我们已知宇宙有一个起点，这个起点是存在于过去的一个有限的可度量时刻。那么，我们自然会继续追问“宇宙将如何走向终点”？

正是这个问题让我从粒子物理专业转向对宇宙学的研究。在20世纪70年代和80年代，我们精细测量了银河系中的恒星和气体的运动，还获取了比星系更大的星系团（多个星系组成的星系集团）中星系的运动信息。这使我们越来越清楚地认识到，宇宙中的东西比我们用眼睛或者用望远镜所能看到的多得多。

在星系的巨大尺度下，引力主导着万物的运动，因此测量星系中物体的运动，我们就可以探知驱动这些运动的万有引力。这样的测量始于20世纪70年代初美国天文学家薇拉·鲁宾（Vera Rubin）及其同事的开创性工作。鲁宾从乔治城大学取得博士学位。她上的是晚间课程。因为她不会开车，上课期间她的丈夫会在车上等她。她曾申请过普林斯顿大学，但在1975年之前，普林斯顿是不招收女性攻读天文学研究生的。鲁宾是第二位获得英国皇家天文学会金奖的女性。她获得这个奖项和其他许多荣誉一样当之无愧，都是因为她做出了突破性的工作，即测量了我们所在星系的旋转速度。通过观测距离银河系中心更远的恒星和高温气体，鲁宾发现它们所在区域的运动速度很快，快到远远超过之前人们所做的推算。之前的推算中假设了驱动这些区域运动的引力仅是由星系内可观测物体的总质量所提供。由于她的工作，宇宙学家们才最终明确，解释这种运动的唯一方法是假设在我们的星系内明显存在更多的物质，其质量远远超过所有恒星和高温气体质量的总和。

然而，这样的假设存在一个问题。同一种计算方法能够精妙地解释宇宙中观测到的轻元素（氢、氦和锂）的丰度，也能大致告诉我们，宇宙中组成普通物质的粒子（如质子和中子）的数量。这是因为，“烹饪”原子核像制作任何食品一样，最终成品的数量取决于开始烹调时采用的每种食材的数量。如果你把食材加倍，那么你做出来的东西就会更多。例如用四个鸡蛋就比用两个鸡蛋做出的煎蛋卷更大。产生于大爆炸的宇宙中的质子和中子的初始密度，是由拟合观测到的氢、氦和锂的丰度所决定的。然而，这个初始密度大概是我们在恒星和高温气体中所测量出的密度的两倍。那么，那些多余的粒子去哪里了？

想把质子和中子隐藏起来很容易，因为不发光的物体很多，雪球、行星、宇宙学家……这些都不发光。所以不少物理学家预测，有很多质子和中子位于不发光的物体中，数量和可见物体中的一样多。然而，在计算需要多少“暗物质”来解释银河系中物质的运动时，人们发现物质的总量与可见物质的比例不是2：1，而是接近10：1。如果计算无误，那么暗物质就不是由质子和中子构成的，因为质子和中子的数量远远不够。

20世纪80年代初，我还是一个刚入门的年轻粒子物理学家。了解到可能存在这种奇异的暗物质让我极度兴奋。这意味着，宇宙中的主要粒子不再是那些人们司空见惯的质子和中子，而很有可能是某种全新的基本粒子，是地球上不存在的东西。这种存在于恒星中以及恒星之间的神秘物质，静静地“导演”着整个星系的引力演出。

更令我兴奋的是，这意味着三条新的研究路线，它们可以从根本上重新阐明现实世界的本质。

1．如果宇宙中可能存在的这些奇异的新粒子和之前提过的轻元素一样，也是在大爆炸中形成的，那么，想要确定这些粒子的丰度，我们可以使用与确定轻元素丰度类似的方法。不同的是，确定轻元素的丰度时，我们利用了原子核相互作用的力，而这次我们或许可以利用主宰基本粒子相互作用的力。

