张朝阳对话苏比尔·萨卡尔：暗物质、暗能量——真相还是幻象？

“如果暗能量是宇宙真空的某种能量，人类有没有可能把它作为能源使用？”

8月18日，在搜狐创始人、董事局主席兼CEO、物理学博士张朝阳对话牛津大学荣休教授、宇宙学家苏比尔·萨卡尔（Subir Sarkar）的直播对话中，一位来自北京航空航天大学能源与动力工程专业的学生，提出了这个听起来颇具科幻色彩的问题。

萨卡尔教授的回答很干脆：不能。他解释说，真空能虽然真实存在，但要利用能量，总得有某种“落差”，比如温差、势能差。暗能量却均匀地弥漫在整个空间里，没有高低之分，也没有可以释放能量的出口。如果真能从这种均匀真空中源源不断地提取能量，那就等于制造永动机。

张朝阳补充道，暗能量正是推动宇宙加速膨胀的原因。虽然宇宙膨胀时暗能量的总量似乎在增加，但在广义相对论里，宇宙整体的能量并没有一个简单定义，不能把它当成可提取的能源。

这个看似天马行空的问题，恰好切入了现代物理学最深刻，也最令人不安的几个谜团：暗能量究竟是什么？它为什么重要？对普通人来说意味着什么？这也呼应了张朝阳与萨卡尔这场对话的主题：“暗物质、暗能量：真相还是幻象？”。

在广义相对论中，如果宇宙中只有物质和辐射，那么它们之间的引力会互相拉拽，使宇宙逐渐坍缩，就像地球引力会试图将天空中的一切拉回地面。但1998年的Ia型超新星观测彻底颠覆了这个认知：宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度在增加。这种驱动宇宙膨胀加速的神秘力量，就是“暗能量”。

暗能量的发现，让我们今天所熟悉的宇宙图景，变得极其陌生。它占据了宇宙总能量的约68%，与之对应的暗物质约占27%，而所有恒星、行星、气体、尘埃，乃至构成我们身体和地球上一切生命的普通物质，只占宇宙总能量的大约5%。

这或许让人类第一次明确，我们日常所见的物质世界，并不是宇宙的主要成分，绝大部分宇宙，由我们看不见、摸不到的东西主宰。过去所有物理理论，几乎都建立在这5%的普通物质之上。

作为享誉国际的宇宙学家，萨卡尔长期致力于天体粒子物理学、宇宙学以及超越标准模型的新物理研究，但他在对话中多次表达对暗能量、暗物质真实存在的谨慎态度。

萨卡尔所在团队通过观测超新星的数据得出，宇宙膨胀的速度在不同方向上并不一致；而真正的真空能应该在所有方向上都相同。因此他认为，1998年观测到的加速可能有一部分只是我们所在区域的特殊运动造成的表观效应。

“我们目前有一套彼此咬合的模型：它包含暗物质和暗能量，描述加速膨胀与结构形成，并能相当好地拟合大多数数据，所以被称作标准模型。但‘标准模型’只是目前最好的描述，并不代表终极答案。”萨卡尔如是说，我们必须寻找模型的裂缝，才可能看到更深层新理论的光。我们正在找的正是这些裂缝，而宇宙膨胀的加速并非各向同性就是其中之一。

暗能量、暗物质究竟是真相还是幻象，对宇宙的未来意味着什么？如果暗能量是真正的宇宙学常数，宇宙将继续加速膨胀，最终进入“热寂”：星系彼此远离，恒星逐渐熄灭，宇宙变得越来越冷、越来越暗、越来越空。如果暗能量密度会随时间增加，那么膨胀将越来越剧烈，最终星系、恒星乃至原子都可能被撕碎，这就是“大撕裂”。

虽然宇宙结局的时间尺度远远超出人类文明的存在，但回答“宇宙最终会怎样”仍是文明最根本的问题之一。这些问题的答案也可能催生新的物理理论和技术应用。历史上，量子力学最初被称为一群理论物理学家的“智力游戏”，但最终催生了晶体管、激光、核磁共振、半导体等改变世界的技术。暗物质和暗能量的研究，同样可能在未来带来难以预料的突破。

搜狐视频关注流的这场直播对话，正是从这样一个个类似“暗能量能否当能源”的朴素提问展开。萨卡尔和张朝阳随后讨论的，不只是对暗物质、暗能量的科普，更是一场关于宇宙学原理是否仍然成立、标准宇宙学模型是否正在出现裂缝的深入讨论。我们将会看到，那些最遥远、最抽象的宇宙学问题，最终仍要回到数据和实验的检验中来。

（以下内容基于直播对话整理，为便于理解，对口语表达进行了提炼与重组，未改变实质性观点，特此备注）

1.从量子力学到人工智能：伟大的物理概念从哪里来

张朝阳：大家好。每年七八月，国际基础科学大会都会在北京举行，世界顶尖科学家汇聚于此。作为惯例，我会在《张朝阳的物理课》中邀请科学家对话，可以说这是物理课的延伸，我们不会回避公式和计算。今天是今年第二场，上周我与凝聚态物理学家刘若微教授交流；今天的嘉宾是Subir Sarkar教授，研究粒子物理和宇宙学。

