縱觀三千年來(lái)天文學(xué)的思想和發(fā)現(xiàn)，我們就知道單憑高明的猜想是不夠的。實(shí)質(zhì)進(jìn)步主要來(lái)自于引入新的觀測(cè)工具和理論工具。

人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到達(dá)我們幾乎什么都懂的地步。早在公元前700年亞述人就已經(jīng)注意到，除了明顯的季節(jié)規(guī)律外，行星看上去在以某種復(fù)雜的、隱隱約約的規(guī)律運(yùn)動(dòng)著，日食只在新月時(shí)發(fā)生，月食只在滿月時(shí)出現(xiàn)。這些觀察給了古人關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的什么啟示呢？

公元前250年左右，希臘自然哲學(xué)家薩摩斯島的阿里斯塔克斯算出了月亮的距離和其大小。他提出確定太陽(yáng)距離的方法，但是他只能得出：太陽(yáng)比月亮距離我們遠(yuǎn)得多并且比地球大得多。這讓他比哥白尼早18個(gè)世紀(jì)提出了地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的假說(shuō)[1]。

阿里斯塔克斯的理論在很大程度上被抹殺了，尤其是被亞歷山大的托勒密。托勒密的《天文學(xué)大成》，出版于公元150年左右，主導(dǎo)了西方天文學(xué)思想將近1500年。托勒密認(rèn)為地球不可能自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)會(huì)把任何沒(méi)有牢靠附著地球表面的物體甩出去，并且“動(dòng)物和其他重物會(huì)懸在空中”。此外，地球的自轉(zhuǎn)快得會(huì)讓人們“看不到向東移動(dòng)的云”[2]。

這在今天聽起來(lái)很離奇，但并非不合邏輯。托勒密是偉大的科學(xué)家。然而，天體物理學(xué)給我們的第一個(gè)教訓(xùn)就是每種宇宙現(xiàn)象是由一些互相競(jìng)爭(zhēng)的效應(yīng)——在這里就是引力、離心力和摩擦力，所支配的。除非我們知道它們各自的量級(jí)，否則我們很可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

當(dāng)哥白尼在1543年重新提出日心說(shuō)時(shí)，他給不出任何觀測(cè)性的驗(yàn)證。最終，問(wèn)題在第谷?布拉赫(1546–1601)那里得以解決，他是望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)之前最偉大的觀測(cè)家。第谷建造了在當(dāng)時(shí)最為精密的天文儀器。他在20多年間收集到了當(dāng)時(shí)關(guān)于行星位置的最精確、最系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

年輕的開普勒，作為當(dāng)時(shí)最好的理論家，接近第谷，一心想得到這些數(shù)據(jù)。而偉大的觀測(cè)家小心翼翼地看管著這些數(shù)據(jù)以期自行推導(dǎo)出行星軌道。當(dāng)?shù)诠仍?597年被驅(qū)逐出丹麥的島嶼天文臺(tái)并在布拉格尋求政治避難時(shí)，開普勒跟著去了。但直到第谷去世，開普勒才繼承并開始分析這些數(shù)據(jù)[3]。

當(dāng)今的理論家是類似的，他們想方設(shè)法盡早看到由威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）測(cè)繪到的宇宙微波背景數(shù)據(jù)。就在幾個(gè)月前，WMAP的數(shù)據(jù)還處于禁發(fā)狀態(tài)，要等到整年觀測(cè)結(jié)果的發(fā)布[4]（見《今日物理》，2003年4月，第21頁(yè)）。數(shù)據(jù)一經(jīng)發(fā)布，幾天之內(nèi)就有新的理論分析開始在網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)。

開普勒分析了第谷的數(shù)據(jù)，得到了他的行星運(yùn)動(dòng)的三大定律：

• 行星沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)——而不是均輪和本輪.

• 行星在其橢圓軌道內(nèi)單位時(shí)間掃過(guò)的面積相等.

• 行星軌道周期正比于其半長(zhǎng)軸的3/2次方.

