揭开宇宙的“暗面”

这封信对于沙普利来说无异于一道晴天霹雳。它不仅终结了两人的学术之争，也终结了一场持续了数十年的天文学“大辩论”。让我们回到当时的情境之中，沙普利和哈勃两人所针锋相对的，正是天文学研究中的一个持久难题：银河系究竟是整个宇宙，还是只是宇宙中的一个星系？沙普利坚信，银河系就相当于整个宇宙，而天空中的“星云”只是银河系内部的一些天体。哈勃则倾向于宇宙中有无数类似于银河系的“岛宇宙”。

来自哈勃的这封信，彻底摧毁了沙普利的宇宙观。可以说，哈勃在信中提到的那颗“造父变星”成为哈勃最重要的证据，也算得上过去300年间天空中最重要的一颗星。1925年1月1日，哈勃在美国天文学会会议上做了题为《螺旋星云中的造父变星》（“Cepheids in Spiral Nebulae”）的报告，以坚实的观测证据表明，银河系并非整个宇宙，而只是宇宙中众多星系之一，彻底终结了这场关于银河系和宇宙关系的“岛宇宙”之争。

就在哈勃做出“世纪发现”的百年之后，在2025年3月，由来自世界各地70多家研究机构，将近900名研究人员参与的暗能量光谱仪项目（Dark Energy Spectroscopic Instrument，DESI）发布了它进一步的宇宙观测数据——这次持续了三年多的观测涉及宇宙中数以千万计的星系，在很大程度上揭示了宇宙学最大谜题“暗能量”（Dark Energy）的变化。虽然DESI项目的观测结果还没有得到最终证实，需要更多的数据积累，但因为其意义重大，早已引起了全世界的关注。这个观测结果一旦被证实，必将再一次改变人类的宇宙观，成为宇宙学的又一个“世纪发现”。

100年时间里，人类对于宇宙的探究从“岛宇宙”之争延伸到“暗能量”之谜。自从现代宇宙学诞生以来，人类对宇宙的认识几经变化，对于时空的探索范围则扩大了数千万倍。随着探索的不断深入，人类终于开始意识到，我们所能“看到”的物质其实只占整个宇宙中质能总量的5%左右。我们所有的科学理论，能够描述和解释的范围，大约也只局限在这5%以内；而星系的形成、宇宙的演化，这种涉及极大时空尺度的现象，都要受宇宙中处于统治地位的“暗物质”（Dark Matter）和“暗能量”这类不可见物质和能量的支配。而随着人类探究宇宙的手段越来越丰富，宇宙学研究迎来了它的黄金时代，宇宙曾经不为人所知的“暗面”也逐渐开始显露出来。一切都在远离！

从20世纪20年代开始，随着广义相对论被确立为物理学的基础理论之一，根据广义相对论原理构建出的保守的、大胆的，乃至新奇的宇宙模型层出不穷。不过，当时痴迷于观测夜空的天文学家对于广义相对论还并不太在意，他们呼吁着建造更大、更先进的天文望远镜以获得更加清晰的观测图像。他们急于解决一个问题：宇宙到底有多大？宇宙中究竟是只有一个银河系，还是充满着类似于银河系这样的“岛宇宙”？要解决这些问题，不仅需要更大、更清晰的望远镜，还要找到能够测量宇宙距离的“尺子”。埃德温·哈勃在1889年11月出生于美国密苏里州。他有着标准的运动员身材，在15岁时身高就达到了1.9米，从少年时代起就擅长篮球、足球、棒球、田径和拳击等运动。除此之外，哈勃从小就对天文学感到痴迷，在1906年进入芝加哥大学学习数学和物理学。因为出色的成绩，哈勃获得了“罗得奖学金”，得到去牛津大学深造的机会。受到父亲影响，哈勃作为罗得学者在牛津大学学习法律。回到美国之后，他也曾在中学里教授西班牙语、数学、物理学，还兼任学校篮球队的教练，但一旦获得机会，哈勃便毅然回到芝加哥大学的叶凯士天文台（Yerkes Observatory），在天文学领域进行博士研究。

到了1917年5月，哈勃匆匆提交了自己的博士论文《暗星云的照相研究》（“Photographic Investigations of Faint Nebulae”），在获得博士学位之后便立即参军入伍，跟随美国军队奔赴英国参加第一次世界大战。受到这段军旅生涯的影响，哈勃一生都保持着军人风范，并且喜欢让人称他为“少校”。战争结束后，哈勃在1919年9月加入加州南部的威尔逊山天文台进行天文学研究。这座天文台刚刚建成10多年，拥有当时世界上最先进的100英寸（2.54米）口径反射式天文望远镜。这个自幼痴迷于天文学的青年获得了他一生中最好的机会。

