宇宙暗能量

宇宙暗能量幽灵

暗能量幽灵
《财经》杂志 /总176期  [2007-01-08]
　何时是这个“绝对配得上诺贝尔奖”的问题的终点，还是一个巨大的问号。目前还没有任何理论配得上这一奖赏

何时是这个“绝对配得上诺贝尔奖”的问题的终点，还是一个巨大的问号。目前还没有任何理论配得上这一奖赏

    宇宙是如何诞生并且演化到今天的？其未来又将走向何方？这个科学命题——或者说哲学命题，数千年来一直困扰着人类。
　　大约14年前，人们一度以为有了完美的答案：通过对于宇宙背景微波辐射的观测，天文学家最终验证了1929年爱德文哈勃（Edwin Hubble）的猜想，即宇宙诞生于大约137亿年前的大爆炸（Big Bang）。之后，随着宇宙的演化，银河系、太阳系、地球，乃至我们人类自身，都陆续登场。
　　2006年10月，正是凭借这一重要成就，美国科学家乔治斯穆特（George F Smoot）、约翰马瑟（John C Mather）分享了该年度的诺贝尔物理学奖。
　　但我们对宇宙的了解，显然也还刚刚开始。就在此一个月后，美国航空航天局（NASA）公布的最新研究结果表明：至少在90亿年前，一种被称为“暗能量”（dark energy）的神秘力量已经存在。
　　也就是说，在整个宇宙诞生后不到50亿年时，就开始受到暗能量影响。而此前，科学家普遍认为，在宇宙的早期，或许这种力量并不存在，因为那个时候主宰一切的还是我们熟悉的引力。
　　尽管这一结果仍不能确定地告诉我们宇宙的未来是怎样的，但显然，它为我们彻底理解宇宙的运行规律带来了新的曙光。相关的论文也将发表在2007年2月美国《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）上。
　　这一研究小组的负责人、美国约翰霍普金斯大学（John Hopkins）教授阿德姆瑞斯（Adam Riess）在接受《财经》记者采访时表示：“我们距离真正了解暗能量仍然很远。但很显然，这是非常重要的一步，因为它给出了更多的‘线索’（clue）。”
宇宙为什么加速膨胀？
    暗能量的发现过程极富戏剧性。
    按照宇宙大爆炸理论，在大爆炸发生之后，随着时间的推移，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢，就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说，距离地球相对遥远的星系，其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。
　　但1998年，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）高级科学家索尔皮尔姆特（Saul Perlmutter），以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特（Brian Schmidt）分别领导的两个小组，通过观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。
　　换句话说，宇宙是在加速膨胀，仿佛一辆不断踩油门的汽车，而不是像此前科学家所预测的那样处于减速膨胀状态。
　　这样一个完全出乎意料的观测结果，从根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底是什么样的力量，在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢？
　　科学家们将这种与引力相反的斥力来源，称为“暗能量”。但“暗能量”到底意味着什么？至今我们能够给出的，只是一个十分粗略的宇宙结构“金字塔图景”：
　　我们所熟悉的世界，即由普通的原子构成的一草一木、山河星月，仅占整个宇宙的4％，相当于金字塔顶的那一块。
　　下面的22％，则为暗物质。这种物质由仍然未知的粒子构成，它们不参与电磁作用，无法用肉眼看到。但其和普通物质一样，参与引力作用，因此仍可能探测到。
　　作为塔基的74％，则由最为神秘的暗能量构成。它无处不在，无时不在，由于我们对其性质知之甚少，所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。惟一的手段，仍然是通过天文观测这种间接手段来了解其奥秘。
　　对Ia类型超新星（supernova）的爆发进行观测，则是目前最主要观测手段。这种超新星是由双星系统中的白矮星（white dwarf）爆炸形成的，亮度几乎恒定。这样，通过测量其亮度，就可以知道其和地球之间的距离，进而了解其速度。
　　借助哈勃这样灵敏的天文仪器的帮助，我们至少可以观测到90亿光年之外，即了解宇宙在90亿年前的信息。
　　霍普金斯大学教授阿德姆瑞斯给我们展示的最新“暗能量”场景如下：
　　在大爆炸后的初期，宇宙经历了一个急速膨胀阶段。此后，由于暗物质以及物质之间的距离非常接近，在引力作用下，宇宙的膨胀速度开始减速。
　　然而，至少在90亿年前，宇宙中另外一种力量——表现为排斥力量的暗能量已经出现，并且开始逐步抵消引力作用。
　　随着宇宙的膨胀，不断增长的暗能量终于在大约50亿至60亿年前超越引力。此后，宇宙从减速膨胀，转变为加速膨胀状态，并且一直持续至今。