最后一條是天文學(xué)中兩個(gè)觀測(cè)量之間的第一個(gè)定量關(guān)系。它本身引出一個(gè)好的問(wèn)題：為什么開普勒第三定律成立？

隨著1609年伽利略小型天文望遠(yuǎn)鏡（spyglass）的問(wèn)世（telescope一詞在次年才被創(chuàng)造出來(lái)），伽利略很快發(fā)現(xiàn)了一系列不同尋常的新現(xiàn)象：月球上的山脈，環(huán)木衛(wèi)星，和金星的月相。對(duì)伽利略來(lái)說(shuō)，這三個(gè)觀測(cè)結(jié)果意味著地球就是一個(gè)行星，所有行星都繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。也就是說(shuō)，這確立了哥白尼的理論。然而教會(huì)禁止伽利略講授這一理論，并最終將他軟禁起來(lái)直到1642年他去世。

為什么直到17世紀(jì)才出現(xiàn)開普勒和伽利略的偉大發(fā)現(xiàn)？時(shí)至今日，答案是清楚的。第谷的精密儀器和1608年發(fā)明于荷蘭并在一年后由伽利略改良并指向天空的小型望遠(yuǎn)鏡，得到了之前根本得不到的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

盡管第谷的儀器收集到了有史以來(lái)最好的位置數(shù)據(jù)，但它仍然受限于肉眼能力，肉眼是無(wú)法分辨木星衛(wèi)星的。伽利略的望遠(yuǎn)鏡在角分辨率和聚光能力上都取得了突破，現(xiàn)代天文學(xué)家在建造越來(lái)越大的望遠(yuǎn)鏡和干涉儀時(shí)仍是這一路數(shù)。

儀器及其成果的簡(jiǎn)史說(shuō)明了新儀器促進(jìn)天文發(fā)現(xiàn)的能力[5]（另見作者在《今日物理》上的文章，1981年11月，第172頁(yè))。從射電能區(qū)到最高伽馬射線能量，第谷對(duì)這樣巨大的波長(zhǎng)范圍一無(wú)所知。他只能依靠自己的眼睛，而眼睛只可能看見電磁頻譜中極小的可視部分。肉眼的聚光孔徑只有幾毫米，分辨率也只有大約一角分。

伽利略的望遠(yuǎn)鏡在聚光能力和角分辨率上都提高了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。到20世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡有了比過(guò)去好得多的分辨率和大得多的孔徑，但它們?nèi)跃窒拊诳梢姽庾V范圍內(nèi)。而后，第二次世界大戰(zhàn)期間雷達(dá)和火箭的發(fā)展為天文學(xué)家打開了射電和紫外能區(qū)。為了探測(cè)紫外輻射，要用火箭把望遠(yuǎn)鏡帶到大氣層以上。到二十世紀(jì)中葉，人們已經(jīng)進(jìn)軍近紅外能區(qū)。

五十年后的今天，我們能夠利用幾乎所有具有天體物理學(xué)意義的電磁譜域。圖1表明自第二次世界大戰(zhàn)開始以來(lái)，在角分辨率方面取得的進(jìn)展，我們看到分辨率在所有波長(zhǎng)上都在穩(wěn)步提升。但發(fā)展并不均勻，說(shuō)明仍有很大提高空間。

該圖中還顯示了新的天體類別——類星體、X射線和紅外恒星、宇宙微波背景、視超光速射電源，和星系合并——它們是通過(guò)在不同波長(zhǎng)下的提高的角分辨率來(lái)被揭示的。它們中的大多數(shù)都是作為巨大的驚喜出現(xiàn)的，這表明理論預(yù)測(cè)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)幾乎無(wú)關(guān)。真正關(guān)鍵的是強(qiáng)大的新觀測(cè)工具的使用。

然而僅僅提高角分辨率是不夠的。正如圖2所表明的，天文學(xué)家還需要更好的計(jì)時(shí)能力來(lái)探測(cè)諸如緩慢膨脹的超新星遺跡、恒星中的快速耀斑、毫秒脈沖星、伽馬射線爆、黑洞周圍吸積盤的準(zhǔn)周期X射線發(fā)射，和快速X射線重復(fù)爆。

還有一些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)需要高的光譜分辨率，如圖3所示。其中包括脈澤、磁星和精細(xì)的周期性多普勒頻移，后者揭示了恒星被軌道行星拖拽的情況。極化測(cè)量能力也起重要作用。

沒(méi)有強(qiáng)大的新測(cè)量?jī)x器，就不會(huì)有圖中高光顯示的那些發(fā)現(xiàn)。許多儀器原本并不是為天文學(xué)設(shè)計(jì)的；他們大多是軍方傳過(guò)來(lái)的。這不重要，對(duì)發(fā)現(xiàn)來(lái)說(shuō)重要的是儀器的威力——采用可用的最好工具。

