未解的宇宙

    著者：汪诘

    责任编辑：杨波 李蓓 吴炜 孙桂均

    ISBN：97875710011412目 录

    序言

    宇宙终结之谜

    宇宙大沉默之谜

    暗物质之谜

    暗能量之谜

    时间旅行之谜

    黑洞之谜

    恒星光变之谜

    外星生命之谜

    UFO是外星人的飞船吗？

    纳粹制造出了碟形飞行器吗？

    纳斯卡线条是外星人的杰作吗？

    麦田怪圈是外星人的杰作吗？

    生命起源之谜

    人工智能觉醒之谜

    水晶头骨之谜

    精神疾病遗传之谜

    人体自燃很神秘吗？

    濒死体验

    史前文明存在吗？

    物种大灭绝之谜

    世界末日的传说可信吗？

    神农架有野人吗？

    尼斯湖水怪是真的吗？

    深海生物之谜

    金字塔很神秘吗？

    百慕大三角很神秘吗？

    球状闪电之谜

    水知道答案吗？序言

    在我还是少年的时候，就对神秘的大自然和宇宙充满了好奇，每当借到一本

    讲述宇宙未解之谜的图书，都会如获至宝。神秘的飞碟是外星人的飞船吗？百慕

    大三角为什么会发生那么多离奇的失踪事件？尼斯湖里的怪兽到底长什么样？我

    痴迷地想知道这些神秘问题的答案。在那个少年的心中，宇宙之大，无奇不有，越是离奇的传说越有研究的价值。

    但随着年龄的增长，我才逐渐发现，原来少年心中的大自然与世界的真相之

    间有如此巨大的差距。随着对科学知识的深入学习，我开始了解科学史，了解相

    对论、量子力学，我又突然发现，原来宇宙的真正神奇之处远超少年的想象。

    外星生命之谜，生命起源之谜，黑洞之谜，暗物质、暗能量之谜等，这些宇

    宙中的谜题远比飞碟、百慕大、尼斯湖怪兽更加令人震撼和着迷。

    青少年对宇宙未解之谜往往有着非常强烈的好奇心，而好奇心正是人类区别

    于动物最重要的特质之一。好奇心不但促使我们不断保持学习的状态，激发创造

    的活力，更驱动着人类文明的不断发展，甚至可以说，一切科学发现最初都是源

    于好奇心的驱使。

    然而我也看到，在宇宙未解之谜这个科普领域却又是伪科学的重灾区。如果

    接受了错误的知识，青少年不但无法从小培养科学精神，反而还会形成错误的世

    界观，在看待问题的思维方式上可能会误入歧路。

    在我的这本书中，你会跟随我从真假之谜分两个维度切入，领略最原汁原味

    的科学思维和科学方法。通过破除假谜，了解如何识别假象和谎言；通过了解真

    谜，将你引入真正的科学探索的大门。

    在这个纷繁复杂的世界中，我希望你能尽早树立这样的思维方式：用证据还

    原真相，用科学理解宇宙。

    这将令你受益一生。本书能够得以顺利完成，我必须要感谢我的文献助理黄小艳女士(但我喜欢

    亲切地叫她牛牛小编)，是她帮我耐心细致地查阅了大量的外文文献，以确保本

    书信源的真实可靠。我还要感谢我的好友，科普作家吴京平先生，他对本书的选

    题以及内容都提出了非常多宝贵的意见。因为有了这位擅长用评书风格讲科学史

    的高手相助，使得本书的趣味性大大增强。

    来吧，这就跟我开启一段探索之旅。宇宙终结之谜

    宇宙终结之热寂说

    我们知道，那些所谓的世界末日往往都是一些经不起推敲的传说和故事，没

    有任何的科学依据。但是，如果把时间的尺度拉到足够长，那么地球也迟早是要

    毁灭的。别的不说，单说太阳就不能一直像现在这样燃烧下去。科学家们已经发

    现，太阳在几十亿年以后就会变成一颗红巨星，很可能到那时候太阳的烈焰就会

    吞噬地球，地球上的所有水分都会被蒸发殆尽，当然也就不可能允许生命的存

    在。太阳最终也会因为燃料耗尽而慢慢熄灭，太阳系将回归黑暗。从这个意义上

    来说，世界末日迟早会到来。不过，那也只能称为地球或者太阳系的末日，并不

    是人类世界的末日，因为我们可以移民到宇宙中的其他恒星系。

    看一看

    不过，如果我们把时间的尺度继续拉长，宇宙的最终命运又会是怎样呢？宇

    宙是否有末日呢？关于这个问题，依然是一个宇宙未解之谜。

    但是，科学家们可以根据已知的物理定律，作出一些基于科学的猜想。你知

    道科学猜想和胡思乱想有什么区别吗？科学猜想是基于现有的实验或者观测，利

    用合理的假设和已知的科学定律，一步一步推导出来的结论。胡思乱想就刚好相

    反，不需要任何理由，仅仅只是随便一拍脑袋就凭空冒出来的想法。但是，我并

    不是说胡思乱想就要不得，其实，人类离不开胡思乱想，我们每个人都有胡思乱

    想的自由，只要我们清楚科学猜想和胡思乱想的区别就好。这两节内容，就来跟你说说关于宇宙末日的几种科学猜想。总的来说，有两

    种最主要的猜想，一种叫作“热寂说”，一种叫作“大撕裂说”。我们先从最多科学

    家支持的热寂说开始讲起。

    在物理学中，有一个非常著名的热力学第二定律，这个定律是这样说的：任

    何孤立系统中的熵，只能增大不能减小。那到底什么是熵呢？这个问题是一个我

    最常被问到，但也最常会把人搞糊涂的问题。

    熵，实际上表示的是一种自然界自发的发展方向，这个方向就是从有序向无

    序发展，用热力学的术语来说就是从低熵值向高熵值发展。我们拿到一副新的扑

    克牌，牌是从小到大按顺序排列的，我们洗牌的次数越多，这副牌就会变得越来

    越无序，在这个系统中，熵就是在慢慢地变大。一个打碎的玻璃杯，不可能自发

    地还原。你在沙漠中堆起一座沙堡，风很快就会让沙堡消失，重新回归无序，再

    厉害的风也永远不可能把沙子吹成一座规则的沙堡形态。

    听完我的这三个比喻，或许你感觉自己理解了什么是熵，但我想告诉你，用

    有序和无序来理解熵，依然还是一种比喻，这样的理解依然是模糊的，在遇到一

    些其他例子时，还是容易产生误解。

    例如，假设我们有两个盒子，每个盒子中都有4块积木块，其中一个盒子中

    的积木块大致均匀地分布在盒子中；而另一个盒子中的积木块则是一边多一边

    少。

    现在我问你，这两个盒子的熵值，哪个更大呢？这时候，你如果再用有序和

    无序去考虑问题的话，可能就会有点儿犯糊涂了，到底是盒子1更有序呢，还是

    盒子2更有序？或许，大多数人会认为盒子1更加有序，因为看起来更加整齐。但

    是，答案恰恰相反，从熵的角度看过去，盒子1的熵值更大，也就是更加无序。而盒子2的熵值更低，更加有序。这是为什么呢？

    今天，我要教给你理解熵值更加准确的方法，就是考虑哪种状态的可能性更

    高。我们来分析一下，假如我们把这个盒子中的空间一分为二，给积木编号为

    1、2、3、4。那么，盒子1我们可以认为是四块积木刚好一边各2块，而盒子2则

    是左边有1块积木，右边有3块积木。

    请你开动脑筋，想一下盒子1的这种分布方式的可能性总共有多少种，答案

    是6种可能性。相当于从4块积木中任意选出2块放到左边的空间。那盒子2的分布

    方式有多少种可能性呢？答案是4种可能性，相当于从4块积木中任意取出1块放

    到左边的空间。

    好了，如果你理解了，那么请你记住，熵值不断增大的真正含义是自然界会

    自发地朝着分布可能性更高的方向发展。你可能到现在还没有想明白，那么我们

    来做一个思想实验。假设现在这是一个密封的长条状的盒子，盒子有一定的深

    度，这样积木块可以在里面自由地运动，不会堵塞。

    好了，我们把盒子拿起来，使劲地摇一摇，然后把盒子放平稳，你觉得出现

    盒子1的情况的可能性更大呢，还是出现盒子2的情况的可能性更大？这次应该不

    难理解了吧，显然，积木块大致平均分布在盒子中的可能性是更大的。

    或许有些人还会想，为什么熵值会必然增加呢？在这个思想实验中，完全有

    可能摇出盒子2的情况嘛。的确，在这个例子中，因为盒子1的可能性比盒子2的

    可能性大得不是很多，所以，只要我们摇的次数足够多，总还是会观察到盒子2

    的情况的。但是，如果我们把积木块的数量增加到1000个，那么盒子1的可能性

    就要比盒子2——也就是999个积木块都集中在右边——的可能性大得多，大到一个不可思议的程度，大约是10的300次方倍。打个比方，假如你从宇宙诞生的那

    一刻开始，每一秒钟摇一次盒子，一直摇到今天，也远远摇不出一次盒子2的情

    况。

    好了，有了熵增的基本概念后，我们就要回到主题了。在宇宙学家的眼中，我们的宇宙就好像是这个盒子，而宇宙中的所有物质都是由原子组成的，这些原

    子就好像是盒子中的积木块。那么，宇宙中所有原子也一定会自发地朝着无序发

    展，整个宇宙的熵最大，也就是最无序的状态是什么呢？就是宇宙中的所有原子

    都均匀地分布在整个宇宙空间中，到了这时候，宇宙熵就达到了最大，我们的宇

    宙再也不可能产生什么变化了，宇宙的末日也就到了。

    因为这个末日是由热力学第二定律推导出来的，所以，就被称为宇宙的热寂

    说。并不是宇宙最后会热死的意思，其实到了热寂那一天，宇宙的温度也降到了

    最低。

    不过，科学家们对于热寂的整个过程到底会是怎样、会在多久之后发生，却

    没有一致的答案，甚至产生了比较大的分歧。关键的问题在于质子到底会不会衰

    变。这又是一个宇宙未解之谜。

    那么，质子衰变是怎么回事呢？在自然界中，有一种叫作天然放射性的现

    象，这种放射性是怎么产生的呢？原因就是一些原子量较大的原子突然变成了原

    子量较小的原子，例如常见的，用来制造原子弹的铀原子，就会突然变成铅原

    子，这被称作衰变，衰就是表示原子量或者能量衰减了。

    不过，原子的衰变不是质子衰变。大家知道原子核是由质子和中子构成的，那么，有一些物理学家就开始思考一个问题：构成原子核的质子会不会衰变呢？

    正方物理学家认为，质子会衰变，因为用质子衰变可以解释宇宙学中的一个

    难题，这个难题就是：为什么在我们的宇宙中物质比反物质要多得多。

    但是，反方物理学家却不这么认为，他们认为质子不会衰变，理由更简单，因为我们从来没有在实验室中观察到过质子的衰变，要解释那个反物质的难题可

    以从其他角度去考虑，但是请不要随意假设没有实验证据的质子衰变。

    正方说，实验观察不到是因为质子的平均衰变周期太长了，根据他们的计算，质子最少也需要100万亿亿亿年才有可能衰变。

    这里我需要解释一下，这个时间表示的是一种衰变概率，它的意思也可以等

    价于，如果我们同时观察100万亿亿亿个质子，那么平均每年就会有一个质子发

    生衰变。

    检验科学理论的正确与否，唯一的方式就是实验证据。为此，美国和日本都

    建造了巨大无比的实验项目，其中最出名的就是日本的超级神冈探测器，科学家

    们在一个盛满了5万吨纯水的大水池中除了探测中微子外，也在仔细地捕捉质子

    衰变的信号。

    那么，实验的结果到底是什么呢？质子是否衰变与宇宙终结之谜又是什么样

    的关系呢？我下节给你揭晓答案。

    如果大家想见识一下超级神冈探测器的壮观景象，可以到“科学有故事”的微

    信公众号中回复关键词“SK”来观看一段纪录片中的节选。神冈探测器真的犹如进

    入科幻世界，令人迷醉，不看一眼的话，太可惜了。

    宇宙终结之大撕裂说

    上节我们说到，质子是否会衰变这个问题事关宇宙热寂的方式。全世界有很

    多大型的实验装置都在试图寻找质子衰变的证据，然而，到目前为止，全世界没

    有任何一个实验室宣称找到了质子衰变的证据。不过，这还不能证明质子就一定

    不会衰变，很可能只是因为我们观察的时间还不够长，观察的对象还不够多，毕

    竟，质子衰变的概率实在太低太低了。

    看一看不过，不论质子是否衰变，宇宙从现在开始都要经历一个漫长的退化时代。

    在这个阶段中，虽然质子是稳定的，不会发生衰变。但是，宇宙中的恒星都会慢

    慢地燃烧殆尽，星系和恒星的形成逐渐减缓并完全停止。越大越亮的恒星燃烧得

    越快，太阳在银河系中算是一颗中等大小的明亮恒星，大约再过50亿年就会全部

    烧完。而像比邻星这样的红矮星，体积小，温度低，比太阳可以燃烧的时间要长

    得多，但总有一天，也是要耗尽燃料，直至枯竭的。

    这个过程是不可逆的，因为宇宙中的总熵必须一直增大。尽管宇宙中的总能

    量是守恒的，但是在热力学第二定律的支配下，能量会趋向于均匀分布在宇宙空

    间中。恒星燃烧其实就是把能量以辐射的形式散布在宇宙中。

    有些人可能听说过生命的本质是负熵，这就好像人可以通过打扫屋子把屋子

    从无序转变成有序。那么，有没有可能在生命的参与下，减少宇宙的总熵呢？很

    遗憾，这是不行的。其实，生命不但不能减少一个孤立系统中的熵值，反而只会

    加速熵的增加。

    就以打扫屋子为例，虽然屋子的熵值变低了，但是从地球这个大环境来看，你打扫屋子的行为必定要消耗能量，从总体来看，你只会消耗更多的电力和体

    能，而不论是烧煤发电还是消化食物产生体能，都是在破坏某种有序结构。所

    以，生命的出现，其实是让大自然更高效率地消耗能量，我们每一个人其实都是

    加速宇宙走向热寂的帮凶。

    随着时间的推进，质子是否会衰变就决定了宇宙走向热寂的不同方式。按照

    现在的某些理论假设，质子的半衰期大约是1036 年，也就是说，在1036 年之后，大约就会有一半的质子发生了衰变。等到了大约1040 年之后，宇宙中所有的质子

    都会衰变完毕。到这个时候，宇宙中就再也找不到会发光的物质了，只剩下黑洞

    和质子衰变后产生的轻子。

    宇宙也从退化时代进入了黑洞时代，这个时代要远远长于充满恒星的宇宙时

    代，百花盛开的宇宙只不过占到了黑洞时代的约0.0000…(60个0)1，这是一个

    小到了简直无法打比方的数字。但黑洞也不是永恒的，它依然无法逃脱热力学第

    二定律为它设定的命运，黑洞会慢慢地蒸发，最终以霍金辐射的形式将自身的质

    量一点点地还给宇宙。当所有的黑洞都蒸发完毕后，宇宙就进入了真正的黑暗时代，虽然从宇宙大

    爆炸那一刻产生的光子依然游荡在宇宙空间中，但是，宇宙是无比黑暗的，因为

    这一点点的光子与如此巨大无比的宇宙空间相比，依然是不值一提的。

    但此时，宇宙离最终的完全热平衡还差很远很远。大约会在101000 年以后，宇宙达到了完全的热平衡，也就是说，所有的光子和轻子在宇宙中均匀地分布，宇宙的熵达到了最大值。到了这个时候，我们才可以说，宇宙热寂了。那么宇宙

    热寂之后呢？之后是有之后还是从此再也没有之后了呢？目前的科学就只能到这

    里为止了。

    如果质子衰变的假设是错误的，质子不会发生衰变，它会一直稳定地存在下

    去。那么，一个可能的结果就是宇宙中所有原子量小于铁的物质都会最终发生核

    聚变，变成铁原子。而所有原子量大于铁的原子都会最终衰变为铁原子。因为根

    据量子理论，铁的结合能是最小的，熵值是最大的。这个过程大约要经过101500

    年才能最终完成。这也是宇宙的热寂，因为最终的目标依然是熵值最大。此时的

    宇宙，铁原子均匀分布在宇宙的所有空间中。冰冷的热力学第二定律依然死死地

    统治了整个宇宙。

    关于宇宙热寂的假说一度统治着宇宙学，不同的宇宙学家只是在热寂的年代

    和方式上会产生分歧。不管怎么说，宇宙热寂需要的时间实在太长太长了，我建

    议你不用试图去想象我前面说到的那些时间跨度有多大，因为我保证，不论你有

    多么巨大的想象能力，也不论你把那些时间想象得有多久远，实际上，真实的时

    间跨度依然要远远大于你的想象。

    但是，令人意想不到的是，当人类进入21世纪，在宇宙学上的一个意外发

    现，很可能让宇宙末日来临的时间大大地缩短了，这种缩短程度超乎想象，就好

    像把现在的整个可观宇宙一下子缩短到还没有一个原子那么大。这个意外发现到

    底是什么呢？

    这就是我们之前已经详细讲过的暗能量，暗能量的出现，很有可能改变宇宙

    的最终命运。

    2003年，距离暗能量的发现已经过去了四年，美国著名的达特茅斯学院的罗

    伯特·考德威尔仔细地计算着暗能量对宇宙的影响到底会是怎样。计算结果表明，如果暗能量产生的斥力与宇宙的平均能量密度的比值小于-1的话，那么很可能，暗能量的力量会无限增强下去，一直到把宇宙中所有的基本粒子都互相扯开为