张朝阳：据说你在塔塔基础物理研究所获得理论物理博士学位，后来在牛津大学研究和教学37年，早年还往返牛津与哥本哈根，在著名的尼尔斯·玻尔研究所工作了五年。

萨卡尔：那是一个非常有历史感的地方，很多空间至今还保留着玻尔时代的样子。海森堡曾经在那里工作，他住在同一栋楼里。我后来使用的办公室，很可能就是他当年工作过的地方。礼堂的木长凳并不舒服，但墙上挂满了照片，泡利坐过这里，玻尔也坐过这里。几乎所有那个时代最重要的物理学家都曾来到这里讨论问题、沿着湖边散步。这些物理学家勾勒了此后一个世纪的物理学版图。

张朝阳：通常我们会说量子力学的奠基者是薛定谔、海森堡，但实际上是不是更应该说是玻尔？

萨卡尔：在那个时候，很多人都在尝试发展自己的方法，而玻尔更像一位“共鸣板”或总裁判，一个“父亲式”的人物。年轻人都愿意和他交谈，他不仅关心不同理论能否在数学上成立，也关心它们的哲学含义以及如何构成一个完整的世界图景。物理学的突破经常来自这样的交流。

此外，还有马克斯·玻恩也很重要，他与海森堡一起工作。海森堡发展出矩阵力学时，并不知道自己得到的数学结构是什么。按照他的回忆，是马克斯·玻恩告诉他：“你正在做矩阵乘法，难道你不知道矩阵是什么吗？”海森堡说，他当时甚至不知道什么是矩阵。即使如此，他实际上已经创造出了矩阵力学。

张朝阳：这很能启发物理研究，你必须敢想、敢试，就像海森堡，他甚至还不完全明白自己在做什么，却已经做出了突破。

萨卡尔：物理学家喜欢那些表面简单、含义却极其深刻的问题。例如，为什么世界有三个空间维度和一个时间维度？按照经典电动力学，绕原子核运动的带电粒子会辐射能量，原子应该在极短时间内坍缩，但世界为什么没有坍缩？量子力学在某种意义上就是为了回答这个问题而诞生的。很多深刻真理，正是从追问这种“简单问题”开始的。

张朝阳：而当粒子数达到10的23次方量级时，就会出现新的规律，不再只是做一次统计平均，而且直到现在，我们仍不知道大脑怎样工作，神经元、神经递质和不断出现的新材料，还有很多无法理解。

萨卡尔：这正是菲利普·安德森所说的“多者异也”（More is Different），系统会涌现出无法仅凭还原论直观预见的新性质。我们到今天仍然没有真正理解大脑如何工作，凝聚态物理也在不断发现时间晶体、拓扑物态等新的现象。

张朝阳：所以你认为，AI本身还不能发现某种新的物理规律，它能不能提出真正全新的物理概念？

萨卡尔：首先，物理学使用神经网络和模式识别并不是最近才开始的，我们已经使用了几十年。每当一种新工具出现，物理学家都会使用它，从对数表、计算尺到计算器、计算机和符号运算软件，今天当然也包括机器学习。

AI已经能够在庞大的可能性空间里寻找模式。例如，弦理论研究中存在数量极其庞大的真空态，AI可以帮助筛选哪些状态更接近我们所观察到的宇宙。它也非常适合从海量数据中寻找信号、匹配模板。但另一个更困难的问题是：它能否产生真正的概念突破？

玻色提出全同粒子的统计思想，爱因斯坦提出相对论，牛顿把落向地面的苹果和绕地球运动的月亮统一在同一种规律下，这些不是在既有问题上提高一点计算效率，而是改变了人类提出问题和理解世界的方式。

张朝阳：假设把时间倒回1905年，让AI看到麦克斯韦方程以及当时已有的全部工作，它能不能产生爱因斯坦那样的狭义相对论概念？

萨卡尔：我倾向于认为不能，至少目前还看不到。爱因斯坦当然继承了麦克斯韦、洛伦兹等人的成果，但新的理论并不是只从论文和公式中机械地产生的。他在伯尔尼专利局工作时，经常和好友米凯莱·贝索散步、在咖啡馆交谈。贝索并不是物理学家，但这种人与人之间的交流，很可能对爱因斯坦形成思想起了重要作用。

年轻人也许会说我太老派，将来AI可以和自己对话。但我想借用毕加索的一句话来说明我的态度：好的艺术，是人们想看到的东西；伟大的艺术，是人们原本不知道自己想看到的东西。AI也许能够产生“好的”答案，但它能不能带来人类原本不知道自己需要的“伟大”概念，我仍然怀疑。

