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(gè)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?duì)栺R特。他是加州大學(xué)（University of California，簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡(jiǎn)稱LBNL）。20 世紀(jì)90 年代，轄有UC 和LBNL 成員的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的天文學(xué)家，同時(shí)但又獨(dú)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?duì)栺R特是其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者。他那被巨大鏡片強(qiáng)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(shí)際上，珀?duì)栺R特承認(rèn)，他們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)將宇宙學(xué)置于危機(jī)之中。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)研究了遙遠(yuǎn)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(cè)到的現(xiàn)象是在加速進(jìn)行的，而并非很多人所預(yù)測(cè)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(gè)困擾他們數(shù)十年的謎團(tuán)：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?yàn)闆]有它產(chǎn)生的引力束縛，星系就會(huì)瓦解。珀?duì)栺R特指出，對(duì)于大多數(shù)物理學(xué)家，尤其是宇宙學(xué)家來說，面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)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(shí)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(duì)論來解釋我們的世界并獲得巨大成功約一個(gè)世紀(jì)之后，物理學(xué)家們進(jìn)入了某種停滯期。正如珀?duì)栺R特所說，他和其他一些人正期待著去攀登通往宇宙全新認(rèn)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(duì)論調(diào)合進(jìn)一種量子引力理論中去。在這兩個(gè)領(lǐng)域相沖突的地方勢(shì)不可當(dāng)?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(jiǎn)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(jìn)展共同挫敗了這一目標(biāo)。在同珀?duì)栺R特會(huì)面的兩年多以后，舊金山灣區(qū)的另一個(gè)冬日里，我親身體會(huì)到了物理學(xué)所遭遇的麻煩是何其嚴(yán)重。
2007 年2 月底的一個(gè)下午，在舊金山希爾頓酒店一間宴會(huì)廳級(jí)別的會(huì)議室內(nèi)，舉辦了美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（American Association for the Advancement of Science，簡(jiǎn)稱AAAS）年會(huì)。這次會(huì)議濟(jì)濟(jì)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(huì)問及的一些為嚴(yán)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(xì)調(diào)節(jié)過嗎？原來暗能量不僅神秘莫測(cè)，對(duì)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(tuán)并非是為什么會(huì)有暗能量，而是為什么它會(huì)如此之少。 萊昂納特·薩斯坎德這樣告訴希爾頓會(huì)場(chǎng)的聽眾們，他是斯坦福大學(xué)理論物理學(xué)費(fèi)利克斯·布洛赫教授，同時(shí)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(shí)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(huì)出現(xiàn)在這兒，這才是謎團(tuán)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(jiǎn)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(diǎn)的標(biāo)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(xì)地調(diào)節(jié)過，以產(chǎn)生一個(gè)能夠支撐生命存在的宇宙這一事實(shí)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(jiǎn)化為少量方程。在舊金山，薩斯坎德站出來就這個(gè)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(jiǎn)化并不意味著拋棄弦論。恰恰相反，對(duì)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(yùn)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(gè)宇宙中的一個(gè)。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(gè)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(shí)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(xì)調(diào)節(jié)。如果多重宇宙存在的話，那么就存在一個(gè)無論多么小但總歸是有限的概率，使得我們的宇宙會(huì)以其所具備的特征隨機(jī)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(gè)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(yán)謹(jǐn)?shù)卣f，我們的宇宙之所以是這樣，就是因?yàn)槲覀冊(cè)谶@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(dāng)他試圖和芝加哥城外費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們討論人擇原理時(shí)的情形。林德曾被警告說，討論這些事的人會(huì)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(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的人沒有時(shí)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(duì)多重宇宙的支持，人擇原理正在獲得發(fā)展的動(dòng)力。但弦論本身距離其能被實(shí)驗(yàn)證實(shí)還很遙遠(yuǎn)，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(rèn)真地去對(duì)待它的蘊(yùn)涵。那天下午的第三個(gè)參與發(fā)言者、來自凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的宇宙學(xué)家勞倫斯·克勞斯總結(jié)了反對(duì)派的觀點(diǎn)。他說：我認(rèn)為你可以去想象一個(gè)將多重宇宙當(dāng)作科學(xué)的理論。如果有這樣一個(gè)理論，一個(gè)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(yàn)的很多事情，但也預(yù)言了我們無法檢驗(yàn)的很多事情，那么我認(rèn)為我們中的大多數(shù)人會(huì)說，我們相信那些無法檢驗(yàn)的事情（諸如一個(gè)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(huì)議結(jié)束時(shí)那低沉的嗓音表明，要回答這一批評(píng)并不容易。我能說的是我們對(duì)此表示擔(dān)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(cè)嗎？ 三位發(fā)言者都贊同一件事：唯有實(shí)驗(yàn)方可打破這一僵局。
