宇宙暗能量

宇宙暗能量幽靈

暗能量幽靈
《財經》雜誌 /總176期  [2007-01-08]
　何時是這個“絕對配得上諾貝爾獎”的問題的終點，還是一個巨大的問號。目前還沒有任何理論配得上這一獎賞

何時是這個“絕對配得上諾貝爾獎”的問題的終點，還是一個巨大的問號。目前還沒有任何理論配得上這一獎賞

    宇宙是如何誕生並且演化到今天的？其未來又將走向何方？這個科學命題——或者說哲學命題，數千年來一直困擾著人類。
　　大約14年前，人們一度以為有了完美的答案：通過對於宇宙背景微波輻射的觀測，天文學家最終驗證了1929年愛德文哈勃（Edwin Hubble）的猜想，即宇宙誕生於大約137億年前的大爆炸（Big Bang）。之後，隨著宇宙的演化，銀河係、太陽係、地球，乃至我們人類自身，都陸續登場。
　　2006年10月，正是憑借這一重要成就，美國科學家喬治斯穆特（George F Smoot）、約翰馬瑟（John C Mather）分享了該年度的諾貝爾物理學獎。
　　但我們對宇宙的了解，顯然也還剛剛開始。就在此一個月後，美國航空航天局（NASA）公布的最新研究結果表明：至少在90億年前，一種被稱為“暗能量”（dark energy）的神秘力量已經存在。
　　也就是說，在整個宇宙誕生後不到50億年時，就開始受到暗能量影響。而此前，科學家普遍認為，在宇宙的早期，或許這種力量並不存在，因為那個時候主宰一切的還是我們熟悉的引力。
　　盡管這一結果仍不能確定地告訴我們宇宙的未來是怎樣的，但顯然，它為我們徹底理解宇宙的運行規律帶來了新的曙光。相關的論文也將發表在2007年2月美國《天體物理學報》（The Astrophysical Journal）上。
　　這一研究小組的負責人、美國約翰霍普金斯大學（John Hopkins）教授阿德姆瑞斯（Adam Riess）在接受《財經》記者采訪時表示：“我們距離真正了解暗能量仍然很遠。但很顯然，這是非常重要的一步，因為它給出了更多的‘線索’（clue）。”
宇宙為什麽加速膨脹？
    暗能量的發現過程極富戲劇性。
    按照宇宙大爆炸理論，在大爆炸發生之後，隨著時間的推移，宇宙的膨脹速度將因為物質之間的引力作用而逐漸減慢，就像緩慢踩了刹車的汽車一樣。也就是說，距離地球相對遙遠的星係，其膨脹速度應該比那些近的星係慢一些。
　　但1998年，美國加州大學伯克利分校（UC Berkeley）物理學教授、勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）高級科學家索爾皮爾姆特（Saul Perlmutter），以及澳大利亞國立大學布賴恩施密特（Brian Schmidt）分別領導的兩個小組，通過觀測發現，那些遙遠的星係正在以越來越快的速度遠離我們。
　　換句話說，宇宙是在加速膨脹，仿佛一輛不斷踩油門的汽車，而不是像此前科學家所預測的那樣處於減速膨脹狀態。
　　這樣一個完全出乎意料的觀測結果，從根本上動搖了對宇宙的傳統理解。那麽到底是什麽樣的力量，在促使所有的星係或者其他物質加速遠離呢？
　　科學家們將這種與引力相反的斥力來源，稱為“暗能量”。但“暗能量”到底意味著什麽？至今我們能夠給出的，隻是一個十分粗略的宇宙結構“金字塔圖景”：
　　我們所熟悉的世界，即由普通的原子構成的一草一木、山河星月，僅占整個宇宙的4％，相當於金字塔頂的那一塊。
　　下麵的22％，則為暗物質。這種物質由仍然未知的粒子構成，它們不參與電磁作用，無法用肉眼看到。但其和普通物質一樣，參與引力作用，因此仍可能探測到。
　　作為塔基的74％，則由最為神秘的暗能量構成。它無處不在，無時不在，由於我們對其性質知之甚少，所以科學家還不清楚如何在實驗室中驗證其存在。惟一的手段，仍然是通過天文觀測這種間接手段來了解其奧秘。
　　對Ia類型超新星（supernova）的爆發進行觀測，則是目前最主要觀測手段。這種超新星是由雙星係統中的白矮星（white dwarf）爆炸形成的，亮度幾乎恒定。這樣，通過測量其亮度，就可以知道其和地球之間的距離，進而了解其速度。
　　借助哈勃這樣靈敏的天文儀器的幫助，我們至少可以觀測到90億光年之外，即了解宇宙在90億年前的信息。
　　霍普金斯大學教授阿德姆瑞斯給我們展示的最新“暗能量”場景如下：
　　在大爆炸後的初期，宇宙經曆了一個急速膨脹階段。此後，由於暗物質以及物質之間的距離非常接近，在引力作用下，宇宙的膨脹速度開始減速。
　　然而，至少在90億年前，宇宙中另外一種力量——表現為排斥力量的暗能量已經出現，並且開始逐步抵消引力作用。
　　隨著宇宙的膨脹，不斷增長的暗能量終於在大約50億至60億年前超越引力。此後，宇宙從減速膨脹，轉變為加速膨脹狀態，並且一直持續至今。

