釋一切。薩斯坎德在斯坦福的同事、另一位演講者、宇宙學(xué)家安德烈·林德回憶起近20年前，當他試圖和芝加哥城外費米實驗室的物理學(xué)家們討論人擇原理時的情形。林德曾被警告說，討論這些事的人會被扔雞蛋，所以他從一些完全無關(guān)的事情上入手，在假定費米實驗室的人沒有時間去西夫韋超市買雞蛋后，才中途把話題轉(zhuǎn)移到這上面來。
考慮到弦論對多重宇宙的支持，人擇原理正在獲得發(fā)展的動力。但弦論本身距離其能被實驗證實還很遙遠，以至于很多物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)很難如果不是不可能的話認真地去對待它的蘊涵。那天下午的第三個參與發(fā)言者、來自凱斯西儲大學(xué)的宇宙學(xué)家勞倫斯·克勞斯總結(jié)了反對派的觀點。他說：我認為你可以去想象一個將多重宇宙當作科學(xué)的理論。如果有這樣一個理論，一個真正的理論，它預(yù)言了我們所看到的宇宙中的很多事情，預(yù)言了我們可以檢驗的很多事情，但也預(yù)言了我們無法檢驗的很多事情，那么我認為我們中的大多數(shù)人會說，我們相信那些無法檢驗的事情（諸如一個多重宇宙的存在)。
其間，薩斯坎德銳利地盯著克勞斯。但是薩斯坎德在會議結(jié)束時那低沉的嗓音表明，要回答這一批評并不容易。我能說的是我們對此表示擔憂，他說道，（弦論）是目前物理上的疑問。我們能夠從中開展科學(xué)觀測嗎？ 三位發(fā)言者都贊同一件事：唯有實驗方可打破這一僵局。
當理論的步調(diào)與實驗近乎一致時，物理學(xué)上偉大的進展也就到來了。有時理論會領(lǐng)先一步，而有時則是反過來的。比如，正是1887 年由阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷操作的實驗顯示了在任何方向上光速都是恒定的影響了1905 年愛因斯坦狹義相對論的提出。10 年后，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，但只有在1919 年的實驗證實了廣義相對論一個迷人的蘊涵太陽的引力使星光彎曲之后，該理論才被廣泛地接受�？v觀20 世紀初的幾年，理論家和實驗家們在塑造量子力學(xué)的過程中也是彼此競逐的。另一項同樣富有成效的合作發(fā)生在20 世紀六七十年代，彼時粒子物理學(xué)家們建立起構(gòu)筑物質(zhì)世界的基本粒子和基本力的理論，并且實驗證明了他們驚人準確的預(yù)言。然而這種充滿活力的互動如今已經(jīng)陷入僵局。暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)，伴隨著迄今為止仍未找到的希格斯玻色子（被認為賦予基本粒子質(zhì)量），使得理論家們的行動完全自由了。想法比比皆是，但都是漫無目的的猜測。宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)的下一代實驗?zāi)軌驇椭�理論鎖定現(xiàn)實嗎？
本書是我為了給出一個答案而做的嘗試。這也是一次探索，帶著我從工作和生活過的倫敦到達地球遙遠的彼端，從荒涼的沙漠到廢棄礦井的深處，從山峰之巔到世界之底（指南極），去尋找那些有希望將物理拽出理論泥潭的尖端實驗。我造訪的眾多實驗室都在以自己的方式去擒獲暗物質(zhì)和暗能量這對神秘之物。同時，我也造訪了用于搜尋反物質(zhì)、希格斯玻色子和中微子的望遠鏡和探測器，這些難以捉摸的亞原子粒子遍布在宇宙之中。中微子幾乎不與物質(zhì)相互作用，并且在空間中的傳播也幾乎不受阻礙，它以其他粒子所沒有的方式攜帶了宇宙遙遠彼端的信息。所有這些實驗正在壘砌珀爾馬特那座隱喻樓梯的每一級階梯。我的旅程也成為一則隱喻：科學(xué)家正在探索他們理解的極限物理學(xué)的邊緣。故事始于一次朝圣之旅，對象是加利福尼亞州威爾遜山上100 英寸（1 英寸 2.54 厘米）望遠鏡，在那里，哈勃發(fā)現(xiàn)我們的宇宙正在膨脹，因此奠定了宇宙大爆炸理論和現(xiàn)代宇宙學(xué)的觀測基礎(chǔ)。這架100 英寸望遠鏡打破了當時的技術(shù)界限，然而它早已被如今正在掃描夜空的諸多現(xiàn)代望遠鏡所超越。每到夜晚，它們打開自己巨大的圓頂去凝視大半個宇宙，收集光有時一次僅有一個光子。分析這些光的儀器同樣強大�？紤]到那重達8.6 噸的攝譜儀以其不可思議的精度幫助天文學(xué)家們一片片地研究宇宙，而與之形成鮮明對比的則是小如曲棍球的硅探測器和鍺探測器，如此精巧的設(shè)計使得它們像藝術(shù)品一般被操作。它們耐心地、日復(fù)一日地等待暗物質(zhì)那微弱的線索。