    止。

    考德威尔用了一个词来形容这种情况，英文是Big Rip，也就是——大撕裂，非常的形象。更加令人意想不到的是，根据考德威尔的计算，这个结局会到来得

    非常快，他的计算结果是在220亿年之后，宇宙就会被彻底撕裂了。所谓的彻底

    撕裂，就是每个基本粒子之间互相远离的速度都超过了光速，任何基本粒子之间

    永远也不再可能发生相互作用。

    这个理论刚出来的时候，并未引起太大的反响，偶尔也会有一些科学家参与

    讨论，但反对的声音比较多。不过，大撕裂假说在2015年迎来了一个重量级的支

    持。这一年7月，在著名的《物理评论D》杂志上刊登了一篇论文，这是一本入选

    自然指数的期刊，在物理学界很有影响力。这篇论文的作者是美国范德比尔特大

    学的一组研究人员。他们建立了一个数学模型来计算宇宙加速膨胀的可能结果，该模型支持大撕裂假说。并且，这篇论文还回应了之前一些科学家对这个假说的

    质疑。

    虽然大撕裂距今还有220亿年，并不会对我们的现在产生任何影响。但每每

    想到这种可怕的大撕裂的结局，我还是会不寒而栗，想想吧，每一个基本粒子互

    相远离的速度都大于光速，这个宇宙不可能再发生任何的变化，一切可能性都丧

    失了。但是，在人类没有彻底揭开暗物质和暗能量产生的根源之前，大撕裂仍然

    是一个建立在流沙上的城堡，可能说毁就毁了。

    热寂假说和大撕裂假说是目前科学界有关宇宙末日最重要的两种假说，除此

    之外，还有一些其他假说。例如宇宙大塌缩假说，这种假说认为宇宙在膨胀到某

    一个临界值之后，就会开始收缩，宇宙将会从膨胀模式进入塌缩模式。这个假说

    曾经一度是主流的假说，但是随着暗能量的发现，这种假说也就失去了市场。但

    它并没有被彻底地否定，主要原因还是关于暗能量我们知道的太少了。

    此外，还有一种很有趣的假说叫作大反弹，也就是说，宇宙就像一个反复被

    吹大又放气的气球，会不断地从小到大又从大到小，循环往复。

    总之，我们的宇宙到底会走向何方，会以什么样的方式迎来末日，这些问题依然是宇宙未解之谜。但我想告诉大家，或许你今天晚上睡觉的时候，也会想出

    几个宇宙终结方式的猜想，但是，在我看来，我们普通人的这些猜想都是胡思乱

    想，而不是科学猜想。如果你真的对宇宙末日的问题感兴趣，最好的方法是从现

    在开始就学好数学和物理，等你能把科学家们现有的假说中那些数学公式都看懂

    了，再去提出自己的假说也不迟。

    最后，这一节给大家准备了一个Discovery的小视频，听听专业人士对宇宙终

    结的看法，其中还有一个观点，想要弄懂宇宙终结，就必须先搞清大爆炸的原

    理，这是为什么呢？如果你有兴趣，在我的微信公众号“科学有故事”中，回复“宇

    宙终结”，就可以观看了。宇宙大沉默之谜

    他们在哪儿呢？

    估计很多人都看过著名的科幻小说《三体》，这部科幻小说的第二册有个副

    标题，叫“黑暗森林”，很多人看完之后都会觉得印象深刻。然而，可能你们没有

    注意到，在小说中，作者借主人公的口，解释完黑暗森林理论后，接着说了一句

    这就是“费米悖论”的解释。而这个著名的费米悖论，正是我们今天要谈论的话

    题，宇宙大沉默之谜。

    费米悖论

    我们要先从费米悖论开始讲起。费米是意大利科学家，二战期间为了躲避法

    西斯的迫害，逃亡到了美国。他在美国可以算是家喻户晓的著名科学家，因为他

    主导研发了世界上第一个受控核反应堆。这个反应堆就是原子弹工程的起步阶

    段，为原子弹的制造奠定了基础。两位获得过诺贝尔奖的华人科学家杨振宁和李

    政道都曾经受教于他。

    看一看

    既然叫费米悖论，就是因为这是费米先生弄出来的一个悖论。这个故事大致

    是这样的，1950年的一天，费米和几个同事，在一起吃午餐的时候，偶然聊起了

    最近的新闻。从1947年罗斯威尔事件以来，不明飞行物是当时的热门话题。很多

    人声称自己看到了UFO，报纸上也经常报道。正巧，纽约也有新闻说最近垃圾桶经常失踪，不明不白就没了。于是漫画家邓肯就画了一张很有意思的漫画——外

    星人开着飞碟来到了地球，趁月黑风高之夜，把垃圾桶全都偷走了。

    我想这些外星人太没见识，我们地球人都知道，偷井盖比偷垃圾桶合算。也

    不知道这些外星人是聪明还是笨。费米他们几个谈到了UFO，他们当然不相信外

    星人光临地球的传闻，因为这些科学家都受过严格的科学训练。知道什么是可靠

    的证据，什么是捕风捉影的臆想。但是，就在这时候，费米的这颗聪明脑袋中突

    然冒出了一个问题。

    他的直觉告诉他，在地球上没有发现外星人存在的证据，这件事情似乎有点

    儿不可思议。费米是个估算的高手。有一个著名的事件，当年测试原子弹爆炸的

    时候，他第一个跳起来，撒了一把碎纸屑。他根据原子弹冲击波把纸屑吹出去的

    距离，就准确估算出原子弹的当量是2万吨TNT。

    今天，费米突然想估算一下地球文明与外星文明接触的可能性有多大。估算

    必须有个起点，费米的起点是宇宙学第一原理，也被称为“平庸原理”，意思是，地球在宇宙中并不特殊，只是一颗普普通通的行星。我们也并不是独一无二的存

    在。

    在这个基本前提下，费米就开始了估算：银河系有1000多亿颗恒星，哪怕只

    有万分之一的概率出现地球这样的行星，也有1000万个“地球”了，再有万分之一

    的概率进化出智慧文明，那也至少应该有1000个像地球一样的文明了。银河系的

    尺度是10万光年，如果按照百分之一的光速计算，1000万年就可以从银河系这头

    飞到那头了，即便是按照千分之一光速的保守速度计算，1亿年也能横贯整个银

    河系了。1000万年也好，1亿年也好，相对于地球存在的时间来说，都不算太

    长，毕竟我们的地球已经存在了46亿年之久。

    更重要的是，银河系中的智慧文明利用无线电波互相联系应该是更加普遍的

    行为，毕竟无线电波的速度可以达到光速，如果以光速作为考量的话，那么银河

    系就很小了，再相对地球46亿年的历史来说，早就应该有无数智慧文明发射的无

    线电信号到达了地球才对。

    可是我们人类却什么痕迹也没发现，这不是一件奇怪的事情吗？假如发达的

    外星文明有很多，那么他们都在哪儿呢？正是费米当时的这句感叹“那么他们都在哪儿呢？”成为了著名的“费米悖论”。

    我们来理一下费米悖论的逻辑关系，它的核心思想是“人类没发现外星人的踪

    迹(简称观点甲)”和“人类应该发现外星人的踪迹(简称观点乙)”相矛盾，但目

    前我们已经知道观点甲是事实，这样一来，就必须要给观点乙一个合理的解释。

    实际上，在费米刚刚提出这个疑问的时候，不管是他自己还是其他人，也都

    当是一个茶余饭后闲聊的谈资而已，并不会去深入思考这个问题有没有什么严肃

    的科学研究价值，或者社会学意义。而且，在1950年那个时代背景下，要解释人

    类为什么没有发现外星人这个问题还是相对容易的。

    反对的人可以从两个角度去反驳，第一个角度是质疑宇宙学第一原理，凭什

    么认为地球这样奇特的环境在宇宙中是普遍存在的呢？那个时候，人类的望远镜

    还很弱，根本无法证实太阳系以外还有行星。而且，根据天体物理学的定律，我

    们也可以计算出，恒星系中的宜居带，也就是允许液态水存在的温度区域是相当

    狭窄的。狭窄到什么程度呢？我们以太阳系为例，假如我们把整个太阳系比作是

    一个足球场的话，你用美工刀在足球场中心附近划出一个圈，划痕所在的区域差

    不多就是宜居带的大小了。因此，平庸原理在没有证据的情况下，是完全可以质

    疑的。

    反对者的第二个反驳角度是，人类还没有仔细监听过来自宇宙的星际无线电

    波，凭什么说外星人没有试图用无线电与我们取得联系呢？费米提出问题的年代

    也是射电望远镜刚刚发明的年代，那时候的射电望远镜分辨能力还比较低，并且

    也没有几个人把射电望远镜的使用目标设定在监听外星智慧文明信号上，所以，当时没有收到外星人发给地球的电报不是太正常不过了吗？

    监听和寻找

    所以，费米的闲聊很快就过去了，没有什么人真正把它当回事。不过，在美

    国确实有一位痴迷于寻找外星人的射电天文学家，他就是法兰克·德雷克。1960

    年，德雷克使用美国国家无线电天文台的射电望远镜开始了他的第一个地外文明

    搜寻计划，史称第一次“奥兹玛计划”，这是人类历史上第一个由严肃科学家代表

    官方实施的外星人搜寻计划，具有开创性意义。从此开始，人类搜寻地外文明信号的努力就再也没有停止过，而且投入的资

    源也越来越多，规模也越来越大。就在2016年，全世界最大的单口径射电望远镜

    中国天眼在贵州落成，也正式加入搜寻地外文明电波的战斗中。然而，将近60年

    过去了，人类依然一无所获。如果银河系中真有无数个外星文明存在的话，那么

    它们似乎对地球集体保持了无线电静默。人类就像是一个孤独的小孩，寂寞地调

    节着收音机，一个频率一个频率地慢慢搜索过去，虽然全神贯注地听了60年，却

    什么也没有听到。

    这是费米悖论逐渐受到科学界重视的原因之一，在费米那个年代，人们只是

    感觉宇宙是沉默的，但并没有证据。可是今天，我们已经积累了快60年的证据。

    第二个原因就是宇宙学第一原理也获得了大量观测证据的支撑。从1995年人

    类发现第一颗系外行星开始，人类发现系外行星的速度就逐年递增。截止到2017

    年8月，综合英文维基百科和NASA官网提供的数据，天文学家已经发现了将近

    5000颗系外行星候选者，超过3200颗已被确认，这其中被确认位于宜居带的行星

    有53颗。

    这里要特别说明的一点是，这些系外行星中的80%以上都是由开普勒空间望

    远镜发现的，而开普勒望远镜是固定地对着天鹅座附近的一小块天区，也就是

    说，它只能观测固定的10万颗恒星左右。它采用的方法叫作“行星凌日”法，这种

    方法有一个苛刻的要求：只有当系外行星的公转平面与地球的公转平面大致平行

    且处在同一水平线上时，才能被开普勒望远镜观测到。因此，按照概率来说，在

    这10万颗恒星中，大约只有1%，也就是1000颗恒星系中的地外行星能被观测到。

    现在我们的观测证据表明，几乎所有的恒星系统中都存在行星，而且都不止一

    颗。

    这些证据足以表明宇宙学第一原理是可靠的，地球在宇宙中的地位并不特

    殊，与地球相似的系外行星比过去最大胆的天文学家估计的还要多。

    正是在这样的背景下，越来越多的科学家、哲学家开始对费米悖论感兴趣

    了，既然大量地外文明存在的可能性很高，那么他们都在哪儿呢？

    人类在将近60年的监听过程中，只有唯一的一个真正令人激动的发现，这个

    发现是什么呢？如果你想知道的话，在我的微信公众号“科学有故事”中，回复“Wow”就可以观看了。

    黑暗森林法则

    看一看

    上一节我给大家讲了从宇宙学第一原理出发，我们似乎应该得出一个最合乎

    逻辑的结论就是：人类应该收听到来自外星文明的电波。但现实情况是，我们很

    努力地监听了将近60年，却一无所获。这样的话，就需要一个解释，为什么宇宙

    似乎对人类保持了无线电静默呢？要知道，这绝不是技术上的问题，即便是以人

    类20多年前的技术，就已经能把无线电波发送到银河系的任何角落，而且抵达目

    标的信号强度用现有的人类技术就能接收到。

    这个问题随着时间的推移，也受到了越来越多科学家、哲学家和科幻作家的

    关注，历史上有很多人都试图给出一个合理的解释。早期的解释大多集中在否定

    宇宙学第一原理这个思路上，认为地球是宇宙中，至少是银河系中非常特殊的一

    种存在。不过，我们上节也说过，随着观测证据的增多，稀有地球假说也就越来

    越不吃香了。现在还在持稀有地球假说的人都已经上升到了稀有地球说的2.0版

    本，也就是说，他们不再否定类地行星在宇宙中是很普遍的这个基本前提。但是

    他们会提出，出现智慧生命需要的条件实在太苛刻了，而我们现在找到的所有超

    级地球无非只是满足了两个最基本的条件，一是和地球差不多大小并有着坚硬地

    表的岩石星球，二是位于宜居带中。

    但是，一颗行星想要诞生生命，尤其是智慧生命，哪有这么简单呢？你们知

    道还有多少苛刻的条件吗？比如说：木星在太阳系中扮演了非常重要的角色。一方面它替地球遮风挡雨，吸引了

    无数小天体的撞击。另一方面它又扰乱小行星带，造成大大小小的冰块砸向了地

    球，地球因祸得福在内太阳系有了充足的水源。因此巨行星的位置也非常重要。

    再比如，地球有个超大号卫星月亮造成了潮起潮落，对生命演化也是有作用

    的。地球是有板块的，激烈的地震火山可以释放地球内部的能量，地球也就不会

    冷得太离谱。而且可以改变地球大气的成分。

    即便有了生命也不代表能出现智慧生命。细菌病毒都可以亿万年地生存下

    去。诞生智慧生命本来就是非常偶然的事件。智慧生物能发展出工业文明更是奇

    迹中的奇迹。假如某颗恒星的煤炭和石油都埋藏过深，那么生命恐怕也难以走上

    利用外部能源的道路。

    但这种稀有地球假说2.0版被吐槽最多的地方是，这种假说太像是“萝卜招

    聘”，也就是说，把外星人完全按照地球的特征来拟定智慧生命存在的条件，当然

    筛来筛去就只有地球一家最合适嘛。刘慈欣在《三体》中就描写了一个会脱水的

    三体人来适应三体星上反复无常的自然条件，自然选择的神奇之处可能远远超出

    人类的想象。

    还有一种假说，被称为“大过滤器”假说，这种假说也由来已久，而且还在不

    断地被完善升级中，这种假说与稀有地球假说有点像，但实质上不太一样。这种

    假说不否定宇宙学第一原理，但是认为，存在着某种大过滤器，使得宇宙中能演

    化出有能力进行星际通讯和旅行的文明少之又少。这个理论认为，生命的演化要

    经历9个关卡。

    1.合适的行星系统(存在有机物以及可能宜居的行星)；

    2.可自我复制的分子(比如RNA)；

    3.简单单细胞生命，也叫作原核生命；

    4.复杂单细胞生命，也叫作真核生命；

    5.有性生殖；

    6.多细胞生命；7.脑量较大、使用工具的动物；

    8.我们目前这个阶段；

    9.星际殖民扩张。

    每一道关卡，都会刷掉一大批候选者，最后能通过全部9关的，要么极为稀

    少，要么就是还没出现。我们人类似乎被卡在了第8关，进入不了第9关，也就是

    星际殖民这一关。例如，卡尔·萨根和约希夫就提出，技术文明要么会在持续一个

    世纪的发展星际通讯的过程中走向自我毁灭，要么掌握自己的命运并继续存活上

    亿年。笼统地讲，一个星球总是会从有序走向无序，也就是可用的资源越来越

    少。如果在此之前还无法发展出足够强大的宇航技术，那么最终也一定会因为资

    源枯竭而亡。这里面真正起作用的就是热力学第二定律，也就是我们之前讲过的

    熵增定律。

    这个假说是目前比较流行的假说，也是得到最多支持的假说，虽然没有什么

    明显的逻辑上的漏洞，但最大的问题在于，我们只有地球生命这一个研究对象，实在是缺乏证据来证明每一关都会筛掉大量的候选者。而且从我看到的所有材料

    综合来看，研究生命起源和演化的科学家们似乎越来越有信心地说，在地球这样

    的环境中，出现生命并且演化出高度复杂的生命形式是自然选择的必然。

    还有一种假说，也是最晚提出来的一种假说，就是科幻作家刘慈欣先生在

    2008年创作的科幻小说《三体·黑暗森林》中提出来的假说。他认为，由于宇宙中

    资源的总量是恒定的，而生存是文明的第一需求，因此，文明在发展到一定阶段

    后，必然会意识到宇宙是一座黑暗森林，所有的文明都在争夺有限的资源。一个

    文明如果暴露了自己的位置，是一件非常危险的事情，因为别的文明会由于害怕

    自己被消灭，而率先消灭比自己弱小的文明。

    刘慈欣借助科幻小说，预言了文明在发展过程中，第一步会演化出隐藏基

    因，也就是开始意识到宇宙丛林的危险，而自己很弱小，所以要尽可能地把自己

    藏好，不要暴露位置。第二步就会演化出清理基因，也就是说，一旦发现了别的

    比自己弱小的文明，就会毫不犹豫地把它消灭，以免这个弱小的文明以技术爆炸

    的方式超过自己，反而消灭了自己。

    我觉得黑暗森林理论最有意思的地方在于，人类文明发展的轨迹似乎完全印证了刘慈欣的预言。例如，在人类刚刚发展出宇航技术和发明射电望远镜的头几

    十年，我们特别热衷于联络外星文明。例如，20世纪70年代，先驱者10号和11

    号，旅行者1号和2号，都分别携带了送给外星人的礼物。那张著名的金唱片中还

    录制了联合国秘书长和美国总统代表人类对外星人的友好问候，还欢迎外星人来

    地球坐坐。1974年，人类首次利用当时全世界最大的阿雷西博射电望远镜向武仙

    座球状星团发送了电报。此后，人类在1999年、2001年和2003年还有三次大规模

    的给外星人发电报的行为。但是，2003年之后，这种行为开始遭到了越来越多科

    学家的警告和谴责。其中最著名的一位就是霍金，他多次发出不要与外星人联络

    的警告。

    2005年3月，在圣马力诺共和国召开了第六届宇宙太空和生命探测国际讨论

    会，在这次会议上通过了一个在寻找外星人历史上有里程碑意义的文件，也就是

    圣马力诺标度。在这份文件中，明确指出，试图给外星文明发送电报是显著危险

    的行为，而回应来自外星文明的电报则是极端危险的行为。

    国际航空学会甚至还搞出了一份《寻找地球以外智慧生命国际公约》，向全

    世界呼吁，在未征得国际组织研究批准前，不允许发送任何信号给地球以外的智

    慧生命。

    从以上这些事实中，我们可以得出结论：人类正在演化出隐藏基因，认为宇

    宙有风险正在逐步成为国际共识。那么，人类在下一步是否会演化出清理基因

    呢？这个恐怕要等到非常非常遥远的未来才能知道了，别说星际攻击了，就是星

    际旅行的技术对现在的我们而言，都是遥不可及的梦想。

    但是黑暗森林理论也存在与大过滤器理论同样的问题，从人类这一个有限的

    样本中得出的结论还不能算是证据，只能算是一种逻辑自洽的猜想。

    总之，费米的疑问到现在为止还是一个宇宙未解之谜。这并不是一个完全虚

    无缥缈的话题。我们常说，以人为鉴，可以明得失；以史为鉴，可以知兴替。而

    我认为，对于外星文明的研究和探讨可以站在整个文明的角度审视人类文明自

