第8章 物理科学，从1946年到现在(7)
1974年，霍金提出“黑洞并不黑”的概念，也就是说，他认为黑洞能够缓慢地释放辐射。他说，黑洞也许有可能像在太阳底下蒸发的雪球。这似乎是矛盾的，因为根据定义，黑洞是如此之重，以至于没有东西可以逃逸它的引力，包括光。这就是为什么把它叫做黑洞的缘故。黑洞的周边叫做视界，不允许任何东西逸出。
但是，霍金率先把量子力学运用到黑洞理论中，由此提出物质可以在视界里的“虚”空间产生的思想。也就是说，根据量子理论，虚粒子不断产生和湮灭，其速度快到永远不会干扰能量和质量守恒定律所要求的平衡。霍金认为，这只能发生在黑洞的视界上，当大多数虚粒子立刻湮灭在黑洞中时，偶尔也可能有少许沿另一方向泄漏出去，于是黑洞就会缓慢释放出辐射。
这一思想与20世纪80年代麻省理工学院的古斯（Alan Guth，1947—）提出的宇宙起源理论相当吻合。古斯的理论叫做暴胀模型，说的是在宇宙起源的最初几分之一秒里，整个宇宙突然间在极短的时间（万亿分之一秒）里爆炸，使宇宙从一个原子的大小膨胀到几十亿光年的跨度。
失踪的质量
天文学中观测到的古怪现象之一是瑞士天文学家茨维基（Fritz Zwicky，1898—1974）在1933年发现的。这个现象可与黑洞匹敌，有时称之为“失踪的质量”，因为许多线索都告诉我们，有某些东西是用任何类型的望远镜也观测不到的，茨维基称之为暗物质。茨维基是一个性情暴躁、爱好抬杠的人，正如一位同事说的那样，他“喜欢证明别人错了”，这就不奇怪为什么正是他最早注意到宇宙账簿的不平衡现象。他提出“失踪的质量”这一思想，就是为了说明看不见的暗物质一定存在——有可能在星系和星系之间存在某种比我们能够检测到的物质多10至100倍的东西。
起初，没有人信他的，时至今日，某些天文学家依然认为，我们看到的物质不足以造成我们看到的恒星和星系之间的连接。在宇宙中似乎有更大的引力，其大小比我们根据明亮物质的观测所能够解释的大得多。
事实上，目前的怀疑是，我们已经发现，我们迄今为止没有办法检测宇宙中99％的物质。它既不发光也无法用X射线或射电天文学的方法检测，但是我们却能看到它的引力效应。
例如，20世纪70年代华盛顿特区卡内基研究所的鲁宾（Vera Cooper Rubin，1928—）和福特（W．Kent Ford）收集了广泛的数据，它们表明在星系团中，远离中心的星系以比我们看得见的质量——恒星和发光气体——赖以约束在星系团中的引力效应大得多的速度运动。他们对旋臂星系旋转的研究表明在星系边缘有暗晕轮的存在。鲁宾和福特估计，在这一晕轮中暗藏有10倍于我们实际上在星系中看到的物质量的某种东西。在比星系更大的尺度上对星系运动所作的统计分析支持这些思想，并且估计暗物质比我们能够探测到的物质量大30倍（星系内部除外，在这里普通物质占了优势）。自从1978年以来，在卡内基有一个小组，其中包括鲁宾、福特、伯尔孙（David Bursein）和怀特默（Braley Whitmore），他们分析了200个以上的星系，得到的结果都是肯定的。
什么是暗物质？还没有人能够明确说明。但是可以肯定的是，它绝不是普通物质。也就是说，它不可能是我们无法检测到的由恒星和暗星组成的黑洞或者小块的固体物质。到了1984年，候选者是中微子（如果其质量大于零）或者假设的粒子：光微子（photino）、引力微子（gravitino）和轴子（axion）。有些科学家认为，暗物质也许是大爆炸留下的运动缓慢的基本粒子。
正如英国恒星天体物理学家里斯（Martin Rees，1942—）所说：“要解决隐藏质量的特性，最简洁的方法自然是检测到构成它的天体。”
有些天体物理学家认为，白矮星与失踪质量有关，因为自矮星是一种衰退的恒星，由气体的收缩而形成，但因其质量非常小，核反应不能在其核心进行。由于其中没有核反应发生，白矮星都非常暗，难以检测到，以至没有人发现过白矮星，因此它们只被看成是假设中的存在。然而，1995年第一颗白矮星终于被发现了。直到2003年9月，又发现了好几十颗白矮星，这要归功于极其灵敏的红外探测器。许多天文学家认为，白矮星在宇宙中很可能和常规的恒星一样普遍存在。在恒星附近发现的某些大型气体行星（不存在于太阳系中）也可能是白矮星。所以，白矮星可以对某些失踪质量作出很好的解释。