初到威尔逊山天文台的哈勃并未立刻确定自己的研究方向。年长他5岁，当时同在威尔逊山天文台进行研究的天文学家哈洛·沙普利相信银河系便是宇宙的全部，人们能够观测到的所有天体都属于银河系的一部分；而距离威尔逊山天文台不远的利克天文台（Lick Observatory）的天文学家们则相信，在宇宙中分布着无穷无尽类似于银河系的“岛宇宙”。哈勃一时不知道自己该支持哪一方，但他相信，任何一方想要获得辩论的胜利，都要拿出无可辩驳的观测证据。

哈勃相信，要解决这些难题，理解星云的本质是关键，在星云中蕴含着测量宇宙距离和物质分布的秘密。我们在今天回看哈勃的成就，最终让哈勃率先解开星云的身份之谜，并且得出宇宙中一切天体都在远离我们而去的惊人结论的原因，除了他得以在当时世界最先进的天文台进行研究之外，还有几个关键性的因素：他找到了测量遥远天体与地球之间距离的“尺子”；测量遥远天体相对于地球运动速度的“测速仪”；以及协助他进行观测，收集数据的最得力的助手。

一个天体，乃至一片星云，看上去只是天空中的一个点或是模模糊糊的一小片区域。该如何测定这样的天体与地球之间的距离？这就需要找到一把测量宇宙距离的“尺子”。曾在哈佛大学的哈佛学院天文台担任研究助理的亨利埃塔·勒维特（Henrietta Leavitt）率先发现，在亮度会发生变化的“变星”（Variable Star）中，有一些变星的亮度会出现周期性的变化，而这类变星的最高亮度和它的变化周期之间往往存在着联系。在1908年，她把自己对数千颗变星的研究成果发表在《哈佛学院天文台年鉴》（Annals of the Astronomical Observatory of Harvard College）。她敏锐地指出，亮度越高的变星其变化的周期越长。也就是说，这种性质特殊的天体可以被当作宇宙中的“标准烛光”（standard candle）。勒维特的发现相当于给了天文学家一把可以用来测算天体与地球之间距离的“尺子”。根据勒维特的理论，如果通过观测掌握了一颗变星的亮度变化周期，就能估算出它的实际亮度。再把人们观测到的这颗变星的亮度与其在理论上的实际亮度进行对比，就能计算出它和地球之间的距离。如果能在一片星云中发现这类变星，再计算出它与地球的距离，那么也就相当于得到了这片星云与地球的距离！遗憾的是，勒维特在1921年12月去世，没能亲眼看到天文学家将她的发现作为有力的工具用于天文学研究。哈勃在1924年积累了大量观测数据，测量仙女座星云中造父变星和地球之间的距离，终于在1925年1月1日发表了论文《螺旋星云中的造父变星》，确认这类螺旋星云是银河系之外的独立星系。有了可以确定天体与地球之间距离的工具，还需要一个“测速仪”来测量两者之间的相对速度。这就需要对光进行分解。人们早在19世纪就已经意识到，让一束白光穿过一瓶气体，就可以产生出“谱线”。不同的气体会吸收某种特定波长的光。人们因此想到，如果可以获得太阳或是其他恒星的光谱，就可以得知它的化学成分。之后随着对光的性质的研究，人们开始逐渐意识到，遥远天体的光谱中还隐藏着更重要的信息。

在站台上听着火车鸣笛经过的人都会有一种感觉：当火车驶近时，会感到火车的鸣笛声逐渐尖锐；而当火车驶远，又会觉得鸣笛声逐渐变得低沉。这种因为鸣笛的火车与人之间的相对运动，对声波造成“挤压”和“拉伸”而形成的听觉效应，被称为“多普勒效应”。在本质上，光也是一种波动，也会出现多普勒效应。也就是说，假设我们知道一个天体的谱线“本应”是什么样子，如果这个天体在向着地球运动，那么它的光谱就会相应地向蓝色波段发生位移，俗称“蓝移”；相反地，如果这个天体正在远离地球，那么它的光谱就会向红色波段发生位移，俗称“红移”。在理论上，通过接收到的天体谱线的红移或蓝移情况，天文学家们就可以判断这个天体相对于地球的运动状况。这也就成了天文学家针对遥远天体的“测速仪”。

在20世纪初期，利用巨大的望远镜进行天文观测，是一项极其耗费精力，对仪器操作和专注度也都要求极高的工作。哈勃的成就，在很大程度上要归功于威尔逊山天文台的一位技术员米尔顿·赫马森（Milton Humason）。赫马森出生于1891年，因为喜欢当地山区的景色，他在还不到20岁时就加入了建造队伍，赶着骡子把用来建造威尔逊山天文台的物资运送上山。到了威尔逊山天文台正式开放之后，赫马森留下成为天文台的守夜人，后来又成了夜间助理。他对于使用仪器非常有天赋，很快就开始帮助天文学家进行夜间观测并且拍摄天体的照片。

当哈勃来到威尔逊山天文台工作，打算揭开仙女座星云的真实身份时，就需要大量关于星云的高精度照片。在之后获得的大量观测数据中，很多照片就来自赫马森的拍摄，让哈勃最终得以确认仙女座星云其实是一个类似于银河系的恒星系统。后来赫马森又进一步拍摄了大量星云的光谱。这些观测资料，在很大程度上成为哈勃最终取得决定性进展的关键证据。