张朝阳：所以区别就在“好”与“伟大”之间。AI也许可以产生好的答案，但它能不能产生伟大的物理概念，你仍然怀疑，对吗？

萨卡尔：是的。数学问题通常可以被严格定义，而物理问题往往并没有被预先定义好。AI可以下棋、证明定理、扫描数据，但物理学家首先要决定：什么问题值得问？应该观察什么量？怎样的结果才可能改变我们对世界的认识？

2.从恒星坍缩到中微子天文学：怎样看见宇宙中最难捕捉的能量

张朝阳：说到印度物理学家，我很感兴趣的有钱德拉塞卡和拉曼。先谈钱德拉塞卡，他在乘船前往英国的三个月航程中，计算出了著名的钱德拉塞卡极限。

萨卡尔：钱德拉塞卡指出，当白矮星的质量超过大约1.4倍太阳质量时，电子简并压将不足以阻止恒星继续坍缩。他在论文结尾非常克制地写道：如果质量超过这个极限，就没有什么能够阻止坍缩，只能继续设想其他可能性。他没有直接写出“中子星”或“黑洞”，但后来的研究正是沿着这些可能性继续前进。

我曾有幸在牛津见过他。当时他花了一整年重新研读牛顿的《自然哲学的数学原理》，几乎把书中的每一条推导都亲自重做了一遍。他是一位极其严谨而谦逊的科学家。

张朝阳：白矮星靠电子简并压支撑；如果质量继续增加，就应该还有一个中子星的极限，对吗？超过它以后就会形成黑洞？

萨卡尔：对。中子星直径通常只有几十公里，它往往是大质量恒星发生核心坍缩超新星爆发后留下的致密残骸。恒星先后把氢聚变成氦，再继续形成更重的元素，直到铁附近。铁核不再能够通过聚变释放能量（来维持平衡），于是核心会在极短时间内坍缩，冲击波向外传播，形成我们看到的超新星爆发。

一次典型核心坍缩超新星释放的总能量约为10的53次方尔格，其中绝大部分由中微子带走；进入爆炸物质动能的只占很小一部分，真正以可见光形式辐射出来的比例更低。因此，我们看到的耀眼“烟花”，只是整个能量账本中很小的一项。

张朝阳：你刚才提到，1987年我们探测到过一次超新星中微子。这样的超新星并不常见。

萨卡尔：是的，SN 1987A位于大麦哲伦云。几个探测器捕捉到了少量中微子，却极大推动了中微子天文学。按照其他星系的统计，我们估计银河系平均每个世纪可能发生几次超新星，只是它们有时会被星际尘埃遮挡。下一次银河系超新星出现时，IceCube、JUNO等探测器都将获得非常丰富的信息。

中国古代的天象记录在这方面非常珍贵。公元185年的“客星”记录，通常被认为与一次超新星爆发有关；公元1006年的超新星也留下了详细记载。历史告诉我们，观测事实有时会因为既有宇宙观而被忽视：如果一个时代坚信“天界永恒不变”，人们甚至可能拒绝承认天空中出现了新星。

张朝阳：所以，中微子几乎是直接从恒星内部出来的。研究中微子，能不能让我们更直接地知道恒星内部到底发生了什么？

萨卡尔：光子从太阳内部产生后，要经过无数次吸收和再发射，像随机游走一样，可能需要极长时间才能到达表面。中微子的相互作用非常弱，可以直接从恒星内部逃逸。因此，中微子让我们更接近恒星核心正在发生的过程，是理解恒星演化的重要线索。

日本的神冈探测器最初是为了寻找质子衰变而建造的，但质子衰变没有被发现，它却探测到了来自超新星和太阳的中微子。后来的超级神冈还发现了大气中微子振荡。一个为问题A建造的高灵敏度探测器，常常会在问题B、问题C上带来意料之外的发现。这是实验科学非常重要的经验。

张朝阳：还有建在南极的IceCube，你也参与了这个项目。它具体是怎样探测中微子的？

萨卡尔：中微子本身不带电，不能被直接“看见”，但它偶尔与物质相互作用时会产生带电粒子。如果这个带电粒子在冰中的速度超过光在冰中的传播速度，就会产生切伦科夫辐射，类似飞机超过声速时产生音爆。这里并没有任何物体超过真空中的光速；只是光在介质中的传播速度降低了。

南极冰体积巨大、透明而且背景干净。我们把大量光学传感器埋入冰层，通过记录蓝色切伦科夫光，反推出粒子的方向和能量。IceCube由此发现了天体物理起源的高能中微子，并获得了来自银河系平面及河外天体源的证据。2017年一次高能中微子预警与耀变体TXS 0506+056的伽马射线活动同时出现，成为多信使天文学的重要案例。

张朝阳：中微子非常有意思。IceCube第一次探测到了银河系外的高能中微子，这又把我们带到了黑洞。请你谈谈黑洞为什么如此重要。

萨卡尔：黑洞一方面包含信息丢失、霍金辐射等基础理论难题，另一方面又是宇宙中最活跃的天体环境之一。我们可以用射电、X射线、伽马射线、引力波，现在也包括中微子来研究它。一个太阳质量对应的史瓦西半径大约是3公里；恒星级黑洞可以有数倍到数十倍太阳质量，星系中心的超大质量黑洞则可能达到数百万乃至数十亿倍太阳质量。

