濕婆之舞：前往地球偏遠之地，尋訪物理學的邊緣

前 言

那是2004 年耶誕節後的第二天，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（University of California，簡稱UC）的一位天體物理學家。學校的校園就坐落在陡立於城市邊緣、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家，同時但又獨立地發現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導者。他那被巨大鏡片強化了的充滿激情的好奇目光，連同髮際線後移露出的高額，讓我想到了伍迪·艾倫。但他找到的可不是什麼笑料。實際上，珀爾馬特承認，他們的發現已經將宇宙學置於危機之中。這兩個團隊研究了遙遠的超新星，結果顯示：宇宙的膨脹，這一最初由愛德溫·哈勃於1929 年觀測到的現象是在加速進行的，而並非很多人所預測的減速。好像有某些神秘的能量在產生斥力以抵抗引力作用。由於不知其確切性質，宇宙學家們稱之為“暗能量”。更為重要的是，它似乎占了宇宙物質和能量總量的四分之三。

暗能量是宇宙學家們面臨的最新，也是最令人生畏的難題。此外，還要加上另一個困擾他們數十年的謎團：暗物質。星系有幾乎90% 的品質是由這種未知且看不見的物質組成的。我們知道它必然存在，因為沒有它產生的引力束縛，星系就會瓦解。珀爾馬特指出，對於大多數物理學家，尤其是宇宙學家來說，面臨的嚴峻現實就是，宇宙大約96% 的物質無法用現有的理論來解釋。為了理解物質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。品質的起源是什麼？宇宙大爆炸之後，本應伴隨著物質一起產生的反物質又發生了什麼？使用現代物理學的兩大支柱—量子力學和愛因廣義相對論—來解釋我們的世界並獲得巨大成功約一個世紀之後，物理學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。

這看起來像是人類極限的企圖，其中部分涉及將量子力學和廣義相對論調合進一種量子引力理論中去。在這兩個領域相衝突的地方—勢不可當的引力遭遇微觀體積之處，如黑洞或宇宙大爆炸中——其理論並沒有很好地協同生效。確切地說，它們極為不幸地遭遇了失敗。那些最為雄心勃勃的統一嘗試就包括弦論：一套在數學上極為複雜的理論體系。最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，暗能量的發現和絃論本身的最新進展共同挫敗了這一目標。在同珀爾馬特會面的兩年多以後，三藩市灣區的另一個冬日裡，我親身體會到了物理學所遭遇的麻煩是何其嚴重。

2007 年2月底的一個下午，在三藩市希爾頓酒店一間宴會廳級別的會議室內，舉辦了美國科學促進會（American Association for the Advancement of Science，簡稱AAAS）年會。這次會議濟濟一堂。三位物理學家在討論暗能量，以及它是如何與人們會問及的一些最為嚴峻的問題產生關聯的：為何我們的宇宙是這樣的？它為使生命存在而被精細調節過嗎？原來暗能量不僅神秘莫測，對於恒星和星系的形成來說，它的占比還似乎處在最合適的值上。“最大的謎團並非是為什麼會有暗能量，而是為什麼它會如此之少。” 萊昂納特·薩斯坎德這樣告訴希爾頓會場的聽眾們，他是福大學理論物理學菲力克斯·布洛赫教授，同時也是弦論的創立者之一。他以一種詩意的風格繼續道：“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，我們就不會出現在這兒，這才是謎團所在。”

直到最近，科學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。為什麼質子比電子重了2000多倍？為什麼引力比電磁力弱了那麼多？本質上來說，為什麼自然中的基本常數是這些值？暗能量問題就是這些關注點的標誌。物理定律中沒有什麼能夠解釋，為何我們宇宙的諸多方面就是它們所展現的那樣。它們似乎被格外精細地調節過，以產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家們。

然而弦論所期望的結□依然遙遙無期。的確，一些物理學家正在慢慢地摒棄這樣的打算，即有關宇宙的一切可以被簡化為少量方程。在三藩市，薩斯坎德站出來就這個問題發表演講。他的演講以“為什麼老鼠正在逃離船隻”為題。然而，放棄簡化並不意味著拋棄弦論。恰恰相反，對於薩斯坎德和其他許多人來說，這意味著接受該理論在數學上的所有輝煌，儘管它有著令人難以置信的結果。就現狀來說，弦論最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。並且在這一特別的設想中給出了前面那些問題的答案，即為什麼暗能量和其他基本常數有著它們現有的值。在一個多重宇宙中，暗能量和基本常數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，物理學家們解釋我們的宇宙就無須再訴諸精細調節。如果多重宇宙存在的話，那麼就存在一個無論多麼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徵隨機地出現。而掌控這一宇宙的定律則引發星系和恒星，乃至行星和智慧生命，包括正在問出“我們的宇宙為什麼是這個樣子的”這一問題的物理學家們的出現。

這就是所謂的人擇原理，不嚴謹地說，我們的宇宙之所以是這樣，就是因為我們在這裡說它是這樣，假如它有任何不同之處，那麼我們也就不存在而無法去質詢這一問題。該想法被許多人視作一種逃避，那樣物理學家們就不必如此辛苦地從性原理出發去解釋一切。薩斯坎德在福的同事、另一位演講者、宇宙學家安德列·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”後，才中途把話題轉移到這上面來。

