毫无疑问，我们在认识宇宙，认识它的历史，以及它的起源方面，已经取得了不可思议的进步。但是同样无可否认的是，我们也面临着极大的困惑，尤其是在对宇宙最初时刻的认识方面。宇宙的最初时刻，无疑守护着最令人震惊的秘密，也许这些秘密能够引领科学走向伟大的变革。但是我们的宇宙依然守口如瓶。
直径2.5倍于银河系的UGC 2885星系，是本地宇宙中最大的漩涡星系之一，其恒星数量是银河系的10倍。但是这一切还只有其总质量的15%。UGC 2885 85%的质量由看不见的暗物质组成。NASA / ESA / B. Holwerda (University of Louisville)
科学家相信宇宙源自一次“大爆炸”。这当然不是空穴来风，而是以许多坚实的观测证据作为基础的。过去几十年间，各种新型精密观测手段的问世，让科学家有机会更加认真地审视和修正对宇宙的看法，还原宇宙的历史。在对比了各种不同的观测结果之后，我们发现它们之间的吻合度令人吃惊。所有的证据都指向宇宙正如理论预测那样，源自“大爆炸”，并在加速膨胀。从这个角度看，我们的宇宙是可以理解的。
但是宇宙学家也很矛盾，因为他们在认识宇宙的基本事实过程中遇到了一些麻烦。我们对暗物质、暗能量几乎一无所知，但这两者占到了当今宇宙质能总和的95%以上。我们不理解，宇宙中的质子、电子和中子是如何从宇宙大爆炸中幸存下来的。事实上，今天我们所知的一切都在暗示，这些粒子理论上应该在很久以前就被反物质所毁灭。为了让我们观测到的宇宙“有意义”，宇宙学家“被迫”得出结论，空间在其诞生的最早时刻，经历过一个短暂的超快速膨胀阶段，也就是所谓的暴涨阶段。但我们对这个宇宙史上的关键性纪元也一无所知。
后发座星系团直径2000万光年的球状空间内拥有数千个星系。1930年代，Fritz Zwicky通过观察这个星系团，发现星系团内星系的运动速度会导致它解体，除非这个星系团拥有10倍于肉眼可见物质的质量。NASA / ESA / The Hubble Heritage Team (STScI / AURA)
也许所有这些谜最终都会有解，只要宇宙学家坚持不懈。但是就目前来看，这些问题都十分棘手。科学家为了寻找暗物质粒子，建造了超级机器，但是它们依然杳无踪迹。尽管人们可以用更高的精度对宇宙膨胀的速度进行测量，但是至今依然不知道导致宇宙加速膨胀的暗能量本质是什么。
从这个角度来看，一些宇宙学家发现他们正在探寻的更可能只是一些表象，它们不是散乱的线条，它们的背后可能隐藏着更大的秘密。也许这些不解之谜是有关联的，会极大地改变我们的宇宙观，以及我们对宇宙最初时刻的看法。
暗物质可能是现代宇宙学家最愿意谈论的话题。天文学家发现宇宙中的大部分物质并不是由原子或其他任何已知成分构成的，它们不发光，不反光，也不吸收光。
由于对暗物质本质的不了解，宇宙学家常常假设它们是某种粒子。研究人员一直以来都认为，暗物质粒子会通过一种和弱互作用力（正是这种力导致了放射性衰变）强度相当的力互相影响，且这些粒子的数量是从大爆炸那一刻就被决定了的，它们大致相当于当前宇宙中的暗物质总量。基于这一观点，“弱互作用大质量粒子”成为了假想中暗物质的最佳候选者。
大部分星系团中的暗物质和常规物质会集中在大致相同的空间位置上，但是这个星系团ZwCl 0024+1652是个例外。这个大型星系团有一个暗物质环（蓝色），直径在260万光年左右，它与星系团中的可见星系和气体是分离的。NASA / ESA / M.J. Jee (Johns Hopkins University)
科学家相信他们知道应该怎样去检测这些粒子，研究它们的个性。在这一信念的推动下，物理学家设计了许多伟大的实验，试图识别这些粒子，研究它们是如何从宇宙大爆炸过程中诞生的。在过去几十年间，研究人员在地球深处部署了大量敏感的暗物质探测器，它们能够感知到暗物质粒子与原子发生的碰撞。
这些精巧的实验运行得和它们的设计一样好，但是至今仍一无所获。十年前，还有许多科学家坚信这些实验一定会取得成果，但是事实证明暗物质的本质和我们认为的极为不同，它们远比我们想像的更加神秘。
虽然暗物质是由难以捉摸的“弱相互作用大质量粒子”构成的可能性仍然存在，地下实验的一无所获，已经开始促使物理学家将目标转向暗物质的其他候选者。其中之一，是一种假想中的超轻粒子——轴子。轴子是根据粒子物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn 1977年的理论预言的。虽然科学家已经在使用强大的磁场，试图将轴子转化为光子，以此来发现轴子，但是这样的研究却因这些粒子本身的特点而受到了很大限制。