    身。

    想听听号称要带领人类殖民火星的马斯克是怎么看待外星人问题的吗？如果

    你有兴趣，在我的微信公众号“科学有故事”中回复“Musk”，就可以观看了。暗物质之谜

    什么是暗物质

    在当今的天文学界和物理学界有两个共同的重大谜团，有些文章中把它们并

    称为黑暗双侠，这就是暗物质和暗能量之谜，我将用三节的篇幅先为你讲解暗物

    质之谜。

    看一看

    我们先从暗物质是怎么被发现的开始讲起。1932年，有一位叫奥尔特的天文

    学家观察到了一个非常奇怪的现象，那就是银河系的转动速度似乎太快了一点，他觉得银河系中的恒星似乎太少了，但遗憾的是，限于技术条件，他的观测数据

    比较粗糙，什么也证明不了。现在回过头来看，奥尔特确实厉害，直觉超一流，他从非常有限的观测数据中就窥到了惊人的秘密。

    到了第二年，也就是1933年，在美国的加州理工学院，另外一个特别有个性

    的天文学家兹维基，也发现了一些与奥尔特类似的奇怪现象。不过兹维基当时研

    究的并不是银河系，而是后发座星系团。后发座是天上的一个星座，离北斗的勺

    柄不远。在后发座的这片天区中，有个巨大的星系团，星系团的中心有两个巨大

    的星系，都有银河系10倍大小，周围还分布着1000个大小不等的星系，它们共同

    组成了这个巨大的星系团，距离我们3.2亿光年左右。

    兹维基研究了这个星系团里的星系运行情况，发现与牛顿力学计算出来的速

    度是不相符的，而我们知道星系的旋转速度与星系中所有物质产生的引力相关。这说明，似乎这个星系团不应该产生那么大的引力。兹维基就认为，必定存在很

    多不发光的物质，而且数量庞大。于是，兹维基就把这些物质命名为暗物质。有

    趣的是，宇宙中最暗和最亮的物质都是这个兹维基命名的，最亮的那个是超新

    星。可惜的是，兹维基并没有把这件事当作太重要的发现，在当时也没有引起太

    多重视。

    在兹维基之后，还有一些天文学家也发现了类似的奇怪现象。例如，1936

    年，史密斯对仙女座大星系的研究似乎印证了兹维基的观点。1959年凯恩和沃特

    研究了仙女座大星云和银河之间的相对运动，他们发现我们人类所处的本星系团

    中看不见的物质比可见物质的质量要大10倍左右。

    但是，直到这时候，科学界对暗物质依然没有给予足够的重视，其中一个最

    主要的原因还是在于证据不够充分。从这里你也可以看出，科学研究是多么讲究

    证据。原因其实也不难理解，每一位科学家的时间和精力以及经费都是有限的，而这个世界上可供研究的课题又那么多，选择研究课题是一件非常谨慎的事情。

    非同寻常的证据来自女天文学家薇拉·鲁宾的研究，其实鲁宾也并不是专门去

    研究暗物质才发现的证据，而是无心插柳的结果。事情是这样的，20世纪六七十

    年代，鲁宾选择了一个在当时非常冷门的方向，那就是研究银河系的旋转。从奥

    尔特开始，大家用的办法其实大同小异，但是测量精确度却在突飞猛进，数据的

    积累也越来越多。

    积累的数据越多，越让鲁宾感到心惊，银河系外围的旋转速度那不是快了一

    点点，而是大大超出了预期。为什么这么说呢？因为根据牛顿的万有引力定律，离银心越远的恒星，应该旋转得越慢。但是实际观测的数据根本就不是这样。离

    星系中心很远的那些恒星，运行速度并没有明显地减慢，比预期的速度要快得

    多。按照这个速度去计算的话，整个星系产生的引力都拉不住这些恒星，星系根

    本就无法维持，早就该散架了。可是这些星系已经稳定存在了上百亿年，这是一

    件非常奇怪的事情。

    我给你打个比方。假如我们用沙子捏成一个陀螺，让它转起来，这个沙陀螺

    就会散架。要想不散架，就必须用胶水和在沙子中，增强沙子之间的结合力。我

    们的银河系就好像这个沙陀螺，而万有引力就好像沙子中间的胶水。现在的情况

    是，银河系中如果只有会发光的可见物质提供引力的话，那么银河系早就该散架了。

    鲁宾这次的发现与之前最大的不同在于，她提供的数据非常详细，证据无可

    辩驳。所以，到了1980年左右，大家都觉得这是一个大问题。看来星系之中含有

    大量我们看不到的物质，这些物质也会产生引力，确保了星系能以更快的速度旋

    转而不分崩离析。而且这种物质似乎与星系的形成有密切关系。

    接下去，科学家们就开始追问，为什么我们看不到这些物质呢？一开始，大

    家觉得这不难理解，不过是一些不发光的气体云罢了，因为它们太暗了，所以我

    们看不到它们。就好像地球表面的空气是无处不在的，但是我们也没办法用肉眼

    看到空气。这是一个非常合理的想法。

    还有一些人认为是因为在宇宙中的黑矮星数量非常多，黑矮星就是燃料耗尽

    而慢慢冷却的恒星。当然，真正让科学家们松一口气的是黑洞理论的兴起，如果

    黑洞是存在的，那么就顺便解释了暗物质现象。因为黑洞就是个只进不出的家

    伙，我们无法直接观测黑洞。

    可是，随着观测数据的积累，人们惊讶地发现，即便把上面这些不发光的物

    质总量全部都按照最大的可能性加起来，星系的总体质量也远远达不到预期的质

    量。

    说到这里，你可能会好奇，科学家们是怎么估算星系的总体质量的呢？这个

    办法很巧妙，就是利用引力透镜效应。什么是引力透镜效应呢？根据爱因斯坦的

    相对论，大质量天体附近的时空弯曲非常厉害，就连光走的都不是直线。假如有

    个遥远的天体，它发出的光在奔向我们地球的途中遇上了大质量的星系团，光线

    也是会发生弯折的，这个遥远天体的图像也就会被扭曲，就好像隔着透镜看一

    样。通过引力透镜效应，就可以计算出半途中碰上的这个星系团总共有多少物

    质。

    那么如何计算这个星系团里能够看到的普通物质是多少呢？这也不难，只要

    看看这个星系团的整体亮度就行了。不管是自己发光的，还是被别人照亮的，照

    片上都能看得到。

    科学家们把用引力透镜效应计算出来的星系总质量称为引力质量，而把通过

    星系亮度估算出来的质量称为光度学质量。现在的结果是，在宇宙中已知的绝大多数星系，它们的引力质量都远远大于光度学质量，平均而言，有6倍的差距。

    这也就证明了星系团大部分物质是看不到的，但是却有引力存在。所有能看见的

    物质只是很少一部分。

    既然暗物质如此之多，为什么我们看不到它们呢？这当然就是一个宇宙未解

    之谜了。科学家们猜测，很可能是因为它们不参与电磁相互作用。

    在日常生活中，我们绝大部分的感受其实都来自于电磁力。例如，光本身就

    是一种电磁波，当然要依靠电磁作用。我们能看到的各种颜色，能感觉到温度的

    高低，能感觉到物体的软硬，背后都是电磁力在起作用。

    为什么石墨那么软？为什么金刚石那么硬？为什么糖是甜的、盐是咸的？其

    实都与化学成分以及原子的排布结构有关系。原子、分子的结构都是依靠电磁力

    作为骨架来搭建的。

    假如暗物质对电磁力毫无反应，碰到普通的分子、原子，自然是无动于衷。

    我们当然也就感受不到这些物质的存在。但是它们同样会产生万有引力，它们庞

    大的数量在星系尺度上显示出了巨大的力量。

    因为我们现有的知识体系并不能很好地解释这种现象，所以才会觉得它们非

    常的神秘。不过，也正因为有这样的认知空白，科学家们才有了无穷无尽的研究

    课题，而科学活动的目的就是要发现自然界中那些尚不为人所知的规律。

    如今，暗物质已经被大多数物理学家所承认，但是仍然有一部分科学家认

    为，他们有更好的办法来解释星系旋转过快的现象，不需要去假设一个看不见摸

    不着的暗物质，就好像100多年前的以太一样，因为按照奥卡姆剃刀原理，“如无

    必要，勿增实体”，理论中的假设越少越好。这一派科学家虽然很少，但科学理论

    的真伪从来不以人数来决定，唯一能决定理论好坏的只有实验和观测证据。

    所以主流物理学家们也面临着巨大的挑战，暗物质如果真的是一种物质，这

    些物质到底有什么样的性质呢？我们该如何去探测暗物质呢？我们下一节再来讲

    两种理论的PK。

    围绕暗物质的争论今天我们来讲讲暗物质的性质，为此，我们需要一些预备知识。

    以前曾经碰到过一脸稚气的小朋友问我：暗物质是不是反物质啊？大概现在

    的科幻作品里面很喜欢提到反物质引擎，于是反物质这个词出现的概率也很高。

    孩子的好奇心总是很强烈的，于是这个词他就记住了。一般人也很容易把反物质

    和暗物质搞混淆。

    我这里明确回答一下，暗物质和反物质不是一回事。反物质是反粒子构成

    的。对于反粒子，物理学家们并不陌生。最早被发现的反粒子就是正电子。正常

    的电子带负电，但是反电子带的是正电，除此之外这两种粒子看不出什么区别。

    看一看

    大多数人都以为反物质只能出现在实验室中，不会出现在我们的日常生活

    中，其实并不是这样，我们每一个人都接触过反物质，甚至可以说，反物质无处

    不在。一个最常被引用的例子就是香蕉，不知道为什么，物理学家们非常喜欢用

    香蕉来举例子。香蕉里面含有钾元素，极少量的钾原子带有放射性，100克香蕉

    平均每秒钟会有15个钾原子发生衰变，发射出普通的带负电的电子。但是，这里

    大概有千分之一的概率会出现正电子。假如你手上握着一根香蕉，大约两小时之

    内就会有一个正电子打进你的手里。这个正电子要是碰到了普通的电子，就会发

    生正反粒子湮灭，变成了纯能量。当然，这种极其微小的能量，你是一点感觉也

    没有的。

    那么有的人仍然有疑问，为什么有些元素会有放射性呢？为什么会发生衰变

    呢？原因就在于一种叫弱相互作用的物理现象，正是弱相互作用导致了某些原子

    核是不稳定的。与弱相互作用相对应的还有一个强相互作用。一般来讲，强相互

    作用会把原子核捆在一起，形成各种各样的元素。而弱相互作用则会导致原子核不稳定，发生衰变。

    除了强、弱相互作用，还有电磁相互作用让原子能结合成分子，分子能结合

    成物质；另外还有一种相互作用就是我们最熟悉的万有引力，它保证了我们能稳

    稳当当地站在地球上，保证了地球绕着太阳转。

    这四种基本的相互作用，或者说这四种基本的力，协同配合，就构成了我们

    看得见摸得着的物质世界。

    好了，预备知识讲完了。你可能想问，这和我们的主题暗物质有什么关系

    呢？答案是大有关系。回答暗物质到底是个什么东西这样一个高深的问题，让天

    文学家来回答不合适，这事儿还得交给粒子物理学家去寻找答案。粒子物理学家

    们可以双管齐下，一方面用大型计算机进行模拟计算，另一方面也可以调用大型

    设备去做非常精密的实验。

    现在粒子物理学家们提出了很多描述暗物质的理论，最有希望的一种版本叫

    作WIMPs模型，全称就是弱相互作用重粒子，后面为了讲解方便，我就把它简称

    为“暗粒子模型”。说白了，科学家们也在猜测，暗物质显然没有电磁相互作用，所以我们看不到它们，强相互作用恐怕也是没有的。但是，这种物质有引力，这

    是板上钉钉的事情。那么有没有弱相互作用呢？这成了了解暗物质的一个关键问

    题。很多物理学家猜测，暗物质应该也有弱相互作用。暗粒子模型描述的暗物质

    粒子运行速度不快，但是质量很大，粒子的运动速度决定了物质的温度，因此这

    种猜测下的暗物质也被叫作冷暗物质。

    根据暗粒子模型计算出来的暗物质数量和天文观测计算出来的数量比较相

    符，数据匹配特别好，而且也和宇宙大爆炸理论相符合。所以，物理学家们把它

    称为“WIMPs奇迹”。大家喜欢这个理论的另外一个理由是，这个理论是可以用大

    型粒子加速器或者其他的办法去探测的，能够用实验去检测是一个可靠理论必备

    的特征。

    欧洲核子研究中心有着世界上最大的对撞机LHC，在粒子对撞的过程中就有

    可能会生成暗粒子。但是目前LHC并没有探测到什么特别的迹象。看来想依靠对

    撞机，在实验室里面造出暗物质粒子是很难的，即便偶尔造出来了，恐怕也很难

    捕捉。这条路暂时是走不通的，还需要去想别的办法。虽然暗粒子模型这种理论看上去很不错，但是它也有解决不掉的烦恼。把这

    个模型输入计算机，用大型超级计算机去模拟一种矮椭球星系的形成过程，发现

    计算出来的数值偏大。冷暗物质会导致星系变成一锅粥，显得非常稠密。可是天

    文观测到的矮星系并没有那么稠密。这么来看，似乎冷暗物质又是不对的。不

    过，在科学研究中，如果一个理论在解释大多数现象时都表现得很好，但是却遇

    到了一个反例，这时候科学家们通常不愿意推翻整个理论，而是想着能不能打一

    个补丁来解决。

    于是，科学家们设想用另外一种理论来解释矮椭球星系的问题。在现在人们

    已知的粒子之中，有一种中微子，这种粒子非常轻，而且也不容易和别的物质发

    生相互作用，所以这种粒子可以轻松地穿透整个地球，如入无人之境。过去大家

    以为中微子是没有质量的粒子，后来发现，它的质量不为零，但是非常微小。中

    微子的质量起码比电子轻了上百万倍，现在只能估计出一个大致的数量级。中微

    子也有不同的种类，而且会变来变去，来回变身，因此中微子也是一个神秘莫测

    的家伙。

    现在有些物理学家假设，暗物质粒子会不会是一种运动速度非常快的中微子

    呢？这也被称为“热暗物质”。他们把这个热暗物质模型拿到计算机里面去算，模

    拟矮椭球星系的形成过程，看看计算结果和实测数据是否匹配。结果发现这种热

    暗物质会导致星系变成一盘散沙，根本无法凝聚。看来，热暗物质的假说也遇到

    了很大的困难。

    那么不冷不热的温暗物质行不行呢？经过大型计算机的模拟计算，不冷不热

    的温暗物质倒是可以形成矮椭球星系。但问题是，补了西墙，却拆了东墙，又有

    另外一些数据完全对不上了。

    所以，到现在为止，暗物质的身份仍然是一个迷，我们依然缺乏一个很有效

    的理论模型去解释暗物质。暗物质似乎给粒子物理学家们设下了重重陷阱，你要

    想揭开暗物质神秘的面纱就不得不面对一个又一个的坑。这个坑你巧妙地化解

    了，说不定就掉进下一个坑里。你的理论对这个现象可以完美地解释，对那个现

    象则毫无办法。

    有一小撮比较另类的科学家则在旁边窃笑不已，他们严守奥卡姆剃刀原

    理：“如无必要，勿增实体。”为什么一定要假想一种说不清道不明的暗物质呢？为什么只有添加了这种东西才能解释星系边缘恒星速度不正常的现象呢？难道你

    们就没想过对现有的引力理论下手吗？

    这样的想法足够另类。到现在为止，以牛顿、爱因斯坦为首，科学家们历经

    数百年建立起来的理论大厦经受住了无数严苛实验的检验，但依然有一些科学家

    们怀着质疑精神。但是我必须告诉大家，科学的质疑与盲目质疑的区别在于，你

    不能只破坏不建设，为了质疑而质疑没有意义，你必须要提出一个更好的替代

    品。这些科学家就试图修正牛顿第二运动定律。

    这一派科学家虽然人数很少，但是他们在物理学界依然很活跃。科学与宗教

    的区别在于，科学没有像圣经一样不可侵犯的教义，科学只讲逻辑和实证。不论

    是多数派还是少数派，任何科学理论必须经受全世界同行的评议。多数派科学家

    就认为那些修正牛顿动力学的努力有点像事后诸葛亮，他们纯粹是为了凑出一根

    曲线，强行给牛顿理论打了个补丁进去。

    现在的情况是，主流科学界遵循久经考验的牛顿与爱因斯坦理论体系，但是

    不得不引入一个目前还看不见摸不着的新物质。而作为少数派的理论不需要引入

    暗物质，保持了系统的简洁性，但又对久经考验的牛顿定律下手。总之，科学家

    们处于两难的境地。

    不过，到了2018年3月29日，著名的《自然》杂志刊登了一篇论文，展示了

    一个非同寻常的证据。我想，这个证据一出，恐怕少数不相信暗物质存在的人也

    打算投降了。那这个证据到底是什么呢？咱们下节揭晓答案。

    探测暗物质

    上一节讲到了暗物质理论和修正牛顿动力学之间的争论。一般来讲，要提出

    一个新的理论来取代旧理论，需要满足几个要求：

    1.新理论必须能够复制旧理论所有的成功之处。

    2.新理论必须能够解释新的现象，否则也没有提出新理论的必要了。

    3.最重要的是新理论必须有预言能力，并且能够在实验和观测上被验证。修正牛顿动力学理论虽然支持的人很少，但是这个理论仍然是在科学方法论

    的框架之内提出来的，也可以用科学方法去验证。修正牛顿动力学可以很好解释

    星系里恒星的运动速度异常这方面，但是其他方面都不尽人意。不过，几十年

    来，这个理论并没有完全退出历史舞台。

    哪知道，2018年3月的一个消息，估计要让支持修正牛顿动力学的人哭晕在

    厕所里了。来龙去脉是这样的：天文学家研究了一个不起眼的星系，编号为

    NGC1052-DF2，后面我们简称1052星系。测算下来，这个星系的引力质量和光度

    学质量相差无几。这意味着什么呢？这意味着，如果按照暗物质理论来解释的

    话，一句话就可以了，这说明该星系基本不含暗物质。

    看一看

    但是修正牛顿动力学理论就遇到了大麻烦，因为这个理论否定了暗物质的概

    念，而修改了最基础的牛顿动力学理论，目的是为了解释为什么按照之前的观测

    结果，所有的星系的动力学质量都要远远大于光度学质量。如果这个理论是对

    的，那么就不能出现例外。但是，现在偏偏1052星系就是首个被天文观测到的例

    外。可以说，这个理论遭到了致命的打击。

    相反，1052这样的星系用暗物质理论非常好解释，这个星系的引力质量和光

    度学质量相差无几。那就等于说这个星系暗物质基本不存在，所以外围恒星旋转

    的速度符合现有的物理学法则。这等于是用“不存在证明了自己的存在”。

    在历史上，为了解释观测到的自然现象，几乎都会同时出现很多竞争的理

    论，例如托勒密、第古、哥白尼的天体运行模型。即便到了今天，在科学界依然

    存在与广义相对论竞争的理论。不过，科学与哲学、艺术、文学等其他学科有一

    个最大的区别：其他这些学科，往往讲究的是求同存异，百花齐放，没有绝对的正确与错误，但是，科学理论的赢家只能有一个。几乎每一个教科书上的公式都

    是经过了激烈竞争后的胜出者。

    目前看来，暗物质理论更加可靠，能解释的现象也更多。但是，问题仍然困

    扰着大家——暗物质究竟是什么？理论物理学家们仍然在不断提出模型，修改模

    型，然后动用计算机去计算。而另一些实验物理学家则把注意力放到了其他地

    方。(本书分享更多索搜@雅书)