2．我们也许可以利用粒子物理学的理论推算出宇宙中暗物质的总体丰度，或者设计新的实验来检测暗物质。使用这两种方法都可以得出宇宙中物质的总量，我们也就可以据此推断宇宙的几何形状。物理学不是用于发明我们看不到的东西来解释我们可以看到的东西，而是用于探索怎样才能找到我们看不到的东西。也就是说去看以前看不见的，那些所谓的“已知的未知”。每一个候选的暗物质基本粒子都给直接探测暗物质粒子的实验提出了新的可能性。如果这些暗物质粒子在银河系中穿梭，我们可以通过在地球上建立的装置来探测它们。我们可以在暗物质粒子穿过地球的时候进行拦截。如果暗物质粒子弥散在整个星系中，那么它们现在就在我们的身边，地面的探测器就有可能发现它们的踪迹，而不需要使用望远镜搜寻遥远的天体。

3．如果我们能够确定暗物质的性质及其丰度，也许就可以确定宇宙将如何走向终点。

最后的这条研究路线似乎是最令人兴奋的，所以我想从它开始讨论。毕竟，我开始研究宇宙学，就是因为我想成为第一个知道宇宙会如何走向终点的人。

在当时，这看起来也是个好主意。

爱因斯坦提出广义相对论的时候，广义相对论的核心就是空间会因为物质或能量的存在而发生弯曲。1919年，这个理论不再仅仅是一个推测，因为，两支观测远征队在日食期间观测到星光在太阳周围发生弯曲，弯曲的程度正好与爱因斯坦的预测中太阳会造成的空间扭曲一致。为此爱因斯坦几乎一夜成名，他的名字也变得家喻户晓。如今，大多数人认为爱因斯坦成名是因为比广义相对论早15年提出的E=mc2这个方程，其实并不是。

如果空间可能是弯曲的，那么整个宇宙的几何形态就变得有趣得多。因为宇宙中的物质总量的不同，宇宙可能呈现以下三种不同的几何形态之一，即所谓的开放宇宙、封闭宇宙或平直宇宙。

我们很难想象一个弯曲的三维空间，这是因为我们是三维生物，无法轻易地凭直觉将其画出。就像在著名小说《平面国》（Flatland）中的二维生物一样，他们也很难想象，对于一个三维世界的观察者来说，看起来像球面一样的世界会是什么样的。另外，如果球面的曲率非常小，在日常生活中发现这一曲率的存在也是很困难的，就像在中世纪以前，有些人觉得地球一定是平的，因为在他们眼中确实如此。

虽然我们很难想象弯曲的三维宇宙，例如封闭宇宙就像一个三维的球面，这听起来让人生畏，但宇宙的有些方面是容易描述的。在一个封闭宇宙中，如果你向任何方向看得足够远，都能看到自己的后脑勺。

平直的三维宇宙不像一个平摊的薄饼，它就是你认知中人类所居住的宇宙的样子。这是一个传统的平凡的宇宙，在这里光线沿直线传播，一旦从空间中的某个任意点画出三根相互垂直的轴x、y和z，它们在空间中的任何位置都指向原先的三个方向。但在弯曲的三维空间中，光以弯曲的轨迹行进，而从某一个点绘制的三个垂直轴，会随着你在空间中的移动指向不同的方向。

谈论这些奇异几何形态的宇宙也许会让人觉得有趣或者印象深刻，但其实它们的存在有着更重要的影响。广义相对论明确地告诉我们，一个封闭的宇宙，其能量密度由诸如恒星和星系这样的物质甚至是更奇特的暗物质所主导，它必然有一天会塌缩，这个过程就像大爆炸的反演，或者你也可以称之为“大收缩”。一个开放宇宙将持续以有限的速度永远膨胀下去，而平直宇宙正好处于临界状态，其膨胀速率会放缓，但永远不会完全停止。

确定暗物质的总量以及宇宙中物质的总密度，能够回答这个至少与T·S·艾略特（T. S. Eliot）一样古老的问题：宇宙是将以一声巨响结束，还是呜咽着走向终点？确定暗物质总量的这段传奇可以追溯到至少半个世纪之前，人们甚至可以写一整本书来讲述这个故事。其实，我已经写了一本关于这个故事的书——《第五元素》（Quintessence）。然而，在本书中，我将采用图文并茂的方式来叙述这个故事，因为一张图片抵得上千言万语。