正是因为有了测量天体距离、相对速度的理论工具，以及一位相当值得信赖的研究助手，借助当时世界上最先进的天文望远镜，自幼便痴迷于天文学研究的哈勃把握住了机会。他以亮度极高，且呈周期性变化的造父变星作为标准烛光，测量宇宙中各星云与地球的距离以及相对速度，尔后综合分析多年积累的天文观测数据，结合理论计算，发现几乎所有的星系都在离我们远去。不仅如此，哈勃将多个星系与地球的距离和它们的退行速度画成一张图，发现距离我们越远的星系，退行速度（红移）也就越大。这说明整个宇宙正处于膨胀之中！

哈勃在1929年3月将他的决定性发现写成论文《河外星云的距离与径向速度之间的关系》（“A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae”）发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）。这篇标志性的论文以无可辩驳的天文观测数据向人们展示出一个正处于膨胀状态之中的宇宙图景，其中描述的关于宇宙膨胀的数学定律也被称为“哈勃定律”（Hubble's law）。到了2018年10月，国际天文联合会表决通过，为了纪念更早通过理论计算得出宇宙膨胀结果的乔治·勒梅特，这个定律被更名为“哈勃–勒梅特定律”（Hubble-Lemaître law）。望向天空的眼睛

宇宙从未以如此缤纷鲜活的形象呈现在人类面前。在哈勃以无可置疑的证据表明整个宇宙正在膨胀，几乎所有天体都在远离我们而去之后，借助现代的传媒手段，一个全新的宇宙模型很快就在学术界处于主流地位，而且开始在流行文化中传播开来。人类也开始重新思考自身在宇宙中的位置。

面对最新的观测证据和宇宙学理论，一向态度保守的爱因斯坦也抛弃了自己的静态宇宙观。他删掉了广义相对论方程中让宇宙处于稳定状态的“宇宙学常数”Λ。但稳态宇宙的观点并未完全落败，而是在等待机会反击。一方面，这是因为宇宙处于静止状态的观念在过去几千年时间里深入人心；另一方面，如果宇宙处于膨胀状态，那么反过来思考，一切便都有一个“开端”。这种想法对于当时很多宇宙学家来说，有很强的神创论味道，让他们难以接受。

弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）、托马斯·戈尔德（Thomas Gold）和赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）三位宇宙学家堪称捍卫稳态宇宙模型的代表人物。这三人在1948年正式提出了“稳态宇宙理论”。这个理论讲述，尽管哈勃的观测结果表明宇宙中的大多数天体都在远离我们而去，但新的物质又会在宇宙空间中不断地自发产生，以保持宇宙中总物质密度的恒定。从这个角度来说，虽然所有星系都在彼此远离，但从整体来看，宇宙的状态一直维持恒定。它没有开端，也不会有终结。作为稳态宇宙模型的提出者之一，霍伊尔在1949年参加英国广播公司的一个讲座节目时，谈到他并不支持的动态宇宙模型，略带讽刺地说道：“按照这种假设，宇宙中的所有物质都是在遥远过去某一时刻的一次大爆炸中被创造出来的。”——说起“大爆炸”，霍伊尔无意间使用了一个非常生动的英文词“Big Bang”——从此这个词便成为形容“宇宙大爆炸”的专属名词。

虽然越来越多的宇宙学家开始倾向于宇宙膨胀模型，但仅从理论上来看，霍伊尔等人提出的稳态宇宙理论也在某种程度上符合当时的宇宙观测结果，难以被驳倒。几乎就在霍伊尔等人提出稳态宇宙理论的同时，另一组相信宇宙始于一场极高温度和密度“大爆炸”的科学家开始试着通过理论计算来解决宇宙的诞生问题。

在20世纪40年代，宇宙学家已经了解到，在宇宙中占据最重要部分的元素正是元素周期表中的前两名：氢元素和氦元素。其中氢元素约占宇宙中总物质的75%，而氦元素占大约25%，其余相比更重的元素则极为稀少。那么，宇宙中的物质究竟从何而来？为什么呈现出这样的比例？俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫相信宇宙中的物质的构成和分布与宇宙大爆炸有关。

伽莫夫设想整个宇宙正是诞生于一种温度极高、密度极高的初始状态。正是在这样极端状态所产生的大爆炸中，整个宇宙开始膨胀，温度也开始从数十亿摄氏度急剧降低。就在宇宙的温度降低到大约10亿摄氏度时，大爆炸所产生的基本粒子开始发生核合成，在几分钟的时间里结合形成了氢和氦，以及极少数的其他元素。伽莫夫和他的学生根据这样的假设条件进行计算，最终得出的结果与宇宙学家们的观测结果惊人地一致！这个理论计算结果也成为支持宇宙大爆炸确实曾经发生的有力证据。理论计算的结果令人振奋，但是宇宙大爆炸理论想要战胜稳态宇宙理论，还需要更加坚实的观测证据。宇宙大爆炸最终成为毫无争议的科学理论，最重要的证据要等到1965年才被发现。做出这个决定性发现的，并非专业的宇宙学家团队，而是两位研究卫星通信技术人员。