许多奥秘已经开始转向天体物理学家所谓的“暗能量”。天文学家对这一可能性发生兴趣已经有好几年了，2003年10月完成的三维宇宙图似乎肯定了暗能量的存在。在把宇宙的大尺度结构细化之后，这幅图景反映了宇宙140亿年演变中各种力的相互作用以及星系与暗物质的聚集。它还提供了一种估计，普通物质占到宇宙的5％，传统的暗物质占到大约25％，而渗透在这个宇宙中的暗能量则构成了宇宙其余的70％。斯隆数字太空勘测（Sloan Digital Sky Survey，SDSS）国际工作组可以作为许多21世纪科学计划管理的复杂性的一个范例，它组织了来自13个研究所的200位科学家为这幅图景工作。
在20世纪90年代中期以前，天体物理学家和宇宙学家把引力看成是修饰和形成宇宙的主要力量。后来在遥远的太空中观测到恒星爆炸，表明还有一种力——“暗能量”——使宇宙向外扩张。2003年2月，一张研究不同星系的早期图像肯定了暗能量的存在。一位科学家评论说：“证据之网极为强大，所有观测都指向暗能量。”现在的问题是，暗能量究竟是什么？
一揽子全包……
萦绕于宇宙学家和亚原子物理学家心头挥之不去的最为令人着迷的问题就是：这一切是怎样开始的？
现在几乎所有理论家都同意，一定有过一个起源时刻，也一定有过一场大爆炸，它源于比任何原子核还要小的粒子的一次急剧性爆炸。尽管暴胀理论出现某些漏洞，但这一宇宙暴胀模式的新理论，在天文学家和宇宙学家中取得了广泛认同。暴胀理论回答了“大爆炸”理论涵盖的许多问题，但不是全部问题。
例如，为什么不是所有一切都正好在那爆炸的瞬间，如此激烈地炸飞，以至于所有物质都均匀散布开来，既没有相互连接，也没有局部集中，没有恒星、行星、星系和彗星？或者，如果不是有足够的动力使得所有事物四散飘离，那么，为什么这一紧凑的原始宇宙不可以是挤作一团？理论家实际上计算过宇宙要避免这两种命运的临界值，并且这种计算是有效的。
然而，许多理论家都曾经试图描述在最初的一刻究竟发生了什么，试图追溯到原子结构更为简单的那一刻，试图在我们今天看到的复杂性后面寻求简单的对称。他们追溯到新生宇宙最初瞬间，温度在亿亿亿度之上，在这一刻，弱力、电磁力和强力全都是一种力。这些努力就是所谓的大统一理论，直到现在，这些理论没有一个有效。格拉肖曾经这样说：“大统一理论是既不大，也不统一，更不是理论”。所以正如粒子物理学家莱德曼（Leon Lederman，1922—）所说：与其用理论一词，不如说它们都是一些猜测性的结果。
为了携带这个力，不得不假设存在一种古老的信使粒子，叫做希格斯（Higgs）玻色子，这是一种超重量的粒子，扮演大统一力的信使，就像光子现在充当电磁力的信使一样。在时间开始时，粒子和反粒子可以相互快速转变。例如，一个夸克可以变成一个反电子（正电子）或一个反夸克，而一个反夸克又可以变成一个中微子或一个夸克，等等。这个过程是以希格斯玻色子作为媒介的——但是这种粒子还有待发现。欧洲核子研究中心有一个研究小组正在捕捉希格斯粒子存在的证据，他们是这样认为的，这种粒子有时也叫做“上帝的粒子”，因为它负责传递所有质量给原子性粒子。但是也许要等待欧洲核子研究中心新的加速器完成后才有结果。如果检测到了希格斯粒子，由原子性粒子，包括轻子和夸克等组成的以及量子色动力学所描述的复杂组合——所谓“标准模型”的原子图景——将会得到验证。然而，现在这一验证也许还要等待。
要把所有四种力综合在一起的努力更为大胆，也更富有猜测性，这四种力是把引力也包括进来，量子色动力学——夸克的行为及其颜色特性——加上引力。这些概念，有时被称为万物理论（TOES），非常复杂。有一种所谓的超弦理论曾经一度相当普及，这种理论解释说，在大爆炸最初的一刹那，并没有点状粒子，只有一小段弦。它需要十维才能运作——九个是空间，一个是时间。要解释为什么我们只知道三维的空间，理论家推测那是因为另外六维自行卷曲了。
然而，许多科学家对于这种过度的理论化感到不安，这些复杂的理论一环扣一环，几乎难以诉诸实验进行验证。再有，研究越来越小的基本粒子结构，要求越来越大的加速器和探测器。最终目的——通过统一对称原理理解物质的基本结构——值得赞美，但是需要的数学复杂性却没有止境。结果，许多批评者担心宇宙科学有变成某种新神话的危险，因为它已与可检验的科学失去联系。