超星系团Abell 901/902拥有数百个星系和大量暗物质。图中用洋红色描绘了暗物质的大致分布区域。NASA / ESA / C. Heymans (University of British Columbia) / The STAGES Collaboration / ESO / C. Wolf (Oxford University) / The COMBO-17 Collaboration
针对暗物质难以被探测的另一种解释是，宇宙的最初时刻可能和宇宙学家想像的有很大差异。以“弱相互作用大质量粒子”为例，计算显示，新生的宇宙可能在其最初的百万分之一秒内制造出了大量的此类粒子，当时它们和周围由夸克、胶子等亚原子构成的粒子浆达成了某种均衡。“弱相互作用大质量粒子”可能在这些环境中幸存了下来，最终构成了我们今天宇宙中的暗物质。而这一过程取决于它们如何互相影响，以及相互影响的概率有多大。但是在计算中，科学家常常假设在最初的时刻，空间的膨胀是均匀的，没有意外事件，也没有相态的改变。所以假如我们说这种简单的假设是不成立的，也是合理的。
尽管宇宙学家对我们宇宙在其一生的大部分时间中如何膨胀已经了解了很多，他们对宇宙大爆炸后的认识仍然很少，更不用说宇宙的最初时刻了。对于解释宇宙在其最初时刻如何演化，发生过什么样的事，我们在根本上是没有直接观测证据可以依赖的。宇宙的这一纪元是不可见的，它深埋在无法穿透的能量、距离和时间之中。
我们对宇宙这段历史的认识，比基于推断的猜想还要少。如果在时间上回溯足够久远，我们所知的与宇宙有关一切都可能与今天完全不同。那时的物质和能量可能是以与今天完全不同的形态存在的，它们之间的作用力，也有可能是我们从未见过的。那时可能发生过科学尚无法解释的关键性事件和状态转变。物质之间可能以完全不同的方式互相影响着，而空间和时间本身也可能有与今天我们所知完全不同的行为方式。
旋涡星系NGC 3972在扮演宇宙距离标尺方面起了重要作用。这个星系内有大量造父变星，可供天文学家丈量相对较近星系的距离。2011年这个星系内还出现了一颗Ia型超新星。科学家可以通过它们测算哈勃常数。NASA / ESA / A. Riess (STScI / JHU)
基于这一理念，许多宇宙学家开始考虑一种可能性，即我们找不到组成暗物质的粒子，其原因不仅与暗物质本质本身有关，还有可能与暗物质的形成时期有关。因此在研究暗物质的同时，许多科学家开始研究起宇宙大爆炸后的最初时刻。
1929年，埃德·温哈勃发现星系离我们远去的速度与它们和我们的距离成正比。这是宇宙在膨胀的首个清晰证据。从此以后，当前宇宙膨胀的速度——哈勃常数——成了宇宙学家眼中我们宇宙的关键特性之一。
公平地说，测量哈勃常数一直以来都是个难题。哈勃的最初测定由于存在系统性错误，导致结果比实际值高出近7倍。1990年代，教科书中提及的哈勃常数低的只有50km/s/Mpc，高的可达100km/s/Mpc。尽管近二十年来测量精度不断提高，人们仍未能获得一个统一的接近正确的值。事实上，随着这些测量水平的提高，不同测量方式得出结果间存在差异的情况也越来越频繁。
南极“冰立方”中微子天文台，其任务就是寻找来自宇宙的中微子。在这些亚原子粒子中，理论上会有一部分来自暗物质的候选者——“弱相互作用大量粒子”的衰变。但是至今什么都没发现。Martin Wolf (IceCube / NSF)
测量哈勃常数的一种方法是，测量那些天体正在以多快的速度远离我们，正像哈勃1929年所做的一样。哈勃利用了一种特殊的变星来进行测量，也就是“造父变星”，一种固有亮度（光度）和它们的明暗变化周期有准确对应关系的变星。现代宇宙学家仍在利用造父变星进行测量，但与此同时又增加了一些天体类型，比如Ia型超新星——一种爆发的白矮星，它们的固有亮度基本上都是一样的。研究人员综合所有最新数据之后发现，宇宙的膨胀速度大约是72至76km/s/Mpc。
但是故事还没有结束。宇宙学家还可以通过研究宇宙大爆炸后38万年时，首批原子形成时期遗留下来的微光，来推断哈勃常数。这微光，也就是所谓的宇宙微波背景中的温度细微变化，呈现了当时宇宙中物质是如何分布的。
通过仔细的分析，我们可以从微波背景中读出许多与年轻宇宙有关的细节，包括当时存在着多少物质和能量的其他形态，以及空间是如何膨胀的。宇宙微波背景告诉我们，哈勃常数大约是67km/s/Mpc，这个数值比宇宙学家通过更直接的测量方法得出的结果小得多。
