在宇宙黑暗世纪结束之后又经过的各个世代里，发生了许多次星系相撞，整个星系们碰撞后融合在一起。在太空中，暴力事件无处不在。而你现在看到的星系就是这些暴力事件过后的明证。

暗物质的质量超过了正常物质的五倍，却不可见，它们的量这么大，它们必定在你眼前的宇宙华尔兹中曾经起过——也依然起着——重要作用。你现在已经知道，这场华尔兹的参与者们，都是穿着由暗物质做成的大衣的恒星集合。

你盯着这些星系越久，就能看到越多的舞者和形状——你能够想象出更多那里的世界，有着与我们完全不同的天空。你突然开始怀疑是不是某些遥远的文明早就找到了你那些问题的答案……等等，那是什么？

一个非常强大的光源掠过你的眼睛。

你盯着夜空想找到它来自何方，但它已经消失不见。

和刚才同样突然，另一道光击中了你，来自另一个非常遥远的地方。

又有一个。

这些光将你从冥想中唤醒，你将注意力集中到似乎是这些光来源的星系上。

不知为什么，你的心脏跳得几乎要蹦出来。你看着它们的光，看着它们退往远处并互相围绕旋转的路径。

那里好像有点不对。

那些发出这些光的星座不应该以这种方式后退。

我们说的不是它们之间互相围绕旋转的运动，而是关于宇宙的膨胀，关于它们如何一起退向远方，就像正烘烤胀起的蛋糕中的罂粟籽。考虑到你对宇宙膨胀的了解，就会发现这些星系的运动不对劲。

这是意料之外的第二号引力谜团。它牵涉到被隐藏的能量远远多于上一章里关于暗物质的例子。

要明白这一点，你需要先知道我们如何估算自己宇宙中的距离。

当你躺在那个小岛海滩上，开始你进入外太空的旅行之前，你是如何判断夜空里的某颗星星离你近，而另一颗离你远的？只看亮度显然是不够的。恒星们个头不同，各种大小都有，因此它们的亮度也有着巨大差别。在地球上看到的一颗明亮的恒星，可能体形巨大而距离遥远，或体积小一些却离得很近。我们显然还需要一些别的手段才行，历史上的科学家们想出了三种不同的方法来估算宇宙距离。

第一种方法适用于各种天体，包括恒星或行星，只要它们离我们不是太远。这是三种方法中最简单的一种，而且依赖常识（这里没有量子效应参合，所以使用常识还是允许的）。想象你坐在行驶于高速路上的车里，透过侧面车窗看向两边的树木。离你车近的树很快经过，而离得远的那些则以慢许多的速度移动。高耸在远处地平线上的山脉看上去就像根本没有动。它们可以被看成是固定的背景。在太空里，我们可以利用同样的原理。当地球绕着太阳转动时，那些离地球近的物体相对于非常远的看上去固定不动的恒星背景有着相当明显的移动。通过测量某一天体因地球围绕太阳运动相对于远处背景所发生的位置变化，科学家们就能估算该天体与地球之间的距离。它所牵涉到的几何学早在二千二百年前的欧几里得就已经知道了。对于短距离的估算——比如，银河系内的距离，它的效果极好。但对于星系间距离的估算，这个方法就显得力不从心。因为星系们离我们实在太远了。位于地球上，绕着太阳旋转的你，冬天与夏天对于天体的视角差别可达三亿公里，但依然不够。星系们都属于固定背景。要猜出它们的位置，你需要第二号戏法，牵涉到一种非常独特的被称为造父变星的恒星。

造父变星是一种非常明亮的恒星，而且它们所发出的光会非常规律地在最亮与最暗之间变化。让人难以相信的是，科学家们找到一种方法能够将这种亮度变化的周期与它们所发出的总光量联系起来。而这个信息就足以告诉科学家们那些恒星离我们有多远：就像号角所发出的声响传到我们耳朵中时会随着它从源头走过的距离增加而变轻，光也一样。我们能够收集到的位于远处的造父变星到达地球的光占其总发光量的比例就告诉了我们它们的距离。幸运的是，宇宙里有许多造父变星。

但这个戏法依然有着自己的局限性：要测量宇宙中最远的距离，单个的造父变星已经不够了，因为就算最强大的望远镜都无法将它们从其所在的恒星群中区分出来。要测量宇宙深处非常遥远的距离，我们还需要第三种戏法。

你或许还记得，在本书的第二部分，美国天文学家埃德温·哈勃所进行的研究。在二十世纪二十年代，哈勃成为第一个注意到宇宙在膨胀、远处的星系都在离我们而去的人。你的一些朋友在地球各地用你买给他们的价值十亿美元的望远镜观察夜空，好心地替你验证了这个结论。