爱因斯坦的遗产
　　中国科学技术大学物理学教授李淼曾经半开玩笑地表示：“有多少暗能量专家，就有多少暗能量模型。”也许这种说法不无夸张之处，但暗能量在理论方面的混沌状况，从中也可见一斑。
　　其中，最具戏剧性的理论，则是复活爱因斯坦当年提出的“宇宙常数”（cosmological constant）。1917年，被认为是整个20世纪最伟大的科学家阿尔伯特爱因斯坦（Albert Einstein），为了建立一个稳态宇宙模型，最早提出了这个概念。不过，后来就连他本人也承认，“宇宙常数”只是一个错误的概念。
　　但暗能量的存在，则为宇宙常数提供了新的可能性。如果暗能量就是这个宇宙常数的话，那么它的力量强弱将只和宇宙的大小有关。随着宇宙的膨胀，其体积逐渐增大，因而暗能量也将逐渐增大。最终，它会达到一个临界点，使得宇宙从减速状态变成加速状态，并且一直加速下去。
　　中国科学院高能物理所研究员张新民在接受《财经》记者采访时指出，迄今为止的观测结果，包括瑞斯最新的结果在内，与爱因斯坦的宇宙常数理论“都很符合”。
　　但是，宇宙常数距离成为一种确定性的暗能量理论还差得很远。一些科学家半开玩笑地说，按照这种模型，宇宙将一成不变地加速膨胀下去，未免太“枯燥”（boring）了一些。
　　当然，最为致命的是，按照量子场论计算出来的宇宙常数，比天文观测获得的上限至少也要高出10的120次方倍。
　　一个最为诡异但不乏科学依据的解释，是“多宇宙论”。观测和理论或许都没有错，事实上，在我们生存的宇宙之外，还存在多到无法计数的其他的宇宙。科学家们可以想像到的宇宙数量不是以万或者亿来计算的，很可能多到10的1000次方个。
　　每个宇宙都有不同的宇宙常数，而我们恰恰生存在一个宇宙常数很小的宇宙中。仿佛冥冥之中有一个“上帝之手”，把一个适合智慧生命生存的宇宙呈现在我们面前。
　　但对于这种寄希望多宇宙存在的“人择原理”（anthropic principle），在天文学家和物理学家中间都存在很大的争议。中国科学院高能物理所研究员张新民对《财经》记者说，很多人认为这仅仅是一种猜想而已，还远远谈不上“原理”。
　　更为尖锐的批评，则认为这种解释与其说是一种科学理论，倒不如说更像一种宗教信仰。
    为避免这种冲突，科学家们提出个各种暗能量理论，来代替宇宙常数模型。其中比较有代表性的包括精质（quintessence）模型、幽灵（phantom）模型等，张新民和中国科学技术大学物理学教授李淼也分别提出了精灵（quintom）和全息（holographic）模型。
宇宙的未来
　　如果这些替代的暗能量理论能够成立，它们所指向的将是截然不同的宇宙未来：
    根据精质等动力学标量场（scalar field）模型，宇宙的未来将复杂得多；也许将继续加速膨胀下去，也许会减缓膨胀的速度，甚至走向收缩，导致宇宙最终以与大爆炸相反的“大坍缩”（big crunch）收场。
    而根据幽灵模型，暗能量将不断增大，导致宇宙以越来越快的加速度膨胀。最终，宇宙将走向“大撕裂”（big rip）。
精灵模型则给出了一个“振荡的未来”。张新民对《财经》表示，根据他提出的这一理论，整个宇宙将在加速膨胀和减速膨胀之间反复演绎，“大坍缩”和“大撕裂”这两种极端的情况都不会出现。
    最大的困难，在于迄今为止，我们能够研究暗能量的手段仍然十分有限。目前，最主流的仍然是借助超新星的观测。但有些人担心，特别是在宇宙早期，可能超新星的亮度也不是恒定的，它也有自己的演化过程。
