哥白尼的遗产
哥白尼原理认为,地球并不处在宇宙中某个特殊的位置上。宇宙拥有一个统一的密度(均匀性),往任何方向看过去都一样(各向同性)。
这个原理尽管很有影响力,但只适用于远远大于星系的尺度。毕竟,如果完全均匀,宇宙就会变成一锅稀薄的原子“稀粥”,不可能会有灿烂的星系了。另外,这个原理只适用于空间,而不适用于时间。我们确实生活在一段特殊时期——距离大爆炸足够久,使复杂的生命得以形成;又距离大爆炸足够近,因而宇宙中的恒星仍在闪耀,还没有全部熄灭。
哥白尼通常被视作一个象征,标志着人类从所有重要的位置上被拉下马来。不过,加拿大不列颠哥伦比亚大学的历史学家丹尼斯·丹尼尔森(DennisDanielson)认为,尽管哥白尼之前的欧洲人将地球置于宇宙中心,但他们并不认为这个中心是一个重要的位置,恰恰相反——用伽利略的话来说,这里只是“宇宙中污秽和蜉蝣聚集的污水池”。
光明之路
如果我们生活在一个足够巨大的宇宙巨洞内部,解释超新星观测数据就可以完全不需要暗能量。
面对如此不可思议、看起来不太可能存在的暗能量,一些研究人员开始重新思考“暗能量存在”的推导过程,质疑起当时的一个根本假设——我们在宇宙中所处的位置到底是不是很普通,我们观测到的现象能不能推广到宇宙各处?如果抛开宇宙学原理,暗能量存在的证据能不能通过其他方式来解释?
在传统宇宙学描述中,“宇宙膨胀”指的是宇宙作为一个整体发生的膨胀。就如同谈论一个正在充气的气球:我们说气球充到了多大,指的是整个气球的大小,而不会具体到气球上每一小块膨胀了多少。不过,我们都在聚会场合见到过一些奇形怪状的气球,它们的膨胀并不均匀。比如长条状气球充气时,侧边上的一圈会迅速膨胀,然后鼓起来的部分才会向长条的另一端延伸过去。在抛弃宇宙学原理的另一种宇宙学观点中,空间也能够不均匀膨胀。一幅复杂得多的宇宙图景就此浮出水面。
我们不妨看一看下面这种模型,这是南非开普敦大学(University ofCape Town)的乔治·埃利斯(George Ellis)、查尔斯·赫拉比(CharlesHellaby)和纳齐姆·穆斯塔法(Nazeem Mustapha)最先提出,后来被法国巴黎-默东天文台(Paris-MeudonObservatory)的玛丽-诺埃勒·塞莱里耶(Marie-NoelleCélérier)进一步发展的:首先,假设宇宙各处膨胀都在减速,因为物质总是在吸引时空,阻止它向外膨胀;然后,假设我们居住在一个超级庞大的宇宙巨洞(cosmicvoid)之中——巨洞内部并非空无一物,只不过平均物质密度仅为其他地方的一半甚至三分之一。一块空间区域越是空旷,内部包含的、能减缓空间膨胀的物质就越少;因此,巨洞内部的膨胀速度要比其他地方更快——正中央膨胀最为迅速,越靠近边缘膨胀越慢,因为巨洞外密度较高的区域在边缘附近已经开始发挥作用了。任何时刻,空间不同部分的膨胀速度都不相同,就像那些奇形怪状的气球充气时膨胀不均匀一样。
设想一些超新星在这个不均匀宇宙中的不同位置爆发,有些靠近巨洞中心,有些靠近巨洞边缘,还有一些位于巨洞之外。如果我们靠近巨洞中心,一颗超新星距离我们越远,它周围空间的膨胀速度就越慢。它发出的光在向我们传播的过程中,所经区域的膨胀速度会越来越快。光经过每一块区域,空间膨胀都会把光波拉长一点,这种效应累积起来产生了我们观测到的红移。光在这样一个宇宙中传播一定距离后产生的红移,要比在以相同速度(即我们周边的膨胀速度)整体膨胀的宇宙中产生的红移略低一些。反过来,光在这样一个宇宙中要达到一定的红移,它的传播距离就必须比膨胀速度一致的宇宙里光的传播距离更长——也就是说,这颗超新星必须离我们更远,因而看起来更暗。
换句话说,这个模型把膨胀速度的变化从时间上“转移”到了空间上。通过这种方式,宇宙学家不需要引入暗能量,就能解释“超新星亮度暗于预期”这一观测事实。为了让这套“另类”解释行得通,我们必须生活在一个真正达到宇宙尺度的巨洞之中。超新星观测的范围已经延伸到几十亿光年之外,占据了整个可观测宇宙中很大的一部分。要想解释这些观测数据,巨洞的大小就必须达到类似的尺度。无论以谁的标准来看,这都足够称得上“巨大”了。
本文作者
蒂莫西·克利夫顿(左)和佩得罗·G·费雷拉(右)都是英国牛津大学的宇宙学家。他们的研究领域相同,都是早期宇宙物理学和爱因斯坦广义相对论的潜在修正模型。
克利夫顿还热衷于品酒,他说生活中真正让他感兴趣的是勃艮第葡萄酒。费雷拉是畅销天文学图书《宇宙状态》(The State of theUniverse)的作者,他位于牛津的住所里正在举办一个艺术创作系列活动,他还参与了许多支持非洲科学教育的项目。