宇宙中最大的引力束缚体被称为超星系团。超星系团可以包含成千上万或者更多的单个星系，尺度可以横跨数千万光年。大多数星系存在于这样的超星系团中，实际上我们所在的银河系就位于室女超星系团之内，其中心距离我们约6 000万光年。

由于超星系团体积庞大、质量巨大，基本上如果任何一个东西会落入其他什么东西，它最终都会落入星系团中。因此，如果我们可以称量超星系团的质量，然后估计宇宙中超星系团的密度，那么我们就可以“称量宇宙”，包括其中所有的暗物质。这时再使用广义相对论的方程，我们就可以确定是否有足够的物质让我们的宇宙构成一个封闭宇宙。

到目前为止，这一切都顺理成章。但是我们如何称量尺度达数千万光年的物体呢？很简单，利用引力。

1936年，阿尔伯特·爱因斯坦应业余天文学家鲁迪·曼德尔（Rudi Mandl）的强烈要求，在《科学》（Science）杂志上发表了一篇题为《引力场中的光线偏移对恒星的类透镜作用》的小论文。在这篇简短的文章中，爱因斯坦陈述了一个非凡的事实：空间本身可以像透镜一样，使光线弯曲并放大，就像眼镜的镜片。

1936年处于一个比现在更友善、更温和的氛围当中。当年，爱因斯坦的这篇论文是正式发表在一个著名的科学期刊上的，但它有一个如今看来不那么正式的开头，读起来很有趣：“早些时候，鲁迪·曼德尔先生拜访了我，请我发表一些计算的结果。而这些计算是我应他的要求进行的。这篇小论文因他的愿望而生。”也许这种非正式行文风格的文章在当时得以发表是因为作者是爱因斯坦，但是我宁愿认为这是一个时代的产物。那时候，人们还没有在描述科学成果的措辞中完全摈弃通俗的表达方式。

“如果空间本身会因为物质的存在而弯曲，那么光线也会沿着弯曲的轨迹传播”是广义相对论的第一个重要的新发现。并且，正是这一发现使爱因斯坦举世闻名。人们最近发现，早在1912年，甚至在广义相对论完成之前，爱因斯坦就已经进行了相关的计算。因为他试图找到一些可观测的现象，以说服天文学家验证他的想法。这些计算与他1936年发表的论文中应曼德尔先生要求所进行的计算基本相同。也许正是因为他在1912年就得到了和他1936年发表的论文中所说的一样的结论，也就是“观测到这种现象的概率很小”，所以他从来没有打算发表他早期的计算结果。甚至在检查过他两个时期的笔记本之后，我们都不能肯定，他后来是否还记得在24年前所做过的那些最初的计算。

爱因斯坦在两次计算中都发现，引力场中的光线弯曲可能意味着，如果一个明亮的天体正好位于观测者和一个中间天体的前面，那么它向各个方向射出的光线可能会围绕中间天体的质量分布发生弯曲，并且再次汇聚，就像它们穿过一个普通的透镜时一样，要么产生原始物体（即上文中明亮的天体）的放大的像，要么产生原始物体的许多复制的像，其中一些可能还会被扭曲（见图2-1）。

爱因斯坦计算出，对于一颗遥远的恒星来说，如果在它的前方有另一颗恒星位于它和观测者之间，那么，它所受到的透镜效应影响太小，应该是绝对测量不出来的。于是，他便认为这样的现象不太可能观测得到。因此，爱因斯坦觉得他的论文没有什么实际价值，就像他投稿时给《科学》杂志的编辑的附信中写的：“我还要感谢您的协助，让这篇小文章得以发表。这是在曼德尔先生的催促下写的，它没有什么价值，但它能给这个可怜的人带来快乐。”

然而，爱因斯坦不是天文学家，他需要一个天文学家来验证他所预测的效应也许不仅是可测量的，而且是有用的。如果把这个计算应用到更大的系统，例如星系甚至星系团对遥远的天体产生的透镜效应，而不是恒星对恒星的透镜效应时，这个计算就很有用。在爱因斯坦的文章发表数月之后，加州理工学院一位聪明的天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）向《物理评论》（Physical Review）杂志提交了一篇论文，在文中他证明了这种透镜效应的实际用处，并且还间接地奚落了爱因斯坦，因为爱因斯坦不知道星系也可能会产生透镜效应，而不仅仅是恒星。