那么關(guān)于理解呢？如果你不理解正在發(fā)生的物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)類星體或者伽馬射線爆又能怎么樣呢？真正天體物理學(xué)的理解，需要一套完全不同的工具：理論的工具。

牛頓關(guān)于運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)與開普勒和伽利略的發(fā)現(xiàn)有所不同。牛頓不僅考慮了開普勒定律和伽利略的天文學(xué)觀測(cè)，還考慮了伽利略對(duì)拋體和落體的研究。他設(shè)想這些全部是以某種方式互相關(guān)聯(lián)著的。為了統(tǒng)一天上和地上的現(xiàn)象，他必須使用新的理論的工具。牛頓在年青時(shí)發(fā)明了微積分，現(xiàn)在他用微積分證明了開普勒定律和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)可以用引力的平方反比來(lái)解釋。

但牛頓不是唯一一個(gè)猜想到平方反比定律的人。他的英國(guó)同儕羅伯特·胡克，如今因其對(duì)彈力的研究而聞名于世，獨(dú)立提出平方反比定律可以解釋行星的軌道運(yùn)動(dòng)。但是胡克僅能證明這樣的定律適用于沿圓周軌道運(yùn)動(dòng)的行星。他缺少那種使牛頓工作具有極大普遍性的理論工具——萬(wàn)有引力定律，不僅成立于圓形軌道，也適用于行星和衛(wèi)星的橢圓軌道、彗星的近拋物線軌道，還適用于炮彈的彈道[6]。

有平方反比力的想法與擁有能夠定量地、令人信服地證明平方反比的正確性的理論工具之間有本質(zhì)區(qū)別。我提到這一點(diǎn)是因?yàn)榭茖W(xué)史經(jīng)常暗示偉大想法的重要性。這一觀念需要被審慎地加以考量。在天體物理學(xué)中，一直有新想法出現(xiàn)。當(dāng)然，想法是必需的。但是在天文學(xué)發(fā)展的緊要關(guān)頭，通常會(huì)有過(guò)多的關(guān)于如何前進(jìn)的想法。各種想法的支持者激烈地辯論著，大多并沒(méi)有明確的結(jié)果。通常只有在新的理論工具出現(xiàn)之后才能獲得解決方案，這些工具可以霍然導(dǎo)致新的理解，讓停滯的領(lǐng)域重新運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。

阿里斯塔克斯和哥白尼通常被認(rèn)為是日心說(shuō)的創(chuàng)始人。但是他們都沒(méi)能讓同時(shí)代的人們相信其正確性，也沒(méi)能做出定量預(yù)測(cè)用以證明其觀點(diǎn)優(yōu)于主流常識(shí)。

日心說(shuō)的令人信服的證據(jù)來(lái)自于如下：（1）第谷的精密儀器和艱辛測(cè)量；（2）伽利略的望遠(yuǎn)鏡，它給出更為清晰的行星、衛(wèi)星和更遠(yuǎn)的恒星世界的景象；（3）牛頓力學(xué)，它才使得愛德蒙·哈雷預(yù)言以其名字命名的彗星將在1759年再次出現(xiàn)。哈雷彗星精確地如期而返，引起轟動(dòng)！這一預(yù)言式的杰作令人信服地表明不僅行星，就連彗星也遵循牛頓的普適運(yùn)動(dòng)定律。

現(xiàn)在讓我們直接跳到20世紀(jì)，看看現(xiàn)在的恒星能量來(lái)源的觀念是怎樣得到的。19世紀(jì)末，在試圖理解是什么讓太陽(yáng)和其他恒星發(fā)光時(shí)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一場(chǎng)危機(jī)。引力收縮和化學(xué)能明顯不足以讓太陽(yáng)在像地球年齡這樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)一直保持發(fā)光。

從放射性衰變到各種各樣的核反應(yīng)，各種想法層出不窮。但亞瑟· 愛丁頓基于流體靜力學(xué)得到結(jié)論，恒星中心的溫度大約在4千萬(wàn)開爾文度量級(jí)上。這還不到4千電子伏，被認(rèn)為遠(yuǎn)低于核反應(yīng)發(fā)生所需要的溫度。