在1964年底，贝尔实验室的两位通信专家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在新泽西州的小镇霍尔姆戴尔架设了一个巨大的微波天线，打算用它进行卫星通信研究。在检验这个微波天线的功能时，两人发现，尽管他们把天线架设在了远离城镇的野外，却总能收到一个持续不断的噪声信号。两人仔细清理了天线，又试着将天线指向任意一个方位，噪声信号却始终不变，日夜无休。面对这样恼人的场景，两人毫无办法，只能求助于普林斯顿大学的一个宇宙学研究团队，希望宇宙学家能够对此给出合理的解释。宇宙学研究历史上又一个惊人的巧合出现了：他们所致电的普林斯顿大学研究团队，恰好正在寻找这样一种无处不在的微波噪声。它无处不在，是因为这种微波信号弥漫在整个宇宙空间之中；它对于宇宙学研究极为重要，是因为这种信号正是宇宙大爆炸曾经发生过的证据——宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background）。

这种微波信号之所以重要，是因为它可以被看作宇宙大爆炸的余韵。发现这种信号，也就相当于发现了宇宙大爆炸曾经发生过的直接证据，有着决定性的意义。普林斯顿大学的宇宙学研究团队此前正在寻找这种微波信号，是因为他们从理论出发，认为可能存在这样一种宇宙现象，却一时苦于没有合适的探测天线，没想到被其他领域的研究者无心插柳。

根据计算，宇宙大爆炸在发生之后，电子、质子、光子等粒子发生频繁的相互作用，光子被反复释放和吸收，无法自由地在空间穿梭。这样的情形一直持续到大爆炸发生后38万年，整个宇宙冷却下来，电子和质子相互结合，光子也终于逃脱束缚，获得自由。正是在这样的情形之下，这些光子开始散落在宇宙空间各处。也就是说，我们现在所探测到的平均温度只有2.75开尔文的微波信号，正是在宇宙大爆炸38万年之后获得自由的光子，在经历了漫长的宇宙膨胀后的残留。人类也正是通过对宇宙微波背景辐射的精确测量，计算出宇宙的年龄约为138亿年。

进入到20世纪30年代之后，越来越多先进的天文望远镜被架设起来，指向天空。它们就像是人类望向宇宙的充满好奇的眼睛。随着膨胀宇宙模型的确立以及基础物理学的突飞猛进，刚刚诞生的宇宙学和基础物理学前所未有地紧密结合在了一起。经过第二次物理学革命，牛顿力学体系已经被描述宏观时空性质的广义相对论和描述微观领域的量子力学所取代。广义相对论继续展现着它对于整个宇宙的预言能力：德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）早在1916年就计算出，一个物体在足够小的范围内被压缩，时空中会形成一个“奇点”和一个事件视界；尔后陆续有人通过计算得出结论，根据广义相对论的描述，宇宙中的一些天体会不可避免地发生引力塌缩，最终形成一个引力奇点——这正是惠勒在1960年代所总结描述的黑洞。爱因斯坦对于这样的预测并不信服，认为自然界总有办法去抵抗这样的引力塌缩。

另外，根据广义相对论的描述，大质量天体的加速运动会在时空中引发扰动，这种以光速传播的时空波动被称为“引力波”（gravitational wave）。爱因斯坦本人一开始并不相信引力波真实存在，后来虽然改变了看法，认为引力波确实存在，但又认为这种时空的波动过于微弱，人类可能永远都无法探测到这样微小的效应。

描述微观世界的量子力学也和宇宙观测发生了密切联系。在粒子物理学快速发展的时代，物理学家急于了解物质世界是由哪些基本粒子构建起来的。当时很多新奇的粒子正是来自宇宙学家的太空观测。从20世纪30年代到60年代，物理学家检测到了来自太空中的各式各样具有不同性质的粒子。这些粒子让人感到眼花缭乱，甚至将其称为“粒子动物园”。

人类在基础物理学中的一个重大突破也来自宇宙观测：物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）在1928年发表了著名的狄拉克方程。根据方程描述，存在着一种具有负能量的粒子。这样的结论就连狄拉克本人都感到迷惑。但就在四年之后，美国天文学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在太空射线中首次发现了“正电子”。这是人类第一次发现与普通物质性质完全相反的物质——反物质。自然界的另一个“反面”展现了出来。人类首次意识到，可能还存在着一个反物质的世界。