    实验物理学家在思考如何能探测到暗物质粒子。大家或许有疑问，现在连暗

    物质粒子是什么，有哪些性质都不知道，该如何去找呢？似乎一点可靠的线索都

    没有。

    当然，即便是猜想也要有个逻辑的起点。目前科学家们是以WIMPs理论为基

    础的。上节我们讲过，这个理论把暗物质粒子描述成一种具有引力，有弱相互作

    用的非常重的粒子。科学家们猜测，WIMPs粒子，自己就是自己的反粒子。假如

    两个这样的粒子发生碰撞，就会发生湮灭现象，这也就为我们探测暗物质粒子提

    供了可能性。

    现在探测宇宙里面各种粒子的太空探测器有那么几个：一个是装在国际空间

    站的Alpha磁谱仪；一个是帕梅拉探测器；还有费米卫星和我国发射的悟空号探测

    器。几个探测器的数据都可以相互对照印证。

    名气最大的是装在国际空间站上的Alpha磁谱仪，领衔担纲的科学家是著名的

    诺贝尔奖得主丁肇中。这个探测器是国际协作的产物，其中高强磁铁是我国提供

    的。中国的高强磁铁是全世界最好的，F-35战斗机上也在用。

    丁肇中在世界科学界的威望极高。本来NASA的航天飞机需要全部退役，但

    是丁肇中说服NASA在2011年再执行了一次航天飞机任务，把Alpha磁谱仪送进了

    国际空间站。这个探测器无法作为一个独立的卫星运行，因为太阳能电池板供电

    不够用，只有国际空间站太阳能电池板面积够大，能提供足够的电力。只有航天

    飞机有能力把这么重的探测器扛到国际空间站上。没办法，退休前航天飞机只好

    再加班多飞一趟。

    根据理论猜想，暗物质粒子在太空里相互湮灭会释放出反电子和反质子。虽

    然我们看不到暗物质粒子，但是我们能够看到它们留下的脚印。Alpha磁谱仪主要关注的是反电子，经过一年多的观测，它收集了680多万个电子和反电子，其中

    反电子有40万个，这些粒子的能量都非常大。

    经过和帕梅拉卫星以及费米卫星数据的比对，大家认为，在10GeV能量段以

    上的反电子多得不正常，可能是暗物质粒子互相湮灭留下的脚印。统计曲线上明

    显出现了一个大鼓包，这就是实测数值与理论预期的偏差。

    就在2017年年底，我国的悟空号探测卫星的数据也发布了。悟空号的能量探

    测范围比费米卫星和Alpha磁谱仪都要宽得多。在更高的1.4TeV能量段上，发现

    了特殊的峰值。这是非常令人惊奇的事情。

    这么描述大家可能还是不太懂。没关系，我们还用打比方的方式来讲。比如

    说小镇里家家户户都是独生子女家庭，周末举办亲子活动，爸爸妈妈带着孩子都

    在海边沙滩上搞聚会。我们根据人口结构可以预计，成年人的脚印是孩子的两

    倍。成年人的脚都差不多大小，孩子的脚印有大有小，应该是平均分布的。这就

    是我们根据已知的情况推断出来的一个预期。

    可是我们真的到现场去数一下脚印，发现完全超出了我们的预期。现场出现

    了一大串巨大的脚印。这种脚印不像是小镇上任何人的。那么只能判断，一定是

    有一大群大个子来过现场，脚印就是他们留下的。可是，聚会的现场并没有人看

    到过有奇怪的人出现。那么我们只能判断，他们是隐身人，也就是说，现场存在

    一些看不到的大个子隐身人，他们留下了自己的脚印。这种大个子的隐身人就好

    比是暗物质粒子。

    按照科学家们一贯的严谨态度，他们表示，多出来的这些高能反电子疑似是

    来自于暗物质。不过，这种探测方式依然只能算是间接证据。

    那么能不能直接抓到这些暗物质粒子呢？毕竟暗物质应该就在我们的身边。

    办法也是有的。在意大利大萨索山的一个地下隧道里面，有一群科学家正守在探

    测器的旁边等着暗物质粒子撞上门来，这有点像守株待兔。我国在四川锦屏山的

    地下隧道里，也有两个大型探测装置在蹲坑守候。

    上海交大主导的PandaX计划动用了一大罐液态氙。科学家们预测，假如真的

    有暗物质粒子撞上来，撞到了氙元素的原子核上，就会发出一个闪光，超高灵敏

    的光电探测器就能探测到这个闪光。清华大学主导的暗物质探测器则采用了超低温的锗晶体，原理也差不多，也是等着暗物质粒子撞到锗元素的原子核上。意大

    利大萨索山底下隧道里的暗物质探测器用的是碘化钠晶体。

    那为什么探测暗物质粒子要跑到深深的隧道或者矿井中呢？这是为了屏蔽外

    界各种各样的粒子。因为能穿透上千米厚的岩石来到地下实验室的粒子，也就只

    有神秘莫测的暗物质粒子和“鬼鬼祟祟”的中微子了。所以中微子的实验，多半也

    是在地下深坑里做的。

    前一段时间，意大利人放出一些消息，地下探测器也已经有些进展了。经过

    6年的数据积累，他们发现探测到的信号与季节有关系。季节变化来自于地球绕

    着太阳运动。难道太阳系里的暗物质分布是不均匀的？地球转到轨道这一头浓度

    大一些，转到轨道那一头浓度小一些？可是还是有不少科学家对他们提出了质

    疑。毕竟这样的关联未免有些牵强了，证据还严重不足。

    总之，到现在为止，我们只知道暗物质真的是一种物质，它具有引力作用，可能具有弱相互作用。寻找暗物质就像一次全世界协作的大规模的犯罪现场勘

    查，每个团队各领取一块区域进行仔细地排查，等到把所有的区域都排查完了，罪犯的蛛丝马迹一定是能被找到的。只是，到现在为止，暗物质仍然是一个宇宙

    未解之迷。不过，我有信心能在有生之年看到谜底。

    我找了一个与Alpha磁谱仪相关的视频，这个视频是2012年欧洲宇航局为了纪

    念它发射进入轨道一周年而制作的。你可以在我的微信公众号“科学有故事”中，回复关键词“AMS”，回复完就可以观看了。暗能量之谜

    宇宙在膨胀

    还记得我之前讲过，在当今宇宙中，有两个最大的谜题，它们被并称为黑暗

    双侠，这就是暗物质和暗能量。而暗物质之谜我们已经讲过，今天就来给你讲暗

    能量之谜。

    看一看

    要把暗能量到底是什么给你解释清楚，我必须要从爱因斯坦提出广义相对论

    的那个时代讲起。爱因斯坦在1915年提出了一个场方程，这个理论把万有引力描

    述成了时空的弯曲。依照爱因斯坦的理论，地球为什么绕着太阳转呢？那是因为

    太阳周围的时空是扭曲的，就好比平坦的表面上有个巨大的坑，地球速度不够，飞不出这个大坑。但地球的运动速度也确保了我们不至于掉进坑底。我们在地球

    上受到的重力也是时空弯曲效应的体现，我们也很难爬出地球的引力阱。踢向天

    空的足球最后总是会掉回地面。

    20世纪初，物理学爆发了两场革命，一个就是刚才说的相对论，另一个就是

    量子力学。量子力学关注的是微观领域的运动规律。爱因斯坦深知自己的场方程

    在微观领域是没有用武之地的，因为引力太微弱，大约只有电磁力的10-37 倍，完

    全可以忽略不计。在日常生活的尺度上，牛顿力学也就够用了。只有在大尺度

    上，特别是宇宙级别的大尺度上，他的场方程才能发挥出最大的威力，于是爱因

    斯坦就把注意力投向了宇宙学领域。爱因斯坦的场方程看上去还挺简洁的，其实这是因为爱因斯坦发明了一套简

    便的数学符号，把一大堆方程组写成了3个字母，所以看起来才显得非常简洁。

    其实摊开了以后是个非常复杂的方程组，而且计算起来极其困难。方程的一边代

    表能量，另一边代表时空的形状。

    爱因斯坦认为，宇宙里的物质是均匀分布的，上下左右各个方向都没什么区

    别。当时的天文观测的确是支持他的想法的。有了这个前提条件，就可以用场方

    程来整体计算宇宙了。但令爱因斯坦自己也没想到的是，他计算出了一个动态的

    宇宙。什么叫作动态的宇宙呢？就是说，从整体上来讲，宇宙不可能保持静止，要么就在整体膨胀，要么就在整体缩小，就好比整条河都在流动，小船即便什么

    都不做，也无法静止在原地。

    宇宙怎么可能是动态的呢？爱因斯坦总觉得不对劲。宇宙整体上应该是保持

    静止的，一定是自己的方程式少了什么，于是他加入了一个宇宙常数，这个常数

    加进去以后就相当于添加了一种排斥效应。假如数值合适，就可以让宇宙保持静

    止，不再变化。当时，像爱因斯坦这样用场方程来计算宇宙的人还不在少数。俄

    国人弗里德曼也计算出了和爱因斯坦类似的结果。

    只是弗里德曼比爱因斯坦的胆子大，他欣然接受了动态宇宙这样一个貌似很

    不合理的结论，但是爱因斯坦不同意他的理论。爱因斯坦认为，宇宙常数已经解

    决了这个问题。但没多久，比利时的神父勒梅特发现，即便带上宇宙常数，算出

    来的宇宙依然是动态的。

    到了1929年，哈勃发现了宇宙中遥远的星系都在远离我们，而且距离越远的

    星系跑得越快，这说明什么呢？这说明宇宙在膨胀。

    科学家们总是喜欢用气球来打比方。你在一个气球表面涂上一些点。当气球

    被吹大的时候，所有的点都在彼此远离。但是气球表面是没有中心点的，你站在

    每一个点上都会看到其他的点在远离你，而且是远处的跑得快，近处的跑得慢。

    哈勃在望远镜里也看到了这样的现象。这个现象用宇宙整体膨胀来解释是最合理

    的。

    爱因斯坦得知这个消息后，他当然是非常后悔的，原来宇宙真的在膨胀，宇

    宙真的是动态的。他觉得自己犯了一个一生中最大的错误，那就是添加了一个其实毫无必要的宇宙常数。

    为什么这是一个错误呢？因为他在添加这个常数的时候是没有任何理由的，仅仅是为了满足他对宇宙的一个固有观念。从这个角度来讲，他的确是犯了一个

    错误。但是在他去世40年之后，天文学界的一个惊人发现却让这个宇宙常数又被

    后人翻出来赋予了别的含义。不得不承认，大师就是大师，犯错误都能歪打正

    着。如果爱因斯坦地下有知，不知作何感想。

    到底是一个什么样的惊人发现呢？这个惊人的发现来自于两队独立的天文学

    家对遥远星系的距离和退行速度的测量。我们首先来讲星系的退行速度是怎么测

    量出来的，当年牛顿用三棱镜把太阳光分解成了彩虹的颜色，后来大家又发现在

    太阳的光谱里面有很多细细的黑线，这一连串的黑线就像条形码一样，但是没人

    知道这些线条代表什么含义。

    后来大家才明白，原来这些细线是和各种化学元素有关系的。我们通过识别

    这些条形码，就能知道太阳上有什么元素。比如说氦元素就是首先从太阳上发现

    的。于是这些黑色的线条就被称为“吸收谱线”，简称“光谱线”。

    很快，大家就发现，光谱线会出现整体性偏移，特别是那些遥远的天体，这

    说明天体发光频率整体发生了改变。光谱线向红色那一端偏移称为红移，往蓝色

    那一端偏移称为蓝移。哈勃第一个发现，大部分天体普遍出现红移现象，所以也

    叫宇宙学红移。

    宇宙学红移代表什么含义呢？它代表着光的频率整体降低。哈勃当时认为这

    是由多普勒效应造成的。什么是多普勒效应呢？当一辆汽车按着喇叭向你飞驰而

    来的时候，音调变高。从你身边飞驰而过的时候，又变成了音调降低。音调的变

    化幅度与速度直接相关，我们可以根据音调来计算相对运动速度。光也是一种电

    磁波，也有多普勒效应。哈勃认为红移就代表着天体逃离我们的速度。红移越

    大，速度越快。

    现在我们知道，哈勃对宇宙学红移理解有误。这是宇宙的膨胀导致了光波被

    拉长，因此频率降低。但是不管怎么说，光谱的红移量就像一个速度表，标志着

    天体与我们之间空间尺度拉大的速度。

    那么天体的距离如何测量呢？这就要靠一根接一根的量天尺来测量。我们很容易用三角测距法计算出某些恒星的距离。300光年之内，都可以用三角法测

    量。这是我们拥有的第一把宇宙量天尺。

    但是，更加遥远的天体就不行了。假如要测量银河的大小，区区300光年是

    无论如何不够用的。哈勃要测量银河系的邻居仙女座大星系的距离，那就更不够

    用了。我们需要一把更长的尺子。

    哈勃使用的是造父变星。我们来打个比方说明问题。一盏100瓦的大灯泡，放得越远光越弱。我们知道大灯泡的绝对亮度是100瓦，又能测量观察到的视觉

    亮度，根据这两个数值的差，就能计算出距离。对天上的星星也可以照此办理。

    但是，我们不知道天上的星星绝对亮度是多大，这是个难题。

    好在，哈勃时代这个问题基本解决了。他在仙女座大星系里面发现了造父变

    星。这种天体的亮度就像手机呼吸灯一样会由亮变暗，再由暗变亮，如此循环往

    复。周期长短和绝对亮度是有关联的。那么知道变光周期也就可以推算出绝对亮

    度。这是第二把尺子，当然第二把尺子要用第一把尺子来校准。哈勃就是利用造

    父变星测算了大大小小星系的距离，从而发现了遥远的星系都在远离我们。

    现在的太空望远镜已经可以拍摄到非常遥远的天体。感光器件连续曝光几十

    天，对准针眼大小的区域拍一张照片。照片上每个光点都是一个星系团。即便是

    星系团级别，也不过才几个像素大小，我们无论如何都没办法从中分辨出造父变

    星。第二把量天尺也失效了。

    为了能够测量出距离地球几十亿甚至上百亿光年外的星系距离，我们必须要

    找到新的量天尺，那么有什么办法能把量天尺推进到视野的尽头呢？办法终于被

    天文学家们找到，这还不得不从一个薅邻居家羊毛的小偷说起。好了，下节为你

    揭晓答案。

    大爆炸宇宙学看一看

    上一节结尾的时候我卖了个关子，用造父变星这把量天尺我们只能测量距离

    我们较近的星系，稍微远一点的星系在天文照片中只不过是一个亮点，小的只有

    几个像素大。几个像素之中当然没有办法分辨出造父变星。那该怎么办呢，天文

    学家们靠什么来计算这种暗弱星系的距离呢？

    办法当然是有的，这个办法与恒星的死亡有关。宇宙中最常见的恒星是太阳

    这样稳定燃烧的普通恒星。太阳在50亿年之后会变成红巨星，最后的归宿是白矮

    星。白矮星需要漫长的时间才能冷却下来，变成一种不发光的黑矮星。一般来

    讲，到了白矮星阶段，恒星就算是死了，到了黑矮星阶段算是彻底死透了。

    比太阳大8—10倍的恒星死的时候不会这么平淡，假如在这颗恒星的晚年，吹光了所有的气体以后，剩下的核心质量还超过1.44倍太阳质量，那么它是没办

    法稳定存在的，会发生超新星爆发，最后剩下一个中子星。超新星爆炸的亮度可

    以达到普通星系总亮度的一千倍以上。

    1054年，宋朝的司天监记录到了一颗“天关客星”。这颗星在23天里的白天都

    能看到，在随后的一年里，夜里还能看到。大约一年以后，它逐渐消失了。后来

    天文学家在同一个位置找到了一个蟹状星云，到现在这个星云还在以1450千米秒

    的速度膨胀。中间还有一颗新鲜出炉的中子星在高速旋转。一千年的时间对天体

    来讲，真的可以算是新鲜出炉。这颗超新星就是由一颗质量是太阳质量9—11倍

    的恒星爆炸形成的。

    但是，还有一类超新星，爆炸以后会炸得干干净净，一点残渣都不留。太空

    里成双成对的双星是非常常见的，其中一颗星已经到了风烛残年，变成了白矮

    星。可是因为离伙伴距离太近，这颗白矮星就开始薅邻居家的羊毛，疯狂吞吃伙伴的气体，越吃体重越大。当质量达到了1.44倍太阳质量这个临界值的时候，就

    会突然发生超新星爆发。这种薅邻居家羊毛的小偷被称为Ia型超新星。而这种Ia

    型超新星有一个显著的特点，由它爆发的原理可知，它每次都是刚好达到1.44倍

    太阳质量就爆炸。这等于是一颗装药非常精确的闪光弹。我们完全可以用Ia型超

    新星来当作标准烛光。它比造父变星亮太多了，可以在极其遥远的距离上看到

    它。NASA发现了迄今为止最远的Ia型超新星，距离我们100亿光年，换句话说，它是在100亿年前爆炸的，居然还能被我们在地球上看到，所以Ia型超新星是一把

    非常优秀的量天尺。

    尽管超新星非常亮，但是因为距离远，所以看起来仍然非常微弱，寻找起来

    非常难。一般都是用比对照片的办法来查找是不是有哪个小点以前没见过。有些

    星系的星系核也会突然变亮，有的恒星会被太阳系里的小天体遮挡，造成亮度变

    化，因此还要排除这些干扰因素。好在现在都可以用计算机程序来自动化操作，还可以加入AI人工智能帮忙，找到Ia型超新星已经不像过去那么艰难了。

    超新星是一把非常好的量天尺，但是也需要精确校准。利用爆炸余晖，可以

    把这把尺子调节得更加精确。遥远的天体发出的光千里迢迢跑到我们地球的过程

    之中，难免会碰上气体云、尘埃之类的，还要矫正这些雾霾带来的亮度误差。这

    些气体云和尘埃会更多地吸收蓝光，因此可以从红光和蓝光的比例来判断衰减了

    多少。

    经过天文学家的不断努力，这把尺子已经被校准。20世纪90年代以来，有两

    个独立的研究团队利用当时世界上最先进的设备，在连续几年的时间里，坚持不

    懈地对高红移Ia型超新星进行了观测，系统地研究了宇宙膨胀现象。他们本来的

    目标是计算出宇宙膨胀的减速状况。

    上次我们讲到过弗里德曼和勒梅特，到弗里德曼的学生伽莫夫手里时，大爆

    炸宇宙学正式成型。这个理论的基础就是来自于爱因斯坦用场方程对宇宙作出的

    计算。依据大爆炸宇宙学，我们宇宙的万事万物来自138亿年前的一场大爆炸。

    从这一个点开始不断地膨胀，产生了现在的万事万物。

    科学家们预计，在爆炸以后，受到引力的作用，宇宙的膨胀速度会减慢，就

    像炮弹朝天上发射一样，出炮膛的一瞬间速度是最快的，然后就会开始减速，当

    达到最高点，速度为0时，下落的过程就开始了。速度不够快是飞不出地球的引力范围的，炮弹上升的高度有极限值。

    当然，炮弹速度足够快，就可以不掉下来，变成卫星，再快一些就可以飞出

    地球引力范围，一去不回头。所以在过去，物理学家们也一直都认为宇宙大爆炸

    和炮弹发射很类似，宇宙中的所有物质都会产生引力。假如物质足够多，引力足

    够大，最终我们的宇宙膨胀到了顶点，还是会开始收缩的，最后重新变成一个

    点，这个过程叫作“大挤压”。这样的宇宙虽然无比辽阔，但是体积终究有限，因

    此也叫封闭宇宙。

    假如物质不多不少刚刚好，我们的宇宙再也不会收缩了，虽然膨胀速度在下

    降，但是永远也减不到0。和人造卫星不会掉到地球上是同一个道理。这是一种

    温和的结局，一切都慢慢消逝。

    这一切的关键都取决于我们的宇宙物质密度有多大。根据科学家们的计算，宇宙物质密度有一个临界点，平均下来就是每立方米3个氢原子，如果超过这个

    临界点，那么宇宙恐怕将会走向大挤压结局。但是目前我们发现宇宙的物质密度

    远比这要小，大约每立方米只有0.2个氢原子。看来我们的宇宙并不是一个封闭的

    宇宙。

    为了探求宇宙的未来，天文学家们试图测量宇宙膨胀的精确速度，从而确定

    它的减速情况。几乎所有的科学家都认为，宇宙膨胀理所应当是在刹车，区别无

