俠骨柔情
浪跡天涯，追月尋夢
●宇宙看起來似乎正在加速膨脹，表明宇宙中存在一種奇怪的未知能量形式——暗能量。問題在於，沒有人知道暗能量到底是什麽。
●宇宙學家或許根本不需要求助於什麽暗能量。如果我們居住在一個物質密度低於宇宙平均水平的空間區域，宇宙膨脹的速率就會隨位置的不同而發生變化，這就有可能被誤認為是膨脹速率在隨時間流逝而加速。
●在大多數宇宙學家看來，超級宇宙巨洞似乎很不靠譜，不過暗能量同樣很不靠譜。未來幾年的觀測數據將判定這兩種說法誰對誰錯。
大尺度上物質密度的不同導致空間非均勻膨脹，可能產生天文學家通常歸因於暗能量的觀測效應。
科學界最偉大的革命，往往由現實和預期之間最細微的差異所引發。16世紀，哥白尼提出地球並非宇宙中心，他的立論基礎在當時許多人看來，不過是天體運動中一些深奧難懂的細枝末節。今天，一場新的科學革命，已經隨著11年前宇宙加速膨脹的發現而拉開序幕。超新星亮度上的細微差異，曾讓天文學家得出結論：構成宇宙的所有物質成分當中，有70%是完全未知的。也就是說，空間中充斥著一種不同於其他任何物質的成分——它們始終推動著宇宙膨脹，而不像其他物質那樣阻礙膨脹。這種成分被稱為暗能量(dark energy)。
10多年過去了，一些宇宙學家依然對暗能量的存在感到不可思議，甚至開始重新思考那些最初令他們推導出暗能量的基本假設。其中一個假設正是早期科學革命的產物——哥白尼原理(Copernican principle)。這個原理認為，地球所處的位置既不是宇宙中心，也沒有任何特殊之處。如果我們拋棄這一基本原理，一套能夠解釋這些觀測現象而又不需要借助暗能量的宇宙圖景，就會令人驚訝地顯現出來。
大多數人都非常熟悉這樣一個觀念：我們這顆行星不過是一粒宇宙微塵，在一個毫不起眼的星係邊緣附近，圍繞著一顆普普通通的恒星旋轉。在我們這個宇宙當中，類似的星係至少有數十億，分布之廣甚至超過我們的宇宙視界(cosmic horizon，即我們能夠觀測到的最遠邊界)——這使我們相信，自己在宇宙中的位置沒有任何獨一無二之處。不過，有什麽證據能夠支持如此謙卑的宇宙觀？我們又如何才能確定自己是否處在一個特殊位置上呢？天文學家通常會跳過這些問題，假定我們的微不足道是顯而易見的，不需要進一步探討。我們或許真的處在宇宙中一個特殊的位置——考慮這樣一種可能性在許多人看來似乎是不可思議的。然而，這正是世界各地一些物理學家小組最近正在認真思考的觀點。
具有諷刺意味的是，假設自己在宇宙中無足輕重，恰恰給宇宙學家提供了強大的解釋能力。根據哥白尼原理歸納而成的宇宙學原理 (cosmological principle)聲稱：任何時刻，從空間中的任意一點朝任意方向看去，宇宙的模樣都是一樣的。這個假設讓我們可以把自己在宇宙一隅看到的東西外推到整個宇宙。宇宙學家已經付出了巨大的努力，以宇宙學原理為基礎，構建起了代表科學最高水準的宇宙學模型。結合現代科學對空間、時間和物質的理解，宇宙學原理暗示：空間正在膨脹，宇宙正在變冷，其中充斥著來自熾熱宇宙開端的遺跡——所有這些預言都被天文觀測一一證實。
比如說，天文學家發現，遙遠星係發的光似乎比鄰近星係發的光更紅一些。這種被稱為紅移(redshift)的現象就能夠用空間膨脹來巧妙解釋，因為光波也會隨空間的膨脹而被相應地拉長。微波探測器還發現了宇宙極早期發出的輻射——宇宙微波背景(cosmic microwave background)。這種大爆炸原始火球的遺跡，像一層帷幕包裹在空間各個方向，平滑得幾乎完美無瑕。公平地講，能成功解釋這些現象，我們自視謙卑的態度實在功不可沒——假設自己在宇宙中的位置越不重要，我們就越能夠“全麵”地探討宇宙。