宇宙越来越活泼，越来越多新奇的天体被发现：人类在20世纪60年代首次观测到宇宙中最明亮的辐射源“类星体”（quasar），可关于它的真实身份却迟迟无法确认。1967年，当时剑桥大学的研究生乔斯琳·贝尔（Jocelyn Bell）通过射电望远镜观测到“非常规则、极短周期（大约1.337秒）”的脉冲信号。这种信号明显不来自地球，而是来自宇宙深处，又因为其极有规则，因此甚至被人误以为是某种智慧生命在向地球发射信号。后来人们才意识到，这种特殊的信号来自一种特殊的天体：脉冲星（Pulsar）。

各式各样的望远镜被架设起来，指向天空，寻找关于宇宙的各种信息。因为光速有限，在宇宙空间中穿梭往往以数亿年计。因此也可以说，这些天文望远镜是真正意义上的时间机器。它们捕捉到的微茫光线，往往带着宇宙数十亿，乃至百亿年前的信息。不仅在地面上，人类从20世纪60年代开始就尝试在地球轨道上进行宇宙观测。这些空间望远镜能够不受地球大气层的干扰，在更广阔的频率范围观察到更精细的宇宙细节。最具代表性的天文望远镜正是以哈勃命名的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）。从升空至今，这架望远镜已经在地球轨道上工作了超过35年，至今仍然向地球发回关于宇宙的信息。而在2021年发射的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）的工作地点则在距离地球150万公里的拉格朗日L2点，主要收集红外波段的信号，探测超过百亿年前宇宙中星系刚刚形成时的状态。空间望远镜大多是收集不同频率电磁波的信息。人类希望用这些眼睛来“看”宇宙。问题在于，宇宙的所有组成部分都可以被“看见”吗？有没有可能，还有一部分没办法通过电磁波进行观测？

宇宙学家首先想到的就是黑洞。这种只在理论上被研究的天体如果真的存在，因为其巨大的引力作用，连电磁波都无法逃离，自然也就没法通过望远镜直接观测。想要探测到黑洞，只能通过间接手段。

机会来了。实验人员在1964年进行大气层外的火箭弹道飞行时首次发现一个非常强烈的X射线源。之后天文学家采用多种手段对它进行测量，发现它来自银河系内的天鹅座，被命名为天鹅座X-1（Cygnus X-1），初步测量认为它距离地球大约6000光年。科学家随即利用其他望远镜对这个方位进行观测，发现了一颗超巨星。这个被命名为“HDE 226868”的超巨星质量相当于太阳的24倍。经过对HDE 226868更细致的观察，人们发现它并不孤单，而是在围绕着一颗“看不见”的天体公转。经过计算，这个看不见的天体质量大约是太阳的14.8倍。种种迹象显示，这个“看不见”的天体有可能是一个黑洞，它与超巨星HDE 226868组成了一个相互围绕运转的双星系统。众多宇宙学家纷纷开始探究这个神秘天体的真实身份。有趣的是，著名理论物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）曾经为此和物理学家基普·索恩（Kip Thorne，2017年诺贝尔物理学奖得主）打赌。霍金认为那个神秘天体并非黑洞。到了1990年，霍金最终让步，愿赌服输。对这个天体长达10多年的观测显示，它确实是一个恒星级黑洞。而一组天文学家在2021年对这个人类确认发现的第一个黑洞进行了更加细致的探测，结果显示它距离地球7240光年；质量大约为21个太阳质量；自转速度达到了惊人的95%光速——它是人类至今为止发现的最大的恒星级黑洞，也是自转速度最快的黑洞。

广义相对论的预言之一——黑洞终于被发现了。那么，它的另一个预言——引力波是否存在？更关键的问题在于，即便引力波确实存在，人类又能通过什么方法去探测这种时空自身的振荡呢？对于探测引力波，人类所有的传统望远镜全部失效了。虽然想要直接观测到时空的振荡几乎不可能，但是有可能通过间接方式观察引力波的效应。

机会依然来自宇宙观测。在1974年，两位物理学家拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）在进行射电观测时发现了一个奇特的脉冲双星系统PSR B1913+16。这个脉冲双星系统的两个天体质量相似，大约都相当于1.4个太阳质量，两者相互围绕运转，公转周期大约是7.75小时。两位物理学家仔细测量这个双星系统的性质，发现它的公转周期在逐渐衰减，两颗脉冲星之间的距离也就越来越近，这说明这个系统在向外辐射能量。能量去哪了？经过计算，他们发现这个系统损失的能量与广义相对论的预测完全一致。也就是说，这个系统在向外辐射引力波，因而造成了能量损失！人类首次通过宇宙观测发现了引力波存在的间接证据。