后來(lái)在1928年，年青的物理學(xué)家羅伯特· 阿特金森（Robert Atkinson）和弗里茨·豪特曼斯（Fritz Houtermans）對(duì)伽莫夫當(dāng)時(shí)剛提出的量子隧穿的概念產(chǎn)生興趣。阿特金森和豪特曼斯指出，質(zhì)子和電子可能在遠(yuǎn)低于躍過(guò)庫(kù)侖勢(shì)壘所需的溫度下通過(guò)隧穿進(jìn)入原子核[7]。他們?cè)O(shè)想，一連串的四個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子可以穿透氦-4原子核，形成不穩(wěn)定的鈹-8，然后它會(huì)衰變成兩個(gè)氦核。這樣一來(lái)，氦作為催化劑，將氫轉(zhuǎn)化為氦產(chǎn)生核能。這個(gè)想法沒(méi)有專門的定量計(jì)算的支持，很大程度上被忽視了。（見Iosef Khriplovich在《今日物理》，1992年7月，第29頁(yè)上發(fā)表的關(guān)于豪特曼斯的文章。）

多產(chǎn)的伽莫夫還有一個(gè)新奇的想法：1935年他假設(shè)在恒星中心存在高度致密、巨大的由中子構(gòu)成的核心。物質(zhì)從一個(gè)大得多的包層落到這個(gè)核心上，將釋放出足夠的引力勢(shì)能從而使這顆恒星能夠持續(xù)發(fā)光億萬(wàn)年[8]。

到了1939年，漢斯·貝特（圖4）擁有了他能運(yùn)用自如的整套核物理工具。在他的關(guān)鍵性文章《恒星內(nèi)的能量產(chǎn)生》[9]中，貝特極具說(shuō)服力地向人們證明了如下反應(yīng)的重要性： 

及隨后再加入兩個(gè)質(zhì)子形成氦-4。他認(rèn)為，這種聚變反應(yīng)是像太陽(yáng)這樣的低質(zhì)量恒星的主要能量來(lái)源。他還為中心溫度更高的、更大質(zhì)量恒星指出了催化CNO（碳氮氧）循環(huán)。貝特明白解釋恒星中產(chǎn)生比氦重的元素的困難，但他假設(shè)，CNO元素就是出現(xiàn)在這樣的更重的恒星中。他知道較輕的元素——鋰、鈹和硼 ——都會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)燃燒殆盡。

貝特一舉讓物理和天文界相信是核反應(yīng)在為恒星提供燃料。他擁有理論工具，能讓他根據(jù)主要來(lái)自核物理實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算。這讓一切都不同了。貝特能夠證明太陽(yáng)的光度正是在太陽(yáng)核心的估算溫度下核反應(yīng)釋放的能量。

阿特金森在20世紀(jì)30年代中期提出的一般性想法可能是有用的。但是這些想法在細(xì)節(jié)上是錯(cuò)的而且也沒(méi)有導(dǎo)致任何結(jié)果。伽莫夫的模型在幾十年后再次出現(xiàn)，基普·索恩和安娜·祖特闊夫（Anna N. ?ytkow）假設(shè)在某些演化巨星的中心存在很大的的中子核心，這些巨星現(xiàn)在被稱為索恩－祖特闊夫天體并且仍然處在理論研究中[10]。

在20世紀(jì)30年代中期有太多的各具優(yōu)點(diǎn)的互相競(jìng)爭(zhēng)的想法試圖解決恒星能量問(wèn)題。這些想法都沒(méi)有取得進(jìn)展。正是貝特把核物理的新理論工具帶入到這項(xiàng)任務(wù)中，這才理清它們的優(yōu)缺點(diǎn)并令人信服地解決了問(wèn)題。

我們幾乎已經(jīng)注意不到我們對(duì)于宇宙的完整理解都是基于愛因斯坦的廣義相對(duì)論。沒(méi)有他提供的這套理論工具，我們什么都做不了。但是愛因斯坦原來(lái)的宇宙學(xué)想法是給出一個(gè)既不膨脹也不收縮的靜止宇宙[11]。幸運(yùn)的是，廣義相對(duì)論提供的工具包遠(yuǎn)比愛因斯坦當(dāng)時(shí)的宇宙圖像靈活。在表明宇宙確實(shí)在膨脹的哈勃紅移被發(fā)現(xiàn)后，基于廣義相對(duì)論的新宇宙模型很快就出現(xiàn)了。