张朝阳：2015年我们探测到双黑洞并合的引力波，自此之后，人类已经探测到数百次引力波事件。

萨卡尔：是的，其中有一次中子星合并尤其重要，因为引力波信号之后，世界各地的望远镜都看到了它的电磁对应体。只有一种信使时，我们总会追问：这个微弱信号会不会来自仪器噪声？当引力波、伽马射线和其他波段的观测相互印证时，证据会强得多。随着更多这样的事件被发现，我们还可以把它们作为测量工具来测量宇宙距离和哈勃常数。

3.宇宙暴胀：一个优美而仍待检验的早期宇宙故事

张朝阳：我们把话题转回宇宙学。宇宙最初在大约10的负35次方秒经历暴胀，后来演化成今天的样子。现在的宇宙是平坦的吗？

萨卡尔：自然给了我们一把“标准尺”，末次散射面的声学视界。就像我们知道一支笔的实际长度，便可以根据它看起来的角大小推断距离一样，我们知道声学视界的物理尺度，再观察它在天空中张开的角度，就可以推断空间曲率。结果表明，宇宙的空间曲率非常接近零。

解释这一点最简单、最有吸引力的想法之一，就是宇宙暴胀：早期一个很小的时空区域经历了极其迅速的膨胀，被拉伸到巨大的尺度。就像把气球表面不断放大，局部看起来会越来越平。暴胀还可以把暴胀场的微小量子涨落放大到宇宙尺度，后来这些涨落成长为星系和大尺度结构。

张朝阳：这很有意思。LIGO探测黑洞并合的引力波，只需要四公里的尺度；要探测暴胀产生的原初引力波，是不是需要大得多的臂长？

萨卡尔：暴胀这个图景非常优美，也很有解释力，但仍然带有推测性。我们需要更直接的证据。一个关键方向是寻找暴胀时期产生的原初引力波。它们的尺度远远超过LIGO可以探测的范围，却可能在宇宙微波背景中留下特定的B模偏振信号。

真正的困难在于，我们不是从一个空无一物的位置观察早期宇宙，而是生活在银河系内。银河系中的宇宙射线电子、尘埃等都会产生偏振前景。原初信号极其微弱，要把这些前景扣除到足够精确，是非常艰巨的任务。因此，我们需要高灵敏度、宽频段甚至全天巡天的观测，还需要最先进的信号处理和机器学习方法。

张朝阳：这些技术进步，包括AI，肯定可以帮助实验。因为你必须从所有背景中提取极其微弱的信号。

萨卡尔：正是如此。学生参与这样的项目，会学到非常广泛、可迁移的技能。科学实验并不是只有“发现预期目标”才算成功。一个足够好的仪器，往往会发现我们事先没有想到的东西。

4.暗物质：寻找新粒子，还是修改引力定律

张朝阳：回到观众关心的基本问题：暗物质和暗能量。先说暗物质，你认为暗物质确实存在吗？

萨卡尔：19世纪，贝塞尔注意到天狼星的运动像是受到一个看不见的伴星影响，后来人们找到了天狼星B——第一颗被发现的白矮星。类似地，天文学家根据天王星轨道的异常预言了海王星。

但同样的方法也可能把人带向错误方向。为了解释水星近日点的反常进动，有人曾假设水星轨道以内存在一颗名为“祝融星”的行星，甚至有观测者声称看见了它。后来我们才知道，真正需要改变的不是增加一颗看不见的行星，而是用广义相对论取代牛顿引力理论。

这个历史非常重要：当观测和理论不一致时，可能是存在没有被看见的物质，也可能是原有的引力定律需要修正。

张朝阳：你是说，在广义相对论的弱场近似下对它作出修改，可以在某些情况下解释我们归因于暗物质的现象。

萨卡尔：对。如果星系中只有可见物质，恒星绕星系中心运动的速度应该随半径增大而下降，但观测到的旋转曲线常常较为平坦。加入一个延伸的暗物质晕，可以解释这种现象。

另一种思路是修改弱引力场中的动力学，例如米尔格罗姆修正动力学（MOND）。它在某些星系尺度的观测上可以取得很好的拟合，但缺少像等效原理之于广义相对论那样深刻、统一的理论基础，而且在解释宇宙大尺度结构形成时，标准冷暗物质模型目前仍然更成功。

张朝阳：那么暗物质和我们构成的普通物质相比，大概是什么数量级？

萨卡尔：大约是普通物质的六倍。

张朝阳：多得多，但也不是上千倍，仍然处在同一数量级。

萨卡尔：正是如此。不过顺便说一句，其实我们连普通物质也没有真正理解。早期宇宙本来应该产生等量物质和反物质，为什么没有完全湮灭？为什么今天的宇宙主要由物质构成？这是一个深刻谜题，目前没有答案。已知的CP破坏效应太小，不足以直接解释这种不对称。我们不能一边把重子物质当作已经理解的“普通成分”，一边只把暗物质称为神秘事物。物质—反物质不对称、暗物质的起源和粒子物理标准模型之外的新物理，很可能彼此关联。

