斯蒂芬.霍金的世界
以我个人来说
我相信宇宙起源于大爆炸
但是宇宙会永远存在吗？
如果不会
那它又将如何结束？
这我就更没把握了
宇宙不断膨胀
让所有物体不断扩大
但是万有引力同时也在作用
紧紧向后拉住所有的物体
我们的命运
就取决于这场拔河赛的胜败
而万有引力的影响
则是决定于宇宙的组成
宇宙的实体究竟有多大
我们很难得知
依据我们的猜测
宇宙的组成大部份应该是
我们根本无法得见的黑暗物质
《黑暗的一面》
来自印度的拿塔拉珍
童年梦想是当个诗人
二十年后的今天
她是剑里大学的
天体物理学家
一心创出一套 完美无暇的宇宙论
我们一直认为
科学家所做的任何事物 都是很有根据的
但事实并非如此
在我们做实验，设理论时
我们所考虑到的要素
还有这些要素间的互动关系
都与我们的创造力
个人的感觉以及 直觉有很大的关系
几乎就好像在写诗一样
自己选一个特定的诗体
可以选四行诗
或是日本的俳句诗
这些诗体都有它们自成的格式
而我们就照着格式走
就好像我们在设模型时 需要遵守物理的定律一样
但是在模型或诗词的字里行间
还是有宽广的创作空间 可以做出许多的安排及选择
普莱雅在得了 剑里大学的科学奖学金后
一辈子就此改变
她究的宇宙学非常有创意
究主题是 银河系在宇宙中的命运
我们可望见银河中的闪耀群星
也有证据显示 星系中有气体存在
因为光通过气体时会散开
但事实上星系的组成 包含的比这些还要多
普莱雅的灵感
来自于一位年轻的美国科学家
维拉鲁宾于50年代所做的究
维拉鲁宾在究中
以螺旋星系为中心
纪录下不同距离 恒星的速度
然后发现了与自己所学 相违背的不合理情况
绕星系中心运行的恒星
运动方式应该与 绕恒星运行的行星类似
但事实不然
以太阳系来说
太阳在中心
有行星绕太阳运行
既然太阳拥有最强的引力
在最外围的一些行星
公转速度比较中心的行星慢
人们自然认为星系中亦是此理
如果我们从星系中心开始 测量恒星公转速度
结果应该是会越来越慢
但是维拉鲁宾却发现 螺旋星系的恒星
公转速度却是相同的
她记录下从中心到外围 一些恒星的速度
然后发现速度都是一样的
维拉鲁宾发现星系的中心 对各恒星其实并无引力作用
要让整个星系的恒星 都以相同的速度移动
该是一种对所有恒星
都同时具有影响力的力量 但是这种力量是看不见的
所以维拉鲁宾认为
每个星系都充塞着一种
我们看不见的物质
但是当时的学术环境不够成熟
尚未准备好接受这样的理论
她所发表有关各个独立的星系中 充斥着黑暗物质的学说
在当时遭受严重质疑
只因为这个黑暗物质百分比的推论 背后蕴藏的涵义
在当时是深远而无法想像
也因为学说中黑暗物质 在星系中所占的比例太重
根据学说，90%的螺旋星系
都应该是由黑暗物质组成
恒星在银河中的运行
必是由我们所看不到的 物质所控制着
每一星系中心 都必须有黑暗物质的存在
它隐身并巧妙地以自身引力
控制恒星的运行
恒星并没有 被绑在广大的宇宙中
只是宇宙中有90% 甚至是99%的物质
是我们不得而见的
对于像我一样的宇宙学家来说
我们必须要知道 宇宙中的黑暗物质有多少
才能预测宇宙的终极
宇宙的总质量就是
决定宇宙命运的关键
决定我们会继续扩大
还是停止或减慢扩大的速度
甚至是开始缩小
我们最终的命运
就决定在我们 对宇宙质量组成的了解
如果宇宙大部分是黑暗物质
则会有非常重要的后果
举例来说，现代人开始怀疑
维拉鲁宾说的可能是事实
而黑暗物质 则可决定宇宙的未来
要知道宇宙的终极命运
必须肯定黑暗物质的存在
以及黑暗物质的数量