考慮到弦論對多重宇宙的支持，人擇原理正在獲得發展的動力。但弦論本身距離其能被實驗證實還很遙遠，以至於很多物理學家發現很難—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言者、來自凱斯西儲大學的宇宙學家勞倫斯·克勞斯總結了反對派的觀點。他說：“我認為你可以去想像一個將多重宇宙當作科學的理論。如果有這樣一個理論，一個真正的理論，它預言了我們所看到的宇宙中的很多事情，預言了我們可以檢驗的很多事情，但也預言了我們無法檢驗的很多事情，那麼我認為我們中的大多數人會說，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束時那低沉的嗓音表明，要回答這一批評並不容易。“我能說的是我們對此表示擔憂，”他說道，“（弦論）是目前物理上最大的疑問。我們能夠從中開展科學觀測嗎？” 三位發言者都贊同一件事：唯有實驗方可打破這一僵局。

當理論的步調與實驗近乎一致時，物理學上最偉大的進展也就到來了。有時理論會領先一步，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 年愛因狹義相對論的提出。10 年後，愛因創立了廣義相對論，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—之後，該理論才被廣泛地接受。縱觀20 世紀最初的幾年，理論家和實驗家們在塑造量子力學的過程中也是彼此競逐的。另一項同樣富有成效的合作發生在20 世紀六七十年代，彼時粒子物理學家們建立起構築物質世界的基本粒子和基本力的理論，並且實驗證明了他們驚人準確的預言。然而這種充滿活力的互動如今已經陷入僵局。暗物質和暗能量的發現，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品質），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。宇宙學和粒子物理學的下一代實驗能夠幫助理論鎖定現實嗎？

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和暗能量這對神秘之物。同時，我也造訪了用於搜尋反物質、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佈在宇宙之中。中微子幾乎不與物質相互作用，並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資訊。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：科學家正在探索他們理解的極限—物理學的邊緣。故事始於一次朝聖之旅，對象是加利福尼亞州威爾遜山上100 英寸（1 英寸≈ 2.54 釐米）望遠鏡，在那裡，哈勃發現我們的宇宙正在膨脹，因此奠定了宇宙大爆炸理論和現代宇宙學的觀測基礎。這架100 英寸望遠鏡打破了當時的技術界限，然而它早已被如今正在掃描夜空的諸多現代望遠鏡所。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。考慮到那重達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矽探測器和鍺探測器，如此精巧的設計使得它們像藝術品一般作。它們耐心地、日復一日地等待暗物質那微弱的線索。

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。實驗物理學在大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）——大的粒子加速器——上達到了。重達數千噸的機器以千分尺精度監控著亞原子粒子的軌跡。這些粒子從質子束流的碰撞中噴湧而出——每條束流攜帶著相當於重達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磁體傾力將這些束流限制在其環繞的一條27 千米長的地下隧道路徑上。從這口質子撞擊的大鍋中浮現的新粒子，或許囊括了從希格斯玻色子到暗物質，再到額外維的第一條線索等任何東西。

這些宏偉的望遠鏡和探測器只有在最為極端的條件下才能夠工作。在這個尚未展開的故事中，它們那現實的環境是籍籍無名的——極少被欣賞且經常被忽視。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、乾燥的大氣使得歷經數十億年旅程的星光在進入望遠鏡時，不會於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，無須去應付大氣層對光造成的有害影響。）對一架開創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重要，俄羅斯的物理學家們忍受著刺骨的寒冷在冰封的湖泊上紮營，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，物理學家們在捕獵暗物質，他們的探測器在約800 米厚的岩石包裹下遮罩了宇宙線的影響。那些做著揮舞大錘和鑽孔工作的礦工在揮汗如雨之際，幾乎不可能想像得到，他們的礦井有朝一日會承擔揭秘宇宙本質的任務。同時，南非內陸一片巨大且乾旱的土地——荒涼而未被污染的廣闊區域——已經被提名為大射電望遠鏡的台址。它的3000 架能夠比任何已有的儀器更為快速地掃描浩瀚的宇宙。

遍尋這些極端之地，少有能比得過南極洲的。這是地球上平均溫度最低、乾燥且高海拔的大陸，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，致命危險——白雪覆蓋下的冰裂隙——只在一分神間。即便如此，宇宙學家們依然珍愛著這片高原—因為它那稀薄、乾燥、穩定且無污染的大氣。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）。南極洲並不只有大氣在吸引著科學家們。他們還在南極點處將千米厚的冰層最成了中微子探測器。再沒有其他地方存在如此巨大、乾淨且固態的大塊材料，能夠被用來研究宇宙中最為狡猾的粒子。這片冰凍的荒原有可能引領我們通向量子引力的正確理論。

這是一本為偏僻之地高唱讚歌的書卷，當今實驗宇宙學的靈魂屬於這些地方。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穀，都有著打動世人的說服力。儘管這些地方各有差異，但卻共用著意義深遠的極簡主義：沒有多餘的事物，沒有來自現代社會的雜訊和干擾。我在南極洲遇到的一位冰川學家就談及了他在那片大陸上所感受到的“絕對寂靜”，而要面對的，唯有過於極端且不容忽視的自然之力。但如果要解決關於我們存在的迫切問題，那麼宇宙學需要這些地方。