张朝阳：在宇宙结构的形成方面暗物质更具有不可替代的作用？

萨卡尔：是的。宇宙微波背景中的初始涨落很小，如果宇宙中只有普通重子物质，在已有的宇宙年龄内，很难仅凭引力把这些微小涨落增长成今天看到的星系和宇宙网。我们大约需要比普通物质多五到六倍的、不参与电磁相互作用的物质成分。

“暗物质存在”与“暗物质一定是某一种新粒子”是两层不同的问题。如果它是粒子，它必须没有电荷和色荷，并且与普通物质的相互作用非常弱；它的质量范围却可能跨越很多数量级。

张朝阳：你刚才说，暗物质已经找了40年。这么多年没有直接探测到，是否意味着原来的方向需要调整？

萨卡尔：这当然令人失望，但不能仅凭40年的未发现就停止探索。液氙等地下实验把探测器做得越来越大、背景控制得越来越好，它们搜索的是暗物质粒子偶尔撞击原子核所产生的微小反冲。过去很多研究聚焦于弱相互作用大质量粒子，因为低能超对称理论曾经给出自然的候选者；然而大型强子对撞机没有发现低能超对称的证据，这使WIMP（弱相互作用大质量粒子）动机明显减弱。

我们应该把搜索范围扩展到轴子等其他候选者，也应继续检验修正引力的可能性。实验科学有一条朴素规律：先把你掌握的技术做到极限。一个为寻找WIMP建造的超灵敏探测器，即使没有找到WIMP，也可能发现太阳中微子、稀有衰变或其他新现象。神冈实验的历史已经说明了这一点。

张朝阳：如果暗物质大约是普通物质的六倍，那么在太阳系一个天文单位的尺度上，计算水星进动时为什么不把它算进去？六倍应该是很大的效应，但我们没有看到。

萨卡尔：这是个非常好的问题。因为暗物质不是按“六个太阳对一个太阳”的方式聚集在太阳系中，它主要分布在延伸的星系晕里。太阳附近的暗物质密度通常估计为每立方厘米约0.4 GeV，这对银河系整体运动很重要，但相对于太阳在太阳系局部形成的中心引力场非常微弱。不过，太阳和行星可能俘获少量暗物质，这也可以用来对暗物质性质设置限制。

5.暗能量与宇宙学原理：标准宇宙学模型是否出现裂缝

张朝阳：那么暗物质之后，暗能量呢？暗能量所占的质量或者能量更多。

萨卡尔：是的。量子场论告诉我们，电子、夸克等粒子是相应量子场的激发，而量子场即使处于最低能态也存在零点涨落。量子电动力学、弱相互作用和强相互作用理论都在实验室中经受住了检验，其中量子电动力学的理论预言甚至可以达到十位以上的精度。

广义相对论则告诉我们，一切形式的能量密度都应该产生引力，包括量子真空能。如果把量子场论给出的真空能直接放进爱因斯坦方程，结果会与我们看到的宇宙相差极其巨大。宇宙本来不应该演化到今天。

问题在1998年前后变得更加尖锐：Ia型超新星观测被解释为宇宙膨胀正在加速，于是人们引入一个很小但非零的宇宙学常数或暗能量。为什么真空能不是理论估计的巨大数值，却又恰好小到今天才开始与物质密度相当？前者是精细调节问题，后者是巧合问题。这两个问题合在一起，温伯格称它为理论“卡在喉咙里的骨头”。

张朝阳：你刚才说，现在我们认为宇宙在加速膨胀。这个结论是不是建立在宇宙学原理和宇宙学常数这些假设上？

萨卡尔：如果宇宙加速来自宇宙学常数，也就是洛伦兹不变的真空能，那么它应该在天空各个方向上相同。我们重新分析超新星数据时，专门问了一个过去经常被默认而没有被充分检验的问题：推断出的加速在所有方向上是否一致。

我们的结果显示，加速信号存在明显的方向依赖，并与本地体流的方向相关。银河系、仙女座星系及周围的本星系群相对于宇宙微波背景参考系存在整体运动。处于这种运动中的“倾斜观测者”，可能把局部相对运动的一部分解释成宇宙整体的加速。

因此，我的观点是：目前的超新星数据并不能证明存在各向同性的宇宙学常数；所谓加速至少有一部分可能是局部相对运动带来的表观效应。必须强调，这是我们团队根据数据提出的判断，学界仍在讨论其中的系统误差和其他解释。

张朝阳：你认为宇宙学原理本身并不成立？也就是说，“均匀和各向同性”这个前提正在被质疑？

萨卡尔：宇宙微波背景中存在一个很强的偶极。标准解释是：宇宙本身在某个参考系中各向同性，只是我们相对于这个参考系运动，因此前进方向的CMB略热、后方略冷。如果这个解释完整成立，那么把我们变换到CMB各向同性的参考系后，远处物质的分布也应该各向同性。