要找寻无形的东西
需要很大的勇气
克里斯史塔布告诉同事们
他决定要去找寻黑暗物质时
他们都说他疯了
这么做还可能会 让他的工作不保
科学的究是无止尽的
所以在选择究方向时 必须小心谨慎
一直以来我就喜欢追根究抵
究最根本 很难用实验去求证的问题
但是也是对我们对宇宙的了解 影响最大的一类思考问题
克里斯甘冒其险 用自己得事业做赌注
要找到这种无形的东西
但是没人知道黑暗物质是什么
所以他们要决定 如何找到他们的目标物
我们正在进行一项实验
要找出一种特别的黑暗物质
我们叫它machos
就是大质量紧密环状体的缩写
我们认为银河被一团
巨大的环状黑暗物质所包围
这种物质由天体所组成
但是因为某些原因
它们不像恒星会发光
这些天体
死亡恒星的瓦解中的残骸
充斥在宇宙各地
有的跟地球一样大
也有的是太阳的10倍大
machos也许可以解释
维拉鲁宾所看见的现象
如果machos真的存在
位置应该在星系的外围
在这里找寻machos是很合理的
但是要找到machos
就好像在漆黑夜里 找一只漆黑的蝙蝠一样
但至少有一件事 克里斯是非常确定的
就是他要找的目标 质量相当的重
如果它的质量够重
就会对穿过附近的光 产生引力的影响
因此macho猎人转而求助于
爱因斯坦的相对论
来了解引力对光的影响
爱因斯坦的相对论告诉我们
如果光穿过像太阳
或是黑暗物质这类大型物体
就会产生偏折
就是光会折弯的意思
而一团质量对来自遥远恒星 或是其他星系的光的影响
就像是在那颗恒星前面 摆上一面镜片
恒星的影像会产生萫曲
看起来也会比较明亮
根据爱因斯坦的理论
当一大质量的macho
经过我们与一群恒星之间
恒星的光芒 应该会突然变得强烈
然后又再恢复原有的亮度
为了要证明自己的理论
克里斯的究小组
分析了数千张恒星的影像
在我们的实验开始的两年后
我们正在究资料
想知道如何分析这些资料
但是很意外地
我们发现了 一直以来所要寻找的目标
我们发现的一颗恒星
突然变亮之后 又变回原来的亮度
正符合广义相对论 所预测出来的模式
这个看起来八九不离十 十分吻合
画画看 很棒的微重力透镜曲线图
我们的实验侦测到了一个
星系中前所未知的组成
真是令人赞叹的结果
第一个被侦测到的黑暗物质
证实它是真实的存在
但是macho真的解开了
维拉鲁宾所提出的谜题吗？
这些物质的数量有这么庞大
能在每个星系中产生
她所观测到的引力吗？
最简单的观点就是
machos是普通一般的物质
跟组成恒星的物质相同 但是它们并没有变成恒星
我们应该知道宇宙中
有多少这些一般的物质
但是还是无法解答 宇宙中的黑暗物质之谜
我们必须找出其他黑暗物质
machos是极巨大的
那么从极小的存在着手呢？
其中一个候选人 是一种有名的粒子
那就是微中子
微中子在原子弹爆发时产生
所以宇宙初生时的大爆炸 应该也会产生这种粒子
如果微中子 有自己的微小质量
它就有可能是黑暗物质
或是那些所谓的异常粒子
它们是理论上推断 应该存在的粒子
但是在现实环境中 很难侦测到它们的存在
也许他们是真的存在的
正在默默地刻画着宇宙的演化
卡洛司法兰克 是杜伦大学的天文学教授
喜欢究事物的成长及改变
我觉得我们已知 最大平行并列的演化
也就是宇宙的演化
应该与生物的演化 像是人，甚至是我儿子的成长
有许多相近之处
我常在想究竟哪些因素
会影响我儿子的发展成长
他会变成物理学家
或是科学家
不管他将来是音乐家 或是从事其他职业
我不知道是什么样的力量
将他推向这些方向
宇宙就简单多了