在二十世纪二十年代，哈勃用来自远处星系的造父变星的光线颜色移动来计算它们的速度，而且他还发现它们一心离我们而去的意念强度（速度）与它们离我们的距离成正比：若一个星系离我们的距离是另一个星系离我们距离的两倍，那么前者的退行速度也是后者的两倍。这条定律现在被称为哈勃定律。

第三个戏法就是，当造父变星无法从它们的环境中被分离出来时，我们就反过来使用哈勃定律。通过测量从远处星系们传来的光线颜色变化程度，科学家们就能判断出这些光线在我们的宇宙中膨胀了多久，利用这个信息，也就有可能知道这些星系离我们有多远。

哈勃定律足够简单，而且它与已知现实吻合得很好：空间与时间早在几十亿年前就已变成今天这样，时空的膨胀从一开始就一直进行，并且看起来作为能量被激烈释放（大爆炸）的结果也非常合理，在随后的几十亿年里，宇宙膨胀的速度也已经慢了下来。

在这个相当符合逻辑的系统里，一切都很完美。

除了它不符合你所观察到的事实。

你的眼睛刚才看到的光脉冲就与它不合。它们颜色漂移的程度不符合上面所描述的宏大、漂亮、自洽的图景。有什么地方出了问题，第二号谜团隐隐约约就在这里游荡。

要想搞明白这到底是怎么回事，让我们再去旅行一小会儿，去看看到底是什么引发了那射入你眼中的无比强大的光脉冲。

从银河系上方出发，你飞向一个特别美丽而多彩的漩涡状星系，它离你大约有八十亿光年之远。你穿过那横亘在我们自己的宇宙大家庭银河系与这一个光岛之间无比巨大而且还在不断膨胀中的空间。当你到达它附近时，选择从侧面进入。你飞过属于它的几百万颗恒星，穿过比几千个太阳系的大小合在一起还大的星云，突然，你再次停了下来。

就在你的眼前，不是一个，而是两个闪亮着的天体，吸引了你的注意。它们彼此围绕着转动，非常快，而且不怎么对称。两者中的一个家伙是一颗巨大的红色愤怒火球。另一颗也很亮，但却小了太多太多。它的大小只和地球相仿，却亮得发白。不要被你所看到的大小所迷惑。虽然两者的大小有着巨大不同，但那颗微小的星球才是这里的主宰，而不是那个红巨星。那个小小的白色圆球是在你到达前几亿年就发生爆炸的恒星所留下来的内核遗骸。当一颗恒星死亡时，它将自己的外层朝着各个方向抛入太空，但内核则被压缩变成现在在你眼前发光的新的星体。它的名字叫白矮星。它是一个极为致密和炽热的天体。通常情况下的白矮星需要几千万年时间冷却褪色，最终成为寒冷孤独的太空流浪者。然而，这一颗，却替自己选择了一条完全不同的道路。

给你一个白矮星密度的大致概念吧，让我们用不同的材料做一只棒球。

一个普通的棒球，用橡胶、皮革和空气做成，大约重145克。同样的体积，如果材料是铅，这只棒球的重量将是大约2.3公斤。如果使用的是地球上自然存在的最致密元素——锇——这只棒球就又重了一倍：大概4.5公斤。

现在，用来自白矮星的材料做这只棒球，你的棒球将重二百吨。在极端致密的王国中，白矮星排名第三，仅落后于中子星（它被取了这个名字是因为它只含有中子）与黑洞。所以你或许猜测它们都正进行着非常猛烈的核聚变，就像在恒星内核中一样，但事实并非如此，除非它们能够找到办法不停生长。事实上，白矮星只有在它们的质量小于太阳质量的140%的情况下才能保持自己的白矮星身份。

但这颗白矮星有东西“吃”。一颗恒星。一颗红巨星。

那颗红巨星正被活活吃掉，就发生在你眼前。

白矮星巨大的密度带来的强大引力远胜于红巨星自身，这颗恒星注定难逃厄运。它都无法保住自己的外层。在围绕着白矮星转动时，红巨星自己的表面被撕开，形成一长条明亮炽热燃烧着的等离子尾巴，在你眼睁睁的注视下向着它贪婪的舞伴盘旋而去，形成一条闪亮扭曲的宇宙大河蜿蜒流向白矮星的表面，在那里，它被收获并压缩。