间接证据还不能让人完全满意。毕竟宇宙中像是黑洞这样的致密天体如果发生剧烈变化——比如合并——必定会释放出强烈的引力波信号。有没有可能通过某种仪器直接观测到这样的引力波信号？一直有物理学家在进行这样的尝试。20世纪60年代，物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）用铝块制造了一个引力波探测器。这个长两米，直径一米的铝制圆柱体被悬挂在半空中。韦伯认为，当引力波穿过地球，时空发生振荡，这个巨大的铝块自身就会受到挤压，因此可能产生出微弱的电流。如果能够探测到这种微弱的电流信号，也就相当于探测到了引力波信号。问题在于，这样的探测器精度不高，也太容易受到外界的干扰。为了尽量摆脱外界干扰，韦伯在相距1000公里的两个地点布置了两个相同的探测器，只要两个探测器都给出探测信号就说明探测成功。1969年，韦伯声称他利用这款探测器发现了引力波信号！不过，经事后检验，他始终无法重复探测结果，物理学家也普遍认为这款引力波探测器的误差实在太大，结果不可信。

想要直接探测到引力波信号还要再等待将近半个世纪的时间。从1994年起，物理学家开始在美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿建立两个相似的激光干涉引力波天文台（LIGO），每一个天文台都有两个长达四公里的相互垂直的长臂，激光在真空的管道中沿着两条长臂来回反射，并且发生干涉。根据理论预测，一旦有引力波经过，将会使空间发生拉伸和压缩，两个长臂中激光的干涉现象就将发生变化。美国路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台远景（视觉中国 供图）

经过多年持续不断的升级改造，LIGO终于在2015年9月14日首次发现了引力波信号。经过分析，它观测到的是一次黑洞合并事件。两个此前相互旋转的黑洞分别具有相当于29个太阳和36个太阳的质量，它们在长久的相互环绕之后，最终无可避免地合并成为一个相当于62个太阳质量的黑洞，其余的3倍太阳质量则被转化为引力波被释放到了宇宙空间之中。LIGO的创始人之一，物理学家基普·索恩评论道：“这是人类观测到的除了宇宙大爆炸之外最为剧烈的爆炸。”

经过多年建设，现在人类已经拥有了一个完整的引力波探测网络，每年都会探测到数十起由黑洞、中子星等致密天体的活动所释放的引力波信号。引力波探测，已经成为除了电磁波之外，人类理解宇宙的另一个重要手段。话说回来，虽然连光线都无法逃脱黑洞，但黑洞在宇宙中并非完全“不可见”。就是因为黑洞的引力巨大，在它的周围总会聚集起大量的物质高速运转，形成一个向外释放高能X射线的“吸积盘”（accretion disc）。因此，如果能够详细拍摄出一个黑洞吸积盘的特征，也就算是给黑洞拍了一张“照片”。

在2017年，科学家们真的为黑洞拍了一张照片。事件视界望远镜（The Event Horizon Telescope）项目集合了分布在世界各地的射电望远镜协同工作以提高分辨率，最终拍摄到了一个距离地球5500万光年，质量相当于65亿个太阳质量，直径达到400亿公里的超巨型黑洞。这个黑洞位于“M87”星系的中心，是人类目前发现的最大的黑洞之一。照片中在吸积盘的明亮背景下，M87星系中心黑洞投下了一个巨大的圆形阴影。黑洞一侧的轮廓相比另外一侧更加明亮，这是因为黑洞自身（或是其吸积盘）在旋转，因此光线射向地球的一侧看上去更加明亮，而光线远离地球的一侧看上去就暗淡很多。经过了两年多时间的处理，团队终于在2019年4月10日向全世界发布了世界上第一张“黑洞照片”。在2022年5月，事件视界望远镜团队又发布了银河系中心黑洞人马座A*（Sagittarius A*）的照片。这个黑洞距离地球大约2.6万光年，质量大约相当于400万个太阳质量。M87星系中心的黑洞照片（左）与银河系中心黑洞人马座 A*照片（右）对比图（视觉中国 供图）

通过引力波探测，人类对于黑洞的研究越来越深入。在各个星系的中心位置大多存在着一个巨大的黑洞，质量动辄可以达到太阳质量的上百亿倍。根据物理学家的解释，如果黑洞的形成主要依靠死亡恒星的塌缩而来，那么这些巨大的黑洞又是从何而来？按照一些理论预测，在宇宙大爆炸时可能会产生出很多微小的“原初黑洞”（primordial black hole），那么有没有可能探测到这些原初黑洞的踪迹？正因为还存在着这些问题，宇宙学家正准备把引力波探测器架设到太空中去，探测超巨型黑洞的踪迹。

黑洞是不是宇宙中仅有的“不可见”部分？其实早在20世纪30年代，宇宙学家们就知道情况并非如此。随着观测的不断深入，宇宙另一个巨大的暗面被揭示出来。而人类对它的了解越多，也就越觉得困惑——这正是目前宇宙学研究最大的谜题之一，暗物质之谜。

在20世纪30年代，当时在加州理工学院工作的瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）在进行天文学观测时，就意识到了在宇宙中必然还存在大量无法通过电磁波探测到的神秘物质。得出这样的结论并不太难，只要观察宇宙中星系的旋转速度，再通过光亮大致估算这个星系中可见物质的质量，就会发现如果只考虑星系可见物质部分的质量，其引力作用完全无法维系整个星系。也就是说，在星系可见物质的周围必定还有大量虽然不可见但是会参与引力作用的物质。这种神秘物质也因此得名“暗物质”。到了20世纪70年代，经过薇拉·鲁宾（Vera Rubin）等天文学家进一步研究，证实宇宙中弥漫着暗物质，这点成为天文学界的共识。