因为我们已经掌握了许多
控制宇宙演化的法则
卡洛斯确信自己可以
完整地告诉我们宇宙如何
从开始的婴儿期 成长到今天的宇宙
他相信黑暗物质的影响很大
卡洛斯对演化的热爱
在物理的领域找到了出口
虽然不知道儿子是不是 也会与自己有相同的兴趣
卡洛斯的梦想是要在电脑里
建立一个完美的宇宙模型
从它猛烈的诞生
到今日复杂的面貌
但是也只有将黑暗物质的 正确特性一起输入程式中
才能真正成事
在宇宙大爆炸发生后一秒 卡洛斯全力以赴
在大爆炸之前
宇宙只是是一团 原始粒子所构成的宇宙汤
在这样的高温下
没有任何东西可以生存
但是经过大约100秒的时间后
宇宙的温度冷却了一些
成了一百亿度
这样的温度已经可以让
第一次的热核融合反应顺利产生
卡洛斯认为在这重要的一刻
有一群神秘的粒子
从其他的粒子群中脱离
所以没有形成星系及恒星
反之这些粒子群聚在一起
变成了黑暗物质
这一团黑暗物质
对其他的物质有引力的作用
当一团团的黑暗物质
在不停膨胀的宇宙中越变越大
它们也拉进了更多其它的物质
这些物质最后聚合形成恒星
最后在宇宙大爆炸的十亿年后
第一个星系因而诞生
在1980年初期
万事具备的卡洛斯 准备要建立宇宙的模型
当时主流认为
黑暗物质是由极微小的基本粒子
一种称为微中子的物质所组成
卡洛思想知道 宇宙大爆炸时形成的微中子
是否就是黑暗物质
这种说法法在当时 很为大众所接受
是很时兴的说法
也是我们对黑暗物质的组成
所提出的第一个 比较具体的说法
所以是相当重要的一步
也有人说是 相当具重要性的想法
也可以说它划下了
宇宙究方式沿革的开始
因为这是第一次
微中子的假说 提供了一个具体的开始
让我们得以毫无顾忌地
利用宇宙演化论这个工具作深入究
微中子在太空中 以接近光速移动
每秒钟约有百万亿个微中子 穿过你的身体
微中子充斥宇宙中
也没有它们不能穿透的东西
当微中子碰上 像地球一样的固体时
可以直接穿透这些固体
所以我们很难收集微中子
但是我们必须收集到它们
才能知道微中子是否具有质量
若是没有质量
就无法产生万有引力
也就不会是所谓的黑暗物质
在法国北部，维斯戴克莱斯
想要捕捉微中子
以查知它们是否具有质量
当你在准备诱饵
在准备好侦侧器
也准备好你的陷阱时
我们必须将陷阱 装设在正确的地点
然后必须离开静候
你自以为可以侦测到微中子
没错，你是可以抓到鱼
从河里抓到一些鱼
抓到鱼之后你就不只要等
同时还要工作
然后才能看得到结果
你会看得到 自己抓了多少微中子
看到自己从河里抓了多少鱼
微中子是在核反应中生成的
所以维斯戴维克斯将实验
设在军方废弃的碉堡
就在核电厂附近
这次实验我们要测试
从来源到一公里以外的侦测器
这中间的途中 微中子是否改变了其特性
如果微中子的特性
在这一公里的路程中有了改变
我们就可以证明
这就可以证明 微中子的确是具有质量
虽然很难计算出来
但却是极简单的系统
他们将设备架设好后
这些科学家们就只能等
除了固定的检测外
在他们的高敏感度侦测器
侦测到路过的微中子前 他们什么也做不了
所有侦测器测得的数据
都直接经过地线
送到维斯与他的实验小组 所居住的城堡
他们希望能测知
在这里所探测到的微中子
是否比在离反应炉 较近的地方要来得少
如果两边数量不符
就可以证明微中子具有质量
实验也须需要数年才能完成
但是实验的结果 具有非凡的意义
这对粒子物理学上的应用来说
是非常重要的
同时对宇宙学及天文物理学 也具有非凡的意义
微中子最有可能是黑暗物质
也就是宇宙遗漏的物质
