藏在科学“乌云”背后的美丽新世界

100年前，爱因斯坦推导出广义相对论。从相对论出发，人们发现了“时间旅行”的可能性，领教了原子裂变的巨大能量，推演出宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等诸多科学奇景。相对论因此被称为“20世纪最美丽的思想”，和量子力学共同构成了现代物理学的两大支柱。
在相对论和量子力学诞生之前，光速问题和黑体辐射是笼罩在经典物理之上的两朵“乌云”。如今，经典物理头上的乌云已经散去，但科学界出现了新的“乌云”，也就是相对论未能解释的谜团——暗物质与暗能量。揭开暗物质和暗能量之谜，已经成为21世纪最热门的科学命题。
近日，由“赛先生”和第一财经研究院主办，在上海海洋大学图文信息中心举行的“百年相对论”系列活动，正围绕这一最前沿的科学研究命题展开。主讲嘉宾、国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷，以“聆听天籁：黑暗时期到今日宇宙的21cm探针”为题，介绍了暗物质、暗能量及相关领域的科研进展。主题演讲之后，载人潜水器“蛟龙号”5000米海试现场海试副总指挥、上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任崔维成，与陈学雷进行了主题为“科学探索的极限运动——太空VS深渊”的对话，鼓励在座青年学子继承科学家无畏的求知精神，积极投身科学探索事业。

主讲嘉宾、国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷

用陈学雷的话来说，之所以将暗物质和暗能量称为现代科学顶上的“乌云”，是因为绝大部分科学现象，都可以在粒子物理标准模型的框架中得到满意的解释。这是现代物理学取得的巨大成就。但这一框架，并不适用于暗物质和暗能量。
爱因斯坦曾经试图根据广义相对论的方程推导整个宇宙的模型。他发现，在一个只有引力作用的模型中，宇宙是动态的，不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止，爱因斯坦在方程里增加了“宇宙常数”的概念。“宇宙常数”代表了一种假想的斥力，同万有引力相反，它随着天体之间距离的增大而增强，抵消引力的作用。不过，之后，因为当时的一些科学发现，爱因斯坦急忙将宇宙常数扔进了垃圾堆，并声称这是他“一生中犯的最大错误”。
然而，“宇宙常数”又因为暗物质和暗能量“复活”了。
暗物质是天文学家在观测宇宙时的意外“发现”。上世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·茨威基发表了惊人言论。根据他的推算，在星系团中，可见的星系占总质量的1/300，99%以上的质量是不可见的。这意味着，星系团中隐藏着某种不为人知的神秘物质。越来越多的观测让这个观点看起来越来越可信。
按照万有引力定律，当物体围绕引力中心旋转，离中心越远的物体，速度应该越低。但科学家在观测一些星系的运行时却发现，围绕星系中心运行的恒星，速度并不都是向外圈逐渐衰减的。恰恰相反，有些外圈恒星竟然和内圈恒星的运行速度差不多。由此，科学家推测，在外圈，只是可见的物质变少了，事实上，客观存在的物质数量和质量并没有减少，引力也没有变小。人类无法观测到的这些物质，也就是所谓的暗物质。
此外， 天文学家还发现，宇宙不仅在膨胀，而且正以前所未有的加速度向外扩张。离我们越遥远的星系，远离我们的速度越快。也就是说，在宇宙中，应该存在着某种与引力相反的斥力量，“暗中”把不同的星系以加速膨胀的运动方式“撕扯”开来。由于它和暗物质一样是不可见的，因此科学家称它为暗能量。
近年来，科学家通过各种观测和计算证实，暗能量和暗物质不仅存在，且在宇宙中占主导地位。其中，暗能量的总量约达宇宙总量的73%，暗物质约占22%、普通物质仅约占5%。“我们一直以为，宇宙的秘密在满天繁星中。但现在，我们才发现满天繁星只是宇宙的少数，剩下的绝大部分都披着隐形外衣。这听上去怎么会不让人感到惊心动魄呢？”陈学雷认为，这就是求知路上的“悖论怪圈”。当我们以为对宇宙奥秘了解越来越多时，我们面对的未知也成正比增加。
而这些深远的未知，为陈学雷这样的科学家提供了前进和探索的动力。“探索暗物质和暗能量，揭开它们的神秘面纱，科学家面对的是一条漫长而艰辛的道路。”和国内外其他立志于揭开暗物质、暗能量的隐形外衣的科学家一样，之前，陈学雷对暗物质和暗能量已经做了大量理论研究，研究内容包括构造暗物质和暗能量的理论模型，以及观测检验的方法。而现在，他负责的“天籁计划”，将通过小尺度上中性氢的21cm谱线，去观测和寻找第一代发光天体的电离氢区。按照陈学雷的构想，他的团队从电离氢区的性质去区分暗物质星与普通的第一代恒星。“今天科学界所面临的状况，与19世纪末、20世纪初相对论和量子力学诞生前非常类似，拨开乌云，就会发现在其背后隐藏的美丽新世界。”

，载人潜水器“蛟龙号”5000米海试现场海试副总指挥、上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任崔维成（左二）与陈学雷（左三）对话，鼓励青年学子积极投身科学探索事业。