    外乎是温和的刹车，还是急刹车，也有小部分科学家认为是空档滑行。

    20世纪90年代，有两个各自独立的团队几乎同时向这个宇宙终极命运问题发

    起了冲击，其中一个团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室的波尔马特领衔，成员

    来自7个国家，总共31人，阵容强大；另一个团队则由哈佛大学的施密特领衔，也是一个由20多位来自世界各地的天文学家组成的豪华团队。

    波尔马特团队的计划叫作超新星宇宙学计划，而施密特团队的计划叫作高红

    移超新星搜索队。最终，两个团队先后发现了让人大跌眼镜的现象，宇宙在前70

    亿年确实是在减速膨胀，可是在70亿年前的某个时间点上，减速膨胀反转成了加

    速膨胀，这就好像开车，先是踩刹车，然后再踩油门，这个事情就大大出乎科学

    家们的意料了。爱因斯坦或者伽莫夫要是听说这事儿，估计一口老血都能喷出

    来。宇宙加速膨胀的这个观点足以惊动全世界，这样惊人的观点要站住脚，必须

    要经受住比其他科学观点更加严苛的考验。因此，尽管两个团队公布了所有的观

    测数据和他们的研究方法，但要让全世界的科学家们接受依然证据不够。在这之

    后，世界各地的天文学家们又进行了大量的独立观测、验证，包括COBE、WMAP和普朗克卫星都对这个结论做了不同程度的观测验证。到今天为止，宇宙

    加速膨胀已经成为一个经受住严苛检验的事实而被科学共同体所接受。

    2011年，波尔马特、施密特以及亚当·里斯获得当年的诺贝尔物理学奖。这一

    次，诺贝尔奖算是反应比较迅速的，没有等到这几位七老八十才把奖发给他们。

    波尔马特算是最老的，当时也才52岁。在此之前，他们已经拿奖拿到手软了。

    从诺贝尔奖的反应速度，大家也能掂量出他们的成就有多重要。这个发现实

    在是太让人意外了。那么，接下去，就自然而然会产生一个重要的问题：到底是

    谁在踩油门呢？这一切该如何解释呢？咱们下节揭晓答案。

    最后，我给大家找了一个Ia超新星爆炸原理的演示视频。如果你有兴趣，在

    我的微信公众号“科学有故事”中，回复“超新星”，就可以观看了。暗能量与宇宙常数

    上一节，我们讲到科学家们发现，我们的宇宙正在加速膨胀。按照过去的理

    论，这是不可能的。我们过去认为，宇宙膨胀应该是减速的。现在发现，宇宙就

    像被踩了油门，在加速膨胀之中。到底是谁在踩油门呢？这是个大问题。

    为了解决这个问题，1998年，迈克尔·特纳引入了一个新名词，那就是“暗能

    量”，我们讲到最后一集，这个名字才浮现出来。因为讲暗能量只能从宇宙大爆炸

    的发现一路讲起，否则没有基础的人是根本听不懂的。所以，暗能量其实还是一

    个假想的概念。

    看一看

    研究暗能量，必须要从宇宙诞生的那一刻开始。138亿年前，宇宙从一个奇

    点之中诞生。爆炸后的一瞬间，物理法则开始生效，那个瞬间，一切都是温度极

    高的状态，随着宇宙的膨胀，温度开始下降了。到了第10—11秒左右的时候，粒

    子的温度已经降低到了我们现有高能物理理论能掌握的阶段。我们就可以计算那

    个时候究竟发生了什么事情。那个时候，夸克和胶子开始组合成质子和中子。第

    10-6 秒时，宇宙产生了大批的质子与反质子对、中子与反中子对。但是数量并不

    匹配，正粒子比反粒子多了这么一丝丝。随后它们互相抵消湮灭，还剩下十亿分

    之一的中子和质子保留到今天。大爆炸以后1秒左右的时间段，电子和正电子也

    遭遇过类似情况，电子也多了一丝。我们看到的宇宙星辰就是由这残留的一丝正

    物质构成的。

    在宇宙大爆炸大约3分钟后，宇宙浓汤的温度足够低了，原子核才能形成。

    一直到大爆炸以后38万年，宇宙的雾霾才逐渐散开，变得透明。光子才能痛快地

    在宇宙里不受限制地随意穿行。这就是大爆炸以后发出的第一缕光。这些光子已经被我们人类探测到了，这就是“宇宙微波背景辐射”，它能告诉我们宇宙早期的

    信息，以及宇宙之中物质含量的信息。因为这些光子几乎是穿行整个宇宙才落到

    我们的探测器里，它们一路之上受到的引力扭曲，穿过的气体，遇上的尘埃，都

    会在微波背景辐射之中留下痕迹。

    通过对微波背景辐射的研究，大家发现，无论是普通物质还是暗物质，甚至

    暗能量，都会对宇宙的曲率有贡献。科学家们发现，我们的宇宙非常平坦，所以

    总物质量应该是接近临界密度，也就是每立方米5个氢原子的水平。可是现在统

    计下来，把暗物质也都算上，满打满算也才30%左右。因此，科学家们推测，剩

    下的这些就是暗能量。根据普朗克卫星的最新数据，暗能量占68.3%，暗物质占

    26.8%，普通物质仅占4.9%。

    我们在讲到暗物质的时候，讲到过4种基本的力。暗物质可能有引力和弱相

    互作用。这个暗能量，连弱相互作用都不可能有。它只有引力，最奇葩的是它的

    引力是负数，也就是斥力。

    那么我们大致可以这样描述宇宙膨胀，刚发生大爆炸的时候，宇宙膨胀极

    快，但是只要有引力在，必定是减速的，那时候暗能量的力量相对弱小。等到宇

    宙足够大了，物质足够稀薄了，物质相互之间变远了，引力开始变弱了，弱到一

    定程度，被暗能量翻盘压倒，最终，引力输给了暗能量的斥力。于是宇宙开始加

    速膨胀。

    从宇宙膨胀先减速、后加速的情况来分析，暗能量似乎不会随着宇宙尺度的

    扩大而被分摊，它似乎和宇宙的尺度没关系。似乎暗能量是处处均匀，处处一致

    的。难道，神秘的暗能量就是当年爱因斯坦场方程里那个号称最大错误的宇宙常

    数吗？

    的确，宇宙常数可以体现为一种排斥效应，这是个非常合理的解释。常数就

    意味着不变，当然不会随着宇宙的尺度发生变化，也不会有均匀不均匀的问题。

    所以说，爱因斯坦的确够厉害，连犯错误都能歪打正着。

    目前估计，暗能量的数值是非常小的。因此我们在实验室里面也没办法测量

    出来。哪怕达到星系级别也看不出暗能量有多大的本事。但是，最可怕的一点就

    是它处处都一致，哪怕到宇宙边缘，人家还是不会衰减。在宇宙尺度上，引力只有甘拜下风。

    真空能

    假如暗能量真的是爱因斯坦添加的宇宙常数，这个数值到底有多大，这个东

    西是与普朗克常数、万有引力常数一样的基本常数吗？我们仍然不知道这个常数

    是因何而来的。我们只是为了解释某种现象而硬塞了一项数值进去。

    我们曾经说过，对于量子物理学家来讲，真空其实是沸腾的粒子海洋，真空

    之中蕴含着能量，但是，我们日常的工作生活从来也感觉不到这种能量的存在。

    因为我们关心的是能量的变化，能量的差值，而不是能量的绝对值。我们说珠穆

    朗玛峰是世界最高峰，海拔8844.43米，说马里亚纳海沟是世界最深的深渊，最深

    处在海平面以下11034米。我们为什么都是从海平面算起呢？我们为什么不考虑

    脚底下还有6400千米的地球半径呢？因为海平面是一个人为标定的0点，这么做

    最方便。与此类似的还有温度，0摄氏度可不代表没有温度。同理，科学家们也

    把真空视为能量的0点。这样计算是最方便的。反正在一般情况下，你也找不到

    比真空的能量更低的东西了。因此，真空能也叫“零点能”。

    但是，在计算宇宙之中的总能量的时候，似乎不能忽略真空本身具有的能

    量。假如真空能量计算值可以和观测数值相匹配，那么科学家们就有把握认为，宇宙常数的实质就是长期被大家忽略的真空能。

    可惜计算出来的数值大相径庭。天文学观测的数值一般误差都很大，能搞对

    数量级就很不错了。哈勃最开始测量仙女座星系的距离有80万光年，现在我们已

    经修正到了250万光年。可是真空能和暗能量不属于这种误差量级，不幸的是，多数粒子物理理论预言的真空能比暗能量大了120个数量级。一个数量级代表10

    倍，120个数量级代表一个大得难以想象的数字。

    理想很丰满，现实很骨感。虽然真空能从理论上分析的确很有道理，但是数

    字完全对不上。量子物理学家们也懵了，虽然量子物理学家们很擅长消除计算中

    出现的无穷大，但是这回他们没有搞定，多出来的真空能他们怎么也没办法抵消

    掉。毕竟到现在为止，量子力学和广义相对论都是无法调和的，搞不定才是常

    态。不管是哪种理论，暗能量的斥力特性都是必须保留的，处处均匀的特性也应

    该保留。类似的还有标量场理论，这个理论的外号叫作“第五元素”。

    我们在讲暗物质的时候，讲到过修正牛顿动力学。对于暗能量来讲，同样是

    他们施展的舞台。他们或许只要把某条简单的曲线多扭几个弯就可以和观测匹配

    得不错。但是他们的理论总是没什么人喜欢，况且我们在讲暗物质的时候，牛顿

    修正力学理论还遭到了重创。

    到现在为止，也没人知道暗能量到底是什么东西。但是科学家们已经公认，宇宙大爆炸开始的一瞬曾经有过暴涨的阶段，膨胀速度极快，似乎那时候宇宙常

    数特别大。暗能量在空间上处处均匀，似乎是个常数。但是在时间维度上呢？过

    去的宇宙常数和今天的宇宙常数是一样的吗？总之，关于暗能量的许许多多问

    题，都依然是宇宙未解之谜。

    通过这三节的内容，我把暗能量的来龙去脉大致给你梳理了一遍，你至少搞

    清楚了科学家们正在研究的暗能量到底是怎么回事。在我们的生活中，这个词经

    常会被一些搞伪科学的，或者神秘主义爱好者所利用，把暗能量当作许多超自然

    现象的解释。甚至还有用暗能量来解释神佛鬼怪和灵魂的。你一定要记住一点，暗能量只有在整个宇宙这样的大尺度上才能体现出来，甚至在银河系这样的尺度

    中，暗能量的效应都几乎观测不到。记住了这一点，你就能有理有据地识别出伪

    科学了。

    还有一点，如果你看完了这一章，觉得很有意思，也想自己研究暗能量，那

    么，我必须提醒你，要研究暗能量有一个前提，那就是必须要先学习广义相对

    论，如果没有这个基础，你就永远也不可能取得与同行对话的资格。

    最后，我给大家找了一个讲解暗能量的视频，其中特别提到了暗能量和爱因

    斯坦的联系。如果你有兴趣，在我的微信公众号“科学有故事”中，回复“暗能

    量”这三个字，就可以观看了。时间旅行之谜

    穿越到未来

    我们今天来讲时间旅行之谜。要把这个问题给讲清楚，最重要的事情莫过于

    把时间到底是什么给讲清楚。

    大概自人类文明诞生以来，对于时间到底是什么的讨论就从来没有停歇过。

    古代的智者有过很多精彩的论述，比如，孔老夫子站在泗水边，望着奔流的大

    河，留下一句著名的话：“逝者如斯夫，不舍昼夜。”他的意思是说，时间就像连

    绵不断的河水，昼夜不停地在流动着。与孔老夫子类似，英国的大物理学家牛顿

    也把时间比作河流，永不停歇地流逝。时间的流动似乎是独立于人的感受之外的

    存在。对每个人来讲，流逝的速度都是一样的。我们只能在时间的这条大河里随

    波逐流。我们是没有办法改变这条河流的流速的。牛顿的时间观念被后人称作“绝

    对时空观”，在这种观念之下，时间旅行当然是绝对不可能的。

    但是德国的数学家和哲学家莱布尼茨不认同牛顿的思想。他认为，时间不过

    是一系列事件的顺序排列罢了。假如没有任何事件发生，时间也就没有任何意

    义。他们谁对谁错，一时间众说纷纭。但是，仅仅从哲学思辨的角度去讨论，基

    本上也只能泛泛地空谈，对于解决实际问题来说，似乎也没有太多的帮助。

    当时间走到了20世纪初，在瑞士伯尔尼专利局，有一个不起眼的三级专利员

    也开始思考起了时间的问题。他就是爱因斯坦，正是他彻底颠覆了人们的时间观

    念。爱因斯坦的核心理念是，去纠结时间的定义到底是什么没有意义，人类的语

    言是无法准确描述时间这样的事物的。研究时间的正确姿势应该是换个思路，我

    们只关心怎么测量时间，而不去纠结于时间到底是什么。

    至于时间到底是什么，根本就不是人类的语言所能够描述清楚的，但我们可

    以把时间测量的方法定义出来，那么测量出来的值就是时间的数学意义，就能够

    指导我们对世界作出预言。

    把这个概念理清楚之后，很多事情一下子就变得豁然开朗了。那么到底怎么测量时间呢？爱因斯坦认为，任何有精确周期性运动的东西都可以用来测量时

    间，只是测量精度不同而已。例如，用心跳就可以测量时间，我们完全可以创造

    一个时间单位叫“跳”，然后我们就可以说火车从A地运行到B地需要多少跳。只不

    过这种测量方式就会显得很粗糙，因为每个人心跳并不都是同步的，有些人快有

    些人慢，而且就是同一个人的心跳也时快时慢，所以，用心跳来作为时间单位就

    太粗糙了，不合适。我们也可以用太阳的东升西落来测量时间，这就精确得多

    了，那么一次东升西落的时间单位就可以记作一天；我们也可以用钟摆的来回摆

    动来测量时间，摆动了多少个周期，就是多少个时间单位。总之，一样事物的周

    期性运动越是稳定、精确、快速，用它来测量时间，得到的数值精度就越高。

    接下来，爱因斯坦就根据前人做出的很多物理实验的结果，作出了一个开天

    辟地的大胆假设，这个假设现在很多人都耳熟能详，对的，就是光速不变，准确

    地说就是真空中的光速永恒不变，而且还有一个定语，无论你用什么方式去测

    量，也无论你用于测量光速的物体本身处在怎样的运动状态，在排除了测量物本

    身的误差后，得到的数值总是不变的。只要采用的测量方式不变，真空中光速的

    数值就不会变。

    说实话，绝大多数人在第一次听到我上面这段很是绕口的话之后，并没有什

    么感觉，甚至根本就没有领会为什么我们说这是一个非常大胆，甚至是离经叛道

    的假设。不举具体的例子是很难把深奥的科学道理讲浅显的。

    我要借助一个具体例子给你再讲一遍爱因斯坦的大胆假设。现在，我们手里

    有两个钟摆，它们俩是严格同步摆动的，我现在把这两个钟摆一个放在地面上，一个放到一艘宇宙飞船上，宇宙飞船的飞行速度接近光速，在飞行的时候，飞船

    开了大灯，一束光从宇宙飞船的头上照射出去了。爱因斯坦的假设是，不论是用

    地面上的钟摆来测量这束光的速度还是用飞船上的钟摆来测量光的速度，都应该

    是一样的。速度的计算公式是距离除以摆动的次数。你可能会说，速度不是距离

    除以时间吗？别忘了我们不知道时间是什么，我只是用来回摆了多少次来代表时

    间。摆动的次数多，我们就认为时间长，摆动的次数少，我们就认为时间少，我

    们只关心怎么测量时间，不关心时间到底是什么。于是，站在地面上的你就会发

    现，那束光离地面上的钟摆的距离增量，总是会大于那束光离飞船上的钟摆的距

    离增量，因为飞船上的钟摆也在和光一起朝前运动。这样一来，如果爱因斯坦的

    假设是正确的，结论就很奇怪了，要保证距离除以摆动次数的数值始终保持相同，就必然要求两只钟摆的摆动周期不相同了。可明明两只钟摆都在地面上的时

    候摆动周期是严格同步的啊。

    你也可以把刚才这个例子中的钟摆换成自己的心跳，假如你站在地面上，你

    的双胞胎哥哥在宇宙飞船上，那么当你的心脏跳动了100次时，你哥哥的心跳可

    能只跳动了10次，具体是多少下，要看飞船的运动速度有多接近光速。

    这个结论对于当时的物理学家们来说，要多奇怪就有多奇怪。这也就意味

    着，时间不是永恒不变的，是有可能随着相对运动的速度不同而变化的。飞船上

    的一天有可能等于地面上的一年。

    所以，用爱因斯坦的观点来看，穿越到未来这种事情是有可能发生的，只要

    运动的速度足够快，你想穿越到未来什么时候就可以穿越到什么时候。请大家注

    意一点，根据爱因斯坦的理论，只要你比别人运动得快，你的时间在别人看来就

    会更慢，只是程度不同而已。所以，哪怕你骑个自行车，也相当于在向着站着不

    动的人的未来穿越，只不过穿越的时间很少很少而已。

    爱因斯坦的这个理论在科学界被称为“狭义相对论”，在刚刚提出的时候，那

    当然是遭到了一片的反对声。因为这个结论非常地反直觉，不论是哲学家还是爱

    因斯坦之前的科学家，自古以来都认为时间就是永恒流逝的，是独立于我们的物

    质世界之外的东西。还有一个原因，毕竟爱因斯坦的这个理论是建立在光速不变

    这个假设上的，只有这个假设是成立的，后面的所有推论才是成立的，而这个假

    设到底是不是真的成立呢？至少在爱因斯坦刚刚提出理论的那会儿，大多数科学

    家是不赞同的。

    但是，科学结论有一个最大的特点，那就是可以得到实验的检验。不论多么

    怪异的结论，只要这个结论是可以被检验的，那就好办，是对是错，用实验证据

    来说话。假如实验的结果与理论预测的结果一致，那么就可以反过来证明爱因斯

    坦作出的大胆假设是正确的。其实，要作出一些大胆的假设并不难，胆大的人很

    多，但是要根据这个假设作出能够被实验检验的预言就非常难了。这也是判断科

    学结论和非科学结论的一个标准。

    那么，科学家们是否成功验证了狭义相对论呢？穿越到未来有实验证据吗？

    答案是有的。第一次实验是1971年，科学家们准备了两组跳动周期完全一样的原子钟。一组停留在地面，一组搭乘航班做环球飞行，当飞机停下来后，两组原子

    钟记录下来的跳动次数果然不同，而且具体的数值与爱因斯坦的理论计算值非常

    接近。你也可以把原子钟的跳动想象成自己的心跳。后来，各种各样更加精确的

    实验被陆续完成，全都证明爱因斯坦是对的。

    今天讲的是“时间旅行之谜”的上节，科学已经向我们证明，穿越到未来是完

    全有可能的，只是很难很难。下一节我们要来谈回到过去是不是也有可能呢？这

    才是更有意思的话题，也或许这才是你真正想知道的。

    回到过去

    上一节我们说了，科学家们已经证明，向前穿越到未来是完全有可能的，那

    么，能不能找到某种途径回到过去呢？这个问题远比穿越到未来要复杂得多。

    1985年，著名的天文学家、科普达人卡尔·萨根写了一本科幻小说，这是他一

    生中的唯一一本科幻小说，名字叫作《接触》(Contact )。在这本小说中，因为

    情节需要，女主角要在很短的时间内抵达银河系的中心，并且环游银河系，所

    以，他需要设计一个时空穿越的基本原理。卡尔·萨根是一个科学家，他对自己的

    幻想要求很高，所有的幻想都要找到科学依据。

    有些科学爱好者听到这里，可能马上就会想到，超光速就行了呗。确实，有

    很多科幻作家喜欢用超光速运动来穿越，但是作为严谨科学家的卡尔·萨根可不会

    这么干，因为超光速运动违反了我们已知的物理定律，用超光速来实现穿越是没

    有什么科学依据的。一开始，卡尔·萨根的设想是从一个黑洞跳进去，从另外一个

    白洞喷出来。(本书分享更多索搜@雅书)