如果微中子有质量
即使它的质量非常地微小
但是它充斥在宇宙中
整个宇宙都充满了微中子
从宇宙初诞生时就是如此
这时卡洛斯法兰克
正准备从理论方面着手
他假设微中子有质量
在看看这样的假设下
他的电脑会创造出怎样的宇宙
我们设定电脑程式遵循宇宙的演化
而这里的黑暗物质则是
由一大堆的微中子所组成
我们的目的是要在电脑中
建造一个人工的宇宙
然后再与真正的宇宙做比较
所以我们就这样设定电脑程式
然后让它整个圣诞节不停跑
当我们回到实验室时
看到了电脑所绘出的 第一幅地图
这是一个可以辨认的宇宙
可以为大家所接受的宇宙
这个宇宙创出了星系 甚至是星系团
可以与真正的宇宙互相比拟
大家兴高彩烈地认为 我们很可能解开了从过去至今
一直存在宇宙论中的主要问题
那感觉就好像是终于在生命中
你遇到了了不起的大事
那是我们的第一印象
但他的第一印象是假象而不正确的
卡洛斯太过陶醉于 所制造的电脑宇宙
以致于一开始没有发现真相
经过缜密的审查
他的模型看起来 并不像真的宇宙
但卡洛斯并不想 放弃他的电脑模型
他仍然相信究宇宙会比 从事其他的科学领域容易
矛盾的是我们了解宇宙 多过于一个微小的事物
我的儿子是浩瀚宇宙中 一个微不足道的点
但我了解宇宙 多过于我了解我儿子
我时常因身为物理学家 而深感幸运
幸好我不是生物学家 或心理学家
他们的工作困难多了
因为我们面对的是 本质是十分简单的系统
生物与心理学家挑战的是 更复杂甚至神奇的人类世界
那是不可预料的
粒子物理学家力劝卡洛斯 考虑一个假想的粒子
例如那些所谓的异国颗粒
为何只试那些为人所知的颗粒
他们质疑
他的儿子也不只学习一项技术
微中子太过活跃或过热
而无法构成一个实际的宇宙
他们鼓励卡洛斯尝试较迟缓的
所谓冷暗物质
我们的下一步
便是改变我们最初的假设
现在黑暗物质改由 冷暗物质组成
我必须承认刚开始时 我对此计划也是充满怀疑的
当时我们已有点受够了
粒子物理学家来告诉我们 天文学家宇宙是由什么组成的
粒子物理学家照理有别的工作
他们没有权利来告诉我们 宇宙是由什么组成的
所以起初我们有些愤世嫉俗
说好吧 我们给粒子物理学一点颜色
我们能排除万难
我们已征服了微中子
我们现在就来 征服冷暗物质
让那些人不再干扰我们
他们可以继续作 利用加速器的相关究
我们也能作我们的事
试着了解银河星系如何形成
然而结果是
这些冷暗物质的宇宙
原来比我们所能预期的 更加丰富而精采
卡洛斯将微中子 及冷暗物质
融入他最新的电脑模型中
但他能确定 冷暗物质存在吗
提供证据是实验家的责任
他们必须找出这些颗粒
直到他们有成果前
我们都无法确定 这是个正确的理论
但如果他们可以成功
可以成功的话
这将会是个了不起的成就
绝不夸张的说法是
如果黑暗物质真的是个 异常的基本粒子
这真的会是历史上 最伟大的科学发现之一
证据显示宇宙大部分是由 没有人见过的成分所组成
这是理所当然的
冷暗物质难以侦测
寻找应对之道 是物理学中极难的工作之一
在约克郡沼泽北方
一群英国科学家即将嬴得比赛
他们的领队是尼尔史班奈
很不可思议的是
在20世纪末我们还不知 宇宙的绝大组成是什么
不只90%，甚至99%
这使我们人类了解到 我们的地球并非太阳系的中心
我们甚至并非唯一的生物
我们可能并非由 最平常的物质组成
我们并非宇宙中最具代表性的
因为绝大部分都是黑暗物质 而我们并不知道那是什么
如同微中子冷暗物质
很难与其他坠落 地球表面的宇宙粒子区隔
任何侦测仪器都必须 在地底中受到保护