然而，纵观1946年以来的几十年，天文学家和宇宙学家得到了极其丰富的新数据、新展望和新思想。研究人员发展了更为复杂的研究宇宙以及宇宙结构和起源的方法，它们的精确度和准确度都达到了前所未有的程度。再有，与粒子物理学的高度交叉对两个领域都产生了重要的新启示。
结果是，宇宙变得比以前更庞大、更复杂，也更有趣。
探索太阳系
正当宇宙学家想象宇宙最初时刻的惊心动魄、探索黑洞蒸发引起的后果、思考暗能量和它的本性时，20世纪后半叶还引进了大量更接近事实的新知识。在火箭驱动器的帮助下，人类可以通过太空船的形式送出使者，这些太空船的动力一部分是借助于太阳“翼”，实际上可以到达太阳系任何行星、卫星或小行星。以前纯粹是科学幻想的对象，现在至少部分地成了现实。人类从地球这个安全摇篮来到月球旅行，漫步于月球上，带回上面的岩石。太空船访问了几乎每一个行星揭示了成千上万的奥秘，有大的也有小的，并发现了许多卫星。有些太空航行持续到21世纪，还有更多的正在计划之中。从20世纪50年代末以来，大量图像从太阳系各个角落被发回地球。这些情景令人惊讶，各种发现激动人心，实际上我们邻近的行星及其卫星没有一个符合原先的估计。
这一切肇始于苏联人造地球卫星1号，它于1957年发射升空，绕着地球轨道独自旋转。人类第一次成了太阳系里的旅行者，绕着地球旋转的人造卫星和进入大气层的火箭探测器开始从外部向我们提供有关地球及其大气的新图景。在这之后，紧接着的是去月球的太空航行（载人和不载人）以及去太阳系几乎所有行星的不载人航行，仅仅冥王星除外。以前即使通过最大的望远镜镜头看到的也不过是微小斑点的遥远地方，现在成了坑坑洼洼布满岩石的表面，由炽热气体组成的旋转气团，处于活动期的火山熔浆以及冰冻的沙漠。这是空旷而神奇的地方，之前人类的眼睛从未如此近距离地看到过它们。在万籁俱寂的太空中，神秘的机器人呼呼地走近它们，给我们发回令人惊奇的特写照片和数据资料。一切都与过去的想象不尽相同。
土星光环和木星卫星木卫一的奇异而色彩斑斓的特写照片今天已经家喻户晓，以致我们忘记这些庞大的、正在旋转的岩石和气体离我们有多远。就在几年前，要得到这些图像还是不可能的事情。在17世纪伽利略从他的望远镜窥视到证据之前，谁也没有猜想到土星光环的存在。（当时他还不能断定这些挂在行星两侧的奇怪的“耳朵”究竟是什么——并且随着季节变化，这些耳朵会消失。）现在我们有了详尽的数据，可以了解它们的结构、大小、运动及其与行星和卫星的关系，这主要应归功于名为先驱者11号的太空船，它是1979年发射升空的，后来又在20世纪80年代发射了旅行者1号和2号。
从伽利略的时代以来，行星科学一直是依靠仪器——越来越大、越来越复杂，也越来越昂贵——现在甚至标出更高的价格，但收益也越来越大。我们实际上可以看到这些遥远世界的表面、测量它们的大气、研究它们的历史，并与地球比较，从而知道与我们自己的地球家园有关的许多知识。我们所知道的有关宇宙的机理——从大气和气象的动力学到太空中围绕地球的太阳风和辐射带的存在——不仅为我们增加了知识的基本储量，而且提供了适合地球的宝贵教训。
月球：最近的邻居
地球和月球，这一对行星和卫星，紧拴在一起舞动，围绕共同的引力中心旋转，两者中那个大的，呈现出绿、蓝、白，色彩斑斓，上面有水、有生命；小的那个，只有地球的四分之一大，无色、伤痕累累、坑坑洼洼、标记着时间的流逝。它的背面，黑暗而多坑，永远背对地球，向着群星。在遥远的过去究竟发生了什么灾难，使月球变得如此寒冷和荒凉？
月球是我们最熟悉也是最神秘的太空邻居，它总是激起人类的好奇心，也是无数古代神话、传说和歌曲的主题。古人的历法就是依据它在天空中的规律性运动而定，它的相位变化标志了季节的转换。
对于科学家来说，问题有很多：月球表面究竟是什么样子。它怎么起源，又是怎样变成今天这个样子？它的地质条件如何？我们从来没有看见过的另一面是什么样子？当美国和苏联一旦拥有摆脱地球引力的能力时，月球就成了首选的理想探索之地。和望远镜与照相机一样，火箭给予人类新的工具，用它可以帮助揭开月球的许多秘密。