    黑洞是广义相对论计算出来的一种奇特的天体。这个天体的表面引力非常

    大，以至于光都逃不出去。因此这个天体是黑的，很难被发现。爱因斯坦在1915

    年推导出了广义相对论，这个理论把引力解释为时空弯曲。地球绕着太阳转也可

    以解释为地球在弯曲的时空里走了一条最自然不过的路线。就像皮球滚下山坡，皮球也会自己找到一条最合适的路线一样。

    我们可以这样理解黑洞，你把太阳周围的时空想象为一个碗，地球就像一个

    小球在里面贴着碗壁转圈圈。而黑洞不是个碗，是一个漏斗，如果小球已经掉进了中间的洞里，任凭小球转得多么努力，也无法避免一直掉下去的命运。

    无论是碗也罢，漏斗也罢，都是爱因斯坦场方程计算出来的一个解，实际

    上，这个场方程可以有无数个解。1935年，爱因斯坦和美国的助手罗森两个人计

    算出了一个有趣的解，这个解就好像是个沙漏的形状，相当于一个黑洞和一个白

    洞的漏斗喉部对接起来，这个结构被称为爱因斯坦-罗森桥。在这个结构中，似乎

    可以从一个时空点跳跃到另外一个时空点，说通俗点就是时空的穿越。大家注

    意，我说的时空点跳跃就已经包括了时间和空间的跳跃。

    卡尔·萨根当然是知道爱因斯坦-罗森桥的。他在写小说的时候，就是按照这

    个设想，从一个黑洞跳进去，所有物质都压向黑洞中间的奇点，然后从另外一个

    白洞里喷出来。这不就实现穿越了吗？因为卡尔·萨根的本职工作并不是理论物

    理，他自己有点吃不准，于是他就去请教好朋友基普·索恩。这位好朋友就是2017

    年因为发现引力波而获得诺贝尔奖的著名理论物理学家。索恩认为，爱因斯坦和

    罗森计算出来的那个结果是没办法进行穿越的，因为对接的喉部是堵死的，要想

    搞穿越只能靠虫洞，说白了就是把喉部撑开，否者任何物质都无法通过，只有虫

    洞，才有可能实现回到过去时间点的想法。

    卡尔·萨根听取了索恩的意见。这部小说非常成功，拿下了科幻界的最高奖

    ——雨果奖。后来还拍成了电影，成了科幻史名著。索恩和他的学生也因此被激

    发起了对虫洞的兴趣，这才有了后来的著名科幻电影《星际穿越》。

    1988年，索恩和学生莫里斯发表了一篇论文。这篇文章发表在了《美国物理

    学》杂志上。这本期刊的名头听上去很大，“国字号”的，其实只是给物理教师看

    的半科普杂志。经过他们的计算，搞出了一个真的可以穿越的解，似乎时空穿越

    是有物理学理论支持的。但是大家还是别高兴得太早。索恩的虫洞需要一样特殊

    的物质，也就是负能量物质。

    我们看到所有物质都是具有正能量的，正能量会使得时空弯曲，能量越集

    中，那么弯曲就越厉害，黑洞就属于时空被完全封闭了起来。负能量物质是理论

    上存在的一种物质，它的作用刚好相反。因此虫洞的喉部是可以用负能量撑开

    的，撑到足够大，才能允许一个人钻过去。

    但是，根据计算，撑开一个半径1厘米的虫洞，就需要地球质量的负能量物质。1厘米的虫洞是不能用来穿越的，只能用来偷窥。即便撑开一个几十米的虫

    洞，也不能用来穿越，因为如果人离开管壁距离不够大，是会被撕碎的。起码直

    径要达到一光年这么粗才能安全地穿越。但这几乎是一个不可想象的能量，因为

    哪怕要撑开一个半径1000米的虫洞，就需要相当于整个太阳质量的负能量物质

    了。

    不过，从理论上来说，基普·索恩计算出来的虫洞是个稳定存在的虫洞，这种

    类型的虫洞叫作“洛伦兹虫洞”。你从洛伦兹虫洞穿越，相当于抄近道走捷径，但

    再短的捷径也还是要花时间才能通过。还有另一种“欧几里得虫洞”。这种虫洞描

    述起来就像科幻小说里面的“瞬移”，突然发生，突然消失。欧几里得虫洞需要极

    强大的磁场，只有高速旋转的中子星周围大概能有这么强大的磁场，但是我们显

    然没办法去中子星边上检验一下。

    虽然基普·索恩认为虫洞可以让人回到过去，但是反对这种想法的科学家就更

    多了。他们的理由很简单，回到过去会发生逻辑上的悖论，因而回到过去是不可

    能的。

    比如说著名的“外祖母悖论”。假如你穿越回去，趁着你的外祖母生孩子之前

    杀死了她，那么，既然你母亲的母亲都不存在了，怎么会有你的出生，又怎么能

    有你回到过去杀死外祖母呢？这是一个无法解决的矛盾。

    所以，已故的著名物理学家霍金就认为，我们的宇宙依赖于因果律，一定有

    某一条我们尚不知道的物理定律在保护着时序不被打乱，也就是说回到过去的时

    间旅行是无法完成的。

    然而另外一些科学家则辩护说，我们坚信虫洞的存在，也相信回到过去是可

    能的。逻辑矛盾也并不是完全无法解决，或许有这样几种可能性：

    第一种：自由意识丧失说。就是说，你回到过去之后，就会完全被历史所控

    制，你就会像一个不受自己支配的演员，只能按照写好的剧本演戏。

    第二种：时空交错说。就是说，你回到的那个时空和真实的历史时空是平行

    纠缠在一起的，但永远不可能相交，你可以看见历史，但不能影响历史。是的，只能看，不能摸。第三种：平行宇宙说。就是说，当你干下了任何改变历史的事情时，宇宙就

    分裂成了两个平行的宇宙，在我这个宇宙中希特勒最后自杀了，在你那个宇宙中

    希特勒最后成了全世界的统治者。

    但你可能也会跟我一样想到这样一个问题，我们现在是没有能力制造时间机

    器的，但是未来人呢？如果在遥远的未来有人造出了时间机器，那么，那个人是

    不是就有可能乘坐时间机器回到现在或者以前的时代呢？但为什么我们从来没有

    见到这样的未来人呢？历史上也从未记载有未来人光临。假设未来无限远的话，假设时间机器确实可以造出来的话，那么概率再小也应该有未来人回来了啊。有

    这个想法的人还真不少呢。2005年，为了庆祝国际物理年，同时也是为了庆祝相

    对论诞生100周年，美国麻省理工学院举办了一场“时间旅行者大会”，举办方郑重

    地在报纸上刊登广告，邀请未来的时间旅行者光临会场，并且携带未来的物品作

    为证据。大会开了一天，确实来了很多“旅行者”，可惜没有一个能让人相信是“时

    间旅行者”。这些旅行者都辩称时间旅行只能光着屁股旅行，就像施瓦辛格扮演的

    终结者那样，所以他们没有信物。

    你别笑，这还真是支持回到过去派遇到的大麻烦。为此，有些科学家就猜

    想，或许，回到过去最多只能回到时间机器制造出来的那一天，时间机器就相当

    于是一个路标，没有路标的时代就再也回不去了。

    目前来说，是否能反向时间旅行依然是一个宇宙未解之谜，人们对时间的本

    质也还有很多的争论。比如时间箭头只有一个方向到底是不是一个牢不可破的宇

    宙法则呢？到底有没有一条自然法则在保护着宇宙中的因果关系呢？这一切都在

    等待科学的解答。黑洞之谜

    黑洞是否真的存在？

    黑洞这个词大概现在的三岁小孩也听到过，它的名气实在是太响了。但是，能够正确理解黑洞到底是什么的人其实并不多，对黑洞的各种误解也是普遍存在

    的。我要用三节的篇幅给你讲讲黑洞之谜。

    看一看

    我们先从对黑洞最朴素的理解开始，一点一点走进真实的黑洞。牛顿发现了

    万有引力定律，解释了为什么地球上的每一个人都觉得自己是头朝上脚朝下，也

    解释了月亮为什么不会掉到地面上。

    我们每一个人都受到来自地球的吸引力，但这个吸引力其实并不是那么强

    大，我们只要双脚一用力，就能跳起来，短暂地对抗地心引力。起跳的初速度越

    大，我们就能蹦得越高，在空中停留的时间也越长。当年，牛顿就计算出来，如

    果我们起跳的速度能达到7.9千米秒的话，那么，我们就永远也不会掉回地球

    了，我们会成为地球的一颗卫星，绕着地球转，就像月亮那样。而这个速度被称

    为“第一宇宙速度”，也叫“环绕速度”，就是要成为一颗环绕地球运动的卫星所需

    要的最小速度。理论上来说，任何星球都有属于自己的环绕速度。

    那这个7.9千米秒的数值是怎么计算出来的呢？实际上，这个数值是根据牛

    顿的万有引力定律公式推导出来的，它只跟两样东西有关，那就是星球的质量和

    体积，与我们自己本身有多重没有关系。环绕速度与星球的质量成正比，与体积成反比。太阳的质量和体积都要比地球大得多，太阳的环绕速度是220千米秒，当然，这个速度是相对于太阳的速度，而不是相对于地球的速度。你看，这个数

    值就比地球的环绕速度的数值大了很多。这些知识，人类在牛顿时代就已经搞得

    清清楚楚了。

    200多年前，有一位叫拉普拉斯的天体物理学家，有一天他突发奇想，假如

    有一个天体的环绕速度超过了光速，那么，岂不是连光都无法从这个天体上跑出

    来了吗？那这个天体岂不是变成全黑的了吗？他还动手大致算了算，太阳的半径

    如果缩小到只有3千米，这意味着体积要缩小万万亿倍，就会成为这样一颗不发

    光的恒星。但拉普拉斯只是随便想了想，并没有深究，他认为宇宙中不会有这样

    的恒星存在，只是一种纯粹的数学计算罢了。后来，他又知道了光是一种波，而

    不是由一个个有质量的微粒构成的。所以，拉普拉斯就更觉得自己是胡思乱想

    了。

    用拉普拉斯的这种想法来理解黑洞是一种最朴素的方法，也是大多数人理解

    到的层次，但是，这却并不是对黑洞的正确理解，接下去，我要给你讲一些高级

    货。

    拉普拉斯之后，光阴如梭，一晃100多年就过去了，时间走到了1915年，爱

    因斯坦大神把人类对宇宙的认识推进到了一个远超牛顿的境界。大神告诉人们，万有引力只是时空弯曲的一种表现形式罢了，牛顿的万有引力只是对时空弯曲本

    质的一个近似公式，如果太阳的半径真的缩小到了只有3千米，那万有引力公式

    就不适用了。要真正把时间、空间、运动、引力这些东西的相互关系给搞清楚，那就必须要用到一个超级烧脑的方程式，这就是爱因斯坦场方程，爱因斯坦的理

    论就是大名鼎鼎的相对论。

    1915年，正值第一次世界大战时期，在德国和俄国交战的前线，有一位年轻

    的德国炮兵上尉，他的名字叫史瓦西，他看到了爱因斯坦那个超级烧脑的方程式

    后，本能地就爱上了它，当其他物理学家还在质疑这个方程的时候，史瓦西已经

    开始默默计算了。他花了很长的时间，终于找到了爱因斯坦场方程的一个特殊

    解。他发现了一个惊人的情况，这个情况和拉普拉斯当年发现的情况有着异曲同

    工之处。

    史瓦西根据相对论计算出来，如果把太阳压缩到半径3千米，或者把地球压缩到只有一个巧克力豆那么大，这时，在地球或者太阳中心点的时空就会被弯曲

    到无穷大，就好像时间和空间在这个地方打了个结。没有任何东西能够从它们的

    表面逃脱，连光也不例外，这倒不是因为光速小于环绕速度。其实，在这种情况

    下，已经不存在环绕速度的概念了，因为时空在这个地方被弯曲成了一个深深的

    洞，光掉进去了就再也找不到出口了，事实上，根本就不存在出口。后来，科学

    家们就把这样一种奇怪的天体称作“黑洞”。因此，黑洞实际上不是一个洞，在天

    文学上，它是一个有质量的天体。

    黑洞是我们这个宇宙中已知的最奇怪的一种天体。我们永远也无法看到黑洞

    里面的样子，因为在那里面，时间和空间已经打成了一个结，也可以说，时间和

    空间都不复存在了。黑洞就像宇宙中的一个吸尘器，不断地吞食着一切靠近它的

    物质，而且吞进去了就别想再跑出来。

    实际上，黑洞比你想象得还要怪异。所谓黑洞的大小，只是黑洞的中心到边

    界的大小。在这个黑乎乎的区域中，其实是空无一物的。那你可能要感到很奇怪

    了，物质都跑到哪里去了呢？其实，我刚才说把地球压缩到一个巧克力豆那么

    大，真实的情况是，一旦地球被压缩到巧克力豆那么大时，就没有任何力量能够

    阻止地球继续收缩了，只留下一个黑洞洞的外壳。那么，地球上的物质到底跑到

    哪里去了呢？我只知道它们会一直一直收缩下去，永远停不下来。你一定要让我

    告诉你到底最后会怎么样，我只能回答你，对不起，我想到一半就已经昏迷不醒

    了，求你别问了。如果你去问科学家，他们可能会这样回答你，这些物质最后都

    会收缩成一个非常非常奇怪的点，我们就把这个点叫“奇点”，哎呀小伙子，等你

    长大了就明白了。好吧，其实我现在长这么大了，也还是想不明白。

    正因为这样，当黑洞刚刚被提出来的时候，几乎没有人相信宇宙中真的会有

    这样奇怪的天体。后来，著名的物理学家霍金和别人一起发现，似乎宇宙中出现

    这样的一种奇怪天体是不可避免的。随着相对论被一个又一个的实验所证实，科

    学家们的信念更加坚定了。但是，科学精神有一条非常重要的原则，那就是“非同

    寻常的主张，需要非同寻常的证据”。黑洞显然是一个非同寻常的主张，那就必须

    要有非同寻常的证据。要最终证明黑洞的存在，必须要找到天文观测的证据。于

    是，天文学家们开始了艰苦卓绝的努力。在几十年以前，黑洞的真实性一直是天

    文学中最大的未解之谜。

    直到20世纪70年代，天文学家们才普遍猜测有一个过去一直搞不明白的奇怪天体很有可能就是黑洞。这个天体距离地球大约6000光年，放出非常强烈的X

    光。你可能会奇怪，不是说黑洞不发光吗？怎么又会放出强烈的X光呢？这是因

    为物质在向黑洞的坠落过程中，会形成一个围绕着黑洞的大旋涡，这被叫作吸积

    盘，因此X光不是黑洞发出来的，而是吸积盘中的气体高速摩擦发出来的，这些X

    光可以看成是黑洞存在的间接证据，但并不是直接证据。

    但即便是这样的间接证据也是很罕见的。我能查到的公开资料显示：截止到

    2007年，天文学家们努力了半个多世纪，也仅仅找到了17个黑洞候选者。第一份

    黑洞存在的直接证据一直要到2015年9月14日才出现。那一天，位于美国汉福德

    区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信

    号。经过8个月的分析论证后，在2016年6月16日清晨，美国科学家正式向全世界

    宣布：这个持续了不到2秒的引力波信号正是两个黑洞并合产生的引力波信号，在茫茫宇宙中穿行了13亿年，才抵达地球，恰好被人类捕捉到。

    从黑洞存在之谜被提出到解决，恰好过去了100年，但人类对黑洞的研究其

    实才刚刚起步，因为，科学家们发现，关于黑洞还有更多的未解之谜在等待着解

    答。

    为了帮助大家更好地了解黑洞，我汉化了一个来自国外知名的关于宇宙的视

    频，你只要在我的微信公众号“科学有故事”中回复“黑洞一”，就能观看了。

    黑洞内部什么情况？

    看一看

    关于黑洞，所有人最想知道的第一个谜题就是，黑洞的内部到底有什么？当然，这样的问法可能并不是十分严谨，比这更好的问法是：如果我们能穿过黑洞

    的视界面，会遇到什么情况呢？

    这个问题，一直是几十年以来，天体物理学家们致力解决的重大谜题之一。

    要把这个问题讲清楚，我们要从黑洞的物理性质说起。黑洞是目前人类已知

    的、宇宙中最简单的天体，只需要用三个物理参数就可以描述一个黑洞，它们

    是：质量、角动量和电荷。质量决定了黑洞的大小，但一个黑洞质量一定是大于

    零的。角动量是任何旋转的物体所具有的一种物理量，黑洞的角动量可以是零，表示该黑洞不旋转。电荷是衡量物体带电多少的一个物理量，黑洞的电荷也可以

    为零，表示该黑洞不带电。这样一来，我们就可以根据是否带电和是否旋转来把

    黑洞分成四种，也就是：

    第一种：不带电不旋转；第二种：带电不旋转；第三种：不带电旋转；第四

    种：又带电又旋转。现代的理论物理学家们已经可以用数学建模和计算机模拟的

    方式来推测黑洞内部大概是一种什么情况。

    我们先来看第一种，也是最简单的一种黑洞，不带电不旋转的黑洞，这种黑

    洞是一位叫史瓦西的物理学家最先提出来的，因此也被称为史瓦西黑洞。这种黑

    洞实在是太简单了，它只有唯一的一个参数，那就是质量。

    如果我是一个外部观察者，看着你驾驶着飞船飞向史瓦西黑洞，我会看到你

    的动作随着接近黑洞，就会变得越来越慢，因为黑洞附近的时间会变得越来越

    慢，我看到你的颜色也越来越红，因为光的频率被扭曲的时空越降越低，频率越

    低，我们人眼睛就会觉得颜色越红。到了黑洞的视界面上，光的频率已经被降到

    无限低了，所以，这里也被叫作无限红移面。请记住这个名词，后面还要频繁出

    现。对于史瓦西黑洞，视界面也就是无限红移面。当飞船接近黑洞的过程中，会

    被黑洞的潮汐力拉长，黑洞越小，潮汐力反而越大，飞船也会被拉得越长，超过

    一定的临界值，飞船就会被扯碎。我们现在假设你飞向的是一个超大质量的史瓦

    西黑洞，你不会被潮汐力扯碎，这时，如果镜头回到你自己身上，你又会看到什

    么呢？

    实际上，你并不会有太多的感觉，时间和空间从你的角度来看，都依然是正

    常的，只是如果你回头看宇宙背景的星光，会变得越来越蓝。你会看到一个黑乎乎的黑洞视界面离你越来越近，穿过视界面的一刹那，你不会有任何感觉，除了

    飞船上的电子仪器会发现来自宇宙中的一切电磁波信号逐渐减弱，直至全部消

    失。飞过视界后的情况科学家们就有分歧了。一些量子物理学家认为，飞过视界

    后，你马上会遇到一堵火墙，你会被烧得连渣也不剩。但另一些广义相对论学家

    认为，你会继续安然地朝着黑洞的中心，也就是奇点不可逆转地飞去。注意，此

    时的不可逆转不是因为你的飞船无法掉头往外飞，而是时间的箭头指向了奇点，不论你做什么，时间都是不可逆转的，它一定把你带向奇点。而且，不论黑洞的

    质量有多大，黑洞在你身上引起的潮汐力一定是随着靠近奇点而增大的，你和你

    的飞船迟早要被彻底扯碎成一个个的基本粒子，最后都被奇点无情地吞入。到底

    你是会被火墙烧死还是被潮汐力扯碎呢？对不起，这是一个宇宙未解之迷。

    说实话，史瓦西黑洞一点儿都不好玩。好在，宇宙中也是最不可能出现史瓦

    西黑洞的，因为要出现这种黑洞的条件极为苛刻，或许只有在宇宙大爆炸时才会

    诞生，又或许宇宙中压根就不存在这种黑洞。另一种带电不旋转的黑洞就要有趣

    得多。这种黑洞也被叫作R-N黑洞，以两位科学家姓名的首字母命名。

    R-N黑洞与史瓦西黑洞不同，它有两个视界面。当你穿过最外层的视界后，就会进入一个叫单向膜区的空间，这个空间的时间箭头指向黑洞的中心奇点，所

    以它是单向的，你不可能再出去了。在飞向奇点的过程中，你会撞到第二层视界面，也就是内视界面。进入内视

    界面以后，这里边是正常的时空，不是单向膜区，但是如果你想凑近奇点看看的

    话，你会发现，一股斥力推着你，死活不让你靠近，你想撞也撞不上去。过一会

    儿你发现事情不对劲了，时间似乎循环了。简而言之，你走了一个“闭合类时

    线”。这是物理学上的一个术语，表示四维时空沿着时间方向完成了一个闭环，形

    成了一个时间圈环，奇怪的事情将不可避免地发生，你将永远陷入时间循环中。

    但是，时间循环会产生讨厌的祖母悖论，会破坏很多科学家心目中神圣的因果律

    法则。所以，就有一些科学家坚持，一定还有尚未发现的物理法则阻止这种情况

    的发生，R-N黑洞的内部并不是我前面描述的那样。那R-N黑洞的内部到底是怎样

    呢？不知道，这是未解之谜啊。

    20世纪60年代，物理学家克尔又计算出了一种与R-N黑洞刚好相反的黑洞类型，R-N黑洞是带电不旋转，克尔黑洞则是旋转不带电。不久之后，在克尔黑洞

    的基础上，物理学家纽曼计算出了又带电又旋转的黑洞，这种黑洞就叫克尔-纽曼

    黑洞，这两种黑洞大同小异，因此我们放在一块儿来说。

    第一，旋转的黑洞是个扁球，不是圆的。因为一旋转，赤道就鼓起来了，地

    球也是赤道比两极略鼓。第二是无限红移面跟外视界分离了。无限红移面在赤道

    鼓出去一块。第三是内部有个沙漏状的内无限红移面，里面是正常时空。内外两

    个视界面之间是单向膜区。这个沙漏的喉部有个奇环，而不是奇点。在无限红移

    面和外视界面之间，有个非常神奇的能层。注意，这个能层实际还是黑洞的外

    部，并没有越过黑洞的视界。

    如果在能层中，飞船有一大块零件掉了下来，掉进了黑洞，这时候你会感到

    一股强大的动力把你从能层里面给踢出来了。外部观察者会看到飞船被弹出了能层，飞离了黑洞范围。电影《星际穿越》中飞船逃离黑洞就是利用了这个原理，男主不幸地充当了那个掉入黑洞的零件。

