暗能量真的存在吗？
时间:2015-04-24 作者:环球科学 点击:次
 科学界最伟大的革命，往往由现实和预期之间最细微的差异所引发。16世纪，哥白尼提出地球并非宇宙中心，他的立论基础在当时许多人看来，不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节。今天，一场新的科学革命，已经随着11年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕。超新星亮度上的细微差异，曾让天文学家得出结论：构成宇宙的所有物质成分当中，有70%是完全未知的。也就是说，空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分——它们始终推动着宇宙膨胀，而不像其他物质那样阻碍膨胀。这种成分被称为暗能量（dark energy）。 10多年过去了，一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议，甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设。其中一个假设正是早期科学革命的产物——哥白尼原理（Copernican principle）。这个原理认为，地球所处的位置既不是宇宙中心，也没有任何特殊之处。如果我们抛弃这一基本原理，一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景，就会令人惊讶地显现出来。 大多数人都非常熟悉这样一个观念：我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘，在一个毫不起眼的星系边缘附近，围绕着一颗普普通通的恒星旋转。在我们这个宇宙当中，类似的星系至少有数十亿，分布之广甚至超过我们的宇宙视界（cosmic horizon，即我们能够观测到的最远边界）——这使我们相信，自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处。不过，有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观？我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢？天文学家通常会跳过这些问题，假定我们的微不足道是显而易见的，不需要进一步探讨。我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置——考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的。然而，这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点。 具有讽刺意味的是，假设自己在宇宙中无足轻重，恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力。根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理（cosmological principle）声称：任何时刻，从空间中的任意一点朝任意方向看去，宇宙的模样都是一样的。这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙。宇宙学家已经付出了巨大的努力，以宇宙学原理为基础，构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型。结合现代科学对空间、时间和物质的理解，宇宙学原理暗示：空间正在膨胀，宇宙正在变冷，其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹——所有这些预言都被天文观测一一证实。 比如说，天文学家发现，遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些。这种被称为红移（redshift）的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释，因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长。微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射——宇宙微波背景（cosmic microwave background）。这种大爆炸原始火球的遗迹，像一层帷幕包裹在空间各个方向，平滑得几乎完美无瑕。公平地讲，能成功解释这些现象，我们自视谦卑的态度实在功不可没——假设自己在宇宙中的位置越不重要，我们就越能够“全面”地探讨宇宙。 黑暗降临 既然如此，为什么我们不能安于现状？如果宇宙学原理真的如此成功，为什么还要去质疑它？问题就在于，天文观测有了一些非常奇怪的结果。过去十年来，天文学家发现，对于红移程度确定的遥远超新星来说，观测到的亮度总是暗于预期。超新星的红移标明了自它爆炸以来空间膨胀的幅度。测出遥远超新星发光的红移程度，宇宙学家就能推断，这颗超新星爆炸时宇宙的尺寸比今天小多少。超新星红移程度越高，它爆炸时宇宙的尺寸就越小，因此从那时起到现在，宇宙膨胀的幅度也就越大。 超新星的观测亮度给我们提供了一种方法，能够测量它到我们的距离，从而揭示这颗超新星爆炸距今有多久。如果一颗超新星的红移程度已经确定，而它的亮度看起来又低于预期，这颗超新星的距离就一定比天文学家认为的更远。它发的光需要更长的时间才能传到我们这里，这意味着宇宙从当时的大小膨胀到现在的大小，一定花了更久的时间。因此，宇宙过去的膨胀速度一定比科学家以前预期的更缓慢。事实上，遥远的超新星看上去非常暗，以至于宇宙必须加速膨胀才能赶上它目前的膨胀速度。 这种加速膨胀触发了一场宇宙学革命：宇宙中的物质本该吸引时空结构，使膨胀速度逐渐放缓，但超新星数据暗示，情况恰恰相反。如果宇宙学家接受宇宙学原理，并且假设加速膨胀出现在宇宙各处，我们就能得出这样一个结论：宇宙中必定充斥着一种能够产生排斥力的奇异能量——暗能量。 在物理学家用来描述基本粒子和作用力的标准模型中，没有任何东西与暗能量相符。这是一种尚未被直接观测到的物质，它的性质不同于我们以往看到的任何东西，能量密度也比我们能够作出的最简单设想低了120个数量级（根据量子场论推算出的真空能，能量密度是暗能量的10 120 倍）。对于暗能量可能是什么，物理学家有了一些想法，但至今仍然纯属推测。简而言之，对于暗能量，我们几乎可以说是一无所知。不论暗能量可能是什么，研究人员正在着手进行一系列雄心勃勃、耗资巨大的地面和空间探测任务，用来寻找暗能量并测定它的性质。对许多人来说，这是现代宇宙学面临的最艰巨挑战。 光明之路 面对如此不可思议、看起来不太可能存在的暗能量，一些研究人员开始重新思考“暗能量存在”的推导过程，质疑起当时的一个根本假设——我们在宇宙中所处的位置到底是不是很普通，我们观测到的现象能不能推广到宇宙各处？如果抛开宇宙学原理，暗能量存在的证据能不能通过其他方式来解释？ 在传统宇宙学描述中，“宇宙膨胀”指的是宇宙作为一个整体发生的膨胀。就如同谈论一个正在充气的气球：我们说气球充到了多大，指的是整个气球的大小，而不会具体到气球上每一小块膨胀了多少。不过，我们都在聚会场合见到过一些奇形怪状的气球，它们的膨胀并不均匀。比如长条状气球充气时，侧边上的一圈会迅速膨胀，然后鼓起来的部分才会向长条的另一端延伸过去。在抛弃宇宙学原理的另一种宇宙学观点中，空间也能够不均匀膨胀。一幅复杂得多的宇宙图景就此浮出水面。 |