文／马寅哲
马寅哲，2010年获“国家优秀自费留学生奖学金”，留学英国。
1983年出生，2006年获南京大学物理系学士学位，随后进入中国科学院理论物理研究所学习。2008年赴英国留学，进入剑桥大学三一学院，在剑桥大学天文和宇宙学研究所攻读博士学位。
如果，我们能够找到一个可以描述宇宙起源的完整理论，它应该可以被所有的人所理解和掌握，而不仅仅是这个领域的科学家。它也意味着，人类理性获得的巨大成功，和人类透析上帝思考的伟大智慧。
——斯蒂芬·霍金《时间简史》
浩渺的宇宙，总是激起人们无限的遐想与追问：宇宙从何而来，宇宙如何演化，宇宙将走向何方，在宇宙中我们是否是孤独的人类？要找出这些神秘问题的答案，只能诉诸于复杂和抽象的物理理论，以及精确的实验技术。当我在灿烂的星空下仰望苍穹，心中升起种种猜想和疑惑时，一条世界重大科技新闻，将我的目光和兴趣聚焦到了天体物理学和宇宙学。
在南大确定研究方向
1998年，美国加州大学伯克利分校和约翰·霍普金斯大学的2个研究组，通过对超新星光度距离的研究，发现了宇宙暗能量的存在。通过分析，他们发现，距离太阳系远处的超新星，正加速向我们离去。从1929年起，哈勃(Edwin Hubble)就告诉人们，远处的星系正向我们退行，即宇宙在膨胀。然而由于万有引力，物质之间会不断地吸引，以及塌缩。因此，人们认为宇宙即使膨胀，也应该减速膨胀。然而，1998年的发现却彻底改变了人们的预期：星系正在加速向我们离去，宇宙在加速膨胀!
那么，是什么神秘的物质驱动宇宙加速膨胀的呢？这便是举世闻名的“暗能量问题”。
2002年，我进入南京大学学习。南大的学风很好，较少受到社会上浮躁之风的影响。上大学期间，物理系组织的针对本科生的报告，我基本上每一次都去。南大物理系的优势在于凝聚态物理和微电子物理（应用物理），所以报告基本上都是围绕这两方面的内容。但对于天体物理和基本粒子物理学方面的报告，却非常少。
凝聚态物理的报告，比如纳米科学、晶体生长、磁性材料等等，其实很有意思。坦率地说，我也学到了不少东西，但我总感觉这不是我想要研究的。直到2004年，一次报告将我的视野一下子打开了。这一年，美国宇航局和普林斯顿大学的WMAP卫星实验组，发布了该卫星测量宇宙学基本常数的数据，确定了宇宙中暗能量占74%，暗物质占22%，可见物质只占4%。中国科学院理论物理研究所的李小源研究员和高能物理研究所的杜东生研究员作了一个“时间、空间、物质和能量的科学”的报告，介绍了国际上这方面的前沿进展。他们将微观世界的基本粒子和整个宇宙的演化相联系，解释当今宇宙的星系、星系团结构是如何和宇宙及早期的微观世界的动力学相联系的。那个晚上精彩的演讲，我至今记忆犹新。
我于是便认准了我感兴趣的领域。南京大学离紫金山天文台（办公楼在南京市的北京西路，观测站在紫金山上）不远，陆院士领导的天体物理研究组每周都有讨论，我争取每周都前往参加讨论，虽然那时候对宇宙中结构形成还不是很清楚，但对于暗物质和暗能量问题已有一定的了解。
我决定在毕业以后去中国科学院理论物理研究所（以下简称“理论所”）去攻读理论天体物理学研究生。让我感到庆幸的是两件事：（1）我在大学第四年期间，已经把研究生的理论物理学课程全部跟班学习了一遍，并且参加了考试，其中有一门还得了满分。这让我在之后的研究过程中有了一定的基础；（2）由于当时成绩还可以，我被保送进入理论所读硕士研究生，这使得我有了大量的时间去研究和思考一些专业问题。如果没被保送而需要参加统考的话，我会花费很多时间去准备“考研”。我面试的时候，理论所在全国一共招收20名学生，如果我没记错，我当时面试总成绩是99分，排名第一。我后来见到了李淼教授（弦理论专家），我还跟他讨论过一个面试时我遇到的量子力学的问题。