    刚才这个过程，它的原理并不是牛顿第三定律，也就是作用和反作用力，扔

    出一块零件，如果按照牛顿第三定律，产生的推力是极小的。这个原理最先是英

    国物理学家彭罗斯算出来的，叫“彭罗斯过程”。我们平常扔出一个球，这个球拥

    有的能量总是正的。但是在克尔-纽曼黑洞的能层里面，这个球的动能居然是负

    的。但能量守恒定律不会变，所以一个物体，分裂成两半，一半带有负能量，另

    一半必定能量增加。飞船掉进克尔-纽曼黑洞的能层会被弹出来，道理就是如此。

    如果你没有及时地扔出一个零件，那么你肯定会掉进克尔-纽曼黑洞的视界里

    面。接下去发生的一切，就纯属猜想了。

    穿过视界面，就进入单向膜区。钻黑洞，我们不是第一回了。单向膜区之前

    已经解释过，不被拉成面条就是万幸，至于拉成兰州风格的还是意大利风格的，要看黑洞内部的稳定性。穿过单向膜区，通过内视界面、内无限红移面，就会来

    到奇环附近。这里面有一个正常的时空，人可以存活。科学家们猜想，奇环可以

    把你传送到另一个宇宙中。这个宇宙可能是以斥力为特征的非常奇怪的一个宇

    宙。总之，这一切都还是宇宙未解之谜。

    但有一点几乎可以肯定，不管是哪种黑洞，进去了就永远不可能回到同一个

    宇宙了。黑洞的谜题还没完，咱们下节接着聊。

    最后推荐大家观看来自国外知名的讲解宇宙谜题的视频关于黑洞的一集，和

    上一节推荐的视频是连着的，这一节你只需要在我的微信公众号“科学有故事”中

    回复“黑洞二”，就可以观看了。

    黑洞蒸发和信息守恒

    黑洞这个概念在被提出的很长一段时间中，科学家们都认为黑洞就像是这个

    宇宙中的吸尘器，只进不出，它会伴随着宇宙一直存在下去。然而，英国物理学

    家霍金却对这个观念发起了挑战。这是怎么一回事呢？看一看

    原来，那些专门研究微观世界的科学家们发现，我们过去认为的真空其实并

    不是空无一物的。在真空中，总是会有一对一对的虚粒子不断地涌现出来，它们

    一个带有正能量，一个带有负能量，在极短极短的时间内，正负粒子又相互碰撞

    湮灭。我们打个比方，你在太空观察地球的海洋，你会发现海洋就像是光滑的玻

    璃珠的表面，当你下降到飞机航班的高度，你会看到微小的波纹。当你下降到海

    平面上，你会看到滔天的巨浪。真空就像是海洋，测量越是精细，真空的变化就

    越是剧烈。所谓的真空，其实就是一锅沸腾的虚粒子海洋，不断翻滚着虚粒子的

    泡沫和浪花。

    这个研究成果，给了霍金极大的启发，有一天，他突然想到，假如真空是虚

    粒子的海洋的话，那么黑洞就不可能一直稳定地存在了，黑洞有可能会像水滴一

    样蒸发掉。霍金是怎么想的呢？

    我之前说过黑洞那个黑乎乎的外壳叫作视界面，任何东西越过了视界面就别

    想再跑出来了。霍金是这样想的，如果在黑洞的视界面上突然生成了一对粒子。

    本来它们会再次碰撞相互抵消。但是，事不凑巧，那个负能量粒子掉进了黑洞视

    界面，正能量粒子在外边。因此它们再也无法见面，再也无法相互抵消了。于是

    这两个虚粒子就变成了真实的粒子。黑洞吃掉一个负能量粒子，自己的质量也就

    减少了一分。正能量粒子看起来就好像是从视界面上被发射出来一样。整体上

    看，就像是黑洞在不断地放出辐射，在不断地变小。霍金管这个过程叫作“黑洞蒸

    发”，这种辐射也被科学界称为“霍金辐射”。

    如果一个物体能放出辐射，那么就意味着它有温度。霍金计算出黑洞的温度

    和大小有关系。普通物体是温度越高放热越厉害，温度下降越快，最终和外界达

    到热平衡。比如，一杯热茶，放在那里你不去管它，最后温度总是会和周围的环境保持一致。但是，黑洞却很奇怪，它越是放出热量，温度反而会上升，因此黑

    洞是无论如何也不可能和外界达到热平衡的。越是小的黑洞温度反而越高，这也

    就意味着黑洞最终的命运都是蒸发殆尽。

    霍金的这个想法结合了相对论和量子力学，具有开创性，所以，霍金也因为

    这个成就迈入了顶尖物理学家的行列。

    不过，霍金辐射到底是不是真的，到目前为止依然是一个宇宙未解之谜，因

    为我们人类从来没有观测到这种辐射，原因在于这种辐射极其微弱，微弱到以人

    类目前的科技水平，根本不可能检测到一个遥远黑洞发出的辐射。而黑洞的蒸发

    速度又极为缓慢，以人类现有的观测技术，我们也不可能在有生之年检测出一个

    黑洞的质量在逐步缩小。这也是为什么霍金名气那么大，却没有获得诺贝尔物理

    学奖，原因还是在于我经常说的那句话，非同寻常的主张就需要非同寻常的证

    据。霍金的理论虽然从数学上来说，极为大胆创新，可是还没有证据。

    霍金辐射还引出了另外一个有关黑洞的未解之谜，这被称为黑洞信息悖论。

    所谓悖论，就是两个观点互相矛盾的意思。为了把这个问题给你讲清楚，咱们要

    先来了解一下物理学家嘴里所说的信息是什么含义。

    按照最简单的一种定义，信息就是能减少事物的不确定性的性质。我们来打

    个比方，对于一块蛋糕，你可以舔一舔尝尝是甜的还是咸的，你可以掂一下重

    量，你还可以看到它的颜色，这些都是信息。信息越是丰富，不确定性也就越

    少。假如你把蛋糕扔进黑洞，那么你就什么也无法知道了，不确定性几乎达到最

    高。我们人的感官有限，很多信息摆在我们面前我们也感知不到，一段文字被加

    密，尽管信息没有少，我们照样看不懂。但是，你从基本粒子的角度去看，你会

    发现信息变来变去，总数其实并没有少。因为，不论物质变成什么样的形态，都

    是基本粒子的排列组合。

    基本粒子总是遵守一系列的守恒定律，比如能量守恒。能量不能被创造也不

    能被消灭，总是从一个状态变成另一个状态。因此，大多数物理学家就认为，信

    息也是守恒的，一个量子所包含的信息是不能被复制的，也不能被消灭。不过，这里经常会产生一个误解，物理学家们谈论的信息守恒，准确地说，我的理解是

    信息量守恒。如果把《时间的形状》这本书给烧掉，那么，书上所表达出来的地

    球人能理解的那些内容信息都消失了，但是，内容是人的主观赋予的，并不是一种客观实在的物理性质，书上的内容虽然消失了，但是组成这本书的每一个基本

    粒子的所有物理性质却不会消失。因此，从基本粒子的角度来说，信息量是守恒

    的。

    现在我们把一本书扔进黑洞，这本书的信息量还守恒吗？过去，科学家们认

    为，还是守恒的，虽然我们搞不清黑洞内部的情况，但信息还是应该以某种形式

    存在的。现在好了，霍金先生搞出了一个霍金辐射，说黑洞最终会蒸发殆尽的。

    那这么一来，岂不是这本书的信息就永远消失了吗？

    于是，很多搞量子研究的科学家非常反对黑洞蒸发的理论，不光是因为信息

    守恒被破坏，更要命的是，如果信息守恒被破坏，还会破坏另外一个看上去更天

    经地义的法则，那就是概率的总和是100%，你抛硬币，正反面出现的概率加起来

    如果不是100%，这不是见鬼了吗？

    面对这样的质疑，霍金的态度也很强硬，他说，信息守恒不是金科玉律，谁

    说信息一定要守恒啊。为此，霍金还跟人打赌，可是过了7年，也就是到了2004

    年，霍金公开认输，他说自己搞错了，信息是守恒的。但是他说黑洞蒸发理论没

    错，关键在于，以前我们认为黑洞蒸发，所有的信息也跟着蒸发消失了，其实不

    是。其他物理学家也发现，霍金辐射是可以把信息从黑洞里带出来的。这样一

    来，黑洞蒸发并不破坏信息守恒法则。

    实际上，解决黑洞信息矛盾的办法还有一些，有的科学家认为，黑洞的表面

    就是一张全系膜，别看是二维的，掉进去的东西包含的信息其实都记录在了这张

    二维的膜上。信息没有进入黑洞，当然就是守恒的。

    也有人说，物质掉进黑洞之前会撞上一道火墙，会把物质烧到渣都不剩。这

    样信息就留在了黑洞之外。也有人说，黑洞附近的时空太特殊了。你要是掉进黑

    洞的话，你会感觉穿透了视界面，但是远方的观察者会觉得你被烧毁了。因为观

    察位置不同，看到的结果也是大相径庭的。

    霍金在晚年时，对很多理论都做了修正，他认为过去的很多计算只是考虑了

    极端情况。所以在网络上常常能见到诸如霍金被推翻、霍金认错之类的标题党，其实他只是做了一部分修正。

    总之，到现在为止，黑洞蒸发到底会不会破坏信息守恒，依然还是一个未解之谜，因为没有办法做实验验证。

    物理学史上各种反转的案例并不少见，例如引力波就经历过从提出到被否定

    又被证实的曲折过程。黑洞蒸发是否打破信息守恒的问题，现在还很难下结论。

    但这不奇怪，科学就是这样在不断的质疑和探索中一步一步向前迈进的。

    好了，讲到这里，我们关于黑洞的话题，就全部结束了。关于黑洞蒸发原理

    的生动展示，大家可以到“科学有故事”的微信公号中回复“黑洞三”进行观看。恒星光变之谜

    塔比星光变

    开普勒望远镜的工作原理

    美国东部时间2009年3月6日晚上10点49分，一枚德尔塔2型运载火箭从佛罗

    里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，这次发射在人类的天文学史上留下了重

    重的一笔。火箭搭载的是美国宇航局发射的首颗专门探测类地行星的太空望远镜

    ——“开普勒望远镜”。它的科研任务是对银河系内10万多颗恒星进行探测，希望

    搜寻到能够支持生命体存在的类地行星。

    开普勒望远镜的主要工作是死盯着银河中的一块固定区域，每隔30分钟采集

    一次数据。每个像素对应一颗恒星，开普勒望远镜并不需要拍照片，只要记录每

    个像素的亮度变化就足够了。假如有某个恒星的亮度突然发生了变化，那必定是

    有蹊跷的。

    随着海量数据被发回地面，NASA的科学家们根本就处理不过来了，他们让

    计算机来分析这些恒星的亮度是不是会变化。假如会突然变暗，过一阵子又恢复

    了，很可能是这颗恒星带有行星，行星恰好从恒星的表面经过，遮挡了恒星的光

    辉。假如是木星这么大的天体遮挡了太阳，那么太阳的亮度大约会减低2%，地球

    大小的天体是木星遮挡效果的111，地球毕竟比木星小得多。所以，开普勒望远

    镜必须非常灵敏，哪怕恒星的光减弱了11000，也会被记录下来。只有这样才能

    发现地球大小的行星。

    变光曲线之谜

    一颗恒星的亮度一般来讲是很稳定的，如果用横轴表示时间，纵轴表示恒星

    的亮度，我们可以画出一条变光曲线。假如一颗行星遮挡了恒星，我们会在变光

    曲线上看到一个明显的凹坑，假如过一阵子这颗恒星的变光曲线又出现了这样的

    凹坑，我们就有把握断定，这颗恒星带有一颗行星。凹坑的深度代表了行星的大小，凹坑的宽度就代表了行星运行的周期，坑越宽，行星运行的周期也就越长。

    开普勒望远镜每天都在产生大量的数据，靠人工分析是根本赶不上进度的，因此必须用计算机程序去做自动分析。尽管计算机程序也很给力，但是科学家们

    仍然在担心，万一计算机漏掉什么稀奇古怪的东西呢？

    计算机和人眼孰强孰弱恐怕是很难得出完美结论的。毕竟机器不会疲劳，不

    会打盹，速度又很快，人可没有不眠不休、不知疲倦的本事，但是人的模式识别

    能力是无与伦比的。

    引起恒星光度变化的情况有很多，比如双星互相绕行也会引起光度的变化，但是这种变化与行星遮挡有区别。恒星也可能带着一大串的行星，太阳就带着8

    颗大行星。这种多行星系统的变光曲线会非常复杂，计算机恐怕会认不出来。恒

    星表面也会发生爆发，亮度突然增加，也可能会出现一大群黑子引起整体亮度的

    下降。这些情况都是很难瞒过人眼睛的，却有可能骗过计算机。

    于是耶鲁大学、牛津大学的天文学家和芝加哥阿德勒天文馆合作推出“行星猎

    手”计划。把开普勒望远镜公布的观测资料通过互联网，以某种方式分发下去，请

    其他国家的科学家或者是爱好者用自己的眼睛挖掘新的行星。靠着网络上无数热

    心参与的志愿者，科学家们从1200万条观测资料中又挖出了大约34个被计算机忽

    略的行星候选者。

    也正是靠着人的一双慧眼，志愿者从资料中挖出了一颗比地球重50多倍的行

    星在围绕着四重星之中的两颗公转。这颗行星被命名为PH1，这是“行星猎手”计

    划抓到的第一颗行星。这个恒星系统非常复杂，它的变光曲线计算机认不出来，幸好被人眼挖出来了。

    塔比星的由来

    尽管很复杂，但是科学家们也还是可以作出清晰的解读。不过，一个奇怪的

    现象从2011年起被注意到，有一颗恒星特殊的变光曲线引起了大家的关注，这颗

    恒星的变光曲线太过奇葩，现有的理论实在是难以解释。

    这颗恒星的编号是KIC8462852，俗称“塔比星”。在2009年，它的光度曲线出

    现了下降的趋势，也就是光在减弱，但是看曲线根本不像是被一颗行星遮挡了。因为行星遮挡总是非常干净利落：光度曲线马上下降，然后平稳地维持一段时

    间，然后迅速地恢复，一般持续时间也就几个钟头。可是塔比星不同，它是缓缓

    下降，足足持续了一个礼拜。而且下降与恢复阶段从曲线上看是完全不对称的。

    这是怎么回事儿呢？大家只能猜测，或许这个行星并不是圆的，难道是个歪瓜劣

    枣，有这么大的歪瓜劣枣吗？

    2011年3月又出现了一个新的情况，塔比星的亮度在一个星期的时间内减弱

    了15%之多，然后在两三天之内恢复了正常。15%对于恒星来讲是非常大幅度的

    光度变化，很难用行星遮挡来解释了。

    到了2013年2月，塔比星又出现异常情况，在光度曲线上看出现了一连串的

    毛刺，也就是一连串的光度减弱。有时候保持一两天，有时候则持续一周。这一

    连串的光度减弱现象陆陆续续持续了100天左右，下降幅度超过了20%，假如真的

    是什么天体遮挡了塔比星的表面造成亮度的下降，那么这个遮挡物的大小一定是

    地球的1000倍。这下大家彻底糊涂了，这是怎么回事儿呢？

    2015年4月，塔比星又一次出现异常，出现了新一轮的光度下降。本来，这

    颗奇葩的恒星无人知晓，但是2015年的年底，这个家伙被志愿者从一大堆的数据

    之中给揪出来，呈现在了大家的面前。这么复杂的变光数据逃过了计算机的检

    查，即便是人工查找也很容易被忽略，但是这恒星实在是太奇葩了，所以塔比星

    在行星猎手志愿者之中引发了一连串的议论。这些数据反馈到天文学家那里，天

    文学家们的第一反应是数据出问题了。他们仔细核对了数据以后发现记录是可靠

    的，这个塔比星的光度曲线就是这么神秘莫测。天文学家们顿时觉得一个头两个

    大，他们也无法解释这一现象。

    大家在开普勒的数据库里搜索了一大圈，发现了1000个类似的情况，经过人

    的手工筛查，这些结果都可以用其他方法解释，塔比星的这种特殊曲线可算是唯

    一的案例。这也就无形中增加了研究的难度。

    现在，天文学家们用地面的一系列望远镜组成的网络来持续监视塔比星。

    2017年5月，塔比星开始了新一轮的光度变化，每天的变化都有2%之多，似乎塔

    比星的光度每隔1500天左右就会出现一连串的大幅度变动，断断续续会持续很长

    一段时间。戴森球

    就在行星猎手们热烈讨论塔比星的时候，另外一位天文学家贾森·莱特也在写

    一篇论文，论文主要谈的是开普勒望远镜的观测精确度问题。他认为，依照开普

    勒望远镜的观测水平，是有可能发现外星的巨型人工建筑的，可是现在什么也没

    能发现，可见开普勒盯着的方向上并没有什么外星智慧生物。

    可是，别人把塔比星的数据拿给他看的时候，他惊得下巴都快掉下来了，他

    沮丧地说，看来论文要重写了。如何验证塔比星周围有没有智慧生物呢？最好的

    办法是去问问SETI项目组的人。

    SETI计划的全称是“地外文明搜索计划”，这个项目是用射电天文望远镜来监

    听整个宇宙有没有人工发射的有规律的无线电信号。假如真的收到这种非自然的

    信号，那么就可以断定存在外星智慧生命。但是他们已经连续监听了五十多年，什么有价值的信息也没有发现。对于他们来讲，塔比星是一个非常合适的目标。

    就在准备申请SETI观测的这个档口上，消息被各大媒体知道了，于是，天文

    学家发现了“戴森球”的传闻就开始不胫而走。戴森球是一种假想的巨型建筑，假

    如外星人对能源的需求特别巨大，而且外星人的科技水平也特别高超的话，有可

    能会把整个恒星的能源全都搜刮干净，他们会向太空中发射无数个环日太阳能采

    集器，把整颗恒星包裹起来。物理学家戴森首先提出了这个概念，因此这种巨型

    建筑也被称为“戴森球”。

    那么塔比星奇异的光度变化有可能是外星人在建造戴森球吗？

    如何解释塔比星光变

    上一节，我们了解到塔比星的变光曲线非常诡异，不由得让人想起了科幻题

    材最喜欢的“戴森球”，那么塔比星的光度变化会不会真的是外星智慧生命在建造

    戴森球呢？于是科学家们开始用各种形状的遮挡物来计算光度曲线的变化，假如

    遮挡物是个三角形，那么会造成光度曲线的何种变化呢？过去大家根本不敢往这

    个方向去想，因为大型天体一般都是流体的静平衡状态，也就是球形。现在恐怕

    也不能排除奇形怪状这种可能性了。目前没有发现哪种规则的几何图形会产生类

    似塔比星的变光曲线，因此这条路是很难走通的，必须结合其他的信息进行综合分析。

    那么能不能利用SETI项目的射电天文望远镜来监听是不是有外星人信号呢？

    科学家们当然不会放过这种手段。科学家们调动射电望远镜在各个波段进行了监

    听，但是听来听去，也没发现什么有意义的信号。

    只凭借开普勒望远镜的观测数据，以及地面望远镜最近收集的数据，恐怕还