兹维基性格暴躁，而其成就远远超越了他所在的那个时代。早在1933年，他就分析了后发星系团中星系的相对运动，并使用牛顿运动定律明确指出：星系运动得如此之快，除非星系团中物质的质量比其中恒星所贡献的质量要大得多，至少是100倍以上，否则星系就会飞散，使得星系团不复存在。因此，兹维基应该被视为暗物质的发现者，尽管在当时由于他的推理过于超前，大多数天文学家可能会觉得他所得出的结论也许能有一些不那么奇怪的解释。

兹维基1937年发表的仅有一页的论文同样引人注目。他提出了引力透镜的三种不同用途：第一，检验广义相对论；第二，利用中间星系作为一种望远镜，来放大更远距离的天体，因为这些天体用地面上的望远镜看不到；第三，用于解答为什么星系团显得比其中可见的物质重得多这一谜题：“对星云周围的光线偏转的观测可以最直接地确定星云的质量，并消除上述差异。”其中，第三种用途是最重要的。

现在，距兹维基的论文发表已经过去了74年，但这篇论文至今读起来仍像是一则利用引力透镜来探测宇宙的观测申请。如今，他提出的引力透镜的每一种用途都已经实现，而最后一种用途是其中最重要的。1987年，人们首次观测到遥远的类星体受中间星系影响发生的引力透镜现象。1998年，在兹维基提出使用引力透镜方法测定星云质量61年后，人们又使用引力透镜方法确定了一个大星系团的质量。

那一年，物理学家托尼·泰森（Tony Tyson）和现在已经关闭的贝尔实验室（Bell Laboratories，从晶体管的发明到宇宙微波背景辐射的发现，贝尔实验室一直是传统中伟大科学发现诞生的圣地，还产生了许多“诺贝尔奖”得主）的同事们观测到一个距离遥远的大星系团，它被浓墨重彩地标记为CL 0024 + 1654，距离我们大约50亿光年。在哈勃太空望远镜所拍摄的这幅美丽的图像中（见图2-2），我们能看到一个更遥远的星系呈现出多个像的壮观景象。这个星系位于大星系团的后面，离我们的距离比大星系团还远50亿光年。星系的多个像呈现出高度扭曲和拉长的样子，位于其他没有受透镜效应影响的星系中。这些没有经过透镜效应影响的星系普遍更圆。

这张照片能让我们产生很多联想。照片中的每一个点都是一个星系，而不是恒星。每个星系中包含大约1 000亿颗恒星，和恒星一起存在的可能有数千亿颗行星，也许还有早已失落的文明。因为这张照片拍摄的是50亿年之前的景象，所以我用了“早已失落”这个表述。照片中的光在太阳和地球形成的5亿年之前就已经发出了。照片中的许多恒星已不复存在，因为它们早在数十亿年前就耗尽了核燃料。除此之外，扭曲的图像准确地表明兹维基的预言可能是正确的。图像中心左侧的几个较大的、扭曲的像是这个遥远的星系被高度放大并拉长的版本。如果没有引力透镜效应，这个星系可能根本不可见。

从图2-2进行推演以确定星系团中的质量分布是一个复杂而烦琐的数学挑战。为了做到这一点，泰森建立了这个星系团的计算机模型，并跟踪从源头发出的光线，让光线按所有可能的方式穿过星系团。然后，他使用广义相对论来确定适当的光路，直到光线产生的拟合最符合研究人员的观测结果。当尘埃落定的时候，泰森和他的合作者绘制出了这样一幅图（见图2-3），图片精确地显示了图2-2所示系统中的质量分布图形。

图2-3中可以观察到一个奇怪的现象。图中的尖峰表示图2-2中可见星系的位置，但是，这个系统的大部分质量位于星系之间，分布在平滑的暗色的区域中。实际上，在这个系统中，星系之间不可见物质的质量是可见物质质量的40倍以上，是系统中所有恒星质量的300倍，其余的可见物质存在于恒星周围的高温气体中。由此可见，暗物质显然不仅仅存在于星系中，而且还主导着星系团的密度。