黑暗降臨
遙遠的超新星總是暗於科學家的預期，如果堅持宇宙學原理，這就意味著宇宙中存在暗能量。
既然如此，為什麽我們不能安於現狀？如果宇宙學原理真的如此成功，為什麽還要去質疑它？問題就在於，最近的天文觀測有了一些非常奇怪的結果。過去十年來，天文學家發現，對於紅移程度確定的遙遠超新星來說，觀測到的亮度總是暗於預期。超新星的紅移標明了自它爆炸以來空間膨脹的幅度。測出遙遠超新星發光的紅移程度，宇宙學家就能推斷，這顆超新星爆炸時宇宙的尺寸比今天小多少。超新星紅移程度越高，它爆炸時宇宙的尺寸就越小，因此從那時起到現在，宇宙膨脹的幅度也就越大。
超新星的觀測亮度給我們提供了一種方法，能夠測量它到我們的距離，從而揭示這顆超新星爆炸距今有多久。如果一顆超新星的紅移程度已經確定，而它的亮度看起來又低於預期，這顆超新星的距離就一定比天文學家認為的更遠。它發的光需要更長的時間才能傳到我們這裏，這意味著宇宙從當時的大小膨脹到現在的大小，一定花了更久的時間(參見右頁)。因此，宇宙過去的膨脹速度一定比科學家以前預期的更緩慢。事實上，遙遠的超新星看上去非常暗，以至於宇宙必須加速膨脹才能趕上它目前的膨脹速度。
這種加速膨脹觸發了一場宇宙學革命：宇宙中的物質本該吸引時空結構，使膨脹速度逐漸放緩，但超新星數據暗示，情況恰恰相反。如果宇宙學家接受宇宙學原理，並且假設加速膨脹出現在宇宙各處，我們就能得出這樣一個結論：宇宙中必定充斥著一種能夠產生排斥力的奇異能量——暗能量。
在物理學家用來描述基本粒子和作用力的標準模型中，沒有任何東西與暗能量相符。這是一種尚未被直接觀測到的物質，它的性質不同於我們以往看到的任何東西，能量密度也比我們能夠作出的最簡單設想低了120個數量級(根據量子場論推算出的真空能，能量密度是暗能量的 10120倍)。對於暗能量可能是什麽，物理學家有了一些想法，但至今仍然純屬推測。簡而言之，對於暗能量，我們幾乎可以說是一無所知。不論暗能量可能是什麽，研究人員正在著手進行一係列雄心勃勃、耗資巨大的地麵和空間探測任務，用來尋找暗能量並測定它的性質。對許多人來說，這是現代宇宙學麵臨的最艱巨挑戰。
哥白尼的遺產
哥白尼原理認為，地球並不處在宇宙中某個特殊的位置上。宇宙擁有一個統一的密度(均勻性)，往任何方向看過去都一樣(各向同性)。
這個原理盡管很有影響力，但隻適用於遠遠大於星係的尺度。畢竟，如果完全均勻，宇宙就會變成一鍋稀薄的原子“稀粥”，不可能會有燦爛的星係了。另外，這個原理隻適用於空間，而不適用於時間。我們確實生活在一段特殊時期——距離大爆炸足夠久，使複雜的生命得以形成；又距離大爆炸足夠近，因而宇宙中的恒星仍在閃耀，還沒有全部熄滅。
哥白尼通常被視作一個象征，標誌著人類從所有重要的位置上被拉下馬來。不過，加拿大不列顛哥倫比亞大學的曆史學家丹尼斯·丹尼爾森(Dennis Danielson)認為，盡管哥白尼之前的歐洲人將地球置於宇宙中心，但他們並不認為這個中心是一個重要的位置，恰恰相反——用伽利略的話來說，這裏隻是“宇宙中汙穢和蜉蝣聚集的汙水池”。
光明之路
如果我們生活在一個足夠巨大的宇宙巨洞內部，解釋超新星觀測數據就可以完全不需要暗能量
麵對如此不可思議、看起來不太可能存在的暗能量，一些研究人員開始重新思考“暗能量存在”的推導過程，質疑起當時的一個根本假設——我們在宇宙中所處的位置到底是不是很普通，我們觀測到的現象能不能推廣到宇宙各處？如果拋開宇宙學原理，暗能量存在的證據能不能通過其他方式來解釋？