    是远远不够的。因为塔比星的变光周期似乎比较长，假如积累了足够多的周期的

    数据，科学家们有可能会发现点儿新的信息。那就必须到废纸堆里去翻找过去的

    资料。

    哈佛大学天文台从1885年开始累积了超过50万张玻璃底片。他们在2001年启

    动了DASCH项目，对这些跨度超过一个世纪的底片进行数字化扫描。美国天文学

    家研究了塔比星在哈佛照相底片中的存档，发现这颗星在过去一个世纪以来正在

    持续变暗，速率是每世纪0.165±0.013等，或相当于每年0.152±0.012%。但是德国

    天文学家独立分析数据后发现，这种变暗是底片在校正过程中的误差引起的，并

    不是恒星真实的变暗。

    因为20世纪50年代，哈佛大学天文台的台长门泽尔削减了观测预算，在他任

    职的这些年，数据上存在一个大空档，这被称为“门泽尔空档”，两个阶段的仪器

    状态不一样，有可能引入观测误差。所以仅有哈佛天文台的数据还是不够，德国

    人还检查了德国松纳贝格天文台的照相底片。这个天文台从20世纪30年开始就有

    计划地扫描整个天空，对整个天空拍照记录，塔比星所在的天区曾经在1934年被

    拍摄过，后来又被拍摄过很多次，最晚的记录是1995年，总共有1200多张。他们

    发现这六十多年里塔比星的亮度基本是恒定的，误差正负不超过3%。

    假如外星人真的是在建造戴森球，那么随着工程的逐渐推进，塔比星被遮挡

    的部分应该是逐渐变多的，那么光度应该呈现渐渐变暗的趋势。但是科学家翻找

    了100年的历史记录，并没有发现这样的情况。最起码是在人类拥有记录的这100

    年里，外星人停工歇业了，工程没有进展。

    我们不妨开启脑洞来补完整个过程，外星人建立一个戴森球工程，建立了一

    片能够覆盖塔比星截面20%的太阳能采集器。采集器当然不是一个单独的整体，而是无数小的采集器构成的，就像是一片云彩，整体的形状是不规则的，这也就造成了塔比星的亮度下降不规则。但是外星人的这个超级工程已经成了一个烂尾

    工程，最起码在我们人类有记录的这100年中，他们没有继续开工建造。

    这个说法似乎可以解释塔比星诡异的变化数据，也很受科幻迷的欢迎，但天

    文学家们不太认可这么大的脑洞。

    又有科学家分析了开普勒望远镜的数据，他们发现最近一段时间塔比星亮度

    持续缓慢下降是不争的事实。似乎外星人在最近几年恢复工作，又开始继续建造

    戴森球。

    大家又去分析ASAS项目的数据，ASAS项目是两组地面小望远镜的观测数

    据，一组在夏威夷，一组在智利。从1997年开始，两组望远镜就开始运行了。综

    合一系列小望远镜观测到的数据，塔比星的光度变化更加复杂了，不但有变暗，还有变亮的情况。看来这就不能用外星人建造戴森球来解释了。

    如何解释？

    那么塔比星的诡异变光曲线有没有更加自然的解释呢？当然是有的，而且还

    很多：

    1.仪器误差造成的：但这个解释最苍白，那么多仪器难道都测错了？

    2.太阳系中某个天体的遮挡：假如在太阳系内1万天文单位距离的奥尔特云

    区域有一个大小为1天文单位的东西，就有可能造成这样的遮挡。我们对于奥尔

    特云的了解还很少，不能排除有这种可能性。

    3.星际物质遮挡：这种可能性是存在的，但是为什么只遮挡塔比星不遮挡别

    的天体呢？这恐怕也不好解释。

    4.超大光环：大家仔细观察土星的光环，一圈圈的纹路非常复杂，塔比星万

    一有一颗行星也携带超大光环，的确是可以造成复杂的遮挡效果。不过这个光环

    实在是太大了，恐怕行星是弄不出这么大的光环的，中子星或者白矮星倒是有可

    能。现在我们并没有发现塔比星存在伴星，这个解释也说不通。

    5.恒星级黑洞吸积盘：假如塔比星旁边有个黑洞绕着塔比星旋转，黑洞带着

    一个吸积盘，吸积盘的确也可以造成复杂的遮挡效果。御夫座的柱一周围就存在着一个巨大的盘状天体，每27年把主星遮挡一次，每次持续1.5年。但是这个解

    释也说不通，遮挡的时间这么长，轨道半径必定非常大，起码几十光年。可是塔

    比星太小了，引力范围太小，不可能有黑洞在这么远的距离上绕着塔比星转圈

    圈。

    6.大群彗星：彗星的形状并不对称，慧头和长长的慧尾遮挡效果并不一样。

    这就很容易解释为什么光线的减弱和恢复是不对称的。要挡住主星20%的光，需

    要30颗半径100千米或者300颗半径10千米的彗星，哪来的这么多的彗星啊？

    7.大批黑子遮挡：但大多数科学家认为，塔比星这种类型的恒星是不可能长

    出那么多、那么大面积的黑子的，可能性也很小。

    8.恒星内部原因：现在还没有任何一种恒星内部的理论能解释这种不规则的

    脉动。

    9.大行星或者褐矮星砸进了塔比星：大天体撞进恒星的话，或造成恒星亮度

    突然暴涨，然后慢慢地恢复原本的亮度，开普勒望远镜正巧看到了变暗的阶段。

    这个假说比较壮观，需要更多的证据才行。

    如何分辨？

    我们要明确一个概念，那就是能量是守恒的。假如塔比星周围存在大量的尘

    埃，那么尘埃是会遮挡星光的，但是尘埃也会被晒热，有温度的物体都会辐射出红外线。也就是塔比星辐射出的可见光被尘埃转化成了红外线，转化过程的总能

    量是守恒的。分析一下塔比星的星光，并没有大量的红外线成分，和普通的恒星

    没什么两样，这是目前非常大的一个疑点。凡是用尘埃、气体云的遮挡来解释变

    光曲线的都绕不开这个规律。

    行星碰撞必定会引起大量的尘埃，这些尘埃会造成红外线成分大量增加，现

    在也没有看到这样的情况。戴森球也会造成红外线成分偏多，但是戴森球是可控

    的，也许会采用集中排放热量的方式，也就是红外线的排放是朝着某个方向的，不对着地球的话，我们就观察不到多余的红外线。所以即便观察不到多余的红外

    线也不能完全排除戴森球的可能性。

    我们到底该如何判断是不是戴森球呢？其实是有个办法的，那就是测量塔比

    星的距离。我们可以利用塔比星的亮度来计算距离，我们也可以利用三角测量法

    来测量塔比星的距离。假如这两个距离相差太大。亮度距离远大于三角测距，那

    么就说明塔比星的亮度比理论值低了好多，为什么亮度会那么低呢？这时候最合

    理的解释恐怕就是戴森球包裹导致的。

    目前看来，一切都还是猜测，各种解释也都有很多的缺陷，从光谱和变光曲

    线来看，塔比星实在是超越了我们以往的一切经验，目前这还是一个新鲜出炉的

    宇宙未解之谜。这一切只有留给未来的研究者了。外星生命之谜

    火星生命之谜

    看一看

    我们今天开始讲外星生命。科学精神中有一个很重要的概念希望大家记住，那就是在讨论一个重要的概念之前，要先把这个概念给定义清晰。只有概念清晰

    了，才能进行有效的讨论。否则就很容易陷入你说你的、我说我的那种尴尬境

    地。

    所以，我要先把外星生命的定义给说清楚。所谓外星生命就是地球以外的符

    合人类现有认知水平的生命。比如，我们所知的任何生命都离不开液态水，并且

    都是基于化学元素碳(C)的有机分子组合成的复杂有机体。有些同学可能就要

    发问了：凭什么外星生命非要和我们地球上的生命形式一样呢？地球上的生命都

    是以碳元素为基础的，那说不定外星生命是以硅元素为基础的呢？凭什么外星生

    命也一定需要水呢？

    这就是科学思维和普通思维最大的区别之一，真正的原因不是科学家一定要

    把水设定为生命之源，而是科学诞生的几百年以来，经过科学家的最大努力，也

    依然无法找到任何离开液态水可以保持活动状态的生命的证据。科学思维的第一

    条就是质疑，当然包括对液态水是否是生命必要条件的质疑，历史上有无数的科

    学家都质疑过这一条。但如果仅仅只是质疑，那还不能叫作科学家，也不能称为

    科学思维。比质疑更重要的第二条就是需要探索和实证，经过了一百多年的努力探索，这种努力到现在其实也没有停止过。但是很遗憾的是，我们没有发现任何

    可以脱离液态水而保持活动状态的生命，既没有找到直接的证据，也没有找到间

    接的证据。

    所以，在现有的情况下，我们在寻找外星生命的时候，只能把液态水作为生

    命存在的必要条件。还有一个用同样逻辑推导出来的必要条件，就是任何生命都

    需要能量来维持活动。要存在提供能量的物质也是必要条件之一。

    实际上，从未有科学家否认过宇宙中存在着人类未知的生命形式，相反，大

    多数科学家以及包括我在内的大多数普通人，也都相信未知生命形式是存在的。

    但问题是，既然它是未知的，那么我们怎么谈论它呢，又何谈去寻找呢？未知就

    意味着一切可能，而一切可能其实是对具体的科学活动没有指导的。“一切皆有可

    能”不过是“什么也不知道”的一种好听的、等价的说法而已。一场理性的谈话或者

    理性的探索活动，只能建立在已知的条件下，慢慢往前探索，对于未知的生命形

    式，只能排除在科研活动之外。

    在后面的讨论中，当我说“外星人”时，指的就是具有智慧和文明的外星生

    命。有关外星生命的谜团恐怕与著名的哲学三问同样基本。哲学家经常问的三个

    问题是：我们是谁？我们从哪里来？我们要到哪里去？而科学家往往会追加第四

    个问题：我们在宇宙中是孤独的吗？在这个问题中，又包含了两个重要的宇宙未

    解之谜：太阳系中有外星生命吗？宇宙中有外星人吗？

    我们先从太阳系开始说起。

    在1965年之前的100多年中，人类是坚信太阳系中还有外星生命的，并且天

    文学家们还相信在火星上住着火星人，它们的文明程度不亚于地球人。这是因

    为，以意大利的亚帕雷利、法国的弗拉马利翁和美国的洛威尔为代表的天文学家

    们，都声称通过望远镜看到了火星运河，甚至是火星上随着季节变化的“庄稼”。

    然而，1965年，美国人发射的水手四号火星探测器成功地近距离掠过了火

    星，种种关于火星运河和火星人的幻想都破灭了，火星是一颗毫无生机的荒凉星

    球。

    随着一颗又一颗的宇宙探测器被发往太阳系的各颗行星，人类已经把所有可

    能存在生命的太阳系大行星或者大行星的卫星都探访了一遍，现在我们可以肯定地说，太阳系中不存在外星智慧文明。

    但这并不意味着太阳系外星生命之谜也得到了破解，恰恰相反，最近这几年

    的太空探索活动让科学家们对这个谜团更加着迷了。现在，人类的目光聚焦到了

    三颗最有可能存在外星生命的星球上，他们是：火星、土卫二(也叫恩克拉多

    斯)和木卫二(也叫欧罗巴)。

    我们先讲火星。

    这是人类最为之着迷的外星球，没有之一。从1960年苏联发射第一颗火星探

    测器开始至今，人类就几乎没有中断过朝火星发射探测器。苏联、美国、俄罗

    斯、欧洲太空局、日本、中国、印度都曾经发射过火星探测器，截止到2017年，一共有55次发射，成功率大约是45%。日本在1998年发射的希望号和中国在2011

    年发射的萤火一号都失败了。在25颗发射成功的火星探测器中，有6颗成功地登

    陆了火星，全部是美国人发射的 ①。第一个成功踏上火星地表的探测车是1997年

    7月4日成功登陆火星的火星探路者号，人类终于首次清晰地看到了火星的地表，那是一个看上去一片红色的戈壁，到处布满了大块大块的岩石。

    要在火星上找到生命的第一步就是找到液态水，这是人类已知生命形式中绝

    对不能缺少的材料。那么，我们有没有在火星上找到水呢？

    2015年9月25日，星期五，美国宇航局突然发布了一篇新闻稿 ②

    ，只有寥寥

    数语，但是内容绝对轰动，上面说：“NASA宣布已经解决了火星的未解之谜，一

    项重大的科学发现下周将在NASA总部揭晓，我们周一见。” ③

    好一个周一见，吊

    足了人们的胃口，在我的印象中，美国宇航局还是第一次这么干。于是，全世界

    的科学迷都在热烈地讨论着周一到底要宣布什么重大发现。难道说，NASA在火

    星表面发现了地外生命？没有什么发现能比这个更重大的了。但是，我当时就觉

    得不可能，因为如果真是发现了地外生命，那么召开发布会的应该是白宫而不是

    NASA。细心的人注意到了一个细节，在参加新闻发布会的专家名单中，欧嘉

    (Lujendra Ojha)的名字赫然在列。这位欧嘉先生当时只有25岁，他21岁时就登

    上了全球的头条新闻。因为他发现了一组火星陨石坑的照片，显示在比较暖和的

    月份里，火星上有液态盐水流动。他和另一位专家麦克埃文一起写了一篇论文，发表在了顶尖期刊《科学》上。21岁就能在《科学》上发表论文，这非常了不

    起。那么，NASA的这次发现会不会跟水有关呢？其实这之前关于火星上有水已经有了不少突破性的发现了。大约40年前，科

    学家们根据照片推测火星有着大约3200米厚的极地冰盖，很可能保留着没有被蒸

    发掉的剩余的水分。2010年在对火星气候变化的研究中，则发现了地下水的间接

    证据。而好奇号探测器2013年发现每立方英尺的火星土壤中有2%的水分子。但

    是，这一切都不是火星上有水的直接证据。科学中，最重要的就是证据。一切科

    学新发现都要用证据来说话。

    令人无比煎熬的三天终于过去了，周一到了。发布会来了 ④。答案也揭晓

    了，首席科学家迈耶郑重宣布：在某些条件下，我们在火星上找到了液态水。

    这里我补充说明一下，这次发现的仍然是高浓度的盐水。美国《国家地理》

    杂志在报道时用了“最具权威的、最可靠”一词 ⑤ 。这个证据是什么呢？原

    来，通过火星探测轨道器上的成像光谱仪，研究人员在火星山坡表面找到了水化

    矿物的痕迹，从这些斜坡表面能看到一些神秘的条状纹路。在温度比较高的时

    候，这些条状纹路的颜色会变深，似乎随着陡峭的山坡往下流；而在温度较低的

    时候，这些条状纹路颜色会变浅 ⑥ 。当温度超过零下23摄氏度时，它们会出现

    在火星上的几个位置，而温度更冷时，它们就消失了。含水的盐会降低盐水的冰

    点，就像在地球上，我们往道路上撒盐，冰雪会融化得更快。科学家们表示，这

    可能是浅层的地下水流动，有足够的水慢慢流向表面，才能解释得通条纹的变

    深。

    既然火星上有水，那么火星上有生命吗？早在2013年时，NASA通过对比火

    星表面的岩石样本后发现，火星在远古时期存在支持微生物存活的环境 ⑦。现在

    有了水，微生物存活的可能性就更大了。另外，卫星曾经拍到过一组照片，从照

    片上可以看到火星地下洞穴的入口 ⑧

    ，这些洞穴中，就有可能存在水坑，里面是

    否会存在生命呢？我们现在不知道。

    火星生命之谜是目前行星科学中最有分量的未解之谜之一，我们期待着更多

    好消息的出现。下一节我继续给你讲太阳系中另外两颗迷人的星球，木卫二和土

    卫二，也就是欧罗巴和恩克拉多斯。

    木卫二、土卫二和奥兹玛伽利略在400多年前发现了木星最大的四颗卫星，其中被伽利略命名为2号的

    卫星就是后来令无数科学家万分着迷的木卫二——欧罗巴星。在美国科幻大师阿

    瑟·克拉克的名作《2010太空漫游》中，惊险的外星怪兽的故事就发生在欧罗巴星

    球上。为什么这颗星球会如此令人着迷呢？1979年3月5日，旅行者1号太空探测

    器抵达木星轨道，成功地近距离拍摄了欧罗巴的照片，人类第一次看清了这颗奇

    特星球的外观。欧罗巴是一个巨大的冰球，是真正的水冰，表面上分布着各种弯

    曲的褐色条纹，就像是冰与奶油巧克力的混合物。留给科学家们的两个谜团是：

    第一，那些褐色的物体到底是什么？第二，冰层下面会不会有液态海洋呢？正是

    这次旅行者号的探测，给了无数科幻作家绝佳的创作题材。

    看一看

    为了解开欧罗巴的谜团，美国宇航局又制造了伽利略号宇宙探测器，在1995

    年再次拜访了木星，伽利略号安装了更加先进的探测设备。经过长达8年的探

    测，各种证据表明，欧罗巴的冰层下面很可能就是液态海洋，而那些褐色的物质

    是冰下渗出的海水挥发后沉积下来的盐。

    2016年9月，美国宇航局又搞出了一个大新闻，哈勃太空天文望远镜拍摄到

    了疑似欧罗巴表面水汽羽流的喷发物，也就是说，欧罗巴上面很可能有巨大的喷

    泉。这就更加坐实了冰层下面有海洋的推测。

    这个意义非常重大，因为有了海洋，就有可能存在生命，哪怕是在伸手不见

    五指的深深的大洋底下。

    20世纪70年代，阿尔文号在地球上的大洋深处发现了极端环境下悠然自得的

    各种生命，而这种环境不会比欧罗巴的海底好多少。在很长一段时期内，我们一

    度认为太阳系中最有可能存在外星生命的就是欧罗巴。然而，北京时间2017年4月14日凌晨的一条大新闻，却将全世界科学爱好者的目光投向了另外一颗星球。

    这颗星球就是土卫二——恩克拉多斯。

    土卫二是200多年前由威廉·赫歇尔发现的，但是从地球上很难观测到土卫

    二。旅行者1号和2号宇宙探测器为我们带回了关于土卫二的各种信息，它与欧罗

    巴很像，也是一个大的冰球。月球的体积差不多是土卫二的340倍，但是质量却

    是它的约100倍，所以，土卫二的密度比月球要高很多。那么，在土卫二的冰层

    下面，是否有液态海洋呢？

    1997年，美国宇航局发射了卡西尼号太空探测器，目标是土星。在太空中孤

    独地飞行了7年多后，2004年成功泊入土星轨道。卡西尼号对土星进行了长达10

    多年的探测，不断地给人类带来惊喜。

    2017年4月，美国宇航局向全世界宣布，根据卡西尼号的探测数据，土卫二

    很可能存在生命，因为它具备了孕 ......