我父亲恰巧是个专业采矿技师
所以我问他 英国最深的矿区在哪里
天真的认为那会是个煤矿坑 那对我们毫无用处
因为在煤矿区里工作 由安全角度来说是困难的
但结果是
他搜寻的答案是柏白 是个盐矿
对我们来说很理想
柏白矿坑不只是英国最深的
也是欧洲最深的
升降机以每小时12里的速度 行进了5分钟
带他们到地底的矿区
此深度的空气比表面热上10度
而且很干燥
他们复杂的器材必须能 承受如此艰难的状态
在地底深处盐矿中工作 是技术上的考验
在此环境中我们使用的 是复杂的电子仪器
我们试着保持干净
但在矿坑中是十分困难的
约克郡的矿工们似乎乐于 与一群基本粒子物理学家为伍
他们都会问 你们找到了吗
我们只好说还没，还在努力中 或类似的话
矿工们也许觉得奇怪
如果黑暗物质组成99%的宇宙
为何它们会如此难以寻获呢
但尼尔史班耐找寻的粒子
并非无故成为弱反应重质粒子
这些所谓的Wimp粒子会 尽量避免接触
这些颗粒是中性的
它们并没有带电
它们的互动像是一种撞球效应
当它们互动时 虽然它们极少如此
但它们有互动时 它们撞击原子，而它会反弹
所以我们寻找的是这些 原子微小的反弹作用
我们论及的是极小的距离 大约只有千分之一公厘
当原子反弹时会放射能量
对我们来说是光
我们试着找寻这样的光
为保护侦测器免于来自 岩石中的放射线
它们悬吊在200吨的蒸馏水中
我们在地底1公里深处 没有宇宙射线的干扰
而且我们在水中 能隔离墙里发出的物质
侦测器被放置在中间
等待弱反应重质粒子的出现
我们的侦测器是简单的水晶体
当被粒子撞击时 能发出微弱的光
而我们必须增强这种光
因为它非常非常微弱
我们用称为光电倍增器的仪器
将光转为电子
然后再将它加倍
每一束进来的光输出时会变成上百万
这提供一个极大的讯号 以作为测量及纪录
过去两年中
我们有相当显著的进步
我们改良了侦测器
如今我们的侦测器比从前任何人 都敏锐50倍
但我们大概仍需再进步至百倍
如果我们可以如此
我们应该会看到它们 或我们应该看不到
如果我们看到了 想必会非常兴奋
我们也许就发现了 黑暗物质的真面目
或者大多数黑暗物质的真面目
如果我们看不到 这仍是令人兴奋的
因为它绝对是某种物质
如果非Wimp，也许非machos
也许微中子并无质量 我们不得而知
但它确实存在
于是一切更加神秘难解
即使当黑暗物质…
或者说当黑暗物质被发现时
因为重点并非 在于黑暗物质的发现
而它会被发现
我是以科学家最彻底 最完全确定的态度表示
但当黑暗物质被发现时
我认为宇宙的所有 来龙去脉会清楚呈现
我们不只能了解宇宙 为何会有如此的面貌
我们会知道为何会有星系
它们如何产生
为何有行星
为何有恒星
我们也会了解宇宙的 终极命运为何
有两种可能
如果只有小数量的黑暗物质
宇宙会持续不断地扩展
会越来越寒冷，越来越空旷
另一方面 如果黑暗物质为数众多
重力会使宇宙的膨胀减缓 最终并会停止
宇宙便会开始收缩 最后终止于一个大收缩
相反于宇宙起源之大爆炸
就我们目前所知
两种说法都有可能
如果要我下注
我知道我会赌哪一个命运
但大收缩后 我要如何收赌金呢
无论宇宙最终结果为何
它的演进正被黑暗物质影响着
在我们发现宇宙的组成之前
天文学家已开始描绘它的影响
描绘宇宙的挑战在于 你必须从三度空间着手
人类擅长于二度空间制图
难度在于掌握第三度空间 并将它深植脑海
闭起眼睛后能 以三度空间看到四周
这是个挑战 但也是必须
我想我们会将赤道放在这儿
大概是这样…
当我们开始绘图工作时 一切都非常原始