　　即使这种担心可以排除，鉴于这些超新星距离地球非常非常遥远，观测它们的难度，在瑞斯看来就像在两个月球的距离之外观测一个60瓦的灯泡。即使哈勃望远镜具有非常高的敏感度，也存在难以消除的系统误差。
　　通过对大尺度宇宙结构（比如星系团等）的研究，或许能为暗能量提供新的线索。一旦暗能量存在的话，星系团的形成过程可能要更慢一些，因为引力需要先克服这种斥力。
    目前，一个空间探测计划斯隆数字巡天（SDSS）已经完成了第一阶段为期五年的运行，一旦全部完成之后，这一足以覆盖四分之一的天空的精细光学成像设备，无疑将披露更多的细节。
　　据悉，目前中国科学家也正在试图利用北京附近新上马的LAMOST（大天区面积多目标光纤光谱望远镜）来观测超新星，从而探索在中国首次进行暗能量实验研究的可能性。而利用伽马暴（超大质量星体爆发而形成的宇宙高能辐射），也许将为进一步研究更早期的暗能量提供间接手段。
　　北京师范大学物理学教授朱宗宏在接受《财经》记者采访时指出，目前对于伽马暴天文学的探索还处在初级阶段，有点类似于1998年暗能量刚被发现时的超新星天文学，但其某些性质，从长期来看仍然有可能用来研究暗能量。
　　那么，是否有可能利用实验室来直接研究暗能量呢？一些人已经宣称，可以利用纳米技术来实现这一目标。瑞斯在接受《财经》采访时表示，一些科学家也希望利用短距离（short-range）的引力实验，发现暗能量的线索。
　　美国加州理工学院（CIT）的物理学家西恩卡罗尔（Sean Carroll）也对《财经》记者强调，要找到一个更具确定性的模型，不仅需要天文学上的数据，可能更需要来自粒子物理学的证据。尤其是2007年即将在欧洲投入运行的大型强子对撞机（LHC），或许“我们可以期待”。
　　不过，由于对暗能量的性质、包括与其他物质的反应机理还不清楚，很多科学家认为，短期之内还无法对实验室内的工作寄予太大希望；更为现实的渠道，或许仍来自天文观测。
　　如果不出意外，普朗克（PLANCK）探测器将于2007年一季度正式升空，它将对天空进行更加精密的探测。在接受《财经》记者采访时，皮尔姆特也表示，由它所在的实验室负责设计的超新星加速探测器（SNAP），按照计划将于2013年或者2014年升空。
　　“在未来五到十年中，我们对于暗能量的性质或许将有更加清晰的了解。”英国诺丁汉大学物理与天文学院教授克里斯托弗康瑟利斯（Christopher Conselice）对《财经》记者说。
　　几乎没有人否认，暗能量对于整个宇宙学乃至物理学而言，都不啻是一场革命。1979年诺贝尔物理学奖得主斯蒂芬温伯格（Steven Weinberg）曾明确表示，“如果不解决暗能量这个‘路障’，我们就无法全面理解基础物理学。”著名华裔物理学家、1957年诺贝尔物理学奖得主李政道也断言，暗能量将是21世纪物理学面临的最大挑战。
　　但是，何时是这个“绝对配得上诺贝尔奖”的问题的终点，目前还是一个巨大的问号。正如卡罗尔在接受《财经》记者采访时所言，“目前还没有任何理论，配得上这一奖赏。”
　　瑞斯也对《财经》记者强调，理论工作非常困难。在这样一个十分前沿的领域，何时能取得突破，的确难以预测。
　　在康瑟利斯看来，一旦暗能量得以真正证实，1998年两个超新星观测小组的负责人皮尔姆特、施密特，以及其他从事宇宙背景微波辐射研究工作的，都是比较有可能的候选人。也就在2006年6月，皮尔姆特、施密特和瑞斯三人，因在这个领域的杰出贡献，共同分享了该年度的“邵逸夫天文学奖”。
　　当然，这场长跑刚刚过去了不足九个年头，真正的竞争或许刚刚开始。■