“天线星系”由一对相互影响的旋涡星系NGC 4038和NGC 4039组成。它们距离地球约6500万光年，拥有许多造父变星和一颗Ia型超新星。这对星系是少数同时拥有这两种“标准烛光”的星系之一。ESA / Hubble & NASA
这意味着什么？假设这些研究已经正确地把所有系统的不确定性考虑在内，这两种测量哈勃常数的方式就是不相容的——至少在标准宇宙学模型框架内是这样。要让这些矛盾的结果相容，天文学家必须改变对宇宙膨胀和演化的思考方式，至少重新考虑宇宙大爆炸后几十万年间物质和能量的存在形式。
根据爱因斯坦的《广义相对论》，空间膨胀的速度取决于其所含物质和其他能量形式的密度。当宇宙学家从宇宙微波背景中获取哈勃常数的值时，他们必须对暗物质、中微子和其他成分的含量作出假设。
也许针对存在于用不同方式测得的哈勃常数间的差异，最简单的解释是，在最初几十万年，宇宙中存在的能量比人们之前设想要多。这些能量可能会以某种奇异的、难以相互影响的轻粒子形态存在，或以某种早已消失的真空暗能量形态存在。也有可能宇宙演化史上存在某些我们还不了解的阶段。我们只是还不知道该如何去解开这个难解之谜。
图中蓝色区域为El Gordo星系团中的暗物质分布区。天文学家通过观察更远处星系影像的扭曲程度来寻找暗物质在哪里。NASA / ESA / J. Jee (University of California, Riverside)
完全有可能，宇宙学家今天面对的诸多难题，在实验和观测的帮助下，在几年中就能完美解决掉。但是最终我们会发现，我们对宇宙的研究越深入，我们对宇宙的认识就越肤浅。努力了几十年，暗物质的本质依然是个谜，暗能量问题看上去也近乎无解。我们仍然不知道组成我们宇宙中原子的粒子是如何从大爆炸的最初时刻幸存下来的，我们对宇宙暴涨，对它的运作方式，甚至是它如何开始，如何结束也知之甚少——假如暴涨这样的事真的发生过的话。
从这个角度，让人不得不怀疑这些谜团背后是否隐藏着比一些互不关联的单一问题更大的东西。也许它们在暗示，宇宙的最初时刻并非我们想象的那样。也许这些问题昭示着一次宇宙学的变革。
我们也许正处在科学史上的一个悬崖边缘，如同1904年那样。当时，科学看上去坚不可摧。两百多年来，牛顿物理学无往不胜。尽管物理学家已经进军电学、磁学和热学，但这些方面和两百年前牛顿描述的世界没什么两样。对1904年的物理学家来说，世界已经认识得差不多了，没有多少理由来一次变革。
欧空局普朗克卫星获取的宇宙微波背景。将这些结果与宇宙标准模型相结合后得到的哈勃常数比通过观测邻近星系得到的数值小。ESA / Planck Collaboration
但和今天宇宙学家的处境一样，1904年的物理学家在面对一些挑战时也束手无策。他们相信光在穿越介质——所谓的发光以太时理应会引起速度的变化，但是实际上光速总是以相同的速度穿越空间。天文学家发现水星轨道与牛顿物理学预测的稍有不同，还以为那里有一颗未知的行星——火神星在扰动水星的运行。
1904年的物理学家不知道是什么让太阳燃烧——没有已知的化学方法或机制能够在如此长的时间内产生那么多的能量。当时的科学家发现多种化学元素能够发射和吸收特定模式的光，但没有一个能够对此加以解释。也就是说，在当时，原子内部的运作方式是一个彻头彻尾的谜。
事后看来，这些问题其实预示着物理学变革的来临。1905年，年轻的爱因斯坦用他崭新的相对论宣示，变革开始了。今天我们已经知道发光以太并不存在，也没有所谓的火神星。实际上，它们都是牛顿物理学基本缺陷的外在表现。相对论完美地解决解释了这些谜题，而无需新成分或新行星的介入。
当科学家将相对论和新兴的量子物理学相结合，解释太阳的长寿及其内部原子运作机制变得可能了。这些新的理论打开了一扇新的从前难以想象的探索之门，这扇门通往的方向中就包括了宇宙学。
科学变革能够从深层上改变我们对世界的看法和认识。但是激进的改变从来都不是那么容易到来的。我们没有办法预测今天宇宙学家面临的谜，究竟是大变革到来前的先兆，还是已有科学进取过程中有待梳理的旁枝末节。
毫无疑问，我们在认识宇宙，认识它的历史，以及它的起源方面，已经取得了不可思议的进步。但是同样无可否认的是，我们也面临着极大的困惑，尤其是在对宇宙最初时刻的认识方面。宇宙的最初时刻，无疑守护着最令人震惊的秘密，也许这些秘密能够引领科学走向伟大的变革。
但是我们的宇宙依然守口如瓶。
Dan Hooper（美国费米加速器实验室理论天体物理学小组组长、高级科学家）/ 文
老孙 / 译
参考：
Is the Big Bang In crisis?
https://astronomy.com/magazine/news/2020/05/is-the-big-bang-in-crisis