20世纪80年代，乔治·埃利斯和约翰·鲍德温提出了一个清晰检验：统计全天大量遥远射电源和类星体，测量它们的偶极分布。我们的运动会通过像差和多普勒效应产生一个可以预言的微小偶极，因此可以把预言和观测直接比较。

过去没有足够大的全天样本，今天卫星巡天提供了数以百万计的类星体和射电源。多个样本显示，物质偶极的方向大致与CMB偶极一致，但幅度明显偏大。这意味着，使CMB看起来各向同性的参考系，并不同时使物质分布各向同性。我们认为，这对FLRW宇宙学和宇宙学原理构成了严肃挑战。

张朝阳：所以，冷暗物质和暗能量的推断，仍然以爱因斯坦方程以及FLRW框架成立为前提，对吗？

萨卡尔：对。这些观测并不是“直接看到暗能量”，而是先假定弗里德曼—勒梅特—罗伯逊—沃克（FLRW）时空，再在这个框架中推断参数。如果基础几何假设受到挑战，参数解释也必须重新评估。

我并不是说我们已经有了一个完整的新宇宙学模型。我们目前做的是指出标准模型中的裂缝。标准ΛCDM仍然能够把许多观测组织在一个统一框架中，是目前最成功的模型；但“最好的现有描述”不等于“最终真理”。

张朝阳：如果以前的理论成立，宇宙就会永远膨胀、越来越稀薄和寒冷；但如果宇宙学常数并非如此，宇宙会不会不再加速，甚至重新坍缩？

萨卡尔：诚实的答案是，我们现在不知道。也许宇宙会继续膨胀，也许在完全不同的动力学下演化，甚至存在重新坍缩的可能。过去人们以为可以自信地预言宇宙终局，但如果支撑这些预言的基本假设需要修改，我们就必须重新开始构造模型。这正是年轻一代可以参与的重大问题。

6.挑战共识：理论的美不能代替数据

萨卡尔：我想特别向与我并肩工作的学生和博士后们致以由衷的感谢。我们之所以能取得这些成果，正是因为他们敢于挑战那些被广泛接受的观点，拥有非凡的勇气。面对一个看似已坚不可摧的标准模型，我们不应只问“大家告诉了我们什么”，而更应追问“数据究竟告诉了我们什么”。

再优美的理论，也必须在观测与实验面前接受检验，或存续，或消亡。物理学终究是一门实验科学。如果数据表明某个理论并不成立，我们就不能因为它看起来足够迷人，而执意拒绝修正它。真理不因偏爱而让步，只凭事实而立。

张朝阳：历史上就发生过这种事，比如刚才谈到的托勒密体系。

萨卡尔：是的。但“挑战权威”不能成为不了解理论的借口。只有当你在技术上足够扎实、对这个领域正反两面的论据都了如指掌时，才有资格提出有力量的挑战。不要害怕挑战权威，但前提是你必须真正掌握权威理论。

张朝阳：所以，数学形式上的优美和理论的美，不应该成为我们相信它的理由，是吗？

萨卡尔：“美”本身受到文化影响。古希腊人认为圆是最完美的图形，所以行星轨道必须是圆。观测越来越精确后，他们就在圆上叠加本轮。某个阶段，本轮体系对数据的拟合甚至可能比早期的开普勒椭圆轨道更好。

但椭圆是动力学方程的自然解，圆只是椭圆的特殊极限。我们最终接受开普勒，并不仅仅因为某一时刻拟合更好，而是因为它让观测嵌入了一个更深的动力学结构。因此，理论的美不能只理解为公式短、参数少或图形对称，而要看它是否揭示了自然的生成机制。

张朝阳：广义相对论使用的数学，微分几何和黎曼几何，本身就是非常精致和深刻的，它也是用张量写出来的，对吗？

萨卡尔：物理和数学的影响是双向的。有些数学最初来自失败的物理设想，后来却在别处发挥重要作用。例如，曾有人试图把不同原子解释为不同种类的“结”，这个物理图景没有成功，却推动了结理论的发展；很久以后，结理论又在数学物理和弦理论中显示出价值。

真正重要的不是把某种数学强加给自然，而是让理论“说出应该观测什么”。狄拉克有一句很好的话：理论命名可观测量。我们必须把两个理论之间的差别转化成可以测量的量，然后让实验决定。

