两轮两云到两暗

历史有时表现出惊人的相似性，证诸科学史，此言不虚。这里借“两云”的故事，说说对“两暗”的看法。

两千多年前，古埃及天文学家托勒玫（约90-168）以地心说解释天象，提出均轮本轮之“两轮”说，认为众星均由东向西绕地做圆周运动，其轨道称为均轮，这对恒星而言大致与观测结果相符，但对行星就出毛病了。行星在天穹上的视觉轨道有时会出现由西向东的逆行。为了维护地心说，托勒玫在行星的均轮上加本轮作修正，而且越加越 多，竟用了80 个本轮才跟当时的天文观测数据凑合。地心说的两轮体系带有明显的人为性，但被罗马教廷奉为金科玉律。

1400年后，哥白尼（1473-1543）提出日心说，以地球自转和行星绕日公转自然地解释了观测到的星象，根本不需要什么均轮本轮，其简单明了远胜于地心说的两轮体系。但他慑于教廷之威势不敢公开，临终时才在病榻上签字发表。70年后伽利略利用望远镜观察到金 星的盈亏现象，给地心说以致命一击，确立了日心说，两轮体系终于被摈弃。

回顾这段历史可见，如理论的基本出发点错了，不管怎样拼凑粉饰终究难免失败，即使假上帝之威也无济于事。

19世纪末，以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为支柱的经典物理学登峰造极，科学家得意之余未免踌躇满志。1899年除夕，英国物理学家开尔文（1824-1907）在欧洲科学家集会上发表新年祝词，他回顾了物理学取得的伟大成就后说：大厦已经建成，剩下的只是一些修饰工作。但是，在物理学晴朗的天空中仍有两朵乌云：一朵是迈克尔孙的光速实验结果与当时流行的“以太”说相抵触；另一朵是经典黑体辐射理论的“紫外发散”与实验不符。

这就是科学史上著名的“两朵乌云”，是为“两云”。

曾几何时，两朵乌云均化为倾盆大雨。1900年德国物理学家普朗克（1858-1947）提出量子化概念，得出了与实验相符的黑体辐射理论，消除了紫外发散，并奠定了量子论的基础。1905年爱因斯坦发表狭义相对论，解释了迈克尔孙的实验结果，否定“以太”的存在，揭示了时空的性质，并提出著名的“质能相当原理”，为原子能的利用提供了理论根据。量子论和相对论成为20世纪物理学的两大支柱， 并且衍生出许多重要的应用。开尔文虽然受到当时对经典物理学成就过分夸大的影响，但他提出的“两云”却成了新物理学发展的契机。科学是在不断揭露和解决矛盾中发展的，就是从这段历史中得到的宝贵经验。

“两轮”和“两云”的历史相似性在于：科学家的思想往往带有惰性，沿老路走惯了，即使遇到障碍也不敢逾越，而胜利属于敢另辟蹊径的勇者。

时序又流逝了100年，20世纪末又有人对科学的成就踌躇满志，著书宣扬“科学的终结”，这可比百年前的“大厦已经建成”走得更远。但吃一堑长一智，响应者寥若晨星，想学开尔文者却大有人在。

2003年2月1日美国太空总署公布了威尔金森微波各向异性探测卫星(Ｗilkinson Microwave Anisotropy Probe，简称WMAP)的观测结果，天文物理学家据此推算出：原子等通常物质只占宇宙中所有物质的4.4％ ，其余是22.6％ 的“暗物质”和73％的“暗能量”。换言之，宇宙中95％ 以上的物质是看不见的怪物。暗物质和暗能量这“两暗”的提出，不禁令人回想起百年前的“两云”。

提出暗物质假说是为了解决恒星超速与星系引力不足的矛盾。天文学家观测到位于星系边缘的恒星速度过大，所产生的离心力如不能被其所受之引力抵销，恒星会从星系中飞走，星系就无法维持。但计及星系中的全部可见物质，仍远不足以产生所需要的引力。于是假设存在一种暗物质，它像普通物质那样产生引力,却无法被看到。暗物质究为何物？至今仍众说纷纭。

提出暗能量假说是为了引入反引力以解释宇宙加速膨胀。美国天文学家哈勃观测到遥远星体光谱的红移，发现宇宙在不断膨胀。最近的天文观测又发现宇宙在加速膨胀，这就产生一个问题： 是什么力量在推动宇宙加速膨胀？天体物理学家假设存在一种与引力方向相反的反引力，它具有能量却不能看见，故称为暗能量。根据质能相当原理，暗能量也具有质量。暗能量是何方神圣？科学家也说不清楚。

如今之“两暗”比当年“两云”更神秘，结局如何尚难逆料。

一种可能是“众里寻他千百度，蓦然回首……”，果真能在星火阑珊处找到暗物质和暗能量，那当然是科学的大突破， 肯定会对物质、能量、真空和时空结构之本质有更深入的理解。再者，弥漫整个宇宙的暗能量如能加以利用，那可比原子能更充沛。

另一种可能是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”，科学家有新发现，建立起新理论，对恒星超速和宇宙加速膨胀作出新解释。这同样是石破天惊的科学大突破。实际上，已有人在朝这方面探索。超弦理论要求多于三维的高维空间，传统的说法是那些多余的空间极小，卷曲闭合藏起来了。有人提出不同说法：部分多余空间不是极小而是极大，具有宇宙尺度。引力在传播中会从三维空间逐渐“漏”到高维空间中去，使得三维空间中“漏”剩的引力随距离的变化规律比平方反比律减弱得更快。这样不需要暗能量就能对宇宙加速膨胀作出解释，已有人按这条思路在对引力强度做实验。

“暗能量太玄了，会不会像两轮那样为凑数据而想象出来的？”

非也！暗能量的概念可以追溯到爱因斯坦，1915年他发表广义相对论，发现其引力方程的解与当时流行的“稳恒宇宙说”相抵触。为附和稳恒宇宙说，爱因斯坦在引力方程中添加“宇宙常数项”以抵销部分引力，其实就是暗能量。稳恒宇宙说被否定后，他坦承这是“一生中最大的错误”。如今暗能量信奉者深信：“爱因斯坦并没有错。”这又似乎高兴得太早了。

暗能量除能提供反引力外，并无其他根据。据2003年7月22日《纽约时报》报道，已有几个天文学研究小组声称发现暗能量的证据，其实多半只是复述引力减弱而已。暗能量的存在尚待进一步验证，需要有独立于反引力之外的其他证据。

只要恒星超速和宇宙加速膨胀确实存在，看来无论结局如何，“两暗”将会触发物理学的又一次革命。

“似曾相识燕归来”，历史是否又在重演？

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