难忘中国科学院
我到了中科院理论所之后，并没有直接进入暗物质和暗能量的研究，而是花了很长的一段时间，学习广义相对论的唯一性定理的知识。后来事实证明，这部分时间花得不是很值当，因为该理论的发展已经比较成熟，没有太多可以开拓的空间。我还在宇宙的扰动理论方面花了很多的时间，成效也不是很大。因为这些东西都已经被人们非常好地发展起来了，可做的新东西不多。这时我开始逐渐地思考，以后的研究该怎样定位，怎样才能做一些有新意，比较独特的研究。
暗能量的理论问题，人们尚未把它搞清楚，主要的原因是，人们对于真空能(Vacuum Energy)的本质还不甚了解，不知道究竟是哪一种基本的量子场，或者是由某种时空几何决定的。这其实是当今国际理论物理学界的头号难题。因此，在没有基础理论上取得根本进展的前提下，人们试图去构造一些唯象（即现象学上的解释）上的模型，去解释宇宙的加速膨胀。当然，这些模型目前都只是唯象上的近似，并非已经得到公认的基础理论。但是研究它们，对于天文观测也是一种促进，因为你知道了不同的模型会有一些不一样的宇宙观测的预言，可以期待着在天文的一些观测上得到验证或排除。
我花了一段时间研究了全息暗能量，探讨了它在观测上的一些可能的预言，以及利用当时最新的天文观测数据（超新星、微波背景辐射等）去限制了这个模型，并且首先用统计学上的贝页斯证据(Bayesian Evidence) 去计算了它与宇宙常熟模型的之差等等。后来，在美国洛杉矶2008年初举办的“暗物质与暗能量”会议上，我应邀报告了这方面的一些工作。
随着研究的深入，我逐渐感觉到，要真正地探究这些宇宙中的神秘物质，找到宇宙的起源与结构形成的一些实验上的关键证据，必须掌握丰富的天文观测资料，并具备强大的数据分析方法。在这方面，国内的研究实力很有限；应该说，不仅是中国，整个亚洲在这方面的研究都非常薄弱；于是，当2008年初我拿到一笔剑桥大学的奖学金时，我决定赴剑桥大学留学。
剑桥大学。 摄影/靳平
英国的留学生活
能来剑桥大学，实属幸运。剑桥有一个研究实力很强的天文研究所（我现在所在的研究所），几乎在相关的领域，研究所都有世界著名的科学家，比如唐纳德·耶丹·贝尔（Donald Lyden-Bell）（星系、黑洞、广义相对论）、马丁·里斯（Martin Rees）(宇宙学、星系)、安德鲁·费边（Andrew Fabian）（X射线与黑洞）、罗伯·肯尼卡特（Rob Kennicutt）(恒星形成)，以及我后来的导师乔治·艾夫斯塔修（George Efstathiou）(宇宙学)。就算是一些资历较浅的研究员也相当知名。另外，离研究所不远，还有另外2个研究所：霍金的“理论宇宙学中心”，以相对论和宇宙弦(Cosmic String)的研究而出名；卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)的天体物理研究组，以发现脉冲星和开创射电天文学而闻名。这些单位之间经常会有一些讨论。
这几年天体物理学的研究方向，主要是宇宙微波背景的研究(Cosmic Microwave Background)，以及星系和星系团等宇宙中大尺度结构的形成的研究。为什么人们要研究这些东西呢？主要的原因在于，人们试图去了解宇宙中结构的形成，即我们所观察到的星系团、星系、恒星系统，究竟是如何演化来的，即动力学上是如何形成的。因此，要想回答这个问题，有两个要素是必须要了解的：星系和恒星体统形成的初条件是如何，以及动力学方程是怎样的？而宇宙之所以复杂，就是在于动力学上，有一些很复杂的、尚未被科学家搞清楚的物理学过程（比如重子物质如何与暗物质发生相互作用等等），这会给研究结构形成的动力学带来很多的不确定性。人们所采取的办法主要有2个：一是观测上要掌握大量的实验资料，尤其是对不同种的星系和恒星系统的资料都要掌握；另外，在理论上，通过数值模拟，可以计算那些不同的微观机制(比如上面提到的相互作用)，究竟会对最后形成的星系和恒星系统有多大的影响，从而通过与观测对比，确定下来可能的机制。在攻读博士学位阶段，我的一些对星系的速度场的研究，主要遵循的是这个思路。