7.现场问答：从宇宙学原理到AI时代的物理研究

CMB近乎各向同性，为什么仍能质疑宇宙学原理

现场嘉宾：宇宙微波背景在扣除偶极后非常均匀，只有微小涨落。这不是支持宇宙学原理吗？它和你们发现的物质分布偶极异常是否矛盾？

萨卡尔：CMB本身在某个参考系中近乎各向同性，确实支持早期宇宙的高度均匀。但宇宙学原理还要求：在同一个参考系中，大尺度物质分布也应当各向同性。

我们从地球参考系看到的CMB并不各向同性，它有一个比普通温度涨落大得多的偶极，通常被解释为本地运动造成的。把这个运动通过洛伦兹变换扣除后，CMB变得近乎各向同性。接下来就要问：在同一参考系中，类星体和射电星系的分布是否也各向同性？我们的检验给出的答案是否定的。问题不在于“CMB是否平滑”，而在于辐射与物质是否共享同一个宇宙静止参考系。

暗物质模型这么多，实验应该先找什么

现场嘉宾：暗物质候选模型很多。建造昂贵实验前，我们怎样判断哪一种最值得优先探测？

萨卡尔：一方面要看理论动机。例如轴子不仅可以成为暗物质候选，还被提出用于解决粒子物理标准模型中的强CP问题，因此动机相对独立。WIMP过去受到重视，则与低能超对称理论密切相关；随着对撞机没有发现预期的低能超对称粒子，这个动机已经减弱。

另一方面，实验也取决于现实可用的技术。液氙探测器能够从公斤级发展到吨级，就应该把背景控制、纯化和读出技术推到极限。实验也许找不到原定候选粒子，但一个足够灵敏的探测器往往会打开其他窗口。科学不是只证明某个想法正确，更多时候是在系统地排除错误可能。

引力波能否区分黑洞与其他致密天体

现场嘉宾：LIGO探测到的是并合产生的引力波，但这是否直接证明参与并合的天体一定具有黑洞事件视界？质量间隙中的一些致密天体，会不会是含有暗物质的中子星或其他奇异天体？

萨卡尔：引力波分析依赖理论波形模板库。研究者先用后牛顿近似、数值相对论和并合后的振铃计算大量可能波形，再把真实数据与这些模板匹配。如果要检验某种奇异致密天体，就必须计算这种模型预言的波形，把它加入模板库，然后判断它是否比标准黑洞模板拟合得更好。

今天的探测器首先证明了：人类确实可以测量远小于原子核尺度的位移。要进一步测量中子星状态方程、潮汐形变或事件视界附近的细微偏离，需要更高信噪比和下一代引力波探测器。AI非常适合快速扫描庞大的模板库，但物理学家仍然要决定哪些模型合理、哪些偏离值得计算，以及怎样解释匹配结果。

局部体流怎样制造“宇宙加速”的表象

现场嘉宾：如果你们认为加速是局部效应，产生这种效应的具体机制是什么？

萨卡尔：本星系群似乎处在一个相干的体流中，相对于CMB参考系以数百公里每秒的速度运动，而且相关运动可能延伸到很大的尺度。按照广义相对论，运动所对应的能量密度也会影响观测者测得的膨胀。

在瑞查德胡里方程的分析中，局部体流可以给“倾斜观测者”增加一个方向相关的项。直观上，就像你在红灯前静止，旁边车辆突然同时向前开走，你可能瞬间觉得自己在后退。真正的判断不能停留在比喻上，必须寻找可检验预言。这个模型预言表观加速应呈偶极分布，并随红移增大而减弱；我们进一步对数据做红移层析分析，发现加速参数确实随红移增加而消失，与局部体流解释一致。

任何其他解释也必须做同样的事：先说明它会留下什么独特观测信号，再去数据中寻找。不能被证伪的想法仍只是猜测，不是完整的物理理论。

AI会取代天体物理学家的数据分析工作吗

学生代表：引力波和巡天数据量越来越大，AI程序的处理速度远高于个人。年轻研究者怎样平衡AI分析与传统研究能力？未来探测器应该怎样整合AI？

萨卡尔：物理学一直会拥抱有效的新工具。IceCube使用神经网络分析数据已经很多年；借助图神经网络，研究者可以处理比传统方法大得多的数据集，甚至构建银河系的高能中微子图像。未来的引力波探测器和鲁宾天文台等大型巡天也离不开自动化管线与机器学习。

但年轻研究者的角色不是和机器比谁扫描数据更快。你是能够反思、提出新问题的人。标准模型只是工作假设，每一个“已经完成”的理论都可能只是通向更完整图景的台阶。AI可以提高模式识别和参数拟合的效率，但到目前为止，我还没有看到AI独立提出一个真正新的物理问题。

数学问题往往定义清楚，人文学科可以从文本中寻找模式，物理处于两者之间：它既不能只靠模糊叙述，也不是一个预先写好目标函数的封闭问题。人类仍然要提出问题、选择可观测量，并判断结果有没有物理意义。

如果真实宇宙不光滑，新模型会不会复杂得无法处理

学生代表：我们是否只是因为数学方便，才把宇宙假设为平滑、均匀和各向同性？如果本地宇宙确实存在明显的运动和团块，建立新模型将多大程度依赖新的数学和AI？

萨卡尔：标准宇宙学之所以成功，一个原因正是它非常简单。采用FLRW度规后，很多问题归结为一个普通微分方程；不同方向、不同巡天的数据也可以在“各处相同”的假设下直接组合。标准ΛCDM只需要少数参数。