當(dāng)理論的步調(diào)與實(shí)驗(yàn)近乎一致時(shí)，物理學(xué)上偉大的進(jìn)展也就到來了。有時(shí)理論會(huì)領(lǐng)先一步，而有時(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)論的提出。10 年后，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，但只有在1919 年的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了廣義相對(duì)論一個(gè)迷人的蘊(yùn)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(jì)初的幾年，理論家和實(shí)驗(yàn)家們?cè)谒茉炝孔恿�學(xué)的過程中也是彼此競(jìng)逐的。另一項(xiàng)同樣富有成效的合作發(fā)生在20 世紀(jì)六七十年代，彼時(shí)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(shí)驗(yàn)證明了他們驚人準(zhǔn)確的預(yù)言。然而這種充滿活力的互動(dòng)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(rèn)為賦予基本粒子質(zhì)量），使得理論家們的行動(dòng)完全自由了。想法比比皆是，但都是漫無目的的猜測(cè)。宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)的下一代實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭�理論鎖定現(xiàn)實(shí)嗎？
本書是我為了給出一個(gè)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(dá)地球遙遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)。我造訪的眾多實(shí)驗(yàn)室都在以自己的方式去擒獲暗物質(zhì)和暗能量這對(duì)神秘之物。同時(shí)，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(yuǎn)鏡和探測(cè)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(yuǎn)彼端的信息。所有這些實(shí)驗(yàn)正在壘砌珀?duì)栺R特那座隱喻樓梯的每一級(jí)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(duì)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(yuǎn)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(cè)基礎(chǔ)。這架100 英寸望遠(yuǎn)鏡打破了當(dāng)時(shí)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(yuǎn)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(gè)宇宙，收集光有時(shí)一次僅有一個(gè)光子。分析這些光的儀器同樣強(qiáng)大。考慮到那重達(dá)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(duì)比的則是小如曲棍球的硅探測(cè)器和鍺探測(cè)器，如此精巧的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來，就相形見絀了。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，簡(jiǎn)稱LHC）世界上的粒子加速器上達(dá)到了。重達(dá)數(shù)千噸的機(jī)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(dāng)于重達(dá)40 噸的列車以時(shí)速150 千米運(yùn)行時(shí)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(yuǎn)鏡和探測(cè)器只有在為的條件下才能夠工作。在這個(gè)尚未展開的故事中，它們那超越現(xiàn)實(shí)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(jìn)入望遠(yuǎn)鏡時(shí)，不會(huì)于其終點(diǎn)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(yuǎn)鏡當(dāng)然，無須去應(yīng)付大氣層對(duì)光造成的有害影響。）對(duì)一架開創(chuàng)性的水下中微子望遠(yuǎn)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(yùn)行著他們的水下儀器。
地殼深處也會(huì)提供類似的有利條件。明尼蘇達(dá)州一個(gè)廢棄鐵礦的深處，物理學(xué)家們?cè)诓东C暗物質(zhì)，他們的探測(cè)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(huì)承擔(dān)揭秘宇宙本質(zhì)的任務(wù)。同時(shí)，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(yuǎn)鏡的臺(tái)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(xiǎn)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?yàn)樗�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(yuǎn)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(cè)宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，簡(jiǎn)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(diǎn)處將千米厚的冰層變成了中微子探測(cè)器。再?zèng)]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(dāng)今實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(yuǎn)的極簡(jiǎn)主義：沒有多余的事物，沒有來自現(xiàn)代社會(huì)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(duì)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。