像我这样的粒子物理学家不会惊讶于暗物质在星系团中也占主导地位。虽然没有任何一点直接的证据，但我们都希望暗物质的数量足以构成一个平直宇宙。这意味着宇宙中必须存在着质量是可见物质质量100倍以上的暗物质。

理由很简单：平直宇宙是唯一数学上优美的宇宙。这是为什么呢？

暗物质的总量是否足以产生平直宇宙，诸如通过引力透镜效应获得的观测结果（引力透镜是由大质量物体周围的本地空间曲率引起的；宇宙的平直性与空间的整体平均曲率相关，而不是和大质量物体周围的局部涟漪相关），以及最近天文学其他领域的观测结果都证实了星系和星系团中的暗物质总量远远超过了通过大爆炸核合成计算出的物质质量。现在我们几乎可以肯定，这些在众多不同的天体物理背景下得到独立证实的暗物质一定是由全新的东西组成的，这种东西既不是地球上存在的，也不是组成恒星的。但是，它的确存在！

银河系中存在暗物质，这个最早的推论催生了一个全新的实验物理学领域。很荣幸，我也在这个领域的发展中发挥了作用。正如我之前提到过的，暗物质粒子就在我们身边，它们在我正在打字的房间里，也在我探索的太空中。因此，我们可以通过实验来寻找暗物质以及组成暗物质的新的基本粒子或粒子们。

这些实验在深埋于地下的矿井和隧道中进行。为什么要在地下进行呢？因为在地球表面，我们不断地受到来自太阳和更遥远天体的各种宇宙射线的“轰炸”。暗物质由于其自身的特性，是不会产生电磁相互作用而发光的，同时它们与普通物质的相互作用极弱，因此很难检测得到。虽然我们每天都被数以百万计的暗物质粒子“轰炸”，但大多数的粒子都会穿过我们和地球，它们甚至并不“知道”我们在这里，我们也没有注意到它们。因此，如果你想发现暗物质粒子，只能等待一个极其罕见的情况，就是它们与普通物质的原子接触后发生了反弹。只有在地下，充分屏蔽了宇宙射线，人们才可能有所发现。即便如此，这种可能性也仅仅存在于理论上。

然而，当我写下这段话的时候，另一个令人兴奋的可能性出现了。瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机，也就是这个世界上最大和最有力的粒子加速器刚刚开始运行了。我们有很多理由相信，在这个设备产生的极高能量下，质子被重击到了一起，这将在微观上的小区域中创造出和最早期的宇宙相似的条件。在这样的区域中，也许会产生在宇宙诞生之初创造出暗物质粒子的那些相互作用，这样就可以在实验室中产生类似的粒子！因此，一场伟大的竞赛已经开始。谁会第一个检测到暗物质粒子呢？是地下深处的实验者还是运用大型强子对撞机的实验者？好消息是，不论是谁最先有所发现，我们就都赢了，因为最终我们都会知道物质的本性是什么。

即使我所描述的天体物理测量没能揭示暗物质的身份，它们也能够告诉我们有多少暗物质存在。一个优美的推论最终直接确定了宇宙中的物质总量，这一推论得益于将利用引力透镜测量与观测来自星系团的X射线结合在一起。独立估计星系团的总质量是可行的，因为星系团中气体的温度与发出X射线的星系总质量有关。结果令人惊讶，却也令很多科学家失望。因为星系、星系团和它们周围物质的总质量只有构成一个平直宇宙所需要的总质量的约30%。这个总质量是可见物质质量的40倍以上，因此可见物质占组成平直宇宙所需质量的不到1%。

爱因斯坦如果还活着，他会惊奇地发现，他的“小论文”绝不是“没有用处”。新的实验和观测工具为宇宙打开了新的窗口，新理论的发展将让他惊讶和欣喜，而暗物质的发现可能会使他血脉喷张。在这些新事物的帮助下，爱因斯坦进入弯曲时空世界的一小步最终变成了一个巨大的飞跃。到20世纪90年代初，宇宙学领域的一个梦想已然实现。观测结果显示我们生活在一个开放的宇宙中，这个宇宙将永远膨胀。又或者，这真的是宇宙学家们梦想中的结果吗？