如果真实宇宙明显偏离各向同性和均匀性，模型可能需要几十、几百甚至更多参数。各向异性和非均匀宇宙模型在数学上早已有人研究，只是过去的数据不足以约束它们。随着Euclid、鲁宾天文台、SPHEREx等项目带来海量数据，时机正在成熟。届时，机器学习会非常有用，因为它善于处理高维参数空间。

我担心的不是我们没有好仪器，而是我们仍然用同一个百年模型分析所有新数据。首先必须认真检验标准模型是否足够；如果它被数据否定，再困难也必须发展新的框架。

在宇宙尺度上使用广义相对论，是不是一种“信念跳跃”

张朝阳：爱因斯坦场方程主要是在太阳系、恒星等天文单位尺度上得到检验的。把它外推到数十亿光年的宇宙尺度，是不是一种很大胆的假设，甚至是某种“信念跳跃”？

萨卡尔：当然应该保持开放。科学中的工作方式是先提出零假设：爱因斯坦方程在宇宙尺度上仍然成立。然后寻找能够让它失败的观测，而不是把它当作永远正确的信条。

历史上的“先驱者异常”就是一个例子。先驱者10号、11号探测器的轨道曾显示出相对于标准动力学的微小偏离，一度让人怀疑弱引力场中的定律需要修改。后来研究认为，探测器热辐射、太阳风等系统效应使这个偏差不足以证明新物理。要真正检验这种效应，需要专门设计结构更简单、系统误差更可控的实验，例如未来空间任务中可能开展的检验。正确结论不是“异常不存在，所以不必再问”，而是要设计更容易精确建模的实验继续检验。

双中子星并合中，引力波和光几乎以相同速度跨越巨大距离到达地球，这是广义相对论在长距离传播上的重要检验。但宇宙尺度仍然有更多可能的问题可以问。关键永远是：能否把怀疑变成一个具体、可测量、可证伪的实验。

哈勃张力究竟是不是“新物理”的证据

学生代表：根据CMB推断的哈勃常数与本地距离梯测量结果存在显著差异。这个“哈勃张力”是否说明现有理论需要新的框架？

萨卡尔：从CMB推断哈勃常数，要在特定宇宙学模型下解释声学峰；在本地测量，则要通过视差校准造父变星，再用造父变星校准Ia型超新星。这两种方法并不是在同样环境中直接测量同一个理想量。

本地宇宙存在本动速度、体流和明显结构。可以把它类比为测量地球半径：地球可以近似成球，但它实际上是旋转的、大地水准面起伏的天体。如果形状偏离球面已经达到百分之几，就不能轻易宣称“球半径”被测到远高于这一偏差的精度。

同样，如果本地膨胀率随方向变化达到几个百分点，就必须先说明距离梯样本位于什么方向、怎样修正本动速度，以及这种修正是否循环使用了“宇宙各向同性”的假设。因此，我认为哈勃张力确实指向值得研究的问题，但目前把它直接表述为极高统计显著度的新物理证据，可能还不够严谨。

暗能量能否成为人类能源

学生代表：如果暗能量与真空能有关，人类有没有可能把它提取出来作为能源？

萨卡尔：简短答案是不能。真空涨落会影响氢原子的兰姆位移、粒子的辐射修正等可测量量，但不能像燃料那样被提取出来做有用功，要提取有用功，需要温度差或非平衡过程，而真空均匀且处于最低能态；试图从中取能，无异于制造永动机。暗能量密度如果保持不变，会随着宇宙体积增大而对应越来越多的总能量，这听起来违反日常直觉，但在广义相对论中，宇宙整体的能量也不是一个可以简单定义并拿来驱动发动机的全局量。

所以，现实中的能源问题还是要依靠太阳能、风能等可利用资源。也不要忘了，越来越大的AI模型本身正在消耗大量能源。

怎样防止AI黑箱把系统误差带进科学

学生代表：AI在星系分类和参数拟合中已经明显超过传统方法，但很多模型像黑箱。它会不会把细微的系统误差带进天体物理分析？

张朝阳：这个问题问的是：使用AI处理黑箱问题，会不会产生系统误差？不过我是老派物理学家，推导一直在纸上写；我写论文用LaTeX，但连Mathematica都几乎不用，更没有用AI。这个问题请课代表回答一下。

课代表：如果用AI做物理，研究者必须自己检查它到底对不对，最好能够把每一步都核对清楚。AI可以辅助某些过程，例如给出推导步骤、程序或思路，但千万不能完全依赖AI替你做所有的事。

张朝阳：时间已经过去三个多小时，差不多了。萨卡尔教授说“才刚刚开始”。今天的讨论确实非常精彩，也非常有启发。

萨卡尔：看到这么多年轻人对这些问题感兴趣，我对这个领域的未来很有信心。我们一定会继续取得进展。

（封面图及文中未说明图片来源：搜狐）