这个过程牵涉到巨大的能量。时空本身就能感受到：就像在湖表面互相围绕转动的小船之间产生的水波一样，红巨星与白矮星之间的舞蹈也引起巨大的引力波，在时空这一宇宙构造本身中波动与传播，冲刷着周围的天体，改变着时间与空间。

你看着那颗体积巨大的恒星越来越多的物质掉落到白矮星的表面，明显感觉到某些不同寻常的事就要发生。你是对的。白矮星的确收获了许多质量，到达了太阳质量的140%，一个质量门槛。越过这个门槛之后，白矮星自己内核的压力突然大到以一种新的剧烈到超乎想象的链式反应，给自己带来了非凡的死亡。一眨眼间，它炸了开来。这种爆炸所发出的亮度超过太阳五十亿倍。真是让人印象深刻的告别演出。

这种爆炸形成了所谓的Ia型超新星。在所有星系中，它所发生的频率都是大概一百年一次。对于我们来说，它们是一种非常方便的工具，因为它们都很相似，甚至一模一样：它们的发生总是在一颗白矮星吞噬另一颗恒星后质量超过了太阳质量的140%，因此它们永远放射出同样亮度的光——五十亿个太阳所发出的光被合并在一个不比我们地球大多少的小点上。它可比造父变星亮多了。这个特点让它们成为照亮我们宇宙最远处的理想的蜡烛，我们可以借此验证哈勃的膨胀定律。

Ia型超新星比其他一切天体都亮许多，因此与造父变星不同，人造的望远镜能将它们从遥远的星系中分离出来。知道了它们真正的亮度，就像利用造父变星的原理一样，科学家们就能推测出它们离我们的距离，以及它们离我们远去的速度。

一九九八年，两组独立的科学家研究了这种遥远的超新星并且发表了他们的研究结果。其中一组由美国天体物理学家萨尔·波尔马特(Saul Perlmutter)带领，另一组由美国天体物理学家布莱恩·施密特(Brian Schmidt)与亚当·里斯(Adam Riess)带领。两组科学家们都发现大约五十亿年前，在经过了大约八十亿年的正常行为之后，宇宙的膨胀开始加速。

科学界被震惊了。

你也应该如此。

不仅仅因为它们出乎意料，而且相反的结论看上去才更合理。

在大尺度上，统治所有一切的是爱因斯坦的广义相对论，爱因斯坦的引力理论与牛顿的理论一样，只允许物体间相互吸引。因此，充满整个宇宙的不管什么物质，无论是普通物质、反物质，还是暗物质，在长期看来，终会让膨胀变慢。而不是加速。

然而波尔马特、施密特和里斯的观测给出了另一种结果，唯一能够让这种矛盾自圆其说的办法只能是引入一种全新的东西来解释这种加速。而且这种东西必须布满整个宇宙。而且它还必须具备一种独特的性质：它必须能够产生类似反引力的作用力，让物质与能量之间互相排斥而非吸引。

因为某种我们尚不知道的原因，这种新的力量在大约五十亿年以前超过了其他所有大尺度力量，而在此之前，它的效应是零。

这种令人迷惑不解的能量被称为“暗能量”，而且有趣的是，为了对应它所被观察到的效应，暗能量应该大量存在。

根据现代推测，事实上，那是一个巨大的能量。

是暗物质的量的三倍之多。

是构成我们的普通物质的量的十五倍。

因为发现了宇宙膨胀在加速而非放慢，波尔马特、施密特和里斯获得了二〇一一年的诺贝尔物理学奖。我们宇宙的整个能量分布不得不被彻底重新估算。今天，依据NASA卫星的估算，我们宇宙的能量构成如下：

暗能量：72%。

暗物质：23%。

我们已知物质（包括光）：4.6%。

你在自己整个旅程中所看到的一切只占我们整个宇宙所含物质总量的4.6%。其余的都是未知。

与暗物质不同，很久以前，就有人推测了某种类型的暗能量的存在。大约在一百年前，作出这个推测的就是爱因斯坦本人。他甚至称此为他自己“最大的失误”，虽然在今天看来，他的失误在于把这个预测看成失误。