虽然人类认识到暗物质的存在已经有将近100年时间，但难免让人感到沮丧的是，除了这个名字之外，人们对于暗物质的本质仍然知之甚少。暗物质是由什么构成的？它是否也像普通物质一样由基本粒子构成？如果这种暗物质粒子不参与电磁作用，也就是说它“看上去”是完全透明的，那么它除了参与引力作用之外还可能具有哪些性质？人们为暗物质建立了各种数学模型。根据目前比较流行的“冷暗物质模型”描述，暗物质是由一种“弱相互作用大质量粒子”（Weakly Interacting Massive Particle）构成，是只参与弱相互作用和引力作用的神秘物质。

为了探测假想中的暗物质粒子，人类可谓是上穷碧落下黄泉，用尽了几乎一切手段：曾经发射暗物质粒子探测卫星（DArk Matter Particle Explorer，DAMPE），去太空中寻找可能的暗物质粒子；中国锦屏地下实验室设在四川省凉山州锦屏山隧道2400米深的地下，是世界上最深的暗物质探测实验室之一；日本神冈地下实验室位于日本岐阜县神冈町地下1000米的位置，利用800公斤的液氙（Liquid Xenon）探测暗物质的踪迹。科学家认为只有在这么深的地下环境中才能在最大限度上隔绝宇宙射线的干扰，感应暗物质粒子的信号。宇宙中暗物质的质量是普通物质的五倍以上。也就是说，我们能看见、触摸到，乃至构成我们自身的所有物质，不仅不是宇宙的全部，甚至只是宇宙物质中的一小部分而已。更多更重要的部分，仍然隐藏在宇宙的暗面。多年来的研究始终收获甚微，让人不禁怀疑，暗物质的真实身份是否与人设想中的完全不同？暗物质有没有可能正是弥漫在宇宙中的中微子？甚至会不会是在宇宙诞生初期出现的原初黑洞？这个谜团尚未被解开，另一个更大的宇宙学谜团便出现了。正在减弱的暗能量？

当时空膨胀成为科学界的共识，宇宙学家便开始好奇，时空膨胀的速度在如何变化？可以说，这个问题关系到整个宇宙的未来。在大约138亿年前发生的大爆炸使时空一直处于膨胀状态之中，然而在物质之间的引力作用之下，这种膨胀也可能会逐渐减弱甚至停止。也就是说，宇宙究竟会一直膨胀下去，还是可能受到引力作用停止膨胀，甚至反过来发生收缩，取决于时空膨胀和引力效应之间的博弈。想要预测宇宙的未来，就要对宇宙的膨胀速度，乃至速度变化，有精确的理解。

到了20世纪90年代，距离人类发现宇宙膨胀已经过去了半个多世纪的时间，两个独立的研究团队几乎同时开始测量宇宙膨胀的精确速度。相比埃德温·哈勃当年利用造父变星作为标准烛光探测宇宙星云相对于地球的距离，这两个团队选取了“Ia型超新星”（Type Ia supernova）作为新一代的标准烛光。相比之下，Ia型超新星的亮度要远高于造父变星，也更稳定。以这样的天体为基准，可以测量的宇宙半径就从之前的几千万光年一下子拓展到了数十亿光年的范围。这也就让宇宙学家有机会理解宇宙膨胀的速度变化。到了1998年，这两个团队又几乎同时发布了观测数据。令几乎所有人感到吃惊的是，两个团队通过数年独立的宇宙观测，以令人信服的证据得出了一致的结论：整个宇宙的膨胀正处于加速之中！

人类对于宇宙的认识又一次被颠覆了。一个极其重要的问题立刻被提了出来：究竟是什么力量在推动宇宙加速膨胀？从观测结果来看，宇宙的膨胀加速非常均匀。也就是说，是一种弥漫在整个宇宙空间之中的能量在推动着时空。该如何解释这种无所不在的能量？宇宙学研究中最具戏剧化的一幕出现了：宇宙学家又想起了曾经被爱因斯坦提出又抛弃，被他称为自己一生中最大错误的“宇宙学常数”Λ，发现唯有让这个常数“复活”，（虽然与爱因斯坦当初采用这个常数的本意已经不同）才能够描述这种推动宇宙加速膨胀的能量。这种神奇的能量被命名为“暗能量”。暗能量这种匪夷所思又不容置疑的宇宙能量立刻成为宇宙学研究的最大谜题。暗物质之谜尚未解开，暗能量又是什么？有人认为，现代量子场论描述了空间本身就具有“真空能”（vacuum energy）。暗能量很可能正是这种真空能的体现。问题在于，根据量子场论计算的真空能与探测到的暗能量数值相比较，人们惊奇地发现两者相差了10120倍！有人戏称这是物理学历史上最大的实验误差。说到底，关于暗能量的本质，人们无法从量子场论中找到解释。