在宇宙膨脹被發(fā)現(xiàn)之后，愛因斯坦旋即產(chǎn)生想法，廣義相對(duì)論方程中的宇宙常數(shù)Λ應(yīng)該被去掉。在哈勃膨脹被發(fā)現(xiàn)之前，愛因斯坦原本引入了Λ用以確保方程允許靜止宇宙的解。幸運(yùn)的是，如我們現(xiàn)在所知，理論上沒(méi)有去掉Λ的依據(jù)。最近激動(dòng)人心的關(guān)于哈勃膨脹實(shí)際上是在加速的觀測(cè)告訴我們?chǔ)殖蔀槊枋鲇钪嫠匦璧?。（?Saul Perlmutter 在《今日物理》，2003年4月，第53頁(yè)文章。）現(xiàn)賞來(lái)，宇宙大約70%的能量來(lái)自于尚無(wú)法解釋的“暗能量”，它們?cè)诖蟪叨壬吓c引力相抗衡，和Λ非常像。另一個(gè)觀點(diǎn)稱這種神秘的暗能量為“精華”，它有愛因斯坦的宇宙常數(shù)所不具備的隨時(shí)間變化的特性。

盡管愛因斯坦關(guān)于靜態(tài)宇宙和宇宙常數(shù)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，但是他所提供的工具卻是無(wú)價(jià)的。在天體物理學(xué)中還有許多其他的新的理論工具的例子，這些工具比單純的想法帶來(lái)了更深遠(yuǎn)的長(zhǎng)期影響。例如20世紀(jì)30年代初蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉斯卡將相對(duì)論量子統(tǒng)計(jì)引入到恒星結(jié)構(gòu)理論中，以證明不發(fā)生引力坍陷的恒星存在質(zhì)量上限。（見圖5和 Kameshwar Wali，《今日物理》，1982年10月，第32頁(yè)文章）

在20世紀(jì)40年代末，伽莫夫、拉爾夫·阿爾菲（Ralph Alpher）和羅伯特·赫爾曼（Robert Herman）（圖6）將核物理和廣義相對(duì)論相結(jié)合并引入到宇宙學(xué)中用以確定在宇宙大爆炸之后的最初幾分鐘內(nèi)氫、氘、氦、鋰和鈹是如何產(chǎn)生的，并且預(yù)測(cè)了宇宙微波和中微子背景的存在[12]。我們還沒(méi)能觀測(cè)到預(yù)期的中微子背景，但多虧了他們的工作，讓我們很好地了解了以后它被測(cè)量到時(shí)它的溫度。

我開場(chǎng)時(shí)說(shuō)我們竟然理解所有事情。幾千年來(lái)，主流假設(shè)曾是：不可理解的任意的神力掌管著宇宙。而如今科學(xué)界提出了一種截然不同的信條：我們將能通過(guò)物理定律來(lái)理解宇宙及其演化。在有文字記載的主要?dú)v史上，我們都缺乏這種信心，為什么我們現(xiàn)在有了這種信心呢？我們的自信有道理嗎？

要回答第一個(gè)問(wèn)題，人們可以說(shuō)是成功讓我們興奮不已。自牛頓的偉大洞見伊始，這三個(gè)半世紀(jì)以來(lái)我們一直在取得穩(wěn)步進(jìn)展。隨著對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量本質(zhì)認(rèn)知不斷提高，我們將這種縝密認(rèn)知應(yīng)用于尋求理解最大尺度的宇宙。

以這種速度發(fā)生著的進(jìn)展可能會(huì)繼續(xù)保持下去，還是說(shuō)我們將會(huì)撞到一堵無(wú)法逾越的墻？這很難說(shuō)。為了衡量我們已經(jīng)知道了多少以及我們將會(huì)在哪里遇到大的困難，我們可以考慮我們已經(jīng)看到了宇宙的多少，其中又有多少是我們根據(jù)物理定律已經(jīng)理解了的。

在觀測(cè)方面，注意在圖1-3中仍有巨大的空白區(qū)域。這一大片區(qū)域意味著我們看不到那里隱藏著的只有用更好的儀器才能發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。另外，可以對(duì)比由改進(jìn)儀器帶來(lái)的發(fā)現(xiàn)數(shù)量和獨(dú)立的重新發(fā)現(xiàn)數(shù)量（通常是采用完全不同類型的儀器，通過(guò)完全出乎意料的方法）。對(duì)該對(duì)比應(yīng)用泊松統(tǒng)計(jì)可以得出我們已經(jīng)觀察到了30%或者40%的，可由光子、宇宙線、中微子和捕獲的地外物質(zhì)所能最終揭示的主要天體物理現(xiàn)象[5]。