或许你还记得，还是在第二部分里，爱因斯坦不喜欢我们所处的宇宙正在变化、演化这种说法。他更愿意认为时间与空间现在是，以前也曾经是，将来也将一定是他自己所体验到的那样。不幸的是，就是他自己的广义相对论——最初所用的最简单的形式——展现出完全另外一种图像。广义相对论显示时空可以——也的确——发生改变。为了给宇宙不变留出可能，他发现自己能够通过增加一个附加项来修改自己的方程式，那是他的方程式中唯一允许的附加项。在那个时候，这是一个大胆的修改：爱因斯坦的方程式在当时意味着（现在也依然意味着）我们宇宙的局部能量绝对对应于它的局部几何，因此一旦两者中的一项能够改变，另一个也将随之改变。将某种新形式的能量加入到宇宙各处也就意味着改变了宇宙各处的形状和动态。所谓能量，爱因斯坦指的是所有具有引力效应的东西，现在包括物质、光、反物质、暗物质和一切具有正常、恰当的引力吸引行为的其他所有东西。

但爱因斯坦所加入的附加项能够具有两种效应（吸引或排斥），具体表现出哪种效应则取决于它的值。在实体上，它与充满了整个宇宙的能量相对应。他称此为宇宙学常数。

有了它，宇宙能够静态存在，并行为合理，遵循了爱因斯坦的哲学观。

放下心来的爱因斯坦终于能够在晚上睡好觉了。

然而，大约十年之后，哈勃的研究将宇宙的膨胀变成了已被实验证明了的事实。没有所谓静态宇宙。因此爱因斯坦放弃了他的宇宙学常数并称它的被引入为自己最大的失误。

大约又是一百年之后，现在看起来充满讽刺的是，他从纸上擦去的，可能正是理论学家们孜孜以求的、解释人类所发现的最大谜团所必需的工具：驱使宇宙膨胀加速的暗能量。宇宙学常数能带给我们一个处于静态的完全对立面之上的宇宙，这个宇宙正经历着加速了的膨胀，如同观测所证实的那样。它能够解决暗能量问题。剩下的唯一问题就是找到这种能量的来源。我们将在第七部分再来讨论此事。

现在，我希望每个人都能犯爱因斯坦那种失误。

不管最后暗能量是什么东西，它的出现已经改变了我们对宇宙学的看法。在波尔马特、施密特和里斯的发现之前，我们的宇宙被认为有两种可能的未来，具体是哪种取决于它的总体质量。如果含有的物质太多，它的膨胀注定要在某天逆转，引力将占据主导，就像在每两个现在正分开的物体之间挂有非常有力的弹簧。在这种情况下，整个宇宙将会收缩，所有一切都会以所谓“大挤压”结束。它就像大爆炸，只是倒过来，就像你所经历的旅程，是快进，而非回溯。

另一种可能性是没有足够的物质或能量防止一切彼此分离。波尔马特、施密特和里斯所引入的暗能量显示出这或许是更有可能发生的未来。除非某天又有什么出乎意料的事击中了我们的望远镜，不然很有可能这个反引力作用场将确保宇宙的膨胀永无止境，带来非常寒冷的宇宙未来。两种方式（大挤压和冻死）都凄惨无比，我同意。但你将在接下来及最后部分中看到，寒冷而死或许也远远不是结束。

现在，再说一次，还有一种可能就是爱因斯坦的理论在这么大的尺度上不适用。如果是这样，那么我们就不能用他的方程式来推断暗能量的存在。就像在一颗大恒星边上使用牛顿的引力定律会带来错误的轨道一样，爱因斯坦的方程式也很可能在某个状态下飘离现实。到今天为止，更有可能暗能量是真实的，甚至其中还牵涉到量子效应的可能性。对于那些想把非常微小与非常巨大联系在一起的人来说，这是一个非常令人兴奋的前景。

不管怎样，无论它们的本质到底是什么，暗物质与暗能量都至关重要。牛顿的引力理论让我们在太阳周围找到了新的行星。爱因斯坦的引力理论带我们找到了更大的谜团。这些谜团大到包含了我们打开大门进入极大尺度上的现实世界所需要的线索或钥匙。

带着这些发现带给我们的谦逊感，现在是时候去看看为什么广义相对论不可能是适用于一切的理论，为什么它预言了它自己的失败。

1. 顺便告诉你一下，两位美国物理学家拉塞尔·赫尔斯(Russel Hulse)与约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在几十年前第一次间接地探测到这种引力波。他们因此获得了一九九三年的诺贝尔物理学奖。这种波或许某一天能让我们超越最后临界散射面，“看到”我们可见宇宙尽头墙外的世界。因为它们不是光波，而是时空的波动，它们可以到处传播，甚至能穿过最致密和厚重的墙壁——一直到大爆炸。引力波望远镜正在建造之中，其目的也正是为了看穿临界最后散射面。​​​​​

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2. 总数之和并不是100%，因为在所获取的数字中永远有不确定的误差存在。来源：WMAP。​​​​​

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