另外，对于结构形成初条件的观测，也是非常的重要，因为这方面的观测量，会直接影响到对早期宇宙初条件的限制。它所发生的物理学过程是这样的：宇宙在极早期由于量子效应会产生一些时空上的量子涨落，而这些涨落经过宇宙的演化会“进化”为宇宙中不同物质密度的涨落（比如光子、可见物质，以及暗物质等等）。那么通过对于这些物质涨落能谱的观测，我们就可以推测在宇宙的极早期，究竟是哪些量子效应在起作用，从而对宇宙的起源问题给出一些有意义的启示。这对于理论物理学家会是非常感兴趣的内容，因为理论物理学面临的最大问题，即“大统一”问题（Grand Unification Theory），就是要去寻找能够统一电磁力、弱相互作用、强相互作用力，以及引力的基本理论，而这种理论描述能量极高的物理，而通常的地面的加速器提供不了这么高的能量。但现在天文学家和宇宙学家却有可能在宇宙中，找到验证这些理论的办法，这当然是非常重要的研究方法。沿着这条线，我也持续在做一些研究工作。
由于卫星、地面望远镜等天文观测手段的不断加强，有一些领域不断地受到人们的重视，因为它们有可能在未来提供一些解答难题的关键性的实验证据，比如：
1.再电离（Reionization）：宇宙中的原初星系是如何形成的。
2.引力波（Gravitational Waves）：验证广义相对论，寻找引力在早期宇宙的效应。
3.太阳系外行星问题（Extra-solar Planet）：太阳系外的行星，它们的环境如何，有没有生命的存在等等。
这些问题，每一个都很宏大，都不是人们在几年内就能够轻易弄明白的，因为其中任何一个问题如果能够被观测到，都意味着天文学领域的重大突破。因此我认为，我们应该时刻思考着宏伟的物理图像，并且时刻注意这方面的观测和实验上的突破与新的证据，以及理论方面的进展。
我时常在想，怎么样才能真正地认识大自然，了解大自然。我逐渐找到了一条方法论，就是去认识大自然的结构，认识大自然的动力学过程。浩渺的星空，就给了我们无穷无尽的探索的空间，给了人们以“重新发现”大自然的机会。从这个意义上来说，天文学是一门有着无穷宝藏的的学科，而人类就像是在捡着贝壳的孩子，去试图勾勒一片大海的美丽图景。
2009年夏天，在巴黎召开的天体物理学会议上，美国普林斯顿大学的宇宙学家皮布斯(J. Peebles)说，我们需要持续不断地工作，去增加和改进各种不同的宇宙学探测手段，去找到一个描述宇宙本质的真正物理学模型。我认为，尽管人类目前还没有得到宇宙起源以及暗物质和暗能量的真正答案，但我们已经具备了一定的物理学工具，已经具备了探索这个问题的实验手段，并且正在逐渐地接近最终目标。经过20～30年的不懈努力，人们会在这些问题上，得到一个确定答案。
因此，我说：在大自然面前，我们也许并不聪明，但我们正在取得进展，我们正在进行着时间之旅。
迄今为止发现的最类似于地球的太阳系外行星Gliese581C，距离地球20万光年，它的表面温度大约为0~40摄氏度，因此可能存在着液态水，因此人们推测这颗行星上有可能有生命的存在。该图为Gliese581C体积与地球的比较。
引力波的示意图：引力波是由于黑洞等大质量天体所产生的时空几何的一种波动，如同平静的水面投入一颗石头所产生的水波纹一样，该图左下角示意性地显示了美国宇航局（NASA）将要发射上天的LISA引力波探测器。 |