這些實驗比起另一些通過飆升至平流層的巨大氣球所支撐的、去搜尋原初反物質(zhì)及研究微波背景輻射（宇宙大爆炸遺留的一種輻射）的實驗來，就相形見絀了。實驗物理學(xué)在大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）世界上的粒子加速器上達到了。重達數(shù)千噸的機器以千分尺精度監(jiān)控著亞原子粒子的軌跡。這些粒子從質(zhì)子束流的碰撞中噴涌而出每條束流攜帶著相當于重達40 噸的列車以時速150 千米運行時的能量。比深空還要寒冷的超導(dǎo)磁體傾力將這些束流限制在其環(huán)繞的一條27 千米長的地下隧道路徑上。從這口質(zhì)子撞擊的大鍋中浮現(xiàn)的新粒子，或許囊括了從希格斯玻色子到暗物質(zhì)，再到額外維的條線索等任何東西。
這些宏偉的望遠鏡和探測器只有在為的條件下才能夠工作。在這個尚未展開的故事中，它們那超越現(xiàn)實的環(huán)境是籍籍無名的極少被欣賞且經(jīng)常被忽視。寸草不生的阿塔卡馬沙漠高踞智利安第斯山脈之中，沙漠上空寒冷、干燥的大氣使得歷經(jīng)數(shù)十億年旅程的星光在進入望遠鏡時，不會于其終點處被凡俗如水蒸氣之類的東西所污染。（空基儀器如哈勃空間望遠鏡當然，無須去應(yīng)付大氣層對光造成的有害影響。）對一架開創(chuàng)性的水下中微子望遠鏡來說，西伯利亞那水晶般透明的貝加爾湖至關(guān)重要，俄羅斯的物理學(xué)家們?nèi)淌苤�刺骨的寒冷在冰封的湖泊上扎營，運行著他們的水下儀器。
地殼深處也會提供類似的有利條件。明尼蘇達州一個廢棄鐵礦的深處，物理學(xué)家們在捕獵暗物質(zhì)，他們的探測器在約800 米厚的巖石包裹下屏蔽了宇宙線的影響。那些做著揮舞大錘和鉆孔工作的礦工在揮汗如雨之際，幾乎不可能想象得到，他們的礦井有朝一日會承擔揭秘宇宙本質(zhì)的任務(wù)。同時，南非內(nèi)陸一片巨大且干旱的土地荒涼而未被污染的廣闊區(qū)域已經(jīng)被提名為世界上射電望遠鏡的臺址。它的3000 架天線能夠比任何已有的儀器更為快速地掃描浩瀚的宇宙。
遍尋這些之地，少有能比得過南極洲的。這是地球上平均溫度、干燥且高海拔的大陸，這片土地寒冷得猛吸一口氣都有可能凍傷肺部。潮濕的呼吸被瞬間凍結(jié)，致命危險白雪覆蓋下的冰裂隙只在一分神間。即便如此，宇宙學(xué)家們依然珍愛著這片高原因為它那稀薄、干燥、穩(wěn)定且無污染的大氣。他們建造起巨大的望遠鏡，以地球上其他任何地方都不可能找到與之媲美的精度探測宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，簡稱CMB）。南極洲并不只有大氣在吸引著科學(xué)家們。他們還在南極點處將千米厚的冰層變成了中微子探測器。再沒有其他地方存在如此巨大、干凈且固態(tài)的大塊材料，能夠被用來研究宇宙中為狡猾的粒子。這片冰凍的荒原有可能引領(lǐng)我們通向量子引力的正確理論。
這是一本為偏僻之地高唱贊歌的書卷，當今實驗宇宙學(xué)的靈魂屬于這些地方。無論是橫跨智利暗夜的銀河，還是在8000 多米高的喜馬拉雅山脈下與世隔絕、隱藏在青藏高原一角的縹緲的漢勒谷，都有著打動世人的說服力。盡管這些地方各有差異，但卻共享著意義深遠的極簡主義：沒有多余的事物，沒有來自現(xiàn)代社會的噪聲和干擾。我在南極洲遇到的一位冰川學(xué)家就談及了他在那片大陸上所感受到的寂靜，而要面對的，唯有過于且不容忽視的自然之力。但如果要解決關(guān)于我們存在的迫切問題，那么宇宙學(xué)需要這些地方。