在理論方面，為了明白還有多少內(nèi)容有待理解，考慮宇宙學(xué)參數(shù)Ωb, 即普通（重子）物質(zhì)占宇宙總能量的百分比[4, 13]，它大約只有4%（見Michael Turner在《今日物理》上的專欄，2003年4月，第10頁(yè)) 。我們對(duì)宇宙的理解主要就在這4%中。另外的96%，大約73%的暗能量和23%的暗物質(zhì)，本質(zhì)上是未知的。4%或許是對(duì)我們已有成就的一個(gè)很好的衡量。有人可能會(huì)說(shuō)：“還不錯(cuò)?！逼渌丝赡軙?huì)回應(yīng)：“并沒(méi)那么好?！敝荒苁媚恳源?。

什么樣的工具會(huì)在接下來(lái)的幾十年中帶來(lái)令人意想不到的新結(jié)果呢？?jī)煞N新的觀測(cè)領(lǐng)域，中微子天文學(xué)和引力波天文學(xué)，有望揭示出真正的新現(xiàn)象。但也還存在一些不太知名的、在過(guò)去很大程度上被忽略的技術(shù)領(lǐng)域，可能會(huì)給出驚人的新見解。舉個(gè)例子，光子不僅攜帶自旋，而且還具有軌道角動(dòng)量，現(xiàn)在人們逐漸對(duì)這一點(diǎn)重視起來(lái)。最近，格拉斯哥大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)演示了一種裝置，能夠?qū)哂胁煌壍澜莿?dòng)量的光子進(jìn)行挑選[14]。維也納大學(xué)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)指出，這樣的光子在光通訊中具有優(yōu)勢(shì)[15]。

一些參與尋找地外文明的工作人員正在研究可見光的光通訊方案。這樣的方案，可以被推廣到具有軌道角動(dòng)量的光子。單個(gè)光子的軌道角動(dòng)量L?可以加密1+log_2 L比特的信息。這可以是節(jié)能的跨星際空間信息傳輸手段。相比之下，光子自旋角動(dòng)量的兩種可能的偏振態(tài)僅能傳輸1比特的信息[16]。

或許當(dāng)前宇宙學(xué)中最具前景的理論工具是膜理論中的一些發(fā)展（見Nima Arkani-Hamed，Savas Dimopoulos，和Georgi Dvali在《今日物理》，2002年2月，第35頁(yè)中的文章) 。它假定在引力和其它基本力之間存在一種本質(zhì)上的差別：我們所經(jīng)驗(yàn)到的強(qiáng)相互作用和電弱相互作用都被限制在我們的膜上——也即我們的四維時(shí)空連續(xù)體，它像是一張膜嵌在一個(gè)更高維的“體”里一樣——但引力可以將我們和附近的膜連接起來(lái)。引力的特別的普適性是由于廣義相對(duì)論把引力幾何化了。這一高度推測(cè)性的理論具有一個(gè)很有趣的特點(diǎn)，它或許能解釋宇宙常數(shù)的低值性 [17]。

值得高興的是，該理論所做出的預(yù)測(cè)促進(jìn)了小型實(shí)驗(yàn)和大型加速器實(shí)驗(yàn)去做檢驗(yàn)（見《今日物理》，2000年9月，第22頁(yè)）。小型實(shí)驗(yàn)尋找在小距離上對(duì)牛頓引力的偏離，以期測(cè)出膜之間的距離，該距離可以是毫米尺度或更小。到目前為止，這些實(shí)驗(yàn)在小到十分之一毫米的距離上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與平方反比引力有偏離[18]。

膜理論有許多不同的版本，它們?yōu)橛?jì)算和預(yù)測(cè)提供了工具。當(dāng)然這一大膽的想法并不足以保證成功，但在試圖解釋占宇宙96%的未知的暗物質(zhì)和暗能量的過(guò)程中，它邁出令人興奮的一步。如果我們想要超越4%的理解水平，就得在我們已經(jīng)知道的普通物質(zhì)和輻射外尋求拓展。

此文基于2003年4月在費(fèi)城美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上做的報(bào)告。