愛因斯坦的遺產
　　中國科學技術大學物理學教授李淼曾經半開玩笑地表示：“有多少暗能量專家，就有多少暗能量模型。”也許這種說法不無誇張之處，但暗能量在理論方麵的混沌狀況，從中也可見一斑。
　　其中，最具戲劇性的理論，則是複活愛因斯坦當年提出的“宇宙常數”（cosmological constant）。1917年，被認為是整個20世紀最偉大的科學家阿爾伯特愛因斯坦（Albert Einstein），為了建立一個穩態宇宙模型，最早提出了這個概念。不過，後來就連他本人也承認，“宇宙常數”隻是一個錯誤的概念。
　　但暗能量的存在，則為宇宙常數提供了新的可能性。如果暗能量就是這個宇宙常數的話，那麽它的力量強弱將隻和宇宙的大小有關。隨著宇宙的膨脹，其體積逐漸增大，因而暗能量也將逐漸增大。最終，它會達到一個臨界點，使得宇宙從減速狀態變成加速狀態，並且一直加速下去。
　　中國科學院高能物理所研究員張新民在接受《財經》記者采訪時指出，迄今為止的觀測結果，包括瑞斯最新的結果在內，與愛因斯坦的宇宙常數理論“都很符合”。
　　但是，宇宙常數距離成為一種確定性的暗能量理論還差得很遠。一些科學家半開玩笑地說，按照這種模型，宇宙將一成不變地加速膨脹下去，未免太“枯燥”（boring）了一些。
　　當然，最為致命的是，按照量子場論計算出來的宇宙常數，比天文觀測獲得的上限至少也要高出10的120次方倍。
　　一個最為詭異但不乏科學依據的解釋，是“多宇宙論”。觀測和理論或許都沒有錯，事實上，在我們生存的宇宙之外，還存在多到無法計數的其他的宇宙。科學家們可以想像到的宇宙數量不是以萬或者億來計算的，很可能多到10的1000次方個。
　　每個宇宙都有不同的宇宙常數，而我們恰恰生存在一個宇宙常數很小的宇宙中。仿佛冥冥之中有一個“上帝之手”，把一個適合智慧生命生存的宇宙呈現在我們麵前。
　　但對於這種寄希望多宇宙存在的“人擇原理”（anthropic principle），在天文學家和物理學家中間都存在很大的爭議。中國科學院高能物理所研究員張新民對《財經》記者說，很多人認為這僅僅是一種猜想而已，還遠遠談不上“原理”。
　　更為尖銳的批評，則認為這種解釋與其說是一種科學理論，倒不如說更像一種宗教信仰。
    為避免這種衝突，科學家們提出個各種暗能量理論，來代替宇宙常數模型。其中比較有代表性的包括精質（quintessence）模型、幽靈（phantom）模型等，張新民和中國科學技術大學物理學教授李淼也分別提出了精靈（quintom）和全息（holographic）模型。
宇宙的未來
　　如果這些替代的暗能量理論能夠成立，它們所指向的將是截然不同的宇宙未來：
    根據精質等動力學標量場（scalar field）模型，宇宙的未來將複雜得多；也許將繼續加速膨脹下去，也許會減緩膨脹的速度，甚至走向收縮，導致宇宙最終以與大爆炸相反的“大坍縮”（big crunch）收場。
    而根據幽靈模型，暗能量將不斷增大，導致宇宙以越來越快的加速度膨脹。最終，宇宙將走向“大撕裂”（big rip）。
精靈模型則給出了一個“振蕩的未來”。張新民對《財經》表示，根據他提出的這一理論，整個宇宙將在加速膨脹和減速膨脹之間反複演繹，“大坍縮”和“大撕裂”這兩種極端的情況都不會出現。
    最大的困難，在於迄今為止，我們能夠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觀測。但有些人擔心，特別是在宇宙早期，可能超新星的亮度也不是恒定的，它也有自己的演化過程。