在傳統宇宙學描述中，“宇宙膨脹”指的是宇宙作為一個整體發生的膨脹。就如同談論一個正在充氣的氣球：我們說氣球充到了多大，指的是整個氣球的大小，而不會具體到氣球上每一小塊膨脹了多少。不過，我們都在聚會場合見到過一些奇形怪狀的氣球，它們的膨脹並不均勻。比如長條狀氣球充氣時，側邊上的一圈會迅速膨脹，然後鼓起來的部分才會向長條的另一端延伸過去。在拋棄宇宙學原理的另一種宇宙學觀點中，空間也能夠不均勻膨脹。一幅複雜得多的宇宙圖景就此浮出水麵。
我們不妨看一看下麵這種模型，這是南非開普敦大學(University of Cape Town)的喬治·埃利斯(George Ellis)、查爾斯·赫拉比(Charles Hellaby)和納齊姆·穆斯塔法(Nazeem Mustapha)最先提出，後來被法國巴黎-默東天文台(Paris-Meudon Observatory)的瑪麗-諾埃勒·塞萊裏耶(Marie-Noelle Célérier)進一步發展的：首先，假設宇宙各處膨脹都在減速，因為物質總是在吸引時空，阻止它向外膨脹；然後，假設我們居住在一個超級龐大的宇宙巨洞(cosmic void)之中——巨洞內部並非空無一物，隻不過平均物質密度僅為其他地方的一半甚至三分之一。一塊空間區域越是空曠，內部包含的、能減緩空間膨脹的物質就越少；因此，巨洞內部的膨脹速度要比其他地方更快——正中央膨脹最為迅速，越靠近邊緣膨脹越慢，因為巨洞外密度較高的區域在邊緣附近已經開始發揮作用了。任何時刻，空間不同部分的膨脹速度都不相同，就像那些奇形怪狀的氣球充氣時膨脹不均勻一樣。
設想一些超新星在這個不均勻宇宙中的不同位置爆發，有些靠近巨洞中心，有些靠近巨洞邊緣，還有一些位於巨洞之外。如果我們靠近巨洞中心，一顆超新星距離我們越遠，它周圍空間的膨脹速度就越慢。它發出的光在向我們傳播的過程中，所經區域的膨脹速度會越來越快。光經過每一塊區域，空間膨脹都會把光波拉長一點，這種效應累積起來產生了我們觀測到的紅移。光在這樣一個宇宙中傳播一定距離後產生的紅移，要比在以相同速度(即我們周邊的膨脹速度)整體膨脹的宇宙中產生的紅移略低一些。反過來，光在這樣一個宇宙中要達到一定的紅移，它的傳播距離就必須比膨脹速度一致的宇宙裏光的傳播距離更長——也就是說，這顆超新星必須離我們更遠，因而看起來更暗。
換句話說，這個模型把膨脹速度的變化從時間上“轉移”到了空間上。通過這種方式，宇宙學家不需要引入暗能量，就能解釋“超新星亮度暗於預期”這一觀測事實。為了讓這套“另類”解釋行得通，我們必須生活在一個真正達到宇宙尺度的巨洞之中。超新星觀測的範圍已經延伸到幾十億光年之外，占據了整個可觀測宇宙中很大的一部分。要想解釋這些觀測數據，巨洞的大小就必須達到類似的尺度。無論以誰的標準來看，這都足夠稱得上“巨大”了。
蒂莫西·克利夫頓(左)和佩得羅·G·費雷拉(右)都是英國牛津大學的宇宙學家。他們的研究領域相同，都是早期宇宙物理學和愛因斯坦廣義相對論的潛在修正模型。
克利夫頓還熱衷於品酒，他說生活中真正讓他感興趣的是勃艮第葡萄酒。費雷拉是暢銷天文學圖書《宇宙狀態》(The State of the Universe)的作者，他位於牛津的住所裏正在舉辦一個藝術創作係列活動，他還參與了許多支持非洲科學教育的項目。
Ｈmmm，《The Grand Design》？
還是等著飄俠兄的解說吧，我是一定看不懂撩~~~~~
我剛買來了霍金的新書《The Grand Design》在學習中...
兩篇我都讀了好幾遍，總算讀懂了(或許還是一知半解)~~~~~ 其實我每一次到另外的國家或陌生的城市時，都會有世界是那麽虛幻，宇宙是那麽奧妙的感覺。。。
謝謝好文，做科學家真是不容易哈，太深奧了~~~~~