人们知道这里有星团 那里到处都有…
有点像是到非洲深处的史丹利
他知道刚果河与尼罗河的所在 但其他并无所知
看起来应该是那里
珊卓菲柏对她目标的执着 像是个传奇
经由无数的合作
她对黑暗物质的深入究颇多
她的制图技术揭露远比 传统2D地图所示更多的事实
我们看到的是宇宙的三个部分
这图里的地球在此
就在这一点
我们看到第一个部分如此呈现
每一个黑点是一个星系
这是从南半球看到的
接着看到的是 即将出现的第三个部分
这些地图有趣的是各星系 并非均匀的分布在太空
它们似乎聚集在这些墙边
有些人称它们为肥皂泡泡
而这些空间内部则成为空洞
它们相较之下并无星系
当然宇宙扩展时 整个结构也会扩张
而问题必然是
为何这些星系会勾划出 这个美丽的大构造
珊卓的直觉是
这个构造是由无法看见的 黑暗物质网络所组成
于是她开始用世上 最先进的望远镜来证明它
观测是很神秘的
它让我与宇宙其他事物接触
坐在那里接收这些光子
我想像将自己沿同样路线 投射回去
感觉上就好像 我知道听起来好笑
我能与它们的源头沟通及交流
我常想如果有人也在看我
他们的望远镜是否比我的大
经由这么大的望远镜
星系在几百万光年远处 看来还是像一些小污点
但为证明她的理论
珊卓菲柏必须作到 难以置信的精准测量
气温稍许的变化 便会使一整晚的观测失效
每次开始前
望远镜会先以液态氮降温
当所有准备就绪后
他们会进入瞄准 望远镜的控制室
这是我们的下一个观测
这个星系看来如何
这个是NGC5813
15年前当珊卓与同事 创造出新的绘图技巧时
他们期望能因此呈现 黑暗物质对整个宇宙的影响
他们被最后所拼凑 在一起的图像完全震摄
我们突然发现
如果我们标示所有星系的运行
一个包括我们自己在内的 极大的范围
几乎平行的像一条星系组成的大河 以每秒600里的超高速移动
这是个全新的概念 彻底地震惊了我们
我们难以相信自己的发现 这真是太了不起了
然后我们开始更仔细 究我们的测量
我们发现事实上在遥远的彼端
靠近银河流动处 有一很大的结构
其后被我们称为伟大景象
而它是个非常大的超星系团
星系的超级星系团
我们向它前进的动力 是重力
将我们全都吸引过去
它与现在相距50至100亿年
我们的银河系是数千个围绕成为 “大众焦点”超星系团的成员之一
伟大景观周围黑暗物质的力量
正以每秒600里的速度 将我们拉过星系际空间
无法看见的黑暗物质网 控制着整个宇宙的形状
它将星系拉拢成星系团 或超星系团
造成太空中许多大空洞
黑暗物质团影响星系的形成与 超星系团，空洞，城墙及其他的形成
黑暗物质是关键
它控制着所有物体的运行
它使星系成形
它主宰了行程大尺度的结构
我们只能猜测黑暗物质 要将我们带往何处
如果珊卓菲柏被逼的话
她应该知道自己要如何下注
目前看来宇宙中似乎没有 足够物质能减缓它的扩张
如果我现在必须做决定
我打赌宇宙会不停的扩大
这是个神奇的概念
如果宇宙持续扩张
它冷却下来后又会如何
恒星会逐渐消耗 星系中所有气体
它会随时间耗尽
恒星们会卡烧用尽能量而死亡
变成冰冷的白矮星残骸 并带有些黑洞
银河系不断合并组成更大结构
但会因当中恒星的消逝 而逐渐变暗
最后连恒星的组成物如 质子与中子等都会衰变
也许宇宙的终极景象是 没有任何物质存在
只剩一片基本粒子 与死亡光子的海
大收缩的另一种可能 也并无多美好
几年前我在演讲时
我被要求不要提及世界末日
以免造成股市低落
但我能对投资人保证 不论哪一种情况
宇宙都还能存活几十亿年
末日也许会到来
但还未是时候