　　即使這種擔心可以排除，鑒於這些超新星距離地球非常非常遙遠，觀測它們的難度，在瑞斯看來就像在兩個月球的距離之外觀測一個60瓦的燈泡。即使哈勃望遠鏡具有非常高的敏感度，也存在難以消除的係統誤差。
　　通過對大尺度宇宙結構（比如星係團等）的研究，或許能為暗能量提供新的線索。一旦暗能量存在的話，星係團的形成過程可能要更慢一些，因為引力需要先克服這種斥力。
    目前，一個空間探測計劃斯隆數字巡天（SDSS）已經完成了第一階段為期五年的運行，一旦全部完成之後，這一足以覆蓋四分之一的天空的精細光學成像設備，無疑將披露更多的細節。
　　據悉，目前中國科學家也正在試圖利用北京附近新上馬的LAMOST（大天區麵積多目標光纖光譜望遠鏡）來觀測超新星，從而探索在中國首次進行暗能量實驗研究的可能性。而利用伽馬暴（超大質量星體爆發而形成的宇宙高能輻射），也許將為進一步研究更早期的暗能量提供間接手段。
　　北京師範大學物理學教授朱宗宏在接受《財經》記者采訪時指出，目前對於伽馬暴天文學的探索還處在初級階段，有點類似於1998年暗能量剛被發現時的超新星天文學，但其某些性質，從長期來看仍然有可能用來研究暗能量。
　　那麽，是否有可能利用實驗室來直接研究暗能量呢？一些人已經宣稱，可以利用納米技術來實現這一目標。瑞斯在接受《財經》采訪時表示，一些科學家也希望利用短距離（short-range）的引力實驗，發現暗能量的線索。
　　美國加州理工學院（CIT）的物理學家西恩卡羅爾（Sean Carroll）也對《財經》記者強調，要找到一個更具確定性的模型，不僅需要天文學上的數據，可能更需要來自粒子物理學的證據。尤其是2007年即將在歐洲投入運行的大型強子對撞機（LHC），或許“我們可以期待”。
　　不過，由於對暗能量的性質、包括與其他物質的反應機理還不清楚，很多科學家認為，短期之內還無法對實驗室內的工作寄予太大希望；更為現實的渠道，或許仍來自天文觀測。
　　如果不出意外，普朗克（PLANCK）探測器將於2007年一季度正式升空，它將對天空進行更加精密的探測。在接受《財經》記者采訪時，皮爾姆特也表示，由它所在的實驗室負責設計的超新星加速探測器（SNAP），按照計劃將於2013年或者2014年升空。
　　“在未來五到十年中，我們對於暗能量的性質或許將有更加清晰的了解。”英國諾丁漢大學物理與天文學院教授克裏斯托弗康瑟利斯（Christopher Conselice）對《財經》記者說。
　　幾乎沒有人否認，暗能量對於整個宇宙學乃至物理學而言，都不啻是一場革命。1979年諾貝爾物理學獎得主斯蒂芬溫伯格（Steven Weinberg）曾明確表示，“如果不解決暗能量這個‘路障’，我們就無法全麵理解基礎物理學。”著名華裔物理學家、1957年諾貝爾物理學獎得主李政道也斷言，暗能量將是21世紀物理學麵臨的最大挑戰。
　　但是，何時是這個“絕對配得上諾貝爾獎”的問題的終點，目前還是一個巨大的問號。正如卡羅爾在接受《財經》記者采訪時所言，“目前還沒有任何理論，配得上這一獎賞。”
　　瑞斯也對《財經》記者強調，理論工作非常困難。在這樣一個十分前沿的領域，何時能取得突破，的確難以預測。
　　在康瑟利斯看來，一旦暗能量得以真正證實，1998年兩個超新星觀測小組的負責人皮爾姆特、施密特，以及其他從事宇宙背景微波輻射研究工作的，都是比較有可能的候選人。也就在2006年6月，皮爾姆特、施密特和瑞斯三人，因在這個領域的傑出貢獻，共同分享了該年度的“邵逸夫天文學獎”。
　　當然，這場長跑剛剛過去了不足九個年頭，真正的競爭或許剛剛開始。■