人类的宇宙观在21世纪初再一次被刷新。分析整个宇宙中的质能成分，大致可以描述为68%是暗能量，27%是暗物质，而人类熟悉的普通物质只占约5%。暗能量、暗物质，这些真正主导宇宙演化的成分究竟是什么，我们几乎一无所知；而人类花了数千年建立起来的物理学架构，有能力解释的部分只占整个宇宙质能总量的5%。

随着暗能量的发现，宇宙的未来也就显得越发清晰。在暗能量的推动下，宇宙膨胀的速度越来越快。除了250万光年之外的仙女座星系正在以大约每秒110公里的相对速度向银河系撞来，大约会在40亿年之后与银河系发生碰撞和合并之外，其他星系都在加速远离我们而去。在几十亿年之后，如果届时人类仍然存在，与仙女座合并的银河系将是夜空中唯一可见的星系，其他星系都已逃出了我们的视界。夜空将会变得格外冷清。

人类探索宇宙的脚步也在加速之中。暗能量虽然已经现身，但人们想要了解这种弥漫在宇宙中的能量，究竟真的是一个所谓的“宇宙学常数”Λ，数值永不改变，还是会随着时间发生变化？在21世纪最初的20多年时间里，宇宙学家利用各种新技术进行“巡天”，试图将宇宙的性质测量得更加精确。从2021年5月起，DESI正式开始进行巡天探测。来自世界各地的70多家研究机构，将近900名研究人员利用美国亚利桑那州基特峰国家天文台（Kitt Peak National Observatory）的4米口径的梅奥尔望远镜（Mayall Telescope），计划在五年时间里测量宇宙中3500万个星系和类星体的精确红移。这个项目一旦成功，人类将有能力理解在将近100亿年时间里宇宙的膨胀速度，并绘制出宇宙最大规模的三维星系图谱。

正是因为DESI项目的规模和精度都前所未有，在整个项目尚未完结，刚刚发布第一批观测数据时就引起了全世界的关注。在2024年6月，DESI项目首先公布了它观测的数百万个星系、类星体和恒星的光谱数据。令人吃惊的是，这些数据显示，暗能量并不是一个不变的常数，而是在过去数十亿年里逐渐减小！该如何理解这个在逐渐减小的加速度？人们目前还没有合理的解释。另一方面，DESI项目公布的还只是初步数据，并不算是正式的科学发现，毕竟这个项目仍在进行之中。

在2025年3月，DESI项目进一步公开了它的观测数据。最新的观测结果显示，暗能量确实有很大可能是在随时间减小。尽管科学界普遍认为确定一个科学发现需要达到“5σ”的“黄金标准”（达到这个标准说明此发现的可信程度达到了99.99994%），不过，从DESI项目在2024年和2025年公布的数据趋势来看，大多数人认为“暗能量正在随时间减弱”的置信度已达到黄金标准，被公布为一个正式的科学发现只是时间问题。

什么是宇宙的恒常，又有什么始终处于变动之中？宇宙中可见与不可见的部分在发生着怎样的相互作用，各部分自身又在发生着怎样的变化？人类对于宇宙和自身本质的追问，几千年来从未断绝，又总会带来更多的疑问。我们望向太空，追问着100多亿年前那场宇宙大爆炸的细节，往往又会忘记我们自身便是那场大爆炸，以及之后无数恒星爆发的产物。

星空充满了诗意，宇宙学如此令人着迷，但实际上，宇宙何其稀薄。整个宇宙平均每立方米的空间中只有大约2.5万亿分之一克的物质！宇宙空间非常接近真空状态。宇宙又是一个何等的奇迹。在距离星系中心2.6万光年，银河系猎户旋臂（Orion Arm）内侧的位置上，一颗蓝色行星在围绕着一颗毫不起眼的恒星运转。在几十亿年时间里，这颗蓝色行星上出现了各式各样的生命形式。一种动物由于某种特殊的演化机制具备了极为复杂的大脑——这是整个宇宙中最复杂的机器，每个大脑内部神经元的数量要比整个银河系中恒星的数量还要多。在这样大脑的驱动下，人类充满迷惑地望向整个宇宙。他们希望能够理解宇宙，也希望能够理解自己。而宇宙——这个时间、空间、物质和能量的混合体，借助人类的目光，也在充满惊奇地看着自己，希望能够理解自己。

〔参考书目：盖尔·克里斯琴森《星云世界的水手——哈勃传》，何妙福、朱保如、傅承启译，上海科技教育出版社2024年版；理查德·潘内克《4%的宇宙——暗物质、暗能量与发现隐蔽世界的比赛》，石云里译，上海教育出版社2017年版；托马斯·赫托格《时间起源》，邱涛涛译，中信出版集团2023年版；以及美国国家航空航天局（NASA）网站相关资料〕